(57)【要約】  高強度、高延性、高い耐クリープ性、高い熱安定性、及び耐久性を示し、再生利用された使用済みアルミニウム缶を利用して製造できるアルミニウム−マンガン−ジルコニウム−接種剤合金。【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム、マンガン、マグネシウム、ケイ素、ジルコニウム、及び接種剤を含み、且つＡｌ３Ｚｒを含むナノスケール析出物を含むアルミニウム合金であって；
前記ナノスケール析出物が約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し；
前記ナノスケール析出物の平均数密度が約２０２１ｍ−３以上であり；
前記接種剤がスズを含み；
前記アルミニウム合金がハードテンパーである場合、それが、室温で、少なくとも約３３０ＭＰａの降伏強度、少なくとも約３６０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約３％の伸びを有し；且つ
前記アルミニウム合金がソフトテンパーである場合、それが、室温で、少なくとも約２３０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約１０％の伸びを有するアルミニウム合金。
【請求項２】
約０．０５〜約０．７重量％の鉄をさらに含み；且つ
約０．８〜約１．５重量％のマンガン；
約０．０５〜約３．０重量％のマグネシウム；
約０．０５〜約０．６重量％のケイ素；
約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；
約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び
残部としてのアルミニウム
を含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
約０．０５〜約０．２重量％の銅をさらに含む、請求項２に記載のアルミニウム合金。
【請求項４】
複数のＬ１２析出物が約１０ｎｍ以下の平均直径を有する、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項５】
複数のＬ１２析出物が約３ｎｍ〜約７ｎｍの平均直径を有する、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項６】
前記アルミニウム合金がハードテンパーである場合、前記合金が、室温で、少なくとも約３７０ＭＰａの降伏強度、少なくとも約３９５ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約４％の伸びを有する、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項７】
約０．７重量％の鉄をさらに含み、且つ、約１．２重量％のマンガン、０．４重量％のマグネシウム、約０．５重量％のケイ素、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項８】
約０．４重量の鉄をさらに含み、且つ、約１．２重量％のマンガン、１．０重量％のマグネシウム、約０．３重量％のケイ素、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項９】
約０．１５重量％の銅及び約０．５重量％の鉄をさらに含み、且つ、約１．０重量％のマンガン、１．０重量％のマグネシウム、約０．２重量％のケイ素、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１０】
約０．１７重量％の銅及び約０．５２重量％の鉄をさらに含み、且つ、約０．８５重量％のマンガン、約２．０重量％のマグネシウム、約０．２４重量％のケイ素、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１１】
基本的にスカンジウムを含まない、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１２】
前記合金の少なくとも約７０％が、使用済みアルミニウム缶から再生利用される、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１３】
前記合金の少なくとも約８０％が、使用済みアルミニウム缶から再生利用される、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１４】
前記合金の少なくとも約９０％が、使用済みアルミニウム缶から再生利用される、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１５】
前記合金の少なくとも約９５％が、使用済みアルミニウム缶から再生利用される、請求項１に記載のアルミニウム合金。
【請求項１６】
請求項１に記載のアルミニウム合金から部品を製造する方法であって
ａ）前記合金を約７００℃〜約９００℃の温度で融解すること；
ｂ）次いで、前記合金を鋳型中に周囲温度で鋳造すること；
ｃ）次いで、冷却媒体を使用して、前記鋳造された鋳塊を冷却すること；及び
ｄ）次いで、前記鋳造された鋳塊を、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２時間〜約４８時間の期間、熱時効させること
を含む方法。
【請求項１７】
前記鋳造された鋳塊を冷間圧延して、シート製品を形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
約１４０℃〜約１７０℃の温度で約１〜約５時間の期間、前記シート製品の安定化熱処理を行うことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１に記載のアルミニウム合金から部品を製造する方法であって
ａ）前記合金を約７００℃〜約９００℃の温度で融解すること；
ｂ）次いで、前記合金を鋳型中に周囲温度で鋳造すること；
ｃ）次いで、冷却媒体を使用して、前記鋳造された鋳塊を冷却すること；及び
ｄ）次いで、前記鋳造された鋳塊を熱間圧延して、シートを形成すること
を含む方法。
【請求項２０】
前記シートを、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２時間〜約４８時間の期間、熱時効させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
次いで、前記熱時効工程の後、前記シートを冷間圧延して、薄板又は箔製品を形成することをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記薄板又は箔製品を、約１４０℃〜約１７０℃の温度で約１〜約５時間の期間、熱安定化処理することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ｅ）次いで、前記シートを冷間圧延して、薄板又は箔製品を形成すること；及び
ｆ）次いで、前記薄板又は箔製品を、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２時間〜約２４時間の期間、熱時効させることをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
請求項１に記載のアルミニウム合金を含む飲料缶。
【請求項２５】
請求項１に記載のアルミニウム合金を含むエアゾール缶。
【請求項２６】
請求項１に記載のアルミニウム合金を含むアルミニウム合金部品であって、屋根ふき材、板張り材、化学製造装置、食品製造装置、貯蔵タンク、圧力容器、家電用品、台所用品、板金加工、トラック部品、トレーラー部品、自動車部品、及び熱交換器からなる群から選択されるアルミニウム合金部品。
【請求項２７】
ワイヤ、シート、プレート、及び箔からなる群から選択される、請求項１に記載のアルミニウム合金の成形加工された形態。
【請求項２８】
アルミニウム、マンガン、ジルコニウム、及び接種剤を含み、且つＡｌ３Ｚｒを含むナノスケール析出物を含むアルミニウム合金であって
前記ナノスケール析出物が約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し；
前記ナノスケール析出物の平均数密度が約２０２１ｍ−３以上であり；
前記接種剤がスズを含み；
前記合金が、４００℃の温度で少なくとも約４０ＭＰａの降伏強度を有し；且つ
前記合金のクリープ速度が、２５ＭＰａの印加応力の下４００℃の温度で、毎秒約１０−７未満である、アルミニウム合金。
【請求項２９】
約０．８〜約１．５重量％のマンガン；
約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；
約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び
残部としてのアルミニウム
を含む、請求項２８に記載のアルミニウム合金。
【請求項３０】
約０．０５〜約０．７重量％の鉄；及び
約０．０５〜約０．６重量％のケイ素
をさらに含む、請求項２９に記載のアルミニウム合金。
【請求項３１】
約０．０５〜約０．２重量％の銅をさらに含む、請求項３０に記載のアルミニウム合金。
【請求項３２】
約０．２重量％のケイ素をさらに含み、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項２８に記載のアルミニウム合金。
【請求項３３】
約０．１２重量％の銅、約０．７重量％の鉄、及び約０．５重量％のケイ素をさらに含み、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む、請求項２８に記載のアルミニウム合金。
【請求項３４】
アルミニウム、マンガン、マグネシウム、ケイ素、ジルコニウム、及び接種剤を含み、且つＡｌ３Ｚｒを含むナノスケール析出物を含むアルミニウム合金であって；
前記ナノスケール析出物が約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し；
前記ナノスケール析出物の平均数密度が約２０２１ｍ−３以上であり；
前記接種剤が、ストロンチウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、インジウム、アンチモン、鉛、及びビスマスの１種以上を含み；
前記アルミニウム合金がハードテンパーである場合、それが、室温で、少なくとも約３３０ＭＰａの降伏強度、少なくとも約３６０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約３％の伸びを有し；且つ
前記アルミニウム合金がソフトテンパーである場合、それが、室温で、少なくとも約２３０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約１０％の伸びを有するアルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本願は、２０１７年３月８日に出願され、「高性能３０００系アルミニウム合金」という名称の米国特許出願第６２／４６８，４６１号の出願日の利益を主張し、その内容を参照により本明細書に組み込む。本発明は、National Science Foundationにより与えられる連邦給付金第ＩＩＰ  １５４９２８２号による政府支援によりなされた。政府は本発明に特定の権利を有する。
【０００２】
[0002]  本願は、高強度、高延性、高い耐クリープ性、高い熱安定性及び耐久性を有する３０００系アルミニウム合金のファミリーに関する。開示される合金は、非限定的に、飲料缶及びエアゾール缶の性能を改善するのに特に有利である。さらに、開示される合金は、例えば、屋根ふき及び板張り材、化学及び食料装置、貯蔵タンク、圧力容器、家電用品、台所用品、板金加工、トラック及びトレーラー部品、自動車部品、並びに熱交換器の性能の改善に有利である。
【背景技術】
【０００３】
[0003]  主として飲料を保存するためのアルミニウム缶の製造は、世界中のアルミニウムの唯一最大の使用である。年間生産量は、１年あたり３２００億缶という莫大なものであり、４１億６０００万キログラムのアルミニウムに等しい。さらに、缶に使用されるアルミニウムの７５％は再生利用されるので、アルミニウム缶製造は、恐らく世界の最良の再生利用の例である。アルミニウム缶の製造量は莫大なので、効率改善は、倍数的に増加する巨大な効果を伴う；１グラムの重量が缶で節約されると、世界中で１年あたり２０万トン超のアルミニウムを節約できる。この重量の利益と共に、エネルギー消費並びに輸送の間のＣＯ２排出量が低減される−両方とも環境の持続可能性における主要な測定基準である。さらに、アルミニウム缶が軽いことにより、充填、貯蔵、輸送、及び製品の寿命の最後での廃棄の間に資源の節約を助けることができる。このように、缶の軽量化は、数十年の間、最優先事項であった。
【０００４】
[0004]  飲料包装産業は、できるだけ多く材料を削減し続けながら、缶の性能を維持する方法を常に求めてきた。通常の缶のデザインは２つの部分からなる：缶の本体は、３０００系アルミニウム、具体的にはＡＡ３００４でできており、缶の蓋及びオープナーは、５０００系アルミニウム、具体的にはＡＡ５１８２でできている。アルミニウム缶の一貫した正確な製造の裏にある成功は、強いけれども成形可能な３０００系及び５０００系アルミニウムシートに基づいている。缶の本体は缶の質量の約７５％であり、より小さい蓋は、残りの２５％である。より軽い缶を設計する最も明らかな２つの方法は、（ｉ）より小さい蓋を設計すること、並びに（ｉｉ）缶の壁及び蓋の厚さを減少させることである。缶の本体及び蓋を薄くするために、密度、成形性、及び耐食性などの重要な特性を維持しながら、より強い３０００系及び５０００系合金が必要である。航空宇宙グレードの２０００系及び７０００系は非常に強いが、その低い成形性は缶製造に適していない。そのため、新たな缶製造材料を開発する通常の手法は、現在利用されている合金を改変すること、すなわち、合金組成及び熱機械的プロセスの変更を現在の３０００系及び５０００系合金に加えて、他の重要な性質を犠牲にせずにそれらを強化することである。さらに、缶中のアルミニウムの７５％は再生利用され、現在、アルミニウムシートを鋳直すことに使用されつつあり、それは缶製造業者に返されて、新たなバッチの缶が製造される。再生利用は、缶製造の経済学において重要な役割を果たしており、そのため現在の３０００系及び５０００系合金の改変は、低コストの再生利用された缶の使用を維持することを助けるだろう。
【０００５】
[0005]  市販のアルミニウム合金の強度を増大させ、延性を維持するための周知の手段は、低濃度のスカンジウム（Ｓｃ）の添加である。強化は、時効処理の間のＬ１２構造Ａｌ３Ｓｃナノ析出物（直径約５〜１０ｎｍ）の生成から生じ、それはアルミニウムマトリクスと密着する。これらの析出物の低い体積分率、ナノサイズ、及びマトリックス結合力は、合金が延性及び成形性などの他の性質を維持するのを助ける。しかし、スカンジウムは、非常に高価なので（銀の１０倍高価である）、食品及び飲料包装などのコストに敏感な用途でのその使用が阻まれる。
【０００６】
[0006]  したがって、密度、成形性、及び耐食性などの重要な特性を維持しながら、より強い３０００系アルミニウム合金が必要とされている。より強い材料により、缶の壁はより薄くすることができ、より軽い飲料缶がもたらされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]  本明細書に記載される実施形態は、Ａｌ３Ｚｒナノスケール析出物を含む熱処理型アルミニウム−マンガン系（３０００系）合金であって、ナノスケール析出物が約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し、ナノスケール析出物の平均数密度が約２０２１ｍ−３以上である合金に関する。それらは、基本的にスカンジウムを含まない一方で（すなわち、スカンジウムが故意的に全く加えられない）、高強度、高延性、高い耐クリープ性、高い熱安定性及び耐久性を示す。いくつかの実施形態において、合金は、４００℃もの高い温度で耐熱性且つ耐クリープ性である。いくつかの実施形態において、合金は、再生利用された使用済みアルミニウム缶を利用して製造できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】[0008]図１Ａは、（Ａ）Ａｌ６Ｍｎ析出物を示すＡｌ−１．２Ｍｎ重量％の明視野２ビーム透過型電子顕微鏡画像である。
【図１Ｂ】[0008]図１Ｂは、（Ｂ）α−Ａｌ（Ｍｎ，Ｆｅ）Ｓｉ析出物を示すＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％（ＡＡ３００３）の明視野２ビーム透過型電子顕微鏡画像である。
【図１Ｃ】[0008]図１Ｃは、（Ｃ）Ａｌ（Ｍｎ，Ｆｅ）Ｓｉ及びＬ１２−Ａｌ３Ｚｒナノ析出物を示すＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（本発明の合金）の明視野２ビーム透過型電子顕微鏡画像である。
【図１Ｄ】[0008]図１Ｄは、（Ｄ）図１Ｃの一部を高度に拡大した像である。
【図２Ａ】[0009]図２Ａは、（Ａ）文献のＡＡ３００３合金（●）、及び２つの合金：Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％（□）、及びＡｌ３Ｚｒナノ析出物が存在するＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（本発明の合金）（▲）の伸びに対する引張強度である。
【図２Ｂ】[0009]図２Ｂは、（Ｂ）アニール温度（各温度で１時間）に対する、冷間圧延されたＡｌ−１．２Ｍｎ重量％（Ａｌ−Ｍｎ）及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．２Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（Ａｌ−Ｍｎ−ナノ）（本発明の合金）合金の微小硬度である。
【図３】[00010]図３は、Ａｌ−１．２Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１Ｓｉ重量％（３００４）及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．４Ｍｇ−０．２Ｓｉ重量％（３００５）薄板（厚さ３００μｍ）と比べた、ピーク時効され圧延されたＡｌ−１．２Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．４Ｆｅ−０．３Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（３００４−ナノ）（本発明の合金）及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．４Ｍｇ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（３００５−ナノ）（本発明の合金）の機械的性質である。
【図４】[00011]図４は、Ａｌ−１．２Ｍｎ重量％（Ａｌ−Ｍｎ）、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％（３００３）、及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（３００３−ナノ）（本発明の合金）合金の４００℃での印加応力に対する引張クリープ速度である。
【図５】[00012]図５は、軽量、高温構造用途に使用される市販の２０００系アルミニウム合金（全てＴ６−テンパー）と比べた、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（３００３−ナノ）（本発明の合金）合金の高温（４００℃）での引張強度である。
【図６】[00013]図６は、以下の工程：鋳造、熱間圧延、冷間圧延、及び約３５０℃〜約４５０℃の範囲の温度で約２〜約２４時間の範囲の期間の熱時効処理により製造された、Ａｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ重量％（ＡＡ３００４）（例の合金）及びＡｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（ＡＡ３００４−ナノ）（本発明の合金）の破断点伸びに対する引張強度である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[00014]  ＡＡ３００３アルミニウム合金は、１〜１．５のＭｎ、不純物として０．０５〜０．２のＣｕ、０．７以下のＦｅ及び０．５以下のＳｉを含み、０．０５未満の他の不純物のそれぞれを含む（重量％）３０００系の中で最も基本的な合金である。マンガンは、３０００系アルミニウム合金中の主な合金元素であり、固溶体中で、又は微細な金属間相として強度を増加させる。最高に許容されたＦｅ及びＳｉの濃度並びにＡｌ３Ｚｒナノ析出物の、この基本的な合金の性能に対する効果が調査された。存在するＣｕの低濃度がＡＡ３００３合金の機械的性質に影響しないことが知られていることが留意される。研究される３種の合金、すなわちＡｌ−１．２Ｍｎ、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ、及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ（重量％）のナノ構造が図１Ａ〜１Ｄに示される。比較的低い数密度を有する典型的なＡｌ６Ｍｎ析出物は、主にＡｌ−１．２Ｍｎ合金、図１Ａに観察された。六面構造を有するα−Ａｌ（Ｍｎ，Ｆｅ）Ｓｉ析出物は、主に、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ合金、図１Ｂに観察されたが、ランダムに分布していない。Ｆｅ及びＳｉの濃度が、まだ標準的なＡＡ３００３合金の許容範囲内であることが留意される。言い換えると、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ合金は、American Aluminum（ＡＡ）標準に基づいてＡＡ３００３と分類される。これら２種のＡｌ−Ｍｎ系合金（Ｆｅ及びＳｉあり及びなし）がそれらの析出物構造に明確な違いを有することは非常に興味深く、それは異なる機械的性質をもたらす。２種のナノ析出物の集団、六面α−Ａｌ（Ｍｎ，Ｆｅ）Ｓｉ及びＬ１２−構造Ａｌ３Ｚｒナノ析出物は、主にＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％合金、図１Ｃ及び１Ｄに観察される。これらの析出物種類の両者からの非常に高い数密度が観察されるが、それは最高の強度並びに高温での耐クリープ性をもたらす。
【００１０】
[00015]  図２Ａは、異なる条件に熱処理されたＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％の引張試料の工学伸張に対する最大引張強度（ＵＴＳ）を示す。異なるテンパーを有するＡＡ３００３の文献データも比較のためにプロットされている。強度と延性挙動の通常のトレードオフが両合金で観察される。Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ合金は、他のものと比べて強度と延性のより良好な組み合わせを達成する。例えば、８％の伸びで、ＵＴＳは、ＡＡ３００３で約１３０ＭＰａ、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ（Ａｌ３Ｚｒナノ析出物を含むＡＡ３００３合金）で約１７５ＭＰａであり、これは強度の３５％増加を表す。
【００１１】
[00016]  図２Ｂは、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物が存在する及び存在しないピーク時効されたＡｌ−Ｍｎ試料、すなわち、それぞれＡｌ−１．２Ｍｎ重量％及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．２Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％合金の圧延シートのアニール温度の関数としての微小硬度を示す。このプロットは、再結晶温度で、肌理出し(textured)されると、圧延プロセスにより生じた冷間加工された結晶粒が再結晶化し、成長し、粗くなり、それが材料を柔らかくすることを示す。再結晶温度が、Ａｌ−Ｍｎでは約３５０℃、ナノ析出物を含むＡｌ−Ｍｎ合金では約４６０℃であること（１１０℃の増加）が図２Ｂから明らかである。これは、ツェナーピニングにより結晶粒界の動きを止めることによりＡｌ３Ｚｒナノ析出物が再結晶化を抑制することを示唆する。シート圧延プロセスは、典型的には高温で起こり（すなわち熱間圧延により）、そのため動的再結晶が起こり、ひずみ硬化が効果的でないため、この耐再結晶の増大は、高強度ＡＡ３００３シート及び箔の製造に非常に有益である。新たな合金が４６０℃まで増加した再結晶温度を示すので、ひずみ硬化は有効になり得て、それにより最終的な圧延シート及び箔に強度を加える。
【００１２】
[00017]  市販のＡＡ３００４及びＡＡ３００５薄板と比べた、ピーク時効され且つ圧延された、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物が加えられたＡＡ３００４−ナノ及びＡＡ３００５−ナノの機械的性質が図３に示されている。ＡＡ３００４とＡＡ３００５はどちらも追加のマグネシウムを含むが、ＡＡ３００３は基本的にマグネシウムを含まない。市販のＡＡ３００４及びＡＡ３００５合金と比べて、ＡＡ３００４−ナノとＡＡ３００５−ナノの両方の強度は増加し、延性は同じ又はより良好である。ＡＡ３００５では、降伏強度で３８％及び引張強度で２９％、ＡＡ３００４では、降伏強度で５％及び引張強度で７％の非常に有意な増加が観察された。ＡＡ３００５−ナノ合金の結果は、アルミニウム缶本体を薄くする取り組みにとって非常に有望である。
【００１３】
[00018]  図４は、α−Ａｌマトリックス、Ａｌ−１．２Ｍｎ重量％、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％、及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ合金重量％（本発明の合金）の印加応力の関数としての定常状態引張クリープ速度を示す。クリープ温度はアルミニウム合金では非常に高く、４００℃、すなわち（ケルビンスケールで）融解温度の７２％である。この図は、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎが、１０−７ｓ−１超のひずみ速度で、他の２種の合金と比べて劇的に改善された耐クリープ性を有することを示す。限界応力は、それ未満では観察可能なクリープが全く検出されない点だが、それは３種の合金全てに存在する。その値は、Ａｌ−１．２Ｍｎ重量％では約１５ＭＰａ、及びＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％とＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％合金の両方では約２２ＭＰａである。Ａｌ３Ｚｒナノ析出物が加えられたＡｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ重量％合金の劇的な耐クリープ性の改善は、２８ＭＰａの印加応力下で約４桁緩徐化されたひずみ速度に等しい（これは、約４００日に対して１時間での同じ歪みの蓄積に相当する）。このように、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物の添加により、合金はＡＡ３００３合金の熱安定性及び耐久性の強力な改善を示す。
【００１４】
[00019]  図５は、エンジンブロック及びピストンなど、現在高温で利用されている市販の２０００系アルミニウム合金と比べた、Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％の非常に高温での（４００℃）機械的強度を示す。Ａｌ−１．２Ｍｎ−０．１２Ｃｕ−０．７Ｆｅ−０．５Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％本発明の合金の降伏強度と引張強度の両方とも、２０００系アルミニウム合金の約２倍である。そのような高温でのこの非常に高い強度は、軽量及び優れた高温性能を要する自動車及び航空宇宙部品の巨大な潜在的用途を呈する。しかしながら、ＡＡ３００３−ナノのコストは、主にＡＡ３００３−ナノが再生利用された飲料缶を利用して製造できるという理由で、２０００系アルミニウム合金よりはるかに低い（それぞれ、約０．６ドル／ポンドと約１．０／ポンド）。
【００１５】
[00020]  図６は、以下の工程：鋳造、熱間圧延、冷間圧延、及び約３５０℃〜約４５０℃の範囲の温度で約２〜約２４時間の範囲の期間の熱時効処理により製造されたＡｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ重量％（ＡＡ３００４）（例の合金）、及びＡｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（ＡＡ３００４−ナノ）（本発明の合金）の破断点伸びに対する引張強度を示す。破断点伸び試料では、ＡＡ３００４−ナノ合金は、ＡＡ３００４合金と比べて約２０〜３０ＭＰａ高い引張強度を達成する。同じ引張強度では、ＡＡ３００４−ナノ合金は、約０．０２〜０．０３高い破断点伸びを達成する。これらの改善は、合金中のＺｒ及びＳｎの存在から、上述の処理工程により生じたＡｌ３Ｚｒナノ析出物の存在の結果である。
【００１６】
[00021]  表１は、Ａｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ重量％（ＡＡ３００４）（例の合金１）、Ａｌ−１．０Ｍｎ−１．０Ｍｇ−０．１５Ｃｕ−０．５Ｆｅ−０．２Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（ＡＡ３００４−ナノ）（本発明の合金１）、Ａｌ−０．８５Ｍｎ−２．０Ｍｇ−０．１７Ｃｕ−０．５２Ｆｅ−０．２４Ｓｉ重量％（ＵＢＣ）（例の合金２）、及びＡｌ−０．８５Ｍｎ−２．０Ｍｇ−０．１７Ｃｕ−０．５２Ｆｅ−０．２４Ｓｉ−０．３Ｚｒ−０．１Ｓｎ重量％（ＵＢＣ−ナノ）（本発明の合金２）の薄板（厚さ０．２５ｍｍ）の機械的性質を列記する。ＡＡ３００４は、飲料缶本体用の通常のアルミニウム合金である。ＡＡ３００４−ナノ合金（本発明の合金１）は、ＡＡ３００４合金（例の合金１）と比べて、基本的に同じ破断点伸びを維持しながらより高い降伏強度及び引張強度を達成する。ＵＢＣは、使用済み飲料缶（ＵＢＣ）の再融解により製造された合金である。典型的には、ＵＢＣの化学組成は、Ａｌ−０．８５Ｍｎ−２．０Ｍｇ−０．１７Ｃｕ−０．５２Ｆｅ−０．２４Ｓｉ重量％である。Ｚｒ及びＳｎを加えてＡｌ３Ｚｒナノ析出物を形成した後、ＵＢＣ−ナノ（本発明の合金２）は、ＵＢＣ合金（例の合金２）と比べて、基本的に同じ破断点伸びを維持しながら、より高い降伏強度及び引張強度を達成する。再生利用された使用済み飲料缶を利用するため、ＵＢＣとＵＢＣ−ナノ合金のどちらの材料コストも、飲料缶に利用される通常の３０００系アルミニウム合金よりはるかに低い。表１の合金の薄板は、以下の工程：鋳造、熱間圧延、アニーリング、冷間圧延、及び安定化熱処理により製造された。
【００１７】
【表１】
2020510760.tif 000002
【００１８】
[00022]  一実施形態において、アルミニウム合金は、アルミニウム、マンガン、ジルコニウム、及び接種剤を含み、Ａｌ３Ｚｒを含むナノスケール析出物を含み、ナノスケール析出物は約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し、ナノスケール析出物の平均数密度は約２０２１ｍ−３以上であり、接種剤はスズを含む。
【００１９】
[00023]  一実施形態において、アルミニウム合金は、４００℃の温度で少なくとも約４０ＭＰａの降伏強度を有する。
【００２０】
[00024]  一実施形態において、アルミニウム合金のクリープ速度は、２５ＭＰａの印加応力の下、４００℃の温度で、毎秒約１０−７未満である。
【００２１】
[00025]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．８〜約１．５重量％のマンガン；約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００２２】
[00026]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．０５〜約０．７重量％の鉄；約０．０５〜約０．６重量％のケイ素；約０．８〜約１．５重量％のマンガン；約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００２３】
[00027]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．０５〜約０．７重量％の鉄；約０．０５〜約０．６重量％のケイ素；約０．８〜約１．５重量％のマンガン；約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；約０．０１〜約０．２重量％のスズ；約０．０５〜約０．２重量％の銅；及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００２４】
[00028]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．２重量％のケイ素、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００２５】
[00029]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．１２重量％の銅、約０．７重量％の鉄、約０．５重量％のケイ素、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００２６】
[00030]  一実施形態において、アルミニウム合金は、アルミニウム、マンガン、マグネシウム、ケイ素、ジルコニウム、及び接種剤を含み、Ａｌ３Ｚｒを含むナノスケール析出物を含み、ナノスケール析出物は、約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中のＬ１２構造を有し、ナノスケール析出物の平均数密度は約２０２１ｍ−３以上であり、接種剤は、スズ、ストロンチウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、インジウム、アンチモン、鉛、及びビスマスの１種以上を含む。
【００２７】
[00031]  一実施形態において、アルミニウム合金がハードテンパー(hard-temper)である場合、それは、室温で、少なくとも約３３０ＭＰａの降伏強度、少なくとも約３６０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約３％の伸びを有する。
【００２８】
[00032]  一実施形態において、アルミニウム合金がソフトテンパー(soft-temper)である場合、それは、室温で、少なくとも約２３０ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約１０％の伸びを有する。
【００２９】
[00033]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．０５〜約０．７重量％の鉄；約０．０５〜約０．６重量％のケイ素；約０．０５〜約３．０重量％のマグネシウム；約０．８〜約１．５重量％のマンガン；約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３０】
[00034]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．０５〜約０．２重量％の銅；約０．０５〜約０．７重量％の鉄；約０．０５〜約０．６重量％のケイ素；約０．０５〜約３．０重量％のマグネシウム；約０．８〜約１．５重量％のマンガン；約０．２〜約０．５重量％のジルコニウム；約０．０１〜約０．２重量％のスズ；及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３１】
[00035]  一実施形態において、アルミニウム合金がハードテンパーである場合、合金は、室温で、少なくとも約３７０ＭＰａの降伏強度、少なくとも約３９５ＭＰａの引張強度、及び少なくとも約４％の伸びを有する。
【００３２】
[00036]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約１０ｎｍ以下の平均直径を有する複数のＬ１２析出物を含む。
【００３３】
[00037]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約３ｎｍ〜約７ｎｍの平均直径を有する複数のＬ１２析出物を含む。
【００３４】
[00038]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．４重量％のマグネシウム、約０．７重量％の鉄、約０．５重量％のケイ素、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３５】
[00039]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約１．０重量％のマグネシウム、約０．４重量％の鉄、約０．３重量％のケイ素、約１．２重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３６】
[00040]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．１５重量％の銅、約１．０重量％のマグネシウム、約０．５重量％の鉄、約０．２重量％のケイ素、約１．０重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３７】
[00041]  一実施形態において、アルミニウム合金は、約０．１７重量％の銅、約２．０重量％のマグネシウム、約０．５２重量％の鉄、約０．２４重量％のケイ素、約０．８５重量％のマンガン、約０．３重量％のジルコニウム、約０．１重量％のスズ、及び残部としてのアルミニウムを含む。
【００３８】
[00042]  いくつかの実施形態において、アルミニウム合金の少なくとも７０％（いくつかの実施形態において、少なくとも８０％、いくつかの実施形態において、少なくとも９０％、及びいくつかの実施形態において、少なくとも９５％）は、使用済みアルミニウム缶から再生利用される。
【００３９】
[00043]  開示されるアルミニウム合金は基本的にスカンジウムを含まず、それは、スカンジウムが故意に全く加えられていないことを意味すると理解される。アルミニウム合金へのスカンジウムの添加は、機械的性質にとって有利である。例えば、それは、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，６２０，６５２号に記載されている。しかし、スカンジウムは非常に高価であるため（銀の１０倍高価である）、その実際的な用途が厳しく制限されている。
【００４０】
[00044]  約０．３重量％までの濃度のジルコニウムが、結晶粒微細化のためにアルミニウム合金に加えられることがある。微細化された結晶粒構造は、最終生成物の鋳造性、延性、及び加工性を改善するのを助ける。１例は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第５，９７６，２７８号に記載されている。本願において、基合金の機械的強度、延性、耐クリープ性、熱安定性及び耐久性を改善する目的で、約０．５重量％未満、好ましくは約０．４重量％未満の濃度のジルコニウムが接種剤元素と共に加えられて、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物が形成するが、ナノスケール析出物は約２０ｎｍ以下の平均直径を有し、α−Ａｌ面心立方構造マトリックス中にＬ１２構造を有し、ナノスケール析出物の平均数密度は約２０２１ｍ−３以上である。一般的に、約０．２重量％を超える濃度のジルコニウムが、Ｚｒ原子がＡｌ３Ｚｒナノ析出物を形成する充分な推進力を持つために必要とされる。
【００４１】
[00045]  開示されるアルミニウム合金は接種剤を含むが、接種剤は、スズ、ストロンチウム、亜鉛、ガリウム、ゲルマニウム、ヒ素、インジウム、アンチモン、鉛、及びビスマスの１種以上を含む。接種剤の存在は、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物の析出速度を加速させ、そのためこれらの析出物は、熱処理の間の実際的な時間内に形成され得る。言い換えると、有益なＡｌ３Ｚｒナノ析出物は、接種剤の存在しない場合の数週間又は数か月の熱処理と比べて、接種剤の存在により数時間の熱処理内に形成できる。全接種剤元素の中で、スズは、Ａｌ３Ｚｒナノ析出物の析出速度を加速させる点で最良の性能を発揮するようである。約０．２％未満のスズ濃度が、言及された目的に必要である。この値を超えると、スズはアルミニウム固体マトリックス中にバブル及び／又は液相を形成するが、それは機械的性質には有害である。この挙動は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，４５３，２７２号に記載されている。
【００４２】
[00046]  開示されるアルミニウム合金から部品を製造する一方法は、ａ）合金を約７００〜９００℃の温度で融解すること；ｂ）次いで、合金を、鋳型中に周囲温度で鋳造すること；ｃ）次いで、冷却媒体を使用して、鋳造された鋳塊を冷却すること；及びｄ）次いで、鋳造された鋳塊を、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２〜約４８時間の期間、熱時効させることを含む。一実施形態において、方法は、鋳造された鋳塊を冷間圧延してシート製品を形成することをさらに含む。一実施形態において、方法は、約１４０℃〜約１７０℃の温度で約１〜約５時間の期間のシート製品の最終的な安定化熱処理をさらに含む。いくつかの実施形態において、冷却媒体は、空気でも、水でも、氷でも、ドライアイスでもよい。上述の熱時効工程（３５０〜４５０℃で２〜４８時間）は、開示されるアルミニウム合金を含む部品のためのピーク時効であると決定される。開示されるアルミニウム合金から製造された部品がピーク時効される場合、部品のミクロ構造は熱的に安定であり、長時間高温に曝されても変化しない。
【００４３】
[00047]  開示されるアルミニウム合金から部品を製造する別の方法は、ａ）合金を、約７００〜９００℃の温度で融解すること；ｂ）次いで、合金を、鋳型中に周囲温度で鋳造すること；ｃ）次いで、冷却媒体を使用して、鋳造された鋳塊を冷却すること；及びｄ）次いで、合金を熱間圧延してシートにすることを含む。一実施形態において、方法は、次いで、シートを、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２〜約４８時間の期間、熱時効させることをさらに含む。一実施形態において、方法は、次いで、熱時効工程の後にシートを冷間圧延して、薄板又は箔製品を形成することをさらに含む。一実施形態において、方法は、約１４０℃〜約１７０℃の温度で約１〜約５時間の期間の、薄板又は箔製品の最終的な安定化熱処理をさらに含む。
【００４４】
[00048]  開示されるアルミニウム合金から部品を製造する別な方法は、ａ）合金を約７００〜９００℃の温度で融解すること；ｂ）次いで、合金を、鋳型中に周囲温度で鋳造すること；ｃ）次いで、冷却媒体を使用して、鋳造された鋳塊を冷却すること；ｄ）次いで、合金を熱間圧延してシートにすること；ｅ）次いで、シートを冷間圧延して、薄板又は箔製品を形成すること；ｆ）次いで、薄板又は箔製品を、約３５０℃〜約４５０℃の温度で約２〜約２４時間の期間、熱時効させることを含む。
【００４５】
[00049]  開示される合金のいくつかの用途には、例えば、飲料缶、エアゾール缶、屋根ふき材、板張り材、化学製造装置、食品製造装置、貯蔵タンク、圧力容器、家電用品、台所用品、板金加工、トラック部品、トレーラー部品、自動車部品、及び熱交換器がある。開示されるアルミニウム合金のいくつかの成形加工された形態には、例えば、ワイヤ、シート、プレート、及び箔がある。
【００４６】
[00050]  前記から、本発明の新規な概念の真の趣旨及び範囲から逸脱せずに、多くの改変体及び変形体が実施され得ることが理解されるだろう。示され且つ説明された具体的な実施形態に関して限定は全く意図されず、推測されるべきでないことが理解されるべきである。
【図１Ａ−１Ｂ】
2020510760.tif 000003
【図１Ｃ−１Ｄ】
2020510760.tif 000004
【図２Ａ】
2020510760.tif 000005
【図２Ｂ】
2020510760.tif 000006
【図３】
2020510760.tif 000007
【図４】
2020510760.tif 000008
【図５】
2020510760.tif 000009
【図６】
2020510760.tif 000010
【国際調査報告】
2020510760.tif 000011
2020510760.tif 000012