JP4212893B2 - 構造材に用いる自硬化性アルミニウム合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、合金の組成に関し、より詳しくは、所定の形状を付与される構造材(Halbzeug fuer Strukturen)の材料として用いる自硬化性合金に関する。
【０００２】
自硬化性アルミニウム合金の、その金属材料としての用途は、構造材の材料として用いるというものである（ＧＯＳＴ規格４７８４−７４を参照されたい）。様々な自硬化性アルミニウム合金のうちに「ＡＭｇ６合金」と呼ばれているものがあり、この合金の成分量（質量％）は以下の通りである。
マグネシウム ５．８〜６．８
マンガン ０．５−０．８
チタン ０．０２〜０．１
ベリリウム ０．０００２〜０．００５
アルミニウム 残余
【０００３】
しかしながら、この組成の合金は機械的強度が十分でなく、特に、この合金を材料として使用し、冷間成形加工ないし熱間成形加工によって製造した構造材には、０．２％耐力が小さいという問題があった。
【０００４】
更に、構造材に用いる自硬化性アルミニウム合金の具体例としては、以下の化学成分量を持つ従来例が存在している（ロシア連邦特許第２０８５６０７号公報（ＩＰＣ分類 Ｃ２２Ｃ ２１／０６）を参照されたい）。
マグネシウム ３．９〜４．９
チタン ０．０１〜０．１
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．２０〜０．５０
セリウム ０．００１〜０．００４
アルミニウム 残余
【０００５】
この公知の合金は、製造工程における成形性が良好であり、耐蝕性に優れ、溶接性に優れ、更に、低温条件下での使用にも適しているが、しかしながら、静的強度及び動的強度が十分ではない。
【０００６】
本発明の主題は、構造材に用いる新規な自硬化性アルミニウム合金であって、マグネシウム、チタン、ベリリウム、ジルコニウム、スカンジウム、及びセリウムを含有することに加えて、マンガン、銅、及び亜鉛を含有し、更に、鉄及び珪素を含む元素群を含有しており、鉄と珪素との成分量比＝鉄の成分量（質量％）／珪素の成分量（質量％）が１〜５の範囲内にあり、質量％で表した上記成分の成分量が、
マグネシウム ５．０〜５．６
チタン ０．０１〜０．０５
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．１８〜０．３０
セリウム ０．００１〜０．００４
マンガン ０．０５〜０．１８
銅 ０．０５〜０．１５
亜鉛 ０．０５〜０．１５
鉄と珪素からなる元素群
０．０４〜０．２４
アルミニウム 残余
であるようにした自硬化性アルミニウム合金である。
【０００７】
本発明にかかる合金の、従来の合金との差違は、マンガン、銅、及び亜鉛を含有し、更に、鉄及び珪素を含む元素群を含有しており、鉄と珪素との成分量比＝鉄の成分量（質量％）／珪素の成分量（質量％）が１〜５の範囲内にあり、質量％で表した成分量が、
マグネシウム ５．０〜５．６
チタン ０．０１〜０．０５
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．１８〜０．３０
セリウム ０．００１〜０．００４
マンガン ０．０５〜０．１８
銅 ０．０５〜０．１５
亜鉛 ０．０５〜０．１５
鉄と珪素からなる元素群
０．０４〜０．２４
アルミニウム 残余
であるようにしたことにある。
【０００８】
本発明がもたらす技術上の効果は、合金の静的強度及び動的強度が増大することであり、それによって、例えば様々な航空機や宇宙航行機などの、また特に、超低温燃料を燃焼させて推力を得る宇宙航行機などの、静的荷重及び動的荷重が作用する構造体において、その構造体の使用寿命を延長し、操作の信頼性を向上させ、重量を軽減することが可能になる。
【０００９】
本発明にかかる成分量を有する合金は、その母相が、アルミニウムに固溶したマグネシウム、マンガン、銅、及び亜鉛から成る混晶によって形成されるため、延性に富んだものとなる。
【００１０】
この合金は、周期的に変動する動的荷重が作用する条件下で使用するのに特に適しており、この特性は、その母相が延性に富んでいることによるものである。更に、アルミニウム、スカンジウム、ジルコニウム、チタン、及びこの合金中に存在するその他の様々な遷移金属から成る、種々の金属間化合物が、二次析出によって、微細に分散した粒子として生成されるため、この合金は、大きな静的強度を有すると共に、周期的荷重が作用する際の亀裂伸展を阻止する、優れた亀裂伸展阻止能力を備えたものとなっている。また、鉄と珪素との成分量比の範囲の上限値及び下限値は、凝固の際に生成される種々の一次金属間化合物の組織構造を最適化し得る範囲を限定したものである。尚、それら一次金属間化合物は、主としてアルミニウム、鉄、及び珪素から成るものであって、合金の動的強度及び塑性変形能力を良好に維持しつつ、その静的強度を改善するものである。
【００１１】
【実施例】
アルミウム、マグネシウム、銅、及び亜鉛の各材料を使用し、また、添加材料として、いずれも２成分系の合金である、アルミニウム−チタン、アルミニウム−ベリリウム、アルミニウム−ジルコニウム、アルミニウム−スカンジウム、アルミニウム−セリウム、アルミニウム−マンガン、アルミニウム−鉄、及びシルミン（Ａｌ−Ｓｉ鋳造合金）を使用して、電気炉内において、それらの溶融混合物を調製した。そして、その溶融混合物から、半連続鋳造法を用いて、１６５×５５０ｍｍの大きさの、平板形状の、本発明にかかる成分量を有する合金のインゴットを製造した。製造した本発明の合金は、本発明にかかる成分量範囲の下限値に従ったもの（組成１）、成分量範囲内での最適値に従ったもの（組成２）、それに、成分量範囲の上限値に従ったもの（組成３）の３種類である。また更に、本発明にかかる成分量範囲から逸脱した２種類の合金（組成４及び５）と、従来の組成の合金（組成６）とを同様にして製造した。以上の組成を示したのが表１である。
【００１２】
尚、本発明にかかる合金を工業的に製造する際には、アルミニウム−マグネシウム合金の金属スクラップを、添加材料として使用するようにしてもよい。
【００１３】
製造したインゴットの各々に均質化処理を施した後に、それらインゴットを、機械加工によって、１４０ｍｍの厚さに仕上げた。続いて、４００℃の熱間圧延加工によってその厚さを７ｍｍにまで減じ、更に、冷間圧延加工によってその厚さを４ｍｍにまで減じた。こうして冷間圧延板として製作した合金板に、続いて電気炉内で熱処理を施した。そして、熱処理が完了した合金板から試験片を切り出した。
【００１４】
夫々の合金板から切り出した試験片は、横型標準試験片であり、それらを使用して、静的引張強度（Ｒm、Ｒp0.2、Ａ）と、動的強度とを試験した。また、それらの試験は、以下のようにして行った。
−短期破壊強度（ＬＣＦ）を試験するために、破壊に至るまでの荷重反復回数（Ｎ）を計測した。また、この試験は、ノッチ係数をＫt＝２．５とし、最大応力をσmax＝１６０ＭＰａとして行った。
−亀裂伸展速度ｄａ／ｄＮを計測する試験を行った。この試験は、応力集中係数をΔＫ＝３１．２ＭＰａ√ｍの近傍に設定して行った。
−２次元応力状態における限界応力集中係数Ｋcを計測する試験を行った。この試験は、幅（Ｂ）が１６０ｍｍの試験片を使用して行った。
尚、以上の試験は全て、室温下で行った。
【００１５】
以上の試験の結果を示したのが表２である。
表２から明らかなように、本発明にかかる合金は、静的強度及び動的強度が共に従来の合金より優れている。そのため、本発明にかかる合金を用いて構造体を製作することにより、１０〜１５％の軽量化を達成することができ、それによって、例えば航空機等の操作運用コストを低減することができる。これは航空産業においては非常に重要なことである。更に、本発明にかかる合金は、静的荷重及び動的荷重が作用する条件下で好適に用い得るものであり、しかも、本発明にかかる合金は、耐蝕性及び溶接性に優れた自硬化性合金であるため、最新の航空機や宇宙航行機、船舶、陸上交通車両、並びにその他の、構造部材を溶接により接合する様々な車両等にとって有用なものである。更に、本発明にかかる合金は、溶接構造体の基礎材料としても、また、溶接部に添加する溶接添加材料としても有用なものである。
【００１６】
【表１】
【００１７】
【表２】
本発明は、合金の組成に関し、より詳しくは、所定の形状を付与される構造材(Halbzeug fuer Strukturen)の材料として用いる自硬化性合金に関する。
【０００２】
自硬化性アルミニウム合金の、その金属材料としての用途は、構造材の材料として用いるというものである（ＧＯＳＴ規格４７８４−７４を参照されたい）。様々な自硬化性アルミニウム合金のうちに「ＡＭｇ６合金」と呼ばれているものがあり、この合金の成分量（質量％）は以下の通りである。
マグネシウム ５．８〜６．８
マンガン ０．５−０．８
チタン ０．０２〜０．１
ベリリウム ０．０００２〜０．００５
アルミニウム 残余
【０００３】
しかしながら、この組成の合金は機械的強度が十分でなく、特に、この合金を材料として使用し、冷間成形加工ないし熱間成形加工によって製造した構造材には、０．２％耐力が小さいという問題があった。
【０００４】
更に、構造材に用いる自硬化性アルミニウム合金の具体例としては、以下の化学成分量を持つ従来例が存在している（ロシア連邦特許第２０８５６０７号公報（ＩＰＣ分類 Ｃ２２Ｃ ２１／０６）を参照されたい）。
マグネシウム ３．９〜４．９
チタン ０．０１〜０．１
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．２０〜０．５０
セリウム ０．００１〜０．００４
アルミニウム 残余
【０００５】
この公知の合金は、製造工程における成形性が良好であり、耐蝕性に優れ、溶接性に優れ、更に、低温条件下での使用にも適しているが、しかしながら、静的強度及び動的強度が十分ではない。
【０００６】
本発明の主題は、構造材に用いる新規な自硬化性アルミニウム合金であって、マグネシウム、チタン、ベリリウム、ジルコニウム、スカンジウム、及びセリウムを含有することに加えて、マンガン、銅、及び亜鉛を含有し、更に、鉄及び珪素を含む元素群を含有しており、鉄と珪素との成分量比＝鉄の成分量（質量％）／珪素の成分量（質量％）が１〜５の範囲内にあり、質量％で表した上記成分の成分量が、
マグネシウム ５．０〜５．６
チタン ０．０１〜０．０５
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．１８〜０．３０
セリウム ０．００１〜０．００４
マンガン ０．０５〜０．１８
銅 ０．０５〜０．１５
亜鉛 ０．０５〜０．１５
鉄と珪素からなる元素群
０．０４〜０．２４
アルミニウム 残余
であるようにした自硬化性アルミニウム合金である。
【０００７】
本発明にかかる合金の、従来の合金との差違は、マンガン、銅、及び亜鉛を含有し、更に、鉄及び珪素を含む元素群を含有しており、鉄と珪素との成分量比＝鉄の成分量（質量％）／珪素の成分量（質量％）が１〜５の範囲内にあり、質量％で表した成分量が、
マグネシウム ５．０〜５．６
チタン ０．０１〜０．０５
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．１８〜０．３０
セリウム ０．００１〜０．００４
マンガン ０．０５〜０．１８
銅 ０．０５〜０．１５
亜鉛 ０．０５〜０．１５
鉄と珪素からなる元素群
０．０４〜０．２４
アルミニウム 残余
であるようにしたことにある。
【０００８】
本発明がもたらす技術上の効果は、合金の静的強度及び動的強度が増大することであり、それによって、例えば様々な航空機や宇宙航行機などの、また特に、超低温燃料を燃焼させて推力を得る宇宙航行機などの、静的荷重及び動的荷重が作用する構造体において、その構造体の使用寿命を延長し、操作の信頼性を向上させ、重量を軽減することが可能になる。
【０００９】
本発明にかかる成分量を有する合金は、その母相が、アルミニウムに固溶したマグネシウム、マンガン、銅、及び亜鉛から成る混晶によって形成されるため、延性に富んだものとなる。
【００１０】
この合金は、周期的に変動する動的荷重が作用する条件下で使用するのに特に適しており、この特性は、その母相が延性に富んでいることによるものである。更に、アルミニウム、スカンジウム、ジルコニウム、チタン、及びこの合金中に存在するその他の様々な遷移金属から成る、種々の金属間化合物が、二次析出によって、微細に分散した粒子として生成されるため、この合金は、大きな静的強度を有すると共に、周期的荷重が作用する際の亀裂伸展を阻止する、優れた亀裂伸展阻止能力を備えたものとなっている。また、鉄と珪素との成分量比の範囲の上限値及び下限値は、凝固の際に生成される種々の一次金属間化合物の組織構造を最適化し得る範囲を限定したものである。尚、それら一次金属間化合物は、主としてアルミニウム、鉄、及び珪素から成るものであって、合金の動的強度及び塑性変形能力を良好に維持しつつ、その静的強度を改善するものである。
【００１１】
【実施例】
アルミウム、マグネシウム、銅、及び亜鉛の各材料を使用し、また、添加材料として、いずれも２成分系の合金である、アルミニウム−チタン、アルミニウム−ベリリウム、アルミニウム−ジルコニウム、アルミニウム−スカンジウム、アルミニウム−セリウム、アルミニウム−マンガン、アルミニウム−鉄、及びシルミン（Ａｌ−Ｓｉ鋳造合金）を使用して、電気炉内において、それらの溶融混合物を調製した。そして、その溶融混合物から、半連続鋳造法を用いて、１６５×５５０ｍｍの大きさの、平板形状の、本発明にかかる成分量を有する合金のインゴットを製造した。製造した本発明の合金は、本発明にかかる成分量範囲の下限値に従ったもの（組成１）、成分量範囲内での最適値に従ったもの（組成２）、それに、成分量範囲の上限値に従ったもの（組成３）の３種類である。また更に、本発明にかかる成分量範囲から逸脱した２種類の合金（組成４及び５）と、従来の組成の合金（組成６）とを同様にして製造した。以上の組成を示したのが表１である。
【００１２】
尚、本発明にかかる合金を工業的に製造する際には、アルミニウム−マグネシウム合金の金属スクラップを、添加材料として使用するようにしてもよい。
【００１３】
製造したインゴットの各々に均質化処理を施した後に、それらインゴットを、機械加工によって、１４０ｍｍの厚さに仕上げた。続いて、４００℃の熱間圧延加工によってその厚さを７ｍｍにまで減じ、更に、冷間圧延加工によってその厚さを４ｍｍにまで減じた。こうして冷間圧延板として製作した合金板に、続いて電気炉内で熱処理を施した。そして、熱処理が完了した合金板から試験片を切り出した。
【００１４】
夫々の合金板から切り出した試験片は、横型標準試験片であり、それらを使用して、静的引張強度（Ｒm、Ｒp0.2、Ａ）と、動的強度とを試験した。また、それらの試験は、以下のようにして行った。
−短期破壊強度（ＬＣＦ）を試験するために、破壊に至るまでの荷重反復回数（Ｎ）を計測した。また、この試験は、ノッチ係数をＫt＝２．５とし、最大応力をσmax＝１６０ＭＰａとして行った。
−亀裂伸展速度ｄａ／ｄＮを計測する試験を行った。この試験は、応力集中係数をΔＫ＝３１．２ＭＰａ√ｍの近傍に設定して行った。
−２次元応力状態における限界応力集中係数Ｋcを計測する試験を行った。この試験は、幅（Ｂ）が１６０ｍｍの試験片を使用して行った。
尚、以上の試験は全て、室温下で行った。
【００１５】
以上の試験の結果を示したのが表２である。
表２から明らかなように、本発明にかかる合金は、静的強度及び動的強度が共に従来の合金より優れている。そのため、本発明にかかる合金を用いて構造体を製作することにより、１０〜１５％の軽量化を達成することができ、それによって、例えば航空機等の操作運用コストを低減することができる。これは航空産業においては非常に重要なことである。更に、本発明にかかる合金は、静的荷重及び動的荷重が作用する条件下で好適に用い得るものであり、しかも、本発明にかかる合金は、耐蝕性及び溶接性に優れた自硬化性合金であるため、最新の航空機や宇宙航行機、船舶、陸上交通車両、並びにその他の、構造部材を溶接により接合する様々な車両等にとって有用なものである。更に、本発明にかかる合金は、溶接構造体の基礎材料としても、また、溶接部に添加する溶接添加材料としても有用なものである。
【００１６】
【表１】
【表２】
Claims (1)
- 構造材に用いる自硬化性アルミニウム合金であって、
マグネシウム、チタン、ベリリウム、ジルコニウム、スカンジウム、及びセリウムを含有することに加えて、マンガン、銅、及び亜鉛を含有し、更に、鉄及び珪素を含む元素群を含有しており、鉄と珪素との成分量比＝鉄の成分量（質量％）／珪素の成分量（質量％）が１〜５の範囲内にあり、質量％で表した上記成分の成分量が、
マグネシウム ５．０〜５．６
チタン ０．０１〜０．０５
ベリリウム ０．０００１〜０．００５
ジルコニウム ０．０５〜０．１５
スカンジウム ０．１８〜０．３０
セリウム ０．００１〜０．００４
マンガン ０．０５〜０．１８
銅 ０．０５〜０．１５
亜鉛 ０．０５〜０．１５
鉄と珪素からなる元素群
０．０４〜０．２４
アルミニウム 残余
であることを特徴とする自硬化性アルミニウム合金。
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