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明細書 :アルミニウム合金

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5531176号 (P5531176)
公開番号 特開2010-156046 (P2010-156046A)
登録日 平成26年5月9日(2014.5.9)
発行日 平成26年6月25日(2014.6.25)
公開日 平成22年7月15日(2010.7.15)
発明の名称または考案の名称 アルミニウム合金
国際特許分類 C22C  21/02        (2006.01)
C22C  21/06        (2006.01)
C22C  21/00        (2006.01)
C22C  21/12        (2006.01)
C22F   1/04        (2006.01)
C22F   1/00        (2006.01)
FI C22C 21/02
C22C 21/06
C22C 21/00 N
C22C 21/12
C22F 1/04 A
C22F 1/00 602
C22F 1/00 691B
C22F 1/00 691C
C22F 1/00 630K
C22F 1/00 640A
請求項の数または発明の数 3
全頁数 19
出願番号 特願2009-276586 (P2009-276586)
出願日 平成21年12月4日(2009.12.4)
優先権出願番号 2008310450
優先日 平成20年12月5日(2008.12.5)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成24年11月29日(2012.11.29)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】305060567
【氏名又は名称】国立大学法人富山大学
発明者または考案者 【氏名】松田 健二
【氏名】池野 進
【氏名】川畑 常眞
【氏名】西田 洋好
個別代理人の代理人 【識別番号】100090206、【弁理士】、【氏名又は名称】宮田 信道
審査官 【審査官】河口 展明
参考文献・文献 特開平07-310154(JP,A)
調査した分野 C22C 21/0-21/18
C22F 1/00
C22F 1/04-1/057
JSTPlus/JMEDPlus/JST7580(JDreamIII)
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。
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、MgSi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】
【0005】
<nplcit num="1"> <text>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</text></nplcit>
【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】
JP0005531176B2_000002t.gif

【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。
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
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【図12】
11
【図13】
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【図14】
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【図15】
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【図16】
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