JP7528473B2 - アルミニウム合金鍛造品およびアルミニウム合金鍛造品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、常温における機械的特性に優れたＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系アルミニウム合金鍛造品の製造方法に関する。

近年、アルミニウム合金は、軽量性を生かして各種製品の構造部材としての用途が拡大しつつある。例えば、自動車の足廻りやバンパー部品は今まで高張力鋼が用いられてきたが、近年は高強度アルミニウム合金材が用いられるようになっている。自動車部品、例えば、サスペンション部品は専ら鉄系材料が使用されていたが、軽量化を主目的としてアルミニウム材料またはアルミニウム合金材料に置き換えられることが多くなってきた。

これらの自動車部品では優れた耐食性、高強度および優れた加工性が要求されることから、アルミニウム合金材料としてＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系合金、特にＡ６０６１が多用されている。そして、このような自動車部品は強度の向上を図るため、アルミニウム合金材料を加工用素材として塑性加工の１つである鍛造加工を行って製造される。

また、最近ではコストダウンを図る必要があるため、押出をせずに鋳造部材をそのまま素材として鍛造した後、Ｔ６処理して得たサスペンション部品が実用化され始めており、さらなる軽量化を目的として、従来のＡ６０６１に代わる高強度合金の開発が進められている（下記特許文献１～３参照）。

特開平５－５９４７７号公報 特開平５－２４７５７４号公報 特開平６－２５６８８０号公報

しかし、上述したＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ系の高強度合金は、鍛造および熱処理工程において加工組織が再結晶し、粗大結晶粒が発生することにより、十分な高強度を得ることができないという問題があった。そのため、粗大再結晶粒生成防止のため、Ｚｒを添加して再結晶を防止しているものがある（例えば上記特許文献１および２）。

しかしながら、Ｚｒを添加することは、再結晶防止に効果があるものの、次のような問題点があった。

（１）Ｚｒの添加により、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ系合金の結晶粒微細化効果が弱められ、鋳塊自体の結晶粒が粗くなり、塑性加工後の加工品（鍛造品）の強度低下を招く。

（２）鋳塊自体の結晶粒微細化効果が弱められるため、鋳塊割れが発生し易くなり、内部欠陥が増加し、歩留まりが悪化する。

（３）Ｚｒは、Ａｌ－Ｔｉ－Ｂ系合金と化合物を形成し、合金溶湯を貯留する炉の底に化合物が堆積し、炉を汚染すると共に、製造した鋳塊においてもこれら化合物が鋳塊中に粗大に晶出し、強度を低下させる。

このように、Ｚｒの添加は、再結晶防止に効果があるものの、強度の安定性を維持することが困難であった。

本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、常温における機械的特性に優れると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。

［１］Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鍛造品であって、
前記鍛造品断面のＸ線回折測定で得られるＸ線回折パターンにおけるＭｇ_２Ｓｉ相の（２２０）面の回折ピークの強度を「Ｑ_１」（ｃｐｓ）とし、Ａｌ相の（２００）面の回折ピークの強度を「Ｑ_２」（ｃｐｓ）としたとき、Ｑ_１／Ｑ_２の値が７×１０^－３以下であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造品。

［２］前項１に記載のアルミニウム合金鍛造品の製造方法であって、
溶湯を得る溶湯形成工程と、
前記溶湯形成工程で得られる溶湯を鋳造加工することにより鋳造品を得る鋳造工程と、
前記鋳造工程で得られる鋳造品に均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、
前記均質化熱処理工程後の鋳造品に鍛造加工を行って鍛造品を得る鍛造工程と、
前記鍛造工程で得られる鍛造品に溶体化処理を行う溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程後に焼き入れする焼き入れ処理工程と、
前記焼き入れ処理工程後の鍛造品に時効処理を行う時効処理工程とを含むことを特徴とするアルミニウム合金鍛造品の製造方法。

［３］前記均質化熱処理工程は前記鋳造工程で得られる鋳造品に３７０℃～５６０℃の温度で４時間～１０時間保持する均質化熱処理を行い、
前記鍛造工程は前記均質化熱処理工程後の鋳造品に加熱温度４５０℃～５６０℃で鍛造加工を行い、
前記溶体化処理工程は前記鍛造工程で得られる鍛造品に２０℃～５００℃までの昇温速度が５．０℃／ｍｉｎ以上で昇温させ、５３０℃～５６０℃で０．３時間～３時間以内保持する溶体化処理を行い、
前記焼き入れ処理工程は前記溶体化処理工程後５秒～６０秒以内に鍛造品の全ての表面が焼き入れ水に接触し、５分を超え４０分以内の間水槽内で焼き入れを行い、
前記時効処理工程は前記焼き入れ処理工程後の鍛造品に１８０℃～２２０℃の温度で０．５時間～１．５時間加熱して時効処理を行うことを特徴とする前項２に記載のアルミニウム合金鍛造品の製造方法。

［１］の発明によれば、各元素の含有量が所定の範囲内に設定され、Ｑ_１／Ｑ_２の値が７×１０^－３以下であることで、常温において優れた機械的特性を有すると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品を提供することができる。

［２］の発明によれば、溶湯形成工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、鍛造工程、溶体化処理工程、焼き入れ処理工程および時効処理工程が含まれることで、常温において優れた機械的特性を有すると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品を製造することができる。

［３］の発明によれば、各処理工程における処理条件が所定の範囲内に設定されることで、より一層、常温において優れた機械的特性を有すると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品を製造することができる。

図１は本発明の製造方法で得られるアルミニウム合金鍛造品を示す斜視図である。

本発明のアルミニウム合金鍛造品およびアルミニウム合金鍛造品の製造方法について説明する。

なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明はこれらの例示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。

本実施形態のアルミニウム合金鍛造品１は、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下で、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、この鍛造品１の断面について、Ｘ線回折測定で得られるＸ線回折パターンにおけるＭｇ_２Ｓｉ相の（２２０）面の回折ピークの強度を「Ｑ_１」（ｃｐｓ）とし、Ａｌ相の（２００）面の回折ピークの強度を「Ｑ_２」（ｃｐｓ）としたとき、Ｑ_１／Ｑ_２の値が７×１０^－３以下であることを特徴とする。

このように、各元素の含有量が所定の範囲内に設定され、Ｑ_１／Ｑ_２の値が７×１０^－３以下であることで、常温において優れた機械的特性を有すると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品を提供することができる。

本実施形態のアルミニウム合金鍛造品１の製造方法は、溶湯形成工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、鍛造工程、溶体化処理工程、焼き入れ処理工程および時効処理工程をこの順に行うことで、例えば図１に示すようなアルミニウム合金鍛造品１を製造するものである。以下、各工程について説明する。

（溶湯形成工程）
溶湯形成工程は、原料を溶解して組成を調製したアルミニウム合金溶湯を得る工程である。

本実施形態では、Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる６０００系アルミニウム合金の溶湯を得る（調製する）。このアルミニウム合金の溶湯においては、Ｚｎ含有率が０質量％（Ｚｎ非含有）であってもよく、またＺｒ含有率が０質量％（Ｚｒ非含有）であってもよい。

（鋳造工程）
鋳造工程は、溶湯形成工程で得られたアルミニウム合金溶湯を鋳造加工することによって鋳造品を得る工程である。

鋳造品を得るための連続鋳造法としては、特に限定されるものではないが、様々な公知の連続鋳造法（垂直型連続鋳造法、水平型連続鋳造法等）を挙げることができる。垂直型連続鋳造法としては、ホットトップ鋳造法等が用いられる。以下では、連続鋳造法の一例としてホットトップ鋳造装置を用いたホットトップ鋳造法によってアルミニウム合金連続鋳造材を製造する場合（即ちアルミニウム合金の溶湯をホットトップ鋳造法によって連続鋳造してアルミニウム合金連続鋳造材を製造する場合）について簡単に説明する。

ホットトップ鋳造装置は、モールド（鋳型)、溶湯受容器（ヘッダー）等を具備している。モールドは、その内部に充満された冷却水により冷却されている。受容器は、一般に耐火物製であり、モールドの上側に設置されている。受容器内のアルミニウム合金溶湯は、冷却されたモールド内に下方向に注入されると共に、モールドから噴出された冷却水により所定の冷却速度で冷却されて凝固し、更に水槽内の水（その温度：約２０℃）に浸されて完全に凝固する。これにより棒状等の長尺な連続鋳造材が得られる。

（均質化熱処理工程）
均質化熱処理工程は、鋳造工程で得られた鋳造材に対して均質化熱処理を行うことによって、凝固によって生じたミクロ偏析の均質化、過飽和固溶元素の析出および準安定相の平衡相への変化を行う工程である。

本実施形態では、鋳造工程で得られた鋳造品を３７０℃～５６０℃の温度で、４時間～１０時間保持する均質化熱処理を行う。この温度範囲で均質化熱処理を施すことにより、鋳塊の均質化と溶質原子の溶入化が十分になされるため、その後の時効処理によって必要とされる十分な強度が得られるものとなる。

（鍛造工程）
鍛造工程は、均質化熱処理工程後に得られた鍛造用ビレットを加熱し、プレス機で圧力をかけて金型成型する工程である。

本実施形態では、均質化熱処理後の鋳塊に加熱温度４５０℃～５６０℃で鍛造加工を行って鍛造品（例えば自動車のサスペンションアーム部品等）を得る。この時、鍛造素材の鍛造の開始温度は４５０℃～５６０℃とする。開始温度が４５０℃未満になると変形抵抗が高くなって十分な加工ができなくなり、５６０℃を超えると鍛造割れや共晶融解等の欠陥が発生し易くなるためである。

（溶体化処理工程）
溶体化処理工程は、鍛造工程で導入された歪みを緩和し、溶質元素の固溶を行う工程である。

本実施形態では、鍛造工程後の鍛造品の温度を２０℃まで下げた後、室温になってから加熱を始め、２０℃～５００℃までの温度範囲全域において昇温速度が常に５．０℃／ｍｉｎ以上で昇温させ、５３０℃～５６０℃で０．３時間～３時間以内保持することで溶体化処理を行う。

昇温速度が５．０℃／ｍｉｎ未満ではＭｇ_２Ｓｉが粗大析出してしまい、また、処理温度が５３０℃未満では溶体化が進まず時効析出による高強度化を実現できなくなり、処理温度が５６０℃を超えると溶質元素の固溶がより促進されるものの、共晶融解や再結晶が生じ易くなるためである。

（焼き入れ処理工程）
焼き入れ処理工程は、溶体化処理工程によって得られた固溶状態を急速に冷却せしめて過飽和固溶体を形成する熱処理である。

本実施形態では、溶体化処理後５秒～６０秒以内に鍛造品の全ての表面が焼き入れ水に接触し、５分を超え４０分以内の間、水槽内で焼き入れ処理を行う。

（時効処理工程）
時効処理工程は、アルミニウム合金鍛造品を比較的低温で加熱保持し過飽和に固溶した元素を析出させて、適度な硬さを付与するための熱処理である。

本実施形態では、焼き入れ処理工程後の鍛造品に１８０℃～２２０℃の温度で０．５時間～１．５時間加熱して時効処理を行う。処理温度が１８０℃未満あるいは処理時間が０．５時間未満では引張強度を向上させるＭｇ_２Ｓｉ系析出物が十分に成長できなくなり、処理温度が２２０℃を超えるとＭｇ_２Ｓｉ系析出物が粗大になり過ぎて引張強度を十分に向上させることができないためである。

上述したように、本発明のアルミニウム合金鍛造品の製造方法は各元素の含有量が所定の範囲内に設定され、各処理工程における処理条件が所定の範囲内に設定されることで、より一層、常温において優れた機械的特性を有すると共に、再結晶粒が発生し難いアルミニウム合金鍛造品を製造することができる。

次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。

＜実施例１～１３＞
表１に示す合金組成のアルミニウム合金で直径５４ｍｍの断面円形の連続鋳造材を作製し、表１に示す条件で均質化熱処理を行った。得られた鋳造材を表１に示す条件で鍛造加工を行って図１に示す自動車のサスペンションアーム部品の形状に塑性加工した。

次に、表１に示す条件で昇温、溶体化処理を行った後、表１に示す焼き入れ処理を行い、その後時効処理を行ってアルミニウム合金鍛造品１を得た。

＜比較例１～９＞
表２に示す合金組成のアルミニウム合金で直径５４ｍｍの断面円形の連続鋳造材を作製し、表２に示す条件で均質化熱処理を行った。得られた鋳造材を表２に示す条件で鍛造加工を行って図１に示す自動車のサスペンションアーム部品の形状に塑性加工した。

次に、表２に示す条件で昇温、溶体化処理を行った後、表２に示す焼き入れ処理を行い、その後時効処理を行ってアルミニウム合金鍛造品１を得た。

また、焼き入れ開始は鍛造品全体が水についた時点とする。

上記のようにして得られた各アルミニウム合金鍛造品について下記評価法に基づいて評価を行った。

＜常温での耐力評価法＞
得られたアルミニウム合金鍛造品から、標点間距離２５．４ｍｍ、平行部直径６．４ｍｍの引張試験片を採取し、該引張試験片の常温（２５℃）引張試験を行うことによって、耐力を測定し、下記判定基準に基づいて評価した。

（判定基準）
「〇」…常温での耐力が３７０ＭＰａ以上である
「△」…常温での耐力が３６０ＭＰａ以上３７０ＭＰａ未満である
「×」…常温での耐力が３６０ＭＰａ未満である。

表１から明らかなように、本発明の製造方法で製造された実施例１～１３のアルミニウム合金鍛造品は、常温での耐力に優れていた。

これに対し、表２に示すように、本発明の規定範囲を逸脱する比較例１～９のアルミニウム合金鍛造品では、常温での耐力に劣っていた。

＜アルミニウム合金鍛造品のＡｌ相及びＭｇ_２Ｓｉ相の回折ピークの強度測定法＞
各アルミニウム合金鋳造材、各アルミニウム合金押出材について株式会社リガク製Ｘ線回折装置（ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いてＸ線回折測定を行った。なお、鍛造品より１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ２ｍｍの板状体を採取して、これをＸ線回折測定試料として用いた。Ｘ線回折測定により得られたＸ線回折パターンにおいてＡｌ相の（２００）面の回折ピークを同定し、該Ａｌ相の（２００）面の回折ピーク強度を求めると共に、Ｍｇ_２Ｓｉ相の（２２０）面の回折ピークを同定し、このＭｇ_２Ｓｉ相の回折ピーク強度を求め、これらよりＱ_１／Ｑ_２の値を求めた。これらの結果を表１および２に示した。

表１に示すように、実施例１～１３では、Ｑ_１／Ｑ_２の値は７×１０^－３より小さくなっていることがわかる。

これに対し、表２に示すように、比較例１～９では、Ｑ_１／Ｑ_２の値は７×１０^－３より大きくなっていることがわかる。

本発明に係るアルミニウム合金鍛造品の製造方法で得られた鍛造品は、常温における機械的強度に優れているので、例えば、自動車のサスペンションアーム部品等の足廻り材として好適に用いられるが、特にこのような用途に限定されるものではない。

１： アルミニウム合金鍛造品

Claims (3)

1. Ｃｕ：０．１５質量％～１．０質量％、Ｍｇ：０．６質量％～１．１５質量％、Ｓｉ：０．９５質量％～１．２５質量％、Ｍｎ：０．４質量％～０．６質量％、Ｆｅ：０．２質量％～０．３質量％、Ｃｒ：０．１１質量％～０．２５質量％、Ｔｉ：０．０１２質量％～０．０３５質量％、Ｂを０．０００１質量％～０．０３質量％を含有し、Ｚｎ含有率が０．２５質量％以下、Ｚｒ含有率が０．０５質量％以下であり、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金鍛造品であって、
   前記鍛造品断面のＸ線回折測定で得られるＸ線回折パターンにおけるＭｇ_２Ｓｉ相の（２２０）面の回折ピークの強度を「Ｑ_１」（ｃｐｓ）とし、Ａｌ相の（２００）面の回折ピークの強度を「Ｑ_２」（ｃｐｓ）としたとき、Ｑ_１／Ｑ_２の値が７×１０^－３以下であり、
   前記アルミニウム合金鍛造品の耐力は３７６ＭＰａ以上であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造品。
2. 請求項１に記載のアルミニウム合金鍛造品の製造方法であって、
   溶湯を得る溶湯形成工程と、
   前記溶湯形成工程で得られる溶湯を鋳造加工することにより鋳造品を得る鋳造工程と、
   前記鋳造工程で得られる鋳造品に均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、
   前記均質化熱処理工程後の鋳造品に鍛造加工を行って鍛造品を得る鍛造工程と、
   前記鍛造工程で得られる鍛造品に溶体化処理を行う溶体化処理工程と、
   前記溶体化処理工程後に焼き入れする焼き入れ処理工程と、
   前記焼き入れ処理工程後の鍛造品に時効処理を行う時効処理工程とを含むことを特徴とするアルミニウム合金鍛造品の製造方法。
3. 前記均質化熱処理工程は前記鋳造工程で得られる鋳造品に３７０℃～５６０℃の温度で４時間～１０時間保持する均質化熱処理を行い、
   前記鍛造工程は前記均質化熱処理工程後の鋳造品に加熱温度４５０℃～５６０℃で鍛造加工を行い、
   前記溶体化処理工程は前記鍛造工程で得られる鍛造品に２０℃～５００℃までの昇温速度が５．０℃／ｍｉｎ以上で昇温させ、５３０℃～５６０℃で０．３時間～３時間以内保持する溶体化処理を行い、
   前記焼き入れ処理工程は前記溶体化処理工程後５秒～６０秒以内に鍛造品の全ての表面が焼き入れ水に接触し、５分を超え４０分以内の間水槽内で焼き入れを行い、
   前記時効処理工程は前記焼き入れ処理工程後の鍛造品に１８０℃～２２０℃の温度で０．５時間～１．５時間加熱して時効処理を行うことを特徴とする請求項２に記載のアルミニウム合金鍛造品の製造方法。
   

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