(57)【要約】【課題】  成形性に優れ、高温で成形を行っても成形工程でキャビテーションが起こりにくいため材料強度が低下する恐れが少なく、生産性良く高い成形性が得られるアルミニウム合金押出材およびその高温成形方法を提供する。【解決手段】  Ｍｇを０．５％以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０．１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる高温成形用アルミニウム合金押出材、およびその押出材を冷間加工した後、熱処理を行い、４００℃〜５２０℃、かつ歪み速度１０−２／ｓ〜１００／ｓで成形加工した成形品。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇを０．５％（質量％、以下同じ)以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０.１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなるアルミニウム合金組成であることを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材。
【請求項２】
Ｍｇを０．５％以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０．１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる合金組成のアルミニウム合金押出材を冷間加工した後、歪み除去のための熱処理をしたことを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材。
【請求項３】
Ｍｇを０．５％以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０．１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる合金組成のアルミニウム合金押出材を冷間加工した後、高温成形直前に歪み除去のための熱処理をしたことを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材。
【請求項４】
請求項１に記載の高温成形用アルミニウム合金押出材を冷間加工した後、歪み除去のための熱処理を行い、次いで、４００℃〜５２０℃、かつ歪み速度１０−２／ｓ〜１００／ｓで成形加工したことを特徴とする成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温成形性が良く且つキャビテーションが少なく、強度に優れ、生産性が良いＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ−Ｍｇ系合金においては、例えば４６０℃から５５０℃の高温領域で、数百％の高い伸びを生じるようにして高い成形性を得るような、超塑性合金が開発されているが、歪み速度が１０−４〜１０−３／ｓでの成形速度である。このような成形速度では、一般的な器物などの成形であっても３０分〜１００分もの時間がかかるため、工業規模での生産に当たっては生産性が悪かった。それに対し、歪み速度が１０−２〜１００／ｓで、従来の超塑性合金より高速成形できる高速超塑性成形の合金が提案検討され、開発されてきている（例えば、特許文献１参照）が、これは結晶粒が粗大化して強度を落とす恐れがあり、またキャビテーションの発生の観点からもさらに改善の余地があった。
【０００３】
一方、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金は強度が高いため二輪車のフレームやバンパービームなどに用いられるが、押出材を歪み速度１０−２〜１００／ｓの高速で熱間加工した例はほとんどなく、これまで冷間加工が主である。冷間加工の例としては、アルミニウム合金押出管を拡管加工やハイドロフォーム加工（液圧バルジ加工）等を行い複雑な形状に成形する例がある（例えば、特許文献２参照）。しかし冷間加工のため、複雑な形状に加工しようとすると伸びが不足し、十分満足し得るような成形ができず材料が割れるという問題があった。
【特許文献１】特開平１０−２５９４４１号公報
【特許文献２】特開平１１−１０４７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明はこのような事情に着目してなされたものであって、その目的は、成形性に優れ、高温で成形を行っても成形工程でキャビテーションが起こりにくいため材料強度が低下する恐れが少なく、生産性良く高い成形性が得られるアルミニウム合金押出材およびその高温成形品を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意研究した結果、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金の基本成分であるＭｇとＺｎの含有量を特定の範囲とするとともに、アルミニウム合金押出材の高温成形について研究を重ねた結果、合金組成と成形条件を調整することにより高温成形の際に生成する結晶粒の粗大化を抑制し、また、発生するキャビテーション量を低減できることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、
（１）Ｍｇを０．５％（質量％、以下同じ)以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０.１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなるアルミニウム合金組成であることを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材、
（２）Ｍｇを０．５％以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０．１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる合金組成のアルミニウム合金押出材を冷間加工した後、歪み除去のための熱処理をしたことを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材、
（３）Ｍｇを０．５％以上２．０％以下、Ｚｎを４．０％以上７．０％以下、Ｃｕを０．３５％以下、Ｚｒを０．２０％以下、Ｃｒを０．２５％以下、Ｍｎを０．５％以下、Ｔｉを０．１％以下含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物よりなる合金組成のアルミニウム合金押出材を冷間加工した後、高温成形直前に歪み除去のための熱処理をしたことを特徴とする高温成形用アルミニウム合金押出材、および、
（４）請求項１に記載の高温成形用アルミニウム合金押出材を冷間加工した後、歪み除去のための熱処理を行い、次いで、４００℃〜５２０℃、かつ歪み速度１０−２／ｓ〜１００／ｓで成形加工したことを特徴とする成形品、
を提供するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のアルミニウム合金押出材は、高温成形時に結晶粒の粗大化が起こらず強度を確保でき、高温で成形を行ってもキャビテーションが発生しにくいため材料強度が低下せず、高温成形のため高い成形性を得ることができるとともに、高い生産性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の高温成形用アルミニウム合金押出材の好ましい実施の態様について、詳細に説明する。なお、本発明で言うアルミニウム合金押出材とは、アルミニウム合金の棒材、平角材あるいはパイプや形材などの中空材等をさすものである。
先ず、そのアルミニウム（Ａｌ）合金の合金組成の各成分元素について、その元素を選択した理由および含有量の規定理由を説明する。
本発明は、押出材および高温成形品に必要な材料の強度を確保するためにＺｎ、Ｍｇを添加する。また、高温成形の際に発生する結晶粒の粗大化を抑制するためにＺｒ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｔｉを添加する。また、耐応力腐食割れ性改善のためＣｕを添加する。
【０００８】
上記合金元素以外のＦｅ、Ｓｉ、Ｎｉなど、その他の合金元素は基本的には不純物である。しかし、リサイクルの観点から、溶解材として、高純度Ａｌ地金だけでなく、Ａ１−Ｚｎ−Ｍｇ系合金やその他のＡｌ合金スクラップ材、低純度Ａｌ地金などを溶解原料として使用して、本発明のＡｌ合金組成を有するものを製造する場合には、これら他の合金元素は必然的に含まれることになる。従って本発明では、目的とする発明の効果を阻害しない範囲で、これらＦｅ等他の合金元素が含有されることを許容する。
【０００９】
アルミニウム合金の合金組成の各元素の好ましい含有範囲と意義、あるいは許容量について説明する。
マグネシウム（Ｍｇ）及び亜鉛（Ｚｎ）は強度及び押出し性に影響を及ぼす。本発明の合金では、Ｍｇの含有量は０．５％（質量％、以下同じ）〜２．０％、好ましくは０．５％〜１．５％であり、Ｚｎの含有量は４．０％〜７．０％、好ましくは４．４％〜６．０％である。Ｍｇが規定値未満の場合又はＺｎが規定値未満の場合、押出し性は良好であるが高い強度が得られない。一方、Ｍｇが規定値を越えて含有される場合又はＺｎが規定値を超えて含有される場合は押出し性が劣り、所要の形状の押出しができず、生産性も劣るものとなる。
従って、Ｍｇ含有量は０．５％以上、２．０％以下、Ｚｎの含有量は４．０％以上、７．０％以下とする。
【００１０】
銅（Ｃｕ）は本発明のアルミニウム合金の強度及び耐応力腐食割れ性を向上させるので、０．３５％以下、好ましくは０．０１％〜０．２％添加する。Ｃｕ含有量があまり多くなると耐食性が劣化する。従って、Ｃｕは、０．３５％以下とする。
ジルコニウム（Ｚｒ）は高温成形の際に生成する結晶粒の粗大化を抑制する元素であるので、０．２％以下、好ましくは０．０３％〜０．１７％加える。しかし、Ｚｒが規定値を越えて添加されると、鋳造時に巨大な化合物が生成し、靭性を低下させることとなる。従って、Ｚｒ含有量は０．２％以下とする。
【００１１】
クロム（Ｃｒ）も高温成形の際に生成する結晶粒の粗大化を抑制する元素であるので、０．２５％以下、好ましくは０．０１％〜０．２％添加する。Ｃｒが規定値を越えて添加されると、鋳造時に巨大な化合物が生成し、靭性を低下させることとなる。従ってＣｒ含有量は０．２５％以下とする。
マンガン（Ｍｎ）は高温成形の際に生成する結晶粒の粗大化を抑制する元素であり、０．５％以下、好ましくは０．０１％〜０．４％添加する。Ｍｎが多すぎると、押出し性が劣化し、焼入れしにくくなる。従って含有量は０．５％以下とする。
【００１２】
チタン（Ｔｉ）は鋳造組織を微細化する効果があり、鋳塊割れの防止などの利点があるため、工業的なビレットの鋳造に際し一般的に添加される元素である。本発明においても０．１％以下、好ましくは０．００１％〜０．０３％添加する。Ｔｉが多すぎると粗大金属間化合物が晶出して材料の靭性や疲労特性が大きく低下するし、また、少なすぎると微細化の効果が不十分である。添加量を０．００１％以上０．１％以下に制限することが望ましい。
なお、ホウ素（Ｂ）をＴｉと同時に添加すると鋳造組織の微細化効果をより強めるので、望むならＴｉと共にＢが添加されるが、その含有量は０．０２％以下が好ましい。
【００１３】
前述の添加成分の他に、ケイ素（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）などの元素は主にアルミニウム地金やスクラップなどの原料から入ってくる不純物元素である。これら元素は、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ−Ｍｎ系の金属間化合物や晶出物、Ｍｇ−Ｓｉ系等の金属間化合物を形成し、高温成形の際のキャビテーション発生の起点を作る元素である。従ってＳｉ含有量を０．２５％以下、且つＦｅ含有量を０．３５％以下に制限した方が、金属間化合物の大きさ及びその分布密度が低減し、高温成形の際のキャビテーションの発生を抑えることができるため好ましい。
なお、Ｓｉ、Ｆｅ以外のアルミニウム地金やスクラップなどの原料から混入する不純物として、その他の不純物元素は０．０５％以下の含有は許容される。そして、本発明では、不可避的不純物の合計量は０．１％以下であるのが好ましい。
【００１４】
次に、本発明の高温成形用アルミニウム合金押出材の成形方法について説明する。
従来のように、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を押出し後に冷間加工を行うと歪みが材料に残留するが、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金ではＺｒやＣｒなどの遷移元素が多く含まれているため高温成形を行う際、回復が充分でないまま高温成形を行うとＡｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の金属間化合物がキャビテーションの起点となり、材料強度を低下させる場合がある。
そこで、本発明では高温成形前に加熱処理をすることによって材料の残留歪みを除去し、その後高温成形を行うことによって大幅にキャビテーションを減らすものである。また、高温での押出加工後に強制空冷し、歪みがほとんどない状態で、高温成形しても良いことがわかった。
【００１５】
前述のような成分組成を有するアルミニウム合金の鋳塊は、常法に従って均質化処理（例えば、４５０℃〜５２０℃、３〜２４時間）を施したのち、所定の形状、例えばパイプなどの中空材、棒材、板材などに押出加工され、本発明の高温成形用アルミニウム合金押出材とすることができる。押出加工には、従来用いられているアルミニウム合金の押出機を用いることができ、押出ビレットの温度は４００℃〜５２０℃が好ましく、４２０℃〜５００℃がさらに好ましい。また、押出速度は１ｍ／ｍｉｎ〜１５ｍ／ｍｉｎが好ましく、２ｍ／ｍｉｎ〜１０ｍ／ｍｉｎがさらに好ましい。この押出材は、寸法精度を向上させるため、押出加工の後に引抜加工やストレッチ加工などを行うことができる。なお、押出し後の１％程度の軽いストレッチでは、高温成形時のキャビテーションに影響しない。
【００１６】
高温での押出加工後に強制空冷し、歪みがほとんどない状態で、高温成形しても良いが、高温成形前の予備加工として冷間で曲げ加工やつぶし加工を行うこともできる。これらの冷間加工での残留歪みが残ったまま高温成形をすると、材料の伸びが充分出ず、所望の形状の成形ができないことがある。従って冷間加工後に歪みを除去するための鈍しなどの、熱処理を行うのが好ましい。
また、歪みを除去するための熱処理は、高温成形前の昇温時に高温に保持し、その後高温成形をしても良い。歪みを除去するための熱処理温度はできるだけ高い温度が良く、短時間ですむため生産性が良いが、高温で長時間保持すると粗大な結晶粒ができるためその兼ね合いが重要である。そのため一段目の昇温を歪み取りのための温度に、二段目の昇温を高温成形のための温度にというように二段にして昇温するのも好ましい。歪みを除去するための熱処理条件は、残留歪みの量や昇温、降温条件などによってその都度調整すればよいが、例えば、３５０℃〜５００℃で、１分〜１８０分、昇温時間１分〜１２０分である。
【００１７】
本発明の高温成形用アルミニウム合金押出材を成形する高温成形の温度は、温度が低過ぎると伸びが小さく、成形荷重が高くなり、成形温度が高過ぎると、粗大な結晶粒が生成しやすいから、４００℃〜５２０℃とするのが好ましく、４２０℃〜４８０℃がさらに好ましい。
歪み速度は、速すぎると歪みの回復が遅れて伸びが低下し、遅すぎると成形に要する時間が長くなり、結晶粒が粗大化し、生産性が悪くなるが、本発明の高温成形用アルミニウム合金押出材の成形時の歪み速度は、１０−２／ｓ〜１００／ｓが好ましく、１０−２／ｓ〜１０−１／ｓで行うのがさらに好ましい。
【実施例】
【００１８】
次に、本発明を比較例と共に実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
（実施例１）
押出し材料として下記表１に示す金属成分と組成比（質量％）を持つアルミニウム合金Ａ〜Ｆを、それぞれ直径２２０ｍｍのビレットに溶解鋳造し、４７０℃にて１８時間の均質化処理を行った。この各ビレットを４５０℃に加熱し、押出速度６ｍｍ／分で幅１８０ｍｍ、板厚５．５ｍｍの平角形状に押出し、室温までファンで強制空冷後、押出材を全長の０．５％程度ストレッチした。
【００１９】
更に、この各平角から押出方向と垂直に引張試験片を切り出し、図１に示す形状に加工した。これはそれぞれ下記表２の番号１〜４に対応する。
一方、上記各押出し平角を室温で板厚４ｍｍまで冷間圧延し、表２の歪み取り用加熱保持条件に記載の条件で熱処理を行った後、圧延方向と垂直に引張試験片を切り出し、図１に示す形状に加工した。これはそれぞれ表２の番号５〜１０、１５に対応する。
また、上記同様押出し平角を冷間圧延し、熱処理を行わず圧延方向と垂直に引張試験片を切り出し、図１に示す形状に加工した。これらは表２の番号１１〜１４、１６に対応する。
なお、図１で、引張試験片の長さを示す数値の単位はｍｍである。
ＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に準拠して、これら室温の試験片を高温の空気炉に保持し、試験片が４３０℃になった時点で歪み速度０．２／ｓで、１０ｍｍ引張り、下記のキャビテーション量の測定を実施した。
【００２０】
キャビテーション量の測定と評価
上記高温引張り試験片の平行部の中央から組織観察用試験片（５ｍｍ×４ｍｍ）を切り出し、研磨後光学顕微鏡で撮影した写真を画像解析し、穴状に凹となる部分をキャビテーションとし、その面積率を測定した。その結果を表２にキャビティ面積率（％）として示した。また、評価はキャビティ面積率１％未満を合格とし「○」で、１％以上を不合格とし「×」で示した。
【００２１】
【表１】
2006316295.tif 000002
【００２２】
【表２】
2006316295.tif 000003
【００２３】
引張試験が平角材の高温成形加工に相当するから、番号１〜４は、平角をそのまま高温成形したものに相当し、高温成形の際に発生するキャビテーションの量が少なく、高温成形用に良好な平角材であることが分かった。
また、番号５〜１０は、冷間圧延後熱処理したものであり、高温成形の際に発生するキャビテーションの量が少なく、良好な高温成形用の平角材であることが分かった。
一方、番号１１〜１４は、冷間圧延を施した後、歪み除去のための熱処理を行っていないものであり、キャビテーションの量が多いことが明らかとなった。
さらに、番号１５、１６は、合金組成が本発明の規定する範囲外のものであり、これらのキャビテーションの量はさらに多いことが明らかになった。
【００２４】
（実施例２）
上記実施例１と同様表１に示す金属成分組成を有するアルミニウム合金Ａ〜Ｄを、それぞれ実施例１に記載したと同様鋳造、均質化処理を行い、平角形状に押出し後、冷間圧延した。この圧延平角から圧延方向と垂直に引張試験片を切り出し、図１に示す形状に加工した。
番号２１〜２６については、その後室温の試験片を高温の空気炉にて表３の加熱処理条件で保持した後温度を変化させ、試験片温度が４６０℃になった時点で歪み速度０．０３／ｓで、１０ｍｍ引張り、実施例１と同様にキャビテーション量の測定をし、評価を実施した。
番号２７〜３０は、室温の試験片を高温の空気炉にて加熱し、試験片温度が４６０℃になった時点で歪み速度０．０３／ｓで、１０ｍｍ引張り、キャビテーション量の測定をしたものである。
得られた結果を表３に示した。
【００２５】
【表３】
2006316295.tif 000004
【００２６】
番号２１〜２６は、高温成形直前に歪み除去のための加熱処理を行ったものであり、高温成形の際に発生するキャビテーションの量が少なく、良好な平角材であることが分かった。
一方、番号２７〜３０は冷間圧延後歪み除去のための熱処理を行っていないものであり、キャビテーションの量が多いことが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施例で切り出した引張試験片の平面図である。
【図１】
2006316295.tif 000005