JPH0372147B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、主成分としてCu，Li及びMgを含有
し、機械的比強度が非常に高く、等に熱処理され
た複雑な形状の部品を製造するのに使用すること
ができるAl基合金に係る。 アルミニウム合金にリチウムを添加するとその
合金の密度が低下し（リチウム重量パーセント当
り３％）、かつ合金の弾性率と機械的強度が増大
することは冶金業者間で公知である。このため、
これらの合金には、機械的比強度（specific
mechanical strength、機械的強度と密度または
比重との比のこと）と比弾性率ができるだけ高い
合金を必要とする航空機産業への応用という観点
から研究者の関心が寄せられている。ただし、こ
のような応用の場合、これらの合金は許容可能な
程度の延性（破断時伸び）と靭性ももつていなけ
ればならない。 アルミニウム−リチウム二元合金は機械的強度
と延性が航空機用としては不十分であることが知
られている。このため冶金業者は銅を添加するこ
とにした。アルミニウム合金の構造硬化
（structural hardening）に対する銅の添加効果
はリチウムよりすぐれていることが知られてお
り、この効果がリチウムの効果と重なり合う結
果、含リチウム二元合金よりも延性にすぐれてお
り密度が高くなつた機械的強度の高いAl−Li−
Cu合金を得ることができる。 例えば、公称組成Al−4.5％Cu−1.2％Li−0.2
％Cd−0.5％Mnを有する米国製合金2020、及び
公称組成Al−5.4％Cu−1.2％Li−0.2％Cd−0.6％
Mnを有するソビエト製合金VAD93が挙げられ
る。これらの合金をT651状態（焼入れ＋引調変
形２％伸び＋最大の機械的強度までの焼戻し）で
使用すると、非常に高度の機械的強度（特に
VAD93合金の場合）を示す。しかし、少量のリ
チウムを添加しても、その合金の密度はリチウム
を含有しない従来の合金に対して少ししか低下し
ないので航空機用構造部品の大幅な軽量化は達成
できないのに、延性と靭性が著しく損われるよう
に思われる。 最近になつて、公称組成Al−３％Li−２％Cu
−0.2％Zrの新規な実験的合金（高強度、低密度
及び低延性）、並びに平均的な強度、低密度及び
改良された延性を有するアルミニウム−リチウム
−銅−マグネシウム系の新規な合金が冶金業者に
よつて提案された。特に、英国国防省名義のヨー
ロツパ特許出願第0088511号に記載の平均組成Al
−2.4％Li−1.25％Cu−0.75％Mg−（Cr，Mn，
Zr，Ni）の合金が挙げられる。 さて、上記した既知の低密度リチウム合金（銅
含量の非常に大きいVAD93と2020の合金を除く）
はいずれも、焼入れと最大硬化までの焼戻しとの
間に約２〜４％の塑性変形の冷間加工を製品に施
さない限り、現状で最も高強度の従来のアルミニ
ウム合金（7075−T6、7010−T736）と同等の機
械的強度を持たない。弾性限度（降伏強さ）、破
断荷重（引張強さ）、さらに延性に対する冷間加
工の有利な効果は冶金業者に周知である。 このため、最近得られている結果は、Ｔ−651
状態のAl−Li−Cu、Al−Li−Mg及びAl−Li−
Cu−Mg合金製の薄板又は厚板及び線引製品に関
するものが比較的多いのである。この場合、これ
らの製品の製造条件として、最適な機械的特性の
合金が得られるように、焼入れと焼戻しとの間に
２〜４％の適当な伸びに相当する引張変形を加え
る必要がある。 既知のリチウム合金のこのような特徴により、
一般に焼入れと焼戻しとの間に適当な圧縮によつ
ても塑性変形を加えることの不可能な型鍛造品や
鋳造品などのように複雑な形状の物品を製造する
際に機械的比強度の高いアルミニウム−リチウム
合金を使用することは著しく制限されている。 以下に説明する本発明によると、上記のような
制限のない新規なリチウム合金が得られる。該合
金は、任意の形状の製品に対して、T6状態で極
めて良好な機械的特性（これは7075−T6及び
7010−T736合金に等しい）を与えると共に、
2000又は7000系の従来合金に較べて６〜９％低い
密度を確保する。また、本発明の合金製品の機械
的比強度は焼入れ及び焼戻し間の冷間加工により
更に改良される（Ｔ−651、Ｔ−652又はＴ−８状
態）が、この塑性変形処理は例えば焼入れ製品の
応力除去又は平削り（圧延平滑化処理）に限定さ
れ得る。 冶金試験の過程で、本発明者は、機械的強度と
密度のバランスという意味で既知のリチウム合金
よりも強度と性能のすぐれたAl−Li−Cu−Mg＋
（Cr，Mn，Zr，Ti）系商用合金の新規組成を発
見し、実験的に確認した。 本発明の合金の重量組成を以下に示す。 Cu 2.75〜3.5％ Li 1.9〜2.7％ Mg 0.26〜0.8％ Fe 0.20％以下 Si 0.10％以下 Cr 0.30％以下 Zr 0.20％以下 Ti 0.10％以下 Mn １％以下 Be 0.02％以下 その他（不可避不純物） 各 ＜0.05％ 全体＜0.15％ 残 部Al 個々の又は全体としての最適組成を以下に示す。 Cu 2.75〜3.1％ （好ましくは2.75〜３％） Li ２〜2.5％ Mg 0.26〜0.5％ Zr 0.07〜0.15％ Fe ≦0.10％ Si ≦0.06％ 該合金は、関係式： 4.8≦％Cu＋％Li＋％Mg／２≦6.0好ましくは、 5.0≦％Cu＋％Li＋％Mg／２≦5.8が成り立つ
時、最適特性を有することが判つた。 上式が4.8（又は５）より小さいと強度特性は著
しく低下し、5.8（又は６）より大きいと延性が著
しく低下する。 Mn，Cr及びTiは、Zrと同じ役割を果たすため
Zrの代替とすることができる結晶粒度調節用添
加剤として知られている。こういう効果は、Al
合金冶金業者の間では広く知られている。たとえ
ば、Van Horn編、“Aluminum”（1967年）第
164頁参照）。Beに関しては、製造時、密度を低
下させるためにAl合金に添加されることがあり
（Mgと同様）（Van Horn，supra，第168頁参
照）、また、溶融金属浴の大気酸化に対してMg
を保護するために添加されることがある（Van
Horn，supra，第187頁参照）。 尚、他の成分として含まれる不純物とは、通常
のAl合金中に存在する不可避不純物のことであ
る。 合金成分のうち、Cu，Li，Mgが前記下限を下
回ると機械的強度特性（機械的比強度、弾性限
界、破断荷重等）が不充分となり、またLiが少な
過ぎると密度が大きくなり過ぎる。Cu＞3.5％だ
と合金は点食による局部腐食または粒間局部腐食
を受け易くなる。Li＞2.7％だと鋳造が困難にな
り（亀裂発生）、また圧延も困難になり（クラツ
ク発生）、合金は表面酸化を極めて受け易くなる。
Mg＞0.8％では弾性限界−破断時伸びのバランス
が確保できなくなる。 また、FeとSiは充分な靭性（破断靭性）を維
持するために前記上限以内にする。さらに、Mn
＞１％、Cu＞0.3％、Zr＞0.2％、Ti＞0.1％とな
ると合金構造中にこの合金を脆くする金属間粒子
相の粗大な沈澱が生じ、Be＞0.02％となると合
金は粒間脆性を示すようになる。 本発明の合金は、Cu及びLiに富む相の金属間
化合物を完全に溶解するか又は5μｍ未満の粒径
を得るに充分な時間、温度θ_H＝520〜545℃に加熱
する段階を少なくとも一段階含む鋳造品の均質化
及び加工品の溶体化処理（solution annealing）
の後に、最適レベルの強度及び延性を示す。温度
θ_Hの均質化熱処理の最適時間は、急速凝固（アト
マイゼーシヨン−スプラツト式冷却）により製造
された合金の場合0.5〜８時間、半連続鋳造によ
り成形（製造）された製品の場合12〜72時間であ
る。この後者の場合、温度θ_Hに維持する時に合金
の初期溶融が起こるのを避けるべく、均質化又は
溶体化の段階中に約500℃、515℃又は528℃で数
時間実施する１又は２回の中間段階を含むことが
好ましい。 更に、焼戻しの動力学に関する試験の結果、該
合金は温度170〜220℃（好ましくは190〜200℃）
で８〜48時間焼戻した後に最適の機械的特性を有
しており、また、焼入れ及び焼戻し間に適当な成
形品（シート、バー、ビレツト）を冷間加工して
1.5〜５％（好ましくは２〜４％）塑性変形させ
ると好ましく、これによつて該合金の機械的強度
と延性とのバランスが更に改良されることが判つ
た。 本発明者は、これらの条件下で本発明の合金が
Ｔ−６（51）状態で合金7075又は7071T−６（51）
に匹敵する機械的強度を有していることを確認し
た。本発明の合金は、弾性限度（降伏強さ）及び
破断荷重（引張強さ）が向上している（前記熱処
理状態の場合、現状で最良の合金に等しい）のみ
ならず、密度が従来の（リチウムを含まない）航
空機用アルミニウム合金に比較して６〜８％低く
なつており、しかも延性又は伸びのレベルが十分
である。従つて、本発明の合金は、非常に高い機
械的比強度と良好な力学的特性（靭性、疲れ耐
性）とを有する加工又は成形構造部品を、例えば
半連続式鋳造、アトマイゼーシヨン又はスプラツ
ト式冷却（splat cooling）によつて製造する際
に重要である。 本発明は、本発明及び本発明外の各種合金の機
械的比特性を既知の合金と比較した以下の実施例
により、更によく理解されよう。 実施例 １ 精製アルミニウム（Al99.99％）から第ａ表
の組成のインゴツトを生成し、0.15％のAT5B
（フランス規格、Ti；５％、Ｂ；１％、Al；残
部）の添加により精練後、工業的半連続式鋳造に
より得られるのと同様の構造を有する金型で鋳造
した。

【表】

【表】 いずれの合金にも0.02（重量）％未満のFeと
0.02％未満のSiとを含有させた。 リチウム及び銅含量の大きい金属間化合物がほ
ぼ完全に溶解するような条件下で該合金を均質化
し、20℃で水焼入れした。該合金を少なくとも５
日間熟成（時効化）させ、150，170，190及び210
℃の温度で24時間処理した。 第ｂ表は、熱処理、焼戻し後の平均ビツカー
ス硬さ、及び該合金各々についての最大比硬さ
（ビツカース硬さ／密度の比）を示している。

【表】

【表】 これらの結果から明らかなように、本発明の合
金は、実際に焼戻しの全温度範囲、更には最良の
機械的強度−延性バランスを最も得易いサブ焼戻
し（sub−tempers）の全温度範囲で、既知の他
の合金よりもすぐれた機械的強度／密度バランス
を備えていた。 焼入れ及び焼戻し（引張又は圧縮変形による中
間冷間加工を伴なわない）後に得られる比硬さレ
ベルが非常に高いため、本発明の軽合金は成形
（鋳造）又は型鍛造（スタンピング）部品のよう
な複雑な形状の部品として特に有用である。 実施例 ２ 第ａ表の組成を有する合金をφ200mmのビレ
ツト状に半連続式に鋳造した。ビレツトを515℃
で16時間及び535℃で24時間均質化し、皮むき加
工（scalping）し、430℃で50×20mmのシートバ
ー状に押出した（押出比＝12）。シートバーを539
℃で液体化処理し、水焼入れし、各種の焼戻しを
施した。 第ｂ表は、適当な焼戻し後に最大強度を示す
時の長手方向機械的特性を、従来の7075及び7150
合金（アルミニウム協会規格による）の特性と比
較して示している。なお、第ｂ表中R_pは降伏
強さ、R_nは最大引張強さ、Ａは伸びを表わす。

【表】

【表】

【表】 Mgの添加量を調節することにより、最大の機
械的強度を得ることができ、これは既知の最大硬
度の従来合金（Liを含まない）よりも大きいか又
はそれに等しい。表から明らかなように、最良の
機械的特性を得るためにはMg含有量を0.5％より
やや少なくすることが好ましい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 本質的にCu，LiおよびMgを含有しており、
   Cuを2.75〜3.5重量％、Liを1.9〜2.7重量％、Mg
   を0.26〜0.8重量％、Feを0.20重量％以下、Siを
   0.10重量％以下、ならびにMn（１重量％以下）、
   Cr（0.30重量％以下）、Zr（0.20重量％以下）、Ti
   （0.10重量％以下）およびBe（0.02重量％以下）の
   中から選択される少なくとも１種の金属元素を含
   有し、さらに不可避不純物が個別には0.05重量％
   未満、全体としては0.15重量％未満であり、残部
   がAlであることを特徴とする機械的比強度が非
   常に高いアルミニウム基合金。 ２ 2.75〜3.1重量％のCuを含有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の合金。 ３ 2.75〜３重量％のCuを含有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の合金。 ４ ２〜2.5重量％のLiを含有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれ
   かに記載の合金。 ５ 0.26〜0.5重量％のMgを含有していることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項〜第４項のいず
   れかに記載の合金。 ６ 4.8≦％Cu＋％Li＋％Mg／２≦6.0であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項の
   いずれかに記載の合金。 ７ 5.0≦％Cu＋％Li＋％Mg／２≦5.8であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項に記載の合
   金。 ８ 最大で0.10重量％までのFeを含有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第７項の
   いずれかに記載の合金。 ９ 最大で0.06重量％までのSiを含有しているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第８項の
   いずれかに記載の合金。 １０ 0.07〜0.15重量％のZrを含有していること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第９項のい
   ずれかに記載の合金。