JPH07252573A - 靭性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 航空機，鉄道車両，スポーツ用品などにおい
て高強度が要求される構造部材用として好適な高強度Ａ
ｌ合金であって、しかも靭性に優れたＡｌ合金及びその
製造方法を提供する。 【構成】 Ｚｎ：１〜７％，Ｍｇ：０．５〜３．０％，
Ｃｕ：０．２〜３．０％Ｆｅ：０．８％以下，Ｓｉ：
０．８％以下、かつＣｒ，Ｍｎ，ＺｒおよびＴｉよりな
る群から選択された１種以上を夫々Ｃｒ：０．０５〜
０．３％，Ｍｎ：０．０５〜０．４％，Ｚｒ：０．０５
〜０．３％，Ｔｉ：０．０３〜０．３％の範囲内で含有
し、残部がＡｌと不可避不純物からなるＡｌ合金におい
て、連続鋳造後熱間圧延を行うか、または熱間圧延及び
冷間圧延を行うと共に熱処理を施して、Ｆｅ及びＳｉを
含む不溶性化合物粒の最大長さを２μｍ以下、かつ体積
分率を２．０％以下に制御されたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃ
ｕ系合金を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、靭性に優れたＡｌ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金及びその製造方法に関し、詳細に
は航空機，鉄道車両，スポーツ用品などにおいて高強度
が要求される構造部材用として好適な高強度Ａｌ合金で
あって、しかも靭性に優れたＡｌ合金及びその製造方法
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】代表的な高強度Ａｌ合金としては、Ａｌ
−Ｃｕ−Ｍｇ系合金であるジュラルミンが挙げられる
が、近年では強度を更に向上させたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−
Ｃｕ系合金が超ジュラルミンと呼ばれ、ＪＩＳ規格の７
０７５合金，７１７５合金，７４７５合金等が開発され
ている。尚上記Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金やＡｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ−Ｃｕ系合金等のジュラルミン系合金の高強度特性
は、時効硬化によって得られるものであり、これを製造
するにあたっては、まずインゴットを鋳造し、必要に応
じて均質化処理を行ない、高温で充分鍛造して鋳造組織
を取り除き、更に溶体化処理の後焼き入れをして時効処
理を施すという方法が一般的である。

【０００３】しかしながら前記ジュラルミン系合金は靭
性が低く、特に熱間・冷間加工終了後の板厚方向（ＳＴ
方向）の靭性が、加工方向（Ｌ方向）や幅方向（ＬＬ方
向）に比べて、大幅に低いという問題を有している。こ
れは合金中の不溶性化合物が加工方向に伸延されて連な
り、鋭い切欠きとして働くことに起因している。尚上記
不溶性化合物とは、Ａｌ精練時に残存するＦｅやＳｉな
どの不純物を含有する化合物であって、均質化処理や溶
体化処理における処理温度を高くしても合金中に固溶せ
ず粒状に晶出する化合物である。

【０００４】この様なジュラルミン系合金の靭性を改善
する手段としては、前記不溶性化合物の原因となるＦｅ
やＳｉなどの不純物元素の含有量を極力制限する方法が
考えられる。例えばＪＩＳ規格では前記２０１４合金の
Ｆｅ量が０．７％以下、Ｓｉ量は０．５〜１．２％に規
定されているが、特開昭５５−４７３７１号公報には不
純物であるＦｅを０．１５％以下、Ｓｉを０．１％以下
に限定する方法が開示されている。しかしながら不可避
不純物であるＦｅ及びＳｉの含有量を極力制限すること
は、即ち極めて純度の高いＡｌ地金を必要とするもので
あり、コスト高となって実用性に乏しい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事情に着
目してなされたものであって、不可避不純物であるＦｅ
やＳｉの含有量は従来と同程度であっても、製造方法を
改善することにより圧延加工後のＳＴ方向においても靭
性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金及びその製造
方法を提供しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係るＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金と
は、 Ｚｎ：１〜７％ Ｍｇ：０．５〜３．０％ Ｃｕ：０．２〜３．０％ Ｆｅ：０．８％以下（０％を含まない） Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない） の要件を満たし、かつＣｒ，Ｍｎ，ＺｒおよびＴｉより
なる群から選択された１種以上を夫々 Ｃｒ：０．０５〜０．３％ Ｍｎ：０．０５〜０．４％ Ｚｒ：０．０５〜０．３％ Ｔｉ：０．０３〜０．３％ の範囲内で含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる
Ａｌ合金において、連続鋳造後熱間圧延を行うか、また
は熱間圧延及び冷間圧延を行うと共に熱処理を施して、
Ｆｅ及びＳｉを含む不溶性化合物粒の最大長さを２μｍ
以下、かつ体積分率を２．０％以下に制御してなること
を要旨とするものである。

【０００７】そして上記Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金
を製造する為の好適手段の一つとして、本発明は凝固時
の冷却速度Ｒが Ｒ≧５……（１） Ｒ≧７．５（［Ｆｅ］＋［Ｓｉ］）＋２……（２） 但し、Ｒ：凝固時の冷却速度（℃／ｓｅｃ） ［Ｆｅ］，［Ｓｉ］：Ａｌ合金中のＦｅ、Ｓｉの含有率
（％） を満足する条件で連続鋳造した後、該鋳片を熱間圧延温
度以上に保持された状態で直ちに、あるいは熱間圧延温
度に調整してから熱間圧延する方法を提供するものであ
る。尚上記条件式（１），（２）で示される推奨範囲は
図１に示される如く、［Ｆｅ］＋［Ｓｉ］の値が０．４
％以下のときは（１）式によって、また［Ｆｅ］＋［Ｓ
ｉ］の値が０．４％超のときは（２）式によって規定さ
れることを意味する。

【０００８】

【作用】本発明者らはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金の
靭性を向上させるという課題について鋭意研究を重ねた
結果、たとえＦｅ及びＳｉをある程度含有したＡｌ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金であっても、連続鋳造によりＦｅ
及びＳｉを合金中に強制固溶させ、Ｆｅ及びＳｉを含む
不溶性化合物粒の最大長さを２μｍ以下で、しかもその
体積分率を２％以下に制御したものでは、強度を損なう
ことなく圧延加工後のＳＴ方向の靭性も向上させること
ができるとの知見を得た。さらに上記不溶性化合物粒の
最大長さ及び体積分率を制御するには、連続鋳造過程に
おける凝固時の冷却速度を一定条件内に制御してＦｅ及
びＳｉを合金中に強制固溶することが最良の方法である
ことをつきとめ、本発明を完成させた。まず本発明に係
る成分組成の限定理由を以下に述べる。

【０００９】Ｚｎ：１〜７％ Ｍｇ：０．５〜３．０％ Ｃｕ：０．２〜３．０％ Ｚｎ，Ｍｇ及びＣｕは、ＭｇＺｎ₂ やＡｌ₂ ＣｕＭｇと
いう１μｍ以下の微細な析出物を形成し、強度の向上に
大きく寄与する元素である。Ｚｎ，Ｍｇ及びＣｕのうち
いずれかひとつの元素でも上記成分範囲の下限値未満で
あると充分な強度が得られず、一方Ｚｎ，Ｍｇ及びＣｕ
のうちいずれかひとつの元素でも上記成分範囲の上限値
を超えると、Ｆｅ及びＳｉを含有する不溶性化合物粒の
最大長さが２μｍを超えて粗大な晶出物となり、靭性を
低下させる。従ってＺｎ，Ｍｇ及びＣｕはいずれも上記
成分範囲を満足させることが必要である。

【００１０】尚Ｚｎの下限としては、より好ましくは２
％以上、更に好ましくは３％以上、一方上限は好ましく
は６％以下、更に好ましくは５．５％以下である。Ｍｇ
の下限としては、より好ましくは０．８％以上、更に好
ましくは１％以上、一方上限は好ましくは２．５％以
下、更に好ましくは２％以下である。またＣｕの下限と
しては、より好ましくは０．５％以上、更に好ましくは
１％以上、一方上限は好ましくは２．５％以下、更に好
ましくは２％以下である。

【００１１】Ｃｒ：０．０５〜０．３％ Ｍｎ：０．０５〜０．４％ Ｚｒ：０．０５〜０．３％ Ｔｉ：０．０３〜０．３％ 本発明のＡｌ合金においては、上記４種の金属元素のう
ち１種以上を上記の範囲内で含有させることにより、Ａ
ｌ合金の結晶粒を微細化し靭性を向上させることができ
る。しかも上記４種の金属元素はＡｌと化合して０．１
〜０．５μｍ程度の微細な析出物を形成することにより
強度の向上にも寄与する。但し含有量が少な過ぎると靭
性及び強度に対する向上効果が充分でなく、含有量が多
過ぎると粗大な晶出物を形成し、靭性を低下させてしま
う。従ってＣｒ量は０．０５〜０．３％，Ｍｎ量は０．
０５〜０．４％，Ｚｒ量は０．０５〜０．３％，Ｔｉ量
は０．０３〜０．３％の範囲内とすることが必要であ
る。

【００１２】尚Ｃｒの下限としては、より好ましくは
０．０８％以上、更に好ましくは０．１％以上、一方上
限は好ましくは０．２５％以下、更に好ましくは０．２
％以下である。Ｍｎの下限としては、より好ましくは
０．１％以上、更に好ましくは０．２％以上、一方上限
は好ましくは０．３５％以下、更に好ましくは０．３％
以下である。

【００１３】Ｚｒの下限としては、より好ましくは０．
０８％以上、更に好ましくは０．１％以上、一方上限は
好ましくは０．２５％以下、更に好ましくは０．２％以
下である。またＴｉの下限としては、より好ましくは
０．０５％以上、更に好ましくは０．０７％以上、一方
上限は好ましくは０．２％以下、更に好ましくは０．１
５％以下である。

【００１４】Ｆｅ：０．８％以下（０％を含まない） Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない） Ｆｅ及びＳｉはＡｌ精練時に残存する不可避不純物であ
り、不溶性化合物を形成することから、一般的に言って
Ａｌ合金にとって望ましくない元素であり、通常は極力
制限される。本発明ではＦｅ量及びＳｉ量ともに０．８
％まで許容できるものの、０．８％を超えると不溶性化
合物が粗大かつ多量に形成され、靭性が著しく低下す
る。

【００１５】本発明に係るＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合
金においては、Ｆｅ及びＳｉを含む不溶性化合物粒の最
大長さ及びその体積分率を制御することが高い靭性を得
る上で非常に重要である。上記不溶性化合物粒の最大長
さが２μｍ以下、かつその体積分率が２．０％以下であ
る場合には、圧延加工後のＳＴ方向にも優れた靭性を発
揮する。上記不溶性化合物粒の最大長さは、高靭性を得
る上で１．５μｍ以下が望ましく、１μｍ以下がより好
ましい。一方不溶性化合物の体積分率は１．５％以下が
好ましく、１．０％以下であればより望ましい。

【００１６】上記不溶性化合物粒の最大長さとは、例え
ば球状や円盤状の結晶であれば最大直径を与える様な切
断面を形成した時の最大直径であり、また略立方体や略
直方体の結晶であれば最も長い対角線の長さを指し、不
特定な形状の結晶であれば最も離れた表面上の２点間の
長さを言う。尚上記不溶性化合物粒の最大長さを測定す
るにあたっては、電子顕微鏡を用い顕微鏡視野で算出す
ればよい。

【００１７】上記不溶性化合物粒の最大長さ及び体積分
率を制御するには、上記成分組成の要件を満足するＡｌ
合金を用いると共に、凝固時の冷却速度Ｒが下記
（１），（２）式 Ｒ≧５……（１）で且つ Ｒ≧７．５（［Ｆｅ］＋［Ｓｉ］）＋２……（２） 但し、Ｒ：凝固時の冷却速度（℃／ｓｅｃ） ［Ｆｅ］，［Ｓｉ］：Ａｌ合金中のＦｅ、Ｓｉの含有率
（％） を満足する条件で連続鋳造を行なうことが重要である。

【００１８】即ち本発明のＡｌ合金では、連続鋳造法に
より凝固時に速やかに冷却してＦｅやＳｉなどの不可避
不純物元素を強制固溶させ、靭性に悪影響を及ぼす不溶
性化合物の大きさ及び量を制限しようというものであ
り、上記条件を満足すればＦｅ及びＳｉを含有する不溶
性化合物粒の最大長さ２μｍ以下、体積分率を２％以下
に制御できる。一方凝固時の冷却速度が前記条件を満足
しない場合には、ＦｅやＳｉという不純物元素を十分に
強制固溶させることができずに、Ｆｅ及びＳｉを含む不
溶性化合物粒の最大長さ及びその体積分率を本発明範囲
内に制御できず、十分な靭性を得ることはできない。

【００１９】前述の通り上記条件式（１），（２）で示
される推奨範囲は、［Ｆｅ］＋［Ｓｉ］の値が０．４％
以下のときは（１）式によって、また［Ｆｅ］＋［Ｓ
ｉ］の値が０．４％超のときは（２）式によって規定さ
れることを意味する。この様に本発明に係るＡｌ合金を
製造するにあたりＦｅやＳｉなどの不可避不純物元素の
含有量が多い場合には、その含有量に応じて連続鋳造過
程における凝固時の冷却速度を増加させ、不溶性化合物
粒の最大長さ及び体積分率を制御することが望ましい。

【００２０】尚本発明のＡｌ合金は、前記成分組成成の
Ａｌ合金を用いて特定条件による冷却速度で連続鋳造を
行い、Ｆｅ及びＳｉを含有する不溶性化合物粒の最大長
さ及び体積分率を制御することにより優れた靭性を得ら
れるものであり、その他の製造条件については特に制限
されるものではないが、以下の製造方法が例示できる。

【００２１】まず本発明に係る合金組成を有するＡｌ合
金を溶融体とし、この溶融体を連続鋳造する。連続鋳造
法としては、水冷式連続鋳造法、双ロール式連続鋳造
法、ベルト式連続鋳造法、ブロック式連続鋳造法などを
採用することができるが、連続鋳造から熱間圧延工程へ
の移行時期は、鋳片内部が固相線温度以下にまで低下し
て完全に凝固した後にタイミングを合わせるのが好まし
い。

【００２２】本発明は、連続鋳造して得られる移動帯板
の温度を熱間圧延温度以上に保持して直ちに熱間圧延
し、引き続いて、若しくは一旦巻き取ってから冷間圧延
工程へ送る所謂連鋳・直送圧延方法に有利に適用される
が、この他連続鋳造の後、一旦保持し、鋳片温度が実質
的に降下しないうちに熱間圧延へ送り、更に冷間圧延を
行なう方法にも適用することができる。

【００２３】尚熱間圧延を施す場合、開始温度は４５０
〜５００℃の範囲が好ましく、３００〜３５０℃の仕上
げ温度で終了することが望ましい。連続鋳造法では通常
４〜３０ｍｍ程度の肉厚の移動帯板が連続的に製造さ
れ、これを熱間圧延し、更に必要に応じて冷間圧延を行
うことによって、０．７〜２０ｍｍ程度の肉厚のＡｌ合
金板に圧延される。圧下率としては３０％以上が好まし
い。

【００２４】熱間圧延または熱間圧延及び冷間圧延を施
したＡｌ合金板は、溶体化処理の後水焼き入れし、さら
に時効処理を施す。上記溶体化処理の条件としては処理
温度が４５０〜５００℃、処理時間は１〜８時間が望ま
しい。時効処理の条件としては１００〜１５０℃の時効
温度で８〜２４時間が好ましい。

【００２５】

【実施例】

実施例１〜１５ 表１に示す組成のＡｌ合金を溶融体とし、連続鋳造法に
より肉厚２０ｍｍの移動帯板を作製し、直ちに熱間圧延
を施し肉厚５ｍｍの板材とした。尚連続鋳造時の冷却速
度は１２℃／ｓｅｃであり、上記熱間圧延の圧延開始温
度は４５０℃、終了温度は３５０℃であった。上記板材
に４８０℃で４時間の溶体化処理を施して水焼き入れを
行ない、１２０℃で２４時間の時効処理を行なった。

【００２６】この様にして得たＡｌ合金板について、走
査型電子顕微鏡観察と画像解析を行なうことによって不
溶性化合物粒の最大長さ及び体積分率を求めると共に、
ＳＴ方向の破壊靭性試験を行なった。さらに引張試験で
耐力を測定して強度の評価を行なった。結果は表１に併
記する。

【００２７】比較例１〜１５ 表２に示す組成のＡｌ合金溶湯を用いて、後述の条件以
外は実施例と同様にしてＡｌ合金板を得た。走査型電子
顕微鏡観察と画像解析を行なうことによって不溶性化合
物粒の最大長さ及び体積分率を求めると共に、ＳＴ方向
の破壊靭性試験を行なった。さらに引張試験で耐力を測
定して強度の評価を行なった。結果は表２に併記する。

【００２８】尚比較例１，２のＡｌ合金板は、連続鋳造
時の冷却速度を３℃／ｓｅｃとした以外は実施例と同様
にして得たものであり、比較例３〜１５のＡｌ合金板
は、本発明に係る合金組成のうち少なくとも１種の元素
において条件を満足していないものである。

【００２９】これら比較用のＡｌ合金板について、走査
型電子顕微鏡観察と画像解析を行なうことによって不溶
性化合物粒の最大長さ及び体積分率を求めると共に、Ｓ
Ｔ方向の破壊靭性試験を行なった。さらに引張試験で耐
力を測定して強度の評価を行なった。結果は表２に併記
する。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】表１から明らかな様に本発明に係るＡｌ合
金は、不溶性化合物粒の最大長さが２μｍ以下で、しか
も体積分率が２％以下であることから圧延加工後のＳＴ
方向の靭性も高く、かつ高強度であることが分かる。ま
た表２から明らかな通り、本発明に係る条件のいずれか
を満たさない比較例は、靭性または強度において充分で
はない。

【００３３】比較例においてＮo.１，２は連続鋳造条件
が異なるもので、Ｎo.１は不溶性化合物粒の最大長さが
２μｍを超え、Ｎo.２は不溶性化合物の体積分率が２％
を超えることから、夫々破壊靭性が低い。Ｎo.３はＺｎ
量が少な過ぎる場合の比較例、Ｎo.５はＭｇ量が少な過
ぎる場合の比較例、Ｎo.７はＣｕ量が少な過ぎる場合の
比較例であり、いずれも強度が著しく低い。Ｎo.４はＺ
ｎ量が多過ぎる場合の比較例、Ｎo.６はＭｇ量が多過ぎ
る場合の比較例、Ｎo.８はＣｕ量が多過ぎる場合の比較
例であり、不溶性化合物粒の最大長さが２μｍを超えて
粗大であり、靭性が著しく低い。Ｎo.９はＣｒ，Ｍｎ，
Ｚｒ及びＴｉの量がいずれも少な過ぎる場合の比較例で
あり、靭性に劣る。Ｎo.１０〜１３はＣｒ，Ｍｎ，Ｚｒ
及びＴｉのうち、いずれかの量が多過ぎる場合の比較例
であり、不溶性化合物粒の最大長さが２μｍを超えると
共に体積分率も２％を超えており、靭性が著しく低い。
Ｎo.１４，１５は不可避不純物であるＦｅまたはＳｉの
量が多過ぎる場合の比較例であり、靭性に乏しい。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、連
続鋳造法によりＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金中におけ
る不溶性化合物粒の最大長さを２μｍ以下とし、しかも
その体積分率を２％以下に制御しているので、Ａｌ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金の高強度という特性に加えて、そ
の靭性も向上させることができ、靭性に優れたＡｌ−Ｚ
ｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金及びその製造方法が提供できるこ
ととなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法において用いられる連続鋳造
時の好ましい冷却速度条件を示すグラフである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｚｎ：１〜７％（重量％を意味する、特記
   しない限り以下同じ） Ｍｇ：０．５〜３．０％ Ｃｕ：０．２〜３．０％ Ｆｅ：０．８％以下（０％を含まない） Ｓｉ：０．８％以下（０％を含まない） の要件を満たし、かつＣｒ，Ｍｎ，ＺｒおよびＴｉより
   なる群から選択された１種以上を夫々 Ｃｒ：０．０５〜０．３％ Ｍｎ：０．０５〜０．４％ Ｚｒ：０．０５〜０．３％ Ｔｉ：０．０３〜０．３％ の範囲内で含有し、残部がＡｌと不可避不純物からなる
   Ａｌ合金において、連続鋳造後熱間圧延を行うか、また
   は熱間圧延及び冷間圧延を行うと共に熱処理を施して、
   Ｆｅ及びＳｉを含む不溶性化合物粒の最大長さを２μｍ
   以下、かつ体積分率を２．０％以下に制御してなること
   を特徴とする靭性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合
   金。
2. 【請求項２】 請求項１記載のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ
   系合金を製造するにあたり、凝固時の冷却速度Ｒが Ｒ≧５で且つ Ｒ≧７．５（［Ｆｅ］＋［Ｓｉ］）＋２ 但し、Ｒ：凝固時の冷却速度（℃／ｓｅｃ） ［Ｆｅ］，［Ｓｉ］：Ａｌ合金中のＦｅ、Ｓｉの含有率
   （％） を満足する条件で連続鋳造した後、該鋳片温度を熱間圧
   延温度以上に保持して熱間圧延することを特徴とする靭
   性に優れたＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金の製造方法。
3. 【請求項３】 連続鋳造された移動帯板を直ちに熱間圧
   延工程へ送る請求項２記載の製造方法。
4. 【請求項４】 連続鋳造された鋳片を、熱間圧延温度に
   調整して熱間圧延工程へ送る請求項２に記載の製造方
   法。