(57)【要約】  高強度アルミニウム合金を形成する方法。本方法は、少なくとも０．１重量％の濃度のマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を、等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）プロセスに供することを含む。本方法は、約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径と、約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度と、を有する、高強度アルミニウム合金を製造する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度アルミニウム合金を形成する方法であって、
一次成分としてのアルミニウム、並びに少なくとも０．１重量％の濃度の二次成分としてのマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を約４００℃〜約５５０℃の温度に加熱して、加熱されたアルミニウム材料を形成することと、
前記加熱されたアルミニウム材料を室温まで急冷して、冷却されたアルミニウム材料を形成することと、
前記冷却されたアルミニウム材料を約２０℃〜約２００℃の温度で維持しながら、前記冷却されたアルミニウム材料を等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）プロセスに供して、高強度アルミニウム合金を形成することであって、前記高強度アルミニウム合金が、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径、及び約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度を有する、形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記ＥＣＡＥプロセスが、前記急冷工程の２４時間以内に完了する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＥＣＡＥプロセスの前に、前記冷却されたアルミニウム材料を時効工程に供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としての亜鉛及びマグネシウムを含有する前記アルミニウム材料が、約４００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びケイ素を含有する前記アルミニウム材料が、約３００ＭＰａ〜約６００ＭＰａの降伏強度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
一次成分としてのアルミニウム、及び二次成分としての銅を含有する前記アルミニウム材料が、約３００ＭＰａ〜約６００ＭＰａの降伏強度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
アルミニウム一次成分、並びに二次成分としてのマグネシウム及びマンガンを含有する前記高強度アルミニウム合金が、約３００ＭＰａ〜約５００ＭＰａの降伏強度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
高強度アルミニウム合金材料であって、
少なくとも０．１重量％の濃度のマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を含み、
前記アルミニウム材料が、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径と、
約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの平均降伏強度と、を有する、高強度アルミニウム合金材料。
【請求項９】
前記アルミニウム材料が、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有する、請求項７に記載の高強度アルミニウム合金。
【請求項１０】
前記高強度アルミニウム合金が、デバイスケースとして形成される、請求項７に記載の高強度アルミニウム合金材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年１１月２８日に出願された米国特許出願第１５／８２４，１４９号、並びに２０１６年１２月２日に出願された米国仮特許出願第６２／４２９，２０１号及び２０１７年５月８日に出願された米国仮特許出願第６２／５０３，１１１号に基づく優先権を主張するものであり、これらの全ては、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、例えば、高い降伏強度を要するデバイスで使用され得る高強度アルミニウム合金に関する。より具体的には、本開示は、高い降伏強度を有し、電子デバイスのケース又はエンクロージャを形成するために使用され得る高強度アルミニウム合金に関する。高強度アルミニウム合金、並びにポータブル電子デバイス用の高強度アルミニウムケース又はエンクロージャを形成する方法も記載される。
【背景技術】
【０００３】
ラップトップコンピュータ、携帯電話、及びポータブル音楽デバイスなどの特定のポータブル電子デバイスのサイズを減少させる一般的な傾向がある。デバイスを保持する外側ケース又はエンクロージャのサイズを減少させたいという、対応する要望がある。一例として、特定の携帯電話製造業者は、電話ケースの厚さを、例えば、約８ｍｍ〜約６ｍｍに減少させている。デバイスケースの厚さなどのサイズを減少させると、通常の使用中及び使用間の保管中の両方で、具体的にはデバイスケースのたわみに起因して、構造的損傷の増加したリスクにデバイスがさらされる可能性がある。ユーザは、通常の使用中及び使用間の保管中に、デバイスに機械的応力をかける方法でポータブル電子デバイスを取り扱う。例えば、ユーザがズボンの後ろポケットに携帯電話を入れて座ると、電話に機械的応力がかかり、それによりデバイスに割れ又は曲げを引き起こす可能性がある。したがって、弾性又は塑性たわみ、へこみ、及び任意の他の種類の損傷を最小限にするために、デバイスケースを形成するために使用される材料の強度を増加させる必要性がある。
【発明の概要】
【０００４】
本明細書では、高強度アルミニウム合金を形成する方法が開示される。本方法は、少なくとも０．１重量％の濃度のマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を、約４００℃〜約５５０℃の温度に供して、加熱されたアルミニウム材料を形成することを含む。本方法は、溶体化されたアルミニウム材料を約室温を下回る温度に急冷して、冷却されたアルミニウム材料を形成することを更に含む。本方法はまた、冷却されたアルミニウム材料を約２０℃〜２００℃の温度に維持しながら、アルミニウム合金を等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）プロセスに供して、高強度アルミニウム合金を形成することを含む。高強度アルミニウム合金は、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径と、約３００ＭＰａよりも高い降伏強度と、を有する。
【０００５】
本明細書では、少なくとも０．１重量％の濃度のマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を含む高強度アルミニウム合金材料も開示される。高強度アルミニウム合金材料は、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径と、約３００ＭＰａよりも高い降伏強度と、を有する。
【０００６】
多数の実施形態が開示されるが、それでもなお当業者には、本発明の例示的実施形態を示し、説明する以下の詳細な説明から、本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。したがって、図面及び詳細な説明は、制限的なものではなく、本質的に実例とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】高強度アルミニウム合金を形成する方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図２】高強度アルミニウム合金を形成する方法の代替的な一実施形態を示すフロー図である。
【図３】高強度アルミニウム合金を形成する方法の代替的な一実施形態を示すフロー図である。
【図４】高強度金属合金を形成する方法の代替的な一実施形態を示すフロー図である。
【図５】試料等断面積側方押出デバイスの概略図である。
【図６】熱処理を受けているアルミニウム合金における例示的な材料変化のフローパスの概略図である。
【図７】アルミニウム合金におけるブリネル硬度を降伏強度と比較するグラフである。
【図８】アルミニウム合金における自然時効時間をブリネル硬度と比較するグラフである。
【図９】熱機械加工用に調製された試料材料の概略的に示された様々な配向である。
【図１０Ａ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１０Ｂ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１０Ｃ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１１】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の画像である。
【図１２Ａ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１２Ｂ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１３Ａ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１３Ｂ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の光学顕微鏡画像である。
【図１４】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金における材料温度をブリネル硬度と比較するグラフである。
【図１５】本明細書に開示される例示的方法を使用して加工されたアルミニウム合金における加工温度を引張強度と比較するグラフである。
【図１６】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の押出パス数を、得られたブリネル硬度と比較するグラフである。
【図１７】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の押出パス数を、得られた引張強度と比較するグラフである。
【図１８】本明細書に開示される例示的方法を使用して加工されたアルミニウム合金の様々な処理経路を、得られた引張強度と比較するグラフである。
【図１９】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の写真である。
【図２０Ａ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の写真である。
【図２０Ｂ】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金の写真である。
【図２１】本明細書に開示される例示的な方法を使用して加工されたアルミニウム合金におけるアニーリング温度をブリネル硬度と比較するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
高降伏強度を有するアルミニウム（Ａｌ）合金を形成する方法が本明細書において開示される。より具体的には、本明細書において、約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度を有するアルミニウム合金を形成する方法が記載される。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、一次成分としてのアルミニウム、及び少なくとも１つの二次成分を含有する。例えば、アルミニウム合金は、少なくとも０．１重量％の濃度の二次成分としてのマグネシウム（Ｍｇ）、マンガン（Ｍｎ）、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、及び／又は亜鉛（Ｚｎ）を含有することができ、残部がアルミニウムである。いくつかの実施例では、アルミニウムは、約７０重量％よりも大きい、約８０重量％よりも大きい、又は約９０重量％よりも大きい重量パーセントで存在し得る。等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）によって含む高強度アルミニウム合金を形成する方法も開示される。特定の熱処理プロセスと組み合わせた等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）によって含む、約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度を有する高強度アルミニウム合金を形成する方法も開示される。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、美観的に魅力的であり得る。例えば、アルミニウム合金は、黄色又は黄色がかった色を不含とすることができる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としての亜鉛及びマグネシウムを含有する組成を有するアルミニウム合金で行うことができる。例えば、アルミニウム合金は、２．０重量％〜７．５重量％、約３．０重量％〜約６．０重量％、又は約４．０重量％〜約５．０重量％の範囲の亜鉛、及び０．５重量％〜約４．０重量％、約１．０重量％〜３．０重量％、約１．３重量％〜約２．０重量％の範囲のマグネシウムを含むことができる。例えば、アルミニウム合金は、Ａｌ  ７ｘｘｘ系の合金のうちの１つであってもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、約３：１〜約７：１、約４：１〜約６：１、又は約５：１の亜鉛対マグネシウムの重量比を有するアルミニウム合金で行うことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、マグネシウム及び亜鉛を有し、かつ限定された濃度の銅（Ｃｕ）を有する、アルミニウム合金で行うことができる。例えば、銅は、約１．０重量％未満、０．５重量％未満、０．２重量％未満、０．１重量％未満、又は０．０５重量％未満の濃度で存在してもよい。
【００１０】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、約４００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａ、約４２０ＭＰａ〜約６００ＭＰａ、又は約４４０ＭＰａ〜約５８０ＭＰａの降伏強度を有し得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、Ａｌ  ７ｘｘｘ系のアルミニウム合金で行って、直径で約１μｍ未満のサブミクロン粒径を有するアルミニウム合金を形成することができる。例えば、粒径は、約０．２μｍ〜約０．８μｍであってもよい。
【００１１】
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びケイ素を含有する組成を有するアルミニウム合金で行うことができる。例えば、アルミニウム合金は、少なくとも１．０重量％のマグネシウムの濃度を有してもよい。例えば、アルミニウム合金は、約０．３重量％〜約３．０重量％、０．５重量％〜約２．０重量％、又は０．５重量％〜約１．５重量％の範囲のマグネシウムの濃度、及び約０．２重量％〜約２．０重量％、又は０．４重量％〜約１．５重量％の範囲のケイ素の濃度を有し得る。例えば、アルミニウム合金は、Ａｌ  ６ｘｘｘ系合金のうちの１つであってもよい。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、約３００ＭＰａ〜約６００ＭＰａ、約３５０ＭＰａ〜約６００ＭＰａ、又は約４００ＭＰａ〜約５５０ＭＰａの降伏強度を有し得る。
【００１２】
いくつかの実施形態では、本明細書に開示される方法は、一次成分としてのアルミニウム、及び二次成分としての銅を有するアルミニウム合金で行うことができる。例えば、アルミニウム合金は、約０．５重量％〜約７．０重量％、又は約２．０重量％〜約６．５重量％の範囲の銅の濃度を含有する組成を有し得る。例えば、アルミニウム合金は、Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金のうちの１つであってもよい。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａ、約３５０ＭＰａ〜約６００ＭＰａ、又は約３５０ＭＰａ〜約５５０ＭＰａの降伏強度を有し得る。
【００１３】
他の実施形態では、本明細書に開示される方法は、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びマンガンを有するアルミニウム合金で行うことができる。例えば、アルミニウム合金は、約０．５重量％〜約７．０重量％、約１．０重量％〜約５．５重量％、又は約４．０重量％〜約５．５重量％の範囲のマグネシウムの濃度、及び約０．１重量％〜約２．０重量％、又は約０．２５重量％〜約１．５重量％の範囲のマンガンを含有する組成を有し得る。例えば、アルミニウム合金は、Ａｌ  ３ｘｘｘ系又はＡｌ  ５ｘｘｘ系合金のうちの１つであってもよい。いくつかの実施形態では、アルミニウム合金は、約３００ＭＰａ〜約５５０ＭＰａ、約３５０ＭＰａ〜約５００ＭＰａ、又は約４００ＭＰａ〜約５００ＭＰａの降伏強度を有し得る。
【００１４】
マグネシウム及び亜鉛を有する高強度アルミニウム合金を形成する方法１００を、図１に示す。方法１００は、工程１１０において出発材料を形成する工程を含む。例えば、アルミニウム材料は、ビレットの形状に鋳造されてもよい。アルミニウム材料は、方法１００中にアルミニウムと合金化してアルミニウム合金を形成する、他の元素などの添加剤を含んでもよい。いくつかの実施形態では、アルミニウム材料ビレットは、アルミニウム−亜鉛合金などの、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金のための標準的な鋳造法を使用して形成することができる。しかしながら、他の実施形態では、アルミニウム材料ビレットは、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び／又は亜鉛を有するアルミニウム合金のための標準的な鋳造法を使用して形成することができる。
【００１５】
形成後、アルミニウム材料ビレットは、任意選択的に、工程１１２において均質化熱処理に供してもよい。均質化熱処理は、以後の工程でのアルミニウムの熱間加工性を向上させるために、アルミニウム材料ビレットを、室温を上回る好適な温度に好適な時間保持することによって行うことができる。均質化熱処理の温度及び時間は、特定の合金に合わせて特別に調整することができる。温度及び時間は、二次成分が、アルミニウム材料全体に分散して溶体化されたアルミニウム材料を形成するように、十分なものとすることができる。例えば、二次成分は、溶体化されたアルミニウム材料が実質的に均質であるように、アルミニウム材料全体にわたって分散され得る。いくつかの実施形態では、均質化熱処理に好適な温度は、約３００℃〜約５００℃であり得る。均質化熱処理は、ミクロ及びマクロ偏析を有して通常樹枝状である、鋳放しミクロ構造のサイズ及び均質性を改善することができる。特定の均質化熱処理は、ビレットの構造的均一性及び以後の加工性を改善するために実施することができる。いくつかの実施形態では、均質化熱処理は、均質に発生する析出をもたらし得、これにより、後続の加工中より高い達成可能な強度、及び析出物のより良好な安定性に寄与し得る。
【００１６】
いくつかの実施形態では、均質化熱処理後、アルミニウム材料ビレットを、工程１１４において溶体化に供してもよい。溶体化の目的は、アルミニウム合金を形成するために、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び／又は亜鉛などの添加元素をアルミニウム材料中に溶解させることである。好適な溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であり得る。溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。一例として、溶体化は、４５０℃〜約４８０℃で最大８時間行うことができる。
【００１７】
工程１１６に示されるように、溶体化に続いて急冷を行ってもよい。標準的な金属鋳造に関しては、鋳片の熱処理は、多くの場合、鋳片の固相線温度（すなわち溶体化）付近で行われ、続いて鋳片を約室温以下の温度まで急冷することによって、鋳片を急速に冷却する。この急速冷却により、いかなる元素も、室温におけるアルミニウム合金中のその元素の平衡濃度よりも高い濃度で鋳片中に溶解した状態に維持される。
【００１８】
いくつかの実施形態では、工程１１８に示されるように、アルミニウム合金ビレットが急冷された後、及びＥＣＡＥプロセスの前に、時効を任意選択的に行うことができる。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。他の実施例では、時効は、２段階熱処理を使用して行われ得る。例えば、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約１０時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の工程は、約９０℃で約８時間行われ得、第２の工程は、約１１５℃で約４０時間以下行われ得る。一般に、第１の時効熱処理工程は、第２の人工時効熱処理工程が行われる温度及び持続時間よりも低い温度及びより短い時間で行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の時効熱処理工程は、アルミニウム合金をピーク硬度まで時効処理（すなわち、ピーク時効）するのに好適な条件以下の温度及び時間を含み得る。
【００１９】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金ビレットを、工程１２０に示されるように、等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）などの過酷な塑性変形に供することができる。例えば、アルミニウム合金ビレットをＥＣＡＥデバイスに通して、正方形又は円形の断面を有するビレットとしてアルミニウム合金を押出することができる。ＥＣＡＥプロセスは、押出成形される特定のアルミニウム合金の溶体化温度と比較して、比較的低温で行われ得る。例えば、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金のＥＣＡＥは、約０℃〜約２００℃、約２０℃〜約１５０℃、又は約２０℃〜約１２５℃、又は約室温、例えば、約２０℃〜約３５℃の温度で行うことができる。いくつかの実施形態では、押出成形中、押出成形されるアルミニウム合金材料及び押出ダイは、アルミニウム合金材料全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが行われる温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金材料が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥプロセスは、ＥＣＡＥデバイスを通過する１回のパス、２回以上のパス、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００２０】
ＥＣＡＥによる過酷な塑性変形に続いて、アルミニウム合金は、アルミニウム合金の特性を更に調整するために、及び／又はアルミニウム合金の形状若しくはサイズを変更するために、任意選択的に、工程１２２での圧延などの更なる塑性変形を受けてもよい。冷間加工（延伸など）を使用して、特定の形状を提供すること、又はアルミニウム合金ビレットを応力除去若しくは矯正することができる。アルミニウム合金が平板となる平板用途では、圧延を使用してアルミニウム合金を成形してもよい。
【００２１】
図２は、高強度アルミニウム合金を形成する方法２００のフロー図である。方法２００は、工程２１０において出発材料を形成することを含む。工程２１０は、図１に関して本明細書に記載された工程１１０と同一又は同様であってもよい。いくつかの実施形態では、出発材料は、アルミニウム−亜鉛合金などの、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム材料のための標準的な鋳造法を使用して形成されたアルミニウム材料ビレットであってもよい。しかしながら、他の実施形態では、アルミニウム材料ビレットは、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び／又は亜鉛を有するアルミニウム合金のための標準的な鋳造法を使用して形成することができる。
【００２２】
出発材料を、任意選択的に、工程２１２において均質化熱処理に供してもよい。この均質化熱処理は、アルミニウムの熱間加工性を向上させるために、アルミニウム材料ビレットを、室温を上回る好適な温度に保持することによって行うことができる。均質化熱処理温度は、３００℃〜約５００℃の範囲であってもよく、特定のアルミニウム合金に合わせて特別に調整してもよい。
【００２３】
均質化熱処理後、アルミニウム材料ビレットを、任意選択的に、工程２１４において第１の溶体化に供してもよい。溶体化の目的は、アルミニウム合金を形成するために、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び／又は亜鉛などの添加元素を溶解させることである。好適な第１の溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であってもよい。溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、第１の溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。一例として、第１の溶体化は、４５０℃〜約４８０℃で最大８時間行うことができる。
【００２４】
工程２１６に示されるように、第１の溶体化に続いて急冷を実施してもよい。この急速冷却により、いかなる元素も、室温におけるアルミニウム合金中のその元素の平衡濃度よりも高い濃度で鋳片中に溶解した状態に維持される。
【００２５】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金ビレットが急冷された後、任意選択的に、工程２１８において時効を行うことができる。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。時効は、２段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約８時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の工程は、約９０℃で約８時間行われ得、第２の工程は、約１１５℃で約４０時間以下行われ得る。一般に、第１の時効熱処理工程は、第２の人工時効熱処理工程が行われる温度及び持続時間よりも低い温度及びより短い時間で行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の時効熱処理工程は、アルミニウム合金を人工的に時効処理するのに好適な条件以下の温度及び時間を含んでもよい。
【００２６】
図２に示されるように、工程２１６での急冷後、又は工程２１８での任意選択的な時効後に、アルミニウム合金を、工程２２０において、ＥＣＡＥプロセスなどの第１の過酷な塑性変形プロセスに供してもよい。ＥＣＡＥは、アルミニウム合金ビレットを、正方形又は円形の断面を有するビレットなどの特定の形状のＥＣＡＥデバイスに通過させることを含み得る。いくつかの実施形態では、この第１のＥＣＡＥプロセスは、均質化熱処理を下回るが、アルミニウム合金の人工時効温度を上回る温度で行うことができる。いくつかの実施形態では、この第１のＥＣＡＥプロセスは、約１００℃〜約４００℃、又は約１５０℃〜約３００℃、又は約２００℃〜約２５０℃の温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、合金のミクロ構造を微細化及び均質化することができ、より良好でより均一な分布の溶質及びミクロ偏析をもたらすことができる。いくつかの実施形態では、この第１のＥＣＡＥプロセスは、３００℃よりも高い温度においてアルミニウム合金で実施され得る。約３００℃よりも高い温度でアルミニウム合金を処理することは、鋳造欠陥の修復及び析出物の再分布の利点をもたらし得るが、より粗い粒径につながる可能性もあり、加工条件で実施することがより困難である場合がある。いくつかの実施形態では、押出プロセス中、押出成形されるアルミニウム合金材料及び押出ダイは、アルミニウム合金材料全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが実施される温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金材料が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、１回、２回以上、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、第１の過酷な塑性変形後、アルミニウム合金を、任意選択的に、工程２２２において第２の溶体化に供することができる。第２の溶体化は、第１の溶体化と同様の温度及び時間の条件で、アルミニウム合金に対して行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の溶体化は、第１の溶体化とは異なる温度及び／又は持続時間で行われ得る。いくつかの実施形態では、好適な第２の溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であり得る。第２の溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、第２の溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。いくつかの実施形態では、第２の溶体化は、約４５０℃〜約４８０℃で最大８時間にわたり得る。様々な実施形態において、第２の溶体化に続いて急冷を行ってもよい。
【００２８】
いくつかの実施形態では、第２の溶体化及び／又は急冷後に、アルミニウム合金は、任意選択的に、工程２２６においてＥＣＡＥプロセスなどの第２の過酷な塑性変形工程に供され得る。いくつかの実施形態では、第２のＥＣＡＥプロセスは、工程２２０の第１のＥＣＡＥプロセスで使用された温度よりも低い温度で行われ得る。例えば、第２のＥＣＡＥプロセスは、０℃よりも高くかつ２００℃未満、又は約２０℃〜約１２５℃、又は約２０℃〜約１００℃、又は約室温、例えば、約２０℃〜約３５℃の温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、押出成形中、押出成形されるアルミニウム合金材料及び押出ダイは、アルミニウム合金材料全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが行われる温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金材料が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、第２のＥＣＡＥプロセスは、ＥＣＡＥデバイスを通過する１回のパス、２回以上のパス、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００２９】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金がＥＣＡＥなどの第２の過酷な塑性変形工程に供された後、任意選択的に、工程２２８において第２の時効プロセスを行うことができる。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。いくつかの実施形態では、２段階熱処理を使用して時効を行うことができる。いくつかの実施形態では、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約８時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の時効工程は、約９０℃で約８時間行ってもよく、第２の時効は、約１１５℃で約４０時間以下行ってもよい。いくつかの実施形態では、第２の工程は、アルミニウム合金をピーク硬度まで人工的に時効処理（すなわち、ピーク硬度）するのに好適な条件以下の温度及び時間を含み得る。
【００３０】
方法２００に続いて、アルミニウム合金は、任意選択的に、アルミニウム合金の形状又はサイズを変更するために、圧延などの更なる塑性変形を受けてもよい。
【００３１】
高強度アルミニウム合金を形成する方法３００を図３に示す。方法３００は、工程３１０において、出発材料を鋳造することを含み得る。例えば、アルミニウム材料をビレットの形状に鋳造してもよい。アルミニウム材料は、方法３１０中にアルミニウムと合金化してアルミニウム合金を形成する、他の元素などの添加剤を含んでもよい。いくつかの実施形態では、アルミニウム材料ビレットは、アルミニウム−亜鉛合金、例えば、Ａｌ  ７ｘｘｘ系アルミニウム合金などの、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金のための標準的な鋳造法を使用して形成することができる。しかしながら、他の実施形態では、アルミニウム材料ビレットは、マグネシウム、マンガン、銅、及び／又は亜鉛のうちの少なくとも１つを有するアルミニウム合金、例えば、Ａｌ  ２ｘｘｘ、Ａｌ  ３ｘｘｘ、Ａｌ  ５ｘｘｘ、又はＡｌ  ６ｘｘｘ系合金などのための標準的な鋳造法を使用して形成され得る。
【００３２】
形成後、アルミニウム材料ビレットを、任意選択で、工程３１２において均質化熱処理に供してもよい。均質化熱処理は、以後の工程でのアルミニウムの熱間加工性を向上させるために、アルミニウム材料ビレットを、室温を上回る好適な温度に保持することによって行うことができる。均質化熱処理は、特定のアルミニウム合金に合わせて特別に調整することができる。例えば、温度は、アルミニウム合金の組成、又はどの系の合金が使用されるかに応じて、変化し得る。いくつかの実施形態では、均質化熱処理に好適な温度は、約３００℃〜約５００℃であり得る。
【００３３】
均質化熱処理後、工程３１４において、アルミニウム材料ビレットを第１の溶体化に供して、アルミニウム合金を形成してもよい。第１の溶体化は、工程１１４及び２１４に関して本明細書に記載されるものと同様であってもよい。好適な第１の溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であり得る。第１の溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、第１の溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。一例として、溶体化は、４５０℃〜約４８０℃で最大８時間行うことができる。溶体化に続いて急冷を行ってもよい。急冷中、アルミニウム合金ビレットを約室温以下まで急冷することによって、アルミニウム合金ビレットが急速に冷却される。この急速冷却により、いかなる元素も、室温におけるアルミニウム合金中のその元素の平衡濃度よりも高い濃度で、アルミニウム合金中に溶解した状態に維持される。いくつかの実施形態では、急冷は、第１の溶体化の２４時間以内に起こり得る。
【００３４】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金が急冷された後、任意選択的に、工程３１６において時効を行うことができる。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。いくつかの実施形態では、時効は、人工時効工程を形成する２つの熱処理工程で行うことができる。いくつかの実施形態では、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約８時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の工程は、約９０℃で約８時間行われ得、第２の工程は、約１１５℃で約４０時間以下行われ得る。一般に、第１の時効熱処理工程は、第２の時効熱処理工程が行われる温度及び持続時間よりも低い温度及びより少ない時間で行ってもよい。いくつかの実施形態では、第２の時効熱処理工程は、アルミニウム合金をピーク硬度まで時効処理（すなわち、ピーク時効）するのに好適な条件以下の温度及び時間を含み得る。
【００３５】
時効後、アルミニウム合金ビレットは、工程３１８において、第１のＥＣＡＥプロセスなどの過酷な塑性変形に供されてもよい。例えば、アルミニウム合金ビレットをＥＣＡＥデバイスに通して、正方形又は円形の断面を有するビレットとしてアルミニウム合金を押出することができる。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、高温、例えば、均質化熱処理を下回るが、特定のアルミニウム−亜鉛合金の時効温度を上回る温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、アルミニウム合金を約１００℃〜約４００℃、又は約２００℃〜約３００℃の温度に維持して行うことができる。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、アルミニウム合金を３００℃よりも高い温度に維持して行われ得る。このレベルの温度は、鋳造欠陥の修復及び析出物の再分布などの特定の利点をもたらし得るが、粗大な粒径につながる可能性もあり、加工条件で実施することがより困難である場合がある。いくつかの実施形態では、押出成形中、押出成形されるアルミニウム合金材料及び押出ダイは、アルミニウム合金材料全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが行われる温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金材料が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、第１のＥＣＡＥプロセスは、ＥＣＡＥデバイスを通過する１回のパス、２回以上のパス、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００３６】
いくつかの実施形態では、過酷な塑性変形後、工程３２０において、アルミニウム合金を第２の溶体化に供してもよい。好適な第２の溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であり得る。第２の溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、第２の溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。いくつかの実施形態では、第２の溶体化は、約４５０℃〜約４８０℃で最大８時間にわたり得る。第２の溶体化に続いて急冷を行ってもよい。
【００３７】
いくつかの実施形態では、第２の溶体化及び／又は急冷後、工程３２２において、第２の時効熱処理工程を行ってもよい。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。いくつかの実施形態では、２段階熱処理を使用して第２の時効を行うことができる。いくつかの実施形態では、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約８時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の時効工程は、約９０℃で約８時間行ってもよく、第２の時効は、約１１５℃で約４０時間以下行ってもよい。いくつかの実施形態では、第２の工程は、アルミニウム合金をピーク硬度まで時効処理（すなわち、ピーク硬度）するのに好適な条件以下の温度及び時間を含み得る。
【００３８】
いくつかの実施形態では、第２の時効プロセス後に、工程３２４において、アルミニウム合金を第２のＥＣＡＥプロセスなどの第２の過酷な塑性変形プロセスに供することができる。いくつかの実施形態では、第２のＥＣＡＥプロセスは、第１のＥＣＡＥプロセスで使用された温度よりも低い温度で行ってもよい。例えば、第２のＥＣＡＥプロセスは、０℃よりも高くかつ２００℃未満、又は約２０℃〜約１２５℃、又は約室温、例えば、約２０℃〜約３５℃の温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、押出成形中、押出成形されるアルミニウム合金材料及び押出ダイは、アルミニウム合金材料全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが行われる温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金材料が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、第２のＥＣＡＥプロセスは、ＥＣＡＥデバイスを通過する１回のパス、２回以上のパス、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００３９】
第２の過酷な塑性変形に続いて、アルミニウム合金は、任意選択的に、工程３２６において、アルミニウム合金の形状又はサイズを変更するために、圧延などの更なる塑性変形を受けてもよい。
【００４０】
高強度アルミニウム合金を形成する方法を図４に示す。方法４００は、工程４１０において出発材料を形成することを含む。工程４１０は、図１及び図２に関連して本明細書に記載される工程１１０又は２１０と同一又は同様であってもよい。いくつかの実施形態では、出発材料は、マグネシウム、マンガン、銅、及び／又は亜鉛を有するアルミニウム材料のための標準的な鋳造法を使用して形成されたアルミニウム材料ビレットであってもよい。出発材料が鋳造された後、任意選択的に、工程４１２において均質化熱処理を使用してもよい。工程４１２は、図１及び図２に関連して本明細書に記載される工程１１２又は２１２と同一又は同様であってもよい。
【００４１】
均質化熱処理後、工程４１４において、アルミニウム材料を第１の溶体化に供してアルミニウム合金を形成することができる。好適な第１の溶体化温度は、約４００℃〜約５５０℃、約４２０℃〜約５００℃、又は約４５０℃〜約４８０℃であり得る。第１の溶体化は、ビレットの断面積などのサイズに基づいて、好適な持続時間にわたって行うことができる。例えば、第１の溶体化は、ビレットの断面に応じて、約３０分〜約８時間、１時間〜約６時間、又は約２時間〜約４時間行うことができる。一例として、溶体化は、４５０℃〜約４８０℃で最大８時間行うことができる。工程４１６に示されるように、溶体化に続いて急冷を行ってもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態では、溶体化及び急冷後、アルミニウム合金ビレットは、工程４１８において、過酷な塑性変形プロセスに供され得る。いくつかの実施形態では、過酷な塑性変形プロセスはＥＣＡＥであってもよい。例えば、アルミニウム合金ビレットを、正方形又は円形の断面を有するＥＣＡＥデバイスを通過させてもよい。例えば、ＥＣＡＥプロセスは、１回以上のＥＣＡＥパスを含み得る。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥプロセスは、０℃よりも高くかつ１６０℃未満、又は約２０℃〜約１２５℃、又は約室温、例えば、約２０℃〜約３５℃の温度で行われ得る。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥ中、押出成形されるアルミニウム合金ビレット及び押出ダイは、アルミニウム合金ビレット全体にわたって一貫した温度を確保するために、押出プロセスが行われる温度に維持され得る。すなわち、押出成形プロセス中にアルミニウム合金が冷却されるのを防止するために、押出ダイを加熱してもよい。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥプロセスは、ＥＣＡＥデバイスを通過する１回のパス、２回以上のパス、又は４回以上の押出パスを含むことができる。
【００４３】
いくつかの実施形態では、工程４１８においてアルミニウム合金が過酷な塑性変形に供された後、工程４２０において時効が行われ得る。一実施例では、時効は、１段階熱処理を使用して行われ得る。いくつかの実施形態では、１段階熱処理は、約８０℃〜約２００℃の温度で、０．２５時間〜約４０時間の持続時間にわたって行うことができる。いくつかの実施形態では、２段階熱処理を使用して時効を行うことができる。いくつかの実施形態では、第１の熱処理工程は、約８０℃〜約１００℃、約８５℃〜約９５℃、又は約８８℃〜約９２℃の温度で、１時間〜約５０時間、約８時間〜約４０時間、又は約８時間〜約２０時間の持続時間にわたって行われ得る。いくつかの実施形態では、第２の熱処理工程は、約１００℃〜約１７０℃、約１００℃〜約１６０℃、又は約１１０℃〜約１６０℃の温度で、２０時間〜約１００時間、約３５時間〜約６０時間、又は約４０時間〜約４５時間の持続時間にわたって行われ得る。例えば、第１の時効工程は、約９０℃で約８時間行ってもよく、第２の時効は、約１１５℃で約４０時間以下行ってもよい。いくつかの実施形態では、第２の工程は、アルミニウム合金をピーク硬度まで時効処理（すなわち、ピーク硬度）するのに好適な条件以下の温度及び時間を含み得る。
【００４４】
時効に続いて、アルミニウム合金は、任意選択的に、工程４２２において、アルミニウム合金ビレットの形状又はサイズを変更するために、圧延などの更なる塑性変形を受けてもよい。
【００４５】
図１〜図４に示される方法は、１つ以上の追加の成分を有するアルミニウム合金に適用され得る。例えば、アルミニウム合金は、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有してもよい。いくつかの実施形態では、図１〜図４の方法は、高降伏強度（すなわち、３００ＭＰａ〜６５０ＭＰａの降伏強度）、低重量密度（すなわち、約２．８ｇ／ｃｍ３）、及び複雑な形状の製造の相対的容易さに起因して、ポータブル電子デバイスケースでの使用に好適なアルミニウム合金に適用され得る。
【００４６】
機械的強度の要件に加えて、アルミニウム合金が、所望の色又は濃淡などの特定の美的外観の要件を満たすことが望ましい場合がある。例えば、ポータブル電子デバイス分野では、外側合金ケースが、塗料又は他のコーティングを使用することなく、特定の色又は濃淡を有することが望ましい場合がある。
【００４７】
したがって、様々な用途で使用される特定の合金は、所望の特性に依存し得る。例えば、銅含有アルミニウム合金は、陽極酸化された後に黄色がかった色を呈することが見出されている。黄色がかった色が望まれない他の実施例では、より低い銅の濃度に起因して、アルミニウム−亜鉛合金を使用することができる。アルミニウム−亜鉛合金における所望の着色特性を実現しやすくするために、銅の濃度は比較的低く保たれなければならない。例えば、いくつかの実施形態では、銅の濃度は、約０．５重量％未満であり得る。アルミニウム合金中の亜鉛及びマグネシウムの重量パーセント及び重量比もまた、慎重に制御され得る。例えば、亜鉛及びマグネシウムは、析出硬化によってアルミニウム合金の強度を増加させるＭｇＺｎ２などの亜鉛−マグネシウム析出物を形成することによって、強度の増加をもたらし得る。しかしながら、いくつかの実施形態では、亜鉛及びマグネシウムの濃度が高すぎると、陽極酸化などの特定の製造工程中に、応力腐食に対する合金の耐性を減少させる可能性がある。
【００４８】
マグネシウムを含有するアルミニウム合金の鋳放し降伏強度は約５０ＭＰａ〜４５０ＭＰａであることが判明している。銅を含有するアルミニウム合金の鋳放し降伏強度は約５０ＭＰａ〜４００ＭＰａであることが判明している。マグネシウム及びマンガンを含有するアルミニウム合金の鋳放し降伏強度は約５０ＭＰａ〜３５０ＭＰａであることが判明している。本明細書に開示される方法を使用すると、アルミニウム合金の強度を更に高めることが可能であることが見出されており、得られる合金は、電子デバイスケースでの使用に魅力的であり得る。例えば、図１〜図４を参照して説明された方法を使用して、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム合金で、３００ＭＰａ〜６５０ＭＰａ、３００ＭＰａ〜５００ＭＰａ、３５０ＭＰａ〜６００ＭＰａ、及び４２０ＭＰａ〜５００ＭＰａの降伏強度が達成された。
【００４９】
本明細書に記載されるように、これらのアルミニウム合金の機械的特性は、合金を過酷な塑性変形（ＳＰＤ）に供することによって改善することができる。本明細書で使用されるとき、過酷な塑性変形は、材料のバルクピースの極度の変形を含む。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥは、本明細書に記載の材料に適用されると、好適なレベルの所望の機械的特性をもたらす。
【００５０】
ＥＣＡＥは、実質的に９０°〜１４０°の間に含まれる特定の角度で交わるほぼ等しい断面の２つのチャネルからなる押出成形技術である。ＥＣＡＥデバイス５００の例示的なＥＣＡＥの概略を図５に示す。図５に示すように、例示的なＥＣＡＥデバイス５００は、一対の交差するチャネル５０４及び５０６を画定する金型アセンブリ５０２を含む。交差するチャネル５０４及び５０６は、断面が同一であるか、又は少なくとも実質的に同一であり、「実質的に同一」という用語は、チャネルがＥＣＡＥ装置の許容可能な寸法公差内で同一であることを示す。動作中、材料５０８は、チャネル５０４及び５０６を通って押出される。このような押出は、チャネルの交差面に位置する薄いゾーンにおいて、層に次々に起きる単純剪断によって材料５０８の塑性変形をもたらす。したがって、いくつかの実施形態では、チャネル５０４及び５０６は、十分な変形（すなわち、真剪断ひずみ）をもたらすために、約９０°の角度で交差している。例えば、９０°のツール角度は、各ＥＣＡＥパス当たり約１．１７である、真ひずみをもたらし得る。しかしながら、例えば９０°よりも大きい角度などの代替のツール角度を使用し得ること（図示せず）が理解されるべきである。
【００５１】
ＥＣＡＥがパス当たり高い変形をもたらすので、複数パスのＥＣＡＥを組み合わせて使用して、各パス後のビレットの形状及び体積を変化させることなく、極度のレベルの変形に到達することができる。各パス間でビレットを回転又は反転させることにより、様々なひずみ経路を達成することができる。これにより、合金粒の結晶学的テクスチャの形成、及び粒、粒子、相、鋳造欠陥又は析出物などの様々な構造的特徴の形状を制御することができる。ＥＣＡＥを使用して、（ｉ）単純剪断、（ｉｉ）激しい変形、及び（ｉｉｉ）複数パスのＥＣＡＥを使用して可能な様々なひずみ経路の利用の３つの主要な因子を制御することにより、結晶粒の微細化が可能である。ＥＣＡＥは、スケーラブルな方法、均一な最終製品、及び最終製品としてモノリシックな材料片を形成する能力を提供する。
【００５２】
ＥＣＡＥはスケーラブルなプロセスなので、ＥＣＡＥを介して大きなビレットのセクション及びサイズを加工することができる。ＥＣＡＥはまた、加工中にビレットの断面を制御して、断面の形状又はサイズの変化を防止することができるので、ビレットの断面全体にわたって均一な変形をもたらす。また、２つのチャネル間の交差面において、単純剪断が働く。
【００５３】
ＥＣＡＥは、変形される材料の中間接合又は切断を伴わない。したがって、ビレットは、材料の本体内に接合界面を有しない。すなわち、製造された材料は、以前分離していた２つ以上の材料片が互いに接合された接合線又は接合界面を有しないモノリシックな材料片である。界面は、多くの場合有害である酸化に好ましい場所であるので、有害である可能性がある。例えば、接合線は、割れ又は層間剥離の根源になり得る。更に、接合線又は接合界面は、不均質な粒径及び析出の要因であり、特性の異方性をもたらす。
【００５４】
場合によっては、アルミニウム合金ビレットは、ＥＣＡＥ中に割れることがある。特定のアルミニウム合金では、アルミニウム合金中の構成成分の高い拡散速度が、加工結果に影響を及ぼすことがある。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥを高温で行うことにより、ＥＣＡＥ中のアルミニウム合金ビレットの割れを回避することができる。例えば、アルミニウム合金ビレットが押出成形中に保持される温度を上昇させることにより、アルミニウム合金の加工性を向上させ、アルミニウム合金ビレットをより容易に押出成形することができる。しかしながら、アルミニウム合金の温度を上昇させると、一般的に、望ましくない結晶成長をもたらし、熱処理型アルミニウム合金内で、より高い温度が、析出物のサイズ及び分布に影響を及ぼす可能性がある。変更された析出のサイズ及び分布が、加工後のアルミニウム合金の強度に悪影響を及ぼす可能性がある。ＥＣＡＥ中に使用される温度及び時間が、加工されるアルミニウム合金のピーク硬度に対応する温度及び時間を上回る、すなわち、ピーク時効に対応する温度及び時間の条件を上回る場合に、こうした結果になり得る。したがって、アルミニウム合金のピーク時効温度にあまりにも近い温度の合金で、アルミニウム合金のＥＣＡＥを行うことは、それによりビレットの表面状態が改善（すなわち、発生する欠陥の数が低減）され得る場合であっても、特定のアルミニウム合金の最終強度を増加させるための好適な技術ではない場合がある。
【００５５】
最初の溶体化及び急冷後にアルミニウム合金を約室温に保持して、ＥＣＡＥを介してアルミニウム合金を加工することにより、アルミニウム合金の強度を増加させるための好適なプロセスを提供することができる。この技術は、最初の溶体化及び急冷処理のほぼ直後（すなわち、１時間以内）に単一回のＥＣＡＥパスが実施される場合に、かなり成功し得る。しかしながら、この技術は、特定の合金組成に対しては、又は複数パスのＥＣＡＥが使用される場合には、一般的に成功しない。例えば、Ａｌ  ７ｘｘｘ系の上限（すなわち、それぞれ約６．０重量％及び４．０重量％の亜鉛及びマグネシウムの値）に近い重量濃度の亜鉛及びマグネシウムを有するアルミニウム合金については、単一パスのＥＣＡＥは、合金の強度を十分に増加させない、又は十分に微細なサブミクロン構造をもたらさない可能性があることが見出された。
【００５６】
いくつかの実施形態では、合金を冷間加工する前に、及び合金が最初の溶体化及び急冷に供された場合に、アルミニウム合金の時効を実施することが有益であり得る。このような合金の一例が、マグネシウム及び亜鉛、並びに低濃度のＣｕを有するアルミニウム合金である。例えばＡｌ  ７ｘｘｘ系のものなど、特定のアルミニウム合金を溶体化後に冷間加工することの影響は、Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金などの、いくつかの他の熱処理型アルミニウム合金とは反対であるため、特定の実施形態では時効が有益であり得る。例えば、冷間加工は、アルミニウム合金の過時効焼戻し時の最大の達成可能な強度及び靱性を低減する可能性がある。特定のアルミニウム合金を時効処理する前の冷間加工の悪影響は、転位上の粗析出物の核形成に起因する。したがって、溶体化及び急冷の直後、かつ時効の前にＥＣＡＥを使用するアプローチは、特定のパラメータを必要とし得る。この効果を、以下の実施例で更に示す。
【００５７】
上記の考慮事項を念頭に置いて、特定の加工パラメータが、マグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び／又は亜鉛を有するアルミニウム合金に対するＥＣＡＥプロセスの結果を改善し得ることが見出された。これらのパラメータを、以下の実施例で更に概説する。
【００５８】
ＥＣＡＥ用プロセスパラメータ
ＥＣＡＥ前の熱処理
ＥＣＡＥを実施する前に、アルミニウム合金中に安定なギニアプレストン（ＧＰ）ゾーンを生成し、熱的に安定な析出物を定着させると、加工性が向上し、それにより、例えば、ＥＣＡＥ中のビレットの割れの低減につながり得ることが発見された。いくつかの実施形態では、これは、ＥＣＡＥを行う前に、人工時効などの熱処理を実施することによって達成される。いくつかの実施形態では、人工時効は、室温での不安定な析出の影響を制限する２段階熱処理（自然時効とも称される）を含む。析出を制御することは、マグネシウム及び亜鉛合金を有するアルミニウム合金のＥＣＡＥ処理にとって重要であるが、これは、これらの合金がかなり不安定な析出過程を有し、熱処理の加工条件及び順序を慎重に制御しなければ、ＥＣＡＥ中の高い変形が合金を更に不安定にするからである。
【００５９】
マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金において、熱及び時間が析出に及ぼす影響が評価されている。マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金における析出過程は複雑で、温度及び時間に依存する。まず、溶体化などの高温熱処理を使用して、マグネシウム及び／又は亜鉛などの溶質が、アルミニウム合金全体にわたって分布させることによって、溶体化される。高温熱処理に続いて、溶質を固溶状態に維持するために、急冷としても知られる、水中又は油中での急速冷却が行われることが多い。長時間比較的低温にあるときの、及び穏やかな高温での人工時効の初期間中の主な変化は、固溶体の格子内に溶質原子が再分布され、溶質内でかなり濃縮されたギニアプレストン（ＧＰ）ゾーンと呼ばれる集合体を形成することである。この溶質原子の局所的な偏析により、合金格子のひずみが生じる。このゾーンの強化効果は、転位がＧＰゾーンを切断するときの転位の動きとの更なる干渉の結果である。（自然時効として定義される）室温での時効時間に伴う強度の漸増は、ＧＰゾーンのサイズの増加に起因する。
【００６０】
ほとんどのシステムにおいて、時効時間又は温度が増加すると、ＧＰゾーンが、固溶体のものとは異なる、及び平衡相の構造とは異なる結晶構造を有する粒子に変換されるか又は置換される。これらは、「遷移」析出と称される。多くの合金において、これらの析出物は、局所的な弾性ひずみを介してマトリックスを適応させることによって、２つの相が特定の面上でコヒーレントなままであるように、固溶体との特定の結晶学的配向関係を有する。転位が析出物を切断し続ける限り、これらの「遷移」析出物のサイズ及び数が増加するにつれて、強度が増加し続ける。析出反応が更に進行すると「遷移」相粒子の成長をもたらし、それに伴って、界面結合力が超過されてコヒーレンスが消失するまで、コヒーレンスひずみが増加する。これは、通常、「遷移」から「平衡」形態への析出物の構造の変化と一致し、最大強度を得るための最適な条件であるピーク時効に対応する。コヒーレンスが失われると、強化効果は、転位に、析出物を切断させるのではなく、析出物の周りを輪を描いて進ませるのに必要な応力によってもたらされる。強度は、平衡相粒子の成長及び粒子間間隔の増加に伴って徐々に減少する。この最後の段階は、過時効に対応し、いくつかの実施形態では、主目的が最大強度を達成することである場合には好適ではない。
【００６１】
マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金においては、ＧＰゾーンは、室温では、サイズが非常に小さく（すなわち、１０ｎｍ未満）、非常に不安定である。本明細書で提供される実施例に示されるように、急冷後合金が室温で数時間保持された後に、自然時効と呼ばれる現象である、高レベルの硬化が起こる。マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金におけるこの硬化の１つの理由が、アルミニウム中で最も高い拡散速度を有する元素である亜鉛の速い拡散速度である。別の因子が、急冷後の高濃度の非平衡空孔の保持に強く影響するマグネシウムの存在である。マグネシウムは、マグネシウム−空孔錯体の形成及び急冷中のそれらの保持をより容易にする、大きな原子直径を有する。これらの空孔は、亜鉛がマグネシウム原子の周囲に拡散してＧＰゾーンを形成するために利用可能である。室温を上回る、拡張された時効時間及び温度（すなわち人工時効）は、ＧＰゾーンを、η又はＭと称される平衡ＭｇＺｎ２相の前駆体である、η’又はＭ’と呼ばれる遷移析出物に変換する。（例えば、２．０重量％を超える）より高いマグネシウム含有量を有するアルミニウム合金の場合には、析出過程は、拡張された時効時間及び温度においてＴと呼ばれる平衡Ｍｇ３Ｚｎ３Ａｌ２析出物となる、Ｔ’と呼ばれる遷移析出物へのＧＰゾーンの変化を含む。Ａｌ  ７ｘｘｘにおける析出過程は、図６に示されるフロー概略図に要約することができる。
【００６２】
図６のフロー概略図に示すように、ＧＰゾーンが格子内で均一に核生成し、様々な析出物が順次発生する。しかしながら、粒界、亜粒界、転位、及び格子ひずみの存在がゾーンの自由エネルギーを変化させ、析出物の形成及び重大な不均質核生成が生じ得る。これは、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金に２つの影響を及ぼす。第１に、ＧＰゾーン及び析出物の不均質な分布を生成する可能性があり、それらのいずれかが、冷間加工又は熱間加工中に欠陥の原因となり得る。第２に、境界又は転位における不均質に核生成された析出物は、通常、より大きく、全体の強度に大きく寄与せず、したがって、最大の達成可能な強度を減少させる可能性がある。例えば、溶体化及び急冷工程直後のＥＣＡＥ中に極度のレベルの塑性変形が導入されると、少なくとも以下の理由で、これらの影響が高まる。
【００６３】
第１に、ＥＣＡＥによって、不均質な核生成及び析出を促進し得る高レベルの亜粒界、粒界、及び転位が導入され、したがって、析出物の不均質な分布がもたらされる。第２に、ＧＰゾーン又は析出物が転位を装飾して、転位の移動を抑制し、局所的な延性の低下をもたらす可能性がある。第３に、室温加工であっても、より速い核生成及び析出のためのエネルギーをもたらす、あるレベルの断熱加熱がＥＣＡＥ中に存在する。これらの相互作用は、各ＥＣＡＥパス中に動的に発生し得る。これは、ＥＣＡＥ中、マグネシウム及び亜鉛を有する、溶体化及び急冷されたアルミニウム合金の加工に、潜在的に有害な影響をもたらす。
【００６４】
潜在的に有害な影響のいくつかは、以下のとおりである。局所的な延性の損失及び不均質な析出物の分布に起因するビレットの表面割れの傾向。この影響は、ビレットの上部表面において最も深刻である。使用することができるＥＣＡＥのパス数の制限。パス数が増えると、影響がより深刻になり、割れがより起こり易くなる。不均質核生成の影響に部分的に起因する、及び最終レベルの粒径微細化に影響を及ぼす、ＥＣＡＥのパス数の制限に部分的に起因する、ＥＣＡＥ中の最大の達成可能な強度の減少。更なる厄介な問題が、室温（すなわち、自然時効中）でさえも、析出の高速動態に起因して、Ａｌ  ７ｘｘｘ系合金などの、溶体化及び急冷されたアルミニウム−亜鉛合金の処理に伴って発生する。溶体化及び急冷工程とＥＣＡＥとの間の時間が、制御に重要であり得ることが判明している。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥは、急冷工程の後に比較的速やかに、例えば１時間以内に実施され得る。
【００６５】
安定な析出物は、アルミニウム合金が、その所与の組成のための人工ピーク時効に実質的に近い温度及び時間にある場合であっても、アルミニウム合金中で熱的に安定な析出物として定義することができる。具体的には、安定な析出物は、室温での自然時効中に変化しない析出物である。これらの析出物はＧＰゾーンではなく、代わりに、遷移及び／又は平衡析出物（例えば、アルミニウム−亜鉛合金のη’又はＭ’又はＴ’）を含むことに留意されたい。加熱（すなわち人工時効）の目的は、ＥＣＡＥ中にビレットの割れをもたらし得る不安定なＧＰゾーンの大部分を排除して、それらを、安定な遷移及び平衡析出物であり得る、安定な析出物に置き換えることである。アルミニウム合金の最終強度を減少させ得る、成長して大きくなりすぎた平衡析出物を一般にもたらす可能性のある、ピーク時効を上回る条件（すなわち、過時効条件）までアルミニウム合金を加熱することを避けることも、好適である場合がある。
【００６６】
これらの制限は、第１のＥＣＡＥパスを実施する前に、不安定なＧＰゾーンの大部分を安定な遷移及び／又は平衡析出物に変換することによって、回避することができる。これは、例えば、溶体化及び急冷工程の後又は直後、かつＥＣＡＥプロセス前に、低温熱処理（人工時効）を行うことによって達成され得る。いくつかの実施形態では、これは、析出過程のほとんどが均質に起こることにつながり、ＥＣＡＥ加工でのより高い達成可能な強度及び析出物のより良好な安定性に寄与し得る。更に、熱処理は、材料を８０℃〜１００℃の低温に４０時間未満又は約４０時間保持することを含む第１の工程と、マグネシウム及び亜鉛を有する所与のアルミニウム合金のためのピーク時効条件以下の温度及び時間で材料を保持する、例えば、材料を１００℃〜１５０℃に約８０時間以下保持する第２の工程と、を含む２段階の手順からなり得る。第１の低温熱処理工程は、第２の熱処理工程中に温度が上昇したときに安定である、ＧＰゾーンの分布をもたらす。第２の熱処理工程は、安定な遷移及び平衡析出物の所望の最終分布を達成した。
【００６７】
いくつかの実施形態では、低温で最終ＥＣＡＥプロセスを実施する前に、均一性を高め、合金のミクロ構造の所定の粒径を達成することが有利であり得る。いくつかの実施形態では、これにより、低減された割れの量によって示されるように、ＥＣＡＥ中に合金材料の機械的特性及び加工性を向上させることができる。
【００６８】
マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金は、大きな粒径及び大量のマクロ及びミクロ偏析を有する不均質ミクロ構造によって特徴付けられる。例えば、初期の鋳造ミクロ構造は、第２相粒子又は共晶相の樹枝状晶間分布を伴って、中心から縁部まで徐々に増加する溶質含量を有する樹枝状構造を有することがある。特定の均質化熱処理は、ビレットの構造的均一性及びそれに続く加工性を向上させるために、溶体化及び急冷工程の前に実施されてもよい。冷間加工（延伸など）又は熱間加工もまた、特定のビレット形状を提供するために、又は製品を応力除去若しくは矯正するためによく使用される。電話ケースを形成するなどの平板用途では、圧延が使用されることがあり、溶体化、急冷、及びピーク時効などの熱処理後であっても、最終製品のミクロ構造及び特性の異方性をもたらす可能性がある。典型的には、粒は、圧延方向に沿って伸長されるが、厚さ、並びに圧延方向を横断する方向に沿って平坦化される。この異方性はまた、析出物分布において、特に粒界に沿って反映される。
【００６９】
いくつかの実施形態では、例えばＴ６５１などの任意の質別を有する、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金のミクロ構造は、４５０℃を下回るなどの高温での少なくとも単一回のＥＣＡＥパスを含む加工シーケンスを適用することによって、分解され、微細化され、かつより均一化され得る。この工程に続いて、溶体化及び急冷を行ってもよい。別の実施形態では、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金で製造されたビレットを、第１の溶体化及び急冷工程、続いて１５０℃〜２５０℃の穏やかな高温での単一パス又はマルチパスのＥＣＡＥ、続いて第２の溶体化及び急冷工程に、供することができる。上述の熱機械的経路のいずれかの後、アルミニウム合金を、人工時効の前又は後のいずれかで、低温で更にＥＣＡＥに供することができる。特に、高温での最初のＥＣＡＥプロセスは、マグネシウム及び亜鉛を有する、溶体化及び急冷されたアルミニウム合金の低温でのその後のＥＣＡＥプロセス中の割れを低減するのに役立つことが発見された。この結果について、以下の実施例で更に説明する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥを使用して過酷な塑性変形を付与して、アルミニウム−亜鉛合金の強度を増加させることができる。いくつかの実施形態では、溶体化、急冷、及び人工時効が行われた後に、ＥＣＡＥを実施することができる。上述のように、材料が高温である間に行われる最初のＥＣＡＥプロセスは、低温での第２又は最終のＥＣＡＥプロセスの前に、より微細で、より均一で、より等方性の初期ミクロ構造を生じ得る。
【００７１】
ＥＣＡＥによる強化に関しては、２つの主な機構が存在する。第１に、サブミクロン又はナノ粒子レベルの材料のセル、亜粒、及び粒などの構造単位の微細化である。これは、粒径又はホールペッチ強化とも称され、式１を使用して定量化することができる。
【００７２】
【数１】
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【００７３】
式中、σｙは降伏応力であり、σｏは開始応力又は転位移動のための材料定数（又は転位運動に対する格子の抵抗）であり、ｋｙは、強化係数（各材料に特有の定数）であり、ｄは平均粒径である。この式に基づいて、ｄが１ミクロン未満である場合、強化は特に有効となる。ＥＣＡＥによる強化に関する第２の機構は、ＥＣＡＥプロセス中の高いひずみに起因する、材料のセル、亜粒、又は粒内の転位の増殖である、転位硬化である。これらの２つの強化機構は、ＥＣＡＥによって起動され、特に、溶体化及び急冷にすでに供されたアルミニウム−亜鉛合金を押出成形するときに、特定のＥＣＡＥパラメータを制御して、アルミニウム合金の特定の最終強度を生じさせ得ることが発見された。
【００７４】
第１に、ＥＣＡＥに使用される温度及び時間は、マグネシウム及び亜鉛を有する所与のアルミニウム合金のピーク時効の条件に対応するものより低くてもよい。これは、ＥＣＡＥ中のダイの温度、及び複数回のパスを含むＥＣＡＥプロセスが実施されるときに、押出成形される材料を所望の温度に維持するために、各ＥＣＡＥパス間に中間熱処理を使用する可能性の両方を制御することを含む。例えば、押出成形される材料を、各押出パス間に、約２００℃の温度で約２時間維持してもよい。いくつかの実施形態では、押出成形される材料を、各押出パス間に、約１２０℃の温度で約２時間維持してもよい。
【００７５】
第２に、いくつかの実施形態では、最高強度を得るために、ＥＣＡＥ中に押出成形される材料の温度を可能な限り低い温度に維持することが有利であり得る。例えば、押出成形される材料を約室温で維持してもよい。これにより、形成された転位の数の増加がもたらされ、より効率的な細粒化が行われ得る。
【００７６】
第３に、複数回のＥＣＡＥパスを実施することが有利であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥプロセス中に２回以上のパスが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、３回以上、又は４回以上のパスが使用されてもよい。いくつかの実施形態では、多数回のＥＣＡＥパスが、押出成形された材料の優れた強度及び延性をもたらす、より等軸の高傾角粒界及び転位を有するより均一で微細化されたミクロ構造をもたらす。
【００７７】
いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥは、少なくとも次のように、細粒化及び析出に影響を及ぼす。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥは、粒界の体積の増加、及びサブミクロンのＥＣＡＥ加工材料に蓄積されたより高い機械的エネルギーに起因して、押出成形中により速い析出を生じさせることが見出されている。更に、析出物の核生成及び成長に関連する拡散プロセスが促進される。これは、残存するＧＰゾーン又は遷移析出物のいくつかが、ＥＣＡＥ中に平衡析出物に動的に変換され得ることを意味する。いくつかの実施形態では、ＥＣＡＥは、より均一かつより微細な析出物を生成することが見出されている。例えば、高傾角粒界のために、非常に微細な析出物のより均一な分布が、ＥＣＡＥのサブミクロン構造で達成され得る。析出物は、転位及び粒界を修飾及びピン止めすることによって、アルミニウム合金の最終強度に寄与することができる。より微細でより均一な析出物は、押出アルミニウム合金の最終強度の全体的な増加をもたらし得る。
【００７８】
成功を更に増加させるために制御され得る、ＥＣＡＥプロセスの追加のパラメータが存在する。例えば、押出速度を制御して、押出成形される材料に割れが形成されるのを避けることができる。第２に、好適なダイ設計及びビレット形状もまた、材料中の割れの形成を低減するのに役立つ。
【００７９】
いくつかの実施形態では、アルミニウム合金がＥＣＡＥを受けた後に追加の圧延及び／又は鍛造を使用して、アルミニウム合金を最終製品形状に機械加工する前に、アルミニウム合金を最終ビレット形状により近いものにすることができる。いくつかの実施形態では、追加の圧延又は鍛造工程は、合金材料のミクロ構造により多くの転位を導入することによって、更なる強度を加えることができる。
【００８０】
下記の実施例では、ブリネル硬度を初期試験として使用して、アルミニウム合金の機械的特性を評価した。以下に含まれる実施例では、ブリネル硬さ試験機（マサチューセッツ州ノーウッドに所在のＩｎｓｔｒｏｎ（登録商標）から入手可能）を使用した。試験機は、ＡＳＴＭ  Ｅ１０規格に記載されたように、固定直径（１０ｍｍ）の超硬球に所定の荷重（５００ｋｇｆ）を加えて、この状態を、手順毎に所定の時間（１０〜１５秒）保持する。ブリネル硬度の測定は、比較的簡単な試験方法であり、引張試験よりも速い。それを使用して、次いで、更なる試験のために分離され得る好適な材料を識別するための初期評価を形成することができる。材料の硬度は、標準的な試験条件下での表面くぼみに対するその抵抗である。これは、局所的塑性変形に対する材料の抵抗の尺度である。硬度インデンタを材料に押し込むことは、インデンタが型押しされる場所における材料の塑性変形（移動）を伴う。材料の塑性変形は、試験される材料の強度を超える量の力がインデンタに加えられた結果である。したがって、硬度試験インデンタの下で塑性変形される材料が少ないほど、材料の強度が高くなる。同時に、塑性変形が少ないと、より浅い硬度圧痕がもたらされ、したがって、得られる硬度数はより高くなる。これは全体的な関係を提供し、材料の硬度が高いほど、期待強度が高くなる。すなわち、硬度と降伏強度の両方は、塑性変形に対する金属の抵抗の指標である。したがって、これらはほぼ比例している。
【００８１】
引張強度は、通常、降伏強度（ＹＳ）及び最終引張強度（ＵＴＳ）の２つのパラメータによって特徴付けられる。最終引張強度は、引張試験中の最大測定強度であり、明確に定義された点で生じる。降伏強度は、塑性変形が顕著になり、引張試験下で顕著になる応力の量である。工学的応力−ひずみ線図には、弾性ひずみが終わって塑性ひずみが始まる明確な点が通常存在しないため、一定量の塑性ひずみが発生したときの強度が、降伏強度として選択される。一般的な工学的構造設計では、降伏強度は、０．２％の塑性歪みが起こったときに選択される。０．２％降伏強度又は０．２％オフセット降伏強度は、試料の元の断面積から０．２％オフセットした位置で計算される。使用され得る等式はｓ＝Ｐ／Ａで、式中、ｓは降伏応力又は降伏強度であり、Ｐは荷重であり、Ａは荷重が加わる面積である。
【００８２】
降伏強度は、粒径及び相径及び分布などの他のミクロ構造因子に起因して、最終引張強度よりも敏感であることに留意されたい。しかしながら、特定の材料の降伏強度とブリネル硬度との間の関係を測定し、実験的に図表化し、得られた図表を使用して、方法の結果の初期評価を提供することが可能である。このような関係を、以下の材料及び実施例について評価した。データをグラフにし、その結果を表７に示す。図７に示されるように、評価された材料については、約１１１ＨＢを上回るブリネル硬度が３５０ＭＰａを上回るＹＳに対応し、約１２２ＨＢを上回るブリネル硬度が４００ＭＰａを上回るＹＳに対応すると判定された。
【実施例】
【００８３】
以下の非限定的な実施例は、本発明の様々な特徴及び特性を説明するものであり、これらに限定されるものではない。
【００８４】
実施例１：マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金の自然時効
自然時効の効果を、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金で評価した。この最初の分析では、Ａｌ  ７０２０が、その低いＣｕ重量パーセント、及び約３：１〜４：１の亜鉛対マグネシウムの比のために選択された。上述のように、これらの因子は、デバイスケーシングなどの用途のための美的外観に影響を及ぼす。試料合金の組成を、残部がアルミニウムである表１に示す。亜鉛（４．８重量％）及びマグネシウム（１．３重量％）が、最も高い濃度で存在する２つの合金元素であり、Ｃｕの含有量は低い（０．１３重量％）ことに留意されたい。
【００８５】
【表１】
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【００８６】
受け取ったままのＡｌ  ７０２０材料を、材料を４５０℃に２時間保持することによって溶体化熱処理に供した後に、冷水中で急冷した。次いで、試料材料を室温（２５℃）で数日間維持した。室温で数日間保存（いわゆる自然時効）した後の試料材料の機械的特性の安定性を、ブリネル硬度を使用して評価した。硬度データを図８に示す。図８に示されるように、室温でほんの１日後、６０．５ＨＢ〜約７６．８ＨＢへの硬度のかなりの増加、約３０％の増加があった。室温で約５日後、硬度は９６．３ＨＢに達し、かなり安定したままであり、２０日間にわたって測定したときに最小限度の変化を示した。硬度の増加率は、Ａｌ  ７０２０の不安定な過飽和固溶及び析出過程を示す。この不安定な過飽和固溶及び析出過程は、多くのＡｌ  ７ｘｘｘ系合金の特性である。
【００８７】
実施例２：初期合金材料におけるミクロ構造の異方性の例
実施例１で形成されたアルミニウム合金を熱間圧延に供して合金材料をビレットに形成した後、溶体化、急冷、開始長さよりも２．２％大きい伸び率まで延伸することによる応力除去、及び人工ピーク時効を含む、質別Ｔ６５１に対する熱機械加工を行った。得られた材料の測定された機械的特性を表２に列挙する。Ａｌ  ７０２０材料の降伏強度、最終引張強度、及びブリネル硬度はそれぞれ、３４７．８ＭＰａ、３９６．５ＭＰａ、及び１０８ＨＢである。引張試験は、ねじ付き端部を有する丸いテンションバーを使用して、室温で実施例の材料で実施した。テンションバーの直径は０．２５０インチであり、ゲージは長さ１．０００インチであった。円形引張試験片の形状は、ＡＳＴＭ規格のＥ８に記載されている。
【００８８】
【表２】
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【００８９】
図９は、ビレット６０２の上面６０４の向きを示すための例示的なビレット６０２の平面を示す。矢印６０６は、圧延及び延伸の方向を示す。第１の側面６０８は、圧延方向に平行で、上面６０４に対して垂直な平面内にある。第２の側面６１０は、矢印６０６の圧延方向及び上面６０４に対して垂直な平面内にある。矢印６１２は、第１の側面の平面に対して垂直な方向を示し、矢印６１４は、第２の側面６１０の平面に対して垂直な方向を示す。実施例２のＡｌ  ７０２０材料の粒構造の光学顕微鏡画像を図１０Ａ〜図１０Ｃに示す。図１０Ａ〜図１０Ｃは、図９に示された３つの平面に対する、質別Ｔ６５１を有するＡｌ  ７０２０のミクロ構造を示す。光学顕微鏡を粒度分析に使用した。図１０Ａは、図９に示した上面６０４の、倍率１００倍の光学顕微鏡画像である。図１０Ｂは、図９に示した第１の側面６０８の、倍率１００倍の光学顕微鏡画像である。図１０Ｃは、図９に示した第２の側面６１０の、倍率１００倍の光学顕微鏡画像である。
【００９０】
図１０Ａ〜図１０Ｃに示されるように、細長い粒からなる異方性繊維状ミクロ構造が検出される。元の粒が、圧延方向に垂直な方向であるビレットの厚さ全体にわたって圧縮され、熱機械加工中に圧延方向に沿って伸長される。上面を横切って測定された粒径は、直径で約４００〜６００と大きくて不均一で、７：１〜１０：１の範囲の平均粒長対厚さの大きなアスペクト比を有する。粒界は、図１０Ｂ及び図１０Ｃに示される２つの他の面に沿って分解することが困難であるが、薄い平行な帯によって例示されるように、重度の伸長及び圧縮を明確に示す。この種の大きくて不均一なミクロ構造は、マグネシウム及び亜鉛を有し、Ｔ６５１などの標準的な質別を有するアルミニウム合金に特徴的である。
【００９１】
実施例３：溶体化及び急冷されたＡｌ  ７０２０材料のＥＣＡＥ
実施例２と同じ組成及び質別Ｔ６５１を有するＡｌ  ７０２０材料のビレットを、４５０℃の温度で２時間溶体化に供し、直ちに冷水中で急冷した。このプロセスは、アルミニウム材料のマトリックス中の固溶体の中に溶質として添加された、亜鉛及びマグネシウムなどの最大数の元素を保持するために行われた。この工程はまた、アルミニウム材料中に存在する（ＺｎＭｇ）析出物を溶解して固溶体内に戻したと考えられる。得られたＡｌ  ７０２０材料のミクロ構造は、質別Ｔ６５１を有し、初期圧延方向に平行な大きな細長い粒からなるアルミニウム材料について実施例２に記載されたものと非常に類似していた。唯一の違いは、微細な可溶性析出物がないことである。可溶性析出物は、１ミクロンの解像限界を下回るため、光学顕微鏡では見えず、大きな（すなわち、直径で１ミクロンよりも大きい）非可溶性析出物だけが見える。したがって、実施例３の結果は、溶体化及び急冷工程後に、初期のＴ６５１のミクロ構造の粒径及び異方性が変わらずに残ったことを示している。
【００９２】
次いで、Ａｌ  ７０２０材料を、正方形の断面及び断面よりも大きい長さを有する３つのビレット、すなわち棒に成形し、次いで、ビレットに対してＥＣＡＥを実施した。第１のパスは、自然時効の影響を最小限に抑えるために、溶体化及び急冷後３０分以内に実施された。更に、温度の析出への影響を制限するために、室温でＥＣＡＥを実施した。図１１は、１回のパスを受けた後のＡｌ  ７０２０の第１のビレット６２０、２回のパスを受けた第２のビレット６２２、及び３回のパスを受けた第３のビレット６２４の写真を示す。ＥＣＡＥプロセスは、１回のパス後の第１のビレット６２０で成功裏に終わった。すなわち、図１１に示すように、このビレットは、１回のＥＣＡＥパス後に割れなかった。しかしながら、２回のパスに供された第２のビレット６２２では、ビレットの上面に重度の局部割れが生じた。図１１は、２回のパス後に現れた、第２のビレット６２２の割れ６２８を示す。図１１にも示されるように、３回のパスに供された第３のビレット６２４も割れ６２８を呈した。図１１に示されるように、割れは、１つのマクロ割れ６３０が、第３のビレット６２４の全厚を貫通して、ビレットを２つの片に割る程度に増大した。
【００９３】
３つの試料ビレットが、９０℃で８時間保持された試料を使用する第１の熱処理工程と、それに続く、１１５℃で４０時間保持された試料を使用する第２の熱処理工程とからなる２段階ピーク時効処理に更に供された。表３は、第１のビレッ６２０のブリネル硬度データ並びに引張データを示す。第２のビレット６２２及び第３のビレット６２４は割れが深すぎて、これらの試料については、機械引張試験は実施できなかった。全ての測定は、室温で、試料材料で行った。
【００９４】
【表３】
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【００９５】
表３に示されるように、ＥＣＡＥのパス数の増加とともに、約１２７〜１３８への硬度の着実な増加が記録された。各パス後の材料の硬度は、実施例２に示されたような、質別Ｔ６５１の状態のみを有する材料の硬度値よりも高かった。１回のパス後の第１の試料の降伏強度データも、質別Ｔ６５１のみを有する材料と比較して、降伏強度の増加を示した。例えば、降伏強度は、３４７．８ＭＰａ〜３８２ＭＰａに増加した。
【００９６】
この実施例は、アルミニウム−亜鉛合金の強度を改善するＥＣＡＥの能力、並びにＥＣＡＥ加工中のビレットの割れによる特定の制限を示した。次の実施例は、低温でＡｌ合金にＥＣＡＥを適用する際に全体的な加工を改善するために使用することができ、材料に割れを生じることなくＡｌ合金材料の強度を増加させることができる技術を示す。
【００９７】
実施例４：溶体化及び急冷したままの試料の多段階ＥＣＡＥ−初期粒径及び異方性の影響
初期ミクロ構造が加工結果に及ぼす可能性のある影響を評価するために、実施例１及び２の質別Ｔ６５１を有するＡｌ７０２０材料を、実施例３よりもより複雑な熱機械加工経路に供した。この実施例では、ＥＣＡＥは、溶体化及び急冷工程の前の工程、及び後の工程の２つの工程であって、各工程が、複数回のパスを有するＥＣＡＥサイクルを含む、２つの工程で実施された。第１のＥＣＡＥサイクルは、溶体化及び急冷工程の前後でミクロ構造を微細化及び均質化することを目的としたが、第２のＥＣＡＥサイクルは、実施例３のように最終強度を改善するために、低温で実施された。
【００９８】
第１のＥＣＡＥサイクルでは、以下のプロセスパラメータが使用された。４回のＥＣＡＥパスが使用され、変形の均一性及びその結果としてのミクロ構造の均一性を改善するために、各パス間にビレットを９０度回転させた。これは、マルチパスＥＣＡＥ中に、活性な剪断面の３次元ネットワークに沿って単純剪断を活性化することによって達成される。ビレットを形成したＡｌ  ７０２０材料は、ＥＣＡＥ全体を通して１７５℃の加工温度に維持された。この温度は、ＥＣＡＥ後にサブミクロン粒をもたらすのに十分低いが、ピーク時効温度を上回っており、そのため、全体的により低い強度及びより高い延性をもたらし、ＥＣＡＥプロセスにとって好ましいので選択された。Ａｌ  ７０２０材料のビレットは、この第１のＥＣＡＥサイクル中に割れをまったく被らなかった。
【００９９】
第１のＥＣＡＥプロセス後、実施例３に記載された同じ条件を使用して、溶体化及び急冷を行った（すなわち、ビレットを４５０℃に２時間保持した後、直ちに冷水中で急冷した）。得られたＡｌ  ７０２０材料のミクロ構造を光学顕微鏡により分析し、図１２Ａ及び図１２Ｂに示す。図１２Ａは、倍率１００倍の得られた材料であり、図１２Ｂは、倍率４００倍の同じ材料である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、得られた材料は、全ての方向において材料全体にわたって１０〜１５μｍの微細な等方性粒径からなる。このミクロ構造は、ＥＣＡＥによって初期に形成されたサブミクロン粒の再結晶化及び成長によって、高温溶体化熱処理中に形成された。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように、得られた材料ははるかに微細な粒を含み、材料は、実施例３の溶体化及び急冷された初期のミクロ構造よりも、全ての方向でより良好な等方性を有する。
【０１００】
溶体化及び急冷の後、試料を再びＥＣＡＥの別のプロセスによって、このときには第１のＥＣＡＥプロセスで使用されたよりも低い温度で、変形させた。比較のために、実施例３で使用された同じプロセスパラメータが、この第２のＥＣＡＥプロセスで使用された。第２のＥＣＡＥプロセスは、急冷工程の可能な限り直後（すなわち、急冷の３０分以内）に、２回のパスを使用して室温で実施された。全体的なＥＣＡＥ加工は、第２のＥＣＡＥプロセスをより低温のＥＣＡＥプロセスとして使用して、改善された結果を有することが発見された。具体的には、実施例３とは異なり、実施例４のビレットは、ビレット材料を使用してより低温で実施された２回のＥＣＡＥパス後に割れなかった。表４は、試料材料が２回のＥＣＡＥパスに供された後に収集された引張データを示す。
【０１０１】
【表４】
2020501016.tif 000007
【０１０２】
表４に示されるように、得られた材料も、質別Ｔ６５１の状態のみを有する材料を上回る、実質的な改善を有した。すなわち、２段階のＥＣＡＥプロセスを受けたＡｌ  ７０２０材料は、４１６ＭＰａの降伏強度及び４４０ＭＰａの最終引張強度を有した。
【０１０３】
実施例４は、ＥＣＡＥ前の材料の粒径及び等方性が、加工結果及び最終的な達成可能な強度に影響を及ぼし得ることを示す。比較的穏やかな温度（約１７５℃）でのＥＣＡＥは、Ａｌ  ７ｘｘｘ合金材料の構造を破壊、微細化、及び均一化し、材料を更なる加工により適したものにするための効果的な方法である得る。ＥＣＡＥでＡｌ  ７ｘｘｘを加工するための他の重要な因子が、ＥＣＡＥ加工前のＧＰゾーン及び析出物の安定化である。これについては、以下の実施例で更に説明する。
【０１０４】
実施例５：質別Ｔ６５１のみを有する人工的に時効処理されたＡｌ  ７０２０試料のＥＣＡＥ
この実施例では、実施例１のＡｌ  ７０２０合金材料が、溶体化、急冷、開始長さよりも２．２％大きくなるまで延伸することによる応力除去、及び人工ピーク時効を含む初期加工に供された。このＡｌ  ７０２０材料の人工ピーク時効は、９０℃で８時間の第１の熱処理と、それに続く、この材料の質別Ｔ６５１と同様である、１１５℃で４０時間の第２の熱処理とを含む２段階の手順からなった。ピーク時効は、急冷工程後数時間以内に開始された。得られた材料のブリネル硬度は１０８ＨＢと測定され、降伏強度は３４７ＭＰａ（すなわち、実施例２の材料と同様）であった。第１の熱処理工程は、第２の熱処理前のＧＰゾーンの分布を安定化させ、自然時効の影響を抑制するために使用される。この手順は、均質な析出を促進し、析出からの強化を最適化することが見出された。
【０１０５】
次いで、人工ピーク時効後に、低温ＥＣＡＥが実施された。２つのＥＣＡＥプロセスパラメータが評価された。第１に、ＥＣＡＥのパス数を変えた。１回、２回、３回、及び４回のパスが試験された。全てのＥＣＡＥサイクルで、材料ビレットが、各パス間に９０度回転された。第２に、ＥＣＡＥ中の材料温度の影響を変化させた。評価したＥＣＡＥダイ及びビレットの温度は、２５℃、１１０℃、１３０℃、１５０℃、１７５℃、２００℃、及び２５０℃であった。強化への影響を評価するために、特定の加工条件の後、室温において試料材料でブリネル硬度及び引張データの両方が取られた。光学顕微鏡を使用して、得られた材料の試料の画像を作成し、図１３Ａ及び図１３Ｂに示す。
【０１０６】
最初の観察では、試料ビレットのうちのいずれの材料にも、室温でＥＣＡＥ加工を受けたビレットでさえも、割れは観察されなかった。この実施例は、不安定な溶体化及び急冷された状態の直後にＥＣＡＥが実施され、第２及び第３の試料に割れが発生した実施例３と対照的である。この結果は、Ａｌ  ７ｘｘｘ系合金材料加工時のＧＰゾーン及び析出物の安定化の効果を示す。この現象は、２つの主要構成元素、亜鉛及びマグネシウム、の性質及び高速拡散に起因して、Ａｌ  ７ｘｘｘ合金に特有である。
【０１０７】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、ＥＣＡＥを受けた後のＡｌ  ７０２０合金材料の、光学顕微鏡によって分析された典型的なミクロ構造を示す。図１３Ａは、室温で４回のＥＣＡＥパスを受けた後、及び約２５０℃に１時間保持された後の、室温における材料を示す。図１３Ｂは、室温で４回のＥＣＡＥパスを受けた後、及び３２５℃に１時間保持された後の、室温における材料を示す。これらの画像から、サブミクロンの粒径は、約２５０℃まで安定していたことが発見された。約２５０℃に１時間保持した後の平均測定粒径は、サブミクロン（直径１μｍ未満）であった。測定された平均粒径は、直径で約０．１μｍ〜約０．８μｍであった。同じ量の時間にわたって約３００℃〜約３２５℃に保持された後、完全な再結晶化が起こり、サブミクロンの粒径が成長して、約５〜１０μｍの粒径を有する均一かつ微細な再結晶ミクロ構造になった。粒径は、溶体化の典型的な温度範囲内にある約４５０℃の温度での熱処理後、約１０〜１５μｍまで若干増加した（実施例４参照）。この構造の検討は、ＥＣＡＥによる粒径の微細化による硬化は、ＥＣＡＥが約２５０℃〜２７５℃を下回る温度で実施される場合、すなわち、粒径がサブミクロンである場合に、最も有効であり得ることを示す。
【０１０８】
表５は、ＥＣＡＥ中にＡｌ  ７０２０合金材料の温度を変化させた結果としての、ブリネル硬度及び引張強度の測定結果を含む。
【０１０９】
【表５】
2020501016.tif 000008
【０１１０】
図１４及び図１５は、実施例５で形成された材料の測定結果を、ＥＣＡＥ温度が最終ブリネル硬度及び引張強度に及ぼす影響を示すグラフとして示したものである。図１４及び図１５に示される全ての試料が、所与の温度で３０分〜１時間の短期間の中間アニーリングを有する、合計４回のＥＣＡＥパスに供された。図１４に示すように、押出成形中の材料温度が約１５０℃以下である間に材料がＥＣＡＥを受けたとき、硬度は、質別Ｔ６５１のみを有する材料よりも大きかった。更に、ビレット材料の加工温度が低下するにつれて強度及び硬度が高く、１５０℃〜約１１０℃で最大の増加が示された。最大の最終強度を有した試料は、室温においてビレット材料でＥＣＡＥを受けた試料であった。図１５及び表５に示されるように、この試料は、約１４０ＨＢの得られたブリネル硬度、並びにそれぞれ４８８ＭＰａ及び４９３ＭＰａに等しいＹＳ及びＵＴＳを有した。これは、標準的な質別Ｔ６５１のみを有する材料に対して、ほぼ４０％の降伏強度の増加を示す。この材料のピーク時効温度に近い１１０℃でも、ＹＳ及びＵＴＳはそれぞれ４４７ＭＰａ及び４８３ＭＰａである。これらの結果のいくつかは、以下のように説明することができる。
【０１１１】
Ａｌ  ７０２０合金材料を約１１５℃〜１５０℃の温度に数時間保持することは、析出物が、ピーク強度をもたらすピーク時効条件の間よりも大きく成長したときのＡｌ  ７ｘｘｘ合金の過時効処理に相当する。約１１５℃〜約１５０℃の温度では、過時効による強度損失がＥＣＡＥによる細粒硬化によって埋め合わされるので、ＥＣＡＥで押出成形された材料は、質別Ｔ６５１のみを受けた材料よりも依然として強い。過時効による強度損失は急速であり、このことが、図１４に示されるように、材料が１１０℃〜約１５０℃まで上昇する温度に保持されるときに低下する最終強度を説明する。約２００℃〜約２２５℃を上回ると、強度損失は、過時効だけでなく、サブミクロン粒径の成長によっても引き起こされる。この影響は、再結晶化が起こり始める２５０℃を超える温度でも観察される。
【０１１２】
約１１０℃〜約１１５℃の温度は、Ａｌ  ７ｘｘｘ（すなわち、質別Ｔ６５１）のピーク時効の条件に近いものであり、質別Ｔ６５１のみを有する材料の強度を超えて増加した強度は、主に、ＥＣＡＥによる細粒硬化及び転位硬化に起因する。Ａｌ  ７０２０合金材料が約１１０℃〜約１１５℃を下回る温度にある場合、析出物は、安定しており、かつピーク時効状態にある。材料が室温付近の温度まで下げられると、より多くの転位及びより微細なサブミクロン粒径が生成されるため、ＥＣＡＥの硬化がより効果的になる。材料が約室温で加工されるときの強度の増加率は、約１１０℃〜１５０℃の温度と比較して、より緩やかである。
【０１１３】
図１６及び図１７及び表６は、ＥＣＡＥのパス数がＡｌ  ７０２０合金の達成可能な強度に及ぼす影響を示す。
【０１１４】
【表６】
2020501016.tif 000009
【０１１５】
図１６及び図１７のグラフのデータを作成するために使用された試料は、試料材料を使用して室温で押出成形され、ビレットは、各パス間に９０度回転された。ＥＣＡＥのパス数の増加とともに、強度及び硬度の漸増が観察された。強度及び硬度の最大の増加は、材料が１回のパスと２回のパスとの間を受けた後に生じた。全ての場合において、最終降伏強度は、４００ＭＰａを上回っており、具体的には、１回、２回、３回、及び４回のパス後にそれぞれ４０８ＭＰａ、４６９ＭＰａ、４７５ＭＰａ、及び４８８ＭＰａであった。この実施例は、転位の生成及び相互作用、並びに新たな粒界の生成を含む、サブミクロン粒径への微細化の機構が、ＥＣＡＥ中の単純剪断によって増加する変形のレベルに伴って、より効果的になることを示す。ＥＣＡＥ中のより低いビレット材料温度も、前述したように、強度の増加をもたらし得る。
【０１１６】
実施例５に示されるように、強度の改善は、２段階時効手順を使用してＧＰゾーン及び析出物を安定化させる人工時効後にＥＣＡＥを実施することによって、材料に割れを生じることなく達成された。ビレットの割れを回避することにより、より低いＥＣＡＥ処理温度が可能になり、より多くのＥＣＡＥパスを使用することが可能になる。その結果、Ａｌ  ７０２０合金材料において、より高い強度が形成され得る。
【０１１７】
実施例６：様々な加工経路の比較
表７及び図１８は、実施例３、４及び５に記載された様々な加工経路を比較する強度データを示す。室温でＥＣＡＥに供された試料のみを比較し、１回のパス及び２回のパスを示している。
【０１１８】
【表７】
2020501016.tif 000010
【０１１９】
図１８及び表７に示されるように、両方とも溶体化及び時効処理されたＡｌ  ７０２０合金材料試料（すなわち、実施例３及び４）にＥＣＡＥを適用することは、人工時効された試料（すなわち、実施例５）にＥＣＡＥを同じ所与のパス数適用することと比較した場合に、高い最終強度のような結果にならない。すなわち、１回のＥＣＡＥパスについての３８２ＭＰａ（実施例３）と４０８ＭＰａ（実施例５）、及び２回のパスについての４１６ＭＰａ（実施例４）と４６９ＭＰａ（実施例５）を比較されたい。この比較は、溶体化及び急冷されたＡｌ  ７ｘｘｘの標準的な冷間加工は一般的に、例えば、Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金に対するほど効果的でないことを示している。これは一般的に、転位上のより粗い析出に起因する。この傾向は、少なくとも第１の２回のパスに関して、Ａｌ  ７ｘｘｘ系合金の極度の塑性変形にも当てはまると考えられる。この比較は、ＥＣＡＥを適用する前の人工時効による析出の安定化を含む加工経路が、溶体化及び急冷工程の直後にＥＣＡＥを使用する経路よりも、多くの利点を有することを示す。これらの利点により、押出成形される材料の、より少ない割れなどの、より良好な表面状態がもたらされること、及び所与の変形レベルに対して、材料がより高い強度に到達することが可能になることが示された。
【０１２０】
実施例７：Ａｌ  ７０２０平板でのＥＣＡＥ実施結果
実施例５に記載の手順を、図１０に示されるように、棒ではなく、平板に形成された材料に適用した。図１９は、長さ６５２と、幅６５４と、長さ６５２又は幅６５４のいずれか未満の厚さと、を有する、例示的な平板６５０を示す。いくつかの実施形態では、長さ６５２及び幅６５４は、平板が長さ６５２及び幅６５４に平行な平面内で正方形となるように、実質的に同じであってもよい。多くの場合、長さ６５２及び幅６５４は、厚さよりも、例えば３倍、実質的に大きい。この形状は、ニアネットシェイプであるため、ポータブル電子デバイスケーシングなどの用途に、より有利であり得る。実施例５で使用された同じ初期熱機械的特性処理、すなわち、溶体化、急冷、２．２％まで延伸することによる応力除去、並びに９０℃で８時間の第１の熱処理と、それに続く１１５℃で４０時間の第２の熱処理と、を含む、２段階ピーク時効の後に、ＥＣＡＥが実施された。図１９の平板６５０は、材料がＥＣＡＥに供された後に示されるＡｌ  ７０２０合金の平板である。
【０１２１】
平板６５０の加工性は、室温を含む全ての温度において深刻な割れがなく、良好であった。平板６５０の硬度及び強度試験の結果を表８に示す。表８に示されるように、１回、２回、及び４回のＥＣＡＥパス適用後に硬度及び強度試験が行われ、２回及び４回のＥＣＡＥパス後に引張データが取られた。表８は、ＥＣＡＥを平板に適用した結果が、ＥＣＡＥ棒に関するものと類似していることを示す。具体的には、平板として押出成形された材料の降伏強度（ＹＳ）は、４００ＭＰａを優に上回った。
【０１２２】
【表８】
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【０１２３】
実施例８：ＥＣＡＥ後の圧延の効果
図２０Ａ及び図２０Ｂは、材料が平板６６０として形成された状態でＥＣＡＥを受けたＡｌ  ７０２０合金材料を示す。ＥＣＡＥ後、平板６６０は圧延された。圧延により、平板の厚さが最大で５０％まで減少した。圧延が、室温に近い比較的低い温度で行われる限り、複数回の圧延パスを使用して厚さを最終厚さまで徐々に低減すると、平板６６０がＥＣＡＥを受けた後の最初の圧延パスと比較して、最終圧延工程中、機械的特性が若干より良好であることが多い。この実施例は、ＥＣＡＥを受けた、マグネシウム及び亜鉛を有するアルミニウム合金は、必要に応じて、最終的な所望のニアネットシェイプを形成するために、従来の熱機械加工による更なる加工を受ける潜在力を有していることを示す。いくつかの例示的な熱機械加工工程は、例えば、圧延、鍛造、スタンピング、又は標準的な押出、並びに標準的な機械加工、仕上げ及び洗浄工程を包含し得る。
【０１２４】
実施例９：Ａｌ  ６ｘｘｘ系合金材料に対するＥＣＡＥの効果
他の種類の熱処理型合金でＥＣＡＥ加工を試験した。熱処理型Ａｌ  ６ｘｘｘ系合金であるＡｌ  ６０６１に対するＥＣＡＥ加工の例を最初に説明する。出発材料は、鋳放し及び均質化された状態の、受け取ったままのＡｌ  ６０６１ビレットであった。一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びケイ素を含有するＡｌ  ６０６１出発材料の組成を表９に示す。
【０１２５】
【表９】
2020501016.tif 000012
【０１２６】
初期熱処理を実施して、温度及び時間が、Ａｌ  ６０６１出発材料の硬度、析出、及びミクロ構造に及ぼす影響を評価した。
【０１２７】
熱処理１（ＨＴ１）は、出発材料を５３０℃で３時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷することを含んだ。この処理は、析出物を溶解させて固溶状態にするのに役立った。ＨＴ１後に測定された硬度は６０．５ＨＢであった。
【０１２８】
熱処理２（ＨＴ２）は、出発材料を５３０℃で３時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、その後１７５℃で、８時間空気中でピーク時効を行うことを含んだ。このプロセスで、直径約０．０５〜０．１μｍの多くの小さい、均一に離間した析出物粒子を含んだ平衡固溶体マトリックスが生成された。この加工温度及び時間の範囲は、Ａｌ  ６０６１合金の質別Ｔ６を製造するための熱処理と同程度である。ＨＴ２後に測定された硬度は９２．６ＨＢであった。この硬度値は、質別Ｔ６に対する９５ＨＢのＡＳＴＭ標準値と同程度である。最終測定強度は３１０ＭＰａのＵＴＳ及び２７５ＭＰａのＹＳであり、これらは、質別Ｔ６の状態を有する標準的なＡｌ  ６０６１と同程度である。これらの値が、以下の表１０に含まれている。
【０１２９】
熱処理３（ＨＴ３）は、出発材料を５３０℃で３時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、その後４００℃で、８時間空気中で人工過時効を行うことを含んだ。このプロセスにより、小さな可溶性析出物が成長して合体し、平均で約１〜５μｍの直径を有する大きな析出物になった。一般に、大きな析出物は、最小限の強化効果しかもたらさない。ＨＴ３後の材料の測定硬度は約３０ＨＢであった。使用された熱処理プロセス及び得られた硬度値は、質別Ｏを受けた材料と同様である。最終測定強度も、質別Ｏを有する標準的なＡｌ  ６０６１合金と同程度であった。ＵＴＳは、１２５ＭＰａであり、ＹＳは、５５ＭＰａであった。これらの値が、以下の表１０に含まれている。
【０１３０】
熱処理４（ＨＴ４）は、出発材料を５３０℃で３時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、室温で自然時効を行うことを含んだ。これにより、過飽和固溶体から非常に微細な析出物粒子が生成された。１カ月後、この材料の硬度が６０．５ＨＢ〜７１．５ＨＢまでゆっくり増加し、この硬度値で安定した。最初の１カ月後、数日間の期間が経過してから、硬度の更なる変化が観察された。
【０１３１】
ＨＴ４を受けたＡｌ  ６０６１材料の測定結果は、Ａｌ  ７０２０と比較して、析出が、Ａｌ  ７０２０と比較して、Ａｌ  ６０６１ではより遅い速度で進行することを示す。結果として、ＥＣＡＥ加工中、Ａｌ  ６０６１合金は、特に溶体化及び急冷工程後に、割れに対して感受性が低い。これらの測定から、少なくとも２つの初期条件、すなわち、溶体化及び急冷の直後、又は溶体化、急冷、及び時効を含むプロセスの後のいずれかのうちの１つを経たＡｌ  ６０６１合金に対して複数パスのＥＣＡＥを実施することが可能であることが示された。
【０１３２】
Ａｌ  ６０６１合金材料に対するＥＣＡＥ加工の効果
熱処理と組み合わせたＥＣＡＥの２つの実施例を詳しく調べた。溶体化、急冷、ピーク時効、及びＥＣＡＥを含むＥＣＡＥプロセスＡでは、Ａｌ  ６０６１材料のビレットを上記のＨＴ２に供し、続いて、１７５℃未満の温度でダイを使用して４回のＥＣＡＥパスに供した。Ａｌ  ６０６１合金材料の強度の増加が達成された。この材料の最終ＵＴＳは４３０．２５ＭＰａであり、ＹＳは４０３．３ＭＰａであった。この結果が表１０に含まれている。
【０１３３】
ＥＣＡＥプロセスＢでは、溶体化、急冷、及びＥＣＡＥが使用された。この実施例では、Ａｌ  ６０６１のビレットが、上記のように、最初にＨＴ１に供された。次いで、それぞれ４回及び６回のパスを有する２つのＥＣＡＥプロセスが、１７５℃未満の温度に維持されたダイを使用して実施された。ＥＣＡＥプロセス中、ダイ及びＡｌ  ６０６１材料のビレットを、約１００℃〜約１４０℃の温度まで加熱した。すなわち、ダイをＥＣＡＥプロセス中に加熱し、Ａｌ  ６０６１合金材料のビレットを、各パス間に、ダイの温度に近い温度（ダイの温度の５０℃以内）に約５分〜１時間加熱した。各ＥＣＡＥパス間にダイ及びビレットを加熱することにより、押出プロセス全体にわたってビレットがより均一な温度で維持された。各パス間のこの中間加熱工程はまた、各パス間に、Ａｌ  ６０６１材料のいくらかのアニーリングをもたらし得る。Ａｌ  ６０６１材料がＥＣＡＥを受けた後、１３３ＨＢの硬度が測定された。これは、質別Ｔ６及びＯと比較して、それぞれ１．２５〜１．４倍及び４〜４．３倍の硬度の増加を表した。この硬度の増加は、各ＥＣＡＥパス間に適用された変形及び中間アニーリングの間に生じた、ＥＣＡＥと動的析出との組み合わせ効果によるものと考えられる。最終的な材料強度及び硬度の測定値が表１０に含まれている。ＥＣＡＥプロセスＢを受けた後のＡｌ  ６０６１材料の、４５６．５ＭＰａの最終ＵＴＳ及び４４３ＭＰａのＹＳは、質別Ｔ６を有する標準的なＡｌ  ６０６１のものを上回る４６％のＵＴＳ及び６０％のＹＳの増加、並びに質別Ｏを有する標準的なＡｌ  ６０６１のものよりも高い２６２％のＵＴＳ及び７００％のＹＳの増加を表す。Ａｌ  ６０６１材料の強度は増加したが、伸び率（約１３％）は、標準的なＡｌ  ６０６１  Ｔ６（１２％）のものと同程度であった。
【０１３４】
【表１０】
2020501016.tif 000013
【０１３５】
ＥＣＡＥ後にＡｌ  ６０６１合金材料を低温に保持した状態でアニーリング処理を含むことにより、ＥＣＡＥの、Ａｌ  ６０６１合金材料に対する強度の増加を更に高め得ることも見出された。図２１は、１時間の総熱処理時間にわたる１００℃〜４００℃のアニーリング温度が、上記のＥＣＡＥプロセスＢを最初に受けた試料で測定された最終ブリネル硬度に及ぼす影響を示すグラフである。１００℃〜１７５℃の温度で１時間行われた熱処理では、ブリネル硬度が、材料がＥＣＡＥプロセスＢを受けた直後に測定された１３３ＨＢの初期値と比較して、約１４３ＨＢの値まで増加した。
【０１３６】
実施例１０：Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金材料に対するＥＣＡＥの効果
別の熱処理型Ａｌ合金に対するＥＣＡＥの効果が試験された。この実施例では、Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金のＡｌ  ２６１８が使用された。一次成分としてのアルミニウム、及び二次成分としての銅を含有するＡｌ  ２６１８出発材料の組成を表１１に示す。ビレットが鋳放し及び均質化された状態であるときに、Ａｌ  ２６１８出発材料が形成された。
【０１３７】
【表１１】
2020501016.tif 000014
【０１３８】
初期熱処理試験を実施して、温度及び時間がＡｌ  ２６１８合金の析出動態に及ぼす影響を評価した。Ａｌ  ２６１８合金は、ＣｕＭｇＡｌ２、ＦｅＮｉＡｌ９及び（Ｃｕ、Ｆｅ）Ａｌ６を含む様々な種類の析出物を含有する。溶体化及び時効処理によって影響を受ける主要な可溶性第２相はＣｕＭｇＡｌ２である。
【０１３９】
熱処理Ａ（ＨＴＡ）は、５３０℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷することを含んだ。この熱処理により、可溶性析出物が溶解して固溶状態に戻った。ＨＴＡ後に測定された硬度は７２．６〜７６ＨＢであった。
【０１４０】
熱処理Ｂ（ＨＴＢ）は、５３０℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに沸騰水中で水中急冷し、２００℃で、２０時間空気中で人工ピーク時効を行うことを含んだ。これにより、約０．０５〜０．１μｍの直径を有する、主にＣｕＭｇＡｌ２の多くの小さい、均一に離間した析出物粒子を含んだ平衡固溶体マトリックスが生成された。この温度及び時間の範囲は、標準的な質別Ｔ６を得るために、Ａｌ  ２６１８で使用される。ＨＴＢ後の材料の測定硬度は１１４〜１１９ＨＢであり、標準的な質別Ｔ６１に対する１１５ＨＢのＡＳＴＭ標準値に近かった。
【０１４１】
熱処理Ｃ（ＨＴＣ）は、５３０℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、３８５℃で、４時間空気中でアニーリングすることを含んだ。この熱処理により、析出物が成長して合体し、大きなサイズになることができた。この実施例では、ＣｕＭｇＡｌ２などのほとんどの可溶性析出物は、直径が１ミクロンを上回り、強化能力のほとんどを失った。最終材料の測定硬度は、約４７．５ＨＢであった。本明細書で使用された熱処理プロセス及び得られた硬度値は、標準的な質別Ｏと同様であった。
【０１４２】
熱処理Ｄ（ＨＴＤ）は、５３０℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、その後室温で自然時効することを含んだ。この熱処理は、固溶体からの析出がどのくらいの速さで起こるかを評価するために使用された。２週間後、硬度は７２．６ＨＢ〜８２ＨＢに増加し、３〜４週間後、硬度は更に１００ＨＢに増加した。これらの結果を上記の実施例１及び９と比較すると、Ａｌ  ２６１８では析出が、Ａｌ  ６０６１よりも速く起こるが、Ａｌ  ７０２０よりも遅い。
【０１４３】
Ａｌ  ２６１８合金材料に対するＥＣＡＥ加工の効果
ＥＣＡＥが、熱処理後のＡｌ  ２６１８合金材料に及ぼす効果を調査した。この試験では、熱処理Ａを受けたＡｌ  ２６１８材料が使用された。ＥＣＡＥ中のＡｌ  ２６１８材料の温度、使用されるＥＣＡＥのパスの数、並びに、ＥＣＡＥ後のアニーリングの時間及び温度を変化させて、Ａｌ  ２６１８材料の最終強度に及ぼす各パラメータの影響を評価した。
【０１４４】
１５０℃を上回り、かつ２３０℃未満の温度にＡｌ  ２６１８材料を維持しながらＥＣＡＥを実施することにより、材料強度と良好なビレット表面状態との間のバランスがもたらされた。Ａｌ  ２６１８材料に対するＥＣＡＥで使用されたより高い加工温度は、Ａｌ  ２６１８合金中に存在するＮｉ及びＦｅの量が他の多くの合金よりも多い結果である、より良好な熱安定性、並びに析出が発生するためにはより高い範囲の温度及び時間が必要なことに起因して、使用された。
【０１４５】
４回のパスなどのより多くの回数のパスと比較して、１回又は２回のパスを使用した場合に最良の強度結果が得られた。測定された結果が、以下の表１２に含まれている。ＥＣＡＥは、細粒化だけでなく、析出の程度及び動態にも影響を及ぼす。析出はＥＣＡＥ中に動的に発生し、析出物が、新たに生成された転位及びより微細な粒径と相互作用する。測定結果に示されるように、この効果は、１回又は２回のパスなど、ごく少ない回数のパスが使用される場合に最も強い。追加のパスが使用される場合、追加のパスは、溶解速度及び析出物のサイズを増加させ得、それによって、Ａｌ  ２６１８合金の全体的な強度への追加のパスの寄与が低減され得る。
【０１４６】
１００℃〜４００℃の温度変化に関連して、１時間の全期間に及ぶＥＣＡＥ後のアニーリングの効果も測定された。約２００℃未満の温度では、アニーリングは、任意のパス数のＥＣＡＥを受ける溶体化合金材料の強度を更に増加させる。測定結果が表１２に示されている。ポーズＥＣＡＥアニーリングの効果は、１００℃〜１５０℃のアニーリング温度で最も顕著である。
【０１４７】
表１２の測定値に示されるように、最も安定で最も高い硬度は、１パス及び２パスのＥＣＡＥを使用して得られた。２００℃で１時間アニーリングした後であっても、２回のパスを使用して１５８〜１６０ＨＢの高い最終硬度を達成することができる。全体的に見て、標準的な質別Ｔ６を有するＡｌ  ２６１８材料の硬度の増加は、１回のパス後に３２．７％、２回の「パス後に４２．８％、及び４回のパス後に２３．５％である。質別Ｔ６からのＹＳの増加は、１回のパスで３７％、２回のパスで５３％、及び４回のパスで１０％であった。この追加の増加の１つの理由が、ＥＣＡＥ後に固溶体中に残留する第２相材料の更なる析出、分布、及び成長、並びにこれらの粒子と、機械的変形によって生成された転位線及び新たな粒界との相互作用であると考えられる。
【０１４８】
【表１２】
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【０１４９】
実施例１１：Ａｌ  ２ｘｘｘ系合金材料のＥＣＡＥ
Ａｌ  ２ｘｘｘ系の別の熱処理型Ａｌ合金、この場合にはＡｌ  ２２１９、をＥＣＡＥ後に試験した。一次成分としてのアルミニウム、及び二次成分としての銅を含有する出発材料の組成を表１３に示す。Ａｌ  ２２１９合金出発材料は、いかなる熱処理の前も、鋳放し及び均質化された状態であった。初期熱処理試験を実施して、Ａｌ  ２２１９内での可溶性相の析出に及ぼす影響を評価した。
【０１５０】
熱処理ＡＡ（ＨＴＡＡ）は、５３７℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷を行うことを含んだ。この熱処理により、全ての可溶性析出物が溶解されて、溶体に戻された。ＨＴＡＡ後の測定硬度は７４．１ＨＢであった。
【０１５１】
熱処理ＢＢ（ＨＴＢＢ）は、５３７℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、１９０℃で、２９時間空気中で人工ピーク時効を行うことを含んだ。これにより、多くの小さい、均一に離間したＡｌ−Ｃｕ−Ｆｅ−Ｍｎ析出物を含有する平衡固溶体マトリックスが生成された。ＨＴＢＢ後の材料の測定硬度は１１５ＨＢであり、これは、質別Ｔ６を有するこの材料に対する１１５ＨＢのＡＳＴＭ標準値に近かった。
【０１５２】
熱処理ＣＣ（ＨＴＣＣ）は、５３７℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、４００℃で、２時間空気中でアニーリングすることを含んだ。この熱処理により、析出物が成長して合体し、数ミクロンの大きなサイズになることが可能になり、それにより、析出強化の利益は低かった。ＨＴＣＣ後の材料の測定硬度は約４５ＨＢであった。この熱処理は、Ａｌ  ２２１９の低強度の質別Ｏで使用されるものに相当する。
【０１５３】
熱処理Ｄ（ＨＴＤ）は、５３７℃で２４時間溶体化し、続いて直ちに水中急冷し、室温で自然時効することを含んだ。このプロセスを使用して、室温における固溶体からの析出の動態を評価した。３週間後、材料の硬度は、７４．１ＨＢで安定したままであった。これは、Ａｌ  ２２１９が、Ａｌ  ７ｘｘｘ系のＡｌ合金と比較して、遅い析出速度を有することを示した。
【０１５４】
ＥＣＡＥ加工がＡｌ  ２２１９合金材料に及ぼす効果
ＨＴＡＡ熱処理を受けたＡｌ  ２２１９合金材料でＥＣＡＥを実施した。Ａｌ  ２２１９材料のビレット及びダイを、ＥＣＡＥパスの前及びパス間に１５０℃〜２７５℃、より具体的には１７５℃〜２５０℃の温度まで熱処理した。ＥＣＡＥ条件における最高強度レベルは、この種の熱処理過程の１回及び２回のＥＣＡＥパス後に見出された。１回及び２回のＥＣＡＥパス後の引張強度及びブリネル硬度の最終結果が表２０に含まれている。比較のために、標準的な熱機械加工（ＴＭＰ）を受けた質別Ｏ及び質別Ｔ６のＡｌ  ２２１９材料の強度及び硬度に関するデータも示されている。
【０１５５】
硬度は、１回及び２回のＥＣＡＥパス後に、それぞれ１３０ＨＢ及び１３９ＨＢに増加した。これは、標準的な質別Ｔ６及びＯの状態と比較して、それぞれ１．１３〜１．２１倍及び２．９〜３．１倍の増加である。引張試験でも、強度の増加が確認された。最大の増加は、１回のパスに対する４１５ＭＰａ及び２回のパスに対する３６５ＭＰａの降伏強度に見られ、これらは、質別Ｔ６よりも約２６％（２回のパス）〜４３％（１回のパス）、及び質別Ｏよりも４２０％（２回のパス）〜４９０％（１回のパス）高い。材料の延性レベルは、加工工程を通じて良好なままであり、Ｔ６状態と同様であった。
【０１５６】
最終強度に及ぼす影響を試験するために、ＥＣＡＥ後に低温熱処理（アニーリング）が試験された。ＥＣＡＥ後のアニーリングの最適な温度及び時間の範囲は、それぞれ１００℃〜２００℃、及び０．５時間、及び最大５０時間であった。１５０℃で６時間実施した熱処理のデータを、１回及び２回のパスについて、表２０に示す。ＹＳ及びＵＴＳにおける約８〜９％の最大の強度の改善が、２回のＥＣＡＥパス後に観察された。追加の強度増加は、ＥＣＡＥ後に固溶体中に残存する追加の第２相の析出によるものであった。
【０１５７】
【表１３】
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【０１５８】
【表１４】
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【０１５９】
実施例１２：非熱処理型合金に対するＥＣＡＥの効果（Ａｌ  ５ｘｘｘ系合金）
Ａｌ  ５ｘｘｘ系のＡｌ合金であるＡｌ  ５０８３に対するＥＣＡＥの効果を測定した。表１５は、この実施例で使用された、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びマンガンを含有するＡｌ  ５０８３合金材料の組成を示す。５ｘｘｘ系のほとんどの鍛造Ａｌ合金のように、Ａｌ  ５０８３は、大部分がＡｌ−Ｍｇ二元系に基づいており、７重量％未満の濃度のマグネシウムを有するＡｌ合金で予想される、かなりの析出硬化特性は示さない。このため、Ａｌ  ５０８３は、溶体化、急冷、及び時効硬化などの熱処理が一般的に微細な可溶性析出物を生成しない、非熱処理型Ａｌ合金と呼ばれる。Ａｌ  ５０８３の共通の第２相は、例えば、Ｍｇ２Ａｌ又はＭｎＡｌ６である。これらの第２相は、非可溶性であり、初期鋳造及び冷却工程中に生成され、後続の熱処理中に大部分がサイズ及び数において安定したままである。
【０１６０】
非熱処理型Ａｌ合金では析出硬化が一般的にあまり効果的でないため、強度を増加させる１つの方法が、転位硬化によるものである。転位強化では、圧延、鍛造、又は引抜きなどのＴＭＰ技術を使用する熱間又は冷間加工中に大量の転位が材料粒子内に導入される。これらのＴＭＰ技術は、例えば、他の寸法が増加する間に試料の厚さを減少させることによって、加工される材料にひずみを導入する。得られる材料中の転位の量及び密度は、材料に導入されるひずみの量に直接関連し、したがって、材料の機械的変形の量にも関連する。実際には、多くの場合、材料の達成可能な機械的変形は、例えば、厚さが０．５〜１インチよりも大きい、かなり厚い平板などでは、限定される可能性がある。そのような実施例では、材料の最終強度は、鋳造プロセスで設定されることが多い、ＴＭＰ技術を適用する前の材料の初期粒径がどのくらい微細であるかに依存する。
【０１６１】
前述のように、ＥＣＡＥは、粒径（ホールペッチ）硬化及び転位硬化の２つの強化機構を提供する。これは、ＥＣＡＥが標準的なＴＭＰ方法に追加の強化機構を提供することを意味する。すなわち、ＥＣＡＥは、ホールペッチ強化に加えて強化機構を提供する。ＥＣＡＥはまた、ビレットの厚さ又は形状寸法を変化させないので、大きなビレットをビレットの厚さ全体にわたって強化することができる一方で、非常に高レベルのひずみを導入する。
【０１６２】
この実施例では、一次成分として存在するアルミニウムを有する表１５に列挙された組成を有する、鋳放し及び均質化されたＡｌ  ５０８３材料が加工された。ＥＣＡＥ中のＡｌ  ５０８３ビレットの表面割れを制限するために、ＥＣＡＥダイ及び押出成形されるＡｌ  ５０８３材料のビレットを、押出成形中加熱した。ＥＣＡＥ中Ａｌ  ５０８３材料を維持する好適な温度範囲は、１５０℃〜２７５℃、約１７５℃〜約２５０℃であることが見出された。ＥＣＡＥの複数回のパスが試験され、総パス回数後に測定されたＡｌ  ５０８３材料は、４〜６であった。表１４は、質別Ｏ（完全アニーリング）又は質別Ｈ１１６（冷間圧延）のいずれかを有する標準的なＡｌ  ５０８３と対比して、４回のパスを受けたＡｌ  ５０８３の得られた引張強度データを示す。材料がＥＣＡＥを受けた後に強度及び硬度の増加が測定され、降伏強度（３９９ＭＰａ、これは質別Ｈ１１６に対して７７％の増加であった）及び最終引張強度（４２１ＭＰａ、これは質別Ｈ１１６に対して３７．８％の増加であった）の両方で急激な増加であった。
【０１６３】
更に、ＥＣＡＥプロセス後のＡｌ  ５０８３材料の圧延又は鍛造などのＴＭＰ技術を使用することによって、追加の強化を導入し得ることが示された。表１４は、ＥＣＡＥ後に実施された、高さを３５％減少させる、Ａｌ  ５０８３材料の追加の冷間圧延を含んだ実施例を示す。最終ＹＳ及びＵＴＳは、それぞれ４１８ＭＰａ及び４４１ＭＰａであった。この実施例では、ＥＣＡＥ後しかし冷間圧延前のＡｌ  ５０８３合金のミクロ構造は、比較的微細なサブミクロン粒径を有し、圧延工程中に追加の転位が付与されて、最終強度に更に寄与した。冷間圧延中に材料内の欠陥の形成を低減するために制御され得る因子としては、パス当たりの材料の高さの減少率、使用されるローラの直径、鋭い縁部及び角部のトリミング、並びにローラの温度が挙げられる。
【０１６４】
【表１５】
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【０１６５】
【表１６】
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【０１６６】
実施例１３：非熱処理型合金に対するＥＣＡＥの効果（Ａｌ  ５ｘｘｘ及びＡｌ  ３ｘｘｘ系合金）
この実施例では、２つのより非熱処理型Ａｌ合金、すなわち、Ａｌ  ５ｘｘｘ系のＡｌ  ５４５６、及びＡｌ  ３ｘｘｘ系のＡｌ  ３００４が、上記の実施例１２で使用された同様のプロセスに従って、いくつかの変更を伴って、ＥＣＡＥを使用して加工された。この実施例で使用された、一次成分としてのアルミニウム、並びに二次成分としてのマグネシウム及びマンガンを含有する出発Ａｌ合金の組成を表１７及び表１８に示す。表１７において、「その他各々」は、列挙されたもの以外の任意の単一元素の最大重量パーセントであり、「その他合計」は、列挙されたもの以外の全ての元素の最大組み合わせ重量パーセントである。
【０１６７】
使用されたＥＣＡＥパスの総数は、４回〜６回のパスであった。好適なプロセス温度は１００℃〜２７５℃、約１５０℃〜約２２５℃であり、この温度が、ビレットの良好な表面状態を提供することが見出された。
【０１６８】
最終的に測定された引張特性を表１９及び表２０に示す。比較のために、完全にアニーリングされた状態（質別Ｏ）に対する、又は、例えば、Ａｌ  ５４５６の質別Ｈ１１６及びＡｌ  ３００４の質別Ｈ３８などの様々な度合いのひずみ加工に対する、いずれかの市販の質別を有するＡｌ  ３００４及びＡｌ  ５４５６の測定値も示されている。表１９及び表２０に含まれる測定値が示すように、ＥＣＡＥにより、ＹＳ及びＵＴＳの値が、標準的なひずみ加工された質別Ｈ１１６又はＨ３８に対して、ＹＳで約１．５〜８倍、及びＵＴＳで約１．３〜１．４倍改善された。質別Ｏと比較した場合には、強度の増加は、より大きかった。
【０１６９】
実施例１２に記載されるように、Ａｌ合金の最終強度を更に高めるために、ＥＣＡＥを実施した後に材料を冷間圧延に供することが有利であることが示された。ビレット高さの４０％減少を伴う冷間圧延が使用された。得られた機械的特性を表１９の最下行に示す。
【０１７０】
３５０ＭＰａを上回るＹＳは、Ａｌ  ２ｘｘｘ系及びＡｌ  ７ｘｘｘ系のＡｌ合金よりも通常弱い、Ａｌ  ３ｘｘｘ系及びＡｌ  ５ｘｘｘ系のＡｌ合金としては比較的高いことに留意されたい。この実施例でプロセスによって付与される、Ａｌ  ３ｘｘｘ系及びＡｌ  ５ｘｘｘ系合金の得られる強度増加は、ユーザが、特定の値を上回る強度を有するＡｌ合金を決定するときに、より広い範囲の合金から選択することができることを意味する。換言すれば、所望の強度を有するより広範囲のＡｌ合金が、Ａｌ  ２ｘｘｘ系及びＡｌ  ７ｘｘｘ系以外の系の合金から形成され得る。その美的訴求力などの特定の特徴のためにより好適であり得るが、例えば、より低い強度のために、以前は好適ではなかった合金を、上述の技術を使用して加工して、以前よりも多くの所望の特性を有する材料にすることができる。
【０１７１】
【表１７】
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【０１７２】
【表１８】
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【０１７３】
【表１９】
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【０１７４】
【表２０】
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【０１７５】
本発明の範囲から逸脱することなく、記載した例示的な実施形態に対して様々な修正及び付加を行うことができる。例えば、上述の実施形態は、特定の特徴に言及するものであるが、本発明の範囲はまた、異なる特徴の組み合わせを有する実施形態及び上述の特徴の全てを含むわけではない実施形態を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
2020501016.tif 000041
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年6月4日(2019.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度アルミニウム合金を形成する方法であって、
一次成分としてのアルミニウム、並びに少なくとも０．１重量％の濃度の二次成分としてのマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を約４００℃〜約５５０℃の温度に加熱して、加熱されたアルミニウム材料を形成することと、
前記加熱されたアルミニウム材料を室温まで急冷して、冷却されたアルミニウム材料を形成することと、
前記冷却されたアルミニウム材料を約２０℃〜約２００℃の温度で維持しながら、前記冷却されたアルミニウム材料を等断面積側方押出（ＥＣＡＥ）プロセスに供して、高強度アルミニウム合金を形成することであって、前記高強度アルミニウム合金が、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径、及び約３００ＭＰａ〜約６５０ＭＰａの降伏強度を有する、形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記ＥＣＡＥプロセスの前に、前記冷却されたアルミニウム材料を時効工程に供することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
高強度アルミニウム合金材料であって、
少なくとも０．１重量％の濃度のマグネシウム、マンガン、ケイ素、銅、及び亜鉛のうちの少なくとも１つを含有するアルミニウム材料を含み、
前記アルミニウム材料が、直径で約０．２μｍ〜約０．８μｍの平均粒径と、
約３００ＭＰａ〜６５０ＭＰａの平均降伏強度と、を有する、高強度アルミニウム合金材料。
【国際調査報告】
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