JPS63206445A - アルミニウム−リチウム三元合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は望ましい組合せの機械的及び物理的性質；特に
低密度、中ないし高強度、延性、こゎさ、溶接性更に場
合に応じ低温における適切な強度と延性を特徴とするア
ルミニウムとリチウムの合金に関するものである。

発明の背景 １９７３年以来、燃料コストの上昇を契機として、もっ
と燃料効率のよい航空機を開発するだめの研究がさかん
に行われるようになった。１つの解決策は強度その他の
好ましい性質を損うことなくもっと軽い構造用材料を用
いることであった。

努力の結果少くとも３種のほぼ実用性のある低密度ＡＱ
−Ｌｉ合金が出現した。２つは英国のアルキャン、今１
つは米国のアルコアによるものであった。

これら３種の合金、８０９０（時ニハ商品名テＤＴＤＸ
ＸＸＡ。

アルキャンＡ１またはりタルＡと呼ばれる）、８０９１
（アルキャンＢ１リタルＢ１またはＤＴＤＸＸＸＢ）及
び２０９０（アルコアＢ）は＾Ｑ−Ｌｉ合金の新しい世
代を拓くものであった。これらは一般に航空機用材料と
して開発されたものであって、これら低密度合金を用い
ることによって重量が軽減され燃料費を節約できるのみ
ならず性能を改善するものであった。

航空機部品は多くの場合機械的方法で固定されるのでＡ
Ｑ−Ｌｉ合金の溶接性については格別注意は向けられな
かった。しかし若し溶接性のよいＡＱ−Ｌｉ合金が実用
化されるならば、船舶用機器、軽量圧力容器等航空機以
外の用途が開かれるであろう。

更に多くの圧力容器が低温で用いられる所から、常温の
みでなく寒冷温度でも良い機械的性質を持った構造用合
金が重要となるであろう。

構造用材料としてのリチウムを含むアルミ合金の開発史
上注目されるのはまず１９２０年代初期ａｌｌｏｙｓ）
　　（Ａ１２−　Ｚｎ　−Ｃｕ　−Ｌｉ）であり更に米
国では夏９５０年代の後期にアルコア（Ａｌｃｏａ）に
よって開発された２０２０　（ＡＱ　−Ｃｕ　−Ｌｉ　
−Ｃｄ）があり、ソビエトでは１９６０年代の中頃に開
発された０１４２０（＾クーＭｇ−Ｌｉ）がある。２０
２０と０１４２０はリチウム含有アルミ合金の実用化の
第１世紀を構成するものであった。商用アルミ合金は米
国ではアルミニウム協会の標準命名法１こ従って４桁の
数字で表示される。この命名法は“メタルハンドブック
（Ｍｅｔａｌｓｌｌａｎｄｂｏｏｋ）”第９版、第２巻
、４４頁（＾ｍｅｒｉｃａｎＳｏｃｉｅｔｙ　ｒｏｒ　
Ｍｅｔａｌｓ、　Ｍｅｔａｌｓ　Ｐａｒｋ、　０ｈｉｏ
、Ｕ、Ｓ、Ａ、）（１９７９）に説明されている。

アルミニウム及びその合金はコストが安く、外観が美し
く、比較的軽量で、加工性がよく、耐食性がよいので多
くの用途に用いられる。以下アルミニウム母材と言うと
きは約９９．００％の純度を持つものとし不純物として
は主として鉄と珪素を含むものとする。また合金組成に
アルミニウムの百分率が示してない場合は、１００％か
ら指定要素解されたい。

リチウムは自然界に見出される最も軽い金属であり、こ
れをアルミニウムに加えると密度が下り堅さが増す゛こ
とが知られている。従ってアルミニウムーリチウム合金
は極めて好適な物理的・機械的性質の組合せを生じ新技
術に用いる材料、特に航空機用及び航空宇宙用材料とし
て歓迎される。

リチウムは一連の低密度（軽量）合金を生じまた時効硬
化性アルミ合金（Ａσ−Ｌｉ、　Ａｌ２−Ｍｇ−Ｌｉ、
またはＡρ−Ｃｕ−Ｌｉ）を得るのに用いうろことは一
般に知られているが、欠点として製造工程中、溶解、鋳
込、熱処理、の過程で極めて酸化し易いために、使用が
限られていた〔カークオスマー（Ｋｉｒｋ−Ｏｔｈｍｅ
ｒ）“化学技術のエンサイクロペディア”（Ｅｎｃｙｃ
ｌｏｐｅｄｉａ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎ
ｃｙｌｏｇｙ）第３版、Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ、巻２．
１６９頁（１９８１）　）。

リチウム含有アルミ系で早期に実用化されたもののひと
つに０１４２０グループがある。これはフＩＪドリアン
ダ（Ｆｒｉｄｌｙａｎｄｅｒ）等によって開発されたも
ので数種の合金組成のものを含んでいる。この０１４２
０合金及びその変種については英国特許１．１７２，７
３８に概説されている。フリドリアンダが発見した合金
は高強度、低密度を特徴とし弾性係数は標章アルミ合金
より１５〜２０％高く、耐食性も秀れていると言われて
いる。これらの合金の限界引張強度は２９〜３９　ｋｇ
／ｘｉ”で組成は５〜６％Ｍｇ、１．８〜２．４％Ｌｉ
テコれ＋１．０５〜０．２％２「と０．５〜１．０％Ｍ
ｎの何れかまたは両方を含むもので、残部はＡ１２、特
許請求の範囲に記載されている。これらの合金は基本的
に５ＸＸＸシリーズ型、即ち主合金要素はマグネシウム
でこれに更にリチウムを加えたしのである。ここに用い
る百分率（％）は別に断らない限りすべて合金総重量に
対する重量ツク−セントである。

リチウムを含むアルミ合金の別のグループは英国特許１
．５７２．５８７（スイスアルミニウム社取得）に見ら
れる。秀れた成形加工性、強度及びリチウム添加による
電気抵抗の増加により抵抗接合性を容易にした特性を含
む多くの秀れた特性を持っていると言われている。これ
らの合金は１．０〜５．０％Ｍｇ。

１％以下のＭｎ、　０．３％以示のＴｉ、　０．２％以
下のＶを含み残量はＡρで５ＸＸＸシリーズ型と見做さ
れるものである。電気抵抗を増すため０．３〜１．０％
のリチウムが添加されている。リチウムは過飽和固溶体
として含まれておりそのため延性、成型加工性及び強度
が改善されこれらは高温度でも維持される。

リチウムを含むこともあるアルミ合金の更に別のグルー
プとしては２ＸＸＸ　（アルミニウム協会命名法）、即
ちアルミニウムー銅合金がある。この種のグループでは
米国特許２，３８１，２１９（米国のアルミニウム・カ
ンパニー取得のもの）がある。相当量の銅と少爪のリチ
ウム、及びカドミウム、水銀、銀、錫、インジウム及び
亜鉛、より成るカドミウム群から選ばれた少くともｌ要
素を含むため、引張特性が改善されると言われている。

上記文献によればリチウムはカドミウムグループからの
合金要素と組合せて用いなければ、単独では引張特性即
ち引張強さ、降伏強度、伸びまノこは硬さに際立った効
果はなく、かえって有害な影響を与え力１２ないとも述
べている。

現在市販されている高強度アルミニウムーリチウム合金
は、高温きれつに対する抵抗性が余り良くないため溶融
溶接性はよくない。高温きれつは溶接部の固液共存領域
が凝固収縮によって加えられる歪に堪えられないために
生じると一般に考えられている。アルミニウムーリチウ
ム合金は熱膨張係数が大きい上に凝固時の収縮率が大き
いので高温きれつを起し易い。溶接性を改善するために
組成を変更すればそのために他の特性即ち強度、延性、
堅さ及び／または密度をある程度犠牲にしなければなら
ないことが多い。

上に述べた事情から考えて、高温われに対する抵抗性（
秀れた溶接性）即ち溶接及び加工中のわれに対する抵抗
性を有し、延性、堅さ及び低密度を持ち、及び／又は低
温でも満足な機械的特性を維持する軽量かつ高強度のア
ルミニウムーリチウム合金が要望されていることは明ら
かである。

発明の・約と発明の目的 本発明の目的の１つは物理的及び機械的特性の秀れた組
合せ、特に強度、堅さ、接合性及び延性のよい低密度の
リチウム含有アルミニウムベース三元合金を得ることに
ある。

本発明の今１つの・目的は秀れた接合性と高温われ抵抗
性を有する軽量高強度アルミニウムーリチウム合金を得
ることである。

本発明の目的は更に寒冷温度で改良された組合せの物゛
理的及び機械的特性を有する含リチウム、アルミニウム
ベース三元合金を得ることである。

本発明は、主としてアルミニウムベース金属と、約１．
０〜２．８％のリチウム合金要素と、約４〜７％の銅及
び約２．５〜７％のマグネシウムからなる群より選定し
た合金要素と、ジルコニウム、マンガン及びクロムから
なる群から好ましくは選定した１種類以上の付加的要素
の約０．０１〜１．００％より成る三元合金であって、
中ないし高強度を有し接合性のよいものである。その他
の有用な添加元素としてチタン、ハフニウム及びバナジ
ウムを用いることもある。

発明のより詳細な説”萌 本発明に関わる合金の基本的合金要素はアルミニウム、
リチウム及びマグネシウム又は銅と、ジルコニウム、マ
ンガン、クロム等の付加的要素の組合せであり、これら
を適正な組合せの機械的及び物理的性質、特に低密度、
高強度、接合性、延性及び場合によっては良好な低温性
質を得るに充分な量使用する。これらの合金は使用原料
から入るかまたは製造工程中に混入する少量の不純物を
含むこともある。

マグネシウムを合金要素として用いる本発明に関わる合
金は、２種類に分けることができる。即ち約４ないし７
％、できれば約４．５％、の高いマグネシウム含有量の
ものと、約２，５ないし４％、できれば約３．０％、の
低いマグネシウム含有Ｍのものとである。リチウム合金
要素は高マグネシウム合金の場合的Ｉから２．８％、で
きれば約１．５％、低マグネシウム合金の場合的１から
２．８％、できれば約２．４％、である。

本発明の合金に合金要素として銅を用いる場合は、その
含有量は約４．　ｏ　ｈ′Ｘら７．０％の範囲、できれ
ば約６．０％とし、リチウム合金要素は約１から１．７
％の範囲とする。

本発明の合金に用いられる付加的要素はジルコニウム、
マンガン、クロム及び類似の材料を含む。

マグネシウムを合金要素として用いる時に適当と思われ
る付加的要素は、約０．０１−０．７％のマンガン、約
ｏ、ｔ〜０．３％のジルコニウム、及び約０．１〜０．
３％のクロムであり、銅が合金要素として用いられる場
合に適当と思われる付加的要素は、約０．２〜０．７％
のマンガン及び０．０５〜０．２％のジルコニウムであ
る。場合によってはジルコニウムの代りにチタンを、ま
たクロムの代りにバナジウムを付加的要素として用いる
こともできる。

用いる付加的要素の性質とその量及びベース金属たるア
ルミニウムと、合金要素たるマグネシウムまたは銅の相
互の比率は本発明により以下述べる所に従って、目標と
する物理的及び機械的性質の組合せを持つ合金を得るた
め、適当に変更され得るものであることを理解されたい
。

本発明の合金は標準的製造法で作ることができる。例え
ばチルド鋳型（ｃｈｉｌｌｅｄ　１ｌｌｏｌｄ）に真空
中で鋳込み、アルゴン雰囲気中で約８５０°Ｆで均質化
熱処理を行い、平板に押出し加工する。押出し加工した
板は溶体化処理（通常的８５０°Ｆに１時間保持）し、
水冷後、２〜７％のストレッチ矯正を施したのち、種々
の強度、通常ピーク強度より少々低い強度、にエージン
グする。これらの合金は確立された金属加工要領に従っ
て熱処理及び焼なましを施すことができる。

ここで用いた熱処理という語は最も広義に用いられてお
り、金属の機械的性質、残留応力の状態または金属組織
を整え、また特に析出硬化するアルミニウム合金の場合
強度と硬さを増すために行う加熱及び／または冷却操作
のすべてを意味する。

非熱処理型合金は加熱及び／または冷却によって強度が
あまり改善されない合金であって、通常強度を増すため
に冷間加工されるものを言う。

焼鈍は金属製品を加熱することによって強度を下げ延性
を増す操作である。アルミニウム及びその合金に対する
種々の熱処理及び焼鈍作業についてはメタルハンドブッ
ク、第９版、巻２．２８〜４３頁の記述及びそこに引用
の文献に記述されている。

例　　■ 下記の表１に示す組成を育する！がら６までの試料合金
は次のようにして作成される二市販の標準合金Ａ（１−
Ｃｕ、　ＡＱ−ＭｇＳＡＲ−Ｌｉ、　ＡＮ−２ｒ、　Ａ
１２−Ｍｎ１Ａ（２−Ｃｒ、　Ａρ−Ｔｉ及び９９．９
９％純アルミニウムを原料として適当な重量で配合して
用いる。これらを坩堝に入れ真空／制御雰囲気の誘導加
熱炉に装入する。

炉内を真空に引き市販の純アルゴンで充填する。

装入材料をアルゴン雰囲気中で溶解し約ｓ　ｏ　Ｏ’Ｃ
までスーパーヒートし、除滓したのち溶融金属を鋳鉄／
鋳鋼鋳型に７００　’Ｃで傾斜鋳込みを行う。

除滓後、鋳込みの前に炉内を減圧し半真空で鋳込みを行
う。鋳塊を鋳型から抜きとり、均質化熱処理を施し、皮
剥きして押出用ビレットの寸法に整え、熱間で押出加工
して平板きする。得られた板は目的に応じて更に熱処理
する。

表１．試料合金の組成 リヂウム　　２．６９　２．５６　１．６８　１．７７
　２．６８　１．４４マグネシウム　３．１２　３．１
８　４．５９　４．５２　４．５９　　−銅　　　　　
　　　−−−−−６，０ ジルコニウム　０．１１　０．１２　　−　　０．１０
　０．１１　　０．１１り　　ロ　　ム　　　　　−０
，１２０，１１−０，１２−マンガン　　−０，４００
，４０−０，４１０，４０ヤング率及び比モジュラス（
合金のこわさの尺度）及び密度は１〜６各試各試合につ
いて表Ｈにまとめである。

ヤング率はこの種測定の標準法を用いて測定した。即ち
媒体を通る音波の速度が媒体のヤング率に依存する性質
を利用する超音波法を用いて測定した。密度の測定は、
物質の密度は物質の空気中での重さの水中での重さの損
失に対する比で与えられるというアルキメデスの原理を
用いて行われた。ヤング率も密度も押し出し加工の板に
ついて測定された。比モジュラスは材料のヤング率をそ
の密度で徐して求めた。

１　　０．０９０（２，４９）　　　１１．６０　　　
１２９２　　０．０９１（２，５１）　　　１１．６１
　　　１２８３　　０．０９２（２，５５）　　　１１
．２９　　　１２３４　　　Ｑ、Ｑ９２Ｃ２，５５）　
　　１１．２６　　　　１２２５　　０．０８９（２，
４８）　　　１１．６９　　　　１３１６　　０．０９
８（２，７２）　　　１１．５７　　　１１８２２１９
−Ｔ８１＊　　０．１０３（２，８４）　　　１０．７
　　　　１０３５０８３−Ｈ３２１＊　０．０９６（２
，６６）　　　１０．２　　　　１０７＋　２２１９−
７８１及び５０１１３−Ｈ３２１合金は、それぞれ市販
のアルミニウムー銅及びアルミニウムーマグネシウム合
金で、表■及び■Ｉに示すそれらの価は便覧に記載の“
代表値”である。

表Ｈに示すデータでわかるように、本発明に関わる合金
は従来の溶接可能合金より堅く概して軽い。

−８３２１の引張性質を表■にまとめて示す。

２−７時効　Ｌ＊＊　　３７７　　（５４・７）　　５
０７　　（７３・５）３・４（Ｐｅａｋａｇｅｄ）　Ｌ
Ｔ＊＊　３５４　（５１，３）　　５３２　（７７，２
）　　７．０＊便覧記載の代表値〔アルミニウム規準と
データ（＾ｌｕｍｉｎｕｍ　５ｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎ
ｄ　Ｄａｔａ）　；アルミニウムアソシエーション社（
＾ｌｕｍｉｎｕｍ　Ａｓ５ｏｃ、Ｉｎｃ、）。

１９８４、） Ｈ（Ｌ）は長手方向、（ＬＴ）は長横方向を意味する。

表■のデータから、本発明に関わる合金は従来の溶接可
能アルミニウムより明らかに大きな引張強度を有ししか
も満足な伸び値を維持していることが分る。

試料合金１〜５についてビードを板にのせる溶１接（ｂ
ｅａｄ−ｏｎ−ｐｌａｔｅ　ｗｅｌｄｓ）をタングステ
ン不活性ガス（ＴＩＧ）で行った場合の横方向引張り試
験結果を表■にまとめて示す。

１　　２９７　　（４３，１）　　４０５　　（５８，
７）　　　　７８．０２　　　’２４８　　（３６，０
）　　３８５　　（５５，９）　　　　７０．０３　　
１６４　　（２３，３）　　３１８　　（４６，１）　
　　　７４．０４　　２１０　　（３０，５）　　３６
０　　（５２，３５）　　　７６．０５　　　　２４１
　　（３５，１）　　４０３　　（５８，５）　　　　
　７５．０２２１９−Ｔ８１＊　　１７９　　（２６，
０）　　２６２　　（３８，０）　　　　　５８．０５
０８３−Ｈ３２１＊　　１５１　　（２２，０）　　３
０３　　（４４，０）　　　　　９６．０＊　溶接部は
試験前に平滑に削り自然時効条件で試験した。

＊＊　継手効率は便覧記載の代表値。市販の特殊フィラ
ーワイヤーを用いた（Ｗｅｌｄｉｎｇ；Ｋａｉｓｅｒ＾
１ａｍｉｎｔ＋ａ＋　ａｎｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　５ａ
ｌｅｓ、　Ｉｎｃ、、　Ｃａ１ｉＬＵＳ＾（１９８６）
） 例　　■ 例Ｉと同じ要領で、２種類の試料合金７及び８を調製し
、１７０℃で２４時間時効した。これら合金の組成及び
性質を表■に示す。

表　　■ 試料番号　　　７８ リチウム　　　　　　　　２．２　　　　１．４マグネ
シウム　　　　　　３．Ｑ　　　　　４．５ジルコニウ
ム　　　　　　０．１２　　　　０．１２クロム　　　
　　　　　　０．１１　　　　−密度　　　　２．５０
　２．５７ 降伏強度（ＭＰａ）（Ｌ）　　　　　１９４　　　　１
６４（ＭＰａ）（ＬＴ）　　　　１８１　　　　１６０
限界引張強度（ＭＰａＸＬ）　　　３８８　　　　３４
１（ＭＰａ）（ＬＴ）　　３７１　　　　’３５６伸び
％（Ｌ）　　　　　　’　　１１．８　　　１６．７％
（ＬＴ）　　　　　　　　１１．９　　　２０．０試料
合金７及び８の低温における引張特性を表■に示す。

表　　■ ７−１９５　（−３２０）　３７３　（５４，１）　４
８８　（７０，９）　３．８０　　　　　　　　＋１（
Ｑ　　　メーＡ６すｓ　　　　ｏりｏ　　　（ｉｎ　　
リ）　　　ｃｎａ　　　（ｑＩ！　ｉＸ　　　＋１　ｎ
表■に揚げるデータか魂わかるように、本発明の合金は
寒冷温度でも満足な引張特性を持っている。

この応用例は別項で請求した本発明の特定の合金につい
て適用法規に従って例をあげて記述したものであるが、
例示した具体案の請求範囲以内で本発明の主旨と範囲か
ら逸脱することなく変更がなし得ることを、当業者は了
解できるであろう。

また他の特徴を用いることなく本発明の特定の利点を利
用することもできるのである。

手続補正書 昭和６３年　１月１♂日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、主としてアルミニウムのベース金属と、約１．０〜
   ２．８％のリチウム合金要素と、約２．５〜７．０％の
   マグネシウム又は約４．０〜７．０％の銅より成る群か
   ら選ばれた合金要素、及びジルコニウム、クロム、マン
   ガンより成る群から選ばれた１種以上の１．０％未満の
   付加的要素より構成される三元金属合金。 ２、特許請求の範囲第１項記載の三元合金において、約
   １．０〜２．８％のリチウムと約２．５〜４．０％のマ
   グネシウムを含む三元合金。 ３、特許請求の範囲第１項記載の三元合金において、約
   １．０〜１．５％のリチウムと約４．０〜７．０％のマ
   グネシウムを含む三元合金。 ４、特許請求の範囲第１項記載の三元合金において、約
   １．０〜１．５％のリチウム、約４．０〜７．０％の銅
   及び約０．０１〜０．２０％のジルコニウムを含む三元
   合金。 ５、特許請求の範囲第４項記載の三元合金において、更
   に約０．０５〜０．７０％のマンガンを含む三元合金。 ６、特許請求の範囲第２項記載の三元合金において、更
   に約０．０１〜０．２０％のジルコニウムを含む三元合
   金。 ７、特許請求の範囲第６項記載の三元合金において、更
   に約０．０１〜０．３０％のクロムを含む三元合金。 ８、特許請求の範囲第７項記載の三元合金において、０
   ．０５〜０．７％のマンガンを含む三元合金。 ９、特許請求の範囲第３項記載の三元合金において、約
   ０．０１〜０．２％のマンガンと約０．０１〜０．３％
   のクロムを含む三元合金。 １０、特許請求の範囲第９項記載の三元合金において、
   約０．０１〜０．２％のジルコニウムを含む三元合金。 １１、特許請求の範囲第３項記載の三元合金において、
   約０．０１〜０．２％のジルコニウムを含む三元合金。 １２、主としてアルミニウムのベース金属と、約１．２
   ５〜２．７５％のリチウム、約３．００〜５．００％の
   マグネシウム、及びジルコニウム、マンガン、クロムよ
   り成る群から選ばれた少くとも一種の付加的要素の約１
   ．００％未満より構成される三元合金。 １３、リチウム２．７、マグネシウム３．１及びジルコ
   ニウム０．１より主として成る三元合金。 １４、リチウム２．６、マグネシウム３．２、ジルコニ
   ウム０．１、クロム０．１及びマンガン０．４より主と
   して成る三元合金。 １５、リチウム１．７、マグネシウム４．６、クロム０
   ．１及びマンガン０．４より主として成る三元合金。 １６、リチウム１．７７、マグネシウム４．５、及びジ
   ルコニウム０．１より主として成る三元合金。 １７、リチウム２．７、マグネシウム４．６、ジルコニ
   ウム０．１、クロム０．１、及びマンガン０．４より主
   として成る三元合金。 １８、リチウム１．４、銅６．０、ジルコニウム０．１
   、及びマンガン０．４より主として成る三元合金。 １９、リチウム２．２、マグネシウム３．０、ジルコニ
   ウム０．１、及びクロム０．１より主として成る三元合
   金。 ２０、リチウム１．４、マグネシウム４．５、及びジル
   コニウム０．１より主として成る三元合金。