JP2013007085A - 高強度アルミニウム合金材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Zn:7.2%(質量%、以下同様)を超え8.7%以下、Mg:1.3%以上2.1%以下、Cu:0.50%未満、Fe:0.30%以下、Si:0.30%以下、Mn:0.05%未満、Cr:0.20%以下、Zr:0.05%未満、Ti:0.001以上0.05%以下及び残部がAlと不可避不純物からなる化学成分を有する。耐力が350MPa以上であり、金属組織が再結晶組織よりなる。
【選択図】図1
Description
また、上記アルミニウム合金は、例えば陽極酸化処理等の表面処理を行った後に、高級感をかもし出すためシルバー色となることが望まれている。しかしながら、上記従来の7000系アルミニウム合金に陽極酸化処理等を行うと、表面が黄色の色調を強く帯びてしまうという外観上の問題があった。
このように、上記従来の7000系アルミニウム合金は、表面処理後に現れる筋状模様や色調変化が表面品質上の問題となるため、採用することが困難であった。
耐力が350MPa以上であり、
金属組織が再結晶組織よりなることを特徴とする高強度アルミニウム合金材にある(請求項1)。
上記鋳塊を、540℃を超え580℃以下の温度で1〜24時間加熱する均質化処理を行い、
その後、加工開始時における上記鋳塊の温度を440℃〜560℃とした状態で該鋳塊に熱間加工を施して展伸材とし、
該展伸材の温度が400℃以上である間に150℃以下の温度まで冷却する急冷処理を行い、
該急冷処理またはその後の冷却により該展伸材の温度を室温まで冷却し、
その後100℃〜170℃の温度で5〜30時間加熱する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材の製造方法にある(請求項3)。
また、上記高強度アルミニウム合金材は、350MPa以上の耐力を有する。そのため、強度特性と外観特性の双方が重要視される用途に用いられる材料としての強度面での要求を比較的容易に満たすことができる。
また、上記高強度アルミニウム合金材の金属組織は、再結晶組織よりなる。そのため、表面処理後に繊維状組織に起因する筋状模様が発生すること等を抑制し、良好な表面品質を得ることができる。
従って、上記高強度アルミニウム合金材は、強度及び表面品質の両方に優れたものとなる。
このような筋状模様による表面品質の低下は、Feを0.30%以下に、Siを0.30%以下に、Mnを0.05%未満に、Crを0.20%以下に、Zrを0.05%未満にそれぞれ規制することで抑制することが可能となる。
上記結晶粒の平均粒径が500μmを超えると、結晶粒が過度に粗大となるため、陽極酸化処理等の表面処理を行った後に、表面に斑が生じやすく、表面品質が低下するおそれがある。そのため、上記結晶粒の平均粒径は小さいほど良い。なお、平均粒径が50μm未満となる場合には、上記結晶粒の間に繊維状組織が残留するおそれがある。従って、良好な表面品質を得るためには、上記結晶粒の平均粒径は500μm以下が良く、好ましくは50μm以上500μm以下が良い。
再結晶組織は、その製造過程により動的再結晶組織と静的再結晶組織に分類することができ、上記のごとく熱間加工時に生成されるものを動的再結晶組織という。一方、静的再結晶組織は、熱間加工や冷間加工を行った後、溶体化処理や焼鈍処理等の熱処理工程を追加することにより生成されるものをいう。前述した課題は、いずれの再結晶組織であっても解決しうるが、動的再結晶組織の場合には、生産工程が簡素となるため、容易に製造することができる。
上記均質化処理の加熱温度が540℃以下の場合には、上記鋳塊偏析層の均質化が不十分となる。その結果、結晶粒の粗大化や、不均一な結晶組織の形成等が起こるため、最終的に得られる合金材の表面品質が低下する。一方、加熱温度が580℃より高いと、上記鋳塊が局部的に溶融を起こすおそれがあるため、製造が困難となる。従って、上記均質化処理の温度は、540℃を超え580℃以下であることが好ましい。
熱間加工前の鋳塊の加熱温度が440℃より低いと、変形抵抗が高く、実質的な製造設備では加工が困難となる。一方、鋳塊を560℃を超える温度まで加熱した後に熱間加工を行うと、加工時の加工発熱が加わることにより上記鋳塊が局所的に融解し、その結果熱間割れが発生するおそれがある。従って、熱間加工前の上記鋳塊の温度は、440℃以上560℃以下であることが好ましい。
なお、上記熱間加工としては、押出加工や圧延加工などを採用することができる。
上記急冷処理前の上記展伸材の温度が400℃未満である場合には、焼入れが不十分となり、その結果得られる展伸材の耐力が350MPa未満となるおそれがある。また、急冷処理後の展伸材の温度が150℃を超える場合にも焼入れが不十分となり、その結果得られる展伸材の耐力は350MPa未満となるおそれがある。
上記冷却速度が1000℃/秒を超える場合には、設備が過大になる上、それに見合った効果を得ることができない。一方、冷却速度が5℃/秒未満であると、焼入れが不十分となるため、得られる展伸材の耐力が350MPaに満たなくなるおそれがある。従って、冷却速度は早いほうがよく、5℃/秒以上1000℃/秒以下、好ましくは100℃/秒以上1000℃/秒以下がよい。
なお、上記追加の冷却処理には、急冷処理と同じく、例えばファン空冷、ミスト冷却、シャワー冷却もしくは水冷等の方法を採用できる。
上記高強度アルミニウム合金材に係る実施例について、表1および表2を用いて説明する。
本例では、表1に示すごとく、アルミニウム合金材の化学成分を変化させた試料(No.1〜No.24)を同一の製造条件にて作製し、各試料の強度測定、金属組織観察を行った。更に、各試料に表面処理を行った後、表面品質評価を行った。
以下に、各試料の製造条件、強度測定方法及び金属組織観察方法、ならびに表面処理方法及び表面品質評価方法を説明する。
半連続鋳造により、表1に記載された化学成分を有する直径90mmの鋳塊を鋳造する。その後、該鋳塊を550℃の温度で12時間加熱する均質化処理を行う。その後、上記鋳塊の温度が520℃である状態で、該鋳塊を熱間押出加工することにより、幅150mm、厚さ10mmの展伸材を形成する。その後、該展伸材の温度が505℃である状態で、該展伸材を600℃/秒の冷却速度で100℃まで冷却する急冷処理を行う。そして、上記急冷処理を行った上記展伸材を室温まで冷却し、室温下で24時間の室温時効を行った後に、150℃の温度で12時間の加熱を行う人工時効処理を実施して試料とする。
試料から、JIS Z2241(ISO6892−1)に準拠する方法により試験片を採取し、引張強さ、耐力及び伸びの測定を行う。その結果、350MPa以上の耐力を示すものを合格と判定する。
試料を電解研磨した後、倍率50倍〜100倍の偏光顕微鏡により試料表面の顕微鏡像を取得する。該顕微鏡像に対し画像解析を行い、試料の金属組織を構成する結晶粒の平均粒径及びアスペクト比を求める。その結果、平均粒径については500μm以下であるもの、アスペクト比については0.5〜4.0の範囲内にあるものをそれぞれ好ましい結果と判定する。
上記人工時効処理を行った試料の表面をバフ研磨した後、水酸化ナトリウム水溶液によりエッチングを行い、次いでデスマット処理を行う。該デスマット処理を行った試料を、リン酸−硝酸法を用いて90℃の温度で1分間の化学研磨を行う。そして、該化学研磨を行った試料を、15%硫酸浴下において150A/m2の電流密度で陽極酸化処理を行い、10μmの陽極酸化皮膜を形成する。最後に、上記陽極酸化処理後の試料を沸騰水に浸漬し、上記陽極酸化皮膜の封孔処理を行う。
上記表面処理を行った試料の表面を目視観察する。目視観察では、表面に筋状模様、斑状模様または点状欠陥等が現れていないものを合格と判定する。
次いで、試料の表面の色調を色差計により計測し、JIS Z8729(ISO7724−1)に記載のL*a*b*表色系における各座標の値を取得する。その結果、L*値(明度):85〜95、a*値(緑〜赤の色度):−2.0〜0、b*値(青〜黄の色度):−0.5〜2.5の範囲内にあるものを合格と判定する。
優れた表面品質を有する試料の代表例として、図1に、試料No.1の金属組織観察結果を示す。優れた表面品質を有する試料は、図1より知られるごとく、粒状の再結晶組織よりなる金属組織を有すると同時に、目視確認においても筋状模様は観察されず、斑がなく高い光沢を有する。
試料No.14は、Zn含有量が高すぎるため、熱間加工性が悪く、実質的な設備では熱間押出加工が不可能であった。
試料No.16は、Mg含有量が高すぎるため、熱間加工性が悪く、実質的な設備では熱間押出加工が不可能であった。
表面品質が不合格となった試料のうち、筋状模様が視認された試料の代表例として、図2に、試料No.18の金属組織観察結果を示す。筋状模様が視認された試料は、図2より知られるごとく、繊維状組織よりなる金属組織を有する。
試料No.19は、Si含有量が高すぎるため、繊維状組織が形成された結果、表面に筋状模様が視認され不合格と判定した。同時に、表面の色調が黄色を帯びていた。
試料No.20は、Mn含有量が高すぎるため、繊維状組織が形成された結果、表面に筋状模様が視認され不合格と判定した。
試料No.22は、Zr含有量が高すぎるため、繊維状組織が形成された結果、表面に筋状模様が視認され不合格と判定した。
試料No.24は、Ti含有量が高すぎるため、Alとの金属間化合物が形成された結果、表面に点状欠陥が視認され不合格と判定した。
次に、上記高強度アルミニウム合金の製造方法に係る実施例について、表3〜表5を用いて説明する。
本例では、表3に示す化学成分を含有するアルミニウム合金材を、表4に示すごとく製造条件を変化させて試料(No.A〜No.X)を作製し、各試料の強度測定、金属組織観察を行った。更に、各試料に表面処理を行った後、表面品質評価を行った。
半連続鋳造により、表3に記載された化学成分を有する直径90mmの鋳塊を鋳造する。その後、表4に示す処理温度、処理時間または冷却時間の組み合わせを用いて、上記鋳塊に均質化処理、熱間押出加工、急冷処理及び人工時効処理をこの順で施し、試料を得る。なお、表4に記載の室温時効時間とは、急冷処理を行った後、展伸材が室温に達してから人工時効処理を行うまでの時間を意味する。
試料Qは、均質化処理における処理時間が短すぎたため、耐力が350MPaに満たず不合格と判定した。同時に、結晶粒が粗大となり、表面に斑状模様も視認された。
試料Tは、急冷処理後における展伸材の温度が高すぎたため、焼入れが不十分となり耐力が350MPaに満たず不合格と判定した。
試料Vは、人工時効処理における加熱温度が高すぎたため、過時効となり耐力が350MPaに満たず不合格と判定した。
試料Wは、人工時効処理における処理時間が短すぎたため、時効硬化が不十分となり耐力が350MPaに満たず不合格と判定した。
試料Xは、人工時効処理における処理時間が長すぎたため、過時効となり耐力が350MPaに満たず不合格と判定した。
上記鋳塊を540℃を超え580℃以下の温度で1〜24時間加熱する均質化処理を行い、
その後、加工開始時における上記鋳塊の温度を440℃〜560℃とした状態で該鋳塊に熱間加工を施して展伸材とし、
該展伸材の温度が400℃以上である間に150℃以下の温度まで、5〜1000℃/秒の冷却速度で冷却する急冷処理を行い、
該急冷処理またはその後の冷却により該展伸材の温度を室温まで冷却し、
その後100℃〜170℃の温度で5〜30時間加熱する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材の製造方法にある(請求項3)。
上記冷却速度が1000℃/秒を超える場合には、設備が過大になる上、それに見合った効果を得ることができない。一方、冷却速度が5℃/秒未満であると、焼入れが不十分となるため、得られる展伸材の耐力が350MPaに満たなくなるおそれがある。従って、冷却速度は早いほうがよく、5℃/秒以上1000℃/秒以下、好ましくは100℃/秒以上1000℃/秒以下がよい。
Claims (4)
- Zn:7.2%(質量%、以下同様)を超え8.7%以下、Mg:1.3%以上2.1%以下、Cu:0.50%未満、Fe:0.30%以下、Si:0.30%以下、Mn:0.05%未満、Cr:0.20%以下、Zr:0.05%未満、Ti:0.001%以上0.05%以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
耐力が350MPa以上であり、
金属組織が再結晶組織よりなることを特徴とする高強度アルミニウム合金材。 - 請求項1に記載の高強度アルミニウム合金材において、上記再結晶組織は、その結晶粒の平均粒径が500μm以下であり、熱間加工方向に平行な方向の結晶粒長さが、熱間加工方向に垂直な方向の結晶粒長さに対して0.5〜4倍であることを特徴とする高強度アルミニウム合金材。
- Zn:7.2%(質量%、以下同様)を超え8.7%以下、Mg:1.3%以上2.1%以下、Cu:0.50%未満、Fe:0.30%以下、Si:0.30%以下、Mn:0.05%未満、Cr:0.20%以下、Zr:0.05%未満、Ti:0.001%以上0.05%以下を含有し、残部がAl及び不可避的不純物からなる化学成分を有する鋳塊を作製し、
上記鋳塊を540℃を超え580℃以下の温度で1〜24時間加熱する均質化処理を行い、
その後、加工開始時における上記鋳塊の温度を440℃〜560℃とした状態で該鋳塊に熱間加工を施して展伸材とし、
該展伸材の温度が400℃以上である間に150℃以下の温度まで冷却する急冷処理を行い、
該急冷処理またはその後の冷却により該展伸材の温度を室温まで冷却し、
その後100℃〜170℃の温度で5〜30時間加熱する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材の製造方法。 - 請求項3に記載の高強度アルミニウム合金材の製造方法において、上記急冷処理の冷却速度は5〜1000℃/秒であることを特徴とする高強度アルミニウム合金材の製造方法。
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