JP2013221161A - アルミニウム合金材 - Google Patents

Abstract

【課題】 高いレベルで強度と伸びを兼ね備えたアルミニウム合金材を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金材は、化学組成において、Ｓｉ：０．３〜１．２質量％、Ｍｇ：０．４〜１．２質量％、Ｆｅ：０．２〜０．７質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％、Ｃｕ：０．２〜０．４５質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、金属間化合物のうちの円相当直径が０．１２〜０．２５μｍのものを中サイズとし、任意の断面のＳＥＭ観察による１７０μｍ^２の視野内に存在する中サイズ金属間化合物が１００個以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高いレベルで強度と伸びとを兼ね備えたアルミニウム合金材に関する。

車両用部材や構造部材の軽量化を図るために、強度と伸びのバランスの良いＪＩＳ ６０００系合金が用いられ、特にＪＩＳ ６０６１合金が用いられている。また、強度向上のために、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金にＭｎ、Ｃｒ等の遷移元素を添加した合金が種々提案されている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は、ＭｇとＳｉの濃度比を規定するとともに、遷移元素であるＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒを積極的に添加することにより、焼き入れ感受性を高めた合金である。特許文献２に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は、ＭｎおよびＣｒの合計含有量を１．２重量％以下に規制することによって伸びを高めた合金である。特許文献３に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は、Ｓｉ濃度、Ｍｇ濃度およびＣｕ濃度の関係を規定するとともに、押出材断面における中心部の平均結晶粒径を規定したものである。

特公平５−４７６０３号公報 特開平５−５９４７７号公報 特開２００７−１７７３０８号公報

従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材の製造においては、最終工程で溶体化処理を十分に行い、焼き入れ後に時効処理を行うことで高い強度が得られると考えられていた。しかしながら、上述したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材は強度と伸びを十分に両立するには至っていない。アルミニウムの軽量性を生かしつつ、車両用部材や構造部材の材料として要求される強度と所望形状への成形するための伸びとを高いレベルで兼ね備えたアルミニウム合金材が求められている。

本発明者は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材における金属間化合物のサイズ分布が強度と伸びに影響を及ぼすことを見出し、合金の化学組成を規定した上で金属間化合物のサイズ分布を規定することによって強度と伸びを高いレベルで兼ね備えたアルミニウム合金材を完成させた。

即ち、本発明は下記［１］〜［３］に記載の構成を有する。

［１］化学組成において、Ｓｉ：０．３〜１．２質量％、Ｍｇ：０．４〜１．２質量％、Ｆｅ：０．２〜０．７質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％、Ｃｕ：０．２〜０．４５質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、
金属間化合物のうちの円相当直径が０．１２〜０．２５μｍのものを中サイズとし、任意の断面のＳＥＭ観察による１７０μｍ^２の視野内に存在する中サイズ金属間化合物が１００個以下であることを特徴とするアルミニウム合金材。

［２］金属間化合物のうちの円相当直径が０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満のものを小サイズとし、前記視野内に存在する小サイズ金属間化合物の個数が中サイズ金属間化合物の個数の２倍以上である前項１に記載のアルミニウム合金材。

［３］金属間化合物のうちの円相当直径が０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満のものを小サイズとし、前記視野内に存在する中サイズ金属間化合物と小サイズ金属間化合物の合計個数に対して中サイズ金属間化合物の占める割合が３０％以下である前項１または２に記載のアルミニウム合金材。

上記［１］に記載のアルミニウム合金材は、１７０μｍ^２のＳＥＭ観察視野内に存在する中サイズ金属間化合物の個数が１００個以下となされているので、強度と伸びとが高いレベルで両立している。

上記［２］［３］に記載のアルミニウム合金材によれば、１７０μｍ^２のＳＥＭ観察視野内に存在する中サイズ金属間化合物の個数と小サイズ金属間化合物の個数との関係が相対的に規定されているので、特に高いレベルで強度と伸びとを両立させることができる。

実施例６のアルミニウム合金材のＳＥＭ画像である。 比較例１２のアルミニウム合金材のＳＥＭ画像である。

本発明のアルミニウム合金材は化学組成と金属組織における金属間化合物の分布状態を規定したものである。

［アルミニウム合金材の化学組成］
本発明のアルミニウム合金材は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｍｎを含有している。以下に、各元素の添加意義および適正濃度について詳述する。

Ｓｉは、Ｍｇと共同し、主として時効析出物であるβ’−Ｍｇ_２Ｓｉの析出硬化により合金に強度を付与する元素である。この時効析出物の量はＳｉ濃度および後述するＭｇ濃度に依存し、Ｓｉ濃度が０．３質量％未満では前記時効析出物量が少ないために十分な強度が得られない。一方、Ｓｉ濃度が１．２質量％を超えると平衡相Ｍｇ_２Ｓｉが晶出し、伸びを低下させる。従って、合金に強度と伸びとをバランス良く付与するために、Ｓｉ濃度は０．３〜１．２質量％とする。好ましいＳｉ濃度は０．４〜１．０質量％であり、更に好ましい範囲は０．８〜１．０質量％である。

Ｍｇはそれ自体の固溶による強度上昇と、Ｓｉと共同して時効析出物であるβ’−Ｍｇ_２Ｓｉの析出硬化により強度を付与する元素である。Ｓｉと同じく、Ｍｇ濃度が０．４質量％未満では十分な強度が得られず、１．２質量％を超えると平衡相Ｍｇ_２Ｓｉの晶出によって伸びが低下する。従って、合金に強度と伸びとをバランス良く付与するために、Ｍｇ濃度は０．４〜１．２質量％とする。好ましいＭｇ濃度は０．６〜１．１質量％であり、更に好ましい範囲は０．７〜１．０質量％である。

上述したように、合金の強度および伸びはＳｉ濃度およびＭｇ濃度に依存し、強度上昇に寄与するのはβ’−Ｍｇ_２Ｓｉである。このβ’−Ｍｇ_２Ｓｉの含有量が０．５質量％では強度が極めて低下する。一方、β’−Ｍｇ_２Ｓｉの含有量が１．５質量％を超えると伸びが低下し、成形性が低下する。従って、合金中にβ’−Ｍｇ_２Ｓｉが０．５〜１．５質量％の範囲内に存在していることが強度と伸びとを高レベルで兼ね備えることの条件となる。換言すると、０．５〜１．５質量％のβ’−Ｍｇ_２Ｓｉを形成できるＳｉ濃度およびＭｇ濃度であることが必要である。上述したＳｉおよびＭｇの濃度範囲は０．５〜１．５質量％のβ’−Ｍｇ_２Ｓｉを形成しうる濃度範囲である。

また、Ｓｉが過剰に添加されると、Ｓｉの一部はβ’−Ｍｇ_２Ｓｉを形成せずに残Ｓｉとして単独で存在する。この残ＳｉはＴ４の熱処理で固溶していると、固溶硬化によって強度が上昇する。残Ｓｉの濃度が０．１質量％未満では十分な強度が得られない。一方、残Ｓｉの濃度が１．０質量％を超えると、強度は上昇するものの伸びが低下して成形性が悪化する。従って、合金中の残Ｓｉ濃度は０．１〜１．０質量％であることが好ましい。上述したＳｉおよびＭｇの濃度範囲は残Ｓｉ濃度が０．１〜１．０質量％のとなる濃度範囲である。

Ｃｕは、時効析出物であるθ’−ＣｕＡｌ_２の形成により合金に強度を付与する元素である。合金の強度上昇は、β’−Ｍｇ_２Ｓｉの形成によるものだけではなく、Ｃｕの添加によって緻密で微細なθ’−ＣｕＡｌ_２が形成されること、さらにθ’−ＣｕＡｌ_２によってβ’−Ｍｇ_２Ｓｉを微細化されることによる、合金中のＣｕ濃度が０．２質量％未満ではθ’−ＣｕＡｌ_２の形成量が少なく上記効果が少ない。一方、０．４５質量％を超えると、θ’−ＣｕＡｌ_２の形成量が増えて強度は上昇するが伸びが低下する。θ’−ＣｕＡｌ_２は室温でも成長するので経時変化により強度は上昇するが、それに伴って伸びが低下し、また材料組織の粒界腐食が顕著になって耐食性も低下する。従って、Ｃｕ濃度は０．２〜０．４５質量％とし、好ましいＣｕ濃度は０．３０〜０．４５質量％である。

Ｆｅは合金強度に影響を及ぼす元素である。Ｆｅ濃度が０．２質量％未満では結晶粒が粗大化して強度が低下する。一方、０．７質量％を超えると粗大な晶出物が生成されて強度および伸びが低下する。従って、Ｆｅ濃度は０．２〜０．７質量％とし、好ましいＦｅ濃度は０．３〜０．７質量％であり、更に好ましくは０．４〜０．６質量％である。

Ｔｉは鋳塊の結晶粒を微細化し、かつ伸びを向上させて成形性を向上させる元素である。合金中のＴｉ濃度が０．００５質量％未満では上記効果が少なく、０．１質量％を超えると粗大な晶出物が生成されて成形性が低下する。従って、Ｔｉ濃度は０．００５〜０．１質量％とし、好ましいＴｉ濃度は０．００５〜０．０５質量％であり、更に好ましくは０．００８〜０．０３質量％である。

Ｃｒは、Ａｌ_７Ｃｒの析出によって合金に強度を付与する元素である。合金中のＣｒ濃度がは０．０５質量％未満では上記効果が少なく、０．２５質量％を超えると巨大な晶出物が増えて強度および伸びが低下する。従って、Ｃｒ濃度は０．０５〜０．２５質量％とし、好ましいＣｒ濃度は０．１０〜０．０．２２質量％であり、更に好ましくは０．１４〜０．２２質量％である。

Ｍｎは、固溶による硬化とＡｌ_６Ｍｎの析出によって合金に強度を付与する元素である。合金中のＭｎ濃度が０．０５質量％未満では上記効果が少なく、０．３質量％を超えると粗大な晶出物が増えて強度および伸びが低下する。従って、Ｍｎ濃度は０．０５〜０．３質量％とし、好ましいＭｎ濃度は０．１５〜０．２５質量％である。

アルミニウム合金の残部組成はＡｌおよび不可避不純物である。

［金属間化合物のサイズ分布状態］
本発明のアルミニウム合金材において形成される金属間化合物は上記のアルミニウム合金の化学組成で説明したＭｇ_２Ｓｉ、ＣｕＡｌ_２、Ａｌ_６Ｍｎ、Ａｌ_７Ｃｒ等であり、これらの金属化合物のサイズおよび個数が合金材の機械的性質に影響を及ぼす。本発明は、これらの金属間化合物のサイズについて、円相当直径（断面積が等価となる円の直径）が０．１２〜０．２５μｍのものを中サイズ、円相当直径が０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満のものを小サイズと定義し、アルミニウム合金材の任意の断面においてＳＥＭ（Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡）観察による１７０μｍ^２の視野内に存在する金属間化合物の個数に基づいて金属組織を規定する。前記視野はアルミニウム合金材の断面における観察部位を限定するものではなく、表層部付近でも中心部付近でも良い。

本発明のアルミニウム合金材は、前記視野内の中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）が１００個以下に規定されている。中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）が１００個を超えると強度および伸びが低下する。また、中サイズ金属間化合物の好ましい個数（Ａ）は７０個以下である。本発明において、高い強度とはＪＩＳ Ｚ２２４１金属材料引張試験方法による０．２％耐力が４２０ＭＰａ以上であり、良好な伸びとは同試験方法による伸びが１５％以上である。

アルミニウム合金材のさらに高い強度と良好な伸びを両立させる条件として、中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）を１００個以下とした上で、中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）と小サイズ金属間化合物の個数（Ｂ）との関係を相対的に規定することを推奨できる。即ち、小サイズ金属間化合物の個数（Ｂ）が中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）数の２倍以上存在することが好ましく、Ｂ／Ａ≧２なる関係を満たしていることが好ましい。特に好ましい個数の関係はＢ／Ａ≧５である。また、中サイズ金属間化合物と小サイズ金属間化合物の合計個数（Ａ＋Ｂ）に対して中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）の占める割合［〔Ａ／（Ａ＋Ｂ）〕×１００］が３０％以下であることが好ましく、特に１５％以下であることが好ましい。

［アルミニウム合金材の製造方法］
上述した金属間化合物のサイズ分布状態は、合金の化学組成を規定した上でアルミニウム合金材の製造工程において所定の熱処理を行うことによって得ることができる。

アルミニウム合金材が押出、圧延、鍛造等による塑性加工品である場合は、これらの塑性加工に供するアルミニウム合金塊の均質化処理、塑性加工品に対する溶体化処理および時効処理を所定の条件で行う。

均質化処理はアルミニウム合金塊を４７０℃〜５５０℃で３〜１６時間保持することにより行う。４７０℃未満または３時間未満の処理では、Ｍｇ−Ｓｉ系金属間化合物が十分に固溶されず、また遷移元素を含む分散相の析出が十分でないために、強度および伸びが向上しない。一方、５５０℃を超えまたは１６時間を超える処理では、バーニングが発生して熱間加工時に割れ等が発生するおそれがある。均質化処理の特に好ましい処理温度は４８０〜５２０℃であり、特に好ましい処理時間は７〜１０時間である。

溶体化処理は塑性加工品を５３０〜５７０℃で０．５〜３時間保持することにより行う。前記条件で処理すれば添加されている元素が十分に固溶されるので固溶度が大きくなり、Ｍｇ−Ｓｉ系化合物の分布を一層緻密にすることができる。特に好ましい溶体化処理温度は５５０〜５７０℃であり、処理時間は１〜３時間である。

時効処理は１６０〜２００℃で３〜３０時間保持することにより行う。１６０℃未満では最高強度に達するまでの時間が著しく長くなる。一方、２００℃を超えると微細な析出物を得ることができない。また、３時間未満の時効処理では高い強度が得られず、３０時間を超えるとＭｇ−Ｓｉ系化合物の析出物が粗大化して強度低下を招くおそれがある。特に好ましい時効処理の温度は１６５〜１８５℃であり、特に好ましい処理時間は５〜２０時間である。

本発明において、所要形状を得るための塑性加工方法は限定されず、押出、圧延、鍛造等の任意の方法を適用できる。塑性加工が押出の場合は、押出直後の押出材温度が４５０〜５５０℃となるように熱間押出を行うことが好ましい。押出材温度が４５０℃未満では加工中に変形圧力が著しく増加して生産性が低下する。一方、５５０℃を超えると加工中に蓄積されたひずみが熱入力により動的回復して再結晶し、結晶粒径を粗大化するおそれがある。特に好ましい押出直後の押出材温度は４８０〜５３０℃である。また、上記押出材温度に規定した上で、さらに温度補償ひずみ因子（Ｚパラメータ）を３×１０^９〜１５×１０^９Ｓ^−１の範囲に設定することが好ましい。また塑性加工が鍛造の場合は、加工率として２０〜８０％、鍛造温度としては４００℃〜５３０℃に設定することが好ましい。

表１に示した実施例１〜１１および比較例１２、１３の化学組成のアルミニウム合金からなるビレットを５００℃で７時間保持して均質化処理を行った後、熱間でφ１５の丸棒を押し出した。この押出において、押出直後の押出材の温度は表１に示す温度であった。さらに、前記押出材を５７０℃で１時間保持して溶体化処理を行い、１７０℃で１３時間保持して時効処理を行った。

時効処理後の各押出材を押出方向に対して垂直な面で切断し、その切断面をポリシャーで研磨してＳＥＭ観察面とした。観察はＦＥ−ＳＥＭ（電界放出型走査電子顕微鏡、日本電子株式会社製のＪＳＭ−７０００Ｆ）により、加速電圧：７ｋＶ、電流：６ｎＡ、倍率：×８０００で行った。撮影したＳＥＭ画像は、画像解析ソフト（ＷＩＮ−ＲＯＯＦ）により２値化処理後に金属間化合物を検出し、検出した金属間化合物の面積と等価面積を有する円の直径に換算した。そして、１７０μｍ^２の視野内において、円相当直径が０．１２〜０．２５μｍの金属間化合物を中サイズとして計数し、０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満の金属間化合物を小サイズとして計数した。表１に、中サイズ金属間化合物の個数（Ａ）および小サイズ金属間化合物の個数（Ｂ）を示すとともに、中サイズ金属間化合物と小サイズ金属間化合物の個数の比率（Ｂ／Ａ）、および中サイズ金属間化合物と小サイズ金属間化合物の合計個数に対して中サイズ金属間化合物の占める割合（％）＝〔Ａ／（Ａ＋Ｂ）〕×１００を示す。

また、上記の実施例および比較例のうち、実施例６および比較例１２の金属間化合物のサイズ別個数、累積個数および累積比率を表２および表３に示す。さらに、図１に実施例６のＳＥＭ画像、図２に比較例１２のＳＥＭ画像を示す。

さらに、各押出材について、機械的性質として、ＪＩＳ Ｚ２２４１金属材料引張試験方法に基づいて、引張強度、０．２％耐力および伸びを測定した。これらの測定結果を表１に併せて示す。

次に、実施例２０、２１、比較例２２、２３として、表１の実施例６のアルミニウム合金に対し、均質化処理条件および押出条件を変えて実施例１等と同一形状の押出材を作製した。表４に、各例の均質化処理条件、押出直後の押出材温度を示す。押出材に対する溶体化処理および時効処理は各例で共通である。

作製した各押出材について、実施例１等と同じ方法で金属間化合物の個数を調べるとともに機械的性質を測定した。これらの結果を表４に示す。

表１〜４に示した結果より、所定の観察視野内における中サイズの金属間化合物の個数を１００個以下に規定した各実施例は高い強度と良好な伸びとを兼ね備えるものであることを確認した。一方、中サイズの金属間化合物の個数が過剰な各比較例は強度が低く、あるいはさらに伸びの悪いものであった。

本発明のアルミニウム合金は車両や構造部材の材料として好適に利用できる。

Claims (3)

1. 化学組成において、Ｓｉ：０．３〜１．２質量％、Ｍｇ：０．４〜１．２質量％、Ｆｅ：０．２〜０．７質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％、Ｃｕ：０．２〜０．４５質量％、Ｃｒ：０．０５〜０．２５質量％、Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなり、
   金属間化合物のうちの円相当直径が０．１２〜０．２５μｍのものを中サイズとし、任意の断面のＳＥＭ観察による１７０μｍ^２の視野内に存在する中サイズ金属間化合物が１００個以下であることを特徴とするアルミニウム合金材。
2. 金属間化合物のうちの円相当直径が０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満のものを小サイズとし、前記視野内に存在する小サイズ金属間化合物の個数が中サイズ金属間化合物の個数の２倍以上である請求項１に記載のアルミニウム合金材。
3. 金属間化合物のうちの円相当直径が０．０５μｍ以上で０．１２μｍ未満のものを小サイズとし、前記視野内に存在する中サイズ金属間化合物と小サイズ金属間化合物の合計個数に対して中サイズ金属間化合物の占める割合が３０％以下である請求項１または２に記載のアルミニウム合金材。