JP3197774B2 - Ａｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ａｌ−Ｌｉ合金の熱間
圧延方法、とくに、熱間圧延工程のおいて、耳割れなど
の割れの発生、縞模様などの表面欠陥の発生を防止でき
るＡｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ−Ｌｉ合金は、強度、剛性率が高く
密度が低いため、比強度、比剛性に優れ、航空・宇宙用
材料として期待されているが、その製造技術はまだ十分
に確立されていない。例えば、熱間圧延においても、従
来のアルミニウム合金以上に耳割れや表面欠陥が生じ易
く、圧延技術の確立が要望されている。

【０００３】発明者らは、Ａｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延時
に発生する割れや表面結果を防止するために、合金成
分、鋳塊の面削方法、鋳塊の均質化処理、圧延条件とそ
れらの関連性について多角的に基礎的実験検討を行い、
種々の知見を得た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の基礎
的実験検討から得られた知見に基づいてなされたもので
あり、その目的は、熱間圧延の工程で耳割れなどの割れ
や模様発生などの表面欠陥を生じることが防止されるＡ
ｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるＡｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方法は、Ｌ
ｉ0.5 〜3.0 ％を含有し、さらにＣｕ1.0 〜3.0 ％( 但
し、Ｍｇを含有しない場合は1.5 〜5.5 ％）、Ｍｇ0.5
〜2.0 ％、Ｚｒ0.06〜0.3 ％、Ｖ0.06〜0.3 ％、Ｍｎ0.
06〜0.3 ％、Ｃｒ0.06〜0.3 ％、Ｔｉ0.02〜0.3 ％のう
ちの１種または２種以上を含有し、残部がＡｌおよび不
可避的不純物からなるＡｌ−Ｌｉ合金の鋳塊を、520 ℃
±50℃の温度範囲に加熱して、1 〜24時間保持したの
ち、該温度範囲で熱間圧延を開始し、250 ℃以上の温度
で熱間圧延を終了することを第１の特徴とする。

【０００６】また、Ｌｉ0.5 〜3.0 ％を含有し、さらに
Ｚｒ0.06〜0.3 ％、Ｖ0.06〜0.3 ％、Ｍｎ0.06〜0.3
％、Ｃｒ0.06〜0.3 ％のうちの１種または２種以上を含
有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−
Ｌｉ合金、またはＺｒ0.06〜0.3 ％、Ｖ0.06〜0.3 ％、
Ｍｎ0.06〜0.3 ％、Ｃｒ0.06〜0.3 ％のうちの１種また
は２種以上、Ｃｕ1.0 〜3.0 ％（但し、Ｍｇが含有され
ない場合はＣｕ1.5 〜5.5 ％）、Ｍｇ0.5 〜2.0 ％のう
ちの１種以上およびＴｉ0.02〜0.3 ％を含有し、残部が
Ａｌおよび不可避的不純物からなるの鋳塊を、４５０℃
±３０℃の温度範囲に１〜３０時間加熱したのち、５２
０±５０℃の温度範囲に加熱して、１〜２４時間保持
し、ついで該温度範囲で熱間圧延を開始し、２５０℃以
上の温度で熱間圧延を終了することを本発明の第２の特
徴とする。

【０００７】さらに、熱間圧延の１回当たりの圧下量
を、最終圧延を除いて3 〜30mmとすると、総圧延回数の
うちの20％以上の回数の圧延段階で、それぞれ圧延板側
面部に片側5 〜50mmの幅方向圧延を行うこと、およびＡ
ｌ−Ｌｉ合金の鋳塊の圧延面および側面が5mm 以上面削
され、面粗度Ｒａが2 μm 以下、うねりが200 μm 以下
に仕上げられていることをそれぞれ第３、第３および第
４の特徴とする。

【０００８】本発明の目的を達成するためには、まず本
発明のＡｌ−Ｌｉ合金の組成を特定の範囲に限定しなけ
ればならない。本発明において使用するＡｌ−Ｌｉ合金
における合金元素の意義および限定理由について説明す
ると、Ｌｉは、合金材料を軽量化し強度を向上させる元
素であり、好ましい含有範囲は0.5 〜3.0 ％であり、1.
0 ％未満では軽量化および比強度、比剛性向上の効果が
得られず、3.0 ％を越えて含有すると、鋳造割れ感受性
を増加させると同時に、粗大なδ´相を生成し合金の延
性および靭性を低下させる。

【０００９】Ｃｕは、Ａｌ−Ｃｕ系の板状析出物θ´
（Ａｌ₂ Ｃｕ）やＡｌ−Ｃｕ−Ｌｉ系の板状析出物Ｔ₁
相( Ａｌ₂ ＣｕＬｉ）を生成し、強度および靭性の向上
に寄与する。好ましい含有範囲は1.0 〜3.0 ％であり、
1.0 ％未満ではその効果が不十分となり、3.0 ％を越え
ると強度および靭性の向上効果が飽和するとともに軽量
化が損なわれる。なお、合金中にＭｇが含有されない場
合にはＣｕを1.5 〜5.5％の範囲で含有させるのが好ま
しい。また合金中にＭｇが含有される場合には、Ｍｇに
よる強度向上効果が期待できるので、Ｃｕの含有量を1.
0 〜2.5 ％の範囲に減少することもできる。

【００１０】Ｍｇは、合金マトリックス中に固溶して合
金の延性および靭性を低下させることなく合金を強化す
ると同時に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系の準安定相の板状析出
物、Ｓ´（Ａｌ₂ ＣｕＭｇ）を生成することにより、さ
らに強度を向上させる。好ましい含有範囲は0.5 〜2.0
％であり、0.5 ％未満ではその効果が小さく、2.0 ％を
越えて含有すると、強度は向上するが合金の延性および
靭性を劣化させる。

【００１１】Ｚｒ、Ｖ、Ｍｎ、ＣｒおよびＴｉは、合金
組織を微細化するとともに再結晶を抑制する効果があ
り、合金組織を微細で未再結晶状態の結晶組織とするた
めに含有させるもので、好ましい含有範囲は、Ｚｒ、
Ｖ、ＭｎおよびＣｒは0.06〜0.3％、Ｔｉは0.02〜0.3
％である。それぞれ下限未満では十分効果が得られず、
それぞれ上限を越えると、粗大金属間化合物を生成して
強度および靱性を低下させ、またその効果も飽和する。

【００１２】本発明のＡｌ−Ｌｉ合金において、0.30％
以下のＳｉ、0.25％以下のＦｅ、0.25％以下のＺｎは、
本発明の効果を損なうことがなく、不純物として許容さ
れるが、これらの不純物は、化合物の生成、あるいは亜
粒界への偏析などにより靱性をていかさせるおそれがあ
るため、Ｆｅ0.10％以下、Ｓｉ0.10％以下、Ｚｎ0.10％
以下に制限するのが好ましい。

【００１３】本発明のＡｌ−Ｌｉ合金は、溶解後、連続
鋳造し、圧延用鋳塊を製造するが、鋳塊表面には合金成
分のＬｉ、その他の含有成分が偏析し易く、このまま圧
延すると、圧延時に割れの起点となるおそれがあるた
め、熱間圧延に先立って、鋳塊の圧延面および側面を5m
m 以上面削し、表面を粗度Ｒａが2 μm 以下、うねりが
200 μm 以下になるように仕上げるのが好ましい。

【００１４】鋳塊には、鋳造時にＡｌＬｉ、ＣｕＡ
ｌ₂ 、Ｍｇ₂ Ｓｉ、ＦｅＡｌ₃ などの粗大な金属間化合
物が生成し、これらの金属間化合物は圧延時に割れの原
因となり、合金強化の効果を阻害するので、粗大な金属
間化合物を分解、均質化するために、面削した鋳塊を高
温に加熱、保持することにより均質化処理を行う。好ま
しい均質化処理温度は520 ℃±50℃の範囲であり、保持
時間は1 〜24時間が好ましい。均質化処理温度は高い方
が効率的であるが、高過ぎると化合物やマトリックスが
部分溶解するおそれがあり、低過ぎると長時間の温度保
持を要するため生産効率を下げ、また活性なＬｉが周辺
の水分と反応して酸化し、製品の性状を劣化させること
からも好ましくない。

【００１５】合金中に合金成分としてＺｒ、Ｖ、Ｍｎ、
Ｃｒを含有している場合には、これらの元素とアルミニ
ウムの化合物をマトリックス中に微細分散析出させ、製
品板の品質、性状を高めるために、鋳塊を、まず450 ℃
±30℃の温度範囲で1 〜30時間保持し、その後520 ℃±
50℃の均質化処理温度に加熱するのが好ましい。

【００１６】発明者らは、Ａｌ−Ｌｉ合金における加工
温度と限界加工率との関係を調査するために、Ｃｕ、Ｚ
ｒ、Ｍｇを含むＡｌ−Ｌｉ合金について、直径20mm、高
さ20mmの試料を作製し、これらの試料について各温度で
すえこみ鍛造した場合の割れ発生から、各加工温度にお
ける限界加工率を求めた。その結果の一例を図１に示
す。図１にみられるように、Ａｌ−Ｌｉ合金において
は、加工時の割れ発生を防ぐために、特定の温度域で熱
間加工を行う必要があることがわかる。

【００１７】上記の実験に基づいて、本発明のＡｌ−Ｌ
ｉ合金における熱間圧延温度を検討した結果、均質化処
理後、鋳塊を熱間圧延するに際しては、圧延時における
側部割れ（耳割れ）、圧延面割れなどの割れ発生、縞状
模様などの表面欠陥の発生を防止するために、520 ℃±
50℃の温度域で熱間圧延を開始し、250 ℃以上の温度で
熱間圧延を終了するのが好ましいことが判明した。終了
温度は300 ℃以上とするのがより好ましい。

【００１８】また、Ａｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延において
は、圧延一回当たりの圧下量が割れの発生に大きな影響
があることが見出された。割れ発生の観点からは、一回
当たりの圧下量は出来るだけ小さいほうが好ましいが、
小さ過ぎると、所定厚の板に圧延するまでの圧延回数が
増加し、圧延時間が長くなるため、圧延板の温度が上記
の終了温度より低下し易く、また生産効率もわるくなる
という難点があり、一方、一回当たりの圧下量が大き過
ぎると圧延時に耳割れなどが生じる。実験、検討の結果
として見出された圧延一回当たりの最適圧下量は、板厚
を調整するための最終圧延を除き、3 〜30mmであり、可
逆式圧延機を使用して熱間圧延を実施するのが好まし
い。

【００１９】さらに、Ａｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延時に生
じる欠陥、とくに耳割れの発生を防止するためには、圧
延機に設置されている幅圧延ロールの使用が有効であ
る。幅圧延ロールは、圧延用鋳塊または圧延板の側面部
を圧延するためのものであり、圧延一回毎に幅圧延を行
うのがより望ましいが、生産性を低下させ、側面部の温
度低下を生じて耳割れを引き起こす原因となるなどの難
点があるから、本発明においては、熱間圧延の総圧延回
数のうち少なくとも20％に当たる回数の圧延において、
片側5 〜50mmの幅方向圧延を行う。

【００２０】

【作用】本発明においては、Ｌｉ:0.5〜3.0 ％を含み、
さらに選択成分として特定量のＣｕ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｖ、
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉを含有させたＡｌ−Ｌｉ合金を用い、
鋳塊面削条件、鋳塊の均質化処理条件、熱間圧延条件を
特定し、これらの組み合わせにより、Ａｌ−Ｌｉ合金の
熱間圧延時の割れおよび表面欠陥の発生を防止し、品
質、性状の優れたＡｌ−Ｌｉ合金の板材を得るものであ
る。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。 実施例１ 表１に示す組成を有するＡｌ−Ｌｉ合金の鋳塊を連続鋳
造により製造し、鋳塊の圧延面を10mm面削して、試験鋳
塊とした。まず、表１の試験鋳塊Ｎｏ．Ａ〜Ｄを450 ℃
の温度で24時間加熱処理したのち、520 ℃の温度に昇温
し、6 時間保持した。ついで、500 ℃で熱間圧延を開始
した。試験鋳塊の厚さは260mm であり、一回当たり20mm
の圧下量で合計14回圧延し、20mm厚のＡｌ−Ｌｉ合金板
を得た。熱間圧延は400 ℃の温度で終了した。幅方向圧
延は行わなかったが、発生した耳割れは10mm程度でＡｌ
−Ｌｉ合金板材として十分に使用できるものであった。

【００２２】

【表１】

【００２３】実施例２ 実施例１において、奇数回目の圧延終了毎に7 回( 総圧
延回数の50％に相当する回数）、片側10mmの幅方向圧延
を行った。その結果、耳割れの発生は完全に防止され
た。

【００２４】比較例１ 表２の試験鋳塊Ｎｏ．Ｅ（260mm 厚) を、450 ℃の温度
に10時間加熱したのち、540 ℃の温度に昇温して6 時間
保持し、ついで、420 ℃の温度で熱間圧延を開始した。
一回当たり圧下量15mmで圧延を行い、圧延一回毎に片側
15mmの幅方向圧延を行ったところ、圧延回数16回で板厚
20mmまで圧延されたが、圧延板の温度が230 ℃となり大
きな耳割れが生じた。

【００２５】実施例３ 比較例１において、熱間圧延開始温度を500 ℃とし、圧
延を380 ℃で終了したところ、耳割れは完全に防止され
た。

【００２６】実施例４ 表３の試験鋳塊Ｎｏ．Ｆ（260mm 厚) を、450 ℃の温度
で24時間加熱したのち、550 ℃の温度に昇温して10時間
保持し、ついで、550 ℃の温度で熱間圧延を開始した。
一回当たり圧下量を25mmとし、最初の圧延で片側15mmの
幅方向圧延を行い、10回の圧延と圧下量12mmの最終圧延
により、圧延終了温度450 ℃となり、板厚8mm の板材を
得た。板材には、板として全く使用できないレベルでは
ないが、かなりの耳割れが発生し、歩留りのわるいもの
となった。

【００２７】実施例５ 実施例４において、１回目、３回目および５回目の圧延
終了後に片側15mmの幅方向圧延を実施したところ、耳割
れは完全に防止された。

【００２８】比較例２ 実施例４において、熱間圧延開始温度を420 ℃としたと
ころ、圧延終了温度は210 ℃となり、板表面全面に縞状
の模様が生じ、板製品として不合格であった。

【００２９】実施例６ 表１の試験鋳塊Ｎｏ．Ｆと同一組成の鋳塊を、圧延面お
よび側面をそれぞれ10mm面削し、実施例４と同一の工程
で処理したところ、圧延板には10mm程度の耳割れが発生
しただけであった。

【００３０】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、Ａｌ−
Ｌｉ合金を熱間圧延する場合、耳割れ、圧延面割れなど
の割れ発生および縞模様などの表面欠陥の発生を防止す
ることができるＡｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方法が提供さ
れ、Ａｌ−Ｌｉ合金の実用化に有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａｌ−Ｌｉ合金の加工温度と限界加工率の関係
を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−166938（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−183750（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−158248（ＪＰ，Ａ) 特公 昭64−1543（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21B 3/00 C22C 21/00 C22F 1/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ａｌ−Ｌｉ合金を熱間圧延する方法にお
   いて、Ｌｉ0.5 〜3.0 ％（wt％、以下同じ）を含有し、
   さらにＣｕ1.0 〜3.0 ％（但し、Ｍｇが含有されない場
   合はＣｕ1.5 〜5.5 ％）、Ｍｇ0.5 〜2.0 ％、Ｚｒ0.06
   〜0.3 ％、Ｖ0.06〜0.3 ％、Ｍｎ0.06〜0.3 ％、Ｃｒ0.
   06〜0.3 ％、Ｔｉ0.02〜0.3 ％のうちの１種または２種
   以上を含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からな
   るＡｌ−Ｌｉ合金の鋳塊を５２０±５０℃の温度範囲に
   加熱して、１〜２４時間保持したのち、該温度範囲で熱
   間圧延を開始し、２５０℃以上の温度で熱間圧延を終了
   し、熱間圧延における１回の圧下量を、最終圧延を除い
   て３〜３０ｍｍとし、総圧延回数のうち２０％以上の回
   数の圧延段階で、圧延板側面部にそれぞれ片側５〜５０
   ｍｍの幅方向圧延を行うことを特徴とするＡｌ−Ｌｉ合
   金の熱間圧延方法。
2. 【請求項２】 Ａｌ−Ｌｉ合金を熱間圧延する方法にお
   いて、Ｌｉ0.5 〜3.0 ％を含有し、さらにＺｒ0.06〜0.
   3 ％、Ｖ0.06〜0.3 ％、Ｍｎ0.06〜0.3 ％、Ｃｒ0.06〜
   0.3 ％のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＡ
   ｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｌｉ合金の鋳塊
   を、４５０℃±３０℃の温度範囲に１〜３０時間加熱し
   たのち、５２０±５０℃の温度範囲に加熱して、１〜２
   ４時間保持し、ついで該温度範囲で熱間圧延を開始し、
   ２５０℃以上の温度で熱間圧延を終了し、熱間圧延にお
   ける１回の圧下量を、最終圧延を除いて３〜３０ｍｍと
   し、総圧延回数のうち２０％以上の回数の圧延段階で、
   圧延板側面部にそれぞれ片側５〜５０ｍｍの幅方向圧延
   を行うことを特徴とするＡｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方
   法。
3. 【請求項３】 請求項２において、Ａｌ−Ｌｉ合金がＬ
   ｉ0.5 〜3.0 ％を含有し、さらにＺｒ0.06〜0.3 ％、Ｖ
   0.06〜0.3 ％、Ｍｎ0.06〜0.3 ％、Ｃｒ0.06〜0.3 ％の
   うちの１種または２種以上、Ｃｕ1.0 〜3.0 ％（但し、
   Ｍｇが含有されない場合はＣｕ1.5 〜5.5 ％）、Ｍｇ0.
   5 〜2.0 ％のうちの１種以上およびＴｉ0.02〜0.3 ％を
   含有し、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる組成
   を有することを特徴とするＡｌ−Ｌｉ合金の熱間圧延方
   法。
4. 【請求項４】 前記Ａｌ−Ｌｉ合金の鋳塊の圧延面およ
   び側面が５ｍｍ以上切削され、粗度Ｒａが２μｍ以下、
   うねり２００μｍ以下に仕上げられていることを特徴と
   する請求項１〜３のいずれかに記載のＡｌ−Ｌｉ合金の
   熱間圧延方法。