JP7366553B2 - アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高強度で耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金製の構造部材等に関する。
Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系及びＡｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系等のＪＩＳ７０００系のアルミニウム合金は、高い強度が得られることから、自動車，鉄道車両等の車両構造部材として、あるいは船舶や航空機等の輸送機の構造部材等に採用されている。
しかし、これらの構造部材にあっては、応力が負荷された状態で使用されることが多く、応力腐食割れに対する対策が必要となる。
例えば特許文献１には、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、２００～５５０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する復元処理を行い、さらに７２時間以内に拡管加工を行うことで、残留応力を低減する製造方法が開示されている。
しかし、同公報に開示するプロセスは、合金成分に大きな制限があるとともに、高強度を得るにはＭｎ，Ｃｒ，Ｚｒ等の遷移元素を多く添加する必要があり、冷却速度の影響が大きくなる。
しかし、これらの構造部材にあっては、応力が負荷された状態で使用されることが多く、応力腐食割れに対する対策が必要となる。
例えば特許文献１には、０．４℃／秒以上の昇温速度で加熱し、２００～５５０℃の温度範囲に０秒を超えて保持し、次いで０．５℃／秒以上の冷却速度で冷却する復元処理を行い、さらに７２時間以内に拡管加工を行うことで、残留応力を低減する製造方法が開示されている。
しかし、同公報に開示するプロセスは、合金成分に大きな制限があるとともに、高強度を得るにはＭｎ，Ｃｒ，Ｚｒ等の遷移元素を多く添加する必要があり、冷却速度の影響が大きくなる。
特許文献２には、溶体化処理後に１５０～３５０℃の範囲で５分～３０分の焼入れをした後に水冷し、時効させる製造技術を開示する。
しかし、同公報に開示するプロセスでは、結晶粒界におけるミクロ組織を制御する必要があり、高強度を得るには高濃度のＣｕ成分を添加する必要がある。
しかし、同公報に開示するプロセスでは、結晶粒界におけるミクロ組織を制御する必要があり、高強度を得るには高濃度のＣｕ成分を添加する必要がある。
特許文献３には、結晶粒の平均厚さ２５μｍ以下、アスペクト比を４以上にすることで、耐応力腐食割れ性を改善する方法が開示されている。
本技術は、ミクロ組織の制御が難しい問題がある。
本技術は、ミクロ組織の制御が難しい問題がある。
本発明は、高強度でありながら耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金部材の製造方法の提供を目的とする。
本発明に係るアルミニウム合金部材の製造方法は、７０００系のアルミニウム合金からなる部材を４００～５００℃の温度で溶体化処理するステップと、冷却速度０．１～２．０℃／秒の空冷を行うステップとを有し、その後に人工時効処理するものであることを特徴とする。
この場合に、溶体化処理を押出成形における加工熱を利用してもよく、７０００系のアルミニウム合金を用いて部材を押出加工し、その後直に、冷却速度０．１～２．０℃／秒の空冷を行うステップを有し、その後に人工時効処理するものであってもよい。
この場合に、溶体化処理を押出成形における加工熱を利用してもよく、７０００系のアルミニウム合金を用いて部材を押出加工し、その後直に、冷却速度０．１～２．０℃／秒の空冷を行うステップを有し、その後に人工時効処理するものであってもよい。
従来の７０００系のアルミニウム合金においては、高い強度を得る方法として、溶体化処理後の焼入れに水冷を用いた水焼入れがＴ６処理として、一般的に採用されている。
しかし、水焼入れは急速に冷却できるものの、部材の表層部と内部との冷却速度に大きな差が生じやすく、構造部材のように相対的に肉厚の厚い部材においては、その差が大きく、表層部に大きな残留応力が生じやすい問題あった。
そこで本発明は、冷却速度を所定の範囲に制御することで、表層部の焼入れを内部に対して、やや弱くした点に特徴がある。
しかし、水焼入れは急速に冷却できるものの、部材の表層部と内部との冷却速度に大きな差が生じやすく、構造部材のように相対的に肉厚の厚い部材においては、その差が大きく、表層部に大きな残留応力が生じやすい問題あった。
そこで本発明は、冷却速度を所定の範囲に制御することで、表層部の焼入れを内部に対して、やや弱くした点に特徴がある。
本発明者らの調査では、７０００系アルミニウム合金からなる部材においては、４００～５００℃の範囲で溶体化し、初期の段階を所定の速度で冷却すれば、その後の冷却により大きな強度低下がなかった。
そこで、部材の温度が約３００℃～２００℃以下になるまでは、冷却速度０．１～２．０℃／秒の空冷を行うのが望ましい。
そこで、部材の温度が約３００℃～２００℃以下になるまでは、冷却速度０．１～２．０℃／秒の空冷を行うのが望ましい。
本発明において、部材の表層部とは、部材の肉厚全体の寸法に対して、その２０％以内の表面側の深さを表層部と表現する。
従って、それよりも内側の部分が内部となる。
本発明は、人工時効処理後において表層部の０．２％耐力又は、引張強さが内部のそれよりも相対的に４％以上低いのがよく、好ましくは６％以上低いのがよい。
硬さＨＲＢで示すと、表層部の硬さが内部の硬さより３％以上、さらには５％以上低いのが好ましい。
また、電気伝導度にて比較すると、ＩＡＣＳ値で表層部が内部よりも２％以上高いのが好ましい。
従って、それよりも内側の部分が内部となる。
本発明は、人工時効処理後において表層部の０．２％耐力又は、引張強さが内部のそれよりも相対的に４％以上低いのがよく、好ましくは６％以上低いのがよい。
硬さＨＲＢで示すと、表層部の硬さが内部の硬さより３％以上、さらには５％以上低いのが好ましい。
また、電気伝導度にて比較すると、ＩＡＣＳ値で表層部が内部よりも２％以上高いのが好ましい。
人工時効処理は、その材料の有する最高強度が得られる条件が好ましい。
例えば、１段目：９０～１２０℃で１～２４時間，２段目：１３０～１８０℃で１～２４時間の二段時効処理条件が例として挙げられる。
例えば、１段目：９０～１２０℃で１～２４時間，２段目：１３０～１８０℃で１～２４時間の二段時効処理条件が例として挙げられる。
本発明にて用いることができるアルミニウム合金は、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ系，Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系の一般的なＪＩＳ７０００系合金を用いることができる。
例えば、ＪＩＳ７０７５材の場合に以下全て質量％にて、Ｚｎ：６．４０～６．９０％，Ｍｇ：２．１～２．９％，Ｃｕ：１．２０～２．２０％，Ｍｎ：０．３％以下，Ｃｒ：０．１８～０．２８％，Ｆｅ：０．５％以下，Ｓｉ：０．４％以下，Ｔｉ：０．００５～０．０５％，残部がＡｌと不純物となっている。
特に好ましい高強度材としては、下記のアルミニウム合金（Ａ）が例として挙げられる。
合金（Ａ）：Ｚｎ：６．４０～６．９０％，Ｍｇ：１．６０～１．８０％，Ｃｕ：０．２０～０．３０，Ｍｎ：０．２０～０．３０％，Ｚｒ：０．１７～０．２３％，Ｃｒ：０．２０％以下，Ｔｉ：０．００５～０．０５％，Ｆｅ：０．２０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，残部がＡｌと不純物である。
例えば、ＪＩＳ７０７５材の場合に以下全て質量％にて、Ｚｎ：６．４０～６．９０％，Ｍｇ：２．１～２．９％，Ｃｕ：１．２０～２．２０％，Ｍｎ：０．３％以下，Ｃｒ：０．１８～０．２８％，Ｆｅ：０．５％以下，Ｓｉ：０．４％以下，Ｔｉ：０．００５～０．０５％，残部がＡｌと不純物となっている。
特に好ましい高強度材としては、下記のアルミニウム合金（Ａ）が例として挙げられる。
合金（Ａ）：Ｚｎ：６．４０～６．９０％，Ｍｇ：１．６０～１．８０％，Ｃｕ：０．２０～０．３０，Ｍｎ：０．２０～０．３０％，Ｚｒ：０．１７～０．２３％，Ｃｒ：０．２０％以下，Ｔｉ：０．００５～０．０５％，Ｆｅ：０．２０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，残部がＡｌと不純物である。
本発明に係るアルミニウム合金部材の製造方法にあっては、溶体化処理後に、部材の温度が約３００℃～２００℃以下になるまでの冷却速度を０．１～２．０℃／秒の範囲に制御することで、表層部と内部とで物性値に傾斜を生じさせることができ、耐応力腐食割れ性に優れた高強度部材が得られる。
本発明に係る製造方法は、厚肉の部材に適用するのが効果的であり、肉厚が３ｍｍ以上、例えば３～２０ｍｍ，５～１５ｍｍの範囲であってよい。
これにより、各種車両，輸送機のアルミニウム合金製の構造部材が得られる。
これにより、各種車両，輸送機のアルミニウム合金製の構造部材が得られる。
本発明に係る製造方法と従来のＴ６処理とを比較評価したので、以下説明する。
図１の表中、実施例１～５は上記で説明した合金（Ａ）を用いて、溶体化後に表中の冷却速度にて焼入れをしたものである。
比較例１は、合金（Ａ）を用いて従来の水冷（Ｔ６処理）をしたものである。
比較例２は、７０７５合金を用いて従来の水冷をしたものである。
以下、具体的に説明する。
図１の表中、実施例１～５は上記で説明した合金（Ａ）を用いて、溶体化後に表中の冷却速度にて焼入れをしたものである。
比較例１は、合金（Ａ）を用いて従来の水冷（Ｔ６処理）をしたものである。
比較例２は、７０７５合金を用いて従来の水冷をしたものである。
以下、具体的に説明する。
実施例１～５及び比較例１，２は、いずれも肉厚１０ｍｍの押出材（部材）を用いた。
実施例１～５は、約４５０℃で溶体化後にそれぞれ０．１６，０．４７，０．７７，１．３０，２．０２℃／秒の平均冷却速度にて冷却した。
その後の９０℃～１２０℃＋１３０～１８０℃の二段人工時効処理した。
比較例１，２は、溶体化後に直に水冷したものである。
機械的性質は、評価部位を切り出し、ＪＩＳ－Ｚ２２４１に基づいて評価した。
電気伝導度は、ＡＳＴＭ Ｅ１００４に基づいて、International Annealed Copper Standard（ＩＡＣＳ）の値を１００％として比較評価した。
耐ＳＣＣ性は、ＡＳＴＭ Ｇ４７に基づいて評価し、腐食性の試験はＡＳＴＭ Ｇ３４に基づいて試験評価した。
実施例１～５は、約４５０℃で溶体化後にそれぞれ０．１６，０．４７，０．７７，１．３０，２．０２℃／秒の平均冷却速度にて冷却した。
その後の９０℃～１２０℃＋１３０～１８０℃の二段人工時効処理した。
比較例１，２は、溶体化後に直に水冷したものである。
機械的性質は、評価部位を切り出し、ＪＩＳ－Ｚ２２４１に基づいて評価した。
電気伝導度は、ＡＳＴＭ Ｅ１００４に基づいて、International Annealed Copper Standard（ＩＡＣＳ）の値を１００％として比較評価した。
耐ＳＣＣ性は、ＡＳＴＭ Ｇ４７に基づいて評価し、腐食性の試験はＡＳＴＭ Ｇ３４に基づいて試験評価した。
表に示す評価結果から、比較例１，２のように水冷による焼入れを行うと、耐力及び引張り強度のいずれも表面（表層部）と内部とで２％以下の差しかない分だけ、表層部の残留応力が大きいことが推定され、耐ＳＣＣ性，腐食性が劣っていた。
これに対して実施例１～５は、焼入れ初期の冷却速度を順次速くしたものである。
実施例５の冷却速度２．０２℃／秒では、表層部が内部より耐力４％低いものの、引張り強度が２％しか差がなく、耐ＳＣＣ性が目標ぎりぎりであったことから、焼入れ初期の冷却速度は２．０℃／秒以下が好ましいことが明らかになった。
実施例１のように冷却速度を０．１６℃／秒にすると、表層部が内部よりも耐力で９％低く、引張強度で１０％低くなり、耐ＳＣＣ性及び腐食性に優れる。
なお、冷却速度０．１～２．０℃／秒の範囲にて焼入れ初期の冷却速度が遅い方が、耐ＳＣＣ性，腐食性が改善されるものの、機械的性質がやや低下する傾向が認められる。
アルミニウム合金（Ａ）を用いた場合に、部材全体の耐力４２０ＭＰａ，引張強度４７０ＭＰａ以上を確保しつつ、優れた耐ＳＣＣ性，腐食性を得るには、冷却速度０．５～２．０℃／秒の範囲が好ましいことも明らかになった。
また、本発明は焼入れ初期の冷却速度を所定の範囲に制御することで、表層部の残留応力を抑えたものであり、部材の温度が３００℃以下になると、２０℃／秒以上の高速冷却を用いた二段冷却であってもよい。
その方が焼入れ品質が安定する。
これに対して実施例１～５は、焼入れ初期の冷却速度を順次速くしたものである。
実施例５の冷却速度２．０２℃／秒では、表層部が内部より耐力４％低いものの、引張り強度が２％しか差がなく、耐ＳＣＣ性が目標ぎりぎりであったことから、焼入れ初期の冷却速度は２．０℃／秒以下が好ましいことが明らかになった。
実施例１のように冷却速度を０．１６℃／秒にすると、表層部が内部よりも耐力で９％低く、引張強度で１０％低くなり、耐ＳＣＣ性及び腐食性に優れる。
なお、冷却速度０．１～２．０℃／秒の範囲にて焼入れ初期の冷却速度が遅い方が、耐ＳＣＣ性，腐食性が改善されるものの、機械的性質がやや低下する傾向が認められる。
アルミニウム合金（Ａ）を用いた場合に、部材全体の耐力４２０ＭＰａ，引張強度４７０ＭＰａ以上を確保しつつ、優れた耐ＳＣＣ性，腐食性を得るには、冷却速度０．５～２．０℃／秒の範囲が好ましいことも明らかになった。
また、本発明は焼入れ初期の冷却速度を所定の範囲に制御することで、表層部の残留応力を抑えたものであり、部材の温度が３００℃以下になると、２０℃／秒以上の高速冷却を用いた二段冷却であってもよい。
その方が焼入れ品質が安定する。
Claims (3)
- ７０００系のアルミニウム合金からなり、肉厚が１０～２０ｍｍの部材を４００～５００℃の温度で溶体化処理するステップと、
前記溶体化処理後に前記部材の温度が３００℃になるまでは平均冷却速度０．５～２．０℃／秒の範囲にて空冷し、その後に２０℃／秒以上の高速冷却する二段冷却するステップと、
その後に人工時効処理するステップを有し、
前記部材の肉厚全体の寸法に対して表面からの深さが２０％の表層部の耐力がそれより内部の耐力よりも４％以上低いことを特徴とするアルミニウム合金部材の製造方法。 - 前記溶体化処理は前記部材の押出加工により行うことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記アルミニウム合金は質量％にて、Ｚｎ：６．４０～６．９０％，Ｍｇ：１．６０～１．８０％，Ｃｕ：０．２０～０．３０，Ｍｎ：０．２０～０．３０％，Ｚｒ：０．１７～０．２３％，Ｃｒ：０．２０％以下，Ｔｉ：０．００５～０．０５％，Ｆｅ：０．２０％以下，Ｓｉ：０．１０％以下，残部がＡｌと不純物であることを特徴とする請求項１又は２記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
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