JP7459496B2

JP7459496B2 - アルミニウム合金鍛造材の製造方法

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Publication number: JP7459496B2
Application number: JP2019225743A
Authority: JP
Inventors: 卓也荒山; 雄人富田
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd; Resonac Corp
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2039-12-13
Also published as: JP2021095590A

Description

本発明は、機械的特性に優れたＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミ合金鍛造品及びその製造方法に関する。

近年、アルミニウム合金は、軽量性を生かして各種製品の構造部材としての用途が拡大しつつある。例えば、自動車の足廻りやバンパー部品は今まで高張力鋼が用いられてきたが、近年は、高強度アルミニウム合金材が用いられるようになっている。自動車部品、例えばサスペンション部品は、専ら鉄系材料が使用されていたが、軽量化を主目的としてアルミニウム材料またはアルミニウム合金材料に置き換えられることが多くなってきた。

これらの自動車部品では、優れた耐食性、高強度および優れた加工性が要求されることから、アルミニウム合金材料としてＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金、特にＡ６０６１が多用されている。そして、このような自動車部品は、強度の向上を図るため、アルミニウム合金材料を加工用素材として塑性加工の１つである鍛造加工を行って製造される。

また、最近では、コストダウンを図る必要があるため、押出をせずに鋳造部材をそのまま素材として鍛造した後、Ｔ６処理して得たサスペンション部品が実用化され始めており、さらなる軽量化を目的として、従来のＡ６０６１に代わる高強度合金の開発が進められている（下記特許文献１）。

特許第６２２３４９２号

近年、サスペンション部品の材料に用いられるアルミニウム合金として、より一層高強度を備えていることが求められるようになっている。これに対し、上記特許文献１に記載されたアルミニウム合金では、焼き入れ条件の検討を図り高強度を有したものが提案されている。

本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、溶体化処理条件、及び焼き入れ条件の最適化を図ることにより高強度を有し、常温において優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造品の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］溶体化処理工程と焼き入れ処理工程とを含むアルミニウム合金鍛造材の製造方法であって、
前記溶体化処理工程は溶体化温度が５３５℃～５４５℃、保持時間が１５分以上１８０分以内であり、
前記焼き入れ処理工程は焼き入れ時間が５分を超え４０分以内であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。

［２］アルミニウム合金としてＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金を用いる前項１に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。

［３］前記焼き入れ処理工程後に人工時効温度が１９０℃～２１０℃、処理時間が２５分～９０分である人工時効処理工程を含む請求項１または２に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。

［４］前記焼き入れ工程時の水温が４５℃～９５℃である前項１～３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。

［１］の発明によれば、溶体化温度、保持時間、及びその後の焼き入れ時間を所定の範囲とすることにより、常温において優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造品を得ることができる。

［２］の発明によれば、常温において優れた機械的特性を有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金鍛造品を得ることができる。

［３］の発明によれば、人工時効温度および時間を所定の範囲とすることにより、更に常温において優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造品を得ることができる。

［４］の発明によれば、焼き入れ工程時の水温を４５℃～９５℃とすることで、更に、常温において優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造品を得ることができる。

図１は本発明の製造方法で得られるアルミニウム合金鍛造品の一例を示す斜視図である。

以下、本発明のアルミニウム合金鍛造材の製造方法について説明する。

なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明はこれらの例示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

本発明のアルミニウム合金鍛造材の製造方法は、溶体化処理工程と焼き入れ処理工程とを含み、溶体化処理工程は溶体化温度が５３５℃～５４５℃、保持時間が１５分以上１８０分以内であり、焼き入れ処理工程は焼き入れ時間が５分を超え４０分以内であることを特徴とする。

このように、溶体化処理工程における溶体化温度、保持時間、及び焼き入れ工程における焼き入れ時間を所定の範囲とすることにより、常温において優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造品を得ることができる。

本実施形態では、アルミニウム合金としてＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金が用いられており、このＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金鍛造品の製造方法の一例について説明する。

（溶湯形成工程）
まず、溶湯形成工程として、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金の溶湯を得る（調製する）。

前記アルミニウム合金において、Ｚｎ含有率が０％（Ｚｎ非含有）であってもよいし、Ｚｒ含有率が０％（Ｚｒ非含有）であってもよい。

（鋳造工程）
前記得られた溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る。鋳造品を得るための連続鋳造法としては、特に限定されるものではないが、様々な公知の連続鋳造法（垂直型連続鋳造法、水平型連続鋳造法等）を挙げることができる。垂直型連続鋳造法としては、ホットトップ鋳造法等が用いられる。以下では、連続鋳造法の一例としてホットトップ鋳造装置を用いたホットトップ鋳造法によってアルミニウム合金連続鋳造材を製造する場合（即ちアルミニウム合金の溶湯をホットトップ鋳造法によって連続鋳造してアルミニウム合金連続鋳造材を製造する場合）について簡単に説明する。

ホットトップ鋳造装置は、モールド（鋳型）、溶湯受容器（ヘッダー）等を具備している。モールドは、その内部に充満された冷却水により冷却されている。受容器は、一般に耐火物製であり、モールドの上側に設置されている。受容器内のアルミニウム合金溶湯は、冷却されたモールド内に下方向に注入されると共に、モールドから噴出された冷却水により所定の冷却速度で冷却されて凝固し、更に水槽内の水（その温度：約２０℃）に浸されて完全に凝固する。これにより棒状等の長尺な連続鋳造材が得られる。

（均質化熱処理工程）
得られた鋳造品は３７０℃～５６０℃の温度で３時間～１０時間均質化熱処理を行う。この温度範囲で均質化熱処理を施すことにより、鋳塊の均質化と溶質原子の溶入化が十分になされるので、その後の時効処理によって必要とされる十分な強度が得られるものとなる。

（鍛造工程）
鍛造工程では、得られた鋳塊に加熱温度４５０℃～５６０℃で鍛造加工を行って鍛造品（例えば自動車のサスペンションアーム部品等）を得る。この時、鍛造素材の鍛造の開始温度は４５０℃～５６０℃とする。

開始温度が４５０℃未満になると変形抵抗が高くなり十分な加工ができなくなり、開始温度が５６０℃を超えると鍛造割れや共晶融解等の欠陥が発生しやすくなるためである。

（溶体化処理工程）
溶体化処理工程は、鍛造工程で導入された歪みを緩和し、溶質元素の固溶を行う工程である。この溶体化処理工程では、鍛造品に５３５℃～５４５℃で１５分以上、１８０分以内で加熱して溶体化処理を行う。

処理温度が５３５℃未満では溶体化が進まず、時効析出による高強度化を実現できなくなり、処理温度が５４５℃を超えると溶質元素の固溶がより促進されるものの、共晶融解や再結晶が生じやすくなるためである。

（焼き入れ処理工程）
前記溶体化処理後１５秒後に前記鍛造品を入れ、５分を超え、４０分以内で焼き入れを行う。焼き入れ時間が４０分以上になると生産性が悪くなるためである。

（人工時効処理工程）
前記焼き入れ処理工程を経た鍛造品に１９０℃～２１０℃の温度で２５分～９０分加熱して人工時効処理を行う。

処理温度が１９０℃未満あるいは処理時間が２５分未満では、引張強度を向上させるＭｇ_２Ｓｉ系析出物が十分に成長できなくなり、処理温度が２１０℃を超えるとＭｇ_２Ｓｉ系析出物が粗大になり過ぎて引張強度を十分に向上させることができないためである。

次に、上述した本発明に係るアルミニウム合金鍛造品の製造方法における「アルミニウム合金」の組成について以下詳述する。

前記アルミニウム合金は、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金である。

Ｓｉは、Ｍｇと共存してＭｇ_２Ｓｉ系析出物を形成し、最終製品の強度向上に寄与する。Ｓｉは、後述するＭｇの量に対してＭｇ_２Ｓｉを生成する量を越えて過剰に添加することにより、時効処理後の最終製品の強度をさらに高めるため、Ｓｉの含有量は０．９５質量％以上が望ましい。一方、１．２５質量％を越えると、Ｓｉの粒界析出が多くなり、粒界脆化が生じ易く、鋳塊の塑性加工性、および最終製品の靭性を低下させるのみならず、鋳塊の晶出物の平均粒径が所定の上限を越える恐れがある。したがって、Ｓｉの含有量は、０．９５質量％～１．２５質量％の範囲にすることが好ましい。

Ｍｇは、Ｓｉと共存してＭｇ_２Ｓｉ系析出物を形成し、最終製品の強度向上に寄与する。Ｍｇの含有量が０．６質量％よりも少ないと、析出強化の効果が少なくなる恐れがある。一方、１．１５質量％を越えると、鋳塊の塑性加工性、および最終製品の靭性を低下させるのみならず、鋳塊の晶出物の平均粒径が所定の上限を越えるおそれがある。したがって、Ｍｇの含有量は、０．６質量％～１．１５質量％の範囲にすることが好ましい。

Ｃｕは、Ｍｇ_２Ｓｉ系析出物の見かけの過飽和量を増加させ、Ｍｇ_２Ｓｉ析出量を増加させることにより、最終製品の時効硬化を著しく促進させる。Ｃｕの含有量が１．０質量％を越えると、鋳塊の鍛造加工性、および最終製品の靭性を低下させ、さらに耐食性を著しく低下させる恐れがある。したがって、Ｃｕの含有量は、１．０質量％以下の範囲にする必要がある。

ＭｎはＡｌＭｎＳｉ相として晶出し、晶出しないＭｎは、析出して再結晶を抑制する。この再結晶を抑制する作用により、塑性加工後も結晶粒を微細にし、最終製品の靭性向上および耐食性向上の効果がもたらされる。Ｍｎの含有量が０．４質量％よりも少ないと、上記した効果が少なくなる恐れがある。一方、０．６質量％を越えると、巨大金属間化合物が生じ、この発明の鋳塊組織が満たされなくなる恐れがある。したがって、Ｍｎの含有量は、０．４質量％～０．６質量％の範囲にすることが好ましい。

ＣｒもＡｌＣｒＳｉ相として晶出し、晶出しないＣｒは、析出して再結晶を抑制する。この再結晶を抑制する作用により、塑性加工後も結晶粒を微細にし、最終製品の靭性向上および耐食性向上の効果がもたらされる。Ｃｒの含有量が０．１質量％よりも少ないと、上記した効果が少なくなる恐れがある。一方、０．２５質量％を越えると、巨大金属間化合物が生じ、この発明の鋳塊組織が満たされなくなる恐れがある。したがって、Ｃｒの含有量は、０．１１質量％～０．１９質量％の範囲にすることが好ましい。

Ｆｅは、合金中でＡｌ、Ｓｉと結合して晶出するとともに、結晶粒粗大化を防止する。Ｆｅ含有量が０．２質量％より少ないと上記した効果が得られなくなる恐れがある。また、Ｆｅが０．３質量％を越えると、粗大な金属間化合物を生成するようになり、塑性加工性が悪化する恐れがある。したがって、Ｆｅの含有量は、０．２質量％～０．３質量％にすることが好ましい。

Ｚｎは不純物として扱われ、０．２５質量％を超えるとアルミの腐食自体を促進し、耐食性を劣化させるため、０．２５質量％以下にすることが好ましい。

Ｚｒは不純物として扱われ、０．０５質量％を超えると、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ系合金の結晶粒微細化効果が弱められ、塑性加工後の加工品の強度低下を招くため、０．０５質量％以下にすることが好ましい。

Ｔｉは、結晶粒の微細化を図る上で有効な合金元素であり、かつ、連続鋳造棒に鋳塊割れなどが発生するのを防止する。Ｔｉの含有量が０．０１２質量％よりも少ないと、微細化効果が得られず、一方、０．０３５％質量％を越えると、粗大なＴｉ化合物が晶出し、靭性を劣化させる恐れがある。したがって、Ｔｉの含有量は、０．０１２質量％～０．０３５質量％の範囲にすることが好ましい。

ＢもＴｉと同様に、結晶粒微細化に有効な元素であり、０．０００１質量％よりも少ないと、その効果が得られず、一方、０．０３質量％を越えると、靭性を劣化させる恐れがある。したがって、Ｂの含有量は、０．０００１質量％～０．０３質量％の範囲にすることが好ましい。

次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。

＜実施例１～１５＞
表１に示す合金組成のアルミニウム合金で直径５４ｍｍの断面円形の連続鋳造材を作製し、表１に示す条件で均質化熱処理を行った。得られた鋳造材を表１に示す条件で鍛造加工を行って図１に示す自動車のサスペンションアーム部品の形状に塑性加工した。次に、表１に示す条件で溶体化処理を行った後、１５秒後に焼き入れ処理を行い、次いで表１に示す水温、且つ焼き入れ時間で焼き入れし、その後人工時効処理を行ってアルミニウム合金鍛造品１を得た。

＜比較例１～４＞
表２に示す合金組成のアルミニウム合金で直径５４ｍｍの断面円形の連続鋳造材を作製し、表２に示す条件で均質化熱処理を行った。得られた鋳造材を表２に示す条件で鍛造加工を行って図１に示す自動車のサスペンションアーム部品の形状に塑性加工した。次に、表２に示す条件で溶体化処理を行った後、１５秒後に焼き入れ処理を行い、次いで表２に示す水温、且つ焼き入れ時間で焼き入れし、その後人工時効処理を行ってアルミニウム合金鍛造品１を得た。

なお、焼き入れ開始は鍛造品全体が水についた時点を開始とする。

上記のようにして得られた各アルミニウム合金鍛造品について下記評価方法に基づいて評価を行った。その結果を表１～２に示す。
＜常温での引張強度評価法＞
得られたアルミニウム合金鍛造品から、標点間距離２５．４ｍｍ、平行部直径６．４ｍｍの引張試験片を採取し、該引張試験片の常温（２５℃）引張試験を行うことによって、常温引張強度を測定し、下記判定基準に基づいて評価した。

（判定基準）
「○」…常温引張強度が４１０ＭＰａ以上である
「△」…常温引張強度が４０５ＭＰａ以上４１０ＭＰａ未満である
「×」…常温引張強度が４０５ＭＰａ未満である。

表１および２より、実施例１～１５は常温における引張強度が大きくなっており、一方、比較例１～４では実施例１～１５に比べて常温における引張強度が小さくなっていた。

このことから、実施例１～１５は常温における機械的強度に優れていることがわかる。

本発明に係るアルミニウム合金鍛造品の製造方法で得られた鍛造品は、常温における機械的強度に優れているので、例えば、自動車のサスペンションアーム部品等の足廻り材として好適に用いられるが、特にこのような用途に限定されるものではない。

１…アルミニウム合金鍛造品

Claims

溶体化処理工程と焼き入れ処理工程とを含むアルミニウム合金鍛造材の製造方法であって、
前記溶体化処理工程は溶体化温度が５３５℃～５４５℃、保持時間が１５分以上１８０分以内であり、
前記焼き入れ処理工程は焼き入れ時間としての水没時間が５分を超え４０分以内であり、
アルミニウム合金は、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
前記焼き入れ処理工程後に人工時効温度が１９０℃～２１０℃、処理時間が２５分～９０分である人工時効処理工程を含む請求項１に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
前記焼き入れ処理工程時の水温が４５℃～９５℃である請求項１または２に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。