JP3903412B2

JP3903412B2 - アルミニウム−リチウム合金

Info

Publication number: JP3903412B2
Application number: JP2000569030A
Authority: JP
Inventors: バイン，ウエンデイ・ジエーン; タラント，アンドリユー・デイビツド
Original assignee: キネテイツク・リミテツド
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: US6485583B1; GB2341612A; AU5638299A; KR20010073098A; AU760734B2; GB2363389A; GB2363389B; CA2341260A1; GB9819083D0; DE69909307D1; EP1114198A1; JP2003518551A; WO2000014291A1; DE69909307T2; ATE244317T1; GB0103338D0; EP1114198B1

Description

【０００１】
本発明は、高強度等方分散強化アルミニウム−リチウム合金に関し、詳しくは、その合金から製造される鍛造、押出または圧延製品に向けて機械的合金化経路を経由して製造するために適する該アルミニウム−リチウム合金に関する。
【０００２】
近年、航空機産業、自動車産業および電気産業における先進的な設計の要求を満足させるべく高強度アルミニウムを開発するために相当な研究努力が費やされてきた。リチウムの添加には比重と弾性率に関してアルミニウムの特性を改善する可能性があるので、アルミニウム−リチウム合金はこれらの分野で関心が高い。リチウムの添加レベルは、合金を熱処理可能にし、従ってその特性を損なうδ’相Ａｌ_３Ｌｉの沈殿を避けるように選択される。マトリックス中でのリチウムの溶解度を低下させるためにマグネシウムを添加することも知られおり、従って、マグネシウムの添加によって、合金は時効硬化されやすくなることが可能である。マグネシウムには、固溶体強化の成分を添加する別の利点がある。幾つかの先進的設計用途に対する適格性を満足させるために、必要な比重、強度、耐腐蝕性、破壊靱性および延性を含む特性要件の組合せが満たされなければならない。
【０００３】
分散強化粉末を製造するための機械的合金化として知られている技術の使用は、例えば、ＵＫ第１，２６５，４３２号、米国特許第３，５９１、３６２号、第３，７４０，２１０号および第３，８１６，０８０号において完全に実証されている。前述した特許に記載されたような機械的合金化は、高エネルギー衝突粉砕中に微粉の混合物の破砕および再融合によって均一微細分散均質金属粉末を製造するための方法である。機械的合金化材料は、炭化物および／または酸化物などの均一分布分散質粒子によって安定化される微粒子構造を特徴とする。殆どの用途の場合、機械的合金化によって製造された粉末は、例えば、材料を脱気し、その後圧縮することによって後で塊状に固結される。複雑な部品に向けて製造する場合、この後に、押出、圧延または鍛造することができる。
【０００４】
しかし、これらの技術に関わる問題は、これらの技術は高価で時間がかかり、従来の炭素レベルを用いて機械的に合金化された粉末の取扱および処理にはこれに伴う健康と安全の問題があり、また機械的な特性要件を均衡させることが難しい可能性があることである。
【０００５】
上述した方法によって製造され強度が増したアルミニウム−リチウム−マグネシウム合金は、ＥＰ第０，１８０，１４４号において開示されている。熱処理プロセスの結果として強度の低下を被らない熱処理可能なアルミニウム−リチウム合金は、ＥＰ第０，１９４，７００号において開示されている。米国特許第４，６００，５５６号には、許容できない延性損失を伴わずに改善された強度および破壊靱性をもつアルミニウム−リチウム−マグネシウム合金が開示されている。驚くべきことに、高（４〜６％）マグネシウム含有率が靱性を高め、リチウム含有率が１．６％未満であるかぎりδ’相沈殿を起こさないことが今回見出された。
【０００６】
本発明の目的は、機械的特性、特に等方強度および破壊靱性が改善されているのみでなく健康と安全の問題が軽減したアルミニウム合金を提供することである。これらの材料の最終的な製品形態は複雑な形状であることが多いため、本発明の別の目的は、必要な特性を保持しつつ費用効果に優れた技術を用いて製造し成形できるアルミニウム合金を提供することである。
【０００７】
本発明は、リチウム１．２重量％〜１．６重量％、マグネシウム４．０重量％〜６．０重量％、炭素０．１５重量％〜０．７重量％、酸素１．０重量％以下、一種以上の別の粒子制御元素合計で２．０重量％以下および偶発的不純物を除く残部としてのアルミニウムを含む組成を有する分散強化アルミニウム系合金を提供することに関する。
【０００８】
主たる合金化用の元素はリチウムとマグネシウムであり、微細構造の最適化および制御のために適するとして当該技術分野において確立されたものから選択される一種以上の元素２．０％以下が任意にさらに添加される。好ましくは、これらの別の粒子制御元素は、０．２％以下のスカンジウム、チタン、バナジウムおよびニオブ、０．５％以下、好ましくは０．２％以下のニッケルおよびクロム、０．６％以下のハフニウムならびに０．５％以下のセリウムから選択される。
【０００９】
合金中の炭素および酸素は、一般に、機械的合金化プロセス中に添加されるプロセス制御剤によって提供される。本発明によると、この合金中の炭素レベルは、機械的合金化粉末のために通常用いられるレベルより少ないが、機械的合金化粉末の製造を可能にするために十分であり、また多くの利点を有する。系中の炭素および炭化物は、一般に、製造された製品中の粒界を変え、それは、結果として材料の破壊靱性を低下させる。本発明者らは、系中の炭素のレベルを減少させることにより、粒界に存在する量を同様に減少させ、よって応力集中部の存在を減少させると結論を下した。従って、割れの伝播は、より難しく、破壊靱性は高められる。機械的合金化粉末中の高レベルの炭素の取扱および処理にはこれに伴う健康と安全の問題があり、１％未満の炭素を添加する時にその問題は緩和される。本発明により低レベルの炭素を用いて製造された粉砕粉末の別の利点は、粉末がより粗いので取扱がより容易なことである。低レベルの炭素を有することによるもう一つの利点は、粉末の粉砕時間を短縮できることである。これは、機械的合金化段階が時間がかかり高価なので重要である。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態において、アルミニウム合金は、リチウム１．２重量％〜１．４重量％、マグネシウム４．５重量％〜５．５重量％、炭素０．２５重量％〜０．３５重量％、酸素１．０重量％以下を含有する。これらの合金化のための添加レベルは良好な特性バランスをもたらす。リチウムとマグネシウムの特性は、マグネシウムの添加により生じる固溶体強化の効果がリチウムの添加レベルによって大幅には低下されないような特性である。
【００１１】
本発明による合金は、改善された等方引張性能、破壊靱性および耐腐蝕性を示すこともわかった。
【００１２】
製造のための一つの経路において、合金を機械的に合金化することができ、得られた粉末を脱気し、ビレットに向けて圧縮することができる。当業者は、ビレットを製造するために使用できる多くの異なる方法があることを了解するであろう。熱間等静圧圧縮成形（ＨＩＰ）は一例である。
押出、圧延、鍛造または他の公知の方法によって最終製品形態に向けてビレットを製造することができる。殆ど廃棄物を伴わずに複雑な部品を製造しようとする場合、使用するべき好ましい製造経路は鍛造である。鍛造によって、複雑な部品を極めて少ない材料廃棄にしかならない正味に近い形状で製造することが可能となり、製品の後製造作業を最小に保つことが可能となる。鍛造段階における二つの重要なパラメータは、ビレットが経る鍛造温度および圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）の量とタイプである。
【００１３】
鍛造温度は、合金の冶金学的構造に対して重要である。鍛造温度が高すぎれば合金中の粒子は成長し、それは最終製品の強度を低下させ、よって機械的合金化粉末の製造において得られる利点が低下する。型の温度、型に入る前のビレットの温度、鍛造の速度、鍛造における圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）の量および最終部品の厚さを含む多くの要因は、合金が鍛造中に到達する温度に影響を及ぼす。これらの要因は、異なる部品の機械的特性の差に影響を及ぼすのみでなく、同じ部品内の機械的特性の差にも影響を及ぼす。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態は、合金を２５０〜４５０℃の範囲内の温度で鍛造することを特徴とする。より好ましい実施形態において、合金ビレットは３００〜４００℃の範囲内で鍛造される。
【００１５】
鍛造段階において用いられる圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）の量とタイプは、鍛造の温度および製品の機械的特性の両方に影響を及ぼす。鍛造中にビレット中に生じる剪断応力は、機械的合金化材料の粉末粒子上に存在する酸化物境界の破壊を引き起こす。これらの酸化物境界の破壊によって、鍛造プロセスは酸化物を材料に分散させ、よって大きな酸化物粒子が鍛造製品の粒界上に存在する可能性を減少させる。これは、次に、改善された機械的特性をもつ製品をもたらす。用いられる圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）の量とタイプは、用いられる鍛造プロセスのタイプにある程度依存する。自由鍛造において、合金の延性を十分に引き出すためには、８：１より大きい圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）比が必要である。加工がより制約される型鍛造においては、より低い圧延（ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）比が十分である。
【００１６】
以下の表は、本発明による四種の合金を示し、その構成成分と機械的特性を示している。破壊靱性を除くすべての特性において、表に示した値は、異なる試験方向から取った平均である。破壊靱性の結果はＴ−Ｌ方向から取ったものである。機械的合金化を用いてアルミニウム合金を製造した。粉末を圧縮し、得られたビレットを３００℃で鍛造した。
【００１７】
【表１】

Claims

（１）リチウム１．２重量％〜１．４重量％、
マグネシウム４．５重量％〜５．５重量％、
炭素０．２５重量％〜０．４０重量％、
酸素１．０重量％以下、
さらに任意に、０．２重量％以下のスカンジウム、チタン、バナジウムおよびニオブ、０．５重量％以下のニッケルおよびクロム、０．６重量％以下のハフニウムおよび０．５重量％以下のセリウムから選択される粒子制御元素を２．０重量％以下含んでいてもよく、
残部がアルミニウム及び偶発的不純物
の組成を有する機械的合金化粉末を調製する工程、
（２）該粉末を高温で脱気し固結させる工程、続いて、
（３）脱気し固結した粉末を同一組成の最終製品形態に向けて製造する工程
を含む、アルミニウム系合金製品を製造する方法。
前記脱気し固結した粉末を最終製品に向けて製造する工程を２５０〜４５０℃の間の温度での鍛造工程を用いて行う請求項１に記載の方法。
前記鍛造工程を３００〜４００℃の温度で行う請求項２に記載の方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法により得られるアルミニウム系合金製品。