JP2004190090A

JP2004190090A - 高純度アルミニウム合金材

Info

Publication number: JP2004190090A
Application number: JP2002359108A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Yasuda; 均安田; Hiroshi Tabuchi; 宏田渕
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-12-11
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】プラズマ反応装置を構成する材料として使用でき、十分な強度を有する高純度アルミニウム合金材を提供する。
【解決手段】本発明の高純度アルミニウム合金材は、０．４〜２．１質量％のマグネシウムおよび０．４〜１．２質量％のシリコンを含み、マグネシウム含有量が式（１）
１．７０×Ｃ_Si−１質量％ ≦ Ｃ_Mg ≦ １．７０×Ｃ_Si （１）
〔式中、Ｃ_Mgはマグネシウムの含有量（単位は質量％）を、Ｃ_Siはシリコンの含有量（単位は質量％）をそれぞれ示す。〕
を満足し、不純物の含有量が０．１質量％以下である。鋳造により得られる鋳塊材であるか、鋳塊材を塑性加工して得られる塑性加工材である。表面に陽極酸化皮膜を形成して陽極酸化高純度アルミニウム合金材として用い得る。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度アルミニウム合金材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高純度アルミニウム合金材は、プラズマ反応装置などを構成する材料として有用であり、表面に陽極酸化皮膜が形成された陽極酸化高純度アルミニウム合金材としても用いられる。かかる高純度アルミニウム合金材としては強度の高いものが求められており、特許文献１（特開平１０−８８２７１号公報第３頁）には、０．３５〜２．５質量％のマグネシウムおよび０．２〜１質量％のシリコンを含み、マグネシウム含有量（Ｃ_Mg、単位は重量％））がシリコン含有量（Ｃ_Si、単位は質量％）の１．７３倍を超え、不純物の含有量が０．１質量％以下である高純度アルミニウム合金材が開示されている。
【０００３】
しかし、かかる従来の高純度アルミニウム合金材では、必ずしも十分な強度ではないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者は、プラズマ反応装置を構成する材料として使用でき、十分な強度を有する高純度アルミニウム合金材を開発するべく鋭意検討した結果、マグネシウムの含有量を０．４〜２．１質量％とし、シリコンの含有量を０．４〜１．２質量％とし、マグネシウム含有量が式（１）
１．７０×Ｃ_Si−１質量％ ≦ Ｃ_Mg ≦ １．７０×Ｃ_Si （１）
〔式中、Ｃ_Mgはマグネシウムの含有量（単位は質量％）を、Ｃ_Siはシリコンの含有量（単位は質量％）をそれぞれ示す。〕
を満足することで、プラズマ反応装置に使用でき、十分な強度を有する高純度アルミニウム合金材となし得ることを見出し、本発明に至った。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、０．４質量％以上２．１質量％以下のマグネシウムおよび０．４質量％以上１．２質量％以下のシリコンを含み、マグネシウム含有量（Ｃ_Mg）が前記式（１）を満足し、不純物の含有量が０．１質量％以下であることを特徴とする高純度アルミニウム合金材を提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の高純度アルミニウム合金材は、０．４質量％以上２．１質量％以下のマグネシウムおよび０．４質量％以上１．２質量％以下、好ましくは０．８質量％以上のシリコンを含む。マグネシウムの含有量（Ｃ_Mg）が２．１質量％を超えたり、シリコンの含有量（Ｃ_Si）が１．２質量％を超えると、高純度アルミニウム合金材の表面に形成される陽極酸化皮膜にマグネシウムやシリコンが混入し易くなる傾向にある。また、マグネシウムの含有量（Ｃ_Mg）が０．４質量％未満であったり、シリコンの含有量（Ｃ_Si）が０．４質量％未満であると、強度が十分とはならない傾向にある。
【０００７】
本発明の高純度アルミニウム合金材は、マグネシウムの含有量（Ｃ_Mg）が式（１）を満足し、好ましくは式（２）
１．７０×Ｃ_Si−１質量％ ≦ Ｃ_Mg ≦ １．７０×Ｃ_Si−０．５質量％（２）〔式中、Ｃ_MgおよびＣ_Siはそれぞれ前記と同じ意味を示す。〕
を満足する。マグネシウムの含有量（Ｃ_Mg）が式（１）で規定する範囲を超えたり、この範囲未満であると、強度が不十分となる傾向にある。
【０００８】
本発明の高純度アルミニウム合金材は、不純物の含有量が０．１質量％以下である。不純物としては、例えば鉄、マンガン、銅、クロム、亜鉛、チタン、ニッケル、バナジウムなどの遷移金属、リチウム、ナトリウムなどのアルカリ金属、カルシウム、ストロンチウムなどのアルカリ土類金属などの金属不純物、ホウ素などの非金属不純物が挙げられる。
【０００９】
本発明の高純度アルミニウム合金材は、例えば鋳型内で溶湯を冷却し、固化して得られる鋳塊材であってもよいし、高純度アルミニウム合金鋳塊材を塑性加工して得られる塑性加工材であってもよい。
【００１０】
高純度アルミニウム合金鋳塊材は、例えば高純度アルミニウムにマグネシウムおよびシリコンを添加し鋳造する方法によって製造することができる。具体的には、高純度アルミニウムを加熱して溶融し、これにマグネシウムおよびシリコンを添加して溶湯を得、この溶湯を鋳型内で冷却し固化すればよい。高純度アルミニウムとしては、純度９９．９質量％以上のものを用いればよい。かかる純度の高純度アルミニウムを用いることで、得られる高純度アルミニウム合金材の不純物含有量を容易に０．１質量％以下とすることができる。高純度アルミニウムを溶融するには、例えば黒鉛製の坩堝、アルミナ製の坩堝を用い、かかる坩堝の中で加熱すればよい。
【００１１】
マグネシウムおよびシリコンは通常、金属状態で添加される。マグネシウムおよびシリコンとしては、それぞれ純度が９９．９％以上のものを用いることが好ましい。マグネシウムおよびシリコンが添加された溶湯は、０．４質量％以上２．１質量％以下のマグネシウムおよび０．４質量％以上、好ましくは０．８質量％以上で、１．２質量％以下のシリコンを含み、マグネシウム含有量が前記式（１）を満足し、不純物の含有量が０．１質量％以下のアルミニウム溶湯である。かかる溶湯の温度は通常７００℃以上８００℃以下である。
【００１２】
かかるアルミニウム溶湯を鋳型内に流し込み、鋳型内で冷却することで、鋳塊材として、本発明の高純度アルミニウム合金材を得ることができる。冷却速度は通常４℃／秒以上３０℃／秒以下程度である。
【００１３】
高純度アルミニウム合金塑性加工材は、例えば鋳型内で冷却固化して得た高純度アルミニウム合金鋳塊材を塑性加工することで得ることができる。塑性加工としては、例えば圧延、鍛造などが挙げられる。鋳塊材を塑性加工するには、例えば鋳塊材を板状に切り出し、圧延、鍛造などの方法により塑性加工すればよい。塑性加工温度は通常２００℃以上５００℃以下程度である。
【００１４】
かくして得られた本発明の高純度アルミニウム合金材は通常、加熱処理されて加熱処理材として用いられる。加熱処理は、例えば高純度アルミニウム合金材を加熱して５２０℃以上５８０℃以下程度の温度に通常１時間以上２５時間以下程度保持した後、冷却速度１０℃／分以上、好ましくは３００℃／分以下程度で５０℃以下程度の温度に冷却し、次いで５０℃以下、好ましくは−５０℃以上、更に好ましくは１０℃以上程度の温度に通常０．５時間以上７２時間以下程度保持したのち、加熱して１５０℃以上２００℃以下程度の温度で通常２時間以上５０時間以下程度保持して行なわれる。かかる加熱処理を施された高純度アルミニウム合金材は、強度がより向上している。
【００１５】
本発明の高純度アルミニウム合金材において、マグネシウムおよびシリコンはＭｇ₂Ｓｉで示される組成の珪素化マグネシウム粒状物相を形成して合金在中に分散して存在する。合金材の断面を顕微鏡観察して計測される粒状物相のうち、粒子径１μｍ以上２０μｍ以下の粒状物相の個数は、１ｍｍ²あたり概ね２０００個以下である。
【００１６】
かかる本発明の高純度アルミニウム合金材は、例えば表面に陽極酸化皮膜を形成して陽極酸化高純度アルミニウム合金材として用いることができる。陽極酸化皮膜は、通常の陽極酸化処理によって形成することができる。具体的には、例えば希硫酸に高純度アルミニウム合金材を浸漬しながら、合金材を陽極として直流電流を流せばよい。形成される陽極酸化皮膜の厚みは、直流電流の電荷量によって定まる。高純度アルミニウム合金材の表面には自然酸化により形成された自然酸化皮膜が形成されているが、かかる自然酸化皮膜を除去するために、高純度アルミニウム合金材を予めアルカリ水溶液、酸などで洗浄しておくことが好ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の高純度アルミニウム合金材は、十分な強度を有しており、例えばプラズマ反応装置を構成する材料として有用である。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明は、かかる実施例によって限定されるものではない。
なお、以下の各実施例で得た高純度アルミニウム合金材の引張り強さおよび耐力は、合金材を直径１０ｍｍ、長さ４０ｍｍの丸棒（鋳塊材）または厚み２．４ｍｍ、長さ５０ｍｍの平板状（圧延材）に切出し試験片として引張り試験を行い、長さが０．２％伸びたときの単位断面積あたりの引張力を耐力とし、破断するまでの最大の引張力を引張り強さとして、それぞれ求めた。
【００１９】
実施例１
〔鋳塊材の製造〕
黒鉛製坩堝内で、高純度アルミニウム（純度９９．９９％）９８質量部を７５０℃に加熱して溶融させ、同温度で金属シリコン（純度９９．９９９％）１．０質量部および金属マグネシウム（純度９９．９％）１．０質量部を加えてアルミニウム溶湯を得た。予め１２０℃に加熱した鉄製鋳型〔内寸縦２０ｍｍ×横１００ｍｍ×高さ１５０ｍｍ〕に上記で得たアルミニウム溶湯（７２０℃）を流し込み、冷却速度１０℃／秒で冷却して、高純度アルミニウム合金鋳塊材を得た。得られた鋳塊材を縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍ×厚み２０ｍｍの板状に切出した。
【００２０】
得られた鋳塊材の表面を鏡面研磨し、光学顕微鏡により観察倍率４００倍で目視観察したところ、表面に粒状物相が観察された。この粒状物相の大きさは概ね２５μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は８００個であった。
【００２１】
〔５３０℃での加熱処理〕
上記と同様にして得た板状の鋳塊材〔縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍ×厚み２０ｍｍ〕を５３０℃に加熱し同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して１０℃／分を超える冷却速度で冷却し、次いで室温（約２０℃〜２５℃）で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね１０μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は７００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３１０ＭＰａであり、耐力は２６０ＭＰａであった。
【００２２】
〔５５０℃での加熱処理〕
上記と同様にして得た板状の鋳塊材〔縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍ×厚み２０ｍｍ〕を５５０℃に加熱し同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して冷却して、次いで室温で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね５μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は７００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３２０ＭＰａであり、耐力は２７０ＭＰａであった。
【００２３】
〔５７５℃での加熱処理〕
上記と同様にして得た板状の鋳塊材〔縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍ×厚み２０ｍｍ〕を５７５℃に加熱し同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して冷却して、次いで室温で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね５μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は３００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３５０ＭＰａであり、耐力は３１０ＭＰａであった。
【００２４】
結果を表１に示す。
【００２５】
〔陽極酸化処理〕
上記で５３０℃、５５０℃および５７５℃で加熱処理した後の鋳塊材を１０％水酸化ナトリウム水溶液〔水酸化ナトリウム濃度が質量分率で１０％の水溶液〕に５０℃で３分間浸漬し、その後水洗し、さらに１０％硝酸水溶液〔硝酸濃度が質量分率で１０％の水溶液〕に１分間浸漬し、水洗して、表面に自然酸化により形成された酸化皮膜を除去した。次いで０℃±２℃の温度を維持しながら１５％硫酸水溶液〔硫酸濃度が質量分率で１５％の水溶液〕に浸漬し、鋳塊材を陽極として０．０３Ａ／ｃｍ²の電流密度で５０分間直流電流を流して、陽極酸化した。
陽極酸化後の鋳塊材を水洗し、乾燥して、陽極酸化高純度アルミニウム合金材を得た。この陽極酸化高純度アルミニウム合金材は、表面に均一にムラのない陽極酸化皮膜が形成されていた。
【００２６】
【表１】

【００２７】
比較例１
金属シリコン（純度９９．９９９％）の添加量を０．５質量部とし、金属マグネシウム（純度９９．９％）の添加量を１．５質量部とした以外は実施例１と同様に操作して、板状の高純度アルミニウム合金鋳塊材を得、加熱処理した。結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】

【００２９】
比較例２
高純度アルミニウム（純度９９．９９％）の使用量を９６質量部とし、金属シリコン（純度９９．９９９％）の添加量を１．０質量部とし、金属マグネシウム（純度９９．９％）の添加量を３．０質量部とした以外は実施例１と同様に操作して、板状の高純度アルミニウム合金鋳塊材を得、実施例１と同様に加熱処理した。結果を表３に示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
実施例２
〔高純度アルミニウム合金塑性加工材の製造〕
実施例１と同様に操作して高純度アルミニウム合金鋳塊材を得、得られた鋳塊材を縦３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み２０ｍｍに切出して板状とした。得られた板状の鋳塊材を５００℃〜２５０℃の温度で厚みが８ｍｍになるまで１２回均等に圧延したのち、厚みが３ｍｍになるまで１０回均等に圧延し、さらに厚みが２．４ｍｍになるように１回で圧延して、縦３５ｍｍ×横７００ｍｍ×厚み２．４ｍｍの板状の高純度アルミニウム合金塑性加工材（圧延材）を得た。
【００３２】
〔５３０℃での加熱処理〕
上記で得た板状の圧延材を５３０℃に加熱し同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して冷却して、次いで室温で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね６μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は１６００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３００ＭＰａであり、耐力は２５０ＭＰａであった。
【００３３】
上記と同様にして得た圧延材を５３０℃に加熱し、同温度を１０時間保持した。
その後上記と同様に操作したところ、粒状物相の大きさは概ね４μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は１３００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３００ＭＰａであり、耐力は２５０ＭＰａであった。
【００３４】
〔５５０℃での加熱処理〕
上記と同様に操作して得た圧延材〔縦３５ｍｍ×横７００ｍｍ×厚み２．４ｍｍ〕を５５０℃に加熱し、同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して冷却して、次いで室温で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね５μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は１１００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３３０ＭＰａであり、耐力は２８０ＭＰａであった。
【００３５】
上記と同様にして得た圧延材を５５０℃に加熱し、同温度を１０時間保持した。その後上記と同様に操作したところ、粒状物相の大きさは概ね６μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は１１００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３３０ＭＰａであり、耐力は２８０ＭＰａであった。
【００３６】
〔５７５℃での加熱処理〕
上記と同様に操作して得た圧延材〔縦３５ｍｍ×横７００ｍｍ×厚み２．４ｍｍ〕を５７５℃に加熱し、同温度を５時間保持した後、水中に浸漬して冷却して、次いで室温で２時間保持したのち、１８０℃に加熱して同温度を８時間保持して加熱処理をした。加熱処理後の鋳塊材の表面を鏡面研磨し、上記と同様にして光学顕微鏡により目視観察したところ、粒状物相の大きさは概ね４μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は７００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３５０ＭＰａであり、耐力は３００ＭＰａであった。
【００３７】
上記と同様にして得た圧延材を５７５℃に加熱し、同温度を１０時間保持した。その後上記と同様に操作したところ、粒状物相の大きさは概ね４μｍであり、１ｍｍ²あたりの個数は５００個であった。この鋳塊材の引張り強さは３５０ＭＰａであり、耐力は３００ＭＰａであった。
【００３８】
結果を表４および表５に示す。
【００３９】
〔陽極酸化皮膜の形成〕
実施例１で得た鋳塊材に代えて、上記で５３０℃、５５０℃および５７５℃で加熱処理した後の圧延材を用いる以外は実施例１と同様に操作して、陽極酸化した。陽極酸化後の圧延材を水洗し、乾燥して、陽極酸化高純度アルミニウム合金材を得た。この陽極酸化高純度アルミニウム合金材は、表面に均一にムラのない陽極酸化皮膜が形成されていた。
【００４０】
【表４】

【００４１】
【表５】

【００４２】
比較例３
比較例１と同様に操作して高純度アルミニウム合金鋳塊材を得、得られた鋳塊材を縦３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み２０ｍｍに切出して板状とした。得られた板状の鋳塊材を用いて、実施例２と同様に操作して、高純度アルミニウム合金塑性加工材（圧延材）を得た。得られた圧延材を実施例２と同様に加熱処理した。結果を表６および表７に示す。
【００４３】
【表６】

【００４４】
【表７】

【００４５】
比較例４
比較例２と同様に操作して高純度アルミニウム合金鋳塊材を得、得られた鋳塊材を縦３０ｍｍ×横１００ｍｍ×厚み２０ｍｍに切出して板状とした。得られた板状の鋳塊材を用いて、実施例２と同様に操作して、高純度アルミニウム合金塑性加工材（圧延材）を得た。得られた圧延材を実施例２と同様に加熱処理した。結果を表８および表９に示す。
【００４６】
【表８】

【００４７】
【表９】

Claims

０．４質量％以上２．１質量％以下のマグネシウムおよび０．４質量％以上１．２質量％以下のシリコンを含み、マグネシウム含有量が式（１）
１．７０×Ｃ_Si−１質量％ ≦ Ｃ_Mg ≦ １．７０×Ｃ_Si （１）
〔式中、Ｃ_Mgはマグネシウムの含有量（単位は質量％）を、Ｃ_Siはシリコンの含有量（単位は質量％）をそれぞれ示す。〕
を満足し、不純物の含有量が０．１質量％以下であることを特徴とする高純度アルミニウム合金材。
鋳塊材である請求項１に記載の高純度アルミニウム合金材。
塑性加工材である請求項１に記載の高純度アルミニウム合金材。
断面を顕微鏡観察して計測される粒子径１μｍ以上２０μｍ以下の珪素化マグネシウム粒状物相の個数が１ｍｍ²あたり２０００個以下である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の高純度アルミニウム合金材。
５２０℃以上５８０℃以下の温度に保持された後、冷却速度１０℃／分以上で冷却され、次いで５０℃以下の温度に保持された後、１５０℃以上２００℃以下の温度に保持された請求項１〜請求項４のいずれかに記載の高純度アルミニウム合金材。
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の高純度アルミニウム合金材の表面に陽極酸化皮膜が形成された陽極酸化高純度アルミニウム合金材。