JPH09137244A - アルミニウム合金の押出加工法及びそれにより得られる高強度、高靭性のアルミニウム合金材料 - Google Patents
アルミニウム合金の押出加工法及びそれにより得られる高強度、高靭性のアルミニウム合金材料Info
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Abstract
織を持ち、強度、靭性ともに非常に高いレベルでバラン
スの取れたアルミニウム合金材料及び該材料を低コスト
で製造できる押出加工法を提供する。 【解決手段】 内面で同一断面積を持つ2つの押出しコ
ンテナー、又はコンテナー1とダイ2を180°未満の
適当な角度で接合し、一方のコンテナー1にアルミニウ
ム合金Sを挿入し、ラム3によって次のコンテナー又は
ダイ2に向けて押出しすることによって、材料に側方方
向の剪断変形を加える方法であり、好ましくはこの工程
を複数回行う。この押出過程で220%以上、好ましく
は10000%以上の相当伸びに相当する歪量の大きな
剪断変形を加え、ミクロ組織の平均結晶粒径を1ミクロ
ン以下に微細化することによって高強度、高靭性材料を
製造する。押出工程は使用合金の再結晶温度以下、好ま
しくは回復温度以下の温度で行う。
Description
の押出加工法及びそれにより得られる高強度、高靭性の
アルミニウム合金材料に関する。
を加えることによって、即ち加工硬化によって材料の強
度が上昇することが知られており、この技術は所謂鍛錬
効果として強度改善の目的で多くの金属材料に広く実用
に供されている。これは、加工(変形)によって、材料
中に種々の欠陥(点欠陥、転位、積層欠陥等)が蓄積
し、転位その他の欠陥の間の相互作用の結果、新しい欠
陥の導入又は欠陥の移動が困難となるため、外部の力に
対して抵抗を持ち、その結果、材料が強化されると説明
される。しかし、鍛錬は、一般に圧延、鍛造など素材断
面積を減少させる加工方法で行われるため、実用化に対
して材料の大きさに制限を受けるという欠点がある。
ム.シーガル(V.M.Segal)らは、材料の断面
減少を伴わない側方押出し(ECAP法)によって剪断
変形を与えることにより、断面積を減少させずに大きな
歪(欠陥)を材料中に蓄積する方法を提案した。しかし
ながら、金属材料は、加工硬化を受けると強化はされる
が、それに伴い延性(靭性)が失われるのが普通であ
る。延性(靭性)の欠如は、材料の2次加工及び構造材
料への適用に大きな障害となる。
れているのが、加工熱処理(TMT:Thermo−M
echanical Treatment)である。こ
の方法は、熱間加工と同時に進行する加工組織の回復又
は再結晶現象を制御して、あるいは冷間加工後の熱処理
で回復又は再結晶現象を制御して、結晶粒の微細化及び
組織調整をして延性(靭性)を確保する方法として、鉄
・非鉄など多くの合金に応用されている。特にAl−Z
n−Mg−Cu合金に用いられる中間加工熱処理(IT
MT)、最終加工熱処理(FTMT)は、強度と靭性の
バランスを取れる優れた方法であるが、何れも厳密な制
御と多数の複雑な工程が必要であり、強度及び延性(靭
性)の改善においても不十分である。
及び加工硬化で適度の強度を持つようになり、かつ延性
(成形加工性)にも優れているため、展伸用アルミニウ
ムの中では最も広い用途を持っている。しかし、溶質原
子であるMgの濃度が高くなると、室温で降伏点以上に
変形した場合、ストレッチャー・ストレインマークと呼
ばれる縞模様が形成される。一方、応力−歪曲線上では
不連続な降伏が繰返し生じ、これは鋸歯状となるセレー
ションとして現れ、Portevin−LeChate
lier効果(PL効果)とも呼ばれている。これは、
転位の溶質雰囲気による固着と、負荷応力による固着か
らの解放によって生じていると考えられている。このよ
うなセレーションが発生する場合には、負の歪速度感受
性、即ち歪速度が増加すると強度が低下する性質、を示
しやすいために、変形の局在化が生じて板の成形性を劣
化させる原因となる。また、衝撃強度や動的破壊靭性で
合金自体の信頼性が低下し、軽量化の障害になる。
材料は強い加工を受けると硬化し、高強度化することが
できるが、反面、著しく延性(靭性)が減少する。この
延性の低下はさらなる加工の障害となる。アルミニウム
合金材料においては、この延性(靭性)を与えるために
加工熱処理(TMT)を行い、若干の軟化を許容し靭性
を確保するのが普通である(あるいは、強度を確保する
必要がある場合には、靭性の低下を許容するのが通常で
ある)。この処理は、適当な強度と靭性を得るためには
有用な方法であるが、そのための工程が複雑になる。し
かも多くの場合、加工によって材料の断面積が減少する
ことは避けられない。
は室温変形においてセレーションが発生し、強度の負の
歪速度感受性を示す。従来は、加工温度を150℃以上
にすることによりMgの拡散を容易にし、全ての転位が
溶質雰囲気の拘束を安定的に受けるようにしたり、結晶
粒径を大きくすることによりセレーションの振幅を小さ
くし、変形がより均一に進行するようにしたり、高Mg
濃度にして転位が溶質雰囲気の拘束を安定的に受けるよ
うにしたりして、負の歪速度感受性の発生を防いだり、
抑制したりしていた。しかし、上記のような方法の場
合、最終的な成形品の強度が低くなる、または応力腐蝕
割れが生じるなどというように、材料としての優位性が
低下するという問題が生じる。
以下の結晶粒径に微細化された組織を持ち、強度、靭性
ともに従来のアルミニウム合金の値を大幅に改善し、非
常に高いレベルでバランスの取れたアルミニウム合金材
料を提供することにある。さらに本発明の目的は、セレ
ーションの発生が殆どなく、伸びや絞りが大きく、加工
性に優れ、衝撃吸収性や動的破壊靭性が大きい高強度の
アルミニウム合金材料を提供することにある。本発明の
他の目的は、このような優れた機械的性質を有するアル
ミニウム合金材料を低コストで製造できる押出加工法を
提供することにある。本発明の別の目的は、押出し後に
さらに冷間加工を加えて材料をさらに高強度化できるア
ルミニウム合金の押出加工法を提供することにある。本
発明のさらに他の目的は、従来のほとんどのアルミニウ
ム合金で一般に行われている高温・長時間の均質化熱処
理又は焼鈍処理を行わずに、鋳造組織を破壊すると共に
合金元素を均一に分布させることができるアルミニウム
合金の加工方法を提供することにある。
に、本発明によれば、アルミニウム合金に、その押出過
程で220%以上、好ましくは10000%以上の相当
伸びに相当する歪量の大きな剪断変形を加え、ミクロ組
織の平均結晶粒径を1ミクロン以下に微細化することに
よって高強度、高靭性材料を製造することを特徴とする
アルミニウム合金の押出加工法が提供される。より具体
的な態様においては、アルミニウム合金に、その素材の
持つ断面積を変化させずに、その押出方向を途中で内角
180°未満の側方に変化させて剪断変形を与えること
によって、220%以上、好ましくは10000%以上
の相当伸びに相当する大きな歪を加え、ミクロ組織の平
均結晶粒径を1ミクロン以下に微細化することによって
高強度、高靭性材料を製造する。好適な態様において
は、上記押出工程は300℃以下、好ましくは使用合金
の再結晶温度以下、さらに好ましくは回復温度以下の温
度で行う。
ば、素材合金がA6063系合金の場合、Mg:0.3
〜0.9重量%、Si:0.2〜0.8重量%、その他
不純物合計1重量%未満、及び残部Alからなる組成を
有し、結晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が0.1〜1.0
μmの範囲にあり、引張強度250MPa以上、伸び1
5%以上の機械的性質を有する強靭性アルミニウム合金
材料が得られる。得られたアルミニウム合金材料は、結
晶粒界が伸長された繊維状の組織を持ち、さらにその結
晶粒の内部が0.1〜1.0μmの亜結晶で構成されて
いる。
ウム合金であって、結晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が
0.05〜1.0μmの範囲にあり、1×10-4〜2×
103s-1の歪速度領域において強度の歪速度依存性を
抑制した強靭性アルミニウム合金材料が提供される。例
えば、素材合金がA5056系合金の場合、Mg:4.
5〜5.6重量%、Mn:0.05〜0.20重量%、
Cr:0.05〜0.20重量%、その他不純物合計1
重量%未満、及び残部Alからなる組成を有し、結晶粒
又は亜結晶粒の平均粒径が0.05〜1.0μmの範囲
にあり、引張強度350MPa以上、伸び15%以上の
機械的性質を有する強靭性アルミニウム合金材料が得ら
れる。得られたアルミニウム合金材料は、同様に結晶粒
界が伸長された繊維状の組織を持ち、さらにその結晶粒
の内部が0.05〜1.0μmの亜結晶で構成されてい
る。
ミニウム合金の押出加工法において、押出工程の後にさ
らに冷間加工を行い、さらに材料を高強度化する押出加
工法が提供される。この方法によれば、例えば素材がA
6063系合金の場合、前記組成を有し、結晶粒又は亜
結晶粒の平均粒径が0.1〜1.0μmの範囲の合金に
圧下率75%以上の冷間加工を加えることにより、引張
強度350MPa以上、伸び5%以上の機械的性質を有
する強靭性アルミニウム合金材料が得られる。一方、素
材合金がA5056系合金の場合、前記組成を有し、結
晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が0.05〜1.0μmの
範囲の合金に圧下率75%以上の冷間加工を加えること
により、引張強度450MPa以上、伸び4%以上の機
械的性質を有する強靭性アルミニウム合金材料が得られ
る。
に示すように、内面で同一断面積を持つ2つの押出しコ
ンテナー、又はコンテナー1とダイ2を180°未満の
適当な角度(2ψ)で接合し、一方のコンテナー1にア
ルミニウム合金Sを挿入し、ラム3によって次のコンテ
ナー又はダイ2に向けて押出しすることによって、材料
に側方方向の剪断変形を加える方法であり、好ましくは
この工程を複数回行う。本発明者らは、この方法をアル
ミニウム合金に適用することにより、非常に単純な工程
で、しかも断面積を減少させずに、従来の加工硬化によ
る強度を上回る強化が出来ると同時に、靭性を大きく改
善出来ることを見い出し、本発明を完成するに至った。
しかも、そのプロセスは、鋳造材のマクロ、ミクロ的な
偏析の均質化にも効果を持っており、一般に行われてい
る高温・長時間の均質化熱処理が省けることも見い出し
た。また、たとえダイ2において断面減少をともなって
も、その効果は変わらなかった。
加えられる剪断変形量は、2つのコンテナー又はコンテ
ナーとダイの接合角度によって異なる。一般に、この様
な剪断変形による押出し1回当たりの歪量Δεi は、下
記式(1)で与えられる。
角が直角(90°)の場合、歪量は1.15(相当伸
び:220%)、120°の場合、歪量は0.67(相
当伸び:95%)で与えられる。断面積を同一のまま直
角に側方押出しすることによって、圧延による圧下率
(断面減少率)69%に相当する加工を加えることが出
来る。
料の断面積を変えずに材料中に無限に歪を蓄積すること
が出来る。その繰り返しによって材料に与える積算歪量
εtは、下記式(5)で与えられる。
が、実際には合金によってある回数でその効果に飽和状
態が見られる。一般の展伸用アルミニウム合金では、繰
り返し数4回(接合内角が直角の場合、積算歪量:4.
6、相当伸び:10000%)で十分な効果を得ること
が出来る。圧延によっても無限に歪を蓄積することが出
来るが、その場合、断面積は無限に小さくなり、この点
において本発明の方法とは対照的である。
の側方押出法による強歪み加工を加えることにより、非
常に単純な工程で、結晶粒径と結晶粒内のMgの固溶状
態を制御することによってセレーションの抑制が出来る
ことを見い出した。しかも、その加工後の材料の伸びや
絞りが大きく、加工性に優れ、かつ強度が高く、衝撃吸
収性や動的破壊靭性も大きいことから、材料としての信
頼性が高いことがわかった。
気による固着と、負荷応力による固着からの解放によっ
て生じていると考えられているので、この抑制には、粒
内のMgの濃度を減少させる方法、あるいは転位が固着
から解放された後すぐに障壁となる粒界などを高密度に
分布させる方法が有効と考えられる。前者の方法は、転
位を導入し、セル壁や回復でのポリゴン化によって形成
された亜結晶粒界の近傍にMg溶質原子を集積して、結
晶粒内の見かけ上のMg濃度を減少させればよい。後者
の方法は結晶粒を微細にすれば達成される。前者の方法
として圧延による冷間あるいは温間加工が考えられる
が、加工率の増加と共に延性の低下、異方性、応力腐蝕
割れという問題が生じてくる場合がある。そこで本発明
は、側方押出しプロセスによる強加工によって結晶粒の
微細化と結晶粒内のMg濃度の制御を行い、セレーショ
ンを抑制し、アルミニウム合金の強靭化を図ったもので
ある。
温で行うことが好ましい。しかしながら、合金の変形抵
抗は低温になるほど高く、変形能は低温ほど小さくなる
傾向がある。押出し用工具の強度の関係及び健全な押出
材を得るために、通常は合金によって異なる適切な温度
で行われる。一般的には、300℃以下、好ましくは合
金の再結晶温度以下、さらに好ましくは回復温度以下で
行われる。しかし、この再結晶温度、回復温度は、材料
に加えられる加工度によって変化する。押出温度は、ψ
=45°(90°側方押出し)の時、展伸用アルミ合金
の代表であるAl−Mg−Si系のA6063合金では
室温〜150℃、Al−Mg系のA5056合金では室
温〜200℃、Al−Zn−Mg−Cu系のA7075
合金では50〜200℃等が代表的な温度である。この
押出温度は、押出角度によっても異なり、角度が大きく
なるほど低温で可能となる。これは、押出力(剪断変形
に要するエネルギー)が小さくなることと、材料の変形
能による制約が緩くなるからである。
及び透過型電子顕微鏡で観察すると、加工前は200〜
500ミクロン以上の結晶粒が、3〜4回の押出しで
0.1ミクロン程度まで著しく微細化(転位セル構造、
亜結晶、再結晶組織を含む)されているのが分かる。金
属材料を加工すると、その塑性変形のエネルギーは、大
部分は熱に変化するが、その一部は点欠陥、転位、積層
欠陥あるいは内部応力として材料中に蓄積される。これ
らの格子欠陥の蓄積が硬化(強化)の原因となる。さら
に強加工を受けると、結晶粒は引き伸ばされるとともに
転位密度は増大し、引き伸ばされた結晶粒の中に下部構
造として3次元的な転位の網目構造(セル構造)を取る
ようになる。このセルは加工の増大とともに微細化す
る。転位密度の高いセル壁は本来厚みを持っており、微
視的にはさらに小さなセル構造を持っていると解されて
いるが、本発明の方法で処理した材料には厚みを持った
セル壁は観察され難く、本発明の方法で得られる特徴的
な組織ではない。
回復(蓄積エネルギー解放の初期段階;組織変化は伴わ
ない)によって亜結晶に変るとされ、これら欠陥の再配
列は融点(絶対温度)の1/3〜1/2の温度に加熱す
ると生じるとされている。側方押出しは、それよりさら
に低い温度で行われているが、相当伸びで1000%を
超える著しい強加工で転位密度の増加を許容できなくて
亜結晶への遷移温度が低下して亜結晶へ遷移したか、強
加工による変形熱で見かけ温度以上に材料温度が上昇し
て亜結晶が主体となったものと考えられる。従来、アル
ミニウム合金の結晶を微細化する方法として加工熱処理
法が知られているが、工業的な1ミクロン以下の結晶微
細化には適さない。低温で強制的に強加工を与える本発
明の方法により、初めて1ミクロン以下の結晶からなる
材料を工業的に得ることが出来る。しかも、各々の結晶
は加工組織に特徴的な高転位密度を有さないことから、
工業的な応用の温度範囲ではこれらの組織は安定であ
る。
0.5ミクロン以下)の微細な結晶粒(又は亜結晶粒)
からなる組織が本発明の方法で得られるアルミニウム合
金材料の特徴であるが、この組織が材料の機械的性質に
特徴を与える。一般に材料の強化法には、加工強化、固
溶強化、析出強化、分散強化などがあるが、何れの場合
も材料の強度化とともに伸び、絞り、シャルピー衝撃値
などの材料のしなやかさの指標は低下し、当然、破壊靭
性値も低下する。しなやかさを失わずに材料を強化する
方法として、結晶の微細化がある。材料は結晶の微細化
とともに強度が増し、これはホール・ペッチの法則とし
て知られている。このように、本発明の方法で得られる
材料組織は非常に微細な結晶粒であり、しかも転位密度
が高くないことから、高い強度を有するとともに、伸
び、絞り、シャルピー衝撃値も高く、2次加工性にも優
れている。従って、本発明の方法により、強度と靭性が
高いレベルでバランスの取れたアルミニウム合金材料を
提供出来る。
分の偏析の破壊、均一化にも有効である。したがって、
従来、アルミニウム合金ではほとんどの合金で実施され
ている均質化熱処理工程を省略することが出来る。以上
詳述したように、本発明の方法は、材料の断面積を減少
させずに結晶を微細化することによって、機械的性質を
大幅に改善出来るとともに、強度に限らず、材料のしな
やかさ、靭性、2次加工性に優れたアルミニウム合金材
料を提供することが出来る。
ウム合金に適用出来るが、特に熱処理型の合金に有利に
適用することができ、その代表的なものとしては、例え
ば下記表1に示すようなJIS A6063合金やA5
056合金が挙げられる。また、本発明の押出加工法
は、室温又は加熱領域で均質化熱処理、熱間押出し等の
中間加工又はその他の方法で製造されたアルミニウム合
金だけでなく、鋳造後のアルミニウム合金にも適用でき
る。
に説明するが、本発明が下記実施例に限定されるもので
ないことはもとよりである。
を選び、直径155mmのビレットを熱間押出しによっ
て直径25mmの丸棒とし、得られた丸棒を580℃で
4時間熱処理後、水中で急冷し供試材とした。一方、熱
間押出しによって得られた丸棒をそのまま、190℃で
3時間人工時効(T5)処理して比較材とした。供試材
は直角(ψ=45°)に連結した2つのコンテナー(何
れも直径25mm)の一方に挿入し、100℃で4回の
側方押出しを行い、直径25mmの処理材を得た。これ
によって、前述の式によれば積算歪量(εt )4.6
(相当伸び10000%)の加工を受けたアルミニウム
合金材料が得られたことになる。
光学顕微鏡写真(倍率:50倍)をそれぞれ図2及び図
3に示す。図2及び図3に示されるように、側方押出し
前は100〜200ミクロン程度の結晶粒径であるが、
押出し後はファイバー組織となって粒径測定は困難であ
る。この側方押出し後の材料の透過電子顕微鏡(TE
M)像(倍率:2万倍)を図4(2カ所撮影した像を示
している)に示す。図4に示されるように、側方押出し
後には結晶粒は0.1〜0.5ミクロン程度に微細化し
ていることが分かる。この微細結晶の配向を電子線回折
によって見ると、図6乃至図11に示されるように、ほ
とんどが数°以内の角度で並んでおり、亜結晶又は強い
配向を持った再結晶組織であることが分かる。なお、図
5及び図6乃至図11は、それぞれ電子線を入射した組
織のTEM像(倍率:4万倍)及び電子線回折パターン
を示しており、図6乃至図11はそれぞれ図5に示すa
〜fの位置に電子線を入射したときの電子線回折像であ
る。
機械的性質の測定結果を表2に示す。
×10-3/sの時、T5処理材で250MPaであるの
に対して側方押出材は310MPa以上であり、試験歪
速度103 /sの時、T5処理材で275MPa、側方
押出材は350MPaであり、何れも比較材のT5処理
材の20%以上の改善が見られる。伸びは、強化された
にも拘らず、何れの試験歪速度でも側方押出材がT5処
理材を上回っている。
温、歪速度1.7×10-3/s)後の試験片の光学顕微
鏡写真(倍率:35倍)をそれぞれ図12及び図13に
示す。図12及び図13から、T5処理材の絞り(断面
減少率約40%)に対して側方押出材は大きく(同約7
0%)、加工性に富んでいることが分かる。また、それ
らの破断面の光学顕微鏡写真(倍率:500倍)をそれ
ぞれ図14及び図15に示す。図14及び図15から、
T5処理材は100ミクロン程度の粒界破壊を示してい
るのに対して、側方押出材はサブミクロン程度の粒形に
対応したディンプル模様を呈し、延性に富んでいること
が分かる。
いてのシャルピー衝撃試験の結果を表3に示す。試験片
はUノッチJIS3号試験片である。
ネルギー(JISエネルギー)は、T5処理材で2.1
5kgf・m(最大応力61kgf/mm2 )であるの
に対し、側方押出材は5.1kgf・m以上(同71k
gf/mm2 )であった。なお、5.1kgf・m以上
としたのは、側方押出材は一部亀裂が入って折れ曲がっ
ただけで完全に破壊しなかったからである。シャルピー
衝撃試験において試験片が折れない場合のJISエネル
ギーは、全て5.1kgf・mと表記される。また、シ
ャルピー衝撃値は、T5処理材で2.8kgf・m/c
m2 (最大応力61kgf/mm2 )であるのに対し、
側方押出材は6.4kgf・m/cm2 (同71kgf
/mm2 )であった。
間圧延で断面減少率80%まで容易に圧延できた。ここ
まで強化された材料がさらに強い加工を受けて成形でき
ることは、微細でしかも転位の少ない組織に負うところ
が大きい。しかも、この圧延材は引張強度410MPa
を示し、さらに強化されたことが分かる。以上のよう
に、本発明に従って側方押出しで製造されたA6063
合金材料は、主として0.2〜0.3ミクロンの結晶粒
(転位セル構造、亜結晶を含む)を含み、引張強度30
0MPa以上、伸び25%以上、絞り70%以上、シャ
ルピー衝撃値がT5処理材の3倍以上と、従来の加工熱
処理では得られない非常に高いレベルで強度と靭性のバ
ランスが取れ、しかも2次加工性に優れた材料である。
を用い、実施例1と同様にして試料を作製した。但し、
比較材としては、上記合金の完全焼なまし材であるO材
と、全硬質(H8)材を焼き戻して(安定化させて)延
性を付与したH38材を用いた。
光学顕微鏡写真(倍率:100倍)をそれぞれ図16及
び図17に示す。この側方押出し後の材料のTEM像
(倍率:2万倍)を図18(2カ所撮影した像を示して
いる)に示す。図16及び図18に示されるように、側
方押出し前の結晶粒径は約50ミクロンであるが、押出
し後の結晶粒は0.05〜0.6ミクロン程度に微細化
していることが分かる。
機械的性質の測定結果を表4に示す。
×10-3/sの時に390MPa、歪速度103 /sの
時に430MPaであり、何れも比較材のO材を大きく
上回り、またH38材と比較しても10%以上の改善が
見られる。伸びはO材に比べて低いものの、強化された
にも拘らず側方押出材がH38材を上回っている。
速度1.7×10-3/s)後の試験片の光学顕微鏡写真
(倍率:35倍)をそれぞれ図19及び図20に示す。
図19及び図20から、側方押出材は絞り(断面減少
率)が約50%であり、O材と同程度の加工性を有する
ことが分かる。また、それらの破断面の光学顕微鏡写真
(倍率:500倍)をそれぞれ図21及び図22に示
す。側方押出材は微細な粒形に対応したディンプル模様
を呈し、延性に富んでいることが分かる。
シャルピー衝撃試験の結果を表5に示す。試験片はUノ
ッチJIS3号試験片である。
ネルギー(JISエネルギー)は、側方押出材は5.1
kgf・m以上(最大応力90kgf/mm2)であっ
た。また、シャルピー衝撃値は、6.4kgf・m/c
m2 (最大応力90kgf/mm2 )であった。
り、1ミクロン未満の結晶粒を含み、引張強度は390
MPa(試験歪速度1.7×10-3/s)及び430M
Pa(同103 /s)、伸び25%及び30%、シャル
ピー衝撃値6.4kgf・m/cm2 以上(何れも完全
に破壊しなかった)、絞り50%のA5056合金材料
が得られた。引張強度はH38材の1.1倍程度であっ
たが、H38材は伸びが19%程度と非常に低いことか
ら、本発明によって得られたアルミニウム合金材料は、
高いレベルで強度と靭性のバランスが取れた材料である
ことが分かる。
を選び、鋳造によって直径25mmの丸棒を作成し、得
られた丸棒を425℃で4時間熱処理後、水中で急冷
し、供試材とした。一方、得られた丸棒を熱間圧延によ
って直径8mmまで細くし、345℃で炉冷して焼純
し、比較材とした。供試材は直角(ψ=45°)に連結
した2つのコンテナー(何れも直径25mm)の一方に
挿入し、100℃で4回の側方押出しを行い、直径25
mmの処理材を得た。これによって、積算歪量4.6
(相当伸び10000%)の加工を受けたアルミニウム
合金材料が得られたことになる。
光学顕微鏡写真は、それぞれ前記図16及び図17に示
すものと同様であった。側方押出し前は50ミクロン程
度の結晶粒径であったが、押出し後はファイバー組織と
なって粒径測定は困難であった。この側方押出し後の材
料のTEM像は、前記図18に示すものと同様であっ
た。側方押出し後の結晶粒は0.05〜0.6ミクロン
に微細化していた。結晶粒内には残留した転位が見ら
れ、かつ粒界はセル壁のように厚いものではないので、
多少回復した組織であるといえる。
を3種類の試験機を用いて調べた。1×10-3〜1×1
0-1s-1 の低歪速度域ではインストロンタイプの試験
機、1×100 〜1×101s-1の中間歪速度域では油圧
式高速試験機、1×102 〜2×103 s -1の高歪速度
域ではスプリット・ホプキンソン棒法を応用した試験機
により行った。伸びと歪速度の関係を図23に示す。図
23中には、比較のためにMg量が5wt%程度の実用
Al合金の焼純材(A5056−O材)のデータも併せ
て示してある。側方押出し後の材料(A5056−側方
押出材)の伸びは、焼純材と同様、歪速度の増加と共に
大きくなっていた。数値的には側方押出し後の材料の方
が焼純材の伸び(40〜50%)より小さいが、他の焼
純材(例えばA5083−O材)と同等の20〜30%
であった。
4に示す。ここでも、比較のためにMg量が5wt%程
度の実用Al合金の焼純材(A5056−O材)のデー
タを併せて示してある。側方押出し後の材料(A505
6−側方押出材)の強度は焼純材(A5056−O材)
より高く、350MPa以上であった。焼純材(A50
56−O材)の強度は6.5×102 s -1の歪速度以下
では歪速度の増加と共に低下した。この負の歪速度依存
性は他の焼純材でも見られた。一方、側方押出し後の材
料(A5056−側方押出材)の強度は、6.5×10
2 s -1の歪速度以下では殆ど低下しなかった。以上のよ
うに、側方押出しで製造されたA5056材料は、0.
1〜0.5ミクロンの結晶粒(転位セル構造、亜結晶を
含む)を持ち、強度350MPa、伸び15%以上、1
×10-3〜2×103s -1 の歪速度領域において強度と
伸びの低下のない強靭な材料であった。
れば、アルミニウム合金を比較的低温で側方押出しする
ことによって、1ミクロン以下の結晶粒径を持つ組織と
し、強度、靭性ともに従来のアルミニウム合金材料の値
を大幅に改善し、非常に高いレベルでバランスの取れた
アルミニウム合金材料を提供することが出来る。また、
本発明により得られるアルミニウム合金材料は、強度、
靭性、加工性等に優れていると共に、高歪速度領域で強
度低下が殆どない。しかも、従来の加工熱処理法のよう
に厳密な制御と多数の複雑な工程が不要となるため、前
記のような優れた機械的性質を有するアルミニウム合金
材料を低コストで製造できる。さらに本発明のプロセス
は、鋳造材のマクロ、ミクロ的な偏析の均質化にも効果
を持っており、アルミニウム合金に一般に行われている
高温・長時間の均質化熱処理を省くことができ、この点
においてコスト的にも極めて有利である。また、本発明
の方法によれば、側方押出し後に冷間加工を加えてアル
ミニウム合金材料をさらに高強度化することもできる。
本発明の方法は種々のアルミニウム合金に適用出来、あ
らゆる部材の軽量高強度化に貢献するものである。
法の概念を説明するための概略部分断面図である。
ウム合金A6063の組織の光学顕微鏡写真(倍率:5
0倍)である。
ム合金A6063の組織の光学顕微鏡写真(倍率:50
倍)である。
ム合金A6063の組織の透過電子顕微鏡写真(倍率:
2万倍)である。
ム合金A6063の電子線を入射した組織の透過電子顕
微鏡写真(倍率:4万倍)である。
電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子顕
微鏡写真である。
電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子顕
微鏡写真である。
電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子顕
微鏡写真である。
電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子顕
微鏡写真である。
に電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子
顕微鏡写真である。
に電子線を入射したときの電子線回折像を示す透過電子
顕微鏡写真である。
63側方押出材の引張試験(室温、歪速度1.7×10
-3/s)後の試験片の光学顕微鏡写真(倍率:35倍)
である。
温、歪速度1.7×10-3/s)後の試験片の光学顕微
鏡写真(倍率:35倍)である。
63側方押出材の破断面の光学顕微鏡写真(倍率:50
0倍)である。
顕微鏡写真(倍率:500倍)である。
ニウム合金A5056の組織の光学顕微鏡写真(倍率:
100倍)である。
ウム合金A5056の組織の光学顕微鏡写真(倍率:1
00倍)である。
ウム合金A5056の組織の透過電子顕微鏡写真(倍
率:2万倍)である。
56側方押出材の引張試験(室温、歪速度1.7×10
-3/s)後の試験片の光学顕微鏡写真(倍率:35倍)
である。
速度1.7×10-3/s)後の試験片の光学顕微鏡写真
(倍率:35倍)である。
56側方押出材の破断面の光学顕微鏡写真(倍率:50
0倍)である。
写真(倍率:500倍)である。
56側方押出材と焼鈍材の伸びと歪速度の関係をそれぞ
れ示すグラフである。
56側方押出材と焼鈍材の引張強度と歪速度の関係をそ
れぞれ示すグラフである。
Claims (16)
- 【請求項1】 アルミニウム合金に、その押出過程で2
20%以上の相当伸びに相当する歪量の大きな剪断変形
を加え、ミクロ組織の平均結晶粒径を1ミクロン以下に
微細化することによって高強度、高靭性材料を製造する
ことを特徴とするアルミニウム合金の押出加工法。 - 【請求項2】 アルミニウム合金に、その素材の持つ断
面積を変化させずに、その押出方向を途中で内角180
°未満の側方に変化させて剪断変形を与えることによっ
て、220%以上の相当伸びに相当する大きな歪を加
え、ミクロ組織の平均結晶粒径を1ミクロン以下に微細
化することによって高強度、高靭性材料を製造すること
を特徴とするアルミニウム合金の押出加工法。 - 【請求項3】 10000%以上の相当伸びに相当する
大きな歪を加える請求項1又は2に記載の押出加工法。 - 【請求項4】 押出工程を300℃以下の温度で行う請
求項1乃至3のいずれか一項に記載の押出加工法。 - 【請求項5】 押出工程を、使用合金の再結晶温度以下
の温度で行う請求項1乃至3のいずれか一項に記載の押
出加工法。 - 【請求項6】 押出工程を、使用合金の回復温度以下の
温度で行う請求項1乃至3のいずれか一項に記載の押出
加工法。 - 【請求項7】 押出工程の後にさらに冷間加工を行い、
さらに材料を高強度化する請求項1乃至6のいずれか一
項に記載の押出加工法。 - 【請求項8】 アルミニウム合金がAl−Mg−Si系
合金であり、押出工程を室温〜150℃の温度で行う請
求項1乃至7のいずれか一項に記載の押出加工法。 - 【請求項9】 アルミニウム合金がAl−Mg系合金で
あり、押出工程を室温〜200℃の温度で行う請求項1
乃至7のいずれか一項に記載の押出加工法。 - 【請求項10】 Mg:0.3〜0.9重量%、Si:
0.2〜0.8重量%、その他不純物合計1重量%未
満、及び残部Alからなる組成を有し、結晶粒又は亜結
晶粒の平均粒径が0.1〜1.0μmの範囲にあり、引
張強度250MPa以上、伸び15%以上の機械的性質
を有する強靭性アルミニウム合金材料。 - 【請求項11】 結晶粒界が伸長された繊維状の組織を
持ち、さらにその結晶粒の内部が0.1〜1.0μmの
亜結晶で構成されている請求項10に記載の強靭性アル
ミニウム合金材料。 - 【請求項12】 1〜9重量%のMgを含むアルミニウ
ム合金であって、結晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が0.
05〜1.0μmの範囲にあり、1×10-4〜2×10
3 s-1の歪速度領域において強度の歪速度依存性を抑制
した強靭性アルミニウム合金材料。 - 【請求項13】 Mg:4.5〜5.6重量%、Mn:
0.05〜0.20重量%、Cr:0.05〜0.20
重量%、その他不純物合計1重量%未満、及び残部Al
からなる組成を有し、結晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が
0.05〜1.0μmの範囲にあり、引張強度350M
Pa以上、伸び15%以上の機械的性質を有する強靭性
アルミニウム合金材料。 - 【請求項14】 結晶粒界が伸長された繊維状の組織を
持ち、さらにその結晶粒の内部が0.05〜1.0μm
の亜結晶で構成されている請求項12又は13に記載の
強靭性アルミニウム合金材料。 - 【請求項15】 Mg:0.3〜0.9重量%、Si:
0.2〜0.8重量%、その他不純物合計1重量%未
満、及び残部Alからなる組成を有し、結晶粒又は亜結
晶粒の平均粒径が0.1〜1.0μmの範囲の合金に圧
下率75%以上の冷間加工を加えてなる、引張強度35
0MPa以上、伸び5%以上の機械的性質を有する強靭
性アルミニウム合金材料。 - 【請求項16】 Mg:4.5〜5.6重量%、Mn:
0.05〜0.20重量%、Cr:0.05〜0.20
重量%、その他不純物合計1重量%未満、及び残部Al
からなる組成を有し、結晶粒又は亜結晶粒の平均粒径が
0.05〜1.0μmの範囲の合金に圧下率75%以上
の冷間加工を加えてなる、引張強度450MPa以上、
伸び4%以上の機械的性質を有する強靭性アルミニウム
合金材料。
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