JP5973717B2

JP5973717B2 - アルミニウム合金複合材及びその製造方法、アルミニウム合金鍛造品

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Publication number: JP5973717B2
Application number: JP2011276505A
Authority: JP
Inventors: 聡史若栗; 隆宏三部; 中西　栄三郎; 栄三郎中西; 義幸檜室
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp; UACJ Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Nippon Steel Corp; UACJ Corp
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: JP2013126672A

Description

本発明は、アルミニウム合金複合材及びその製造方法、及びアルミニウム合金鍛造品に関し、特に、延性に優れたアルミニウム合金複合材に関するものである。

従来からアルミニウム合金は、押出、鍛造等の加工によって複雑形状の成形が可能であるため、軽量化素材として、主に構造部材を中心に様々な用途で使用されている。

これらのアルミニウム合金の中でも、ＪＩＳ規格合金であるＡＣ４Ｃ等のＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金は、鋳造時の湯流れ性が良いこと、人工時効処理によって強度を高くすることが可能なこと等の理由から、鋳物用合金として既に幅広く利用されている。

また、これらの鋳物用合金は不純物の多い２次合金（再生塊）を用いて製造することが可能であるため、１次合金（新塊）を多く使用する一般的な展伸材と比較して低コストで製造が可能であり、さらなる利用の拡大が期待されている。

一方、２次合金原料は不純物元素であるＦｅを多く含有する場合がある。Ａｌ中にＦｅが０．２質量％以上含有された場合、鋳造時に粗大な針状のＡｌ−Ｓｉ−Ｆｅ系の化合物が形成されやすくなるため、材料の延性を低下させる。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金のＴ６材としての伸びは、Ｆｅが０．５％以下（組成の％は質量％を表す、以下同じ）に規制されているＪＩＳ合金のＡＣ４Ｃ−Ｔ６で一般に１０％以下であり、部品によってはその要求特性に対し十分な延性が得られないため、用途拡大の妨げとなっていた。

Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の延性を改善する手段として、不純物元素であるＦｅの含有量を低くする方法がある。Ｆｅ含有量を０．２％まで抑えたＪＩＳ合金としてはＡＣ４ＣＨが規定されており、この合金のＴ６処理後の伸びは一般に１０％を超えるが、Ｆｅ含有量を抑えるため新塊が主原料となり、２次合金を使用する比率が小さくなるためコストが高くなるという問題点があった。

さらに、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金の延性を改善する手段として、アルミニウム合金で既に一般的に使用されているクラッド材とする方法が考えられる。しかし、アルミニウム合金で用いられるクラッド材は主に耐食性改善が主目的であり、犠牲層として皮材にＺｎを添加した合金を用いられるのが一般的であり、延性の改善を目的としたクラッド材が検討された前例は無い。

アルミニウム合金複合材の代表例として、特許文献１が挙げられるが、複合材の疲労強度及び耐食性向上の手段として、芯材を高強度合金、皮材を芯材と比較して耐食性に優れた合金を用いているため、本特許とは異なる。また、耐食性を向上させるためだけに皮材があるため、延性に関する記述は無く、皮材の厚さの規定も無い。さらに複合材の製造方法が摩擦接合によるものであるため、低コストで製造することが難しい。

特開２０１０−２２１２４４号

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、高Ｆｅを含有する材料においても低コストで製造可能で、かつ延性に優れたアルミニウム合金を提供することを目的とする。

本発明者らは様々な検討を行った結果、芯材よりＦｅ量の少ない延性に優れた合金をクラッドさせた複合材とすることにより、強度及び延性に優れた材料が提供可能なことを見出した。

さらに、本発明の複合材の製造方法として間接押出を用いることにより、様々なサイズ及び芯材、皮材の比率に対応可能な複合材を低コストで提供することが可能となる。

本願記載の第一の発明は、塊状または円柱形状のアルミニウム合金Ａと、その外周面の一部または全周を覆うアルミニウム合金Ｂで構成されるアルミニウム合金複合材において、アルミニウム合金Ａとアルミニウム合金Ｂが拡散接合されており、アルミニウム合金ＡのＦｅ量（質量％）をＦｅ_Ａ、アルミニウム合金ＢのＦｅ量をＦｅ_Ｂとしたとき、０．２≦Ｆｅ_Ａ≦１．０かつＦｅ_Ａ／Ｆｅ_Ｂ＞１であり、アルミニウム合金Ｂが複合材の断面積の５％以上であることを特徴とする強度及び延性に優れたアルミニウム合金複合材である。

また、本願記載の第二の発明は、前記アルミニウム合金Ａの硬度をＨ_Ａ、アルミニウム合金Ｂの硬度をＨ_Ｂとした場合、０．８≦Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂであることを特徴とする強度及び延性に優れたアルミニウム合金複合材である。

本願記載の第三の発明は、前記アルミニウム合金ＡがＳｉ：４．０〜８．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．２〜０．５％、Ｆｅ：０．２〜１．０％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、前記アルミニウム合金ＢがＳｉ：０．２〜１．０％、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｆｅ：０．１〜０．９％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする強度及び延性に優れたアルミニウム合金複合材である。

本願記載の第四の発明は、前記アルミニウム合金複合材の製造方法であって、前記アルミニウム合金Ａからなる芯材ビレットを前記アルミニウム合金Ｂからなる皮材中空ビレットの内径部に挿入してクラッドビレットを作成する工程と、前記クラッドビレットを間接押出する工程を備える、アルミニウム合金複合材の製造方法である。

本願記載の第五の発明は、前記アルミニウム合金複合材を熱間または冷間鍛造により加工したアルミニウム合金鍛造品である。

本発明に係るアルミニウム合金複合材によれば、延性に優れたアルミニウム合金を低コストで提供することが出来る。

以下に本発明によるアルミニウム合金複合材の詳細について説明する。

本発明のアルミニウム複合材の組み合わせに関しては、皮材のアルミニウム合金Ｂは、芯材のアルミニウム合金Ａに比べてＦｅ量の低い材料という条件を満足するものであればアルミニウム合金の選定に規定は無い。

しかし、より好ましくは、アルミニウム合金ＡはＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、前記アルミニウム合金ＢはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金が望ましい。これは、低コストで製造が可能であることと、芯材、皮材ともにＭｇ、Ｓｉを含有することにより、複合材を人工時効処理によってＭｇ_２Ｓｉによる析出強化を図ることが出来るためである。

複合材の芯材となるアルミニウム合金Ａに関しては、鋳物用合金であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金（ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ等）が望ましい。これは複合材の元になる鋳塊作製時に多くの２次合金を使用することが可能な組成であり、それによって低コストで製造可能なためである。また、芯材のＦｅ量が０．２％未満の場合は製造時のコストが高くなるため、アルミニウム合金ＡのＦｅ量（Ｆｅ_Ａ）は、０．２％以上とし、好ましくは０．４％以上とする。また、Ｆｅ_Ａの上限は、Ｆｅ_Ａが多すぎると、アルミニウム合金Ｂとのクラッド材にした場合でも十分な延性が得られないので、Ｆｅ_Ａは、１．０％以下とし、望ましくは０．７％以下とする。Ｆｅ_Ａは、具体的には例えば、０．２０、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．４５、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

また、複合材の皮材となるアルミニウム合金Ｂに関しては、展伸用合金であるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（ＪＩＳ規格６０６１、６０６３等）が望ましい。これは、芯材と比較して延性が高いこととともに、芯材と皮材を同等の強度にすることによって、複合材としての鍛造等の成形加工時の成形性向上を図ることが可能となるためである。アルミニウム合金ＢのＦｅ量（Ｆｅ_Ｂ）は、Ｆｅ_Ａ／Ｆｅ_Ｂ＞１であれば特に限定されないが、例えば、０．１〜０．９％であり、好ましくは０．１〜０．４％であり、具体的には例えば０．１、０．１５、０．２、０．２５、０．３、０．３５、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。Ｆｅ_Ａ／Ｆｅ_Ｂの値は、１より大きければよく、例えば、１．１〜５であり、具体的には例えば１．１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

複合材の成形性を低下させないための強度範囲としては、アルミニウム合金Ａの硬さＨ_Ａとアルミニウム合金Ｂの硬さＨ_Ｂの比が、０．８≦Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂであることが望ましい。Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂ＜０．８の場合、芯材と比較して皮材の変形抵抗が高くなるため、鍛造等の成形加工時に割れが発生しやすくなる。一方、上限は特に限定しないが、芯材と皮材の均一な加工のための好ましい範囲として、Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂ≦１．２であることが望ましい。Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂの値は、例えば、０．８、０．８５、０．９、０．９５、１．０、１．０５、１．１、１．１５、１．２であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

また、アルミニウム合金Ｂは、複合材の断面積の５％以上の面積率であることが必要である。ここで、面積率は、複合材の任意の断面とそれに直交する２断面の計３断面の平均値で定義する。断面積比率が５％未満の場合、複合材として十分な延性が得られない。なお、断面積比率のより好ましい範囲としては、１０％以上７０％以下である。一方、断面積比率が７０％より大きい場合、伸びの上昇が小さいが、アルミニウム合金Ａを使用する割合が小さくなり、コストが上昇してしまう。断面積比率は、具体的には例えば５、１０、１５、２０、３０、４０、５０、６０、７０％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

次に本実施形態におけるアルミニウム合金Ａの成分限定理由について説明する。
Ｓｉは、Ｍｇと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成し、人工時効処理において強度を増大させる元素である。Ｓｉの含有量は、４．０〜８．０％の範囲であり、４．０％未満では２次合金を使用する比率が低くなるため、低コストで製造することが出来ない。一方、８．０％を超えると押出性が低下する。

Ｍｇは、上述したように、Ｓｉと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成することで、押出成形後の人工時効処理において強度を増大させる効果がある。Ｍｇの含有量は、０．２〜０．５％であり、０．２％未満ではその効果が小さく、０．５％を超えると成形性が低下する。

Ｆｅ以外の不純物として、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒは鋳塊組織を均一微細化する効果があるので含有しても良いが０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成したり押出性が低下したりするので、その含有量は０．２％以下であることが好ましい。

次に本実施形態におけるアルミニウム合金Ｂの成分限定理由について説明する。
ＳｉはＭｇと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成し、人工時効処理において強度を増大させる元素である。Ｓｉの含有量は、０．２〜１．０％（組成の％は質量％を表す、以下同じ）の範囲であり、０．２％未満ではその効果が小さく、１．０％を超えるとその効果が飽和するほか、延性が低下するため押出性が低下する。

Ｍｇは上述したように、Ｓｉと反応してＭｇ_２Ｓｉ化合物を形成することで、人工時効処理において強度を増大させる効果がある。Ｍｇの含有量は、０．４〜１．２％であり、０．４％未満ではその効果が小さく、１．２％を超えると成形性が低下する。

Ｆｅ以外の不純物としてはＣｕ、Ｚｎなどがあるが、Ｃｕ０．８％以下、Ｚｎ０．５％以下であれば本発明の効果を阻害するものではない。

またＴｉ、Ｃｒ、Ｚｒは鋳塊組織を均一微細化する効果があるので含有しても良いが０．２％を超えると巨大金属間化合物を形成したり押出性が低下したりするので、その含有量は０．２％以下であることが好ましい。

次に本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

連続鋳造により、表１に示す組成の芯材用合金、表２に示す皮材用合金を作製した。均質化処理後、皮材用合金のビレットに穴を開け、皮材中空ビレットを５００℃に加熱後、常温の芯材ビレットを皮材中空ビレットの内径部に挿入し、冷却することによって焼嵌めを行い、表３に示す合金及びクラッド率の組み合わせでクラッドビレットを作製した。焼嵌めされたクラッドビレットを４５０℃で間接押出しすることにより皮材と芯材を拡散接合させ、外径６０ｍｍのクラッド丸棒を作製した。

次に、得られた丸棒を用いて以下に示す各種の評価を行った。

１．押出性
押出性の評価として、製品表面に割れが生じない限界押出速度を調査した。

２．据え込み鍛造試験
得られた丸棒を５００℃に加熱後、熱間据え込み鍛造を行い、表面に割れが発生する限界圧下率の調査を行った。なお、圧下率は、{（６０−据え込み後の製品高さ）／６０}×１００（％）で定義した。

３．引張試験
据え込み鍛造によって作製した平板は、Ｃ１〜Ｃ２６及びＣ３０〜Ｃ３８は５３０℃×１ｈの溶体化処理を行い、水焼入れ後、１８０℃×６ｈの人工時効処理を行った。なお、芯材が２０００系合金のＣ２７は溶体化処理を５００℃×１ｈ、人工時効処理を１２０℃×２４ｈとした。また、芯材が７０００系合金のＣ２８は溶体化処理条件を４７０℃×１ｈ、人工時効処理を１２０℃×２４ｈとした。また、Ｃ２９は芯材、皮材ともに非熱処理合金であるため、据え込み鍛造後の熱処理は実施しなかった。これらのサンプルからＪＩＳ５号引張試験片を切り出し、ＪＩＳＺ２２０１に基づき、引張試験を行った。

４．硬度測定
間接押出によって得られた丸棒を上記同様の熱処理を行った後、丸棒の断面を研磨後、芯材、皮材それぞれの硬さをビッカース硬度計により測定した。なお測定荷重は１ｋｇｆとした。これらの評価結果を表３に示す。表３中のTS、YS、ELの意味は、それぞれ、引張強さ、降伏応力、伸び率を意味する。

表３に示す結果について説明する。なお、総合評価は据え込み鍛造品の延性と製造時のコスト及び成形品の強度を考慮して◎、○、△、×の４段階で評価を行った。製造コストに影響する因子としては、芯材及び皮材のFe量、クラッド率、限界押出速度がある。
クラッド材Ｃ１〜Ｃ１２、Ｃ１６、Ｃ１８、Ｃ２０〜２１は請求項１〜３全てを満足するものであり、延性に優れ、かつ低コストで製造可能な合金であるため、総合評価は◎となる。
クラッド材Ｃ１３、Ｃ１７、Ｃ１９、Ｃ２６、Ｃ２７、Ｃ３３は請求項１の範囲外のものであるため、総合評価が×となり、以下に示す問題点がある。
クラッド材Ｃ１３はクラッド面積率が請求項１の範囲外であるため、成形品の延性が不十分である。
クラッド材Ｃ１７、Ｃ１９、Ｃ３３は、Ｆｅ_Ａ／Ｆｅ_Ｂが１より小さく、成形品の延性が不十分である。
クラッド材Ｃ２６は、芯材のＦｅ量が少ないため延性は高いが、コストが高くなるという問題点がある。
クラッド材Ｃ２７は、芯材のＦｅ量が多すぎたため、成形品の延性が低くなるという問題がある。
その他のクラッド材において、総合評価が○または△となった理由について以下に説明する。
クラッド材Ｃ１４及びＣ１５は、クラッド面積率が高いため、成形品の延性は向上するが製造コストが若干高くなる。
クラッド材Ｃ２２は、芯材のＳｉが少ないため皮材の強度差が大きくなり、限界圧下率がやや低くなることと、芯材のＳｉが少ないため製造コストが若干高くなる。
クラッド材Ｃ２３は、芯材のＳｉ量が多いために限界押出速度が低く、製造コストが若干高くなり、鍛造品の伸びも低めである。
クラッド材Ｃ２４は、芯材のＭｇ量が少ないため、成形品の強度が低めである。
クラッド材Ｃ２５は、芯材のＭｇ量が多いために限界押出速度が低く、製造コストが若干高くなる。
クラッド材Ｃ２８は、皮材のＳｉ量が少ないため、成形品の強度が低めである。
クラッド材Ｃ２９は、皮材のＳｉ量が多いために限界押出速度が低く、製造コストが若干高くなる。
クラッド材Ｃ３０は、皮材のＭｇ量が少ないため、成形品の強度が低めである。
クラッド材Ｃ３１は、Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂが０．８より小さいため延性が低めであり、また、皮材のＭｇ量が多いために限界押出速度が低く、製造コストも若干高くなる。
クラッド材Ｃ３２は、芯材、皮材のＦｅ量が少ないため、製造コストが若干高くなる。
クラッド材Ｃ３４〜Ｃ３８は、皮材が時効硬化型の合金ではないため、成形品の強度が低めである。

Claims

塊状または円柱形状のアルミニウム合金Ａと、その外周面の一部または全周を覆うアルミニウム合金Ｂで構成されるアルミニウム合金複合材において、アルミニウム合金Ａとアルミニウム合金Ｂが拡散接合されており、アルミニウム合金ＡのＦｅ量（質量％）をＦｅ_Ａ、アルミニウム合金ＢのＦｅ量をＦｅ_Ｂとしたとき、０．２≦Ｆｅ_Ａ≦１．０かつＦｅ_Ａ／Ｆｅ_Ｂ＞１であり、アルミニウム合金Bが複合材の断面積の５％以上であり、前記アルミニウム合金ＡがＳｉ：４．０〜８．０％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．２〜０．５％、Ｆｅ：０．２〜１．０を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系合金、前記アルミニウム合金ＢがＳｉ：０．２〜１．０％、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｆｅ：０．１〜０．９％を含有し、残部Ａｌと不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金複合材。
前記アルミニウム合金Ａの硬度Ｈ_Ａとアルミニウム合金Ｂの硬度Ｈ_Ｂが、０．８≦Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂであることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金複合材。
請求項１または２に記載のアルミニウム合金複合材の製造方法であって、前記アルミニウム合金Ａからなる芯材ビレットを前記アルミニウム合金Ｂからなる皮材中空ビレットの内径部に挿入してクラッドビレットを作成する工程と、前記クラッドビレットを間接押出する工程を備える、アルミニウム合金複合材の製造方法。
請求項１または２に記載のアルミニウム合金複合材を用いるアルミニウム合金熱間鍛造品またはアルミニウム合金冷間鍛造品。