JPS62502295A - アルミニウム合金及びその製造方法 - 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】 発明の名称 アルミニウム合金及びその製造方法 技術分野 本発明は、アルミニウムを主体とした高強度、高延性、低密度である合金、及び 特に複合析出物が、そのアルミニウムマトリックス中に均一分布していることを 特徴とする合金に関する。その微細構造は、初期の溶体化（ｓｏｌｕｔｉｏｎｉ ｚｉｎｇ）処理及びそれに続く多段時効処理から成る熱処理法によって発達させ られる。

背景技術 航空宇宙産業への応用においては、充分な重量軽減を達成するために、改良され た比強度を有する構造合金に対する需要が増加している。アルミニウムーリチウ ム合金は、アルミニウム合金の機械的及び物理的性質についてのリチウムの顕著 な効果のために１重量軽減を満たす可能性を与える。１重量％のリチウム（約３ ．５原子％）の付加は、密度を約３％減少させ９弾性率を約６％増加させる。し たがってこれは比弾性率（Ｅ／ρ）の充分な増加をもたらす。さらに合金の熱処 理は一様な準安定相、δ（Ａ　ｊ！　３Ｌ　ｔ　）の析出を引きおこし、かなり の強化をもたらす。しかしながら。

アルミニウムーリチウム合金の開発と広範な応用には、主としてその系固有の脆 性が障害となっていた。

Ａｊｊ−Ｌｉ系において９合金の低い靭性は粒界あるいは微粒界に沿う脆い割れ 目によるものであることが示されている。その脆さの原因となる微細構造上の２ つの主要な特徴は９粒界及び／又は微粒界に沿った金属間相の析出と９合金中の 顕著な平面状ずれのようである。後者は粒界に応力集中を生ずる。この粒間（ｉ ｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ）の析出物はその境界の脆化を引きおこし、同時にＬ ｉを境界領域から引きぬいて、応力の局在点として働く無析出領域を生成する傾 向がある。

平面状すべりは、大部分、δ′析出物のすべり変形性（剪断性）によるもので、 これはすべり変形したδ′析出物を含む平面上での転位すべりに対する抵抗の減 少をもたらす。

これらのような問題を取り除くために、いくつかの冶金学的方法がとられて来た 。ＰＦＺ　（無析出領域）や析出が誘起する粒間の割れ目は、安定な１ｅ−Ｌｉ 、Ａ、９−Ｃｕ−Ｌｉ、Ａｊｐ−Ｍｇ−Ｌｉ相の粒間析出を回避するための制御 処理によって低減されうろことが見出されている。平面状すべりの問題は、すべ り性分散質の形成元素を加えることや＋Ａｊ！−Ｃｕ−ＬＬ、　Ａｌ−Ｃｕ−Ｍ ｇ、あるいはＡｊｊ−ＬＬ−Ｍｇ金属間物質の共析出の制御によってすべりの分 散を促進することで部分的に緩和できる。すべりの分散の形成元素にはＭｎ、Ｆ ｅ、Ｃｏなどがある。Ｃｕ及び／又はＭｇを含む金属間物質の共析出は変形運動 を分散させるのに比較的効果があるようである。しかしこれらのような金属間物 質はゆワくりした生成をするため、延伸操作や多段時効処理（Ｐ、　Ｊ、　Ｇｒ ｅｇｓｏｎ　ａｎｄ　Ｍ。

Ｍ、　Ｆｌｏｗｅｒ、　Ａｃｔａ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｌｅａ、　３３巻、５２ ７−　５３７頁、　１９８５）あるいは合金の密度に逆効果を及ぼす高含量のＣ ｕ　（Ｂ　ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｂｒａｎｄｔ、　Ｐ、　Ｊ、　ｖｏｎ　ｄｅｎ　Ｂ ｒ１ｎｋ。

Ｈ，Ｆ、　ｄａ　Ｊｏｎｇ、　Ｌ、　Ｋａｔｇｅｒａ＋ａｎ、　ａｎｄ　Ｈ，Ｋ ｌｅｉｎｊａｎ。

「アルミニウムーリチウム合金ＩＩＪＡＩＭＥ冶金学会。

４３３−４４６頁、　１９８４）を必要とする。さらにこのように処理された合 金の性質はなお満足なものではない。

近年、Ｚｒで修飾したδ′析出物の開発によってＡ、ｉニーＬｉ合金系の変形挙 動を修正する新しい方法が示唆されている。この方法は、Ａ１−Ｚｒ合金系にお ける準安定なＡ　ｉｓ　Ｚ　ｒ相がすべり変形に対して高度に安定であり、δ′ と同様の結晶構造（Ｌ１２）を持つという観察に基づいている。これに関して、 　Ａ１−２．３４　Ｌ　Ｌ　−１，０７Ｚ　ｒ合金を用いてアルミニウムマトリ ックス中に３成分秩序の複合Ａ　ｊ２ｓ　（Ｌ　ｉ、Ｚ　ｒ）相を作るための努 力がなされて来た（Ｆ、　Ｗ、　Ｇａｙｌｅ　ａｎｄ　Ｊ、　Ｂ、　Ｖａｎｄｅ ｒ　５ａｎｄｅ、　ＳｃｒｉｐｔａＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ、　１８巻、４７ ３−　４７８頁、１９８４）　、しかしそのような相の均一な分布をつくる過程 は、長期に亘る溶体化あるいは時効処理とともに、熱機械的処理中におけるパラ メータの厳密な制御を必要とする。実際的な検知からすると、この過程は全く望 ましくなく。

再結晶化や広い無析出物領域のような望ましくない微細構造的な特徴をも引きお こしかねない。さらにその過程は、不均一に分布した９粒の粗い複合析出物の小 さな体積部分を作るような、低含量のＺｒ（例えば０．２重量％Ｚｒ）を含む合 金には有効に応用できない（Ｐ、　Ｌ、　Ｍａｋｉｎ　ａｎｄ　Ｂ、　Ｒａ１ｐ ｈ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＭａｔｅｒｌａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ、１９　巻、３ ８３５−３８４３頁、１９ｇ４：　ｐ、Ｊ。

Ｇｒｅｇｓｏｎ　ａｎｄ　Ｈ，Ｍ、　Ｆｌｏｗｅｒ、　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　 ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、３巻、８２９−　８３４ 頁、１９８４：Ｐ、　Ｌ、　ＭａｋＬｎ、　Ｄ、　Ｊ、　Ｌｌｏｙｄ、　ａｎｄ 　Ｗ、　Ｍ、　５ｔｏｂｂｓ。

Ｐｈ１ｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ　Ｍａｇａｚｌｎｅ　Ａ、　５１巻、Ｌ４１−　Ｌ ４７頁。

１９８５）。

低密度アルミニウム合金を開発するためのかなりの努力にもかかわらず、上述の ような従来の技術では。

求められている高強度、高延性及び低密度の組み合わせを持つ低密度アルミニウ ム合金を提供することは不可能であった。その結果、従来のアルミニウムーリチ ウム合金系は、高強度、高延性及び低密度要求される航空機の構造部品などのよ うな応用に対しては、完全に満足なものではなかった。

本発明は９強度や延性を著しく改善するような、充分に一様分布した耐すべり性 分散質を高密度に含むアルミニウムーリチウム合金の製造方法を提供する。

本発明のアルミニウムを主体とする低密度合金は１本質上Ａｉ　Ｚｒ　ＬｉｂＸ ｏから成り、ＸはＣｕ。

ｂａｌ　ａ Ｍｇ、Ｓ　ｉ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｕ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｖ。

Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉを含むグループから選ばれた。少くとも１元素であり 、“ａ”はおよそ０．１５−２重量％、“ｂ”はおよそ２．５−５重量％、“Ｃ ”はおよそ０−５重量％の範囲にあり、その残量はアルミニウムである。これら 合金の微細構造は、そのアルミニウムマトリックス中の複合Ａｊ！３　（Ｌｉ、 Ｚｒ）相の析出によって特徴づけられる。この微細構造は。

上述の組成式を持つ合金を溶体化処理及びこれに続く多段時効処理を行うという 本発明における製造方法によって発達させられる。それに関して、アルミニウム を主体とする高強度、高延性、低密度の合金を作るための改良法が与えられ、そ れによって作製されたアルミニウムを主体とする合金は強度と延性の組み合せが （同じ密度において）改善されている。

本発明によって作製される。アルミニウム基の高強度、高延性、低密度の合金は 、広範囲の強度と延性の組み合せを都合よくもたらすような、制御された複合Ａ ｉａ　（Ｌ　ｌ、Ｚ　ｒ）析出物を含んでいる。

図面の簡単な説明 本発明は、以下の詳細な説明と添付図面を参照すれば、より完全に理解でき、さ らにその他の利点が明らかとなるであろう。この添付図面について：第１図は、 　Ａｊ！　−３，１ＬｌＬｉ−２Ｃｕ−Ｉ　−０，５Ｚｒの組成を持つ合金の暗 視野透過電子顕微鏡像で。

この合金には、そのアルミニウムマトリックス中の複合析出物を発達させるため に、２段時効処理（１７０℃で４時間、つづいて１９０℃で１６時間）が行われ ている；第２図は１組成がＡｌ−３，７Ｌ　ｉ　−０，５２ｒである合金の弱ビ ーム暗視野顕微鏡像で、変形中における転位すべりに対する複合析出物の・抵抗 力を示している；第３ａ図は、従来の時効処理（１８０℃で１６時間）を行った 。　Ａｊ！　−３，７Ｌ　ｉ　−０，５Ｚｒ組成を持つ合金において観測された 平面状すべりを示す顕微鏡写真；第３ｂ図は、第３ａ図の合金を本発明の特許請 求に基づく処理方法（１６０℃で４時間、つづいて１８０℃で１６時間）による 処理を行ワた時の有益な効果を示す顕微鏡写真であり、この合金の均一な変形が 促進されている； 第４図は、従来の時効処理（１９０℃で１６時間）を行った。　Ａｊ！　−３， １ＬｌＬｉ−２Ｃｕ−Ｉ　−０，５Ｚｒ組成を持つ合金において観測された。す べり変形をしたδ′析出物を示す顕微鏡写真であり；及び。

第５図は１本発明の特許請求に基づく処理方法（１７０℃で４時間、つづいて１ ９０℃で１６時間）による処理を、　Ａｌ　−３，２Ｌ　１−３Ｃｕ　−１，５ Ｍｇ　−０，２Ｚｒ組成を持つ合金に対して行った時の複合析出物の発達を示す 顕微鏡写真である。

好適な実施態様の説明 本発明は一般に、高強度、高延性および低密度であるＡ、ｉニーＬｉ−Ｚｒ−Ｘ 合金の製造方法に関する。

本発明の方法では２合金の熱処理時に多段時効処理の利用を含む。この合金は、 以下に記載するように熱処理によって９本質的にアルミニウムマトリックス中の 「複合Ｊ　Ａ　、ｅ　ｓ　（Ｌ　ｉ　、Ｚ　ｒ　）析出物（第１図）から成って いる特徴的な微細構造によって性格づけられる。この合金は、その析出物が該合 金の機械的及び物理的性質を著しく低下させなければ、他のＬｉ。

Ｃｕ、及び／又はＭｇを含む析出物をも含んでいてさしつかえない。

Ａ　Ｉ−Ｌ　ｉ−Ｚ　ｒ−Ｘ合金の性質を支配する要素は、基本的にそのＬｉ含 有量と微細構造であり１次いで残りの合金構成元素である。その微細構造は主と して組成及び、押出成形、鍛造及び／又は熱処理のパラメータのような、最終的 な熱的機械的処理とによって決定される。通常、加工したままの状態（鋳造、押 出成形、あるいは鍛造直後）の合金は、大きな金属間粒子を含む。何らかの特性 のために何らかの微細構造の特質を発達させるためには、さらに追加の処理を必 要とする。

合金に初期溶体化処理を施す。すなわち、鍛造あるいは押出成形過程中に存在し ていた金属間粒子のほとんどを充分に溶融させるのに充分な時間だけ、一定温度 （Ｔ１）に加熱し、続いて、該溶液中の合金構成元素を保持するに足る高速で、 大気温度まで冷却する。

一般に温度Ｔ１に保つ時間は９合金組成と製造法（例えば、鋳塊鋳造、粉末冶金 法）に依存し、典型的には、約０．１からｌＯ時間程度の範囲である。該合金を 時効温度Ｔ２まで再加熱し、ｖｉ合Ａｊ！３　（Ｌｉ、Ｚｒ）析出物の核化を活 性化させるに充分な時間だけ熱する。そして大気温度まで冷却し、温度Ｔ３で２ 回目の時効処理を行う。これは、複合Ａ　Ｉ！　ｓ　（Ｌ　ｉ、Ｚ　ｒ　）析出 物の成長と、核化がＺｒによって助けられないδ′析出物の溶融に充分な時間だ け行う。この時点での合金は９本質的に複合Ａ　ｊ！ｓ　（Ｌ　ｉ、　Ｚ　ｒ） 析出物から成る。特徴的な微細構造によって性格づけられる。この複合Ａｊ！３ 　（Ｌｉ、Ｚｒ）析出物は、転位すべりに対する抵抗力があり、変形運動の分散 に非常な効果を持つ（第２図）。その結果、最適量の複合は１本発明にて特許請 求される方法で処理された合金での均一変形態様を明瞭に示す。一方、ｉ３ａ図 は従来の処理を受けた合金において、変形によるδ′析出物の転位すべりのため に観測された。程度のひどい平面状すべりを示す（第４図参照）。延性と高強度 の組み合わせは２本発明によると、耐すべり性分散質の密度がおよそ１０−６０ 体積％の範囲である時、好ましくはおよそ２０−４０体積％である時、一番都合 良く達成される。

溶体化の段階で１合金が加熱される正確な温度Ｔ１は、この温度における金属間 粒子が溶融している限りは決定的なものでない。複合Ａｊ２３　（Ｌｉ、Ｚｒ） 析出物の核化が促進される。最初の時効処理段階での正確な温度Ｔ２は、存在す る合金構成元素と、最後の時効処理段階とに依存する。Ｔ２の最適温度範囲は。

およそ　１００℃から　１８０℃である。Ｔ３の範囲は１２０℃から２００℃で あるが、正確な温度Ｔ３は、存在する合金構成元素と、望まれる機械的性質に依 存する。一般に、温度Ｔ２とＴ３に保つ時間は１合金の組成と熱的機械的処理履 歴に依存して異なる。典型的な範囲は。

およそ　０．１から　１００時間である。

実施例１ 複合Ａ　、ｅ　ａ　（Ｌ　ｉ　、Ｚ　ｒ　）析出物がＡｊｊ−Ｌｉ−Ｚｒ合金の 変形挙動を修正する能力は以下のように示される： 第２図は、変形した合金（八で′−３，７Ｌ　ｉ　−０，５Ｚｒ）の微細構造を 示す弱ビーム暗視野透過電子顕微鏡像である。この合金は、５４０℃で４時間溶 体化処理してから続けて１６０℃で４時間時効させ、引き続いてＩＨ℃で１６時 間最終時効を行ったものである。そのような熱処理は、すべり変形に対して高抗 力で、変形運動を分散させるのに非常に効果のある複合Ａ１３（Ｌ　ｉ、Ｚ　ｒ ）析出物の析出を促進する。

第３ａ図は１本発明による処理を行っていない合金（Ａｊｊ　−３，７Ｌ　ｉ　 −０，５Ｚｒ）が変形した時の微細構造を示す明視野電子顕微鏡像である。該合 金は、５４０℃で４時間溶体化処理されたのち、１８０℃で１６時間時効処理さ れている。この合金は、脆い合金に特徴的で共通の変形である。顕著な平面状す べりを示した。

これと対照的に、第３ｂ図はＡぶ−３，７Ｌ　ｉ　−０，５２ｒ組成を持つ合金 の変形挙動に際して２本発明による処理の育苗な効果を示す。５４０℃で４時間 溶体化処理させたのち、該合金を１８０℃で４時間、及び１８０℃で１６時間、 ２段時効処理を行ったものである。この合金の変形の状態は非常に均一であり、 高延性であることを示している。

実施例２ Ａｊｊ　−３，１ＬｌＬｉ−２Ｃｕ−Ｉ　−０，５２ｒの組成を持つ合金につい て１表１に示すように中程度の強度の用途のための詳査を行った。該合金は、５ ４０℃で２．５時間溶体化させ、約２０℃の水に急冷して従来の１段時効処理を 施したものと１本発明による２段時効処理を施したものである。

表ｌ ０１２％降伏　引張　リ　破断まで 強さ　強さ　の伸び （ＭＰａ）　（ＭＰａ）　（％） １９０℃で１６時間時効 処理　５２４　５９２　３．６ １７０℃で４時間及び １９０℃で１６時間時効　５３０６０６　６．１処理 従来の時効処理（１９０°Ｃで１θ時間）は、δ′析出物のすべり（第４図）の ために、劣悪な延性（３，６％）を示す。一方、２段時効処理によって発達した 複合析出物（第１図）は強度も延性も改善されている（伸び６，１％）。

航空宇宙的構造材のための高強度用途の要求を満たすために高強度Ａ、Ｑ−Ｌｉ 合金を作製した。ＡＪ−３，２Ｌｉ−２Ｃｕ−２Ｍｇ　−０，５Ｚｒ組成を持つ 合金を５４２℃で４時間溶体化処理した。表Ｈに示されたように、従来の時効処 理（１９０℃で１６時間）では、低強度（降伏強さ５２１ＭＰａ）で低い延性（ ３，８９６）　Ｌか得られない。しかし１合金の２段時効処理（１６０℃で４時 間、続いて１８０℃で１６時間）では、かなりの高強度（降伏強さ５５４ＭＰａ ）と高延性（５，５％）が得られており、これは航空宇宙的構造材への応用のた めに必要である高強度合金が要求する特性にかなうものである。

表■ ０．２％降伏　引張　リ　破断まで 強さ　強さ　の伸び （ＭＰａ）　（ＭＰａ）　（％） １９０℃で１６時間時効 処理　５２１　５９５　３．６ １６０℃で４時間及び この例は、単純な３成分合金Ａｊ！　−３，７Ｌ　ｉ　−０，５Ｚｒの機械的物 性について１本発明による方法の有益な効果を示すものである。合金を５４０℃ で４時間溶体化させ、続いて表■に示すように時効処理した。その結果、張力特 性は本発明による方法によれば従来の方法と比較して強度と延性の点で改良され た結果を与えることが分る。

１４０℃、　１８時間　４２４　４４２　４．２１２０℃、４時間及び １４０℃、１６時間　４３４　４８０　８．０１６０℃、　１６時間　４１９　 ４３１　８．２１４０℃、４時間及び １ｆｉｏ℃、１８時間　４２５　４４８　４．８１４０℃、１６時間及び １６０℃、１６時間　４２８　４５１　４．８実施例５ 広範囲にわたる機械的性質は、多段時効処理条件を用いることによって達成でき る。例えば３段時効処理（１２０℃で４時間、１４０℃で１８時間および１６０ ℃で４時間）によって、降伏強さ４４８ＭＰａ、引張り強さ４８４ＭＰａ及び伸 びは４．８％が得られた。結果として１本発明による合金の種々の熱処理は９種 々の機械的性質を持つ合金を製造するために用いることができる。

実施例に の例は、低Ｚｒ含量のＡＪ−Ｌｉ合金における複合析出物を発達させるためにつ いての１本発明による処理法の潜在的可能性を示す。第５図は、５４０”Ｃで４ 時間溶体化させ、１７０℃で４時間再加熱し、続いて１９０℃で１８時間で最終 時効処理した。典型的なＡｌ−３，２Ｌｉ−３Ｃｕ　−１，５Ｍｇ　−０，２Ｚ ｒ合金の暗視野電子顕微鏡像である。そのような合金で見られる複合Ａ　ｐ　ｓ 　（Ｌ　ｉ、Ｚ　ｒ　）析出物の大きな体積比は１本発明による処理法が０．２ ％という低Ｚｒ含量を持っＡｉ−Ｌｉ合金においてもまた非常に効果的であるこ とを示す。このように９本発明についてほぼ完全な詳細を記述したが、そのよう な詳細は厳密に固執すべきものではなく、さらなる変更や修正はそれ自身、当業 者に示唆しており、これらはすべて添付の請求の範囲で明確になされているよう に本発明の枠内に含まれるということが了解されるであろう。

手続補正書印発） ぐ 昭和６２年７月２５日

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．本質的にＡｌｂａｌＺｒａＬｉｂＸｃの組成式（ＸはＣｕ，Ｍｇ，Ｓｉ，Ｓ ｃ，Ｔｉ，Ｕ，Ｈｆ，Ｂｅ，Ｃｒ，Ｖ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉから成るグル ープから選ばれた少くとも１つの元素であり，ａはおよそ０．１５−２重量％， ｂはおよそ２．５−５重量％，ｃは０−約５重量％，及びその残量はアルミニウ ムである）から成るＡｌ−Ｌｉ合金を，高密度の耐すべり変形性分散質が充分に 一様に分布しているような微細構造を形成する，前記Ａｌ−Ｌｉ合金の多段時効 処理工程を含むことを特徴とするアルミニウム基低密度合金の強度と延性を増加 させるための処理法。
2. ２．前記合金はアルミニウムマトリックス中の複合Ａｌ３（Ｌｉ，Ｚｒ）相の折 出物によって特徴づけられる請求の範囲第１項による処理法。
3. ３．時効処理回数が２から１０の範囲にある請求の範囲第１項による処理法。
4. ４．時効処理回数が２から５の範囲にある請求の範囲第１項による処理法。
5. ５．下記の過程を含むことを特徴とする，高強度，高延性，低密度のアルミニウ ム−リチウム合金の製造方法： 本質上ＡｌｂａｌＺｒａＬｉｂＸｃの組成式（ＸはＣｕ，Ｍｇ，Ｖ，Ｓｉ，Ｓｃ ，Ｔｉ，Ｕ，Ｈｆ，Ｂｅ，Ｃｒ．Ｍｎ，Ｆｅ，Ｃｏ及びＮｉから成るグループか ら選ばれた，少くとも１つの元素であり，ａはおよそ０．１５−２重量％，ｂは およそ２．５−５重量％，ｃは０−約５重量％，及びその残量はアルミニウムで ある）から成るアルミニウム合金を，その中の金属間物質を充分に溶融させるに 足る時間だけ温度Ｔ１に加熱すること； 前記合金を，過飽和固溶体中の成分を保持するに足る速度で大気温度にまで冷却 すること；前記合金を，複合Ａｌ３（Ｌｉ，Ｚｒ）析出物の核生成を活性化させ るに足る時間だけ温度Ｔ２に加熱すること； 前記合金を，大気温度にまで冷却すること；前記合金を，複合Ａｌ３（Ｌｉ，Ｚ ｒ）析出物の付加的成長，及びその核生成がＺｒによって促進されないδ′析出 物の溶融に足る時間だけ温度Ｔ３に加熱すること；及び 前記合金を大気温度まで冷却して上記アルミニウムマトリックス中の複合Ａｌ３ （Ｌｉ，Ｚｒ）相の制御された析出を生ぜしめること。
6. ６．さらに前記溶融合金の延伸工程を含む請求の範囲第１項による処理法。
7. ７．さらに前記合金の延伸工程を含む請求の範囲第５項による処理法。
8. ８．Ｔ１がおよそ５００℃から５５５℃の範囲，Ｔ２がおよそ１００℃から１８ ０℃の範囲，及びＴ３がおよそ１２０℃から２００℃の範囲にある請求の範囲第 ５項による処理法。