JP4308834B2

JP4308834B2 - 連続的に鋳造アルミニウムシートを製造する方法

Info

Publication number: JP4308834B2
Application number: JP2006164179A
Authority: JP
Inventors: ラビ・バーマ
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-10-17
Also published as: US20040074627A1; US20040129353A1; JP3833208B2; DE60315232T2; US6811625B2; EP1411137A1; DE60315232D1; JP2004137601A; JP2006299420A; US7048816B2; EP1411137B1

Description

発明の詳細な説明

技術分野
本発明は、高伸長シート金属成形操作に適するシートストックを成形するための、連続的な鋳造アルミニウム合金の熱機械的プロセッシング（thermomechanical processing）
に関する。より詳しくは、本発明は、そのような高成形性シート材料を製造するための、マグネシウム及びマンガンを含有する連続的に鋳造されたアルミニウム合金に対する特定の連続した熱間圧延、巻き取り、アニーリング及び冷間圧延の操作に関する。

発明の背景
自動推進車両のボディパネルは、現在のところ、ある種のマグネシウム含有アルミニウム合金シートストックに適用される超塑性(高伸長)成形プロセスを使用して製造されている。現時点で、このシートストックは、特別に調製した、微細結晶粒（grain）の微細構
造アルミニウム合金5083である。AA5083は、重量基準で、約4〜5%のマグネシウム、0.4〜1%のマンガン、最大0.25%のクロム、約0.1%以下の銅、約0.4%以下の鉄、約0.4%以下のケ
イ素、及び残り実質的に全てのアルミニウムからなる公称組成を有する。一般に、この合金は、約700ミリメートルの厚さの大きなインゴットにチル鋳造（chill cast）され、長
い均質化熱処理に供される。その後、スラブは、シートの最終厚さという目標にいくぶん依存して、4〜8ミリメートルの範囲内のストリップまで一連の熱間圧延操作によって少しずつ厚さを減少させられ、巻き取られる。その後、巻かれたストリップは、可能な挿入アニーリングを有するステージにおいて、通常、約1〜3又は4ミリメートルの範囲内の最終
シート厚さに厳しい条件で冷間圧延される。

熱機械的プロセッシングの結果物は、平滑な表面のアルミニウムシートストックのコイルであり、その微細構造は非常にひずんでいる。ひずみが解放した微細結晶粒の微細構造(約10マイクロメートル未満の結晶粒)まで再結晶するために、このシート材料は適切な成形温度（例えば、450℃〜500℃）に加熱される。この条件において、シートブランクは、高二軸延伸領域を有する複雑な形状の物品に延伸成形することができる。

この特別に加工されたAA5083型材料は、自動車用ボディパネルなどの物品の製造に非常に有用である一方、同じ用途に長きに渡って使用されてきたより重い炭素鋼シートよりももっと高価である。超塑性成形SPFのような高伸長成形プロセス、比較的高温度、低ひず
み速度プロセスに供することができるより安価なアルミニウム合金シート材料に対する需要が存在する。「アルミニウム合金シート金属の迅速塑性成形」と題するRashidらによる米国特許第6,253,588号に開示されるような、より最近開発された迅速超塑性成形（quick
plastic forming process, QPF）におけるそのようなアルミニウムシート材料に対する
需要も存在する。QPFは、SPFに類似した高伸長シート金属成形プロセスである。しかし、QPFは、通常、SPFよりも多少低い成形温度、高ひずみ速度、及び異なる物理冶金学的成形のプロセスを含む。アルミニウム合金シート材料の実質的な伸長を含む他の成形プロセス（例えば、温間スタンピング及び温間ハイドロフォーミング）も、比較的低コスト、高成形性のアルミニウム合金シート材料の入手容易性からの利益を受けるだろう。

本発明の目的は、高変形性マグネシウム及びマンガン含有アルミニウム合金シート材料のより低いコストでの製造方法を提供することである。本発明のより詳細な目的は、連続的に鋳造されたアルミニウム合金をそのような比較的低コストで高伸長シートストックに転換するための熱機械的プロセスを提供することである。

発明の概要
本発明を実施することは、特に、重量基準で、3.5〜5.5%のマグネシウム、0.4〜1.6%のマンガン、0〜0.5%のクロム及び残りの実質的に全てのアルミニウムから本質的になるア
ルミニウム合金に適用できる。この合金は、鉄、ケイ素などの不純物の典型的なレベルを有する。合金は、重量基準で、4.5〜5%のマグネシウム及び0.5〜1%のマンガンを含むことが好ましい。

このような組成物の溶融合金は、連続鋳造機中で約6〜30ミリメートルのアズキャスト
ゲージ（as-cast gage）に鋳造される。アルミニウム合金用の様々な適当な連続鋳造機が市販されている。それらには、ツインベルト鋳造機、ツインロール鋳造機及びブロックタイプ鋳造機が含まれる。連続鋳造工程に固有の迅速冷却速度は、マンガン、クロム、他の元素などの溶質元素のほとんどが超飽和した固溶体中に残ることを確実にする。熱間鋳造されたスラブは、１〜３のスタンドタンデム熱間圧延ミルを直ちに通って、その厚さを減らし、アズキャスト樹枝状微細構造を発生させる。熱間圧延ミルにおける圧延温度及び減少レベルは、最終の熱間圧延されたストリップの出口温度が200℃〜350℃、好ましくは230℃〜330℃となるように管理される。この温度範囲は、金属中のいくつかの加工ひずみの保持を確保する。鋳造スラブから圧延されたストリップまでの正味のゲージの減少は30〜80%の範囲内であり、熱間圧延されたストリップの厚さは3〜10ミリメートル程度、効率よく巻き取ることができる最大の厚さである。好ましくは、ストリップは、最終圧延スタンドから得られるときに巻かれる。

巻かれた熱間圧延ストリップは、470℃〜560℃で、3〜25時間アニーリングされる。典
型的には、アニーリング工程は500℃〜550℃で5〜15時間行われて、鋳造及び熱間圧延さ
れたストリップの微細構造を均質化し、分散した金属間小粒子の形成においてアルミニウム固溶体からの溶質元素、マンガン、クロム及び微量元素（trace element）の析出を促
進することができる。これら粒子は、シート材料の最終プロセッシングにおいて有用な機能を果たす。勿論、均質化は、より高い温度でより速く完了させる。アニーリングに続き、コイルは、冷間圧延のために周囲温度（ambient temperature）に冷却される。

コイルは、冷間圧延スタンドを１回以上通して、ストリップの厚さの冷間減少を少なくとも50%、好ましくは50〜90%まで行う。適切には、１より多いステージが使用される場合、冷間圧延された材料は圧延ステージ間でアニーリングされない。冷間圧延の製品は、高伸長シート金属成形プロセスのための望ましい厚さの、厳しい条件で加工され、冷間圧延されたシートである。このシートは、典型的には、自動車のボディパネル等に熱間延伸成形するために約1〜3mmの厚さを有することになる。冷間圧延された材料の表面は、通常、平滑であり、成形品の商業的に許容できる視覚的外観の点で欠陥がない。このシートは、通常、冷間圧延ミルを離れるときに巻かれる。

冷間圧延されたシートは硬く、そのままでは、SPF、QPFなどの高伸長成形に適さない。この材料は加熱されて、厳しい条件で加工された微細構造を軟質で非常に微細な結晶粒を有する微細構造に再結晶させなければならない。高ひずみ微細構造は、特に、材料を適切なアニーリング温度に加熱したときに、再結晶のための有利な熱力学的推進力を与える。熱間圧延されたコイルのアニーリングの間に形成される金属間粒子は、再結晶アニーリング工程の間、新しい結晶粒のための核形成部位を与える。適切な再結晶は、冷間加工コイルが325℃〜525℃で加熱されるときは、数分以内に起こる。再結晶工程は、SPF又はQPF操作の前に適切な成形温度に加熱するために、コイル全体上で又はコイルから取り出したシート金属ブランク上で行ってもよい。再結晶された製品は、約5〜10マイクロメートルの
結晶粒サイズの微細構造を有する。上述したように、この結晶粒は、主に、分散した金属間小粒子を伴う、アルミニウムにおけるマグネシウムの固溶体である。

このプロセスのシート製品は、類似の組成物の慣用の直接チル(DC)バッチ鋳造合金から
製造されるシート製品に匹敵する成形性を有し、製造するにはより安価である。それは、シート金属の一部が比較的大きな二軸延伸の領域を受けることが予想される成形プロセスにおいて有用性を有する。本発明の他の目的及び利点は以下の好適な態様の説明から明らかとなる。

好適な態様の説明
例えば、重量基準で、4.7%のマグネシウム、0.8%のマンガン、0.25%のクロム、典型的
な不純物量の鉄及びケイ素及び残りのアルミニウムからなる公称組成物の溶融物を調製する。この溶融物を約700℃の温度でツインベルト型連続鋳造機中で使用して、長くて20mm
厚の合金スラブを製造する。

熱間鋳造スラブは、熱間圧延された３つのスタンドタンデム熱間圧延ミルを直ちに通って、この連続的に鋳造されたスラブの厚さを減少させ、樹枝状のアズキャスト結晶粒をより等軸化された（equi-axed）結晶粒に変換させる。熱間圧延されたストリップは、約300℃の温度及び厚さ7mmで最終ローラーを出る。熱間圧延されたストリップは、鋳造スラブ
の厚さについて約65%の厚み減少を受ける。勿論、ストリップは、長さが大きくなり、幅
もやや大きくなる。連続的に製造された熱間ストリップは、圧延ミルから出るときに巻かれる。コイルは、アニーリング炉に移され、560℃、5時間均質化される。アニーリングされたコイルは、周囲温度に放冷される。

冷間圧延装置が使用できるときは、熱間圧延されたコイルは巻き取られずに、例えば３パスで冷間圧延されて、約1.5mmのシート材料のゲージに厚さを80%減少させる。
シート材料は、500℃、10分間アニーリングされて、厳しい条件で加工され、冷間圧延
された微細構造を再結晶させる。その後、引張試験片をアニーリングされた1.5mm厚のシ
ート材料から切り出し、この合金のための超塑性成形条件下で試験した。言い換えれば、引張試験片は、500℃の温度に加熱され、10^-3S^-1の引張ひずみ速度に供されて、350%±10%の平均伸びを与えた。この伸び値は、慣用の直接チルバッチ鋳造法によって製造される
類似の組成物と同等である。この直接チルバッチ鋳造法では、比較的厚い(約700mm)イン
ゴットが鋳造され、アニーリングされ、広範囲に熱間加工され、その後、冷間圧延されて、比較的高価なシート材料が製造される。

制御された熱間圧延温度、巻き取り、アニーリング、続く冷間圧延からなる本発明の実施は、シート加工硬化に相乗的な効果をもたらす。この組み合わせは、他のプロセッシングシーケンスよりも硬いシート材料を生成する。増大したシート硬度は、増大した熱力学的ポテンシャルを有しており、再結晶の際に結晶粒の微細化を増大させる。こうして、より微細な結晶粒サイズのシートが、冷間加工された材料が加熱されて再結晶された後、生成する。標記の微細な結晶粒サイズのアルミニウム合金シートが、超塑性成形、迅速塑性成形などの高伸長成形操作について、より良い機械的性質及びより良い成形性を有することが見いだされている。

連続鋳造工程において得られる迅速冷却速度は、マンガン、クロム、他の元素などの元の溶質合金成分のほとんどが超飽和固溶状態のままでいることを確実にする。巻かれた熱間圧延材料のアニーリング処理は、マンガン、クロム、他の元素などの溶質元素を金属間粒子の形で析出させる。好ましくは、これら粒子は、非常に小さい（例えば、最大寸法で1〜5マイクロメートル）。これら粒子は、再結晶工程の間に新しい結晶粒を核生成するための部位として作用するように小さいサイズ及び分布を有する。

本発明の利用に関して、厳しい条件で加工された冷間圧延シート材料は、高伸長成形のための微細結晶粒の冶金学的微細構造にするために、再結晶されることが必要である。この再結晶のための熱処理は、高伸長シート材料を利用することが意図される製造工程に搬
送される前に、例えば、325℃〜525℃で、冷間圧延された材料のコイル上で行われることができる。別の態様において、冷間圧延された材料はユーザーに輸送され、ブランクをコイルから切り出すことができる。これらブランクは、それらの高伸長性が利用される成形温度（例えば、470℃）に加熱されなければならない。この加熱工程は、シート材料がそ
の適切な成形温度に加熱されるときに、望ましい再結晶を典型的には達成するであろう。

本発明が特定の態様について説明されてきたが、本発明の範囲はこの実例によって限定されない。

Claims

シート金属を成形温度下で高伸張延伸成形するためのマグネシウム及びマンガン含有アルミニウム合金のシート材料の製造方法であって、
重量基準で、3.5〜5.5%のマグネシウム、0.4〜1.6%のマンガン及び残部アルミニウム及び不可避的不純物からなる組成物を連続的に鋳造して、6〜30ミリメートルのアズキャストゲージで鋳造スラブを成形し；
前記鋳造スラブを、少なくとも１つの熱間ローラースタンドを通して熱間圧延して、200℃〜350℃の範囲内の温度で最終熱間ローラースタンドから出て、30〜80%の鋳造スラブからの厚さ減少となっており、3〜10ミリメートルの圧延されたストリップ厚さを有する熱間圧延されたストリップを成形し；
前記熱間圧延されたストリップを直ちに巻き；
巻かれたストリップを、470〜560℃で、3〜25時間アニーリングして、分散した金属間粒子を有する微細構造を生成し；
前記アニーリングされたストリップを、中間のアニーリングなしで、少なくとも１つの冷間圧延ステージを通して冷間圧延して、熱間圧延されたストリップの厚さにおいて少なくとも50%の減少をもたらし、
前記冷間圧延されたシート材料を加熱して、10マイクロメートル以下の結晶粒によって特徴付けられる微細構造にそのシート材料を再結晶し、前記シート材料を得る；
ことを含む方法。
前記組成物が4.5〜5%のマグネシウムを含む、請求項１に記載の方法。
前記組成物が0.5〜1%のマンガンを含む、請求項１に記載の方法。
前記熱間圧延されたストリップが230〜330℃の範囲内の温度で最終熱間ローラースタンドから出る、請求項１に記載の方法。
前記巻かれたストリップを500〜550℃で、5〜15時間アニーリングすることを含む、請求項１に記載の方法。.
前記アニーリングされたストリップを冷間圧延して、前記熱間圧延されたストリップの厚さにおいて50〜90%の減少をもたらし、4ミリメートル未満の厚さのシート材料を成形することを含む、請求項１に記載の方法。
前記組成物が0.5%以下のクロムを含む、請求項１に記載の方法。
前記再結晶されたシート材料が500℃及び10^-3s^-1のひずみ速度の引張試験において少なくとも300%の伸びを有する、請求項１に記載の方法。