(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．８〜１．５％、Ｍｇ：０．８〜１．４％、Ｆｅ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．２％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０３５％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金において、粒界析出物が１１０〜２００nmの間隔で存在するとともに、析出物の粒界方向における寸法が７０〜１５０nmであることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高強度６０００系アルミニウム合金。
【請求項２】
Ｓｉ：０．８〜１．５％、Ｍｇ：０．８〜１．４％、Ｃｕ：０．４〜０．８％、Ｆｅ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．２％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０３５％以下を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金において、粒界析出物が１１０〜２００nmの間隔で存在するとともに、析出物の粒界方向における寸法が７０〜１５０nmであることを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高強度６０００系アルミニウム合金。
【請求項３】
請求項１または２に記載された組成のアルミニウム合金鋳塊に対し、容体化処理後に１５０〜２００℃で３〜８０時間保持する一次時効処理を行い、次いで３００℃／分以上の昇温速度で加熱し、２００〜２７０℃で０．５〜２０分保持したのち５００℃／分以上の速度で冷却する復元処理を行い、さらに１５０〜１９０℃で８〜８０時間保持する再時効処理を行うことを特徴とする耐応力腐食割れ性に優れた高強度６０００系アルミニウム合金の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、高強度でありかつ耐応力腐食割れ性に優れた６０００系アルミニウム合金、およびその熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金は、近年、その軽量性を生かして車両、建築等の各種構造部材として用途が拡大しつつある。一般に、構造部材として用いられる高強度アルミニウム合金としては、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系のものがある。この種のアルミニウム合金は、高強度になるに従って応力腐食割れを生じやすい傾向を示し、特に最大強度の得られるＴ６調質状態において応力腐食割れ感受性が高くなるという問題点がある。そのため、高強度、高耐応力腐食割れ性、加工性が要求される用途においては満足のいく合金はなかった。
【０００３】
このような状況にあって、上述の合金系において諸性質を改善するために、従来は合金組成の面から検討が重ねられてきたが、強度を向上すべく合金組成を調節すると耐応力腐食割れ性が劣化するため、時効処理条件としてＴ７６，Ｔ７３を採用し、耐応力腐食割れ性を改善しようという試みがある。しかしながら、耐応力腐食割れ性が改善されると強度が低下してしまい、強度と耐応力腐食割れ性の両立が困難であった。
【０００４】
このような問題点に対し、米国特許３，８５６，５８４号において、７０７５等の７０００系アルミニウム合金について、容体化処理後、約１２１℃で約２４時間のＴ６処理を施し、次いで２００〜２６０℃×２〜３秒ないし２〜３分の復元熱処理を行い、さらに１１５〜１２５℃で１６〜４８時間の再時効処理を行うことにより、Ｔ６材相当の強度を維持しながらＴ７材と同等の耐応力腐食割れ性が得られるという報告がなされている。復元再時効（ＲＲＡ）処理と呼ばれるこの熱処理方法は、耐応力腐食割れ性に対して影響する因子の中で、特に組織中の粒界および粒内析出形態の制御、具体的には熱処理後材料組織において、粒内ではＧ．Ｐ．ゾーン等強度に寄与する微細析出の促進、また粒界では粒界割れ感受性を低下させるための析出物の凝集粗大化を目的としている。しかし、現在実験レベルではその有効性が認められているものの、強度と耐応力腐食割れ性の両者を十分に向上させるには足りず、いまだ実用化はなされていない。また、特開昭６２−１４２７５３号や特開平６−４１６６９号においては、ＲＲＡ処理の２段目の復元処理時間を長時間化した処理方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の熱処理方法は、いずれも７０００系あるいは２０００系のアルミニウム合金に適用される方法であり、他の合金系への適用に関しては報告がない。例えば、６０００系アルミニウム合金でも高強度化に伴うＭｇ、Ｓｉ添加量の増加、特にＳｉ添加量の増加に伴い、耐応力腐食割れ性の低下が指摘されているが、Ｔ６材強度と耐応力腐食割れ性の両立には有効な手段が見出だされていない。
【０００６】
この発明は、このような技術背景に鑑み、高い強度と優れた耐応力腐食割れ性の両者を具備する、６０００系アルミニウム合金ならびにその熱処理方法の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記ＲＲＡ処理の６０００系アルミニウム合金への適用を試みて鋭意研究の結果、高い強度と優れた耐応力腐食割れ性の両者を具有する粒界析出形態を見出だすとともに、両者を具有するための熱処理条件を見出した。
【０００８】
即ち、この発明の６０００系アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金おるいはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金において、粒界析出物が１１０nm以上の間隔で存在するとともに、析出物の粒界方向における寸法が７０nm以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
また、この発明の熱処理方法は、６０００系アルミニウム合金鋳塊に対し、容体化処理後に１５０〜２００℃で３〜８０時間保持する一次時効処理を行い、次いで３００℃／分以上の昇温速度で加熱し、２００〜２７０℃で０．５〜２０分保持したのち５００℃／分以上の速度で冷却する復元処理を行い、さらに１５０〜１９０℃で８〜８０時間保持する再時効処理を行うことを特徴とするものである。
【００１０】
合金組織では、結晶粒界における析出物の析出形態が耐応力腐食割れ性に関与している。粒界における析出物は、大きくかつ析出間隔が大きくなるほど割れ感受性が低くなる傾向にある。この発明では、析出物の粒界の長さ方向における長さを７０nm以上に成長させ、かつ析出物同士の間隔が１１０nm以上となるように析出させることにより、最も応力腐食割れが起きにくい状態にして高い耐応力腐食割れ性を確保している。耐応力腐食割れ性を向上させるために、粒界析出物の大きさの好ましい下限値は９０nmであり、析出間隔の好ましい下限値は１３０nmである。
【００１１】
また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金あるいはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金において、次の組成が好ましく、各元素の含有量の限定理由は次のとおりである。
【００１２】
Ｍｇ、Ｓｉ、Ｃｕは、ともに合金の強度向上に寄与する元素である。Ｓｉ含有量は０．８〜１．５％が好ましい。０．８％未満では強度向上効果に乏しく、１．５％を超えると熱間加工性が著しく低下するためである。Ｓｉ含有量の特に好ましい下限値は０．９％、特に好ましい上限値は１．２％である。また、Ｍｇ含有量は０．８〜１．４％が好ましい。０．８％未満では強度向上効果に乏しく、１．４％を超えると熱間加工性が低下するとともに伸びが低下するためである。Ｍｇ含有量の特に好ましい下限値は１．０％、特に好ましい上限値は１．２％である。また、Ｃｕ含有量は０．４〜０．８％が好ましい。０．４％未満では強度向上効果に乏しく、０．８％を超えると耐食性が劣化するとともに熱間加工性が低下するためである。
【００１３】
Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉは、これらのうちから２種以上を任意に選択して合金の諸性質を向上させる元素である。即ち、Ｆｅは再結晶を抑制する効果があり、含有量は０．１〜０．３％が好ましく、特に好ましい下限値は０．２％、特に好ましい上限値は０．３％である。Ｍｎは再結晶を抑制するとともに強度を向上させる効果があり、含有量は０．２％以下が好ましく、特に好ましい上限値は０．１％である。Ｃｒは再結晶を抑制する効果があり、含有量は０．２％以下が好ましく、特に好ましい上限値は０．１％である。Ｚｎは固溶強化により強度を向上させる効果があり、含有量は０．１％以下が好ましく、特に好ましい上限値は０．０８％である。Ｔｉは固溶強化あるいは析出強化により強度を向上させる効果があり、含有量は０．０３５％以下が好ましく、特に好ましい上限値は０．０２％である。
【００１４】
この発明の熱処理方法において、１段目の一次時効処理は、容体化処理後に時効処理を行って硬化させ強度を高める。容体化処理の方法は特に限定されず、例えば押出等の熱間加工後に続いて行われるＴ５処理、または押出後再容体化を施すＴ６処理を挙示できる。また、時効処理条件は最大強度を得られることが好ましく、１５０〜２００℃で３〜８０時間とする。処理温度の特に好ましい下限値は１６５℃、特に好ましい上限値は１８０℃であり、処理時間の特に好ましい下限値は６時間、特に好ましい上限値は２４時間である。ただし、Ｍｇ2Ｓｉ量が １％以上である合金については、高温時効が強度が負の効果をもたらすので、容体化処理後の自然時効時間は短い方が良く、１〜７２時間程度が好ましい。
【００１５】
２段目の復元処理は、材料中の析出相の一部を固溶させる温度まで昇温して所定時間保持し、続いて一旦固溶した析出相が析出してこない温度で冷却することにより、前段の一次時効処理により硬化した組織を復元して硬度を低下させる。昇温速度が遅すぎると、析出相の固溶速度よりも析出速度の方が速いことが原因となって復元としての硬化低下が起こらなくなる。このため、昇温速度は３００℃／分以上とする必要があり、特に６００℃／分以上が好ましい。続いて行う加熱保持は、２００〜２７０℃で０．５〜２０分間行う。２００℃未満では復元硬化を得るための析出相の固溶自体が起こりにくくなり、２７０℃を超えると粗大析出が促進されて、後段に再時効処理しても強度の回復が期待できなくなる。処理温度の特に好ましい下限値は２２０℃、特に好ましい上限値は２６０℃であり、処理時間の特に好ましい下限値は２分、特に好ましい上限値は７分である。また、復元処理後の冷却は、冷却中に時として起こる粗大析出により強度が低下するために、５００℃／分以上の速度で行うことが必要があり、特に９００℃／分以上が好ましい。この段の復元処理工程間に結晶粒界の析出物は粗大化し、前述したように、長さが７０nm以上の大きな析出物が１１０nm以上の間隔で析出する。
【００１６】
３段目の再時効処理は、前段の復元処理により固溶させておいた析出相を再析出させて１段目の硬度にまで回復させる再時効処理である。再時効処理条件は１段目の時効処理条件に準ずるが、十分な強度に復元させるためには処理時間は少なくとも８時間は必要である。そのため、１５０〜１９０℃で８〜８０時間保持するものとする。処理温度の特に好ましい下限値は１６０℃、特に好ましい上限値は１８０℃であり、処理時間の特に好ましい下限値は６時間、特に好ましい上限値は２４時間である。
【００１７】
６０００系アルミニウム合金に対し、以上のような３段階の熱処理を行うことにより、２段目で得た粒界析出状態を維持しつつ強度を回復することができ、高い強度と優れた耐応力腐食割れ性の両者を得ることができる。
【００１８】
【実施例】
次に、この発明の具体的実施例について説明する。
【００１９】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金供試材およびＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金供試材として、表１に示す組成のものを使用した。
【００２０】
【表１】
0003891705.tif 000002
【００２１】
これらの組成の供試材について、５５０℃×１時間の容体化焼入後、室温で２４時間放置し、さらに、表２（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）および表３（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金）に示す各条件で熱処理を行った。熱処理は、一段目一次時効処理、２段目復元処理、３段目再時効処理とし、各合金について、１段目一次時効処理のみを行ったものを比較例とした。そして、処理材について、常法により引張強度、耐力、伸びを測定するとともに、耐応力腐食割れ試験を行った。耐応力腐食割れ試験は、ＣｒＯ3：３６ｇ／ｌ、Ｋ2Ｃｒ2Ｏ7：３０ｇ／ｌ、ＮａＣｌ：３ｇ／ｌを含有する試験液を用い、試験温度９５℃、３点曲げの要領で材料耐力の１００％負荷を与える条件で行った。評価基準は、実体顕微鏡にて４０倍で観察し、材料表面に亀裂が入るまでの時間とした。また、各処理材について、結晶粒界における析出物の間隔および寸法を調べた。これらの結果を表２および表３に併せて示す。
【００２２】
【表２】
0003891705.tif 000003
【００２３】
【表３】
0003891705.tif 000004
【００２４】
表２および表３の結果から、本願発明の結晶粒界の析出形態は、２段目の復元処理によって得られ、このような析出形態により耐応力腐食割れ性が向上することが確認できた。また、３段目の再時効処理を行うことにより、１段目の一次時効材と同等あるいはそれ以上の強度が得られ、かつ復元処理で得られた２段目の耐応力腐食割れ性を維持し、高い強度と耐応力腐食割れ性の両者を具備する６０００系合金を得ることができた。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明の耐応力腐食割れ性に優れた高強度６０００系アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金あるいはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金において、粒界析出物が１１０nm以上の間隔で存在するとともに、析出物の粒界方向における寸法が７０nm以上であるから、応力腐食割れ感受性が低く、６０００系アルミニウム合金の高い強度と優れた耐応力腐食割れ性を兼ね備えている。特に、前記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の組成が、Ｓｉ：０．８〜１．５％、Ｍｇ：０．８〜１．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．３％、Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．２％以下、Ｚｎ：０．１％以下、Ｔｉ：０．０３５％以下のうちの２種以上の元素を含有し、残部Ａｌおよび不可避不純物からなる場合は、高い強度と優れた耐応力腐食割れ性が得られる。また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｃｕ系合金においては、上述の組成に加えてＣｕ含有量が０．４〜０．８％のときに、特に高い強度と優れた耐応力腐食割れ性が得られる。
【００２６】
また、上述の粒界における析出形態は、この発明の熱処理方法、即ち、高い強度と耐応力腐食割れ性は、６０００系アルミニウム合金鋳塊に対し、容体化処理後に１５０〜２００℃で３〜８０時間保持する一次時効処理を行い、次いで３００℃／分以上の昇温速度で加熱し、２００〜２７０℃で０．５〜２０分保持したのち５００℃／分以上の速度で冷却する復元処理を行い、さらに１５０〜１９０℃で８〜８０時間保持する再時効処理を行うことにより得られ、高い強度と優れた耐応力腐食割れ性を兼ね備えたものとなし得る。