(57)【要約】【課題】十分な強度を有し、板厚方向における強度の均一性が良好な高強度６０００系アルミニウム合金厚板及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、所定量のＳｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｆｅを含有し、残部Ａｌのアルミニウム合金からなる高強度アルミニウム合金厚板において、板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が０．４５％以下であり、板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が、板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率の１．２倍以上３．０倍以下となる材料組織を有する高強度アルミニウム合金厚板である。このアルミニウム合金厚板は、溶体化処理後、板厚中央部と表面との間に適切な温度差が生じるように冷却した後に焼入れ処理を行うことで製造できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｆｅ：１．０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物のアルミニウム合金からなる高強度アルミニウム合金厚板において、
板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が０．４５％以下であり、
板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が、前記板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率の１．２倍以上３．０倍以下となる材料組織を有することを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板。
【請求項２】
アルミニウム合金は、更に、Ｃｕ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％のいずれか１種類又は２種以上を含有する請求項１記載の高強度アルミニウム合金厚板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の高強度アルミニウム合金厚板の製造方法であって、
アルミニウム合金を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱をする溶体化処理を行った後、
前記アルミニウム合金の板厚中央部の温度が４８０℃以上であり、前記アルミニウム合金表面の温度が前記板厚中央部の温度よりも１０℃以上３０℃以下となるように前記アルミニウム合金を冷却した後、
前記アルミニウム合金の板厚中央部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となるように急冷する焼入れ処理を行い、
更に、人工時効処理を行う高強度アルミニウム合金厚板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法に関する。具体的には、液晶パネル等の電子部品の製造装置や半導体製造装置、或いは、真空チャンバー等の機械部品に使用される高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡＡ６０６１合金を始めとするＪＩＳ６０００系合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金）は時効硬化型アルミニウム合金として知られており、溶体化処理とその後の焼入れ後の自然時効により強度が向上するアルミニウム合金である。また、このアルミニウム合金は、更に人工時効を施すことで強度が増加することから、押出形材や板材として車両や船舶、或いは構造部材として広く使用されている。
【０００３】
従来、ＡＡ６０６１合金等の高強度アルミニウム合金からなる厚板の製造方法では、鋳塊を熱間圧延し、溶体化処理及び焼き入れを行った後、必要に応じて人工時効処理が行われる場合がある。この製造方法において、厚板に加熱・冷却による材料変形が生じるため、残留応力除去及びフラット矯正を目的として、溶体化処理及び焼き入れ後にストレッチが行われる。フラット矯正は、特に、熱間圧延を経て厚板を製造する場合に必要である。しかし、一般的に、溶体化処理後のストレッチ矯正は板厚を含むサイズ（断面積）が大きくなると矯正時の荷重が大きくなり、大型の設備が必要となってくる。例えば、ｔ＝２００ｍｍを超える厚板に対しては、上記の製造プロセスを経たものは、ストレッチ設備の限界から矯正が非常に困難であった。
【０００４】
しかし、近年では更に板厚の厚い材料が求められている。この要請は、例えば、液晶パネル等電子部品の製造装置や半導体製造装置或いは真空チャンバーなどの機械部品の大型化への要求を背景とするものである。このような高強度アルミニウム合金厚板の板厚増大の要求に応えるべく、その製造方法について様々な検討がなされている。
【０００５】
板厚材料への要求に対する報告例としては、例えば、特許文献１ではＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊に熱間圧延を行わず、内部応力の除去やミクロ偏析改善を目的とした熱処理を行なった鋳塊をスライスして厚板を製造する方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献２ではＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊を４８０℃以上の温度で１時間以上加熱して溶体化処理を行った後に、鋳塊の中心部の冷却速度が１００℃/ｈｒ以上となる焼入れ処理を行い、その後１５０〜２５０℃の温度で１ｈｒ以上の人工時効処理を行うことにより、高強度厚板を製造する方法が提案されている。更に、特許文献３では、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金鋳塊を４５０〜５６０℃の温度で溶体化処理し、溶体化温度と２００℃との間において２００℃/ｈｒの冷却速度で冷却し、任意の焼き戻しを行うことにより高強度の厚板を得る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４１７４５２６号明細書
【特許文献２】特開２０１１−２３１３５９号公報
【特許文献３】特表２０１３−５１７３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記各特許文献記載の方法は、アルミニウム合金厚板の製造方法において、厚さ２００ｍｍを超える極厚板を製造することができる。しかしながら、本発明者等によれば、これら従来技術により製造されたアルミニウム合金厚板は、材料強度や板厚方向における強度の不均一性において問題があることが確認されている。
【０００９】
即ち、特許文献１の方法では、内部応力の除去やミクロ偏析を除去するための熱処理は行われている。しかし、高強度６０００系アルミニウム合金等の熱処理系合金にとって、溶体化処理や焼入れ処理は強度向上を図る上で特徴的処理である。この特許文献１記載の方法では、溶体化処理が行われておらず、板厚の厚い材料において十分な強度が得られないという問題がある。
【００１０】
また、特許文献２及び特許文献３の方法では、溶体化処理及びその後の焼入れが行われているので高強度の厚板を得ることができる。しかしながら、板厚が増大すると、焼入れの際に板厚方向で冷却速度に差が生じるので、板厚方向で焼入れの状態が異なり強度が均一にならない。板厚方向における強度が不均一となり材料の中で強度が急変する部位があると、低強度の部分へ応力が集中し、疲労特性の低下などの問題となる可能性がある。この問題は、近年の高強度アルミニウム合金厚板に対する板厚増大の要求を考慮すると無視できないものである。
【００１１】
本発明は、以上のような背景のもとになされたものであり、高強度６０００系アルミニウム合金厚板に関し、十分な強度を有しつつ、板厚方向における強度の均一性が良好なものを提供する。また、高強度アルミニウム合金厚板の製造方法として、板厚増大の要求に応えつつも高強度のアルミニウム合金厚板を製造することのできる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の通り、高強度６０００系アルミニウム合金のような熱処理系合金について、溶体化処理及び焼き入れは合金の強度向上を図るために重要な処理といえる。そして、本発明者等は、上記課題解決のため、焼き入れ時の急冷の効果が最も顕著に作用する板表面部と、急冷の効果が作用し難くなる板内部との双方において、析出物の析出状態を制御することで、それらの強度差を低減することについて検討を行った。もっとも、析出物の析出状態を板厚方向で制御することは必ずしも容易なことではない。アルミニウム合金厚板を溶体化処理及び焼き入れするとき、厚さ方向で急冷効果の強弱、つまり冷却速度が相違することを抑制することは困難といえるからである。
【００１３】
そこで、本発明者等は検討の結果、焼入れ前に板厚表層部の温度を板内部よりも下げ、板厚表層部における析出物を粗大にしつつ疎に析出させる手法を見出した。そして、本発明者等は、この析出処理を行うことで、焼入れの後工程の時効処理において、板厚表層部で形成される微細な析出物の数密度を低下させ、その結果、板厚中央部との強度差を低減することができることに想到した。
【００１４】
ここで、上記のような析出処理のために焼入れ前に板厚表層部の温度を板内部よりも下げたとき、板厚方向に温度勾配が生じているので、粗大な析出物の析出量は、板厚表層部から板厚中央部に向かって徐々に少なくなっている。このような、板厚表層部と板内部との間における粗大な析出物の析出量の関係は、析出処理後の焼き入れ及び時効処理を経ても維持されている。本発明者等は、更なる検討を行い、上記した析出処理の好適な条件を含む厚板の製造方法、及び、好適な析出物の析出状態を有する厚板材の構成を見出し、本発明に想到した。
【００１５】
即ち、本発明は、Ｓｉ：０．２〜１．２ｍａｓｓ％（以下、％と記す）、Ｍｇ：０．２〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．１５％、Ｆｅ：１．０％以下を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物のアルミニウム合金からなる高強度アルミニウム合金厚板において、板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が０．４５％以下であり、板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が、前記板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率の１．２倍以上３．０倍以下となる材料組織を有することを特徴とする高強度アルミニウム合金厚板である。
【００１６】
また、この高強度アルミニウム合金厚板を構成するアルミニウム合金は、更に、Ｃｕ：０．０５〜１．２％、Ｚｎ：０．０５〜０．５％、Ｍｎ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．５％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％のいずれか１種類又は２種以上を含有することができる。
【００１７】
そして、本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板の製造方法は、上記組成のアルミニウム合金を４８０℃以上の温度で１時間以上の加熱する溶体化処理を行った後、前記アルミニウム合金を冷却し、板厚中央部の温度が４８０℃以上であり、表面の温度が前記板厚中央部の温度よりも１０℃以上３０℃以下低くなるようにした後、前記アルミニウム合金の板厚中央部の冷却速度が１００℃／ｈｒ以上となるように急冷する焼入れ処理を行い、更に、人工時効処理を行うものである。
【００１８】
尚、上記製造方法においては、溶体化処理及び焼入れ処理前にアルミニウム合金の表面を平滑化する処理を行ってもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板は、高強度であり、かつ、板厚方向で強度がより均一となっている。そして、本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板の製造方法は、板厚方向での強度を均一にしながら、高強度の合金厚板を効率的に製造できる。従来の合金厚板の製造方法では、熱間圧延工程を含む場合、内部応力低減のためのフラット矯正が必要であった。そのため、フラット矯正設備の制約によって２００ｍｍ以上の厚板の製造が困難であった。本発明は、熱間圧延工程を必須としていないのでフラット矯正の必要はなく２００ｍｍ以上の厚板の製造にも対応できる。よって、本発明は、２００ｍｍ以上の厚板を製造する場合において特に効果が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板及びその製造方法について、以下に、より詳細に説明する。まず、本発明におけるアルミニウム合金の構成元素及び材料組織について説明する。本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板は、上記の通り、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｆｅを含む。尚、本願明細書において、合金の成分組成の説明に関して単に「％」と表記している場合は、「ｍａｓｓ％」を意味する。
【００２１】
Ｓｉ：０．２〜１．２％
Ｓｉは、溶体化処理によってマトリックス中に固溶して強度向上に寄与する。更に、ＳｉはＭｇと共存する場合、自然時効によって微細なＭｇ２Ｓｉ析出物を形成し、人工時効によってＭｇ２Ｓｉとして析出することで強度の向上に寄与する。その効果は０．２％未満では不十分であり、１．２％を超えると飽和する。従って、Ｓｉは０．２〜１．２％であることが望ましく、更に好ましくは０．４〜０．８％である。
【００２２】
Ｍｇ：０．２〜１．５％
Ｍｇは、Ｓｉと同様マトリックスに固溶して強度向上に寄与し、更にＳｉと共存する場合は自然時効によって微細なＭｇ２Ｓｉ析出物を形成し、人工時効によってＭｇ２Ｓｉを析出することで強度の向上に寄与する。その効果は０．２％未満では不十分であり、１．５％を超えると飽和する。従って、Ｍｇは０．２〜１．５％であることが望ましく、更に好ましくは０．
８〜１．２％である。  
【００２３】
Ｔｉ：０．００５〜０．１５％
Ｔｉは、鋳造時の結晶粒微細化として作用する。その効果は０．００５％未満では不十分であり、  ０．１５％を超えると飽和するとともに粗大な化合物を形成しやすくなる。従って、Ｔｉは０．１５％以下であることが望ましい。
【００２４】
Ｆｅ：１．０％以下
Ｆｅは、不純物として含有される元素である。Ｆｅは、Ａｌ−Ｆｅ系化合物を形成し、合金の伸びや靱性を低下させる。このためＦｅの含有量は少ないほど望ましい。工業的には、１．０％以下であればよい。
【００２５】
また、本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板は、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｔｉに加えて、更に、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒのいずれか１種類又は２種以上を含むことができる。
【００２６】
Ｃｕ：０．０５〜１．２％
Ｃｕは、マトリックス中に固溶し、強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、１．２％を超えると耐食性が劣化する。従って、Ｃｕは０．０５ 〜１．２％であることが望ましい。特に高い強度が必要とされる場合には、０．２％〜１．２％とすることが特に望ましい。
【００２７】
Ｚｎ：０．０５〜０．５％
Ｚｎは、マトリックスに固溶し強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、０．５％を超えるとその効果は飽和すると共に耐食性が低下する。従って、Ｚｎは０．０５〜０．５％であることが望ましい。
【００２８】
Ｍｎ：０．０５〜１．０％
Ｍｎは、マトリックス中に固溶し、或いは、微細な析出物を分散させて強度を高める働きがある。その効果は０．０５％未満では不十分であり、１．０％を超えるとその効果は飽和するとともに粗大な化合物を形成しやすくなる。従って、Ｍｎは０．０５〜１．０％であることが望ましい。
【００２９】
Ｃｒ：０．０５〜０．５％
Ｃｒは、マトリックス中に微細な析出物を分散させて強度を高める働きがある。その効果は０ ．０５％未満では不十分であり、０．５％を超えるとその効果は飽和するとともに巨大な晶出物を形成しやすくなる。従って、Ｃｒは０．０５〜０．５％であることが望ましい。
【００３０】
Ｚｒ：０．０５〜０．２％
Ｚｒは、マトリックス中に微細な析出物を分散させて強度を高める働きがある。その効果は飽和するとともに巨大な晶出物を形成しやすくなる。従って、Ｚｒは０．０５〜０．２ ％であることが望ましい。
【００３１】
本発明における合金を構成する上記成分元素以外の構成元素は、Ａｌと不可避的不純物である。不可避的不純物は、本発明に影響を与えない範囲で許容される。不可避的不純物として含まれる元素は、各元素とも０．０５％以下であり、かつ合計で０．１ ５％以下であることが望ましい。
【００３２】
次に、本発明に係るアルミニウム合金の材料組織について説明する。
本発明のアルミニウム合金は、析出物であるＭｇ２Ｓｉのサイズと板厚方向での分布を制御することで、板厚方向において均一な強度となるようにしている。板材の組織におけるＭｇ２Ｓｉのサイズは様々であるが、発明者等は、特に円相当直径が３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉに着目し、その面積率を制御することで、板材の厚さ方向の強度のばらつきを低減できることを見出した。
【００３３】
円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率に関する条件としては、まず、板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉ面積率が０．４５％以下であることを要する。これは、板厚中央部の強度を確保するための条件である。即ち、板厚中央部における円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉ面積率が０．４５％を超える場合、板厚中央部の強度が低下してしまい、十分な強度の板材を得ることができない。尚、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉは極力少なくすることが重要である。従って、本発明においては、Ｍｇ２Ｓｉ面積率の下限値が０％であっても問題ない。また、板厚中央部とは、その記載通り、厚板材の板厚方向における中心部分の意義である。
【００３４】
そして、本発明では、板厚表層部における粗大析出物の析出量が板中央部の析出量よりも大きいことを要する。具体的には、板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域において、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が板厚中央部の１．２倍以上３．０倍以下とする。
【００３５】
このように、板厚表層部の粗大析出物の面積率が大きくなっているのは、板材の製造過程における析出物の析出処理に起因するものであり、これにより板厚方向の強度の均一性が確保される。即ち、本発明では、焼入れの際に急冷効果が最も大きくなる板厚表層部において、焼入れ前に粗大析出物を析出させその面積率を高くしている。これにより、その後の時効処理で析出する析出物（微細なＭｇ２Ｓｉ）のこの領域における数密度を低減させることができる。一方、板厚中央部は、粗大析出物が析出する温度以上の高温から急冷されているので、粗大析出物の析出が抑制されている。この板厚中央部では、焼入れの急冷効果は小さいものの、粗大析出物の析出の密度は低いため（Ｍｇ２Ｓｉ面積率０．４５％以下）、時効処理における析出物により強度が増すこととなり、板厚表層部との強度差を低減することができる。
【００３６】
そして、本発明に係るアルミニウム合金では、板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域において、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が板厚中央部の１．２倍以上３．０倍以下であることを要する。板厚表層部の面積率が板厚中央部の面積率の１．２倍未満であると、時効処理において板厚表層部で析出物が微細かつ密に析出することになり、板厚表層部の強度が高くなり板厚中央部のとの強度差が大きくなってしまうからである。一方、上限値である３．０倍については、厚板製造の効率を考慮するものである。後述の通り、焼き入れ前に行う板厚表層部の析出処理は、板表面部と板厚中央部との間に温度差を形成する処理であるが、熱伝導率の高いアルミニウム合金では形成可能な温度差には限界があり、板厚表層部の面積率が板厚中央部の面積率の３.０倍を超えるものを製造することは困難である。
【００３７】
次に、本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板の製造方法について説明する。上記の通り、本発明に係る高強度アルミニウム合金厚板の製造方法は、アルミニウム合金の鋳塊に対して、溶体化処理を行った後、板厚表面の温度を制御しつつ冷却して板厚表層部に粗大な析出物を析出させる処理を行った後、焼入れ処理を行い、更に、人工時効処理を行うものである。以下、詳細に説明する。
【００３８】
まず、上記した成分組成のアルミニウム合金を常法に従って溶製する。連続鋳造法、半連続鋳造法（ＤＣ鋳造法）等の通常の鋳造法を適宜選択してアルミニウム合金を鋳造する。
【００３９】
そして、得られたアルミニウム合金に対し、必要に応じて均質化処理を行うことができる。均質化処理を行う場合、その処理条件は特に限定されるものではないが、好ましくは４８０〜５９０℃の温度で０．５〜２４時間、より好ましくは５００〜５６０℃の温度で１〜２０時間の加熱を行なう。均質化処理温度が４８０℃未満である場合や処理時間が０．５時間未満の場合には、均質化の効果が十分に得られない場合がある。一方、均質化処理温度が５９０℃を超える場合には、材料が溶解する虞がある。また、処理時間が２４時間を超える場合には、生産性が低下する。
【００４０】
必要に応じて均質化処理を行ったアルミニウム合金には、熱間圧延を行うことができる。熱間圧延を行う場合、均質化処理が完了してから熱間圧延開始までの過程において、必要に応じて以下のいずれかの処理方法を適用することができる。即ち、均質化処理後の冷却過程で常温若しくは常温近くまで冷却させた後、改めて熱間圧延の開始温度まで加熱して熱間圧延を開始することができる。また、均質化処理後の冷却過程で熱間圧延の開始温度まで冷却し、そのまま熱間圧延を開始してもよい。そして、熱間圧延は、従来の一般的な条件に従うことができ、例えば、熱間圧延開始温度を２５０℃以上５８０℃未満とし、熱間圧延終了温度を１５０℃以上として熱間圧延が可能な温度に制御すればよい。
【００４１】
以上のようにして、鋳造されたアルミニウム合金、又は、必要に応じて均質化処理や熱間圧延を経たアルミニウム合金材について、溶体化処理を行う。本発明に係るアルミニウム合金は熱処理系合金であり、鋳造時に生じたＭｇ２Ｓｉなどの晶出物をマトリックス中に固溶させることで所望の強度が得られる。この処理を溶体化処理と称する。溶体化処理の温度は４８０℃以上とする。４８０℃未満では、上記した効果が十分得られない。溶体化処理の上限の温度については特に規定するものではないが、融点を超えるとポロシティなどの内部欠陥が発生する恐れがあるため融点未満、特に好ましくは５６０℃以下とする。
【００４２】
溶体化処理における処理時間は、１時間以上を設定するのが好ましい。１時間未満では元素の拡散が不十分で均一な固溶状態が得られない。また、処理時間の上限は特に規定するものではないが、工業的には４８時間以内、更に好ましくは２４時間以内とすることで経済的かつ十分な効果が得られる。
【００４３】
一般的なアルミニウム合金板材の製造方法においては、溶体化処理後にただちに焼入れ処理がなされる。但し、本発明においては、溶体化処理で高温に保持したアルミニウム合金を焼き入れ前に冷却して、板厚表層部に粗大なＭｇ２Ｓｉの析出物を析出させる処理を行う。この析出処理では、鋳塊の板厚中央部の温度が４８０℃以上、鋳塊の表面の温度が板厚中央部の温度より１０℃以上３０℃以下の範囲で低くなるように冷却する。
【００４４】
析出処理において、アルミニウム合金板の表面温度が「板厚中央部の温度−１０℃」より高温であった場合、Ｍｇ及びＳｉがマトリックスに多量に固溶した状態にあり、粗大な析出物が十分析出していない。この状態のまま人工時効処理を行うと、固溶していたＭｇ及びＳｉが微細なＭｇ２Ｓｉとなって析出するので、板厚表層部の強度上昇が大きくなり、板厚中央部との強度差が大きくなってしまう。そのため、アルミニウム合金の表面温度は板厚中央部の温度よりも１０℃以上低温とする必要がある。但し、アルミニウムは熱伝導率が高いため、板の表面温度を板厚中央部の温度より３０℃以上低温にして保持することは難しい。
【００４５】
また、この析出処理においては、板厚中央部の温度については４８０℃以上とする。４８０℃以下になると、板厚中央部で粗大なＭｇ２Ｓｉ析出物が疎に析出してしまい、その後の人工時効処理によっても板厚中央部で十分な強度が得られない。その結果、板厚表層部との強度差が大きくなる。
【００４６】
以上のアルミニウム合金の析出処理のため冷却方法については、特に限定されることはなく、アルミニウム合金の表面温度と板厚中央部の温度との温度差が１０℃以上３０℃以下となるような処理であれば良い。適切な温度差になるのであれば、例えば、冷媒をアルミニウム合金の表面近傍に接触させる方法でも良い。但し、工業的にみて適切で簡便な方法としては、溶体化処理を施したアルミニウム合金を、焼入れ処理を行う雰囲気に暴露して冷却し、表面温度と板厚中央部の温度との温度差が１０℃以上３０℃以下となった段階で焼入れ処理を行えば良い。
【００４７】
上記の析出処理がなされたアルミニウム合金に対して焼き入れ処理を行う。焼き入れは、アルミニウム合金を急冷することで、溶体化処理でマトリックスに固溶した元素を析出させることなく固溶したままの状態にする処理である。焼き入れ処理は、冷却速度１００℃／ｈｒ以上の冷却速度で冷却する。冷却速度が１００℃／ｈｒ未満では焼入れが不十分となり、人工時効処理時に十分な強度が得られない。従って、溶体化処理における冷却速度は１００℃／ｈｒ以上が望ましい。この冷却速度は、アルミニウム合金の板厚方向の中心部における冷却速度を適用するのが好ましい。
【００４８】
尚、析出処理を行うことなく、溶体化処理温度から直ちに焼き入れを行うと、急冷効果の高い板厚表層部での粗大析出物の析出量が低減する。そして、板厚表層部ではその後の人工時効処理によって微細な析出物が密に析出する。こうなると、本発明で要求する、板厚方向２０ｍｍ±１．５ｍｍの領域における、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率が小さくなってしまい、冷却速度の遅い板厚中央部のＭｇ２Ｓｉの面積率の１．２倍未満となってしまう。このような板材は、板厚表層部と板厚中央部との強度差が大きくなっており、本発明の課題解決が可能なアルミニウム合金厚板に該当しない。
【００４９】
本発明に係るアルミニウム合金は、溶体化処理、焼き入れに続き、更に人工時効処理を行い微細Ｍｇ２Ｓｉを析出させることで強度を高めることができる。この人工時効処理の温度は１５０〜２５０℃が好ましい。１５０℃未満では、十分な強度を得るまでに長時間の時効処理が必要となり経済的でない。一方、２５０℃を超えると、粗大なＭｇ２Ｓｉが析出しやすくなり強度が低下するおそれがある。
【００５０】
また、人工時効処理の時間は、保持時間は１〜２４時間が好ましい。時効時間の設定は、時効温度と強く関係するが、１時間未満では十分な強度が得られないか、もしくは強度のバラツキが大きくなる。上限については特に規定するものではないが経済性の観点からも２４時間以内が好ましい。人工時効処理の条件としては、１７０〜１９０℃ において６〜１２ｈｒの処理を施すことがより好ましい。当該条件であるなら工業的にも安定して製造可能である。
【００５１】
尚、本発明に係るアルミニウム合金厚板の製造方法においては、適宜にアルミニウム合金の鋳塊表面の平滑化処理を行うことができる。平滑化処理としては、例えば、面削、研磨などの機械加工や化学研磨等が実施できる。平滑化処理は、溶体化処理及び焼入れ処理の前に行うことができる。
【００５２】
以上の工程を経て製造された本発明に係るアルミニウム合金材は、板厚表層部及び板厚中央部にて強度２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上の強度を発揮し得る。そして、板厚表層部と板厚中央部の差が５０ＭＰａ以下となっており、強度差が低減されている。尚、本発明に係るアルミニウム合金材は、非熱処理系合金であるＪＩＳ５０５２合金のＨ１１２材を大きく上回る強度２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上を得ることができ、より広い分野への適用が期待される。
【００５３】
本発明に係るアルミニウム合金厚板の板厚に関しては、特に限定するものではない。これまで説明した材料組織、又は、製造条件を満すことで任意の厚さのアルミニウム合金厚板を得ることができる。但し、板厚６５０ｍｍを超える厚板に関しては、アルミニウム厚板自体が熱源となり十分な冷却速度を得ることが困難となってくる。また、本発明は、上述したフラット矯正の制約がある等の事情により製造が難しいとされる板厚２００ｍｍ以上への適用に特に効果がある。よって、本発明の適用範囲としては、２００ｍｍ以上６５０ｍｍ以下のアルミニウム合金厚板が好ましい。    
【実施例】
【００５４】
第１実施形態：以下、本発明の具体的な実施形態について比較例と共に説明する。本実施形態では、各種組成のアルミニウム合金厚板を製造し、強度測定及び材料組織観察を行った。
【００５５】
[アルミニウム合金厚板を製造]
表１ に示す組成のアルミニウム合金鋳塊（Ｔ３２０ｍｍ×Ｗ１５００ｍｍ×Ｌ３５００ｍｍ）を工業的規模で作製し、切断によりアルミニウム合金材（Ｔ３２０ｍｍ×Ｗ１４００ｍｍ×Ｌ３０００ｍｍ）切り出した。尚、Ｔは板厚、Ｗは板幅、Ｌは板の長さを示す。
【００５６】
【表１】
2017222888.tif 000002
【００５７】
得られたアルミニウム合金材に対して、表面平滑化処理として片側１０ｍｍの面削を行った後、溶体化処理を行った。溶体化処理の条件は、５３０℃×１０ｈｒの高温保持を行った。
【００５８】
そして、溶体化処理後のアルミニウム合金材について、焼き入れ前に雰囲気温度を制御した大気中にて所定の温度まで冷却を行い、板厚表層部に粗大析出物を析出させる析出処理を行った。この析出処理では、アルミニウム合金表面の板厚中央部に熱電対を取り付けて温度を実測し、板厚中央部の温度が４８０℃以上となり、アルミニウム合金表面の温度が板厚中央部の温度よりも１０℃以上低くなっていることを確認している。焼き入れ処理前のアルミニウム合金の表面及び中央部の温度を表２に示した。
【００５９】
焼き入れ処理は、アルミニウム合金材を水冷することで行った。このとき、板厚中央部に熱電対を取り付けて冷却速度を実測し、材料温度４５０〜２５０℃の間の平均冷却速度を測定した。測定された冷却速度を表２に示す。
【００６０】
そして、焼き入れ処理後のアルミニウム合金材に対して、人工時効処理を行った。人工時効処理は、１８０℃×１０ｈｒの条件で実施した。
【００６１】
[アルミニウム合金厚板の組織観察]
本実施形態で製造したアルミニウム合金厚板の材料組織を観察し、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率を測定した。材料組織観察には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた。組織観察は、合金板材の長さ方向端部から３００ｍｍの位置であって幅方向中央部に位置する領域について、表層部（板表面から板厚方向に２０ｍｍ±１．５ｍｍｍｍの領域）と、板厚中央部の断面組織を観察・撮像した。このとき、２５０倍の倍率で３．７×１０５μｍ２の画像を撮影し、この範囲のＭｇ２Ｓｉの面積率を測定した。面積率の測定は、得られた画像（１視野）を市販の画像解析ソフトウエァ（商品名「Ａ像君」、旭化成エンジニアリング社製）用い、当該ソフトウエアの粒子解析機能を使用して面積率を求めた。
【００６２】
[アルミニウム合金厚板の強度測定]
次に、本実施形態で製造したアルミニウム合金厚板について、表層部と板厚中央部の強度測定を行った。ここでは、得られたアルミニウム合金厚板の表面から板厚方向に２０ｍｍの位置、及び、板厚中央部から、ＪＩＳ４号試験片（φ１４ｍｍ）を採取し、引張試験（板巾方向）を行なった。引張試験は、ＪＩＳＺ２２４１規格に基づき各２本実施し、その平均値を評価対象とした。本実施形態では、製造されたアルミニウム合金厚板の強度に関する合否を判断する基準として、板厚中央部の引張強度（ＴＳ）、耐力値の最小値（ＹＳ）を評価した。更に、板厚表層部と板厚中央部の引張強度（ＴＳ）の差を算出して、板厚方向の強度差の有無についての合否を評価した。尚、合否判定の基準として、厚板の強度については、真空チャンバー材等への使用実績を有する非熱処理系合金であるＪＩＳ５０５２合金のＨ１１２材についてＪＩＳ規格で規定された引張強度２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上を採用し、これより高いものを「合格」、低いものを「不合格」とした。一方、板厚方向の強度差の有無に関しては、板厚表層部と板厚中央部の強度差が５０ＭＰａ以下のものを「合格」と判定することとした。
【００６３】
[アルミニウム合金厚板のソリ量測定]
得られたアルミニウム合金厚板（Ｔ３００ｍｍ×Ｗ１４００ｍｍ×Ｌ３０００ｍｍ）に対して、板厚方向で表面から板厚中央部まで切削した際に生じるソリの大きさを測定した。ソリ量の測定は、切削した板を定盤の上に置き、板の湾曲によって生じる隙間の大きさを測定した。このとき生じるソリ量が大きいほど、切削加工した際のソリ量が大きいことを意味しており、幅１０００ｍｍあたりのソリ量が３ｍｍ以下のものを「合格」、３ｍｍを超えるものを「不合格」とした。
【００６４】
本実施形態で製造した各アルミニウム合金厚板について行った析出物の面積率測定及び機械的特性の評価の結果を表２に示す。
【００６５】
【表２】
2017222888.tif 000003
【００６６】
表２から、本発明の実施例に相当する製造Ｎｏ．１〜製造Ｎｏ．８は、いずれも引張り強さ２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上の強度が得られており、ＪＩＳ５０５２ 合金−Ｈ１１２厚板材の強度を大きく上回る極厚板が得られたことが確認できる。そして、これらの厚板材は、板厚表層部と板厚中央部の強度差は５０ＭＰａ以下となっており、板厚方向における強度差が低減されていることも確認できた。
【００６７】
これに対して、比較例である製造Ｎｏ．９〜製造Ｎｏ．１２の合金厚板は、厚板の強度又は板厚方向における強度差のいずれかにおいて不合格となった。即ち、製造Ｎｏ．９及び製造Ｎｏ．１１は、板厚表層部と板厚中央部の強度差が５０ＭＰａを超えていた。これらのアルミニウム合金厚板は、その合金組成において、Ｍｇが規定量より多い（製造Ｎｏ．９）又はＳｉが規定量より多い（製造Ｎｏ．１１）合金であった。Ｓｉ、Ｍｇは、微細なＭｇ２Ｓｉ析出物を形成し材料強度の向上に寄与する添加元素である。これらが過剰となると、厚板の強度が上昇するものの、その分、板厚表層部と板厚中央部の強度差が大きくなる傾向があると考えられる。
【００６８】
また、製造Ｎｏ．１０及び製造Ｎｏ．１２は、板厚中央部の引張り強さ２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上の基準をクリアできなかった。製造Ｎｏ．１０は、Ｓｉが規定量より少ないアルミニウム合金であるので、析出物による強度上昇が少なかったと考えられる。また、製造Ｎｏ．１２は、Ｍｇが規定量を超えたアルミニウム合金であるが、この合金の場合、Ｍｇと結合して析出物を生成するＳｉの濃度が下限値近傍にあり、そのため、析出物による強度上昇が少なかったと考えられる。
【００６９】
第２実施形態：本実施形態では、主に合金Ｎｏ．Ａの組成のアルミニウム合金からなる厚板について、製造条件を変更しつつ複数種類製造し、強度測定及び材料組織観察を行った。本実施形態では、溶体化処理、その後冷却による析出処理、及び、焼入れの冷却速度の条件を調整してアルミニウム合金厚板を製造した。尚、本実施形態でも溶体化・焼入れ処理の前に、表面平滑化処理として片側１０ｍｍの面削を行った。
【００７０】
本実施形態におけるアルミニウム合金厚板の製造工程は、基本的には第１実施形態と同様であり、溶体化処理（温度・時間）と析出処理の温度と焼入れの冷却速度以外の製造条件は、第１実施形態と同様とした。また、アルミニウム合金厚板を製造した後の組織観察、強度測定の方法・条件も第１実施形態と同様とした。この評価結果を表３に示す。
【００７１】
【表３】
2017222888.tif 000004
【００７２】
表３から、実施例に相当する製造Ｎｏ．１３〜製造Ｎｏ．１７は、いずれも高強度を有し、板厚方向における強度差に少ない良好なアルミニウム合金厚板であることが確認できた。これらのアルミニウム合金厚板は、ソリ評価も良好であった。具体的に検討すると、製造Ｎｏ．１５と製造Ｎｏ．１６は、焼入れ前の析出処理において、アルミニウム合金表面と板厚中央部との温度差の条件（１０℃以上３０℃以下）の上限及び下限付近の実施例である。これらの合金は、いずれも良好な特性を示す。また、製造Ｎｏ．１７は、焼入れ処理における冷却速度の条件（１００℃／ｈｒ以上）の下限付近で製造された厚板であるが、引張強度は２００ＭＰａを超えており良好な結果であった。
【００７３】
これに対して製造Ｎｏ．１８では、焼入れ前の析出処理における、アルミニウム合金表面と板厚中央部との温度差が下限値（１０℃）を下回る温度で処理下厚板である。このアルミニウム合金厚板では、円相当直径３μｍ以上のＭｇ２Ｓｉの面積率について、板厚表層部が板厚中央部の１．２倍を下回っている。そのため、板厚表層部と板厚中央部の強度差が５０ＭＰａを超えており、板厚方向における強度差が大きくなることが確認された。また、製造Ｎｏ．１９は、焼入れ処理の際の冷却速度が低すぎるため、板厚中央部における粗大析出物の面積率が０．４５％を超えており、引張り強さ２００ＭＰａ以上、耐力１４０ＭＰａ以上の基準をクリアできず強度不足であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上説明したとおり、本発明に係る高強度６０００系合金厚板は、高強度でありつつ、板厚方向で強度が均一な厚板材である。この高強度アルミニウム合金厚板の製造方法においては、従来法では必要であった内部応力低減のためのフラット矯正は必須ではないので、そのための設備上の制約を考慮することなく２００ｍｍ以上の厚板の製造が可能である。本発明に係る高強度６０００系合金厚板は、液晶パネル等電子部品の製造装置や半導体製造装置或いは真空チャンバーなどの機械部品の構成材料として適用可能で有り、これら装置の大型化への要求にも対応可能である。