JP5813955B2

JP5813955B2 - アルミニウム亜鉛マグネシウム銀合金

Info

Publication number: JP5813955B2
Application number: JP2010543102A
Authority: JP
Inventors: バーク，エル．ライクリンガー，; ブライエン，ジェイ．マッケルロイ，; ユリアンギョルゲ，
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2028-07-02
Also published as: CN101910443A; EP2252718A1; JP2011514434A; US20090180920A1; EP2252718B1; WO2009091417A1; US8557062B2; CN101910443B

Description

本願発明は、概して金属合金に関し、特に、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ（アルミニウム−亜鉛−マグネシウム）合金及びその製造方法に関する。

様々な金属が航空機の建造に用いられ、所望の機械及び物理特性のために合金はますます開発されている。

チタン合金は、特に高強度及び耐腐食性能が要求される航空機構造においての使用が増加している。しかしながら、そのような合金は高価である。アルミニウム−リチウム合金がチタニウム合金の代替としての将来性を示しているが、これらは作成が難しく、コストがかかり、典型的な非リチウム含有アルミニウム合金と比べると比較的低い伝導性を示す。典型的なアルミニウム合金について研究がなされていたが、本願発明以前には、航空機での使用のための所望の性能バランスを有するアルミニウム合金は提供されていなかった。

このように、他の望まれる特性と同様に、破壊靭性、耐食性、及びカーボンファイバー複合材料との互換性も有する、高強度及び高伝導性アルミニウム合金が求められている。

改良された強度、破壊靭性、及びピーク強度におけるＥＡもしくはそれ以上の剥離耐食性、高伝導率、及びカーボンファイバー複合部材に結合されたときの良好な電解腐食性能を有する有利な合金が開示される。それらの製造方法もまた開示される。

本発明の一態様では、合金が提供され、該合金は約０．０１から約１．５重量％の銀、約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、及び約８０重量％以上のアルミニウム及び意図しない元素を含む。

本発明の他の態様では、合金が提供され、該合金は約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、約８０重量％以上のアルミニウム及び意図しない元素を含み、銅を含まない。

本発明の他の態様では、合金が提供され、該合金は約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、約０．０１から約０．２５重量％のジルコニウム、約０．０１から約０．２５重量％のチタニウム、約０．０１から約０．２５重量％のスカンジウム、約０．０１から約０．２５重量％のストロンチウム、約８０重量％以上のアルミニウム及び意図しない元素を含み、銅を含まない。

本発明の他の態様では、合金が提供され、該合金は約０．０１から約１．５重量％の銀、約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４．０から約１０．０重量％の亜鉛、約０．０５から０．２５重量％のジルコニウム、最大で０．１５重量％の鉄、最大で０．１５重量％のシリコンを含み、残りがアルミニウム、意図しない元素、及び不純物を含む。

上記の合金は、一例として、約６．５から約９．５重量％の亜鉛、約４．０から約６．５重量％の亜鉛、あるいは約７．４から約１０重量％の亜鉛を含んでもよい。

上記の合金は、一例として、約０．０５から約０．２５重量％のクロミウム、約０．０１から約０．８重量％のマンガン、約０．０１から約０．２５重量％のストロンチウム、及び／又は約０．０１から約０．２５重量％のスカンジウムをさらに含んでいてもよい。

上記の合金は、一例として、０．０５重量％未満の意図しない銅、約１．５から約２．６重量％のマグネシウム、約０．０８から約０．１５重量％のジルコニウム、あるいは約０．３から約０．８重量％のマンガンをさらに含んでいてもよい。

本発明の他の態様では、合金の製造方法が提供され、該方法は、約１から約３重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、約８０重量％以上のアルミニウム及び意図しない元素を含み、銅を含まない溶融体の準備を含む。該方法は、固化体を供するための溶融体の鋳造、均質体を提供するための固化体の均質化、及び均質体の鍛造品への成形をさらに含む。

本発明のさらなる態様においては、非銅含有アルミニウム合金鍛造品の製造方法が提供され、該方法は、約０．０１から約１．５重量％の銀、約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４．０から約１０．０重量％の亜鉛、約０．０５から約０．２５重量％のジルコニウム、最大で０．１５重量％鉄、最大で０．１５重量％のシリコンを含み、及び残りがアルミニウム、意図しない元素、及び不純物を含むアルミニウム合金の溶融体の準備を含む。該方法は、毎分約１から約６インチの範囲の速度での、固化体を供するための該アルミニウム合金該溶融体の鋳造、固化体の均質化、少なくとも断面積の８０％が非再結晶状態である鍛造品を供するための固化体の押し出し、圧延又は鍛造、鍛造品の固溶化熱処理、鍛造品の冷間加工、及び改良された強度、耐食性、破壊靭性及び／又は導電性を有する鍛造品を供するための鍛造品の人工時効をさらに含む。

上記の方法において、一例として、毎分約０．５から約８．０フィートの範囲の速度で押し出しが実行されてもよく、均質化が約８６０°Ｆから約１０１０°Ｆの温度範囲で、約１２から約４８時間行われてもよく、固溶化熱処理が約８７０°Ｆから約９００°Ｆの温度範囲で、約５から約１２０分行われてもよく、冷間加工が０％から２２％の冷間圧延により行われてもよく、冷間加工が０．５％から５％の永久伸びの延伸により行われてもよく、冷間加工が０．２％から３．５％の圧縮により行われてもよい。

上記の方法において、一例として、約１７５°Ｆから約３５０°Ｆの温度範囲で約４から約２４時間の時効が行われてもよく、第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度範囲で２から２４時間で行われ、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われてもよく、第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度で２から２４時間、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われ、次いで１５０°Ｆから３２５°Ｆの温度で３から４８時間の時効が行われてもよい。

本発明の範囲は、参照することによりこのセクションに組み込まれる請求の範囲によって定義される。本発明の実施形態が当業者によって完全に理解され、さらなる利点が以下の一又は複数の実施形態の詳細な記載の考察により同様に理解される。参照番号は最初に簡単に説明する添付の図面に対応する。

本発明の実施形態に係る合金の製造方法を示すフローチャートである。本発明の合金の剥離腐食性能を示している。Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金の剥離腐食性能を示している。典型的な合金及び本発明の実施形態に係る金属合金の電解腐食耐性の比較を示している。いくつかの従来の７ｘｘｘ合金と本発明の実施形態に係る合金について、合金化元素の総重量％に伴うピーク降伏強度の変化を比較したグラフである。いくつかの従来の７ｘｘｘ合金と本発明の実施形態に係る合金について、合金化元素の総重量％に伴う破壊靭性の依存性を比較したグラフである。典型的な合金及び本発明の非銅含有合金の疲労性能を比較したグラフである。典型的な合金及び本発明の非銅含有合金について、強度と導電性の関係性を比較したグラフである。典型的な合金及び本発明の非銅含有合金について、導電性と時間の関係性を比較したグラフである。

本発明の実施形態及びこれらの利点以下の詳細な記載により理解される。一又は複数の図面において参照番号は図示された要素に対応する。

図１は本発明の実施例に係る有利な合金の製造方法を示すフローチャートである。
ステップ１０２では、約１から約３重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、約８０重量％以上のアルミニウムを含み、銅を含まない溶融体を準備する。他の実施形態では、溶融体は、約０．０１から約１．５重量％の銀（例えば、７ＸＸＸタイプの合金への銀の添加）を含む。有利には、本実施形態では、銅は完全に除かれ、溶融体は銀を含むため、合金の伝導性、疲労、破壊靭性、及び耐食性能が向上する。

該溶融体は、約０．０５から約０．２５重量％のジルコニウム、約０．０５から約０．２５重量％のクロミウム、約０．０１から約０．８重量％のマグネシウム、多くとも約０．１５重量％のシリコン及び／又は多くとも約０．１５重量％の鉄をさらに含んでもよい。意図しない元素及び不純物もまた含まれていてもよい。例えば、スカンジウムが、約０．０１から約０．２５重量％の間で加えられてもよいし、ストロンチウムが約０．０１から約０．２５重量％の間で加えられてもよい。

鋳造の直前における溶融体の水素濃度が、Ａｌｓｃａｎ法の定義による約１５ｃｃ／１００ｇ、又はＴｅｌｅｇａｓの定義による約０．１２ｃｃ／１００ｇ以下に保たれ、鋳造操作が行われる。

ステップ１０４は、固化体を供するための溶融体の鋳造を含む。当初のインゴットは、商業的な合金システムの製造のために発達した手法を用いる、従前の合金に現在も適用される典型的な直接冷間法で鋳造されてもよい。該合金はまた、完成あるいは半完成部分を供するために鋳造されてもよい。

ステップ１０６は、最終品まで均一で一貫した性能を与えるための適切な熱機械処理がなされた均質体を供するための、十分な時間及び温度での固化体の均質化を含む。好ましくは、均質化プロセスは一又は複数のステッププロセスからなる。さらに好ましくは、均質化は、約８００°Ｆから約８８０°Ｆの温度で行われる第１の均質化ステップ、次の約８８０°Ｆから約１２００°Ｆの温度で行われる第２の均質化ステップからなる。

ステップ１０８は、押し出し、圧延又は鍛造といった鍛造品とするための均質体の成型を含む。一例では、押し出しプロセスは約６００°Ｆから約８００°Ｆの温度で行われ、少なくとも８０％の非再結晶状態を保持するための十分なレートで行われる。

ステップ１１０は鍛造品の固溶化熱処理及び／又は、所望の物理特性及び機械特性を向上させるための、十分な時間及び温度での人工時効を含む。例えば、固溶化熱処理は、約８００°Ｆから約１０００°Ｆの温度の、一又は複数のステップにより行われてもよい。固溶化熱処理は、金属が約８００°Ｆから約１０００°Ｆの好ましい浸漬温度で直接的に加熱される一つのステップによって実行されてもよい。さらに、固溶加熱処理は、第１のステップにおいて金属が８６０°Ｆから８８０°Ｆの温度範囲まで５分から１８０分加熱され、次いで第２のステップにおいて８８０°Ｆから１０００°Ｆの温度で約１０分から約２４０分行われる、２ステッププロセスを用いて行われてもよい。

人工時効は、所望の機械、腐食、及び電気伝導特性を得るために、一又は複数の、約２００°Ｆから約４００°Ｆの温度ステップにより行われてもよい。さらに、全てあるいは一部の時効プロセスは、他の組み立て熱プロセスの熱手法に組み込まれてもよい。

従って、合金は約１から約３重量％のマグネシウム、約４から約１０重量％の亜鉛、約８０重量％以上のアルミニウムを含み、銅は用いられない。

該合金は、約０．０５から約０．２５重量％のジルコニウム、約０．０５から約０．２５重量％のクロミウム、約０．０１から約０．８重量％のマグネシウム、多くとも約０．１５重量％のシリコン、多くとも約０．１５重量％の鉄、及び／又は約０．０１から約１．５重量％の銀をさらに含んでもよい。少量のスカンジウム又はストロンチウムなどの元素の添加物が加えられてもよい。

有利には、本発明の合金は改良された強度特性、改良された破壊靭性、剥離腐食、ピーク強度におけるＥＡもしくはそれ以上の剥離耐食性、高い電気伝導性、密度に比例する改良された伝導性、及び、カーボンファイバー（例えば、グラファイト）複合部材に結合されたときの良好な電解腐食性能を有する。航空機に用いられた場合、本発明は航空機の軽量化に有利に役立ち、及び／又は稼働中の検査間隔を延ばすことができる。

本発明は、限定されないが、航空機部材の製造、装甲板、海底油田堀削パイプ及び鋳造部品を含む様々なものに応用される。

製品性能
典型的な７ｘｘｘアルミニウム合金は、様々なレベルの強度を向上させる、マグネシウム又はマグネシウムと銅の組み合わせと共に、主な添加物の亜鉛を含む。銅を合金化元素として含む該７ｘｘｘ合金は、強度を向上させることができる。亜鉛及びマグネシウムのパーセンテージが一定の場合、これらのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金の強度は銅の量に直接比例する。銅の組成が少なければ、強度も低下する。さらに、銅の存在は、Ｌ．Ｆ．Ｍｏｎｄｏｌｆｏ，Ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ：ＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈｓ，１９７６，ｐ８５１に記載されるように、７ｘｘｘ合金の一般的な腐食及び隙間腐食性能に不利に影響する。

図２及び３を参照すると、高強度及び優れた腐食耐性を達成するため、有利には、本発明は高強度及び優れた一般的な腐食及び剥離腐食性能を達成するために、非銅含有７ｘｘｘ合金に対して銀添加物を用いる。銀添加物は、耐食性に明らかな悪影響を与えずに、非銅含有７ｘｘｘ合金の他の低強度を改良する。図２及び３は、同じ強度のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金と比較した本発明の合金の剥離腐食性能が、本発明の合金上の実質的に減少した剥離腐食で示されている。

図４を参照すると、本発明の合金は、カーボンファイバー複合材に結合されたとき、優れた電解腐食耐性を示している。本発明の合金の電解腐食耐性は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金のものを上回る。図４は、同じ強度のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金と比較した本発明の合金の電解腐食耐性が、本発明の合金における典型的な合金と比較した暗い沈着の減少により示されている。

さらに、典型的な７ｘｘｘアルミニウム合金のピーク強度は、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｍｇのような合金化元素の重量％に伴い上昇することが知られている。用いられる合金化元素の重量％の増加は、合金の破壊靭性の低下を決定することもまた知られている。

図５は、いくつかの従来の７ｘｘｘ合金及び本発明の合金についての、亜鉛、マグネシウム、銅、及び銀等の合金化元素の総重量％に伴うピーク降伏強度の変化を示している。図５に見られるように、一般的な合金のピーク降伏強度は、合金化元素の重量％の増加に伴い増加する。さらには、典型的な合金と同様に本発明の合金は、例えば、同様の合金化元素のパーセンテージでは、本発明の合金及び銅を含有する典型的な７ｘｘｘ合金では、ほぼ同様の強度値を示すように、実質的に同一の性能を示している。

しかしながら、典型的な合金と比較して、本発明の合金は破壊靭性についてはかなり異なる反応を有する。図６を参照すると、図５に示された同様の合金について、破壊靭性と構成合金化元素のパーセンテージの依存性が示されている。同じ合金化元素の総重量％について、本発明の合金は、典型的な銅含有７ｘｘｘ合金より高い破壊靭性を示す。

さらには、同じ強度の典型的な合金と比較すると、図７に示されるように、典型的な合金と同様の疲労持続性であるがより高い試験ストレスレベルに達し本発明の合金は典型的な合金に対して良好な疲労性能を示している。

本発明の合金と典型的な銅含有７０００シリーズとの違いは、図８に示す強度−伝導性の関係によってさらに支持され、この関係は本発明の合金が、より高い伝導性において典型的な合金よりも高い強度を有することを証明している。
さらに、図９に示すように、特異な強度レベルにおいて高い電気伝導性を得るために要求される時間は典型的な７０００シリーズの合金で要求される時間よりも少ない。

上記実施形態は本発明を説明するためのものであるが限定はしない。種々の変形例及び態様が本発明の原理に基づいて可能であることが理解されるべきである。そして、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ定義される。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
約０．０１から約１．５重量％の銀、
約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、
約４．０から約１０．０重量％の亜鉛、
約０．０５から０．２５重量％のジルコニウム、
最大で０．１５重量％の鉄、
最大で０．１５重量％のシリコン、及び
残りが、アルミニウム、意図しない元素、及び不純物を含む合金。
（態様２）
約０．０５から約０．２５重量％のクロミウムをさらに含む態様１に記載の合金。
（態様３）
約０．０１から約０．８重量％のマンガンをさらに含む態様１に記載の合金。
（態様４）
約０．０１から約０．２５重量％のストロンチウムをさらに含む態様１に記載の合金。
（態様５）
約０．０１から約０．２５重量％のスカンジウムをさらに含む態様１に記載の合金。
（態様６）
意図しない銅の成分が０．０５重量％未満である態様１に記載の合金。
（態様７）
合金が約６．５から約９．５重量％、約４．０から約６．５重量％、及び約７．４から約１０重量％からなるグループから選ばれる重量％の亜鉛を含む態様１に記載の合金。
（態様８）
合金が約１．５から約２．６重量％のマグネシウムを含む態様１に記載の合金。
（態様９）
合金が約０．０８から約０．１５重量％のジルコニウムを含む態様１に記載の合金。
（態様１０）
合金が約０．３から約０．８重量％のマンガンを含む態様１に記載の合金。
（態様１１）
非銅含有アルミニウム合金鍛造品の製造方法であって、
（ａ）約０．０１から約１．５重量％の銀、約１．０から約３．０重量％のマグネシウム、約４．０から約１０．０重量％の亜鉛、約０．０５から約０．２５重量％ジルコニウム、最大で０．１５重量％の鉄、最大で０．１５重量％のシリコンを含み、残りがアルミニウム、意図しない元素、及び不純物を含むアルミニウム合金の溶融体の準備、
（ｂ）固化体を供するための該アルミニウム合金該溶融体の鋳造、
（ｃ）固化体の均質化、
（ｄ）鍛造品を供するための固化体の押し出し、圧延又は鍛造、
（ｅ）鍛造品の固溶化熱処理、
（ｆ）鍛造品の冷間加工、及び
（ｇ）鍛造品の人工時効、
を含む方法。
（態様１２）
毎分約０．５から約８．０フィートの範囲の速度で押し出しが実行される態様１１に記載の方法。
（態様１３）
均質化が約８６０°Ｆから約１０１０°Ｆの温度範囲で約１２から約４８時間行われる態様１１に記載の方法。
（態様１４）
固溶化熱処理が約８７０°Ｆから約９００°Ｆの温度範囲で約５から約１２０分行われる態様１１に記載の方法。
（態様１５）
冷間加工が０％から２２％の冷間圧延による態様１１に記載の方法。
（態様１６）
冷間加工が０．５％から５％の永久伸びの延伸による態様１１に記載の方法。
（態様１７）
冷間加工が０．２％から３．５％の圧縮による態様１１に記載の方法。
（態様１８）
約１７５°Ｆから約３５０°Ｆの温度範囲で約４から約２４時間である１ステッププロセス、
第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度範囲で２から２４時間で行われ、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われる２ステッププロセス、及び
第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度で２から２４時間、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われ、次いで１５０°Ｆから３２５°Ｆの温度で３から４８時間の時効が行われる３ステッププロセス、
からなるグループから選択される３つのプロセスのうちの一つで時効が行われる態様１１に記載の方法。
（態様１９）
毎分約１から約６インチの範囲の速度での溶融体の鋳造をさらに含む態様１１に記載の方法。
（態様２０）
少なくとも断面積の８０％が非再結晶状態である鍛造品を供するために固化体の押し出し、圧延又は鍛造が行われる態様１１に記載の方法。
（態様２１）
銅を含有しない態様１に記載の合金。

Claims

非銅含有アルミニウム合金鍛造品の製造方法であって、
（ａ）０．０１から１．５重量％の銀、１．０から３．０重量％のマグネシウム、４．０から１０．０重量％の亜鉛、０．０５から０．２５重量％ジルコニウム、最大で０．１５重量％の鉄、最大で０．１５重量％のシリコンを含み、残りがアルミニウム、及び意図しない元素、を含み、前記残りは銅とスカンジウムとを含まない、アルミニウム合金の溶融体の供給、
（ｂ）固化体を供するための該アルミニウム合金の溶融体の鋳造、
（ｃ）固化体の均質化、
（ｄ）鍛造品を供するための固化体の押し出し、圧延又は鍛造、
（ｅ）８７０°Ｆから９００°Ｆの温度範囲で５から１２０分行われる鍛造品の固溶化熱処理、
（ｆ）鍛造品の冷間加工、及び
（ｇ）鍛造品の人工時効を行い、時効が行われた鍛造品の電気伝導度が少なくとも４５％ＡＣＳであること、強度が少なくとも５０．０Ｋｓｉであること、破壊靱性値が少なくとも４０ＫＳｉ．ｒｓｑ．ｉｎであること、及び、ピーク強度におけるＥＡもしくはそれ以上の剥離耐食性を有すること、を含む方法。
毎分０．５から８．０フィートの範囲の速度で押し出しが実行される請求項１に記載の方法。
均質化が８６０°Ｆから１０１０°Ｆの温度範囲で１２から４８時間行われる請求項１に記載の方法。
冷間加工が０％から２２％の冷間圧延による請求項１に記載の方法。
冷間加工が０．５％から５％の永久伸びの延伸による請求項１に記載の方法。
冷間加工が０．２％から３．５％の冷間圧縮による請求項１に記載の方法。
１７５°Ｆから３５０°Ｆの温度範囲で４から２４時間である１ステッププロセス、
第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度範囲で２から２４時間で行われ、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われる２ステッププロセス、及び
第１の時効ステップが１７５°Ｆから３２５°Ｆの温度で２から２４時間、次いで２７５°Ｆから３７５°Ｆの温度で５分から４８時間の時効が行われ、次いで１５０°Ｆから３２５°Ｆの温度で３から４８時間の時効が行われる３ステッププロセス、
からなるグループから選択される３つのプロセスのうちの一つで時効が行われる請求項１に記載の方法。
毎分１から６インチの範囲の速度での溶融体の鋳造をさらに含む請求項１に記載の方法。
少なくとも断面積の８０％が非再結晶状態である鍛造品を供するために固化体の押し出し、圧延又は鍛造が行われる請求項１に記載の方法。