JP6096488B2 - ７０００系アルミニウム合金の押出成形用ビレット及び押出形材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系（７０００系）アルミニウム合金であって、押出成形用の鋳造ビレット及びその製造方法並びにこの鋳造ビレットを用いて押出成形した押出形材に関する。

Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、７０００系アルミニウム合金と称され、高強度材を得るのに適したアルミニウム合金である。
しかし、従来の７０００系アルミニウム合金は特許文献１〜４に示すようにＭｇ，Ｚｎ及びＣｕ成分の添加によるものであり、Ｍｇ及びＣｕの添加量が多くなると押出性が著しく低下する。
また、Ｚｎは押出性を低下させることなく比較的多く添加できるが、耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）が著しく低下する。
いずれにしても７０００系アルミニウム合金は、高強度が得られるものの耐ＳＣＣ性が低いことが問題であり、従来はＭｎ，Ｃｒ，Ｚｒ等の遷移元素を添加することで押出成形した際に押出形材の表面に出現する再結晶の深さを抑制し、耐ＳＣＣ性を改善しようとするものであった。
ところが、遷移元素の添加が多くなると焼入れ感受性により強度が低下する恐れがあり、ダイス端水焼入れ等の対策が必要となる。
また、強度の低下をカバーするのにＭｇ，Ｃｕの添加量を増すと押出性が低下し、生産性が悪化する。
よって、７０００系アルミニウム合金を用いた押出形材の分野では、押出性を確保しつつ、強度と耐ＳＣＣ性の両立を図るのが難しいとされていた。

特許第３７３５４０７号公報 特許第３８３４０７６号公報 特許第４４９８１８０号公報 特許第２９２８４４５号公報

本発明は、耐応力腐食割れ性（耐ＳＣＣ性）に優れた押出形材を得るのに適した押出成形用鋳造ビレット及び製造方法の提供を目的とする。

本発明は、７０００系アルミニウム合金の押出成形用鋳造ビレットの製造方法であって、鋳造後に２回以上の均質化処理をし、２回目以降の均質化処理条件が１回目の均質化処理条件よりも弱いことを特徴とする。

ここで押出成形用鋳造ビレットとはアルミニウム地金を溶解し、これに添加元素（金属）を配合，調整した後に円柱形に鋳造したものをいう。
一般に連続鋳造法により、長尺ビレットを鋳造し、所定の長さに切断し、押出形材の成形に供される。
鋳造法にはフロート式鋳造法，ホットトップ鋳造法が用いられる。

鋳造したままのビレットは、凝固時にミクロ偏析が生じていることから再加熱により溶質元素の固溶処理をすることが必要であり、この工程を均質化処理という。
７０００系のアルミニウム合金は、一般に６０００系アルミニウム合金よりも局部融解する温度が低く、５６０℃以下の温度で均質化処理がなされ溶質元素を充分に固溶するには５２０℃以上がよい。
本発明者らはビレットの均質化処理条件と金属組織の関係を詳細に研究した結果、本発明に至った。
７０００系のアルミニウム合金を５２０〜５６０℃の条件にて充分に均質化処理すると金属組織中の析出物が少ないが、均質化処理後に常温まで冷やしたビレットを再加熱したところ、固溶していた溶質元素が析出物として析出する現象を見出した。
この析出物が析出したビレットを用いて押出成形により押出形材を製造すると、押出形材の表面の再結晶層が薄くなることも明らかになった。
再結晶層が薄くなると、耐ＳＣＣ性も向上する。
よって、本発明の特徴は均質化処理を２回以上行う点に特徴があり、２回目の均質化処理は１回目の均質化処理よりも弱い条件で行い、１回目で固溶した溶質元素を析出物として均一に析出させるものである。
均質化処理条件が弱いとは、加熱温度が低いか、あるいは、加熱温度が同等でもその加熱時間が短く析出物が再固溶しないことをいう。
２回目の均質化処理条件が１回目と同等以上になると、析出した溶質元素が再び固溶するからである。
本明細書ではビレットを加熱処理し、溶出元素の固溶化及び析出物の均質化を含めて均質化処理と表現する。

本発明において好ましい均質化処理条件の組み合せは、１回目の均質化処理条件が５２０〜５６０℃の範囲で、２回目の均質化処理条件が４８０〜５２０℃の範囲である。
また、本発明において２回以上均質化処理を行うのは、溶質元素を一旦充分に固溶化させた後に析出物として析出させるのが目的であり、前記２回目の均質化処理をした後のビレットの結晶粒内の析出物の面積率がミクロ組織観察で９％以上であるのが好ましい。
このようなビレットを用いて押出成形し、押出形材を得ると耐ＳＣＣ性に優れる。

本発明に係る鋳造ビレットの均質化処理方法を用いると、押出形材の表面の再結晶層の厚みを抑えることができ、耐ＳＣＣ性の向上を図ることができる。

評価に用いたビレットの化学組成及び均質化処理条件を示す。 評価結果を示す。 （ａ）は実施例１、（ｂ）は比較例１のビレットのミクロ組織及びこのビレットを用いた押出形材の断面ミクロ組織を示す。 押出形材の断面形状例を示す。 押出形材の断面形状例を示す。 押出形材の断面形状例を示す。

本発明に係る鋳造ビレット（以下、単にビレットと称する。）の製造方法を用いると、７０００系アルミニウム合金の耐ＳＣＣ性を改善することができる。
７０００系アルミニウム合金の鋳造ビレットを用いた押出形材で、機械の強度部材，車両のメンバー等の構造部材，あるいは車両のバンパーリインホースメント，サイドドアビーム等のエネルギー吸収部材等を製造するには、耐力４７０ＭＰａ以上の高強度材が好ましい。
そこで以下、耐ＳＣＣ性に優れた耐力４７０ＭＰａ以上の高強度材を得るための条件について説明する。
７０００系アルミニウム合金の成分範囲を以下全て質量％で表現する。
Ｍｇ：１．６〜２．６％，Ｚｎ：６．０〜７．０％の範囲に設定すると、Ｃｕの添加物を０．５％以下に抑えても鋳造したビレットを５２０〜５６０℃の温度条件にて１回目の均質化処理を行い、一旦常温まで冷却した後に２回目の均質化処理を４８０〜５２０℃の範囲で行うことにより、押出直後に水焼入れすることなくファン空冷した後に、常法に従って人工時効処理し、耐力４７０ＭＰａ以上の高強度材が得られる。
なお、ビレットの鋳造時に結晶粒の微細化を図る目的で一般的にＴｉ：０．０１〜０．０５％添加する。
よって、耐力４７０ＭＰａ以上を得るアルミニウム合金は、Ｍｇ：１．６〜２．６％，Ｚｎ：６．０〜７．０％，Ｃｕ：０．５％以下，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％及び残部がアルミニウムと不可避的不純物となる。
ここで、Ｍｇを２．６％以下としたのは、２．６％を超えると押出性が低下し、Ｃｕを０．５％を超えても押出性が低下するのでＣｕは０．５％以下とした。
また、Ｚｎは７．０％を超えると耐ＳＣＣ性が低下する。

本発明において、ビレットの均質化処理を２回以上行い溶質元素の固溶化とその後の析出物の均質化を図ることで耐ＳＣＣ性が改善される。
さらに押出形材の表面再結晶を抑制し、耐ＳＣＣ性を向上させるには、Ｍｎ，Ｃｒ及びＺｒのうち１つ以上を合計で０．１５〜０．６％の範囲で添加するのが好ましい。
これらの遷移元素を合計で０．６％超えると焼入れ感受性が強くなり、押出直後のファン空冷では４７０ＭＰａ以上の高強度を得るのが難しくなる。
この場合のアルミニウム合金組成は、Ｍｇ：１．６〜２．６％，Ｚｎ：６．０〜７．０％，Ｃｕ：０．５％以下、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒのうち１つ以上を含み、その合計が０．１５〜０．６％の範囲で残部がアルミニウム及び不可避的不純物となる。
ここで、不可避的不純物にはアルミニウムの精錬及びビレットの鋳造工程で不純物として混入されるものをいい、不純物の代表例にはＦｅ，Ｓｉが挙げられる。
Ｆｅは０．３％以下、好ましくは０．２％以下になるように管理するのが好ましい。
Ｓｉは０．１％以下に抑えるのが好ましい。
Ｆｅ，Ｓｉ以外の不純物もＦｅ，Ｓｉを除くトータルで０．１％以下に抑えるのが好ましい。

耐力４７０ＭＰａ以上を得るのに適した押出条件は次のとおりである。
押出時のビレットの予熱温度は４００〜５００℃の範囲、押出直後の形材温度は５００〜５８５℃の範囲が好ましい。
また、押出直後の冷却速度は形材温度が２００℃以下になるまで５０〜５００℃／ｍｉｎの速度を維持するのが好ましい。
この範囲の冷却速度はファン空冷で制御できる。
本発明においてファン空冷が好ましいのは、押出直後に水冷するダイス端水焼入れでは、押出形材に水素が取り込まれ脆化し、耐ＳＣＣ性が低下する恐れがあるからである。
また、押出形材は７０００系アルミニウム合金に常法として適用される人工時効処理をする。
通常は８０〜１６０℃の範囲で一段時効又は二段時効が行われる。

次に図１の表に示した化学成分組成からなるビレットを鋳造し、１回目（１ｓｔ）及び２回目（２ｎｄ）の均質化処理条件（実施例１〜４）と、１回だけの均質化処理条件（比較例１〜１２）にて均質化処理した。
このように均質化処理したビレットを用いて押出加工し、図４に示すような断面形状の押出形材を得た。
押出後の冷却はファン冷却である。
ビレットの均質処理後のミクロ組織における析出物の面積率は次のように測定した。
ビレットの径方向中心部より試料を切り出し及び表面研磨し、ケラー氏液によるエッチングの後に、光学顕微鏡により金属組織を観察する。
その後に、得られた金属組織について、測定面積１７９５６μｍ^２×３箇所を画像処理し、析出物の面積率を測定した。
２回の均質化処理の方が１回だけの均質化処理よりもミクロ組成における析出物が多く、均一になっているが、析出物の面積率９％以上を目標にした。
得られた押出形材から試験片を切り出して評価した結果を図２の表に示す。
機械的性質は、ＪＩＳ Ｚ２２４１に基づく５号試験片を切り出し、オートグラフにて測定した。
表中σ_Ｂは引張強度、σ_０．２は０．２％耐力値、δは伸びを表す。
表中ＳＣＣは耐応力腐食割れ性の試験結果を示す。
耐応力腐食割れ性は耐力の８０％の応力を試験材料に負荷した状態で次の条件を１サイクルとし、７２０サイクルにて割れが発生しなかったものを目標達成とし、それまでに割れが発生したものはそのサイクル数（ｃｙｃ）を示す。
＜１サイクル＞
３．５％ＮａＣｌ水溶液中に２５℃，１０ｍｉｎ浸漬し、その後に２５℃，湿度４０％中に５０ｍｉｎ放置し、その後に自然乾燥する。
再結晶深さは押出形材の押出方向と直交する方向に断面を顕微鏡観察し、再結晶組織の深さを測定した。
押出性は形材の表面にムシレやピックアップが生じなかったものを正常と判定した。

＜評価結果＞
（１）実施例１の５６０℃，６ｈｒの１回目の均質化処理した後に一担常温まで冷却し、次に５００℃，１２ｈｒの２回目の均質化処理したビレットのミクロ組織写真と、このビレットを用いて押出成形した押出形材のミクロ組織写真を図３（ａ）に示す。
また、比較例１（５６０℃，６ｈｒの１回のみ均質化処理）のビレット及び押出形材のミクロ組織写真を図３（ｂ）に示す。
２回目の均質化処理した図３（ａ）の写真を見ると明らかなようにビレットに析出物が均一に出現し、このビレットを用いた押出形材の表面の再結晶層の深さ（厚み）が浅い。
（２）実施例１〜４はいずれも耐ＳＣＣ性が目標の７２０サイクルをクリヤーし、再結晶深さも目標の５０ｍｍ以下をクリアーしている。
このことからもビレットのミクロ組織における析出物の面積率は９％以上がよく、実施例の２〜４を比較すると、いずれもＭｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒの合計が０．４５％と同じの場合、ビレット中の析出物の面積率９〜１９％の範囲で再結晶深さが１８〜２０ｍｍの範囲にあり、いずれも耐ＳＣＣ性に優れる。
なお、実施例１はＭｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒの合計が０．２９％と実施例２〜４より低く、再結晶深さが深いことから、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒの影響が認められる。
（３）耐力を比較すると、実施例１〜４は全て目標の４７０ＭＰａ（Ｎ／ｍｍ^２）をクリヤーしているが、比較例７はＭｇ：０．９５％と１．６％以下であり、Ｚｎ：５．８１％と６．０％以下なので、耐力が３４１ＭＰａと低い値であった。
比較例８，１１，１２は、Ｍｇが１．６％以下なので比較例７よりも耐力値が高いものの、４７０ＭＰａ以下であった。

実施例１〜４に示した化学組成のアルミニウム合金を用いたビレットは、図４〜５に例を示すような断面形状の押出形材を得ることができる。
図中に示したａ，ｂ，ｔ_１〜ｔ_３は押出可能な寸法関係を示し、ｔ_３１，ｔ_３２はｔ_３に含まれる。
なお、図４，５は略目字断面形状であり、日字断面形状よりも押出加工が難しい。
図６はソリッド断面形状の例であり、比較的肉厚が薄い大型断面形状のものが押出可能である。

Claims (4)

1. ７０００系アルミニウム合金の押出成形用鋳造ビレットの製造方法であって、
   前記７０００系アルミニウム合金は質量％で、Ｍｇ：１．６〜２．６％，Ｚｎ：６．０〜７．０％，Ｃｕ：０．５％以下，Ｔｉ：０．０１〜０．０５％，さらにＺｒとＭｎ又は／及びＣｒとを含有し、Ｚｒ＋Ｍｎ＋Ｃｒの合計で０．１５〜０．６％含有し、残部がアルミニウムと不可避的不純物からなり、
   鋳造後に５２０〜５６０℃の温度にて１回目の均質化処理を行い常温まで冷却した後に、当該１回目よりも低い温度であって４８０〜５２０℃の温度で２回目の均質化処理を行うことを特徴とする押出成形用鋳造ビレットの製造方法。
2. 前記２回目の均質化処理をした後のビレットの結晶粒内の析出物の面積率がミクロ組織観察で９％以上であることを特徴とする請求項１記載の押出成形用鋳造ビレットの製造方法。
3. 請求項１又は２記載の製造方法により製造された押出成形用鋳造ビレットを用いて押出成形されたことを特徴とする７０００系アルミニウム合金押出形材の製造方法。
4. 前記押出成形において、押出直後に５０〜５００℃／ｍｉｎの速度で冷却し、その後に人工時効処理をすることを特徴とする請求項３記載の７０００系アルミニウム合金押出形材の製造方法。