特許 6000988 耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6000988

(24)【登録日】2016年9月9日

(45)【発行日】2016年10月5日

(54)【発明の名称】耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C22C 21/02 20060101AFI20160923BHJP

   C22C 21/06 20060101ALI20160923BHJP

   C22F 1/05 20060101ALI20160923BHJP

   C22F 1/00 20060101ALN20160923BHJP

【ＦＩ】

   C22C21/02

   C22C21/06

   C22F1/05

   !C22F1/00 602

   !C22F1/00 604

   !C22F1/00 612

   !C22F1/00 630A

   !C22F1/00 630B

   !C22F1/00 630K

   !C22F1/00 631A

   !C22F1/00 682

   !C22F1/00 683

   !C22F1/00 684A

   !C22F1/00 691B

   !C22F1/00 691C

   !C22F1/00 692A

   !C22F1/00 692B

   !C22F1/00 694B

   !C22F1/00 640A

   !C22F1/00 630Z

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2013-556434(P2013-556434)

(86)(22)【出願日】2013年1月30日

(86)【国際出願番号】JP2013052002

(87)【国際公開番号】WO2013115227

(87)【国際公開日】20130808

【審査請求日】2015年9月15日

(31)【優先権主張番号】特願2012-18486(P2012-18486)

(32)【優先日】2012年1月31日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000100791

【氏名又は名称】アイシン軽金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114074

【弁理士】

【氏名又は名称】大谷 嘉一

(72)【発明者】

【氏名】柴田 果林

【審査官】 松本 要

(56)【参考文献】

【文献】 特開平９−２０２９３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２１９３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−６０２８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−２５６３６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１３５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−７０８４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２０８２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−９６６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−２５６０９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 R.K.WYSS ET AL.，Influence of Excess Si on Strength and Toughness in Al-Mg-Si Alloys，MATERIALS SCIENCE FORUM，スイス，Transtec Publications，１９９６年 １月，vols.217-222，p.1783-1788

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ ２１／０２−２１／０６

Ｃ２２Ｆ １／００− １／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量％にて、Ｍｇ：０．６５〜０．９０％，Ｓｉ：０．６０〜０．９０％，化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉとして１．０〜１．３％且つ、当該化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉに対する過剰Ｓｉ量が合金組成中０．１０〜０．３０％であり、
Ｃｕ：０．２０〜０．４０％，Ｆｅ：０．２０〜０．４０％，Ｍｎ：０．１０〜０．２０％且つ、Ｆｅ＋Ｍｎ≧０．３５％であり、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であることを特徴とする耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材。

【請求項2】

押出材におけるアスペクト比で４．０以上有する結晶粒の平均粒径が８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材。

【請求項3】

耐力値が２８０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材。

【請求項4】

シャルピー衝撃試験による耐衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材。

【請求項5】

質量％にて、Ｍｇ：０．６５〜０．９０％，Ｓｉ：０．６０〜０．９０％，化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉとして１．０〜１．３％且つ、当該化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉに対する過剰Ｓｉ量が合金組成中０．１０〜０．３０％であり、
Ｃｕ：０．２０〜０．４０％，Ｆｅ：０．２０〜０．４０％，Ｍｎ：０．１０〜０．２０％且つ、Ｆｅ＋Ｍｎ≧０．３５％であり、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であるアルミニウム合金を用いて、
押出加工及び当該押出加工の直後に冷却平均速度が１００℃／ｍｉｎ以下の条件で冷却し、その後に人工時効処理することを特徴とする耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のアルミニウム合金を用いた押出材に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、地球環境保護の観点から自動車の分野においても軽量化による走行性能の向上、燃費改善が要求されている。
自動車の燃費向上の一手段として車体の軽量化が要求されている中で、自動車構造材にアルミニウム合金押出形材の適用が検討されている。
自動車用構造材としては、高強度、曲げ加工性、耐食性が要求され、ＪＩＳ７０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）及びＪＩＳ６０００系アルミニウム合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）が注目されているが、７０００系アルミニウム合金は自然時効型合金であり、押出成形から曲げ加工までに工程が長いとその間に硬くなり加工がしにくくなる欠点があり、また、７０００系アルミニウム合金は応力環境下での耐食性が低下する。
そこで、自然時効がなく耐食性に優れる熱処理型合金として６０００系アルミニウム合金が有望視されている。
しかし、従来の高強度の６０００系アルミニウム合金からなる押出材は、引張り強さは高いが伸び特性が充分でなく、曲げ加工時に割れが発生しやすい欠点がある。
また、高い強度を得るために押出加工直後に水冷するプレス端焼入れを行う。
水冷によるプレス端焼入れは押出後再加熱する溶体化・焼入れ処理とほぼ同等の物性が得られる利点があるが、押出材の断面形状や肉厚の差等に基づいて断面の各部位で冷却速度に差が生じ、冷却中に押出材の温度分布が不均一となって歪みが発生し寸法精度が悪く且つ断面形状の薄肉化が難しくなり、またそのような歪みの発生を防止しようとすれば断面形状の自由度が小さくなるという問題がある。
さらに空冷に比べ高コストであるという問題がある。
一方、空冷による焼入れは水冷によるプレス端焼入れに比べ低コストであるという利点があるが、冷却速度に限りがあるため合金組成によっては高い強度が得られず、高い強度が得られた場合でも延性が劣る問題があった。

【0003】

特許文献１に、Ｍｇ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．３〜０．９％、Ｃｕ≦０．０５％、Ｍｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒ≦０．０９５％、押出方向長さ３μｍ以上のＭｇ_２Ｓｉ量≧５０個／ｍｍ_２である、軸圧壊特性、耐食性に優れるアルミニウム合金押出材を開示するが、このような合金組成では耐食性に優れていても耐力値が２２０ＭＰａ程度と低く、製品の軽量化には十分に貢献できないと考えられ、実施しているプレス端焼入れも水冷を用いているものが多いので押出生産性も低いと予想される。
Ｃｕ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ添加も不純物扱いで制限されているので延性向上効果もないと予想できる。
また、特許文献２は、Ｍｇ：０．４５〜０．７５％、Ｓｉ：０．４５〜０．８０％、過剰Ｓｉ量０．１〜０．４％、Ｍｎ：０．１５〜０．４０％、Ｃｒ：０〜０．１％、Ｍｎ，Ｃｒ系化合物を微細分散した焼入れ性、軸圧壊持性に優れるアルミニウム合金押出材を開示するが、プレス端焼入れ手段として空冷を用いている点では生産性が良いもの、耐力値が２２０ＭＰａ程度と低い。
焼入れ感受性を鋭くさせるＣｒの添加も必要であり、空冷による冷却手段では耐力値の向上が難しい。

【0004】

【特許文献1】日本国特開２００２−２８５２７２号公報

【特許文献2】日本国特開２００４−２２５１２４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、耐食性、延性に優れるとともに、押出加工時に良好な焼入れ性を有することから生産性が高いＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の高強度アルミニウム合金押出材及びその製造方法の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る耐食性、延性及び焼入れ性に優れた高強度アルミニウム合金押出材は、質量％にて、Ｍｇ：０．６５〜０．９０％，Ｓｉ：０．６０〜０．９０％，化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉとして１．０〜１．３％且つ、当該化学量論組成Ｍｇ_２Ｓｉに対する過剰Ｓｉ量が合金組成中０．１０〜０．３０％であり、Ｃｕ：０．２０〜０．４０％，Ｆｅ：０．２０〜０．４０％，Ｍｎ：０．１０〜０．２０％且つ、Ｆｅ＋Ｍｎ≧０．３５％であり、Ｔｉ：０．００５〜０．１％含有し、残部がアルミニウム及び不可避的不純物であることを特徴とする。
また、このような押出材は上記成分組成のアルミニウム合金を用いて、押出加工及び当該押出加工の直後に冷却平均速度が１００℃／ｍｉｎ以下の条件で冷却し、その後に人工時効処理することで得られる。
冷却速度１００℃／ｍｉｎ以下であれば水冷する必要はなく、押出加工直後にファン空冷でき、空冷によるプレス端焼入れが可能である。
例えば、押出プレスにて押出された押出材をファンで冷却すれば５０〜１００℃／ｍｉｎの冷却速度が得られる。

【0007】

このようにして生産された押出材は、アスペクト比で４．０以上有する結晶粒の平均粒径が８０μｍ以下になっていて、σ＝０．２％の耐力が２８０ＭＰａ以上有する。
ここで、アスペクト比とは、押出方向に伸長した再結晶組織の結晶粒の押出方向の長さＬ_１とそれに直交する方向の長さＬ_２とすると、Ｌ_１／Ｌ_２の値をいう。
平均粒径とは、結晶粒の外接円の平均的な直径をいう。
また、本発明に係る押出形材は、シャルピー衝撃試験による耐衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ^２以上を有する。

【0008】

次に成分範囲を選定した理由を説明する。
＜Ｍｇ，Ｓｉ＞
Ｍｇ及びＳｉはＭｇ_２Ｓｉの析出により、押出材の強度に寄与する。
いずれも添加量が多くなり過ぎると押出性が低下するため、Ｍｇの上限は０．９０％，Ｓｉの上限は０．９０％に設定した。
押出性を考慮しつつ、０．２％耐力値で２８０ＭＰａ以上を得るのにＭｇ_２Ｓｉの量として１．０〜１．３％に設定した。
ここで、化学量論Ｍｇ_２Ｓｉに対する過剰シリコンの量は、押出性を比較的阻害することなく０．２％耐力値を向上させることができる。
但し、過剰シリコンの量が多過ぎると延性が低下することから、過剰Ｓｉの量は０．１０〜０．３０％とした。
延性を確保しやすい点からは、過剰Ｓｉの量を０．１０〜０．２０％の範囲に制御するのが好ましい。
＜Ｃｕ＞
Ｃｕ成分は固溶硬化に寄与し、所定の量であれば伸びも確保できる。
しかし、添加量が多くなると耐食性が低下し押出性も悪化するので、Ｃｕ成分は０．２〜０．４％の範囲とした。
＜Ｆｅ＞
本発明は、Ｆｅ成分を０．２０〜０．４０％の範囲に制御した点に特徴がある。
Ｆｅ成分は、押出加工後の金属組織において結晶粒を微細化し、延性が向上する。
また、Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒ等の従来から公知の微細化添加成分は、押出加工直後のファン空冷にても焼入れ感受性が強くなるが、このＦｅ成分は焼入れ感受性を強くすることなく、冷却速度１００℃／ｍｉｎ以下で充分に焼入れが可能である。
＜Ｍｎ＞
Ｍｎは、上記に説明したとおり押出加工直後のファン空冷における焼入れ感受性に影響を与えることが一般に知られているものの、本発明者が精意検討した結果、０．２０％以下であればファン空冷によるプレス端焼入れにおいて焼入れ感受性に大きな影響を与えることなく、Ｍｎ成分０．１０〜０．２０％の範囲であれば球状の再結晶組織に比較して割れ伝播性が抑制された押出方向に伸長した再結晶組織になり、その平均結晶粒径も小さい金属組織になることが明らかになった。
そこで、ＦｅとＭｎとの合計，Ｆｅ＋Ｍｎ≧０．３５％に設定した。
＜Ｔｉ＞
Ｔｉは、押出に用いるビレットの鋳造時における結晶粒の微細化に効果があり、０．００５〜０．１０％添加されているのが好ましい。
Ｔｉが０．１０％を越えると粗大な金属間化合物が発生しやすくなり、押出加工時に消滅しにくくなり、押出材の強度が低下する。
＜その他の成分＞
Ｃｒ，Ｚｒ，Ｚｎ等の上記以外の成分は、単独で０．０５％以下，合計で０．１５％以下であれば不可避的不純物として許容される。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、化学量論的Ｍｇ_２Ｓｉ成分が１．００〜１．３０％であり、過剰Ｓｉ量を０．１０〜０．３０％の範囲に設定したことにより、押出性を確保しつつ、耐力値の向上を図ることができ、Ｆｅ：０．２０〜０．４０％，Ｍｎ：０．１０〜０．２０％，Ｆｅ＋Ｍｎ≧０．３５％に設定したことにより空冷によるプレス端焼入れにて高強度と延性とを両立させることができる。
また、耐衝撃値も向上する。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実験評価に用いたビレットの成分組成を示す。

【図2】実験評価した製造条件を示す。

【図3】評価結果を示す。

【図4】押出材の金属組織の比較例を示す。

【発明を実施するための最良の形態】

【0011】

次に各種化学組成のビレットを鋳造し、押出評価した結果を説明する。
図１の表に示した合金成分の溶湯を調整し、直径８インチの円柱ビレットを鋳造速度６０ｍｍ／ｍｉｎ以上の速度で鋳造した。
図２の表にその後の製造条件を示す。
鋳造したビレットはＨＯＭＯ条件５６５〜５９５℃の温度にて２〜６ｈｒ均質化処理した。
ビレットを４８０〜５２０℃に予熱した後に、大きさが、Ｗ＝５０ｍｍ，Ｈ＝４０ｍｍ，肉厚が、ｔ＝３ｍｍ，ロ字形状の中空断面形状からなる押出材を押し出した。
この際の押出速度及び冷却速度を図２の表に示す。
本発明は、ファン空冷によるプレス端焼入れを目的に冷却速度５０〜１００℃／ｍｉｎの範囲に設定したが、比較例５だけは２００℃／ｍｉｎであった。
常温まで冷却された押出材はその後に熱処理条件１８５〜２００℃×３〜３．５ｈｒにて人工時効処理した。

【0012】

このようにして製造した押出材の特性を評価した結果を図３の表に示す。
＜評価項目及び評価方法＞
（１）引張強さ，０．２％耐力及び伸びについては、日本工業規格ＪＩＳ Ｚ２２４１に基づいて押出材からＪＩＳ−４号引張試験片を切り出し、ＪＩＳ規格に準拠した引張試験機にて測定した。
（２）ミクロ組織については、試験片を切り出し、表面を鏡面研磨仕上げをした後に３％ＮａＯＨ水溶液，４０℃×３ｍｉｎのエッチング処理した表面を光学顕微観察した。
図４に示した従来合金は、比較例１の金属組織写真であり、開発合金は実施例１の金属組織の例を示す。
アスペクト比は結晶粒の押出方向の長さＬ_１，それと直交する方向の長さＬ_２とすると、Ｌ_１／Ｌ_２の平均値（ｎ＝５〜１０）を求めた。
また、結晶粒径は外接円の直径として平均値（ｎ＝５〜１０）を求めた。
（３）耐食性については、耐応力腐食性割れ性（耐ＳＣＣ性）を評価した。
ＪＩＳ Ｈ８７１１に基づいて１号試験片を作製し、０．２％耐応力の１００％の応力を負荷した状態で次のサイクル試験を実施した。
１サイクル：３．５％ＮａＣｌ水溶液，２５℃，１０ｍｉｎ→２５℃，湿度４０％，５０ｍｉｎの自然乾燥、このサイクルを７２０サイクル実施し割れが発生しないものを合格とした。
（４）耐衝撃値は、ＪＩＳ Ｚ２２４２に基づいて押出形材よりＪＩＳ Ｖノッチ４号引張試験片を作成し、ＪＩＳ規格に準拠したシャルピー衝撃試験機を用いて耐衝撃値を測定した。
耐衝撃値として２０Ｊ／ｃｍ^２以上を目標とした。

【0013】

＜評価結果＞
本発明に係る実施例１〜１０は、比較例１〜１５と比較すると、まず第１に実施例１〜１０の押出材の金属組織（ミクロ組織）が扁平状の再結晶で且つ、アスペクト比４．０以上の結晶の平均結晶粒径が８０μｍ以下であった。
また、機械的特性においても実施例１〜１０はいずれも耐力が２８０ＭＰａ以上の高強度でありながら延性としての伸びを８％以上有している。
また、シャルピー衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ^２以上であった。
これに対して、比較例１〜５は伸びが高いものの耐力が低い。
これは、比較例１〜３はＣｕ成分が少なく、過剰Ｓｉが少ないからである。
また、比較例４はＭｇ_２Ｓｉの量が少なく、比較例５は過剰ＳｉもＭｎ＋Ｆｅの値も小さいからである。
比較例６〜８は耐力も伸びも悪い。
これは、Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇの成分が少ないからである。
比較例９〜１３は、耐力が目標を達成しているものの延びが悪く、耐衝撃値の値も低い。
これは、Ｆｅ＋Ｍｎの量が少ないからである。
比較例１４は、過剰Ｓｉ，Ｆｅ＋Ｍｎの値が少ないために、耐力，伸び，耐衝撃値が低い。
比較例１５は、ＳｉとＭｇの添加量が多い方であるが、過剰Ｓｉが少ないので耐力が低い。

【産業上の利用可能性】

【0014】

本発明に係るアルミニウム合金押出材は、耐食性，延性及び焼入れ性に優れるので、車両，機械等の構造材に広く適用できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】