JP3833348B2

JP3833348B2 - 光輝性アルミニウム材の製造方法

Info

Publication number: JP3833348B2
Application number: JP19499397A
Authority: JP
Inventors: 恵太郎山口
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Priority date: 1997-07-04
Filing date: 1997-07-04
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2017-07-04
Also published as: JPH1121648A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用ホイールに好適な光輝性アルミニウム材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２輪車を含む自動車等の車両に用いられるホイールは、軽量化による燃費の向上や運動性能の向上、またはデザイン性からアルミホイールの使用が活発である。このアルミホイールのデザインに関して、表面の光の反射性、すなわち光輝性を向上させたものが、主に３ピースホイールの分野において高級品として販売されている。
光輝性向上の手法には、ダイヤモンドバイトで表面を精密切削仕上し、無色クロメートで下地処理した後、クリヤー塗料を塗布する方法やクロムメッキ等のメッキ処理を行う方法、または、バフ研磨処理した後に化学研磨処理し、さらにアルマイト処理で光輝性を得る方法等がある。このなかで、切削処理によるものは下地処理や塗料により光輝性が低下するため満足できる光輝性は得られない。また、メッキによるものは、メッキ膜の密着性を向上させるために多層メッキが必要とされ、コスト高となる問題がある。一方、化学研磨とアルマイトで仕上げる場合には、素材であるアルミニウムの質感を生かし、コスト的にも適当であることから、この処理方法によって光輝性が得られる素材が強く要求されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、化学研磨とアルマイトを組み合わせて光輝性を得る方法においては、素材のＦｅ含有量が低いほど光輝性が良いことが知られており、光輝性を高めるためにＦｅ含有量を０．０２％以下にしたアルミニウム材が開発されている。しかし、素材のＦｅ含有量を低下させるためには、地金の純度を高純度化させることが必要であり、材料費が嵩んでコストが上昇するという問題がある。
【０００４】
ところで、上記した光輝性の処理（化学研磨、アルマイト処理）においては、化学研磨によって表面部のＦｅ晶出物が溶解されることが予想されるが、上述したように、Ｆｅの含有量が多いと化学研磨にも拘わらず光輝性が顕著に低下する。この原因につき調査したところ、化学研磨の際に、Ｆｅ晶出物とマトリックスとの溶解電位差（マトリックスが低い）によりマトリックスが優先的に溶解され、Ｆｅ晶出物が十分に溶解されないとともに、Ｆｅ晶出物の周囲にピットが形成されていることが判明した。上記のようにして十分に溶解されなかったＦｅ晶出物はアルマイト処理に際しアルマイト膜に取り込まれて光輝性を損ない、また上記ピットは凹凸形状を形成して光輝性をさらに低下させることになる。
【０００５】
本発明者は、上記知見を基に、Ｆｅ含有量を格別に低減しないでも良好な光輝性を得られる材料組成及び製造条件について検討を行い、その過程で、Ｃｕ量を多く含有させることによってマトリックスの溶解電位を上げる試みを行った。しかし、Ｃｕ量が０．２０％未満の場合には、Ｃｕの増量に伴って光輝性が改善されるが、それ以上にＣｕ量を増やすと、０．２０％をピークにしてそれ以降、却って光輝性が低下することが分かった。この原因について調査したところ、図１に示すように、０．２０％未満のＣｕ含有では、Ｃｕ量の増大に伴って徐々にマトリックスの溶解電位が上がるものの、０．２０％を越えると、これと逆に溶解電位が徐々に下がっていることが判明した。これは、Ｃｕ量が０．２０％を越えると製造過程の焼鈍などに起因してＡｌＭｇＣｕ系析出物が生成されるようになり、Ｃｕの増量に伴って析出物の生成が急激に助長されて上記Ｃｕによる溶解電位を挙げる作用が大幅に低下するためと考えられる。また、上記析出物自身が光輝性を低下させる原因にもなる。
【０００６】
本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、光輝性を阻害するＦｅ晶出物の悪影響を排除して、よってＦｅ含有量を格別に軽減することなく低コストで優れた光輝性を得ることができる光輝性アルミニウム材の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光輝性アルミニウム材の製造方法は、重量％で、Ｍｇ：２．５〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．１２〜０．２５％、Ｆｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金を熱間加工後に、５１０〜５６０℃で２０秒〜１２０分保持した後、４℃／秒以上の冷却速度で急冷することを特徴とする。
また、請求項２記載の本発明の光輝性に優れたアルミニウム材の製造方法は、請求項１記載の発明において、前記急冷後のＣｕ系析出物（粒径１μｍ以上）の析出量が平均で６×１０^５個／ｃｍ^２以下であることを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、適切な成分調整の基にＣｕを適量含有させるとともに、製造過程でのＣｕ析出物（ＣｕＭｇＡｌ₂，ＣｕＡｌ₂等）の生成を抑えることにより、図１に示すようにＣｕ含有によるマトリックス電位の上昇作用を確実に得ることができる。特に熱間圧延後に通常行われている焼鈍処理をできるだけ行わず、特定の条件の熱処理を行うことによりＣｕ析出物の形成が防止され、マトリックス電位の上昇作用がより大きく得られる。また、所望によりＣｕに加えてＣｒを含有させれば、図１に示すようにマトリックスの溶解電位を一層上昇させることができる。
なお、上記Ｃｕ系析出物の生成の抑制では、粒径１μｍ以上のＣｕ系析出物を平均で６×１０⁵個／ｃｍ²以下とするのが望ましい。これは、粒径が１μｍ以上のＣｕ系析出物が光輝性に大きく影響するためである。また、Ｃｕ系析出物は、材料全体において上記数値を満たすのがより望ましいが、平均で上記数値を満たすものであれば明らかに光輝性によい結果を与える。
上記アルミニウム材に化学的な研磨を施せば、Ｆｅ晶出物およびマトリックスがほぼ一様に溶解され、ピットの形成もほとんどないため、平滑度に優れた表面性状が得られる。このアルミニウム材にアルマイト等の表面被膜処理を行えば、優れた光輝性を有する材料が得られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム材は、以下に示す組成を有しており、常法により成分を調整して溶製することができる。先ず、本発明の組成の限定理由および溶体化処理条件の限定理由を以下に説明する。
材料組成
［１］Ｍｇ含有量：２．５〜３．５％
ＭｇはＡｌに対して比較的高い固溶度を有しており、合金の強度を高めるために添加する。Ｍｇの添加量が２．５％未満では例えばホイール材としての強度が不足する。一方、３．５％を越えると応力腐食割れの危険が生じるため、上記範囲とする。なお、同様の理由で下限を２．８％、上限を３．２％とするのが望ましい。
【００１０】
［２］Ｃｕ含有量：０．０５〜０．５％
Ｃｕは材料の溶解電位を調整する（マトリックス電位を上昇させる）ために添加する。Ｃｕは微量な添加でも溶解電位に大きく影響を及ぼすが、０．０５％未満では電位上昇の作用が十分でなく、圧延により生じる結晶粒毎の溶解電位のばらつきが化学研磨処理に影響し、結晶毎に溶解速度の差を生じて粗面化し、化学研磨での光輝性が得られない。また、Ｆｅが含有される合金では、マトリックスとの溶解電位が大きいために化学研磨時にＦｅ系晶出物（主に鋳造で生成）が十分に溶解されず、さらに晶出物の回りに凹凸が形成されて光輝性を損なう。
これに対し、Ｃｕを０．０５％以上含有させて地の溶解電位を十分に上昇させれば、結晶粒毎の溶解速度差が小さくなり、化学研磨が良好になされる。また、地の溶解電位がＦｅ系晶出物のそれに近い電位まで上昇するので、化学研磨時に表面が均一に溶解されるようになり化学研磨面の光輝性が優れたものになる。ただし、Ｃｕ含有量が０．５％を越えると、電位変化に対する作用は飽和するとともに、ホイールの耐食性が低下するため上限は０．５％とする。
なお、同様の理由で、下限を０．１５％、上限を０．４５％とするのが望ましく、さらに、下限を０．２５％、上限を０．３５％とするのが一層望ましい。
【００１１】
［３］Ｃｒ含有量：０．１２〜０．２５％
Ｃｒは材料の地の電位を一層上昇させる作用があり、化学研磨表面の光輝性を増すために選択的に添加する。ただし、Ｃｒ含有量が０．１２％よりも低いと電位調整の効果が不十分となり、一方、０．２５％を越えると電位に及ぼす影響は飽和するとともに、巨大な金属間化合物が形成するようになり、成形性や疲労強度を損なうとともに、アルマイト膜を着色させて光輝性を低下させるので、Ｃｒ含有量を上記範囲とする。なお、同様の理由で、上限を０．２０％とするのが望ましく、さらに、上限を０．１８％とするのが一層望ましい。
【００１２】
［４］Ｆｅ含有量：０．０６％以下
Ｆｅは不可避不純物として材料に含有されるものであり、前述したように、その含有量が低ければ低いほど光輝性は優れたものとなるが、本発明では上記Ｃｕ、Ｃｒの適切な含有による化学研磨性の向上により、Ｆｅ晶出物を含めて表面が均一に研磨されるので、Ｆｅ含有量を従来のように格別に低減（０．０２％以下）しないでも良好な光輝性を得ることができる。特に、従来においては、良好な光輝性が得られないとされていた０．０３％以上のＦｅ含有材においてＣｕまたは／およびＣｒの上記含有による効果が極めて顕著に現れる。
ただし、Ｆｅ含有によるＦｅ晶出物は主に鋳造時に生じ、本発明の熱処理を施しても再固溶はほとんどないので、Ｆｅの含有量が増えるに連れてＦｅ晶出物量も増える。そしてＦｅが０．０６％を越えると、Ｃｕ、Ｃｒの適切な含有によっても、多量のＦｅ晶出物に起因して十分な光輝性を得ることが困難になり、アルマイト膜の着色が大きくなって光輝性は大きく低下してしまう。したがって、Ｆｅ含有量は、０．０６％以下にする必要がある。
また、Ｆｅ含有量の低減は、Ｃｕ、Ｃｒ量の調整がなされていない場合に比べれば光輝性向上効果は小さいものの、本発明においても、その低減は光輝性の向上に寄与するので、コストよりも光輝性を重視する場合には、Ｆｅ含有量を十分に低減することも可能である。ただし、Ｆｅ含有量を０．０１％未満に低下させても光輝性の向上効果は次第に小さくなり、一方、原料としての地金純度は益々要求が高くなり、コスト的にも極めて不利になるため、Ｆｅ含有量の下限は０．０１％とするのが望ましい。
【００１３】
［５］Ｓｉ含有量：０．０６％以下
Ｓｉも不純物として材料に取り込まれるものであり、Ｆｅと同様の理由で制限する必要があり、その上限を０．０６％とする。なお、工業性を考慮すれば、下限を０．０１％とするのが望ましい。
ただし、ＳｉはＭｇが存在すると、Ｆｅ晶出物よりも溶解電位が低いＭｇ₂Ｓｉとなるため、Ｆｅ晶出物に比べると少ないＣｕ量でも均一溶解性が高くなり、したがって光輝性に及ぼす影響はＦｅに比べると比較的少ない。
【００１４】
なお、溶製時には、結晶粒を均一かつ微細化するために、Ｔｉを必要に応じて単独で、またはＢとともに添加することができる。ただし、その含有量が０．００１％未満ではその効果が小さく、０．１％越ではその効果が飽和するとともに、化学研磨面にピットを形成したりアルマイト膜を着色させて光輝性を低下させるので、Ｔｉを添加する場合には不純物として含有されるＴｉ量は、０．０００５〜０．１％に定めるのが望ましい。
【００１５】
溶製されたアルミニウム材は、所望により均質化処理等を行った後、必要に応じて熱間加工（圧延含む）、冷間加工（圧延含む）を行う。なお、本発明では、後工程で高温の熱処理を行うので、この熱処理によって均質化作用が得られており、上記均質化処理を省略することができる。ただし、所望により均質化処理を行うものであってもよい。
また、通常は材料をスピニング加工等によりホイールに成形可能なレベルにまで軟化させるために、二次成形加工前には３００℃前後で加熱する焼鈍処理を行うが、この焼鈍処理では、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系の析出が生じることから、本発明では、このような焼鈍処理はできるだけ避けて、特別に条件を定めた熱処理を行うことを望ましいものとしている（熱処理：４８０〜５６０℃で２０秒〜１２０分の加熱後、４℃／ｓｅｃ以上で急冷）。
本発明では上記のような焼鈍処理ではなく、５１０〜５６０℃の高温でＣｕやＣｒを固溶させ、続く急冷により固溶状態を保持する熱処理を施すことで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系化合物の析出により生じる光輝性の低下を抑制し、さらにＣｕやＣｒ等の合金成分の固溶による材料の地の電位上昇を有効に作用させ、化学研磨処理における溶解性の差を少なくし均一溶解を可能にする。特に、ＣｕとＣｒが固溶することで地の電位は大きく上昇し均一溶解性が増す。
なお、処理温度はＭｇ、Ｃｕ、Ｃｒが固溶する温度以上にする必要があり、そのため熱処理温度を５１０℃以上とした。また、このような成分の固溶は、温度が高いほど速やかになることから、高温になるほど短時間での処理が可能となるが、あまりに高温になると、材料の変形や酸化による着色が起こるため、上限を５５０℃とした。また、加熱時間は２０秒未満では、上記固溶が不十分であり、また１２０分を越えても効果は飽和するので、加熱時間を２０秒から１２０分とする。
【００１６】
上記加熱処理は、コイルによる連続処理や熱処理炉によるバッチ処理等により行うことができ、本発明としては特定の方法に限定されるものではない。
また、材料成分の固溶を保持するうえで、上記熱処理後の冷却速度も極めて重要であり、本発明では上記成分が冷却時に析出せず固溶状態が維持されるように、冷却速度を１℃／ｓｅｃ以上とした。特に、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系化合物が析出しやすい４００℃から２００℃の温度域を素早く冷却する（例えば１０℃／ｓｅｃ以上）ことが重要である。このような冷却速度を得る方法としては、ファンによる強制空冷や冷却剤を用いた冷却が例示されるが、本発明では、上記作用を確実に得るために、冷却剤（油や水）により（３００〜６００℃／ｓｅｃ）に急冷することが好ましく、４００℃／ｓｅｃ程度が最も好ましい。
【００１７】
その後は、鍛造、プレス成形等の二次成形加工を経てホイール等が得られる。二次成形加工後は、常法により光輝処理をすることができる。例えば、アルミニウム材の表面を切削や研磨により鏡面化する。
なお、本発明材としては、鏡面化に際し、仕上げ研磨として化学研磨を行うのが望ましい。これは、Ｃｕ、Ｃｒ量の調整により、Ｆｅ晶出物やその他の析出物とマトリックス地との溶解電位差が小さくなっているので、化学研磨時に表面が一様に溶解して平滑な研磨面を得ることができるためである。したがって、バフ研磨等の粗研磨を行った後、化学研磨を行うことにより低コストで鏡面化することができる。なお、化学研磨自体は常法により行うことができる。また、化学的な研磨を行うという点で、電解研磨を採用することも可能であり、上記化学研磨と同様に、研磨によって良好な平滑面を得ることができる。
【００１８】
上記鏡面処理後には、必要に応じてアルミニウム材表面を脱脂処理した後、水洗し、常法によりアルマイト処理を行うことができる。上記一連の光輝処理によって、質感を持ち、かつ光輝性に優れた製品を得ることができる。
なお、本発明の材料は、前記したように光輝性を持たせた高級な自動車ホイールに好適であるが、この用途に限定されるものではなく、光輝性を要求される他の用途への適用も可能である。
【００１９】
【実施例】
以下に、本発明の一実施例を説明する。
表１に示す供試材を常法により溶製し、通常の均質化処理（高温で８〜１０時間保持）を行うことなく、５１０℃で１時間均熱したのち、所定の熱間加工により５ｍｍ厚とし、さらに、表１に示す条件で熱処理（冷却条件含む）を施した。
上記熱処理後に上記供試材の一部を切り出して、顕微鏡による目視観察によって粒径１μｍ以上のＣｕ系析出物の個数を単位面積当たりで求めた。この結果は、個数が平均で６×１０⁵個／ｃｍ²以下のものを○、６×１０⁵個／ｃｍ²を越えるものを×として表２に示した。
さらに、熱処理後の各供試材を５０×５０ｍｍ²に切断し、エメリー＃１０００で研磨した後、０．３μｍのアルミナで研磨し、さらにラサ工業株式会社製の化学研磨処理液（商品名：ラサブライト）で化学研磨処理して鏡面に仕上げた。ついで、１５％硫酸中で１６Ｖの電解を行い、アルマイト膜を３μｍ形成するアルマイト処理を行い、光輝処理を完了した。
【００２０】
光輝性処理を行った各供試材について、以下の方法で反射率および光輝性の評価を行い、その結果を表２に示した。
［評価方法］
（１）光沢度計で銀鏡を１００％とした際の鏡面反射率をアルマイト処理後に測定し、その数値を表に示した。
（２）光輝性は表面の光沢と色味を含めた目視評価を行った。評価では、○：光輝性に優れる △：やや着色が感じられる ×：光輝性は劣るものとして判定し、その結果を、○、△、×により表中に示した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
表の結果より、発明材はいずれも反射率において比較材よりも高い数値を示しており、光輝性の目視評価ではさらに顕著な差異が認められた。
【００２４】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光輝性アルミニウム材の製造方法によれば、重量％で、Ｍｇ：２．５〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．１２〜０．２５％、Ｆｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金を熱間加工後に、５１０〜５６０℃で２０秒〜１２０分保持した後、４℃／秒以上の冷却速度で急冷するので、合金成分の析出、特にＣｕ系析出物の生成が抑止され、これら成分が十分に固溶したマトリックス地が得られるので、化学的研磨時に表面が一様に溶解して平滑な面が得られ、表面被膜形成後に優れた光輝性を有するアルミニウム材が確実に得られるという効果がある。
【００２５】
また、本発明の光輝性アルミニウム材の製造方法によれば、重量％で、Ｍｇ：２．５〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０〜０．２５％、Ｆｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金を熱間圧延後に、４８０〜５６０℃で２０秒〜１２０分保持した後、１℃／秒以上の冷却速度で急冷するので、合金成分の析出、特にＣｕ系析出物の生成が抑止され、これら成分が十分に固溶したマトリックス地が得られるので、光輝性に優れたアルミニウム材が確実に得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】各材料におけるＣｕ含有量とマトリックスの溶解電位との関係を示すグラフである。

Claims

重量％で、Ｍｇ：２．５〜３．５％、Ｃｕ：０．０５〜０．５０％、Ｃｒ：０．１２〜０．２５％、Ｆｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．０６％以下を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金を熱間加工後に、５１０〜５６０℃で２０秒〜１２０分保持した後、４℃／秒以上の冷却速度で急冷することを特徴とする光輝性アルミニウム材の製造方法。
前記急冷後のＣｕ系析出物（粒径１μｍ以上）の析出量が平均で６×１０ ^５個／ｃｍ ^２以下であることを特徴とする請求項１記載の光輝性アルミニウム材の製造方法。