JP2000501995A - 高い強度と加工性のアルミ合金製薄帯材製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は高い機械強度と優れた加工性を示すアルミ合金帯材製造法に関するものである。この方法は：ａ）０．５％から１３％のＳｉと、０％から２％のＭｇおよび／または０％から１％のＭｎおよび／または０％から２％のＣｕまたはおよび／または０％から２％のＦｅ、その他の元素をそれぞれ０．５％未満、合計２％（重量で）含有するアルミ合金を製錬する過程と；ｂ）１．５ｍｍから５ｍｍの間の厚みの帯材を得るために２本の冷却シリンダの間でこの合金を連続鋳造する過程であって、帯材の厚み・比応力グラフの中でシリンダにかかる応力がＡ、Ｂ、Ａ’とＢ’が次の座標を有する直線ＡＢの下、好適には直線Ａ'Ｂ’の下に維持される過程と；Ａ： １．５ｍｍ ７５０ｔ／ｍ Ａ’ ： １．５ｍｍ ７００ｔ／ｍＢ： ５ｍｍ ５００ｔ／ｍ Ｂ’ ： ５ｍｍ ３００ｔ／ｍｃ）必要に応じてこの帯材を冷間圧延する過程とから成る。帯材は例えば、自動車車体要素の製造に使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 高い強度と加工性のアルミ合金製薄帯材製造法 技術の分野 本発明は２本の冷却シリンダの間の連続鋳造と必要に応じて冷間圧延による 、添加元素として珪素と必要に応じてマグネシウム、マンガンおよび／または銅 を含むアルミ合金の厚みが５ｍｍ未満の帯材製造法に関するものであって、この 帯材は高い機械強度と優れた加工性を示し、自動車車体を始めとする、機械的用 途に向けられる。 現状技術 自動車車体などの機械的分野向けのアルミ合金帯材は板の半連続鋳造、熱間 圧延および冷間圧延で通常製錬され、中間および仕上げにいくつかの熱処理が行 われる。 また、連続鋳造方法、特に２本の冷却シリンダの間の連続鋳造も使用可能で 、この鋳造法には熱間圧延作業を制限するか、しばしば、省略できるという利点 があるが、添加元素の多い合金では実施が困難である。 例えば、ＡＬＣＡＮの米国特許第４１２６４８６号には厚みが５ｍｍと８ｍ ｍの間の帯材の、毎分０．２５ｍを超える速度での２本の冷却シリンダの間の連 続鋳造と、それに続く６０％を超える縮小率での冷間圧延と焼きなましなどによ って得られた、必要に応じてＭｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｆｅおよび／またはＭｎを添加 したＡｌＳｉ合金帯材(Ｓｉは重量で４から１５％含有）の製造方法が記載され ている。 小棒状の金属間化合物を有する鋳造構造が得られ、それが冷間圧延によって 細かい粒子に変形され、形成性が向上する。 ＳＫＹ ＡＬＵＭＩＮＵＭの日本の特許出願ＪＰ６２−２０７８５１は厚み が３ｍｍと１５ｍｍの間の帯材の連続鋳造と、それに続く冷間圧延、溶解と焼き 入 れによって得られた、細かい金属間構造の、Ｓｉが０．４％と２．５％の間に、 Ｍｇが０．１％と１．２％（重量で）の間に含まれるＡｌＳｉＭｇ合金の帯材に 関するものである。この帯材は自動車車体に、また空調機やガソリンタンクなど の他の機械的用途にも使用できる。 この合金製品は従来の鋳造法で得られる６０００シリーズのアルミ合金の従 来の組成物の分野に位置付けられるもので、銅と珪素の硬化力は利用されていな い、なぜならそれらの加工性は珪素の粗大相の存在によって制限され、そのこと がその用途を限定するからである。 一般的にシリンダの間の連続鋳造による添加元素の非常に多い合金の製造に は問題がある、なぜなら金属間相の存在が鋳造の際にその後の加工に不適な微小 構造に成りうるからである。たとえ添加元素が少ないものであっても、高い機械 強度と優れた加工性を同時に有するアルミ合金の帯材を得ようとするときは、こ の問題に関する文献には、シリンダの間に大きな力を加えて、分離のない、健全 な微小構造が得られるようにすることが推奨されている。 例えば、ＤＡＶＹ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ社のＰ．Ｍ．ＴＨＯＭＡＳ とＰ．Ｇ．ＧＲＯＣＯＣＫは１９９４年１０月２６−２８日のアトランタ（米国 ）でのＡＬＵＭＩＴＥＣＨ会議での"Hgh speed thin strip casting comcs of a ge"と題する発表において、純粋なアルミ、あるいはアルミ軽合金について、帯 材の幅１ｍｍあたり０．５tから１ｔ程度の大きな応力をシリンダにかける必要 があると指摘しており、そのため反ったシリンダを使用することになる。 この著者らによれば、鋳造帯材の厚みが小さいほどこの応力は大きくなけれ ばならない。加えられた応力が中心分離の出現に対して及ぼす影響は論文の中に 状態図の形でまとめられ、図１に表されているが、この図は加えた応力と帯材の 厚みに応じた分離出現限界を示している。著者らによればこの状態図は、比較的 低い応力を除いて、あらゆる条件で中心まで微小構造欠陥のない微小構造を得る ことが可能であることを示している。厚みが小さくなるほど、構造に分離を起こ さないためにより高い比応力が必要になる。 ＨＵＮＴＥＲ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ社のＢ．ＴＡＲＡＧＬＩＯと Ｃ．ＲＯＭＡＮＯＷＳＫＩによるＡＩＭＥ／ＴＭＳ ＬｉｇｈｔＭｅｔａｌｓ９ ５会議における”Thin-gauge/High-speed roll casting technogy for foil pro duction"と題する発表ではシリンダ間連続鋳造の際に使用される圧延機の出力は ３０００ｔである。この値はシリンダ間連続鋳造の際に大きな応力を用いる必要 があることを強調するものである。明らかに、この応力を減らすことには大きな 利益がある、なぜならそれによってもっと軽量で、もっと安価な機械を製造する ことが可能になるからである。 当業者には自明のごとく、また前記論文から明らかなように、シリンダ間連 続鋳造機械の作用点は３つの変数で記述される：シリンダによって帯材にかかる 応力（帯材の幅１ｍあたりのトン数で表される）、シリンダから出た帯材の厚み （単位：ｍｍ）と鋳造速度（単位：ｍ／分）。これらの変数の任意の２つが独立 して調節可能であり、このようにして定義されたそれぞれの作用点について、得 られた製品の質と機械の生産性が方法による工業的利益を決定する。 要約すると、現状技術は高い応力の領域内で作用点を探す必要があり、合金 の添加元素が増すほどその必要があることを教示している。他方、これまではシ リンダ間連続鋳造で添加率の非常に高い合金は製造されていないことがわかる。 それは例えば、上述のＢ．ＴＡＲＡＧＬＩＯらの論文の、そこに説明された鋳造 機械によって鋳造可能なものが示されている表１の合金のリストからわかる。 発明の目的 発明者らは、先行技術の教示に反して、シリンダ間の低い応力レベルに対応 する作用点の使用が、意外なことに、より大きな応力で鋳造された帯材に比べて 鋳造帯材の微小構造の質の改善を促し、それまで鋳造では実現できなかった珪素 、マグネシウム、マンガンおよび／または銅が添加された、とくにＡｌＳｉＭｇ およびＡｌＳｉＭｇＣｕ合金で高い機械的特性と優れた加工性を示す合金、の薄 い帯材を得ることが可能であることに気づいた。 したがって、本発明の目的は高い機械強度と優れた加工性を示すアルミ合金 帯材製造法であり、 ・０．５％から１３％のＳｉと、０％から２％のＭｇおよび／または０％から１ ％のマンガンおよび／または０％から２％のＣｕおよび／または０％から２％の Ｆｅ、その他の元素をそれぞれ０．５％未満、合計２％（重量で）含有するアル ミ合金を製錬する過程と； ・１．５ｍｍから５ｍｍの間の厚みの帯材を得るために２本の冷却シリンダの間 でこの合金を連続鋳造する過程と； ・必要に応じてこの帯材を２ｍｍ末満の厚みに冷間圧延する過程とから成り；帯 材の厚み（単位：ｍｍ）を横座標とし、シリンダにかかる比応力（鋳造帯材幅１ ｍ当たりのトン数）を縦座標とするグラフの中で作用点がＡ、Ｂ、Ａ’とＢ’が 次の座標を有する直線ＡＢの下、好適には直線Ａ'Ｂ’の下にある方法である： Ａ： １．５ｍｍ ７５０ｔ／ｍ Ａ’： １．５ｍｍ ７００ｔ／ｍ Ｂ： ５ｍｍ ５００ｔ／ｍ Ｂ’： ５ｍｍ ３００ｔ／ｍ この方法は、必要に応じて、一方では鋳造帯材を焼きなましてから合金の組 成に応じて４２０℃から６００℃の間の温度での圧延、また他方では４２０℃か ら６００℃の間で溶解し、焼き入れし、３００℃未満の温度で焼き戻すことによ る圧延した帯材の熱処理過程を備えている。 本発明は好適には次の組成（重量％）の合金に適用される： Ｓｉ：２．６−１３ Ｍｇ：１．４−２ Ｃｕ＜２ Ｆｅ＜０．４（好適 には＜０．２５） Ｍｎ＜０．５ 図面の説明 図１は加えられた応力を横座標とし、帯材の厚みを縦座標とする寸法のない グラフの中で微小構造欠陥、とくに分離の出現に対応する様々な区域を示してい る。このグラフは先に述べたＰ．Ｍ．ＴＨＯＭＡＳらの論文から抜粋したもので あり、したがって、先行技術に属するものである。 図２は鋳造帯材の厚みを横座標とし、シリンダにかかる比応力を縦座標とす るグラフの中で本発明による作用区域を示している。 図３と図４は金属間の細かく均質な分散がある健全な微小構造と、その後の 加工に不適な分離のある微小構造をそれぞれ示す鋳造帯材の断面顕微鏡写真であ る。 図５から図９はそれぞれ、５種類の異なる合金について、厚み一応力のグラ フ内で、実施した各種の試験の鋳造パラメータの代表的点を示している。 発明の説明 本発明による方法に使用したアルミ合金は０．５％から１３％の珪素を含有 する。１３％を超えると、加工性を妨げる珪素の相の形成が見られる。０．５％ 未満では、Ｓｉによる硬化が不足して、自動車車体などの所望の用途に十分な機 械特性が得られない。 珪素はＭｇ₂Ｓｉ準安定硬化相を沈殿させるためにマグネシウムと組み合わ せることができる。Ｍｇ含有量が２％を超えて高くなりすぎると、分離が発生し 、これは鋳造に加えられる応力が高いほど発生する。 銅や鉄の添加によって機械強度が向上するが、２％を超えると、帯材の展延 性、つまり、その加工性が低下しすぎる。マンガンの添加によっては粒の大きさ をよりよく調整することができる。 添加率の非常に高い合金の製錬は入念に制御しなければならない、なぜなら 添加元素の含有率が高いと金属間相が大きな量で存在することになり、それが集 合して固化の際に分離し、帯材の機械的特性、特にその加工性に悪影響を及ぼす 危険性がある。そのために例えば、厚みとかけられた応力などの、鋳造の独立し たパラメータの制御を常に、正確に実施しなければならない。 これらの合金の連続鋳造は２本の冷却シリンダ（英語では”双ロール鋳造” ）の間で実施される。このタイプの鋳造機械は何年も前から存在し、例えば、Ｐ ＥＣＨＩＮＥＹ ＲＨＥＮＡＬＵの販売する鋳造機械”３Ｃ”があり、それらは 最近５ｍｍ未満の帯材を鋳造するために調整されている。 機械特性、特に加工性に悪影響のある、鋳造帯材内の金属間相の分離形成を 防止するために出願者は、意外なことに、所与の鋳造帯材幅について、応力・厚 みグラフの特定領域の内部で鋳造の間にシリンダにかかる応力（「分離力」と呼 ばれることもある、それは互いに対するシリンダの分離に拮抗する力だからであ る）を制限する必要があることを認めた。 先行技術で推奨されているのとは反対に、合金に添加元素、特にマグネシウ ムが多く添加されるほど応力は制限しなければならない、なぜならそこで有害な 分離が出現する恐れが最大になるからである。 比応力は１００ｔ／ｍ未満に下げることはできない、そうすれば帯材は駆動 されず、表面状態は不満足なものになる。それは常に７５０ｔ／ｍ未満で、図３ に示したような健全な微小構造を得るために直線ＡＢの下に、好適には直線Ａ’ Ｂ’の下に維持しなければならない。 構造的硬化合金について、圧延した帯材は、従来通りに、溶融開始温度を若 干下回る温度での溶解、焼き入れと環境温度での熟成または３００℃未満の温度 での焼き戻し処理から成る熱処理にかけられる。 実施例 下記の組成のＡからＥで示した５種類の合金を製錬した： 合金 Ｓｉ Ｍｇ Ｃｕ Ｆｅ Ｍｎ Ａ ７．０５ ０．５６ ０．１２ ０．２１ ０．０３ Ｂ ０．０２ ０．６０ ０．００２ ０．１４ ０．０２ Ｃ ４．８ １．４２ １．８０ ０．１８ ０．４０ Ｄ １１．９ ０．５０ ０．１９ ０．２９ ０．３３ Ｅ ２．０ １．８３ ０．９２ ０．２２ ０．０２ 製錬炉内の液体金属内に導入したＡＴ５Ｂ形のアルミ・チタン・ホウ素合金 を用いて精錬処理を実施した。 異なる厚みと異なる応力値で１．５ｍの帯材を得るために、ＰＥＣＨＩＮＥ ＹＲＨＥＮＡＬＵ社の”3Ｃ”鋳造機で、水の内部で冷却した２つの特殊鋼製の 金属のたがをはめたシリンダの間で５種類の合金を鋳造した。鋳造の排出温度は ２２０℃と３５０℃の間であった。 鋳造した帯材の微小構造を検査した、図３は均質に分散した金属間微粒子の ある、健全な微小構造の例を、図４は、その後のいっさいの加工に不適にしてし まう、鋳造方向に向けられた細長い跡の形で金属間の分離のある、欠陥微小構造 を示している。 その後、鋳造した帯材を５４０℃で８時間均質化し、ついで１ｍｍまで冷間 圧延し、通過炉内で５４０℃の温度で溶解し、焼き入れし、１８０℃で３０分か ら８時間焼き戻した。 合金Ａ 異なる厚みと、シリンダに加えられた異なる応力でのこの合金で実施した５ つの試験の結果は次の表に示され、図５の図表上に示されている： 試験の３番に対応する鋳造され、溶解、焼き入れと焼き戻しで熱処理された 帯材、すなわち鋳造厚み４．８ｍｍ、鋳造速度２．１ｍ／分、応力２１３ｔ／ｍ の帯材で、塑性変形Ｒ_0.2の０．２％での弾性限度、破断強さＲｍ、３％と４％ の間の変形で測定した冷間加工率ｎを測定した： Ｒ_0.2＝２４０ＭＰａ Ｒｍ＝３１５ＭＰａ ｎ＝０．２７３ 合金Ｂ １４の試験の結果は次の通りであった： 試験 厚みｍｍ 応力ｔ／ｍ １ ２．４０ ４８３ ２ ２．５５ ５３３ ３ ２．６２ ５８３ ４ ２．８０ ４５０ ５ ３．００ ３８３ ６ ３．１０ ４７３ ７ ３．２５ ５６０ ８ ３．３６ ４６６ ９ ３．５５ ４５０ １０ ３．６５ ４７３ １１ ３．７５ ３６０ １２ ３．９０ ３６６ １３ ３．９８ ３２６ １４ ４．０６ ６３３ 結果は図６の図表上に示されている。 微小構造は、１４番を除く全ての場合について健全であった。 合金Ｃ この合金の３つの試験の結果は次の通りであった： 試験 １ ２ ３ 鋳造厚み（ｍｍ） ２．５１ ４．１４ ３．８０ 応力（ｔ／ｍ） ２４０ ４８９ ６３２ 微小構造 健全 健全 不適 結果は図７の図表上に示されている。 ２番の鋳造（鋳造厚み：４．１４ｍｍ、速度：１．７８ｍ／分、応力： ４８９ｔ／ｍ）から得られた、圧延し、熱処理した帯材の機械的特性は： Ｒ_0.2＝２７５ＭＰａ Ｒｍ＝３４５ＭＰａ ｎ＝０．２８６ 合金Ｄ 鋳造の６つの試験の結果は次の通りであった： これらの結果は図８の図表上に示されている。 １番と３番の試験から得られた、圧延し、熱処理した帯材における機械的特性は 次の通り測定された： １番 Ｒ_0.2＝１６８ＭＰａ Ｒｍ＝３５６ＭＰａ ｎ＝０．２６３ ３番 Ｒ_0.2＝１７９ＭＰａ Ｒｍ＝３４５ＭＰａ ｎ＝０．２８９ 合金Ｅ ３つの試験の結果は次の通りであった： 試験 １ ２ ３ 鋳造厚み（ｍｍ） ３．２３ ４．３０ ２．１５ 応力（ｔ／ｍ） ２０７ ４５６ ６０３ 微小構造 健全 健全 健全 結果は図９の図表上に示されている。 １番の鋳造（鋳造厚み：３．２３ｍｍ、速度：３．１ ｍ／分、応力： ２０７ｔ／ｍ）に対応する、圧延し、熱処理した帯材における機械的特性は次の 通り測定された： Ｒ_0.2＝２１０ＭＰａ Ｒｍ＝３２０ＭＰａ ｎ＝０．２９９

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ａ ６３０Ｋ ６５１ ６５１Ｚ ６８１ ６８１ ６８２ ６８２ ６８５ ６８５Ｚ ６８６ ６８６Ｂ ６９１ ６９１Ｂ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ (72)発明者 シュミット，マルタン，ペーター フランス共和国，エフ―38140 ラ ミュ レット，シュマン デュ クラピエ，245 (72)発明者 ムネ，ピエール，イヴ フランス共和国，エフ―68000 コルマー ル，リュ セルパンティーヌ，７ (72)発明者 ジャリィ，フィリップ フランス共和国，エフ―38100 グルノー ブル，リュ セルヴァン，12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．高い機械強度と優れた加工性を示すアルミ合金帯材製造法において、 ・０．５％から１３％のＳｉと、０％から２％のＭｇおよび／または０％から２ ％のＣｕ、および／または０％から１％のＭｎ、および／またはＯ％から２％の Ｆｅ、その他の元素をそれぞれ０．５％未満、合計２％（重量で）含有するア ルミ合金を製錬する過程と； ・１．５ｍｍから５ｍｍの間の厚みの帯材を得るために２本の冷却シリンダの間 でこの合金を連続鋳造する過程であって、帯材の厚みを横座標とし、シリンダに かかる比応力を縦座標とするグラフの中でシリンダにかかる応力がＡ、Ｂ、Ａ’ とＢ’が次の座標を有する直線ＡＢの下、好適には直線Ａ'Ｂ’の下に維持され る過程と； Ａ： １．５ｍｍ ７５０ｔ鋳造帯材幅ｍあたり Ｂ： ５ｍｍ ５００ｔ／ｍ Ａ’： １．５ｍｍ ７００ｔ／ｍ Ｂ’： ５ｍｍ ３００ｔ／ｍ ・必要に応じてこの帯材を冷間圧延する過程： とから成る方法。 ２．鋳造合金がＳｉ＞２．６％およびＭｇ＞１．４％である請求項１に記載の方 法。 ３．鋳造と冷間圧延の間に、４２０℃から６００℃の間で均質化焼きなましを実 施する請求項１または２に記載の方法。 ４．圧延した帯材が、４２０℃から６００℃の間の溶解、焼き入れ、および３０ ０℃未満の温度で焼きなましにかけられる請求項１から３のいずれか一つに 記載の方法。 ５．自動車車体要素への請求項４の方法で得られた、組成が Ｓｉ：２．６−１３％、Ｍｇ：１．４−２％、Ｃｕ＜２％のＡｌＳｉＭｇＣｕ合 金の帯材の使用。