JP2009221531A - 冷間加工用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】、冷間加工性及び加工硬化特性に優れ、冷間加工後に高い強度（０．２％耐力で３６０ＭＰａ以上）が得られる、Ａｌ−Ｍｇ系冷間加工用アルミニウム合金押出材を提供する。
【解決手段】Ｍｇ：４．０〜７．０％（質量％、以下同じ）、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ：０．０２〜０．２％、Ｃｒ：０．０２〜０．１％、Ｚｒ：０．０２〜０．１％、Ｖ：０．０２〜０．４％のうちいずれか１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなり、加工硬化特性として、真歪み０．０４〜０．１３の範囲での加工硬化指数ｎが０．３５以上、圧延率６５％に相当する加工を行った後の加工硬化量Δσ0.2が２５０ＭＰａ以上である。
【選択図】 なし

Description

本発明は、加工硬化特性に優れ、冷間加工後に高い強度が得られるＡｌ−Ｍｇ系冷間加工用アルミニウム合金押出材及びその製造方法に関する。

５０００系Ａｌ−Ｍｇ系合金は、固溶体硬化及び加工硬化で適度な強度が得られる（特許文献１〜３参照）。中でもＭｇ含有量の多いＪＩＳ５０８３合金などは、優れた強度を持ち、溶接性も良好であることから溶接構造材として船舶、車輌、化学プラントなどに使用されている。一方で、近年の環境保護の観点から、自動車を初めとする輸送機器の軽量化が進められている。従来自動車構造材に主として使用されてきた鋼板はアルミニウム合金への置換が行われ、アルミニウム合金のさらなる高強度化が求められるようになっている。

特開２０００−１６９９２８号公報 特開２００２−３６３６７７号公報 特開２００３−１０５４７４号公報

Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金からなる自動車部品等の強度としては、０．２％耐力で３６０ＭＰａ以上が要求されている。そのため、本発明では、冷間加工性及び加工硬化特性に優れ、冷間加工後に高い強度（０．２％耐力で３６０ＭＰａ以上）が得られる、Ａｌ−Ｍｇ系冷間加工用アルミニウム合金押出材を提供することを目的としてなされたものである。

本発明者らは、高強度Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を開発すべく、Ａｌ−Ｍｇ合金をベースとして種々の遷移元素を添加し、鋳塊に対する均質化処理条件を種々変更して押出成形し、得られた押出材の加工硬化特性を調査した。その結果、適量のＶ，Ｍｎ，Ｚｒ及びＣｒを添加し、鋳塊に適切な均質化処理を行った後押出成形した場合に、優れた加工硬化特性を示す押出材を得られることを見出した。本発明はこの知見に基づいてなされたものである。

本発明に係る冷間加工用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、Ｍｇ：４．０〜７．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ：０．０２〜０．２％、Ｃｒ：０．０２〜０．１％、Ｚｒ：０．０２〜０．１％、Ｖ：０．０２〜０．４％のうちいずれか１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなり、その加工硬化特性は、真歪み０．０４〜０．１３の範囲での加工硬化指数ｎが０．３５以上、圧延率６５％に相当する冷間加工を行った後の加工硬化量Δσ0.2（冷間加工を行っていない押出材の０．２％耐力と、圧延率６５％相当の冷間加工後の０．２％耐力の差）が２５０ＭＰａ以上である。この加工硬化特性を有することにより、上記組成のＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、圧延率６５％相当の冷間加工後に３６０ＭＰａ以上の０．２％耐力を有する。
上記押出材は、上記組成のアルミニウム合金鋳塊に対し、４４０〜５００℃×２〜６時間の均質化処理を施した後、熱間押出成形を行うことにより製造することができる。

本発明に係るＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を用いて冷間加工を行うことにより、３６０ＭＰａ以上の高い強度（０．２％耐力）を有する冷間加工製品を製造することができ、製品の薄肉化が達成できる。このＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材は、自動車部品、バイクブレーキレバーなどの冷間成形用材料として好適である。

本発明に係るＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の加工硬化特性は、真歪み０．０４〜０．１３の範囲での加工硬化指数ｎが０．３５以上、圧延率６５％に相当する冷間加工を行った後の加工硬化量Δσ0.2が２５０ＭＰａ以上である。
Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金からなる自動車部品等の強度として、０．２％耐力で３６０ＭＰａ以上が要求され、この強度が冷間成形後に達成されなければならない。Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を用いる自動車部品等の冷間加工では、概ね圧延率６５％相当の加工率で冷間鍛造が行われているから、本発明では、圧延率６５％に相当する冷間加工を行った後の０．２％耐力を３６０ＭＰａ以上と規定した。そして、本発明の組成の押出材において、上記０．２％耐力値（≧３６０ＭＰａ）を得るには、加工硬化指数ｎが０．３５以上、加工硬化量Δσ0.2が２５０ＭＰａ以上の加工硬化特性を有しなくてはならないことが実験的に確かめられた。なお、加工硬化指数ｎを測定する真歪み０．０４〜０．１３の範囲は、本発明に係る押出材において最も加工硬化指数が大きくなる範囲として選択した。

上記加工硬化特性は、添加元素としてＭｇ、Ｔｉ、及びＶ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｒのうち１種又は２種以上を含み、不可避不純物としてＦｅ、Ｓｉ、その他の元素を含むＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金鋳塊に対し、所定の条件で均質化処理を施した後、熱間押出成形を行うことにより製造することができる。
以下、本発明に係るアルミニウム合金押出材における各成分の添加理由、及び製造方法について詳細に説明する。

Ｍｇ
Ｍｇはアルミニウムのマトリックス中に固溶し、合金強度及び加工硬化特性を向上させ、自動車部品等の製品を軽量化させる。高い合金強度及び加工硬化特性を得て、圧延率６５％相当の冷間加工後に自動車部品等として必要な強度（冷間成形後：０．２％耐力ＹＳ≧３６０ＭＰａ）を得るには、Ｍｇは４．０％以上の添加が必要である。しかし、７．０％を越えて添加すると耐応力腐食割れ性が低下し、かつ固溶量が過剰となって伸びが低下するとともに、優れた加工硬化特性が得られない。従って、Ｍｇ含有量は４．０〜７．０％とする。より望ましくは、４．０〜５．０％である。

Ｔｉ
Ｔｉは鋳造時における結晶粒を微細化することにより合金強度を向上させる作用があり、例えば特許文献１〜３に記載されているように、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材に常套的に添加される。この効果を発揮させるには、Ｔｉ添加量は０．００５％以上とすることが必要である。また、０．００５％より少ないと、結晶粒が粗大化して伸びが低下し、優れた冷間加工性が得られない。一方、Ｔｉ添加量が０．２％を越えると前記効果が飽和し、さらに、粗大な金属間化合物が晶出して所定の合金強度及び伸びが得られなくなる。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．２％とし、より望ましくは０．０１〜０．１％とする。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ
これらの遷移元素は金属間化合物として晶出及び析出し、冷間加工（塑性加工）の際に導入された転位が材料内の分散粒子に集積することで、加工硬化特性を向上させる。しかし、添加量がそれぞれ０．０２％未満か、逆にＭｎは０．２％、ＺｒとＣｒは０．１％、Ｖは０．４％を超えた場合は、適正な条件で均質化処理を行っても、本発明に規定した加工硬化特性が得られない。これは、添加量が少なすぎると分散粒子の平均粒径が小さくなり過ぎ、一方、添加量が多すぎると分散粒子の平均粒径が大きくなり過ぎ、かつ粗大な金属間化合物が晶出するためと考えられる。従って、Ｍｎの含有量は０．０２％〜０．２％、Ｚｒ及びＣｒは０．０２％〜０．１％、Ｖは０．０２％〜０．４％とする。

不可避不純物
不可避不純物のうちでＦｅはアルミニウム地金に最も多く含まれる不純物であり、０．７％を越えて合金中に存在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．７％以下、望ましくは０．５％以下に規制する。また、アルミニウム合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金、化合物等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外の不純物のうちＳｉは０．５％以下、望ましくは０．４％以下、Ｃｕは０．３％以下、望ましくは０．２％以下、Ｚｎは０．３％以下、望ましくは０．２％以下、その他の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は上記の数値以下とする。なお、不純物のうちＢについてはＴｉの添加に伴い合金中にＴｉ含有量の１／５程度の量で混入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望ましい。

本発明に係るアルミニウム合金押出材は、上記組成のアルミニウム合金鋳塊に対し、４４０〜５００℃×２〜６時間の均質化処理を施した後、熱間押出成形を行うことにより製造することができる。
本発明の組成において、良好な加工硬化特性を得るには、鋳塊の均質化処理を上記の条件（加熱温度×時間）で行う必要がある。加熱温度が４４０℃未満又は５００℃超の場合、本発明に規定した加工硬化特性が得られない。加熱時間が２時間未満又は６時間超の場合も同様である。これは、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖが関与する析出分散粒子は、上記温度範囲においてのみ良好な状態で分散し、それより低温短時間（４４０℃より低い温度又は２時間より短い時間）では析出しないか粒径が極めて小さく、高温長時間（５００℃より高い温度又は６時間より長い時間）では粒径が極めて大きくなるためと考えられる。より望ましい条件は、４５０〜４９０℃×２〜６時間、さらに望ましい条件は４６０〜４８０℃×２〜６時間、最も望ましい時間は、４７０℃×４時間である。なお、均質化処理後、熱間押出成形及び冷間加工が行われるが、均質化処理後の製造工程は、前記分散粒子の分散形態にほとんど影響を与えない。

次に、本発明の実施例について説明する。先ず、下記表１，２に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を通常の方法により溶製し、Ｎｏ．１〜２２，２７〜３６の鋳塊に対して４７０℃×４ｈ、Ｎｏ．２３〜２６の鋳塊に対して５００℃×４ｈ、Ｎｏ．３７〜４０の鋳塊に対して５５０℃×４ｈ、Ｎｏ．４１〜４４の鋳塊に対して３９０℃×４ｈの均質化処理を施し、押出温度が４５０℃、押出速度が２．５ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、いずれも押出直後に材料をファン空冷（冷却速度約１００℃／ｍｉｎ）で冷却し、板厚１０ｍｍ×幅１２５ｍｍのフラットバー及び外径が４０ｍｍの丸棒を得た。
これを供試材とし、下記要領にて、引張特性の試験を実施した。また、フラットバーは加工率６５％まで冷間圧延し、丸棒は断面減少率３９％まで室温で抽伸し、これらの冷延材及び抽伸材についても引張試験を実施し加工硬化特性について調査した。その結果を表３，４に示す。なお、断面減少率３９％の抽伸は加工率６５％の冷間圧延に相当する加工率である。

引張試験；
フラットバー及び冷延材は各供試材から押出方向に対して平行方向に幅の中央付近からＪＩＳ５号試験片を，丸棒及び抽伸材からは棒の中央付近よりＪＩＳ４号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張試験を実施し、引張強さＴＳ、耐力ＹＳ及び伸びＥＬを求めた。冷間加工（圧延、抽伸）後の耐力は３６０ＭＰａ以上を良好と評価した。一方、押出材の引張試験で得られた真応力−真歪み線図の真歪み０．０４，０．１３の２点を結ぶ直線の勾配から加工硬化指数ｎを求め、加工硬化指数ｎが０．３５以上を良好と評価した。さらに、冷延材とフラットバーの０．２％耐力の差分、及び抽伸材と棒材の０．２％耐力の差分をそれぞれ加工硬化量Δσ0.2とし、加工硬化量Δσ0.2が２５０ＭＰａ以上を良好と評価した。

表３，４に示されるように、化学組成、加工硬化指数ｎ値及び加工硬化量Δσ0.2が本発明の規定を満たすＮｏ．１〜２６は、冷間加工後に３６０ＭＰａ以上の０．２％耐力が得られている。特にＶ及びＭｎを含むＮｏ．１〜１４は、加工硬化量Δσ0.2が比較的大きい。また、Ｎｏ．１〜２６の均質化処理条件はいずれも本発明の規定の範囲内であるが、均質化処理条件が最も望ましい４７０℃×４ｈのＮｏ．１〜２２は、加熱温度が高めのＮｏ．２３〜２６に比べて加工硬化指数ｎ値及び加工硬化量Δσ0.2が若干大きめで、冷間加工後の０．２％耐力もやや大きい。

一方、Ｍｇ含有量が過少なＮｏ．２７、Ｍｇ含有量が過剰なＮｏ．２８、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖの１種又は２種以上が過少又は過剰なＮｏ．２９〜３６は，いずれも加工硬化指数ｎ及び加工硬化量Δσ0.2が本発明の規定を満たさず、冷間加工後に３６０ＭＰａ以上の０．２％耐力が得られていない。
また、化学組成が本発明の規定を満たすが、加工硬化指数ｎ及び加工硬化量Δσ0.2が本発明の規定を満たさないＮｏ．３７〜３９，４１，４３，４４と、化学組成、加工硬化指数ｎ及び加工硬化量Δσ0.2が本発明の規定を満たさないＮｏ．４０，４２はいずれも冷間加工後に３６０ＭＰａ以上の０．２％耐力が得られていない。なお、Ｎｏ．３７〜４４のうち、Ｎｏ．３７〜４０の均質化処理条件は加熱温度が本発明の規定より高く、Ｎｏ．４１〜４４の均質化処理条件は本発明の規定より低く設定されている。

Claims (3)

1. Ｍｇ：４．０〜７．０％（質量％、以下同じ）、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ：０．０２〜０．２％、Ｃｒ：０．０２〜０．１％、Ｚｒ：０．０２〜０．１％、Ｖ：０．０２〜０．４％のうちいずれか１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなり、真歪み０．０４〜０．１３の範囲での加工硬化指数ｎが０．３５以上、圧延率６５％に相当する加工を行った後の加工硬化量Δσ0.2が２５０ＭＰａ以上であることを特徴とする冷間加工用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材。
2. Ｍｇ：４．０〜７．０％（質量％、以下同じ）、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ：０．０２〜０．２％、Ｃｒ：０．０２〜０．１％、Ｚｒ：０．０２〜０．１％、Ｖ：０．０２〜０．４％のうちいずれか１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなる組成のアルミニウム合金鋳塊に対し、４４０〜５００℃×２〜６時間の均質化処理を施した後、熱間押出成形を行うことを特徴とする冷間加工用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材の製造方法。
3. 請求項１に記載された冷間加工用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を冷間加工して製造した冷間加工製品。