JP2005307322A - 成形性に優れたアルミニウム合金押出材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
強度特に溶接後の強度が高く、しかも成形性に優れたアルミニウム合金押出材を提供する。
【解決手段】
Ｚｎ：４.５〜７質量％，Ｍｇ：０.２〜０.３８質量％，Ｃｕ：０.２５〜０.４質量％，Ｚｒ：０.１〜０.３ｗｔ％を含み、さらにＳｉ：０．０５〜０.３質量％およびＦｅ：０.０５〜０.３質量％を（Ｆｅ質量％／Ｓｉ質量％）＝１〜３の範囲で含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからアルミニウム合金を、均質化処理した後、押出加工して１００℃／ｍｉｎ以上の速度で冷却する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、二輪車部品のような薄肉で複雑な形状の部材の成形が可能で、かつ、溶接後の強度が要求される部材に適した、強度および成形性に優れたアルミニウム合金押出材に関する。

成形性の良いアルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の、いわゆる６０００系アルミニウム合金が知られている。この系の合金は強度、耐食性とも良好であるために、各種構造材料として広範に使用されている。しかし、６０００系アルミニウム合金は溶接後の強度に問題があるため、溶接接合して使用する態様には不適である。
溶接後の機械的特性が要求されるような部材には、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系の、いわゆる７０００系アルミニウム合金が使用されている。押出材として用いることも、例えば特許文献１，２，３，４で提案されている。

特許文献１では、Ｚｎ：６.００ｗｔ％を超え７.５０ｗｔ％以下，Ｍｇ：０.１０〜０.８０ｗｔ％，Ｃｕ：０.１０〜０.３０ｗｔ％，Ｚｒ：０.１０〜０.３０ｗｔ％，Ｍｎ：０.０５〜０.３０ｗｔ％を含み、Ｆｅ＋Ｓｉが０.３０ｗｔ％以下でかつＦｅ／Ｓｉが１.５以上であり、残部Ａｌと不可避的不純物とからなり不可避的不純物が各々０.０５ｗｔ％以下でその合計が０.１５ｗｔ％以下である合金鋳塊を４２０〜５２０℃の温度で２〜２４時間均質化処理した後、４３０〜５２０℃の温度で押出し加工を施し、次に、９０〜１１０℃の温度で２〜１２時間一段目の時効処理した後、さらに１２０〜１８０℃の温度で５〜２４時間二段目の時効処理を施して、曲げ加工性に優れたアルミニウム合金押出材を得ている。

特許文献２では、Ｚｎ：４.０〜６.５ｗｔ％，Ｍｇ：０.４〜１.８ｗｔ％，Ｃｕ：０.１〜０.５ｗｔ％，Ｚｒ：０.１〜０.５ｗｔ％を含み、さらにＭｎ：０.０５〜０.２０ｗｔ％，Ｃｒ：０.０５〜０.２０ｗｔ％のうち１種または２種を含み、ＦｅとＳｉをＦｅ＋Ｓｉが０.６ｗｔ％以下でかつＦｅ／Ｓｉが１.５以上を満足する量を含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなり、不可避的不純物が各々０.０５ｗｔ％以下で、その合計が０.１５ｗｔ％以下からなるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金鋳塊を４２０〜５２０℃で２〜２４時間の条件で均質化熱処理し、その後４３０〜５２０℃で押出を行い、押出時に微霧を噴霧して冷却速度１０〜５０℃／ｓで常温まで冷却し、その後、人工時効処理として一段目を９０〜１１０℃で２〜１２時間、二段目を１２０〜１７０℃で５〜２４時間の条件で熱処理を行って強度と成形性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金中空形材を得ている。

特許文献３には、Ｚｎ：８.５〜１２.０％，Ｍｇ：１.５〜３.０％、Ｃｕ：１.５〜３.０％，Ｚｒ：０.０５〜０.３％を含有し、さらに必要に応じてＭｎ：０.１〜０.８％、Ｃｒ：０.１２〜０.３０％，Ｔｉ:０.１％以下、Ｂ：０.０８％以下のうちの１種または２種を含み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなることを特徴とする疲労強度に優れた高強度アルミニウム合金押出材が提案されている。

さらに、特許文献４では、Ｚｎ：４.５〜７．５％，Ｍｇ：０.２０％以上０.５０％未満,Ｔｉ：０.００１〜０.１％，Ｂ：０.０００１〜０.０８％，Ｆｅ：０.３５％以下，Ｓｉ：０.３０％以下，Ｃｕ：０.２％以下を含有し、Ｍｎ：０.１〜０.３％，Ｚｒ：０.１〜０.３％，Ｃｒ：０.０５〜０.２％のうち１種または２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を、液体窒素により押出ダイスを冷却して又は押出ダイスを冷却しないで、高速押出加工し、次いで人工時効処理して、液体窒素冷却を行って押出した場合は表面粗さＲ_max１０μｍ以下、液体窒素冷却を行わないで押出した場合はＲ_max１５μｍ以下、且つ表面再結晶層の厚さが５０μｍ以下で、さらにＳＣＣ性に優れると同時に、強加工領域でのスウェージング加工性と曲げ加工性および溶接後の硬度回復特性に優れたオートバイ構造部材用アルミニウム合金押出形材を得ている。

特開平６−３０６５２２号公報 特開平８−１４４０３１号公報 特開平８−２９５９７７号公報 特開平１０−２９８６９１号公報

しかしながら、Ｚｎ含有量が多く、しかもＭｇ，Ｍｎ，ＣｒおよびＣｕを含有させた７０００系アルミニウム合金は、アルミニウム合金の中では最も強度が高い部類の合金であるが、Ｍｇを含有しているため、押出加工性が比較的悪く、薄肉材の製造は行い難い。例えば、特許文献３に記載のＭｇおよびＣｕを多量に含有している素材は、時効処理後に６００ＭＰａを超えるほどの高強度を有するが、熱間での変形抵抗が高く、肉厚２ｍｍ以下の薄肉管状体を工業的に押出し成形することは非常に難しい。また、特許文献１，２に記載の素材もＭｇ，ＭｎとＣｒ、およびＣｕを含んでいるために強度も高いが、同様に変形抵抗が高く、図１に示すような薄肉サイズの押出材を得ようとすると２２００ｔを超えるほどの押圧力を必要とし、押し詰まりやダイスの破損が起き易くなる。結果的にコスト上昇の一因になっている。

一方で、特許文献４にみられるように、Ｃｕ含有量を抑えた素材は、強度が低くなるため、例えば二輪車の部品材として用いようとするとき、所望の機械的特性が得られない。
このように、既存の技術を、溶接後の機械的特性が要求される建築構造材，自動車フレーム，二輪車の部品等に適用するための薄肉押出材の製造にしようとすると、いずれも歩留まりが悪く、生産コストが高くなってしまう。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、強度特に溶接後の強度が高く、しかも成形性に優れたアルミニウム合金押出材を提供するものである。

本発明の成形性に優れたアルミニウム合金押出材は、その目的を達成するため、Ｚｎ：４.５〜７質量％，Ｍｇ：０.２〜０.３８質量％，Ｃｕ：０.２５〜０.４質量％，Ｚｒ：０.１〜０.３質量％を含み、さらにＳｉ：０．０５〜０.３質量％およびＦｅ：０.０５〜０.３質量％を（Ｆｅ質量％／Ｓｉ質量％）＝１〜３の範囲で含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなることを特徴とする。
さらに、Ｔｉ:０．００１〜０．２質量％、Ｂ：０．０００１〜０.０１質量％のうちの１種または２種を含有させることもできる。

また、上記の成分組成を有するアルミニウム合金素材を、下記（１）で示す条件で均質化処理し、その後に下記（２）で示す条件で押出加工することにより成形性に優れたアルミニウム合金押出材が得られる。
（１）均質化処理条件
・加熱速度 ２００℃／ｈ以下
・均質化温度×時間 ４５０〜５２０℃×１〜２４ｈ
・冷却速度 １５０℃／ｈ以上
（２）押出加工条件
・押出加工温度 ４５０〜５４０℃
・ダイス温度 ４００〜５００℃
・形材出側温度 ４５０℃以上
・冷却温度 １００℃／ｍｉｎ以上
さらに、押出加工後に、引抜き工程を付加してもよい。

本発明によれば、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金において、組織強化元素であるＭｎ，Ｃｒを含有させずに、他の元素、特にＣｕ，Ｓｉ，Ｆｅの含有量を調整することにより、また、均質化条件や押出条件等を調整することにより、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金であっても肉厚２ｍｍ以下の薄肉管状体を容易に押出加工でき、しかも溶接性を維持しつつ所望の機械的強度が発揮できるアルミニウム合金押出材を製造することができた。
したがって、溶接後の機械的特性が要求される建築構造材，自動車フレーム，二輪車の部品材等に適用するための薄肉押出材を低コストで製造することができる。

本発明を具体的に説明する。
まず、本発明Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金を構成する成分の作用および含有量について説明する。
通常の７０００系合金に含まれているＭｎやＣｒは析出物を形成して再結晶化を抑制し、機械的性質の向上および溶接時の割れ防止に寄与している。しかし、熱間変形抵抗値が高まって押出加工性を悪化させるため、薄肉材の製造が困難になる。そこで、本発明合金では、ＭｎおよびＣｒは含有させていない。但し、溶製時に、原料であるアルミニウム合金スクラップから不可避的に不純物として混入するＭｎ，Ｃｒは考慮に入れられていない。両者とも０.０５質量％未満であれば押出成形性にはほとんど影響しない。

Ｚｎ：４.５〜７質量％
ＺｎはＭｇ−Ｚｎ系の析出物を形成し、アルミニウム合金の強度を向上させるための最も重要な成分であり、その好ましい含有範囲は４.５〜７質量％である。Ｚｎ含有量が４.５質量％未満では強度向上の効果が十分ではない。７質量％を超えて含有してもそれ以上の強度向上が期待できなく、逆に耐食性が低下する。

Ｍｇ：０.２〜０.３８質量％
ＭｇはＭｇ−Ｚｎ系の析出物を形成し、母相中に分散して押出材の機械的強度を向上させる。この効果はＭｇを０.２質量％以上含有させたとき顕著となる。逆に０.３８質量％を超えて添加すると熱間変形抵抗が高まり、成形性および押出加工性が悪化し、生産性が低下する。したがって、Ｍｇの含有量は０.２〜０.３８質量％とする。好ましくは０.３０〜０.３５質量％とする。

Ｃｕ：０.２５〜０.４質量％
Ｃｕは母相中に固溶し、機械的強度を向上させる。この効果は、Ｃｕ含有量が０.２５質量％以上で顕著になる。逆に０.４質量％を超えて含有させると耐食性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は０.２５〜０.４質量％とする。０.２５〜０.３５質量％とすることが好ましい。

Ｚｒ：０.１〜０.３質量％
ＺｒはＡｌ−Ｚｒ系化合物を形成して母相中に分散し、ピン留め効果によって再結晶粒の粗大化を抑制して強度を高め、また溶接時の割れ発生も防止する。この効果は、Ｚｒ含有量が０.１質量％以上で顕著となる。しかし、０.３質量％を超えて含有させると粗大なＡｌ−Ｚｒ系化合物が生成して熱間加工性を低下させる。また析出物が過剰に生成すると熱間変形抵抗性が増大し、押出加工性を阻害することになる。

Ｓｉ：０．０５〜０.３質量％
ＳｉはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の化合物を形成し、マトリックス中に微細分散して結晶粒の粗大化を抑制することにより、機械的強度を向上させる。この効果は、Ｓｉ含有量を０.０５質量％以上としたときに顕著となる。しかし、０.３質量％を超えて含有させるとＭｇ−Ｓｉ系化合物が形成されるためにＭｇ−Ｚｎ系化合物の形成が阻害される。このため自然時効硬化性が低下し、溶接後に十分な強度が得られない。好ましくは、０.０５〜０.１５質量％の範囲で含有させる。

Ｆｅ：０.０５〜０.３質量％
ＦｅはＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の化合物を形成し、マトリックス中に微細分散して結晶粒の粗大化を抑制することにより、機械的強度を向上させる。この効果は、Ｆｅ含有量を０.０５質量％以上としたときに顕著となる。しかし、０.３質量％を超えて含有させるとＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物が多量に分散するため、押出材の表面性状が損なわれる。好ましくは、０.１０〜０.２０質量％の範囲で含有させる。

（Ｆｅ質量％／Ｓｉ質量％）＝１〜３
押出後の結晶粒粗大化防止効果を得るためにＦｅ，Ｓｉを含有させている。その他に鋳造割れを抑制する効果もあるが、上記の通り、両者の含有量が多すぎると機械的性質を低下させ、また押出加工性を阻害することになる。そこで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系化合物を効率的に形成させるために、Ｆｅ／Ｓｉ比を１〜３に規制する。Ｆｅ／Ｓｉ比が１に満たないと、過剰となったＳｉがＭｇと化合物を形成してＭｇ−Ｚｎ系化合物の形成を阻害し、機械的性質が低下する。またＦｅ／Ｓｉ比が３を超えると、過剰となったＦｅがＡｌ−Ｆｅ系化合物を形成して押出加工性を低下させることになる。

Ｔｉ:０．００１〜０．２質量％、Ｂ：０．０００１〜０.０１質量％以下のうちの１種または２種
Ｔｉ、Ｂは、鋳造材の結晶粒を微細化させ、鋳造時の割れ防止と押出加工性を向上させる作用を有している。このため、Ｔｉ:０．００１〜０．２質量％、Ｂ：０．０００１〜０.０１質量％の範囲で、これらのうちの１種または２種を合金中に含有させることができる。Ｔｉ、Ｂの含有量がそれぞれ上限を超えると粗大な化合物が形成されて押出材の表面性状を悪化させることになる。

ところでＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金の押出材は、一般に均質化熱処理した鋳塊を熱間押出加工してプレス焼入れまたは別途溶体化処理し、その後に人工時効処理する方法で製造される。
本発明のアルミニウム合金押出材も、各段階での温度条件や処理時間条件を限定することにより、所期の目的を達成することができている。
以下、その製造条件およびその限定理由について説明する。

（１）均質化処理
・加熱速度；２００℃／ｈ以下
加熱速度が速いとＡｌ−Ｚｒ系析出物が粗大化し、再結晶化抑制効果を下げ、機械的性質が低下する。また、溶接時の割れ感受性も高くなる。しかし遅すぎると経済的でない。好ましくは約１００℃／ｈ程度とする。

・均質化温度×時間；４５０〜５２０℃×１〜２４ｈ
鋳造時に生じたＭｇ，Ｚｎ等の偏析を均質化し、押出中に十分な固溶状態を得ること、および押出材の再結晶化抑制に適したＡｌ−Ｚｒ系化合物を形成させるために実施する。４５０℃に満たない温度では２４時間処理しても十分な組織は得られない。一方、５２０℃を超えたり、２４時間を超えて処理すると、Ｍｇ，Ｚｎは均質化されるものの、Ａｌ−Ｚｒ系化合物が粗大化し、押出材の再結晶抑制効果が十分に得られない。１時間未満の処理では均質化が不十分である。したがって均質化処理は４５０〜５２０℃×１〜２４ｈの条件で行う。

・冷却速度；１５０℃／ｈ以上
上記の高温保持により、Ｍｇ，Ｚｎは均質化されるが、冷却速度が遅い場合には粗大な析出物を形成し、押出中に十分な溶体化ができない。
したがって、均質化後の冷却速度は速く、１５０℃／ｈ以上にする。

（２）押出加工
・押出加工温度；４５０〜５６０℃
押出直後の形材温度が４５０〜５６０℃になるように、ビレット加熱温度，押出速度を調整する。これにより、Ｍｇ，Ｚｎを十分に固溶させることが可能となる。４５０℃に満たないと固溶状態が不十分となり、その後の時効処理によっても十分な強度が得られない。一方、５６０℃を超えた温度で押出すと、再結晶化し易く、強度が低下するばかりでなく、溶接時の割れ感受性が高くなる。このため、薄肉中空材の製造においては、ビレット温度を４５０〜５４０℃に、ダイス温度を４００〜５００℃にして、３〜２０ｍ／ｍｉｎの押出速度で押出すことが好ましい。

・冷却温度；１００℃／ｍｉｎ以上
肉厚２ｍｍ以上の標準的な管状体や厚肉材では断面の剛性が高いため、押出直後の高温時でも変形し難いが、本発明で目標とするような肉厚２ｍｍ以下の薄肉押出材では高温時および冷却過程で変形し易いため、変形防止を目的に押出直後から積極的に形材を冷却する。平均冷却速度１００℃／ｍｉｎ以上で１５０℃以下まで冷却することで変形を抑制することができる。冷却速度は、２００℃／ｍｉｎ以上とすることが好ましい。
冷却方法としては、空冷や液体窒素噴霧冷却が好ましい。水冷の場合、冷却が強すぎて冷却のバラツキが起こりやすく、冷却のバラツキによる変形が生じやすい。したがって薄肉押出材の場合には水冷は好ましくない。

（３）引抜加工
高い寸法精度が要求される場合には、引抜加工を施す。但し、変形抵抗が高い場合は、引抜く前に焼きなまし処理を施しても良い。焼きなまし処理としては、２００〜２７０℃×１〜６ｈｒが好ましい。
引抜率は５〜２５％とすることが好ましい。５％に満たないと引抜加工での寸法精度向上効果は得られない。一方、２５％を超えて引抜くと材料が破断する。なお、本材料は室温環境下で時効硬化する合金であることから、押出後に引抜加工する際には１０日以内に実施することが好ましい。
また、本材料には、時効硬化を促進させるために、人工時効を施しても良い。人工時効としては、８０〜１１０℃×４〜１２ｈｒ＋１２０〜１７０℃×４〜２４ｈｒの二段時効を行うことが好ましい。

表１に示した各種組成の２０３ｍｍφビレットを鋳造し、このビレットに昇温速度１００℃／ｈ，保持温度４８０℃×４ｈ，冷却速度３００℃／ｈの均質化処理を施した。
続いて図１に示すような長径１２０ｍｍ，短径８５ｍｍ，肉厚１.３ｍｍなる断面寸法を有する薄肉楕円管を押出成形した。この際、ビレット温度は５００℃，ダイス温度は４７０℃，押出速度は６ｍ／ｍｉｎとした。冷却条件は表１に示した通りである。なお、冷却はエアー冷却で行った。
また、試験Ｎｏ.４については、押出後、２００℃×４ｈｒの焼きなましを行った後に引抜加工を行い、可否評価を行った。引抜率は断面減少率で示した。

押出した材料について、ＪＩＳ５号の試験片を切り出し、引張試験を行った。また溶接後についても、同様の引張試験を行った。なお、溶接後の引張試験は、溶接部が試験片の平行部の中央に位置するように採取した。
その結果を表２に示す。
なお、表２中、押出性の押出可否は、図１に示す寸法の中空体を２２００ｔ以下で押出せたものは○で、押出力が２２００ｔを超え、押し詰まり等により、押出材が得られなかったものを×で表示した。同じく寸法精度は、外寸ＪＩＳ特殊級を満足するもの（高さ±０.８６ｍｍ，幅±１.１２ｍｍ）を○で、ＪＩＳ特殊級外を×で表示した。
また、引抜の可否は、引抜けたものを○で表示した。
さらに、強度評価に関しては、引張強さ２２０ＭＰａ以上、０．２％耐力１７０ＭＰａ以上のものを○とし、それに満たないものを×とした。溶接後の引張強さに関しても２５０ＭＰａ以上のものを○とし、それに満たないものを×とした。
以上を勘案して総合評価を下した。

表２に示す結果からもわかるように、本発明例である試験Ｎｏ.１〜５は、押出加工性に優れ、かつ強度も高い。ただし、押出加工後の冷却速度が遅い試験Ｎｏ.５については、冷却の際に変形が大きく、寸法精度が悪くなっていた。
これに対して、Ｃｕ含有量が少ない試験Ｎｏ.６は、押出加工は可能であるものの、耐力が低くなっている。また、Ｍｎ含有量が多い試験Ｎｏ.７、およびＭｇ含有量が多い試験Ｎｏ.８では、熱間変形抵抗が高まり、押出加工を行おうとした際、押出力が２２００ｔを超えて押し詰まり等が起こり、押出加工できなかった。

押出成形した薄肉楕円管の形状を説明する図

Claims (4)

1. Ｚｎ：４.５〜７質量％，Ｍｇ：０.２〜０.３８質量％，Ｃｕ：０.２５〜０.４質量％，Ｚｒ：０.１〜０.３質量％を含み、さらにＳｉ：０．０５〜０.３質量％およびＦｅ：０.０５〜０.３質量％を（Ｆｅ質量％／Ｓｉ質量％）＝１〜３の範囲で含み、残部がＡｌと不可避的不純物とからなることを特徴とする成形性に優れたアルミニウム合金押出材。
2. さらに、Ｔｉ:０．００１〜０．２質量％、Ｂ：０．０００１〜０.０１質量％のうちの１種または２種を含有する請求項１に記載の成形性に優れたアルミニウム合金押出材。
3. 請求項１または２に記載の成分組成を有するアルミニウム合金素材を、下記（１）で示す条件で均質化処理し、その後に下記（２）で示す条件で押出加工することを特徴とする成形性に優れたアルミニウム合金押出材の製造方法。
   （１）均質化処理条件
   ・加熱速度 ２００℃／ｈ以下
   ・均質化温度×時間 ４５０〜５２０℃×１〜２４ｈ
   ・冷却速度 １５０℃／ｈ以上
   （２）押出加工条件
   ・押出加工温度 ４５０〜５４０℃
   ・ダイス温度 ４００〜５００℃
   ・形材出側温度 ４５０℃以上
   ・冷却温度 １００℃／ｍｉｎ以上
4. 押出加工後に引抜き工程を付加する請求項３に記載の成形性に優れたアルミニウム合金押出材の製造方法。

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