JPS608300B2 - 金属製品の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属製品の製造に関する。

変形処理の温度範囲を制限しまたひずみ速度を制限する
ことによって微細構造の結晶粒を生成させて超塑性的に
変形させることができる合金がある。

もし、処理によって十分に微細な構造が、得られれば、
これらの合金は、極めて微細な結晶粒を有しない同一成
分の合金と比べて、比較的低い負荷の下で非常に高い塑
性を示す。また超塑性変形現象により極めて微細な結晶
粒を有するように処理された合金の素材から比較的安価
に製品を製造することができることも知られている。本
発明の目的は、極めて微細な結晶粒を有するように処理
されていない特定の合金の素材から金属製品を成形する
方法を提供するものである。

本発明の特徴によれば、超塑性変形に通した組成を有す
るが該変形を抑制する結晶粒構造を有する合金の素材を
成形温度まで高め、この温度において該素材に外力を加
えて該素材を非超塑性的に変形させるとともに動的ひず
み再結晶を譲起させ、さらに、前記外力を加え続けるこ
とによって微細構造の再結晶粒を逐次生成させながら、
部分的に成形してある前記素材を超塑性的に変形させて
製品とすることを特徴とする、超塑性変形に通した組成
を有するが該変形を抑制する結晶粒構造を有する合金の
素材に微細構造の再結晶粒を生成させながら前記合金の
素材を超塑性的に変形させることによって製品を成形す
る方法を提供する。アルミニウムを主成分とする合金に
関する限り、本発明者らの英国特許出願第３３９２２／
７１号と同第２８４６／７３号に開示されているアルミ
ニウム合金の例のように、鋳造されかつ実質的に機械的
に加工された合金は超蝿性を有するので、十分な微細構
造の結晶粒を生成させるために付加的熱処理を必要とす
ると信じられていた。しかし、適当なアルミニウム合金
を圧延した素材を、素材をコンディショニングする段階
を必要としないで、製品として成形することができるこ
とが判明した。本明細書において百分率はすべて重量百
分率である。本発明の他の特徴によれば、合金に微細構
造の再結晶粒を生成させると同時に、前記合金を超塑性
的に変形させて製品を成形する方法において、前記合金
はアルミニウムを主成分とし、再結晶を促進させるＣい
Ｚｎ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｌｊ，およびＦｅのなかか
ら選択された一つ以上の金属と、結晶粒粗大化を防ぐ作
用を有するＺｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉのなかから選択
された金属の少なくとも一つの金属の量が０．２５％で
あってその金属の合計量が、１％を超えない金属とを含
み、実質的に単一相の固熔体となっている合金であって
、前記合金の素材を成形温度に高め、この温度において
前記素材に外力を加えて、前記素材を非超塑性的に変形
させるとともに動的ひずみ再結晶を誘起させ、さらに前
記外力を加え続けることによって前記微細構造の再結晶
粒を逐次生成させながら、部分的に成形してある前記素
材を超塑性的に変形させて製品を成形する方法を提供す
る。

成形温度は３８０〜５８０ｏｏの範囲が好ましい。アル
ミニウムのひずみエネルギーの蓄積が大きいために、動
的再結晶（すなわち加熱変形と同時におきる再結晶）を
おこさせることはできないと従来は考えられていた。

しかし本発明者らは銅、亜鉛、または亜鉛とマグネシウ
ムとのような金属を添加することによって動的再結晶が
おきることを発見した。さらに鋳造ィンゴットが０．２
５％より少なくないＺｒ（またはＮｂ，ＮｉまたはＴａ
）で過飽和され、その全体が実質的に固溶体となってい
るように合金を鋳造することにより、次の処理の間に、
新しく生成した結晶粒の成長を制限するＺｒＡ〆３の極
めて微細な結晶粒を分散させることができる。Ａそ−１
０％Ｚｎ−０．５％Ｚｒ合金の強力袷間加工薄板を超塑
性変形温度に高め、変形せずにこの温度に保つときは、
最終的には合金が不均一で粗大な結晶粒の大きさに再結
晶する。しかし、同一の合金簿板を同一の温度に加熱し
て、非超塑性的に約２倍以上のひずみが生ずるように、
薄板を変形させる機械的な外力を加えるときは、微細構
造の結晶粒が逐次生成して、超塑性変形がおきる。たと
えば本発明者らの英国特許出願第３３９２２／７１号お
よび同第２８４６／７３号に記載された合金の工業的製
造において、鋳造ィンゴットを強力冷間加工した合金の
構造が次の処理の間にジルコニウムの過飽和によって生
成したＺｒＡそ３ の極めて微細な結晶粒が分散してい
るマトリックスである圧延簿板を半成品とすることが一
般にできる。なお他の析出結晶も存在することがある。
薄板を超塑性的成形温度に加熱するとき、いくらか回復
して再結晶がおきるが、動的再結晶により微細な結晶粒
が生成して、これが超塑性変形をおこすことができる場
合は、機械的ひずみを加えたときのみであることを本発
明者らが発見した。本発明者らの英国特許脇第３３９２
２／７１号および同第２８４６／７３号において、特に
適当な合金を次のもっとも広い形で開示した。

すなわち、（１） 超塑性的に変形することができるア
ルミニウムベース合金は、少なくとも５％のＭｇ、また
は少なくとも１％のＺｎを含む非熱処理可能型のアルミ
ニウムベース合金と、公知の組み合わせとその含有量と
でＣ山 Ｍｇ，Ｚｎ，Ｓｉ，ＬｉおよびＭｎのなかから
選択された一つ以上の金属を含み、かつ合計量が少なく
とも０．３０％であって、前記合計量が０．８０％を超
えないＺｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉの少なくとも一つの
金属を含み、残部は前記アルミニウムベース合金に通常
含まれている不純分および偶発的に含まれている金属で
あって実質的にそれらのすべてが固溶体となっている熱
処理可能型のアルミニウムベース合金とのなかから選択
する。

（２） 超塑性的に変形することができるアルミニウム
ベース合金は、１ 通常の工業製品の純度のアルミニウ
ム、２ ０．７５ないし２．５％のマンガンを含むアル
ミニウム、３ ０．２５ないし０．７５％のマンガンと
アルミニウム、４ １なし、し４％のマグネシウムとア
ルミニウム、を動的に再結晶させるとともに、これに微
細構造を生成させるために、前記それぞれのアルミニウ
ムに添加剤として、１ ０．４なし、し２％の鉄と０．
４なし、し２％のけし、素２ ０．４なし、し１％の鉄
、 ３ 無添加 ４ ０．２５なし、し０．７５％のマンガンをそれぞれ
含み、かつ少なくとも０．３％であってその合計量が１
％を超えないＺｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉの少なくとも
一つの金属を含み、残部は通常含まれている不純分およ
び偶発的に含まれている金属であって、実質的にそれら
の総べてが固溶体となっている合金のなかから選択され
た非熱処理可能型材料よりなる。

（３） 液体金属を合金温度から凝固点まで急速に冷却
して合金を急速に凝固させることによって得られるよう
に、鋳造ィンゴット中にジルコニウムが実質的にすべて
固溶体となっているときは、０．２５％のＺｒのみを含
む合金で良好な結果を得られることも本発明者らは発見
した。

成形温度範囲はアルミニウム−銅−ジルコニウム合金お
よびアルミニウム−銅−マグネシウムージルコニウム合
金については、４３０ないし５００００、アルミニウム
−亜鉛−マグネシウムージルコニウム合金については４
７００ −５８０ｑ○、アルミニウム−亜鉛−マグネシ
ウム−銅−ジルコニウム合金については４３０−５００
ｏｏが好ましい。

上記合金中のＺｒの代わりにＮｂ，ＴａまたはＮｊを添
加することもできる。成形速度が遠すぎるときは、動的
再結晶がおきなくて、素材は比較的低いひずみをかける
と破壊される。

従ってＡぞ−１０％Ｚｎ−０．５％Ｚｒ合金を５８０℃
において３．４×１０‐２／秒のひずみ速度で変形させ
たとき、僅かに１６０％の伸びを生じて、その構造はほ
とんど再結晶化されない。同一の合金を４．２×１０‐
３／秒のひずみ速度で変形させたとき、５８０ｑｏで６
９０％の伸びを生じて、かつ変形と同時に再結晶された
。また非常に低いひずみ速度においては、破壊すること
なくより大きく変形させることができたが、この成形方
法を工業的に実施するには時間がかかりすぎる。

次の表は、Ａそ−６％Ｃｕ−０．５％−Ｚｒ合金につい
て延性に対するひずみ速度の影響を例示している。延性
の値は温度４５０ｑｏで一定のクロスヘッド速度でおこ
なった一触性引張り試験の結果による。ひずみ速度を一
定として成形速度を増加させるときは、（製品製造作業
の成形能力に対応する）引張り試験における伸び率は、
一度極大値に達した後に減少する。

比較的低い温度では完全な動的再結晶がおきないが、最
適温度においては試料が動的に再結晶して微細な結晶粒
となる。比較的高い温度においては粗大化する結晶粒も
あるため、最適温度以上の温度では伸び率が再び減少す
る。次表においてＡ夕−６％Ｃｕ−０．５％Ｚｒ合金に
ついてこの結果を例示している。変形速度を増加させる
と、変形をおこすのに必要な応力が増加するので、より
急速に製品を成形するためにより大きな圧力を必要とす
る。

また浅く凹んだ製品を成形するときは、成形時間または
成形圧力を減少させるために変形温度を高めることがで
きるが、そうすると延性が減少する。従って浅く凹んだ
製品を約５００℃でＡ夕−６％Ｃｕ−０．５％Ｚｒ合金
から成形することができるが、深く凹んだ製品では４５
０−４８０００の程度の低い温度で成形することができ
る。厚さ１．５２肋の薄板に適用する成形圧力は一般に
０．０４２ｋ９／地よりも低くてよいが、合理的な時間
で精密部分を成形するには圧力を０．０８４ｋ９／像に
上げることがよい。次の表はＡ夕−６％Ｃｕ−０．５％
Ｚｒ合金について温度４６０℃と５００ｏｏとにおいて
流れ応力の増加に伴なうひずみ速度の増加を例示する。
もとの素材の最初の結晶粒の大きさは、その素材の製造
履歴によって異なるが、３００仏程度に粗大である。

変形の間にこの結晶粒の構造は動的再結晶によって変態
させられて、再結晶が完了したときには一般に約１５＃
よりも小さくなる。Ａ夕−６％Ｃｕ−０．５％Ｚｒ合金
において結晶化された結晶粒の大きさは５一よりも小さ
くなり得る。本発明は素材を雌型原型に流入させかつ圧
力を加えることによって、あるいは雄型原型の上で素材
を成型させるように圧力を加えることによって同様に製
品を成形することに応用することができる。

一例として最初の厚さが０．９８側のＡ〆−６％Ｃｕ−
０．５％Ｚｒ合金薄板から、直径１３９．７側深さ６３
．５側のコップのような製品を成形した。

この製品は最終の厚さが約０．３３肋であった。直径２
５４側の円板状の素材を雌型原型に圧力０．０１４ｋｇ
／協で吹き込んで成形した。平均のひずみ速度は約２×
１０‐３／秒であって、素材中の最初の結晶粒の大きさ
は３５０ム、製品中の最終の結晶粒の大きさは約３仏で
あった。全成形時間は約４分であった。

合金薄板の厚さと組成および成形すべき製品の大きさと
形状とに応じて、成形時間がかなり変動することは理解
されるであろう。

たとえば、３現砂から１０分まで変動する。Ｚてを０．
３０％より少なく含むアルミニウム合金においては、も
との鋳造作業において、急速に凝固させるため、合金温
度からその凝固点まで急速に冷却することが、望ましい
。

たとえば、０．２６％Ｚｒ、０．０３％Ｆｅ、く０．０
１％Ｓｉおよび６．０％Ｃｕを含むアルミニウム合金を
、鋳込み作業の間液体金属ためのなかに滞留させる成時
間が約０．７分間であるとき、超塑性伸び率が９３０％
である合金を作ることができる。この滞留時間は１分よ
り短かし、が、前に議論した合金では約２分であった。
これまでアルミニウムを主成分とする合金について議論
したが、銅、ニッケル、亜鉛およびマグネシウムを主成
分とし、合金成分としてここに記載した金属と一般に同
様の金属を含む合金についても超塑性を有すると信ずる
ことができる。

この組成は、超塑性的成形作業に適したひずみ速度で熱
間変形を受けるときに動的ひずみ再結晶がおきることを
促進するように選択する。上記の説明は、主として板状
の半製品から製品を成形することを考慮してきたが、本
発明は圧延もしくは押し出し綾または鋳造金属から出発
して緩徐鍛造する作業によって製品を製造することにも
応用することができる。

本発明の方法の実施通態様を要約すれば次のとおりであ
る。

（１） アルミニウム合金に微細構造の再結晶粒を生成
工せると同時に、前記合金を超塑性的に変形させて製品
を成形する方法において、前記合金はアルミニウムを主
成分とし、再結晶を促進させるＣｕ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｍｎ
，Ｓｉ，ＬｉおよびＦｅのなかから選択された一つ以上
の金属と、結晶粒の粗大化を防ぐ作用を有するＺｒ，Ｎ
ｂ，ＴａおよびＮｉのなかから選択された金属の少なく
とも一つの金属の量が０．２５％であってその金属の合
計量が、１％を超えない金属とを含み、実質的に単一相
の固溶体となっている合金であって、前記合金の素材を
成形温度に高め、この温度において前記素材に外力を加
えて、前記素材を非超塑性的に変形させるとともに動的
ひずみ再結晶を誘起させ、さらに前記外力を加え続ける
ことによって前記微細構造の再結晶粒を逐次生成させな
がら、部分的に成形してある前記素材を超塑性的に変形
させて製品を成形する方法。

（２） 実施態様第１項記載の方法において成形温度は
３８０ないし５８０ｑｏの範囲である方法。

（３） 実施態様第１または第２項記載の方法において
、素材は少なくとも５％のＭｇ、または少なくとも１％
のＺｎを含む非熱処理可能型のアルミニウムベース合金
と、公知の組み合わせとその含有量とでＣｕ，Ｍｇ，Ｚ
ｎ，Ｓｉ，ＬｉおよびＭｎのなかから選択された一つ以
上の金属を含み、かつ合計量が少なくとも０．３０％で
あって、前記合計量が０．８０％を超えないＺｒ，Ｎｂ
，ＴａおよびＮｉの少なくとも一つの金属を含み、残部
は前記アルミニウムベース合金に通常含まれている不純
分および偶発的に含まれている金属であって実質的にそ
れらのすべてが固溶体となっている熱処理可能型のアル
ミニウムベース合金とのなかから選択された一つのアル
ミニウムベース合金である方法。（４） 実施態様第１
ないし第２項記載の方法において、素材が、１ 通常の
工業製品の純度のアルミニウム２ ０．７５ないし２．
５％のマンガンを含むアルミニウム、３ ０．２５なし
、し０．７５％のマンガンとアルミニウム、４ １ない
し４％のマグネシウムとアルミニウム、を動的に再結晶
させるとともに、これに微細構造を生成させるために、
前記それぞれのアルミニウムに添加剤として、１ ０．
４なし・し２％の鉄と０．４なし、し２％のけし、素、
２ ０．４ないし１％の鉄、 ３ 無添加 ４ ０．２５ないし０．７５％のマンガンをそれぞれ含
み、かつ少なくとも０．３％であってその合計量が１％
を超えないＺｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉの少なくとも一
つの金属を含み、残部は通常含まれている不純分および
偶発的に含まれている金属であって、実質的にそれらの
総べてが固溶体となっている合金のなかから選択された
非熱処理可能型材料よりなる方法。

（５） 実施態様第１または第２項記載の方法において
、素材は０．３０％より少ないＺｒを含み、この合金を
合金温度から凝固点まで急冷して急速に凝固させて鋳造
物として素材とする方法。

（６） 実施態様第５項記載の方法において、冷却時間
は１分よりも短かい方法。（７） 実施態様第６項記載
の方法において、冷却時間は０．７分より長くない．方
法。

（８） 実施態様第１ないし第７項のいずれかに記載の
方法において、素材はアルミニウム、銅を主成分として
、Ｚｒ，Ｎｂ．ＴａまたはＮｉのなかから選択された一
つの金属を含む合金、またはこれらの合金にさらにマグ
ネシウムを含む合金を′温度４３０なし、し５００３０
の範囲で成形する方法。

（９） 実施態様第１なし、し第７項のいずれかに記載
の方法において、素材はアルミニウム、亜鉛、マグネシ
ウムを主成分として、Ｚｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉのな
かから選択された金属を含む合金を温度４７２ないし５
８０℃の範囲で成形する方法。（１０）実施態様第１な
し、し第７項のいずれかに記載の方法において、素材は
アルミニウム、亜鉛、マグネシウム、銅を主成分として
、Ｚｒ，Ｎｂ，ＴａおよびＮｉのなかから選択された金
属を含む合金を温度４３０なし、し５００こ０の範囲で
成形する方法。（１１）実施態様第１ないし第１０頁の
いずれかに記載の方法において、非超塑性変形の最初の
ひずみ速度は６×１０‐２／秒と５×１０‐４／秒との
間である方法。

０２）実施態様第１１記載の方法において、最初のひず
み速度は５×１０‐２／秒を超えない方法。（１３）実
施態様第１１または第１２頁記載の方法においてト最初
のひずみ速度は５×１０‐３／秒を超えない方法。（１
４）実施態様第１なし、し第１３頁のいずれかに記載の
方法において、成形された製品の結晶粒の大きさは１５
仏より小さい方法。

（１５）実施態様第１リ真記載の方法において、成形さ
れた製品の結晶粒の大きさは５ムより小さい方法。

（１句 実施態様第１４または第１９頁記載の方法にお
いて、素材の結晶粒の大きさは少なくとも３００ムであ
る方法。

（１７）実施態様第１なし、し第１６頁のいずれかに記
載の方法において、素材に加える圧力は０．００１４な
いし、０．０８４ｋ９／孫の範囲である方法。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 超塑性変形に適した組成を有するが該変形を抑制す
   る結晶粒構造を有する合金の素材を成形温度まで高め、
   この温度において該素材に外力を加えて該素材を非超塑
   性的に変形させるとともに動的ひずみ再結晶を誘起させ
   、さらに、前記外力を加え続けることによって微細構造
   の再結晶粒を逐次生成させながら、部分的に成形してあ
   る前記素材を超塑性的に変形させて製品とすることを特
   徴とする、超塑性変形に適した組成を有するが該変形を
   抑制する結晶粒構造を有する合金の素材に微細構造の再
   結晶粒を生成させながら前記合金の素材を超塑性的に変
   形させることによって製品を成形する方法。