JP2017512260A - 高強度アルミニウム合金 - Google Patents
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Abstract
Description
この国際PCT出願は、2014年3月11日に出願された「高強度6XXX合金(HS6X)」という題名の米国仮特許出願第61/951,309号明細書の優先権の利益を主張すると共に、2014年3月17日に出願された「高強度6XXX合金(HS6X)」という題名の米国仮特許出願第61/954,358号明細書の優先権の利益を主張し、それらの各々は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、新規の高強度アルミニウム合金(より詳細には6XXX系アルミニウム合金)及びその製造方法に一般的に向けられる。
自動車産業は、アルミニウムのより軽い重量のため、鋼部品を有するものよりもアルミニウムで押出加工された車両用部品に向かって進んでいる。より軽い重量は、CAFE(メーカー平均燃費)規則によって要求される燃費経済を良好にする。鋼からアルミニウムへの移動は、高強度合金への需要を著しく増大させた。典型的に、7XXXアルミニウム合金は、増大した強度のために用いられる。しかしながら、7XXX合金は、鋳造するのに高価であり、押出加工するのに時間がかかり、そして完全な強度に時効するのに追加の時間がかかる(顧客に費用を増大させる要因)。
本発明は、微細粒組織をもつ新規の6XXX系高強度アルミニウム合金の種類、製造方法及び押出品に関する。本発明の独創的なアルミニウム合金は、約0.90〜約1.2重量%のケイ素、約0.5重量%以下の鉄、約0.05〜約0.3重量%の銅、約0.75重量%以下のマンガン、約0.70〜約1.0重量%のマグネシウム、約0.25重量%以下のクロム、約0.05重量%以下の亜鉛、約0.1重量%以下のチタン、及びアルミニウムから本質的になる残部を含む。
本発明の実施形態は、アルミニウム及び追加の元素を含む高強度6XXX系合金に関する。合金は、鋳塊に鋳造した後、特定の温度範囲で加熱又は均質化され、アルミニウムマトリックス全体に合金添加元素を均一に分散させる。次に、本発明のアルミニウム合金のビレットは、初期ビレット温度及び特定の押出速度でプレスによって押出加工され、その後、結果として得られた押出加工されたアルミニウム製品が焼入れされる。押出工程は、微細粒再結晶組織のための適切な条件を与えるようなものである。微細粒再結晶は、本明細書中に記載された本発明の合金の主要な目的である。微細粒結晶は、優れた降伏強さ及び伸張特性をもつ最終アルミニウム製品をもたらす。
本発明のアルミニウム合金は、高強度6XXX合金である。1つの実施形態において、本発明のアルミニウム合金は、少なくとも約1.05重量%のケイ素、少なくとも約0.12重量%の銅、約0.20重量%のマンガン、及び少なくとも0.76重量%のマグネシウムと共に、大部分はアルミニウムを含む。特に言及しない限り、合金成分の量は重量%で述べられる。
アルミニウム合金を丸材又はビレットに鋳造した後、アルミニウムは、プレスによって押出加工され、所望の形状又は外形を得る。ビレットは、押出品のサイズ及び形状に基づき、任意の適切な温度でプレスによって押出加工することができる。初期ビレット温度は、材料が容易に押出加工される能力をもつことを保証するように選択されるべきである。温度は、生産性のため、及び微細粒再結晶組織を保証するために選択される。初期ビレット温度は、均質化温度未満であることができる。1つの実施形態において、初期ビレット温度は、約800°F(約426.7℃)を超え;1つの実施形態において、初期ビレット温度は、約840°F(約448.9℃)〜約880°F(約471.1℃)の間であり;1つの実施形態において、初期ビレット温度は、約850°F(約454.4℃)〜約870°F(約465.6℃)の間であり;初期ビレット温度は、約850°F(約454.4℃)、約855°F(約457.2℃)、約860°F(約460℃)、約865°F(約462.7℃)又は約870°F(約465.6℃)であることができる。
焼入れの後、押出加工されたアルミニウム材料は、炉内に配置され、安定化される。安定化は、あらゆる適切な炉温にて、あらゆる適切な時間で起こることができ;1つの実施形態では、炉温は、約250°F(約121.1℃)であり、アルミニウムは、約2時間、炉内で安定化される。
引張強さは、手動又は自動化プロセスによって測定することができる。自動化試験は、例えば、Zwick自動化引張試験機で行うことができる。
本明細書中に記載される新規の化学的性質の主目的は、微細粒再結晶を達成することである。典型的に、粒組織が微細粒で完全に再結晶化される場合、伸長特性は、粒内のすべり距離(slip distance)のために良好である。より小さな粒におけるすべり距離は、より大きな粒と比較した場合、かなり低減される。三次元空間において粒がランダムに配向するので、すべり面配向もランダムな方向に沿う。
(実施例1)
鋳造
新規の合金設計HS6Xが、テーブル1に示される化学限定(chemistry limits)で与えられる。
押出加工
2つの自動車用バンパー形材が、実施例1のHS6X合金で押出加工された。その形材を図1及び図2に示す。形材は同様に見えるけれども、少しの目立った違いがある。形材569510は、形材569310と比較した場合、より薄い壁を有する。また、形材569510の中央壁及び底壁もまた、領域が一貫しておらず、縮小領域(reduced areas)としても知られる領域を含有する。各形材の7つの装入物を実行し、全ての装入物について、プレスを出た後に水焼入れした。縮小領域は、図2において矢印によって示される。
実施例2の形材569310のみに対して自然時効試験を行った。この時効プロセスの時限は、0、1、2、3、5、10、15、20、25、30、35、40、50及び60日であった。各時限を完了した後、伝導率測定及び引張試験を用いて強度の変化を決定した。形材569310の引張試験位置が図5に表示される(楕円で示される)。569310の形材はほとんど対称であるので、両側が試験に利用することができるように、破線にそって押出品を切断した。
実施例3で自然時効試験に用いなかった実施例2のアルミニウムを、安定化させるために、250°F(121.1℃)で2時間、炉内に配置した。金属を安定化させることは、6XXX合金が多大な自然時効時間を有する場合に6XXX合金で起こる人工時効反応の損失(例えば、強度損失)を防止した。次に、安定化された断片は、強度に対して自然時効時間を変動させる効果と無関係である人工時効試験のために用いることができた。
冶金学的結果−鋳塊
特性評価目的のための均質化後に、実施例1の1つの丸材からサンプル薄片をとった。1つの薄片を頭部(頂部)からとり、他のものを丸材の尻部(底部)からとった。薄片からの2つの微小物(micros)を取り付けた(横方向の端部に沿ったもの、及び鋳造方向に対して縦方向の中央部からのもの)。研磨した状態(as-polished)の断片の像を、図16A、16B、17、18A、18B及び19に示す。
冶金学的結果−押出品
実施例2の様々な装入物からサンプル形材をとった。形材569510は微細粒再結晶を示すが、形材569310は、未再結晶及び粗粒の混合粒組織を示す。
冶金学的結果−接合部完全性
各断片の接合部を調査した。形材569510は、前部のサンプルにおいて横接合の証拠を示した。横接合の像を図30に示す。横接合は、調査された中間部のサンプルでは存在せず、押出長さのための前部トリムが接合に打ち勝つのに十分でないことが決定された。前部トリムは、それを弱めるために、12フィート(3.66m)から14フィート(4.27m)に変更された。
粒組織及びダイ設計
同じ合金を用いて2つの同様の形材を押出加工する場合、違い(もしあれば、使用されるダイの設計における)に言及することが重要である。2つの形材(569310及び569510)は、同様の速度及び温度で押出機によって実行される(上記の実施例2で示されるような)が、非常に異なる粒組織を有していた(上記の実施例6で示されるような)。
機械的特性−押出加工による効果
実施例2の形材のために実行された工程は、ビレット温度及び出口温度と共に押出速度(上記のテーブル3)が許容可能であり、適切な量の強度を合金に与えたことを示した。ビレット温度は、材料が押出加工を容易にする能力を有することを保証するようなものであった。出口温度は、存在したMg2Si沈殿物が溶解するように設定された。速度は、材料を引き裂くことなく材料を取り扱うことができると共に、Mg2Siが溶解した後に沈殿することができないように金属がそれを焼入れしたことを確かめるくらい速かった。
比較
実施例4に記載された338/347°F(170/175℃)での6時間の人工時効実行は、本明細書の実施例に記載の他の条件の全てと比較して最良の選択であると決定された。この時間及び温度での形材569310及び形材569510の平均降伏強さは、330〜335MPaの間であった(320MPaの最低必要量を超える)。形材569310の伸びは平均12%を有し、形材569510の伸びは10%であった。伸びは必要条件ではないが、材料にとって有益である。この時効実行を用いることにより、HS6Xは、自動車開発用の7003アルミニウム合金の適切な代用品として作用する能力を有する。
以下の実施形態は、一例であり且つ予言的であることだけが意図される。特に言及されない限り、値は重量%で表示され、残部アルミニウムを有する。
Claims (26)
- 約0.90〜約1.2重量%のケイ素、
約0.5重量%以下の鉄、
約0.05〜約0.30重量%の銅、
約0.75重量%以下のマンガン、
約0.70〜約1.00重量%のマグネシウム、
約0.25重量%以下のクロム、
約0.05重量%以下の亜鉛、
約0.10重量%以下のチタン、及び
アルミニウムから本質的になる残部
を含むアルミニウム合金。 - 前記各元素が約10%異なってもよい、請求項1に記載の合金。
- 微細粒組織を有する、請求項1に記載の合金。
- 約0.03重量%以下のクロムを含む、請求項1に記載の合金。
- 約0.20重量%以下のマンガンを含む、請求項1に記載の合金。
- 約0.15重量%以下の不純物を含む、請求項1に記載の合金。
- 約1.13重量%のケイ素、
約0.17重量%の鉄、
約0.16重量%の銅、
約0.21重量%のマンガン、
約0.80重量%のマグネシウム、
約0.004重量%のクロム、
約0.006重量%の亜鉛、
約0.014重量%のチタン、及び
アルミニウムから本質的になる残部
を含む、請求項1に記載の合金。 - 微細粒組織を有する、請求項7に記載の合金。
- 約0.15重量%以下の不純物を含む、請求項7に記載の合金。
- 微細粒組織を有する押出品であって、
約0.90〜約1.2重量%のケイ素、
約0.5重量%以下の鉄、
約0.05〜約0.3重量%の銅、
約0.75重量%以下のマンガン、
約0.70〜約1.0重量%のマグネシウム、
約0.25重量%以下のクロム、
約0.05重量%以下の亜鉛、
約0.1重量%以下のチタン、及び
アルミニウムから本質的になる残部
を含む押出品。 - 前記押出品が、少なくとも約290MPaの引張降伏強さ及び少なくとも約310MPaの極限引張強さを有する、請求項10に記載の押出品。
- 前記押出品が、約0.050インチ(約0.127cm)〜約0.500インチ(約1.27cm)の厚さを有する、請求項10に記載の押出品。
- 前記押出品が、6XXXアルミニウム合金である、請求項10に記載の押出品。
- 前記各元素が約10%異なってもよい、請求項10に記載の押出品。
- 約0.03重量%以下のクロムを含む、請求項10に記載の押出品。
- 約0.20重量%以下のマンガンを含む、請求項10に記載の押出品。
- 約0.15重量%以下の不純物を含む、請求項10に記載の押出品。
- 少なくとも約800°F(約426.7℃)の初期ビレット温度にて毎分約40フィート(約12.192m)の押出速度でのプレスにより、初期のアルミニウムビレットを押出加工すること、及び
前記初期ビレット温度よりも高い出口温度で押出アルミニウム材料を得ること
を含む、アルミニウムを形成する方法。 - 前記押出アルミニウム材料を水焼入れすることを更に含む、請求項18に記載の方法。
- 前記押出アルミニウム材料を約340°F(約171.1℃)に約6時間加熱することを更に含む、請求項18に記載の方法。
- 前記押出アルミニウム材料が、少なくとも約320MPaの引張降伏強さを有する、請求項18に記載の方法。
- 前記押出アルミニウム材料が、微細粒組織を有する、請求項18に記載の方法。
- 前記初期のアルミニウムビレットが、
約0.90〜約1.2重量%のケイ素、
約0.5重量%以下の鉄、
約0.05〜約0.3重量%の銅、
約0.75重量%以下のマンガン、
約0.70〜約1.0重量%のマグネシウム、
約0.25重量%以下のクロム、
約0.05重量%以下の亜鉛、
約0.1重量%以下のチタン、及び
アルミニウムから本質的になる残部
を含む合金である、請求項18に記載の方法。 - 前記合金が、約0.03重量%以下のクロムを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記合金が、約0.20重量%以下のマンガンを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記合金が、約0.15重量%以下の不純物を含む、請求項23に記載の方法。
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