JP2023084831A

JP2023084831A - アルミニウム合金

Info

Publication number: JP2023084831A
Application number: JP2021199167A
Authority: JP
Inventors: はじめ川端; Hajime Kawabata; 千尋浅井; Chihiro Asai; 岳人小林; Takehito Kobayashi; 諒根元; Ryo Nemoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2023-06-20

Abstract

【課題】本開示は、高い強度及び優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金を提供することを目的とする。を提供することである。【解決手段】本実施形態は、０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕ、及び０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含むアルミニウム合金である。【選択図】なし

Description

本開示は、アルミニウム合金に関する。

Ａｌ－Ｍｇ（アルミニウム－マグネシウム）系合金、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ（アルミニウム－マグネシウム－シリコン）系合金、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｃｕ（アルミニウム－マグネシウム－シリコン－銅）系合金等のＭｇを含むアルミニウム合金は、その比重が冷延鋼板の１／３程度であるにもかかわらず、冷延鋼板と同等の強度を有している。また、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金及びＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｃｕ系合金等のアルミニウム合金は、ベークハード性、つまり、塗装焼き付け等の際に加熱することにより、加熱前に比べて強度が向上する特性を有している。これらの特性を活かし、軽量化が強く望まれている自動車用ボディシートやボディパネル等の分野において、アルミニウム合金への置き換えが進展しつつある。

アルミニウム合金に関する技術として、例えば、特許文献１では、Ｍｇ：０．７０～１．５０質量％、Ｓｉ：０．８０～１．３０質量％、Ｃｕ：０．３０～０．９０質量％、Ｆｅ：０．１０～０．４０質量％、Ｔｉ：０．００５～０．１５質量％を含み、更に、Ｍｎ：０．１０～０．６０質量％、Ｃｒ：０．１０～０．４５質量％、Ｚｒ：０．０５～０．３０質量％のうち一種または二種以上を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金から構成されるアルミニウム合金鍛造材であって、最大応力が発生する部位でのＱ相の長軸が５０～５００ｎｍであることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材が開示されている。

特開２０１５－１９３９０３号公報

自働車用構造部材には、軽量、高強度、及び優れた耐応力腐食割れ性が求められる。以下、耐応力腐食割れ性を、耐ＳＣＣ性と称す（ＳＣＣ：ＳｔｒｅｓｓＣｏｒｒｏｓｉｏｎＣｒａｃｋｉｎｇ）。そのような観点から、特許文献１に開示されるような、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金が使用される場合がある。Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金の強度を高める手法として、Ｃｕを添加する手法が知られている。しかしながら、背反として、Ｃｕ添加は、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金の耐ＳＣＣ性を低下させることが課題となっている。そこで、高強度を維持しつつ、優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金の開発が求められている。

そこで、本開示は、高い強度及び優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金を提供することを目的とする。

（１）０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕ、及び０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含むアルミニウム合金。
（２）０．１０質量％以上３．００質量％以下のＳｉ、０．０５０質量％以上１．００質量％以下のＦｅ、及び０．１０質量％以上３．００質量％以下のＭｇをさらに含み、
０．５０質量％以下のＣｒ、０．５０質量％以下のＺｎ、０．５０質量％以下のＴｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有してもよく、
残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる、（１）に記載のアルミニウム合金。

本開示により、高い強度及び優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金を提供することができる。

実施例及び比較例における引張試験の結果を示すグラフである。実施例及び比較例におけるＭｎ量と溶融開始温度の関係を示すグラフである。

本実施形態は、０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕ、及び０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含むアルミニウム合金である。

本実施形態により、高い強度及び優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金を提供することができる。

以下、本実施形態について説明する。

（アルミニウム合金）
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕ、及び０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含む。すなわち、アルミニウム合金は、Ａｌ以外の必須成分として、Ｃｕ及びＭｎを含み、Ｃｕの含量は、０．７０質量％以上１．００質量％以下であり、Ｍｎの含量は、０．４０質量％以上１．００質量％以下である。Ｃｕ量が０．７０質量％以上１．００質量％以下かつＭｎ量が０．４０質量％以上１．００質量％以下である場合、優れた引張強度を有し、かつ優れた耐ＳＣＣ性を有するアルミニウム合金を提供することができる。また、本実施形態に係るアルミニウム合金は、鋳造割れが発生し難く、高い溶融開始温度を有するという点においても優れている。

アルミニウム合金には、これらの必須成分に加えて、Ｓｉ、Ｆｅ、及びＭｇを含むことができる。Ｓｉの含量は、０．１０質量％以上３．００質量％以下であることが好ましい。Ｆｅの含量は、０．０５０質量％以上１．００質量％以下であることが好ましい。Ｍｇの含量は、０．１０質量％以上３．００質量％以下であることが好ましい。

また、アルミニウム合金は、Ｃｒ、Ｚｎ及びＴｉからなる群より選択される少なくとも１種の元素を含有してもよい。Ｃｒの含量は、０．５０質量％以下であることが好ましい。Ｚｎの含量は、０．５０質量％以下であることが好ましい。Ｔｉの含量は、０．５０質量％以下であることが好ましい。

本実施形態において、アルミニウム合金の組成は、ＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ／高周波誘導結合プラズマ）発光分光分析法により測定することができる。

以下に、アルミニウム合金の成分について詳細に説明する。

・Ｃｕ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕを含む。Ｃｕの含量を０．７０質量％以上とすることにより、引張強度を向上させることができる。また、Ｃｕの含量を１．００質量％以下とすることにより、耐ＳＣＣ性を向上させることができる。アルミニウム合金中のＣｕの含量は、０．７５質量％以上であることが好ましい。また、アルミニウム合金中のＣｕの含量は、０．９５質量％以下であることが好ましい。

Ｃｕの一部は、アルミニウム合金中において、Ａｌマトリクスに固溶した固溶Ｃｕとして存在している。また、Ａｌマトリクス中に固溶していないＣｕは、ＡｌやＭｎ等の他の金属との金属間化合物の形態で存在し得る。

・Ｍｎ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含む。Ｍｎの含量を０．４０質量％以上とすることにより、溶融開始温度を高くすることができる。また、Ｍｎの含量を１．００質量％以下とすることにより、鋳造割れの発生を抑制することができる。アルミニウム合金中のＭｎの含量は、０．４５質量％以上であることが好ましく、０．５０質量％以上であることが好ましく、０．５５質量％以上であることが好ましく、０．６０質量％以上であることが好ましい。また、アルミニウム合金中のＭｎの含量は、０．９９質量％以下であることが好ましい。

Ｍｎの一部は、アルミニウム合金中において、Ａｌマトリクスに固溶した固溶Ｍｎとして存在している。また、Ａｌマトリクス中に固溶していないＭｎは、Ａｌ－（Ｆｅ，Ｍｎ）－Ｓｉ系金属間化合物、Ａｌ－Ｍｎ－Ｓｉ系金属間化合物等の金属間化合物の形態で存在し得る。

・Ｓｉ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、Ｓｉを含むことができる。Ｓｉの含量は、０．１０質量％以上３．００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の含量を前記範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中のＳｉの固溶量を多くすることができる。その結果、ひずみの導入量が小さい塑性加工においても加工硬化による強度の上昇量を大きくすることができる。Ｓｉの含量は、０．３０質量％以上であることが好ましく、０．５０質量％以上であることが好ましく、０．７０質量％以上であることが好ましい。また、Ｓｉの含量は、２．５０質量％以下であることが好ましく、２．００質量％以下であることが好ましく、１．５０質量％以下であることが好ましい。

Ｓｉの一部は、アルミニウム合金中において、Ａｌマトリクスに固溶した固溶Ｓｉとして存在している。また、Ａｌマトリクス中に固溶していないＳｉは、単体Ｓｉや、Ｍｇ₂Ｓｉ、Ａｌ－（Ｆｅ，Ｍｎ）－Ｓｉ系金属間化合物、Ａｌ－Ｍｎ－Ｓｉ系金属間化合物、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系金属間化合物等の金属間化合物の形態で存在し得る。

・Ｆｅ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、Ｆｅを含むことができる。Ｆｅの含量は、０．０５０質量％以上１．００質量％以下であることが好ましい。アルミニウム合金中のＦｅの含量を前記範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中のＦｅの固溶量を多くすることができる。また、鋳造原料としてアルミニウム製品（再利用品を含む）を使用する場合、アルミニウム合金中のＦｅの含量が多くなる傾向にある。アルミニウム合金中のＦｅの含量を０．０５０質量％以上とすることにより、鋳造原料に占めるアルミニウム製品（再利用品を含む）の比率を高めることができる。その結果、アルミニウム合金の材料コストを低減することができる。Ｆｅの含量は、０．１０質量％以上であることが好ましく、０．１５質量％以上であることが好ましい。また、Ｆｅの含量は、０．５０質量％以下であることが好ましく、０．３０質量％以下であることが好ましい。

Ｆｅの一部は、アルミニウム合金中において、Ａｌマトリクスに固溶した固溶Ｆｅとして存在している。また、Ａｌマトリクス中に固溶していないＦｅは、Ａｌ－Ｆｅ－Ｓｉ系金属間化合物やＡｌ－（Ｆｅ，Ｍｎ）－Ｓｉ系金属間化合物等の金属間化合物の形態で存在し得る。

・Ｍｇ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、Ｍｇを含むことができる。Ｍｇの含量は、０．１０質量％以上３．００質量％以下であることが好ましい。アルミニウム合金中のＭｇの含量を前記範囲とすることにより、Ａｌマトリクス中のＭｇの固溶量を多くすることができる。また、アルミニウム合金中のＭｇの含量を前記範囲とすることにより、アルミニウム合金中のＭｇ₂Ｓｉの量を多くすることができる。その結果、析出強化によりアルミニウム合金の強度を高くすることができる。アルミニウム合金の強度をより高くする観点からは、Ｍｇの含有量を０．３０質量％以上とすることが好ましい。Ｍｇの含量は、０．３０質量％以上であることが好ましく、０．４０質量％以上であることが好ましく、０．５０質量％以上であることが好ましく、０．６０質量％以上であることが好ましく、０．７０質量％以上であることが好ましい。また、Ｍｇの含量は、２．５０質量％以下であることが好ましく、２．００質量％以下であることが好ましく、１．５０質量％以下であることが好ましい。

Ｍｇの一部は、アルミニウム合金中において、Ａｌマトリクスに固溶した固溶Ｍｇとして存在している。また、Ａｌマトリクス中に固溶していないＭｇは、Ｍｇ₂Ｓｉ等の金属間化合物の形態で存在し得る。

・Ｃｒ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．５０質量％以下のＣｒを含んでいてもよい。Ｃｒの含量は、例えば、０．００１０質量％以上である。アルミニウム合金にＣｒを添加することにより、強度の向上、結晶粒の微細化及び表面処理性の向上等の作用効果を奏することができる。一方、Ｃｒの含量が過度に多くなると、アルミニウム合金中に粗大な金属間化合物が形成されやすくなり、プレス成形性の低下を招くおそれがある。Ｃｒの含有量を０．５０質量％以下とすることにより、プレス成形性の低下を回避しつつ前述した作用効果を奏することができる。

・Ｚｎ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．５０質量％以下のＺｎを含んでいてもよい。Ｚｎの含量は、例えば、０．００１０質量％以上である。アルミニウム合金にＺｎを添加することにより、強度の向上、結晶粒の微細化及び表面処理性の向上等の作用効果を奏することができる。一方、Ｚｎの含量が過度に多くなると、アルミニウム合金の耐食性の低下を招くおそれがある。Ｚｎの含量を０．５０質量％以下とすることにより、耐食性の低下を回避しつつ前述した作用効果を奏することができる。

・Ｔｉ
本実施形態に係るアルミニウム合金は、０．５０質量％以下のＴｉを含んでいてもよい。Ｔｉの含量は、例えば、０．００１０質量％以上である。アルミニウム合金にＴｉを添加することにより、鋳塊組織を微細化し、鋳造時の割れの発生を抑制するとともに、熱間圧延時の圧延性を向上することができる。一方、Ｔｉの含量が過度に多くなると、アルミニウム合金中に粗大な晶出物が形成されやすくなり、圧延性やプレス成形性の低下を招くおそれがある。Ｔｉの含量を０．５０質量％以下とすることにより、粗大な晶出物の形成を抑制しつつ、前述した作用効果を奏することができる。

・その他の元素
本実施形態に係るアルミニウム合金は、前述した金属の他に、例えば、０．０５０質量％以下のＮｉ、０．０５０質量％以下のＺｒ、及び／又は０．０５０質量％以下のＢｉを含み得る。

（アルミニウム合金の製造方法）
以下に、本実施形態に係るアルミニウム合金の製造方法の例を説明する。アルミニウム合金の製造方法は、例えば、注湯工程と凝固工程とを含み得る。

注湯工程は、全体を１００質量％としたときに、本実施形態に係るアルミニウム合金の組成を有する合金溶湯を鋳型に注湯する工程である。本実施形態に係るアルミニウム合金の製造方法は、例えば、連続鋳造、重力鋳造、加圧鋳造、又はダイカスト鋳造することができ、これらの中でも連続鋳造が好ましい。また、鋳造に使用される鋳型も砂型、金型等を問わない。

鋳造原料は、特に制限されることはないが、例えば、自動車用アルミニウム部品のスクラップを鋳造原料として使用することができる。

凝固工程は、注湯工程後の合金溶湯を冷却させて凝固させる工程である。鋳型の材質、鋳型の肉厚、鋳物の寸法（あるいは鋳型のキャビティの寸法）、冷却方法等を適宜選択して冷却速度（凝固速度）を調整することができる。

本実施形態に係るアルミニウム合金の製造方法は、さらに、熱間加工工程を含んでもよい。熱間加工工程としては、例えば、熱間鍛造工程又は熱間押出工程が挙げられる。熱間鍛造工程は、鋳造後のビレットを鍛造し、成形する工程である。また、熱間押出工程は、鋳造後のビレットを押出機により押出することで、長手の押出棒を成形する手法である。熱間加工後に冷間加工を施してもよい。

本実施形態に係るアルミニウム合金の製造方法は、さらに、熱間加工工程後に、アルミニウム合金に溶体化熱処理および／または時効熱処理を施す熱処理工程を含むのが好ましい。

溶体化熱処理は、アルミニウム合金を高温で保持した後に急冷し、過飽和固溶体を形成する熱処理である。時効熱処理は、アルミニウム合金を比較的低温で加熱保持して過飽和に固溶した元素を析出させて、適度な硬さを付与するための熱処理である。これらの熱処理によって、微細な析出物が均一に分散し、強度、延性および靭性が高度にバランスしたアルミニウム合金が得られる。これらの熱処理条件は、鋳物の組成、要求される特性等に応じて選択すればよい。たとえば、溶体化熱処理は、４５０℃～６００℃で０．５～１０時間の加熱保持後、急冷すればよい。加熱温度は、４９０℃～５７０℃、保持時間を０．５～３時間とするのが好ましく、コストと特性とのバランスが良好である。また、時効熱処理は、たとえば、１４０℃～２５０℃で１～２０時間保持すればよい。加熱温度を１６０～２００℃、保持時間を１～５時間とするのが好ましく、コストと特性とのバランスが良好である。

（用途）
本実施形態に係るアルミニウム合金は、強度、耐食性が同時に要求される押出品、鍛造品、あるいはそれらの原料（インゴット等）として好適に用いられる。たとえば、車両の足回り用部材がある。足回り部材としては、アッパーアーム、ロアアーム、ナックル、アクスルキャリア、ディスクホイール、クロスメンバ等が挙げられる。これらの部材に本実施形態に係るアルミニウム合金を適用すると、軽量効果が大きく、性能向上も図れる。
また、本実施形態に係るアルミニウム合金は、展伸材として利用可能である。

以下に、本実施形態について実施例を用いて説明する。なお、本実施形態に係るアルミニウム合金の具体的な態様は実施例の態様に限定されるものではなく、本開示の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。

実施例及び比較例では、まず、連続鋳造により、表１に示す組成を有する試験材を作製した。

比較例２の試験材Ｃ２は、Ａ６１１０合金である。また、表１中の記号「Ｂａｌ．」は、当該成分が残余成分（Ｂａｌａｎｃｅ）であることを示す記号である。また、表１の数値における単位は、質量％である。試験材の組成は、試験材の切り粉をＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ／高周波誘導結合プラズマ）発光分光分析法により測定した。

各試験材について、溶体化処理及び時効処理を順次行った。溶体化処理の条件としては、５５５℃±５℃で２時間加熱し、直ちに焼入れ（水冷）を行った。溶体化処理が完了した後、直ちに時効処理を行った。時効処理における加熱温度は、１８５℃とし、保持時間は５時間とした。

以上により、アルミニウム合金（試験材Ｅ１～Ｅ４及びＣ１～Ｃ８）を作製した。

［評価］
次に、得られた試験材Ｅ１～Ｅ４並びにＣ１～Ｃ８について、引張強度、溶融開始温度、及び耐ＳＣＣ性を主に評価した。

（引張強度）
試験材からＪＩＳＺ２２４１に規定される５号試験片を採取した。この試験片を用い、ＪＩＳＺ２２４１に準拠した方法により引張試験を行うことにより引張強度を測定した。結果を図１に示す。図１に示す引張強度の結果について、ＡＡ６１１０合金の引張強度を基準（０％）とする相対値として示した。なお、試験材Ｃ４は局部溶融（バーニング）、試験材Ｃ５は鋳造割れのため、引張強度の試験を行わなかった。

図１に示されるように、Ｃｕ量が増加するほど、引張強度が向上しており、引張強度が９～１０％以上を達成するためには、実施例１～４及び比較例６～８で示されるように、Ｃｕ量が０．７０質量％以上であることが有利であることが分かる。

（溶融開始温度）
図２に、Ｍｎ量と溶融開始温度の関係を示す。

図２より、Ｍｎ量が低いほど、溶融開始温度が下がる傾向があることが分かる。本実施例において、溶体化処理の温度は５５５℃であり、この温度を下回ると鍛造時の加工発熱に伴い、局部溶融（バーニング）による欠陥の発生が懸念される（比較例４）。そのため、Ｍｎ量を０．４０％以上に増加させることで溶融開始温度を５５５℃以上に向上させ、鍛造時の局部溶融を抑制し得る。また、Ｍｎ量が１．００質量％を超える場合は、鋳造割れが発生し易いことが確認された（比較例５）。

［耐ＳＣＣ試験］
ＪＩＳＨ８７１１に準拠する方法により、耐ＳＣＣ試験を行った。具体的には、Ｃリング形状（外径１９ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ８ｍｍ）の試験片を作製する。そして、応力集中部における引張応力の負荷方向が押出方向と一致するように、試験片に対して一定の応力を負荷し、その状態で、２５℃±３℃の温度環境下において、３．５％塩水（ｐＨ６．４－７．２）へ１０分間浸漬し、その後に５０分間乾燥させるという工程を１サイクルとして繰り返し行った。６０日後、試験片に割れが発生していないか目視で確認し、試験片に割れが発生していない場合は合格と判定した。

実施例１～４では、耐ＳＣＣ試験後もＣリングを貫通するような割れは発生しなかった。高いＣｕ量を有する比較例７および比較例８では、ＳＣＣによりＣリングを貫通するほどの割れが発生していることが分かる。そのため、耐ＳＣＣ性を満足するためには、Ｃｕ量を１．００質量％以下であることが有利である。

以上の結果を以下にまとめる。引張強度がプラス１０％を達成する観点から、Ｃｕ量が０．７０質量％以上であることが有利である（図１、引張強度）。しかし、Ｃｕ量が０．７０質量％以上である場合であっても、Ｍｎ量が１．００質量％を超える場合は、鋳造割れが発生し易い。また、Ｃｕ量が０．７０質量％以上である場合であっても、Ｍｎ量が０．４０質量％未満である場合は、溶融開始温度が低いことから、局部溶融による欠陥が発生し易い。また、Ｃｕ量が１．００質量％を超える場合、ＳＣＣによる割れが発生し易い（比較例７及び８）。したがって、換言すると、Ｃｕ量が０．７０質量％以上１．００質量％以下、かつＭｎ量が０．４０質量％以上１．００質量％以下であるアルミニウム合金は、優れた引張強度を有し、鋳造割れが発生し難く、高い溶融開始温度を有し、優れた耐ＳＣＣ性を有することができることが分かる。

本明細書中に記載した数値範囲の上限値及び／又は下限値は、それぞれ任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。例えば、数値範囲の上限値及び下限値を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、数値範囲の上限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができ、また、数値範囲の下限値同士を任意に組み合わせて好ましい範囲を規定することができる。

この記載した開示に続く特許請求の範囲は、本明細書においてこの記載した開示に明示的に組み込まれ、各請求項は個別の実施形態として独立している。本開示は独立請求項をその従属請求項によって置き換えたもの全てを含む。さらに、独立請求項及びそれに続く従属請求項から誘導される追加的な実施形態も、この記載した明細書に明示的に組み込まれる。

当業者であれば本開示を最大限に利用するために上記の説明を用いることができる。本明細書に開示した特許請求の範囲及び実施形態は、単に説明的及び例示的なものであり、いかなる意味でも本開示の範囲を限定しないと解釈すべきである。本開示の助けを借りて、本開示の基本原理から逸脱することなく上記の実施形態の詳細に変更を加えることができる。換言すれば、上記の明細書に具体的に開示した実施形態の種々の改変及び改善は、本開示の範囲内である。

以上、本実施形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲における設計変更があっても、それらは本開示に含まれるものである。

Claims

０．７０質量％以上１．００質量％以下のＣｕ、及び０．４０質量％以上１．００質量％以下のＭｎを含むアルミニウム合金。