JPH02166251A - 延性に優れたアルミニウム合金およびその製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、合金元素としてリチウムを含むアルミニラム
合金で、強度が低下されることなく延性に侵れた合金お
よびその製造法に関する。

［従来の技術１ 一般に、アルミニウムに１重量％のリチウムを含有させ
ると、得られる合金の密度がアルミニウムに比較して約
３％低くなり、弾性率が約６％増加する。そこでアルミ
ニウム・リチウム合金は他のアルミニウム合金に比べて
軽量化が可能となる。

現在、リチウムを２〜３重齢％含有させたアルミラム合
金が主として軽量化効果の大きい航空機等の構造用材料
として実用化が検討されでいる。

このアルミニウム・リチウム合金は、結晶組織中にδ−
相（Ａ１３１−ｉ金属間化合物、１−１２構造）が析出
分散されて合金の７１〜ツクスを強・化し剛性を高めて
いる。しかしこのアル４ミニウム・リチウム合金は、高
剛性を有するが延性が低いことが実用上の障害となって
いる。

このマトリックスの強化に寄与するδ−相の結晶構造は
Ｌ１ｚ構造であり、マトリックスの】アルミニウムの結
晶構造（ｆｃｃ）と整合するためδ−相での転位剪断が
おきやすい。しかも−度剪断が起こった部分はさらに転
位が通り易（なるため転位が集中する。その結果平面づ
べりを生じ、粒界に応力が集中し粒界から破壊する。ま
た粒界での析出物がその粒界領域から１１を引抜い−て
生成するためＬｔの無析出領域（Ｐ　Ｆ　Ｚ　）が生成
される傾向がある。、そのため粒界領域部分が脆化する
。

これらの問題を取除くために、いくつかの冶金学的方法
がとられてきた。例えばアルミニウム・リチウム合金に
第三元素を添加する方法や、熱処理条件を制御して析出
する結晶構造を１■る方法などが知られている。

例えば、特表昭６０−５０２１５９号公報には、銅、マ
グネシウム、ジルコニウムなどの第３元素を添加するこ
とによりδ′相以外の析出相（θ−相Ａ１２ＣＩＪ、Ｓ
’−相△１２ＣＬＪｆＶＩｇ、β相△３７ｒ〉を析出さ
せることにより、剪断されにくい球状粒子を形成させ平
面すべりを均一化して延性を高める方法の開示がある。

また特開昭６０２１１０５７＠公報には、破壊の起点と
なる粒界のＰＦＺの生成を時効処理温度条件の制御など
により低減して延性を高める方法が開示されている。

さらに特表昭６２−５０２２９５号公報には、アルミニ
ウム・リチウム合金にジルコニウム（Ｚｒ）を添加し、
さらに時効処理温度を制御することによりδ−球状粒子
の核に７ｒ・を形成さぼる。この△ｌ　３　（Ｌ　ｉ、
Ｚｒ）複合析出物により剪断抵抗を増大さＵ延性を高め
る方法の開示がある。

［発明が解決しようとげる課題］ 前記の技術で１９られる合金材料はいづれも伸びが若干
改良されてはいるものの伸び吊は１０％以下である。こ
の程度の延性しかない月料では、プレスなどの冷間加工
で割れてしまい構造材料として使用することができない
。例えば自動車のアルミニウムボデー構造材料として、
加工歪みの少ない部品として使用する場合でも１０％程
度の伸度が必要とされている。

前記の７ｒによる複合析出物の場合は、複合されている
部分が第２図に示すようにマトリックスやδ′相とよく
似た結晶構造であると考えられる。

そのため析出物の界面では両者の結晶構造が整合するた
め転位の剪断抵抗をもたらす粒子とはならない。その結
果Ｚｒ゛による複合析出物は剪断され、転位の通り道と
なり転位がマトリックスの結晶粒界に集積し亀裂が発生
するので、延性の改善が充分なされない。

またアルミニウム合金に銅を添加する例では、銅が重金
属元素であるので添加により比Φが増加し軽量化が失わ
れるため好ましくない。

また熱処理の時効条件により金属組織を制御しようとす
る場合は、低温での時効が要求されるがこれには非常に
長時間を要する。

本発明は、アルミニウム・リチウム合金の前記の問題点
を解決するもので合金の金属組織を制御することにより
優れた延性をもつアルミニウム合金およびその製造法を
提案することを目的とする。

［課題を解決するだめの手段］ 本発明の第１は、リチウム１．５〜４．０重量％、ゲル
マニウム０．１〜２．５重量％、残部がアルミニウムよ
りなる合金で、Ａｌｘ（Ｌｉ、Ｇｅ）の複合析出物がア
ルミニウムのマトリックス中に存在してなる延性に優れ
たアルミニウム合金である。

第２の発明は、リチウム１．５〜４．０重量％、ゲルマ
ニウム０．１〜２，５重量％、残部がアルミニウムにす
なる合金成分を溶解鋳造、１Ｊｌｌ工焼鈍、溶体化処理
とを順次行う加工処理工程と、１２０〜１５０℃で１・
〜１０時間次いで１７０〜２２０℃で１〜１００時間の
２段時効処理をおこなう時効処理工程とからなる延性に
優れたアルミニウム合金の製造法である。

本発明の特徴は、合金のマトリックス中にゲルマニウム
を核とする△ｌ　３　（Ｌ　１ＸＧｅ）複合析出物が均
一に分散していることおよびその複合析出物を析出させ
る時効処理方法に有る。

この複合析出物はゲルマニウムを核としてその周囲に１
１２構造のδ−相を形成した粒子である。

この核を形成しＣいるゲルマニウムの結晶構造は、ダイ
ヤモンド構造であるためこのアルミニウム合金のマトリ
ックスのｆｃｃｌ造やＡ１３Ｌｉのし１２構造のδ−相
とば非整合界面を形成している。

このため転位によりマトリックスが剪断されるのをこの
析出物粒子が（いとめ、転（Ｑによる粒界破壊が閉止さ
れ、すべりは分散されて材料の延性が向上していると考
えられる。

この複合析出物の核を形成するゲルマニウムの添加量は
、０．１〜２．５重石％のｉｆｉ囲である。

添加量が０．１重量％未満であると前記の複合析出物が
析出しない。一方添加量が２．５重量％を超えても前記
の複合析出物が析出せず、ゲルマニウムの粒子がマトリ
ックス中に析出して延性が低下する。、なＪ’ｉゲルマ
ニウムは、複合析出物の核とならずにマトリックス中に
分散して存在すると強度の向トには幾分寄与づるが、延
性はそれほど向上せずゲルマニウム量が多くなると延性
は低下する傾向がある。

合金の７１〜リツクスの一成分を組成Ｊ−るリチウムの
添加量は１．５〜４．０重間％である。１゜５重量％未
満であると合金密度は充分に低下せず、また弾性係数の
向上にならない。弾性係数はマトリックス強化とδ−粉
粒子Ａ１３Ｌｉ）の析出の両者によって向上するが、１
．５重量％（５原子％）未満ではリチウムの過飽和度が
充分でないため析出強化は期待できない。又、アルミニ
ウムに対するリチウムの最大固溶上限が４．０重量％（
状態図より算出）であるため、これ以上添加しでもリチ
ウムは溶体化されないので添加量に見合った強化が期待
できず機械的性質も著しく向−卜しない。

またこの合金にはリチウムの伯に銅、マグネシウム、ジ
ルコニウム、クロム、バナジウム、亜鉛、マンカン、チ
タン、ベリリ「クムの少な（とも−秤を添加量ることが
できる。その添加量は総量で５重量％以下であることが
好ましい。これらの元素を添加することにより、アルミ
ニウム合金の７１〜リツクスの強度を向上させることが
できる。

この合金の製造法は、加工処理Ｔ稈と、時効処即Ｔ程と
からなる。加工処理工程は前記の組成の合金を溶解鋳造
し、加工焼鈍をおこない次いで溶体化処理をおこなう工
程である。まず溶解＆Ｉ造工程として、アルミニウム合
金は融液として調製されインゴットに鋳造される。その
後加工焼鈍として諌ずインゴットが均一加熱される。次
いで圧延や押出し等の機械的加工により有用な形態に変
えられる。例えば熱間圧延し、焼鈍をおこなう。溶体化
処理工程は、前工程で得た形状体が所定の温度で熱処理
され水等の媒体で焼入れされる。もし合金が圧延または
押出しされているならば、通常その内部応力を緩和して
機械的特性を１するために、冷間加工がおこなわれる。

次に複合析出物を７１〜リツクス中に析出させるために
時効処理をおこなう。この時効処理では低温と高温を組
合せた二段の処理がおこなわれる。

まず−段目は１２０〜１５０’Ｃの温度範囲で１〜１０
時間熱処理をおこないゲルマニウム粒子による複合析出
物の核を形成させる。この温度が１５０℃を超えて烏く
なるとδ′相（Ａ１３１ｉ）が析出してゲルマニウムが
核とならない。まｌここの温度が１２０℃未満ではゲル
マニウムが充分析出しないため核は形成されない。

次いで二段目は１７０〜２２０℃の温度範囲で１〜１０
０時間熱５１！ｌ　３！［！をおこなってゲルマニウム
の核のまわりにδ′相（Ａ１３Ｌｉ）を形成させる。温
度が２２０℃を超えると析出が早くなり時間の管理が難
しく過時効になりやすく好ましくない。また１７０℃未
満では析出に非常に長時間を要し好ましくない。この条
件によりδ−相（Ａ３Ｌｉ）の析出が顕著におきること
を避けることが（・きるとともに核を含まないδ−相の
析出が阻止できる。

このようにして製造されるアルミニウム合金は、マトリ
ックスにゲルマニウムを核とする複合析出物が分散して
いる。この複合析出物で強化されているアルミニウム合
金のマトリックスの様子を第１図の拡大模式図で示づ。

［作用］ 本発明のアルミニウム・リチウム合金は、ゲルマニウム
を添加することにまり八１３（Ｌｉ、Ｇｅ）複合析出物
をマトリックス中に析出分散させこれにより、結晶内で
のすべり面を均一化することができ転位による粒界破壊
を防いで、合金の延性を向上させることができる。

この複合析出物を合金のマトリックス中に均に分散させ
るために加工処理工程後に、二段時効処理を実施する。

低温の一段目で核となるゲルマラムをマトリックス中に
析出さゼ、次いで高温の二段目でゲルマニウムを核とし
てδ−相を析出させて複合析出物を形成する。この二段
時効処理を実施することにより複合析出物をマトリック
ス中に確実に形成することができる。

［実施例］ 以下実施例により本発明を説明づる。

（実施例１） （溶解鋳造工程） １．８ｔＪ量％のリチウムと０．５重量％のゲルマニウ
ムおよび残部アルミニウム（不純物を含む）の各金属を
７４０℃で加熱し溶解鋳造してインゴットを得た。

（加工焼鈍工程） このインゴットを６００℃で２４時間均質化処理をした
。次に４００℃の温度で断面減少率で約５０％の熱間圧
延し、再び６００℃で８時間焼鈍をした後、約３０％の
冷間圧延を施した。

（溶体化］：程） このようにして得た展伸材を５５０℃で８時間溶体化処
理して氷水中にいれて焼入れをおこなって加工処理工程
を終えた。

（時効処理］７程） 前記の加工処理をしだ展伸材は１４０℃で２時間の低温
時効処理と１９０°Ｃで１２時間の高温時効処理をおこ
なつ／Ｌ　Ｏ このようにして得た△１−Ｌ１−Ｇｅ三元合金を電子顕
微鏡を用いて暗視野像で観察した結果、第１図の拡大模
式図に示したような微細構造を示した。Ａ１３（ｌ−ｉ
、Ｇｅ）複合析出ｖＡ５の部分からは、［−１２構造の
δ−相２とダイアモンド構造のゲルマニウム核１の両方
の回折図形が認められた。　この組織をもつ材料で引張
試験用のデス１〜ピースを作製し、引張試験をおこなっ
た。結果を第１表に示す。

比較例１としてゲルマニウムを含まずリチウムが１．８
重量％のアルミニウム合金を、実施例と同様に加工処理
をし、時効処理は高温の１９０℃で１２時間の一段処理
で得た材料で同様にテストピースを作製して引張試験を
おこなった。結果を第１表に示す。

実施例では引張り強度が向上し、特に伸びは比較例が３
．２％であるのに対して本実施例は１３０％の伸びを示
し延性が一段と向上した。

（実施例２） 自動車用ボデー構造に使用可能な強度と延性を備えさら
に軽量の材料を得るためＡｌ１−１　Ｇｅ三元系にさら
に銅、マグネシウム、ジルコニウムを添加した。その組
成はｌｉ２．５重間％、Ｑｅ、ｏ、７重量％、Ｃｕ１１
．０重間％、Ｍｇ、０．８重量％、Ｚｒ、０．１重量％
および残部Ａの合金成分で実施例１と同じ加工処理を施
し、５４０℃で３時間の溶体化処理をおこなった。

時効処理は１４０℃で２時間の低温処理と１９０℃で８
時間の高温処理の二段階処理をおこなつ第１表 第２表 第３表 た。

得られた材料の組織を電子顕微鏡により観察した結果第
３図に拡大模式図で示したようにθ−相６（ＡｌｚＣｕ
）針状、Ｓ′相８（ＡＩ２ＣＵＭｇ）針状またはラス状
、β相７（Ａ１３Ｚｒ）球状とθ′相５（Ａｌ１　（１
，−１Ｇｅ））球状とが認められた。これらの析出物粒
子はいずれも転位の！１ｇ断抵抗どなり合金の強度と延
性を向コーさせる。

従来かｌう開発されている８０９０合金や２０１９合金
ではδ−相のみ転位に剪断されやすいため元合金の場合
と同様にδ−相剪断部にすべりの集中がおこる。本発明
の合金の場合、δ−粉粒子改良されているので剪断抵抗
はθ′相、Ｓ′相、β相と同等ですべりは分散し延性が
改善される。本実施例品と従来品の８０９０合金につい
て引張試験をおこなった結果を第２表に示す。引張強度
、０．２％耐力は８０９０合金と同程度であるが、延性
においては著しく改善されている。（伸び１３．０％）
これは軽量自動車ボデー構造用部材としての特性を満足
している。

（実施例３） 前記の実施例で得られるゲルマニウムで改良されたδ−
相が形成する合金成分と時効処理の条件を電子顕微鏡に
より検討した。球状粒子の中にゲルマニウムの核が形成
されているかどうかは典型的な場合を除けば暗視野像で
の観察は難しい。そのため制限視野回折図形をとりδ−
相のＬ１２構造と同時にゲルマニウムのダイアモンド描
込がみられるかどうかによりこれを調べ！、：、、結果
を第３表に示す。

時効処理を一段でおこなった比較例の場合はゲルマニウ
ムの量が０．５重量％（Ｎｏ、１０＞、２．５重量％（
Ｎｏ、１１）添加しても複合析出物は認められず伸びの
向上がなかった。つまり低温での時効処理をａ３こなわ
ないとゲルマニウムは複合析出物の核とならない。一方
二段時効処理で１４０℃で２または５時間、１９０°Ｃ
で１２時間の時効処理をおこなった場合（Ｎｏ、３．４
，５゜６）にはゲルマニウムの間が０．５〜２．５重量
％の時は、ゲルヤニラムが核となって複合析出物が形成
されているのが認められた。なお、ゲルマラム量が０．
３重量％で時効処理が１４０℃１０時間、１９０℃１０
０時間のＮｏ、ｌおよびゲルマニウム量が０．５重量％
で時効処理が１２０℃で１０時間、１９０℃で１２時間
のＮ０２２では複合析出物の析出に時間および温疫を他
の場合より長くした。

［効果］ 以に説明したように、本発明に係るアルミニウム合金は
、ゲルマニウムを核としてθ′相（Ａ３　Ｌ−ｉ　）が
粒子を形成した複合析出物がマトリックス中に存在する
ため延性の改善に効果があるばかりでなく強度も向上す
る。また、このゲルマラムは少量の場合は析出せずにマ
トリックス中に固溶しており固溶体を強化して合金の強
度をＦ昇させることができる。

また本発明に係るアルミニウム合金の製造法は、通常の
加工処理をした後、低温と高温の二段の時効処理により
比較的短時間の熱処理で複合析出物を形成Ｊることがで
きる。

この複合析出物はダイ）フモンド構造のゲルマラムを核
としてその周囲にＡ１３Ｌｉのδ−相を形成しており、
マトリックスのｆｃｃ構造とは異なる。したがって、転
位やすべり面への剪断抵抗の接点どなって合金素材の延
性の向上に寄与しているものと考えられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の合金の析出＃］織の拡大模式図であり
、第２図は従来例の７ｒによる複合析出物の組織の拡大
模式図であり、第３図は実施例２にかかる合金の析出組
織の拡大模式図である。 １・・・・・・ゲルマニウムの核 ２・・・・・・δ′相 ３・・・・・・アルミニウム合金のｆｃｃ構造４・・・
・・・Ａｌ−Ｚｒ化合物 ５・・・・・・複合析出物 ６・・・・・・θ−相　　　　　７・・・・・・β相８
・・・・・・Ｓ−相 特許出願人　　　トヨタ自動車株式会社代理人　　　　
　弁理士　大川　宏

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）リチウム１．５〜４．０重量％、ゲルマニウム０
   ．１〜２．５重量％、残部がアルミニウムよりなる合金
   で、Ａｌ＿３（Ｌｉ、Ｇｅ）の複合析出物がアルミニウ
   ムのマトリックス中に存在してなる延性に優れたアルミ
   ニウム合金。
2. （２）リチウム１．５〜４．０重量％、ゲルマニウム０
   ．１〜２．５重量％、残部がアルミニウムよりなる合金
   成分を溶解鋳造、加工焼鈍、溶体化処理とを順次行う加
   工処理工程と、１２０〜１５０℃で１〜１０時間次いで
   １７０〜２２０℃で１〜１００時間の２段時効処理をお
   こなう時効処理工程とからなる延性に優れたアルミニウ
   ム合金の製造法。