JP5180496B2 - アルミニウム合金鍛造材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1、2では、6000系アルミニウム合金鋳造材の晶析出物(晶出物または析出物)の平均粒径を8μm以下と小さくし、かつ、デンドライト二次アーム間隔(DAS)を40μm以下と細かくして、アルミニウム合金鍛造材をより高強度化することが提案されている。
本発明に係るアルミニウム合金鍛造材の製造方法によれば、高い強度、靭性および耐食性を有するアルミニウム合金鍛造材を製造できる。
本発明に係るアルミニウム合金鍛造材ついて、詳細に説明する。
アルミニウム合金鍛造材は、自動車用足回り部品、例えば、アッパーアーム、ロアアームなどの足回り部品として使用されるため、高強度、高靱性、および、耐応力腐食割れ性等の高い耐食性(耐久性)を保証する必要がある。
Mgは高温時効処理により、Siとともにβ”相ならびにβ’相として結晶粒内に析出し、アルミニウム合金鍛造材を自動車用足回り部品等として使用した際に高い強度(耐力)を付与するために必須の元素である。Mgの含有量が0.6質量%未満であると、高温時効処理時の時効硬化量が低下する。一方、Mgの含有量が1.0質量%を超えると、強度(耐力)が高くなりすぎ、鍛造性を阻害する。また、溶体化処理後の焼き入れ途中に粗大なMg2Siや単体Siが多量に析出しやすく、却って、強度、靱性、耐食性などを低下させる。したがって、Mgの含有量は0.6〜1.0質量%の範囲とする。
SiもMgとともに、高温時効処理によりβ”相ならびにβ’相として結晶粒内に析出し、アルミニウム合金鍛造材を自動車用足回り部品等として使用した際に高い強度(耐力)を付与するために必須の元素である。Siの含有量が0.8質量%未満であると、高温時効処理時の時効硬化量が低下する。一方、Siの含有量が1.4質量%を超えると、強度(耐力)が高くなりすぎ、鍛造性を阻害する。また、溶体化処理後の焼き入れ途中に粗大なMg2Siや単体Siが多量に析出しやすく、却って、強度、靱性、耐食性などを低下させる。したがって、Siの含有量は1.0〜1.3質量%の範囲とする。
Mn、Crは、主として均質化熱処理の昇温中およびその保持中に、Mn、Cr、Si、Alおよび一部Feなどが、その含有量に応じて選択的に結合した金属間化合物(分散粒子)を生成する。これら分散粒子は、Al−(Mn、Cr)−Si化合物、Al−(Mn、Fe)−Si化合物、Al−(Mn、Cr、Fe)−Si化合物、代表的にはMn3SiAl12、(MnFe)3SiAl12、(MnCr)3SiAl12、(MnCrFe)3SiAl12などに例示される。
Feは、Mn、Crとともに、分散粒子を生成し、再結晶後の粒界移動を妨げ、結晶粒の粗大化を防止するとともに、結晶粒を微細化させる効果がある。これら分散粒子は、Al−(Mn、Fe)−Si化合物、Al−(Mn、Cr、Fe)−Si化合物、代表的には(MnFe)3SiAl12、(MnCrFe)3SiAl12などに例示される。Feの含有量が0.05質量%未満であると、これらの効果が期待できず、結晶粒が粗大化して、強度、靭性および耐食性が低下する。一方、Feの含有量が0.35質量%を超えると、Al−Fe系の粗大な晶出物を生成する。これらの晶出物は、破壊靱性、疲労特性などを劣化させる。したがって、Feの含有量は0.05〜0.35質量%の範囲とする。
Znの含有量が0.1質量%を超えると、アルミニウム合金鍛造材の組織の応力腐食割れや粒界腐食の感受性を著しく高め、アルミニウム合金鍛造材の耐食性(耐久性)を低下させる。したがって、Zn含有量は0.1質量%以下とする。
Cuは、固溶強化にて強度の向上に寄与する他、高温時効処理に際して、アルミニウム鍛造材の時効硬化を著しく促進する効果も有する。但し、Cuの含有量が0.2質量%を超えると、アルミニウム合金鍛造材の組織の応力腐食割れや粒界腐食の感受性を著しく高め、アルミニウム合金鍛造材の耐食性(耐久性)を低下させる。したがって、Cu含有量は0.2質量%以下とする。
Zrは、Mn、Cr、Feと同様に分散粒子を形成し、再結晶抑制ならびに結晶粒微細化をもたらす。分散粒子は、代表的にはZrAl3などに例示される。Zr系の分散粒子は、Mn系、Cr系、Fe系の分散粒子に比べて微細にかつ高密度に形成されるため、再結晶抑制ならび結晶粒微細化の効果は高い。
Tiは、鋳塊の結晶粒を微細化し、鍛造材組織を微細な亜結晶粒とする効果がある。Tiの含有量が0.01質量%未満であると、この効果が発揮されない。しかし、Tiの含有量が0.1質量%を超えると、粗大な晶析出物を形成し、加工性を低下させる。したがって、Tiの含有量は0.01〜0.1質量%の範囲とする。
不可避的不純物としては、以下に記載する元素がある。
V、Hfなどは、不可避的不純物として混入しやすく、微量な量であれば、結晶粒の微細化効果が期待される。但し、含有量が大きくなると、粗大な金属間化合物を形成し、靱性、疲労特性を低下させるので、V、Hfの含有量は、合計で0.2質量%未満とする。
水素ガスは、アルミニウム合金の溶解の際に不純物として混入しやすく、特に、鍛造材の加工度が小さくなる場合、水素に起因する気泡が鍛造加工等で圧着せず、破壊の起点となり易く、靱性、疲労特性を著しく低下させる。特に、高強度化したアルミニウム鍛造材を自動車用足回り部品等に使用する際には、この水素による影響が大きい。したがって、Al100g当たりの水素ガス濃度は0.25ml以下とする。
アルミニウム合金鍛造材は、最大長さ0.1μm以上のMg2Siの面積率が0.15%以下である必要がある。面積率が0.15%を超えると、アルミニウム合金鍛造材の強度、靭性および耐食性の全てを向上させることが難しくなる。ここで、面積率(%)は、アルミニウム合金鍛造材の断面において、SEM観察視野面積に対するMg2Siの占める面積を割合(%)で表したものである。そして、最大長さ0.1μm以上のMg2Siの面積率の制御は、後記するアルミニウム合金鍛造材の製造工程における均質化熱処理、具体的には、保持温度までの平均昇温速度、保持温度、および、保持温度から少なくとも350℃までの平均冷却速度を制御することによって達成される。
アルミニウム合金鍛造材は、アルミニウム合金の再結晶率が20%以下である必要がある。再結晶率が20%を超えると、アルミニウム鍛造材の強度、靭性および耐食性の全てを向上させることが難しくなる。ここで、再結晶率(%)は、アルミニウム合金鍛造材の断面での再結晶領域の占める面積を割合(%)で表したもので、アルミニウム合金鍛造材の金属組織状態を示す図1において、白色で観察される領域が再結晶領域1である。そして、再結晶率の制御は、アルミニウム合金鍛造材の製造工程における均質化熱処理、鍛造条件を制御することによって達成される。具体的には、均質化熱処理の保持温度までの平均昇温速度、保持温度を制御する。また、鍛造工程における開始温度、終了温度を制御する。
アルミニウム合金鍛造材は、アルミニウム合金の分散粒子のV/r(Vは分散粒子の面積率[%]、rは分散粒子の平均半径[nm])で定義されるサイズ分布指標値が0.20以上である必要がある。サイズ分布指標値が0.20未満であると、アルミニウム鍛造材の強度、靭性および耐食性の全てを向上させることが難しくなる。ここで、分散粒子とは、前記したように、Al−(Mn、Fe)−Si化合物、Al−(Mn、Cr)−Si化合物、Al−(Mn、Cr、Fe)−化合物、Al−Zr化合物等で、例えば、Mn3SiAl12、(MnFe)3SiAl12、(MnCr)3SiAl12、(MnCrFe)3SiAl12、ZrAl3に代表される。また、アルミニウム合金鍛造材のTEM写真である図2において、黒色粒状に観察されるものが分散粒子2である。さらに、分散粒子の面積率(%)は、TEM観察視野の合計面積に対する分散粒子の占める合計面積を割合(%)で表したものである。
次に、本発明に係るアルミニウム合金鍛造材の製造方法について、詳細に説明する。
アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、溶解工程と、脱ガス工程と、鋳造工程と、均質化熱処理工程と、鍛造工程と、調質工程とを含むものである。この製造工程自体は、常法の製造工程であるが、本発明に係るアルミニウム合金鍛造材を、軽量化形状した自動車用足回り部品等に使用して、高強度化、高靱性化および高耐食性化を達成するためには、以下に説明する各製造工程における、特定条件での製造が必要となる。
溶解工程は、化学成分の含有量を所定範囲に限定した前記アルミニウム合金を溶解する工程である。
脱ガス工程は、溶解工程で溶解された前記アルミニウム合金溶湯から水素ガスを除去(脱ガス処理)し、アルミニウム合金100g中の水素ガス濃度を0.25ml以下に制御する工程である。そして、水素ガスの除去は、溶湯の成分調整、介在物の除去のための保持炉において行い、溶湯をフラクシング、塩素精錬、または、インライン精錬することによって行われるが、脱水素ガス装置にスニフまたはポーラスプラグ(特開2002−146447号公報参照)を用いて、溶湯にアルゴン等の不活性ガスを吹き込むことによって水素ガスを除去することが好ましい。
鋳造工程は、化学成分を所定の範囲内に溶解調整し、脱ガス処理された前記アルミニウム合金溶湯を鋳造して鋳塊とする工程である。そして、鋳造方法は、連続鋳造圧延法、半連続鋳造法(DC鋳造法)、ホットトップ鋳造法等の通常の溶解鋳造法を適宜選択する。
均質化熱処理工程は、前記鋳塊に所定の均質化熱処理を施す工程である。そして、平均昇温速度20℃/hrを超え1000℃/hr以下で保持温度510〜570℃まで昇温し、前記保持温度で2hr以上保持した後冷却し、その冷却の際の平均冷却速度が前記保持温度から少なくとも350℃までを110℃/hr以上で行う均質化熱処理を施す必要がある。このような均質化熱処理を施すことによって、アルミニウム合金鍛造材の断面でのMg2Siの面積率、再結晶率、分散粒子のサイズ分布指標値を所定の範囲内にすることが可能となる。なお、冷却は、後記する鍛造工程の開始温度まで冷却、または、開始温度より低温(例えば、室温)まで冷却する。
鍛造工程は、均質化熱処理された前記鋳塊を鍛造素材として使用し、熱間鍛造開始温度まで冷却された鍛造素材に、または、熱間鍛造開始温度より低温(例えば室温)まで冷却後、再加熱された鍛造素材に、メカニカルプレスによる鍛造や油圧プレスによる鍛造等により、所定の熱間鍛造を行う工程である。なお、熱間鍛造は、自動車用足回り部品等の最終製品形状(ニアネットシェイプ)に鍛造加工してもよい。
調質工程は、前記鍛造工程の後に、溶体化処理、焼入および高温時効処理からなるT6またはT7の調質処理を施す工程である。このような調質処理を施すことにより、アルミニウム合金鍛造材は、自動車用足回り部品等として必要な強度、耐食性および靭性を有することとなる。なお、T6は、溶体化処理および焼入後、最大強さを得る高温時効処理を行う調質処理である。また、T7は、溶体化処理および焼入後、最大強さを得る高温時効処理条件を超えて過剰時効処理(過時効処理)を行う調質処理である。
アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、溶解工程と、脱ガス工程と、鋳造工程と、均質化熱処理工程と、押出工程と、鍛造工程と、調質工程とを含むものである。溶解工程、脱ガス工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、鍛造工程、調質工程については、前記の製造方法と同様であるので、説明を省略する。なお、鍛造工程において、鍛造素材は押出材を使用する。また、押出材を鍛造素材とする場合は、押出時に、晶出物が微細となるため、鋳造工程における平均冷却速度は1℃/s以上であればよい。以下、押出工程について、説明する。
押出工程は、均質化熱処理され、熱間押出開始温度(好ましくは460℃以上)まで冷却された鋳塊に、または、熱間押出開始温度より低温(例えば室温)まで冷却後、再加熱された鋳塊に、プレスによる押出等により、所定の押出を行う工程である。
(T6調質処理条件)
溶体化処理は、板状試料を室温から555℃まで約1hrで昇温し3hr保持後、40℃の温湯中に焼入を行った。焼入後は温湯中でそのまま10分間浸漬し、その後、直ちに高温時効処理を行った。高温時効処理条件は180℃で5hrとした。
板状試料の5ケ所よりサンプルを採取し、断面(2方向:鍛流線方向、鍛流線に対して直角方向)を鏡面状態まで研磨した後、5ケ所×2断面の計10断面のMg2Siを、SEM(走査型電子顕微鏡、×500倍)を用いて観察し、画像解析より最大長さ0.1μm以上のMg2Siの面積率を算出し、10断面の平均値を算出した。なお、面積率は、観察視野面積に対するMg2Siの占める面積を割合(%)で表したものである。
板状試料の5ケ所よりサンプルを採取し、断面(2方向:鍛流線方向、鍛流線に対して直角方向)を鏡面状態まで研磨した後、化学エッチング(苛性ソーダ)で組織を現出した。5ケ所×2断面の計10断面を光学顕微鏡で観察し、画像処理により再結晶率を算出し、10断面の平均値を算出した。再結晶率は、試料断面での再結晶領域1の占める面積を割合(%)で表したものである(図1参照)。
板状試料の5ケ所よりサンプルを採取し、TEM(透過型電子顕微鏡、×20000倍)を用いて、分散粒子2の観察を行った(図2参照)。分散粒子の面積率(V)および平均半径(r)は、5枚の写真をデジタル処理して算出した。面積率(V)は、写真合計面積に占める分散粒子の合計面積の割合(%)とした。また、分散粒子毎に同一面積の円の半径(nm)を算出し、これら半径の平均値を平均半径(r)とした。分散粒子のサイズ分布指標値V/r(%/nm)は、これらVおよびrの値を用いて算出した。なお、TEM観察に用いた試料の厚みはほぼ2000Åと一定である。
板状試料より12本の試験片(引張試験片の長手方向が、鍛流線に対し直角方向)を採取し、引張試験を行った。試験形状はJIS−Z−2201に、試験方法はJIS−Z−2241の定めるところにより実施した。引張強さ、0.2%耐力、伸びの12本の平均値を板状試料の特性値とした。0.2%耐力(表3では耐力と記載)が350MPa以上のものを、強度が優れていると評価した。
板状試料より12個の試験片(Cリング)を採取し耐SCC性試験を行った。試験形状および試験方法は、JIS−H−8711(応力腐食割れ試験―第5部:Cリング試験片の作製と試験)の定めるところにより実施した。付加応力:250MPa、試験期間:90日で、割れが生じないものを耐SCC性「○」で耐食性に優れている、割れが生じたものを耐SCC性「×」で耐食性に劣っていると評価した。
板状試料より12本の試験片(衝撃試験片の長手方向が、鍛流線に対し直角方向)を採取し、シャルピー衝撃試験を行った。試験形状はJIS−Z−2202に、試験方法はJIS−Z−2242の定めるところにより実施した。衝撃値の12本の平均値を板状試料の特性値とした。衝撃値が15J/cm2以上のものを、靭性において優れていると評価した。
2 分散粒子
Claims (3)
- Mg:0.6〜1.0質量%、Si:0.8〜1.4質量%、Mn:0.4〜1.0質量%、Fe:0.05〜0.35質量%、Zn:0.1質量%以下、Cu:0.2質量%以下、Cr:0.35質量%以下、Zr:0.25質量%以下、Ti:0.01〜0.1質量%を含み、残部がAlおよび不可避的不純物からなるとともに、水素ガス濃度が0.25ml/100gAl以下のアルミニウム合金から構成されるアルミニウム合金鍛造材であって、
前記アルミニウム合金鍛造材において、最大長さ0.1μm以上のMg2Siの面積率が0.15%以下、アルミニウム合金の再結晶率が20%以下、アルミニウム合金の分散粒子のV/r(V:分散粒子の面積率[%]、r:分散粒子の平均半径[nm])で定義されるサイズ分布指標値が0.20以上であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材。 - 請求項1に記載のアルミニウム合金鍛造材を製造する製造方法であって、
請求項1に記載された成分組成のアルミニウム合金を溶解して溶湯とする溶解工程と、
前記溶湯に脱ガス処理を施して、水素ガス濃度を0.25ml/100gAl以下にする脱ガス工程と、
脱ガス処理された前記溶湯を鋳造して鋳塊とする鋳造工程と、
前記鋳塊に、平均昇温速度20℃/hrを超え1000℃/hr以下で保持温度510〜570℃まで昇温し、前記保持温度で2hr以上保持した後冷却し、その冷却の際の平均冷却速度が前記保持温度から少なくとも350℃までを110℃/hr以上で行う均質化熱処理を施す均質化熱処理工程と、
均質化熱処理された前記鋳塊を鍛造素材とし、前記鍛造素材に、開始温度460〜560℃、終了温度365℃以上の熱間鍛造を施す鍛造工程と、
前記鍛造工程の後に、溶体化処理、焼入および高温時効処理からなるT6またはT7の調質処理を施す調質工程とを含むことを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。 - 請求項1に記載のアルミニウム合金鍛造材を製造する製造方法であって、
請求項1に記載された成分組成のアルミニウム合金を溶解して溶湯とする溶解工程と、
前記溶湯に脱ガス処理を施して、水素ガス濃度を0.25ml/100gAl以下にする脱ガス工程と、
脱ガス処理された前記溶湯を鋳造して鋳塊とする鋳造工程と、
前記鋳塊に、平均昇温速度20℃/hrを超え1000℃/hr以下で保持温度510〜570℃まで昇温し、前記保持温度で2hr以上保持した後冷却し、その冷却の際の平均冷却速度が前記保持温度から少なくとも350℃までを110℃/hr以上で行う均質化熱処理を施す均質化熱処理工程と、
均質化熱処理された前記鋳塊に、終了温度365℃以上の熱間押出を施して押出材とする押出工程と、
前記押出材を鍛造素材とし、前記鍛造素材に、開始温度460〜560℃、終了温度365℃以上の熱間鍛造を施す鍛造工程と、
前記鍛造工程の後に、溶体化処理、焼入および高温時効処理からなるT6またはT7の調質処理を施す調質工程とを含むことを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
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