JP2007534839A

JP2007534839A - 航空宇宙及び自動車の鋳物品用の熱処理可能なＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金

Info

Publication number: JP2007534839A
Application number: JP2007509666A
Authority: JP
Inventors: シー．リン，ジェン; ヤナル，カガタイ; ケイ．ブラント，マイケル; ヤン，シンヤン; チャン，ウェンピン
Original assignee: アルコアインコーポレイテッド
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2007-11-29
Also published as: EP1759028A2; CA2564078A1; NO20065386L; MXPA06012242A; WO2005106057A2; EP1759028A4; KR20070009719A; AU2005238478A1; US20050238529A1; WO2005106057A3

Abstract

形状鋳物品用の熱処理可能なアルミニウム合金であって、Ｚｎ：約３.５〜５.５％、Ｍｇ：約１〜１.５％、Ｓｉ：約１％未満、Ｍｎ：約０.３０％未満、Ｆｅ及びその他付随的不純物：約０.３％未満、を含んでいる。
【選択図】図１

Description

＜関連出願の相互参照＞
この出願は、２００４年４月２２日に出願された米国仮出願第６０／５６４,８１３号の利益を主張し、該出願は参照を以てその全体が本願に組み込まれる。また、この出願は、同時に出願された特許出願"Heat Treatable Al-Zn-Mg-Cu Alloy for Aerospace and Automotive Castings"(航空宇宙用及び自動車の鋳物品用の熱処理可能なＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金)とも密接な関連性を有しており、前記特許出願についても参照によってその全体が本願に組み込まれる。

＜発明の分野＞
本発明は、航空宇宙用及び自動車用の形状鋳物品(shaped castings)に用いられるアルミニウム合金と、該合金の鋳造部品を製造する方法である。

＜発明の背景＞
鋳造されたアルミニウム部品は、重量低減のために自動車サスペンションにおける構造的用途に用いられる。最も一般的に使用されている合金のグループはＡｌ−Ｓｉ₇−Ｍｇであり、強度限界が確証されている。より軽量の部品を得るために、より高強度の材料が要請されており、設計に関する材料特性の確証が必要である。現在、Ａ３５６.０(最も一般的に使用されているＡｌ−Ｓｉ₇−Ｍｇ合金)から作られた鋳造材料は、最大抗張力(ultimate tensile strength)が２９０ＭＰａ(４２,０６０ｐｓｉ)、引張降伏強度(tensile yield strength)が２２０ＭＰａ(３１,９０８ｐｓｉ)、伸びが８％以上保証される。

Ａｌ−Ｓｉ₇−Ｍｇ合金よりも高強度を有する種々の代替合金が存在し、登録されている。しかしながら、これら合金は、鋳造性、腐食電位又は流動性に問題があり、これらの問題は簡単には解消されない。それゆえ、これらの代替合金は、あまり好適に使用されていなう。

高強度が要求される場合、鍛造品が用いられることがある。これらは、一般的には、鋳造品よりもコストが高くつく。もし、強度、伸び、耐食性、疲労強度等の点で鍛造品に比べて遜色のない鋳造品を用いることができれば、相当なコスト削減となり得る。これは、航空宇宙用及び自動車用の両方に当てはまる。

Ａｌ−Ｓｉ₇−Ｍｇ材料よりも引張強度及び耐疲労性にすぐれる鋳造合金が望ましい。そのような改良を行なうことができれば、新部品の重量低減が可能であるし、既存部品でも改良された材料特性を大いに利用できるように再設計することにより重量低減が可能である。

＜発明の概要＞
本発明の合金は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ基合金であって、低圧の永久鋳型又は半永久鋳型スクィーズ(squeeze)、高圧ダイ、圧力又は重力鋳造、消失模型(lost foam)、インベストメント鋳造、Ｖ鋳型(V-mold)又は砂型鋳造に用いられ、以下の組成範囲(全て重量パーセント)を有している：
Ｚｎ：約３.５〜５.５％、
Ｍｇ：約０.８〜１.５％、
Ｓｉ：約１.０％未満、
Ｍｎ：約０.３０％未満。
Ｆｅ及びその他付随的不純物：約０.３０％未満。

鋳造性を改善するために、約１.０％までのシリコンが用いられてもよい。強度を高めるために、より少ない量のシリコンが用いられてもよい。用途によっては、鋳造性を向上させるために、約０.３％までのマンガンが用いられてもよい。その他の合金では、マンガンは回避されることになっている。

前記合金はまた、二ホウ化チタン(ＴｉＢ₂)又は炭化チタン(ＴｉＣ)等の結晶微細化剤及び／又はジルコニウム又はスカンジウム等の再結晶防止剤を含むことができる。二ホウ化チタンが結晶微細化剤として用いられる場合、合金中のボロン濃度は、約０.００２５〜約０.０５％の範囲内であってよい。同様に、炭化チタンが結晶微細化剤として用いられる場合、合金中の炭素濃度は、約０.００２５〜約０.０５％の範囲内であってよい。代表的な結晶微細化剤は、ＴｉＣ又はＴｉＢ₂を含有するアルミニウム合金である。

ジルコニウムが、溶体化熱処理中の結晶粒成長を防止するために用いられる場合、一般的には、０.２％以下の範囲内で用いられる。スカンジウムもまた、０.３％以下の範囲で用いられることができる。

本発明の目的は、良好な強度、形状鋳物を形成するための良好な鋳造性、優れた耐食性及び優れた耐熱衝撃性を有するアルミニウム合金を提供することである。特に、陽極酸化され(anodized)、次に透明な仕上層で被覆された部品の場合、強度及び外観に対しては、結晶粒サイズは微細なものが好ましい。

一態様において、本発明は、Ｚｎ：約３.５〜５.５％、Ｍｇ：約０.８〜１.５％を含むアルミニウム合金であり、該合金は、Ｓｉ：約１％未満、Ｍｎ：約０.３０％未満、Ｆｅ及びその他付随的不純物を含有している。

他の態様において、本発明は、Ｚｎ：約３.５〜５.５％、Ｍｇ：約０.８〜１.５％、Ｓｉ：約１％未満、Ｍｎ：約０.３０％未満、Ｆｅ及びその他付随的不純物を含有するアルミニウム合金からなる熱処理可能な形状鋳物品である。

他の態様において、本発明は、熱処理可能なアルミニウム合金の形状鋳物品を作製する方法である。該方法は、Ｚｎ：約３.５〜５.５％、Ｍｇ：約０.８〜１.５％、Ｓｉ：約１％未満、Ｍｎ：約０.３０％未満、Ｆｅ及びその他付随的不純物：約０.３０％未満、を含有するアルミニウム合金の溶融物(molten mass)を作製することを含んでいる。前記方法は、形状鋳物品を製造できる形状に作られた鋳型の中で溶融物の少なくとも一部分を鋳造すること、溶融物を凝固させること、及び形状鋳物品を鋳型から取り除くことをさらに含んでいる。

＜望ましい実施例の詳細な説明及び従来合金との比較＞
この明細書に記載する値のあらゆる数値範囲については、規定した最小値と最大値との間における各々の数字及び／又は分数並びにあらゆる数字及び／又は分数(fraction)を含むものと理解される。例えば、Ｚｎ：約３.５〜５.５重量％について説明すると、この範囲は、約３.６、３.７、３.８及び３.９％から、５.３、５.３５、５.４、５.４７５及び５.４９９％までのあらゆる中間値を明示的に含むものである。これは、この明細書に記載した各々の他の各数値的特性及び／又は元素範囲に対して当てはまる。

本発明に係る合金と、銅を含有する同種のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金とについて、比較試験を行なった。試料は、０.１℃／秒の冷却速度で一方向性凝固されている(directionally solidified)。その結果を表１に示している。

表１に示される第１の合金は、Ａｌ−４.５Ｚｎ−１.２Ｍｇである。２つの試料は、それぞれＴ５質別(temper)とＴ６質別にて試験した。合金の２つの試料のＴ５質別とＴ６質別の両方について、引張強度と降伏強さをメガパスカル(megapascals)で表し、伸びをパーセントで表している。この合金は、本発明の例である。

表１に示される第２の合金もまた、本発明の範囲内の組成を有しており、Ａｌ−４.５Ｚｎ−１.２Ｍｇ−０.４Ｓｉを含んでいる。この合金は、Ｔ５質別では、前記合金よりも引張強度と降伏強さの値が低いことを示している。しかしながら、Ｔ６質別では、前記合金よりも、引張強度、降伏強さ及び伸びの値が著しくすぐれている。

表１に示される第３の合金は、本発明の組成範囲から外れており、比較用として作られたものである。第３の合金は、Ｔ５質別では、第２の合金のＴ５質別よりも、引張強度及び降伏強さが高く、伸びの値が大きいが、第２の合金のＴ６質別よりも、引張強度及び降伏強さが低く、伸びの値が小さい。

表１に示される第４の合金も、本発明の組成範囲に外れており、比較用として作られたものである。示されたデータは、おそらくは結晶粒の成長を抑制するジルコニウムの効果を示している。Ｔ６質別のものは、引張強さ、降伏強さ及び伸びについて、非常に高い数値であることを示している。

本発明に係る形状鋳物品(shaped castings)の機械的性質は、第１の工場試験で試験され、その結果は表２に示されている。

第１の工場試験での組成は、Ａｌ−３.５Ｚｎ−０.９７Ｍｇである。表２では、引張強度と降伏強さをメガパスカルで表し、伸びをパーセントで表している。２つの試料は、Ｔ５質別で試験を行ない、アズキャスト(as cast)材料の２つの試料を試験した。アズキャスト材料の伸びは、１５.０３及び１５.９５％という驚くべき数値を示したことに注目すべきである。

第２の工場試験では、表１の合金よりもマグネシウムの含有量が僅かに多い合金について試験した。第２の工場試験でのデータは表３に示されている。

表３のデータは、Ａｌ３.５−Ｚｎ−１.１Ｍｇを含有する合金に対するものである。これは、本発明に係る合金である。データは、３種類の異なる熱処理に対するものである。第１のものは１６０℃で１時間、第２のものは１６０℃で１０時間、第３のものは１４３℃で３２時間である。表３の引張強度と降伏強さはメガパスカルで表され、伸びはパーセントで表されている。

表４は、表３の試料と同じ合金に対するデータを表している。表４の試料は、４７１℃で３時間、次に５２７℃で１０時間のＴ６熱処理の後、低温水でクエンチングした。次に、試料は、表４に記載のとおり時効処理を行ない、表４に示す応力結果が得られた。表の中の第１ラインは、自然時効処理のみの試料に対するものである。

腐食試験は、ASTM G44試験にて行なった。この試験は、"Standard Practice for Exposure of Metals and Alloys by Alternate Immersion in Neutral 3.5% Sodium Chloride Solution"(金属及び合金を、３.５％塩化ナトリウム中性溶液中に交互浸漬による曝露を行なう標準実施要領)である。この試験では、試料を、３.５％ＮａＣｌ溶液に１０分間浸漬し、実験室雰囲気にて５０分間放置する１時間サイクルである。試料には、降伏強さの７５％の応力が加えられた。試験日数は１８０日である。

図面は、この試験の結果を示している。マグネシウムの含有量が多いとき、銅は、応力腐食割れを防止するのに必要であることがわかる。しかしながら、マグネシウム含有量が少ない(Ｍｇ約１.２％)本発明合金では、銅は必要ではない。

本発明の望ましい実施例について説明したが、特許請求の範囲に規定された範囲内で、本発明を他の実施形態にすることも可能であることは理解されるべきである。

銅を含有するＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金と、銅を含有しないＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金とについて行なったASTM G44応力腐食試験の結果を示す図である。

Claims

形状鋳物品用の熱処理可能なアルミニウム合金であって、重量パーセントにて、
Ｚｎ：約３.５〜５.５％、
Ｍｇ：約０.８〜１.５％、
Ｓｉ：約１％未満、
Ｍｎ：約０.０４％以下、
Ｆｅ及びその他の付随的不純物：約０.３０％未満、
を含んでいるアルミニウム合金。
ボロン、炭素及びその両方から成る群から選択される少なくとも１種の結晶微細化剤をさらに含んでいる請求項１に記載のアルミニウム合金。
少なくとも１種の結晶微細化剤は、ボロンを、約０.００２５〜約０.０５％の範囲で含んでいる請求項２に記載のアルミニウム合金。
少なくとも１種の結晶微細化剤は、炭素を、約０.００２５〜約０.０５％の範囲で含んでいる請求項２に記載のアルミニウム合金。
ジルコニウム、スカンジウム及びその両方から成る群から選択される少なくとも１種の再結晶防止剤をさらに含んでいる請求項１に記載のアルミニウム合金。
少なくとも１種の再結晶防止剤は、ジルコニウムを０.２％以下の範囲で含んでいる請求項５に記載のアルミニウム合金。
少なくとも１種の再結晶防止剤は、スカンジウムを０.３％以下の範囲で含んでいる請求項５に記載のアルミニウム合金。
亜鉛の濃度は約４.２〜４.８％である請求項１に記載のアルミニウム合金。
亜鉛の濃度は約４.４〜４.６％である請求項１に記載のアルミニウム合金。
マグネシウムの濃度は約１.０〜１.４％である請求項１に記載のアルミニウム合金。
マグネシウムの濃度は約１.１〜１.３％である請求項１０に記載のアルミニウム合金。
合金中のマンガンの濃度は約０.０１％未満である請求項１に記載のアルミニウム合金。
アルミニウム合金から成る形状鋳物品であって、前記アルミニウム合金は、
Ｚｎ：約３.５〜５.５％、
Ｍｇ：約０.８〜１.５％、
Ｓｉ：約１％未満、
Ｍｎ：約０.０４％以下、
Ｆｅ及びその他の付随的不純物：約０.３０％未満、
を含んでいる、形状鋳物品。
Ｔ５熱処理が施されている請求項１３に記載の形状鋳物品。
Ｔ６熱処理が施されている請求項１３に記載の形状鋳物品。
亜鉛の濃度は約４.２〜４.８％である請求項１３に記載の形状鋳物品。
亜鉛の濃度は約４.４〜４.６％である請求項１３に記載の形状鋳物品。
マグネシウムの濃度は約１.０〜１.４％である請求項１３に記載の形状鋳物品。
マグネシウムの濃度は約１.１〜１.３％である請求項１３に記載の形状鋳物品。
アルミニウム合金の形状鋳物品を製造する方法であって、
Ｚｎ：約３.５〜５.５％、Ｍｇ：約０.８〜１.５％、Ｓｉ：約１％未満、Ｍｎ：約０.４０％以下、Ｆｅ及びその他の付随的不純物：約０.３０％未満を含むアルミニウム合金の溶融物を調製し、
前記形状鋳物品を製造する形状に作られた鋳型の中で、溶融物の少なくとも一部分を鋳造し、
鋳型の中で溶融物を凝固させ、
得られた形状鋳物品を鋳型から取り除く、
ことを含んでいる方法。
形状鋳物品にＴ５熱処理を施すことをさらに含んでいる請求項２０に記載の方法。
形状鋳物品にＴ６熱処理を施すことをさらに含んでいる請求項２０に記載の方法。
亜鉛の濃度は約４.２〜４.８％である請求項２０に記載の方法。
亜鉛の濃度は約４.４〜４.６％である請求項２０に記載の方法。
マグネシウムの濃度は約１.０〜１.４％である請求項２０に記載の方法。
マグネシウムの濃度は約１.１〜１.３％である請求項２０に記載の方法。