WO2017073223A1

WO2017073223A1 - アルミニウム合金材

Info

Publication number: WO2017073223A1
Application number: PCT/JP2016/078431
Authority: WO
Inventors: 太一鈴木; 八太　秀周; 周平赤土
Original assignee: 株式会社Uacj
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2017-05-04
Also published as: JP6291133B2; JPWO2017073223A1

Abstract

本開示の一側面であるアルミニウム合金材は、Ｚｎ：６．５％（質量％、以下同様）超え８．５％以下、Ｍｇ：０．５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｆｅ：０．３０％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．０５％未満、Ｃｒ：０．０５％未満、Ｚｒ：０．０５％以上０．２０％以下、Ｔｉ：０．００１％以上０．０５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、ＺｎとＭｇとの質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が５以上１６以下であり、金属組織が繊維状組織よりなる。

Description

アルミニウム合金材

関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０１５年１０月３０日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１５－２１４９５５号及び２０１６年２月１５日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１６－０２６１５２号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第第２０１５－２１４９５５号及び第２０１６－０２６１５２号の全内容を本国際出願に参照により援用する。

　本開示は、アルミニウム合金材に関する。

　従来、高強度を示すアルミニウム合金としては、ＡｌにＺｎ及びＭｇを添加した７０００系アルミニウム合金が知られている。７０００系アルミニウム合金は、Ａｌ－Ｍｇ－Ｚｎ系の析出物が時効析出するために高い強度を示す。７０００系アルミニウム合金の中でも、Ｚｎ及びＭｇに加えてＣｕを添加したものは、アルミニウム合金の中で最も高い強度を示す。

　７０００系アルミニウム合金は、例えば、熱間押出加工等により製造され、高強度を要求される航空機、車両等の輸送機器、機械部品等に加え、スポーツ用品等の用途に使用される。７０００系アルミニウム合金において、上記用途で使用される場合に要求される特性は、強度以外に、耐衝撃性（靱性）等がある。７０００系アルミニウム合金の例として、例えば、特許文献１に記載のアルミニウム合金材が提案されている。

特開２００７－１１９９０４号公報

　７０００系アルミニウム合金では、高強度を達成するためにＺｎ及びＭｇの添加量を増加させると、強度向上の効果が得られる一方で、靭性が低下するという問題がある。
　さらに、上記用途では、上述した特性に加えて良好な外観特性が必要となり、表面の質感、見た目等の表面品質が重要視される。ところが、７０００系アルミニウム合金では、表面傷を防止する目的で陽極酸化処理等の表面処理を行う場合、粒界上に析出した化合物が前処理時に優先的にエッチングされ、表面処理後の表面に筋状模様が発生するという表面品質の問題がある。このように、従来は、強度と表面品質の両方が必要となる用途において、７０００系アルミニウム合金を用いることが困難であった。

　本開示の一側面においては、表面品質、靱性に優れた、高強度のアルミニウム合金材を提供することが望ましい。

　上記アルミニウム合金材は、上記特定の化学成分を有し、金属組織が繊維状組織よりなる。特に、Ｍｇの含有量の上限を規制することにより、高強度を確保しながら、繊維状組織であっても陽極酸化処理等の表面処理後における表面の筋状模様の発生を抑制できる。また、Ｃｕの含有量の上限を規制することにより、黄色味を帯びる色調の変化等を抑制でき、良好な表面品質を得ることができる。また、ＺｎとＭｇとの質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）を上記特定の範囲とすることにより、高強度を確保しながら、靱性を向上させることができる。

曲げ試験方法を示す説明図である。金属組織観察方法を示す説明図である。

　１０…試験片、２０…押出材

　以下、本開示の実施形態について説明する。なお、本開示は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

　本開示の実施形態におけるアルミニウム合金材の各成分組成について詳細に説明する。
　Ｚｎ：
　Ｚｎは、Ｍｇと共存してη’相を析出し、強度を向上させる効果がある。Ｚｎ含有量の範囲は、６．５％超え８．５％以下である。Ｚｎ含有量が６．５％以下の場合には、η’相の析出量が少なくなるため、強度向上の効果が小さくなる。一方、Ｚｎ含有量が８．５％を超える場合には、熱間加工性が低下するため、生産性が低下する。

　Ｍｇ：
　Ｍｇは、Ｚｎと共存してη’相を析出し、強度を向上させる効果がある。Ｍｇ含有量の範囲は、０．５％以上１．５％以下である。特に、Ｍｇ含有量の上限を１．５％以下に規制することにより、強度向上の効果を得ながら、粒界（結晶粒界、亜粒界等）上への化合物の析出を抑制できる。そのため、陽極酸化処理等の表面処理の際に、粒界上に析出した化合物が前処理時にエッチングされる量を低減し、表面処理後における表面の筋状模様の発生を抑制できる。

　Ｍｇ含有量が０．５％未満の場合には、η’相の析出量が少なくなるため、強度向上の効果が小さくなる。一方、Ｍｇ含有量が１．５％を超える場合には、熱間加工性が低下するため、生産性が低下する。また、粗大な化合物が生成しやすくなり、最終製品の耐衝撃性（靱性）が低下する。靱性を低下させず、より高い強度を達成するため、Ｍｇ含有量は、１．０％以上１．３％以下であることが好ましい。

　Ｃｕ：
　Ｃｕは、アルミニウム合金材の原料としてリサイクル材を使用する場合に混入する可能性がある。７０００系アルミニウム合金において、Ｃｕの含有は強度向上に寄与する一方、陽極酸化処理等の表面処理によって表面の色調が黄色味を帯びるといった色調変化等が生じ、表面品質が低下する原因となり得る。したがって、特に表面処理後の表面の色調が重要視される場合、Ｃｕ含有量の上限を規制する必要がある。そこで、Ｃｕ含有量の上限を０．１０％以下に規制することにより、上述した表面品質の低下を抑制できる。さらに、Ｃｕ含有量は、０．０８％以下であることが好ましい。

　Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｃｒ：
　Ｆｅ、Ｓｉは、アルミニウム地金の不純物として混入する可能性がある。Ｍｎ、Ｃｒは、アルミニウム合金材の原料としてリサイクル材を使用する場合に混入する可能性がある。上記４成分のうち、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｍｎは、Ａｌとの間にＡｌ－Ｍｎ系、Ａｌ－Ｍｎ－Ｆｅ系、Ａｌ－Ｍｎ－Ｆｅ－Ｓｉ系の化合物を形成することにより、再結晶化を抑制する作用を有する。また、Ｃｒは、Ａｌとの間にＡｌ－Ｃｒ系の化合物を形成することにより、再結晶化を抑制する作用を有する。そのため、上記４成分の含有により、再結晶組織の形成が抑制され、その代わりに繊維状組織が形成される。

　しかしながら、上記４成分が過度に含有されると、形成される化合物が粗大となり、この粗大な化合物が原因となって陽極酸化処理等の表面処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面品質が低下する。したがって、Ｆｅ含有量を０．３０％以下、Ｓｉ含有量を０．３０％以下、Ｍｎ含有量を０．０５％未満、Ｃｒ含有量を０．０５％未満に規制することにより、上述したような表面品質の低下を抑制できる。

　Ｚｒ：
　Ｚｒは、Ａｌとの間にＡｌ－Ｚｒ系の化合物を形成し、再結晶化を抑制する作用を有する。そのため、Ｚｒの含有により、再結晶組織の形成が抑制され、その代わりに繊維状組織が形成される。Ｚｒ含有量の範囲は、０．０５％以上０．２０％以下である。Ｚｒ含有量が０．０５％未満の場合には、再結晶化を抑制する効果が小さく、再結晶組織と繊維状組織とが入り混じった不均一な金属組織となり、陽極酸化処理等の表面処理後の表面に斑状模様が視認される等の問題が生じ、表面品質が低下する。一方、Ｚｒ含有量が０．２０％を超える場合には、粗大な化合物を生じ、陽極酸化処理等の表面処理後の表面に点状欠陥が認められ、表面品質が低下する。

　Ｔｉ：
　Ｔｉは、鋳塊結晶粒の微細化を図るために添加する。Ｔｉ含有量の範囲は、０．００１％以上０．０５％以下である。Ｔｉ含有量が０．００１％未満の場合には、結晶粒微細化効果が小さくなるため、陽極酸化処理等の表面処理後の表面に斑状模様が発生しやすくなり、表面品質が低下する。一方、Ｔｉ含有量が０．０５％を超える場合には、Ａｌとの間に形成されるＡｌ－Ｔｉ系の化合物等が原因となって陽極酸化処理等の表面処理後の表面に点状欠陥が発生しやすくなり、表面品質が低下する。

　その他の元素：
　上記元素の他は、基本的にはＡｌ及び不可避的不純物とすればよい。一般的にアルミニウム合金に添加される上記元素以外の元素は、不可避的不純物として、特性に大きな影響を与えない範囲内で許容される。

　上記アルミニウム合金材は、ＺｎとＭｇとの質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が５以上１６以下である。Ｚｎ含有量の上限を規制し、さらに質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）を上記特定の範囲とすることにより、ＺｎとＭｇとの化合物が減少及び微細化する。これにより、強度を確保しながら、靱性を向上させることができる。また、結晶粒界と結晶粒内の電位差の拡大を抑制し、耐応力腐食割れ性（以下、耐ＳＣＣ性という。ＳＣＣは、Ｓｔｒｅｓｓ　Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　Ｃｒａｃｋｉｎｇの略である。）を向上させることができる。

　上述したＺｎ及びＭｇの含有量の範囲において、質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が５未満の場合には、ＺｎとＭｇとの化合物を減少及び微細化させる効果が小さくなり、靱性向上の効果が十分に得られなくなる。一方、質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が１６を超える場合には、Ｚｎ含有量が多くなるため陽極溶解が起こりやすくなり、耐ＳＣＣ性が低下する。質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）のより好ましい範囲は、１４以上１６以下である。

　上記アルミニウム合金材は、金属組織が繊維状組織よりなる。繊維状組織とは、特定の一方向へのアスペクト比が大きい結晶粒により構成される金属組織である。金属組織は、例えば、アルミニウム合金材の表面又は断面を偏光顕微鏡で観察することにより確認できる。

　上記アルミニウム合金材において、繊維状組織は、アルミニウム合金材の加工方向（例えば、押出材であれば押出方向）に直交する方向に平行な断面における繊維状結晶粒の幅の最大値が３０μｍ未満であることが好ましい。この場合には、繊維状組織の幅が細くなり、より均一となることから、良好な表面品質を得ることができる。

　上記アルミニウム合金材は、ＪＩＳ　Ｚ２２４１（ＩＳＯ　６８９２－１）に規定される耐力が３００ＭＰａ以上であることが好ましく、３５０ＭＰａ以上であることがより好ましい。これにより、軽量化のための薄肉化に対応可能な強度特性を比較的容易に得ることができる。

　上記アルミニウム合金材には、例えば、アルミニウム合金からなる押出材、板材等が含まれる。したがって、本開示は、押出材、板材等の各種のアルミニウム合金材に適用することができる。

　本開示のアルミニウム合金材の実施例について、比較例と対比しながら、表１及び表２を用いて説明する。以下に示す実施例は、本開示の一実施態様を示すものであり、本開示は何らこれらに限定されるものではない。

　表１及び表２に示すように、アルミニウム合金材の化学成分が異なる複数の試料（実施例：試料１～試料２４、比較例：試料２５～試料３９）を同一の製造条件で作製し、各試料について各種評価を行った。以下、試料の作製方法、各種評価方法について説明する。

　＜試料の作製方法＞
　半連続鋳造により、表１に示す化学成分を有する、直径９０ｍｍの円柱状の鋳塊（ビレット）を鋳造する。そして、鋳塊を５００℃で１２時間加熱する均質化処理を行う。なお、均質化処理は、加熱温度を例えば４００～５３０℃とすることができる。その後、鋳塊の温度を５２０℃に維持した状態で、鋳塊を熱間押出加工する。これにより、幅１５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの押出材を得る。

　次いで、熱間押出加工直後の押出材を１５００℃／分の冷却速度で１００℃まで冷却する急冷処理を行う。そして、急冷処理を行った押出材を室温まで冷却した後、押出材を１４０℃で１２時間加熱する人工時効処理を行う。これにより、アルミニウム合金材（押出材）の試料を得る。

　＜機械的特性評価方法＞
　ＪＩＳ　Ｚ２２４１（ＩＳＯ６８９２－１）に準拠する方法により、試料から試験片を作製し、その試験片の引張強さ、耐力及び伸びを測定する。耐力が３００ＭＰａ以上であるものを合格と判定する。なお、耐力の判定基準はあくまでも一例である。

　また、曲げ試験については、図１に示すように、試料の幅方向中央部分から厚さ１０ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ１２０ｍｍの試験片１０を作製し、三点曲げ試験によりその試験片１０の曲げ変形量Δを測定する。具体的には、土台部１１及び２つの支点部１２を有する治具を準備し、２つの支点部１２上に試験片１０を静置する。このとき、２つの支点部１２によって試験片１０を試験片１０の両端からそれぞれ１０ｍｍの位置で支持し、支点間距離を１００ｍｍとする。そして、試料の幅方向に直交する方向であって下向きの荷重を先端面の寸法が１０ｍｍ×１０ｍｍの圧子１３により負荷する。ここでは、４０００ｋｇｆの荷重を１０秒間加えた後の曲げ変形量Δが４ｍｍを超えた場合には不合格「×」、２ｍｍ超え４ｍｍ以下の場合には合格「○」と判定し、２ｍｍ以下の場合には合格であってより好ましい結果「◎」と判定する。

　＜靱性評価方法＞
　ＪＩＳ　Ｚ２２４２に準拠する方法により、シャルピー衝撃試験を行う。具体的には、厚さ７．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ５５ｍｍの試験片を作製する。試験片は、その長手方向が押出方向に平行であり、かつ、押出方向に直交するように形成された深さ２ｍｍのＵノッチを有する。そして、試験片に対してシャルピー衝撃試験を行い、衝撃値を測定する。衝撃値が１５Ｊ／ｃｍ²以上の場合には合格と判定し、１５Ｊ／ｃｍ²未満の場合には不合格と判定する。なお、衝撃値の判定基準はあくまでも一例である。

　＜耐ＳＣＣ性評価方法＞
　ＪＩＳ　Ｚ８７１１に準拠する方法により、ＳＣＣ試験を行う。具体的には、Ｃリング形状（外径１９ｍｍ、内径１６ｍｍ、厚さ８ｍｍ）の試験片を作製する。そして、応力集中部における引張応力の負荷方向が試験片の押出方向と一致するように、試験片に対して耐力の９０％の応力を負荷し、その状態で２５℃の温度環境の下、試験片を３．５％濃度の塩水に１０分間浸漬した後、５０分間乾燥させるという工程を１サイクルとして繰り返し行う。３０日後、試験片に割れが発生していないか目視で確認する。試験片に割れが発生していない場合には合格と判定し、試験片に割れが発生している場合には不合格と判定する。

　＜金属組織観察方法＞
　試料について、加工方向（ここでは押出方向）を長さ方向とした場合の幅方向に平行な断面であり、かつ幅方向中央付近部分の組織観察を行う。図２に示すように、試料である押出材２０を切断し、押出材２０の厚さ中央位置断面及び上下の厚さ１／４位置断面の計３つの断面について、電解研磨した後、偏光顕微鏡により倍率５０～１００倍で各断面の顕微鏡像（例えば図２下段に示す写真）を取得する。そして、取得した顕微鏡像から金属組織が繊維状であるかを確認し、金属組織が繊維状である場合には合格と判定し、金属組織が不均一である場合には不合格と判定する。観察方向は、図２に示すように、試料の厚さ方向である。さらに、取得した顕微鏡像に対し画像解析を行い、各断面における結晶粒の幅の最大値を求める。結晶粒の幅が３０μｍ未満であるものを好ましい結果と判定する。

　＜表面品質評価方法＞
　試料の表面を機械的研磨（バフ研磨）した後、水酸化ナトリウム水溶液によりエッチングを行い、さらにデスマット処理を行う。そして、デスマット処理後の試料をリン酸－硝酸法を用いて９０℃の温度で１分間の化学研磨を行う。

　次いで、化学研磨後の試料を１５％濃度の硫酸浴下において、１５０Ａ／ｍ²の電流密度で陽極酸化処理を行い、厚さ１０μｍの陽極酸化被膜を形成する。その後、陽極酸化処理後の試料を沸騰水に浸漬し、陽極酸化被膜の封孔処理を行う。このようにして、試料に対して表面処理（陽極酸化処理）を行う。

　次いで、表面処理（陽極酸化処理）後の試料の表面を目視により観察する。まず、試料表面に対して垂直方向から試料表面を観察し、試料の表面に筋状模様、斑状模様、点状欠陥等の表面欠陥が生じていない場合には合格と判定し、表面欠陥が生じている場合には不合格と判定する。さらに、試料表面に対して３０°の方向から試料表面を観察し、試料表面における光の反射状況が均一である場合、又は、試料表面の一部における光の反射状況が不均一であるが表面品質に問題がない場合には、合格と判定し、そうでない場合には不合格と判定する。

　上記表面欠陥において、筋状模様とは、金属組織が繊維状である場合に、表面処理の前処理時において、粒界上に析出した化合物がエッチングされた結果、粒界に沿って筋状に見える模様である。斑状模様とは、結晶粒サイズが異なることで部分的に結晶粒が粗大、微細となり、大小の結晶粒が表面処理後にまだらに見える模様である。点状欠陥とは、粗大化合物がエッチングされることにより、粗大化合物が抜け落ちる等、化合物が存在していた箇所に凹状の窪みが形成され、これが表面処理後に点状に見える模様である。

　各試料の評価結果を表２に示す。なお、各試料において、合格と判定されなかった（不合格と判定された）評価結果については、表２中の評価結果に下線を付して示した。

　表２からわかるように、試料１～試料２４は、金属組織が繊維状組織であり、機械的特性（耐力、曲げ試験）、靱性（衝撃値）、耐ＳＣＣ性（応力腐食割れ）、金属組織観察（金属組織、結晶粒の幅）、表面品質（表面処理後の欠陥、光の反射状況）の全ての評価項目で合格又は合格であってより好ましい結果となった。すなわち、強度、靱性、表面品質共に優れた特性を示し、さらに耐ＳＣＣ性についても優れた特性を示した。

　なお、試料２４は、表面処理後の欠陥は認められなかったが、結晶粒の幅が少し大きいため、光の反射状況において一部不均一となった。ただし、表面品質に問題がない程度であった。

　試料２５は、Ｚｎ含有量が低すぎるため、強度向上効果が十分に得られず、耐力が不合格であった。一方、試料２６は、Ｚｎ含有量が高すぎるため、熱間加工性が悪く、実質的な設備では熱間押出加工が困難であった。

　試料２７は、Ｍｇ含有量が低すぎるため、強度向上効果が十分に得られず、耐力が不合格であった。一方、試料２８は、Ｍｇ含有量が高すぎるため、熱間加工性が悪く、実質的な設備では熱間押出加工が困難であった。

　試料２９は、Ｃｕ含有量が高すぎるため、陽極酸化処理後の表面の色調が黄色を帯び、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。
　試料３０は、Ｚｒ含有量が低すぎるため、粗大で不均一な再結晶組織となって陽極酸化処理後の表面に斑状模様が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。一方、試料３１は、Ｚｒ含有量が高すぎるため、粗大な化合物が生じて陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。

　試料３２は、Ｓｉ含有量が高すぎるため、陽極酸化処理の際にエッチングが過剰となって陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。

　試料３３は、Ｆｅ含有量が高すぎるため、陽極酸化処理の際にエッチングが過剰となって陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。

　試料３４は、Ｍｎ含有量が高すぎるため、粗大な化合物が生じて陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。
　試料３５は、Ｃｒ含有量が高すぎるため、粗大な化合物が生じて陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。

　試料３６は、Ｔｉ含有量が低すぎるため、鋳塊組織が粗大となり、熱間押出加工後の金属組織が不均一となって陽極酸化処理後の表面に斑状模様が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。一方、試料３７は、Ｔｉ含有量が高すぎるため、粗大な化合物が生じて陽極酸化処理後の表面に点状欠陥が発生し、表面処理後の欠陥が認められ、不合格であった。

　また、表面処理後の欠陥が不合格であった試料３０～試料３７は、光の反射状況の項目において不均一となった。
　試料３８は、質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が低すぎるため、衝撃値が１５未満となり、衝撃値（靱性）が不合格であった。一方、試料３９は、質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が高すぎるため、耐ＳＣＣ性試験において応力腐食割れが発生し、応力腐食割れ（耐ＳＣＣ性）が不合格であった。

　なお、上述した実施例では、本発明のアルミニウム合金材の一実施形態として押出材を評価したが、例えば板材等の他の実施形態であっても、上述した実施例と同様の結果が得られる。

Claims

　アルミニウム合金材であって、
　Ｚｎ：６．５％（質量％、以下同様）超え８．５％以下、Ｍｇ：０．５％以上１．５％以下、Ｃｕ：０．１０％以下、Ｆｅ：０．３０％以下、Ｓｉ：０．３０％以下、Ｍｎ：０．０５％未満、Ｃｒ：０．０５％未満、Ｚｒ：０．０５％以上０．２０％以下、Ｔｉ：０．００１％以上０．０５％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる化学成分を有し、
　ＺｎとＭｇとの質量比（Ｚｎ／Ｍｇ）が５以上１６以下であり、
　金属組織が繊維状組織よりなる、アルミニウム合金材。
　前記繊維状組織は、前記アルミニウム合金材の加工方向に直交する方向に平行な断面における繊維状結晶粒の幅の最大値が３０μｍ未満である、請求項１に記載のアルミニウム合金材。