JP2003253409A - 時効硬化能を有する合金の強靭化処理方法 - Google Patents

時効硬化能を有する合金の強靭化処理方法

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JP2003253409A
JP2003253409A JP2002062465A JP2002062465A JP2003253409A JP 2003253409 A JP2003253409 A JP 2003253409A JP 2002062465 A JP2002062465 A JP 2002062465A JP 2002062465 A JP2002062465 A JP 2002062465A JP 2003253409 A JP2003253409 A JP 2003253409A
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alloy
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toughening
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heat treatment
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Yoshitake Nishi
義武 西
Kazuya Oguri
和也 小栗
Masanori Nakamura
賢典 中村
Isato Irisawa
勇人 入澤
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Tokai University
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Abstract

(57)【要約】 【課題】Al合金,Fe合金を短時間に強靭化する。 【解決手段】準結晶を析出分散させたAl合金、時効硬
化能を有するAl合金、Fe合金などに超音波をあてな
がらTTT曲線のノーズ温度付近で時効処理する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、時効硬化能を有す
るAl合金、準結晶を析出分散させたAl合金及びFe
合金の強靭化処理方法の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】準結晶合金は非常に硬く、耐摩耗性があ
るなどの機械的特性を持つ材料である。しかし、非常に
脆いので、これが実用化する上でのネックとなってい
る。この脆性を改善する極めて有効な方法として、軟ら
かいAl結晶母相中にAl−Li−Cu系の準結晶粒を
析出分散させる方法が提案され、特に時効処理をするこ
とにより強靭性、特に延性を増加できることが確認され
ている。さらに、Al−Li系合金は、軽元素であるL
iを含むために軽量であり、比強度の高い次世代の航空
宇宙材料としての応用が期待されている。一方、ジュラ
ルミン7075は構造用材料として広く用いられ、この
材料も時効処理をすることにより強靭性、特に延性を増
加できることが確認されている。また、マルエージング
鋼などの時効硬化能を有するFe合金についても同様の
ことがいえる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、時効処理は時
間がかかるため、コスト、生産性の観点から処理時間を
短縮することが望まれていた。
【0004】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、本発明の目的は、短時間にAl合金を強靭化するこ
とができる方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明は以下の構成を備える。
【0006】(1) 時効硬化能を有するAl合金に超
音波をあてながら時効処理することを特徴とする時効硬
化能を有する合金の強靭化処理方法。
【0007】(2) Al合金はジュラルミンであるこ
とを特徴とする(1)に記載の時効硬化を有するAl合
金の強靭化処理方法。
【0008】(3) 準結晶を析出分散させたAl合金
に超音波をあてながら時効処理することを特徴とするA
l合金の強靭化処理方法。
【0009】(4) 時効硬化能を有するFe合金に超
音波をあてながら時効処理することを特徴とするFe合
金の強靭化処理方法。
【0010】(5) Fe合金は、マルエージング鋼で
あることを特徴とする(4)に記載のFe合金の強靭化
処理方法。
【0011】(6)時効処理温度はTTT曲線のノーズ
温度付近でおこなうことを特徴とする(3)に記載の時
効硬化を有する合金の強靭化処理方法。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明では、まず準結晶を析出分
散させたAl合金など時効硬化を有する合金を用意する
(以下、準結晶を析出分散させたAl合金に基づいて説
明する)。このAl合金の製造は通常の方法に従って行
なえばよい。母合金であるAl合金としては、純Alの
他にもAlCuLi,CuAlなどがある。析出分
散する準結晶としてはAlLiCuを用いる。超音
波の波長は特に限定されないが40〜50kHz程度が
好ましい。また、超音波を当てる時間は、一時間程度の
短時間で十分である。超音波でAl合金に与えるエネル
ギは40〜50kJ程度で効果が現れる。超音波の付与
と同時にAl合金を加熱するが、加熱温度はTTT曲線
のノーズ付近の温度が最も好適である。析出する準結晶
粒は、粒径が1μm程度で、比強度がTi合金の倍にな
る。この処理により、準結晶を析出分散させたAl合金
が強靭化される。この方法は、ジュラルミンにも適用で
きる。本発明で適用されるジュラルミンはジュラルミン
7075(Si:0.4以下、Fe:0.5以下、Cu:1.2
〜2.0、Mn:0.3、Mg:2.1〜2.9、Cr:0.18〜0.2
8、Zn:5.1〜6.1、Zr+Ti:0.25以下、Ti:0.2
以下)、ジュラルミン7075P(Si:0.4、Fe:
0.5、Cu:1.2〜2.0、Mn:0.3、Mg:2.1〜2.9、C
r:0.2〜0.3、Zn:5.1〜6.1、Zr+Ti:0.2、T
i:0.2)などである。ジュラルミンを一般的な方法で
製造する際、時効処理中に超音波を当てることにより、
ジュラルミンが強靭化される。これは、時効硬化能を有
するFe合金、例えばマルエージング鋼などにも適用で
きる。
【0013】
【実施例】実施例1(準結晶を析出分散させたAl合金
の強靭化) Al−55質量%Cu合金及びAl(99.7%)をア
ルミナるつぼに入れて、縦型炉を用いてAr−5%雰囲
気、1023°K、1800sで融解、攪拌後、空冷し
凝固させた。このようにして得られたAl−Cu合金に
Liを秤量し、定量添加してAlLiCuの組成に
なるようにした。これを、黒鉛るつぼに入れ、イメージ
炉を用いてAr雰囲気中で完全に融解後、空冷した。こ
のようにして得られた合金を,双ピストンアンビル型急
冷凝固装置を用いて、薄板状(約50μm)とし、これ
を試料とした。
【0014】試料の熱処理は553°Kで3.0×10
s,3.0×10s,3.0×10s,6.0×
10s保持した後、液体窒素を用いて急冷する方法で
行なった。超音波高速熱処理は図1に示す装置を用い、
電熱器2上にCu板4を介して試料1を載せて加熱する
と共に、超音波はんだごて5(旭ガラス社製)で試料に
超音波をあてた。なお、符号3は、サーモメーターであ
る。
【0015】試料の同定にはX線回折を用いた。脆性の
評価にはマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。ビッ
カース硬さ試験機を用いた脆性評価法では、クラックが
生じた時の臨界塑性エネルギーEで塑性を評価した。
の値は次式で表すことができる。
【0016】Ef=CP/3 ここで、Cは定数(圧痕径と圧痕径の深さの比=0.1
43)であり、Pは臨界荷重、dは臨界圧痕径であ
る。
【0017】図2は、準結晶相の安定度と成長速度につ
いて検討した結果を示す準結晶析出AlLiCu合
金のTTT曲線図である。図中の“%”で示される数値
は準結晶の析出量を示し、この数値から準結晶相が最も
安定して成長しているのは、553°K付近(TTT曲
線のノーズ温度付近)であることがわかる。また、成長
速度が最も速いのも553°K付近であることがわかっ
た。
【0018】図3は、試料の荷重と圧痕径の関係を示す
もので、クラックが生じた最低荷重Pminとクラック
が生じなかった最大荷重Pmaxの中点を臨界荷重P
とした。同様に、クラックが生じた最低圧痕径の平均値
minとクラックが生じなかった最大圧痕径の平均値
maxの中点を臨界圧痕径dとした。
【0019】図4は、様々な温度で時効処理した試料の
臨界塑性変形エネルギー(E)の変化を示すもので、
この図からTTT曲線のノーズ温度付近(553°K付
近)、6.0×10sの熱処理時間においてEの値
が最高値を示すことが分かる。
【0020】図5〜図8は、通常の熱処理で最高値を示
した553°Kで熱処理したもの(従来方法)と、55
3°Kで超音波高速熱処理したもの(本発明方法)とを
それぞれ比較した図であり、黒塗りのプロットは本発明
方法、白抜きのプロットは従来方法を示す。
【0021】図5は強度を表すパラメータであるPf値
を比較したもので、図5から本発明は従来方法に比べて
短時間で高破壊荷重を有することがわかる。
【0022】図6は、臨界圧痕径dを比較したもの
で、図6から本発明は従来方法に比べて短時間で高破壊
荷重を有することがわかる。なお、時間が経過すると従
来方法と同程度の臨界圧痕径dとなるのは、準結晶の
粒子間の平均距離が等しくなるためであると推定され
る。
【0023】図7は、ビッカース硬さを比較したもの
で、図7から本発明は従来方法に比べて短時間で高破壊
荷重を有することがわかる。なお、時間が経過すると従
来方法と同程度のビッカース硬さとなるのは、準結晶の
析出体積が同程度になるためと推定される。
【0024】図8は材料の強靭性を表すパラメーターで
ある応力拡大係数の変化量を初期値で換算して比較した
ものである(縦軸:K1C/K 1C)。この図から通
常の熱処理では1日かかる処理が超音波高速熱処理を行
なうことで1時間で同等の強靭性が得られることがわか
る。従って、時効処理時に超音波をかけることにより、
短時間で強靭性が得られ、生産性が極めて向上すること
がわかる。
【0025】表1は、本発明に係る超音波高速熱処理で
作成した1μm,10nm,1nmの結晶粒である準結
晶分散AlLiCu合金と従来のTi合金、ジュラ
ルミンとのHv(ビッカース硬さ),E(臨界塑性変
形エネルギー),K1c(破壊靭性値),σ(耐力)、
比重、比強度を比較したものである。
【0026】
【表1】
【0027】表1から本発明の処理に係る材料は、硬さ
ではTi合金、ジュラルミンに優れており、比強度では
Ti合金の倍近くになっていることが分かる。
【0028】なお、破壊靭性値K1cは、以下のように
して求めた。
【0029】多結晶体の強度と結晶粒度の関係を示す式
として、ホール・ペッチの式がある。 σ=σ+Kd−1/2 ここで、σ及びKは試料条件によって得られる定数で
ある。
【0030】図9は、ビッカース硬さと耐力との関係を
示す。この図から、ビッカース硬さと耐力との間に比例
関係があり、σとHvとに比例関係があることが仮定と
して成立する。
【0031】図10、図11は、553°Kで熱処理し
た試料の結晶粒径d−1/2とHv、Eの比例関係を示
す。臨界塑性変形エネルギー(E)と応力拡大係数
(K1c)の間には図12のような相関関係がある。こ
のことからEとK の関係は次式に表わせる。
【0032】Log101c=0.44Log10
0.63 この式にE値を代入することで,K1cを求めた。
【0033】(ジュラルミン7075の熱処理)厚さ1
mmのジュラルミン7075を準備し、これを均質化処
理と溶体化処理(773°K)を行なって水で急冷し
た。その後、人工時効として383°Kで2.16×1
s間熱処理を超音波処理(本発明方法)と従来方法
で行なった。図13は時効処理後のビッカース硬さを示
している。本発明によれば、時効処理後では、1桁オー
ダーの時効時間短縮が見られる。
【0034】図14は、材料の強靭性を表すパラメータ
ーである応力拡大係数の変化量を初期値で換算して比較
したものである(縦軸:K1C/K 1C)。この図か
ら超音波処理することにより、短時間で破壊靭性値が向
上し、強靭性となったことがわかる。
【0035】次に、マルエージング鋼などの時効硬化を
有するFe合金に対しても、同様の実験を行った結果、
本発明に係る超音波処理をすることにより、1桁オーダ
ーの時効時間短縮が見られることが確認された。図15
は材料の強靭性を表すパラメーターである応力拡大係数
の変化量を初期値で換算して比較したものである(縦
軸:K1C/K 1C)。
【0036】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、超音波
を当てて熱処理することにより、短時間で強靭性とする
ことができ、その結果、生産コストを下げ、生産性を高
めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明方法を実施するための装置の一例を示す
説明図。
【図2】準結晶析出AlLiCu合金のTTT曲線
図。
【図3】試料の荷重Pと圧痕径dの関係を示す図。
【図4】各種温度で時効処理した試料の臨界塑性変形エ
ネルギー(E)の変化を示す図。
【図5】本発明の超音波熱処理(553°K)を行った
ものと従来の熱処理(553°K)との破壊荷重Pfを
比較した図。
【図6】本発明の超音波熱処理(553°K)を行った
ものと従来の熱処理(553°K)との臨界圧痕径を比
較した図。
【図7】本発明の超音波熱処理(553°K)を行った
ものと従来の熱処理(553°K)とのビッカース硬度
を比較した図。
【図8】本発明に係るAl−Li−Cu合金について超
音波熱処理(553°K)を行ったものと従来の熱処理
(553°K)との換算破壊靭性値を比較した図。
【図9】ビッカース硬さと0.01%耐力との関係を示
す図。
【図10】553°Kで熱処理した試料の結晶粒径d
−1/2とビッカース硬さHvとの比例関係を示す図。
【図11】553°Kで熱処理した試料の結晶粒径d
−1/2と臨界塑性変形エネルギーE との比例関係を示
す図。
【図12】臨界塑性変形エネルギー(E)と破壊靭性
値(G1c),破壊靭性値(K )との関係を示す
図。
【図13】時効処理後のビッカース硬さを示す図。
【図14】本発明に係るジュラルミンについて、超音波
熱処理を行ったものと従来の熱処理との換算破壊靭性値
を比較した図。
【図15】本発明に係るマルエージング鋼について、超
音波熱処理を行ったものと従来の熱処理との換算破壊靭
性値を比較した図。
───────────────────────────────────────────────────── 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 1/00 682 C22F 1/00 682 691 691Z (72)発明者 中村 賢典 神奈川県秦野市南矢名1026−2 イエロー オンハイツ202 (72)発明者 入澤 勇人 神奈川県平塚市北金目1693 コーポ柳川6 号室

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 時効硬化能を有するAl合金に超音波を
    あてながら時効処理することを特徴とする時効硬化能を
    有する合金の強靭化処理方法。
  2. 【請求項2】 Al合金はジュラルミンであることを特
    徴とする請求項1に記載の時効硬化を有するAl合金の
    強靭化処理方法。
  3. 【請求項3】 準結晶を析出分散させたAl合金に超音
    波をあてながら時効処理することを特徴とするAl合金
    の強靭化処理方法。
  4. 【請求項4】 時効硬化能を有するFe合金に超音波を
    あてながら時効処理することを特徴とするFe合金の強
    靭化処理方法。
  5. 【請求項5】 Fe合金は、マルエージング鋼であるこ
    とを特徴とする請求項4に記載のFe合金の強靭化処理
    方法。
  6. 【請求項6】 時効処理温度はTTT曲線のノーズ温度
    付近でおこなうことを特徴とする請求項3に記載の時効
    硬化を有する合金の強靭化処理方法。
JP2002062465A 2002-03-07 2002-03-07 時効硬化能を有する合金の強靭化処理方法 Pending JP2003253409A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006274312A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Tokyo Institute Of Technology 熱処理方法、合金、および熱処理装置
CN105483360A (zh) * 2015-12-23 2016-04-13 沈阳远大科技园有限公司 超声波应力消除方法及系统
CN112813367A (zh) * 2020-12-28 2021-05-18 江苏江南创佳型材有限公司 一种基于机械超声振动时效的7xxx系铝合金棒材的制备方法

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