JP2007070672A - 疲労特性に優れたアルミニウム合金厚板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ａｌ−Ｍｇ系合金厚板で疲労強度を向上する。
【解決手段】 Ｍｇ：４．２〜５．０％，Ｍｎ：０．４〜０．８％，Ｆｅ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．０２〜０．１５％，Ｃｒ：０．０５〜０．２０％を含有し、残部不可避的不純物とＡｌとよりなるアルミニウム合金の半連続鋳造鋳塊に対して、均質化処理を行った後、４８０〜５４０℃の温度で熱間圧延を開始し、圧延開始後少なくとも最初の３回の圧延において １パスあたり圧延率４％以下で圧延し、所定の板厚までに少なくとも２回以上 １パスあたり圧延率１５％以上で圧延する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、Ａｌ−Ｍｇ系合金の製造方法に関する技術分野に属し、より詳細には板厚の厚い構造用部材に関するもので船舶用あるいは建築用などに使用されるアルミニウム合金の製造方法に関するものである。

Ａｌ−Ｍｇ系合金はアルミニウム合金中では強度，延性のバランスに優れかつ高耐食性を示すことからさまざまな用途に使用されている。特に構造用部材としては船舶用や建築用にも使用されているが、板厚の厚い場合には圧延率が大きくできない問題がある。このため鋳造時にわずかに含まれる内部欠陥などの影響を受けやすい。

板厚の薄い場合の特性改善方法としては、例えば特許文献１（特開２００３−０２７１７２号公報）のようにＺｒ添加あるいは温間圧延などの手法により最終板の結晶粒を微細化する方法がいくつか提案されている。また特許文献２（特開平０９−０５９７５１）ではＭｇ量を５〜８％含有するアルミニウム合金の熱間圧延割れ防止方法として熱間圧延条件の規定が行われているが、この場合も冷間圧延を施し最終板厚が１ｍｍと薄い製品を対象としている。
特開２００３−０２７１７２号公報 特開平０９−０５９７５１号公報

本発明ではＡｌ−Ｍｇ系合金の添加元素量および熱間圧延条件について検討し、特に板厚の厚いＡｌ−Ｍｇ系合金で疲労強度を向上するアルミニウム合金の製造方法を提供するものである。

本発明は、請求項１記載の通り、Ｍｇ：４．２〜５．０％，Ｍｎ：０．４〜０．８％，Ｆｅ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．０２〜０．１５％，Ｃｒ：０．０５〜０．２０％，Ｔｉ０．００５〜０．１５％を含有し、残部不可避的不純物とＡｌとよりなるアルミニウム合金の半連続鋳造鋳塊に対して、均質化処理を行った後、４８０〜５４０℃の温度で熱間圧延を開始し、圧延開始後少なくとも最初の３回の圧延において １パスあたり圧延率４％以下で圧延し、所定の板厚までに少なくとも２回以上 １パスあたり圧延率１５％以上で圧延することを特徴とする疲労特性に優れたアルミニウム合金厚板の製造方法である。

本発明によって得られるアルミニウム合金厚板は厚さ１５０ｍｍ以上であっても１０^７回疲労限界強度が８０ＭＰａ以上と疲労特性に優れており、船舶用・建築用の構造部材に有効に用いることができる。

次に本発明に係るアルミニウム合金厚板の化学組成の限定理由を以下説明する。

ＭｇはＡｌ中に固溶し強度を向上させる働きがあり重要な元素である。Ｍｇ含有量が４．２％未満では強度向上効果が小さく、５．０％を超える場合、耐食性が低下し問題となる。そこで、Ｍｇ含有量は４．２％〜５．０％とする。

ＭｎはＡｌ中に固溶すると同時にＡｌ−Ｍｎ系の微細な析出物を分散し、強度を向上させる働きと結晶粒を微細化する働きがある。その効果は０．４％未満では十分ではなく、０．８％を超えると飽和すると同時に粗大な金属間化合物を形成し、延性あるいは疲労特性を低下させる。そこで、Ｍｎ含有量は０．４％〜０．８％とする。

ＦｅはＡｌに含まれる不純物の一つである。ただしＦｅ含有量が０．１０〜０．３０％ではＡｌ−Ｆｅ系化合物として分散し、結晶粒の微細化としての効果もある。ただし０．３０％を超えると粗大な金属間化合物を形成し、延性あるいは疲労特性を低下させる。そこで、Ｆｅ含有量は０．１０％〜０．３０％とする。

ＳｉもＡｌ中に含まれる不純物の一つであり、特に下限値を設けるものではないが工業的に使用されるアルミニウム合金中には０．０２％程度は含有される。また０．１５％を越えるとＭｇ_２ＳｉやＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物により延性あるいは疲労特性を低下させる。そこで、Ｓｉ含有量は０．１５％以下とする。

ＣｒはＡｌ−Ｃｒ系化合物を形成し、結晶粒径を微細化する働きがある。その効果は０．０５％未満では十分ではなく、０．２０％を超えると粗大な金属間化合物を生じ疲労特性を低下させる。そこで、Ｃｒ含有量は０．０５％〜０．２０％とする。

Ｔｉは鋳塊の結晶粒組織の微細化に寄与する元素であるが、０．００５％未満ではその効果が期待できず、０．１５％を超えると初晶ＴｉＡｌ_３が晶出して延性を阻害する。そこで、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．１５％とする。
また、ＢをＴｉと共に複合添加すると上記効果が増す。０．０００１％未満では複合添加の効果がなく、０．０５％を超えるとＴｉＢ_２化合物が生成して、圧延にて線状欠陥となる場合がある。従って、Ｂ含有量は０．０００１〜０．０５％の範囲とする。

その他不純物元素については特に規定するものではないが、通常工業的に用いられるＡｌ合金中にはＣｕ，Ｚｎ，Ｎｉなどが含まれるが０．２％以下の含有量であれば本発明の特性を損なわないかぎり含まれていても問題ない。

次に本発明に係るアルミニウム合金厚板の製造方法の限定理由を以下説明する。

鋳隗は通常の半連続鋳造（ＤＣ鋳造）によって製造する。

熱間圧延ではロールと接触する表層近傍に変形が集中しやすく、板厚内部の塑性変形が不十分となり板厚中心部に欠陥が残存しやすくなる。熱間圧延後の板厚が薄く圧延率を大きくできる場合では板厚中心部まで十分な塑性変形が生じるため問題にはならないが、厚さ１５０ｍｍを超えるような板厚の場合では圧延率を大きく取れないため中心部の塑性変形が不十分となる。大きな圧延率が取れない場合においても中心部に十分な塑性変形を与えるため、熱間圧延開始温度は４８０℃以上とし変形抵抗を小さくする必要がある。また本発明合金の溶融開始温度は約５６５℃であり、さらに表面酸化などの問題が大きくなるため熱間圧延の上限温度は５４０℃とした。

次に圧延率の規定に関して述べる。
１パスあたりの圧延率とはｔ0を圧延前板厚，ｔ1を圧延後板厚としたときＤ（％）＝（ｔ0−ｔ1）／ｔ0×１００で表わされる量であり、通常２〜２０ｍｍまで熱間圧延を行う場合、 （ｔ0−ｔ1）で示される圧下量が小さい場合でも板厚（ｔ0）が薄ければ圧延率（Ｄ）は大きくなるため特に配慮しなくても１パスあたり１５％以上の圧延率は得られる。しかし板厚１５０ｍｍ以上を最終板厚とする厚板の場合では熱間圧延時に大きな圧下量（ｔ0−ｔ1）をとらなければ板厚中心部の塑性変形が不十分となることがわかった。この圧下量は板厚によって変化するため圧延率で表現すると１５％以上が必要であり、その回数は多いほど望ましいが２回以上実施すれば板厚の中心部でも十分な変形を与えられることが確認された。
また、圧延開始後少なくとも最初の３回の圧延において１パスあたり４％以下の圧延率で圧延するのは、板表面に歪みをあたえ加工組織あるいは再結晶組織とすることで鋳造時の組織を変化させ、続く１５％以上の高い圧延率を与えても表面からの割れを防止する目的がある。その回数は３回以上であれば十分である。

なお本発明は熱間圧延により最終板を製造する方法であり熱間圧延終了時の自己熱によりほぼ加工時の歪みの少ない完全焼鈍状態に近い製品がえられるが、金属組織の変化を起こさない範囲で歪み取り焼鈍を行っても問題ない。またフラット矯正のための矯正工程は組織的な変化を起こさないため必要に応じて実施しても問題ない。

本発明によって得られる最大の効果は板厚の厚い場合においても鋳造時の内部欠陥を残存させることなく健全は最終板材を得る方法である。一般に微小な内部欠陥が存在すると引張り試験のような静的な評価では差として現れにくいが、疲労試験のように荷重が繰り返し負荷される状況においては微小欠陥の影響を受けやすい。特に構造部材として用いられる厚板では疲労特性の向上が不可欠である。本方法によれば厚さ１５０ｍｍ以上のアルミニウム合金厚板においても１０^７回疲労限界強度が８０ＭＰａ以上と優れた値が得られる。

表１に示すＪＩＳ５０８３合金を用いて半連続鋳造にて鋳塊を作製し、面削後厚さ４５０ｘ幅２２００ｘ長さ４５００ｍｍの鋳塊に５３０℃で均質化処理を行った。続いて表２に示す圧延条件で板厚１７５ｍｍまで熱間圧延を行った。続いて３２０℃×２ｈｒの焼鈍を行い最終板材とした。特性評価は圧延板の板厚中心部より圧延方向と直角方向（ＬＴ方向）よりＪＩＳ４号丸棒引張り試験片を採取し引張り強度，耐力，伸びを評価した。また疲労強度は回転曲げ疲労試験機を用いて直径１０ｍｍの丸棒試験片を用いて実施し、応力−サイクル曲線（Ｓ−Ｎ曲線）を採取し１０^７回疲労限界強度を求めた。結果を併せて表２に示す。

表２の結果より、本発明例では熱間圧延時に割れを生じることなく板厚１７５ｍｍの厚板材が得られることがわかる。またその特性は強度，伸びともに良好な値を示しており、１０^７回疲労限界強度も８０ＭＰａ以上の値が得られている。

これに対して比較例ではＮｏ．８のように初期の圧延量を５０ｍｍ（圧延率１１％）と大きくした場合は２パス目で割れが発生し圧延を続行できなかった。またＮｏ．７のように圧延中に１５％以上の強圧下を１度しか実施しない場合、伸びがやや低下しており、疲労強度も低下した。またＮｏ．９，１０のように圧延開始温度が低い場合や強圧下を実施しない場合やはり伸びおよび疲労強度も低下していた。これらはいずれも板厚中心部の塑性変形が不十分であったためと考えられる

Claims (1)

1. Ｍｇ：４．２〜５．０％（ｍａｓｓ％,以下同じ），Ｍｎ：０．４〜０．８％，Ｆｅ：０．１０〜０．３０％，Ｓｉ：０．０２〜０．１５％，Ｃｒ：０．０５〜０．２０％，Ｔｉ０．００５〜０．１５％を含有し、残部不可避的不純物とＡｌとよりなるアルミニウム合金の半連続鋳造鋳塊に対して、均質化処理を行った後、４８０〜５４０℃の温度で熱間圧延を開始し、圧延開始後少なくとも最初の３回の圧延において １パスあたり圧延率４％以下で圧延し、所定の板厚までに少なくとも２回以上 １パスあたり圧延率１５％以上で圧延することを特徴とする疲労特性に優れたアルミニウム合金厚板の製造方法。