(57)【要約】  構造部品のニアネットシェイプ鋳造のためのアルミニウム合金が開示される。この合金は、２〜１０重量％のＺｎと、０．５〜５重量％のＭｇと、０．５〜５重量％のＦｅと、任意でＣｕ、Ｔｉ、Ｓｒ、Ｂｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｃ、Ｎａ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｂ、およびＮｉと、残部のアルミニウムとを含有する。この合金は、溶体化、インキュベーション、エージング、および２段階以上の熱処理からなる群から選択される熱処理に供されうる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
添付の文書および図に記載のアルミニウム合金。
【請求項２】
２〜１０重量％の亜鉛（Ｚｎ）と、
０．５〜５重量％のマグネシウム（Ｍｇ）と、
０．５〜５重量％の鉄（Ｆｅ）と
を含み、
アルミニウム（Ａｌ）、ならびに他の元素（銅、チタン、ストロンチウム、ベリリウム、ジルコニウム、バナジウム、クロム、スカンジウム、ナトリウム、ケイ素、マンガン、モリブデン、ホウ素、およびニッケル）、および不純物が重量％の残部を占める、アルミニウム合金。
【請求項３】
４〜１０重量％の亜鉛（Ｚｎ）と、
１．５〜３重量％のマグネシウム（Ｍｇ）と、
１．５〜３％の鉄（Ｆｅ）と、
不可避の不純物と
を含むアルミニウム合金。
【請求項４】
４．５〜７重量％の亜鉛（Ｚｎ）と、
２〜２．５重量％のマグネシウム（Ｍｇ）と、
１．５〜４％の鉄（Ｆｅ）と、
不可避の不純物と
を含むアルミニウム合金。
【請求項５】
４．７〜６．９重量％の亜鉛（Ｚｎ）と、
２．１〜２．２４重量％のマグネシウム（Ｍｇ）と、
１．５６〜３．７８％の鉄（Ｆｅ）と、
０．０５〜０．３８銅（Ｃｕ）と、
０．０２〜０．２４マンガン（Ｍｎ）と、
不可避の不純物と
を含むアルミニウム合金。
【請求項６】
２〜１０重量％の亜鉛と、
０．５〜５重量％のマグネシウムと、
０．５〜５重量％の鉄と、
０〜４重量％の銅と、
０〜１重量％のマンガンと、
０〜０．５重量％のチタンと、
０〜０．１５重量％のホウ素と、
０〜０．５重量％のジルコニウムと、
０〜０．５重量％のバナジウムと、
０〜０．５重量％のスカンジウムと、
０〜０．５重量％のクロムと、
０〜０．１重量％のストロンチウムと、
０〜０．１重量％のナトリウムと、
０〜０．５重量％のホウ素と、
０〜０．２重量％のベリリウムと
を含むアルミニウム合金。
【請求項７】
溶体化のみ、インキュベーションのみ、エージングのみ、無処理、または２段階以上の熱処理からなる群の１つ以上の要素である熱処理に供された請求項１〜６のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。
【請求項８】
４６０℃で３．５時間〜２４時間行われる、冷水による急冷を伴う１段階の溶体化、
４５０℃で１２〜２２時間、さらに１時間につき５〜３０℃で４７５〜５００℃まで上げた後、４７５〜５００℃で４〜７時間行われる、冷水による急冷を伴う２段階の溶体化、
溶体化とエージングとの間に室温で１〜２４時間行われるインキュベーション、
１２０〜１７０℃で１〜２４時間行われる１段階のエージング、および
１２０℃で１〜２４時間、さらに１５０〜１８０℃で１〜２４時間行われる２段階のエージング、
のうち１つによって熱処理された、請求項１〜６のいずれか１項に記載のアルミニウム合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金の分野に関する。本発明は、主合金元素として亜鉛、マグネシウム、および鉄、ならびに可能な微量合金元素として銅、マンガン、チタン、ホウ素、ジルコニウム、バナジウム、スカンジウム、クロム、ストロンチウム、ナトリウム、モリブデン、ケイ素、ニッケル、およびベリリウムを利用するアルミニウム合金である。より具体的には、本発明は、構造部品および非構造部品のニアネットシェイプ鋳造のためのアルミニウムベースの合金に関する。さらに、このアルミニウム合金は、鋳造時に妥当な耐食性を有する。
【背景技術】
【０００２】
アルミニウム合金は、強度を著しく損なうことなく耐食性と軽量とを併せ持つことが要求される構造部品および製造において広く使用されている。アルミニウム合金には多くの配合が存在し、当該Ａｌ合金の配合および当該合金を製造するために使用される方法に依存して、それぞれ異なる特性を有する。配合によっては、強度を上げるために靭性を犠牲にするなど、特定のトレードオフが存在しうる。コストと製造の容易さもまた、アルミニウム合金の種類を考慮する際の要因となる。
【発明の概要】
【０００３】
アルミニウム合金は、自動車産業用途および非自動車産業用途のための、構造的な、および非構造的なニアネットシェイプ部品を可能にするために開発されてきた。重力または圧力を利用する任意の金型または砂型鋳造プロセスを使用して、アルミニウム合金からニアネットシェイプ部品を製造することができる。該プロセスには高圧ダイカスト（ＨＰＤＣ）が含まれるが、これに限定はされない。該製造方法には、鋳造プロセスにおいて真空を利用する方法が含まれうる。本明細書で提案される合金のファミリーから製造されるコンポーネントはいずれも、使用中の引張強度、延性、および耐食性の改善を目的として、焼き戻しを何通りかに組み合わせた熱処理に付すことができる。
【０００４】
この新しいアルミニウム合金は、材料の利点の中でも特に、一軸引張特性および疲労特性に優れたコンポーネントを製造する際に使用できる配合を提供する。既存の市販品のうち最も優れたアルミニウム合金と比較した場合、この新しいアルミニウム合金は、同様の熱処理焼き戻し条件での比較において、強度および伸びにおいて最大２００％の改善を達成しうる。靭性などの他の特性の悪化を最小限に抑えながら、強度などの単一の特性を最大化することだけに焦点を合わせるのではなく、本発明は、同時にいくつかの重要な材料特性を向上させると同時に製造プロセスを改善することを考慮するものである。例えば、このアルミニウム合金を製造する際には、ダイソルダリングの発生率が低減され、金型キャビティの寿命が改善されると共に、流動性および鋳造性が改善される。さらに、合金のリサイクル性および再利用性が改善される。また、この合金は、より多くの元素に対してパラメータを指定し、使用される元素の許容範囲をより広くすることができる。
【０００５】
この新しい合金は、合金の様々な組成のバリエーションを使用して試験されている。これらは、高圧ダイカスト、永久鋳型鋳造（重力利用）、および砂鋳型鋳造などの金型および砂型鋳造プロセスについて評価されており、全てにおいて良い結果が得られている。
【０００６】
本発明は、主合金元素として亜鉛、マグネシウム、および鉄と、可能な微量合金元素として銅、マンガン、チタン、ホウ素、ジルコニウム、バナジウム、スカンジウム、クロム、ストロンチウム、ナトリウム、モリブデン、ケイ素、ニッケル、およびベリリウムを利用するアルミニウム合金である。
【０００７】
より具体的には、構造部品のニアネットシェイプ鋳造のための、主合金元素として亜鉛、マグネシウム、および鉄を有するアルミニウムベースの合金は、Ａｌに加えて、以下の重要な元素のうち１つ以上を含む。
２〜１０重量パーセントの亜鉛
０．５〜５重量パーセントのマグネシウム
０．５〜５重量パーセントの鉄
０〜４重量パーセントの銅
０〜０．５重量パーセントのチタン
０〜０．１重量パーセントのストロンチウム
０〜０．２重量パーセントのベリリウム
０〜０．５重量パーセントのジルコニウム
０〜０．５重量パーセントのバナジウム
０〜０．５重量パーセントのクロム
０〜０．５重量パーセントのスカンジウム
０〜０．１重量パーセントのナトリウム
０〜０．５重量パーセントのケイ素
０〜１重量パーセントのマンガン
０〜５重量パーセントのニッケル
０〜０．５重量パーセントのホウ素
０〜１重量パーセントのモリブデン
重量パーセントの残り（６６．６〜９６）はアルミニウムである。
【０００８】
この合金は、高圧ダイカストなどの圧力利用鋳造プロセスを使用してニアネットシェイプコンポーネントに鋳造することができる。
【０００９】
溶融合金を清浄にするために、アルゴンまたは窒素ガスパージによる液体金属の脱ガスを採用してもよい。
【００１０】
ダイカストプロセスにおいて、真空の使用によって、鋳造中に閉じ込められるガスを減少させ、鋳造コンポーネントの引張強度および延性を改善することもできる。
【００１１】
鋳造プロセスによって製造されたコンポーネントは、真空の利用の有無にかかわらず様々な焼き戻しを達成するために広範囲にわたって熱処理されてもよい。熱処理における主な強化のメカニズムは、固溶体強化および固相変態を通じた一次アルミニウム相内の析出による強化のうち１つ以上である。コンポーネントに欠陥をきたすことなく行いうる熱処理焼き戻しの一覧を以下に示す。
【００１２】
Ｆｘ  −  室温でｘ日間自然エージング（インキュベーション）した鋳放し焼き戻しＦ。
【００１３】
Ｔ４−ｙ  −  室温で自然エージング（インキュベーション）した溶体化処理Ｔ４。ｙは、各コンポーネントに使用したＴ４熱処理それぞれに固有の詳細を表す数値識別子である。
【００１４】
Ｔ５  −  Ｆｘ焼き戻しにおける、サンプルの高温での人工エージング。
【００１５】
Ｔ６−ｙ  −  高温において熱利用で行われるニアピーク人工エージングプロセス。ｙは、各コンポーネントに使用したＴ６熱処理それぞれに固有の詳細を表す数値識別子である。
【００１６】
Ｔ７−ｙ  −  任意の所与の温度においてピーク強度に必要な時間を十分に超える期間にわたってコンポーネントに対して行われる高温での人工エージング処理。ｙは、各コンポーネントに使用したＴ７熱処理それぞれに固有の詳細を表す数値識別子である。
【００１７】
この合金を用いて、圧力利用鋳造プロセスによって種々の例示的なコンポーネントを鋳造した。鋳造したコンポーネントには、小規模試験サンプル（ＳＳＴＳ）、大規模試験サンプル（ＬＳＴＳ）、およびサイドインパクトドアビーム（ＳＩＢ）が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本明細書に記載の様々な実施形態をよりよく理解するため、またそれらの様々な実施形態がどのように実施されるかをより明確に示すために、例として、少なくとも１つの例示的実施形態を示す添付の図面を参照し、ここで簡単に説明する。
【００１９】
【図１】Ａ−標準の太い引張試験片、Ｂ−標準の細い引張試験片、Ｃ−標準の疲労試験片、Ｄ−標準の摩耗試験片、およびＥ−標準の衝撃強さ試験片からなる、小規模試験片コンポーネントの典型的な鋳造品を示す。
【００２０】
【図２】図１のＢとして画定された小さな引張試験片の寸法を示す。このコンポーネントは、引張試験片のＡＳＴＭ  Ｅ８／Ｅ８−１１規格に準拠している。
【００２１】
【図３】図１のＡとして画定された大きな引張試験片の寸法を示す。このコンポーネントは、引張試験片のＡＳＴＭ  Ｅ８／Ｅ８−１１規格に準拠している。
【００２２】
【図４】図１のＣとして画定された疲労試験片のミリメートル単位の寸法を示す。このコンポーネントは、（応力およびひずみを管理された）疲労試験片のＡＳＴＭ  Ｅ４６６およびＥ６０６規格に準拠している。
【００２３】
【図５】図１のＤとして画定された摩耗試験片のミリメートル単位の寸法を示す。このコンポーネントは、摩耗試験片のＡＳＴＭ  Ｇ６５−０４規格に準拠している。
【００２４】
【図６】図１のＥとして画定された衝撃強度試験片のミリメートル単位の寸法を示す。このコンポーネントは、衝撃強度試験片のＡＳＴＭ  Ｅ２３規格に準拠している。
【００２５】
【図７】ＳＳＴＳコンポーネントにおける細い引張試験片のゲージ部の断面全体を示す、光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示す。この画像は、焼き戻しＦの試験片のものである。
【００２６】
【図８】ＳＳＴＳコンポーネントにおける細い引張試験片のゲージ部の断面全体を示す、光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示す。この画像は、焼き戻しＴ４の試験片のものである。
【００２７】
【図９】光学顕微鏡によって得られた典型的な高倍率微細構造画像を示しており、一次アルミニウム相は薄い色調で、二次相は暗い色調で示している。この画像は、焼き戻しＦの試験片のものである。
【００２８】
【図１０】Ａ−腐食板、Ｂ−バタフライ剪断試験片、Ｃ−標準の疲労試験平形試験片、Ｄ−標準の衝撃強度試験片、Ｅ−標準の疲労試験用丸形試験片、Ｆ−標準の平形引張試験片、Ｇ−標準の細い引張試験用丸形試験片、Ｈ−標準の引裂試験片からなるＬＳＴＳコンポーネントの典型的な鋳造品を示す。
【００２９】
【図１１】図１０においてＡとして画定された腐食板の寸法をミリメートルで示す。
【００３０】
【図１２】図１０においてＢとして画定されたバタフライ剪断試験片のミリメートル単位の寸法を示す。
【００３１】
【図１３】図１０においてＦとして画定された引張試験用平形試験片のミリメートル単位の寸法を示す。
【００３２】
【図１４】図１０においてＨとして画定された引張試験用平形試験片のミリメートル単位の寸法を示す。このコンポーネントは、摩耗試験片のＡＳＴＭ  Ｂ８７１規格に準拠している。
【００３３】
【図１５】Ｔ７−６熱処理後の合金ＬＳＴＳ＃１を用いた、図１０に示された滑らかな丸い疲労棒の室温Ｓ−Ｎ曲線を示す。
【００３４】
【図１６】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、ＬＳＴＳコンポーネントからの丸形引張試験片のゲージ部の全断面を示す。この画像は、焼き戻しＦの試験片のものである。
【００３５】
【図１７】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、ＬＳＴＳコンポーネントからの平形引張試験片のゲージ部の断面全体を示す。この画像は、焼き戻しＦの試験片のものである。
【００３６】
【図１８】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、ＬＳＴＳコンポーネントの丸形引張試験片のゲージ部の断面全体を示す。この画像は、焼き戻しＴ４の試験片のものである。
【００３７】
【図１９】光学顕微鏡によって得られた典型的な高倍率微細構造画像を示しており、一次アルミニウム相は明るい色調で、二次相は暗い色調で示されている。この画像は、焼き戻しＦの丸形引張試験片のものである。
【００３８】
【図２０】光学顕微鏡によって得られた典型的な高倍率微細構造画像を示しており、一次アルミニウム相はより明るい色調で、二次相はより暗い色調で示されている。この画像は、合金ＬＳＳＴ＃５を使用した焼き戻しＦの丸形引張試験片のものである。
【００３９】
【図２１】ＳＩＢコンポーネントの典型的な鋳造品を示す。
【００４０】
【図２２】ＳＩＢコンポーネントから切断され機械加工された５つの引張試験片の位置を示す。
【００４１】
【図２３】図２０に示した引張試験用平形試験片の寸法を示す。
【００４２】
【図２４】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、合金ＳＩＢ＃１を用いて、真空利用引張ＨＰＤＣによって製造されたＳＩＢコンポーネントの、平形引張試験片Ｍ５のゲージ部の断面全体を示す。この画像は焼き戻しＦの試験片のものである。
【００４３】
【図２５】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、合金ＳＩＢ＃１を用いて、真空利用引張ＨＰＤＣによらずに製造されたＳＩＢコンポーネントの、平形引張試験片Ｍ５のゲージ部の断面全体を示す。この画像は焼き戻しＦの試験片のものである。
【００４４】
【図２６】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、合金ＳＩＢ＃１を用いて、真空利用引張ＨＰＤＣによらずに製造されたＳＩＢコンポーネントの、平形引張試験片Ｍ５のゲージ部の断面全体を示す光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示す。この画像は焼き戻しＴ４−３の試験片のものである。
【００４５】
【図２７】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、合金ＳＩＢ＃１を用いて、真空利用引張ＨＰＤＣによって製造されたＳＩＢコンポーネントの、平形引張試験片Ｍ３のゲージ部の断面全体を示す。この画像は焼き戻しＴ６の試験片のものである。
【００４６】
【図２８】光学顕微鏡によって得られた典型的な複合微細構造画像を示しており、合金ＳＩＢ＃１を用いて、真空利用引張ＨＰＤＣによって製造されたＳＩＢコンポーネントの、平形引張試験片Ｍ５のゲージ部の断面全体を示す。この画像は焼き戻しＴ７の試験片のものである。
【００４７】
【図２９】光学顕微鏡によって得られた典型的な高倍率微細構造画像を示しており、一次アルミニウム相は薄い色調で、二次相は暗い色調で示されている。
【００４８】
【図３０】拘束ロッド鋳造（ＣＲＣ）の型の概略図（寸法はインチ）を示す。
【００４９】
【図３１】様々なＦｅ含有量のＡｌ−５Ｚｎ−２Ｍｇ合金の熱間引裂感度指数を示す。
【００５０】
【図３２】鋳造コンポーネントの写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
Ｉ．用語の定義
当業者には理解されるであろうが、特に断りのない限り、この節および他の節に記載される定義および実施形態は、それらが適するような、本明細書に記載される本出願の実施形態および態様すべてに適用可能であることが意図される。
【００５２】
本出願の範囲を理解する上で、本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語およびその派生語は、言及された特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階の存在を指定するが、言及されない他の特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階の存在を排除しないオープンエンドの用語であることが意図される。これは、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの派生語などの類似の意味を有する単語にも適用される。本明細書で使用される「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ）」という用語およびその派生語は、言及された特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階の存在を指定するが、言及されない他の特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階の存在を排除するクローズドな用語であることが意図される。本明細書で使用される「から本質的になる」という用語は、言及された特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階、ならびに特徴、要素、コンポーネント、群、整数、および／または段階の基本的特徴および新規の特徴に実質的に影響を及ぼさないものの存在を含めることが意図される。
【００５３】
本明細書で使用される「実質的に」、「約」、および「およそ」などの程度を表す用語は、最終結果が大きく変化することのないような、修飾された用語の妥当な量の偏差を意味する。このような程度を表す用語は、この偏差が修飾された単語の意味を否定しない限り、修飾された用語の少なくとも±５％の偏差を含むものと解釈されるべきである。
【００５４】
本出願で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、その内容から明確に否定されない限り、複数形の言及を含む。例えば、「合金（ａｎ  ａｌｌｏｙ）」を含む実施形態は、１つの物質または２つ以上の追加の物質を有する特定の態様を提示すると理解されるべきである。
【００５５】
追加のまたは第２の元素などの「追加の」または「第２の」コンポーネントを含む実施形態において、本明細書で使用される第２のコンポーネントは、他のコンポーネントまたは第１のコンポーネントとは化学的に異なる。「第３の」コンポーネントは、他のコンポーネント、第１のコンポーネントおよび第２のコンポーネントとは異なり、さらに列挙されるコンポーネントまたは「追加の」コンポーネントも同様に異なる。
【００５６】
本明細書で使用される「および／または」という用語は、列挙された項目が個別にまたは組み合わせて存在する、または使用されることを意味する。実際には、この用語は、列挙された項目の「少なくとも１つ」または「１つ以上」が使用されているか存在していることを意味する。
【００５７】
アルミニウム合金は、自動車産業用途および非自動車産業用途のための、構造的な、および非構造的なニアネットシェイプ部品を可能にするために開発されてきた。圧力利用金属ダイカストプロセスを使用して、合金からニアネットシェイプコンポーネントを製造することができる。該プロセスには高圧ダイカスト（ＨＰＤＣ）が含まれるが、これに限定はされない。該製造方法には、鋳造プロセスにおいて真空を利用する方法が含まれうる。本明細書で提案される合金のファミリーから製造されるコンポーネントはいずれも、使用中の引張強度、延性、および耐食性の改善を目的として、焼き戻しを何通りかで組み合わせた熱処理に付すことができる。
【００５８】
この新しいアルミニウム合金は、材料の利点の中でも特に、一軸引張特性および疲労特性を有するコンポーネントを製造する際に使用できる配合を提供する。既存の市販品のうち最も優れたアルミニウム合金と比較した場合、この新しいアルミニウム合金は、同様の熱処理焼き戻し条件での比較において、強度および伸びにおいて最大２００％の改善を達成しうる。靭性などの他の特性の悪化を最小限に抑えながら、強度などの単一の特性を最大化することだけに焦点を合わせるのではなく、本発明は、同時にいくつかの重要な材料特性を向上させると同時に製造プロセスを改善することを考慮するものである。例えば、このアルミニウム合金を製造する際には、ダイソルダリングの発生率が低減され、金型キャビティの寿命が改善されると共に、流動性および鋳造性が改善される。さらに、合金のリサイクル性および再利用性が改善される。また、この合金は、より多くの元素に対してパラメータを指定し、使用される元素の許容範囲をより広くすることができる。
【００５９】
この新しい合金は、合金の様々な組成のバリエーションを使用して試験されている。これらは、高圧ダイカスト、永久鋳型鋳造（重力利用）、および砂鋳型鋳造などの金型および砂型鋳造プロセスについて評価されており、全てにおいて良い結果が得られている。
【００６０】
本発明は、主合金元素として亜鉛、マグネシウム、および鉄と、可能な微量合金元素として銅、マンガン、チタン、ホウ素、ジルコニウム、バナジウム、スカンジウム、クロム、ストロンチウム、ナトリウム、モリブデン、ケイ素、ニッケル、およびベリリウムを利用するアルミニウム合金である。
【００６１】
より具体的には、構造部品のニアネットシェイプ鋳造のための、主合金元素として亜鉛、マグネシウム、および鉄を有するアルミニウムベースの合金は、Ａｌに加えて、以下の重要な元素のうち１つ以上を含む。
２〜１０重量パーセントの亜鉛
０．５〜５重量パーセントのマグネシウム
０．５〜５重量パーセントの鉄
０〜４重量パーセントの銅
０〜０．５重量パーセントのチタン
０〜０．１重量パーセントのストロンチウム
０〜０．２重量パーセントのベリリウム
０〜０．５重量パーセントのジルコニウム
０〜０．５重量パーセントのバナジウム
０〜０．５重量パーセントのクロム
０〜０．５重量パーセントのスカンジウム
０〜０．１重量パーセントのナトリウム
０〜０．５重量パーセントのケイ素
０〜１重量パーセントのマンガン
０〜５重量パーセントのニッケル
０〜０．５重量パーセントのホウ素
０〜１重量パーセントのモリブデン
重量パーセントの残り（６６．６〜９６）はアルミニウムである。
【００６２】
高圧ダイカストなどの圧力利用鋳造プロセスを使用して、この合金からニアネットシェイプコンポーネントを鋳造してもよい。
【００６３】
溶融合金を清浄にするために、アルゴンまたは窒素ガスパージによる液体金属の脱ガスを採用してもよい。
【００６４】
ダイカストプロセスにおいて、真空によって、鋳造中に閉じ込められるガスを減少させ、鋳造コンポーネントの引張強度および延性を改善することもできる。
【００６５】
鋳造プロセスによって製造されたコンポーネントは、真空の利用の有無にかかわらず様々な焼き戻しを達成するために広範囲にわたって熱処理されてもよい。熱処理における主な強化のメカニズムは、固溶体強化および固相変態を通じた一次アルミニウム相内の析出による強化のうち１つ以上である。コンポーネントに欠陥をきたすことなく行いうる熱処理焼き戻しの一覧を以下に示す。
【００６６】
Ｆｘ  −  室温でｘ日間自然エージング（インキュベーション）した鋳放し焼き戻しＦ。
【００６７】
Ｔ４−ｙ  −  室温で自然エージング（インキュベーション）した溶体化処理Ｔ４。ｙは、各コンポーネントに使用したＴ４熱処理それぞれに固有の詳細を表す数値識別子である。
【００６８】
Ｔ５  −  Ｆｘ焼き戻しにおける、サンプルの高温での人工エージング。
【００６９】
Ｔ６−ｙ  −  高温において熱利用で行われるニアピーク人工エージングプロセス。ｙは、各コンポーネントに使用したＴ６熱処理の固有の詳細を表す数値識別子である。
【００７０】
Ｔ７−ｙ  −  任意の所与の温度においてピーク強度に必要な時間を十分に超える期間にわたってコンポーネントに対して行われる高温での人工エージング処理。ｙは、各コンポーネントに使用されるＴ７熱処理それぞれに固有の詳細を表す数値識別子である。
【００７１】
この合金を用いて、圧力利用鋳造プロセスによって種々の例示的なコンポーネントを鋳造した。鋳造したコンポーネントには、小規模試験サンプル（ＳＳＴＳ）、大規模試験サンプル（ＬＳＴＳ）、およびサイドインパクトドアビーム（ＳＩＢ）が含まれる。
【実施例】
【００７２】
ＩＩ．実施例
以下の非限定的な実施例は、本出願の例示である。
【００７３】
前記合金の一実施形態は、５重量％のＺｎ、２重量％のＭｇ、０．３５重量％のＣｕ、および１．５重量％のＦｅを含むＡｌの組成で薄肉部品を鋳造することからなる。鋳造プロセスは、真空利用によらない高圧ダイカストであり、最終部品は、鋳放して２１日間自然エージングさせた状態における降伏強度、極限引張強度、および伸びが、それぞれ２００ＭＰａ、３１５ＭＰａ、および３．８０％である。
【００７４】
前記合金の別の一実施形態は、Ａｌと５重量％のＺｎと２重量％のＭｇと１．５重量％のＦｅとを有する組成のＬＳＴＳを鋳造することからなる。鋳造プロセスは、真空利用の高圧ダイカストであり、最終部品は、鋳放した状態における降伏強度、極限引張強度、および伸びが、それぞれ２０１ＭＰａ、３１２ＭＰａ、および４．６３％である。
【００７５】
熱処理（溶体化のみ、インキュベーションのみ、エージングのみ、処理なし、または２段階以上の熱処理の組み合わせ）の方法は、以下のうち１つ以上を含みうる。
ａ）１段階の溶体化：４６０℃で３．５時間〜２４時間、水での急冷を伴う。
ｂ）２段階の溶体化：４５０℃で１２〜２２時間、さらに１時間につき５〜３０℃で４７５〜５００℃まで上げた後、４７５〜５００℃で４〜７時間、水での急冷を伴う。
ｃ）溶体化とエージングとの間のインキュベーション：室温で１〜２４時間。
ｄ）エージング（１段階）：１２０〜１７０℃で１〜２４時間。
ｅ）エージング（２段階）：１２０〜１７０℃で１〜２４時間、さらに１２０〜１７０℃で１〜２４時間。
【００７６】
小規模試験片（ＳＳＴＳ）
合金組成
小規模試験片（ＳＳＴＳ）コンポーネントの製造には、以下の合金組成を使用した。
【００７７】
【表１】
2020501028.tif 000002
【００７８】
コンポーネント
図１は、典型的なＳＳＴＳコンポーネントの写真である。図１に示すコンポーネントの５種類の試験片それぞれの詳細は、図２〜図６に詳述されている。
【００７９】
鋳造プロセス
表２に、図１に示したＳＳＴＳコンポーネントを製造するために使用される鋳造プロセスの一般的詳細を示す。
【００８０】
【表２】
2020501028.tif 000003
【００８１】
熱処理
ＳＳＴＳを供した様々な熱処理焼き戻しを表３に列挙する。
【表３】
2020501028.tif 000004
【００８２】
機械的特性
表４に、種々の熱処理焼き戻しを行ったＳＳＴＳコンポーネントに対して実施された一軸引張試験から得られた典型的な平均機械的特性を示す。
【００８３】
【表４】
2020501028.tif 000005
【００８４】
微細構造
選択された合金について、ＳＳＴＳ鋳造の典型的な微細構造画像を図７〜９に示す。
【００８５】
顕著な特徴
表１に示した合金はいずれも、ダイのＨ１３工具鋼材料に対するダイソルダリングまたはダイ固着の傾向を示さなかった。
【００８６】
Ｈ１３工具鋼ダイ材料は、表１に示した合金のいずれと共に使用されても、ヒートチェックの傾向を示さなかった。
【００８７】
ＳＳＴＳコンポーネントの鋳造品はいずれも、従来の商業用鋳造工業の見識により許容できる完全性および品質を備えるものであり、目に見えるほどの視覚的な欠陥、充填の問題、および鋳損じはなかった。
【００８８】
大規模試験片（ＬＳＴＳ）
合金組成
大規模試験片（ＬＳＴＳ）コンポーネントの製造には、以下の合金組成を使用した。
【００８９】
【表５】
2020501028.tif 000006
【００９０】
コンポーネント
図１０に、典型的なＬＳＴＳコンポーネントの写真を示す。図１０に示すコンポーネントの新たな４種類の試験片の詳細は、図１１〜図１４に詳述されている。
【００９１】
鋳造プロセス
表６に、図１０に示したＬＳＴＳコンポーネントを製造するために使用される鋳造プロセスの一般的詳細を示す。
【００９２】
【表６】
2020501028.tif 000007
【００９３】
熱処理
ＬＳＴＳを供した様々な熱処理焼き戻しを図７に列挙する。
【００９４】
【表７】
2020501028.tif 000008
【００９５】
機械的特性
表８に、種々の熱処理焼き戻しを行ったＬＳＴＳコンポーネントに対して実施された一軸引張試験から得られた典型的な平均機械的特性を示す。
【００９６】
【表８】
2020501028.tif 000009
図１５に、Ｔ７−６熱処理後の合金ＬＳＴＳ＃１を用いた滑らかな丸い疲労棒の室温疲労特性を示す。
【００９７】
微細構造
選択された合金について、ＬＳＴＳ鋳造の典型的な微細構造画像を図１６〜図２０に示す。
【００９８】
顕著な特徴
表５に示した合金はいずれも、ダイのＰ２０工具鋼材料に対するダイソルダリングまたはダイ固着の傾向を示さなかった。
【００９９】
Ｐ２０工具鋼ダイ材料は、表５に示した合金のいずれと共に使用されてもヒートチェックの傾向を示さなかった。
【０１００】
ＬＳＴＳコンポーネントの鋳造品はいずれも、従来の商業用鋳造工業の見識により許容できる完全性および品質を備えるものであり、目に見えるほどの視覚的な欠陥、充填の問題、および鋳損じはなかった。
【０１０１】
サイドインパクトドアビーム（ＳＩＢ）
合金組成
サイドインパクトドアビーム（ＳＩＢ）コンポーネントの製造には、以下の合金組成を用いた。
【０１０２】
【表９】
2020501028.tif 000010
【０１０３】
コンポーネント
図１９に、典型的なＳＩＢコンポーネントの写真を示す。ＳＩＢコンポーネント内の引張棒の位置とその寸法を図２０〜図２１に示す。
【０１０４】
鋳造プロセス
表１０に、表１９に示したＳＩＢコンポーネントを製造するために使用される鋳造プロセスの一般的詳細を示す。
【０１０５】
【表１０】
2020501028.tif 000011
【０１０６】
熱処理
ＳＩＢを供した様々な熱処理焼き戻しを表１１に列挙する。
【０１０７】
【表１１】
2020501028.tif 000012
【０１０８】
機械的特性
表１２に、種々の熱処理焼き戻しを行ったＳＩＢコンポーネントに対して実施した一軸引張試験から得られた典型的な平均機械的特性を示す。
【０１０９】
【表１２】
2020501028.tif 000013
【０１１０】
微細構造
選択した合金について、ＳＩＢ鋳造品の典型的な微細構造画像を図２２〜図２７に示す。
【０１１１】
顕著な特徴
表９に示した合金はいずれも、ダイのＰ２０工具鋼材料に対するダイソルダリングまたはダイ固着の傾向を示さなかった。
【０１１２】
Ｐ２０工具鋼ダイ材料は、表９に示される合金のいずれと共に使用されてもヒートチェックの傾向を示さなかった。
【０１１３】
ＳＩＢコンポーネントの鋳造品はいずれも、従来の商業用鋳造工業の見識により許容できる完全性および品質を備えるものであり、目に見えるほどの視覚的な欠陥、充填の問題、および鋳損じはなかった。
【０１１４】
熱間引裂き感度指数（ＨＴＳ）
Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金およびＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｆｅ合金の熱間引裂き感度指数は、拘束ロッドキャスティング（ＣＲＣ）型を用いて評価した。
【０１１５】
ＣＲＣ型は鋳鉄製であり（図２８）、長さが２”（棒Ａ）、３．５”（棒Ｂ）、５”（棒Ｃ）、および６．５”（棒Ｄ）であり、直径が０．５”である４本の円筒拘束棒を製造することができる。棒は一端がスプルーによって、他端が直径０．７５インチの球形のライザー（フィーダー）によって拘束されている。
【０１１６】
ＨＴＳの値は
【数１】
2020501028.tif 000014
によって与えられる。
【０１１７】
式中、Ｃは棒の亀裂の度合いに割り当てられた数値であり（表１３）、Ｌは棒の長さに対応する割り当てられた数値（表１４）であり、棒Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを表す。
【０１１８】
【表１３】
2020501028.tif 000015
【０１１９】
【表１４】
2020501028.tif 000016
【０１２０】
合金組成
以下の合金組成物を使用して、表１５に列挙したように、熱間引裂き感度を評価した。
【０１２１】
【表１５】
2020501028.tif 000017
【０１２２】
鋳造プロセス
表１５の合金のそれぞれ１キログラムを溶融し、高純度アルゴンガスで２０分間脱気した。注入温度は、いずれのサンプルに対しても７２０℃に保った。注入前にＣＲＣ型を３００℃に予熱した。各合金につき、２つの熱間引裂きサンプルを準備した。
【０１２３】
ＨＴＳの結果
図２９に示すように、Ｆｅを添加しない場合、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金は、熱間引裂きに対して高感度である。Ａｌ−Ｚｎ−ＭｇにＦｅを添加すると、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ合金の熱間引裂き感度は大幅に低減された。１．３重量％のＦｅを添加すると、ＨＴＳ指数は１．６７に低下する。
【０１２４】
パイロットスケールトライアル
合金の処方された組成のうち１つを使用して、自動車の鋳造施設においてパイロット生産規模のトライアルを実施し、自動車用の構造コンポーネントを製造した。使用した合金組成は、Ａｌと５重量％のＺｎと１．６重量％のＭｇと１重量％のＦｅと０．０５重量％のＴｉとからなるものであった。
【０１２５】
鋳造プロセスの顕著な詳細は以下の通りである。
【０１２６】
部品：自動車用ショックタワー
【０１２７】
溶融する合金の量：約１０，０００ｋｇ
【０１２８】
溶融温度：６９０〜７３０℃
【０１２９】
脱気：工業用純度のＡｒを用いた回転式脱気装置で１０分間
【０１３０】
真空システム：ダイ上の３チルブロック
【０１３１】
組成（重量％）：Ａｌ−５．０Ｚｎ−１．６Ｍｇ−１．０Ｆｅ−０．０５Ｔｉ
【０１３２】
亀裂のない鋳造部品の数：（ウォームアップショットを含まず）
【０１３３】
一次合金：１８０
【０１３４】
５０％再溶融合金：８０
【０１３５】
１００％再溶融合金：１１０
【０１３６】
製造環境において欠陥のない安定した鋳造品を製造できることに加えて、この新しい合金を使用することによる他の顕著な利点は、Ｈ１３ダイツールでのダイソルダリング傾向の大幅な低減と合金組成物を１００％再利用できることであった。いくつかの鋳造コンポーネントの様々な位置から得たサンプル中で測定した、鋳放したコンポーネントの平均一軸引張特性は、以下の通りである。
【０１３７】
ＵＴＳ＝２６３ＭＰａ
【０１３８】
ＹＳ＝１４５ＭＰａ
【０１３９】
％Ｅｌ＝８．２％
【０１４０】
注目すべきは、一次合金、５０％リサイクル合金、および１００％リサイクル合金の間で、初期合金金属の特性の変動が一切見られなかったことである。さらに、部品はいずれも、識別可能な膨れを生じることなく溶体化温度まで上げて熱処理することができた。これらの顕著な特性および観察結果から、構造的自動車コンポーネントの製造においてこの新しい合金を使用できることがわかる。
【０１４１】
本出願の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、詳細な説明および特定の実施例は、本出願の実施形態を示すものではあるが、例示として与えられているに過ぎず、特許請求の範囲はこれらの実施形態に限定されるべきではなく、明細書全体の記述に照らして最も広い解釈を与えられるべきである。
【０１４２】
本出願について、実施例を参照しつつ説明してきたが、特許請求の範囲は実施例に記載された実施形態によって限定されるべきではなく、明細書全体の記載に照らして最も広い解釈を与えられるべきである。
【０１４３】
刊行物、特許、および特許出願はいずれも、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるが、その援用の程度は、個々の刊行物、特許、および特許出願について、参照によりその全体が組み込まれることを具体的かつ個別に示した場合と何ら変わりはない。本出願における用語が、参照により本明細書に組み込まれる文書において異なって定義されている場合、本明細書における定義を当該用語の定義とする。
【０１４４】
本出願内で参照されている引用文献の一覧
ASTM E8/E8M-11a Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2011
ASTM E466-15 Standard Practice for Conducting Force Controlled Constant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015
ASTM E606/E606M-12 Standard Test Method for Strain-Controlled Fatigue Testing, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012
ASTM G65-04 Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2004
ASTM E23-16b Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016
【図１】
2020501028.tif 000018
【図２】
2020501028.tif 000019
【図３】
2020501028.tif 000020
【図４】
2020501028.tif 000021
【図５】
2020501028.tif 000022
【図６】
2020501028.tif 000023
【図７】
2020501028.tif 000024
【図８】
2020501028.tif 000025
【図９】
2020501028.tif 000026
【図１０】
2020501028.tif 000027
【図１１】
2020501028.tif 000028
【図１２】
2020501028.tif 000029
【図１３】
2020501028.tif 000030
【図１４】
2020501028.tif 000031
【図１５】
2020501028.tif 000032
【図１６】
2020501028.tif 000033
【図１７】
2020501028.tif 000034
【図１８】
2020501028.tif 000035
【図１９】
2020501028.tif 000036
【図２０】
2020501028.tif 000037
【図２１】
2020501028.tif 000038
【図２２】
2020501028.tif 000039
【図２３】
2020501028.tif 000040
【図２４】
2020501028.tif 000041
【図２５】
2020501028.tif 000042
【図２６】
2020501028.tif 000043
【図２７】
2020501028.tif 000044
【図２８】
2020501028.tif 000045
【図２９】
2020501028.tif 000046
【図３０】
2020501028.tif 000047
【図３１】
2020501028.tif 000048
【図３２】
2020501028.tif 000049
【国際調査報告】
2020501028.tif 000050
2020501028.tif 000051
2020501028.tif 000052
2020501028.tif 000053
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