JP2014125665A - アルミニウム合金、及びアルミニウム合金線 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れるアルミニウム合金、及びアルミニウム合金線を提供する。
【解決手段】Mgを4.5質量％以上12.0質量％以下含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金であり、水素の含有量が10ml/100g以下である。このアルミニウム合金の断面における直径10μm以上の晶析出物が3個/mm²以下である。このアルミニウム合金は、Mgを多く含むことで強度に優れ、水素の含有量が特定の範囲であることで、ブローホールに伴う外観の劣化を抑制できる。かつ、このアルミニウム合金は、粗大な晶析出物が少ないことで、陽極酸化処理後の光輝性にも優れる。
【選択図】なし

Description

本発明は、各種の部品の素材に利用されるアルミニウム合金、及びアルミニウム合金線に関するものである。特に、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れるアルミニウム合金に関するものである。

従来、自動車や自転車などの部品の素材に、JIS規格の6000系アルミニウム合金が利用されている。6000系アルミニウム合金は、溶体化処理及び時効処理といった熱処理を施すことで、析出強化によって強度に優れるものの、上記熱処理が必要であり、製造性に劣る。また、6000系アルミニウム合金は、陽極酸化処理(いわゆるアルマイト処理)を施しても、金属光沢が得られ難く、艶消し状の表面となり、光輝性に劣る。

一方、JIS規格の5000系アルミニウム合金は、非熱処理型合金であり、上述の溶体化処理及び時効処理が不要である。また、5000系アルミニウム合金は、光輝仕上げ後に陽極酸化処理を施す(いわゆる光輝アルマイト処理を施す)と、金属光沢が得られ、光輝性に優れる傾向にある。しかし、5000系アルミニウム合金は、6000系アルミニウム合金よりも強度に劣る。

他方、特許文献1は、非熱処理型合金でありながら、特定の組成とすることで強度に優れるアルミニウム合金を開示している。

特開2012-082469号公報

高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れるアルミニウム合金の開発が望まれている。

6000系アルミニウム合金では、上述のように高強度であるものの、陽極酸化処理後(特に光輝アルマイト処理後)の外観に劣る。従来の5000系アルミニウム合金では、陽極酸化処理後(特に光輝アルマイト処理後)の光輝性に優れるものの、強度が十分ではない。

特許文献1に記載されるアルミニウム合金は、強度に優れるものの、陽極酸化処理後(特に光輝アルマイト処理後)の光輝性に優れる構成を言及していない。

そこで、本発明の目的の一つは、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れるアルミニウム合金を提供することにある。また、本発明の他の目的は、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れるアルミニウム合金線を提供することにある。

本発明者らは、溶体化処理及び時効処理を必須としない合金種、具体的には、固溶強化元素であるMgを主たる添加元素とするJIS規格の5000系アルミニウム合金(Al-Mg系合金)を対象として、更なる高強度化と、陽極酸化処理後(特に光輝アルマイト処理後)の外観の改善とを検討した。

Al-Mg系合金の強度の向上には、Mgの含有量を多くすることが効果的である。また、Al-Mg系合金中に水素を過剰に含有すると、合金の粒界などに水素が溜まって粒界強度が低下して材料強度の低下を招く恐れがある。更に、水素の過剰含有は、ブローホールが生じ易くなり、ブローホールに伴う外観の劣化も招き得る。

上述の知見により、Mgの含有量及び水素の含有量を調整したアルミニウム合金を作製し、このアルミニウム合金に光輝アルマイト処理を施したところ、陽極酸化皮膜に黒い斑点が生じており、外観に劣るものであった。断面観察などを行って、この原因を調べたところ、陽極酸化皮膜において上記黒い斑点が存在する部分の下のアルミニウム合金母材に、粗大な晶析出物が存在していた。そこで、粗大な晶析出物を低減したところ、上記黒い斑点が低減され、又は実質的に存在しなくなり、光輝性に優れる陽極酸化皮膜が得られた。本発明は、これらの知見に基づくものである。

本発明のアルミニウム合金は、Mgを4.5質量％以上12.0質量％以下含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、水素の含有量が10ml/100g以下である。そして、このアルミニウム合金の断面における直径10μm以上の晶析出物が3個/mm²以下である。

本発明のアルミニウム合金は、固溶強化元素であるMgを一般的な5000系アルミニウム合金よりも多く含むことから高強度である。また、本発明のアルミニウム合金は、水素の含有量が特定の範囲であることで、上述の特定の組成のアルミニウム合金を量産した場合にも、高強度なアルミニウム合金を安定して製造できる。

そして、本発明のアルミニウム合金は、粗大な晶析出物が少ないため、光輝アルマイト処理を施した場合にも、粗大な晶析出物に基づく外観不良を抑制でき、金属光沢を有して光輝性に優れる。また、本発明のアルミニウム合金は、水素の含有量が特定の範囲であることで、ブローホールに起因する外観不良も抑制できることからも、優れた外観を有することができる。

更に、本発明のアルミニウム合金は、Mgを特定の範囲で含有することで、Mgの添加に伴う加工性の低下を抑制でき、伸線や圧延、鍛造などの加工性に優れる。また、水素の含有量が特定の範囲であることで、粒界強度の低下も抑制できることからも、本発明のアルミニウム合金は、加工性に優れる。加えて、本発明のアルミニウム合金は、溶体化処理及び時効処理を施すことなく製造可能である。これらの点から、本発明のアルミニウム合金は、生産性にも優れる。

本発明の一形態として、上記不可避不純物のうち、Siの含有量が0.1質量％以下であり、Feの含有量が0.3質量％以下である形態が挙げられる。

Siの含有量が低い方が光輝性を高められたり、強度をより高められたりする傾向にある。また、Feの含有量が低い方が、Feを含有する晶析出物の生成を抑制でき、粗大な晶析出物が存在し難い。従って、上記形態は、強度により優れる上に、陽極酸化処理後の光輝性により優れる。

本発明の一形態として、上記アルミニウム合金の引張強さが300MPa以上である形態が挙げられる。

上記形態は、6000系アルミニウム合金と同等、更にはそれ以上の引張強さを有し、高強度である。

本発明の一形態として、上記アルミニウム合金の破断伸びが15％以上である形態が挙げられる。

上記形態は、靭性にも優れ、6000系アルミニウム合金と同等、更にはそれ以上の高い破断伸びを有し、加工時に破断や割れが生じ難い。そのため、上記形態は、高強度である上に、加工性にも優れる。

本発明の一形態として、更に、Zrを0.01質量％以上0.3質量％以下含有する形態が挙げられる。

上記形態は、Zrを特定の範囲で含有することで、強度により優れる。

本発明のアルミニウム合金線は、上記本発明のアルミニウム合金から構成されている。

本発明のアルミニウム合金線は、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れる本発明のアルミニウム合金から構成されることで、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れる。また、本発明のアルミニウム合金線は、加工性にも優れる本発明のアルミニウム合金から構成されることで、鋳造以降の種々の塑性加工、例えば、熱間鍛造や熱間圧延などの熱間加工や、冷間伸線などの冷間加工を施す際に割れなどが生じ難く、生産性に優れる。更に、本発明のアルミニウム合金線は、それ自体も加工性に優れるため、鍛造などの塑性加工(2次加工)も良好に施すことができ、塑性加工用の素材(2次加工用の素材)として好適に利用できる。鍛造などが施された2次加工材に光輝アルマイト処理を施すことで、金属光沢を有し、光輝性に優れるアルミニウム合金部材が得られる。

本発明のアルミニウム合金、及び本発明のアルミニウム合金線は、高強度で、陽極酸化処理後の光輝性に優れる。

以下、本発明の実施の形態を詳しく説明する。なお、元素の含有量は、質量割合を示す。

[アルミニウム合金]
(組成)
本発明のアルミニウム合金(以下、Al合金と呼ぶ)は、主たる添加元素をMgとするAl-Mg系合金であることを特徴の一つとする。Mgは、強度の向上効果が高い固溶元素である。Mgを4.5％以上含有することで、強度の向上効果が得られる。Mgの含有量が多いほど、強度が高められ、5.5％以上、更に7％以上がより好ましい。また、Mgの含有量を12.0％以下とすることで、(1)添加されたMgが十分に固溶でき、固溶強化の効果を十分に得られる、(2)Mgの増加に伴う加工性の低下を抑制できる、(3)晶析出物の生成を抑制し易く、結果として陽極酸化処理後の光輝性の劣化を抑制できる、といった効果を有する。Mgの含有量を10.0％以下とすると、Mgの増加に伴う加工性の低下を更に抑制でき、加工性により優れ、生産性を向上できる。

Mg以外の添加元素として、Zrを含有することができる。Zrは、Al合金の結晶粒界に偏析して粒界強度の向上に寄与する。また、Zrは、結晶粒の微細化に効果があり、微細組織による強度の向上、加工性の向上にも寄与する。Zrの含有量を0.01％以上とすることで、上述の効果が得られ、Zrの含有量が多いほど上記効果を得易い。例えば、Zrの含有量を0.1％以上、更に0.15％以上とすることができる。但し、上記効果はZrの含有量が0.3％程度で飽和する傾向にある。また、Zrの含有量を0.3％以下とすると、Zrの添加による加工性の低下を抑制できる。従って、加工性などを考慮すると、Zrの含有量は0.25％以下が好ましい。

本発明のAl合金は、水素の含有量が少ない点を特徴の一つとする。水素は、Al合金の結晶粒界に存在して粒界強度を低下させると考えられる。この結果、材料強度の低下や加工性の低下を招く可能性がある。また、水素は、鋳造時、ブローホールを発生させ、ブローホールに伴う表面性状の劣化、陽極酸化処理後の外観の劣化、といった品質の低下、外観の低下を招く。そこで、水素の含有量は、Al合金100g中に10ml以下、つまり10ml/100g以下とする。水素の含有量は少ない方が好ましく、5ml/100g以下、更に2ml/100g以下が好ましく、下限を設けない。特に、量産体制では、水素の含有量を特定の範囲に制御することで、一定水準の特性を満たすAl合金(ここでは、特に高強度なAl合金)を安定して提供できると期待される。水素は、主として、溶解時や鋳造時の雰囲気からAl合金中に混入されると考えられる。そのため、Al合金中の水素の含有量を低減するには、例えば、鋳造直前の溶湯に脱ガス処理を行うことが挙げられる。脱ガス処理には、適宜なフラックスを利用したり、アルゴン(Ar)などの不活性ガスによるバブリングなどを利用したりすることが挙げられる。溶湯の段階で水素を低減しておくことで、以降の製造工程においても、水素が低減された状態が実質的に維持され、水素の含有量が少ない鋳造材や伸線材、軟材、2次加工材などを得ることができる。

Mg以外の添加元素は、Al自体が本来有する金属光沢を低下させる傾向にある。つまり、Mg以外の添加元素を複数、特に多く含有すると、晶析出物を生成し易くなり、晶析出物の成長によって陽極酸化処理後の光輝性の低下を招く。従って、本発明のAl合金は、Mg、適宜Zrを添加元素とし、残部をAl及び不可避不純物とする。不可避不純物は、Si,Fe,Cu,Mn,Zn,Cr,Tiなどが挙げられる。

特に、Siは、Mg-Si系の晶析出物を形成し、この晶析出物が成長して粗大なものとなると、陽極酸化処理後の光輝性を低下させたり、加工性を低下させたり(粗大な晶析出物が割れの起点となったり)する。また、Siは、Zrを含有する場合にZrの粒界偏析による粒界強度の向上効果を低下させたりすると考えられる。そのため、Siの含有量は0.1％以下が好ましい。Siの含有量が0.1％以下であれば、陽極酸化処理後の光輝性に優れるが、Siの含有量が更に少ないほど材料強度を高められる。従って、Siの含有量を0.05％以下、更に0.01％以下とすることができ、Siの含有量の下限は特に設けない。

特に、Feは、Al-Fe-Si系の晶析出物を形成し、この晶析出物が成長して粗大なものとなると、陽極酸化処理後の光輝性を低下させる。また、この晶析出物も粗大であると、加工性の低下、強度の向上効果の低下を招く。そのため、Feの含有量は0.3％以下が好ましく、0.1％以下、更に0.05％以下が好ましく、Feの含有量の下限は特に設けない。SiやFeの含有量は、例えば、純度の高い純アルミニウムを原料に用いたり、原料を精錬したりすることで低減できる。

(組織)
本発明のAl合金は、粗大な晶析出物の含有量が少ないことを特徴の一つとする。具体的には、Al合金の断面における直径10μm以上の晶析出物(粗大な晶析出物)の数が単位面積(mm²)あたり3個以下、つまり3個/mm²以下である。上記粗大な晶析出物が存在すると、光輝アルマイト処理後、上述のようにこの粗大な晶析出物の上に形成された陽極酸化皮膜に黒い斑点が生じて、陽極酸化皮膜を有する合金全体でみれば、一様な金属光沢が得られず、光輝性に劣る外観となる。このような粗大な晶析出物が多く存在するほど、黒い斑点が多くなり、光輝性に更に劣る外観となる。そこで、本発明では、陽極酸化処理後の光輝性に優れるAl合金として、粗大な晶析出物が少ない組織を提案する。直径10μm以上の晶析出物は少ないほど、光輝性に優れて好ましく、2.5個/mm²以下、更に2個/mm²以下、特に1.5個/mm²以下、さらには1.0個/mm²以下がより好ましい。粗大な晶析出物が少ないことで、粗大な晶析出物が割れや破断の原因となることも抑制できることから、強度の向上、伸びの向上も期待できる。晶析出物の組成は、Mg-Si系、Al-Mg-Si系、Al-Fe-Si系、Al-Zr系が挙げられる。粗大な晶析出物の最大径も小さいことが好ましい。特に、晶析出物の最大径が30μm以下、更に25μm以下であると、上述の黒い斑点の生成による外観の劣化をより抑制し易い上に、強度の向上、伸びの向上も期待できる。また、晶析出物の合計面積も少ないことが好ましい。特に、断面における晶析出物の合計面積割合が2％以下、更に1％以下、特に0.5％以下であると、上述の黒い斑点の生成による外観の劣化をより抑制し易いと期待される。晶析出物の含有量、最大径、合計面積割合の測定方法は、後述する。

(特性)
本発明のAl合金は、高強度である。また、強度に優れる上に、靭性に優れることもできる。例えば、引張強さが300MPa以上、更に330MPa以上、特に350MPa以上、さらには380MPa以上を満たす形態が挙げられる。又は、破断伸びが15％以上、更に17％以上、特に20％以上を満たす形態が挙げられる。これらの機械的特性は、主として添加元素(Mg,Zr)の含有量によって変化させることができる。

(形態)
本発明のAl合金の代表的な形態は、製造工程で区別すると、鋳造材、伸線材、圧延材、伸線及び圧延以外の塑性加工(例えば、押出、鍛造、プレス加工など)が施された塑性加工材(伸線材などを1次加工材として更に塑性加工を施した2次加工材を含む)、鋳造材・伸線材・圧延材・上記塑性加工材に均質化処理、軟化処理などの熱処理を施した熱処理材が挙げられる。一方、形状で区別すると、線材(本発明のアルミニウム合金線)、板材(代表的には、圧延板)、その他の種々の立体形状材などが挙げられる。線材や板材の一部に鍛造などの塑性加工が施された塑性加工部を具える形態などとすることもできる。線材は、断面円形状の丸線、丸棒が代表的であり、その他、断面形状が矩形状、多角形状、楕円状など、種々の形態が挙げられる。上記丸線、丸棒は、直径10mm〜30mm程度であると、自動車や自転車の部品の素材に利用し易い。

[製造方法]
本発明のAl合金は、代表的には、原料の準備→溶解・鋳造→適宜な加工(熱間加工や冷間加工などの塑性加工)や適宜な熱処理(均質化処理や軟化処理)、によって製造することができる。本発明のAl合金線は、原料の準備→溶解・鋳造→熱間加工(熱間鍛造、熱間圧延など)→冷間伸線によって製造することができ、適宜、熱処理(均質化処理や軟化処理)工程を含むことができる。

原料には、純アルミニウムと、Mg、適宜Zrを用いる。原料の純アルミニウムとして、4Nや6Nといった高純度の純アルミニウムを用いると、上述のように不可避不純物の含有量を低減できる。原料を溶解して溶湯を作製し、鋳造前(直前でもよい)の溶湯に上述の脱ガス処理を施して、水素の含有量が特定の範囲になるように調整する。水素の含有量を調整した溶湯を鋳造に供する。

鋳造は、代表的には、所望の形状の固定鋳型を用いる金型鋳造(ビレット鋳造)を利用することができる。ビレット鋳造では、金型の材質や形状、冷却方法を適宜選定することで、冷却速度を容易に調整でき、例えば、急冷凝固などを行える。その他、可動鋳型又は枠状の固定鋳型を用いる連続鋳造を利用すると、溶湯を急冷凝固し易く、急冷凝固によって晶析出物の生成や晶析出物の成長を抑制し易い。急冷凝固によって、微細な結晶組織を有する鋳造材が得られる。この微細組織を有する鋳造材を素材にすると、微細な結晶組織を有するAl合金を製造し易く、微細組織による強度の向上、加工性の向上を図ることができる。また、連続鋳造は、長尺な鋳造材を容易に製造でき、この鋳造材を素材とすることで、長尺な線材や板材を製造できる。連続鋳造圧延機などを利用し、連続鋳造から引き続いて(熱間)圧延を行うと、鋳造材に蓄積される熱を利用して熱間圧延を容易に行えて、エネルギ効率がよい上に、長尺な熱間加工材を効率よく製造できる。連続鋳造には、例えば、ベルトアンドホイール法、双ロール法などを利用することができる。

そして、本発明では、粗大な晶析出物を低減するために、原料の溶湯の温度を比較的高めにして、湯温の変動による晶出物の生成を抑制する。ここで、従来、Al合金の製造にあたり、溶湯の温度は、Alの融点(約660℃)程度又はより高い温度、具体的には、670℃〜720℃ぐらいが利用されている。しかし、この程度の温度では、湯温の変動に伴う晶出(特に、Al-Zr系の晶出)を回避することが難しい。そこで、本発明では、鋳造に供する溶湯の温度を積極的に高くする。具体的には、溶湯の温度を730℃以上とする。溶湯の温度を730℃以上と高めにすることで、湯温の変動に伴う晶出を抑制でき、ひいては粗大な晶析出物の生成を低減できる。溶湯の温度は、730℃以上、更に780℃以上が好ましく、エネルギの観点から850℃以下が好ましい。晶析出物をより効果的に低減するためには、鋳造工程での冷却速度を高くすることが好ましい。具体的な冷却速度は、5℃/sec以上が挙げられる。冷却速度は、鋳型の材質、鋳型の形状、冷却方法などにより調整できる。例えば、熱伝導性に優れる材質からなる鋳型を用いたり、薄い鋳型を用いたり、適宜な強制冷却を行ったりすると、冷却速度を大きくできる。連続鋳造では、更に、鋳造速度によっても冷却速度を調整できる。所望の冷却速度となるように、鋳型の材質や形状、冷却方法、鋳造条件などを選定するとよい。

上記鋳造材に熱間鍛造、熱間圧延などの熱間加工を施したり、連続鋳造圧延を行ったりすることで、鋳造組織を低減、又は消滅でき、鋳造組織の粒界割れといった欠陥を解消することができる。

上記熱間加工材に(冷間)伸線加工を施すことで、本発明のAl合金線(伸線材)が得られる。伸線加工度は、所望の線径に応じて適宜選択することができる。上記熱間加工材に(冷間)圧延を施すことで、Al合金板(圧延材)が得られる。圧下率は、所望の厚さに応じて適宜選択することができる。

上記伸線材や圧延材、上述した鋳造材、熱間加工材はそのまま利用することができるが、更に、熱処理を施すことができる。例えば、有害な偏析を抑えて加工性の向上などを目的として、上記鋳造材などに均質化熱処理を施したり、伸びや加工性の十分な確保などを目的として上記伸線材などに軟化処理を施したりできる。

均質化処理の条件は、加熱温度が400℃以上550℃以下、加熱時間が1時間以上96時間以下、が挙げられる。軟化処理は、連続処理及びバッチ処理のいずれも利用でき、長尺材には、連続処理が実用的である。バッチ処理の条件は、加熱対象の加熱温度が250℃以上、好ましくは300℃以上500℃以下、加熱時間が0.5時間以上6時間以下、が好ましい。連続処理は、所望の特性となるように処理方法に応じた加熱に寄与するパラメータ(炉内温度(炉式)、電流値(通電式)、線速などの搬送速度、線径や厚さなど)を調整するとよい。

[試験例]
種々の組成のAl合金を作製し、得られたAl合金の組織、機械的特性、光輝アルマイト後の外観を調べた。

ここでは、Al合金線と、Al合金板とを作製した。Al合金線は、原料の準備→溶解→脱ガス処理→鋳造→均質化処理→熱間鍛造→冷間伸線→軟化処理という手順で作製した。Al合金板は、原料の準備→溶解→脱ガス処理→鋳造→均質化処理→熱間圧延→冷間圧延→軟化処理という手順で作製した。

いずれの試料も、ベース原料として、市販の純アルミニウム(99質量％以上Al)を用意して溶解し、得られた溶湯(溶融アルミニウム)に、Mg,Zrを表1に示す含有量となるように投入して、Al合金の溶湯を作製する。表1において「-」は元素を添加していないことを示す。成分調整を行ったAl合金溶湯にフラックスを添加して脱ガス処理を行い、水素の含有量を調整した。

いずれの試料も、バッチ処理による金型鋳造(ビレット鋳造)によって鋳造材を作製した。試料No.1〜No.3では、上記脱ガス処理を行ったAl合金溶湯の温度を800℃(≧730℃)に調整して直径φ30mmの鋳塊を作製する。試料No.1〜No.3では、Al合金溶湯の温度から室温(ここでは20℃程度)までの冷却速度が5℃/secである。一方、試料No.100では、上記脱ガス処理を行ったAl合金溶湯の温度を720℃(＜730℃)に調整して直径φ30mmの鋳塊を作製する。試料No.100では、Al合金溶湯の温度から室温までの冷却速度が1℃/sec(＜5℃/sec)である。ここでは、厚さの異なる鋳型を用いることで、試料No.1〜No.3の冷却速度と、試料No.100の冷却速度とを異ならせた。

作製した各鋳塊を用いて、Al合金板を作製して、組織観察と外観とを調べた。ここでは、各鋳塊を切削して、幅16mm、厚さ8mmの板を切り出し、切削した鋳塊(板)に440℃×16時間の均質化処理を施した後、熱間圧延を施して、厚さ4mmの熱間圧延材を作製する。試料No.1〜No.3はいずれも、熱間圧延時、表面に実質的に割れが生じず、圧延を良好に行えた。得られた熱間圧延材に冷間圧延を施し、試料ごとに厚さ2mmの板材(圧延板)を作製する。得られた厚さ2mmの板材に軟化処理(バッチ処理、400℃×1時間)を施して軟材を作製する。

得られた軟材(アルミニウム合金板)について、以下のように組織観察を行った。作製したアルミニウム合金板を厚さ方向に平行に切断した断面(横断面でも縦断面でもよい)をとり、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、観察像中の視野内に存在する晶析出物を抽出して各晶析出物の面積を求め、各晶析出物の面積相当円(等価面積円)の直径をその晶析出物の直径とする。ここでは、切断数を3、一つの断面についての視野数を5とし、合計15個の視野について、直径が10μm以上の晶析出物の合計数を、合計15個の視野の合計面積で除した値(個/mm²)を求めた。この値を10μm以上の晶析出物の含有量とし、この含有量(個/mm²)を表2に示す。また、晶析出物の合計面積割合を求めた。ここでは、上述の合計15個の視野中に存在する晶析出物を全て抽出して合計面積を求め、晶析出物の合計面積を合計15個の視野の合計面積で除した値(×100)を求めた。この値を合計面積割合とし、合計面積割合(％)を表2に示す。

なお、上述の断面観察は、光学顕微鏡を用いてもよい。また、上記直径の算出は、市販の画像処理装置や画像処理ソフトを利用してもよく、この場合、容易に算出できる。更に、断面は、厚さ方向に直交するように切断したもの、つまり、板の表裏面に平行に切断したものでもよい。断面観察から、いずれの試料の母材も、再結晶組織によって構成されていることを確認した。また、この組織の平均結晶粒径を測定した。平均結晶粒径は、以下のように求めた。上述の断面のSEM観察像を用い、断面における各結晶粒の面積を求め、各結晶粒の面積相当円(等価面積円)の直径をその結晶粒の直径とする。そして、上述の合計15個の各視野からそれぞれ10個以上の結晶粒を選択し、合計150個以上の結晶粒の直径の平均を平均結晶粒径とした。平均結晶粒径(μm)を表2に示す。

得られた軟材(アルミニウム合金板)について、光輝仕上げ処理を施した後、陽極酸化処理を施し、つまり、光輝アルマイト処理を施し、この処理後の外観の良否を調べた。その結果を表2に示す。ここでは、外観の良否は、光学顕微鏡を用いた顕微鏡観察によって行った。1.0mm×1.0mmの領域において、黒い斑点の合計面積を求め、合計面積が1000μm²以下の場合を○、1000μm²超の場合を×と評価した。黒い斑点の合計面積は、顕微鏡観察像に二値化処理などを施して黒い斑点を抽出し、抽出した各黒い斑点の面積を合計することで、容易に求められる。更に、光輝アルマイト処理後に得られた処理材の光沢度を測定した。その結果も表2に示す。光沢度の測定は、JIS Z 8741(鏡面光沢度-測定方法、1997、「鏡面光沢度測定方法」方法3)に準拠して行う。ここでは、汎用の光沢度計を使用し、入射角及び受光角を60度、銀鏡での光沢度を100％としたときの各試料の光沢度(％)を測定した。試料No.100は、目視でも確認できる黒い斑点が生じていたため、光沢度を測定していない。

作製した各鋳塊を用いて、Al合金線を作製して、機械的特性を調べた。ここでは、各鋳塊の表面を切削して直径φ22mmとし、この切削した鋳塊(丸棒)に440℃×16時間の均質化処理を施した後、熱間鍛造を施して、直径φ13mmの鍛造材を作製する。試料No.1〜No.3はいずれも、熱間鍛造時、表面に実質的に割れが生じず、鍛造を良好に行えた。得られた鍛造材に冷間伸線加工を施し、試料ごとに線径φ6.5mmの線材を作製する。得られた線径φ6.5mmの線材に軟化処理(バッチ処理、400℃×1時間)を施して軟材を作製する。得られた軟材(アルミニウム合金線)について引張強さ(MPa)及び破断伸び(％)を測定した。その結果を表2に示す。引張強さ及び破断伸び(伸び)は、JIS Z 2241(金属材料引張試験方法、1998)に準拠して、汎用の引張試験機を用いて室温(20℃〜25℃程度)で測定した。

表1,表2に示すように、Mg及び水素の含有量が特定の範囲であり、かつ、直径10μm以上の晶析出物の数が3個/mm²以下である試料No.1〜No.3は、一般的な5000系アルミニウム合金と比較してMgを多く含有していながら、光輝アルマイト処理後に高い光沢度を有することが分かる。かつ、試料No.1〜No.3は、陽極酸化皮膜に黒い斑点が実質的に存在せず、又は非常に少なく(合計面積割合が小さく)、光輝アルマイト処理後の外観に優れることが分かる。つまり、試料No.1〜No.3は、光輝アルマイト処理後において、全体に亘って、優れた光輝性を有する、といえる。一方、黒い斑点の合計面積割合が大きい試料No.100について、陽極酸化皮膜を具えた状態で厚さ方向に平行に切断した断面を観察すると、陽極酸化皮膜における黒い斑点が存在する部分の下には、直径10μm以上の粗大な晶析出物(ここでは最大径が34μm)が確認された。また、黒い斑点の合計面積割合が大きい試料No.100は、晶析出物が多く存在する(ここでは合計面積割合が2％超)。他方、粗大な晶析出物が非常に少なく、陽極酸化処理後の外観にも優れる試料No.1〜No.3はいずれも、晶析出物の最大径も小さく(ここでは22μm以下)、晶析出物自体も非常に少ない(ここでは合計面積割合が0.15％以下)。これらのことから、試料No.1〜No.3は、上述の粗大な晶析出物が少なかったこと、又は実質的に存在しなかったことで、全体として優れた光輝性を有することができたと考えられる。また、試料No.1〜No.3は、晶析出物自体も非常に少ないことで、陽極酸化処理時に、処理後の外観を損ねるような黒い斑点が生じ難くなったと考えられる。

更に、Mgを特定の範囲で含有する試料No.1〜No.3は、高強度であることが分かる。ここでは、試料No.1〜No.3のいずれも、引張強さが300MPa以上であり、一般的な5000系アルミニウム合金よりも高強度であり、一般的な6000系アルミニウム合金並みの強度を有する。特に、Zrを含有することで、強度を更に向上できることが分かる。加えて、ここでは、試料No.1〜No.3のいずれも、破断伸び(伸び)も高く、高強度・高靭性であることも分かる。更に、試料No.1〜No.3のいずれも、微細組織(ここでは平均結晶粒径が25μm以下)であり、このような微細組織から構成されていることも、高強度・高靭性に寄与していると考えられる。

そして、このような光輝性に優れる上に、高強度なアルミニウム合金は、原料組成を調整すると共に、製造条件を制御して(ここでは溶湯の温度を高めにしたり、冷却速度を大きくしたりして)、晶析出物の生成及び成長を抑制することで製造できることが分かる。

その他、試料No.1〜No.3は、水素の含有量を低減したことでブローホールを抑制できたことからも、良好な外観を有することができたと考えられる。また、試料No.1〜No.3は、Mgを特定の範囲で含有することで加工性にも優れ、一般的な5000系アルミニウム合金と同等以上の加工性を有するといえる。更に、脱ガス処理を行って水素の含有量を低減することで、製造途中での割れを抑制し、加工性を向上できたと考えられる。これらの点から、試料No.1〜No.3は、生産性にも優れると期待される。

なお、得られた軟材の組成をICP発光分光分析法(Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometry、ICP-AES)により調べたところ、MgやZrの含有量は表1に示す値と実質的に等しいことを確認した。また、軟材は、不可避不純物としてFe,Siを含有していた。Fe,Siの含有量を表1に示す。表1に示すように、試料No.1〜No.3はいずれも、Feの含有量が0.3質量％以下、Siの含有量が0.1質量％であることからも、粗大な晶析出物が存在し難かった、と考えられる。一方、試料No.100は、Fe及びSiの含有量が少なかったものの、製造条件が適切ではないことで(ここでは溶湯の温度が低く、冷却速度が小さいことで)、晶析出物が生成され易くなった上に、粗大な晶析出物が生成された、と考えられる。

更に、得られた鋳造材の水素の含有量を、不活性ガス融解法を利用して調べたところ、表1に示す含有量であった。水素の含有量の測定には、市販の装置を利用でき、水素の質量を測定して、常温・1気圧(約0.1MPa)下で体積変換するとよい。得られた軟材の水素の含有量は、上記鋳造材の水素の含有量を実質的に維持する。

また、ここでは、板材に対して、組織及び光輝アルマイト後の外観を確認し、線材に対して、機械的特性を確認したが、線材においても、板材と同様の組織、光輝アルマイト後の外観を有すること、板材においても、線材と同様に一般的な5000系合金の板材よりも強度に優れることを確認している。

上述のように特定の組成及び組織からなるAl-Mg系合金は、溶体化処理及び時効処理を行わなくても高強度でありながら、陽極酸化処理後の外観に優れることが分かる。そのため、このAl-Mg系合金は、良好な外観を有して商品価値の高いアルミニウム合金部材を構成する素材に好適に利用できると期待される。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能である。例えば、Mg,Zr,水素の含有量を特定の範囲で変化させたり、溶湯の温度を変化させたりすることができる。また、ビレット鋳造に代えて、連続鋳造圧延を行うことができる。その他、アルミニウム合金線の大きさ(線径)や断面形状、アルミニウム合金板の厚さなどを適宜変更することができる。

本発明のアルミニウム合金、及び本発明のアルミニウム合金線は、自動車や自転車といった輸送機器の部品の素材、その他、高強度で軽量であることが望まれる種々の分野の部品の素材に好適に利用することができる。

Claims (6)

1. Mgを4.5質量％以上12.0質量％以下含有し、残部がAl及び不可避不純物からなり、
   水素の含有量が10ml/100g以下であり、
   断面における直径10μm以上の晶析出物が3個/mm²以下であるアルミニウム合金。
2. 前記不可避不純物のうち、Siの含有量が0.1質量％以下であり、かつFeの含有量が0.3質量％以下である請求項1に記載のアルミニウム合金。
3. 引張強さが300MPa以上である請求項1又は2に記載のアルミニウム合金。
4. 破断伸びが15％以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
5. 更に、Zrを0.01質量％以上0.3質量％以下含有する請求項1〜4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金。
6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金から構成されたアルミニウム合金線。