JP2022142163A - アルミニウム合金の加工方法およびアルミニウム合金の加工物 - Google Patents
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Abstract
【課題】面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきを小さくすることが可能なアルミニウム合金の加工方法およびアルミニウム合金の加工物を提供する。【解決手段】アルミニウム合金の加工方法は、Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム合金を加工する方法である。アルミニウム合金の加工方法は、アルミニウム合金を鋳造する工程と、鋳造されたアルミニウム合金を２００℃以上４７０℃以下の温度で鍛造する工程を含む。【選択図】なし
Description
本発明は、アルミニウム合金の加工方法およびアルミニウム合金の加工物に関する。
低ケイ素アルミニウム合金の加工方法として、例えば、低ケイ素アルミニウム合金を鋳造した後、熱間鍛造する方法が知られている。
特許文献１には、部品を得る方法として、合金を金型内に鋳込む段階と、鋳込み後、依然として高温のプリフォームを構成する部品を離型する段階と、プリフォームを冷却した後、プリフォームを４７０℃－５５０℃の範囲の温度に再加熱するのに適した操作に付す段階と、金型のキャビティの寸法と実質的に等しいがそれよりも小さい寸法のキャビティを画定するダイの２つのシェルの間に部品を配置する段階と、２つのシェルを共に強く押圧して、シェル間に配置された部品に加圧と表面混練の複合作用を及ぼす段階と、を含む方法が記載されている。ここで、低ケイ素アルミニウム合金は、０．５％－３％の範囲にある含有量のケイ素と、０．６５％－１％の範囲にある含有量のマグネシウムと、０．２０％－０．４０％の範囲にある含有量の銅と、０．１５％－０．２５％の範囲にある含有量のマンガンと、０．１０％－０．２０％の範囲の含有量のチタンと、０ｐｐｍ－１２０ｐｐｍの範囲にある含有量のストロンチウムと、を含有する。
しかしながら、アルミニウム合金の加工物の面積平均結晶粒径が８００μｍ程度まで大きくなるとともに、部位間の面積平均結晶粒径のばらつきが大きくなるという課題があった。
本発明は、面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきを小さくすることが可能なアルミニウム合金の加工方法およびアルミニウム合金の加工物を提供することを目的とする。
本発明の一態様は、Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム合金を加工する方法であって、前記アルミニウム合金を鋳造する工程と、前記鋳造されたアルミニウム合金を２００℃以上４７０℃以下の温度で鍛造する工程と、を含む。
前記鋳造されたアルミニウム合金を４００℃以上４５０℃以下の温度で鍛造してもよい。
本発明の他の一態様は、アルミニウム合金の加工物において、Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有し、Ｚパラメータが１．４４×１０９ｓ－１以上１．１８×１０１５ｓ－１以下である。
上記のアルミニウム合金の加工物は、Ｚパラメータが２．７３×１０９ｓ－１以上１．５８×１０１０ｓ－１以下であってもよい。
本発明によれば、面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきを小さくすることが可能なアルミニウム合金の加工方法およびアルミニウム合金の加工物を提供することができる。
［アルミニウム合金の加工方法］
本実施形態のアルミニウム合金の加工方法は、Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム合金を加工する方法である。
本実施形態のアルミニウム合金の加工方法は、Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム合金を加工する方法である。
本実施形態のアルミニウム合金の加工方法は、アルミニウム合金を鋳造する工程と、鋳造されたアルミニウム合金を２００℃以上４７０℃以下の温度で鍛造する工程と、を含む。
本実施形態のアルミニウム合金の加工方法は、上記のような組成を有するアルミニウム合金を２００℃以上４７０℃以下の温度で鍛造するため、面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきを小さくすることができる。これにより、アルミニウム合金の加工物の伸び特性の均質化、一般耐食性および耐応力腐食割れ性の向上が期待できる。
アルミニウム合金の鍛造温度は、２００℃以上４７０℃以下であるが、４００℃以上４５０℃以下であることが好ましい。アルミニウム合金の鍛造温度が２００℃未満であると、アルミニウム合金を熱間鍛造することができなくなり、４７０℃を超えると、アルミニウム合金の加工物の面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきが大きくなる。
アルミニウム合金中のＭｇの含有量は、０．５質量％以上１．０質量％以下であるが、０．５質量％以上０．８質量％以下であることが好ましい。
アルミニウム合金中のＳｉの含有量は、０．５質量％以上３．０質量％以下であるが、１．５質量％以上２．５質量％以下であることが好ましい。
アルミニウム合金中のＣｕの含有量は、０．２質量％以上０．４質量％以下であるが、０．２質量％以上０．３質量％以下であることが好ましい。
アルミニウム合金中のＭｎの含有量は、０．１５質量％以上０．２５質量％以下であるが、０．１５質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。
アルミニウム合金中のＴｉの含有量は、０．１質量％以上０．２質量％以下であるが、０．１５質量％以上０．２質量％以下であることが好ましい。
アルミニウム合金中のＳｒの含有量は、１２０質量ｐｐｍ以下であるが、１質量ｐｐｍ以下であることが好ましい。
アルミニウム合金は、上記の元素以外に、Ｂ等をさらに含有してもよい。
アルミニウム合金の鋳造方法としては、特に限定されないが、例えば、砂型重力鋳造（ＧＤＣ）、砂型低圧鋳造（ＬＰＤＣ）等が挙げられる。
アルミニウム合金を鋳造する際に、アルミニウム合金が溶解している溶湯を保持する保持炉の温度は、例えば、７００℃以上７５０℃以下である。
また、アルミニウム合金を鋳造する際に、鋳型の温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下である。
アルミニウム合金を鍛造する際には、例えば、電気炉等を用いて、アルミニウム合金を加熱する。
アルミニウム合金を鍛造する際には、金型を用いてもよい。このとき、金型の温度は、例えば、１５０℃以上２００℃以下である。
本実施形態のアルミニウム合金の加工方法は、鍛造されたアルミニウム合金を溶体化処理する工程と、溶体化処理されたアルミニウム合金を人工時効処理する工程と、をさらに含んでいてもよい。
アルミニウム合金を溶体化処理する条件は、例えば、５３０℃以上５４０℃以下で５．５時間以上６時間以下である。また、アルミニウム合金を人工時効処理する条件は、例えば、１５５℃以上１６５℃以下で４時間以上７時間以下である。
［アルミニウム合金の加工物］
本実施形態のアルミニウム合金の加工物は、前述したアルミニウム合金の加工物であり、Ｚパラメータが１．４４×１０９ｓ－１以上１．１８×１０１５ｓ－１以下である。このため、本実施形態のアルミニウム合金の加工物は、面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきが小さい。
本実施形態のアルミニウム合金の加工物は、前述したアルミニウム合金の加工物であり、Ｚパラメータが１．４４×１０９ｓ－１以上１．１８×１０１５ｓ－１以下である。このため、本実施形態のアルミニウム合金の加工物は、面積平均結晶粒径および部位間の面積平均結晶粒径のばらつきが小さい。
ここで、Ｚパラメータは、Ｚｅｎｅｒ－Ｈｏｌｌｏｍｏｎの式
Ｚ＝Ａ・ε・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）
（ここで、Ａは、材料定数であり、εは、歪速度であり、Ｑは、活性化エネルギーであり、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、絶対温度である。）
により、求められる。このとき、εおよびＴは、それぞれアルミニウム合金を鍛造する際の歪速度および絶対温度である。
Ｚ＝Ａ・ε・ｅｘｐ（Ｑ／ＲＴ）
（ここで、Ａは、材料定数であり、εは、歪速度であり、Ｑは、活性化エネルギーであり、Ｒは、気体定数であり、Ｔは、絶対温度である。）
により、求められる。このとき、εおよびＴは、それぞれアルミニウム合金を鍛造する際の歪速度および絶対温度である。
本実施形態のアルミニウム合金の加工物のＺパラメータを求める際には、Ａを１とし、Ｑを１４２０００Ｊ／ｍｏｌとし、Ｒを８．３１４Ｊ／ｍｏｌ・Ｋとする。
本実施形態のアルミニウム合金の加工物のＺパラメータは、１．４４×１０９ｓ－１以上１．１８×１０１５ｓ－１以下であるが、２．７３×１０９ｓ－１以上１．５８×１０１０ｓ－１以下であることが好ましい。
本実施形態のアルミニウム合金の加工物の面積平均結晶粒径は、３００μｍ以下であることが好ましい。
本実施形態のアルミニウム合金の加工物の面積平均結晶粒径は、通常、１５０μｍ以上である。
以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は、実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
（溶解）
溶解炉を用いて、Ｍｇ（０．６質量％）、Ｓｉ（１．８質量％）、Ｃｕ（０．２質量％）、Ｍｎ（０．１５質量％）、Ｔｉ（０．１７質量％）、Ｓｒ（１質量ｐｐｍ以下）、Ａｌ（残余）からなるアルミニウム合金インゴットを溶解させ、溶湯を得た。このとき、介在物分析ＰｏＤＦＡ（パイロテック製）を用いて、アルミニウム合金インゴットの品質を計測し、不純物量が０．２ｍｍ２／ｋｇ以下であることを確認した。また、Ｍｇの有効添加量は、溶解炉の保持時間で変化するため、発光分光法を用いて、狙いの成分値からのずれを確認し、Ｍｇ母合金を溶湯に添加して鋳造前の成分調整を実施した。さらに、溶湯の品質を改善するために、Ｎ２ガスによる脱ガス処理およびフラックス処理を実施した。
（溶解）
溶解炉を用いて、Ｍｇ（０．６質量％）、Ｓｉ（１．８質量％）、Ｃｕ（０．２質量％）、Ｍｎ（０．１５質量％）、Ｔｉ（０．１７質量％）、Ｓｒ（１質量ｐｐｍ以下）、Ａｌ（残余）からなるアルミニウム合金インゴットを溶解させ、溶湯を得た。このとき、介在物分析ＰｏＤＦＡ（パイロテック製）を用いて、アルミニウム合金インゴットの品質を計測し、不純物量が０．２ｍｍ２／ｋｇ以下であることを確認した。また、Ｍｇの有効添加量は、溶解炉の保持時間で変化するため、発光分光法を用いて、狙いの成分値からのずれを確認し、Ｍｇ母合金を溶湯に添加して鋳造前の成分調整を実施した。さらに、溶湯の品質を改善するために、Ｎ２ガスによる脱ガス処理およびフラックス処理を実施した。
（鋳造）
７００℃の保持炉に溶湯を搬送した後、２００℃に加熱された状態の鋳型に溶湯を流し込み、ＧＤＣにより鋳造し、中間体を得た。このとき、溶湯の凝固が完了するまで、鋳型を水冷することで、指向性凝固となるように鋳造した。また、トリム装置を用いて、鋳造時に発生したバリを取り除いて、中間体とした。
７００℃の保持炉に溶湯を搬送した後、２００℃に加熱された状態の鋳型に溶湯を流し込み、ＧＤＣにより鋳造し、中間体を得た。このとき、溶湯の凝固が完了するまで、鋳型を水冷することで、指向性凝固となるように鋳造した。また、トリム装置を用いて、鋳造時に発生したバリを取り除いて、中間体とした。
（鍛造）
電気炉を用いて、４００℃（鍛造温度）になるまで、中間体を加熱した。このとき、熱電対を用いて、中間体の表面の温度が４００℃に到達したのを確認した後、中間体の内部まで均一な温度となるように、３０分間程度加熱を続けた。次に、金型の温度が２００℃に到達したことを確認した後、電気炉から中間体を取り出し、鍛造機を用いて、中間体を鍛造した。
電気炉を用いて、４００℃（鍛造温度）になるまで、中間体を加熱した。このとき、熱電対を用いて、中間体の表面の温度が４００℃に到達したのを確認した後、中間体の内部まで均一な温度となるように、３０分間程度加熱を続けた。次に、金型の温度が２００℃に到達したことを確認した後、電気炉から中間体を取り出し、鍛造機を用いて、中間体を鍛造した。
（熱処理）
鍛造後の中間体に対して、溶体化処理および人工時効処理を実施し、アルミニウム合金の加工物を得た。溶体化処理の条件は、５４０℃で６時間とし、人工時効処理の条件は、１６０℃で６．５時間とした。
鍛造後の中間体に対して、溶体化処理および人工時効処理を実施し、アルミニウム合金の加工物を得た。溶体化処理の条件は、５４０℃で６時間とし、人工時効処理の条件は、１６０℃で６．５時間とした。
［実施例２］
鍛造温度を４７０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム合金の加工物を得た。
鍛造温度を４７０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム合金の加工物を得た。
［比較例１］
鍛造温度を５２５℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム合金の加工物を得た。
鍛造温度を５２５℃に変更した以外は、実施例１と同様にして、アルミニウム合金の加工物を得た。
図１に、実施例１のアルミニウム合金の加工物の写真を示す。なお、図１におけるＡ、ＢおよびＣは、後述するアルミニウム合金の加工物の面積結晶粒径を測定する際に、テストピースを切り出した部位を示す。
［アルミニウム合金の加工物の結晶粒径］
アルミニウム合金の加工物の部位Ａ、Ｂ、Ｃ（図１参照）から、３個のテストピースを切り出した。次に、研磨紙の２０００番程度までテストピースを研磨した後、コロイダルシリカおよびイオンミリングを用いて、仕上げ研磨した。次に、ＳＥＭにテストピースを投入した後、ＥＢＳＤを用いて、テストピースの面積平均結晶粒径を測定した。このとき、１５°以上の結晶方位差を結晶粒界として、粒径および面積を取得した。
アルミニウム合金の加工物の部位Ａ、Ｂ、Ｃ（図１参照）から、３個のテストピースを切り出した。次に、研磨紙の２０００番程度までテストピースを研磨した後、コロイダルシリカおよびイオンミリングを用いて、仕上げ研磨した。次に、ＳＥＭにテストピースを投入した後、ＥＢＳＤを用いて、テストピースの面積平均結晶粒径を測定した。このとき、１５°以上の結晶方位差を結晶粒界として、粒径および面積を取得した。
ここで、単純な平均結晶粒径を用いると、結晶粒径にばらつきのある組織において、面積が小さい結晶粒が多数含まれる場合に、結晶粒径の見た目と平均結晶粒径との差が大きくなるため、式
（式中、ｄｉは、ｉ番目の結晶粒の楕円近似した結晶粒径であり、Ａｉは、ｉ番目の結晶粒の面積である。）
により、面積平均結晶粒径ｄａｖｅを算出した。また、３個のテストピースの面積平均結晶粒径の最大値と最小値との差を求め、面積平均結晶粒径のばらつきとした。
により、面積平均結晶粒径ｄａｖｅを算出した。また、３個のテストピースの面積平均結晶粒径の最大値と最小値との差を求め、面積平均結晶粒径のばらつきとした。
図２に、実施例１、２および比較例１のアルミニウム合金の加工物の３個のテストピースの結晶方位マップを示す。
表１に、実施例１、２および比較例１のアルミニウム合金の加工物の３個のテストピースの面積平均結晶粒径を示す。
図３に、実施例１、２および比較例１のアルミニウム合金の加工物の３個のテストピースのＺパラメータと面積平均結晶粒径との関係を示す。
図３から、実施例１、２のアルミニウム合金の加工物は、比較例１のアルミニウム合金の加工物よりも面積平均結晶粒径が小さいことがわかる。
図４に、実施例１、２および比較例１のアルミニウム合金の加工物の鍛造温度と３個のテストピースの面積平均結晶粒径のばらつきの関係を示す。
図４から、実施例１、２のアルミニウム合金の加工物は、比較例１のアルミニウム合金の加工物よりも面積平均結晶粒径のばらつきが小さいことがわかる。また、図４から、４５０℃における面積平均結晶粒径のばらつきは、４７０℃における面積平均結晶粒径のばらつきの半分程度となっていることがわかる。
Claims (4)
- Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有するアルミニウム合金を加工する方法であって、
前記アルミニウム合金を鋳造する工程と、
前記鋳造されたアルミニウム合金を２００℃以上４７０℃以下の温度で鍛造する工程と、を含む、アルミニウム合金の加工方法。 - 前記鋳造されたアルミニウム合金を４００℃以上４５０℃以下の温度で鍛造する、請求項１に記載のアルミニウム合金の加工方法。
- Ｍｇを０．５質量％以上１．０質量％以下含有し、Ｓｉを０．５質量％以上３．０質量％以下含有し、Ｃｕを０．２質量％以上０．４質量％以下含有し、Ｍｎを０．１５質量％以上０．２５質量％以下含有し、Ｔｉを０．１質量％以上０．２質量％以下含有し、Ｓｒを１２０質量ｐｐｍ以下含有し、
Ｚパラメータが１．４４×１０９ｓ－１以上１．１８×１０１５ｓ－１以下である、アルミニウム合金の加工物。 - Ｚパラメータが２．７３×１０９ｓ－１以上１．５８×１０１０ｓ－１以下である、請求項３に記載のアルミニウム合金の加工物。
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