(57)【要約】【課題】アルミニウム鋳造合金及びその製造方法において、良好な機械的性質を達成することにある。【解決手段】アルミニウム鋳造合金は、重量％で、約４〜約５％Ｚｎ、約１〜約３％Ｍｇ、約１％以下Ｃｕ、約０．３％未満Ｓｉ、約０．１２％未満Ｆｅ、約０．５％未満Ｍｎ、約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、約０．１５％未満Ｔｉ、約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、約０．１〜約０．５％Ａｇ、多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、残部アルミニウム、からなる。この合金は、質別Ｔ５または質別Ｔ６で有利に使用することができる。【選択図】図１
2008542533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
約０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、
残部アルミニウム、
からなることを特徴とするアルミニウム鋳造合金。
【請求項２】
前記亜鉛の濃度は、約４．５％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項３】
前記マグネシウムの濃度は、約１．２％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項４】
前記チタンの濃度は、約０．０６％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項５】
前記ホウ素の濃度は、約０．０２％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項６】
前記ジルコニウムの濃度は、約０．１３％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項７】
前記銀の濃度は、約０．３％であることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項８】
アルミニウム合金鋳造品の製造方法に関するものであって、この方法は、アルミニウム合金溶融物を準備するステップからなり、
ここで、前記溶融物は、
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
約０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、
残部アルミニウム、
からなる濃度の元素を含有しており、
さらに、前記方法は、前記鋳造品を形成するよう形状構成した鋳型に前記溶融物の少なくとも一部を投入するステップと、
前記鋳型から前記鋳造品を取り出すステップとからなることを特徴とするアルミニウム合金鋳造品の製造方法。
【請求項９】
さらに、前記鋳造品に対し人工的なエージング熱処理を行うステップを備えることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金鋳造品の製造方法。
【請求項１０】
さらに、前記鋳造品に対し溶液化処理を行うステップを備えることを特徴とする請求項８に記載のアルミニウム合金鋳造品の製造方法。
【請求項１１】
さらに、前記溶液化処理を行った後で、前記鋳造品に対し人工的なエージング処理を行うステップを備えることを特徴とする請求項１０に記載のアルミニウム合金鋳造品の製造方法。
【請求項１２】
重量％で、
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
約０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、
残部アルミニウム、
からなることを特徴とする成形アルミニウム合金鋳造品。
【請求項１３】
前記亜鉛の濃度は、約４．５％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項１４】
前記マグネシウムの濃度は、約１．２％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項１５】
前記チタンの濃度は、約０．０６％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項１６】
前記ホウ素の濃度は、約０．０２％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項１７】
前記ジルコニウムの濃度は、約０．１３％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【請求項１８】
前記銀の濃度は、約０．３％であることを特徴とする請求項１２に記載のアルミニウム鋳造合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム鋳造合金及びその製造方法に係り、特に航空宇宙産業および自動車産業における鋳造品用のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ａｇ高強度合金としてのアルミニウム鋳造合金及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２００５年５月２５日に出願された米国特許仮出願第６０／６８４，５１３号による優先権を主張するものである。 
【０００３】
アルミニウム鋳造部品は、軽量化のため航空宇宙産業で広く使用されている。最もよく使われる鋳造合金であるＡｌ−Ｓｉ７−Ｍｇは、強度限界が高められている。現在のところ、最もよく使われる鋳造合金であるＡｌ−Ｓｉ７−Ｍｇの鋳造材料Ａ３５６．０は、２９０ＭＰａの極限引張強さ、８％以上の伸長度で２２０ＭＰａの引張降伏強さを信頼性をもって達成できる。Ａｌ−Ｓｉ７−Ｍｇ型の高強度Ｄ３５７合金は、３５０ＭＰａの極限引張強さ、５％以上の伸長度で２８０ＭＰａの引張降伏強さを信頼性をもって達成できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、従来、上記のＡｌ−Ｓｉ７−Ｍｇ合金において、部品を軽量化するためには、設計上の物質特性を達成しつつより高強度の物質が必要となる。様々なアルミニウム合金、主として鍛錬用合金は、より高い強度を示している。これらの合金を鋳造品に適用すると、凝固時に熱間亀裂が生じるという傾向があった。熱間亀裂は、応力および歪みにより生じる、肉眼で見える鋳造品の亀裂であって、非平衡性固相線を越えた温度での冷却時により起こる。この熱間亀裂のため、多くの場合、鋳造品に対して加工処理を行うことはできない。したがって、これらの鍛錬用合金は、鋳造合金としての使用に適するものではない。
【０００５】
また、Ａｌ−Ｓｉ７−Ｍｇ合金を使用することに伴うコストは、溶体化処理（ＳＨＴ）に関するものである。溶体化処理を行うには、高価な装置が必要となり、動作時および制御時の問題源となることが多く、動作制御および試験運転のコスト増を生じ、溶体化処理時に部品変形の可能性を生じさせる。溶体化処理は、通常は最高強度となるために必要であるものの、これはコストや動作時の不利益がある処理である。
【０００６】
更に、十分な機械的性質を達成するための溶体化処理および急冷（クエンチ）を不要とすることは、航空宇宙産業や自動車産業において利益がある。目標の構成部品の最少壁厚さは、１．５ｍｍである。溶体化処理および急冷を行うと、製品コストが増加するだけでなく、溶体化処理温度でのクリープおよび急冷時の残留応力による歪みが生じる。大型で複雑な部品の歪みの修復は不可能ではないものの、非常に困難である。したがって、Ｔ５テンパー（質別Ｔ５）と呼ばれる人工的なエージング処理に使用することができる合金が望ましい。
【０００７】
そこで、本発明は、インベストメント、低圧または重力の永久的または半永久的な鋳型、スクイーズ、高圧ダイまたは砂型の鋳造に用いられるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金に関するものであって、以下の重量％による組成範囲を有するものである。
Ｚｎ：約４〜約５％、
Ｍｇ：約１〜約３％、
Ｇｕ：約１％以下、
Ｓｉ：約０．３％未満、
Ｆｅ：約０．１２％未満、
Ｍｎ：約０．５％未満、
Ｂ：約０．０１〜約０．０５％、
Ｔｉ：約０．１５％未満、
Ｚｒ：約０．０５〜約０．２％、
Ａｇ：約０．１〜約０．５％、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
Ａｌ：残部。 
そして、本発明では、使用される合金は、Ｔ５テンパーまたはＴ６テンパーである。Ｔ５状態における物質により、Ａ３５６．０−Ｔ６で期待されるものよりも良好な機械的性質を達成でき、これはＤ３５７−Ｔ６合金の機械的性質に近いものである。Ｔ６状態では、、Ｄ３５７−Ｔ６の高強度合金のものよりも良好な機械的性質を達成できる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、一態様においては、重量％で示される以下からなるアルミニウム鋳造合金に関するものである。 
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウム。 
また、別の態様において、本発明は、アルミニウム合金鋳造品の製造方法に関するものであって、この方法は、アルミニウム合金溶融物を準備するステップからなり、ここで前記溶融物は、
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウムからなる濃度の元素を含有しており、 
さらに、前記方法は、前記鋳造品を形成するよう形状構成した鋳型に前記溶融物の少なくとも一部を投入するステップと、 
前記鋳型から前記鋳造品を取り出すステップとからなる。 
さらに、別の態様において、本発明は、アルミニウム合金鋳造品に関するものであり、以下の濃度の元素を含有している。 
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％Ｃｕ、 
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウム。 
【発明の効果】
【０００９】
本発明のアルミニウム鋳造合金及びその製造方法は、良好な機械的性質を達成することにある。 
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、良好な機械的性質を達成する目的を、上記のように各種成分を選定して実現するものである。 
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。 
【実施例】
【００１１】
図１〜図４は、本発明に係るアルミニウム鋳造合金及びその製造方法の実施例を示すものである。 
図１は、低冷却速度（０．３℃／秒）で凝固させた様々な合金サンプルについてのＴ５機械的性質を示している。
図２は、低冷却速度（０．３℃／秒）で凝固させた様々な合金サンプルについてのＴ６機械的性質を示している。
図３は、Ａｌ−４．５Ｚｎ−１．２Ｍｇ合金のＴ５機械的性質と比較した、様々な合金についてのＴ５機械的性質を示している。 
図４は、Ａｌ−４．５Ｚｎ−１．２Ｍｇ合金のＴ６機械的性質と比較した、様々な合金についてのＴ６機械的性質を示している。 
【００１２】
本発明に係る合金鋳造法および鋳造後の処理方法は、実験室規模で評価した。機械的性質を評価するため、これらの合金を方向性凝固（ＤＳ）の鋳型に投入した。方向性凝固鋳型からの鋳造品は、様々な凝固速度で凝固した種々の断面において微細構造を有していた。Ｔ５およびＴ６の状態で、鋳造品に対し熱処理を行った。引張性質を評価した。表１は、試験を行ったアルミニウム合金組成を重量％で示している。Ａｌは残部である。銀を含有する合金は、本発明によるものである。比較するため、その他の合金は表および図面に示されている。
【００１３】
【表１】
2008542533.tif 000003
【００１４】
表２は、低冷却速度（０．３℃／秒）でのＡｌ−４．５Ｚｎ−１．２Ｍｇ合金のＴ５およびＴ６性質に対する様々な合金元素の影響を示したものである。図１は、Ｔ５状態における様々な組成についての機械的性質を表すものであり、Ｔ６状態における機械的性質は図２に示されている。
【００１５】
【表２】
2008542533.tif 000004
【００１６】
この表２における機械的性質が最良のものは、表１における４番目、６番目、および７番目（Ａ３、Ａ５、Ａ６）の合金であることが注目される。これらの合金は、全て銀を含有しており、その組成は本発明の組成範囲内にある。
【００１７】
Ｔ５の熱処理を行った合金の結果は図１に示されており、またＴ６の熱処理を行った合金の結果は図２に示されている。全てのケースで４．５％である亜鉛の濃度は、これらの図面の横軸記号で省略されている。
【００１８】
図１に示されるように、Ｔ５テンパーにおける引張降伏強さ（ＴＹＳ）、極限引張強さ（ＵＴＳ）および伸長度（Ｅ）の最も高いものは、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．５％Ｍｇ−０．３％Ａｇの合金で得られたことが分かる。その次に高いものは、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．２％Ｍｇ−０．３％Ａｇの合金で得られた。これらの合金は、本発明の組成範囲内にある。
【００１９】
図２に示されるように、Ｔ６テンパーにおける降伏強さおよび極限引張強さの最も高いものは、前段落に記載の本発明の合金で得られたことが分かる。ただし、より大きな伸長度は、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．２％Ｍｇ−０．４％Ｓｉの合金で得られた。
【００２０】
図３は、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．２％Ｍｇの合金による値と比較した、様々な合金の引張降伏強さ、極限引張強さおよび伸長度を示している。Ｔ５テンパー後のサンプルにつきその値が示されている。横軸は、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．２％Ｍｇの合金による値と比較した、引用値の増減（負は減少）を示している。例えば、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．５％Ｍｇ−０．３％Ａｇ−０．１３％Ｚｒの合金の極限引張強さは、Ａｌ−４．５％Ｚｎ−１．２％Ｍｇ合金の対応値よりも高くなっている。
【００２１】
図４は、Ｔ６テンパー後の様々な合金についての同様のデータを示している。 
【００２２】
さらに、本発明による以下の組成からなる合金および「対照」合金を用いてインベストメント鋳造によるテストが行われた。本発明による合金の組成は、重量％で、０．０７％Ｓｉ、０．０５％Ｆｅ、０．３０％Ｃｕ、０．０４％Ｍｎ、１．６１％Ｍｇ、４．１７％Ｚｎ、０．１４％Ｔｉ、０．０１８％Ｂ、０．１３％Ｚｒ、０．３％Ａｇ、および残部Ａｌからなる。また、対照合金の組成は、重量％で、０．０４％Ｓｉ、０．０５％Ｆｅ、０．２９％Ｃｕ、０．０４％Ｍｎ、１．７５％Ｍｇ、４．２１％Ｚｎ、０．１４％Ｔｉ、０．０２３％Ｂ、０．１３％Ｚｒ、０％Ａｇ、および残部Ａｌからなる。本発明の合金および対照合金は、それぞれ同様の状況下において合金組成を有する２つの鋳造物を製造するインベストメント鋳造が行われ（溶融金属温度が７４０℃、鋳型温度が８００℃であり、ソフィア法を使用して空冷した）、それからインベストメント鋳造品に対しＴ６テンパーまで加熱処理を行った。 
【００２３】
Ｔ６テンパー状態において、本発明の合金によるインベストメント鋳造品は、以下の機械的性質を示した： 
鋳造品第１号−引張降伏強さ（ＴＹＳ）５５．１（ｋｓｉ）、極限引張強さ（ＵＴＳ）６１．１（ｋｓｉ）、伸長度（Ｅ）１２％。
鋳造品第２号−引張降伏強さ（ＴＹＳ）５４．５（ｋｓｉ）、極限引張強さ（ＵＴＳ）６０．２（ｋｓｉ）、伸長度（Ｅ）１０％。
【００２４】
対照合金によるインベストメント鋳造品は、以下の機械的性質を示した： 
鋳造品第１号−引張降伏強さ（ＴＹＳ）５１．５（ｋｓｉ）、極限引張強さ（ＵＴＳ）５７．８（ｋｓｉ）、伸長度（Ｅ）９％。 
鋳造品第２号−引張降伏強さ（ＴＹＳ）４９．８（ｋｓｉ）、極限引張強さ（ＵＴＳ）５６．１（ｋｓｉ）、伸長度（Ｅ）９％。 
【００２５】
本発明の合金によるインベストメント鋳造品は強度および伸長度がより高く、本発明の合金にＡｇが介在する利益があることは明らかである。
【００２６】
即ち、本発明では、インベストメント、低圧または重力の永久的または半永久的な鋳型、スクイーズ、高圧ダイまたは砂型の鋳造に用いられるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金に関するものであって、以下の重量％による組成範囲を有するものである。
Ｚｎ：約４〜約５％、
Ｍｇ：約１〜約３％、
Ｇｕ：約１％以下、
Ｓｉ：約０．３％未満、
Ｆｅ：約０．１２％未満、
Ｍｎ：約０．５％未満、
Ｂ：約０．０１〜約０．０５％、
Ｔｉ：約０．１５％未満、
Ｚｒ：約０．０５〜約０．２％、
Ａｇ：約０．１〜約０．５％、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
Ａｌ：残部。 
そして、本発明では、使用される合金は、Ｔ５テンパーまたはＴ６テンパーである。Ｔ５状態における物質により、Ａ３５６．０−Ｔ６で期待されるものよりも良好な機械的性質を達成でき、これはＤ３５７−Ｔ６合金の機械的性質に近いものである。Ｔ６状態では、Ｄ３５７−Ｔ６の高強度合金のものよりも良好な機械的性質を達成できる。
【００２７】
本発明は、一態様において、重量％で示される以下からなるアルミニウム鋳造合金に関するものである。 
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウム。 
また、別の態様において、本発明は、アルミニウム合金鋳造品の製造方法に関するものであって、この方法は、アルミニウム合金溶融物を準備するステップからなり、ここで前記溶融物は、
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％以下Ｃｕ、
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウムからなる濃度の元素を含有しており、 
さらに、前記方法は、前記鋳造品を形成するよう形状構成した鋳型に前記溶融物の少なくとも一部を投入するステップと、 
前記鋳型から前記鋳造品を取り出すステップとからなる。 
さらに、別の態様において、本発明は、アルミニウム合金鋳造品に関するものであり、以下の濃度の元素を含有している。 
約４〜約５％Ｚｎ、
約１〜約３％Ｍｇ、
約１％Ｃｕ、 
約０．３％未満Ｓｉ、
０．１２％未満Ｆｅ、
約０．５％未満Ｍｎ、
約０．０１〜約０．０５重量％Ｂ、
約０．１５％未満Ｔｉ、
約０．０５〜約０．２％Ｚｒ、
約０．１〜約０．５％Ａｇ、
多種多様な元素または不純物のそれぞれが０．０５％以下、 
多種多様な元素または不純物の合計が０．１５％以下、 
残部アルミニウム。 
これにより、良好な機械的性質を達成できる。 
【００２８】
以上の記載に開示される趣旨から逸脱せずに本発明に対し改変をなしうることは、当業者なら容易に理解できるであろう。このような改変は、特許請求の範囲の文言で範囲外であると明確に記載しない限り、特許請求の範囲内に含まれるものである。したがって、ここに詳述された実施態様は例示のもので本発明の範囲を限定するものではなく、添付された特許請求の範囲およびその均等物の全てを完全な範囲とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明においては、一定の実施態様に関して説明されたが、当業者は、添付の特許請求の範囲の各請求項に記載された趣旨および範囲を逸脱せず変更や改変等をなしうることを理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】低冷却速度（０．３℃／秒）で凝固させた様々な合金サンプルについてのＴ５機械的性質を示す図である。
【図２】低冷却速度（０．３℃／秒）で凝固させた様々な合金サンプルについてのＴ６機械的性質を示す図である。
【図３】Ａｌ−４．５Ｚｎ−１．２Ｍｇ合金のＴ５機械的性質と比較した、様々な合金についてのＴ５機械的性質を示す図である。
【図４】Ａｌ−４．５Ｚｎ−１．２Ｍｇ合金のＴ６機械的性質と比較した、様々な合金についてのＴ６機械的性質を示す図である。
【図１】
2008542533.tif 000005
【図２】
2008542533.tif 000006
【図３】
2008542533.tif 000007
【図４】
2008542533.tif 000008
【国際調査報告】
2008542533.tif 000009