(57)【要約】【課題】鋳造過程において、如何なる変質剤も添加しない前提の下、加熱塑性加工および熱処理を通じ、良好な塑性を有し、高強度である、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料を低コストに製造する。【解決手段】型材、棒材、板材および鍛造材を含む、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料である。構造材料は、半連続鋳造法によりインゴットが製造され、前熱処理により、共晶Ｓｉ相の粒子が拡散化され、次に、加熱塑性加工および熱処理を通じ、最終形状およびミクロ組織が形成される。構造材料中のＭｇの含有量は、０．２〜２．０重量％であり、Ｓｉの含有量は、８〜１８重量％であり、均一に細分化されたミクロ組織構造を有する。Ａｌマトリクス組織は、等軸晶であり、平均粒径は、＜６μｍである。Ｓｉ粒子および他の第２相粒子は、拡散分布し、平均粒径は、＜５μｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
型材、棒材、板材および鍛造材を含むＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料であり、
前記構造材料は、先ず、半連続鋳造法によりインゴットが製造され、その後、前熱処理により、共晶Ｓｉ相の粒子が拡散化され、次に、加熱塑性加工および熱処理を通じ、最終形状およびミクロ組織が形成されるＡｌ合金であり、強化メカニズムは、Ａｌマトリクスの微細粒強化、Ｓｉ粒子の粒子強化および第２相粒子の沈殿強化であり、
前記構造材料中のＭｇの含有量は、０．２〜２．０重量％であり、Ｓｉの含有量は、８〜１８重量％であり、均一に細分化されたミクロ組織構造を有し、前記Ａｌマトリクス組織は、等軸晶であり、平均粒径は、＜６μｍであり、Ｓｉ粒子および他の第２相粒子は、拡散分布し、平均粒径は、＜５μｍであることを特徴とするＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料。
【請求項２】
Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、ＴｉおよびＦｅの中の少なくとも1つ以上を含み、総含有量が２重量％未満であることを特徴とする請求項１記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料。
【請求項３】
半連続鋳造法により、インゴットを製造するステップと、
ここで、加工パラメータは、
鋳造温度：対応する合金液相線温度以上の１５０〜３００℃、
鋳造速度：１００〜２００ｍｍ／ｍｉｎ、
インゴットの外周を凝固させる冷却水量：５〜１５ｇ／ｍｍ・ｓ、
であり、如何なる変質剤も添加しない、
前記インゴットに対し、前熱処理を行うことにより、共晶Ｓｉ相の粒子を拡散化するステップと、
ここで、加工パラメータは、
加熱速度：１０〜３０℃／ｍｉｎ、
加熱温度：４５０〜５２０℃、
保温時間：１〜３ｈｒ、
であり、
前記前熱処理されたインゴットに対し、加熱塑性加工を行うステップと、
ここで、加工パラメータは、
変形温度：４００〜５２０℃
冷却方式：自然冷却または強制冷却、
であり、
前記加熱塑性加工がされた後の構造材料に対し、熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とするＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【請求項４】
加熱塑性加工がされた後、自然冷却された構造材料に対し、固溶化処理および人工時効の熱処理加工を行うステップを含み、
ここで、固溶化処理のパラメータは、
加熱速度：１０〜３０℃／ｍｉｎ、
固溶化処理温度：５００〜５４０℃、
固溶化処理時間：０．５〜３ｈｒ、であり、
人工時効パラメータは、
時効温度：１６０〜２００℃、
時効温度：１〜１０ｈｒ、であることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【請求項５】
加熱塑性加工がされた後、強制冷却された構造材料に対し、固溶化処理または人工時効の熱処理加工を行うステップを含み、
ここで、
人工時効パラメータは、
時効温度：１６０〜２００℃、
時効温度：１〜１０ｈｒ、であることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【請求項６】
前記加熱塑性加工として圧延加工がされるとき、圧延総圧下量は、４０％を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【請求項７】
前記加熱塑性加工として押出加工がされるとき、押出比は、１５を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【請求項８】
前記加熱塑性加工として鍛造加工がされるとき、鍛造比は、４０％を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｌ合金およびその製造技術に関し、特に、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｌ−Ｓｉ合金の中で、特に、Ｓｉの含有量が多いＡｌ−Ｓｉ合金は、低密度、高耐摩耗性、高耐腐食性および低熱膨張係数であることから、自動車工業および航空宇宙技術の領域において、広く応用されている。しかし、ＡＳ  ＣＡＳＴのＡｌ−Ｓｉ合金のインゴット中には、粗大な塊状の析出Ｓｉ粒子および板状の共晶組織が存在するため、合金の脆性が極めて高く、塑性加工により、凝固組織を改善することや、各種の断面形状の高性能材料を製造するのが難しい。このため、合金の応用範囲が限定されてしまう。一般に、Ａｌ−Ｓｉ合金は、鋳造Ａｌ合金に分類される。ＡＳ  ＣＡＳＴのＡｌ−Ｓｉ合金が変形能力に劣る問題を解決するために、高速凝固させる方法が模索された。しかし、高速凝固させた場合、寸法の小さい（＜１０ｍｍ）塊体のみしか製造されない。仮に、大きな寸法の部材を製造する場合、更なる工程が必要である。典型的な例として、粉末冶金法を通じて製造することができるが、生産コストおよび加工技術が非常に複雑である。
【０００３】
純Ａｌおよび変形Ａｌ合金を生産する上で、半連続鋳造法（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｈｉｌｌ  Ｃａｓｔｉｎｇ：ＤＣ鋳造とも称す）が広く応用されている。この技術で重視されている事項は、如何にして、合金成分の分離を低減し、結晶粒径を小さくし、表面質量を高めるかである。半連続鋳造方法を利用し、変質剤（例えば、Ｐ、Ｎａ、Ｓｒ）を含まない大きな寸法の高Ｓｉ−Ａｌ合金インゴットを製造する特許文献１の技術が本発明の発明者により特許申請され、特許権を取得した。
【０００４】
本発明の発明者は、更なる研究を通じ、上述の発明技術を利用することにより、Ｓｉの下限含有量（８％重量まで）を緩和し、Ｓｉの上限含有量（１８％重量まで）を低減し、Ｍｇの含有量および他の合金元素の含有量を調整し、加熱塑性加工およびその後の熱処理を通じ、良好な塑性を有し、高強度である、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料を製造することができることを発見した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】中国特許号ＺＬ２００５１０１１９５５０．６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料およびその方法を提供することにあり、鋳造過程において、如何なる変質剤も添加しない前提の下、加熱塑性加工および熱処理を通じ、良好な塑性を有し、高強度である、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料を低コストに製造することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、  
型材、棒材、板材および鍛造材を含むＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料であり、
構造材料は、先ず、半連続鋳造法によりインゴットが製造され、その後、前熱処理により、共晶Ｓｉ相の粒子が拡散化され、次に、加熱塑性加工および熱処理を通じ、最終形状およびミクロ組織が形成されるＡｌ合金であり、強化メカニズムは、Ａｌマトリクスの微細粒強化、Ｓｉ粒子の粒子強化および第２相粒子の沈殿強化であり、
構造材料中のＭｇの含有量は、０．２〜２．０重量％であり、Ｓｉの含有量は、８〜１８重量％であり、均一に細分化されたミクロ組織構造を有し、Ａｌマトリクス組織は、等軸晶であり、平均粒径は、＜６μｍであり、Ｓｉ粒子および他の第２相粒子は、拡散分布し、平均粒径は、＜５μｍであることを特徴とするＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料である。
【０００８】
請求項２の発明は、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｎｉ、ＴｉおよびＦｅの中の少なくとも1つ以上を含み、総含有量が２重量％未満であることを特徴とする請求項１記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料である。
【０００９】
請求項３の発明は、半連続鋳造法により、インゴットを製造するステップと、
ここで、加工パラメータは、
鋳造温度：対応する合金液相線温度以上の１５０〜３００℃、
鋳造速度：１００〜２００ｍｍ／ｍｉｎ、
インゴットの外周を凝固させる冷却水量：５〜１５ｇ／ｍｍ・ｓ、
であり、如何なる変質剤も添加しない、
インゴットに対し、前熱処理を行うことにより、共晶Ｓｉ相の粒子を拡散化するステップと、
ここで、加工パラメータは、
加熱速度：１０〜３０℃／ｍｉｎ、
加熱温度：４５０〜５２０℃、
保温時間：１〜３ｈｒ、
であり、
前熱処理されたインゴットに対し、加熱塑性加工を行うステップと、
ここで、加工パラメータは、
変形温度：４００〜５２０℃
冷却方式：自然冷却または強制冷却、
であり、
加熱塑性加工がされた後の構造材料に対し、熱処理を行うステップと、を含むことを特徴とするＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【００１０】
請求項４の発明は、加熱塑性加工がされた後、自然冷却された構造材料に対し、固溶化処理および人工時効の熱処理加工を行うステップを含み、
ここで、固溶化処理のパラメータは、
加熱速度：１０〜３０℃／ｍｉｎ、
固溶化処理温度：５００〜５４０℃、
固溶化処理時間：０．５〜３ｈｒ、であり、
人工時効パラメータは、
時効温度：１６０〜２００℃、
時効温度：１〜１０ｈｒ、であることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【００１１】
請求項５の発明は、加熱塑性加工がされた後、強制冷却された構造材料に対し、固溶化処理または人工時効の熱処理加工を行うステップを含み、
ここで、
人工時効パラメータは、
時効温度：１６０〜２００℃、
時効温度：１〜１０ｈｒ、であることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【００１２】
請求項６の発明は、加熱塑性加工として圧延加工がされるとき、圧延総圧下量は、４０％を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【００１３】
請求項７の発明は、加熱塑性加工として押出加工がされるとき、押出比は、１５を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【００１４】
請求項８の発明は、加熱塑性加工として鍛造加工がされるとき、鍛造比は、４０％を超えることを特徴とする請求項３記載のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料の製造方法である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、従来技術の欠点を克服し、如何なる変質剤も添加しない前提の下、従来技術である半連続鋳造法により、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金を製造し、加熱塑性加工および熱処理を行うことにより、Ｓｉ粒子を細かく拡散させ、第２相を等軸晶のＡｌマトリクス上に分布させることができ、良好な塑性を有し、高強度である、Ａｌ合金の加工材料を製造することができる。
【００１６】
表１は、本発明により製造される押出Ｓｉ−Ａｌ合金（Ａｌ−８．５Ｓｉ−１．８Ｍｇ−０．２７Ｆｅ、Ａｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−１．５Ｃｕ−０．３Ｎｉ−０．３Ｔｉ−０．３ＦｅおよびＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ）の押出および熱処理状態の下での力学性能を示し、中国国家基準中の押出６０６３合金のＴ５およびＴ６状態の下の力学性能と比較する。
【表１】
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【００１７】
表１から、Ａｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ、Ａｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−１．５Ｃｕ−０．３Ｎｉ−０．３Ｔｉ−０．３ＦｅおよびＡｌ−８．５Ｓｉ−１．８Ｍｇ−０．２７Ｆｅの合金は、Ｔ６状態の下の降伏強度および引張強度が６０６３合金のＴ６状態の国家基準よりも高いことが分かる。合金の押出状態（Ｔ１）の力学性能の中で、特に、延伸率が６０６０合金のＴ５状態の国家基準よりも高い。６０６３合金は、最も汎用性の高い押出型材合金であり、国内外の建築、車両、装飾などの領域において大量に応用されており、大きな需要がある。従って、６０６３合金に代わり、本発明のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金が使用された場合、大きな経済効果をもたらす。また、Ｓｉの添加により、Ａｌ資源を大量に節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】半連続鋳造設備の構造を示す模式図である。
【図２】本発明の実施例１のＡｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．３Ｆｅ合金（♯３）の半連続鋳造（鋳造温度７３０℃、鋳造速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水流量８ｇ／ｍｍ・ｓ）インゴットの鋳造状態のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図３】本発明の実施例１のＡｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．３Ｆｅ合金（♯３）の半連続鋳造（鋳造温度７３０℃、鋳造速度１８０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水流量８ｇ／ｍｍ・ｓ）インゴットの鋳造状態のミクロ組織を示す高倍率顕微鏡写真である。
【図４】本発明の実施例２の半連続鋳造されたＡｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．３Ｆｅ合金（♯３）に５００℃の前熱処理を２ｈｒ行い、４７０℃の加熱押出（押出比１５）を行った後のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図５】本発明の実施例３の半連続鋳造されたＡｌ−１２．７Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．３Ｆｅ合金（♯３）に５００℃の前熱処理を２ｈｒ行い、４７０℃の加熱押出（押出比１５）を行った後、Ｔ６状態（固溶温度５４０℃、時間１ｈｒ、人工時効温度２００℃、時間３ｈｒ）のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図６】本発明の実施例１のＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）の半連続鋳造（鋳造温度８００℃、鋳造速度１４０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水流量１０ｇ／ｍｍ・ｓ）インゴットの鋳造状態のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図７】本発明の実施例１のＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）の半連続鋳造（鋳造温度８００℃、鋳造速度１４０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水流量１０ｇ／ｍｍ・ｓ）インゴットの鋳造状態のミクロ組織を示す高倍率顕微鏡写真である。
【図８】本発明の実施例２の半連続鋳造されたＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）に５００℃の前熱処理を２ｈｒ行い、４７０℃の加熱押出（押出比４５）を行った後のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図９】本発明の実施例２の半連続鋳造されたＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）の矩形インゴットに５００℃の前熱処理を１ｈｒ行い、５００℃の加熱圧延（圧下量６０％）を行った後のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１０】本発明の実施例３の半連続鋳造されたＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）に５００℃の前熱処理を２ｈｒ行い、４７０℃の加熱押出（押出比１５）を行った後、Ｔ６状態（固溶温度５２０℃、時間２ｈｒ、人工時効温度１８０℃、時間４ｈｒ）のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１１】本発明の実施例３の半連続鋳造されたＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）の矩形インゴットに５００℃の前熱処理を１ｈｒ行い、５００℃の加熱圧延（圧下量６０％）を行った後、Ｔ６状態（固溶温度５２０℃、時間３ｈｒ、人工時効温度２００℃、時間４ｈｒ）のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【図１２】本発明の実施例３の半連続鋳造されたＡｌ−１５．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−０．２７Ｆｅ合金（♯５）に５００℃の前熱処理を２ｈｒ行い、４７０℃の加熱押出（押出比４５）を行った後、Ｔ６状態（固溶温度５２０℃、時間２ｈｒ、人工時効温度１８０℃、時間４ｈｒ）のミクロ組織を示す高倍率顕微鏡写真である。
【図１３】本発明の実施例１のＡｌ−１７．５Ｓｉ−０．７Ｍｇ−１．０Ｃｕ−０．２７Ｆｅ合金（♯７）の半連続鋳造（鋳造温度８５０℃、鋳造速度１２０ｍｍ／ｍｉｎ、冷却水流量１０ｇ／ｍｍ・ｓ）インゴットの鋳造状態のミクロ組織を示す顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（実施例１）
半連続鋳造により、インゴットを製造した。
【００２０】
設備は自作の設備である。構造原理を図１に示す。図中、１−冷却水、２−晶析装置、３―ブランク材、４−ホットトップ、５−黒鉛リング、６−金属液である。合金の化学成分を表２に示す。鋳造加工パラメータを表３に示す。
【表２】
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【表３】
2010531388.tif 000005
【００２１】
（実施例２）
鋳造した合金インゴットの前熱処理、押出、圧延および鍛造を行った。
【００２２】
前熱処理は、熱処理炉中において所定の加熱速度で加熱し、所定の温度に達した後、所定の時間保温した。その後、押出機、加熱圧延機および鍛造機により、塑性変形を完了させた。具体的な加工パラメータを表４、表５および表６中に記す。
【表４】
2010531388.tif 000006
【表５】
2010531388.tif 000007
【表６】
2010531388.tif 000008
【００２３】
（実施例３）
合金変形（押出、圧延、鍛造）後、熱処理を行った。
【００２４】
所定の熱処理パラメータの下、押出、圧延、鍛造を行った材料の熱処理を行った。具体的な熱処理加工パラメータは、表７、表８および表９中に記す。一部合金の変形および熱処理後の力学性能を表１０に記す。
【表７】
2010531388.tif 000009
【表８】
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【表９】
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【表１０】
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【００２５】
本発明のＭｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料およびその製造方法により、鋳造過程において、如何なる変質剤も添加しない前提の下、加熱塑性加工および熱処理を通じ、良好な塑性を有し、高強度である、Ｍｇおよび高Ｓｉを含むＡｌ合金の構造材料を低コストに製造することができた。
【符号の説明】
【００２６】
１  冷却水
２  晶析装置
３  ブランク材
４  ホットトップ
５  黒鉛リング
６  金属液
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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2010531388.tif 000027
2010531388.tif 000028
2010531388.tif 000029
2010531388.tif 000030
2010531388.tif 000031
2010531388.tif 000032
2010531388.tif 000033