JP6521722B2

JP6521722B2 - 構造部材用アルミニウム合金材及びその製造方法

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Publication number: JP6521722B2
Application number: JP2015092434A
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Inventors: 中井　学; 学中井; 慶太岡田; 雅是堀
Original assignee: Kobe Steel Ltd
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Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2019-05-29
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Description

本発明は、構造部材用アルミニウム合金材及びその製造方法に関する。

ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金は、強度及び耐食性が良好であるため、船舶、車両、陸上構造物、光学機器などの構造部材に用いられている。前記した構造部材は、Ａ６０６１合金で作製した所定の形状のアルミニウム合金材に対して鍛造や圧延、押出しなどの熱間加工を行い、不要な部分を削るなどして製造される。当該熱間加工については種々の条件があり、製造しようとする構造部材に応じて適宜設定されている。Ａ６０６１合金で製造したアルミニウム合金材から構造部材を製造する際の熱間加工条件が、例えば、非特許文献１に記載されている。

非特許文献１の第２２頁には、具体的には、材料の変形抵抗は、ひずみ量、ひずみ速度、温度及び合金材質によって変化する旨が記載されている。また、非特許文献１の第２３頁の図１．１２（Ａ）に、Ａ６０６１合金の変形抵抗に及ぼすひずみ、ひずみ速度、温度の影響について図示されている。さらに、非特許文献１の第２５頁の表１．１５には、Ａ６０６１合金の推奨鍛造温度が４３５〜４８０℃であると記載されている。また、非特許文献１の第６９頁の表４．４には、Ａ６０６１合金の鍛造温度として、ハンマによる場合は４３０〜４６０℃、プレスによる場合は４４０〜４７０℃とすることが記載されている。これらに加えて、非特許文献１の第８５頁には、アルミニウム合金を鍛造する場合は、潤滑を行う必要がある旨と、素材への潤滑剤のコーティングを行ったり、金型を表面処理することなどが記載されている。

「鍛造技術講座アルミニウム鍛造」、日本国、財団法人鍛造技術研究所発行、昭和６２年６月、第２２頁、第２３頁、第２５頁、第６９頁、第８５頁

非特許文献１に記載されている熱間加工条件でアルミニウム合金材を製造し、これを用いて構造部材を製造することはできるが、産業界からは、より高強度の構造部材用アルミニウム合金材の開発が切望されていた。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、より高強度の構造部材用アルミニウム合金材及びその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決した本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材は、ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金で形成されており、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上、且つ、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上としている。

本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材は、Ａ６０６１合金を用い、その集合組織を特定の態様とし、さらに、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域を肉厚の７０％以上としている。そのため、Ａ６０６１合金を用いたものとしては従来成し得ない程高い強度を有する構造部材用アルミニウム合金材を具現することができる。

本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材の製造方法は、前記した本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材を製造する製造方法であって、ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金に対して、温度補償ひずみ速度Ｚ因子が１０⁵ｓ^-1以上１０¹²ｓ^-1以下、対数ひずみεが０．７以上３以下、摩擦係数μが０．１５以上０．５以下であり、前記Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1未満では、〔式１〕μ≦０．０８(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ(１０⁹))＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７を満たし、前記Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1以上では、〔式２〕μ≦−０．１(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹))＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７を満たす熱間加工条件で製造する。

本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材の製造方法は、Ａ６０６１合金を用い、熱間加工条件を特定の条件とすることによって、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上、且つ、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上である構造部材用アルミニウム合金材を製造することができる。

本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材は、Ａ６０６１合金を用い、その集合組織を特定の態様とし、さらに、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域を肉厚の７０％以上としているため、より高強度なものとすることができる。

本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材の製造方法は、Ａ６０６１合金を用い、熱間加工条件を特定の条件としているため、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上、且つ、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上である構造部材用アルミニウム合金材を製造することができる。すなわち、より高強度な構造部材用アルミニウム合金材を製造することができる。

表１のＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の対数ひずみと、摩擦係数と、Ｚ因子を３軸に配した３軸グラフのイメージ図である。図１のうち、表１のＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の対数ひずみと摩擦係数の関係に注目したグラフである。なお、図２の横軸が対数ひずみεであり、縦軸が摩擦係数μである。図２のうち、対数ひずみεが０．５である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図３における横軸はＺ因子（ｓ^-1）であり、縦軸は摩擦係数μである。図２のうち、対数ひずみεが０．７２である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図４における横軸はＺ因子（ｓ^-1）であり、縦軸は摩擦係数μである。図２のうち、対数ひずみεが１．２４である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図５における横軸はＺ因子（ｓ^-1）であり、縦軸は摩擦係数μである。図２のうち、対数ひずみεが２．０である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図６における横軸はＺ因子（ｓ^-1）であり、縦軸は摩擦係数μである。

以下、適宜図面を参照して本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材及びその製造方法の実施形態について詳細に説明する。

（構造部材用アルミニウム合金材）
本発明に係る構造部材用アルミニウム合金材（以下、「Ａｌ合金材」という。）は、ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金で形成されている。なお、構造部材としては、例えば、船舶、車両、陸上構造物、光学機器などが挙げられるがこれに限定されるものではない。Ａｌ合金材は、前記した構造部材（製品）を製造するために製造された半製品である。Ａｌ合金材を製品とするには、バリの除去や余分な肉厚の除去、ねじ穴などの形成を行う。このＡｌ合金材は、例えば、熱間鍛造（鋳塊鍛造）、熱間圧延、熱間押出などの熱間加工によって所定の形状に製造される。

そして、本発明に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上という構成としている。つまり、熱間加工によって製造された製品の表面に垂直な方位と平行な方位における｛１１０｝面のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の割合が２５％以上としている。

｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上であると、集合組織が適切であるため、０．２％耐力を３２０ＭＰａ以上とすることができる。その一方で、集合組織に占める前記割合が２５％未満になると、集合組織が適切でないため、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上とならない。
｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合は、０．２％耐力をより向上させる観点から、４４％以上とするのが好ましく、５４％以上とするのがより好ましく、６５％以上とするのがさらに好ましい。
｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合を２５％以上とするには、後記する製造方法で述べる熱間加工条件でＡｌ合金材を製造すればよい。

また、本発明に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上という構成としている。なお、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上あると、製品全体としての強度を高く維持することができる。他方、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％未満になると、製品全体としての強度を高く維持することができない。
０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域は多いほど好ましく、例えば、肉厚の８０％以上としてもよく、さらに９０％以上としてもよく、１００％であってもよい。
０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域を肉厚の７０％以上とするためには、後記する製造方法で述べる熱間加工条件でＡｌ合金材を製造すればよいが、必要に応じて０．２％耐力が３２０ＭＰａ未満である領域を機械的に除去してもよい。

さらに、前記した領域の０．２％耐力は３２０ＭＰａ以上とするが、高いほど好ましく、例えば、３３０ＭＰａ以上、３３５ＭＰａ以上、３４０ＭＰａ以上、３４５ＭＰａ以上などとすることができる。また、前記した領域の０．２％耐力は３５５ＭＰａ以上とするのがより好ましい。このようにすると、より高強度なＡｌ合金材を得ることができる。

｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合は、走査電子顕微鏡−後方散乱電子回折（Scanning Electron Microscope - Electron Back Scatter Diffraction：ＳＥＭ−ＥＢＳＤ）により求めることができる。

（Ａｌ合金材の製造方法）
本発明に係るＡｌ合金材の製造方法は、前記した本発明に係るＡｌ合金材を製造するものである。
本製造方法では、ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金を用いる。そして、当該合金に対して、下記を満たす熱間加工条件でＡｌ合金材を製造する。なお、熱間加工としては、前記したように、熱間鍛造（鋳塊鍛造）、熱間圧延、熱間押出などが挙げられる。本製造方法では、この熱間加工に先立って、鋳塊の製造及び均質化熱処理がこの順で行われる。そして、前記した熱間加工に続けて、溶体化処理、焼き入れ、人工時効処理及び高温時効処理などがこの順で行われる。なお、溶体化処理、焼き入れ、人工時効処理及び高温時効処理は任意に行う処理であり、行わなくてもよい。

鋳塊の製造、均質化熱処理、熱間鍛造、熱間圧延、熱間押出、溶体化処理、焼き入れ及び人工時効処理はいずれも一般的な設備及び条件で行うことができる。なお、特に限定されるものではないが、これらの処理の条件を例示すると以下のようになる。

鋳塊の製造は、Ａｌ合金の溶湯を鋳造して鋳塊を作製する。鋳塊の製造では、所定の組成範囲内に溶解調整されたＡｌ合金（ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金）の溶湯を、連続鋳造法（例えば、ホットトップ鋳造法）や半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法：Direct Chill casting process）などの通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。

均質化熱処理は、鋳造されたＡｌ合金の鋳塊を熱処理し、鋳塊組織中の結晶粒内の偏析をなくして、ミクロ組織の均質化を図り、晶出物を微細化する。均質化熱処理は、例えば、前記鋳塊を４７０〜５７５℃で１〜２４時間の熱処理を行うことを挙げることができる。この均質化熱処理後は、ファンなどによってビレット（鋳塊）を強制的に急冷して、冷却速度を速める方が好ましい。冷却速度の目安は、室温を含む３００℃以下の温度まで、８０℃／ｈｒ以上とすることが好ましい。

熱間鍛造の場合、均質化熱処理後の鋳塊を再加熱し、３５０〜５７５℃の範囲で所望の厚みと形状に熱間鍛造して、所望の肉厚の熱間鍛造材とし、その後に調質処理する。高強度（調質後の耐力）化には、鍛造温度の高温化によるファイバー組織化が有効であり、このためには鍛造温度は４００℃以上が望ましい。なお、５７５℃を超える高温では、局部融解（バーニング）等が生じるおそれがある。

熱間押出の場合、均質化熱処理後の鋳塊を再加熱し、３５０〜５７５℃の範囲で所望の厚みと形状に熱間押出し、更に必要に応じて所望の形状・肉厚に冷間押出（抽芯加工）し、その後に調質処理する。高強度（調質後の耐力）化には、押出温度の高温化によるファイバー組織化が有効であり、このためには押出温度は４００℃以上が望ましい。

熱間圧延の場合、均質化熱処理後の鋳塊を、熱間圧延温度まで冷却するか、一旦室温まで冷却後に熱間圧延温度まで再加熱して、熱間圧延し、所望の板厚の熱間圧延板を得るか、更に必要に応じて冷間圧延して、所望の板厚の冷間圧延板とし、その後に調質処理する。熱間圧延温度は、３５０〜５７５℃の範囲で適宜選択する。

溶体化処理は、前記Ａｌ合金の成分組成との関係や、続く高温での人工時効硬化処理により強度向上に寄与する時効析出物を十分粒内に析出させる。溶体化処理は、好ましくは、５１０〜５７０℃で０．５〜２０時間の所定時間保持する条件で行う。この溶体化処理後、直ちに１℃／秒以上（肉厚中心部位）の平均冷却速度（４００℃から２９０℃）で焼入れ処理（急冷処理）を行う。焼き入れは、例えば、９０℃以下の水中で行うことができる。この溶体化処理後の焼入れ処理の冷却速度が遅いと、粒内、粒界上にＳｉや、Ｍｇ−Ｓｉ系金属間化合物などが析出し易くなり、製品の強度、耐食性を低下させる。溶体化処理及び焼入れ処理に使用する熱処理炉は、バッチ炉、連続炉、溶融塩浴炉のいずれを用いてもよい。また、溶体化処理後の焼入れ処理は、水浸漬、水噴射、ミスト噴射、空気噴射、空気中放冷のいずれを用いてもよい。

高温時効処理は、前記した溶体化処理及び焼入れ処理の後に、強度など機械的諸特性並びに耐食性を向上させるために行う処理である。高温時効処理は、溶体化処理及び焼入れ処理の後に、１６０〜２４０℃で１〜４８時間熱処理を施すことによって行うことができる。高温時効処理の温度は、製造上、優れた特性を有した製品を得る観点から、１７０〜２２０℃が好ましい。高温時効処理の時間は、製造上、優れた特性を有した製品を得る観点から、１時間以上が好ましく、３時間以上がさらに好ましい。高温時効処理は、溶体化処理及び焼入れ処理後に直ちに行うことが好ましい。高温時効処理は、例えば、ＪＩＳＨ０００１：１９９８に記載の熱処理条件内にて行うものであり、調質記号でＴ６、Ｔ７の調質処理である。高温時効処理は、バッチ炉、連続炉、オイルバス、温湯浴槽等のいずれの装置を用いてもよい。

温度補償ひずみ速度Ｚ因子（Zener - Hollomon parameter）を１０⁵ｓ^-1以上１０¹²ｓ^-1以下とし、対数ひずみεを０．７以上３以下とし、摩擦係数μを０．０１以上０．５以下とする。なお、前記した温度補償ひずみ速度Ｚ因子は、「Ｚ因子」、「Ｚパラメータ」や「因子Ｚ」などとも呼称されている。温度補償ひずみ速度Ｚ因子は、下記式（１）によって表される（温度補償ひずみ速度Ｚ因子は、式（１）において「Ｚ」で示している。）。平均加工度の算出には、対数ひずみを適用することができる。熱間加工条件は、Ｚ因子（温度補償ひずみ速度Ｚ因子）を用いて整理することができる。Ｚ因子は、式（１）で定義されているように、熱間加工の温度が低くなるにつれて、またひずみ速度が大きくなるにつれて高くなる。この場合の温度Ｔ（Ｋ）は素材温度であり、素材を熱間加工する前に、雰囲気炉中で一定時間保持することによって、または、誘導加熱装置で上昇加熱することによって制御することができる。初期ひずみ速度（ｓ^-1）は、鍛造の場合であれば、クロスヘッド速度を被加工物の初期高さ（ｍｍ）で除した値で示される。初期ひずみ速度は、クロスヘッド速度の調整により制御することができ、油圧プレス機、メカニカルプレス機、リンクモーションプレス機、サーボプレス機などの代表的なプレス機の中で、特にサーボプレス機は任意の速度を選定し易い。また、平均加工度の算出に適用した対数ひずみεは、被加工物の初期高さｈ０、加工後の高さｈ１より、自然対数を用いてｌｎ（ｈ０／ｈ１）で示すことができる。摩擦係数μは、金型の表面、Ａｌ合金材製造用の鋳塊の表面の性状、用いる潤滑剤によって制御することができる。

なお、温度が６２３．１５Ｋ未満になると、Ｚ因子が高くなる傾向にある。つまり、Ｚ因子が１０¹²ｓ^-1を超えてしまうおそれが高くなる。Ｚ因子が１０¹²ｓ^-1を超えると、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上とならなかったり、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならなかったり、粗大な再結晶粒が発生したりするおそれがある。ここで、粗大とは５００μｍ以上の粒径（最大長）を含むミクロ組織を示す。その一方で、温度が８１３．１５Ｋを超えると、Ｚ因子が１０⁵ｓ^-1未満となるおそれが高くなるとともに、熱間加工時にバーニング（局所的な溶融）が生じるおそれがある。

そして、本発明においては、対数ひずみε及び摩擦係数μをそれぞれ前記した範囲としつつ、前記したＺ因子が１０⁹ｓ^-1未満である場合（換言すれば、１０⁵ｓ^-1以上１０⁹ｓ^-1未満である場合）は、下記〔式１〕を満たす熱間加工条件とし、前記したＺ因子が１０⁹ｓ^-1以上である場合（換言すれば、１０⁹ｓ^-1以上１０¹²ｓ^-1以下である場合）は、下記〔式２〕を満たす熱間加工条件とする。

〔式１〕
μ≦０．０８(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７

〔式２〕
μ≦−０．１(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７

ここで、〔式１〕及び〔式２〕のそれぞれの式において右辺にて算出された値を、本明細書における記載の便宜上、単に「解析値」ということがある。つまり、〔式１〕及び〔式２〕のそれぞれにおいて、「μ≦解析値」となる。

なお、〔式１〕及び〔式２〕中のＺには、前記式（１）で求められた値が代入される。また、〔式１〕及び〔式２〕において、μ、εはそれぞれ前記したものと同義である。〔式１〕及び〔式２〕における各係数は、本発明者が実験・研究を行い、効果を奏するものと奏しないものを峻別することにより導き出したものである。Ｚ因子、対数ひずみε及び摩擦係数μをそれぞれ前記した範囲とすることも同様にして導き出したものである。

前記した全ての条件を満たす熱間加工条件で熱間加工を行うと、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上、且つ、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上であるＡｌ合金材を製造することができるが、前記した熱間加工条件のうちの１つでも満たさない場合は、本発明に係るＡｌ合金材を製造することができない。

例えば、温度補償ひずみ速度Ｚ因子が１０⁵ｓ^-1未満であると、熱間加工中に回復が進み過ぎ加工組織となり難く、高い強度を得ることができない可能性が高い。その一方で、温度補償ひずみ速度Ｚ因子が１０¹²ｓ^-1を超えると、熱間加工中の蓄積される転位密度が高くなり過ぎ、熱間加工の終了直後、熱間加工の終了直後から冷却途中、溶体化処理温度への再加熱中、および溶体化処理温度での保持中のうちの少なくとも一つにおいて粒成長が生じる。また、転位密度の程度によっては再結晶が生じ、粗大な粒へと成長するため、高い強度を得ることができない。

対数ひずみεが０．７未満であると、蓄積される転位密度は小さく、加工組織となり難いため、高い強度を得ることが困難となる。その一方で、対数ひずみεが３（より詳しくは３．０）を超えると、転位密度が高くなり過ぎ、熱間加工中の蓄積される転位密度が高くなり過ぎるので、熱間加工の終了直後、終了直後から冷却途中、溶体化処理温度への再加熱中、溶体化処理温度での保持中のうちの少なくとも一つにおいて粒成長が生じる。また、転位密度の程度によっては再結晶が生じ、粗大な粒へと成長するため、高い強度を得ることができない。さらに、被加工物の表面に焼き付きが生じ易くなり、製品となり難い。また、金型へのダメージも大きく、金型の保守及び修正等が必要となる。

摩擦係数μが０．５を超えると、被加工物の表面に焼き付きが生じ易くなり、製品となり難い。また、金型へのダメージも大きく、金型の保守及び修正等が必要となる。
Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1未満の場合に〔式１〕が「μ≦解析値」とならないと、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上となる製品を製造することができない。
Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1以上の場合に〔式２〕が「μ≦解析値」とならないと、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上となる製品を製造することができない。

次に、本発明の効果を確認した実施例とそうでない比較例とを参照して、本発明の内容について具体的に説明する。

ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金を用いて、鋳塊を鋳造後、均質化熱処理、熱間鍛造、溶体化処理、焼き入れ、人工時効処理を順に施し、Ｎｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材を製造した。なお、Ａ６０６１合金の具体的な化学組成は、Ｓｉ：０．７４質量％、Ｆｅ：０．２２質量％、Ｃｕ：０．２３質量％、Ｍｎ：０．００４質量％、Ｍｇ：０．９６質量％、Ｃｒ：０．１２質量％、Ｚｎ：０．００４質量％、Ｔｉ：０．０２質量％、残部Ａｌ及び不可避的不純物である。

鋳塊の鋳造は、溶湯温度７００〜７２０℃で行い、均質化熱処理は、５００℃で４時間とした。そして、鋳塊の外表面を面削し、さらに切断して、高さ（肉厚）９０ｍｍ、直径６０ｍｍの円柱形状の試料とした。
熱間鍛造は、表１に示す初期ひずみ速度（ｓ^-1）、温度（Ｋ）、Ｚ因子（ｓ^-1）、平均加工度（対数ひずみ）、摩擦係数にて行った。なお、熱間鍛造は、軸圧縮により高さ９０ｍｍの試料を高さ３．６７ｍｍ、１２．２ｍｍ、２６．０ｍｍまたは５４．６ｍｍに加工した。
そして、溶体化処理は５４０℃で３時間とし、焼き入れは８０℃以下の水中で行い、人工時効処理は１８０℃で８時間とした。
このようにして作製したＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材に対し、下記のようにして、引張試験および集合組織（ミクロ組織）の解析を行うとともに、肉厚に対する０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域の割合を求めた。

（引張試験）
ＪＩＳＺ２２４１：２０１１に準じて長手方向がＬＴ（Long Transverse）方向となる試験片（Ａｌ合金材の中心軸から２８ｍｍの位置、且つｔ／２の試料深さ（なお、ｔは肉厚を表す。つまり、ｔ／２は肉厚中心部を表す。））を作製し、引張試験を行った。

（集合組織の解析）
また、ＳＥＭ−ＥＢＳＤにより集合組織の解析を行った。集合組織の解析は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合、および、粗大な再結晶粒の発生の有無について行った。なお、粗大な再結晶粒とは５００μｍ以上の粒径（最大長）であるものをいう。
これらの解析は、Ａｌ合金材の中心から２８ｍｍの位置にてＬ−ＳＴ面に対し、試料表面を含む表層部、ｔ／２、ｔ／４、ｔ／８、ｔ／１６の試料深さについて行った。

（肉厚に対する０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域の割合）
Ａｌ合金材の中心軸から２８ｍｍの位置にて、ｔ／２の試料深さを中心に所定の厚さをもって採取した試験片と、試料の深さ位置をｔ／２からずらし、所定の厚さをもって採取した複数の試験片と、を作製し、引張試験を行った。そして、Ａｌ合金材の高さ２６ｍｍに対する、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上であることが確認された部位の寸法の割合を算出することで、肉厚に対する０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域の割合を求めた。

｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合（表１において、「｛１１０｝／／ＮＤ方位のＰ方位などの集合組織の占める割合」と示す）が２５％以上、且つ、肉厚に対する０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域の割合が７０％以上であるものを総合判定「○」とし、そうでないものを総合判定「×」とした。表１において本発明の効果を奏しない原因となるものに下線を付して表した。

表１のＮｏ．２、３、５〜９に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上であり、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上であった（総合判定○、実施例）。さらに、粗大な再結晶粒の発生も認められなかった。

これに対し、Ｎｏ．１０〜１７に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ未満であったり、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上であったとしても、この領域が肉厚の７０％未満であったりした（総合判定×、比較例）。また、ミクロ組織を観察したところ、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％未満のものもあった。さらに、粗大な再結晶粒が発生しているものもあった。

具体的に説明すると、Ｎｏ．１０に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、対数ひずみεが０．７未満であり、且つ、〔式２〕が「μ≦解析値」とならなかった。そのため、Ｎｏ．１０に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならず、０．２％耐力も３２０ＭＰａ以上とならなかった。また、Ｎｏ．１０に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならなかった。

Ｎｏ．１１に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、〔式１〕が「μ≦解析値」とならなかった。そのため、Ｎｏ．１１に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならなかった。

Ｎｏ．１２に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、Ｚ因子が１０¹²ｓ^-1を超えていた。そのため、Ｎｏ．１２に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならず、０．２％耐力も３２０ＭＰａ以上とならなかった。また、Ｎｏ．１２に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならず、粗大な再結晶粒が発生していた。

Ｎｏ．１３に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、Ｚ因子が１０¹²ｓ^-1を超えており、且つ、〔式２〕が「μ≦解析値」とならなかった。そのため、Ｎｏ．１３に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならず、０．２％耐力も３２０ＭＰａ以上とならなかった。また、Ｎｏ．１３に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならず、粗大な再結晶粒が発生していた。

Ｎｏ．１４に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、〔式２〕が「μ≦解析値」とならなかった。そのため、Ｎｏ．１４に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならず、０．２％耐力も３２０ＭＰａ以上とならなかった。また、Ｎｏ．１４に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならず、粗大な再結晶粒が発生していた。

Ｎｏ．１５に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、摩擦係数μが０．５を超えていたので、熱間鍛造時に表面が焼き付いた。

Ｎｏ．１６に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、〔式２〕が「μ≦解析値」とならなかった。そのため、Ｎｏ．１６に係るＡｌ合金材は、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とならず、０．２％耐力も３２０ＭＰａ以上とならなかった。また、Ｎｏ．１６に係るＡｌ合金材は、０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上とならず、粗大な再結晶粒が発生していた。

Ｎｏ．１７に係るＡｌ合金材は、熱間鍛造時の条件において、対数ひずみが３を超えたので、熱間鍛造時に表面が焼き付いた。

以上に述べたＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の熱間加工条件（熱間鍛造条件）の条件と、引張試験と、ミクロ組織との関係を総括すると、以下のようにまとめることができる。

Ｎｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の引張試験によって求めた０．２％耐力と、ミクロ組織の解析の結果、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が多いほど０．２％耐力が高いことが分かった。

また、Ｎｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の引張試験によって求めた０．２％耐力と、相当塑性ひずみの関係から、０．２％耐力を３２０ＭＰａ以上とするためには、｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上とすることが必要であることがわかった。

図１は、表１のＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の対数ひずみと、摩擦係数と、Ｚ因子を三軸に配した三軸グラフのイメージ図である。
そして、図２は、図１のうち、表１のＮｏ．２、３、５〜１７に係るＡｌ合金材の対数ひずみと摩擦係数の関係に注目したグラフである。なお、図２の横軸が対数ひずみεであり、縦軸が摩擦係数μである。図２中の四角枠は、対数ひずみεが０．７以上３以下であり、摩擦係数μが０．１５以上０．５以下であることを示している。図２中の「◇」は表１のＮｏ．２、３、５〜９に係るＡｌ合金材に関するプロットであり、「×」は表１のＮｏ．１０〜１７に係るＡｌ合金材に関するプロットである。
図２をみて分かるように、比較例であるＮｏ．１０、１３、１５、１７に係るＡｌ合金材は、図２中の四角枠の外側であったが、その他の比較例に係るＡｌ合金材は当該四角枠の内側にあった。

そこで、本発明者は、図２中の四角枠の内側にプロットされた実施例及び比較例に係るＡｌ合金材について詳細に検討するため、対数ひずみεに応じたグラフを作成した。そのグラフを図３〜６に示す。なお、図３は、図２のうち、対数ひずみεが０．５である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図４は、図２のうち、対数ひずみεが０．７２である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図５は、図２のうち、対数ひずみεが１．２４である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図６は、図２のうち、対数ひずみεが２．０である場合のＺ因子と摩擦係数に関するグラフである。図３〜６における横軸はいずれもＺ因子（ｓ^-1）であり、縦軸はいずれも摩擦係数μである。そして、図３〜６中の四角枠は、Ｚ因子が１０⁵ｓ^-1以上１０¹²ｓ^-1以下であり、摩擦係数μが０．１５以上０．５以下であることを示している。図３〜６中の「◇」及び「×」のプロットは、前記したものと同義である。

図５を見ると分かり易いが、四角枠の内側において「◇」と「×」が混在しているものの、これらの分布が、Ｚ因子１０⁹ｓ^-1を交点にして一定の境界線をもってこれらを峻別できることが分かった。また同時に、図３〜６におけるＺ因子１０⁹ｓ^-1を結んでいくと、図２に示すような二次曲線が得られることが分かった。当該二次曲線と摩擦係数μの関係から、次の不等式が導き出された。なお、μは摩擦係数であり、εは対数ひずみである。

μ≦０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７

そして、本発明者は、種々検討した結果、前記したようにして得られた知見から、Ｚ因子１０⁹ｓ^-1を境に下記〔式１〕及び〔式２〕とすれば、高強度のＡｌ合金材を確実に製造できることを見出した。
つまり、熱間加工を行うにあたり、Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1未満では、
〔式１〕
μ≦０．０８(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７
を満たし、
Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1以上では、
〔式２〕
μ≦−０．１(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７
を満たすようにすればよいことを見出した。

Claims

ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金で形成されており、
｛１１０｝//ＮＤ方位のＰ方位、ＰＰ方位、ＲＧ方位、Ｇｏｓｓ方位、Ｂｒａｓｓ方位の集合組織の占める割合が２５％以上、且つ、
０．２％耐力が３２０ＭＰａ以上の領域が肉厚の７０％以上であることを特徴とする構造部材用アルミニウム合金材。
請求項１に記載の構造部材用アルミニウム合金材を製造する製造方法であって、
ＪＩＳＨ４０００：２０１４に規定されているＡ６０６１合金に対して、
温度補償ひずみ速度Ｚ因子が１０⁵ｓ^-1以上１０¹²ｓ^-1以下、
対数ひずみεが０．７以上３以下、
摩擦係数μが０．１５以上０．５以下であり、
前記Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1未満では、
〔式１〕
μ≦０．０８(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７
を満たし、
前記Ｚ因子が１０⁹ｓ^-1以上では、
〔式２〕
μ≦−０．１(ｌｏｇ(Ｚ)−ｌｏｇ（１０⁹)）＋０．３７０４ε²−０．１９７９ε＋０．０９６７
を満たす熱間加工条件で製造することを特徴とする構造部材用アルミニウム合金材の製造方法。