JP2019206748A

JP2019206748A - 高強度アルミニウム合金押出材の製造方法

Info

Publication number: JP2019206748A
Application number: JP2018195032A
Authority: JP
Inventors: 吉田　朋夫; Tomoo Yoshida; 朋夫吉田; 果林柴田; Karin Shibata
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 2018-05-23
Filing date: 2018-10-16
Publication date: 2019-12-05

Abstract

【課題】アルミニウム合金の鋳造プロセスから押出加工及びその後の熱処理工程の短縮化を可能にした生産性の高い高強度アルミニウム合金押出材の製造方法の提供を目的とする。【解決手段】質量％で、Ｚｎ：６．０〜８．０％，Ｍｇ：１．０〜３．５％，Ｃｕ：０．２〜１．５％，Ｚｒ：０．１０〜０．２５％，Ｔｉ：０．００５〜０．０５％及びＭｎ：０．５％以下で且つ［Ｍｎ＋Ｚｒ］：０．１０〜０．６０％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウムを用いてビレットを鋳造するステップと、前記ビレットを均質化処理した後に冷却することなく押出加工するステップと、前記押出加工直後に７０〜５００℃／ｍｉｎの平均速度で冷却するステップと、その後に人工時効処理をするステップとを有することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、高強度のアルミニウム合金押出材の製造方法に関し、特にその生産性の向上を図るのに有効な製造方法に係る。

Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）アルミニウム合金は、高強度が得られやすいことから車両の構造材や機械の構造部品に利用されている。
この種の７０００系アルミニウム合金は、押出加工時に押出材の表面が再結晶しやすく、耐応力腐食割れ性が低下しやすい技術的課題があることから、押出加工に用いられるビレットの鋳造条件や押出加工後の冷却条件等、多くの製造条件を管理する必要がある。

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を０．４℃／秒以上の昇温速度で２００〜５５０℃に加熱し、次いで０．５℃／秒以上の冷速度で冷却する復元処理をし、さらに潰し加工を施す製造方法を開示するが製造プロセスが長く、生産性を低下させる要因となる。

特許文献２には、押出加工後に圧延又は引き抜き加工を施す製造方法を開示するが、押出加工後にさらなる加工工程が必要である。

日本国特開２０１４−１４５１１９号公報日本国特許第２９２８４４５号公報

本発明は、アルミニウム合金の鋳造プロセスから押出加工及びその後の熱処理工程の短縮化を可能にした生産性の高い高強度アルミニウム合金押出材の製造方法の提供を目的とする。

本発明に係る高強度アルミニウム合金押出材の製造方法は、質量％で、Ｚｎ：６．０〜８．０％，Ｍｇ：１．０〜３．５％，Ｃｕ：０．２〜１．５％，Ｚｒ：０．１０〜０．２５％，Ｔｉ：０．００５〜０．０５％及びＭｎ：０．５％以下で且つ［Ｍｎ＋Ｚｒ］：０．１０〜０．６０％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いてビレットを鋳造するステップと、前記ビレットを均質化処理した後に冷却することなく押出加工するステップと、前記押出加工直後に７０〜５００℃／ｍｉｎの平均速度で冷却するステップと、その後に人工時効処理をするステップとを有することを特徴とする。

本発明は、高強度でありながら耐応力腐食割れ性に優れるとともに、その押出材の生産性の向上にある。
アルミニウム合金の押出材を得るには、円柱状のビレットを鋳造し、このビレットを押出機のコンテナに装填しステム等にて加圧押出する。
押出機には直接押出機，間接押出機等があるが、いずれの場合も熱間押出しである。
アルミニウム合金の溶湯を鋳型に流し込み、ビレットに鋳造したままでは合金中の成分が凝固する際にミクロ的な偏析物として鋳造組織中に出現する。
この偏析を無くすのに４７０〜５６０℃の温度に１〜１４時間保持する均質化（ＨＯＭＯ）処理が必要であるが、従来は均質化処理後に一旦冷却して常温の状態で保存されていた。
一方、押出機側では熱間押出加工に供するために、室温のビレットを加熱炉にて４００〜５００℃に予め予熱した後に押出機のコンテナに装填していた。
これに対して本発明は、鋳造ビレットを均質化処理した後に冷却することなく、そのまま押出機のコンテナに装填し、押出加工に供した点に特徴の１つがある。

本発明において、前記ビレットを鋳造するステップは、鋳造速度が５０ｍｍ／ｍｉｎ以上であり、鋳造組織の平均結晶粒径が３００μｍ以下になっているのが好ましい。
鋳造組織の平均結晶粒径が小さいと、押出加工時の押出材表面の再結晶を抑える効果がある。

また、押出加工時の再結晶を抑え、耐応力腐食割れ性の改善と高強度の両立を図るには、アルミニウム合金の成分を次のように選定した。

押出性の低下が少なく、高強度を得るのにＺｎ：６．０〜８．０％の範囲にし、Ｍｇ：１．０〜３．５％及びＣｕ：０．２〜１．５％添加した。
Ｍｇ成分は、強度の向上に寄与するが３．５％を超えて添加すると押出性が低下する。
Ｃｕ成分は、固溶効果による強度向上に寄与するが、１．５％を超えて添加すると耐食性が低下する。

Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒはいずれも押出成形時に押出材の表面部に発生する再結晶を抑える作用を有することは知られているが、その内でもＣｒ成分が最も焼入れ感受性が強く、空冷によるプレス端焼入れでは焼入れが不充分で水冷が必要となる。
本発明においては、Ｃｒよりも焼入れ感受性が強くなく再結晶抑制効果が高いＺｒ成分を０．１０〜０．２５％の範囲にて添加した。
なお、Ｚｒは０．２５％を超えて溶湯中に溶解するのが難しくなる。
本発明においては、焼入れ感受性がＣｒとＺｒとの中間に位置するＭｎを０．５％以下の範囲で添加してもよく、その場合には［Ｍｎ＋Ｚｒ］の合計が０．１０〜０．６０％の範囲に収まるようにする。
本発明においてＣｒは、不可避的不純物として取り扱う。

Ｔｉ成分は、押出成形用のビレットを鋳造する際の結晶粒の微細化に有効であり、Ｔｉ：０．００５〜０．０５％の範囲にて添加するのがよい。

本発明において、上記以外の他の成分は不可避的不純物であり、その中でもＦｅ及びＳｉ成分はアルミニウム合金の製造工程にて混入しやすい成分である。
Ｆｅ成分は０．２％以下、Ｓｉ成分は０．１％以下に抑えるのが好ましい。

本発明においては、上記の化学組成のアルミニウム合金を用いてビレットに鋳造し、４７０〜５６０℃の均質化処理後にそのまま押出機のコンテナに装填し、押出形材の温度が５００〜５８５℃の範囲にあるように押出加工する。
ここで、押出直後の形材温度が充分に高温でないと、その直後の空冷により充分な焼入れ（プレス端焼入れ）が行えない。
そこで、押出直後の形材の温度が５００℃以上になるように押出加工する。
また、５８５℃を超えると外観にムシレ等の欠陥が発生しやすい。
本発明においては、押出加工直後に平均速度７０〜５００℃／ｍｉｎの空冷により、充分な焼入れを行うことができる。
空冷手段として、例えば強力なファン空冷を採用することができる。
平均冷却速度は、押出材が２００℃以下になるまでの平均冷却速度をいい、平均冷却速度が７０℃／ｍｉｎ以上であれば、その後の人工時効処理時間の短縮化が可能になり、その分生産性が向上する。
これにより人工時効処理時間を従来の一般的に高強度を得るために必要な熱処理時間より短くすることができ、好ましくは、前記人工時効処理は２段階熱処理であり、１段目の熱処理条件が８０〜１３０℃，７時間以内であり、２段目の熱処理条件が１３０〜１６０℃，１３時間以内であってよい。
このようにすると、人工時効の全熱処理時間が２０時間以内におさまる。
上記のように押出材を製造すると、前記押出材の表面部の再結晶深さが１５０μｍ以下であり、引張り強さ４００ＭＰａ以上，０．２％耐力３８０ＭＰａ以上の高強度の押出材が得られる。
また、耐応力腐食割れ性にも優れている。

アルミニウム合金中の、Ｚｎ，Ｍｇ及びＣｕの適正な成分調整とＺｒ，Ｍｎの添加量を調整し、さらに鋳造組織の平均結晶粒径を３００μｍ以下に制御することで、空冷によるプレス端焼入れにて耐力３８０ＭＰａ以上の高強度が得られ、表面部の再結晶深さを抑えることで優れた耐応力腐食割れ性を有するようになる。
また、ビレット均質化処理のステップを押出加工時の予熱ステップに利用し、プレス端焼入れ後の熱処理時間も従来の高強度アルミニウム合金よりも短くすることができ、生産性が向上する。

評価に用いた合金組成を示す。評価した製造条件を示す。評価結果を示す。

図１の表に示したアルミニウム合金組成の溶湯を用いてビレットを鋳造し、図２に示したような製造条件にて比較評価した結果を図３に示す。

図１の表、実施例１〜８及び実施例ａ〜ｆ，比較例９〜２１として示した組成の溶湯を調整し、図１の表中に示した鋳造速度にて円柱ビレットを鋳造した。
鋳造されたビレットの平均結晶粒径の測定結果を図１の表にビレット組織結晶粒径（μｍ）として示した。
評価方法はサンプル表面を鏡面研磨仕上げし、ケラー試薬（０．５％ＨＦ）によりエッチングし、光学顕微鏡１００倍画像により平均結晶粒径を求めた。

次に図２の条件にてビレットの均質化処理を行い押出加工した。
実施例１〜８及び実施例ａ〜ｆは、ビレットを均質化処理後に冷却することなく、そのまま押出加工に供した。
それを図１の表では、ビレット温度、加熱実施なしと表現した。
加熱実施ありのものは、均質化処理後に常温まで冷却されたビレットを押出機に装填する前に予熱したことを示す。
押出直後に図２の表中、押出後冷却速度に示した平均冷却速度でファン空冷をした（プレス端焼入れ）。
平均冷却速度は７０〜５００℃／ｍｉｎの範囲に設定したが、その後の人工時効による熱処理条件を短縮化するには、冷却速度は速い方が好ましく、２００℃／ｍｉｎ以上が好ましい。
上記の条件にて冷却された押出材は、図２の表に示す熱処理条件に従い、２段人工時効処理を行った。

その評価結果を図３の表に示す。
機械的性質はＪＩＳＺ２２４１に基づいてＪＩＳ−５号引張試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠した引張試験を実施した。
耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）は、試験片に耐力の８０％相当の応力を負荷した状態で、次の条件を１サイクルとし７２０サイクルにて割れが発生しなかったものを目標達成とした。
図３の表には、割れ発生までのサイクル数を表記してある。
＜１サイクル＞
３．５％ＮａＣｌ水溶液中に２５℃，１０ｍｉｎ浸漬し、その後に２５℃，湿度４０％中に５０ｍｉｎ放置し、その後に自然乾燥する。
押出材の表面部の再結晶深さは、押出断面を鏡面研磨仕上げをし、３％ＮａＯＨ水溶液にてエッチング処理した。
光学顕微鏡１００倍画像より平均再結晶深さを測定した。

実施例１〜８及び実施例ａ〜ｆは、所定の化学成分組成の溶湯を用いて、所定の鋳造速度でビレットを鋳造し、均質化処理後に冷却することなく、押出機で押出加工直後にプレス端焼入れ及び２段人工時効処理したので、高強度で耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）に優れた押出材が得られた。
これに対して比較例９〜１８は、鋳造ビレットの均質化処理後に一旦室温まで冷却し、その後にビレットを予熱し、押出加工したものであり、その分だけ生産性に劣る。
また、比較例１９〜２０は均質化処理後に冷却することなく押出加工したが、合金成分が本発明から外れていて、耐応力腐食割れ性が目標未達であった。
具体的には比較例１９〜２０においてはＣｕ成分が１．５％より多く、比較例２０はさらにＣｒが添加されたものである。
比較例１７，１８はＺｒの添加量が０．１０％より少ないため、耐応力腐食割れ性が目標未達となった。
比較例９〜１６はビレットの均質化処理後に一旦、常温まで冷却したものであるが、押出機に装填する前に充分に予熱したことで、押出材の高強度及び耐応力腐食割れ性等の品質を確保しているものの、予熱が必要な分だけ生産性が劣り高コストになる。

Claims

質量％で、Ｚｎ：６．０〜８．０％，Ｍｇ：１．０〜３．５％，Ｃｕ：０．２〜１．５％，Ｚｒ：０．１０〜０．２５％，Ｔｉ：０．００５〜０．０５％及びＭｎ：０．５％以下で且つ［Ｍｎ＋Ｚｒ］：０．１０〜０．６０％含有し、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いてビレットを鋳造するステップと、
前記ビレットを均質化処理した後に冷却することなく押出加工するステップと、
前記押出加工直後に７０〜５００℃／ｍｉｎの平均速度で冷却するステップと、
その後に人工時効処理をするステップとを有することを特徴とする高強度アルミニウム合金押出材の製造方法。
前記ビレットを鋳造するステップは、鋳造速度が５０ｍｍ／ｍｉｎ以上であり、鋳造組織の平均結晶粒径が３００μｍ以下になっていることを特徴とする請求項１記載の高強度アルミニウム合金押出材の製造方法。
前記人工時効処理をするステップは２段階熱処理であり、１段目は８０〜１３０℃，７時間以内で、２段目は１３０〜１６０℃，１３時間以内である合計の熱処理時間が２０時間以内であることを特徴とする請求項２記載の高強度アルミニウム合金押出材の製造方法。
引張り強さ４００ＭＰａ以上，０．２％耐力３８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項３記載の高強度アルミニウム合金押出材の製造方法。