JP6768677B2 - 低ケイ素アルミニウム合金で作られた部品を得る方法 - Google Patents

Description

本発明は、特に自動車および航空分野において、さらに一般的にはあらゆる種類の産業において、アルミニウム部品を製造するための、鋳造業または鋳物の技術分野に関する。

「低ケイ素」合金と呼ばれる多くの合金が存在する。そのような合金は、Ｔ６熱処理（Ｒｐ_０．２ ３００ＭＰａ；Ａ％ ８％）の後、高い機械特性を有する。それらは、アルミニウム合金の分類において６０００（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ）系としてグループ化されている。最もよく知られているのは、６０８２，６０６１、および６１５１である。多くの組成物もまた、標準化された合金と同様の含有物を有して存在し、その中で、例えば、欧州特許第０９８７３４４号に記載のものを挙げることができる。

上述の合金は、高温または低温の加工中に高い変形率（＞５０％）で変形するように設計された半完成品（鍛造または圧延用のビレットまたはインゴット）を得るために開発されている。さらに、そのような半完成品の幾何学的形状は単純であり（バー、ロッド、またはインゴット）、したがって、固化速度が大きい方法を用いることによって、欠陥が最小化された状態でそのような合金が固化されることを可能にする。そのような幾何学的形状およびそのような方法は、現在使いこなされている技術を用いることによって、欠陥が除かれた半完成品をもたらす。そのような欠陥は、例えば、収縮孔、クラック、マクロ偏析、およびマクロ析出（析出物の形成は非常に粗く、１００μｍを超える）である。

欧州特許第０９８７３４４号

現在の技術水準に基づき、本発明が解決しようとする課題は、高い安全性および品質の基準を満たし、複雑な形状を有し得る部品を得ることを可能にすることである。

この課題を解決するために、本発明は、６０００タイプの低ケイ素アルミニウム合金で作られた部品の製造方法を提供する。

マンガンを含まない鋳造微細構造およびβ型の「針状」析出物を示す。 マンガンによる単構造およびα型の「チャイニーズスクリプト」析出物を示す。 Ａｌ_２Ｃｕの銅析出物の除去を示す。 Ａｌ_２Ｃｕの銅析出物の除去を示す。 Ａｌ_２Ｃｕの銅析出物の除去を示す。

より詳細には、本発明は、０．５％−３％の範囲の含有量のケイ素、０．６５％−１％の範囲の含有量のマグネシウム、０．２０％−０．４０％の範囲の含有量の銅、０．１５％−０．２５％の範囲の含有量のマンガン、０．１０％−０．２０％の範囲の含有量のチタン、および０ｐｐｍ−１２０ｐｐｍの範囲の含有量のストロンチウムを含む低ケイ素アルミニウム合金で作られた部品を得る方法を提供し、前記方法は、
・部品を得るために前記合金を金型内に鋳込む段階と、
・鋳込み後、依然として高温のプリフォームを構成する部品を離型する段階と、
・前記プリフォームを冷却した後、前記プリフォームを４７０℃−５５０℃の範囲の温度に再加熱するのに適した操作に付す段階と、
・金型のキャビティの寸法と実質的に等しいがそれよりも小さい寸法のキャビティを画定するダイの２つのシェルの間に前記部品を配置する段階と、
・前記２つのシェルを共に強く押圧して、前記シェル間に配置された部品に加圧と表面混練の複合作用を及ぼす段階と、
を含む。

また、本発明は、以下を提供する。
・上記の方法を自動車分野または航空分野で実施すること、
・上記の方法で得られた部品を自動車分野で使用すること、
・航空分野における上記の方法における合金の使用。

この方法の実施態様では、プリフォームが冷却された後、プリフォームはトンネル炉内に置かれることによって再加熱される。

これらの特徴の結果として、一工程で鋳造操作の後プリフォームを鍛造する際のパラメータは、温度、凝固速度、変形速度、および鍛造温度に関して、従来技術の方法におけるものと同じではない。

特許請求の範囲に記載される合金は、これらの制約を満足し、特に、部品が安全義務（サスペンションシステム部品は安全部品である）を満足しなければならない場合、満足のいく品質の部品を得ることを可能にする。

そのような制約の中で、例示として以下のことを述べることができる。
・バーまたはインゴットとは異なり、プリフォームの幾何学的形状は、設計されているときに、部品の機能領域の概略の輪郭を含んでおり、したがって、液体金属の分離された塊につながるリブまたは部分の変化を含む複雑な幾何学的形状を有することができる。そのような分離された塊は、ケイ素含有量を増加させることによって「許容される」ことができる（等級ＡＳ７Ｇ０３、標準鋳造合金）。その含有量の減少により、固化の間に合金はより影響を受けやすくなり、数および体積においてより多くの収縮孔（空隙率）欠陥をもたらす。
・固化範囲は、対象となる合金の液相線温度から共晶温度までで定義される範囲である。 ストロンチウム改質ＡＳ７Ｇ０３タイプ合金の場合、この範囲は約５０℃（６１１℃−５６２℃）である。低ケイ素６０００型合金の場合、擬共晶線としての巨視的なＭｇ_２Ｓｉ（またはケイ素）の析出を伴い、約９０℃（６５５℃−５６２℃）である。広い固化範囲は、部品をさらに通って延びる半固体領域をもたらし、従来行われていたように、かつＡＳ７Ｇ０３合金ではほぼ自然に行われていたように、固化端で欠陥を低減するようにすることがより困難になる。
・ＡＳ７Ｇ０３は、固化が生じている間、収縮中に現れるクラックを埋めることができる大量の共晶に起因して、クラック生成に対してほとんど感度を持たない。これは、共晶がほとんどない低ケイ素合金には当てはまらず、その場合クラック生成に対する感受性が高くなり、組成物を適合させ固化温度勾配を制御することが必要である

また、鋳造、鍛造、および熱処理のパラメータと完成部品の所望の機械的特性との間のより良い妥協またはトレードオフを得るように化学組成を調整することも必要である。この目的のために、合金の各元素、その含有量、およびその値をもたらす効果が選択され、以下に詳細に与えられる。

ケイ素含量は０．５％−３％の範囲にある。１％未満のケイ素含有量は、最も高い降伏強さおよび伸びをもたらす。しかしこれは、合金がクラック生成に対して最も敏感であり、鋳造性または流動性が最も低い含有量である。したがって、シリコン含有量を部品の幾何学的形状に応じて適合できることが必要である。複雑な幾何学的形状は、クラック生成に対するこの感度を低減するために、より高い含有量を必要とする。最大含有量である３％は、それを超えると、伸びおよび降伏強度が低くなり過ぎて、このタイプの合金を使用して部品を製造するのに依然として有利であるとはいえない含有量に相当する。

マグネシウム含有量は、０．６５％−１％の範囲にある。この含有量は、アルミニウムマトリックス中のＭｇ_２Ｓｉ析出物の密度を最適化することを可能にする。これは、ケイ素含有量の減少を補いながら、同時に、不利であり、熱処理中に溶解または変換されなければならない巨視的なＭｇ_２Ｓｉ析出物を最小限に抑える。あまりにも多くの析出物があるか、またはそれらが大きすぎる場合、臨界溶解サイズを超えているので、熱処理はそれらの溶解にわずかな効果しか及ぼさない。

銅含量は、０．２０％−０．４０％の範囲にある。この含有量は、Ａｌ_２Ｃｕ析出物がマトリックス中に形成されることを可能にし、巨視的なＡｌ_２Ｃｕ析出物が完全に存在しないようにする。そのような巨視的な析出物が存在しないことにより、高い鍛造温度を維持することができ、それによって鍛造力を最小限に抑えることができる（単一ステップで鍛造を行う）。銅の存在下で形成される主な析出物は、それぞれ４９０℃および５２５℃で溶融するＡｌ_２ＣｕおよびＡｌＭｇＳｉＣｕであり、これらの存在は、高温での鍛造を防止して、合金が燃焼して部品が使用できなくなるであろうリスクをなくす。このような劣化は、合金が破壊されることに例えることができる。より高い銅含有量はまたクラック生成に対する合金の感度を増加させる。なぜなら、部品に及ぼされる機械的応力（固化時の収縮に関連する）が大きい低温（４９０℃または５２５℃）では、固化される共晶が残っているためである。

マンガンの含有量は、０．１５％から０．２５％の範囲にある。この含有量は、ＡｌＦｅＳｉ析出物がβ型（非常に有害な小板形態）に形成されることを回避し、むしろα型形態のＡｌＦｅＭｎＳｉ析出物が形成されることを可能にする（害の少ないチャイニーズスクリプト形態）。これにより、コバプレス法で得られる最終製品の伸びを最大にすることが可能となる。この効果は、マンガンおよび鉄が合金の高硬化をもたらすだけでなく、固化の間より大きな析出物を生じさせるため、マンガンおよび鉄の量が多い場合に最も頻繁に使用される。そのような大きな析出物は、適切な伸びに対して有害である。しかしながら、本発明の合金は、示されているように、単一ステップで鍛造が行われ、鍛造、圧延または押出において通常生じる大きな変形を伴わない、コバプレス法のために設計されている。そのような大きな変形は、大きな析出物を断片化し、それらを無害にする一方でまた、硬化の効果を維持することを可能にする。本発明の合金では、機械的特性に及ぼす鉄系析出物の影響を、鋳造段階で最小限に抑えるべきである。これは、単一ステップの鍛造が、モルフォロジーを変化するのに十分である程まで部品を変形させないので、それらのモルフォロジーがもはや変更されないためである。最後に、このマンガン含有量は、永久鋳型中で鋳造するときに得られる冷却速度に適合し、この速度に関して、α型のＡｌＦｅＭｎＳｉ析出物の形成を容易にする。

チタン含有量は、０．１０％−０．２０％の範囲にある。その含有量は、粒子の効果的な生成およびこれらの合金の機械的特性に大きな影響を及ぼす微細な粒子径を得るために必要である。

ストロンチウムの含有量は、０ｐｐｍから１２０ｐｐｍの範囲にある。この含有量は、形成される少量の共晶の繊維状凝固を有するために必要である。これは、主に１．５％を超えるケイ素含有量で起こる。

この合金の組成は、コバプレス法の間に生じる低レベルの変形にもかかわらず、機械的特性を最大にすることを可能にする固化をもたらすように適合されることが分かる。

しかしながら、結晶粒界における粒界収縮孔固化欠陥などの固化欠陥は、鋳造物、すなわち鋳造により得られる部品を弱化する、枝状に分かれ、かつ拡散したモルフォロジーを有している。

コバプレス鍛造操作により、設計段階で変形速度を制御しながら、このような欠陥を再閉鎖および再結合することが可能になる。温度／変形の組により、欠陥を解消することが可能となる。以下の表は、低ケイ素合金のＴ６熱処理後の、コバプレス法を用いた鋳造物および部品の機械的特性を示す。極限引張強さＲｍおよび極限伸びの改善に注目することができる。

最後に、この組成は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕタイプの合金の通常の熱処理の複雑さを低減することを可能にする。ケイ素含有量、固化速度、および結晶粒微細化は、熱処理中の溶解を容易にする寸法およびモルフォロジーを有する巨視的なＭｇ_２Ｓｉ析出物をもたらす。

マンガン含有量および銅含有量の重要性を示すために、部品の金属組織を示す添付図面の図を参照する。図１は、マンガンを含まない鋳造微細構造およびβ型の「針状」析出物を示し、図２はマンガンによる単構造およびα型の「チャイニーズスクリプト」析出物を示す。

図３、図４、および図５は、Ａｌ_２Ｃｕ銅析出物の除去を示す。

図３および４において、銅含有量は０．４０％より大きく、これはＡｌ_２Ｃｕ析出物の存在をもたらす。図４は、Ａｌ_２Ｃｕ析出物に囲まれたＡｌＦｅＭｎＳｉおよびＭｇ_２Ｓｉの析出物を観察することができる例を示す。

図５は、Ａｌ_２Ｃｕ析出物が存在しないことを示す、本発明による０．２０％−０．４０％の範囲の銅含有量を示す。

Claims (3)

1. 低ケイ素アルミニウム合金で作られた部品を得る方法であって、
   前記合金は、
   ・０．５％−３％の範囲にある含有量のケイ素；
   ・０．６５％−１％の範囲にある含有量のマグネシウム；
   ・０．２０％−０．４０％の範囲にある含有量の銅；
   ・０．１５％−０．２５％の範囲にある含有量のマンガン；
   ・０．１０％−０．２０％の範囲の含有量のチタン；および
   ・０ｐｐｍ−１２０ｐｐｍの範囲にある含有量のストロンチウム；
   ・残部のアルミニウム及び不可避不純物；
   からなり、
   前記方法は、
   ・部品を得るために前記合金を金型内に鋳込む段階と、
   ・鋳込み後、依然として高温のプリフォームを構成する部品を離型する段階と、
   ・前記プリフォームを冷却した後、前記プリフォームを４７０℃−５５０℃の範囲の温度に再加熱するのに適した操作に付す段階と、
   ・金型のキャビティの寸法よりも小さい寸法のキャビティを画定するダイの２つのシェルの間に前記部品を配置する段階と、
   ・前記２つのシェルを共に強く押圧して、前記シェル間に配置された部品に加圧と表面混練の複合作用を及ぼす段階と、
   を含む、方法。
2. 自動車分野における、請求項１に記載の方法の使用。
3. 航空分野における、請求項１に記載の方法の使用。

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