(57)【要約】【課題】本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とする。すなわち、Ａｌ合金において、高強度、耐食性に優れ、かつ、溶接性にも優れるという新しい合金材料およびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、第一にＡｌ−Ｍｇ系合金にＡｇを所定量添加することで時効硬化を発現することを見出した。第二に、溶体化処理後、冷間加工することで、材料中に歪を導入することができ、これらの相乗効果によって加工後の材料の強度を大幅に上げることに成功した。第三に、加工後、時効処理によって微細な化合物を析出させ、強度をさらに向上させることに成功した。【選択図】  図１【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム８９〜９２．５質量％、マグネシウム７〜１０質量％、銀０．５〜１．０質量％、からなるアルミニウム合金材料の製造方法において、
原料の溶湯を準備する工程と、
該溶湯を混合した後、冷却凝固してアルミニウム合金インゴットを得る工程と、
要すれば、該インゴットを所望の形状に加工する工程と、
アルミニウム合金インゴット又は加工された所望形状のインゴットを溶体化処理し固溶体を得る工程と、
該固溶体を水焼入れする工程と、
その後、固溶体を冷間加工する工程と、
冷間加工に続いて時効処理を行う工程と、
を有することを特徴とする、アルミニウム合金材料の製造方法。
【請求項２】
冷間加工の加工率が、７〜１５％の範囲である請求項１に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
【請求項３】
冷間加工の加工率が、約７％である請求項１に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
【請求項４】
時効処理が、１６０〜２４０℃の範囲で行われる請求項１又は２に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
【請求項５】
時効処理が、約１６０℃で行われる請求項１又は２に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
【請求項６】
アルミニウム８９〜９２．５質量％、マグネシウム７〜１０質量％、銀０．５〜１．０質量％、からなるアルミニウム合金材料であって、硬度が１６０〜１８０ＶＨＮ（強度が５００〜６５０ＭＰａ）であることを特徴とするアルミニウム合金材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材料の製造方法に関する。より詳しくは、アルミニウム−マグネシウム（Ａｌ−Ｍｇ）系合金にＡｇを所定量添加し、溶体化処理、水焼入れ後、冷間加工を施し、その後時効処理することで高強度の材料を得ることができる、Ａｌ合金材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、アルミニウム合金のうち、強度の高いものとしていわゆる７０７５合金（Ａｌ−１．２〜２．０質量％Ｃｕ−２．１〜２．９質量％Ｍｇ−５．１〜６．１質量％Ｚｎ）が知られている。本材料は、非常に高い強度を持ち、例えば航空機などの部材に用いられている。
しかし、７０７５合金は、耐食性、耐応力腐食割れ性が不十分であるという問題があった。また、製造時において、焼入れ性が不十分なため、焼入れ時に粗大な金属間化合物の析出を生じ、このため時効処理時の金属間化合物の析出による強度が不十分となり、大型部材の製造が困難であるなどの問題を有している。【０００３】
一般に高強度部材は、熱間成型加工後、溶体化焼入れし、その後冷間加工、時効処理の工程を経て製造される。ここで溶体化焼入れは、熱間成形加工中に析出した金属間化合物を再固溶させる熱処理である。再固溶させることで、その後に続く時効処理時に析出する金属間化合物を細かく、かつ十分な量とすることが出来、高強度化が達成される。焼入れ性が不十分な場合、焼入れ時に粗大な金属間化合物の析出を生じ、このため時効処理時の金属間化合物の析出による強化が不十分となる。【０００４】
これに対し、Ａｌ−Ｍｇ系合金は、一般に、時効硬化しない非熱処理型合金に分類されるため、強度が低いが、熱処理型合金に比較し、耐食性や溶接性がよいことが知られている。そして、この材料を強化するためには、例えば、Ｍｇの添加量を増やすことが行われていた。すなわち、一般的には３〜５％の添加割合を、６％、９％と序々に上げることによって強度の向上を図っていた。しかし、Ｍｇの添加量を増やすにともなって、強度は上昇するが、加工性が悪化するため、Ｍｇの添加量は１０％前後が限界とされてきた。【０００５】
一方、本発明者は、Ａｌ−Ｍｇ系合金に少量のＡｇを添加すると、本材料が時効硬化する熱処理型合金に変化することを発見し、その作用の解析について発表した（非特許文献１参照）。
しかし、時効硬化を施しても、本材料の強度はおよそ４８０ＭＰａであり、７０７５合金の強度には及ばず、未だ不十分であるという問題があった。
【非特許文献１】T.Sato，Proceedings of The 6th International Conference onAluminum Alloys，ICAA-6，Aluminum Alloys Their Physical and MechanicalProperties，VOLUME 2，1998，ｐ763-768
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とする。すなわち、Ａｌ合金において、高強度、耐食性に優れ、かつ、溶接性にも優れるという新しい合金材料およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、第一にＡｌ−Ｍｇ系合金にＡｇを所定量添加することで時効硬化を発現することを見出した。第二に、溶体化処理後、冷間加工することで、材料中に歪を導入することができ、これらの相乗効果によって加工後の材料の強度を大幅に上げることに成功した。第三に、加工後、時効処理によって微細な化合物を析出させ、強度をさらに向上させることに成功した。
すなわち、本発明は以下の構成を有する。
（１）アルミニウム８９〜９２．５質量％、マグネシウム７〜１０質量％、銀０．５〜１．０質量％、からなるアルミニウム合金材料の製造方法において、
原料の溶湯を準備する工程と、
該溶湯を混合した後、冷却凝固してアルミニウム合金インゴットを得る工程と、
要すれば、該インゴットを所望の形状に加工する工程と、
アルミニウム合金インゴット又は加工された所望形状のインゴットを溶体化処理し固溶体を得る工程と、
該固溶体を水焼入れする工程と、
その後、固溶体を冷間加工する工程と、
冷間加工に続いて時効処理を行う工程と、
を有することを特徴とする、アルミニウム合金材料の製造方法。
（２）冷間加工の加工率が、７〜１５％の範囲である前記（１）に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
（３）冷間加工の加工率が、約７％である前記（１）に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
（４）時効処理が、１６０〜２４０℃の範囲で行われる前記（１）又は（２）に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
（５）時効処理が、約１６０℃で行われる前記（１）又は（２）に記載のアルミニウム合金材料の製造方法。
（６）アルミニウム８９〜９２．５質量％、マグネシウム７〜１０質量％、銀０．５〜１．０質量％、からなるアルミニウム合金材料であって、硬度が１６０〜１８０ＶＨＮ（強度が５００〜６５０ＭＰａ）であることを特徴とするアルミニウム合金材料。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、Ａｌ合金で最強と言われる７０７５（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系）合金とほぼ同等の強度を有し、かつ、耐腐食性に優れた合金を提供することができる。さらに、本合金は７０７５合金の有しない溶接性をも備えるため、その用途はさらに広がることが予想される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例１および比較例１の結果を表すグラフである。
【図２】実施例２および比較例２の結果を表すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（組成）
本発明で用いる材料は、Ａｌ−Ｍｇ−Ａｇ合金である。本材料の組成は、Ａｌは８９〜９２．５質量％、Ｍｇは７〜１０質量％、Ａｇは０．５〜１．０質量％である。このうちでもＡｌは８９．５質量％、Ｍｇは１０質量％、Ａｇは０．５質量％が特に望ましい。【００１１】
（材料の調整）
上記組成となるように原料を秤量し、まずＡｌを約７５０℃に加熱保持して溶解し、これに単体のＭｇ、Ａｇを粒状または塊状で添加し、これらを溶解し、溶湯を得る。この溶湯を金型に注湯して凝固させ、アルミニウム合金のインゴットを製造する。この際、Ｍｇは酸化しやすいため、最後に加える。
次に、必要に応じてインゴットを所望の形状に切り出す。なお、あらかじめ所望形状の型に直接、混合溶湯を流し込み、冷却凝固して、所望形状のインゴットを得ることもできるし、インゴットを熱間加工により所望形状にしてもよい。所望の形状とは、例えば丸棒が欲しい場合は、円柱状の金型を用い、板状のものが欲しい場合には四角柱の金型を用いる。また、薄板が欲しい場合は、熱間圧延ロールにより押し伸ばすことで所望形状とすることができる。【００１２】
（溶体化処理）
溶体化処理は、高温、例えば約５００℃（±１℃）で３０分〜１時間、ソルトバス（塩浴）中に前記アルミニウム合金インゴットを浸積することにより行われる。この溶体化処理により複数の化合物相からなる合金の均一固溶体化が行われる。
溶体化処理後、アルミニウム合金インゴットは水焼入れ（水による急冷）され、その後冷間加工が施される。【００１３】
（冷間加工）
次に、アルミニウム合金インゴット又は加工された所望形状のインゴットに対して、冷間加工を行う。
冷間加工とは、金属材料の再結晶温度以下で加工することをいう。本発明の組成からなるアルミニウム合金の場合、１００℃以下で加工することをいう。冷間加工は、形状を作るという加工目的のほかに、加工によって導入される歪よる硬化の目的から行われる。溶体化処理、水焼入れ後、冷間加工の工程を経ることで、加工硬化によって、材料の硬さが上昇し、さらにその後の時効処理によって材料中にＭｇ３２（Ａｌ、Ｚｎ）４９の準結晶が析出し、材料強度のアップにつながる。本発明では、冷間加工を施した場合は、施さない場合に比べ、強度としての測定硬度が約７０％アップすることがわかった。また、冷間加工後時効処理をした場合は、冷間加工無しで時効処理をした場合に比べ、時間及び温度に関係なく硬度は約２０％アップした。【００１４】
（加工条件）
本発明のアルミニウム合金の冷間加工は、例えば、室温（２３±５℃）で行う。
また、冷間加工の加工率は７〜１５％の範囲で行われる。ここで、加工率７％とは、加工前の材料の厚さを７％減少させるような加工をいい、例えば、圧延加工などにより行うことができる。【００１５】
（時効処理）
本発明では、冷間加工後、熱処理の１つである、時効処理を行う。ここで、合金に時効処理を行って物理的および機械的性質の変化が認められるような合金を熱処理型合金といい、変化が認められないような合金を非熱処理型合金という。物理的・機械的性質の変化として例えば、時間の経過とともに硬化が進行し、材料の強度が上がる、時効硬化があげられる。
アルミニウム合金のうち、Ａｌ−Ｍｇ合金は非熱処理型合金に属すると言われている。
従って、Ａｌ−Ｍｇのみでは時効硬化は現れないが、本発明者は、０．５％程度のＡｇを加えることで時効硬化が現れることを見出していた。そして、今回、本発明ではその性質を利用した上で、さらに本組成の合金材料に冷間加工処理を行うことで強度が飛躍的に向上することを見出し、本発明の材料の実現化をはかるものである。【００１６】
（時効処理の条件）
時効処理は１６０〜２４０℃で行う。このうち、硬度が最大となる約１６０℃が特に好ましい。また、時効処理は、時効温度によって硬度が最大となるまでの処理時間が異なり、例えば、時効処理の温度が１６０℃の場合は処理時間は１４０時間、２００℃の時は１６時間、２４０℃の時は５時間の処理で硬度が最大となる。さらに冷間加工を加えた場合、時効処理の時間はこれより短縮される。【００１７】
（強度）
このように、本発明の材料は、Ａｌ−Ｍｇ−Ａｇからなる合金について、溶体化処理、水焼入れ後の冷間加工、時効処理をすることにより得られる。このようにして得られた本発明の材料強度は、アルミニウム合金の中でも最も高強度といわれる７０７５合金に匹敵するものである。
なお、本発明でいう強度は、後述する実施例では硬度として測定を行ったところ、１６０〜１８０ＶＨＮであった。そして、硬度と引張り強度の間には、一定の関係が成り立つため、本発明の材料の硬度を引張り強度に換算すると、５００〜６５０ＭＰａといえる。
なお、比強度でいうと、１８５〜２４０ＭＰａ／（Ｋｇ／ｍ３）に相当する。【００１８】
さらに、本発明の材料は、Ａｌ−Ｍｇ系合金であるため、耐食性及び溶接性にも優れる。一般に時効硬化を示す材料は溶接性が悪いと言われているが、本発明は、これに反し、良好な溶接性を有する。例えば、航空機構造材料として使用されている７０７５合金では、リベットによる接合が行われているが、本発明は溶接による接合が可能であるため、リベットを用いた接合に要する多大な工数を削減することが可能となる。
従って、本発明の材料は、高強度かつ良溶接性のため航空機、電車車両として良好に用いることが出来るものと思われる。【００１９】
以下に本発明の材料の製造方法について具体的に述べるが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、溶体化処理、水焼入れ後、冷間加工し、その後人工時効する処理のことをＴ８処理（ＪＩＳ）というが、後述する実施例ではＴ８処理を行い、比較例では、冷間加工を行わないＴ６処理を行った。
【実施例１】
【００２０】
（材料の調整）
高純度の原料（９９．９９％Ａｌ、９９．９％Ｍｇ、９９．９％Ａｇ）を用いて、大気条件下、高純度のアルミナのるつぼの中でこれらを溶融し、以下の手順でＡｌ−１０質量％Ｍｇ−０．５質量％Ａｇで表す組成のアルミニウム合金インゴットを製造した。
まず、アルミニウムを溶解し、そこにマグネシウムと銀の塊を添加して攪拌し、合金の溶湯を準備した。次に、該溶湯を１１０mm×６０mm×１５mmの寸法の金型に流し込んで自然冷却により溶湯を凝固させ、アルミニウム合金インゴットを作製した。そして、このアルミニウム合金インゴットを、インゴット内部の組織の均質化を図るために３５０℃で５２時間加熱した（均質化処理、ホモジナイズともいう）。インゴットの表面はスムーズでは無いため、各側面の表面を機械加工で切削を行い、この表面が滑らかになったインゴットを厚さ約５０ｍｍとなるように熱間ロールでシート状に引き伸ばした（熱間圧延加工ともいう）。【００２１】
（溶体化処理〜水焼き入れ）
シート状に引き伸ばされたアルミニウム合金材料を５００℃（±１℃）で１時間、ソルトバス（塩浴）中で溶体化処理し、水焼き入れ（水冷による急冷）後、冷間加工を行った。【００２２】
2006051789.tif 000002
【００２３】
（時効処理）
冷間加工後、１６０℃（±２℃）で２４００時間までの様々な時間、オイルバスまたはソルトバス中で時効処理が行われた。【００２４】
（硬度測定）
これらの合金の時効硬化特性について測定した。各温度における時効処理の作用について、厚さ５０ｍｍのサンプルの硬度を、ヴィッカース硬さ試験機を用い５Ｋｇの荷重をかけて測定した。各サンプルにつき、８箇所について硬度を測定し、そのうち最大値と最小値を除外して残った６つの硬度測定値から硬度の平均値を算出した。【００２５】
（結果）
本実施例の結果について、比較例１の結果とともにグラフ化して図１に示す。時効温度は１６０℃である。グラフの横軸は時効処理の時間、縦軸は硬度測定値を表す。これより、１０時間（ｈ）までの間において、冷間加工を施したＴ−８処理（実施例１）の方が冷間加工を行わないＴ−６処理（比較例１）に比べ硬度が約４０〜８０ＶＨＮ高いことがわかる。また、硬度が最高値になるまで、冷間加工をした場合は、１０ｈであるのに対し、冷間加工をしない場合は、１００ｈもかかっている。このことから冷間加工を行うことで、時効硬化が最大限となるまでの時間を短縮することができ、その時間差は１０倍以上であることがわかった。従って、本材料を用いて、高硬度の製品を得るためには、冷間加工を行うことで、加工時間を大幅に短縮することが可能となり、生産性を飛躍的に向上させることができる。
【実施例２】
【００２６】
実施例１の時効処理の温度を２００℃で行った以外は実施例１と同一の処理を行ってサンプルを得、硬度の測定を行った。本実施例の結果について、比較例２の結果とともにグラフ化して図２に示す。
【比較例１】
【００２７】
実施例１のうち、冷間加工を行わなかった以外は、同一の処理を行ってサンプルを得、硬度の測定を行った。本比較例の結果について、実施例１の結果とともにグラフ化して図１に示す。
【比較例２】
【００２８】
実施例２のうち、冷間加工を行わなかった以外は、同一の処理を行ってサンプルを得、硬度の測定を行った。本比較例の結果について、実施例２の結果とともにグラフ化して図２に示す。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の材料は、アルミニウム系合金において、強度と溶接性、さらに耐食性の全てを兼ね備えており、高級材料として、航空機、スポーツ用品の材料として好適に用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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