(57)【要約】【課題】強度、靱性および耐食性のバランスに優れた構造用アルミニウム合金鍛造材およびその製造方法を提供する。当該アルミニウム合金はＪＩＳ６０６１合金の成分規格内の組成を有することから、生産性、リサイクル性にも優れ、自動車用構造部材への適用範囲を拡大し得る。【解決手段】Ｓｉ：０．４０〜０．８％、Ｍｇ：０．８〜１．２％、Ｃｕ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．０８〜０．１５％、Ｃｒ：０．１０〜０．３５％を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなる組成を有するアルミニウム合金の鍛造材であって、該鍛造材の直角断面において表層部は再結晶組織で、表層部以外の部分に前記直角断面の５０〜９５％の領域を占める平均結晶粒径１０μｍ以下の亜結晶粒組織が存在する。【選択図】　　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．４０〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．８〜１．２％、Ｃｕ：０．４０％以下（０％を含まず、以下同じ）、Ｍｎ：０．０８〜０．１５％、Ｃｒ：０．１０〜０．３５％を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金の鍛造材であって、該鍛造材の直角断面において表層部は再結晶組織で、表層部以外の部分に前記直角断面の５０〜９５％の領域を占める平均結晶粒径１０μｍ以下の亜結晶粒組織が存在することを特徴とする耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材。
【請求項２】
請求項１記載のアルミニウム合金の鋳塊を、４００〜４９０℃で均質化処理した後、４８０〜５４０℃で熱間押出および４８０〜５４０℃で熱間鍛造を行い、５００〜５４０℃で溶体化処理し、ついで１５０〜２００℃で時効処理することを特徴とする耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材、とくに車両用の構造部材として好適に使用される耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車など車両分野においては、地球環境保全の観点から排ガス規制が厳しくなりつつあり、燃費向上が重要な課題となっている。この課題を解決する手段として車両重量の軽量化が急速に進行しており、車両用構造部材についても、従来の鉄系材料に替えてアルミニウム系材料が実用化されている。
【０００３】
車両用構造部材のうち足回り部品や複雑形状の部品にはアルミニウム合金の鍛造部材が採用され、材質としてはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）アルミニウム合金が一般的に使用されている。とくに、足回り部品は、使用環境が過酷であるため、強度、靱性とともに耐食性が要求されているため、これらの特性に優れ生産性も良いＪＩＳ６０６１合金が適用されている。
【０００４】
ＪＩＳ６０６１合金の構造部材、鋳塊を熱間鍛造し、あるいは鋳塊を押出加工したのち熱間鍛造し、その後Ｔ６調質を行うことにより製造されるが、その強度特性は引張強さで２７０〜３２０ＭＰａ程度であるため、車両構造の十分な軽量化が得られず、さらに改善された強度をそなえたアルミニウム合金材が要請されている。
【０００５】
強度を向上させた６０００系のアルミニウム合金として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを添加し、主要成分のＭｇ、Ｓｉ量を調整して結晶粒の粗大化を抑制し、焼入れ感受性に優れた押出鍛造用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（特公平５−４７６１３号公報）、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕを増量し、Ｍｎ、Ｃｒを併用添加した鍛造用アルミニウム合金（特開平５−５９４７７号公報）が提案されている。
【０００６】
しかしながら、これらのアルミニウム合金においては、強度は優れているが、靱性、耐食性に対する配慮がなされておらず、添加元素の増加は熱間変形抵抗を増大させる傾向があるため、押出性や鍛造性を低下させ、押出速度の低下や鍛造回数増により製造コストを増大させるという問題があり、とくにＣｕ量の増加は耐食性を低下させるという難点がある。
【０００７】
鋳塊を直接熱間鍛造するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金で、晶析出物の粒径、間隔を規定し、靱性、耐食性の向上を図ったアルミニウム合金鍛造材も提案されているが（特開２００１−１０７１６８号公報）、このものにおいてもシャルピー衝撃値は１１〜１３Ｊ／ｃｍ２　で、自動車の足回り部品として使用するためにはなお十分なものではない。また、押出工程を経ることなく鋳造材を直接熱間鍛造した場合、鍛造比が小さい部位には鋳塊組織が残存して靱性の低下が生じ易く、鍛造品内部の機械的特性のばらつきも大きくなる可能性が高い。
【０００８】
Ｍｇ０．８〜１．２％、Ｓｉ０．４〜１．０％、Ｃｕ０．２〜０．４％、Ｍｎ０．１５〜０．４０％、Ｃｒ０．１〜０．２０％、Ｚｒ０．１〜０．２％を含有し、残部Ａｌおよび不純物からなり、粗大結晶粒の発生を抑え強度を高めた押出鍛造用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金も提案されているが（特開平１−２８３３３７号公報）、この合金を当該公報に開示されている通常の４５０℃の鍛造温度で鍛造加工したものは自動車用構造部材として十分な強度が得られていない。
【０００９】
Ｍｇ０．４〜０．８％、Ｓｉ０．４〜１．０％、Ｃｕ０．１５〜０．５％、Ｔｉ０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ０．０５〜０．６％、Ｃｒ０．０５〜０．３％、Ｚｒ０．０５〜０．３％のうちの１種以上を合計で０．９％以下の範囲で含み、残部Ａｌおよび不純物からなる熱間鍛造用アルミニウム合金も提案されているが（特開平１１−１２６７５号公報）、この合金においても、溶体化処理、時効処理後の引張強さは３３５ＭＰａ以下で、自動車部品として強度的に必ずしも十分なものではなく、また、押出工程を経ることなく鋳造材を直接熱間鍛造するものであるため、前記のように、鋳塊組織の残存による靱性の低下、機械的特性のばらつきなどの問題もある。
【００１０】
さらに、車両用構造部材にアルミニウム合金材料を適用する場合、コスト低減の観点からリサイクル性が重要な課題であり、既存の規格合金成分範囲を大きく外れた材料を使用した場合、使用成分範囲によっては他の規格合金と識別する必要性が生じ、一般的に、添加元素の種類や量を多くすることはリサイクルの点で好ましくない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、車両構造用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金における上記従来の問題点を解消するとともに、リサイクル性も考慮した６０００系の押出鍛造アルミニウム合金材を得るために、合金材の諸特性と合金成分の組合わせ、組織の関係についてさらに試験、検討を重ねた結果としてなされたものであり、その目的は、強度、靱性および耐食性のバランスに優れ、生産性、リサイクル性にも優れた構造用アルミニウム合金鍛造材およびその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材は、Ｓｉ：０．４０〜０．８％、Ｍｇ：０．８〜１．２％、Ｃｕ：０．４０％以下、Ｍｎ：０．０８〜０．１５％、Ｃｒ：０．１０〜０．３５％を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる組成を有するアルミニウム合金の鍛造材であって、該鍛造材の直角断面において表層部は再結晶組織で、表層部以外の部分に前記直角断面の５０〜９５％の領域を占める平均結晶粒径１０μｍ以下の亜結晶粒組織が存在することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による耐食性に優れた構造用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、上記請求項１記載のアルミニウム合金の鋳塊を、４００〜４９０℃で均質化処理した後、４８０〜５４０℃で熱間押出および４８０〜５４０℃で熱間鍛造を行い、５００〜５４０℃で溶体化処理し、ついで１５０〜２００℃で時効処理することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のアルミニウム合金鍛造材における合金成分の意義および限定理由につて説明すると、Ｓｉは、Ｍｇと共存して合金マトリックス中にＭｇ２　Ｓｉ粒子を析出させ、合金の強度を向上するよう機能する。好ましい含有量は０．４０〜０．８％の範囲であり、０．４０％未満では十分な強度が得難く、０．８％を越えて含有されると加工性が低下するとともに、伸びの低下も生じる。とくに過剰Ｓｉが多くなるため耐食性も低下する。
【００１５】
Ｍｇは、Ｓｉと共存して合金マトリックス中にＭｇ２　Ｓｉ粒子を析出させ、合金の強度を高めるよう機能する。Ｍｇの好ましい含有量は０．８〜１．２％の範囲であり、０．８％未満ではその効果が小さく、１．２％を越えると、加工性、焼入れ性が低下する。
【００１６】
Ｃｕは、合金マトリックス中に固溶して強度を向上させるよう機能する。好ましい含有量は０．４０％以下範囲であり、０．４０％を越えて含有すると、耐食性が顕著に低下し、加工性の低下も生じる。Ｃｕのさらに好ましい含有範囲は０．２０〜０．４０％である。
【００１７】
ＭｎおよびＣｒは、合金マトリックス中に、それぞれＡｌ−Ｍｎ（−Ｓｉ）系およびＡｌ−Ｃｒ系の化合物を析出させ、亜結晶粒の形成と形成された亜結晶粒組織を維持する役割を果たし、さらに両者を複合して添加することによりその効果がさらに向上する。好ましい含有量は、Ｍｎ：０．０８〜０．１５％、Ｃｒ：０．１０〜０．３５％の範囲であり、それぞれ下限未満では、亜結晶粒の形成、維持効果が十分でなく、それぞれ上限を越えて含有すると、巨大な金属間化合物が生成して靱性、延性が低下する。ＭｎおよびＣｒのさらに好ましい含有範囲は、Ｍｎ：０．１０〜０．１５％、Ｃｒ：０．２０〜０．３０％である。
【００１８】
なお、本発明のアルミニウム合金鍛造材には、１％以下のＦｅ、０．３％以下のＺｎ、０．２％以下のＴｉ、０．１％以下のＢが含有されていても本発明の効果が害されることはない。
【００１９】
本発明においては、溶体化処理および時効処理（Ｔ６処理）後のアルミニウム合金鍛造材の直角断面において表層部は再結晶組織で、表層部以外の部分に該直角断面の５０〜９５％の領域を占める平均結晶粒径１０μｍ以下の亜結晶粒組織が存在することが重要である。この組織とすることにより高強度、高靱性を達成することができる。
【００２０】
本発明のアルミニウム合金鍛造材において、強度および靱性の向上は、前記Ｍｇ２　Ｓｉなどの析出硬化、Ｃｕなどの固溶強化による以外に、微細な亜結晶粒組織を形成することが重要な要素となる。好ましい組織性状は、亜結晶粒組織が鍛造材の直角断面において、該断面の５０〜９５％を占めるようにし、亜結晶粒の平均粒径を１０μｍ以下とする。
【００２１】
亜結晶粒組織が鍛造材の直角断面において、該断面の５０％未満では鍛造材全体の強度が不十分となり、９５％を越えると鍛造材全体の靱性が不足する。亜結晶粒の平均粒径が１０μｍを越えると、強度向上の効果が十分でなくなる。
【００２２】
亜結晶粒組織は繊維状に発達するため、材料中に異方性が生じ、繊維状長手方向と比較して垂直方向の靱性が低くなる傾向がある。従って、鍛造材全体の靱性を向上させるために、鍛造材の表層部は再結晶組織として、表層部を延性および耐衝撃性に優れたものとするのが好ましく、内部の亜結晶粒組織との組合わせによって改善された強度、靱性が達成される。
【００２３】
亜結晶粒の粒径の測定は、鍛造材の直角断面の組織を、透過型電子顕微鏡で倍率５０００倍で写真撮影し、切断法（既知の長さの線分によって完全に切断される結晶粒の数を数え、その切断長さの平均値をもって表示するもので、ＪＩＳ　Ｇ０５２２に規定される鋼のフェライト結晶粒度試験方法に準拠する）により測定する。また、亜結晶粒組織の直角断面の面積率は、鍛造材サンプルの直角断面を１０％ＮａＯＨ水溶液でエッチング処理（液温：２０℃、浸漬時間：４５分）し、サンプルの大きさに応じて１〜１０倍で写真撮影し、画像解析装置を使用して測定する。
【００２４】
つぎに、本発明のアルミニウム合金鍛造材の製造について説明すると、前記のように、本発明においては、微細な亜結晶粒組織の形成を特徴とするものであるが、鍛造材の組織が粗大な再結晶組織となるのは、熱間押出または熱間鍛造時に蓄積された加工歪みが最終溶体化処理時に回復、再結晶することに起因することが多く、溶体化処理温度が高いほど再結晶粒が粗大化する傾向がある。所定の強度が得られる溶体化処理温度は合金組成で決まっており、本発明による合金組成の場合、十分な固溶状態を得るためには５００℃以上の溶体化処理を行う必要があるため、粗大再結晶粒の形成を抑制するために、溶体化処理温度を下げることはできない。これを解消する手段として、本発明においては、熱間加工温度を溶体化処理温度域あるいはその近傍として、溶体化処理時に再結晶しない熱的に安定した亜結晶粒組織を形成するとともに、Ｍｎ系化合物、Ｃｒ系化合物を微細、均一に析出させて亜結晶粒の形成を促進し、形成された亜結晶粒組織の維持を図る。
【００２５】
Ｍｎ系化合物、Ｃｒ系化合物を微細、均一に析出させるために、前記の組成を有するアルミニウム合金の鋳塊について、４００〜４９０℃の温度で均質化処理を行う。通常、６０００系アルミニウム合金の均質化処理は４９０℃を越える温度（且つ固相線未満の温度）で行われることが多いが、４９０℃を越える温度で均質化処理を行った場合、鋳造時に過飽和に固溶していたＭｎ、Ｃｒ原子が均質化処理中に析出、粗大化してピンニング効果が小さくなり、熱間加工時に安定した亜結晶粒組織が形成し難くなる。４００℃未満ではＭｎ、Ｃｒがほとんど析出しないため、熱間加工時に導入される歪みの回復サイトが不足し、安定した亜結晶粒組織の形成が困難となる。さらに好ましい均質化処理温度は４５０〜４９０℃である。
【００２６】
ついで、４８０〜５４０℃で熱間押出および４８０〜５４０℃で熱間鍛造を行う。熱間押出および熱間鍛造を４８０℃未満の温度で行った場合には、Ｍｇ２　Ｓｉの固溶が不十分となり、熱間加工中にＭｇ２　Ｓｉが凝集化し易くなり、その結果、最終溶体化処理時に凝集化したＭｇ２　Ｓｉが再固溶し難くなって十分な強度が得られなくなる。また、熱間加工時に蓄積される歪み量が多くなり、溶体化処理時に粗大な再結晶粒が発生し易くなる。５４０℃を越える温度で熱間押出、熱間鍛造を行うと、亜結晶粒組織の形成、維持が困難となり、熱間加工時に粗大な再結晶組織が形成し易くなる。さらに好ましい熱間押出および熱間鍛造の温度は５００〜５４０℃である。
【００２７】
上記の熱間加工後、溶体化処理を行い。好ましい溶体化処理温度は５００〜５４０℃であり、５００℃未満ではＭｇ２　Ｓｉの固溶が不十分となり、所望の強度が得難い。５４０℃を越えると、粗大再結晶が生じ易くなり強度低下を招く。さらに好ましい溶体化処理温度は５１０〜５３０℃である。
【００２８】
溶体化処理に続いて時効処理（焼戻し処理）を行う。好ましい焼戻し処理温度は１５０〜２００℃の範囲であり、１５０℃未満ではＭｇ２　Ｓｉによる析出硬化が十分でなく、２００℃を越えると、Ｍｇ２　Ｓｉが粗大析出して十分な析出硬化が得難くなる。さらに好ましい焼戻し処理温度は１７０〜１９０℃である。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明し、本発明の効果を実証する。これらに実施例は、本発明の一実施態様であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３０】
実施例１
表１に示す組成のアルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造により直径９０ｍｍの押出用ビレットに造塊した。このビレットを表２に示す条件で、均質化処理、熱間押出（押出寸法：直径２０ｍｍ、丸棒材）、熱間鍛造（鍛造材：図１に示すようにノッチ部Ｎを有する形状、寸法）し、その後、表２に示す温度で溶体化処理を行い、１７０℃で１０ｈの焼戻し処理を施した。
【００３１】
得られた鍛造品（Ｔ６調質材）を試験材として、図１のＡ−Ａ断面中心部の平均結晶粒径、断面に占める亜結晶粒組織の面積率を前記の方法で調査し、機械的性質を評価し、また、鍛造品全体の靱性を評価するために、ノッチ部Ｎを含むＪＩＳ３号衝撃試験片を採取し、室温でシャルピー衝撃試験を実施した。なお、試験片において、ノッチ部Ｎは鍛造バリのみを機械加工で除去した状態とした。さらに、耐食性の評価として、ＪＩＳ　Ｚ２３７１に準拠する塩水噴霧試験を１０００時間行い、最大孔食深さを測定した。結果を表３に示す。
【００３２】
表３にみられるように、本発明に従う試験材Ｎｏ．１〜４はいずれも、耐力が３４０ＭＰａ以上の優れた強度、３０Ｊ／ｃｍ２　を越える衝撃特性をそなえ、耐食性も最大孔食深さが２００μｍ以下であった。
【００３３】
【表１】
2004068076.tif 000002
【００３４】
【表２】
2004068076.tif 000003
【００３５】
【表３】
2004068076.tif 000004
【００３６】
比較例１
表１に示す組成のアルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造により直径９０ｍｍの押出用ビレットに造塊した。このビレットを表４に示す条件で、均質化処理、熱間押出（押出寸法：直径２０ｍｍ、丸棒材）、熱間鍛造（鍛造材：図１に示すようにノッチ部Ｎを有する形状、寸法）し、その後、表４に示す温度で溶体化処理を行い、１７０℃で１０ｈの焼戻し処理を施した。
【００３７】
得られた鍛造品（Ｔ６調質材）を試験材として、実施例１と同様、図１のＡ−Ａ断面中心部の平均結晶粒径、断面に占める亜結晶粒組織の面積率を前記の方法で調査し、機械的性質を評価し、また、実施例１と同様にして、衝撃特性、耐食性を評価した。結果を表５に示す。なお、表４〜５において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００３８】
表５に示すように、試験材Ｎｏ．５は均質化処理温度が高く熱間押出温度が低く、試験材Ｎｏ．６は熱間鍛造温度が低く、試験材Ｎｏ．７は溶体化処理温度が高く、また試験材Ｎｏ．８は熱間鍛造温度が低いため、いずれも粗大な再結晶組織となり十分な強度が得られなかった。
【００３９】
【表４】
2004068076.tif 000005
【００４０】
【表５】
2004068076.tif 000006
【００４１】
比較例２
表６に示す組成のアルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造により直径９０ｍｍの押出用ビレットに造塊した。このビレットを表７に示す条件で、均質化処理、熱間押出（押出寸法：直径２０ｍｍ、丸棒材）、熱間鍛造（鍛造材：図１に示すようにノッチ部Ｎを有する形状、寸法）し、その後、表７に示す温度で溶体化処理を行い、１７０℃で１０ｈの焼戻し処理を施した。
【００４２】
得られた鍛造品（Ｔ６調質材）を試験材として、実施例１と同様、図１のＡ−Ａ断面中心部の平均結晶粒径、断面に占める亜結晶粒組織の面積率を前記の方法で調査し、機械的性質を評価し、また、実施例１と同様にして、衝撃特性、耐食性を評価した。結果を表８に示す。なお、表６〜８において、本発明の条件を外れたものには下線を付した。
【００４３】
表８に示すように、試験材Ｎｏ．９はＭｎ量、Ｃｒ量が多いため、亜結晶粒組織の面積率が大きく、衝撃特性が劣る。試験材Ｎｏ．１０はＳｉ量、Ｍｇ量が多いため、衝撃特性が劣るとともに耐食性も低下している。試験材Ｎｏ．１１〜１３はＭｎ量、Ｃｒ量が少ないため、鍛造材の組織が粗大化した再結晶組織となり強度が低い。試験材Ｎｏ．１４はＣｕ量が多いため、耐食性が顕著に低下した。
【００４４】
【表６】
2004068076.tif 000007
【００４５】
【表７】
2004068076.tif 000008
【００４６】
【表８】
2004068076.tif 000009
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、強度、靱性および耐食性のバランスに優れた構造用アルミニウム合金鍛造材およびその製造方法が提供される。本発明のアルミニウム合金はＪＩＳ６０６１合金の成分規格内の組成を有することから、生産性、リサイクル性に優れ、自動車用構造部材への適用範囲を拡大することが可能であり、工業上の価値が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例、比較例の試験材として使用する鍛造材の形状、寸法を示す正面、Ａ−Ａ断面図である。
【図１】
2004068076.tif 000010