JP7194097B2 - 熱間加工品およびその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)本発明は、熱処理型のアルミニウム合金からなる熱間加工品であって、該アルミニウム合金は、該アルミニウム合金全体に対して、Si:0.2~1.5質量%とMg:0.3~1.5質量%とを含み、結晶方位差が2°~15°である小角粒界を、3×104μm2の視野内における長さの合計で15mm以上含む熱間加工品である。
(1)本発明は、熱間加工品の製造方法としても把握できる。本発明は、例えば、熱処理型のアルミニウム合金からなる加熱したワークを塑性変形させる加工工程を備える熱間加工品の製造方法であって、該アルミニウム合金は、該アルミニウム合金全体に対して、Si:0.2~1.5質量%とMg:0.3~1.5質量%とを含み、該加工工程は、下記に示すZ因子(Zener-Hollomon factor)が1×1011/s以上となる加工条件(ε’、T)でなされる熱間加工品の製造方法である。
Z=ε’exp(Q/RT) [s-1]
ε’:塑性変形の開始から終了までのワークの平均ひずみ速度 [s-1]
T :塑性変形の開始から終了までのワークの平均温度 [K]
Q :144k J・mol-1 (活性化エネルギー)
R :8.31 J・mol-1・K-1 (気体定数)
特に断らない限り、本明細書でいう「x~y」は下限値xおよび上限値yを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「a~b」のような範囲を新設し得る。また特に断らない限り、本明細書でいう「x~ymm」はxmm~ymmを意味する。他の単位系(μm等)についても同様である。
Al合金は、少なくともSiとMgにより析出強化される熱処理型合金である。Al合金全体を100質量%(単に「%」という。以下同様)として、Siは、例えば、0.2~1.5%、0.3~1.3%さらには0.4~0.8%含まれるとよい。またMgは、例えば、0.3~1.5質量%、0.4~1.3%、0.5~1.1%さらには0.6~0.9%含まれるとよい。SiおよびMgが過少では、Al合金の析出強化を図れない。SiおよびMgが過多では、Al合金の靱性等が低下し得る。
(1)熱間加工品の金属組織は、小角粒界を多く含むほどよい。具体的にいうと、特定視野(3×104μm2)あたり、小角粒界の長さの合計が15mm以上、18mm以上、20mm以上、22mm以上、24mm以上さらには26mm以上であるとよい。なお、小角粒界の長さの合計は、熱間加工品の形状、熱間加工装置の能力(例えば印加荷重)等により異なる。このため、小角粒界の長さの合計の上限値は問わないが、敢えていえば、30mm以下としてもよい。
(1)Z因子と小角粒界
熱間加工(加工工程)は、例えば、Z因子が1×1011/s以上、2×1011/s以上、5×1011/s以上、8×1011/s以上さらには1×1012/s以上となる加工条件下でなされるとよい。このような条件下の熱間加工により、熱間加工品内へ多くの小角粒界を導入できる。
加工工程後(人工時効処理前)のワーク(Al合金)は、合金元素(Si、Mg等)が過飽和に固溶した状態であるとよい。つまり、熱間加工(加工工程)が、実質的に、溶体化処理および焼入れを兼ねていると好ましい。これにより、熱処理(溶体化処理等)を省略して省エネルギー化を図れるとともに、多くの小角粒界を維持したままで、人工時効処理を行うことが可能となる。
熱間加工後の人工時効処理(時効工程)により、強化元素(Si、Mg)やその化合物が小角粒界やマトリックス等に析出して、熱間加工品の硬さや強度の向上が図られる。
熱間加工(塑性加工)の種類は、圧延、鍛造、押出し、転造、プレス成形等のいずれでもよい。熱間加工品の種類や用途も様々である。例えば、自動車用部品(ナックル、ロアアーム、アッパーアーム等)、航空機用部品(フレーム、ジョイント部材等)、建設機械用部品等に、本発明の熱間加工品が用いられるとよい。
(1)素材
市販されている2種のAl合金板を用意した。一方はA6110合金(Al-0.9%Mg-0.9%Si)であり、他方はA6061合金(Al-1%Mg-0.6%Si)である。各合金板を所定サイズ(50mm×70mm×5mm)に切断した供試材(ワーク)を、以下の熱間加工に供した。なお、各供試材には、熱間加工前に、予め均質化処理を施した。均質化処理は、加熱炉で555℃×2時間で加熱後、水冷(W.Q.)により急冷した。特に断らない限り、加熱雰囲気は大気雰囲気とした(以下同様)。
555℃に加熱した各供試材を一対の平行ロールにより圧延した。このとき、表1に示すように、ロールの周速と温度とを種々変化させた。但し、圧下率(狙い値)は全て50%(板厚:5mm→2.5mm)とした。また、全て1パスの圧延とした。ロールを通過した供試材は直ちに水冷(急冷)した。
各試料に係る熱間加工後の供試材に、3つの異なる条件下(人工温度×時効時間)で人工時効処理を行った。条件I:160℃×3時間、条件II:190℃×1時間、条件III:190℃×3時間とした。
(1)結晶粒界
各試料の熱間加工後の供試材について、人工時効処理前後の金属組織を観察して、EBSD法により小角粒界(結晶方位差:2°~15°)の長さを測定した。観察は、電界放出型走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製 JSM-7000F)により行った。測定は、得られた後方散乱電子回折像から求めたGBマップを画像解析ソフト(株式会社TSLソリューションズ製 OIM Analysis) で処理して行った。
各試料に係る人工時効処理後の金属組織について、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて制限視野電子回折(SAED:Selected area electron diffraction)像を観察した。一例として、試料1と試料C2のSAED像を図2Bに示した。
各試料について、熱間加工後に人工時効処理をした各供試材のビッカース硬さを測定した。この際、測定荷重:5kgf、負荷時間:30sとした。各供試材のビッカース硬さを表1に併せて示した。なお、表1には、時効条件の相違によるビッカース硬さの差分も併せて示した。
(1)小角粒界と硬さ
表1に示したA6110合金に係る試料について、小角粒界の長さと人工時効処理後のビッカース硬さ(HV)との関係を図3Aに示した。図3Aおよび表1から明らかなように、先ず、小角粒界が長くなると、時効条件の相違に拘わらず、人工時効処理後のビッカース硬さ(絶対値)が高くなることがわかった。また小角粒界が長くなると、時効温度が低い場合でも、時効温度が高い場合と同等以上の硬さが得られることもわかった。特に小角粒界の長さが所定以上になると、低い時効温度または短い時効時間のときの方が、むしろビッカース硬さが高くなり、その絶対値も大きくなることもわかった。
表1に基づいて、Z因子と小角粒界の長さとの関係を図3Bに示した。図3Bから明らかなように、小角粒界の長さはZ因子と正の相関があり、Z因子を増加させる加工条件で熱間加工を行うと、多くの小角粒界を導入できることがわかった。
Z因子と小角粒界の長さとの間に相関があることは、図2Aに示したGBマップからもわかる。つまり、Z因子が小さい加工条件(「低Z条件」という。)で熱間加工を行うと、小角粒界の少ない金属組織となる(試料C2)。逆に、Z因子が大きい加工条件(「高Z条件」という。)で熱間加工を行うと、小角粒界の多い金属組織となる(試料1)。
試料1と試料C2に係る熱間加工後の供試材について、人工時効処理前の小角粒界の長さ、人工時効処理後(190℃×3h)の小角粒界の長さ、T6処理後の小角粒界の長さをそれぞれ比較した棒グラフを図4に示した。なお、T6処理は、熱間加工後の供試材に、溶体化処理(540℃×2h)および人工時効処理(190℃×3h)を行ったことを意味する。
Claims (5)
- 熱処理型のアルミニウム合金からなる熱間加工品であって、
該アルミニウム合金は、該アルミニウム合金全体を100質量%(単に「%」という。)として、下記に示す化学成分(1)または(2)のいずれかを満たし、
結晶方位差が2°~15°である小角粒界を、3×104μm2の視野内における長さの合計で15mm以上含む熱間加工品。
化学成分(1)
Si:0.7~1.5%、Fe≦0.8%、Cu:0.2~0.7%、
Mn:0.2~0.7%、Mg:0.5~1.1%、Cr:0.04~0.25%、
Zn≦0.3%、Ti≦0.15%、残部:Alおよび不純物
化学成分(2)
Si:0.4~0.8%、Fe≦0.7%、Cu:0.15~0.4%、
Mn≦:0.15%、Mg:0.8~1.2%、Cr:0.04~0.35%、
Zn≦0.25%、Ti≦0.15%、残部:Alおよび不純物 - SiとMgからなるG.P.ゾーンまたはβ”相を含む請求項1に記載の熱間加工品。
- 熱処理型のアルミニウム合金からなる加熱したワークを塑性変形させる加工工程を備え、請求項1または2に記載した熱間加工品が得られる製造方法であって、
該加工工程は、下記に示すZ因子(Zener-Hollomon factor)が1×10 11 /s以上となる加工条件(ε’、T)でなされ、
該ワークは、該塑性変形中に、該アルミニウム合金の再結晶温度超から再結晶温度未満にされる熱間加工品の製造方法。
Z=ε’exp(Q/RT) [s-1]
ε’:塑性変形の開始から終了までのワークの平均ひずみ速度 [s-1]
T :塑性変形の開始から終了までのワークの平均温度 [K]
Q :144 kJ・mol-1 (活性化エネルギー)
R :8.31 J・mol-1・K-1 (気体常数) - 前記アルミニウム合金は、前記加工工程の終了後に、SiおよびMgが過飽和に固溶した状態となる請求項3に記載の熱間加工品の製造方法。
- さらに、前記加工工程後のワークに、溶体化処理を行なわずに人工時効処理を行う請求項3または4に記載の熱間加工品の製造方法。
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