JP7479854B2 - アルミニウム合金押出材の製造方法 - Google Patents
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Description
高強度アルミニウム合金には、Al-Mg-Si系(6000系)合金と、Al-Zn-Mg系(7000系)合金とが知られている。
6000系合金は、Mg2Siの析出硬化による高強化をねらいとするが、Mg,Siの添加量が多くなると、押出性が著しく低下する技術的課題がある。
7000系合金は、自然時効型合金であり、Znの添加はMg,Siよりも押出性に対する影響が少ない点が特徴となるが、耐応力腐食割れ性が低下しやすい技術的課題がある。
また、強度が高くなると、曲げ成形等の加工時に割れが発生しやすい問題もあった。
しかし、同公報に開示する7000系アルミニウム合金は、Mn,Cr,Zrの遷移元素の添加量が多く、必ずしも耐応力腐食割れ性が充分でない。
また、押出性にも劣る。
そのアルミニウム合金組成を設定した理由を以下、説明する。
Znは比較的多く添加しても押出性の低下を少なく抑えつつ、高強度が得られやすいものの、過度に添加すると耐応力腐食割れ性が低下するので、以下全て質量%にてZn:6.0~8.0%の範囲にするのが好ましい。
<Mg成分>
押出材の高強度化に最も有効な成分であるが、押出性が低下しやすく、曲げ成形等の塑性加工時に押出材に割れが発生しやすくなる。
そこで、Mg成分は1.50~3.50%の範囲に設定した。
後述する人工時効処理にてT5処理後の引張り強さ580MPa以上を確保するには、Mg:2.40~3.50%の範囲が好ましく、さらにT5処理後の引張り強さ600MPaレベルを確保するにはMg:3.0~3.50%の範囲が良い。
また、成形性に重点を置き、人工時効処理(T5)後の引張強度が480~580MPaレベルがよい場合には、Mg:1.50~3.0%好ましくは1.50~2.80%の範囲でもよい。
<Cu成分>
Cu成分は金属組織中の固溶効果により高強度化を図ることができるが、添加量が多くなると押出性、成形性低下の原因になりやすく一般耐食性が低下する。
そこで、Cu成分は0.20~1.50%の範囲に設定した。
好ましくは、Cu成分0.20~1.00%、さらには0.20~0.60%の範囲でもよい。
<Mn,Cr,Zr成分>
Mn,Cr,Zr成分は、いずれも遷移元素であり、押出加工時に押出材の表面に発生しやすい再結晶を抑制し、表面の再結晶層の深さが小さくなる方向に作用する。
しかし、これらの成分は多くなると押出加工直後の冷却(プレス端焼入れ)において、焼入れ感受性が鋭くなる。
例えば、先の特許文献1にあっては、Cr:0.01~0.3%含有しているが、Crはこの焼入れ感受性が特に強く押出直後の冷却がファン等による冷却のレベルでは、その後の人工時効処理にて充分な高強度を得るのが難しくなる。
したがって、Cr成分は0.01%以下が好ましい。
Mn成分は、Cr成分ほどには焼入れ感受性が強くないが、添加する場合でもその添加量は0.3%以下にするのが好ましい。
本発明においては、この再結晶層の深さを抑えるのにZr成分を添加した。
Zrはアルミ溶湯中に溶解できる限界があることから、Zr:0.10~0.25%の範囲とした。
<Sr,Ti成分>
Sr成分はビレット鋳造組織中の結晶粒の粗大化を抑制でき、その結果として、押出加工時に発生しやすい押出材表面の再結晶層の深さを抑える作用がある。
一方、Sr成分の添加量が多いと、Srを核とする粗大な晶出物が発生しやすくなる。
そこでSrを添加する場合には、Sr:0.25%以下に抑えるのが好ましく、強度と再結晶層の抑制を両立させるのには[Mn+Zr+Sr]の合計量は0.10~0.50%の範囲にするのが好ましい。
Ti成分はビレットを鋳造する際に、結晶粒の微細化に有効であり、Ti:0.005~0.05%の範囲で添加する。
<その他の成分>
アルミニウム合金のビレット鋳造において、混入しやすい不純物としては、Fe,Si等が挙げられる。
これらの成分は多くなると、強度の低下や曲げ成形性の低下につながるので、Feは0.2%以下、Siは0.1%以下に抑えるのが好ましい。
冷却速度を750℃/分超にすると、押出材の部位による冷却差が生じ、ひずみが発生しやすい。
また、空冷では冷却装置が大型になる。
押出材が100℃以下の常温近くになるまで冷却する。
本発明は、上記押出材が100℃以下まで冷却された後に、この押出材を110~270℃、好ましくは120~260℃の範囲になるように加熱処理する点に特徴がある。
加熱時間は、30~800秒の範囲である。
加熱温度が低いと、相対的に長い時間の加熱が好ましい。
特許文献1に開示する復元処理は、金属組織中に折出した金属間化合物の再固溶を目的としているため、400℃前後の溶体化温度まで加熱する必要があるために加熱後の冷却が重要となる。
これに対して本発明における加熱処理は、押出材に曲げ成形等の塑性加工を加える際に生じる残留応力が少なくなるようにするのが目的である。
これにより、押出材にねばりが付与されるとともに耐応力腐食割れ性も向上する。
曲げ成形における残留応力を少なくする目的では、110℃以上に加熱する必要があるが、加熱時間が長いと人工時効が進むので加熱時間は800秒以内とした。
本発明に係るアルミニウム合金は、自然時効型であるので、加熱処理後は168時間以内に曲げ成形等の塑性加工を行うのが良い。
例えば、1段目90~120℃×1~8時間、2段目130~180℃×1~16時間の2段人工時効処理(T5処理)すると、0.2%耐力460MPa以上、引張り強さ480MPa以上になる。
人工時効処理時間は、1段目と2段目の合計で2~24時間の範囲が好ましい。
1段目で初晶を発生させ、2段目にてこの初晶を成長させるねらいであり、合計時間が長くなると生産性が低下する。
また、プレス端焼入れもファン空冷等の空冷手段でよく、押出材にひずみや変形が発生しにくく、生産性が向上する。
図3及び図4の表にその鋳造速度を示し、HOMO温度(℃)にて均質化処理をした。
HOMO温度は、480~520℃の範囲が好ましい。
表中、ビレット結晶粒径とは、鋳造されたビレットの組織中の平均結晶粒径を示す。
ビレット結晶粒径は、平均粒径で250μm以下が好ましい。
表中に示したBLT温度に予熱したビレットを押出機のコンテナに装填し、押出加工した。
押出加工直後に表中、冷却速度(℃/分)にて押出材が少なくとも100℃以下になるまでファン空冷した。
冷却速度は50~750℃/分の範囲が好ましい。
ここで、焼入れ性を確保するためにビレットの予熱温度は400℃以上が好ましく、押出材の押出直後の温度は500~550℃がよい。
次に、表中に示した加熱温度(℃)まで、昇温速度(℃/秒)にて加熱し、その押出材温度を加熱時間(秒)の間、保持した。
条件は、人工時効が進行しない範囲で設定する。
例えば、加熱温度は110~270℃,加熱時間30~800秒の範囲が好ましい。
また、加熱時の昇温速度は1.8℃/秒以上が好ましい。
次に加熱処理後、168時間以内に所定の塑性加工を行う。
例えば、車部品で示すとバンパーリインフォースメント,ドアビーム等の製品形状を想定して、弓形形状に曲げ成形を行う。
例えば、曲率500~3000mmの曲げ成形である。
表中、曲げ加工開始時間(Hr)は、加熱処理後の経過時間を示す。
本発明が係るアルミニウム合金は自然時効型合金であり、168時間を超えると割れが発生しやすくなる。
その後に表中に示した熱処理条件にて2段人工時効処理を行った。
1段目は90~120℃にて1~8時間の範囲がよく、2段目は130~180℃にて1~16時間の範囲がよい。
表中の熱処理条件(hr)で1段目とは1段目の熱処理時間、2段目とは2段目の熱処理時間を示し、全体時間とはその合計時間を示す。
表中、T1の値は人工時効処理前の引張り強さ(MPa),0.2%耐力(MPa),伸び(%)を示す。
T1の段階で引張り強さ、耐力が高くなりすぎると、後述するねばり性が低下するので、表中に目標値を示した。
T1の段階で引張り強さ等を抑えるには、押出後の加熱時間を270℃以下、加熱時間を800秒以下にする。
T5の値は人工時効処理後の引張り強さ(MPa),0.2%耐力(MPa)伸び(%)を示す。
表中に本発明に係る目標値を示す。
これらの機械的性質は、JIS-Z2241に基づいて、JIS-5号片を押出材から製作し、JIS規格に準拠した引張り試験機にて計測した。
ビレットの結晶粒径、押出材の表面再結晶深さは、断面を鏡面仕上げ後にそれぞれ所定のエッチング処理を行い、光学顕微鏡観察による画像処理にて計測した。
表中、SCC性は耐応力腐食割れ試験結果を示す。
試験片に耐力の80%の応力を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た。
<1サイクル>
3.5%NaCl水溶液,25℃,10分浸漬し、その後に25℃,湿度40%,50分放置し、その後に自然乾燥する。
表中、小R曲げ試験は押出材のねばり性を評価したものであり、人工時効処理後に20×150mmの試験片を切り出す。
間隔7mmの試験台に試験片を載置し、上から先端R=1.5,外径3mmのパンチにて負荷を加えて、変位一荷重線図を計測した。
ここで、U字曲げ部先端部に割れが発生するまでの、この先端部伸びが30%以上となる場合にねばり目標が達成したと評価した。
実施例1~48は合金成分の範囲が所定の範囲に設定され、製造条件も所定の範囲にあるので、押出材の評価項目の全てがクリアした。
これに対して比較例101~105は、加熱処理時の加熱温度が270℃を超えていたので小R曲げ試験にて目標未達であった。
また、比較例106,107は加熱時間が800秒を超えて時間が長いので、小R曲げ試験が未達となった。
また、比較例109~114及び117~120は加熱処理条件が所定の範囲を超えているので、引張り強さ、耐力が目標未達であった。
比較例115,116は、加熱処理しなかったので、小R曲げ試験で割れが発生しやすかった。
比較例121は、アルミニウム合金の組成においてCu成分が多く、Crも添加されているのでSCC性が目標未達であり、比較例122はMg成分が少なく強度不足となった。
Claims (4)
- 以下質量%にて、Zn:6.0~8.0%,Mg:1.50~3.50%,Cu:0.20~1.50%,Zr:0.10~0.25%,Ti:0.005~0.05%,Mn:0.3%以下,Sr:0.25%以下,且つ[Mn+Zr+Sr]:0.10~0.50%,残部がAlと不可避的不純物からなるアルミニウム合金の鋳造ビレットを用いて押出加工し、
前記押出加工直後に冷却速度50~750℃/分の範囲にて100℃以下になるまで冷却し、その後に110~270℃の範囲にて30~800秒の加熱処理を行うことで塑性加工時に生じる残留応力が少なくなり、前記加熱処理後に、168時間内に塑性加工することを特徴とするアルミニウム合金押出材の製造方法。 - 前記鋳造ビレットは平均結晶粒径が250μm以下であることを特徴とする請求項1記載のアルミニウム合金押出材の製造方法。
- 前記塑性加工は曲げ成形であり、前記曲げ成形後に人工時効処理することを特徴とする請求項1又は2記載のアルミニウム合金押出材の製造方法。
- 前記押出材は引張強度480MPa以上、耐力460MPa以上であることを特徴とする請求項3記載のアルミニウム合金押出材の製造方法。
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