JPH06501982A - 延性を有する超高強度アルミニウム合金部材 - Google Patents

延性を有する超高強度アルミニウム合金部材

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JPH06501982A JP3513010A JP51301091A JPH06501982A JP H06501982 A JPH06501982 A JP H06501982A JP 3513010 A JP3513010 A JP 3513010A JP 51301091 A JP51301091 A JP 51301091A JP H06501982 A JPH06501982 A JP H06501982A
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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】 延性を有する超高強度アルミニウム合金部材本発明は、機械的な性質、特に横方 向の靭性及び延性、が向上されたアルミニウム又はアルミニウム合金の部材(c omponent)を製造するための方法に関する。
本発明はまた、機械的な性質を更に向上させる最終的な加工熱処理に関する。
7000シリーズの合金(アルミニウム・アソシエーンヨン社の登録簿:Rec ord of the AluminiumAssociation Inc、  )のような超高強度アルミニウム合金の開発は、過去30年程にわたって非常 に注目を浴びた。上述の如き材料に伴う特有の問題点は、全体的な延性が低下し 、また、特lこ横方向、中でも短い横方向において、延性及び破壊靭性が低下す ることである。横方向の特性を改善する試みの多くは、超高純度の基材を用いた り、中間加工熱処理(ITMT)プロセス(1975年のアルミニオ(Allu minio) 4月号193−213頁参照)を用いたり、あるいはその両方を 用いることによって、純粋な再結晶型の結晶粒組織を製造していた。
最終加工熱処理技術(FTMT)を適正に施すことによって、析出硬化合金の機 械的な性質を大きく改善することができることが知られている。7000シリー ズのような合金において超高強度を得るためには、特にZn、Mg及びCuに関 して成分を富化させる必要があった。しかしながら、これらの富化された合金に は、商業用の大きな寸法のインゴットを必要とする場合には、鋳造上の大きな問 題点があり、従って、小規模の実験室的に鋳造したインゴットあるいは粉末ルー トすなわち手段によって製造された合金のインゴット対して作業が行われていた 。
長手方向の高い引張り特性を得ることは可能であったが、その代わりに延性が低 下する。
例えば、ロバーツ(Roberts)が1961年の粉末冶金(PowderM etallurgy ニューヨークのAIMEインターサイエンス・パブリノン ヤーズ)に発表しているように、長手方向の引張り特性が815MPa(メガパ スカル)で4%の伸びを有する押し出し粉末成形体が得られている。更に、バー (Harr)は、861MPaもの高い値を有するが延性の低い粉末成形体を得 ている(1961−1965年のAlcoa Re5earch Labora tories)oディ”ルッソ(I]−Russo)の別の研究(Allumi nio Nuova Met、 、 1967、 Vol、 36. pp9  15)においては、直径が小さな直接冷却インゴットを用いて、3%の伸びを有 する772MPa程度の強度を得ている。フレミジグス(Flemings)及 びそノ共同研究者は、約3.2mm (1/8インチ)の厚みの鋳型の中で急速 固化された合金及び平たく冷却されたサンプルを用いて同様な結果を得ている( 1970年1月のMet、Trans、Vol、 l、pp191−197)、 溶体化処理及び時効処理を施した材料を事実上冷間加工した後に、最大796M Pa程度の引張り強度が得られているが、その伸びは僅かに1.8%であった。
マーシャー(Mercier)及びチェヴイジグニ−(Chevingny)は 、7000シリーズの合金A−Z8GUに関して、完全なT6熱処理を行った後 に塑性変形プロセスを用いて、740MPaもの高い値を3,5%の伸びと共に 得ている。
富化された成分に関しては、スブロールズ(Sprowl s)の米国特許第3 ゜198.676号明細書は、応力腐食及び破断抵抗を改善するために熱処理を 施すことを記載している。
また、時効及び塑性変形の相互作用を含む多ズの加工熱処理の研究が、通常のり 、C,#造インゴットから形成される材料に対して行われており、その結果、強 度は小さいが、疲労特性、耐応力腐食性、及び破壊靭性が改善されたことが報告 されている。7000シリーズの高強度押出品に最終的な加工熱処理を商業的に 使用することの欠点は、そのような押出品の横方向の特性が乏しいことである。
特に綱の部材に対してではあるがアルミニウムの部材に対しても、応力除去を行 うために振動を与えることが知られている。振動による応力除去(VSR)を行 う技術はクロックストン(R,A、C1oxton)の文献に記載されている( Tbe Journal of the Bureau of Enginee r 5urveyors、Volume 10.Nos、1&3.1983)。
この技術は、熱による応力除去の代わりにあるいはこれに加えて用いられる。
一般には応力除去のために施されるVSR技術においては、バイブレータを作動 させ、約10分間の間にその最大周波数(例えば0−200Hz)まで徐々に上 げて行く。部材の応答を監視し、共鳴が生じた時に振動数を例えば約2000サ イクルに保持する。従って、保持する時間は共鳴周波数によって変化する。次に 、他の共鳴周波数を見い出すまで周波数を変化させる。
本発明者は、延性及び破壊靭性が低いという問題は、押し出しビレットの全長に わたって方向性のすえ込み加工を行うことによって解決できることを見いだした 。従って、本発明のある実施例においては、特定の横方向において改善された性 質を有するアルミニウム合金部材を製造する方法が提供され、この方法は、アル ミニウム合金の押し出しビレットを準備する段階と、該ビレットを圧縮し、特定 の横方向を基準として選択された少なくとも1つの方向においてすえ込み加工を 行う段階と、上記すえ込み加工されたビレットを押し出して押出品を形成する段 階とを備える。
本発明の他の実施例によれば、アルミニウム部材を更に処理するための最終的な 加工熱処理方法が提供され、この方法は、溶体化処理の段階と、0−10%の予 備的な引張りの段階と、次に行われる室温から115°Cまでにおける低温時効 の段階と、その次に行われる1−10%の第2の引張りの段階と、105’Cか ら160’Cにおける2−24時間の最終的な時効処理の段階とを備える。
本発明の別の実施例によれば、FTMT (最終的な加工熱処理)における上記 延伸の段階の一方又は両方の段階を、振動処理段階で置き換えることができ、ま た、本発明は更に、最終的な加工熱処理の方法も提供し、この方法は、溶体化処 理、選択的に行われる予備的な引張り、第1の熱時効、振動処理及び最終的な熱 時効を含む。
押し出しビレットは、通常は押し出しプレスのビレット容器であるある容器の中 で、その長さに沿って長手方向に圧縮することによりすえ込み加工されるのが好 ましい。上記ビレットは、一般には丸い断面を有しているが、本発明の適用は、 そのような実質的に丸い断面を有するビレットだけに制限されるものではない。
ビレットを圧縮すると、金属は横方向に変位し、容器の中の有効な空間を埋め、 容器の壁部に接触Tることによってそれ以上移動できなくなる。上記容器から! 図的に隔置された少な(とも1つの側部を上記ビレットに設けることにより、ビ レットの金属は、圧縮を受けた時に、ビレットの上記側部に交差する方向に変位 する。すなわち、上記金属は、ビレットの上記側部に交差する方向においてすえ 込み加工される。2つの平行な側部を設けるのが好ましく、その理由は、このよ うにすると、ビレットがより均一にすえ込み加工されるからである。上記側部は 平坦な面であるのが好ましい。
押し出しビレットの最も一般的な形態は、概ね円形の断面を有している。従って 、本発明のビレットは、少なくとも円弧の一部が欠けた概ね円形の断面を有する ビレットを含むことができる。ビレットの特に好ましい形態は、図1に示すよう に、対向する2つの平行な円弧が欠けている概ね円形の断面を有する。
上記特定の横方向は、横方向の部材を有するどのような方向とすることもできる 。上記特定の方向は、ビレットに対する側部の位置決めによって決定される。
ビレットに適宜な側部を設けることにより、2以上の方向においてすえ込み加工 を行うことができる。適宜な側部を設けてビレットを2以上の方向においてすえ 込み加工することにより、機械的な性質を2以上の横方向において改善すること ができる。
少なくとも単純な部材に関しては、機械的な性質を改善しようとする方向に対し て概ね平行な方向においてビレットをすえ込み加工することにより、性質が大幅 に改善される。従って、1又はそれ以上のm部は、上記特定の横方向に対して概 ね直角に配列される。しかしながら、すえ込み加工の方向が上記特定の横方向に 対して平行でない場合でも、性質を改善することができる。
押出品の後端部に向かって延性及び破壊靭性が低下することが往々にして見回1 すられる。これを緩和するために、ビレットに更にテーパ部を付し、適正な平坦 面を残しながらその形状を截頭円錐形状にするか、あるいは、ビレットを円筒形 にし、上記平坦面の幅を上記後方端に向かって増大させて模型の形状にすること ができる。ビレットの後方端にテーパ部を形成し、これにより、ビレットの後方 端が、その前方端よりも小さな断面積を有するようにすることができる。ビレッ トの後方端の断面積は、前方端の断面積の15乃至70%であるのが好ましい。
上記テーパ部は、ビレットの長さの少なくとも25%にわたって付与するのが好 ましいが、ビレットのほぼ全長にわたって付与することもできる。テーパ部の形 状は、例えば均一すなわち一定の角度を有するように、又は階段状にすることが できる。
上記側部は、ビレットを機械加工することにより、あるいは、ビレットを適宜な 形状に鋳造することにより、又は、円筒形のビレットを所望の形状に鍛造するこ とにより形成することができる。
非円筒形のビレットを用いることは、押し出しプレスの円筒形の容器の加工容積 全体が充填されないことを意味し、また、ビレットがテーパ形状である場合にも 同様である。この理由から、押し出しすることのできる金属の体積従って押出品 の長さは、同じ長さを有する円筒形のビレットよりも小さくなってしまう。長い 押出品を必要としない場合でも、押し出しプレスの効率は相対的に低下してしま う。この問題点を解消するために、成形されたビレットを押し出しプレスの容器 よりも幾分長くし、押し出しラムの最初の運動によりすえ込み加工を行うことが できる。代替例においては、プレス機の容器に入れる前に、別個の容器の中でビ レットをすえ込み加工することができる。
本発明は、直接型及び間接型の押し出しプロセス、並びに中実及び中空の押出品 に応用することができる。
本発明は、すべての高強度/超高強度アルミニウム合金に適用可能であり、特に 、7000.2000シリーズの合金、並びに、例えば8090.8091.2 090.2091 (アルミニウム・アソシエーション社の登録記録)のAl− Li合金に適用できる。
本発明はまた、アルミニウム合金部材を更に処理するに適した最終的な加工熱処 理(FTMT)を提供し、このFTMTは、溶体化処理の段階と、予備的な引張 り段階と、低温の時効処理段階と、第2の引張り段階と、最終的な時効処理の段 階とを含む。
低温の時効処理は、室温から115’Cの温度、好ましくは80乃至105゜C の温度で行うことができる。所要時間は時効温度に依存し、室温では数週間を要 するが、115’Cでは1時間穆度とすることができる。
上記FTMTは、上述の最初の予備的な引張りにより高い強度を与えることがで きるが、その後の時効処理で有効な強度を低下させる。予備的な引張りは、必須 の段階ではなく1.実行するのが好ましい段階であり、その理由は、予備的な引 張りは材料の応力除去を行い、その応力除去は後に機械加工を必要とする場合に 有利であるからである。引張りの好ましい程度は1乃至4%である。
1乃至10%の第2の引張りを室温で行うことができるが、最大200’C好ま しくは75乃至115°Cでの熱間引張りを行うのが望ましい。
最終的な時効処理は、105°C乃至160’Cで2乃至24時間にわたって行 うが、上述のように、温度が高くなればなるほど必要とされる時効時間は短くな る。
上記引張り段階の一方又は両方の段階に加えて、あるいはそのような段階の代わ りに、振動的な方法を採用することができ、その方法は例えば、押出品をその共 鳴周波数あるいはその近くの周波数で機械的に振動させることにより行うことが できる。応力除去を行うための振動処理ff S R)を、鋼及びアルミニウム の両方の部材に対して使用することは知られているが、本発明者の知る限りでは 、従来その技術は加工熱処理と共に使用されてはいなかった。驚くべきことに、 加工熱処理の一部として振動処理を用いると、アルミニウム(A1)の部材の強 度が増大することが判明した。
本発明はまた、加工熱処理の一部として振動処理を用いることを可能とする。
振動処理は、最終的な加工熱処理の一部として施される。この処理は、例えば、 上述の予備的な時効処理及び最終的な時効処理の代わりに行うことができるが、 上記両方の時効処理の間に行うのが好ましい。上述のFTMTは、溶体化処理段 階と、予備的な引張り段階と、第1の熱時効処理段階と、第2の引張り段階と、 最終的な熱時効処理段階とを含む。振動処理は、第2の引張り段階に代えて用い るのが好ましく、必要に応じて上記第2の引張り段階を省略することができる。
熱時効処理並びに選択的に行われる引張り段階の好ましいパラメータは上述の通 りである。
本発明の技術においては、共鳴周波数に保持する時間従って与えるサイクル数は 、VSRで通常使用される値よりもかなり大きい。本発明によれば一般に、振動 処理は、少なくとも0. 5分間、好ましくは1乃至10分間、より好ましくは 1乃至5分間、代表的には約3分間にわたって施される。従って、例えば、ある 成分の共鳴周波数の1つが100Hzにあることが判明し、100Hzの振動を 3分間にわたって付与した場合には、18.000のサイクルが与えられること になり、この値は、VSRで一般に付与される2、000のサイクルに相当する 。
振動の周波数は通常、更に1又はそれ以上の共鳴周波数を見い出すまで変化され 、これら他の共鳴周波数において振動処理が行われる。共鳴周波数はまた、処理 される部材の長さを例えばクランプで効果的に変えることによって、あるいは、 部材に重りを与えることによって、変化させることができる。
上記処理は、繰り返し硬化させることのできるアルミニウム合金、すなわち、繰 り返しひずみが与えられた後にその強度が単調増加する材料、に対して施すのが 好ましい。上記処理は、上述の如(方向性をもってすえ込み加工されたビレット から形成された成分と組み合わせて用いるのが好ましいが、厚板又は鍛造品等の 他の成分の強度を増大させるために使用することもできる。
横方向の性質を向上させる方向性をもってすえ込み加工されたビレットのミクロ 構造と、強度を増大させる振動処理を含むことのできるFTMTとを組み合わせ て用いることにより、全体的な性質がより大幅に改善された部材を提供すること ができる。この処理方法は、ある部材について、1又はそれ以上の任意の方向に おいて特定の機械的性質を得る必要がある場合に、「特別あつらえの」ミクロ構 造をもたらすためのかなり広い範囲を与える。
次に、以下の例によって本発明を説明するが、これら例においては、D、C。
鋳造の商業用純度7000シリーズの合金、7150及び7075、並びに、5 i=0.03に;Fe=0.08%;(:u=1.75%:Mn=O,QC)2 %。
Mg=2.84%;Cr=0.001%;Zn=8.50%;Ti=0.003 %;B=0.001%;Zn=0.12%で残りがアルミニウムである組成を有 する実験的な合金7049UH+:関して実験を行っている。上記総ての合金は 、230mm及び295mmの直径でDCプロセスによって通常のように鋳造さ れかつ均質化された。次に、ビレットを機械加工し且つ押し出して厚みが70m mの円弧状部分を製造し、その後、475°Cまで加熱することにより溶体化処 理を行い、冷水の中で急冷した。次に、制御された2 5%の引張りによって幾 つかの部分を機械的に応力除去し、残りの部分は溶体化処理したままにした。T 651で示した通常の時効硬化に関して比較を行い、各合金に対する結果を以下 に示す。
T651 7049UH71507075溶体化処理 475 ’C475°C 475°C伸び 2.5% 2.5% 2.5% 最終時効 6時間−120″C6時間−1206C12時間−135°C4時間 −150°C4−6時間−160’CC1 0の例は、通常の丸い押し出しビレットから形成された押出品に熱処理を施した 効果を示す。
長手方向の引張り試験用の試験片を、押出品から機械加工で形成し、予備的な時 効処理/温間引張り、並びに最終的な時効処理を含む加工熱処理を施した。
予備的な時効処理を90°C及び105’Cで1乃至5時間行い、同一の温度で 1乃至8%の音間引張りを行った。
最終的な時効処理は、120°Cで2乃至24時間にわたって行った。
上記3つの金属に関して得られた引張り特性の幾つかの代表的な例を図1に示す 。
男−l 上述の如く押出品を形成し、次に押出品全体Iこ表2に示す熱及び引張り施した 。
表2も得られた機械的性質を示している。
珂−1 加工熱処理を行うことによって長手方向の引張り強度が増大させることができる が、横方向の性質が低下する結果を生ずる。
この問題を解消するために、方向性をもったすえ込み加工のブ0セスを採用し、 長手方向の性質を維持しながら、L、 T、及びS、 T、の両方向における機 械的な性質を向上させた。これは、図1に示すように、ビレットに平行平坦面( パラレルフラット)を機械加工により形成し、必要とされる性質の向上が得られ るようにダイスに関するビレットの向きを整えた。表3は、通常の及び方向性の すえ込み加工されたビレットを用いて加工熱処理を行った結果を示している。最 終的な加工熱処理は、90’Cで4時間の予備的な時効処理と、90°Cで2% までの熱間引張りと、120’Cで16時間の最終的な時効処理を含む。使用し た材料は7150である。図3を参照すると、(a) 「通常jとは、通常の丸 いビレットを意味しており、(b) 「垂直な平行平坦面」とは、平坦面が、短 い延性が向上される必要のある方向に対して平行であることを意味しており、( C) 「平行な平坦面」とは、上記(b)の方向に対して直角であることを意味 している。
表1 表 2 機械的性質 7049DH2,5X 4 LX 16 726 749 7.27G49UH −41蔦 L6 725 748 7.07i5Q 2.5$ 4 21 i5  574 59i 7.5上表に記す引張り強度及び延性は、従来文献に報告さ れている通常のり、C。
鋳造方法及び加工熱処理によって得られたものよりも大きい値を示している。
(1973年4月のMet、Trans、Vol、4.1132頁にディールッ ソ(D 1−Ru s s o)が報告しているものでは、最大引張り強度が7 30MPaであり、押し出しされた7075の長手方向の伸びは3.4%である が、押し出し比は60.1であって、通常のT6は696MPaの値を示す。) 。また、上記現在の値は、富化された(Zn14%、Mg3.5%、Cu2.0 %まで富化された合金)実験室規模の材料に関して文献に報告されている値に近 づいている。
表3の「ダイスに対して平行な平行平坦面」を有する試験片を用いて破壊靭性の データを取った。その結果は、下の表4に示されている。押出品の前方端及び後 方端において延性の試験を行った。通常のビレットの押出品のテストピースのS L方向における破壊靭性を比較のために示しである。破壊靭性は、ASTM39 9/83の試験手順を用いて判定した。
押し出し位flif 試験片の向き 破壊靭性(MNm−”り雑種方向/長手方 向 23.97/22.00短横方向/長手方向 19.07/19.66通常 のビレット後方 雑種方向/長手方向 16− 85/17.10例4 この実験においては、7150合金の60mmの直径を有するビレットを押し出 して9.6mm!径のロッドを形成し、その後設ロッドに475°C立2°Cの 温度で1時間の固溶化熱処理を施し、冷水の中で急冷した。次に、上記ロッドを 3mmの部分に切断し、90°Cで4時間の予備的な時効処理を施した。次に1 組のロッドに、120’Cで0乃至24時間の最終的な時効処理を施した。
別の組みのロッドに振動変形操作を与え、その試験片に対して、3つの共鳴周波 数において各々3分間、合計9分間にわたって振動を与えた。次にこれらの試験 片に同一の最終的な時効処理を施した。この試験の結果が下の表5に示されてお り、その結果は、本技術が、加工熱処理的な時効処理操作によって、強度を向上 させる可能性があることを示している。
表5 従って、本発明は、改善された延性を有する高強度/超高強度のアルミニウム合 金の製造を可能とし、また、機械的性質に方向性がある超高強度アルミニウム合 金を押し出し成形するために必要とされるミクロ組織的な制御を可能とする。
国際調査報告 0rTIQQ。+ln+;pgフロントページの続き (81)指定国 EP(AT、BE、CH,DE。
DK、 ES、 FR,GB、 GR,IT、、LU、 NL、 SE)、0A (BF、BJ、CF、CG、CI、CM、GA、GN、ML、hiR,SN、T D、TG)、AT、AU、 BB、 BG、 BR,CA、 CH,DE、 D K、 ES。
FI、GB、HU、JP、KP、KR,LK、LU、MC,MG、 MW、 N L、 NO,PL、 RO,SD、 SE、 su、 us (72)発明者 ディクソン、ウィリアムイギリス国カムブリア シーエイ22 ・2アールニー、エグレモント、ソーンヒル、プント・ロード、エヘンデイル  (番地ない

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.特定の横方向において改善された性質を有するアルミニウム合金の部材を製 造する方法において、アルミニウム合金の押し出しビレットを準備する段階と、 前記ビレットを圧縮し、前記特定の横方向を基準として選択された少なくとも1 つの方向においてすえ込み加工を行う段階と、前記すえ込み加工したビレットを 押し出して押出品を形成する段階とを備える方法。
  2. 2.請求項1の方法において、前記すえ込み加工が、前記特定の横方向に対して 概ね平行な少なくとも1つの方向において行われることを特徴とする方法。
  3. 3.請求項1又は2の方法において、前記押し出しビレットは、少なくとも円弧 の一部が欠けている概ね円形の断面を有することを特徴とする方法。
  4. 4.請求項3の方法において、前記押し出しビレットは、対向する2つの平行な 円弧が欠けている概ね円形の断面を有することを特徴とする方法。
  5. 5.請求項1乃至4のいずれかの方法において、前記押し出しビレットは、前記 特定の横方向に概ね直角な少なくとも1つの側部を有し、該側部は、前記ビレッ トの全長にわたって伸びていることを特徴とする方法。
  6. 6.請求項3又は4の方法において、1又は2以上の側部が、前記ビレットの1 又は2以上の平坦な面の形態をなしていることを特徴とする方法。
  7. 7.請求項1乃至6のいずれかの方法において、前記押出品の2以上の任意の方 向において前記性質が改善されていることを特徴とする方法。
  8. 8.請求項1乃至7のいずれかの方法において、前記ビレットは追加のテーパ形 状を有することを特徴とする方法。
  9. 9.請求項1乃至8のいずれかの方法において、前記押出品は、溶体化処理と、 選択的に行われる予備的な引張り及び予備的な時効と、最終的な引張りと、最終 的な時効とを含む加工熱処理を受けることを特徴とする方法。
  10. 10.請求項9の方法において、前記加工熱処理は、溶体化処理の段階と、0− 10%の予備的な引張り段階と、室温乃至115℃の温度における予備的な時効 段階と、1−10%の最終的な引張り段階と、105℃乃至160℃の温度にお ける2−24時間の最終的な時効の段階とを備えることを特徴とする方法。
  11. 11.アルミニウム合金の部材を加工熱処理する方法において、溶体化処理の段 階と、選択的に行う予備的な引張り、予備的な時効及び振動処理の段階と、最終 的な時効の段階とを備える方法。
  12. 12.請求項11の方法において、前記振動処理は、前記部材の共嗚周波数にお いて又は該共嗚周波数付近において行われることを特徴とする方法。
  13. 13.請求項11又は12の方法において、前記振動処理は、前記部材の2以上 の共鳴周波数において行われることを特徴とする方法。
  14. 14.請求項11乃至13のいずれかの方法において、前記振動処理は、少なく とも0.5分間にわたって行われることを特徴とする方法。
  15. 15.請求項11乃至14のいずれかの方法において、前記選択的に行われる予 備的な引張りは、0−10%で行われ、予備的な時効は、室温から115℃の温 度で行われ、前記最終的な時効は、105℃乃至160℃で24時間にわたって 行われることを特徴とする方法。
  16. 16.請求項11乃至15のいずれかの方法において、前記成分は、請求項1乃 至8の方法に従って製造された押出品であることを特徴とする方法。
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