(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウム、マグネシウム、亜鉛、ジルコニウム、及びマンガンを含有するアルミニウム系合金において、
該合金が更に水素を含有すると共に、ベリリウム、イットリウム、及びスカンジウムから成る部類中から選択される少なくとも１つの成分を含有しており、
以上の成分の重量％で表した含有率範囲が夫々、
リチウム          １．５〜１．９
マグネシウム      ４．１〜６．０
亜鉛              ０．１〜１．５
ジルコニウム      ０．０５〜０．３
マンガン          ０．０１〜０．８
水素              ０．９×１０-5〜４．５×１０-5
であり、また、前記部類中から少なくとも１つが選択される成分の重量％で表した含有率範囲が夫々、
ベリリウム        ０．００１〜０．２
イットリウム      ０．０１〜０．５
スカンジウム      ０．０１〜０．３
であり、残余がアルミニウムである、
ことを特徴とするアルミニウム系合金。
【請求項２】
請求項１記載のリチウム含有アルミニウム系合金の熱処理方法であって、
材料を４００〜５００℃の温度に加熱するステップと、
水冷または空冷による急冷処理を施し、最大で２％までの加工度の調質加工を施すステップと、
人工時効処理を施すステップと、
を含んでいる熱処理方法において、
前記人工時効処理が３段時効処理であって、その第１段の時効処理段において８０〜９０℃の温度に３〜１２時間保持し、第２段の時効処理段において１１０〜１８５℃の温度に１０〜４８時間保持し、第３段の時効処理段において９０〜１１０℃の温度に８〜１４時間保持することを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】
請求項１記載のリチウム含有アルミニウム系合金の熱処理方法であって、
材料を４００〜５００℃の温度に加熱するステップと、
水冷または空冷による急冷処理を施し、最大で２％までの加工度の調質加工を施すステップと、
人工時効処理を施すステップと、
を含んでいる熱処理方法において、
前記人工時効処理が３段時効処理であって、その第１段の時効処理段において８０〜９０℃の温度に３〜１２時間保持し、第２段の時効処理段において１１０〜１２５℃の温度に５〜１２時間保持し、第３段の時効処理段において９０〜１１０℃の温度に８〜１４時間保持することを特徴とする熱処理方法。
【請求項４】
請求項１記載のリチウム含有アルミニウム系合金の熱処理方法であって、
材料を４００〜５００℃の温度に加熱するステップと、
水冷または空冷による急冷処理を施し、最大で２％までの加工度の調質加工を施すステップと、
人工時効処理を施すステップと、
を含んでいる熱処理方法において、
前記人工時効処理が３段時効処理であって、その第１段の時効処理段において８０〜９０℃の温度に３〜１２時間保持し、第２段の時効処理段において１１０〜１８５℃の温度に１０〜４８時間保持し、第２段の時効処理に引き続き第３段の時効処理段において毎時２〜８℃の冷却速度で１０〜３０時間かけて冷却処理を施すことを特徴とする熱処理方法。
【請求項５】
請求項１記載のリチウム含有アルミニウム系合金の熱処理方法であって、
材料を４００〜５００℃の温度に加熱するステップと、
水冷または空冷による急冷処理を施し、最大で２％までの加工度の調質加工を施すステップと、
人工時効処理を施すステップと、
を含んでいる熱処理方法において、
前記人工時効処理が３段時効処理であって、その第１段の時効処理段において８０〜９０℃の温度に３〜１２時間保持し、第２段の時効処理段において１１０〜１２５℃の温度に５〜１２時間保持し、第２段の時効処理に引き続き第３段の時効処理段において毎時２〜８℃の冷却速度で１０〜３０時間かけて冷却処理を施すことを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム、マグネシウム、亜鉛、ジルコニウム、及びマンガンを含有する、好ましくはＡｌ−Ｌｉ−Ｍｇ系合金であるアルミニウム系合金に関するものであり、また、溶接構造によるものも含めて、航空機、宇宙船、船舶、及び地上交通車両の、機体、船体、及び車体等の構造材として用いられる合金材料の処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来公知の様々なＡｌ−Ｌｉ−Ｍｇ系合金は、密度が小さく比較的強度が大きいという長所がある一方で、延性及び靱性に劣っていた。米国特許第４５８４１７３号公報（１９８６年４月２２日発行）に開示されているこの種の合金は、以下に示す化学組成を有する（単位は重量％である）。
アルミニウム      主成分
リチウム          ２．１〜２．９
マグネシウム      ３．０〜５．５
銅                ０．２〜０．７
また、これらに加えて更に、ジルコニウム、ハフニウム、及びニオブからなる部類中から選択される１つまたは２つ以上の成分を含有しており、それら成分の含有率範囲は以下の通りである。
ジルコニウム      ０．０５〜０．２５
ハフニウム        ０．１０〜０．５０
ニオブ            ０．０５〜０．３０
また更に、以下の成分を、以下の含有率範囲で含有していることがある。
亜鉛              ０〜２．０
チタン            ０〜０．５
マンガン          ０〜０．５
ニッケル          ０〜０．５
クロム            ０〜０．５
ゲルマニウム      ０〜０．２
【０００３】
この合金に、先ず５３０℃の温度からの急冷処理を施し、次に最大で２％までの加工度の引張加工による調質加工を施し、続いて１９０℃の温度に４〜１６時間保持する人工時効処理を施したところ、この合金は、以上の熱処理を施した後の状態では、その延性が小さく（降伏伸びが３．１〜４．５％である）、耐蝕性にも劣るという短所を有することが判明した。
【０００４】
国際特許出願公開ＷＯ９２／０３５８３号公報に開示されている合金は、以下の化学組成を有する（単位は重量％である）。
アルミニウム      主成分
リチウム          ０．５〜３．０
マグネシウム      ０．５〜１０．０
亜鉛              ０．１〜５．０
銀                ０．１〜２．０
以上の化学組成において、リチウム、マグネシウム、亜鉛及び銀の合計含有率を最大で１２％までに制限しており、また、この合計含有率を７．０〜１０．０％の範囲内の値にするときには、リチウムの含有率が２．５％を超えず、亜鉛の含有率が２．０％を超えないようにしている。更に、この合金は、最大で１．０％までのジルコニウムを含有していてもよいとしている。
【０００５】
この合金は、その強度が４７６〜４９７ＭＰａであり、その降伏応力が３６８〜４５５ＭＰａであり、その降伏伸びが７〜９％であり、またその密度が２．４６〜２．６３ｇ／ｃｍ3である。この合金は、航空機や宇宙船の部材を製作する構造材として推奨されている。この合金の短所は以下の通りである。
【０００６】
この合金は、リチウム含有率を高くするほど大きな強度が得られるが、そのようにすると、延性及び靱性が低下し、従って冷間加工性が劣化することから、航空機や宇宙船に必要とされる薄板の製造が困難になる。
【０００７】
また、この合金は、亜鉛含有率を高めることによっても大きな強度が得られるが、そのようにすると、この合金の密度が２．６０〜２．６３ｇ／ｃｍ3にも増大してしまうため、この合金を用いて製作した部材の、軽量化に関する効果が著しく損なわれることになる。
【０００８】
また、この合金は、材料に急冷処理を施した後に、引張加工を施し、更に延性５〜６％で人工時効処理を施すことによっても、大きな強度が得られるが、そのようにすると、靱性の値が低下してしまう。
【０００９】
また、この合金は、その成分として銀を含有しているため、中間製品から最終製品に至るまでのあらゆる生産コストが高くついてしまう。
【００１０】
一般的に、亜鉛含有率が高く、加えて更に銅を含有している合金は、耐蝕性に劣ることが判明している。そのような合金は、溶接に際して溶接欠陥を発生し易く、明瞭な溶込み不良も発生し易い。
【００１１】
広範な用途に用いられる同様の合金として、米国特許第４６３６３５７号公報によって公知となっているものがある。この米国特許の合金は、以下の化学組成を有する（単位は重量％である）。
アルミニウム      主成分
リチウム          ２．０〜３．０
マグネシウム      ０．５〜４．０
亜鉛              ２．０〜５．０
銅                ０〜２．０
ジルコニウム      ０〜０．２
マンガン          ０〜０．５
ニッケル          ０〜０．５
クロム            ０〜０．４
【００１２】
この合金は熱処理によって硬化させることができ、それには先ず、４６０℃の温度からの急冷処理を施し、次に、伸び率が０〜３％の引張加工を施し、更にその後に、２段熱処理を施すようにする。この２段熱処理における第１段の熱処理段では、９０℃に１６時間保持し、続く第２段の熱処理段では、１５０℃に２４時間保持する。
【００１３】
この合金は、４４０〜５５０ＭＰａという十分に大きな強度を持ち、降伏応力は３５０〜４１０ＭＰａである。
【００１４】
この合金の短所は、降伏伸びが小さく（１．０〜７．０％）、靱性が小さく、耐蝕性が不十分であり、材料それ自体の強度が高い割には溶接強度が小さいということにある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、熱処理を施した後の状態での合金の特性に関して、大きな強度はそのまま維持しつつ、その延性を向上させ、更に、耐蝕性及び溶接性を確保し、それと同時に、靱性の数値も十分に良好なものとし、更には、８５℃の温度に１０００時間以上放置された場合でも影響を受けない良好な熱安定性を有するものとすることにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この目的は、本発明によれば、以下の化学組成を有するＡｌ−Ｌｉ−Ｍｇ系合金によって達成される（単位は重量％である）。
リチウム          １．５〜１．９
マグネシウム      ４．１〜６．０
亜鉛              ０．１〜１．５
ジルコニウム      ０．０５〜０．３
マンガン          ０．０１〜０．８
水素              ０．９×１０-5〜４．５×１０-5
これらに加えて更に、以下の部類中から選択される少なくとも１つの成分を含有している。
ベリリウム        ０．００１〜０．２
イットリウム      ０．０１〜０．５
スカンジウム      ０．０１〜０．３
残余はアルミニウムである。
【００１７】
水素の含有率を上記範囲内の値とすることによって、凝固の際に水素化リチウムの微細な固体粒子が形成されて分散した状態になることから、凝固時の収縮率が小さく抑えられ、材料中の気孔の発生が抑制される。
【００１８】
また、マグネシウムの含有率を上記範囲内の値とすることによって、必要レベルの強度特性及び溶接性が確保される。このマグネシウムの含有率を４．１％以下にしたならば、強度が低下して、鋳造時及び溶接時に合金に高温割れが発生するおそれが高くなる。一方、この合金中のマグネシウムの含有率を６．０％以上にしたならば、鋳造、熱間圧延、及び冷間圧延における加工性が低下して、この合金を材料として製作した部品や最終製品の延性に関する特性値が悪化する。
【００１９】
また、リチウムの含有率を上記範囲内の値とすることは、特に薄板の製造に際して必要な加工性を確保するために重要であり、更には、必要レベルの機械的特性及び耐蝕性、並びに十分な靱性及び溶接性を確保するためにも重要である。このリチウムの含有率を１．５％以下にしたならば、この合金の密度が高くなってしまい、更には、強度特性も悪化し、弾性率の値も小さくなる。一方、このリチウムの含有率を１．９％以上にすると、冷間加工性、溶接性、塑性特性値、及び靱性が悪化する。
【００２０】
また、０．０５〜０．３％のジルコニウムは、インゴット鋳造の際の改質剤としての役割を果たしている他に、マンガン（０．０１〜０．８％）と共に、ポリゴン化又は微細結晶組織が形成されるようにすることで中間製品の組織の硬度を向上させる役割も果たしている。
【００２１】
また更に、ベリリウム、イットリウム、及びスカンジウムのうちの１つないし２つ以上の成分を添加することによって、本発明にかかる合金を用いて製造した中間製品の組織を均一な微細結晶粒組織とすることができ、もって、冷間圧延の際の延性を向上させることができる。
【００２２】
本発明は更に、好ましくはＡｌ−Ｌｉ−Ｍｇ系合金であるアルミニウム合金の熱処理方法にも関するものである。
【００２３】
かかる熱処理方法の目的は、大きな強度を維持しつつ、その合金の延性を向上させ、それと同時に、耐蝕性及び靱性に関する特性値も改善し、また特に、その材料を高温に長時間暴露した場合でも、それら優れた特性が維持されるようにすることにある。
【００２４】
米国特許第４８６１３９１号公報によって公知となっている熱処理方法は、急冷処理を施した後に調質加工を施し、更にその後に、２段人工時効処理を施すというものである。２段人工時効処理の第１段階では、９３℃を超えない温度に数時間から数ヶ月間保持し、好ましくは６６〜８５℃の温度に２４時間以上保持する。また、２段人工時効処理の第２段階では、最高で２１９℃までの温度に３０分間から数時間保持し、好ましくは１５４〜１９９℃の温度に最長８時間保持する。
【００２５】
この熱処理方法を、リチウム含有アルミニウム合金に適用した場合には、強度特性値及び靱性が改善されるが、しかしながら、航空機を長期間に亘って供用したときの太陽による温度上昇の影響をシミュレートするために、８５℃というそれほど高くない温度に１０００時間以上に亘って保持した後には、そのリチウム含有アルミニウム合金の特性が安定しなくなることが判明した。即ち、この熱処理方法に従って処理を施したリチウム含有合金は、８５℃の温度に１０００時間以上に亘って保持した後には、その降伏伸びと靱性とが、いずれも２５〜３０％低下した。
【００２６】
上記の目的は、本発明によれば、以下のステップを含む方法によって達成される。
−材料を４００〜５００℃の温度に加熱するステップ。
−水冷または空冷による急冷処理を施し、最大で２％までの加工度の調質加工を施すステップ。
−人工時効処理を施すステップ。この人工時効処理は３段時効処理であり、その第３段の時効処理段において９０〜１１０℃の温度に８〜１４時間保持するようにする。
【００２７】
また本発明においては、その第１段の時効処理段の温度よりその第２段の時効処理段の温度の方を高くしてもよく、別法として、第３段の時効処理段を、このように一定の温度で処理を行う代わりに、第２段の時効処理に引き続き毎時２〜８℃の冷却速度で１０〜３０時間かけて徐冷処理を施すものとしてもよい。
【００２８】
請求項１に記載した特徴要件を備えた本発明にかかる合金は、以上の熱処理方法に従って処理を施すことによって、上記目的に関連して列挙した特性に関して特に優れたものとなることが判明している。
【００２９】
人工時効処理において、このような第３段の時効処理段を実行するようにしたため、この熱処理方法によれば、合金をそれほど高くない温度に長期間に亘って保持した後でも、その合金の特性が安定しているという結果が得られ、これは、母組織中に一様に分散して存在する分散相δ’−（Ａｌ3Ｌｉ）の析出が促進されることによるものである。大量のδ’相が微細に分散した状態となるために、固溶相におけるＬｉの飽和が緩和され、その結果、８５℃の温度に１０００時間保持している間にδ’相が新たに析出するという事態が防止されるのである。
【００３０】
請求項２ないし請求項３に記載した方法を実施する際の、好適な形態においては、その人工時効処理の第１段の時効処理段において８０〜９０℃の温度に３〜１２時間保持するようにし、また第２段の時効処理段において１１０〜１８５℃の温度に１０〜４８時間保持するようにする。
【００３１】
夫々の時効処理段の温度及び保持時間をこのような範囲内に設定することによって、非常に効果的な人工時効処理の処理条件が得られ、またそれによって、上記目的を更に確実に達成することができるようになる。
【００３２】
尚、この人工時効処理の第２段の時効処理段は、別法として、１１０〜１２５℃の温度に５〜１２時間保持する処理としてもよく、処理温度範囲及び処理時間範囲のこれらパラメータ値は、第３段の時効処理段を請求項３に記載したようにして実行する場合に好適なものである。
【００３３】
【実施例】
下記の表１に示した化学組成を有する合金を材料として、直径が７０ｍｍのインゴットを幾つか鋳造した。このときの合金の融解は、電気炉中で行った。均質化処理（５００℃、１０時間）を施した後に、それらインゴットに塑性加工を施して、断面形状が１５×６５ｍｍのストリップを形成した。この塑性加工は、それらインゴットを３８０〜４５０℃の温度に加熱して行った。更に、それらストリップから夫々にビレット（鋼片）を形成し、それらビレットを３６０〜４２０℃の温度に加熱して、熱間圧延によって、厚さ４ｍｍの板材を形成した。続いてそれら板材に冷間圧延を施して、厚さ２．２ｍｍの板材を形成した。冷間圧延によって得られた板材に、水冷または空冷によって、４００〜５００℃の温度からの急冷処理を施し、更に、最大で２％までの加工度の調質加工を施した。続いて、表２に詳細を示した熱処理を施した。こうして得られた板材から切り出した試験片に対して試験を実行して、その基本材料特性及び溶接特性を求めた（表３を参照されたい）。
【００３４】
【表１】
0004185247.tif 000002
【００３５】
【表２】
0004185247.tif 000003
【００３６】
【表３】
0004185247.tif 000004