アルミニウム合金
【課題】
強度や延性に優れ、しかも時効硬化速度が速く、建築分野のほか自動車などでの使用にも適した６０００系アルミニウム合金を提供すること。
【解決手段】
アルミニウム合金に、マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％添加することで、成形性や耐食性に優れた６０００系としての特性を維持でき、しかもＣｕとＡｇの複合添加によって、従来知られていたＣｕによる最高強度の増加とＡｇによる延性の向上といった相反する二つの特性を打ち消し合うことなく発揮できる。
強度や延性に優れ、しかも時効硬化速度が速く、建築分野のほか自動車などでの使用にも適した６０００系アルミニウム合金を提供すること。
【解決手段】
アルミニウム合金に、マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％添加することで、成形性や耐食性に優れた６０００系としての特性を維持でき、しかもＣｕとＡｇの複合添加によって、従来知られていたＣｕによる最高強度の増加とＡｇによる延性の向上といった相反する二つの特性を打ち消し合うことなく発揮できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６０００系アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
６０００系アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金とも呼ばれており、マグネシウムとケイ素を規定量添加したもので、自然時効性に乏しく熱処理前はアルミニウム特有の柔軟性を有している。そのため押し出し加工やプレス加工による成形が容易で、しかも成形後に熱処理を施すことで、Ｍｇ２Ｓｉが析出して強度が向上する。また耐食性にも優れており、強度や耐食性を要求される建築用サッシや構造用部材などに広く使用されている。
【０００３】
近年は自動車の軽量化を目的として、車体などの主要構造物にアルミニウム合金を使用することが模索されている。しかしながらジュラルミン類は価格等で不利な面が多く、普及は進んでいない。対する６０００系アルミニウム合金は、価格や成形性や耐食性に優れており、自動車部品にも使用されつつあるが、その機械的な特性が一段と向上するならば、過酷な環境にさらされる箇所にも使用範囲が広がり、更なる軽量化が実現すると期待されている。
【０００４】
またアルミニウム合金は、添加元素の種類や、その配合量を調整することで機械的な特性を向上できることが知られている。しかし現実には、ＪＩＳ等の規格で各元素の添加量が詳細に決められており、新たな展開は困難な状況になっている。このような事情はあるが、規格に準じた範囲で添加元素を調整して、新たな合金を開発できる余地は残されており、本願発明者らは、６０００系アルミニウム合金をベースとして、微量の銅または銀を添加した場合について、以下の非特許文献１で詳細を発表している。この文献では、銅を単独添加することで固溶強化、析出強化、延性改善といった効果が示されており、また銀を単独添加することで、核生成の促進、固溶強化、延性改善といった効果が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】松田ら，「Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の全伸びと破断形態に対する銅，銀および金添加の影響」，軽金属，社団法人軽金属学会，２００３年，第５３巻，第１１号，ｐ５２８−５３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記のように６０００系アルミニウム合金は、加工後に強度を向上させるため、高温環境下に一定時間放置する「エージング」と呼ばれる熱処理が必要である。エージングは、当然ながら相応のエネルギーを消費するため、最近では省エネルギーの観点から、その時間短縮が検討されている。しかし時間短縮を実現するには、成形やエージングの方法を大きく変える必要があり、生産設備の全面的な更新が避けられず、費用の面で実現の可能性は極めて低い。
【０００７】
また、アルミニウム合金に焼き付け塗装を行う場合、約２００℃以下で数分程度加熱をする必要がある。この際、同時にエージングも実施できるならば、工程が簡素化されて生産性の向上が期待できる。しかし現状では、焼き付けに対してエージングに要する時間がはるかに長く、設備の都合から塗装とエージングを一括して行うことは困難である。
【０００８】
前記の非特許文献１のように、６０００系アルミニウム合金をベースとして、銅または銀を単独添加した際の特性を図１３から図１６に示す。図１３は、Ｍｇの添加量を０．６ｗｔ％、Ｓｉの添加量を０．４ｗｔ％として、Ｃｕの添加量を０％、０．２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおｗｔ％は質量比率、ａｔ％は原子量比率を意味している。また図の横軸は時間（対数スケールで単位は１０００秒）で、縦軸は硬度（ビッカース硬さ）である。この図のように、Ｃｕを添加することで、時効硬化速度が向上（線図の傾きが大）しており、さらにエージングを継続した後の最高硬さも向上している。
【０００９】
図１４は、Ａｇの添加量を０％、０．１２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％、１．４ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおＭｇとＳｉの添加量などは図１３と同じである。この図のように、Ａｇを添加することで、時効硬化速度が向上しており、さらにエージングを継続した後の最高硬さも向上している。ただしＡｇの添加量を１．４ａｔ％とした合金については、初期段階での硬さが高く、さらに時効硬化速度と最高硬さのいずれも、やや劣っている。
【００１０】
図１５は、Ｃｕの添加量を０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ｃｕの添加量を増すことで、最高強度が高くなる傾向が見られる。
【００１１】
図１６は、Ａｇの添加量を０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ａｇの添加量を増すことで、最高強度には大きな変化がないものの、破断に至るまでの伸びが増加している。なお図１５、図１６のいずれも、ＭｇとＳｉの添加量などは図１３と同じである。
【００１２】
このように、銅または銀のいずれかを単独添加した場合については、様々な特性が判明しているが、銅と銀を同時に添加した場合の特性や、銅と銀のほか金を同時に添加した場合の特性は、これまでに十分な研究が行われておらず、従来にはない優れた特性を有するアルミニウム合金が開発される可能性もある。
【００１３】
本発明はこうした実情を基に開発されたもので、強度や延性に優れ、しかも時効硬化速度が速く、建築分野のほか自動車などでの使用にも適した６０００系アルミニウム合金の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％含有して、残部をアルミニウムとすることを特徴とするアルミニウム合金である。
【００１５】
本発明によるアルミニウム合金は、成形性や耐食性に優れた６０００系の特性を発揮できるよう、マグネシウムおよびケイ素の添加量を規定しており、さらに機械的強度の向上を目的として、銅および銀を単独ではなく複合的に添加している。なお、請求項中のｗｔ％は質量比率を意味しており、ａｔ％は原子量比率を意味している。また、請求項中に記載していない他の元素については、各種規格で許容されている範囲で含有していても構わない。
【００１６】
このように、マグネシウムおよびケイ素を規定量だけ添加することで、６０００系としての特性を維持でき、しかも銅と銀の複合添加によって、従来知られていた銅による最高強度の向上および銀による伸びの増加という二つの特性は、相互に打ち消し合うことなく発揮され、成形性や耐食性のほか、最高強度や延性にも優れた合金が発明された。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に対して、銅および銀の含有量を抑制したもので、銅の含有量は０．５ａｔ％以下、銀の含有量は０．４ａｔ％としたことを特徴とする。銅および銀の含有量の上限を制限した場合でも、銅による最高強度の向上および銀による伸びの増加という二つの特性は、相互に打ち消し合うことなく発揮され、銅と銀の使用量を抑制しながら、従来にはない優れた機械的特性を得ることができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、銅および銀に加えて金を０．００５〜０．０５ａｔ％含有することを特徴とする。このように金を含有させた上、セ氏約２５０度以上でエージングを実施すると、含有させない場合と比較して、最高硬さが向上する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１記載の発明のように、銅あるいは銀のいずれか一方を単独添加するのではなく、銅および銀の両方を複合添加することで、最高強度の向上と延性の確保といった相反する二つの特性を兼ね備えたアルミニウム合金が実現する。しかもエージングの際の時効硬化速度も向上しており、さらに６０００系アルミニウム合金としての特性を引き継いでいるため、成形性や耐久性や価格の面でも優れている。したがって従来は６０００系の使用が難しかった過酷な荷重が作用する箇所でも、本発明による合金であれば使用可能で、自動車の軽量化など様々な分野に貢献できる。また時効硬化速度の向上によって、エージングの時間短縮が実現することから、この際のエネルギー消費を削減できるほか、焼き付け塗装とエージングを同時に行うことも可能になり、生産性の向上が期待できる。
【００２０】
請求項２記載の発明のように、銅および銀の含有量の上限を抑制することで、銅および銀の使用量を抑制しながらも、最高強度の向上と延性の確保といった相反する二つの特性を兼ね備えており、合金製造時のコストを抑制できる。
【００２１】
請求項３記載の発明のように、銅および銀のほか金を含有させることで、銅および銀の複合添加による効果が得られる。また、セ氏約２５０度以上でエージングを実施すると、金を含有させない場合と比較して、最高硬さが向上する。したがって、設備などの都合でエージングを高温で実施する場合でも、硬度に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による銅と銀を複合添加した各試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図２】図１の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図３】図２の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＡｇの添加量が増えている。
【図４】図２の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＣｕの添加量が増えている。
【図５】４２３Ｋの環境下で最高硬さまで時効させた試験片の断面を透過型電子顕微鏡で撮影した写真である。
【図６】ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図７】図６の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図８】ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図９】図８の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図１０】Ｃｕを０．２ａｔ％、Ａｇを０．１ａｔ％、Ａｕを０．０１ａｔ％、それぞれ添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１１】Ｃｕを０．１ａｔ％、Ａｇを０．２ａｔ％、Ａｕを０．０１ａｔ％、それぞれ添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１２】ＣｕとＡｇの複合添加に加えて、Ｓｉを過剰に添加した試験片を５２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１３】銅を単独添加したアルミニウム合金の硬度の変化線図であり、銅の添加量が０％、０．２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１４】銀を単独添加したアルミニウム合金の硬度の変化線図であり、銀の添加量が０％、０．１２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％、１．４ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１５】銅を単独添加したアルミニウム合金を用いて引張試験をした際の応力−ひずみ線図であり、Ｃｕの添加量が０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１６】銀を単独添加したアルミニウム合金を用いて引張試験をした際の応力−ひずみ線図であり、Ａｇの添加量が０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ＣｕとＡｇを複合添加したアルミニウム合金を試作して、その特性の測定を行った。なお比較対象として、ＣｕまたはＡｇの一方だけを添加したもの、いずれも添加していないものについても測定を行っている。また各合金とも原則として０．６ｗｔ％のＭｇと、０．４ｗｔ％のＳｉを添加しており、６０００系としての特性を持たせており、文中に明記していない他の元素は添加していない。なおＣｕおよびＡｇについては、以降、例えばＣｕを０．１ａｔ％およびＡｇを０．２ａｔ％添加した場合、０．１Ｃｕ−０．２Ａｇというように記載する。
【００２４】
図１は、各試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお図の詳細は、前記の図１３と同じである。ＣｕとＡｇを複合添加した合金は、ＣｕまたはＡｇを単独添加した合金に比べて初期段階での時効硬化速度が向上しており、複合添加による効果が発揮されていると推定され、さらに最終的な硬さについても、Ａｇを単独添加した合金よりも向上している。また０．３５Ｃｕ合金と０．２Ｃｕ−０．１Ａｇ合金は、最高硬さがほぼ同じであり、０．３５Ｃｕ合金については、そのＣｕの一部（約４０％）をＡｇで置き換えても最高硬さには大差がないことが示されている。なおＣｕおよびＡｇの添加量が多い０．５Ｃｕ−０．２５Ａｇ合金は、他に比べて初期段階での硬さが高い。
【００２５】
図２は、図１の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ａｇに対してＣｕの添加量が多い場合には強度が向上し、また逆にＣｕに対してＡｇの添加量が多い場合には伸びが増大する傾向が見られる。特に０．２Ｃｕ−０．１Ａｇと０．１Ｃｕ−０．２Ａｇは、強度と伸びがバランス良く向上しており、強度を重視する場合にはＡｇに対してＣｕの添加量を増やし、逆に伸びを重視する場合にはＣｕに対してＡｇの添加量を増すことで、理想的な特性を有する合金を得ることができる。
【００２６】
図１および図２から得られた各試験片の特性値を表１に示す。項目は左から順に、耐力（０．２％Ｐ．Ｓ．）、引張強さ（ＵＴＳ）、均一伸び（Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｅｌ）、全伸び（Ｔｏｔａｌ Ｅｌ）、最高硬さに達するまでのエージング時間、その時の硬度、を示している。この表から、Ｃｕの添加量を増すことで強度が向上しており、またＡｇの添加量を増すことで伸びが向上する傾向があることが判る。
【００２７】
【表１】
【００２８】
図３は、先の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＡｇの添加量が増えている。この写真では、上から下に向かうに連れて破断面が徐々に縮小していることが示されており、Ａｇの添加量が増えるに連れて断面収縮率も増加しており、大きな塑性変形をした上で破断する傾向が見られる。
【００２９】
図４は、先の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＣｕの添加量が増えている。この写真では、上から下に向かうに連れて破断面が大きくなっており、Ｃｕの添加量が増えるに連れて断面収縮率が減少しており、大きな塑性変形をすることなく破断する傾向が見られる。
【００３０】
図５は、４２３Ｋ（１５０℃）の環境下で最高硬さまで時効させた試験片の断面を透過型電子顕微鏡で撮影した写真である。左下の写真は、Ａｇだけを単独添加しており、格子状に析出した中間層が現れている。そして、このＡｇの一部をＣｕに置き換えて、０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとした合金が左上の写真である。この写真では格子状に析出した中間層が現れておらず、粒状の模様が連続しており、Ｃｕの添加に伴い中間層の微細化が促進されていることが判る。中間層は一般に、数が多く且つサイズが微細であるほど、合金の強度が高くなることが知られている。
【００３１】
また右側に並ぶ二枚の写真は、ＣｕおよびＡｇの添加量を左側の合金よりも増やしており、右下の０．７Ａｇ合金は大きな格子状の中間層が現れている。そして、このＡｇの半分以上をＣｕに置き換えて、０．５Ｃｕ−０．２５Ａｇとした合金が右上の写真である。この写真では先と同様に格子状の中間層が現れておらず、粒状の模様が連続しており中間層が微細化している。このように、Ａｇだけを単独添加した場合には、強度と密接な関係を有する中間層が大きく成長して、強度の面で不利になる傾向があるものの、Ｃｕを複合添加することで中間層の微細化が促進されることが判明した。
【００３２】
図６は、ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお図の詳細は、図１３と同じである。ＣｕとＡｇを複合添加した試験片の最高硬さは、Ｃｕを単独添加したものよりも低く、且つＡｇを単独添加したものよりも高く、両者の中間的な値になっている。
【００３３】
図７は、図６の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした場合も、複合添加によって強度と伸びがバランス良く向上しており、０．２５Ｃｕ−０．５Ａｇとした試験片の強度は、Ｃｕを単独添加したものに近く、しかも全伸びはＣｕを単独添加したものの二倍程度と大きく改善されており、複合添加による優れた特性が示されている。なおＡｇを単独添加した試験片の全伸びは、図２の０．３５Ａｇよりも劣っているが、これは結晶粒界に析出物が生じることが原因と推定される。
【００３４】
図８は、ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。ＣｕとＡｇを複合添加した試験片の最高硬さは、Ａｇを単独添加したものよりも高く、しかも複合添加によって時効硬化速度も向上しており、エージングの時間短縮が実現する。またＣｕの添加量が多い０．９０Ｃｕ−０．４５Ａｇと、Ｃｕの添加量が少ない０．４５Ｃｕ−０．９０Ａｇを比較すると、前者の方が最高硬さが高く、Ｃｕの添加を多くすることで、硬さが増す傾向が見られる。
【００３５】
図９は、図８の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした場合、ＣｕとＡｇの割合で特性が変化している。Ｃｕの添加量が多い０．９０Ｃｕ−０．４５Ａｇは、強度に優れているが、全伸びはあまり改善されず、複合添加による効果に乏しい。しかし０．４５Ｃｕ−０．９０Ａｇは、強度と伸びがバランス良く向上しており、複合添加による効果が発揮されている。なおＡｇを単独添加したものの全伸びは、図２の０．３５Ａｇよりも劣っている。これは図７と同様、結晶粒界に析出物が生じることが原因と推定される。
【００３６】
図１０は、０．２Ｃｕ−０．１Ａｇをベースとして、Ａｕを０．０１ａｔ％添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおエージングの温度は、４２３Ｋ（１５０℃）、４７３Ｋ（２００℃）、５２３Ｋ（２５０℃）、５７３Ｋ（３００℃）と変化させている。また比較対象として、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを４７３Ｋでエージングをした結果、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを５７３Ｋでエージングをした結果、金だけを０．０１ａｔ％添加したものを５７３Ｋでエージングをした結果、何も添加していないものを５７３Ｋでエージングをした結果も併せて示している。
【００３７】
また図１１は、図１０と同様、Ａｕを０．０１ａｔ％添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図だが、ＣｕとＡｇの添加量を変えて０．１Ｃｕ−０．２Ａｇとしている。なお比較対象として、図１０と同様、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを５７３Ｋでエージングをした結果、金だけを０．０１ａｔ％添加したものを５７３Ｋでエージングをした結果、何も添加していないものを５７３Ｋでエージングをした結果も併せて示している。
【００３８】
図１０および図１１のように、ＣｕとＡｇとＡｕを複合添加した合金を５２３Ｋや５７３Ｋでエージングをした場合、Ａｕを添加しない場合と比較して、最高硬さが向上する。
【００３９】
図１２は、ＣｕとＡｇの複合添加に加えて、Ｓｉを過剰に添加した試験片を５２３Ｋ（２５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお添加割合は、Ｍｇを０．８１ｗｔ％、Ｓｉを０．８５ｗｔ％、Ｃｕを０．１８ａｔ％、Ａｇを０．０９ａｔ％、Ｍｎを０．２５ａｔ％としている。図１などではＳｉの添加量を０．４ｗｔ％としていたが、このように、Ｓｉを二倍以上過剰に添加することで、最高硬さが高くなる傾向が見られる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、６０００系アルミニウム合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
６０００系アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金とも呼ばれており、マグネシウムとケイ素を規定量添加したもので、自然時効性に乏しく熱処理前はアルミニウム特有の柔軟性を有している。そのため押し出し加工やプレス加工による成形が容易で、しかも成形後に熱処理を施すことで、Ｍｇ２Ｓｉが析出して強度が向上する。また耐食性にも優れており、強度や耐食性を要求される建築用サッシや構造用部材などに広く使用されている。
【０００３】
近年は自動車の軽量化を目的として、車体などの主要構造物にアルミニウム合金を使用することが模索されている。しかしながらジュラルミン類は価格等で不利な面が多く、普及は進んでいない。対する６０００系アルミニウム合金は、価格や成形性や耐食性に優れており、自動車部品にも使用されつつあるが、その機械的な特性が一段と向上するならば、過酷な環境にさらされる箇所にも使用範囲が広がり、更なる軽量化が実現すると期待されている。
【０００４】
またアルミニウム合金は、添加元素の種類や、その配合量を調整することで機械的な特性を向上できることが知られている。しかし現実には、ＪＩＳ等の規格で各元素の添加量が詳細に決められており、新たな展開は困難な状況になっている。このような事情はあるが、規格に準じた範囲で添加元素を調整して、新たな合金を開発できる余地は残されており、本願発明者らは、６０００系アルミニウム合金をベースとして、微量の銅または銀を添加した場合について、以下の非特許文献１で詳細を発表している。この文献では、銅を単独添加することで固溶強化、析出強化、延性改善といった効果が示されており、また銀を単独添加することで、核生成の促進、固溶強化、延性改善といった効果が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】松田ら，「Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金の全伸びと破断形態に対する銅，銀および金添加の影響」，軽金属，社団法人軽金属学会，２００３年，第５３巻，第１１号，ｐ５２８−５３３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記のように６０００系アルミニウム合金は、加工後に強度を向上させるため、高温環境下に一定時間放置する「エージング」と呼ばれる熱処理が必要である。エージングは、当然ながら相応のエネルギーを消費するため、最近では省エネルギーの観点から、その時間短縮が検討されている。しかし時間短縮を実現するには、成形やエージングの方法を大きく変える必要があり、生産設備の全面的な更新が避けられず、費用の面で実現の可能性は極めて低い。
【０００７】
また、アルミニウム合金に焼き付け塗装を行う場合、約２００℃以下で数分程度加熱をする必要がある。この際、同時にエージングも実施できるならば、工程が簡素化されて生産性の向上が期待できる。しかし現状では、焼き付けに対してエージングに要する時間がはるかに長く、設備の都合から塗装とエージングを一括して行うことは困難である。
【０００８】
前記の非特許文献１のように、６０００系アルミニウム合金をベースとして、銅または銀を単独添加した際の特性を図１３から図１６に示す。図１３は、Ｍｇの添加量を０．６ｗｔ％、Ｓｉの添加量を０．４ｗｔ％として、Ｃｕの添加量を０％、０．２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおｗｔ％は質量比率、ａｔ％は原子量比率を意味している。また図の横軸は時間（対数スケールで単位は１０００秒）で、縦軸は硬度（ビッカース硬さ）である。この図のように、Ｃｕを添加することで、時効硬化速度が向上（線図の傾きが大）しており、さらにエージングを継続した後の最高硬さも向上している。
【０００９】
図１４は、Ａｇの添加量を０％、０．１２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％、１．４ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおＭｇとＳｉの添加量などは図１３と同じである。この図のように、Ａｇを添加することで、時効硬化速度が向上しており、さらにエージングを継続した後の最高硬さも向上している。ただしＡｇの添加量を１．４ａｔ％とした合金については、初期段階での硬さが高く、さらに時効硬化速度と最高硬さのいずれも、やや劣っている。
【００１０】
図１５は、Ｃｕの添加量を０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ｃｕの添加量を増すことで、最高強度が高くなる傾向が見られる。
【００１１】
図１６は、Ａｇの添加量を０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％と変化させた各試験片を、４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ａｇの添加量を増すことで、最高強度には大きな変化がないものの、破断に至るまでの伸びが増加している。なお図１５、図１６のいずれも、ＭｇとＳｉの添加量などは図１３と同じである。
【００１２】
このように、銅または銀のいずれかを単独添加した場合については、様々な特性が判明しているが、銅と銀を同時に添加した場合の特性や、銅と銀のほか金を同時に添加した場合の特性は、これまでに十分な研究が行われておらず、従来にはない優れた特性を有するアルミニウム合金が開発される可能性もある。
【００１３】
本発明はこうした実情を基に開発されたもので、強度や延性に優れ、しかも時効硬化速度が速く、建築分野のほか自動車などでの使用にも適した６０００系アルミニウム合金の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の課題を解決するための請求項１記載の発明は、マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％含有して、残部をアルミニウムとすることを特徴とするアルミニウム合金である。
【００１５】
本発明によるアルミニウム合金は、成形性や耐食性に優れた６０００系の特性を発揮できるよう、マグネシウムおよびケイ素の添加量を規定しており、さらに機械的強度の向上を目的として、銅および銀を単独ではなく複合的に添加している。なお、請求項中のｗｔ％は質量比率を意味しており、ａｔ％は原子量比率を意味している。また、請求項中に記載していない他の元素については、各種規格で許容されている範囲で含有していても構わない。
【００１６】
このように、マグネシウムおよびケイ素を規定量だけ添加することで、６０００系としての特性を維持でき、しかも銅と銀の複合添加によって、従来知られていた銅による最高強度の向上および銀による伸びの増加という二つの特性は、相互に打ち消し合うことなく発揮され、成形性や耐食性のほか、最高強度や延性にも優れた合金が発明された。
【００１７】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に対して、銅および銀の含有量を抑制したもので、銅の含有量は０．５ａｔ％以下、銀の含有量は０．４ａｔ％としたことを特徴とする。銅および銀の含有量の上限を制限した場合でも、銅による最高強度の向上および銀による伸びの増加という二つの特性は、相互に打ち消し合うことなく発揮され、銅と銀の使用量を抑制しながら、従来にはない優れた機械的特性を得ることができる。
【００１８】
請求項３記載の発明は、銅および銀に加えて金を０．００５〜０．０５ａｔ％含有することを特徴とする。このように金を含有させた上、セ氏約２５０度以上でエージングを実施すると、含有させない場合と比較して、最高硬さが向上する。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１記載の発明のように、銅あるいは銀のいずれか一方を単独添加するのではなく、銅および銀の両方を複合添加することで、最高強度の向上と延性の確保といった相反する二つの特性を兼ね備えたアルミニウム合金が実現する。しかもエージングの際の時効硬化速度も向上しており、さらに６０００系アルミニウム合金としての特性を引き継いでいるため、成形性や耐久性や価格の面でも優れている。したがって従来は６０００系の使用が難しかった過酷な荷重が作用する箇所でも、本発明による合金であれば使用可能で、自動車の軽量化など様々な分野に貢献できる。また時効硬化速度の向上によって、エージングの時間短縮が実現することから、この際のエネルギー消費を削減できるほか、焼き付け塗装とエージングを同時に行うことも可能になり、生産性の向上が期待できる。
【００２０】
請求項２記載の発明のように、銅および銀の含有量の上限を抑制することで、銅および銀の使用量を抑制しながらも、最高強度の向上と延性の確保といった相反する二つの特性を兼ね備えており、合金製造時のコストを抑制できる。
【００２１】
請求項３記載の発明のように、銅および銀のほか金を含有させることで、銅および銀の複合添加による効果が得られる。また、セ氏約２５０度以上でエージングを実施すると、金を含有させない場合と比較して、最高硬さが向上する。したがって、設備などの都合でエージングを高温で実施する場合でも、硬度に優れたアルミニウム合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による銅と銀を複合添加した各試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図２】図１の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図３】図２の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＡｇの添加量が増えている。
【図４】図２の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＣｕの添加量が増えている。
【図５】４２３Ｋの環境下で最高硬さまで時効させた試験片の断面を透過型電子顕微鏡で撮影した写真である。
【図６】ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図７】図６の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図８】ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした試験片を４２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図９】図８の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。
【図１０】Ｃｕを０．２ａｔ％、Ａｇを０．１ａｔ％、Ａｕを０．０１ａｔ％、それぞれ添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１１】Ｃｕを０．１ａｔ％、Ａｇを０．２ａｔ％、Ａｕを０．０１ａｔ％、それぞれ添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１２】ＣｕとＡｇの複合添加に加えて、Ｓｉを過剰に添加した試験片を５２３Ｋの環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。
【図１３】銅を単独添加したアルミニウム合金の硬度の変化線図であり、銅の添加量が０％、０．２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１４】銀を単独添加したアルミニウム合金の硬度の変化線図であり、銀の添加量が０％、０．１２ａｔ％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％、１．４ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１５】銅を単独添加したアルミニウム合金を用いて引張試験をした際の応力−ひずみ線図であり、Ｃｕの添加量が０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【図１６】銀を単独添加したアルミニウム合金を用いて引張試験をした際の応力−ひずみ線図であり、Ａｇの添加量が０％、０．３５ａｔ％、０．７ａｔ％の各試験片の測定結果を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
ＣｕとＡｇを複合添加したアルミニウム合金を試作して、その特性の測定を行った。なお比較対象として、ＣｕまたはＡｇの一方だけを添加したもの、いずれも添加していないものについても測定を行っている。また各合金とも原則として０．６ｗｔ％のＭｇと、０．４ｗｔ％のＳｉを添加しており、６０００系としての特性を持たせており、文中に明記していない他の元素は添加していない。なおＣｕおよびＡｇについては、以降、例えばＣｕを０．１ａｔ％およびＡｇを０．２ａｔ％添加した場合、０．１Ｃｕ−０．２Ａｇというように記載する。
【００２４】
図１は、各試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお図の詳細は、前記の図１３と同じである。ＣｕとＡｇを複合添加した合金は、ＣｕまたはＡｇを単独添加した合金に比べて初期段階での時効硬化速度が向上しており、複合添加による効果が発揮されていると推定され、さらに最終的な硬さについても、Ａｇを単独添加した合金よりも向上している。また０．３５Ｃｕ合金と０．２Ｃｕ−０．１Ａｇ合金は、最高硬さがほぼ同じであり、０．３５Ｃｕ合金については、そのＣｕの一部（約４０％）をＡｇで置き換えても最高硬さには大差がないことが示されている。なおＣｕおよびＡｇの添加量が多い０．５Ｃｕ−０．２５Ａｇ合金は、他に比べて初期段階での硬さが高い。
【００２５】
図２は、図１の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。この図のように、Ａｇに対してＣｕの添加量が多い場合には強度が向上し、また逆にＣｕに対してＡｇの添加量が多い場合には伸びが増大する傾向が見られる。特に０．２Ｃｕ−０．１Ａｇと０．１Ｃｕ−０．２Ａｇは、強度と伸びがバランス良く向上しており、強度を重視する場合にはＡｇに対してＣｕの添加量を増やし、逆に伸びを重視する場合にはＣｕに対してＡｇの添加量を増すことで、理想的な特性を有する合金を得ることができる。
【００２６】
図１および図２から得られた各試験片の特性値を表１に示す。項目は左から順に、耐力（０．２％Ｐ．Ｓ．）、引張強さ（ＵＴＳ）、均一伸び（Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｅｌ）、全伸び（Ｔｏｔａｌ Ｅｌ）、最高硬さに達するまでのエージング時間、その時の硬度、を示している。この表から、Ｃｕの添加量を増すことで強度が向上しており、またＡｇの添加量を増すことで伸びが向上する傾向があることが判る。
【００２７】
【表１】
【００２８】
図３は、先の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＡｇの添加量が増えている。この写真では、上から下に向かうに連れて破断面が徐々に縮小していることが示されており、Ａｇの添加量が増えるに連れて断面収縮率も増加しており、大きな塑性変形をした上で破断する傾向が見られる。
【００２９】
図４は、先の引張試験によって破断した試験片の破断面を走査型電子顕微鏡で撮影した写真であり、上から下に向かうに連れてＣｕの添加量が増えている。この写真では、上から下に向かうに連れて破断面が大きくなっており、Ｃｕの添加量が増えるに連れて断面収縮率が減少しており、大きな塑性変形をすることなく破断する傾向が見られる。
【００３０】
図５は、４２３Ｋ（１５０℃）の環境下で最高硬さまで時効させた試験片の断面を透過型電子顕微鏡で撮影した写真である。左下の写真は、Ａｇだけを単独添加しており、格子状に析出した中間層が現れている。そして、このＡｇの一部をＣｕに置き換えて、０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとした合金が左上の写真である。この写真では格子状に析出した中間層が現れておらず、粒状の模様が連続しており、Ｃｕの添加に伴い中間層の微細化が促進されていることが判る。中間層は一般に、数が多く且つサイズが微細であるほど、合金の強度が高くなることが知られている。
【００３１】
また右側に並ぶ二枚の写真は、ＣｕおよびＡｇの添加量を左側の合金よりも増やしており、右下の０．７Ａｇ合金は大きな格子状の中間層が現れている。そして、このＡｇの半分以上をＣｕに置き換えて、０．５Ｃｕ−０．２５Ａｇとした合金が右上の写真である。この写真では先と同様に格子状の中間層が現れておらず、粒状の模様が連続しており中間層が微細化している。このように、Ａｇだけを単独添加した場合には、強度と密接な関係を有する中間層が大きく成長して、強度の面で不利になる傾向があるものの、Ｃｕを複合添加することで中間層の微細化が促進されることが判明した。
【００３２】
図６は、ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお図の詳細は、図１３と同じである。ＣｕとＡｇを複合添加した試験片の最高硬さは、Ｃｕを単独添加したものよりも低く、且つＡｇを単独添加したものよりも高く、両者の中間的な値になっている。
【００３３】
図７は、図６の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。ＣｕとＡｇの添加量の合計を０．７ａｔ％とした場合も、複合添加によって強度と伸びがバランス良く向上しており、０．２５Ｃｕ−０．５Ａｇとした試験片の強度は、Ｃｕを単独添加したものに近く、しかも全伸びはＣｕを単独添加したものの二倍程度と大きく改善されており、複合添加による優れた特性が示されている。なおＡｇを単独添加した試験片の全伸びは、図２の０．３５Ａｇよりも劣っているが、これは結晶粒界に析出物が生じることが原因と推定される。
【００３４】
図８は、ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした試験片を４２３Ｋ（１５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。ＣｕとＡｇを複合添加した試験片の最高硬さは、Ａｇを単独添加したものよりも高く、しかも複合添加によって時効硬化速度も向上しており、エージングの時間短縮が実現する。またＣｕの添加量が多い０．９０Ｃｕ−０．４５Ａｇと、Ｃｕの添加量が少ない０．４５Ｃｕ−０．９０Ａｇを比較すると、前者の方が最高硬さが高く、Ｃｕの添加を多くすることで、硬さが増す傾向が見られる。
【００３５】
図９は、図８の各試験片を４２３Ｋで最高硬さまで時効させた後、引張試験をした際の応力−ひずみ線図である。ＣｕとＡｇの添加量の合計を１．４ａｔ％とした場合、ＣｕとＡｇの割合で特性が変化している。Ｃｕの添加量が多い０．９０Ｃｕ−０．４５Ａｇは、強度に優れているが、全伸びはあまり改善されず、複合添加による効果に乏しい。しかし０．４５Ｃｕ−０．９０Ａｇは、強度と伸びがバランス良く向上しており、複合添加による効果が発揮されている。なおＡｇを単独添加したものの全伸びは、図２の０．３５Ａｇよりも劣っている。これは図７と同様、結晶粒界に析出物が生じることが原因と推定される。
【００３６】
図１０は、０．２Ｃｕ−０．１Ａｇをベースとして、Ａｕを０．０１ａｔ％添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図である。なおエージングの温度は、４２３Ｋ（１５０℃）、４７３Ｋ（２００℃）、５２３Ｋ（２５０℃）、５７３Ｋ（３００℃）と変化させている。また比較対象として、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを４７３Ｋでエージングをした結果、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを５７３Ｋでエージングをした結果、金だけを０．０１ａｔ％添加したものを５７３Ｋでエージングをした結果、何も添加していないものを５７３Ｋでエージングをした結果も併せて示している。
【００３７】
また図１１は、図１０と同様、Ａｕを０．０１ａｔ％添加した試験片を様々な温度でエージングをした際の硬度の変化線図だが、ＣｕとＡｇの添加量を変えて０．１Ｃｕ−０．２Ａｇとしている。なお比較対象として、図１０と同様、金を含まず０．２Ｃｕ−０．１Ａｇとしたものを５７３Ｋでエージングをした結果、金だけを０．０１ａｔ％添加したものを５７３Ｋでエージングをした結果、何も添加していないものを５７３Ｋでエージングをした結果も併せて示している。
【００３８】
図１０および図１１のように、ＣｕとＡｇとＡｕを複合添加した合金を５２３Ｋや５７３Ｋでエージングをした場合、Ａｕを添加しない場合と比較して、最高硬さが向上する。
【００３９】
図１２は、ＣｕとＡｇの複合添加に加えて、Ｓｉを過剰に添加した試験片を５２３Ｋ（２５０℃）の環境下でエージングをした際の硬度の変化線図である。なお添加割合は、Ｍｇを０．８１ｗｔ％、Ｓｉを０．８５ｗｔ％、Ｃｕを０．１８ａｔ％、Ａｇを０．０９ａｔ％、Ｍｎを０．２５ａｔ％としている。図１などではＳｉの添加量を０．４ｗｔ％としていたが、このように、Ｓｉを二倍以上過剰に添加することで、最高硬さが高くなる傾向が見られる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％含有して、残部をアルミニウムとすることを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項２】
銅の含有量は０．５ａｔ％以下、銀の含有量は０．４ａｔ％以下とすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
金を０．００５〜０．０５ａｔ％含有することを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金。
【請求項１】
マグネシウムを０．４５〜１．０ｗｔ％、ケイ素を０．２〜０．８ｗｔ％、銅を０．１〜１．０ａｔ％、銀を０．１〜１．０ａｔ％含有して、残部をアルミニウムとすることを特徴とするアルミニウム合金。
【請求項２】
銅の含有量は０．５ａｔ％以下、銀の含有量は０．４ａｔ％以下とすることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金。
【請求項３】
金を０．００５〜０．０５ａｔ％含有することを特徴とする請求項１または２記載のアルミニウム合金。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１０−１５６０４６（Ｐ２０１０−１５６０４６Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７６５８６（Ｐ２００９−２７６５８６）
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月４日（２００９．１２．４）
【出願人】（３０５０６０５６７）国立大学法人富山大学 (194)
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