JP2016151045A

JP2016151045A - 耐応力腐食割れ性に優れた７０００系アルミニウム合金部材の製造方法

Info

Publication number: JP2016151045A
Application number: JP2015029061A
Authority: JP
Inventors: 隆広志鎌; Takahiro Shikama; 吉原　伸二; Shinji Yoshihara; 伸二吉原
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-08-22
Also published as: US20160237540A1; US20180347022A1; CN105886860A; US10487383B2

Abstract

【課題】７０００系アルミニウム合金押出形材の少なくとも一部の領域に塑性加工を施して部材化した７０００系アルミニウム合金部材の耐応力腐食割れ性を改善する方法の提供。【解決手段】プレス焼き入れ後の７０００系アルミニウム合金押出形材の前記領域に、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する復元処理を行った後、７２時間以内に塑性加工を施し、さらに前記領域に対し、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０〜３００秒保持し、次いで２０００℃／分以下の冷却速度で冷却する後熱処理を加えた後、部材全体に人工時効処理を行う７０００系アルミニウム合金部材の製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、高強度の７０００系アルミニウム合金押出形材の長手方向に沿った少なくとも一部の領域に、潰し加工等の塑性加工を施して部材化する７０００系アルミニウム合金部材の製造方法に関し、特に耐応力腐食割れ性に優れた７０００系アルミニウム合金部材の製造方法に関する。

特許文献１には、プレス焼き入れで製造された７０００系アルミニウム合金押出形材の長手方向に沿った少なくとも一部の領域に、潰し加工を施して部材化する７０００系アルミニウム合金部材の製造方法が記載されている。この製造方法によれば、潰し加工の前に、前記領域に対し所定の復元処理を施し、前記復元処理後７２時間以内に潰し加工を施した後、部材全体に時効処理を施す。前記復元処理は、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、２００〜５５０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する、という条件で行われる。

特許文献１によれば、潰し加工前に７０００系アルミニウム合金押出形材に、上記復元処理を施すことにより、プレス焼き入れ後の自然時効で析出していた金属間化合物が再固溶し、アルミニウム合金押出形材が軟化し、成形性（潰し加工性）が向上する。その結果、上記復元処理後、７０００系アルミニウム合金押出形材に潰し加工を施したとき、曲げ変形したウエブの曲げ外側に亀裂が発生するのを防止できる。同時に、ウエブに発生する引張残留応力を低減することができ、７０００系アルミニウム合金部材の耐応力腐食割れ性を改善することができる。

特開２０１４−１４５１１９号公報

特許文献１の方法によれば、潰し加工前に７０００系アルミニウム合金押出形材に所定の復元処理を施すことにより、潰し加工により発生する引張残留応力を低減し、７０００系アルミニウム合金部材の耐応力腐食割れ性を改善することができる。しかし、潰し加工後の７０００系アルミニウム合金部材には、潰し加工により発生した引張残留応力が、解放されることなく残留している。このため、特許文献１の方法は、耐応力腐食割れ性に関して、改善の余地がある。

従って、本発明は、７０００系アルミニウム合金押出形材に潰し加工等の塑性加工を施して部材化する場合において、７０００系アルミニウム合金部材の耐応力腐食割れ性を、さらに改善することを目的とする。

本発明は、Ｚｎ：３．０〜８．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有する７０００系アルミニウム合金押出形材の少なくとも一部の領域に塑性加工を施して部材化する７０００系アルミウム合金部材の製造方法において、焼き入れ後１２時間以上自然時効した（焼き入れ後１２時間以上経過した）前記アルミニウム合金押出形材の前記領域に、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する復元処理を行った後、７２時間以内に前記塑性加工を施し、さらに前記領域に対し、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超え、３００秒以下保持し、次いで２０００℃／分以下の冷却速度で冷却する熱処理を加えた後、部材全体に人工時効処理を行うことを特徴とする。

上記復元処理に代えて、前記アルミニウム合金押出形材を焼き入れ後、１２時間未満の間に前記領域に塑性加工を施すようにしてもよい。
なお、上記製造方法において、塑性加工には潰し加工のほか、曲げ加工、拡管加工（例えば電磁成形による拡管）、打抜き加工等、材料中に引張残留応力が発生する塑性加工が広く含まれる。

本発明によれば、７０００系アルミニウム合金押出形材に対し塑性加工を施して部材化する場合に、塑性加工により発生した引張残留応力を低減して、耐応力腐食割れ性がさらに改善された７０００系アルミニウム合金部材を提供することができる。

実施例で作製した７０００系アルミニウム合金押出形材の断面模式図である。実施例における塑性加工（潰し加工）の試験方法を説明する側面図である。

以下、本発明に係る７０００系アルミニウム合金部材及びその製造方法について、具体的に説明する。
（アルミニウム合金の組成）
まず、本発明に係る７０００系アルミニウム合金の組成について説明する。ただし、この組成は特許文献１に記載された７０００系アルミニウム合金と同じである。
Ｚｎ：３．０〜８．０質量％
Ｍｇ：０．４〜２．５質量％
ＺｎとＭｇは金属間化合物であるＭｇＺｎ_２を形成して、７０００系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Ｚｎ含有量が３．０質量％未満又はＭｇ含有量が０．４質量％未満では、実用材として必要な２００ＭＰａ以上の耐力が得られない。一方、Ｚｎ含有量が８．０質量％を越え又はＭｇ含有量が２．５質量％を越えると、塑性加工を施したとき亀裂の発生が防止できず、同時に、塑性加工により発生する引張残留応力が大きくなり、その後の熱処理によっても耐応力腐食割れ性が改善できない。高強度化及び軽量化の観点からは、Ｚｎ含有量、Ｍｇ含有量はより高合金側、例えばそれぞれ５．０〜８．０質量％、１．０〜２．５質量％、合計で６．０〜１０．５質量％が好ましい。

Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％
Ｃｕは７０００系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Ｃｕ含有量が０．０５質量％未満では十分な強度向上効果がなく、一方、２．０質量％を越えると押出加工性の低下を招く。Ｃｕ含有量は、好ましくは０．５〜１．５質量％である。
Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％
Ｔｉは７０００系アルミニウム合金の鋳造時に結晶粒を微細化して、押出形材の成形性を向上させる作用があり、０．００５質量％以上添加する。一方、０．２質量％を越えるとその作用が飽和し、かつ粗大な金属間化合物が晶出して、かえって成形性を低下させる。

Ｍｎ：０．０１〜０．３質量％
Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％
Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％
Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒは７０００系アルミニウム合金押出形材の再結晶を抑制して、結晶組織を微細再結晶又は繊維状組織とし、耐応力腐食割れ性を向上させる作用があるため、その１種又は２種以上を上記範囲内で添加する。
不可避不純物
７０００系アルミニウム合金の主要な不可避不純物として、Ｆｅ及びＳｉが挙げられる。７０００系アルミニウム合金の諸特性を低下させないため、Ｆｅ：０．３５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以下に制限される。

（アルミニウム合金部材の製造方法）
上記組成を有する７０００系アルミニウム合金押出形材をプレス焼き入れし、又は空気炉等で再加熱後焼き入れし、自然時効させた後（通常、数日〜数ヶ月の保管期間があり、その間に自然時効が進む）、同形材の長手方向に沿った全部又は一部の領域に対し、復元処理を行う。前記復元処理は、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却するという条件で行う。焼き入れ（プレス焼き入れ、再加熱後の焼き入れ）の冷却速度は、０．５℃／秒以上の冷却速度（ファン空冷）で行うことが望ましい。
復元処理後７２時間以内に、前記領域に塑性加工を施して前記押出形材を部材化し、さらに、前記領域に所定の熱処理（以下、後熱処理という）を施した後、部材全体に時効処理を施す。前記後熱処理は、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０を超え、３００秒以下保持し、次いで２０００℃／分以下の冷却速度で冷却するという条件で行う。

焼き入れ後の押出形材は、自然時効により金属間化合物が析出し、硬化しているが、特許文献１にも記載されているとおり、塑性加工の前に前記復元処理を受けることで金属間化合物が再固溶し、押出形材は軟化し、成形性が向上する。これにより、復元処理を受けた領域に塑性加工を施したとき、前記領域に亀裂が発生するのを防止し、同時に、前記領域に発生する引張残留応力を低減することができる。復元処理の加熱手段として、例えば高周波誘導加熱装置又は硝石炉を利用することができる。
なお、７０００系アルミニウム合金押出形材は、自然時効の進行が早く、焼き入れ後１２時間程度経過すると硬化し、成形性が低下する。前記復元処理は、焼き入れ後１２時間以上自然時効した（焼き入れ後１２時間以上経過した）アルミニウム合金押出形材に対し行われる。

復元処理において、昇温速度が０．４℃／秒未満では、昇温過程において金属間加工物の析出が促進され、復元処理の効果が得られない。
保持温度（実体温度）が３００℃未満では、自然時効で析出した金属間化合物が再固溶せず、むしろ析出が促進されて、復元処理の効果が得られない。一方、保持温度が５９０℃を越えるとバーニングのおそれがある。
復元処理の保持時間は０秒を超えることとする。すなわち、押出形材が保持温度に到達後、同温度に所定時間保持してから冷却してもよく、直ちに冷却してもよい。保持時間の上限は特に限定的ではないが、例えば６０秒以内の短時間で済ます方が、生産効率の点で好ましく、１０秒以内、５秒以内のより短時間が好ましい。また、押出形材の一部の領域に対し復元処理を行う場合、前記領域に隣接する領域に中途半端に熱が伝達して、前記隣接する領域が軟化するのを防止する意味でも、保持時間は短時間で済ますことが好ましい。

復元処理において、保持温度からの冷却速度が０．５℃／秒未満の緩冷却では、冷却過程で再び金属間化合物の析出が生じ、この復元処理の効果が弱まり又は失われる。この冷却速度は、ファン空冷以上の冷却速度（例えば１５０℃／分以上）が好ましく、より好ましくは、水冷である。なお、従来の復元処理では、冷却過程の冷却速度について特に考慮されていなかった。
復元処理後、７２時間以内に塑性加工を行うのは、自然時効により金属間化合物が析出し、押出形材が再硬化する前に塑性加工を行う必要があるからである。

塑性加工後の後熱処理は、塑性加工により発生した引張残留応力を解放し、７０００系アルミニウム合金部材の耐応力腐食割れ性を改善するために行われる。この後熱処理の加熱手段として、例えば高周波誘導加熱装置又は硝石炉を利用することができる。
後熱処理の昇温速度が０．４℃／秒未満では、生産効率が低下する。部材の一部の領域に対しこの後熱処理を行う場合、前記領域に隣接する領域に中途半端に熱が伝達して、前記隣接する領域が軟化するのを防止する意味でも、昇温速度は大きい方が好ましい。
後熱処理の保持温度（実体温度）が３００℃未満では、部材の引張残留応力が十分解放されず、耐応力腐食割れ性を改善できない。一方、保持温度が５９０℃を越えるとバーニングのおそれがある。

後熱処理の保持時間は０秒を超えるものとする。すなわち、部材が保持温度に到達後、同温度に所定時間保持してから冷却してもよく、直ちに冷却してもよい。保持時間の上限は、生産効率の観点から３００秒以内の短時間とし、さらに１０秒以内、５秒以内のより短時間が好ましい。部材の一部の領域に対し後熱処理を行う場合、前記領域に隣接する領域に中途半端に熱が伝達して、前記隣接する領域が軟化するのを防止する意味でも、保持時間は短時間で済ますことが好ましい。
後熱処理において、保持温度からの冷却速度が２０００℃／分を超える急冷では、金属間化合物の固溶量が増加する（冷却中の析出が少ない）。このため、続く人工時効処理で金属間化合物が結晶粒界に微細かつ連続的に析出し、これが腐食環境下で溶解し、部材の耐応力腐食割れ性を低下させる原因となる。保持温度からの冷却は放冷程度の緩冷却（１０℃／分）でもよいが、時効処理後に高強度を得るには、ファン空冷以上の冷却速度（例えば１５０℃／分以上）であることが好ましい。

人工時効処理の条件は、特に限定的ではなく、通常の７０００系アルミニウム合金で行われている一般的な時効処理条件で行うことができる。又は、一般的な時効処理より高温・長時間の条件で時効処理（過時効処理）を行うことができる。塑性加工後の熱処理による耐応力腐食割れ性の改善効果は、その後の人工時効処理が一般的な時効処理でも過時効処理でも得られる。

以上、本発明に係るアルミニウム合金部材の製造方法を説明したが、自然時効したアルミニウム合金押出形材に復元処理を行う代わりに、焼き入れ（プレス焼き入れ、再加熱後の焼き入れ）後のアルミニウム合金押出形材に対し、焼き入れ後１２時間未満の間に、塑性加工を施すようにしてもよい。焼き入れ後１２時間未満の間に塑性加工を行うのであれば、７０００系アルミニウム合金押出形材の自然時効が進んでおらず、復元処理後と同様に、割れの発生が防止されると共に、塑性加工により発生する引張残留応力が低減し、耐応力腐食割れ性が改善される。

表１に示すＮｏ．１〜２２の組成を有する７０００系アルミニウム合金ビレットに、４７０℃×６ｈｒの均質化処理を行い、押出温度（ビレット温度）４７０℃、押出速度５ｍ／分の条件で押出成形した。押出後はファン空冷（冷却速度は約２００℃／分）でプレス焼き入れした。図１に示すように、押出形材の断面形状は高さ４５ｍｍ×幅４５ｍｍの矩形で、肉厚は全て２ｍｍである。

この押出形材を長さ１０００ｍｍに切断して試験材とした。Ｎｏ．１〜１４，１７〜２２の試験材については、プレス焼き入れから９６時間後に、試験材の長手方向に沿った一部の領域（一方の端から長手方向に２００ｍｍまでの範囲）に、表２に示す条件で復元処理を行った後、プレス機を用いて同領域に冷間で潰し加工を行った。図２は潰し加工前後の様子を示すもので、１は試験材（押出形材）、２はプレス機の定盤、３は潰し加工用治具である。Ｎｏ．１５、１６については、復元処理を行うことなく、プレス焼き入れから１０時間後に、同じく冷間で潰し加工を行った。潰し加工による潰し量ｈを表２に示す。
続いて、前記領域（潰し加工を行った領域）に、表２に示す条件で後熱処理を行った（Ｎｏ．１７のみ行わず）。その後、表２に示す条件で人工時効処理を行った。

人工時効処理後の試験材を用いて、クロム酸法によるＳＣＣ（応力腐食割れ）試験を以下の要領で実施した。また、別途、下記要領で引張試験を実施した。その結果を表２に示す。
（ＳＣＣ試験）
３．６質量％ＣｒＯ_３−３．０質量％Ｋ_２Ｃｒ_２Ｏ_７−０．３質量％ＮａＣｌを含む試験液（水溶液）を９５〜１００℃に加熱し、試験材を１６ｈｒ浸漬し、その後、潰し加工を行った領域においてＳＣＣ発生有無を確認した。このＳＣＣ試験は、特許文献１の実施例で行われたＳＣＣ試験より、温度及び時間について厳しい条件で行っている。
（引張試験）
プレス焼き入れ後の各押出形材を所定長さに切断して試験材とし、各試験材に対し、プレス焼き入れから９６時間後に、表２に示す条件で復元処理を行い（Ｎｏ．１５、１６のみ行わず）、続いて表２に示す条件で後熱処理を行った（Ｎｏ．１７のみ行わず）。その後、各試験材に対し、表２に示す条件で人工時効処理を行った。人工時効処理後の試験材から、長手方向が押出方向となるようにＪＩＳ５号試験片を採取し、ＪＩＳ−Ｚ２２４１の引張試験法に従って、引張強さを測定した。

本発明の実施例であるＮｏ．１〜１６は、塑性加工後に本発明に規定する条件で後熱処理を行ったものであり、表２に示すように、ＳＣＣが発生せず、高い強度（２００ＭＰａ以上）が得られている。
一方、本発明の比較例であるＮｏ．１７は、潰し加工後に後熱処理が行われなかった例で、ＳＣＣが発生していた。これは、潰し加工で発生した残留応力が、後熱処理で解放されなかったためと考えられる。なお、Ｎｏ．１７の製造プロセスは、特許文献１に記載された方法に倣ったものである。
Ｎｏ．１８，１９は、後熱処理の保持温度が本発明の規定を外れた例であり、いずれもＳＣＣが発生していた。いずれも後熱処理の保持温度が低く、潰し加工で発生した残留応力を解放する効果が小さかったため、ＳＣＣが発生したと考えられる。

Ｎｏ．２０は、後熱処理の冷却速度が本発明の規定を外れた例であり、ＳＣＣが発生していた。この例では、後熱処理により残留応力は一応低下していると考えられるが、冷却速度が大きいことにより、ＭｇＺｎ_２の固溶量が増加し、人工時効処理後の粒界の析出状態が微細かつ連続的になってＳＣＣ感受性が高まり、ＳＣＣが発生したものと考えられる。
Ｎｏ．２１は、後熱処理の保持時間が本発明の規定を外れた例であり、Ｎｏ．２２は後熱処理の昇温速度が本発明の規定を外れた例である。Ｎｏ．２１は、後熱処理の昇温速度が小さく、保持温度に到達するまでの時間が長時間となり、Ｎｏ．２２は、保持温度での保持時間が長く、いずれも後熱処理を行った領域の近傍領域に熱が伝わって、前記近傍領域が焼鈍状態となり、強度が低下（２００ＭＰａ未満）していた。

１試験材（押出形材）
２定盤
３潰し加工用治具

Claims

Ｚｎ：３．０〜８．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有する７０００系アルミニウム合金押出形材の少なくとも一部の領域に塑性加工を施して部材化する７０００系アルミウム合金部材の製造方法において、焼き入れ後１２時間以上自然時効した前記アルミニウム合金押出形材の前記領域に、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する復元処理を行った後、７２時間以内に前記塑性加工を施し、さらに前記領域に対し、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超え、３００秒以下保持し、次いで２０００℃／分以下の冷却速度で冷却する熱処理を加えた後、部材全体に人工時効処理を行うことを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた７０００系アルミウム合金部材の製造方法。
Ｚｎ：３．０〜８．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらに、Ｍｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成を有する７０００系アルミニウム合金押出形材の少なくとも一部の領域に塑性加工を施して部材化する７０００系アルミウム合金部材の製造方法において、前記アルミニウム合金押出形材を焼き入れ後、１２時間未満の間に前記領域に塑性加工を施し、さらに前記領域に対し、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、３００〜５９０℃の温度範囲に０秒を超え、３００秒以下保持し、次いで２０００℃／分以下の冷却速度で冷却する熱処理を加えた後、部材全体に人工時効処理を行うことを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた７０００系アルミウム合金部材の製造方法。