JPH06207254A - 高強度Ａｌ−Ｌｉ系合金鋳物の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高比強度及び高比弾性を有する高強度Ａｌ−
Ｌｉ系合金鋳物の製造方法を提供する。 【構成】 重量％で、Ｌｉ：0.5〜3.5％及びＣｕ：0.5
〜6.0％を含有し、更にＭｇ：0.05〜1％、Ｚｒ：0.05〜
0.3％、Ｚｎ：0.05〜1.5％、Ｃｒ：0.05〜0.3％、Ｍ
ｎ：0.05〜1.5％、Ｖ：0.05〜0.3％及びＴｉ：0.005〜
0.1％からなる群から選択された少なくとも１種の元素
を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成
を有する。そして、この合金にはＴ１相（Ａｌ₂ＣｕＬ
ｉ）が析出している。また、この合金は、Ｉｎ：0.05〜
0.3％を含有してもよい。本発明方法は、上記組成のＡ
ｌ−Ｌｉ系合金の鋳物を、540〜570℃で均質化処理し、
その後540〜570℃で溶体化焼入した後、110〜250℃で焼
きもどしを行うことによりＴ１相（Ａｌ₂ＣｕＬｉ）を
析出させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は展伸材と同等か又はそれ
より高強度で実用性が高い高強度Ａｌ−Ｌｉ系合金鋳物
の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】Ａｌ−Ｌｉ系合金は低密度、高比強度及
び高比弾性を有するため、軽量化が必要な構造材料とし
て、航空機、宇宙用ロケット又はリニアモーターカー等
の次世代材料として実用化が検討されている。これらの
Ａｌ−Ｌｉ系合金はシート及びプレート材等の圧延材、
押出材又は鍛造材等の所謂展伸材としての使用が検討さ
れてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鋳物に
ついては、強度及び伸びが低く、信頼性が劣るなどの理
由で、Ａｌ−Ｌｉ系合金の実用化が遅れている。特に、
スポーツ等の分野においては、高比強度というＡｌ−Ｌ
ｉ合金の特長を生かしたＡｌ−Ｌｉ合金鋳物の開発が望
まれていた。即ち、少なくともＡｌ−Ｌｉ合金展伸材と
同程度以上の強度を有するＡｌ−Ｌｉ系合金鋳物の開発
が要望されている。

【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、高比強度及び高比弾性を有し、信頼性が優
れた高強度Ａｌ−Ｌｉ系合金鋳物の製造方法を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高強度Ａｌ
−Ｌｉ系合金鋳物の製造方法は、Ｌｉ：0.5〜3.5％及び
Ｃｕ：0.5〜6.0％を含有し、更にＭｇ：0.05〜1％、Ｚ
ｒ：0.05〜0.3％、Ｚｎ：0.05〜1.5％、Ｃｒ：0.05〜0.
3％、Ｍｎ：0.05〜1.5％、Ｖ：0.05〜0.3％及びＴｉ：
0.005〜0.1％からなる群から選択された少なくとも１種
の元素を含有し、更に必要に応じてＩｎ：0.05〜0.3％
を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成
を有するＡｌ−Ｌｉ系合金の鋳物を540〜570℃で溶体化
し、その後焼入れ焼戻し処理することにより、Ｔ１相
（Ａｌ₂ＣｕＬｉ）を微細に析出させて強度を高めるこ
とを特徴とする。

【０００６】なお、本明細書において、組成を表す％と
は重量％のことである。

【０００７】

【作用】本願発明者はＡｌ−Ｌｉ系合金鋳物の強度を改
善すべく種々実験を行った結果、以下に示す成分をもつ
鋳物に下記に示す熱処理を行うことにより所期の目的を
達成できることを見い出した。

【０００８】以下、先ず、本発明に係るＡｌ−Ｌｉ系合
金の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
このＡｌ−Ｌｉ系合金は、基本的には、Ａｌ−Ｌｉ規格
合金の中で、７０７５−Ｔ６代替の高強度型のＡＡ２０
９０合金及びこれに更にＩｎを所定量添加した合金であ
る。前者はＴ₁相（Ａｌ₂ＣｕＬｉ）の析出により強化さ
れたものであり、後者はＩｎの微量添加によりＴ₁相を
析出し易くして強化されたものである。ＩｎはＴ₁相の
核生成に寄与する元素である。Ｌｉ Ｌｉは合金の低密度化及び高弾性化のため不可欠の元素
であると共に、強度の向上に寄与する元素である。Ｌｉ
は製造の最終熱処理の時効処理過程において、Ａｌ及び
Ｃｕと結合してδ′相又はＴ₁相等として析出し、時効
硬化に寄与するものである。Ｌｉの含有量が0.5％未満
の場合は、低密度及び高弾性の効果が小さく、3.5％を
超えると、延性及び靱性が著しく低下する。従って、Ｌ
ｉ含有量は0.5〜3.5％とする。Ｃｕ Ｃｕは合金の強度の向上に寄与する元素である。このＣ
ｕは鋳物製造の最終熱処理の時効処理過程において、Ａ
ｌ、Ｌｉ又はＭｇと結合してＴ₁相θ′相等として析出
し、時効硬化に寄与するものである。しかし、Ｃｕの含
有量が0.5％未満の場合は、所望の高強度は得られず、
逆にＣｕ含有量が6.0％を超えると、延性及び靱性が著
しく低下し、且つ低密度化の効果も小さくなる。従っ
て、Ｃｕの含有量は0.5〜6.0％とする。Ｍｇ Ｍｇは延性及び靱性を低下させることなく強度を向上さ
せる元素であり、製造工程における最終熱処理の時効処
理過程にＳ′相等として析出し、強度の向上に寄与す
る。また、Ｍｇは密度が小さいため、低密度化にも寄与
する。

【０００９】しかし、強度向上の効果はＳ′相よりＴ₁
相の方が大きいので、本発明においては、Ｔ₁相を微細
に析出させるため、Ｍｇは積極的には添加しない。

【００１０】Ｍｇ含有量が0.05％未満では強度向上の効
果が小さく、また1％を超えても強度向上の効果が飽和
し、無駄である。よって、Ｍｇを添加する場合には、そ
の含有量を0.05〜1％とする。Ｚｎ Ｚｎは耐ＳＣＣ（応力腐食割れ）性を向上させる元素で
ある。Ｚｎ含有量が0.05％未満では、耐ＳＣＣ性向上の
効果が小さく、1.5％を超えると延性及び靱性が著しく
低下する。Ｚｒ Ｚｒは鋳造組織を微細化すると共に、最終熱処理後のミ
クロ組織においてその組織形態を制御することにより、
鋳物の強度及び延性の向上に寄与する元素である。Ｚｒ
含有量が0.05％未満では、再結晶化がおきてミクロ組織
が大きくなる。これにより、強度の低下はそれほど認め
られないものの、延性が著しく低下してしまう。Ｚｒ含
有量が0.30％を超えると、その鋳造組織の微細化効果が
飽和すると共に、Ｚｒを含む巨大晶出物が発生し、強度
及び靱性等の低下をもたらす。従って、Ｚｒ含有量は0.
05〜0.30％とする。Ｃｒ，Ｍｎ，Ｖ Ｃｒ，Ｍｎ，ＶはＺｒと同様に最終熱処理後のミクロ組
織においてその組織形態を制御することにより、鋳物の
強度及び延性の向上に寄与する元素である。これらの元
素はいずれも含有量が0.05％未満の場合は再結晶化がお
こり、ミクロ組織が大きくなるため、延性が低下する。
逆に、Ｃｒを0.3％、Ｍｎを1.5％、Ｖを0.3％を超えて
含有してもその効果が飽和するため、それ以上の添加は
無駄である。従って、これらの各元素を添加する場合に
は、Ｃｒの含有量は0.05〜0.3％、Ｍｎの含有量は0.05
〜1.5％、Ｖの含有量は0.05〜0.3％とする。Ｔｉ Ｔｉは鋳塊のマクロ組織の微細化に寄与する元素であ
る。しかし、Ｔｉ含有量が0.005％未満の場合は良好な
微細化効果が得られず、逆に0.1％を超えると晶出物が
増加して延性又は靱性が低下する。従って、Ｔｉの含有
量は0.005〜0.1％とする。Ｉｎ ＩｎはＴ１相の核生成に寄与する元素である。Ｉｎ含有
量が0.05％未満の場合及びＩｎ含有量が0.3％を超える
場合はその効果が少ない。従って、Ｉｎの含有量は0.05
〜0.3％とする。不純物：Ｆｅ，Ｓｉ 鋳塊中に不純物として含有されるＦｅ，Ｓｉはいずれも
その含有量が0.25％を超えるとＡｌ−ＦｅＳｉ系晶出物
が増加し、最終製品での延性及び靱性が著しく低下す
る。従って、Ｆｅ又はＳｉ不純物の含有量は0.25％以下
に規制する必要がある。

【００１１】次に、本発明方法における各処理条件の限
定理由について説明する。本発明においては、以下の工
程で所望の特性を有する鋳物を製造する。 先ず、上記組成のＡｌ−Ｌｉ系合金鋳物を結晶粒径
がなるべく微細になるように、例えば結晶粒径が３ｍｍ
以下になるように鋳込む。この鋳物の結晶粒径が３ｍｍ
を超えると、粒界に存在する晶出物のサイズ及び分布が
粗大且つ不均一になりやすい。そうすると、延性及び靱
性が低下する。このため、結晶粒径はなるべく微細な方
が好ましく、好ましくは３ｍｍ以下とする。 次いで、鋳物を540〜570℃の温度で均質化処理す
る。この均質化処理の目的は、第１にＬｉ、Ｃｕ等の元
素を十分に固溶させること、第２に晶出物を部分的に固
溶させて小さくすることである。この均質化処理の前
に、鋳物を450〜500℃に加熱することにより、ＺｒＡｌ
₃の析出物を形成する処理を行うこともある。 その後、この鋳物に所定の強度を付与するために、
540〜570℃の高温で溶体化処理した後、水中に焼入れ処
理し、その後、110〜250℃の温度に焼戻して時効処理す
る。 これにより、鋳物の組織中に、Ｔ１相（Ａｌ₂Ｃｕ
Ｌｉ）が微細に且つ均一に析出する。熱処理 本合金の鋳造組織中に粒内に均一なＴ１相を微細に且つ
均一に析出させて強度を向上させるため、前記の工程
で均質化熱処理を行う。この均質化処理は540〜570℃で
行う。熱処理温度が540℃未満ではその均質化効果が少
なく、逆に、熱処理温度が570℃を超えると、バーニン
グを起こす。このため、均質化熱処理は、570℃以下の
なるべく高い温度で行う。また、熱処理時間もなるべく
長時間とすることが好ましい。

【００１２】次に、工程の溶体化焼入れ処理について
説明する。溶体化温度が540℃未満の場合は、所望の強
度が得られず、逆に溶体化温度が570℃を超えると、バ
ーニングを起こし、かえって強度が低下する。従って、
この溶体化温度は500〜570℃の範囲内でできるだけ高温
で行う。溶体化の時間についてもできるだけ長時間が好
ましい。

【００１３】この溶体化処理は、前述の均質化処理と焼
入れ前の所謂溶体化処理とに分けて行うこともできる
が、これを540〜570℃に加熱する１工程で同時に実施す
ることもできる。

【００１４】また、工程の焼きもどし処理は、110〜2
50℃の温度に加熱することにより行う。焼きもどし温度
が110℃未満ではＴ１相の析出が少ない。逆に、焼きも
どし温度が250℃を超えると最高強度が低くなる。従っ
て、焼きもどし温度は、110℃〜250℃とする。焼戻し時
間はピーク強度が得られる時間を選定することが好まし
い。

【００１５】上述の熱処理により、展伸材で最も高い強
度が得られる組織、即ちＴ１相が粒内に微細均一に析出
したものと同一の組織が得られ、しかもＴ１相が更に一
層微細になるため、展伸材より高い強度が得られる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例に係るＡｌ−Ｌｉ系合
金について、その特性を比較例と比較して説明する。下
記表１に示す含有成分のＡｌ−Ｌｉ系合金を溶製し、鋳
造して厚さが50mmの鋳物を作製した。次いで、下記表２
の熱処理条件にて熱処理を行ない、硬さと密度を測定し
た。比較例の展伸材は前記鋳物を面削した後、均質化処
理して450℃で熱間圧延を開始し、厚さが3mmの熱延板に
仕上げ、次いで冷間圧延にて厚さが1.6mmの冷延板に仕
上げた後、溶体化処理し、その後水焼入れ及び焼戻し処
理した所謂Ｔ６材である。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】この表２から明かなように、本実施例によ
る合金は、比較例合金に比して高い硬度のものが得られ
ていることがわかる。ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）によ
る組織観察の結果、硬度が高い硬質のものはＴ１相が粒
内に微細に且つ均一に析出していることが判明した。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るＡｌ
−Ｌｉ系合金鋳物は、高い硬度を有すると共に、密度が
小さいことから高い比強度を有する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、Ｌｉ：0.5〜3.5％及びＣｕ：
   0.5〜6.0％を含有し、更にＭｇ：0.05〜1％、Ｚｒ：0.0
   5〜0.3％、Ｚｎ：0.05〜1.5％、Ｃｒ：0.05〜0.3％、Ｍ
   ｎ：0.05〜1.5％、Ｖ：0.05〜0.3％及びＴｉ：0.005〜
   0.1％からなる群から選択された少なくとも１種の元素
   を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる組成
   を有するＡｌ−Ｌｉ系合金の鋳物を540〜570℃で溶体化
   し、その後焼入れ焼戻し処理することにより、Ｔ１相
   （Ａｌ₂ＣｕＬｉ）を析出させることを特徴とする高強
   度Ａｌ−Ｌｉ系合金鋳物の製造方法。
2. 【請求項２】 重量％で、Ｌｉ：0.5〜3.5％、Ｃｕ：0.
   5〜6.0％、Ｉｎ：0.05〜0.3％を含有し、更にＭｇ：0.0
   5〜1％、Ｚｒ：0.05〜0.3％、Ｚｎ：0.05〜1.5％、Ｃ
   ｒ：0.05〜0.3％、Ｍｎ：0.05〜1.5％、Ｖ：0.05〜0.3
   ％及びＴｉ：0.005〜0.1％からなる群から選択された少
   なくとも１種の元素を含有し、残部がＡｌ及び不可避的
   不純物からなる組成を有するＡｌ−Ｌｉ系合金の鋳物を
   540〜570℃で溶体化し、その後焼入れ焼戻し処理するこ
   とにより、Ｔ１相（Ａｌ₂ＣｕＬｉ）を析出させること
   を特徴とする高強度Ａｌ−Ｌｉ系合金鋳物の製造方法。