特許 7208005 時効硬化型Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金

(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】

(24)【登録日】2023-01-10

(45)【発行日】2023-01-18

(54)【発明の名称】時効硬化型Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金

(51)【国際特許分類】

   C22C 21/06 20060101AFI20230111BHJP

   C22C 21/02 20060101ALI20230111BHJP

【ＦＩ】

C22C21/06

C22C21/02

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018537443

(86)(22)【出願日】2017-01-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-03-14

(86)【国際出願番号】 EP2017051243

(87)【国際公開番号】W WO2017125582

(87)【国際公開日】2017-07-27

【審査請求日】2020-01-20

(31)【優先権主張番号】16152467.3

(32)【優先日】2016-01-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】518247391

【氏名又は名称】アーエムアーゲー ローリング ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＡＭＡＧ ｒｏｌｌｉｎｇ ＧｍｂＨ

【住所又は居所原語表記】Ｌａｍｐｒｅｃｈｔｓｈａｕｓｅｎｅｒ Ｓｔｒａｓｓｅ ６１， ５２８２ Ｂｒａｕｎａｕ ａｍ Ｉｎｎ － Ｒａｎｓｈｏｆｅｎ， Ａｕｓｔｒｉａ

(74)【代理人】

【識別番号】100091683

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼川 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】アントレコヴィッチ，ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】エーブナー，トーマス

(72)【発明者】

【氏名】フラグナー，ヴェルナー

(72)【発明者】

【氏名】カオフマン，ヘルムート

(72)【発明者】

【氏名】ポガチャー，シュテファン

(72)【発明者】

【氏名】トゾーネ，ラモーナ

(72)【発明者】

【氏名】ウゴヴィッツァー，ペーター ヨット．

(72)【発明者】

【氏名】ヴェリノス，マリオン

【審査官】鈴木 毅

(56)【参考文献】

【文献】特開平０７－２０７３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５２１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０５２１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１８５３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１９９２７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－０５９１２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４９７５２０８（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表平１１－５１１８０６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ２１／００ － ２１／１８

Ｃ２２Ｆ １／０４ － １／０５７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

時効硬化型Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金であって、
０．６～１重量％のマグネシウム（Ｍｇ）、
０．２～０．７重量％のケイ素（Ｓｉ）、
０．１６～０．７重量％の鉄（Ｆｅ）、
０．０５～０．４重量％の銅（Ｃｕ）、
最大０．１５重量％のマンガン（Ｍｎ）、
最大０．３５重量％のクロム（Ｃｒ）、
最大０．２重量％のジルコン（Ｚｒ）、
最大０．２５重量％の亜鉛（Ｚｎ）、
最大０．１５重量％のチタン（Ｔｉ）、
０．００５～０．０７５重量％のスズ（Ｓｎ）、
ならびに残部アルミニウム、ならびに
それぞれ最大０．０５重量％、合わせて多くとも０．１５重量％の製造上不可避の不純物からなり、このとき、
Ｓｉ／Ｆｅの重量パーセント比が２．５未満であり、
Ｓｉの含有量が、パラメータＡが０．１７～０．４重量％の範囲にある下記の数式１

【数1】

に従って決定されるアルミニウム合金。

【請求項2】

前記パラメータＡが０．２６～０．３４重量％の範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム合金。

【請求項3】

前記パラメータＡが０．３重量％である、請求項１または２に記載のアルミニウム合金。

【請求項4】

Ｓｉの含有量が、下記の数式２

【数2】

に従って決定されることを特徴とする、請求項１～３のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項5】

Ｓｉ／Ｆｅの重量パーセント比が２未満であることを特徴とする、請求項１～４のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項6】

Ｓｉ／Ｍｇの重量パーセント比が０．３～０．９の範囲にあることを特徴とする、請求項１～５のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項7】

前記アルミニウム合金が、少なくとも０．２５重量％の銅（Ｃｕ）を含有することを特徴とする、請求項１～６のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項8】

前記アルミニウム合金が、０．００５～０．０５重量％の範囲でスズ（Ｓｎ）を含有することを特徴とする、請求項１～７のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【請求項9】

前記アルミニウム合金が６０００系に属することを特徴とする、請求項１～８のうちいずれか一項に記載のアルミニウム合金。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は時効硬化型Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金に関する。

【背景技術】

【0002】

室温で放置することによって自然時効させたＡ６０６１（Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系）アルミニウム合金を改良するために、特許文献１は、アルミニウム合金の固溶体に空孔活性微量元素、すなわちスズ（Ｓｎ）および／またはインジウム（Ｉｎ）を添加することを提案している。

【0003】

さらに、Ａ６０６１アルミニウム合金の特定の主要合金元素と副合金元素は、アルミニウム合金中のスズまたはインジウムの溶解度を低下させ、これが６０００系アルミニウム合金の室温での放置安定性に悪影響を及ぼすことが知られている（非特許文献１）。そのため、例えばＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕ、またはＺｎの含有量が多い６０００系アルミニウム合金は溶解度を低下させ、一方、Ｆｅ、Ｔｉ、およびＭｎは溶解度を向上させるとされる。さらに、例えばＳｉとＭｇ間および／またはＣｕとＭｇ間の相互作用効果も、アルミニウム合金中のＳｎの溶解度に重要な役割を果たしている。

【0004】

とはいえ、アルミニウム合金中の主要合金元素と副合金元素の含有量を任意に変化させることはできない。人工時効硬化能の望ましい高さ以外に、例えば成形性、強度、延性および／または耐食性といったその他の機械的および／または化学的要件を満たさなければならないからだ。これには、例えばアルミニウム合金中の主要合金元素を高濃度にして、特定の高温析出物を形成できるようにする必要がある。

【0005】

そのため、アルミニウム合金の組成の調整では、主要合金元素と副合金元素において、たいていは相対する分量比が必要となる。すなわち、一方で、アルミニウム合金中のＳｎの溶解度に有利で、室温での高い放置安定性を実現する分量比、他方で、アルミニウム合金の機械的および／または化学的特性値、すなわち性質に配慮しているものの、Ｓｎの溶解度にマイナスに作用することの多い分量比だ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】国際公開第２０１３／１２４４７２号

【非特許文献】

【0007】

【文献】Ｓｔｅｆａｎ Ｐｏｇａｔｓｃｈｅｒ ｅｔ． ａｌ， “Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ ａｎｄ ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｃｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｃｕ Ａｌｌｏｙｓ”， Ｌｉｇｈｔ Ｍｅｔａｌｓ ２０１５， ｐ．２６５－２７０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

そのため本発明の課題は、微量元素としてＳｎを含有するＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の時効硬化型アルミニウム合金の組成を変え、人工時効硬化のアルミニウム合金が、高い機械的および／または化学的性質と、室温での高い放置安定性とを兼ね備えられるようにすることである。さらに、このアルミニウム合金はとりわけ二次アルミニウムの使用に適しているとされる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、アルミニウム合金が、０．６～１重量％のマグネシウム（Ｍｇ）、０．２～０．７重量％のケイ素（Ｓｉ）、０．１６～０．７重量％の鉄（Ｆｅ）、０．０５～０．４重量％の銅（Ｃｕ）、最大０．１５重量％（すなわち０～０．１５重量％）のマンガン（Ｍｎ）、最大０．３５重量％（すなわち０～０．３５重量％）のクロム（Ｃｒ）、最大０．２重量％（すなわち０～０．２重量％）のジルコン（Ｚｒ）、最大０．２５重量％（すなわち０～０．２５重量％）の亜鉛（Ｚｎ）、最大０．１５重量％（すなわち０～０．１５重量％）のチタン（Ｔｉ）、０．００５～０．０７５重量％のスズ（Ｓｎ）および／またはインジウム（Ｉｎ）、ならびに残部アルミニウム、ならびに製造上不可避の不純物を含有し、このとき、Ｓｉ／Ｆｅの重量パーセント比が２．５未満であり、Ｓｉの含有量が、パラメータＡが０．１７～０．４重量％の範囲にある下記の数式１に従って決定されることによって、上記課題を解決する。

【0010】

【数1】

【0011】

Ｓｉ含有量を０．２～０．７重量％に、かつＦｅ含有量を０．１６～０．７重量％に制限するのに加え、Ｓｉ含有量とＦｅ含有量を調整するよう規定することによって、この調整が、Ｓｉ／Ｆｅの重量パーセント比が２．５未満であることと、パラメータＡが０．１７～０．４重量％の範囲にある下記の数式２を満足した場合に、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金の放置安定性と人工時効硬化能に、とりわけ有利に影響を及ぼすことができる。

【0012】

【数2】

【0013】

このようにＳｉ含有量とＦｅ含有量を厳密に調整したアルミニウム合金（そうした調整は、例えば図１の斜線部分で確認できる）は、すなわち上述の規定の上限により、アルミニウム合金の固溶体におけるスズおよび／またはインジウムの十分な溶解度を保証できる。そうすると、自然時効の際に析出挙動が遅延し、それによりアルミニウム合金の放置安定性が促進される。さらに調整の下限により、人工時効の際に十分な析出挙動を見込むことができ、それにより人工時効の際に高い強度値に達することができ、アルミニウム合金自体が、主要合金元素と副合金元素の含有量が高い６０００系アルミニウム合金で知られているような機械的性質と化学的性質を実現または改善できる。

【0014】

しかしながら驚いたことに、この規定を用いると、自然時効硬化を抑制するためにＳｎを含有する既知の６０００系アルミニウム合金と比べて、室温で何倍も遅延した析出挙動が観察できることがわかった。確かに、Ｓｉ含有量が比較的少ないと、自然時効硬化の遅延を引き起こせることは知られているが、本発明に従ってＳｉ含有量を調整すると、この既知の効果をはるかに越え、アルミニウム合金は並外れて高い放置安定性を示す。

【0015】

そのため本発明に従って、室温における放置安定性がとりわけ高く、人工時効硬化能に優れているというアルミニウム合金の利点を組み合わせることができる。

【0016】

さらに本発明によるこの組成は、Ｆｅ含有量が比較的多いことから、これについての二次アルミニウムの使用にもとりわけ適している可能性がある。

【0017】

一般に、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金には、それぞれ最大０．０５重量％、合わせて多くとも０．１５重量％の不純物が存在する可能性があると言及される。さらに一般に、例えばＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｚｎ、またはチタンで見られる最大重量％の指示は、０から始まると見なすことができると言及される。

【0018】

さらに完全を期すために、アルミニウムスクラップから得られたアルミニウムまたはアルミニウム合金は、二次アルミニウムと理解することができると言及される。

【0019】

アルミニウム合金の放置安定性と人工時効硬化能は、パラメータＡが０．２６～０．３４重量％の範囲にある場合、さらに改善することができる。この規定により、すなわちＳｎの溶解度が比較的大きくなり、Ｓｉが、自然時効硬化にわずかな影響しか及ぼさないようにできる。それにより、室温において予想外に高い安定性を実現することができる。さらに、このように調整された合金は、この合金のＳｉ含有量が比較的低いにもかかわらず、（例えば高温保持による）人工時効硬化後に、驚くほど高い強度に達することができる。

【0020】

パラメータＡが０．３重量％であるとき、最適な放置安定性と人工時効硬化能を示すことができる。

【0021】

下記の数式３に従ってＳｉの含有量を決定すれば、Ｓｎの溶解度に影響を与える成分をさらに改善して互いに調整することができる。具体的には、ＴｉはＳｉと相を形成することができ、これがＳｎの溶解度によい影響を及ぼすことができる。それにより、アルミニウム合金の放置安定性がさらに改善できる。

【0022】

【数3】

【0023】

Ｓｉ／Ｆｅの重量パーセント比が２未満であれば、ＦｅによってＳｉの凝固が進むことにより、アルミニウム合金中の溶解Ｓｉの含有量を大幅に減少させることができる。それにより、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金の固溶体におけるスズおよび／またはインジウムの溶解度を向上させることができ、放置安定性をさらに高めることができる。

【0024】

Ｓｉ／Ｍｇの重量パーセント比が０．３～０．９の範囲内にあるとき、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金の固溶体におけるスズおよび／またはインジウムの溶解度を比較的高くすることができる。

【0025】

アルミニウム合金が少なくとも０．２５重量％の銅（Ｃｕ）を含有する場合、Ｃｕの含有量がこのように比較的高いことにより、Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金の固溶体におけるＳｎの溶解度に対するＭｇおよびＳｉの悪影響が相殺的に干渉され得る。

【0026】

アルミニウム合金がアルミニウム混晶の固溶体中に０．００５～０．０５重量％の範囲でスズ（Ｓｎ）を含有する場合、アルミニウム合金の優れた放置安定性を得ることができる。一般に、「固溶体」という用語は、合金元素が固体マトリックス中に分散している状態を指すことができると言及される。

【0027】

好ましくは、アルミニウム合金は６０００系に属する。好ましくは、アルミニウム合金はＥＮ ＡＷ－６０６１アルミニウム合金である。

【0028】

アルミニウム合金が最大０．０５重量％のクロム（Ｃｒ）と０．０５重量％超のジルコン（Ｚｒ）を含有する場合、Ｓｎの焼入れ感受性を低下させ、比較的遅い焼入れ速度でも、Ｓｎをアルミニウム混晶の固溶体中に保持することができる。さらにそれにより、厚板でも、最適な放置安定性と人工時効硬化能を得ることができる。

【0029】

アルミニウム合金は、場合によっては腐食挙動を改善するために、少なくとも０．０２重量％のクロム（Ｃｒ）を含有することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】アルミニウム合金中のＳｉとＦｅの含有量を示す表である。

【図2】アルミニウム合金の放置期間［ｄ］とブリネル硬さ［ＨＢＷ］を示す表である。

【図3】アルミニウム合金の人工時効温度［℃］とブリネル硬さ［ＨＢＷ］を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

得られた効果を証明するために、さまざまなＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系（６０００系）アルミニウム合金からなる薄板を作製した。試験した合金の組成を表１に示す。

【0032】

【表1】

【0033】

表１のアルミニウム合金１は、基本的に微量元素Ｓｎを添加した後の標準合金ＡＡ６０６１に相当し、スズの代わりに、インジウムまたはＳｎとＩｎとの組み合わせを使用することが考えられる。合金２は６０００系の本発明による組成物であり、Ｆｅ含有量が比較的高いため、比較的リサイクルしやすい。

【0034】

アルミニウム合金１は、本発明に従って調整されたＳｉ／Ｆｅ含有量から明らかに外れており、これは例えば図１で確認することができる。アルミニウム合金２は、この調整されたＳｉ／Ｆｅ含有量のほぼ中央に位置している。

【0035】

アルミニウム合金１と２の両方を、溶体化熱処理によって固溶化し、焼入れしたのち、室温で時効することで自然時効硬化処理を、次いで人工時効硬化処理を行った。溶体化熱処理は５３０℃超の温度で、焼入れは２０℃／秒超の焼入れ速度で行った。合金１と２の両方に、１８０日間［ｄ］の放置期間、すなわち自然時効硬化処理と、さまざまな温度での３０分間の人工時効硬化処理を実施した。自然時効硬化処理中、または人工時効硬化処理後にブリネル硬さ［ＨＢＷ］を測定した。

【0036】

放置安定性については、室温での放置で、合金１がすでに１４日後に比較的激しく時効硬化していることが図２で確認できる。これは、長い放置期間にわたって見てみると、不利なことに、ブリネル硬さが比較的高く上昇していることになり、かつ人工時効硬化前に変形に成形に不利に作用する。

【0037】

それとは対照的に、合金２では、およそ１８０日後にようやく自然時効硬化が始まっていることが明確になり、それにより本発明による合金２は、とりわけ放置安定性があると考えられる。このような驚くほど高い放置安定性は、これまで６０００系合金ではまだ観察されていなかった。これは、焼入れ後の柔らかい状態における合金の処理時間に、想定外の著しい効用をもたらす。

【0038】

それに続く人工時効硬化では、図３で２つの合金を比較すると、合金２は低めの時効温度では、ブリネル硬さにおいてさしあたり合金１に遅れを取っていることが確認できる。時効温度が高くなると、合金１のブリネル硬さを明らかに超えることができる。

【図1】

【図2】

【図3】