JP2008200752A - アルミニウム合金鋳造材及びその製造方法、アルミニウム合金材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム合金の溶湯を鋳造してなるアルミニウム合金鋳造材、これを少なくとも加熱して得られるアルミニウム合金材、及びそれらの製造方法である。アルミニウム合金鋳造材の作製にあたっては、まず、Fe:0.8〜5mass%、Ti:0.15〜1mass%を含有すると共に、Zr等の第3成分元素を特定量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を、一定の温度で溶解させて溶湯を得る(溶解工程)。次いで、アルミニウム合金の固相線温度より少なくとも10℃低い温度まで溶湯を冷却速度150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満で冷却しつつ鋳型によって板状に鋳造する(鋳造工程)。
【選択図】図1
Description
例えば、Al−Mg−Si系合金においては、溶体化処理のみを実施した材料(調質:T4)を所定形状にプレス成形し、その後の塗装・焼付け工程で硬化させ、外板用のアルミニウム合金板材に仕上げられている。Al−Mg−Si系合金等の6000系合金は、アルミニウム合金の中では中強度で良好な耐食性を有し、例えば自動車の足廻り用材料等として使用されてきた。6000系合金においては、このような優れた特性と、先述したベークハード性及び連続鋳造圧延とを融合し、製造時のエネルギー消費量をより低減して高機能化で低コストな材料に仕上げられてきた(特許文献1〜3参照)。
また、上述のごとく、アルミニウム合金板材においては添加元素を加えることによって強度を向上させることが可能であるが、例えばAl−Fe−Ni合金等においては、耐熱性、即ち高温での強度には優れる反面、耐軟化性が不十分であり、鋳造後焼鈍し、さらに長時間加熱した後における硬さ(残留硬さ)が鋳造後の硬さに比べて大きく低下し易い。そのため、かかるアルミニウム合金は、高温で時効硬化させることができず、また、高温環境下における強度は優れていても高温加熱後の室温での強度が低下するため、結局は高温環境下で用いられる部材に適用することは困難であった。
これまでに利用されているアルミニウム合金ではこれら要求特性を満足するアルミニウム合金板材を工業的に製造することは極めて困難であった。
第1成分元素として0.8〜5mass%のFeと、第2成分元素として0.15〜1mass%のTiとを含有すると共に、Zr、Nb、Hf、Sc、及びYからなる第3成分元素群から選ばれる1種以上の第3成分元素を、個々の含有量が0.05〜2mass%、かつ上記第1成分元素Feの含有量をFe(mass%)、第2成分元素Tiの含有量をTi(mass%)、及び上記第3成分元素の合計含有量をX(mass%)としたとき、Fe>X>Tiを満足する量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を準備し、該アルミニウム合金を、その組成から決定される液相線温度よりも20℃以上高い温度で溶解させて溶湯を得る溶解工程と、
上記アルミニウム合金の組成から決定される固相線温度より少なくとも10℃低い温度まで上記溶湯を冷却速度150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満で冷却しつつ鋳型によって鋳造する鋳造工程とを有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法にある(請求項1)。
上記溶解工程及び上記鋳造工程においては、上記特定組成の上記アルミニウム合金を溶解させて上記溶湯を作製し、該溶湯を冷却しつつ鋳造して上記アルミニウム合金鋳造材を作製する。したがって、上記第1の発明においては、上記溶湯から例えば板状等に直接鋳造することが可能であり、スラブ(鋳塊)を作製する工程等を省略することができる。そのため、工数を減らすことができ、上記アルミニウム合金鋳造材を低コストで作製することができる。
そのため、上記第1の発明においては、例えば自動車用構造部材等に適したアルミニウム合金鋳造材を製造することができる。
該アルミニウム合金鋳造材は、Al基地からなるα相と、該α相を取り囲むように形成され、かつ上記Al基地とAl−Fe系化合物との共晶組織からなる層状相とを有する金属組織を有し、
上記Al基地は、Alの過飽和固溶体からなり、該過飽和固溶体には上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶しており、
上記アルミニウム合金鋳造材の任意断面において、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との金属間化合物からなる粒径5μm以上の晶出物の占める面積率は5%未満になっていることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材にある(請求項16)。
このような上記アルミニウム合金鋳造材は、上記第1の発明の製造方法によって得られる上記アルミニウム合金鋳造材と同様に、低コストで製造できると共に、強度、成形性、及び耐食性に優れ、かつ耐軟化性に優れている。
該アルミニウム合金材は、Al基地からなるα相と、該α相を取り囲むように形成され、かつ上記Al基地とAl−Fe系化合物との共晶組織からなる層状相とを有する金属組織を有し、
上記Al基地は、Al、及び/又はAlに上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶したAlの過飽和固溶体からなり、
上記Al基地には、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との金属間化合物からなる粒径2〜500nmの析出物が分散されていることを特徴とするアルミニウム合金材にある(請求項27)。
上記第6の発明のアルミニウム合金材は、具体的には、上記第2〜第4の発明の製造方法により得ることができる。
上記第1の発明の製造方法においては、上記溶解工程と上記鋳造工程とを行うことにより上記アルミニウム合金鋳造材を製造する。該アルミニウム合金鋳造材は、アルミニウム合金の溶湯を鋳型に供給しつつ鋳造する鋳造法によって製造される。
この場合には、上記溶湯から上記アルミニウム合金鋳造材を連続的に直接鋳造することができる。そしてこの場合には、直接鋳造を行っても、強度、成形性、及び耐食性に優れ、かつ耐軟化性にも優れたアルミニウム合金鋳造材を得ることができる上述の作用効果を顕著に発揮させることができる。また、この場合には、上記特定の冷却速度での冷却を行い易くなる。
また、上記鋳造工程は、ダイカスト法等のように連続鋳造以外の方法によって行うこともできる。
アルミニウム合金にFeを添加した場合、強度、及び高温での強度(耐熱性)が向上する。また、金属組織的には、Al−Fe系化合物とAlとによって層状相を形成するようになる。
Feが0.8mass%未満の場合には、十分な強度が得られず、高温環境下における強度、即ち耐熱性が低下したりするおそれがある。一方、5mass%を越える場合には、冷却速度に対応して特性が大きく変化し易くなり、一定の特性を備えた鋳造材を安定的に生産することが困難になるという問題が生じる。具体的には、例えば圧延を行った場合に、アルミニウム合金鋳造材に割れが生じ易くなるおそれがある。また、この場合には、鋳造時に粗大な晶出物が形成されやすくなり、加工性や成形性が低下するおそれがある。好ましくは、上記第1成分元素Feの含有量は2.0〜4.0mass%であることがよく、より好ましくは3.0〜4.0mass%がよい。
第2成分元素Tiを後述の第3成分元素と共に添加した場合、合金組織を微細化することができるとともに、溶解状態から凝固する際に過飽和固溶したものが、熱間圧延を行った場合、あるいは冷間圧延後に熱処理を行った場合に、アルミニウム母相中に析出して強度特性を更に向上させることができる。
Tiが0.15mass%未満の場合には、十分な耐熱性、耐軟化性が得られなくなるおそれがある。一方、1mass%を超える場合には、鋳造時に粗大なAl−Ti系晶出物が形成され易くなり、加工性や成形性が悪くなるおそれがある。好ましくは、上記第2成分元素Tiの含有量は0.3〜0.9mass%であることがよく、より好ましくは0.7〜0.8mass%がよい。
上記第3成分元素は、上記第1成分元素Fe及び上記第2成分元素Tiと共に添加することにより、耐軟化性を向上させる効果を発揮する。すなわち、アルミニウム合金に第1成分元素Feを添加した場合、上述のごとくAl−Fe系化合物とAl基地とによって層状相を形成するようになる。さらに上記第2成分元素Ti、及び上記第3成分元素を上記特定量添加すると、熱エネルギーやひずみエネルギーが加わったときにAlとTiと第3成分元素とからなる安定な化合物(金属間化合物)相がアルミニウム母相内に析出するため、強度特性や耐軟化性を向上させることができる。そのため、熱間圧延、あるいは冷間圧延後に加熱を行った場合に強度を向上させることができる。また、圧延加工を施さずに熱処理だけを行った場合にも同様に強度の向上効果を得ることができる。
上記第3成分元素群の個々の含有量が0.05mass%未満の場合には、上記第3成分元素添加による上述の効果が充分に得られないおそれがある。一方、少なくとも1種の第3成分元素が2mass%を越える場合には、冷却速度を充分に高くしないと大きな晶出物が生じやすくなり、加工性や成形性が劣化するおそれがある。そのため、生産が困難になる。好ましくは、上記第3成分元素群の個々の含有量は0.2〜1.2mass%であることがよく、より好ましくは0.5〜1.2mass%がよい。
X≧Feの場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の強度が低下したり、耐軟化性が低下したりするおそれがある。X≦Tiの場合には、耐軟化性が劣化するおそれがある。また、Fe≦Tiの場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の強度が低下したり、耐軟化性が低下したりするおそれがある。
この場合には、優れた強度特性及び成形性を維持しつつ、耐軟化性をより向上させることができる。
上記Zrの含有量が0.2mass%未満の場合には、Zr添加による上述の効果が充分に得られないおそれがある。一方、1.2mass%を越える場合には、上記溶解工程においてアルミニウム合金を溶解させるときの溶解温度が非常に高くなるおそれがある。そのため、溶解時に特別な装置が必要となり、製造コストが増大するおそれがある。
この場合には、成形性をほとんど損ねることなく上記アルミニウム合金鋳造材の強度をより向上させることができる。Mgが0.05mass%未満の場合には、Mg添加による強度の向上効果が充分に得られず、Mg添加の意味がほとんどなくなってしまうおそれがある。一方、2mass%を越えて添加した場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の加工性が悪くなり、例えば圧延時に圧延割れが発生するおそれがある。また、成形性が悪くなるおそれがある。より好ましくは、第4成分元素Mgの含有量は0.2mass%〜1.5mass%がよく、さらに好ましくは0.3mass%〜0.8mass%がよい。
上記第5成分元素群のうちCuを含有する場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の加工性をほとんど損ねることなく、強度を向上させることができる。また、上記第5成分元素群のうちCr及び/又はCoを含有する場合には、Al−(Fe,Cr)化合物及び/又はAl−(Fe,Co)化合物が形成され、Al−Fe化合物単体が分散するよりも、伸び、加工性、及び成形性を向上させることができる。その結果、加工性や成形性等をほとんど損ねることなく、上記アルミニウム合金鋳造材の強度を向上させることができる。
上記第5成分元素が0.05mass%未満の場合には、該第5成分元素の添加による上述の効果が充分に得られないおそれがある。一方、上記第5成分元素群のうちCuを1mass%を越えて添加した場合には、加工性及び成形性が悪くなるおそれがある。また、この場合には、耐食性が劣化するおそれがある。また、上記第5成分元素群のうちCr及び/又はCoを1mass%を越えて添加した場合には、成形性が悪くなるおそれがある。より好ましくは、上記第5成分元素の含有量は、0.1mass%〜0.7mass%がよく、さらに好ましくは0.1mass%〜0.5mass%がよい。
なお、上記第5成分元素を2種類以上含有する場合には、その合計量を0.05〜1mass%という上記範囲にすることが好ましい。
この場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の加工性及び成形性をほとんど損ねることなく、強度を向上させることができる。
上記第6成分元素が0.05mass%以下の場合には、該第6成分元素の添加による上述の効果が充分に得られないおそれがある。一方、0.5mass%以上添加した場合には、溶解温度が著しく上昇してしまうおそれがある。また、粗大な晶出物が形成されやすくなり、加工性及び成形性が悪くなるおそれがある。より好ましくは、上記第6成分元素の含有量は0.1mass〜0.4mass%がよく、さらに好ましくは0.1mass%〜0.3mass%がよい。なお、上記第6成分元素を2種類含有する場合には、その合計量を0.05mass%未満かつ0.5mass%超過という上記範囲にすることが好ましい。
上記第4〜第6成分元素の合計量が3mass%を越える場合には、上記アルミニウム合金鋳造材の加工性が悪くなり、例えば圧延時に圧延割れが発生するおそれがある。またこの場合には、上記鋳造工程において晶出物が生じやすくなり、成形性が劣化するおそれがある。
溶解温度が液相線温度+20℃未満の場合には、十分な湯流れ性を得ることができず、鋳造後のアルミニウム合金鋳造材の内部に巣が形成され、健全なアルミニウム合金鋳造材を得ることができなくなるおそれがある。
この場合には、上述したように耐軟化性等の特性に優れたアルミニウム合金鋳造材を得ることができ、例えば熱エネルギーやひずみエネルギーが加わったときに、AlとTiと第3成分元素とからなる安定な化合物(金属間化合物)相がアルミニウム母相(上記α相)内に析出し、強度をより向上させることができる。また、粗大なAl−Fe系化合物あるいは他の元素を含み構成される晶出相が形成されることを抑制することができ、延性、靱性等の低下を防止することができる。そのため、加工性及び成形性等を低下させることなく、耐軟化性等の特性を向上させることができる。
したがって、本発明のように150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満という冷却速度を規定することにより、工業的に実現可能な低コストで高品質なアルミニウム合金鋳造材を製造することができる。また、本発明の規定範囲内の冷却速度であれば、アルミニウム合金鋳造材の断面内にアモルファス相が実質的には存在せず、例えば結晶化温度の前後で生じる特性変化がほとんど生じない熱的安定性の高いアルミニウム合金鋳造材を得ることができる。
なお、上記冷却速度(150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満)による冷却は、少なくとも上記固相線温度−10℃に達するまで行えばよく、当該温度に達した以降は、上記の150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満という冷却速度からはずれる温度で冷却してもよいし、この範囲の冷却速度で冷却してもよい。好ましくは、上記冷却速度(150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満)による冷却は、固相線温度−100℃に達するまで行うことがよい。
この場合には、上記鋳造工程において、150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満という範囲の冷却速度を比較的簡単に実現することができる。
板状への鋳造は、後述のように例えば単ロール式、双ロール式、ブロック式、ベルト式ホイール式等の鋳造装置を用いて行うことができる。
厚さ0.3mm未満の場合には、ロール間、ブロック間、ベルト間への注湯やギャップ制御などが困難になり、アルミニウム合金鋳造材の生産が困難になるおそれがある。一方、10mmを越える場合には、上述の150℃/sec以上という冷却速度を確保することが困難になる。また、冷却速度にばらつきが生じ、均一な特性のアルミニウム合金鋳造材を得ることが困難になるおそれがある。
上記単ロール式の連続鋳造法は、上記アルミニウム合金の溶湯を例えば銅製の回転単ロールに連続的に供給し、急冷凝固させることで板状のアルミニウム合金鋳造材を得る方法である。また、上記双ロール式の連続鋳造法は、例えば銅製の回転ロールを対に配置し、両ロールのギャップを任意に調整することで冷却速度を制御することができ、単ロール法と同様に急冷凝固させることにより板状のアルミニウム合金鋳造材を得る方法である。また、上記ブロック式の連続鋳造法は、可動式の2つのブロック状冷却部材の間に溶湯を供給し、該ブロック間で冷却固化させながら連続的に板状に鋳造する方法である。また、上記ベルト式の連続鋳造法は、可動式の2つのベルト状冷却部材の間に溶湯を供給し、該ベルト間で冷却固化させながら連続的に板状に鋳造する方法である。また、上記ホイール式の連続鋳造法は、回転ホイールの外周面に形成された溝の一部に溶湯を注入して溝と押え(ロール)との間を通過させ、移動鋳型内で凝固させつつ連続的に引出しながら板状に鋳造する方法である。
これらの連続鋳造法においては、150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満という範囲の冷却速度を比較的簡単に実現できると共に、優れた生産性で上記アルミニウム合金鋳造材を製造することができる。
この場合には、例えば単ロール、及び双ロール式の連続鋳造法によって鋳造を行うときに、径が小さな回転ロールを用いることができる。即ち、径の小さな回転ロールを用いると、ロール(鋳型)と溶湯との接触面積及び接触時間が不十分になり、上記溶湯を上述の冷却速度で固相線温度−10℃に達するまで冷却することが困難になる。これに対し、上記のごとく、上記鋳型において少なくとも表層を固化させた溶湯に対して続けて水冷を行うと、回転ロールのロール径が小さい場合であっても、より確実に固相線温度−10℃に達するまで、上述の冷却速度で冷却を行うことができる。
具体的には、上記第2の発明のように、上記鋳造工程後の上記アルミニウム合金鋳造材に対して温度200℃以上で熱間圧延加工を行うことにより、上記アルミニウム合金鋳造材の厚みを30%以上圧下する熱間圧延工程を行うことができる。
この場合には、上記アルミニウム合金材において、上記α相、及びAl−Fe系化合物とAlとの共晶組織からなる上記層状相が形成されるだけでなく、上述のごとく熱エネルギー及びひずみエネルギーにより、AlとTi(第2成分元素)と第3成分元素とからなる安定な化合物(析出物)相を上記Al基地中に析出させることができる。そのため、上記アルミニウム合金鋳造材の強度をより向上させて上記アルミニウム合金材を得ることができる。なお、上記第6の発明(請求項27)の上記アルミニウム合金材は、上記熱間圧延工程を行うことにより作製することができる。
上記アルミニウム合金鋳造材の加熱温度が200℃未満の場合には、圧延割れや大きな耳割れが発生するおそれがある。これは特に溶質濃度の高いアルミニウム合金を用いた場合に顕著に発生する。また、熱エネルギーにより強度が向上するという上記アルミニウム合金材の特性を充分に引き出すことができないおそれがある。その結果、上記熱間圧延工程後に、上記アルミニウム合金材の強度を充分に向上させることができないおそれがある。
この場合には、上記鋳造工程後に得られる温度200℃〜500℃のアルミニウム合金鋳造材を加熱することなく、そのまま上記熱間圧延工程に用いることができる。また、熱間圧延工程でさらに加熱が必要な場合においても、その加熱時間を短縮化できる。そのため、工数や製造時間を少なくすることができ、製造コストの低減を図ることができる。
上記鋳造工程後の上記アルミニウム合金鋳造材の温度が200℃未満の場合には、上記熱間圧延工程において、上記アルミニウム合金鋳造材を再度温度200℃以上に加熱する必要が生じる。一方、上記鋳造工程後の上記アルミニウム合金鋳造材の温度が500℃を越える場合には、上記層状相中のAl−Fe系化合物が粗大化し、強度が低下するおそれがある。また、この場合には、上記熱間圧延工程において、圧延ロールに対するダメージが大きくなり、ロール寿命の低下を招くおそれがある。
なお、本発明で用いるアルミニウム合金組成の範囲においては、上述の「固相線温度より少なくとも10℃低い温度」が上述の500℃以下になることはない。したがって、上記鋳造工程において500℃まで冷却しても、上述の「固相線温度より少なくとも10℃低い温度」までの冷却は充分確保される。また、熱間圧延後に、例えば450℃×1hのような高温焼鈍を行ってももはや耐軟化性はほとんど変化しない。
この場合にも、上記熱間圧延工程と同様に、熱エネルギー及びひずみエネルギーにより上記アルミニウム合金鋳造材の強度をより向上させて上記アルミニウム合金材を得ることができる。
上記アルミニウム合金鋳造材の加熱温度が上記アルミニウム合金の融点の1/2未満の場合には、熱エネルギーにより強度が向上するという上記アルミニウム合金鋳造材の特性を充分に引き出すことができないおそれがある。その結果、冷間圧延して加熱した後の上記アルミニウム合金鋳造材の強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、550℃を越える場合には、粗大な化合物が形成されたり、局部的に組成が溶融したりするおそれがる。その結果、上記アルミニウム合金材の強度等の特性が低下してしまうおそれがある。より強度を向上させるためには、上記冷間圧延−加熱工程における加熱温度は400℃〜500℃であることが好ましく、より好ましくは400℃〜450℃であることがよい。
なお、上記第6の発明の上記アルミニウム合金材は、上記冷間圧延−加熱工程によっても製造することができる。
この場合においても、熱エネルギーにより、AlとTi(第2成分元素)と第3成分元素とからなる安定な化合物相を上記Al基地中に析出させることができる。そのため、上記アルミニウム合金鋳造材の強度をより向上させて上記アルミニウム合金材を得ることができる。
上記アルミニウム合金鋳造材の加熱温度が400℃未満の場合又は加熱時間が0.5時間未満の場合には、熱エネルギーにより強度が向上するという上記アルミニウム合金鋳造材の特性を充分に引き出すことができないおそれがある。その結果、加熱後の上記アルミニウム合金鋳造材の強度を充分に向上させることができないおそれがある。一方、3時間を超えて加熱しても強度特性はほとんど上昇せず、長時間加熱するメリットはほとんど得られなくなる。より強度を向上させるためには、上記熱処理工程における加熱温度は400℃〜500℃であることが好ましく、加熱時間は1〜2時間であることが好ましい。
なお、上記第6の発明のアルミニウム合金材は、上記熱処理工程によっても作製することができる。
上記第5の発明の上記アルミニウム合金鋳造材及び上記第6の発明の上記アルミニウム合金材は、第1成分元素として0.8〜5mass%のFeと、第2成分元素として0.15〜1mass%のTiとを含有すると共に、Zr、Nb、Hf、Sc、及びYからなる第3成分元素群から選ばれる1種以上の第3成分元素を、個々の含有量が0.05〜2mass%、かつ上記第1成分元素Feの含有量をFe(mass%)、第2成分元素Tiの含有量をTi(mass%)、及び上記第3成分元素の合計含有量をX(mass%)としたとき、Fe>X>Tiを満足する量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなる。各成分元素の含有量の臨界意義は、上記第1の発明と同様である。
上記第5の発明において、上記Al基地は、Alの過飽和固溶体からなり、該過飽和固溶体には上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶している。
上記第6の発明において、上記Al基地は、Al、及び/又はAlに上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶したAlの過飽和固溶体からなる。上記第6の発明において、固溶していた上記第2成分元素及び上記第3成分元素が完全に析出した場合には、上記Al基地はAlからなる。
上記第2成分元素及び上記第3成分元素は、上記層状相内の上記Al−Fe系化合物には固溶しておらず、上記α相及び/又は上記層状相内の上記Al基地中に固溶している。
粒径5μm以上の晶出物の面積率が5%以上になると、熱間圧延等により、上記アルミニウム合金鋳造材に熱エネルギーやひずみエネルギーを加わえたときに、強度特性や耐軟化性を向上させることができなくなるおそれがある。
また、任意断面における上記晶出物の面積割合は、上記アルミニウム合金鋳造材の測定対象面を鏡面まで研磨した後、透過型電子顕微鏡で観察し、得られた像に対して画像解析処理装置を用いて面積率を測定する。面積率は、観察視野面積に対する観察視野面内における晶出物の面積の割合とする。但し、観察視野面積は少なくとも1mm2以上とする。
この場合には、優れた強度特性及び成形性を維持しつつ、耐軟化性をより向上させることができる。Zrの含有量の臨界意義は、上記第1の発明と同様である。
この場合には、成形性をほとんど損ねることなく上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の強度をより向上させることができる。Mgの含有量の臨界意義は、上記第1の発明と同様である。
また、上記第4成分元素としてのMgは、上記Al基地中でAl−Mg化合物を形成していることが好ましい(請求項20、請求項31)。
これらの場合には、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の強度をより一層向上させることができる。
この場合には、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の伸び、加工性、及び成形性をより向上させることができる。
この場合には、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の加工性をほとんど損ねることなく、その強度をより向上させることができる。
この場合には、加工性をほとんど損ねることなく、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の強度をより一層向上させることができる。
この場合には、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の加工性及び成形性をほとんど損ねることなく、強度を向上させることができる。上記第6成分元素の含有量の臨界意義は、上記第1の発明と同様である。
この場合には、上記アルミニウム合金鋳造材及び上記アルミニウム合金材の加工性及び成形性をほとんど損ねることなく、強度をより一層向上させることができる。
本例では、まず、表1〜表4に示すごとく、複数種類の組成を有するアルミニウム合金よりなるアルミニウム合金鋳造材(連続鋳造材)を作製し、その耐軟化性等を調べ、本発明のアルミニウム合金鋳造材の優位性を明らかにした。
まず、本発明の範囲内にあるアルミニウム合金鋳造材(実施例1〜48)について、その合金成分組成、比重、及び冷却速度を表1及び表2に示す。
また、比較のために、本発明に規定の成分範囲から外れるアルミニウム合金よりなるアルミニウム合金鋳造材(比較例1〜20及び比較例28〜37)、及び本発明に規定の範囲から外れる冷却速度で作製したアルミニウム合金鋳造材(比較例21〜27)も準備した。こられの合金の成分組成と比重を表3及び表4に示す。
なお、本例において、冷却速度は、鋳造工程において各組成のアルミニウム合金の溶湯が冷却されていく過程において、固相線温度±40℃の範囲を通過するときの速度をもって決定した。
すなわち、図1(a)〜(c)に示すごとく、各アルミニウム合金鋳造材を作製するに当たり、各合金組成から決定される液相線温度よりも20℃以上高い温度(溶解温度)で各アルミニウム合金を溶解させて溶湯を形成する溶解工程S1と、この溶湯を表1〜表4に示す各種冷却速度で少なくとも固相線温度より10℃低い温度まで冷却し、さらに室温まで冷却し厚み1.2mmの板状に鋳造してアルミニウム合金鋳造材を得る鋳造工程S2とを行った。鋳造工程S2は、銅製のロールを用いた単ロール式の連続鋳造法によって行った。
冷間圧延−加熱工程S3bにおいては、図1(b)に示すごとく、上記鋳造工程S2後のアルミニウム合金鋳造材に冷間圧延加工を施してその厚みを40%圧下させて厚み0.72mmのアルミニウム合金材を得た。その後、アルミニウム合金の融点の1/2以上の温度(本例においては450℃)でアルミニウム合金材を1時間加熱した。その後室温まで放冷した。
熱処理工程S3cにおいては、図1(c)に示すごとく、上記鋳造工程S2後のアルミニウム合金鋳造材を温度450℃で1時間加熱した。その後室温まで放冷した。
以上のようにして、鋳造後に、後処理工程S3、及び加熱工程S4を行ったアルミニウム合金材(実施例1〜実施例48、比較例1〜20、及び比較例28〜37)を得た。
即ち、図2(a)に示すごとく、まず鋳塊を作製するに当たり、各合金の組成から決定される液相線温度よりも200℃高い温度(溶解温度)にて合金を溶解して溶湯を作製する溶解工程S5と、該溶湯を冷却速度100℃/secで冷却することにより凝固させてアルミニウム合金鋳塊を得る凝固工程S6とを行った。これにより、厚み1.2mmの板状のアルミニウム合金鋳塊を得た。
熱間圧延工程S7aにおいては、図2(a)に示すごとく、上記凝固工程S6後のアルミニウム合金鋳塊を温度450℃に加熱し、熱間圧延加工によってその厚みを40%圧下して厚み0.72mmのアルミニウム合金材を得た。その後室温まで放冷した。
また、冷間圧延−加熱工程S7bにおいては、図2(b)に示すごとく、上記凝固工程S6後のアルミニウム合金鋳塊に冷間圧延加工を施してその厚みを40%圧下させて厚み0.72mmのアルミニウム合金材を得た。その後、アルミニウム合金の融点の1/2以上の温度(本例においては450℃)で1時間加熱し、室温まで放冷した。
以上のようにして、溶解工程S5、凝固工程S6、後処理工程S7、及び加熱工程S8を行ったアルミニウム合金材(比較例21〜比較例27)を得た。
なお、図3(a)〜(c)は、横軸にHVR1、HVR2、HVR3の区別を、縦軸にビッカース硬さHVをとったものである。
一方、表7及び表8の結果から知られるように、Al−遷移元素合金において、遷移元素種の組み合わせ又は鋳造時の冷却速度により、図3(a)(b)のパターン1、2を示す“上昇系(◎又は○)”と、図3(c)のパターン3の“下降系(×)”に分類されることがわかった。なお、表7に示すごとく、下降系は汎用のAl合金において観察される現象である。
図4及び図5より知られるごとく、熱間圧延後には、Al基地からなるα相、及びAl−Fe系化合物とAl基地との共晶組織からなる層状相の金属組織内において、Al基地中にAlとTiと第3成分元素とからなる安定な化合物相(析出物)が析出していた。この安定な化合物相(析出物)によって、耐軟化性が向上し、上述のごとく加工や加熱等を行った後において、強度が向上したと考えられる。なお、図5とは違う倍率で、圧延後のアルミニウム合金材の合金組織を走査型電子顕微鏡により観察した結果(写真)を図7に示す。図7よりも知られるごとく、実施例11のアルミニウム合金材1は、Al基地からなるα相2と、該α相2を取り囲むように形成された層状相4とを有している。そして、熱間圧延後のアルミニウム合金材1(実施例11)の合金組織においては、Al基地中に粒径約15nm以下の析出物3が生じていることがわかる。
また、実施例11の比較用として、熱間圧延工程前における比較例22のアルミニウム合金鋳造材の合金組織の走査型電子顕微鏡写真を図10及び図11に示す。図10は、アルミニウム合金鋳造材(比較例22)の合金組織を倍率1000倍のSEMで観察した写真を示し、図11は、アルミニウム合金鋳造材(比較例22)の合金組織を倍率5000倍のSEMで観察した写真を示す。なお、図11は、図10における晶出物が発生していた部分の拡大図である。
なお、走査型電子顕微鏡としては、株式会社日立製作所製のS−3600Nを用い、加速電圧15kVという条件で観察を行った。
一方、図10及び図11より知られるごとく、比較例22のアルミニウム合金鋳造材9の合金組織においては、α相92のAl基地中に粒径5μm以上の粗大な晶出物93(Alと第2成分元素Tiと第3成分元素Xとの化合物(Alx(Ti,X)))が比較的多く(面積率5%以上)分散していた。また、図9と図11とを比較して知られるごとく、比較例22においては、実施例11に比べて、より大きな晶出物が発生していた。
図14〜図17は、それぞれ図13における*1〜*4の各点におけるEDXの分析結果を示す。
図13〜図17及び図18〜図22より知られるごとく、熱間圧延の前後に関わらず、層状相4には、Al及びFeしか検出されておらず、第2成分元素Tiや第3成分元素Zrは存在していない(図13及び図18参照)。よって、第2成分元素Tiや第3成分元素Zrはα相2のAl基地中に存在していることがわかる。
各アルミニウム合金材から引張試験片を切り出し、JIS Z2241に規定の引張試験を行って引張強さを求めた。その結果を表5〜表8に示す。
また、引張試験によって測定した引張強さと冷却速度との関係を図6に示す。図6は、横軸に冷却速度(℃/sec)、縦軸に引張強さ(MPa)を示した片対数グラフである。そして図6においては、3種類のアルミニウム合金組成、即ちAl−2Fe−1Zr−0.8Ti(比較例21、実施例48、実施例9、実施例47、実施例46)、Al−4Fe−1Zr−0.8Ti(比較例22、実施例43、実施例11、実施例42、実施例41)、Al−4Fe−1Zr−0.8Ti−0.5Mg(実施例45、実施例44)のアルミニウム合金材について、冷却速度と引張強さとの関係を示した。
加工性の判定は、圧延加工(熱間圧延又は冷間圧延)後における圧延割れの発生の有無を観察することによって行った。
即ち、圧延加工後の各アルミニウム合金材の表面を観察し、表面に圧延割れが観察された場合を不良(×)とし、圧延割れが観察されなかった場合を良好(○)として評価した。なお、耳割れ(連続鋳造材の両端に発生する割れ)のみが発生した連続鋳造材については、良好(○)として評価した。実工程ではスリッターで除去できるからである。その結果を表5〜表8に示す。なお、圧延を行っていないアルミニウム合金材(実施例38)については、加工性の評価は行っていない。
成形性は、JIS H7701に規定の自動車アルミニウム合金板のヘミング加工限界評価試験を行い、曲げ部分における表面の割れの発生を立体顕微鏡で観察した。表面に割れが観察された場合を不良(×)とし、割れが観察されなかった場合を良好(○)として評価した。その結果を表5〜表8に示す。
腐食性は、6061合金について腐食試験を行い、その結果との比較により評価した。
即ち、まず市販の6061合金(Al−1.1Mg−0.8Si−0.1Cu−0.1Cr−0.03Ti)から一定の寸法の試験片を切り出し、その重量W1を測定した。次いで、濃度5wt%のNaCl水溶液を用いて、試験片に対して塩水噴霧試験を行った(JIS Z2371)。次いで、試験片の表面に生成した腐食生成物を除去した後、試験片の重量(W2)を測定した。そして、6061合金の試験片の重量変化率ΔWa(%)を、ΔWa=|W2−W1|×100/W1という式に基づいて算出した。
一方、実施例1〜48及び比較例1〜37のアルミニウム合金鋳造材についても、各アルミニウム合金鋳造材から一定寸法の試験片を作製し、上述の6061合金の場合と同様に塩水噴霧試験を行った。そして、試験前の重量W3及び試験後の重量W4を測定し、各試験片の重量変化率ΔWb(%)を、ΔWb=|W4−W3|×100/W3という式に基づいて算出した。
腐食性の判定は、ΔWb<0.8ΔWaの場合を優(◎)、0.8Wa≦Wb≦1.2Waの場合を良(○)とした。また、ΔWb>1.2ΔWaの場合を不良(×)とした。その結果を表5〜表8に示す。
また、実施例1〜実施例48は耐軟化性に優れ、後工程において熱エネルギーやひずみエネルギーを与えることにより、更に高強度化することも見出した。そして、使用環境(例えば、300℃に長時間曝される)において特性低下が極めて少ない。それ故、本発明の合金は、例えば自動車部品において好適に利用することができる。
具体的には、まず、上記実施例11と同様の組成及び条件(表1参照)でアルミニウム合金鋳造材を作製した。次いで、アルミニウム合金鋳造材に対して室温条件下で冷間圧延を行い、アルミニウム合金鋳造材の厚みを50%圧下させた。次いで、所定の温度で1時間加熱(焼鈍)し、加熱後のアルミニウム合金材の残留硬さを調べた。そして、加熱(焼鈍)温度と残留硬さとの関係をグラフにプロットした。その結果を図23に示す。なお、残留硬さの測定は、ビッカース硬さ試験機を用いて荷重100gf、保持時間20秒間という条件で行った。
また、上記実施例11と同様の組成及び条件(表1参照)で作製したアルミニウム合金鋳造材に対して、圧延を行わずに各温度で焼鈍だけを行った場合についても、加熱(焼鈍)温度と残留硬さとの関係をグラフにプロットした。その結果を図23に示す。
本例は、ダイキャストによりアルミニウム合金鋳造材を製造する例である。
本例のアルミニウム合金鋳造材は、図24(a)及び(b)に示すごとく、円柱状の土台部11と該土台部11上に一体的に形成された縦L:90mm×横W:50mmの板状部15とを有する。板状部15は、それぞれ厚みの異なる大厚板部12(厚みt1:4mm)、中厚板部13(t2:3mm)、及び薄板部14(t3:2mm)からなる。大厚板部12、中厚板部13、及び薄板部14は、厚みが異なる点を除いてそれぞれ縦L1:30mm×横W:50mmという同じ寸法で形成されている。
具体的には、まず、Feを4mass%、Ti0.85をmass%、及びZrを1mass%含有するAl合金を準備し、この合金の液相線温度よりも20℃以上高い温度(溶解温度)で合金を溶解させて溶湯を作製した。次いで、この溶湯を上述の所望の形状の金型に圧入し、鋳造した。図24(a)及び(b)に示すごとく、大厚板部12、中厚板部13、及び薄板部14はそれぞれ厚みが異なるため、鋳造時には、これらは異なる冷却速度で冷却される。本例においては、大厚板部12、中厚板部13、及び薄板部14が、それぞれ80℃/sec、100℃/sec、400℃/secという冷却速度で冷却されるように冷却を行った。このようにして、図24(a)及び(b)に示すごとくアルミニウム合金鋳造材1を作製した。
図25(a)に示すごとく、冷却速度400℃/secで冷却された薄板部14においては、合金組織中に粗大な晶出物はほとんど形成されていない。一方、図25(b)及び(c)に示すごとく、冷却速度100℃/secで冷却された中厚板部13、冷却速度80℃/secで冷却された大厚板部12においては、合金組織中に晶出物19が多く発生していた。
本例のアルミニウム合金鋳造材において、薄板部は、150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満の冷却速度で冷却された部分である。したがって、ダイキャスト法によって鋳造を行った場合においても、冷却速度を150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満の範囲に調整することによって、本発明の作用効果を得ることができると考えられる。
Claims (37)
- アルミニウム合金の溶湯を鋳造してなるアルミニウム合金鋳造材の製造方法であって、
第1成分元素として0.8〜5mass%のFeと、第2成分元素として0.15〜1mass%のTiとを含有すると共に、Zr、Nb、Hf、Sc、及びYからなる第3成分元素群から選ばれる1種以上の第3成分元素を、個々の含有量が0.05〜2mass%、かつ上記第1成分元素Feの含有量をFe(mass%)、第2成分元素Tiの含有量をTi(mass%)、及び上記第3成分元素の合計含有量をX(mass%)としたとき、Fe>X>Tiを満足する量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金を準備し、該アルミニウム合金を、その組成から決定される液相線温度よりも20℃以上高い温度で溶解させて溶湯を得る溶解工程と、
上記アルミニウム合金の組成から決定される固相線温度より少なくとも10℃低い温度まで上記溶湯を冷却速度150℃/sec以上かつ10000℃/sec未満で冷却しつつ鋳型によって鋳造する鋳造工程とを有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。 - 請求項1において、上記鋳造工程は、連続鋳造により行うことを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1又は2において、上記溶解工程においては、上記第3成分元素群のうち少なくともZrを0.2〜1.2mass%含有する上記アルミニウム合金を用いることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項において、上記溶解工程においては、さらに第4成分元素としてMgを0.05〜2mass%含有する上記アルミニウム合金を用いることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか一項において、上記溶解工程においては、Cu、Cr、及びCoからなる第5成分元素群から選ばれる1種以上の第5成分元素をさらに0.05〜1mass%含有する上記アルミニウム合金を用いることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜5のいずれか一項において、上記溶解工程においては、さらに第6成分元素としてV及び/又はMoを0.05mass%超え0.5mass%未満含有する上記アルミニウム合金を用いることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項4〜6のいずれか一項において、上記アルミニウム合金においては、上記第4成分元素と上記第5成分元素と上記第6成分元素との合計量を3mass%以下にすることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項において、上記鋳型としては、銅製の鋳型を用いることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜8のいずれか一項において、上記鋳造工程においては、上記溶湯を厚さ0.3〜10mmの板状に鋳造することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項9において、上記鋳造工程においては、上記溶湯の鋳造を単ロール式、双ロール式、ブロック式、ベルト式、又はホイール式で行うことを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項9又は10において、上記鋳造工程においては、上記鋳型において上記溶湯の少なくとも表層を冷却固化させ、次いで水冷により冷却を行って板状に鋳造することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材の製造方法。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる上記アルミニウム合金鋳造材に対して温度200℃以上で熱間圧延加工を行うことにより、上記アルミニウム合金鋳造材の厚みを30%以上圧下させる熱間圧延工程を有することを特徴とするアルミニウム合金材の製造方法。
- 請求項12において、上記熱間圧延工程は、上記鋳造工程において上記溶湯を上記鋳型で温度200℃〜500℃まで冷却しながら板状に鋳造し、上記鋳型から剥離した後に行うことを特徴とするアルミニウム合金材の製造方法。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる上記アルミニウム合金鋳造材に対して冷間圧延加工を行うことにより、上記アルミニウム合金鋳造材の厚みを30%以上圧下させた後、上記アルミニウム合金の融点の1/2以上かつ550℃以下の温度で加熱する冷間圧延−加熱工程を有することを特徴とするアルミニウム合金材の製造方法。
- 請求項1〜11のいずれか一項に記載の製造方法によって得られる上記アルミニウム合金鋳造材を温度400℃以上で0.5時間〜3時間加熱する熱処理工程を有することを特徴とするアルミニウム合金材の製造方法。
- 第1成分元素として0.8〜5mass%のFeと、第2成分元素として0.15〜1mass%のTiとを含有すると共に、Zr、Nb、Hf、Sc、及びYからなる第3成分元素群から選ばれる1種以上の第3成分元素を、個々の含有量が0.05〜2mass%、かつ上記第1成分元素Feの含有量をFe(mass%)、第2成分元素Tiの含有量をTi(mass%)、及び上記第3成分元素の合計含有量をX(mass%)としたとき、Fe>X>Tiを満足する量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金鋳造材であって、
該アルミニウム合金鋳造材は、Al基地からなるα相と、該α相を取り囲むように形成され、かつ上記Al基地とAl−Fe系化合物との共晶組織からなる層状相とを有する金属組織を有し、
上記Al基地は、Alの過飽和固溶体からなり、該過飽和固溶体には上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶しており、
上記アルミニウム合金鋳造材の任意断面において、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との金属間化合物からなる粒径5μm以上の晶出物の占める面積率は5%未満になっていることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。 - 請求項16において、上記アルミニウム合金鋳造材は、上記第3成分元素群のうち少なくともZrを0.2〜1.2mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項16又は17において、上記アルミニウム合金鋳造材は、第4成分元素としてMgを0.05〜2mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項18において、上記第4成分元素としてのMgは、少なくとも上記Al基地中に固溶していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項18又は19において、上記第4成分元素としてのMgは、上記Al基地中でAl−Mg化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項16〜20のいずれか一項において、上記アルミニウム合金鋳造材は、Cu、Cr、及びCoからなる第5成分元素群から選ばれる1種以上の第5成分元素を0.05〜1mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項21において、上記第5成分元素としてのCr及び/又はCoは、上記層状相を構成する上記Al−Fe系化合物の少なくとも一部に置換してAl−(Fe,Cr)化合物及び/又はAl−(Fe,Co)化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項21又は22において、上記第5成分元素としてのCuは、上記Al基地中でAl−Cu化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項16又は17において、上記アルミニウム合金鋳造材は、第4成分元素としてMgを0.05〜2mass%、及び第5成分元素としてCuを0.05〜1mass%含有し、上記第4成分元素及び上記第5成分元素は、上記Al基地中でAl−Cu−Mg化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項16〜24のいずれか一項において、上記アルミニウム合金鋳造材は、第6成分元素としてV及び/又はMoを0.05mass%超え0.5mass%未満含有することを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 請求項25において、上記第6成分元素としてのV及び/又はMoは、上記Al基地中で、Alとの化合物、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金鋳造材。
- 第1成分元素として0.8〜5mass%のFeと、第2成分元素として0.15〜1mass%のTiとを含有すると共に、Zr、Nb、Hf、Sc、及びYからなる第3成分元素群から選ばれる1種以上の第3成分元素を、個々の含有量が0.05〜2mass%、かつ上記第1成分元素Feの含有量をFe(mass%)、第2成分元素Tiの含有量をTi(mass%)、及び上記第3成分元素の合計含有量をX(mass%)としたとき、Fe>X>Tiを満足する量で含有し、残部がAlと不可避的不純物とからなるアルミニウム合金材であって、
該アルミニウム合金材は、Al基地からなるα相と、該α相を取り囲むように形成され、かつ上記Al基地とAl−Fe系化合物との共晶組織からなる層状相とを有する金属組織を有し、
上記Al基地は、Al、及び/又はAlに上記第2成分元素及び上記第3成分元素が固溶したAlの過飽和固溶体からなり、
上記Al基地には、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との金属間化合物からなる粒径2〜500nmの析出物が分散されていることを特徴とするアルミニウム合金材。 - 請求項27において、上記アルミニウム合金材は、上記第3成分元素群のうち少なくともZrを0.2〜1.2mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項27又は28において、上記アルミニウム合金材は、第4成分元素としてMgを0.05〜2mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項29において、上記第4成分元素としてのMgは、少なくとも上記Al基地中に固溶していることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項29又は30において、上記第4成分元素としてのMgは、上記Al基地中でAl−Mg化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項27〜31のいずれか一項において、上記アルミニウム合金材は、Cu、Cr、及びCoからなる第5成分元素群から選ばれる1種以上の第5成分元素を0.05〜1mass%含有することを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項32において、上記第5成分元素としてのCr及び/又はCoは、上記層状相を構成する上記Al−Fe系化合物の少なくとも一部に置換してAl−(Fe,Cr)化合物及び/又はAl−(Fe,Co)化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項32又は33において、上記第5成分元素としてのCuは、上記Al基地中でAl−Cu化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項27又は28において、上記アルミニウム合金材は、第4成分元素としてMgを0.05〜2mass%、及び第5成分元素としてCuを0.05〜1mass%含有し、上記第4成分元素及び上記第5成分元素は、上記Al基地中でAl−Cu−Mg化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項27〜35のいずれか一項において、上記アルミニウム合金材は、第6成分元素としてV及び/又はMoを0.05mass%超え0.5mass%未満含有することを特徴とするアルミニウム合金材。
- 請求項36において、上記第6成分元素としてのV及び/又はMoは、上記Al基地中で、Alとの化合物、Alと上記第2成分元素と上記第3成分元素との化合物を形成していることを特徴とするアルミニウム合金材。
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