(57)【要約】【解決手段】６０２０アルミニウム合金をプレスクエンチングする方法であって、Ｓｉ：約０.５〜約０.６％、Ｍｇ：約０.７〜０.８％、Ｃｕ：約０.５５〜約０.６５％、Ｆｅ：約０.３５〜約０.４５％、Ｍｎ：約０.０１〜約０.０４％、Ｓｎ：約１.０５〜約１.１５％、Ｃｒ：約０.０４〜約０.０６％を含む６０２０アルミニウム合金のインゴット又はビレットを準備するステップ、ビレットを、均質化処理するステップ、ビレットを冷却するステップ、ビレットを再加熱するステップ、ビレットを押出成形するステップ、押出成形品をクエンチングするステップ、押出成形品を人工時効処理するステップを含んでいる。合金は、生産性にすぐれ、強度及び機械加工性が改善され、鉛を含有する６２６２Ｔ−６合金の直接代替品として用いられることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
６０２０アルミニウム合金のプレスクエンチ品を押出成形する方法であって、
(a) ６０２０アルミニウム合金のインゴット又はビレットを準備するステップ；
(b) ビレットを均質化処理するステップ；
(c) 均質化処理されたビレットを冷却するステップ；
(d) ビレットを再加熱するステップ；
(e) ビレットを押出成形するステップ；
(f) 押出成形品をクエンチングするステップ；
(g) 押出成形品を伸び加工するステップ；
(h) 押出成形品を人工時効するステップ；
を含んでいる方法。
【請求項２】
前記合金は、本質的に、Ｓｉ：約０.５〜約０.６％、Ｍｇ：約０.７〜０.８％、Ｃｕ：約０.５５〜約０.６５％、Ｆｅ：約０.３５〜約０.４５％、Ｍｎ：約０.０１〜約０.０４％、Ｓｎ：約１.０５〜約１.１５％、Ｃｒ：約０.０４〜約０.０６％、Ｐｂ：０.０３４％以下、残部本質的にＡｌ及び不可避の元素及び不純物からなる組成である請求項１の方法。
【請求項３】
再加熱は、約７５０°Ｆ〜約８００°Ｆの温度で行われる請求項１の方法。
【請求項４】
再加熱は、約７７５°Ｆ〜約８００°Ｆの温度で行われる請求項１の方法。
【請求項５】
ビレットの加熱時間は、約３０分間よりも短い時間である請求項１の方法。
【請求項６】
ビレットの加熱時間は、約５分間よりも短い時間である請求項５の方法。
【請求項７】
ビレットは、押出成形前に、温度約７５０°Ｆの容器の中に入れられる請求項１の方法。
【請求項８】
押出成形の押出速度は、約１５０ｆｐｍ〜約１７５ｆｐｍである請求項１の方法。
【請求項９】
押出速度は、約１７５ｆｐｍである請求項８の方法。
【請求項１０】
押出成形品は、押出成形後の温度が約９５０°Ｆ〜約１０００°Ｆである請求項１の方法。
【請求項１１】
前記温度は、約１０００°Ｆより高い請求項１０の方法。
【請求項１２】
押出成形品は、クエンチング後の温度が約２００°Ｆ〜３５０°Ｆである請求項１の方法。
【請求項１３】
クエンチングは、空気クエンチ又は水クエンチである請求項１の方法。
【請求項１４】
押出成形品は、約１％引き伸ばされる請求項１の方法。
【請求項１５】
人工時効は、３４０°Ｆ〜３５５°Ｆの温度で約８時間行われる請求項１の方法。
【請求項１６】
押出成形品は、棒、ロッド又はワイヤである請求項１の方法。
【請求項１７】
押出成形品の限界引張強さは約４１ｋｓｉ以上である請求項１の方法。
【請求項１８】
押出成形品の引張降伏強さは約３５ｋｓｉ以上である請求項１の方法。
【請求項１９】
押出成形品は、限界引張強さが約４１ｋｓｉ以上、引張降伏強さが約３５ｋｓｉ以上である請求項１の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６ＸＸＸ系アルミニウム合金、好ましくは６０２０アルミニウム合金をプレスクエンチングする方法に関する。このプレスクエンチされたアルミニウム合金は、鉛含有合金６２６２−Ｔ６の直接代替として用いられることができるので、あらゆる環境問題に対応させることができる。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金６０２０は、良好な機械加工性(machinability)を有する冷間仕上げ品用として１９９２年に開発された。冷間仕上げ製品には、ワイヤ、ロッド、棒製品などがあり、自動車産業や一般工業で用いられている。機械加工性は、材料の機械加工の相対的な容易さとして定義されることができる。機械加工工程は、荒削り、仕上げ削り及びミリング等の工程を含んでいる。良好な機械加工性の評価は困難であるが、長い間採用されている等級法として、下記の特性を考慮し、最も良好な機械加工性を示すランク“Ａ”から、“Ｂ”“Ｃ”“Ｄ”及び“Ｅ”とランク付けされたものがある。
(1) チップサイズ：
チップサイズは小さいほどより好ましい。小さいチップは、機械加工作業を単純化することができるので、大きなチップと比べると、工具とワークピースの界面からの熱除去をより効果的に行なえるからである。チップは小さすぎてもいけない。ドリリングや切断等による全体機械加工作業において、潤滑剤の再循環の妨げとなるからである。これに対し、長いチップはカールする傾向にあり、分断されない。このような長いチップは、カーリングとも称され、機械加工領域から手操作で除去せねばならず、また、冷却用潤滑剤を遮断する傾向にあるため、小さなチップに比べて熱分散性で劣る。
(2) 工具摩耗：
工具摩耗が少ないことが好ましい。所定のワークピースについて所定の許容度が超えるまでの工具の使用時間が増えることにより、費用節約になるからである。工具摩耗が少ないと、工具交換に必要な作業中止時間が低減されるので、生産性がさらに向上する。
(3) 表面仕上げ：
合金は、機械加工完了状態で非常に滑らかな外面を有していることがより好ましい。そのような外面であれば、その後の研磨及びバリ取り等の表面仕上げ工程を省略又は低減できるからである。
(4) 切削力(machining forces)：
切削力は小さい方が好ましい。電力使用量を低減し、ワークピース、工具及び工具ヘッドに発生する摩擦熱を小さくできるからである。また、同じ電力使用量で達成できる機械加工量又は金属除去量を増加させることができるからである。
(5) 機械的特性及び腐食特性
強度等の機械的特性や耐食性等の他の特性は、機械加工性に関しては、選択的であるかもしれない。しかし、機械加工されるワークピースの使用目的によってはかなり重要な場合がある。
この“Ａ”乃至“Ｅ”のランク付けは、前記５種類のパラメータに基づくものであるが、各パラメータの相対的重要性は、合金の使用目的に応じて変化する。
【０００３】
環境的理由から、鉛を含有しない合金に対する要望が高まり、アルミニウム合金６０２０が開発された。この合金は、プレスクエンチ用アルミニウム合金６２６２−Ｔ６に関する環境問題にも対処するために、プレスクエンチ品にすることが要請された。プレスクエンチ品は、熱を急速に奪うことができるように、油や水等の液体槽の中に浸漬することにより、高温の変形押出温度から急速冷却したものである。液体に代えて、空気を用いることもできる。クエンチングの目的は、相の変態を抑えて、硬度又はその他好ましい特性を得ることができるようにするためである。急冷の度合いは、金属から熱を急速に奪い取るための液体又は空気の容量に依存し、また、その他のファクター、例えば、蒸気の潜熱、熱伝導性、比熱、液体又は空気の粘度に依存する。
【０００４】
６０２０からプレスクエンチ品を製造する試みが行われたが、幾つかの問題点があった。１つの問題は、ビレットの再加熱中にマグネシウム(Ｍｇ)が錫(Ｓｎ)と結合して、引張強さ等の強度低下を招き、機械加工性が低下することである。引張強さは、製品を破断しようとする力に対する製品の抵抗性であり、製品が破断することなく耐えることができる最大張力として規定される。ビレット又はインゴット等のアルミニウム合金製品の押出が行われる場合、アルミニウムマトリックス中の析出相の溶解温度(例えばＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金から作られたビレットのＭｇ−Ｓｉ相の溶解温度)を超える合金の温度まで再加熱され、その温度で保持される。製品は、合金組織中にこれらの相が新たに析出するのを防止するために、所定の押出温度まで速やかに冷却され、クエンチされる。８００°Ｆ〜９２０°Ｆの温度範囲では、ＭｇはＳｎと急速に結合してマグネシウム・錫を生成する。９２０°Ｆを超えると、ＭｇとＳｎの結合は行われず、実際には互いに分離する。８００°Ｆより低いと、反応が鈍くなり、ビレットの再加熱中、これら２元素が結合する時間が不足する。プレスクエンチされた６０２０合金の好ましい製品形態は、ロッド、棒、ワイヤである。この種のプレスクエンチ製品の場合、ビレット温度は、通常、８２５〜９００°Ｆである。前述したように、６０２０合金のプレスクエンチ品の場合、この温度範囲では、所定の機械加工性を得ることができない。
【０００５】
さらには、Ｍｇ−Ｓｎ結合による問題を解消させると、６２６２合金よりも生産性が低く、また、販売限界内の最適組成を得ることができない問題があった。押出成形では、ビレット温度が高くなると、達成される押出速度が遅くなる。前述したように、６２６２合金の好ましいビレット温度は８００〜９２０°Ｆである。しかし、前述したように、６０２０合金の場合、この温度範囲では、所定の機械加工性を得ることができない。ビレット温度が高くなると、押出による生産性が有意に低下することになる。また、組成を、プレスクエンチ製品に最適なものとすることができなかった。Ｍｇ量が多くなると、機械加工性の低下が大きくなることがわかった。Ｍｇ量が多くなると、約９２０°Ｆよりも低い温度では、Ｍｇ2Ｓｎの生成を促進する駆動力が大きくなる。このため、Ｍｇの含有量は、販売限界の下限側にすることが好ましい。また、６０２０合金の機械加工性を良好にするＳｎ相の体積分率をより高く維持するために、Ｓｎはできるだけ多く含有させることが行われた。しかしながら、Ｍｇの含有量が少ないと、最終製品の強度低下を許容せねばならない。この対策として、Ｓｉの含有量、販売限界の上限側に最適化される。
【０００６】
本発明の第１の目的は、プレスクエンチ可能で、実質的に鉛を含まない合金を提供することである。
【０００７】
本発明の他の目的は、押出成形の生産性が高く、機械的特性及び機械加工性が良好なプレスクエンチ合金を提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、鉛含有６２６２−Ｔ６合金の代替として使用できるプレスクエンチ合金を提供することである。
【発明の開示】
【０００９】
本発明は、６０２０アルミニウム合金のプレスクエンチ品を製造する方法に関する。本発明の方法は、(a)本質的に、Ｓｉ：約０.５〜約０.６％、Ｍｇ：約０.７〜０.８％、Ｃｕ：約０.５５〜約０.６５％、Ｆｅ：約０.３５〜約０.４５％、Ｍｎ：約０.０１〜約０.０４％、Ｓｎ：約１.０５〜約１.１５％、Ｃｒ：約０.０４〜約０.０６％、Ｐｂ：０.０３４％以下、残部本質的にＡｌ及び不可避の元素及び不純物からなる６０２０アルミニウム合金のインゴット又はビレットを準備するステップ、(b)ビレットを、好ましくは１０２５°Ｆ〜１０５０°Ｆの温度で４時間均質化処理(homogenizing)を行なうステップ、(c)均質化処理されたビレットを約４００°Ｆ／時間の冷却速度で冷却するステップ、(d)ビレットを約７７５°Ｆ〜約８００°Ｆの温度で好ましくは約５分間未満再加熱するステップ、(e)好ましくは約１５０ｆｐｍ〜約１７５ｆｐｍの速度にて、成形後の温度が好ましくは１０００°Ｆ〜１０１５°Ｆとなるようにビレットを押出成形するステップ、(f)押出成形品をクエンチ後の温度が約２００°Ｆ〜約３５０°Ｆとなるようにクエンチするステップ、(g)押出成形品を約１％以上伸び加工するステップ、及び(h)３４０°Ｆ〜３５５°Ｆの温度で約８時間人工時効処理するステップを含んでいる。
【００１０】
上記方法によって製造された６０２０アルミニウム合金のプレスクエンチ品は、ロッド、棒及びワイヤ用として好適である。合金は、生産性、強度及び機械加工性に優れ、鉛を含有する６２６２Ｔ−６合金の代替品として用いられることができる。
【００１１】
＜望ましい実施例の詳細な説明＞
本発明のプレスクエンチ用６０２０合金は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＳｎを含んでいる。Ｓｉ含有量は、好ましくは約０.５〜約０.６％である。なお、「％」は全て重量％である。Ｍｇは、好ましくは約０.７〜０.８％である。Ｍｇをこの範囲に維持することにより、ビレットの機械加工性が向上する。ＳｉとＭｇについては、上記の割合に加えて、Ｓｉ量は、Ｍｇ2Ｓｉとして消費される理論的消費量よりも多いことが本発明を実施する上で好ましい。しかしながら、Ｓｉの過剰量は僅かにすることもまた重要である。これは、Ｍｇの含有量がＳｉ量の約０.１〜０.３％多くなるように制御することによって大いに影響を受ける。但し、組成物の中でＭｇ量が上限値でＳｉ量が下限値のときは、Ｍｇの僅かな過剰は許容される。この関係を有することにより、高耐力及び高引張強度がもたらされる。Ｓｉの過剰量を最小限に制限することにより、前記強度に高靱性及び耐衝撃性が加えられる。Ｃｕの含有量は、約０.５５〜約０.６５％であることが好ましい。Ｆｅは、約０.３５〜約０.４５％が好ましい。Ｍｎの含有量は、約０.０１〜約０.０４％であり、好ましい含有量は約０.０２％である。Ｓｎは約１.０５〜約１.１５％であり、約１.１０％が好ましい。Ｃｒは約０.０４〜約０.０６％であることが好ましい。なお、微細な結晶粒を得るには、ＣｒとＭｎの含有量はゼロ値に近いものが最も好ましい。
【００１２】
本発明の実施において、ビレットは、非常に高温である約１０２０°Ｆ〜約１０７０°Ｆ、好ましくは約１０２５°Ｆ〜約１０５０°Ｆで約４時間の予熱又は均質化温度にさらされることが重要である。ビレットの予熱は、ビレット加熱に用いられるあらゆる方法によって行なうことができるが、この発明の目的に対しては、電気炉が用いられた。この温度範囲では、Ｓｎ相の粗大化の可能性は最小化される。粗大化は、Ｓｎ相が好ましくないサイズにまで成長することであり、ディストリビューション(単位体積あたりの粒子)が起こり、機械加工性に悪影響を及ぼす。Ｓｎ相の粗大化をできるだけ少なく抑えることにより、押出成形品の引張特性、例えば引張強さ(tensile strength; TS)、引張降伏強さ(tensile yield strength; TYS)及び限界引張強さ(ultimate tensile strength; UTS)が向上し、より好ましい機械加工性能がもたらされる。この発明の目的に対しては、引張強さは、前述したように、材料が破損するまで耐えることができる応力の最大値として規定されることができる。また、引張降伏強さは、材料が元の状態に回復しない変形を生じる時の強さとして定義される。外力(例えば応力)によって生じた仕事は弾性エネルギーとして蓄積されず、収縮、割れ、最終的には構造破壊に到る。それゆえ、限界引張強さは、材料が実際に破損する時の限界応力である。
【００１３】
ビレットは、約４００°Ｆの冷却速度で約１時間冷却される。冷却は、均質化処理されたインゴットを特別に設計された冷却チャンバーの中に入れ、空気その他の冷却媒体をビレットに強制送給することにより、冷却速度が得られる。この冷却速度により、機械加工性に悪影響を及ぼすマグネシウム・錫(Ｍｇ2Ｓｎ)の生成は最小限に抑えられる。その後、ビレットは約６００°Ｆ〜約９００°Ｆの温度、好ましくは約７７５°Ｆ〜約８００°Ｆの温度に再加熱される。ビレットの再加熱時間は、約３０分間よりも短く、好ましくは約５分間よりも短い。ビレットの再加熱にはあらゆる方法を用いることができるが、この発明の目的では、ガス炉及び電気炉の両方が用いられる。図１〜図４を参照すると、この好ましい温度でこの時間ビレットを再加熱すると、最も高い強度及び最も良好な機械加工性がもたらされることが示されている。図１及び図２は、限界引張強さ及び引張降伏強さに対してビレット温度及び加熱時間が及ぼす影響を示している。これらの図から、保持時間が長くなると、強度低下を生ずることは明らかである。再加熱温度が８００°Ｆ又は９００°Ｆの場合よりも、８５０°Ｆの方が強度の低下が大きい。後記する目的のために、ビレットを８００°Ｆ以下の温度まで再加熱すると、押出成形後のビレット温度が好ましい９５０〜９７５°Ｆの温度となる可能性が高くなる。限界引張強さは、好ましくは約４１ｋｓｉ(１平方インチ当たりのキロポンド)以上であり、引張降伏強さは好ましくは約３５ｋｓｉ以上である。
【００１４】
引張特性の他に、押出成形品の機械加工性を評価した。図３は、ビレットの再加熱温度及び時間が機械加工性に及ぼす影響を示している。このグラフより、８５０°Ｆの再加熱温度では、保持時間が長いほど機械加工性に悪影響を及ぼすことを示している。全体としては、８００°Ｆでのビレット再加熱の保持時間が約５分間より短いとき、機械加工性は最も良好であった。ビレットの様々な再加熱条件によるミクロ組織に及ぼす影響を調べるために、示差走査熱量測定(ＤＳＣ)を行なった。ＤＳＣは、材料の加熱又は冷却過程における単位質量あたりのエネルギー消費又は解放が正確に測定される。相変態(例えば、前記のＳｎからＭｇ2Ｓｎ)は、この技術を用いて検出されることができ、エネルギー変化の量は、存在する相の体積分率の関数である。図４は、機械加工性結果に対するＳｎ相のＤＳＣピーク面積(area)を示している。８００°Ｆでのビレットの再加熱時間が約５分よりも短いときにピーク面積は大きくなり、このときに機械加工性が改善されることが観察される。しかしながら、ランクＣ＋とランクＡとでは、ピーク面積の差は小さく、ミクロ組織の差は僅かであることを示している。
【００１５】
押出成形の前に、ビレットは温度約７５０°Ｆの容器の中に入れられる。この発明の目的のために、押出プレス容器を用いた。ビレットは、次に、直接又は間接押出により押出成形が施される。直接押出は、金型が固定され、可動アーム又はラムによりビレットが金型の中を通されるプロセスである。間接押出は、ビレットが定置され、金型が移動してビレットに接触し、金属が金型の中を流動できるように金属に対して必要な圧力が加えられるプロセスである。この発明の目的に対しては、直接押出が好ましい。金型は、合金の押出成形を行なうのに使用できるものであればどんな種類の金型でも構わない。この発明の目的のためには、単一穴で平らな面を有する金型を用いた。単一穴の金型は、ビレットの粗大化したＳｎ相を粉砕して再分配し易くなるので、押出比を大きくすることができる。押出比は、押出成形品の横断面に対するビレット横断面積の比である。表面が平らな金型又は浅い窪み(pocket)を有する金型を用いると、温度の有意の上昇が防止され、速度低下が回避される。表面が平らな金型又は浅い窪みを有する金型は、金属が金型の開口を流れるときに２つの押出成形品の溶接接合を可能にする溶接ポケットを有しない。これは、金属が金型の開口を流れるとき、仕事が少なく、熱の蓄積も少ない。押出成形品は、成形後の温度が９５０°Ｆ〜１０１５°Ｆ、好ましくは１０００〜１０１５°Ｆの温度を達成できる速度で成形される。ＳｎからＭｇ2Ｓｎへの変態は約９３０°Ｆで開始するため、押出成形後の温度は９５０°Ｆより高温であることが好ましい。しかしながら、インゴットの均質化からの冷却過程又はビレットの再加熱過程に起こったＳｎからＭｇ2Ｓｎへの変態の一部が元の状態に戻ることを考慮すると、約１０００°Ｆの温度がさらに好ましい。
【００１６】
速度はフィート／分(ｆｐｍ)で測定され、約１５０ｆｐｍ〜約１７５ｆｐｍの範囲であり、好ましい速度は約１７５ｆｐｍである。図５は、降伏強さを、押出速度及び位置の関数としてプロットしたものである。特性は、先頭部(front)から後ろ部(rear)にかけて向上することが示されている。所定の押出速度では、成形後温度は先頭部よりも後ろ部の方が高い。それゆえ、先頭部の特性が低いのは、押出後温度が低いことによる。図６のグラフは、押出後温度の予想曲線を、ビレット位置及び押出速度の関数として示している。押出速度は、１００ｆｐｍから２００ｆｐｍまで２５ｆｐｍずつ変化させた。このプロットに基づくと、約１５０ｆｐｍ〜約１７５ｆｐｍの速度では、先頭部の押出後温度が好ましい９５０°Ｆより高いため、押出成形品の先頭端部では限界特性(marginal properties)がもたらされる。前述の理由により、最大の特性を得るために、押出後温度は、９５０°Ｆよりも高温、好ましくは約１０００°Ｆが望ましい。
【００１７】
ビレットは、押出成形された後、押出成形品はクエンチされる。この発明の目的に対しては、押出成形品には、定常波(standing waver)の水によるクエンチが施される。定常波は、長さが数フィートの水の壁で、押出成形品を完全に浸漬するのに十分な高さである。ポンプと配管によって波が作り出され、冷却水が連続的に供給される。なお、押出成形品のクエンチングについては、例えば空気クエンチング等のあらゆる方法を用いることができる。押出成形品がクエンチされる速度は、約２００ｆｐｍ以下であるが、約１５０ｆｐｍの速度が好ましい。クエンチングから出てきた時の押出成形品の温度は、約４００°Ｆ以下が好ましい。所定の強度レベルを得るには、約４００°Ｆ以下にする必要がある。押出成形品はクエンチされた後、約１％以上引き伸ばし加工が施される。この発明の目的のためには、押出成形用ストレッチャーを用いた。しかしながら、押出成形品を引き伸ばすために、他の手段を用いることもできる。押出成形品をこの割合だけ引き伸ばすことにより、押出成形の生産性向上がもたらされる。最終的に、押出成形品は、好ましくは約３４０°Ｆ〜約３５５°Ｆの温度で約８時間人工時効される。人工時効は、典型的には、バッチ型時効用オーブンの中で行われるが、これに限定されるものではない。押出成形品は、バッチ型オーブンの中で、前記温度に加熱される。この工程は、所定強度を得るのに必要な最終の処理ステップである。この工程は、全ての前処理ステップが正しく実行されることが前提である。
【００１８】
前述の方法を実行することにより、微細で、完全再結晶され、良好な強度及び伸びを有するプレスクエンチ品が製造される。これは、６２６２−Ｔ６特性の最低条件に適合しており、プレス生産性が良好である。
【００１９】
本発明の望ましい実施例を説明したが、本発明は、特許請求の範囲内で他の実施例も可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ビレット再加熱の時間及び温度が限界引張強さに及ぼす影響を示す図である。
【図２】ビレット再加熱の時間及び温度が引張降伏強さに及ぼす影響を示す図である。
【図３】ビレット再加熱の時間及び温度が機械加工性に及ぼす影響を示す図である。
【図４】Ｓｎ相のＤＳＣピーク面積と機械加工性との関係を示す図である。
【図５】平均引張強さを、押出速度及び位置の関数として示す図である。
【図６】押出後の温度曲線を、ビレット位置及び押出速度の関数として示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2009507133.tif 000009
2009507133.tif 000010
2009507133.tif 000011