(57)【要約】      （修正有）【課題】３００℃付近の温度において耐熱性に優れ、軽量で且つ高強度をそなえたアルミニウム合金を提供する。【解決手段】Ｃｕ：２．５〜３．３％、Ｍｇ：１．５〜２．２％、Ｓｉ：０．２〜０．４％、Ｆｅ：０．５〜１．１％、Ｎｉ：０．８〜１．３％、Ｍｎ：０．４０〜０．７０％、Ｚｒ：０．１０〜０．２０％、Ｓｃ：０．１０〜０．６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなり、密度が２．８０ｇ／ｃｍ３未満であることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ：２．５〜３．３％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：１．５〜２．２％、Ｓｉ：０．２〜０．４％、Ｆｅ：０．５〜１．１％、Ｎｉ：０．８〜１．３％、Ｍｎ：０．４０〜０．７０％、Ｚｒ：０．１０〜０．２０％、Ｓｃ：０．１０〜０．６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなり、密度（ｇ／ｃｍ３）が２．８０未満であることを特徴とする耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金。
【請求項２】
ＣｕとＭｇの含有比率（Ｃｕ％／Ｍｇ％）が１．１〜２．２の範囲であることを特徴とする請求項１記載の耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金。
【請求項３】
３００℃で１００ｈ保持した後の硬度が２５ＨＲＢ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を均質化処理した後、１回以上の熱間加工を行って熱間加工材を作製し、その後、測定された熱間加工材の共晶融解開始温度より１〜５℃低い温度域で溶体化処理を行い、人工時効処理を施すことことを特徴とする耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車用部品などに適した耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から、自動車の軽量化によるＣＯ２の排出量削減や内燃機関の燃費向上が求められている。アルミニウム材の適用による自動車部品の軽量化が進められる中で、エンジン部品など内燃機関用部品などでは、従来以上に室温および高温において、さらに強度に優れたアルミニウム合金への要求が高まっている。
【０００３】
従来、エンジン部品には、耐熱アルミニウム合金として知られているＡ２６１８合金やその改良合金(特許文献１参照)が使用されてきたが、Ａ２６１８合金やその改良合金は１５０℃近傍の温度に対して耐熱性を有する軽量な合金であるものの、２００℃以上の高温では強度が低下し易いため、高温の３００℃程度まで温度が上がる部品においては、部品としての強度を確保するために、厚肉化あるいは太径化する設計がなされてきた。
【０００４】
３００℃付近での高温強度が優れるアルミニウム合金としてＡ２２１９などがあるが、室温での強度がＡ２６１８系の合金より低く、さらにＣｕ添加量が多いために密度が２．８０ｇ／ｃｍ３以上になるため軽量化効果が少ないという難点がある。
【特許文献１】特許第３３５４９７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、耐熱アルミニウム合金における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、３００℃付近の温度において耐熱性に優れ、軽量で且つ高強度をそなえたアルミニウム合金およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための請求項１による耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金は、Ｃｕ：２．５〜３．３％、Ｍｇ：１．５〜２．２％、Ｓｉ：０．２〜０．４％、Ｆｅ：０．５〜１．１％、Ｎｉ：０．８〜１．３％、Ｍｎ：０．４０〜０．７０％、Ｚｒ：０．１０〜０．２０％、Ｓｃ：０．１０〜０．６０％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％を含み、残部Ａｌおよび不純物からなり、密度（ｇ／ｃｍ３）が２．８０未満であることを特徴とする。
【０００７】
請求項２による耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金は、請求項１において、ＣｕとＭｇの含有比率（Ｃｕ％／Ｍｇ％）が１．１〜２．２の範囲であることを特徴とする。
【０００８】
請求項３による耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金は、請求項１または請求項２において、３００℃で１００ｈ保持した後の高度が２５ＨＲＢ以上であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４による耐熱性に優れた軽量・高強度アルミニウム合金の製造方法は、請求項１または請求項２記載の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊を均質化処理した後、１回以上の熱間加工を行って熱間加工材を作製し、その後、測定された熱間加工材の共晶融解開始温度より１〜５℃低い温度域で溶体化処理を行い、人工時効処理を施すことことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、３００℃付近の温度において耐熱性に優れ、軽量で且つ高強度をそなえたアルミニウム合金およびその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係るアルミニウム合金の合金成分の意義およびその限定理由について説明すると、Ｃｕは強度向上に寄与する元素であり、好ましい含有量は２．５〜３．３％の範囲である。２．５ ％未満では強度向上の効果が小さく、３．３ ％を超えると融点が大幅に低下するため溶体化処理温度を低くしなければならず、そのため溶体化処理後のマトリックス中の過飽和度が小さくなり強度向上が得られない。
【００１２】
ＭｇはＣｕと共存して強度を高めるよう機能する。好ましい含有量は１．５〜２．２％の範囲であり、１．５％未満ではその効果が小さく、２．２％を超えると押出などの熱間加工において変形抵抗が高いために生産性が劣る。
【００１３】
ＣｕとＭｇの含有比率（Ｃｕ％／Ｍｇ％）は１．１〜２．２の範囲が好ましく、含有比率（Ｃｕ％／Ｍｇ％）が１．１未満では、主要強化相であるＧＰＢゾーンおよびＳ’相の形成が少ないために強度が低下し易く、含有比率（Ｃｕ％／Ｍｇ％）が２．２を超えると、Ａｌ２ＣｕおよびＡｌ２ＭｇＣｕが形成されて、ＡｌとＡｌ２ＣｕとＡｌ２ＭｇＣｕの共晶融解が５０８℃で生じるため、この温度未満の温度で溶体化処理しなければならず、溶体化が十分に行われないため強度低下が生じ易くなる。
【００１４】
Ｓｉは、Ｍｎと共にＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物の微細分散相を析出させ、転位のピンニング効果を高めて、溶体化処理中の再結晶粒の粗大化を防止し強度を高める。好ましい含有量は０．２〜０．４％の範囲であり、０．２％未満ではその効果が小さく、０．４％を超えるとＭｇとＳｉの化合物を形成し、耐熱性を低下させる。
【００１５】
Ｆｅは、Ｎｉとの化合物を形成し、耐熱性を向上させる元素である。Ｆｅの好ましい含有量は０．５〜１．１％の範囲であり、０．５％未満では効果が小さく、１．１％を超えて含有すると、母相中に分散するＡｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｃｕ系等のＦｅ系化合物が発生するため効果が小さくなる。
【００１６】
Ｎｉは、Ｆｅとの化合物を形成し、耐熱性を向上させる元素である。Ｎｉの好ましい含有量は０．８〜１．３％の範囲であり、０．８％未満では効果が小さく、１．３％を超えると、母相中に分散するＡｌ−Ｎｉ系、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ系等のＮｉ系金属間化合物が発生するため効果が小さくなる。
【００１７】
Ｍｎは、Ｓｉと共に微細なＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系化合物を析出、分散させて、合金の溶体化処理中に生じる再結晶を抑制し強度を向上させる。好ましい含有範囲は０．４〜０．７％であり、０．４％未満では効果が小さく、０．７％を超えると、微細に析出せず巨大晶出物が発生し易くなるため効果が小さくなる。
【００１８】
Ｚｒは、Ａｌ3 Ｚｒ化合物の微細分散により、溶体化処理中に生じる再結晶を抑制して強度を高める。好ましい含有範囲は０．１０〜０．２０％であり、０．１０％未満では効果が小さく、０．２０ ％を超えると微細に析出せず巨大晶出物が発生し易くなるため効果が小さくなる。
【００１９】
Ｓｃは、Ａｌ3Ｓｃ化合物の微細分散により、溶体化処理中に生じる再結晶を抑制するとともに、３００℃付近で析出硬化に寄与するため、耐熱性を向上させる。好ましい含有範囲は０．１０〜０．６０％であり、０．１０未満では効果が小さく、０．６０％を超えると微細に析出せず巨大晶出物が発生し易くなるため効果が小さくなる。
【００２０】
発明者による試験、検討の結果、一般的な２０００系合金においては、θ'相、Ｓ'相などのＡｌとＣｕあるいはＡｌとＭｇとＣｕの微細な析出強化相が、３００℃保持中に粗大化するため強度が低下するが、Ｓｃを０．１０〜０．６０％を添加した場合、アルミニウムと整合なＬ１２構造の結晶構造を有するＡｌ3Ｓｃ化合物が３００℃保持中に析出し強度を高めるため、素材全体として、高温保持による軟化が抑制されることが見出され、特に本発明の合金中の他の元素の含有量の範囲でＳｃの効果が高いことが明らかとなった。
【００２１】
Ｔｉは、微細結晶粒組織を安定させるとともに耐熱性を得るために添加される。好ましい含有範囲は０．００５〜０．１５％であり、０．００５％未満では効果が少なく、０．１５％を超えて含有されると、微細に析出せず巨大晶出物が発生し易くなるため効果が小さくなる。
【００２２】
本発明のアルミニウム合金において、Ｃｒ、Ｚｎがそれぞれ０．１０％以下の範囲で含有されていても、本発明の特性に悪影響を及ぼすことはない。
【００２３】
本発明のアルミニウム合金の密度は２．８０ｇ／ｃｍ３未満が好ましい。合金の密度は、各元素の密度と配合比率から計算できる。現在量産されている大部分のアルミニウム合金の密度は２．８０ｇ／ｃｍ３未満であるが耐熱性が低い。Ａ２２１９合金のようにＣｕ合金を多く添加した合金では、耐熱性は優れるものの、含有元素のＣｕの密度が大きいため、合金の密度が大きくなり、軽量化の効果が小さくなる。耐熱合金といえども軽量であることが必要であるため密度を２．８０ｇ／ｃｍ３未満とする。
【００２４】
本発明のアルミニウム合金の製造方法について説明する。
前記の組成を有するアルミニウム合金を常法により溶解、鋳造し、造塊された鋳塊（ビレット）を均質化処理した後、熱間加工を行って熱間加工材を作製する。熱間加工は押出加工、鍛造加工が好ましい。押出や鍛造などの熱間加工により１０μｍ以下の亜結晶粒が形成されて強度が高まるため、高強度を得るためには１回以上の熱間加工を施すことがより好ましい。
【００２５】
製造工程としては、押出材であれば、例えば、鋳造、均質化処理、押出、溶体化処理、時効の工程、鍛造材であれば、例えば、鋳造、均質化処理、押出、鍛造、溶体化処理、時効の工程を行う。製造工程は用途に合わせて選択される。また、調質も用途に合わせて選択すればよいが、高強度を得るためにはＴ６、Ｔ７、Ｔ８調質が好ましい。
【００２６】
さらに高強度を得るために、熱間加工材について、示差走査熱量計により共晶融解開始温度を測定し、測定された共晶融解開始温度より１〜５℃低い温度域に加熱して、その温度に０．５〜５ｈ保持する溶体化処理を行い、その後、１５０〜２２０℃の温度で３〜３０ｈ保持する人工時効処理を施すことが好ましい。
【実施例】
【００２７】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明するとともに、それに基づいて本発明の効果を実証する。なお、これらの実施例は、本発明の一実施態様を示すものであり、本発明はこれらに限定されない。
【００２８】
実施例１
表１に示す成分組成と密度を有するアルミニウム合金（Ａ１〜Ａ１８）のビレット（直径９０ｍｍ）を、均質化処理(４７０℃×２５ｈ)した後、４５０℃にて熱間押出加工し、得られた押出材(押出形状：直径１５ｍｍの丸棒材)について、示差走査熱量計を用いて共晶融解温度の開始温度を求め、その温度より３℃低い温度で溶体化処理を行い、常法の焼入れ、１９０℃×２０ｈの人工時効処理を行い、Ｔ６調質の押出材を得た。
【００２９】
得られた押出材を試験材として、ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠にした引張試験(試験片はＪＩＳ Ｚ ２２０１、金属材料引張試験片４号試験片の備考２．による試験片)を室温で実施して、引張強さを評価した。また、耐熱性を評価する目的で、３００℃で１００ｈ保持の加熱処理を行った試験材について、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠して、室温でロックウェル硬さ(ＨＲＢ)を測定した。引張強さは５００ＭＰａ以上、３００℃で１００ｈ保持の加熱処理を行った後の硬さは２５ＨＲＢ以上を合格とする判定を行った。評価結果を表２に示す。
【００３０】
【表１】
2010018854.tif 000002
【００３１】
【表２】
2010018854.tif 000003
【００３２】
表２にみられるように、本発明に従う試験材１〜１８はいずれも、引張強さは５００ＭＰａ以上、３００℃で１００ｈ保持の加熱処理を行った後の硬さは２５ＨＲＢ以上を満足し、高強度をそなえ耐熱性にも優れていた。また、試験材１〜１８の密度はいずれも２．８０ｇ／ｃｍ３未満であり軽量性もそなえていた。
【００３３】
比較例１
表３に示す成分組成と密度を有するアルミニウム合金（Ｂ１〜１９）のビレット（直径９０ｍｍ）を、実施例１と同様に処理してＴ６調質の押出材とし、得られた押出材を試験材として、実施例１と同様に、引張強さを評価し、また、３００℃で１００ｈ保持の加熱処理を行った試験材について、室温でロックウェル硬さ(ＨＲＢ)を測定した、評価結果を表４に示す。なお、表３において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００３４】
【表３】
2010018854.tif 000004
【００３５】
【表４】
2010018854.tif 000005
【００３６】
表４に示すように、試験材１９、２０はＣｕ量が少ないため、試験材２１はＭｇ量が少ないため、試験材２３はＳｉ含有量が少ないため、試験材２９、３０はＭｎ量が本発明の範囲を外れているため、試験材３１、３２はＺｒ量が本発明の範囲を外れているため、いずれも引張強さが低かった。
【００３７】
試験材２２は、材料特性は満足していたが、Ｍｇ量が多いため、熱間加工性(押出性)が悪く生産性に問題があった。試験材２４はＳｉ量が多いため、試験材２５、２６はＦｅ量が本発明の範囲を外れているため、試験材２７、２８はＮｉ量が本発明の範囲を外れているため、試験材３３、３４はＳｃ量が本発明の範囲を外れているため、試験材３５、３６はＴｉ量が本発明の範囲を外れているため、いずれも耐熱性が劣っていた。試験材３７は合金組成は本発明の条件を満たすが、密度が大きく問題であった。