【手続補正書】
【提出日】平成15年9月11日(2003.9.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】高温強度に優れたアルミニウム材およびその加工方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】ビレットを熱間で押出した後に冷間加工を行うことにより製作されたアルミニウム材であって、
合金組成において、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＦｅが０．４wt％以下、Ｓｉが０．４wt％以下、Ｍｇが０．５wt％以下、Ｃｕが０．５wt％以下、他元素がそれぞれ０．２wt％以下に規制されてなり、
合金組織において、Ａｌ−Ｍｎ系析出物は長径が０．４μｍ以下であり、かつ１個／μｍ2以上存在することを特徴とする高温強度に優れたアルミニウム材。
【請求項２】前記ビレットに対し均質化処理を施すことなく熱間押出が行われる請求項１に記載の高温強度に優れたアルミニウム材。
【請求項３】前記熱間押出は、５００℃以下で押出速度２０ｍ／ｍｉｎ以上で行われる請求項１または２に記載の高温強度に優れたアルミニウム材。
【請求項４】前記冷間加工は、加工率が５％以上かつ３５％未満で行われる請求項１乃至３のいずれかに記載の高温強度に優れたアルミニウム材。
【請求項５】ビレットを熱間で押出した後に冷間加工を行うアルミニウム材の加工方法であって、
合金組成において、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＦｅが０．４wt％以下、Ｓｉが０．４wt％以下、Ｍｇが０．５wt％以下、Ｃｕが０．５wt％以下、他元素がそれぞれ０．２wt％以下に規制されてなり、前記ビレットに対し均質化処理を施すことなく熱間押出を行うことを特徴とするアルミニウム材の加工方法。
【請求項６】前記熱間押出は、５００℃以下で押出速度２０ｍ／ｍｉｎ以上で行う請求項５に記載のアルミニウム材の加工方法。
【請求項７】前記冷間加工は、５％以上かつ３５％未満の加工率で行う請求項５または６に記載のアルミニウム材の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
この発明は、高温域において優れた強度を有するアルミニウム材、およびアルミニウム材の加工方法に関する。
【０００３】
なお、この明細書において、「アルミニウム」の語はアルミニウムおよびその合金を含む意味で用いられる。
【従来の技術】
【０００４】
Ａｌ−Ｍｎ系合金は、優れた強度を有することから各種器物、建材等の材料として広く用いられている。また、押出性や加工性が良好であることから、これらの製品は、押出後にさらに引抜等の冷間加工を施して所要形状に製造されることも多い。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、一般に冷間加工を行うと再結晶温度が低くなるため、製品を３００〜４００℃程度の高温域で長期間使用すると、焼きなましたと同じ状態となり強度が著しく低下するという問題点があった。
【０００６】
そこで、本出願人は先に、高温強度に優れたＡｌ−Ｍｎ系アルミニウム材として、金属間化合物の大きさおよび数を規制した出願を行った（特願平９−１２７０３７号）。具体的には、長径１μｍ以上の金属間化合物を１×１０4個／mm2未満に規定した。
【０００７】
しかしながら、その後の研究により、金属間化合物のうち、晶出物については高温環境下において再結晶の核となり再結晶を促進して強度を低下させることから、確かに上記に規定するのが良いが、Ａｌ−Ｍｎ系析出物については、小さなものが一定以上に存在していた方が高温強度を向上しうる点で望ましいことがわかった。
【０００８】
この発明は、このような技術背景に鑑み、高温域で使用しても強度低下の少ない高温強度に優れたアルミニウム材、およびアルミニウム材の加工方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の高温強度に優れたアルミニウム材は、前記目的を達成するために、ビレットを熱間で押出した後に冷間加工を行うことにより製作されたアルミニウム材であって、合金組成において、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＦｅが０．４wt％以下、Ｓｉが０．４wt％以下、Ｍｇが０．５wt％以下、Ｃｕが０．５wt％以下、他元素がそれぞれ０．２wt％以下に規制されてなり、合金組織において、Ａｌ−Ｍｎ系析出物は長径が０．４μｍ以下であり、かつ１個／μｍ2以上存在することを特徴とする。
【００１０】
また、前記アルミニウム材は、前記ビレットに対し均質化処理を施すことなく熱間押出が行われることが好ましい。さらに、前記熱間押出は、５００℃以下で押出速度２０ｍ／ｍｉｎ以上で行われることが好ましい。またさらに、前記冷間加工は、加工率が５％以上かつ３５％未満で行われることが好ましい。
【００１１】
この発明のアルミニウム材の加工方法は、ビレットを熱間押出した後に冷間加工を行うアルミニウム材の加工方法であって、合金組成において、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＦｅが０．４wt％以下、Ｓｉが０．４wt％以下、Ｍｇが０．５wt％以下、Ｃｕが０．５wt％以下、他元素がそれぞれ０．２wt％以下に規制されてなり、前記ビレットに対し均質化処理を施すことなく熱間押出を行うことを特徴とする。
【００１２】
前記加工方法において、前記熱間押出は、５００℃以下で押出速度２０ｍ／ｍｉｎ以上で行うことが好ましい。
【００１３】
また、前記冷間加工は、５％以上かつ３５％未満の加工率で行うことが好ましい。
【００１４】
この発明のアルミニウム材の合金組成において、各元素の添加意義および含有量の限定理由、ならびに不純物の規制理由は次のとおりである。
【００１５】
Ｍｎは、再結晶粒の成長を抑制して再結晶粒を微細化するとともに粒界移動を抑止することにより、強度向上に寄与する元素である。Ｍｎ含有量は、０．５wt％未満では前記効果に乏しく、一方１．５wt％を超えると固溶されないＭｎ量がが増加して粗大な金属間化合物を生成し、再結晶粒を成長させて強度を低下させるおそれがある。従って、Ｍｎ含有量は０．５〜１．８wt％とする必要がある。Ｍｎ含有量の好ましい下限値は０．８wt％であり、好ましい上限値は１．３wt％である。
【００１６】
また、Ｍｎの残部はＡｌと不純物である。合金中に不純物としてＦｅおよびＳｉが存在すると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｓｉ等の晶出物を増加させるとともに、Ａｌ−Ｍｎ系析出物も粗大化させる原因となる。そのため、ＦｅおよびＳｉはそれぞれ０．４wt％以下に規制する必要がある。Ｆｅ含有量の好ましい上限値は０．３wt％であり、Ｓｉの好ましい上限値は０．２wt％である。また、不純物としてのＭｇの含有が多いと冷間加工時に変形抵抗が大きくなり生産性が悪化するため０．５wt％以下に規制する必要がある。Ｍｇの好ましい上限値は０．１wt％である。また、Ｃｕは強度向上に寄与する元素であるが、含有量が多くなると粗大晶出物を生じさせる原因となるため、０．５wt％以下に規制する必要がある。Ｃｕの好ましい上限値は０．３wt％である。その他の不純物元素は、粗大晶出物を抑制するために、それぞれ０．２wt％以下に規制する必要があり、特に０．１wt％以下が好ましい。
【００１７】
このような組成のアルミニウム材の合金組織において、Ａｌ−Ｍｎ系析出物は、冷間加工後の高温環境による再結晶粒の成長を抑制するために、微細かつ数多く密に存在することが必要である。具体的には、析出物は長径が０．４μｍ以下で、かつ１個／μｍ2以上存在する必要である。好ましくは、０．３μｍ以下、２個／μｍ2以上存在することが好ましい。このように、Ａｌ−Ｍｎ系析出物を微細かつ密に存在させることにより、高温環境下での再結晶粒の成長を抑制できる理由は定かではないが、これらＡｌ−Ｍｎ系析出物により結晶粒界のピンニング効果が発揮されているからと推測される。なお、アルミニウム材中の晶出物は、長径１μｍ以上のものが１×１０4個／mm2未満に規制されているのが望ましい。
【００１８】
また、この発明のアルミニウム材はビレットを熱間押出後に冷間加工を施して所要形状の製品に形成されるが、Ａｌ−Ｍｎ系析出物を上述したように微細かつ密に分布させるために、次のような方法で加工することが好ましい。
【００１９】
まず、ビレットの均質化処理は行わないことが好ましい。均質化処理を行うと、処理時の加熱およびその後の冷却過程においてＡｌ−Ｍｎ系化合物が粗大結晶として析出するおそれがあるためである。
【００２０】
また、押出条件は、押出温度が５００℃以下で、押出速度が製品速度として２０ｍ／ｍｉｎ以上の条件を推奨できる。これは、低温低速の押出では結晶組織が繊維状となり高温環境下における強度低下が著しく、また高温の押出では、Ｍｎの析出および結晶粒の粗大化が進み、特に高温における強度が低下する傾向にあるためである。特に好ましい押出温度の上限値は４５０℃であり、下限値は４００℃である。また、特に好ましい押出速度の下限値は３０ｍ／ｍｉｎである。
【００２１】
また、冷間加工は、引抜、圧延等のいかなる加工法も適用でき、次式で表される冷間加工率を５％以上かつ３５％未満とすることが好ましい。
【００２２】
冷間加工率（％）＝（１−Ａ1／Ａ0）×１００
ただし、Ａ0：冷間加工前の断面積
Ａ1：冷間加工後の断面積
冷間加工率が５％未満では加工硬化が不十分であって冷間加工後の強度が不足し、それに伴って高温保持後の強度も不足する。かつ、Ａｌ−Ｍｎ系析出物が十分に微細化されず、高温保持後の強度不足の原因となる。一方、冷間加工率が３５％以上になると、加工硬化により強度は高くなるが、高温保持による強度の低下率が高くなるため、高温で長時間使用したときの強度が不足する。
【００２３】
この発明のアルミニウム材においては、合金組成において所定量のＭｎを含有するとともに、不純物としてのＦｅ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕの含有量が規制されているのみならず、Ａｌ−Ｍｎ系析出物が微細かつ密に分布するようになされているため、高温環境で長時間使用しても再結晶温度の低下が少なく、再結晶の成長が抑制されて強度低下は小さい。
【実施例】
【００２４】
次に、この発明のアルミニウム材の具体的実施例について説明する。
［実験Ｉ］
まず、後掲の表１に示す各合金組成のビレットを鋳造した。これらのビレットのうち、各実施例および比較例７〜１０については均質化処理することなく、また、比較例１〜６については６１０℃×１６時間の均質化処理を行った。そして、４５０℃に予備加熱して押出速度６０ｍ／ｍｉｎの一定条件で外径７２mm×肉厚２．０mmの管を押出した。さらに、これらの押出管をリダクション（冷間加工率）２０％、外径落とし量３mmの一定条件で引抜いた。これらの引抜管の合金組織において、Ａｌ−Ｍｎ系析出物の長径および個数を調べたところ、表１のとおりであった。なお、晶出物については、いずれも長径１×１０4個／mm2未満であった。
【００２５】
こうして得られた各引抜管について、引抜直後、５００℃で３時間保持後および３２７℃で４４００時間保持後にそれぞれ耐力を常法により測定した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、良否判定は、５００℃で短時間および３２７℃で長時間の高温保持後のいずれにおいても７０ＭＰａ以上の耐力を維持したものを良品（○）とし、それ以外を不良品（×）とした。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１の結果から、アルミニウム材の合金組成、Ａｌ−Ｍｎ系析出物の分布状態を本発明の範囲内とすることにより、長時間高温で保持しても高い耐力を維持できることを確認できた。また、このような析出物の分布状態は、ビレットに対して均質化処理を行わないことにより達成できることを確認できた。
［実験II］
次に、前述の実施例４と同一組成のビレットについて、均質化処理を行うことなく、押出および引抜を行った。押出条件は、表２に示すとおりビレットの予備加熱温度および押出速度を変化させるものとし、引抜条件は実験Ｉと同一とした。そして、各引抜管について、Ａｌ−Ｍｎ系析出物の分布状態を調べるとともに、引抜直後、５００℃で３時間保持後、３２７℃で４４００時間保持後の耐力を常法により測定した。また、４４００時間保持後に金属組織を調べた。これらの結果を表２の示す。なお、表２中、実施例１４は表１の実施例４の再掲である。また、引抜管の晶出物については、いずれも長径１×１０4個／mm2未満であった。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
表２の結果から、押出条件を本発明の範囲内とすることにより、Ａｌ−Ｍｎ系析出物を微細かつ密に分布させることができ、長時間高温で保持しても耐力を維持できることを確認できた。
［実験III］
次に、前述の実施例４と同一組成の合金を用い、均質化処理を行うことなく実験Ｉと同一条件で押出し、さらに表３に示す各リダクションで引抜いた。そして、引抜管について、Ａｌ−Ｍｎ系析出物の分布状態を調べるとともに、得られた各引抜管について、引抜直後、５００℃で３時間保持後、３２７℃で４４００時間保持後の耐力を常法により測定した。これらの結果を表３に示す。なお、表３中、実施例２４は表１の実施例４の再掲である。また、引抜管の晶出物については、いずれも長径１×１０4個／mm2未満であった。
【００３０】
【表３】
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【００３１】
表３の結果より、本発明の範囲内の条件で冷間加工を行うことにより、Ａｌ−Ｍｎ系析出物を微細かつ密に分布させることができ、長時間高温で保持しても耐力を維持できることを確認できた。
【発明の効果】
【００３２】
以上の次第で、この発明のアルミニウム材は、ビレットを熱間で押出した後に冷間加工を行うことにより製作されたアルミニウム材であって、合金組成において、Ｍｎ：０．５〜１．８wt％を含有し、残部がＡｌおよび不純物からなり、不純物としてのＦｅが０．４wt％以下、Ｓｉが０．４wt％以下、Ｍｇが０．５wt％以下、Ｃｕが０．５wt％以下、他元素がそれぞれ０．２wt％以下に規制されてなり、合金組織において、Ａｌ−Ｍｎ系析出物は長径が０．４μｍ以下であり、かつ１個／μｍ2以上存在する微細かつ密な組織であるから、高温環境下にあっても再結晶の成長が抑制される。そのため、強度低下が抑制され、高温域においても長時間安定して高い強度を維持することができる。また、不純物としてのＭｇ含有量が規制されているため、加工性が損なわれるおそれもない。
【００３３】
また、上述のようなＡｌ−Ｍｎ析出物の微細かつ密な組織は、この発明のアルミニウム材の加工方法に基づいて、前記ビレットに対し均質化処理を施すことなく熱間押出を行うこと、前記熱間押出を５００℃以下で押出速度２０ｍ／ｍｉｎ以上で行うこと、あるいはさらに前記冷間加工を加工率５％以上かつ３５％未満で行うことにより得られ、優れた高温強度を確実に得られる。