JP4774630B2

JP4774630B2 - アルミニウム鍛造部品の製造方法

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Publication number: JP4774630B2
Application number: JP2001150200A
Authority: JP
Inventors: 昇二青木; 潔高木; 幸弘六條; 栄二井口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP2002348630A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金の鍛造技術に係わり、より具体的には、優れた機械的性質を備え、自動車用部品を始めとする各種の機械部品に適用されるアルミニウム鍛造部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用部品においては、車両軽量化の要請に応じてアルミニウム製部品への移行が進みつつあり、とくにサスペンション部品においては、その信頼性を考慮してアルミニウム鍛造部品の採用が増加しつつある。このような鍛造部品のうちでは、高強度、高耐食性の観点から、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の熱間鍛造品が多用されており、そして、従来のアルミニウム鍛造における製造条件としては、鍛造時の材料加熱温度を４５０℃程度に設定するのが一般的であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、鍛造時における材料の加熱温度を４５０℃程度としていた従来の鍛造技術においては、熱間鍛造とその後の熱処理（Ｔ６処理）時に、結晶粒の粗粒化が生じ、この粗粒化に起因する機械的性質の低下、ばらつきが発生するという問題がある。特に、０．２％耐力が３００ＭＰａを超える強度、１０％を超える伸び値を有する材料においては、安定した品質を得ることが難しく、低い材料特性値に基づく部品設計をせざるを得ないのが現状であり、このような問題点を解消して機械的性質を向上させると共に、安定なものとすることが従来のアルミニウム鍛造部品あるいは鍛造方法における課題となっていた。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、従来のアルミニウム鍛造部品における上記課題を解消するためになされたものであって、微細で均一な結晶組織を有し、ばらつきのない優れた機械的性質を備えたアルミニウム鍛造部品の製造方法を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解消すべく、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の機械的性能に及ぼす鍛造時の材料加熱温度、溶体化処理温度、鍛造圧下率の影響を鋭意検討した結果、これらの間の相互依存性を見出し、上記温度範囲と共にこれら相互関係の最適化を図ることにより、時効処理後の結晶組織を微細かつ均一なものとすることができ、ばらつきのない安定な機械的性能を確保できることを見出すに至った。
【０００７】
本発明は、このような知見に基づくものであって、本発明に係わるアルミニウム鍛造部品の製造方法は、上記アルミニウム鍛造部品の製造に好適なものであって、質量比で、Ｓｉ：０．４０〜１．３０％、Ｍｇ：０．６０〜１．２０％、Ｃｕ：０．１５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０４〜０．３５％、Ｆｅ：０．７％以下、Ｚｎ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金材料を４５０℃以上５６０℃以下の温度ｔに加熱して１次から３次までの熱間鍛造を行ない、５２０℃以上５６０℃以下の温度Ｔにおける溶体化処理ののち、人工時効を施す工程からなり、前記材料加熱温度ｔと溶体化温度Ｔの間に、Ｔ≦０．０２５ｔ２−２４ｔ＋６２８０の関係を有する構成としたことを特徴としており、当該製造方法の好適形態としては、前記アルミニウム合金材料を温度ｔに加熱したのち、５０〜４００℃に保持した金型を用いて粗鍛造から仕上げまでの熱間鍛造を行ない、０．５〜１２時間の溶体化処理ののち、１４０〜２００℃における０．５〜１２時間の人工時効を施す構成としたことを特徴とし、さらに他の好適形態としては、前記熱間鍛造における粗鍛造から仕上げ鍛造までの圧下率ｒ（％）と加熱温度（ｔ）と溶体化温度Ｔ（℃）の間に、Ｔ≦０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）２＋５２０の関係を有する構成としたことを特徴とし、アルミニウム鍛造部品の製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
【発明の作用】
本発明に係わるアルミニウム鍛造部品の製造方法においては、鍛造用材料として広く用いられている６０００系合金をベースとするＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材料を所定温度ｔ（℃）に加熱して１次から３次までの熱間鍛造を行ない、さらに鍛造時の前記加熱温度ｔ（℃）との間に所定の関係を有する所定温度Ｔ（℃）における溶体化処理の後、人工時効を施すようにしている（Ｔ６処理）ので、結晶粒径が１００μｍ以下の微細なものとなり、アルミニウム鍛造部品の強度がばらつきなく向上することになる。
【００１０】
次に、本発明における合金成分や、鍛造条件、鍛造後の熱処理条件などの限定理由について説明する。なお、合金成分の含有量は質量％を意味する。
【００１１】
Ｓｉ：０．４０〜１．３０％
Ｓｉは、次に述べるＭｇと共存してＭｇ_２Ｓｉ系析出物を生成してアルミニウム合金の強度を向上させる成分であるが、０．４０％に満たないと強度向上の効果が十分に得られず、１．３０％を超えると合金の鍛造性が損なわれることがあるので、０．４０〜１．３０％の範囲とする。
【００１２】
Ｍｇ：０．６０〜１．２０％
Ｍｇは、上記のように、Ｓｉと共にＭｇ_２Ｓｉ系析出物を生成して合金の強度を向上させるが、０．６０％未満ではこのような効果が十分に得られず、逆に１．２０％を超える加工性が劣化するので、０．６０〜１．２０％の範囲とする必要がある。
【００１３】
Ｃｕ：０．１５〜０．５０％
Ｃｕは、析出硬化によってマトリックス強度向上に寄与すると共に、時効処理に際して析出物を微細均一に分散させる働きがある。Ｃｕ含有量が０．１５％に満たないとこのような効果が得がたく、逆に０．５０％を超えると鍛造性、耐食性が劣化するので、０．１５〜０．５０％の範囲とする。
【００１４】
Ｃｒ：０．０４〜０．３５％
Ｃｒは、結晶粒の粗大化を防止する効果を有し、当該アルミニウム合金の高強度・高靭性化に寄与するが、０．０４％未満ではこのような効果が期待できず、０．３５％を超えると鍛造性を損なう恐れがあるので、０．０４〜０．３５％の範囲とする。
【００１５】
Ｆｅ：０．７％以下
Ｆｅは、不純物として扱われ、０．７％を超えるとＦｅ系晶出物により延びが低下するため、０．７％以下とする。
【００１６】
Ｚｎ：０．２５％以下
Ｚｎは不純物として扱われ、０．２５％を超えると耐応力腐食割れ性が悪化するため、０．２５％以下とする。
【００１７】
Ｔｉ：０．１５％以下
Ｔｉは、結晶粒の微細化に寄与する元素であるが、多量に含有すると靭性を損なうことになるので、その上限値を０．１５％とする。
【００１８】
Ｍｎ：１．０％以下
ＣｒやＦｅと同様に、結晶粒の粗大化を抑制するのに有効であるが、過剰に含有すると鍛造性が損なわれることがあるので、１．０％を超えない範囲で添加する必要がある。
【００１９】
結晶粒径：１００μｍ以下
上記合金成分を含有するアルミニウム合金の鍛造部品においては、その結晶粒径を１００μｍ以下とすることにより、０．２％耐力が３００ＭＰａを超える機械的強度が安定的に得られるようになる。
【００２０】
材料加熱温度ｔ：４５０〜５６０℃
鍛造時の材料加熱温度が高くなると、鍛造時の変形抵抗が低下し、材料に導入される歪が低減されることから、溶体化処理時などに生じる結晶粒の粗大化を抑制する効果がある。このような効果は、４５０℃未満では得られず、逆に５６０℃を超えると当該アルミニウム合金の局部溶解が始まり、バーニングや延性低下などの問題を生じるため、鍛造加熱温度ｔを４５０〜５６０℃の温度範囲とすることが必要である。
【００２１】
溶体化温度Ｔ：５２０〜５６０℃
溶体化処理は、Ｍｇ_２Ｓｉをアルミマトリックス中に固溶させるため、５２０℃以上に昇温する必要があり、上記同様に局部溶解を防止するために５６０℃以下とすることが必要である。また、この溶体化処理によって鍛造時に材料に導入された歪が開放され、結晶粒の粗大化を引き起こすため、後述するように材料加熱温度ｔに応じて、さらに望ましくは材料加熱温度ｔと鍛造圧下率ｒ（％）に応じて溶体化温度Ｔの上限を設定することが必要である。なお、溶体化処理時間については、Ｍｇ_２Ｓｉをマトリックス中に十分に固溶させ、しかも無駄なエネルギー消費を避ける観点から、０．５〜１２時間程度とすることが望ましい。
【００２２】
鍛造条件：金型温度、圧下率ｒ
鍛造に用いる金型の温度は、金型寿命および結晶粒粗粒化に影響することから、５０〜４００℃の温度範囲に保持しておくことが望ましい。すなわち、金型温度が５０℃未満では、金型寿命低下および材料の実体温度低下により結晶粒が粗大化することとなり、４００℃を超えると、温度保持可能時間短縮による生産性低下という不都合が生じる傾向があることによる。また、鍛造による圧下率ｒ（％）が高くなると、ファイバー組織が導入され、機械的性質が改善されるが、鍛造圧下率ｒが５０〜８０％でも、材料加熱温度ｔが低いときには、鍛造時に歪が生じて溶体化処理時に結晶の粗粒化を招く要因となる。なお、圧下率ｒは、次式のように定義される。
ｒ（％）＝（１−（鍛造後寸法）／（初期素材寸法））×１００
【００２３】
人工時効：１４０〜２００℃×０．５〜１２時間
人工時効は、Ｍｇ_２Ｓｉ系析出物を微細、かつ均一に析出させて、マトリックスの強度を向上させるために行なうものであり、加熱温度が１４０℃未満では析出に長時間を要するので生産性が損なわれ、２００℃を超えると析出物が粗大化して強度の向上が困難となる可能性がある。また、保持時間が０．５時間に満たない場合にはＭｇ_２Ｓｉを析出させることができず、１２時間を超えた場合には析出が進行し過ぎて、Ｍｇ_２Ｓｉ析出物が粗大化し、同様に強度を安定に向上させることができなくなる傾向がある。
【００２４】
材料加熱温度ｔ、圧下率ｒ、溶体化温度Ｔの相互作用
上記したように、材料加熱温度ｔ、圧下率ｒおよび溶体化温度Ｔは、アルミニウム鍛造部品の強度、組織にそれぞれ影響を及ぼすが、部品の製造過程においては一連の工程で製造されることから、これらが独立して影響するばかりでなく、相互の影響が認められる。すなわち、結晶粒の粗大化を防止して安定的に高強度が得られるように、結晶粒径が１００μｍ以下となる微細組織を実現するには、溶体化温度Ｔの上限値を材料加熱温度ｔから算出されるＴｕ１＝０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０の値とする必要があり、さらには、材料加熱温度ｔおよび圧下率ｒ（％）から算出されるＴｕ２＝０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０の値とすることが望ましい。これらの条件範囲を図１に示す。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例に基づいて本発明をさらに具体的に説明する。
【００２６】
まず、表１に示す化学成分を有するアルミニウム合金を溶解して半連続鋳造し、直径６０ｍｍのビレットを鋳造した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
このビレットに、４７０℃×７時間の均質化処理を実施した後、所定長さに切断し、鋳造されたビレットの鋳肌近傍部の偏析組織を除去するために面削を行ない、直径５６ｍｍ、長さ４４７ｍｍの丸棒とし、鍛造用材料を得た。
【００２９】
上記鍛造用材料を用いて、鍛造時の材料加熱温度ｔを３水準、溶体化温度Ｔを２水準に変化させた条件で熱間鍛造を行ない、人工時効を施した後の鍛造品の機械的性能を試験すると共に、マクロ組織形態およびミクロ組織を観察し、結晶粒径を測定した結果を表２に示す。また、各鍛造品のマクロ組織を図２ないし図５に示し、本発明に係わる試料１のミクロ組織を図６にそれぞれ示す。
【００３０】
【表２】

【００３１】
なお、１次鍛造工程における材料加熱時間は５５分、金型温度は１７５℃とした。１次鍛造では最終部品形状を考慮して鍛造用材料を長さ方向に湾曲させ、２次鍛造では１７５℃に加熱保持された金型を用いて、平均７０％の圧下率ｒで長さ方向に対して鍛造した。そして、３次鍛造において同様に１７５℃に加熱された金型により鍛造を行ない、最終製品形状を得た。また、溶体化処理時間は２．５時間とし、人工時効は、１８０℃×６時間の条件を採用した。
【００３２】
材料加熱温度ｔを５４０℃、ｒ＝７０％とし（従って、０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０＝６１０、０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０＝６１０）、溶体化温度Ｔを５５０℃とした試料１においては、前面微細かつ均一なマクロ組織を呈しており、機械的性質、特に耐力−伸びバランスの優れた鍛造品であることが確認された。また、ミクロ組織についても、図６に示すように微細な組織を示し、平均粒径は約８０μｍであった。
【００３３】
材料加熱温度ｔを５００℃に低下させ、ｒ＝７０％とし（０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０＝５３０、０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０＝５３０）、鍛造時に歪を導入した試料２においては、再結晶の成長した粗粒のマクロ組織を呈し、機械的性質、特に伸び値の低い結果となった。さらに、材料加熱温度ｔを４５０℃に低下させた（０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０＝５４２．５、０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０＝５４２．５）試料３では、鍛造時の歪導入量がさらに大きいことから、試料２と同様に再結晶の成長した粗粒のマクロ組織となり、機械的性質、特に伸び値の低い鍛造品となった。
【００３４】
材料加熱温度ｔを５００℃とし（従って、０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０＝５３０、０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０＝５３０）、上記試料１〜３に対して、溶体化温度Ｔを５１０℃に低下させ、鍛造時に導入された歪の解放を抑制した試料４においては、前面微細かつ均一なマクロ組織を呈しているものの、機械的性質、特に引張強さおよび耐力が低下する結果となった。これは、析出硬化に寄与する強化元素の固溶が不十分であることが原因と考えられる。
【００３５】
以上のように、材料加熱温度ｔと、溶体化温度Ｔの条件とマクロ組織形態の関係から、ｒ＝７０％を想定して、Ｔ≦０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０の場合、マクロ組織が微細かつ均一な組織形態を示すことが確認された。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明に係わるアルミニウム鍛造部品の製造方法においては、前記成分を備えたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金材料を４５０〜５６０℃の範囲内の温度ｔに加熱して、望ましくは５０〜４００℃に保持した金型を用いて３次までの熱間鍛造を行ない、さらに５２０〜５６０℃の範囲内であって、鍛造時の前記加熱温度ｔとの間に所定の関係（Ｔ≦０．０２５ｔ２−２４ｔ＋６２８０）を有する温度Ｔにおいて、望ましくは０．５〜１２時間の溶体化処理を行なった後、人工時効、望ましくは１４０〜２００℃における０．５〜１２時間の人工時効を施すようにしている（Ｔ６処理）ので、結晶粒径を１００μｍ以下の微細なものとすることができ、アルミニウム鍛造部品の強度をばらつきなく向上させることができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるアルミニウム鍛造部品の製造方法における材料加熱温度と溶体化温度の適正範囲を示す説明図である。
【図２】本発明の実施例において得られた試料１のアルミニウム鍛造部品のマクロ組織を示す写真である。
【図３】比較例において得られた試料２のアルミニウム鍛造部品のマクロ組織を示す写真である。
【図４】比較例において得られた試料３のアルミニウム鍛造部品のマクロ組織を示す写真である。
【図５】比較例において得られた試料４のアルミニウム鍛造部品のマクロ組織を示す写真である。
【図６】本発明の実施例において得られたアルミニウム鍛造部品のミクロ組織を示す写真である。

Claims

質量比で、Ｓｉ：０．４０〜１．３０％、Ｍｇ：０．６０〜１．２０％、Ｃｕ：０．１５〜０．５０％、Ｃｒ：０．０４〜０．３５％、Ｆｅ：０．７％以下、Ｚｎ：０．２５％以下、Ｔｉ：０．１５％以下、Ｍｎ：１．０％以下を含有し、残部アルミニウムおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金材料を４５０℃以上５６０℃以下の温度ｔに加熱して１次から３次までの熱間鍛造を行ない、５２０℃以上５６０℃以下の温度Ｔにおける溶体化処理ののち、人工時効を施す工程からなり、前記材料加熱温度ｔと溶体化温度Ｔの間に、
Ｔ≦０．０２５ｔ^２−２４ｔ＋６２８０
の関係を有することを特徴とするアルミニウム鍛造部品の製造方法。
前記アルミニウム合金材料を温度ｔに加熱したのち、５０〜４００℃に保持した金型を用いて粗鍛造から仕上げまでの熱間鍛造を行ない、０．５〜１２時間の溶体化処理ののち、１４０〜２００℃における０．５〜１２時間の人工時効を施すことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム鍛造部品の製造方法。
前記熱間鍛造における粗鍛造から仕上げ鍛造までの圧下率ｒ（％）と加熱温度（ｔ）と溶体化温度（Ｔ）の間に、Ｔ≦０．０２５（ｔ−ｒ−４１０）^２＋５２０の関係を有することを特徴とする請求項１記載のアルミニウム鍛造部品の製造方法。