JP2011231359A - 高強度６０００系アルミニウム合金厚板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板厚２００ｍｍ以上の厚板においても高い強度を有する６０００系アルミニウム合金を提供する。
【解決手段】Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：１％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金を常法により鋳造して鋳塊を製造し、該鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行った後、該鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後該鋳塊の表面を平滑化して厚板とすることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法に関するものであり、具体的には液晶パネルなど電子部品の製造装置や半導体製造装置あるいは真空チャンバーなどの機械部品に使用される高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法に関するものである。

ＡＡ６０６１合金を始めとするＪＩＳ６０００系合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）は時効硬化型アルミニウム合金で溶体化焼入れ後に自然時効により強度が向上し、さらに人工時効を施すことで強度の増加が得られることから押出形材や板材として車両や船舶あるいは構造部材として広く使用されている。

従来ＡＡ６０６１合金等の強度の高いアルミニウム厚板製造は、鋳塊を熱間圧延し、溶体化処理を行った後、残留応力除去及びフラット矯正を目的としたストレッチを行い、さらに必要に応じて人工時効処理を行うことで製造される。しかし、この製造方法はストレッチ設備の限界から、板厚２００ｍｍ程度の厚板までしか製造できなかった。しかし、近年機械部品の大型化の要求から、さらに板厚の厚い材料が求められている。

これらの要求に対して、例えば特許文献１ではＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊に熱間圧延を行わず、内部応力の除去やミクロ偏析改善を目的とした熱処理を行なった鋳塊をスライスして厚板を製造する方法が提案されている。しかしながら、この方法では熱処理系合金で強度を高めるために行われる溶体化処理が行われないため、十分な強度が得られないという問題があった。
特許第４１７４５２６号公報

前述したように特許文献１の方法では溶体化処理が行われないため、十分な強度が得られない。また、鋳塊から厚板を切り出した後に溶体化処理を行っても焼入れ処理がなされないと、強度向上のための時効処理の効果は得られない。一方、強度を向上させるために、鋳塊を切断し厚板としたものを焼入れすると熱応力によって大きなそりが生じる。薄板の平坦度矯正は、レベラーにより板厚方向に弱い加工歪を付与するか、ストレッチャーにより長手方向に引張加工歪を付与して行う。しかし、厚板、特に板厚２００ｍｍ以上の厚板は、それらの平坦度矯正を施すことが出来ない。

本発明はこのような課題に鑑みて発明されたものであり、板厚２００ｍｍ以上の厚板においても高い強度を有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系材料（６０００系アルミニウム合金）を提供するものである。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：１％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部Ａｌ及びその他不可避的不純物からなる含有するアルミニウム合金を常法により鋳造して鋳塊を製造し、該鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行った後、該鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後該鋳塊の表面を平滑化した厚板とすることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法である。

請求項２に記載の発明は、Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：１％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、さらにＣｕ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％のいずれか１種類以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金を常法により鋳造して鋳塊を製造し、該鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行った後、該鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後該鋳塊の表面を平滑化して厚板とすることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法である。

請求項３に記載の発明は、請求項１及び請求項２に記載の成分からなるアルミニウム合金鋳塊の表面を平滑化した厚板を、４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行ない、該厚板の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行うことを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法である。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３に記載のアルミニウム合金厚板に対して１５０〜２５０℃の温度で１時間以上の人工時効処理を行うことを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法である。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のアルミニウム合金厚板において人工時効後の引張り強さが２００ＭＰａ以上、耐力が１４０ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法である。

本製造方法によれば従来製造不可能であった高強度な極厚板の製造が可能となり、液晶パネルなど電子部品の製造装置や半導体製造装置あるいは真空チャンバーなどの機械部品の大型化が可能となる。

以下に本発明の限定理由について述べる。
本発明に用いられる合金は、ＪＩＳ６０００系合金として知られる一般的なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の熱硬化型アルミニウム合金である。主な成分について説明する。

Ｓｉは、溶体化処理によってマトリックス中に固溶して強度向上に寄与する。さらにＭｇと共存する場合は自然時効によって微細な化合物を形成したり、人工時効によってＭｇ_２Ｓｉを析出したりして強度の向上に寄与する。その効果は０．２％未満では不十分であり、１．２％を超えると飽和する。したがって、Ｓｉは０．２〜１．２％であることが望ましく、更に好ましくは０．４〜０．８％である。

Ｍｇは、Ｓｉと同様マトリックスに固溶して強度向上に寄与し、さらにＳｉと共存する場合は自然時効によって微細な化合物を形成したり、人工時効によってＭｇ_２Ｓｉを析出したりして強度の向上に寄与する。その効果は０．２％未満では不十分であり、１．５％を超えると飽和する。したがって、Ｍｇは０．２〜１．５％であることが望ましく、更に好ましくは０．８〜１．２％である。

Ｆｅは、不純物として含有される元素であり、Ａｌ−Ｆｅ系化合物を形成し、伸びや靱性を低下させる。このためＦｅの含有量は少ないほど望ましい。工業的には、１．０％以下であれば良い。

Ｔｉは、鋳造時の結晶粒微細化として作用する。その効果は０．１５％を超えると飽和するとともに粗大な化合物を形成しやすくなる。したがって、Ｔｉは０．１５％以下であることが望ましい。

Ｃｕは、マトリックス中に固溶し、強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、１．２％を超えると耐食性が劣化する。したがって、Ｃｕは０．０５〜１．２％であることが望ましい。

Ｚｎは、マトリックスに固溶し強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、０．５％を超えるとその効果は飽和するとともに耐食性が低下する。したがって、Ｚｎは０．０５〜０．５％であることが望ましい。

Ｍｎは、マトリックス中に固溶あるいは微細な析出物を分散し強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、１．０％を超えるとその効果は飽和するとともに粗大な化合物を形成しやすくなる。したがって、Ｍｎは０．０５〜１．０％であることが望ましい。

Ｃｒは、マトリックス中に微細な析出物を分散し強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、０．５％を超えるとその効果は飽和するとともに巨大な晶出物を形成しやすくなる。したがって、Ｃｒは０．０５〜０．５％であることが望ましい。

Ｚｒは、マトリックス中に微細な析出物を分散し強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、０．２％を超えるとその効果は飽和するとともに巨大な晶出物を形成しやすくなる。したがって、Ｚｒは０．０５〜０．２％であることが望ましい。

本発明における合金を構成する上記成分元素以外は、Ａｌと不可避的不純物である。不可避的不純物として含まれる元素は、各元素とも０．０５％以下であり、かつ合計で０．１５％以下であることが望ましい。

次に、本発明の製造方法について説明する。
まず、鋳塊に行う溶体化処理条件について述べる。

本合金は熱処理系合金であり、鋳造時に生じたＭｇ_２Ｓｉなどの晶出物をマトリックス中に固溶させることで所望の強度が得られる。この処理を溶体化処理といい、溶体化処理の温度が４８０℃未満では効果が十分得られない。上限の温度については特に規定するものではないが、融点を超えるとポロシティなどの内部欠陥が発生する恐れがあるため融点未満、特に好ましくは５６０℃以下とする。

また、溶体化処理の時間は、１時間未満では元素の拡散が不十分で均一な固溶状態が得られない。また、処理時間の上限は特に規定するものではないが工業的には４８時間以内、さらに好ましくは２４時間以内とすることで経済的かつ十分な効果が得られる。

次に、溶体化処理の冷却速度について述べる。
冷却は、高温に保持したことによって固溶した元素を、析出させることなく凍結させる。冷却速度が１００℃／ｈｒ未満では焼入れが不十分となり、人工時効処理時に十分な強度が得られない。したがって、溶体化処理における冷却速度は１００℃／ｈｒ以上が望ましい。

次に人工時効処理条件について述べる。
本合金は溶体化処理後、さらに人工時効処理を行うことでＭｇ_２Ｓｉの析出によって強度を高めることができる。その温度は１５０℃未満では十分な強度を得るまでに長時間の時効処理が必要となり、経済的でない。一方、２５０℃を超えるとＭｇ_２Ｓｉが粗大に析出しやすく、工業的に生産する場合においては強度のバラツキが大きくなる。したがって、人工時効処理温度は１５０〜２５０℃が望ましい。

また、人工時効処理の時間は、時効温度と強く関係するが、前述の望ましい温度範囲であるならば、１時間未満では十分な強度が得られないか、もしくはバラツキが大きくなる。上限については特に規定するものではないが経済性の観点からも２４時間以内が好ましい。したがって、人工時効処理時間は１〜２４時間が望ましい。さらに好ましい人工時効処理条件は、１７０〜１９０℃において６〜１２ｈｒの処理を施すことであり、当該条件であるなら工業的にも安定して製造可能である。

次に人工時効後の引張り強さの規定について述べる。
本合金は熱処理系合金であり、溶体化処理及び人工時効処理によって高い強度が得られることが特徴である。前述した人工時効処理によって非熱処理系合金であるＪＩＳ５０５２合金のＨ１１２材を大きく上回る強度２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上を得ることができる。

なお本発明によって得られる厚板の板厚に関しては特に限定するものではない。従来の熱間圧延によって製造する場合はフラット矯正設備の制約があるため、２００ｍｍ以上の厚板は製造が困難であった。本発明では２００ｍｍ以上の厚板を製造する場合において特に効果が大きい。

また鋳塊表面の平滑化処理については例えば、面削、研磨などの機械加工や化学研磨などを用いて実施することができる。

表1に示す合金を工業的規模でＴ３２０×Ｗ１５００×Ｌ３５００ｍｍの鋳塊を作製し、切断によりＴ３２０×Ｗ１４００×Ｌ３０００ｍｍとした。なお、ここで、Ｔは板厚、Ｗは板幅、Ｌは板の長さを示す。表面平滑化処理工程として片側１０ｍｍの面削を行い、面削−溶体化・焼入れしたものを工程１とし、溶体化・焼入れ−面削したものを工程２とした。溶体化処理としては、５３０℃×１０ｈｒの高温保持を行った後、水冷により冷却速度を変更し焼入れ処理を実施した。冷却速度の測定は板厚中央部に熱電対を取り付け実測し、材料温度４５０〜２５０℃の間の平均冷却速度を求めた。続いて人工時効処理を１８０℃×１０ｈｒの条件で実施した。製造条件について表２に示す。得られたアルミニウム合金厚板の板厚中央部よりＪＩＳ４号試験片（φ１４ｍｍ）を採取し引張り試験を行い、機械的特性を調べた。

表３に機械的特性の一覧を示す。これより本発明によって得られたＮｏ．１〜９はいずれも引張り強さ２００ＭＰａ以上，耐力１４０ＭＰａ以上が得られており、ＪＩＳ５０５２合金−Ｈ１１２厚板材の強度を大きく上回る極厚板が得られている。これに対してＮｏ．１０〜１４のように溶体化温度が低く、十分な固溶度が得られなかった場合や溶体化温度は十分であっても冷却速度が不十分の場合では、いずれも人工時効処理による強度向上効果は小さく所望の特性を得ることができなかった。

このように本発明によれば、高強度な極厚板材料を得ることが可能となる。これによって液晶パネルなど電子部品の製造装置や半導体製造装置あるいは真空チャンバーなどの機械部品の大型化が可能となる。さらには接合部を減少することができるため装置としての信頼性も大きく向上する。これらのことから産業上著しい効果が得られる。

Claims (5)

1. Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：１％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金を常法により鋳造して鋳塊を製造し、該鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行った後、該鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後該鋳塊の表面を平滑化して厚板とすることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。
2. Ｓｉ：０．２〜１．２％、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｆｅ：１％以下、Ｔｉ：０．１５％以下を含有し、さらにＣｕ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％のいずれか１種類以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金を常法により鋳造して鋳塊を製造し、該鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行った後、該鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後該鋳塊の表面を平滑化して厚板とすることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。
3. 請求項１及び請求項２に記載の成分からなるアルミニウム合金鋳塊の表面を平滑化した厚板を、４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱を行ない、該厚板の中心部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となる焼入れ処理を行うことを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３に記載のアルミニウム合金厚板に対して１５０〜２５０℃の温度で１時間以上の人工時効処理を行うことを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。
5. 請求項４に記載のアルミニウム合金厚板において人工時効後の引張り強さが２００ＭＰａ以上、耐力が１４０ＭＰａ以上であることを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法。