JP2019534380A - アルミニウム基合金から変形半製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冶金学の分野に関し、種々の断面の形材のような変形版製品を製造するために使用できる。【解決手段】下記の段階を含むアルミニウム基合金から変形半製品を製造する方法が提案された。ａ）鉄と、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、銅およびスカンジウムの群から少なくとも１種の元素を含む溶鉱の製造、ｂ）７０ミクロン以下の樹状細胞サイズを特徴とする鋳造組織を形成する冷却速度で、溶鉱の結晶化によって連続長さの鋳造ビレットの製造、ｃ）５２０℃以下のビレット初期温度で、６０％まで（最適には５０％まで）の変形度でビレットを熱間圧延し、さらに以下の作業の少なくとも１つを使用することによって最終または中間断面の変形半製品を製造すること。ビレットがダイを通ることにより、ビレットの３００〜５００℃の温度範囲でのプレス加工。得られた変形半製品を４５０℃以上の温度で水中焼入れ。変形半製品の組織は、その中に合金元素と横方向寸法３ミクロン以下の共晶粒子が分布するアルミニウムマトリックスになる。本発明の方法は、製造の１つの技術段階で、物理的機械的特性の蓄積的に高レベル、特に、高相対伸び（１０％以上）、高引張強さ、および高導電性を提供する。

Description

本発明は、冶金学の分野に関連し、工業用アルミニウムおよびその合金から、種々の断面の形材、ロッド、圧延製品を含む線材および他の半製品などの変形半製品を製造するために使用できる。変形半製品は、溶接ワイヤ、建設および他の用途のための配線製品の製造における電気工学において使用することができる。

変形アルミニウム合金から製品を製造するためには、変形半製品を製造する様々な方法が使用され、他の条件はすべて同じとし、その方法は機械的性質の最終レベルを決める。しかし、蓄積的に各物理機械的特性の高レベルを常に達成することが困難であり、特に、高強度の特性が達成されると、可塑性が通常に低くなり、またはその逆となる。

アルミニウム線材の製造においては、鋳造ビレットを連続鋳造し、そのビレットを線材に圧延し次にコイルに巻回するという方法が最も普及している。この方法は、特に工業用アルミニウム、Ａｌ‐Ｚｒ合金、１ｘｘｘ、８ｘｘｘおよび６ｘｘｘ群の合金から電気用線材を製造するのに広く使用されている。このタイプの設備の主なメーカーはＶＮＩＩＭＥＴＭＡＳＨ社（http://vniimetmash.com）とＰｒｏｐｅｒｚｉ社（http://www.properzi.com）である。この設備の主な利点は、第一に線材の製造における高い生産性である。この方法は下記の欠点が含まれる。

１）圧延による変形方式では、複雑な形状の製品（特に、非対称の断面を有するアングルなどの半製品）を製造することができない。

２）圧延のみを使用する場合、相対伸びの高い値を達成することは通常不可能であり、そして相対伸びを増加させるためには追加の熱処理工程が必要になる。

さらに、熱間圧延の１サイクルでは、大きな単一変形を行うことが通常困難であるため、変形中心を連続設置し、特に設備用の広い生産面積を必要とするマルチロールミルの使用を必要とする。

アルコア社による米国特許出願公開第２０１３／０３３４０９１号に記載されるように、アルミニウム合金における別の製造方法およびその製造方法が知られている。ストリップ連続鋳造および熱処理の方法は、以下の基本工程を含む。ストリップ連続鋳造、完成または中間ストリップへの圧延、そして焼入れ。請求項に記載された方法では、特性の特定レベルを達成するために、場合によっては製造工程を複雑にする、変形半製品、特に圧延帯の絶対の熱処理を含む。

請求項に記載された発明に最も近いのは、米国特許第３９３４４４６号に記載されるようなワイヤを製造する方法である。その方法は、下記の工程を組み合わされたワイヤ製造の連続過程を含む。ビレット圧延およびプレス加工その発明の欠点の中には、特定の物理的機械的特性のレベルを達成するには必要とされる技術的パラメータ（ビレットの温度、変形の程度など）の欠如が含まれる。

本発明の目的は、鉄と、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、銅およびスカンジウムの群からの少なくとも１種の元素と合金した変形アルミニウム合金から、物理的機械的特性の蓄積的に高レベル、特に、高相対伸び（１０％以上）、高引張強さ、および高導電性を持つ、変形半製品の新しい製造方法を提供することである。

技術的な結果は、コイルの製造、焼入れまたは焼なましなどの個別の工程が含まれる多段階生産を使用せずに、製造の１つの技術段階で物理機械的特性の累積的レベルを達成する課題の解決策である。

課題の解決および技術的結果は、下記の工程が含まれるアルミニウム基合金から変形半製品を製造する方法により達成される。
ａ）鉄と、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、銅およびスカンジウムの群から少なくとも１種の元素を含む溶鉱の製造。
ｂ）７０ミクロン以下の樹状細胞サイズを特徴とする鋳造組織を形成する冷却速度で、溶鉱の結晶化によって連続長さの鋳造ビレットの製造。
ｃ）５２０℃以下のビレット初期温度で、６０％まで（最適には５０％まで）の変形度でビレットを熱間圧延し、さらに以下の作業の少なくとも１つを使用することによって最終または中間断面の変形半製品を製造すること。
・ビレットがダイを通ることにより、ビレットの３００〜５００℃の温度範囲でのプレス加工。
・得られた変形半製品を４５０℃以上の温度で水中焼入れ。
変形半製品の組織は、その中に合金元素と横方向寸法３ミクロン以下の共晶粒子が分布するアルミニウムマトリックスになる。

特定の場合、圧延は室温（約２３‐２７℃）で行うことができる。プレス製品の圧延は、多数の圧延機を通過させることによっても達成することができる。合金元素の濃度範囲は下記の重量％を使用することが適切である。
鉄 ０．０８〜０．２５
ジルコニウム ０．２６まで
ケイ素 ０．０５〜１１．５
マグネシウム ０．６まで
ストロンチウム ０．０２まで

この合金から変形半製品を製造する方法の請求項に記載された技術的パラメータの理論的根拠は下記の通りである。

最終的な特性レベルに対する要求に応じて、溶鉱は鉄と、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｃの群からの少なくとも１種の元素を含み、特にａ）耐熱用途（温度３００℃以下）の変形半製品には鉄と、ジルコニウムおよびスカンジウムの群からの少なくとも１種の元素、ｂ）高強度特性（３００ＭＰａ以上）の変形半製品には鉄、ケイ素およびマグネシウム、ｃ）溶接ワイヤには鉄と、ケイ素、ジルコニウム、マンガン、ケイ素、ストロンチウム及びスカンジウムの群からの少なくとも１種の元素、ｄ）細いワイヤには鉄と、ニッケル、銅、およびケイ素の群からの少なくとも1種の元素を含む。

知られているように、鋳造ビレットの組織成分のサイズ、特に樹状細胞のサイズ、共晶成分などは、結晶化範囲内の冷却速度に直接依存する。従って、６０μｍ以下の樹状細胞の形成が共晶起源の粗大相の形成をもたらし得る結晶化速度の低下は、その後の変形加工中の加工性を悪化させ、細い変形半製品（特に細線および細い形材）における機械的特性の全体的レベルの低下をもたらす。さらに、冷却速度を必要以上遅くしても、ビレットの結晶化中の過飽和固溶体、特にジルコニウム含有量を形成させることはできず、変形半製品の物理機械的特性の最終レベルに悪影響を及ぼす。

元のビレットの圧延温度が５５０℃を超えると、変形用合金中で動的再結晶化プロセスが生じる可能性があり、さらなる用途のために製造される半製品の強度特性の全体的レベルに悪影響を及ぼす可能性がある。

ジルコニウムを含む変形用合金の場合、元のビレットの温度は４５０℃を超えてはならず、そうでなければ、Ａｌ_３Ｚｒ（Ｌｌ_２）相の粗い二次析出物またはＡｌ_３Ｚｒ（Ｄ０_２３）相の二次析出物が組織中に形成され得る。

圧延ビレットのプレス温度が５２０℃を超えると、変形用合金中で動的再結晶化プロセスが発生する可能性があり、これは強度特性の全体的なレベルに悪影響を及ぼす可能性がある。圧延ビレットのプレス加工温度が４００℃未満であると、プレス時の加工性が低下する可能性がある。

焼入れの温度が４５０℃以下に低下すると、アルミニウム固溶体の早すぎる分解を招き、強度特性の最終レベルに悪影響を及ぼす。

請求項に記載される方法の具体的な実施例は下記の通りである。

鋳造ビレットの製造方法は、Ａｌ‐Ｚｒ系の合金の組織パラメータに影響を与え、他の系の場合は与える影響が低くなる。特に、Ａｌ‐Ｚｒ合金の場合、すべてのジルコニウムはアルミニウム固溶体に入る必要があるため、下記の方法により達成される。
１）Ａｌ‐Ｚｒ系の液相温度より温度上昇
２）結晶化中の冷却速度調整
工業用設備の冷却速度を直接測定することは事実上困難であるが、冷却速度は樹状細胞と直接相関するため、このパラメータは基準として導入されたものである。

実施例１
０．２６％のＺｒ、０．２４％のＦｅおよび０．０６％のＳｉ（質量％）を含有するＡｌ‐Ｚｒ系合金から、実験室条件下で様々な結晶化条件下の鋳造ビレット（横断面積１５２０ｍｍ^２）を得た。金型を加熱することによって結晶化条件を変え、全ての種類の鋳造温度は７６０℃であった。

金属組織学的分析（走査型電子顕微鏡）を使用して、直径９．５ｍｍの鋳造ビレットおよび変形ロッドの組織の評価を行った。圧延前の鋳造ビレットの初期温度は５００℃であった。測定結果は表１に示される。

表１の結果から、５℃／ｓ以下の冷却速度でビレットを鋳造すると、Ａｌ_３Ｚｒ（Ｄ０_２３）相の初晶がＡｌ‐Ｚｒ合金の組織中に形成され、除去不可能な組織欠陥になることが分かる。

表１から、結晶化範囲内の７℃／ｓ以上の冷却速度でのみ、ビレットの組織は、３．８μｍ以下のＦｅ含有共晶相の細静脈が分布するアルミニウム固溶体（Ａｌ）であることが分かる。

変形時加工性の評価のために、ビレット第３〜６号（表１）から直径９．５ｍｍの線材を製造し、それから直径０．５ｍｍの細いワイヤが製造された。伸線加工性および焼きなまし後のワイヤの機械的特性の測定結果は表２に記載される。

表２から、Ｆｅ含有共晶粒子が形成される１１℃／ｓ以上の冷却速度でのみ、直径０．５ｍｍの細線を伸線加工する際に加工性が高いことが分かる。高い加工性は、最大サイズが３．１μｍを超えないＦｅ含有相の粒子を結成することによって達成される。

実施例２
１１．５％のＳｉ、０．０２％のＳｒおよび０．０８％のＦｅ（重量％）を含有する合金から、連続圧延およびプレス加工を用いて、直径１２ｍｍの棒状の変形半製品を製造した。

鋳造ビレットの元の断面は、１０８０、１６００、および２８２０ｍｍ^２である。鋳造ビレットの圧延と、圧延ビレットのプレス加工は異なる温度で行われた。圧延およびプレスのパラメータを表３に示す。

実施例３
Ａｌ‐０．６％、Ｍｇ‐０．５％、Ｓｉ‐０．２５％、Ｆｅを含有する合金から、様々な変形方式、すなわち圧延、プレス加工、および圧延とプレス加工の組合せ方式を使用してロッドが製造された。表４は引張強さの機械的特性の比較分析を示す。元のビレットの断面は９６０ｍｍ^２であった。圧延およびプレス加工の温度は４５０℃であった。変形後のロッドの最終直径は１０ｍｍであった。試験はサンプルを４８時間寝かした後に行われた。引張試験での計算長さは２００ｍｍであった。

示された結果から、プレス加工またはプレス加工と圧延を組み合わせた方法を使用するときに相対伸び（δ）の最良の値が達成されることが分かる。この場合の相対伸び値の差は、圧延およびプレス加工時の微細組織の形成により達成され、特にプレス加工後に、主に細胞組織で代表される圧延と異なり、１５０ｎｍ以下のサブグレイン平均粒度の多角化組織が実施される。

実施例４
表５に記載されるＡｌ‐０．４５％、Ｍｇ‐０．４％、Ｓｉ‐０．２５％、Ｆｅ（種１）およびＡｌ‐０．６％、Ｍｇ‐０．６％、Ｓｉ‐０．２５％、Ｆｅ（種２）を含有する合金から、異なる条件の圧延およびプレス加工の組み合わせ方式を用いてロッドが製造された。圧延およびプレス加工の温度は表５に示す。元のビレットの断面は９６０ｍｍ^２であった。圧延中の変形度は５０％であった。プレス加工中の変形度は８０％であった。製造されたロッドはプレス機を出た後に水で激しく冷却し、合金元素を含む過飽和固溶体を得た。元のビレットの断面は９６０ｍｍ^２であった。圧延およびプレス加工の温度は５２０〜４２０℃の範囲で変化することにより、プレス加工のビレットの異なる温度を得ることができた。圧延プレス加工中の温度損失は２０〜４０℃の範囲であった。変形後のロッドの最終直径は１０ｍｍであった。試験はサンプルを４８時間寝かした後に行われた。引張試験での計算長さは２００ｍｍであった。

表５は、相対伸びおよび電気抵抗率の比較分析を示す。電気比抵抗率の値に基づいてアルミニウム固溶体の分解を判断した。（記載の合金１および合金２の過飽和状態は、それぞれ３２．５±０．３および３３．１±０．３μΩ×ｍｍの値に対応する）

表５に記載された結果から、プレス加工および水による冷却後に過飽和溶体を達成するためには、焼入れを使用する場合にプレス加工ビレットでは過飽和アルミニウム溶体を達成できるように、元のビレットの温度は約５２０℃でなければいけない、そして加圧後にビレットの温度は４９０℃以上でなければいけないことが分かる。

実施例５
０．２４％のＦｅおよび０．０６％のＳｉ（重量％）を含有する工業用アルミニウムから、圧延およびプレス加工の組み合わせ過程を使用して、直径９．５ｍｍの線材を製造した。線材を製造する技術的過程は、以下の工程を含む。

平均サイズ約３０μｍの樹状細胞が形成される冷却速度でビレット連続鋳造した。鋳造ビレットの組織は、１．５μｍ以下のＦｅ含有共晶相の細静脈が分布するアルミニウム固溶体（Ａｌ）であった。
鋳造ビレットの初期温度約４００℃、変形度５０％の熱間圧延。
続いてビレットの７８％の変形度で１５ｍｍのロッドまでのプレス加工。
続いてロッドの９．５ｍｍ線材までの圧延。

表６は、ＶＮＩＩＭＥＴＭＡＳＨ社の鋳造圧延機上での線材の連続製造方式を用いて組合せ工程で得られた、線材の引張強さの機械的特性の比較分析を示す。

組み合わせ方法によって製造されたビレットの相対伸びの値が高く、一般的な線材製造方法と比較して２５％高い相対伸びの値が得られる。

実施例６
圧延とプレス加工の組み合わせ過程を用いて得られた直径１２ｍｍのロッドから、直径３．２ｍｍのワイヤを製造した。ビレットの元の断面は１５２０ｍｍ^２であった。圧延中の変形度は４５％であり、プレス加工中の変形度は８６％であった。得られた直径１２ｍｍのロッドを３７５℃の温度で１５０時間熱処理し、その後ワイヤを製造した。

特性損失の評価は、ワイヤを４００℃の温度での１時間焼なましの後に行われ、以下の比率から計算された。
Δσ＝（σ_initial−σ_anneal）／σ_initial・１００％
ここで、σ_initialは、ワイヤの一時的な抵抗の初期レベル。σ_annealは、４００℃での１時間焼なましの後のワイヤの一時的な抵抗のレベル。

表７に示す結果から、鋳造ビレットは、高温で特性の損失が１２％を超えることが分かる。これは変形処理中にＡｌ_３Ｚｒ相の部分的形成を伴うアルミニウム固溶体の制御できない不均一な（扇形）分解に関連する。温度が下がる時、不均一な分解は観察されなかった。温度が３００℃以下に低下すると、ワイヤはより高い値の引張強度を特徴とし、それは焼なまし中の強度特性のより大きな低下をもたらした。

Claims (8)

1. 下記の段階を含むアルミニウム基合金から変形半製品を製造する方法。
   ａ）鉄と、ジルコニウム、ケイ素、マグネシウム、ニッケル、銅およびスカンジウムの群から少なくとも１種の元素を含む溶鉱の製造。
   ｂ）６０ミクロン以下の樹状細胞サイズを特徴とする鋳造組織を形成する冷却速度で、溶鉱の結晶化によって連続長さの鋳造ビレットの製造。
   ｃ）５２０℃以下のビレット初期温度で、６０％までの変形度でビレットを熱間圧延し、さらに以下の作業の少なくとも１つを使用することによって最終または中間断面の変形半製品を製造すること。
   ・ビレットがダイを通ることにより、ビレットの３００〜５００℃の温度範囲でのプレス加工。
   ・得られた変形半製品を４５０℃以上の温度で水中焼入れ。
   変形半製品の組織は、その中に合金元素と横方向寸法３ミクロン以下の共晶粒子が分布するアルミニウムマトリックスになる。
2. 圧延は室温で行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. プレス製品の圧延は、多数の圧延機を通過させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 合金元素の濃度範囲は下記の重量％を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
   鉄 ０．０８〜０．２５
   ジルコニウム ０．２６まで
   ケイ素 ０．０５〜１１．５
   マグネシウム ０．６まで
   ストロンチウム ０．０２まで
5. 温度３００℃以下の耐熱用途の変形半製品には鉄と、ジルコニウムおよびスカンジウムの群からの少なくとも１種の元素が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. ３００ＭＰａ以上の高強度特性の変形半製品には鉄、ケイ素およびマグネシウムが使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 溶接ワイヤ製造用の変形半製品には鉄と、ケイ素、ジルコニウム、マンガン、ケイ素、ストロンチウム及びスカンジウムの群からの少なくとも１種の元素が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 細いワイヤ製造用の変形半製品には鉄と、ニッケル、銅、およびケイ素の群からの少なくとも１種の元素が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。