JPH1068038A - 圧延用Al−Li系合金鋳塊およびその連続鋳造方法 - Google Patents

圧延用Al−Li系合金鋳塊およびその連続鋳造方法

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JPH1068038A
JPH1068038A JP24570796A JP24570796A JPH1068038A JP H1068038 A JPH1068038 A JP H1068038A JP 24570796 A JP24570796 A JP 24570796A JP 24570796 A JP24570796 A JP 24570796A JP H1068038 A JPH1068038 A JP H1068038A
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Toshimasa Sakamoto
敏正 坂本
Takuzo Hagiwara
卓三 萩原
Kazunori Kobayashi
一徳 小林
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱間圧延時における耳割れ性が少なく、かつ
優れた破壊靭性を有するAl−Li系合金板材を製造す
るための圧延用鋳塊と、その連続鋳造方法を提供する。 【解決手段】 重量%で(以下、同じ)、Li0.5〜
3.0%、Cu1.0〜3.0%、Mg0.5〜2.0
%と、組織微細化剤として適量のZr、V、Mn、C
r、Tiの一種もしくは2種以上と、必要に応じてAg
0.2〜0.6%および/またはZn0.2〜0.7
%、残部は不可避的不純物とAlよりなり、かつ鋳塊中
のデンドライトセル組織面積率が80%以下である圧延
用Al−Li系合金鋳塊であり、該鋳塊は、下記の条件
下に半連続鋳造法により製造される。すなわち溶湯温度
が680〜850℃、冷却水量は、水冷鋳型向けW1
鋳塊外周向けW2 は等量で、鋳塊の水平方向断面の単位
周囲長及び単位時間当たり、500〜2000ml/c
m/min.、鋳型からの鋳塊の引抜速度は、35〜1
10mm/min.に調整される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、圧延用Al−Li系合
金鋳塊およびその連続鋳造方法に係り、特にLi0.5
〜3.0%、Cu1.0〜5.5%、Mg0.5〜2.
0%を必須成分とし、さらに組織改良元素等を選択的に
含有するAl−Li系合金の、熱間圧延時に耳割れを起
こさない圧延性、および破壊靭性の優れた圧延板が得ら
れる圧延用鋳塊およびその連続鋳造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】Al−Li系合金、特にLi1.0〜
3.0%、Cu1.0〜4.0%、Mg0.5〜2.0
%を必須成分とし、さらにZrを0.04〜0.16%
を含み残部不純物とAlよりなる展伸用合金は、従来よ
り2090,2091、8090、8091等の国際規
格合金が知られ、低密度、高強度、高弾性率等優れた特
性を有するため、宇宙機器、航空機等の構造材として重
用され、さらに自動車、軌道車両等輸送機器の軽量構造
用材料として実用化が期待されている。
【0003】このような卓越した特性を有することが知
られながら、この種合金の実用化には種々の困難が内在
している。すなわち上記したAl−Li系合金は、その
熱間圧延時において耳割れを起こしやすく、また圧延製
品板の機械的特性特に破壊靭性が安定して得難い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の現状
にかんがみてなされたもので、Al−Li系合金板製造
用鋳塊およびその製造方法に係り、特に熱間圧延時にお
ける耳割れ性が少なく、かつ優れた破壊靭性を有する製
品板材を製造するための圧延用Al−Li系合金鋳塊お
よびその連続鋳造方法を提供することを目的とするもの
である。なお、本発明において、優れた破壊靭性とは、
航空機材料等において要求される製品板材の破壊靭性値
25MPa√m以上であり、これを目標値とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
を解決すべく鋭意研究の結果、熱間圧延時における耳割
れ及び製品板材の破壊靭性が、いずれも合金鋳塊の組織
に密接な影響を受けていることを見出し、最適な組織要
件を具備する鋳塊およびその連続鋳造方法を発明するに
至ったものである。
【0006】すなわち具体的には、請求項1の発明の圧
延用Al−Li系合金鋳塊は、Li0.5〜3.0%、
Cu1.0〜3.0%、Mg0.5〜2.0%と、Zr
0.06〜0.3%、V0.06〜0.3%,Mn0.
06〜0.3%、Cr0.06〜0.3%、Ti0.0
2〜0.3%のうちの1種もしくは2種以上と、必要に
応じてAg0.2〜0.6%および/またはZn0.2
〜0.7%を含み、残部不可避的不純物とAlよりなる
合金鋳塊で、その圧延方向に直角方向の断面のデンドラ
イトセル組織面積率が80%以下であることを特徴とす
る。
【0007】また、請求項2の発明の圧延用Al−Li
系合金鋳塊の連続鋳造方法は、Li0.5〜3.0%、
Cu1.0〜3.0%、Mg0.5〜2.0%と、Zr
0.06〜0.3%、V0.06〜0.3%,Mn0.
06〜0.3%、Cr0.06〜0.3%、Ti0.0
2〜0.3%のうちの1種もしくは2種以上と、必要に
応じてAg0.2〜0.6%および/またはZn0.2
〜0.7%を含み、残部不可避的不純物とAlよりなる
合金溶湯を、水冷筒状鋳型に注湯し、鋳塊形成過程を経
て前記鋳型の直下において該鋳塊外周に直接冷却水を撒
布しつつ、該鋳塊を鋳型から引抜く半連続鋳造方法にお
いて、前記合金溶湯が680〜850℃の範囲であり、
前記水冷鋳型向け冷却水量W1 及び前記鋳塊に直接撒布
される冷却水W2 (ml)は、鋳塊の水平断面の単位周
囲長L(cm)及び単位時間(min.)当たり、W1
=W2 =500〜2000ml/cm/min.、前記
鋳塊の引抜速度は、35〜110mm/min.に調整
されることを特徴とするものである。
【0008】本発明の合金における化学成分の限定理由
について説明する。 Li:Liは、軽量化元素であると共に、準安定相δ´
が析出し、強度向上、高剛性化に寄与する。Li含有量
が1.0%未満では軽量化及び強度向上の効果が不十分
であり、また3.0%を超えるえると鋳造割れ感受性が
増大すると共に粗大な準安定相δ´を生成するなどして
合金の伸び値及び靭性を低下させるのでLi量の上限は
3.0%とする。
【0009】Cu:Cuは、Al−Cu系の板状析出物
(Al2 Cu)や、Al−Cu−Li系の板状の析出物
Al2 Cuや、Al−Cu−Li系の析出相(T1 相)
を生成して強度及び靭性の向上に寄与する。しかしその
含有量が1.0%未満では効果が十分で無く、また3.
0%を超えると前記効果が飽和すると同時に軽量化効果
を減殺する。なおMg含有量が1.0%未満の場合は、
Cu含有量は1.5〜3.0%が望ましく、またMg含
有量が1.0%を超える場合はMgによる強度向上の効
果も期待できるので、Cuは1.0〜2.5%程度でも
良い。
【0010】Mg:Mgは固溶効果により、伸び値及び
靭性を低下することなく合金を強化すると同時にAl−
Cu−Mg系の準安定相の板状析出物S´相(Al−C
uMg)を生成し、これによりさらに強度向上に寄与す
る。Mg含有量が0.5%未満では強度向上の効果が十
分でなく、また2.0%を超えると強度は向上するもの
の靭性及び伸び値が低下する。従ってMgは0.5〜
2.0%の範囲が望ましい。
【0011】Zr、V、Mn、CrおよびTi:これら
の元素は、合金組織を微細化すると共に、再結晶を抑制
する効果があり、合金組織が微細で未再結晶状態の組織
とするために有効で、好ましい含有範囲は、Zr、V、
MnおよびCrは、0.06〜0.3%である。その含
有量が上限を超えるとAlとこれら元素との粗大金属間
化合物を生成して強度、靭性及び伸び値を低下する。ま
た含有量が下限未満であれば十分な効果は得られない。
【0012】Tiの適量は、0.02〜0.06%であ
り、鋳塊のミクロ組織を微細化し、また本発明者等の実
験によれば、図4に示したようにTi等の組織微細化元
素の含有は、デンドライトセル組織面積率を高める作用
がある。上限を超える量では晶出物が増加して靭性およ
び延性が低下し、下限未満の量では十分な微細化効果が
得られない。
【0013】Ag:必要に応じてAg0.2〜0.6%
および/またはZn0.2〜0.7%の含有が有効であ
る。Agは、Al−Cu系の板状析出物θ´(Al2
u)やAl−Cu−Li系の板状析出物T1 相(Al2
CuLi)の析出を促進し、Al−Li−Cu−X(X
はMg等)の合金の強度を格段と向上する。Ag含有範
囲の上限を超えると、比重の増大、比強度の低下が大き
く、下限未満では、十分な効果が得られない。Zn0.
2〜0.7%の含有は、Al−Li系合金の耐食性を向
上する。上限を超えると、結晶粒界に粗大な化合物を発
生させ、合金の靭性を損ない、下限未満では効果が微弱
である。
【0014】不純物: Fe0.3%以下、Si0.2
%以下の含有は、本発明の効果を損なうことがなく許容
不純物であるが、化合物の生成、粒界への偏析などによ
り靭性低下を一層厳格に防ぐには、Fe0.10%以
下、Si0.10%以下が好ましい。また、Na,C
a,Kなどのアルカリおよびアルカリ土類元素は、合金
の熱間加工時の割れ発生の原因となるため、各10pp
m以下に制限される。
【0015】図2は、鋳造時の溶湯温度が比較的低い
か、Ti等の結晶粒微細化剤を適量添加した場合に形成
される網目状のデンドライトセル組織であり、図の右側
にはデンドライトセルサイズ(以下DCSと言う)のデ
イメンションを模式的に示す。また図3は、溶湯温度が
比較的高い場合等に形成される網目状組織の内部に突起
があるデンドライト組織であり、図の右側にはデンドラ
イトアームスペーシング(以下DASと言う)のデイメ
ンションを示す。
【0016】代表的鋳塊は一般に両組織が併存している
が、本発明者等は、製品板材の破壊靭性の目標値が得ら
れる鋳塊は、圧延方向に直角方向の断面のデンドライト
セル組織面積率が80%以下の範囲のものであることを
見出した。この面積率が80%を超えると、DCS値に
かかわらず上記目標値を得ることは出来ない。
【発明の実施の形態】
【0017】本発明による鋳塊の製造は半連続鋳造法に
より行われ、合金溶湯の温度は、鋳型への注湯時におい
て680〜850℃の範囲に選定される。680℃未満
では上記デンドライトセル面積率は、80%を超えるこ
とが認められた。また850℃を超えると、溶湯注のL
i成分が雰囲気中の酸素、水素、窒素と反応が活発化
し、Li成分の喪失および非金属介在物の増加等によ
り、鋳塊品質が低下するので適当ではない。
【0018】溶湯を水冷筒状鋳型に注湯し、鋳塊形成過
程を経て前記鋳型の直下において該鋳塊外周に直接冷却
水を撒布しつつ、該鋳塊を降下する。その際前記水冷鋳
型向け冷却水量W1 及び前記鋳塊に直接撒布される冷却
水W2 (ml)は、鋳塊の水平断面の単位周囲長L(c
m)及び単位時間(min.)当たり、W1 =W2 =5
00〜2000ml/cm/min.の範囲であれば、
デンドライトセル組織面積率を上限以下に制御すること
ができ、冷却水量が下限未満では、鋳型下縁からの湯漏
れが発生しやすくなり、上限を超えると冷却水が鋳型内
溶湯面上に溢出して溶湯爆発の危険が生ずる。
【0019】鋳塊の鋳型からの引抜速度すなわち降下速
度は、35〜110mm/min.に調整される。この
範囲がデンドライトセル組織の面積率を80%以下に制
限しやすく、またこの下限未満では鋳型内溶湯の深さが
不足し、鋳塊表面の発汗、湯境等表層欠陥が大きくなり
切削量の増大を余儀なくされて良くない。さらに注湯分
配器が円滑に作動し難いなどの困難を招来する。また、
上限を超えると鋳塊の割れが発生しやすくなる。
【0020】
【実施例】図1は、本発明の実施例に使用した鋳造装置
の模式的竪断面図であり、一般的な圧延用アルミニウム
合金鋳塊の製造に使用される連続鋳造装置である。合金
溶湯2は図示してない溶解保持炉からAr等の不活性気
圏に保護されて樋3、分配器4を介して、一次冷却水5
によって冷却される横方向断面が相対的に矩形の筒状鋳
型(1)に注入され、溶湯本体の外周には凝固殻が形成
され、該鋳型直下において鋳型下端周囲のスリットまた
はスプレー孔より二次冷却水(6)が凝固殻に直接撒布
されて冷却し、形成された柱状鋳塊7は昇降可能の受台
(8)に保持され下方に降下し、鋳型(1)から引抜か
れる。
【0021】溶湯温度は、鋳型(1)へ注入する直前の
位置において温度計(11)により、また鋳型(1)の
冷却ジャケットに供給される一次冷却水(5)は、水量
計(10)により、そして鋳塊の引抜速度は、速度計
(9)によりそれぞれ計測される。該鋳塊に直接撒布さ
れる冷却水である二次冷却水(6)は、上記冷却ジャケ
ットの内側下端のスリット又はスプレー孔より撒布され
鋳塊表面を経て下方へ流下する。
【0022】表1は、本実施例に供試したAl−Li系
合金3種の成分である。なお、A合金にTi量を変化し
た2種(A1,A2)を追加した。上記装置により種々
なる条件下において半連続鋳造して得られた鋳塊は、常
法により面削、均質化加熱処理、熱間圧延、さらに調質
処理(溶体化処理、冷間圧延、時効処理)して製品板材
を製造した。
【0023】
【表1】 《表注》A1:A+0.02%Ti A2:A+0.07%Ti
【0024】表2は、鋳塊およびその製造条件と製品板
材の特性を評価した結果で、表2の最上欄の表示は、溶
湯温:鋳型への注湯時の溶湯温度℃、冷却水:冷却水量
(ml/cm/min.)、引抜速:鋳型からの鋳塊の
降下速度(mm/min.)、DAS :DAS(μm)、
DCS :DCS(μm)、面積:デンドライトセル組織の
面積率(%)、圧延:熱間圧延時の耳割れ程度の評
価、、靭性:製品板材の破壊靭性の目標値達成の評価で
ある。
【0025】
【表2】
【0026】表2の最上欄の右欄の評価において、○印
は、いずれも本発明の実施に相当する条件下での結果で
あり、熱間圧延時の耳割れが無く、製品板材の破壊靭性
が目標値を達成し、良好と評価できたものである。また
×印は、目標値に達せず不良と評価したものである。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の圧延用A
l−Li系合金鋳塊は、熱間圧延時の耳割れがなく、し
かも最終製品板材の破壊靭性が優れるため、宇宙機器、
航空機、自動車、軌道車両等輸送機器の軽量構造用材等
の製造用原料に適している。
【0028】また本発明の上記圧延用Al−Li系合金
鋳塊の連続鋳造方法は、従来の汎用設備に変更を加える
ことなく、溶湯温度、冷却水量、鋳塊の引抜速度を特定
値に制御することによって確実に一定品質の圧延用鋳塊
が得られるため、工業的量産において高い製品歩留まり
が達成出来、コストダウンと品質安定によりこの種合金
板の用途拡大に貢献するところ大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に使用した連続鋳造装置の模式
的竪断面図である。
【図2】鋳塊中の網目状のデンドライトセル組織であ
り、図の右側にはデンドライトセルサイズ(DCS)の
デイメンションを模式的に示した図である。
【図3】鋳塊中の網目状組織の内部に突起があるデンド
ライト組織であり、図の右側にはデンドライトアームス
ペーシング(DAS)のデイメンションを示した図であ
る。
【図4】Al−Li系合金鋳塊における、デンドライト
セル組織面積率に及ぼすTi等微細化剤添加の影響を示
す図である。
【符号の説明】
1 冷却鋳型 2 合金溶湯 3 樋 5 冷却水配管 6 二次冷却水 7 鋳塊 9 鋳塊降下(引抜)速度計測手段 10 冷却水量計測手段 11 溶湯温度計測手段

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 重量%で(以下、同じ)、Li0.5〜
    3.0%、Cu1.0〜3.0%、Mg0.5〜2.0
    %と、Zr0.06〜0.3%、V0.06〜0.3
    %、Mn0.06〜0.3%、Cr0.06〜0.3
    %、Ti0.02〜0.3%のうちの1種もしくは2種
    以上と、必要に応じてAg0.2〜0.6%、および/
    またはZn0.2〜0.7%を含み、残部不可避的不純
    物とAlよりなる合金鋳塊で、その圧延方向に直角方向
    の断面のデンドライトセル組織面積率が80%以下であ
    ることを特徴とする圧延用Al−Li系合金鋳塊。
  2. 【請求項2】 Li0.5〜3.0%、Cu1.0〜
    3.0%、Mg0.5〜2.0%と、Zr0.06〜
    0.3%、V0.06〜0.3%、Mn0.06〜0.
    3%、Cr0.06〜0.3%、Ti0.02〜0.3
    %のうちの1種もしくは2種以上と、必要に応じてAg
    0.2〜0.6%および/またはZn0.2〜0.7%
    を含み、残部不可避的不純物とAlよりなる合金溶湯
    を、水冷筒状鋳型に注湯し、鋳塊形成過程を経て前記鋳
    型の直下において該鋳塊外周に直接冷却水を撒布しつ
    つ、該鋳塊を鋳型から引抜く半連続鋳造方法において、
    前記合金溶湯が680〜850℃の範囲であり、前記水
    冷鋳型向け冷却水量W1 及び前記鋳塊に直接撒布される
    冷却水量W2 (ml) は、鋳塊の水平断面の単位周囲長
    (cm)及び単位時間(min.)当たり、W1 =W2
    =500〜2000ml/cm/min.、前記鋳塊の
    引抜速度は、35〜110mm/min.に調整される
    てなることを特徴とする圧延用Al−Li系合金鋳塊の
    連続鋳造方法。
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