(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ５．１〜６．５％（ｍａｓｓ％、以下同じ）、Ｍｇ０．１０〜０．７％、Ａｇ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜０．５０％、Ｔｉ０．２２〜０．５０％を含有し、しかもＭｎ量とＴｉ量との比Ｍｎ／Ｔｉが０．５〜２．５の範囲内にあり、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなることを特徴とする、靭性に優れた展伸加工用耐熱アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｃｕ５．１〜６．５％、Ｍｇ０．１０〜０．７％、Ａｇ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜０．５０％、Ｔｉ０．０６〜０．５０％を含有し、かつＶ０．０２〜０．２５％、Ｚｎ０．０６〜０．３５％のうちの１種または２種を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなり、しかもＴｉとともにＶを含有する場合のＴｉおよびＶの合計量（Ｔｉ＋Ｖ）が０．１７％以上であり、かつＭｎ量とＴｉおよびＶの合計量との比Ｍｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）が０．５〜２．５の範囲内にあることを特徴とする、靭性に優れた展伸加工用耐熱アルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は航空機や宇宙機材の部品や構造材あるいは自動車等の内燃機関や過給機等の部品などとして、１００℃を越える高温度域において高強度および高靭性を要求される用途に用いられる展伸加工用耐熱アルミニウム合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金材料の高強度化を図るための手法としては、従来から時効硬化現象が広く利用されている。しかしながら一般にこのようなアルミニウム合金時効硬化材について、１００℃を越える高温度域に長時間曝した場合、時効析出物の粗大化によって著しい軟化が生じることが多い。そこでこのような軟化を抑えるため、各種元素の添加および成分組成の最適化を図って、高温強度を向上させた合金として、Ａｌ−Ｃｕ系合金のＪＩＳ  Ａ２６１８合金やＡ２２１９合金などが一般的な耐熱アルミニウム合金として実用化されている。
【０００３】
またこのようなＡｌ−Ｃｕ系合金の高温強度を一層向上させるために、例えば特許文献１、特許文献２に示されるように、ＭｇとともにＡｇを添加することも試みられている。
【０００４】
しかしながら高温特性（耐熱性および高温耐力）と、靭性とは両立し難いのが一般的であり、上記提案の従来技術でも、高温特性と靭性との両者を同時に向上させるに至っていないのが実情であった。すなわち、上記提案の技術の場合、高温での強度を向上させるために靭性値を犠牲にしており、そのため特に破壊を伴なう高応力が加わる部材や構造物については信頼性が低くならざるを得なかったのである。
【０００５】
一方、本発明者等は、Ａｌ−Ｃｕ系合金にＭｇ、Ａｇを添加すると同時にＺｎを添加することによって、高温特性と同時に靭性の向上を図る方法を特許文献３において提案している。この特許文献３の技術によれば、優れた高温特性を得ると同時に、ある程度の靭性の向上を図ることが可能となったが、高温材料に対する近年のより高度な要求には未だ充分に応えられない状況にあった。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５１−３７０１８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１２７４８号公報
【特許文献３】特開２００４−１３７５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は前述のような従来技術の問題点を一掃し、高温特性と靭性がともに充分に優れた展伸加工用耐熱アルミニウム合金を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は前述の課題を解決するべく、Ａｌ−Ｃｕ系にＭｇ、Ａｇを添加した合金、すなわちＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系合金について、種々実験・研究を重ねた結果、添加成分元素として、さらにＴｉとＭｎとを適切な量だけ同時に添加することによって、高温強度と高靭性とを同時に著しく改善し得ることを見出し、またその場合において、ＴｉとＭｎの添加量の比（Ｍｎ／Ｔｉ比）を適切な範囲内とすることも必要であることを見出し、この発明をなすに至った。さらに、ＴｉとＭｎに加えて、ＶもしくはＺｎを添加することも有効であり、かつその場合にＭｎ量とＴｉ、Ｖの合計量との比Ｍｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比を適切な範囲内とすることが、高温強度と高靭性を得るために有効であることを見出したのである。
【０００９】
具体的には、請求項１の発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金は、Ｃｕ５．１〜６．５％、Ｍｇ０．１０〜０．７％、Ａｇ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜０．５０％、Ｔｉ０．２２〜０．５０％を含有し、しかもＭｎ量とＴｉ量との比Ｍｎ／Ｔｉが０．５〜２．５の範囲内にあり、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなることを特徴とするものである。
【００１１】
さらに請求項２の発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金は、Ｃｕ５．１〜６．５％、Ｍｇ０．１０〜０．７％、Ａｇ０．１０〜１．０％、Ｍｎ０．１０〜０．５０％、Ｔｉ０．０６〜０．５０％を含有し、かつＶ０．０２〜０．２５％、Ｚｎ０．０６〜０．３５％のうちの１種または２種を含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物よりなり、しかもＴｉおよびＶの合計量（Ｔｉ＋Ｖ）が０．１７％以上であり、かつＭｎ量とＴｉおよびＶの合計量との比Ｍｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）が０．５〜２．５の範囲内にあることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金は、一般には両立し難いと言われている高温強度と靭性との両者を従来合金よりも向上させることができ、そのためより高温、高負荷の環境においても信頼性を損なうことなく好適に使用することができる。すなわちこの発明の展伸加工用アルミニウム合金は、１００℃を越える高温域において高強度および高靭性が要求される部品や構造部材として、圧延や鍛造、押出等の展伸加工を施して使用することができ、例えばロケット、あるいは航空機等の高速移動体の外壁や、内燃機関あるいは過給機用部材などに好適に使用することができる。そのためこの発明によれば、アルミニウム合金の長所を生かせる用途を大きく拡大させるという優れた効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
この発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金は、基本的には、Ａｌ−Ｃｕ系のいわゆる２０００番系の時効硬化型の耐熱合金にＭｇ、Ａｇを添加したＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系合金をベースとし、これにさらにＭｎとＴｉを適量だけ同時に添加したものである。
【００１５】
ここで、この発明の合金の前提となるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系合金では、時効処理によりＡｌ−Ｃｕ系のいわゆるθ’相あるいはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系のいわゆるΩ相が析出し、これらの時効析出物が硬化に寄与して、高強度を得ることが可能となるが、この発明では、さらにＭｎおよびＴｉを適切な量だけ同時添加することによって、時効析出物の微細化を図るとともに、高温に長時間曝されたとき（高温暴露時）に生じる時効析出物の粗大化を抑制することが可能となって、靭性の向上と、より一掃の高温強度の改善を図ることが可能となる。そしてこの発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金の成分組成も、これらの作用を充分に発揮して、高い高温強度と優れた靭性を得る点から定められる。そこで以下にこの発明の耐熱アルミニウム合金における成分組成の限定理由について説明する。
【００１６】
Ｃｕ：
Ｃｕを添加することによって、前述のように時効処理によってＡｌ−Ｃｕ系のθ’相もしくはＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系のΩ相が析出し、硬化に寄与する。Ｃｕ量が５．１％未満ではその効果が充分に得られず、６．５％を越えれば溶体化処理によっても溶け切れない安定相θが形成されてしまって、靭性の低下を招く。したがってＣｕ量は５．１〜６．５％の範囲内とした。なおより高い強度を必要とする場合は、Ｃｕ量は５．３％以上とすることが望ましい。
【００１７】
Ｍｇ：
Ｍｇも時効処理によってＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系のΩ相を析出し、硬化に寄与する。Ｍｇ量が０．１０％未満ではその効果が充分に得られず、一方０．７％を越えてＭｇを添加しても、更なる強度の向上が望めないばかりか、延性および靭性の低下が顕著となってしまう。したがってＭｇ量は０．１０〜０．７％の範囲内とした。なお特に高強度を必要とする場合には、Ｍｇ量は０．２％以上とすることが望ましい。
【００１８】
Ａｇ：
Ａｇも時効処理によってΩ相を析出し、硬化に寄与する。Ａｇ量が０．１０％未満ではその効果が充分に得られず、一方１．０％を越えてＡｇを添加しても更なる強度の向上は望めず、高価なＡｇの使用量が増して経済性が低下するだけである。したがってＡｇ量は０．１０〜１．０％の範囲内とした。なお特に高強度を必要とする場合は、Ａｇ量は０．２％以上とすることが望ましい。
【００１９】
Ｍｎ、Ｔｉ：
Ｍｎを添加した場合には、時効析出物を微細化する効果、および高温暴露時に生じる時効析出物の粗大化を抑制する効果が認められる。しかしながらＭｎは、鋳造凝固時において凝固セルの外周部に強制固溶されて濃縮しやすいことに加え、アルミニウム合金中での拡散が遅いため、鋳造後に均質化処理や溶体化処理などの高温での熱処理や、圧延、押出、鍛造などの展伸加工を行っても、Ｍｎの偏析を完全には解消できず、そのためＭｎ添加による時効析出物の微細化効果、高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果は、合金組織中のＭｎ濃縮領域に限られる。
【００２０】
一方Ｔｉを添加した場合も、Ｍｎを添加した場合と同様に、時効析出物を微細化する効果、および高温暴露時に生じる時効析出物の粗大化を抑制する効果が認められる。しかしながらＴｉは、鋳造凝固時において凝固セルの中央部に強制固溶されて濃縮しやすいことに加え、アルミニウム合金中での拡散が遅いため、鋳造後に均質化処理や溶体化処理などの高温での熱処理や、鍛造、押出、圧延などの展伸加工を行ってもＴｉの偏析を完全に解消することはできない。そのためＴｉ添加による時効析出物の微細化効果、高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果は、合金組織中のＴｉ濃縮領域に限られる。
【００２１】
したがってＭｎまたはＴｉのいずれか一方のみを単独で添加した場合には、ＭｎまたはＴｉの偏析に起因して、合金組織中における時効析出物の析出状態が不均一となるため、強度および靭性の向上効果を充分に図ることは困難である。一方、ＭｎとＴｉとを同時に添加すれば、Ｍｎ希薄領域にはＴｉが濃縮し、逆にＴｉ希薄領域にはＭｎが濃縮したミクロ組織が得られる。そしてこの場合には、Ｍｎ濃縮領域およびＴｉ濃縮領域のそれぞれにおいて、時効析出物が微細となると同時に、高温暴露時の時効析出物の粗大化も抑制される。その結果、時効析出組織が全体的に微細かつ均一となり、合金全体として強度および靭性が著しく向上する。すなわち、ＭｎとＴｉとを同時に添加することによって、単に時効析出物の微細化効果、高温曝露時の時効析出物粗大化抑制効果が得られるばかりでなく、組織全体としての均一性の改善を図って、高温強度および靭性の顕著な向上をもたらすことができるのであり、この発明ではこのような作用効果を基本原理としている。
【００２２】
ここで、Ｍｎの添加量が０．１０％未満では上記の効果が不充分であり、一方０．５％を越えてＭｎを添加すれば、粗大なＡｌ−Ｍｎ系化合物が多量に形成されて靭性低下の原因となるため、好ましくない。したがってＭｎの添加量は０．１０〜０．５％の範囲とした。なおＭｎ添加量は、この範囲内でも特に０．１５〜０．４０％の範囲内が最適である。
【００２３】
またＴｉの添加量が０．２２％未満でも上記の効果が不充分であり、一方０．５％を越えてＴｉを添加すれば、鋳造時に粗大なＡｌ−Ｔｉ系化合物が多量に形成されやすく、靭性低下の要因となるため好ましくない。したがってＴｉ添加量は０．２２〜０．５０％の範囲内とした。なお、後に改めて説明するように、Ｔｉと同時にＶを添加する場合、すなわち請求項２の発明の展伸加工用耐熱アルミニウム合金の場合は、Ｔｉの添加量は０．０６〜０．５０％の範囲内とする。
【００２４】
なお従来、一般的なアルミニウム合金において微細化成分として考えられているＴｉは、Ｂを同時に添加することによりＴｉ−Ｂ系化合物を形成させて、鋳塊結晶粒を微細化する目的で使用されている。しかしながら強度および靭性の向上のためには、ＴｉとともにＢがアルミニウム合金中に存在することは必要ではなく、むしろＴｉがＴｉ−Ｂ系化合物として完全に固定されてしまえば、強度および靭性は向上しなくなってしまう。またＴｉ−Ｂ系化合物粒子は、Ａｌ−Ｔｉ系化合物の析出核として作用するため、Ｂを多量に添加すれば、Ｔｉの強制固溶量を低下させて、結果的に時効析出物微細化効果および高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果を阻害する傾向が強くなってしまう。そのためこの発明のアルミニウム合金の場合は、Ｂは全く添加しないか、あるいは結晶粒微細化のためにＢを添加するとしてもその添加量を１５ｐｐｍ以下の極微量とすることが望ましい。
【００２５】
以上のように、適切な添加量範囲内でＭｎおよびＴｉを同時に添加することにより、時効析出物微細化効果、および高温暴露時における時効析出物粗大化抑制効果が充分に発揮されるとともに、組織が均一化されて、高靭性を得ることができるが、さらにＭｎ添加量とＴｉ添加量との比（Ｍｎ／Ｔｉ比）を０．５〜２．５の範囲内に制御することにより、より一層組織の均一性を向上させて、高温特性と靭性の向上を図ることができ、これを請求項２において規定した。
【００２６】
すなわち、Ｍｎ／Ｔｉ比を０．５〜２．５の範囲内に規制することによって、時効析出物の微細化効果と高温曝露時における時効析出物粗大化抑制効果が合金の全体にわたって確実かつ均一に向上し、結果的に高温特性と靭性のより一層の向上を図ることができる。ここで、Ｍｎ／Ｔｉ比が０．５未満では、Ｔｉ濃縮領域における時効析出物の微細化効果、および高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果が、Ｍｎ濃縮領域におけるそれと比較して相対的に強くなるため、材料全体としての組織の均一性が崩れて、強度および靭性レベルが若干劣化し、またＭｎ／Ｔｉ比が２．５を越えれば逆にＭｎ濃縮領域における時効析出物の微細化効果、および高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果が、Ｔｉ濃縮領域におけるそれと比較して相対的に強くなるため、材料全体としての組織の均一性が崩れて、強度および靭性レベルが若干劣化する。
【００２７】
以上のような請求項１、請求項２において規定する合金成分組成によってもこの発明の目的を達成するために充分な特性を得ることが可能であるが、さらに次に述べるように、ＶもしくはＺｎを添加することにより、より一層の特性の向上を図ることができ、これを請求項３、請求項４において規定した。
【００２８】
Ｖ：
Ｖは、Ｔｉと同様に鋳造凝固時に凝固セルの中央部に濃縮しやすく、またその拡散も遅い。そしてまたＶ濃縮領域では、時効析出物が微細析出し、また高温暴露時には時効析出物の粗大化抑制効果が認められる。したがって、ＶをＴｉとともに添加することによって、さらに強度と靭性を向上させることができる。ここで、Ｖの添加量が０．０２％未満では上記の効果が不充分であり、一方Ｖ添加量が０．２５％を越えれば、鋳造時に粗大なＡｌ−Ｖ系化合物が形成されて、靭性低下の原因となるため好ましくない。したがってＶの添加量は０．０２〜０．２５％の範囲内とする。なおＶの好ましい添加量範囲は０．０５〜０．１５％である。またＶは、Ｔｉと同様の効果を奏するため、Ｔｉと同時にＶを添加する場合にはＴｉ添加量を低くすることができ、ＴｉとＶの合計の添加量（Ｔｉ＋Ｖ）は０．１７％以上とし、０．１９％以上がより好ましい。
【００２９】
さらに、上記の範囲でＶ添加量を調整すると同時に、Ｍｎ添加量とＴｉおよびＶの合計添加量との比、すなわちＭｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比を０．５〜２．５の範囲に制御することにより、高温特性と靭性の向上を確実に図ることができる。なおＭｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比を０．５〜２．５の範囲内に規定した理由は、既に述べたＭｎ／Ｔｉ比の規定理由と同様である。
【００３０】
すなわち、Ｍｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比を０．５〜２．５の範囲内に規制することによって、時効析出物の微細化効果と高温曝露時における時効析出物粗大化抑制効果が合金の全体にわたって確実かつ均一に向上し、結果的に高温特性と靭性のより一層の向上を図ることができる。ここで、Ｍｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比が０．５未満では、ＴｉおよびＶ濃縮領域における時効析出物の微細化効果、および高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果が、Ｍｎ濃縮領域におけるそれと比較して相対的に強くなるため、材料全体としての組織の均一性が崩れて、強度および靭性レベルが若干劣化し、またＭｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比が２．５を越えれば逆にＭｎ濃縮領域における時効析出物の微細化効果、および高温暴露時の時効析出物粗大化抑制効果が、ＴｉおよびＶ濃縮領域におけるそれと比較して相対的に強くなるため、材料全体としての組織の均一性が崩れて、強度および靭性レベルが若干劣化する。
【００３１】
Ｚｎ：
Ｚｎを添加することによっても、強度と延性の向上を図ることができる。ここで、Ｚｎが０．０６％未満では顕著な強度と延性の向上は得られず、一方０．３５％を越えれば耐食性の低下が認められるため好ましくない。但し、Ｚｎの過剰添加による耐食性の劣化はさほど大きなものではなく、良好な使用環境では０．５％程度までは特に支障はない。そこでＺｎの添加量は０．０６〜０．３５％の範囲内とした。なおＺｎの添加量の好ましい範囲は０．１０〜０．３０％である。
【００３２】
以上で説明した各元素のほかは、基本的にはＡｌおよび不可避的不純物とすれば良いが、前記各成分元素のほかの元素についても、この発明に係る展伸加工用アルミニウム合金の靭性や高温特性、その他の特性を阻害しない範囲内での含有は許容される。
【００３３】
例えば、Ｃｒ、Ｚｒは、Ａｌ−Ｃｒ系、Ａｌ−Ｚｒ系の微細な分散粒子を形成することにより強度向上に寄与する。この場合の分散粒子は、この発明で主な用途としている部品、部材の使用温度域（１００〜２５０℃）においては、前述のＣｕ系化合物よりも安定であるため、高強度を維持することが可能となる。しかしながら、ＣｒやＺｒの添加量がそれぞれ０．１０％を越えれば、溶体化処理後の焼入れ速度が遅くなった場合に、人工時効処理後に充分な強度を得ることが困難となり、また鋳造性の低下による割れ発生頻度が増すこととなるため、好ましくない。そのため、Ｃｒ、Ｚｒは各々０．１０％以下が好ましく、０．０７％以下に規制することがさらに好ましい。
【００３４】
そのほかアルミニウム地金に不可避的不純物として含まれるＳｉは、他の遷移金属等とともに晶出物を形成しやすく、材料の延性および靭性の低下をもたらす。Ｓｉの含有量が０．１５％を越えた場合、明らかな靭性低下が生じるため好ましくない。Ｓｉの許容含有量は、原料地金の価格に基づく経済的観点と用途に適合した要求特性との兼ね合いにかかわる部分が大きく、また一方では、Ｓｉはアルミニウム合金の強度を向上させる効果も認められ、これらから総合的に判断して、Ｓｉの含有量は０．０５〜０．１５％の範囲内とすることが望ましい。
【００３５】
またＳｉと同様にアルミニウム地金に不可避的不純物として含まれるＦｅは、他の遷移金属等とともに晶出物を形成しやすく、材料の延性および靭性の低下をもたらす。Ｆｅの含有量が０．２０％を越えた場合には、明らかな靭性低下が生じるため好ましくない。Ｆｅの許容含有量も、原料地金の価格に基づく経済的観点と用途に適合した要求特性との兼ね合いにかかわる部分が大きく、また一方ではＦｅは高温特性を向上させる効果もあり、これらから総合的に判断して、Ｆｅの含有量は０．１０〜０．２０％の範囲内とすることが望ましい。
【００３６】
以上のようなこの本発明の展伸加工用アルミニウム合金を製造するための方法は、特に限定されるものではないが、好ましい製造方法について以下に説明する。
【００３７】
先ずこの発明の成分範囲内に溶解調整されたアルミニウム合金溶湯を、鋳造して鋳塊を製作する。なおこの発明の必須成分であるＴｉを含む化合物が鋳造時に初晶として多量に晶出する場合、Ａｌ地中の固溶Ｔｉ量が少なくなり、Ｔｉ濃縮領域でのＴｉ固溶量（Ｔｉ濃縮量）が少なくなり、時効析出物に対する微細化効果、高温曝露時における時効析出物粗大化抑制効果が充分に得られなくなるおそれがある。したがってＴｉ濃縮領域を積極的に生成させるために、連続鋳造法、半連続鋳造法などの冷却速度の速い鋳造法、すなわち凝固時平均冷却速度０．１℃／ｍｉｎ以上の鋳造法を適用することが好ましい。
【００３８】
鋳造された鋳塊は、次いで均質化処理される。なお、必要に応じて均質化処理前に鋳塊を切断加工する場合、残留応力に起因して鋳塊が割れるおそれがある。そのため、鋳塊を３００℃〜４５０℃の温度で２０時間未満熱処理することによって鋳塊の残留応力を緩和してから切断加工しても、この発明の目的達成には影響しない。ここで、均質化処理温度は４９０〜５３０℃で２５時間未満が望ましい。均質化処理温度が４９０℃未満では時効析出強化に寄与する主要合金元素であるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇの均質化が不充分となり、強度の向上が望めなくなる。一方均質化処理温度が５３０℃を越えればバーニングが生じる可能性が高くなる。また均質化処理時間が長ければ、均質化処理中に強制固溶されていたＭｎやＴｉがＡｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｔｉ系化合物として析出を開始する。そしてＭｎやＴｉが有するθ’相あるいはΩ相などの時効析出物を微細化させる効果、また高温暴露時に生じる時効析出物の粗大化を抑制する効果は、Ａｌ地中にＭｎ、Ｔｉが固溶している状態で最も強く発揮されるため、均質化処理時に必要以上にＡｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｔｉ系化合物が析出すれば、この発明で目的とする効果が得られ難くなる。そのため均質化処理時間は、好ましくは２５時間未満、さらに好ましくは１５時間未満とすることが適切である。
【００３９】
均質化処理後の鋳塊は、用途により定まる所望の形状のアルミニウム展伸材に展伸加工される。より具体的には、展伸加工として、板材については圧延加工を、鍛造材については鍛造加工を、形材については押出加工が施される。この発明で対象としているＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ−Ａｇ系の合金は、鋳造時にミクロポロシティが発生しやすく、このミクロポロシティは破壊の起点となって靭性を害するため、ミクロポロシティを潰す工程が必要となる。また一般に鋳塊組織には、凝固セル境界に多数の晶出物が集団で存在し、この場合個々の晶出物が微細であっても、密集して存在する場合には靭性が阻害されるため、晶出物の密集した状態を破壊する必要がある。さらに、靭性を確保するためには、最終製品の結晶粒を５００μｍ以下に微細化することも重要である。ここでいう結晶粒とは等軸粒、扁平した粒、どちらも含まれるが、扁平粒の場合の結晶粒径は長軸方向の長さとして定義される。そして上述のようなミクロ組織の改善のためには、圧延、押出、鍛造などの展伸加工が必須である。ミクロ組織の状態は加工率にも影響されるが、靭性向上のためには、圧延加工の場合は圧下率５０％以上、押出加工の場合は押出比２以上、鍛造加工の場合は鍛錬比２以上とすることが好ましい。また、鍛造品の場合、鍛錬の方向を１方向だけではなく、少なくとも異なる２方向で行い、各方向での鍛錬比を２以上とすることがさらに望ましい。
【００４０】
このような展伸加工後のアルミニウム合金素材については、さらに溶体化処理および焼入れ処理を施した後、高温の人工時効処理を施す。この溶体化処理において、時効硬化に寄与する合金成分であるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇを可能な限り固溶させるため、溶体化処理は４９５〜５３５℃の範囲で行なうことが望ましい。しかし、前述した均質化処理の場合と同様に、強制固溶されていたＴｉやＭｎがＡｌ−Ｔｉ系、Ａｌ−Ｍｎ系の化合物として溶体化処理時に必要以上に析出すれば、本発明で目的とする効果が得られ難くなるため、溶体化処理時間は、好ましくは１５時間未満、更に好ましくは８時間未満とすることが適切である。また、焼入れ処理は、時効硬化に寄与する合金成分であるＣｕ、Ｍｇ、Ａｇの再析出をできる限り抑制するため、２８０〜４８０℃の温度範囲における焼入れ冷却速度を１０℃／ｍｉｎ以上とすることが望ましく、特に高強度が要求される場合には６０℃以下の温度まで、一方残留応力が問題となる場合には７５℃以上の温度まで冷却することが望ましい。また人工時効処理は、１６０〜２００℃で２〜６０時間程度行なうことが望ましい。なお焼入れによる残留応力が特に問題となる場合には、焼入れ処理後に冷間圧延、冷間鍛造、ストレッチなどの冷間加工を行った後に人工時効処理を施す、いわゆるＴ８処理を行なうことがより望ましい。
【実施例】
【００４１】
以下にこの発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。但し、この発明はこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。
【００４２】
表１、表２の合金符号Ａ〜Ｕに示す化学成分を有する各アルミニウム合金を溶解して半連続鋳造し、厚み８０ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ１５００ｍｍの鋳塊を得た。この鋳塊の両面を片面５ｍｍずつ面削した後、５２０℃で８時間の均質化処理を施してから、開始温度を４５０℃とした熱間圧延を板厚５ｍｍまで行い、その後冷間圧延により板厚２ｍｍの圧延板とした。これらの圧延板から、圧延方向に対して直角方向が引張方向となるＪＩＳ−５号引張試験片を採取し、その引張試験片に５２０℃で２時間の溶体化処理、約８０℃の熱水焼入れを施し、その後１９０℃で５時間の時効処理を行い、供試材とした。供試材の機械的特性を評価するため、室温で引張試験を行った。また高温特性を評価する目的で、供試材を１９０℃で３００時間暴露した後に、室温で引張試験を行った。
【００４３】
なお耐熱性の評価基準としては、展伸加工材として高強度を有するとされる現行の耐熱アルミニウム合金、例えばＪＩＳ  Ａ２５１９合金等の性能を考慮して、時効状態で耐力３９０Ｎ／ｍｍ2、引張り強さ４４０Ｎ／ｍｍ2以上、また高温暴露後において耐力３００Ｎ／ｍｍ2、引張り強さ３８０Ｎ／ｍｍ2以上の場合を耐熱強度に優れると判断した。また靭性については、引張試験により得られた破断伸びにより簡易的に評価した。その靭性の評価基準としては、時効直後で７．０％以上、高温暴露後において９．０％以上の伸びの場合を靭性に優れると判断した。表３に時効処理後および高温暴露処理後（１９０℃で３００時間保持後）の引張試験結果を示す。
【００４４】
【表１】
0004676906.tif 000002
【００４５】
【表２】
0004676906.tif 000003
【００４６】
【表３】
0004676906.tif 000004
合金Ａは請求項１に係る発明の本発明例、合金Ｂは請求項１で規定するＭｎ／Ｔｉ比の条件を外れる参考例、合金Ｃ〜Ｋは請求項２に係る発明の本発明例、合金Ｌ、Ｍは請求項２で規定するＭｎ／（Ｔｉ＋Ｖ）比の条件を外れる参考例、合金Ｎは請求項１に係る発明に対する比較例、合金Ｏ〜Ｕは請求項２に係る発明に対する比較例である。
【００４７】
表３から明らかなように、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇ、Ｍｎ、Ｔｉの合金組成が請求項１もしくは請求項２に係る発明の範囲外である比較例の合金Ｎ〜Ｕでは、耐熱強度と靭性のいずれかが優れていても両特性を併せ持つものはなかった。特に合金組成がＭｎ、Ｔｉについて請求項１もしくは請求項２に係る発明の範囲外である比較例の合金Ｎ〜ＰおよびＵでは、靭性の低下が著しい。これに対して本発明例の合金Ａ、Ｃ〜Ｋは、時効処理後および高温暴露後のいずれにおいても高い強度が得られ、かつ靭性についても優れることがわかった。
【００４８】
なお、請求項１で規定するＭｎ／Ｔｉ比の条件を外れた参考例合金Ｂの場合は、Ｍｎ／Ｔｉ比が請求項１の条件を満たす本発明例Ａよりも時効処理後、高温暴露後の強度が若干低くなるとともに、靭性も若干低くなり、また請求項２で規定するＭｎ／Ｔｉ＋Ｖ比の条件を外れる参考例Ｌ、Ｍでは、Ｍｎ／Ｔｉ＋Ｖ比が請求項２の条件を満たす本発明例Ｃ〜Ｋよりも時効処理後、高温暴露後の強度が若干低く、靭性も若干低くなった。
【００４９】
またここで、請求項２に係る発明の本発明例である合金Ｃ〜Ｋは、請求項１に係る発明の本発明例である合金Ａに比べて同等以上の特性を有することが分かった。例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇの添加量が近い組成の合金Ａと合金Ｃとを比較すれば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇの元素はいずれも強度に大きく影響する元素であるが、請求項２に記載した範囲内で選択成分Ｚｎを含有する合金Ｃの方が高温強度に優れ、また靭性も優れることがわかった。また、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇの添加量が近い組成の合金Ａと合金Ｄとを比較すれば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ａｇの元素はいずれも強度に大きく影響する元素であるが、請求項２に記載した範囲内で選択成分Ｖを含有する合金Ｄの方が高温強度に優れ、また靭性も優れることがわかった。
【００５０】
さらに合金ＥではＭｎとＴｉの添加量が、合金Ｆ〜ＨではＴｉの添加量が、それぞれ他の合金と比べて低めであるが、いずれの合金も時効処理後および高温暴露後において高い強度が得られ、かつ靭性に優れていることがわかった。これは、選択成分として追加されたＶ、Ｚｎを請求項２に記載した範囲内で添加したことにより、他の合金とほぼ同等の高温強度および靭性を維持することができたことを示している。
【００５１】
一方、ＣｒもしくはＺｒの添加量が他の合金よりも多い合金Ｉ、合金Ｊは、時効状態の強度について若干の低下が認められた。さらに、ＦｅおよびＳｉの含有量が他の合金よりも多い合金Ｋは、靭性について若干の低下が認められた。