JPS63266037A - 応力腐食に耐性のリチウム含有アルミニウム合金材料及びその製造方法 - Google Patents

応力腐食に耐性のリチウム含有アルミニウム合金材料及びその製造方法

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JPS63266037A
JPS63266037A JP63034939A JP3493988A JPS63266037A JP S63266037 A JPS63266037 A JP S63266037A JP 63034939 A JP63034939 A JP 63034939A JP 3493988 A JP3493988 A JP 3493988A JP S63266037 A JPS63266037 A JP S63266037A
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フイリツプ・メイエ
ブリユノ・デユボー
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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】 本発明は、固有機械的強度及び損傷耐性にすぐれており
、特に処理された状態(焼入れ一焼戻し)、特に再結晶
化した状態で応力腐食に耐性のリチウム含有アルミニウ
ム合金材料及びかかる材料の製造方法に係る。
高い応力腐食耐性をもつ合金は、航空産業又は宇宙産業
で使用される冶金半製品を得るために極めて重要である
更に、機械的強度、靭性、延性又は疲労性にすぐれたア
ルミニウムーリチウム合金は、薄板圧延されたとき、再
結晶化状態で十分な応力腐食耐性をもつことが難しい(
Ph、MEYER,B、DU[1OST−^Z、LiΔ
l1oysll[−Proceedings of t
he Th1rd Interna−tional C
onference 5ponsored by th
e In5tituteof Metals、 0xf
ord 8−11 Juillet 1985−Bak
erGregson l1arris Peel Lo
ndon−1986参照)。
このように応力腐食耐性が十分でないのでその用途が限
られる。例えば、応力腐食(CST)を生じ易い従来の
合金の場合同様に(Kaneko Siemenz −
Corrosion Thresholds for 
1nterference fitfastners 
and cold worked holes−Str
ess Corro−sion New Approa
ches ASTM−STP 610.1976、pp
252−226参照)、干渉効果の大きいリベットの単
なる取付によって応力腐食割れが生じる。これはリベッ
ト取付の残留応力に起因する。
本発明の材料は特殊な顕微鏡組織をもつ。即ち、固溶体
外部に元素Al. Cu、 Li、Hg及び任意にZn
に富む金属同相のかなり粗い多数の析出物を含むか、又
は低温溶解によって得られた固溶体を含む。
本発明方法の本質的な特徴は、製造工程の全段階におけ
るその他のパラメータ、特に焼戻しにおけるパラメータ
としては従来技術と同じパラメータの値を使用しながら
、該当金属を低温で一般には不完全に溶解することにあ
る。
本発明は、成形、高速凝固、インゴットの冶金又はその
他の処理技術によって製造されるすべてのリチウム含有
アルミニウムベース合金に適用される。
本発明は特に、主元素として、 Li:1.0〜4.2重量%と Cu:0〜5.5重量%と Mg:0〜7.0重量%と Zn:()−15,0重量%と を含有し、微量元素として、 Zr:0〜0.2重量%と Mn :0〜1重量%と Cr:0〜0.3重量%と Nb:0〜0.2重量%と Ni:O−0,5重量%と Fe:0〜0.5重量%と 5ilo〜0.5重量%と それ以外の各元素: < 0.05重量%とを含有し、
残りが^!から成るアルミニウムベースめ合金に適用さ
れる。
好ましくは、 30  18 4.2  .7 である。
本発明の材料は好ましくは、1.7〜2.5重量%のL
iと0.8〜3重景重量M、と1.0〜3.5重量%の
Cuと2重量%未溝のZnとを含有し、残りが屓と、 
Zr(0〜0.20重厘%)、Mn、 Cr、Tiのご
とき二次元素と、合計で1重量%以下の不純物とから成
る材料を特殊処理したものである1本発明の材料は、特
に応力腐食に耐性の詔微鏡組織をもち、固溶体外部に元
素^II、 Cu、 Li、 Hg及び任意にZnに富
む金属同相のかなり粗い多数の析出物を含む、金相学的
実験によれば、これらの追加元素の含量が以下の不等式
を満足させる必要がある。
^〉0、但し、 この式において%Cu、%Li、%M2、%Znは重量
濃度であり、Tは温度℃である。この場合、これらの相
は、アルミニウム協会で定義された合金8090及び合
金2091中のR−Al5Cu(Li 、My) s及
びT2−AlsCu(Li 、My)sのタイプである
これらの相の金相学的特徴及び組織的特徴とX線回折に
おける格子間隔特性値とは、マグネシウムを含まないへ
β−Li−Cu系についてH,に、Il八へDY及びJ
、M、5ILCOOKの論文で示された値と同様である
(Journal of the In5titute
 of Metals、1955−56、vol、84
、p、423−425)。
これらの粒子の体積分率は、Li、 Cu、 Mll及
びZnの含量合計の増加に伴って増加し、また本発明の
ごとく溶解温度が低いほど増加する。出願人は金相学的
及び組織的分析によって、粒子の体積分率(%)がfv
=k・^[但しΔ〉0で2.0≦に≦4.0]であるこ
とを確認した。この体積分率は一般に、0.6%以上で
あり、特に合金2091の場合には1〜4%が好ましい
、0.6%を下回るときは再結晶化した材料の十分な応
力腐食耐性が得られない、4%を上回るときは強度及び
延性のごとき機械的特性が過度に低下する。
最も粗い粒子の最大寸法は5ハ以上、好ましくは10ハ
以上である。
この組織は示差熱分析又は示差エンタルピー分析によっ
てコントロールされ得る(DSC:Differen−
tial Scanning Calorimetry
)、材料サンプルの温度上昇が1〜20℃7分の速度で
行なわれるようにプログラムされているときは、サーモ
グラムの軌跡は、溶解温度と融合開始温度との間の範囲
に以下の特徴をもつ。
合金の溶解が実際に起こる温度と合金の融合開始温度(
IaLtempe′rature de fusion
 cos+aer+9antede l’alliag
e)との間に見掛は水平域即ち擬水平域が存在する。
この擬水平域のサーモグラムは示差エンタルピー分析装
置の基底線(サンプル及び標準の区別なく等しい2つの
不活性サンプルで決定される)と実質的に同様に変化す
る。この擬水平域の長さは溶解温度が低いほど長い。更
に、試験によれば、この水平域の初端の温度が、本発明
の溶解温度と実質的に一致すること、又は合金を溶解し
ないときは焼鈍温度と実質的に一致することが判明した
これらの熱処理後に示差エンタルピー分析を行なう。こ
の高温範囲のサーモグラムは焼戻しによって実質的に変
化しない。この方法によれば、実際の溶解温度を確実に
再現でき、さらに焼鈍温度さえをも確実に再現できる。
従って、最終状態まで処理されたく即ち、溶解、焼入れ
任意に冷間加工及び焼戻し処理された)材料に対して本
発明処理が与えた物理的効果を知ることができる。
この擬水平域の後に広い吸熱ピークが存在する。
このピークは、合金の溶解温度範囲より前の温度範囲で
サンプル温度が上昇する間に形成された平衡相微小析出
物の再溶解を示す。
マトリクスへ!中へのAl2CuLit4y相(好まし
い組成ではR又はT2)の融合開始の吸熱ピークは、(
合金組成次第で)532〜550℃の近傍で生じ、析出
相T2又はRの体積分率が高いほどピーク面積(即ち融
合当たりの吸熱量)が大きい。
従ってこのピークの面積は、熱分析に先立って行なわれ
た本発明の溶解処理の温度が合金の常用の溶解処理の温
度より低くなるほど広くなる。当業者に公知の常用の手
順でT2又はR相の粗い粒子が予め完全に溶解され析出
相T2又はRが除去された合金、即ち^く0のごとき組
成をもつ合金は、532〜550℃の温度範囲にこのよ
うなピークをもたない。
本発明の方法の特徴は、硬化性元素の溶解を促進して最
大の機械的強度を得るためにはできるだ番テ高い溶解温
度を使用するのが当業界の一般常識であるにもかかわら
ず、常用の溶解温度より低い温度TMSの範囲で溶解を
行なうことにある。
TMSは、 TM(℃)= 474+ 18.2(%Li) −2(
%Cu)((%Cu)−1,7)十%My(−17,6
+ 3.6(%Li)+4.3(%Cu))−3(%Z
n)[但し、%Li、%Cu、%Mg、%Znは引用合
金の元素の重量%] より低い値であり、また、460℃以上好ましくは48
0℃以上の値でなければならない。
溶解時間は、高温で溶解処理する従来技術のアルミニウ
ムーリチウム合金で常用の溶解時間と同様でよく、材料
の形態次第で(薄い板材から厚い鍛造材まで)一般には
10分間から7時間である。
溶解温度が過度に高いと応力腐食耐性がかなり顕著に低
下する。逆に、溶解温度が過度に低いと機械的強度特性
が十分でない。
溶解後に常用の条件で焼入れを行なう。
次に、リチウム含有アルミニウム合金の常用の焼戻し処
理と同様の焼戻しを行なう。
好ましくは、製造工程中の溶解処理の前に任意に加熱処
理(任意に塑性変形を伴ってもよい)を行なう。
この加熱処理は、好ましくは490〜250℃、特に好
ましくは450〜350℃で、1〜48時間、特に好ま
しくは6〜24時間行なう。
しかしながらこの加熱処理の最高温度はその後の溶解処
理に用いる温度より低温でなければならない。
この加熱処理を任意に多段加熱で行なってもよいが、最
終加熱段階を本発明に従って行なう必要がある。
また、熱鍛合金ではこの加熱を熱間加工後に行なうのが
好ましい。
またこの加熱処理を任意に冷間加工後に行なってもよい
合金の冷間加工を行ない且つこの冷間加工中に複数の中
間焼鈍処理を行なう必要があるときは、最後の中間焼鈍
処理を前記条件下に行なう。
加熱後の冷却速度は10℃/時以上、好ましくは25℃
/時以上である。この速度は加熱温度から100℃まで
冷却する間の平均冷却速度であり、100℃以下での冷
却速度は厳密でない。
冷却は、炉で空気流、無風空気、水によって行なわれて
もよく又は所望の冷却速度が得られるその他の任意の方
法で行なわれてもよい。
加熱が過度の高温で行なわれると応力腐食耐性が極度に
低下する。加熱が過度に低温で行なわれるとその後の冷
間加工が難しくなったりまたときには応力腐食耐性の低
下が生じたりする。
第1図から第7図を伴う実施例に基づいて本発明を以下
に説明する。
丸克fLL Li:2.07重量%とCu:2.15重量%とMg:
1.53重量%とZr:0.10重量%とTi二O,0
3重量%とFe:0.04重量%とSi:0.03重量
%とを含有し残りが八lから成る組成の厚さ1.61の
2枚の板材を以下の条件で処理した。450℃で1時間
及び400℃で12時間順次焼鈍し、(本発明)又は5
30℃で溶解し、冷水焼入れし、2%牽引し、135℃
で12時間焼戻しを行なった。
530℃の溶解処理後に得られた顕微鏡組織を第1図に
示す。500℃の溶解処理後に得られた顕微鏡組織を第
2図及び第3図に示す。5岬を顕著に上回るサイズの粗
い粒子は本質的に析出相R−^fscu(L+ 、Mg
)zから成る(Castaingの電子マイクロゾンデ
による定量分析及びSeew+an−Boh I in
方法のX線回折によって確認)。
IBAS KONTRON装置を用いた定量イメージ分
析によって測定した研摩断面の平均面積率(塊状サンプ
ル中の体積分率に等しい)は530℃での溶解後に0.
53%(k二2,9)であり、500℃での溶解後に2
.3%(k、2.7)であった。この平均値の測定精度
は約士10%である。
実」1阻3工 前記と同じ合金(合金2091)を、400℃で1時間
焼鈍し、冷間圧延した後に、490℃〜535℃の間の
種々の温度で溶解し、水焼入れし、135℃で12時間
焼戻しな。これをDSC990プログラム作成器で制御
されるDUPONT de NEMOURS DSC9
10装置で以下の条件下に示差熱分析した。
一直径5■及び厚さIIの円板の形態に裁断したサンプ
ル及び標準(精練アルミニウム)を用いる。
−セルを乾燥窒素で掃気する。
一400℃〜590℃の間の温度上昇速度を5℃/分と
する。
得られたサーモグラムを第4図に示す。このサーモグラ
ムにおいて、横座標は温度を℃で示し、縦座標は発熱(
+)及び吸熱(−)の夫々の方向に放出又は吸収された
電力(+n1lI)を示す。装置の基底線(Li3)を
点線で示す。
曲線1は490℃での溶解を示す。
曲線2は510℃での溶解を示す。
曲線3は520℃での溶解を示す。
曲線4は530℃での溶解を示す。
各サーモグラムにおいて、予め決定された装置基底線に
対してごくわずかに吸熱性のほぼ直線状の部分で示され
る検出可能な擬水平域N)の初端は、サーモグラムの接
線の交点によって測定及び決定される相変態温度と同じ
精度で本発明の実効溶解温度(la temprrat
ure el’fective de m1se en
solution)±3℃に対応する。
また、共晶成分の融合開始ピークである狭いピーク(I
I)は約535℃に始まって合金の平衡融合(固相線)
直前で終了する。この平衡融合は極めて深い漸進的な吸
熱ピーク(III)によって示される。
示差熱分析によれば、本発明で処理された合金において
は融合開始ピーク(吸熱反応)が従来の溶解によって5
30℃で処理された合金よりもはるかに深い処で生じる
この示差熱分析と実施例1の金相学的分析との双方によ
って本発明の材料が信頼できる新規な特徴をもつことが
証明された。
え1几1 1.95重量%のLiと2.10重量%のCuと1.5
重量%のMfと0.08重量%のZrと0.04重置火
のFeと0.04重量%のSiとを含有し残りがAlか
ら成る組成の合金2091を、断面800×30011
1ff12の板材に鋳造し、527℃で24時間拡散加
熱し、皮ムキし、470℃〜380℃で厚;g3.6m
mまで熱間圧延し、コイルに巻回した。
これを本発明によって450℃で1時間及び400℃で
12時間順次加熱処理した(2段加熱の間に炉で冷却す
る)、加熱後100℃までの冷却は約り5℃/時で行な
う。
加熱後、板材を1.6mmまで冷間圧延する。このよう
にして製造された薄板の一部を本発明によって(試験^
)500℃土2℃で20分間溶解し、冷水焼入れし、2
%牽引し、最後に135℃で12時間焼戻しする。
薄板の別の一部を本発明以外の方法によって(試験B)
528℃±2℃で20分間溶解し、以後は試験へと同様
に処理する。この合金処理においてTM= 505.5
℃である。合金組織は等軸細粒(平均サイズ:20岬)
として再結晶化する。
2つの試験の結果として、圧延方向に平行な方向(L方
向)、圧延方向に垂直で板の幅に沿った方向(TL力方
向及び圧延方向に対して60°の方向(60゜/L力方
向の特性を表Iに示す。
圧延面における応力腐食耐性が本発明の処理によって極
めて顕著に改良され、しかも機械的特性はすぐれたレベ
ルに維持されていることが理解されよう。
第5図は割れの伝は結果を示す。本発明によって処理さ
れた合金が標準合金2024よりもすぐれた疲労特性を
示すことが第5図より理解されよう。
犬1」[L 2.2重量%のLiと2.3重量%のCuと1,6重量
%のM、と0,10重量%のZrと0,04重量%のF
eと0.03重量%のSiとを含有し残りが八lから成
る組成の合金2091を、断面100×300m112
のインゴットに鋳造し、527℃で24時間拡散加熱し
、皮ムキし、470℃〜380℃で厚さ3.6mmまで
熱間圧延した。薄板の一部(試験片C)を本発明によっ
て415℃で24時間加熱し冷水に浸漬して冷却した。
薄板の別の一部(試験片D)を本発明以外の方法で41
5℃で24時間加熱し、415℃から100℃までは8
℃/時の冷却速度で冷却した。
次に2つの薄板試験片を1.61まで冷間圧延した。こ
れらを本発明によって510℃で20分間溶解し、冷水
焼入れし、平滑化し、牽引し、135℃で12時間焼戻
しな。
この場合のTM=511.6℃であった。
応力腐食特性及び機械的特性の測定値を表Hに示す。
夾1」1ド 2.0重量%のLiと1.8重量%のCuと1.4重量
%のM、と0.12重量%のZrと0.06重量%のF
eと0504重量%のSiとを含有する組成の合金20
91を直径50mmのビレット材に鋳造したく誘導加熱
し、430℃で押出処理する)。
この棒材を長さ500IIII11に裁断した。全体を
加熱し、490℃〜400℃の鍛造型に複数パス通す。
最終鍛造パスの前に棒材を本発明によって450℃に6
時間維持し、この温度で加工した。次に本発明によって
冷却速度100℃/時以上で100℃まで冷却した。
次に試験片を本発明によって503℃±2℃で4時間溶
解し、冷水焼入れし、190℃で24時間焼戻しな(こ
の場合TM= 506.3℃)。これらの試験片(第6
図)の引張特性と応力腐食特性とを測定した。引張試験
片はリブの交点以外の部分(八BC)から採取する。逆
に、応力腐食試験片はリブの傾斜部分(D)から採取す
る。結果を表■にまとめる。
火1」[( 2,5重量%のLiと162重量%のCuと1.0重量
%のHgと0.06重量%のZrと1.5重量%のZn
と0.06重量%のFeと0.04重量%のSiとを含
有する組成の合金を、断面300X 100mm2の板
材に鋳造し、535℃で24時間拡散加熱する(500
℃以後は拡散加熱温度の上昇速度25℃/時とする)。
次に皮ムキし、490℃に再加熱し、480℃〜300
℃で3.6mmまで熱間圧延する。このようにして熱間
圧延された層材料を得、これを450℃で1時間加熱し
、冷水に浸漬して冷却し、3.6■から1.2mmに冷
間圧延する。
このように得られた薄板を塩浴炉で485℃で20分間
溶解し、冷水焼入れし、1.5%牽引し、190℃で1
2時間焼戻しする(この場合TM= 512.7℃)。
得られた組織は再結晶化している(第7図参照)。
得られた特性を表■に示ず。
表土 *カニ圧延方向、伝ば;幅方向。
本本カニ幅方向、伝ば;圧延方向。
nt定荷重引張試験:3.5gNaCl水溶液に浸漬−
引上を10分750分のサイクlしで42日間行なう。
宍J− 京定荷重引張試@:3.!JNuC1水溶液に浸漬−引
上を10分750分のサイクルで行なう。
**NR:破壊無しくR二破壊)。
表1 本定荷重曲げ試験+3.5甜aCj!水溶液に浸漬−引
上を10分750分のサイクルで行なう。
長足 本定荷重曲げ試験:3.5$NaC1水溶液に浸漬−引
上を交互に行なう。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明以外で処理された合金の圧延方向に平行
な側面断面の金属組織の光学顕微鏡写真、第2図は本発
明で処理された合金の圧延方向に平行な側面断面の金属
組織の光学m微鏡写真、第3図は本発明で処理された合
金の圧延方向に平行な平面断面の金属組織の光学顕微鏡
写真、第4図は種々の温度で溶解された合金2091(
実施例2)の種々のサーモグラム、第5図は、実施例3
に対応する本発明で処理された合金(試験^)及び本発
明で処理されない合金(試験B)と標準合金(2024
)のそれぞれにおけるLT力方向びTL力方向波形引張
疲労割れ(σ=90±408Pa)の伝は速度(da/
dN)の変化をΔにの関数として示すグラフ、第6図は
本発明で処理された型鍛造品と引張試験片及び応力腐食
試験片の相対位置とを示す説明図(実施例5)、第7図
は実施例6に対応する本発明で処理された合金の金属組
織を示す写真である。 IG 4 手続補正書 1.事件の表示  昭和63年特許願第34939@2
、発明の名称  応力腐食に耐性のリチウム含有アルミ
ニウム合金材料及びその製造方法 3、補正をする者 事件との関係  特許出願人 名 称    セジュアユール・ソシエテ・ドウ・トラ
ンスフオルマシオン・ドウ・ ラリュミニCクム・ベシネ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)1〜4.2重量%のLiと5.5重量%以下のC
    uと7重量%以下のMgと15重量%以下のZnと0.
    2重量%以下のZrと1重量%以下のMnと0.3重量
    %以下のCrと0.2重量%以下のNbと0.5重量%
    以下のNiと0.5重量%以下のFeと0.5重量%以
    下のSiと各々が0.05重量%以下のその他の元素と
    を含有し残りがAlから成る応力腐食耐性のアルミニウ
    ムベースの合金材料において、示差エンタルピー分析に
    よって得られるサーモグラムが、温度、 TM(℃)=474+18.2(%Li)−2(%Cu
    )(%Cu−1.7)+(%Mg)(3.6(%Li)
    +4.3(%Cu)−17.6)−3(%Zn)以下の
    材料の実効溶解温度を初端とし合金の融合開始温度を終
    端とする擬水平域をもつことを特徴とするアルミニウム
    ベースの合金材料。
  2. (2)サーモグラムにおいて認められる擬水平域の次に
    532〜550℃の間の狭い融合開始ピークが存在する
    ことを特徴とする請求項1記載の材料。
  3. (3)不等式 [(%Zn)/30]+[(%Mg)/18]+[(%
    Li)/4.2]+[(%Cu)/7]<1に対応する
    組成をもつことを特徴とする請求項1又は2記載の材料
  4. (4)1.7〜2.5重量%のLiと0.8〜3.0重
    量%のMgと1.0〜3.5重量%のCuと2重量%以
    下のZnと0〜0.2重量%のZrと合計1重量%のそ
    の他の元素とを含有し残りがAlから成るアルミニウム
    合金材料が、AlとLiとCuとMgと任意にZnとに
    富む粗い粒子の形態の析出金属間相を含んでおり、該相
    の体積分率(%)が実質的に、値K・A [但し、A=%Cu+%Li+[(%Mg)/2]+[
    (%Zn)/3]−2.7−3340exp[(−59
    60)/(273+T)]及び2.0≦K≦4.0] に等しいことを特徴とするアルミニウム合金材料。
  5. (5)最も粗い粒子のサイズが5μmより大きいことを
    特徴とする請求項4記載の材料。
  6. (6)最も粗い粒子のサイズが10μmより大きいこと
    を特徴とする請求項4又は5記載の材料。
  7. (7)析出粒子が元素Al、Cu、Li、Mgに富むR
    相又はT2相から成ること及びその体積分率が0.6%
    以上であることを特徴とする請求項4又は6記載の材料
  8. (8)析出相の体積分率が1〜4%であることを特徴と
    する請求項4又は7記載の材料。
  9. (9)組織が再結晶化していることを特徴とする請求項
    1から8のいずれかに記載の材料。
  10. (10)アルミニウム協会によって定義された合金20
    91の組成をもつことを特徴とする請求項1から9のい
    ずれかに記載の材料。
  11. (11)成形又は鍛造した材料の熱間加工と任意に低温
    での冷間加工と溶解と焼入れと任意に調整冷間加工と焼
    戻しとを少なくとも含み、溶解が460℃と温度 TM(℃)=474+18.2(%Li)−2(%Cu
    )(%Cu−1.7)+(%Mg)(−17.6+3.
    6(%Li)+4.3(%Cu))−3(%Zn)との
    間の温度範囲で行なわれることを特徴とする応力腐食に
    耐性のLi含有Al合金の製造方法。
  12. (12)溶解に先行する製造の前段階で(同時に塑性変
    形を任意に伴って)250℃〜490℃の範囲で加熱し
    、加熱後に10℃/時以上、好ましくは25℃/時以上
    の冷却速度で100℃まで冷却することを特徴とする請
    求項11記載の方法。
  13. (13)加熱が450℃〜350℃の範囲で行なわれる
    ことを特徴とする請求項12記載の方法。
  14. (14)加熱時間が1〜48時間、好ましくは6〜24
    時間であることを特徴とする請求項12又は13記載の
    方法。
  15. (15)加熱温度が溶解温度以下であることを特徴とす
    る請求項12から14のいずれかに記載の方法。
JP63034939A 1987-02-18 1988-02-17 応力腐食に耐性のリチウム含有アルミニウム合金材料及びその製造方法 Pending JPS63266037A (ja)

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