JP2011526967A - 高強度鋳造用アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
本発明は、高強度の鋳造用アルミニウム合金を提供する。該鋳造用アルミニウム合金は、Ｃｕ：２．０〜６．０重量％、Ｍｎ：０．０５〜１．０重量％、Ｔｉ：０．０１〜０．５重量％、Ｃｒ：０．０１〜０．２重量％、Ｃｄ：０．０１〜０．４重量％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５重量％、Ｂ：０．００５〜０．０４重量％、希土類元素：０．０５〜０．３重量％、並びに残部：アルミニウムおよび微量不純物からなる成分組成を有する。該アルミニウム合金によりコスト低減が実現される。
Description
本発明はアルミニウム合金に関し、特に高強度鋳造用アルミニウム合金に関する。
アルミニウム合金は、２０世紀の初頭に工業的に実用化された比較的歴史が浅い金属素材である。第二次世界大戦時には、アルミニウム素材は軍用飛行機の製造に主に使用された。終戦後、軍事産業に対するアルミニウム素材の需要は激減し、アルミニウム産業界は民生用アルミニウム合金の開発に着手し、その製品は航空産業から建築業、容器包装産業、交通運送産業、電力および電子工業、機械製造業、石油化学産業などの種々の産業にまで利用され、人々の日常生活に及ぶ。現在、アルミニウム素材は、使用量が多くかつ利用範囲が広く、鉄鋼に次いで第２位の金属素材である。アルミニウム合金の歴史は、１９０６年にまで遡り、アルフレッド＝ウィルム（Ａｌｆｒｅｄ Ｗｉｌｍ） によってベルリンで時効硬化現象が偶然に発見され、発明されたジュラルミン(Duralumin)は航空機の構造部品に使用された。その後、ジュラルミンをベースにして、様々なＡｌ−Ｃｕ合金が開発された。フランスが２０世紀の初頭にアルミニウム合金Ａ−Ｕ５ＧＴ（ＳＡＥ Ｊ ４５２−１９８９によれば、（Ｗ）Ｓｉ≦０．０５％、（Ｗ）Ｆｅ≦０．１０％、引張強度（Ｔ４における）：≧２７５ＭＰａ）の研究開発に成功して実用化し、これはフランス国家規格と宇宙航空規格に制定されている。米国アルミニウム協会の呼称番号２０１．０合金（１９６８年）と２０６．０合金（１９６７年）はいずれもＡ−Ｕ５ＧＴをベースにして改良されたものであり、２０４．０合金（１９７４年）はＡ−Ｕ５ＧＴ合金と相当する。２０１．０合金（ＡｌＣｕ４ＡｇＭｇＭｎ、ＡＳＴＭ Ｂ２６／Ｂ２６（Ｍ）−１９９０規格によれば、調質Ｔ７において、引張強度：４１５ＭＰａ、破断伸び率：３％）は、ＫＯ−１という商品名として販売され、米国特許を取得した。但し、組成中に銀（Ａｇ）が含有され（０．４〜１．０％）、コストが高い。ロシアのВАЛ１０（ＶＡＬ１０）合金の主な元素成分は中国のＺＬ２０４と近いが、その他の添加した微量元素が秘密であり、軍事産業などの特殊な分野の利用に限られている。
中国において、ＺＬ２０４Ａ、ＺＬ２０５Ａなど数種類の鋳造用アルミニウム合金が研究開発された。調質Ｔ５における合金ＺＬ２０４Ａ（δ5＞４％）の引張強度は４４０ＭＰａで破断伸び率は４％以上である。但し、このアルミニウム合金はＡｌ−Ｃｕ系鋳造合金の中でも流動性及び耐高温割れ性(hot-cracking resistance)が最も悪い。ＧＢ１１７３−１９８６技術規格に準じて行った引張強度試験では、合金ＺＬ２０５Ａの引張強度は、調質Ｔ５において４３５ＭＰａ、調質Ｔ６において４６５ＭＰａである。またＧＢ１１７３−１９９５技術規格に準じて行った引張強度試験では、合金ＺＬ２０５Ａ（Ｔ６における）の引張強度は４７０ＭＰａである。したがって合金ＺＬ２０５Ａは、現在世界的にも強度が最も高い鋳造用アルミニウム合金の一つであり、該合金ＺＬ２０５Ａ（Ｔ５における）は、可塑性に優れ、破断伸び率が７％にもなり、わが国の航空、宇宙産業に広く使用されている。但し、この合金ＺＬ２０５Ａは、貴金属成分Ｖを含有しておりコストが非常に高く、さらに、主要成分金属が製錬アルミニウムもしくは高純度のアルミニウムであるのでコスト増加につながるとともに原料供給も制限される。また、合金ＺＬ２０５Ａに混合希土類元素ＲＥ（ＲＥ：Ｒａｒｅ−ｅａｒｔｈ ｅｌｅｍｅｎｔ）を添加した合金ＺＬ２０９においては、高価なＶ元素の添加によるコスト制約の問題を依然有している。また、北京航空材料研究院の呂傑らが公開した論文によると、主成分が合金ＺＬ２０５Ａに近く、微量元素の中に０．１〜０．２５％のＶが含有され、引張強度が３８５〜４０５ＭＰａの範囲で、破断伸び率が１９〜２３％であるアルミニウム合金が試作された。しかしながら、このアルミニウム合金は、引張強度がやや低く、原材料に高価なＶ元素を含有するという問題点を有している。
以上の記述より明らかなように、高強度鋳造用アルミニウム合金の分野における問題点は次の通りである。強度が十分に高くなく、引張強度４５０ＭＰａ以上の鋳造用アルミニウム合金は極めて少ない。成分組成に０．１％以上の貴金属と希少金属（銀、バナジウムおよびベリリウムなど）を配合するのが一般的であり、かつ主要成分金属は高純度のアルミニウムを多く採用するため、コストが高く、原料供給が制限されて、民生用分野への普及が難しい。強度と可塑性とのバランスを解決できず、合金の強度と鋳造性との不両立が顕著である。また、疲労寿命が短く、耐応力腐食性が劣る。
本発明者らは、従来の高強度鋳造用アルミニウム合金における成分配合コストが高く、強度が弱く、鋳造性が低く、疲労寿命が短く、耐応力腐食性が劣るなどの従来技術の問題点を解決すべく鋭意研究し、通常元素の成分組成、鋳造、精製などの工程を最適化し、各種の系統的実験を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。本発明は、強度特性、靭性と耐応力腐食性とがともに充分に優れる、軍事、民生両用の鋳造用アルミニウム合金を提供することを目的とするものである。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
本発明は、高強度鋳造用アルミニウム合金であって、Ｃｕが２．０〜６．０重量％、Ｍｎが０．０５〜１．０重量％、Ｔｉが０．０１〜０．５重量％、Ｃｒが０．０１〜０．２重量％、Ｃｄが０．０１〜０．４重量％、Ｚｒが０．０１〜０．２５重量％、Ｂが０．００５〜０．０４重量％、希土類元素が０．０５〜０．３重量％、並びに残部がアルミニウム及び微量不純物である成分組成を有することを特徴とする高強度鋳造用アルミニウム合金である。
また、本発明では、前記希土類元素が、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは混合希土類元素ＲＥであってもよい。
また、本発明では、前記混合希土類元素ＲＥに含まれている各希土類元素の総量が、（混合希土類元素ＲＥの総重量に対して）９８重量％以上であってもよい。
また、本発明では、前記混合希土類元素ＲＥにおけるＣｅ（セリウム）元素の含有量が、（混合希土類元素ＲＥの総重量に対して）４０〜５０重量％であってもよい。
次に、本発明に係る高強度鋳造用アルミニウム合金の製造方法について説明する。本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金の製造工程は次に示す通りである。
（ａ）溶解炉にアルミニウムインゴット(ingots)またはアルミニウム溶湯を入れ、前記アルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯が完全に溶けるまで加熱し、６６０〜８５０℃を維持する；
（ｂ）所定の成分組成となるように、まずＣｕ、Ｍｎの合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｂおよび希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは微量の混合希土類ＲＥ元素を添加して均一に攪拌する；
（ｃ）上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で製錬する。合金溶湯に製錬剤（フラックス）を加えて、均一に攪拌する。製錬剤としては、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するために前記合金溶湯の製錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい；
（ｄ）前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過処理、脱ガス処理、脱滓処理(deslagging)を行う；
（ｅ）金型で鋳造する；
（ｆ）最後に、６２０℃以下、７２時間未満の熱処理（固溶、析出、硬化）工程を行う。
（ａ）溶解炉にアルミニウムインゴット(ingots)またはアルミニウム溶湯を入れ、前記アルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯が完全に溶けるまで加熱し、６６０〜８５０℃を維持する；
（ｂ）所定の成分組成となるように、まずＣｕ、Ｍｎの合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｂおよび希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは微量の混合希土類ＲＥ元素を添加して均一に攪拌する；
（ｃ）上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で製錬する。合金溶湯に製錬剤（フラックス）を加えて、均一に攪拌する。製錬剤としては、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するために前記合金溶湯の製錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい；
（ｄ）前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過処理、脱ガス処理、脱滓処理(deslagging)を行う；
（ｅ）金型で鋳造する；
（ｆ）最後に、６２０℃以下、７２時間未満の熱処理（固溶、析出、硬化）工程を行う。
本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金１に対して、科学技術省西南情報センターは先行技術を検索・調査し、「記載の元素成分による記載の性能を満たす“新規高強度鋳造用アルミニウム合金の研究開発および産業化”は、国内外で開示されていない。」という結論に至った。本発明の知的財産権と研究成果については紛争および衝突は発生しないであろう。
新しいアルミニウム合金の組成と特性の同定：従来のＡｌ−Ｃｕ系合金（中国国家規格：ＧＢ／Ｔ１１７３−１９９５）の力学的特性と本発明の高強度鋳造用アルミニウム合金１の比較を表１に示す。
従来のアルミニウム鋳造合金に比べ、本発明のアルミニウム鋳造合金は、以下の利点を有する。
（１）高度な合金の成分組成設計および微量元素添加（マイクロアロイング）設計を有する。Ａｌ−Ｃｕ―Ｍｎ主成分をベースにし、合理的な微量合金元素（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｚｒ、希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａおよび混合希土類元素など）を見出し、その成分含量範囲を確定することにより、Ａｇ、Ｖなどの希少金属の作用を代替できるとともに成分組成のコストを５〜１０％低減することが期待できる。
（２）先進的な溶融精錬の不純物除去技術を採用し、不純物除去の技術的難点を有効に克服し、得られる合金の引張強度が４５０ＭＰａ以上であると同時に、破断伸び率が５％以上である。
（３）本発明は、高強度を維持できると同時に、合金の可塑性を明確に向上できる。
（１）高度な合金の成分組成設計および微量元素添加（マイクロアロイング）設計を有する。Ａｌ−Ｃｕ―Ｍｎ主成分をベースにし、合理的な微量合金元素（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｂ、Ｚｒ、希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａおよび混合希土類元素など）を見出し、その成分含量範囲を確定することにより、Ａｇ、Ｖなどの希少金属の作用を代替できるとともに成分組成のコストを５〜１０％低減することが期待できる。
（２）先進的な溶融精錬の不純物除去技術を採用し、不純物除去の技術的難点を有効に克服し、得られる合金の引張強度が４５０ＭＰａ以上であると同時に、破断伸び率が５％以上である。
（３）本発明は、高強度を維持できると同時に、合金の可塑性を明確に向上できる。
以下に、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
実施例：アルミニウム合金の成分組成は、重量％で、Ｃｕ：２．０〜６．０％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｔｉ：０．０１〜０．５％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、Ｃｄ：０．０１〜０．４％、Ｚｒ：０．０１〜０．２５％、Ｂ：０．００５〜０．０４％、希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは混合希土類元素ＲＥ：０．０５〜０．３％、および残部：Ａｌおよび微量の不純物元素である。
前記混合希土類元素ＲＥに含まれている各希土類元素の総量が重量％で９８％以上であった。前記混合希土類元素ＲＥにおけるＣｅ（セリウム）元素の含有量が、重量％で４５％であった。（希土類元素のイオン半径、酸化数が他の元素に近似するため、鉱物においてこれらの元素が共存する。）
以下に示される工程でアルミニウム合金を製造した。
（ａ）溶解炉にアルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯を入れ、加熱して完全に溶融させ、６６０〜８５０℃を維持した；
（ｂ）所定の成分組成となるように、まずＣｕ、Ｍｎ合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｂおよび希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは微量の混合希土類ＲＥ元素を添加して、均一に攪拌した；
（ｃ）上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で精錬した。合金溶湯に製錬剤（製錬剤として、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる）を加えて、均一に攪拌した。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するため、合金溶湯の精錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい；
（ｄ）前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過、脱ガス、脱滓の処理をおこなった；
（ｅ）金型で鋳造した；
（ｆ）最後に６２０℃以下、７２時間未満の熱処理（固溶、析出、硬化）工程を行った。
（ａ）溶解炉にアルミニウムインゴットまたはアルミニウム溶湯を入れ、加熱して完全に溶融させ、６６０〜８５０℃を維持した；
（ｂ）所定の成分組成となるように、まずＣｕ、Ｍｎ合金元素を添加して均一に攪拌してから、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｄ、Ｚｒ、Ｂおよび希土類元素Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａまたは微量の混合希土類ＲＥ元素を添加して、均一に攪拌した；
（ｃ）上記工程で得た合金溶湯を溶解炉で精錬した。合金溶湯に製錬剤（製錬剤として、種々の工程に応じて、塩素ガス、ヘキサクロロエタン、塩化マンガンなどを適宜選択できる）を加えて、均一に攪拌した。合金溶湯の水分の吸収や焼き損失を防止するため、合金溶湯の精錬はできる限り閉じた環境で行うことが好ましい；
（ｄ）前記溶解炉を傾転して合金液を取り出し、オンライン処理で、ろ過、脱ガス、脱滓の処理をおこなった；
（ｅ）金型で鋳造した；
（ｆ）最後に６２０℃以下、７２時間未満の熱処理（固溶、析出、硬化）工程を行った。
Claims (4)
- 高強度鋳造用アルミニウム合金であって、
Ｃｕが２．０〜６．０重量％、Ｍｎが０．０５〜１．０重量％、Ｔｉが０．０１〜０．５重量％、Ｃｒが０．０１〜０．２重量％、Ｃｄが０．０１〜０．４重量％、Ｚｒが０．０１〜０．２５重量％、Ｂが０．００５〜０．０４重量％、希土類元素が０．０５〜０．３重量％、並びに残部がアルミニウム及び微量不純物である成分組成を有する
ことを特徴とする高強度鋳造用アルミニウム合金。 - 前記希土類元素が、Ｐｒ、Ｃｅ、Ｌａ、または混合希土類元素ＲＥであることを特徴とする請求項１記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
- 前記混合希土類元素ＲＥに含まれている各希土類元素の総量が、前記混合希土類元素ＲＥの９８重量％以上であることを特徴とする請求項１記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
- 前記混合希土類元素ＲＥにおけるＣｅ元素の含有量が、前記混合希土類元素ＲＥの４０〜５０重量％であることを特徴とする請求項２または３記載の高強度鋳造用アルミニウム合金。
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