铝合金构件的制造方法、以及使用了该方法的铝合金构件与流程

本发明涉及铝合金构件的制造方法及铝合金构件，特别涉及可得到形状精度优异的铝合金构件的铝合金构件的制造方法、以及使用了该方法的铝合金构件。

背景技术：

以往，在汽车及飞机等所使用的结构构件中，已被使用的有能够实现高屈服强度及高强度化的Al-Cu系的JIS2000系铝合金、及Al-Cu-Mg-Zn系的JIS7000系铝合金(例如，参见专利文献1)。对于这些铝合金而言，在为了改善弯曲加工等成形加工性而进行边加热边使刚性降低而成形的热成形、或通过加热处理(固溶化处理)使铝合金软化而成形的W成形加工之后，通过再次进行加热处理(时效处理)而实现高强度化，从而制造结构构件用铝合金构件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-241449号公报

技术实现要素：

发明要解决的问题

然而，在传统的铝合金构件的制造方法中，在基于加热处理的固溶化处理之后，有时会因在进行成形加工之前的常温保持时产生自然时效而导致成形加工前的铝合金的刚性缓慢增大。因此，在传统的铝合金构件的制造法中，有时会因铝合金的自然时效而导致成形加工所需要的载荷增加，并且容易发生由基于因固溶化处理后的冷却而在铝合金内部产生的残留应力的回弹而引起的变形，因而在成形加工后无法获得期望的形状精度。

另外，还探讨了基于T5处理的铝合金构件的制造方法，所述T5处理通过使用室温下的成形性良好的铝合金、或利用挤出成形时产生的热使溶质原子发生固溶化，从而不实施固溶化处理、仅通过人工时效即可使强度增大。然而，即使在这些情况下，有时与使用了JIS7000系及JIS2000系铝合金的情况相比也无法获得充分的强度。

本发明基于这样的现状而完成，目的在于提供能够制造高强度且高屈服强度、并且形状精度优异的铝合金构件的铝合金构件的制造方法、以及使用了该方法的铝合金构件。

解决问题的方法

本发明的铝合金构件的制造方法包括成形工序和冷却工序，所述成形工序将铝(Al)合金加热至400℃以上且500℃以下的条件而进行成形加工，所述冷却工序将经过成形加工后的上述铝合金以2℃/秒以上且30℃/秒以下的冷却速度进行冷却而得到铝合金构件，

所述铝(Al)合金包含：1.6质量％以上且2.6质量％以下的镁(Mg)、6.0质量％以上且7.0质量％以下的锌(Zn)、0.5质量％以下的铜(Cu)或银(Ag)且铜(Cu)和银(Ag)的总量为0.5质量％以下、以及0.01质量％以上且0.05质量％以下的钛(Ti)，余量为铝(Al)和不可避免的杂质。

根据该铝合金构件的制造方法，由于铝合金含有给定量的镁、锌及铜或银，因此，铝合金的成形性提高，能够不实施固溶化处理而进行成形。进而，由于钛具有使熔融金属的晶粒微细化的效果，因此能够使强度提高。该铝合金即使在成形后的冷却时以30℃/秒以下的冷却速度进行冷却也能够保持高强度及高屈服强度，因此能够防止伴随冷却而产生热应变及残留应力，能够防止成形加工时形状精度的降低。因此，可实现能够制造高强度且高屈服强度、而且形状精度优异的铝合金构件的铝合金构件的制造方法。

在本实施方式的铝合金构件的制造方法中，优选上述铝合金进一步含有以总量计为0.15质量％以上且0.6质量％以下的锰(Mn)、铬(Cr)及锆(Zr)中的1种或2种以上。根据该构成，具有抑制铝合金的晶粒粗大化、改善强度、对于应力腐蚀开裂的耐性、及疲劳寿命的效果。

在本发明的铝合金构件的制造方法中，优选进一步包括将上述铝合金构件在100℃以上且200℃以下的条件下保持而进行时效处理的时效处理工序。通过该方法，会在铝合金上生成析出物，从而使铝合金的强度提高。

在本发明的铝合金构件的制造方法中，优选在上述时效处理工序中对上述铝合金构件进行2小时以上的时效处理。通过该方法，可利用时效而提高铝合金的强度。

在本发明的铝合金构件的制造方法中，优选在上述冷却工序中对上述铝合金进行气冷。通过该方法，能够容易且廉价地冷却铝合金。

本发明的铝合金构件是通过上述铝合金构件的制造方法而得到的。

根据该铝合金构件，由于是使用含有给定量的镁、锌、铜或银、及钛的铝合金而制造的，因此可提高铝合金的成形性，能够不实施固溶化处理而进行成形。进而，由于该铝合金即使在成形后的冷却时以30℃/秒以下的冷却速度进行冷却也能够保持高强度及高屈服强度，因此能够防止伴随冷却而产生热应变及残留应力，能够防止成形加工时的形状精度的降低。因此，可实现高强度且高屈服强度、而且形状精度优异的铝合金构件。

发明的效果

根据本发明，能够实现可制造高强度且高屈服强度、而且形状精度优异的铝合金构件的铝合金构件的制造方法、以及使用了该方法的铝合金构件。

附图说明

[图1]图1是本发明的实施方式涉及的铝合金构件的制造方法的流程图。

[图2]图2是示出本发明的实施方式涉及的铝合金和通常的铝合金的冷却温度与冷却时间的关系的图。

具体实施方式

作为汽车及飞机等所使用的结构构件，已被广泛使用的有JIS7000系铝合金等比强度优异的铝合金。对于这样的铝合金而言，为了获得充分的成形性及形状精度，需要在成形加工前(或成形加工后)进行加热处理至给定温度而使铝合金软化的W处理或固溶化处理，另外，为了获得足够的强度，需要对固溶化处理后的铝合金进行骤冷(例如，30℃/秒以上)。

本发明人等发现，通过使用给定组成的铝合金并对铝合金进行热成形，不仅可以得到充分的成形性及形状精度，而且即使对成形加工后的铝合金进行冷却也能够防止铝合金的强度降低，从而完成了本发明。

以下，结合附图对本发明的一个实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下的实施方式，也可以进行适当变形后实施。需要说明的是，以下以将铝合金的铸锭进行热挤压而制造的挤压型材的铝合金构件为例进行说明，但本发明也可以适用于对铸锭进行热轧及热压而制造的压延板的铝合金构件的制造。

图1是本发明的一个实施方式涉及的铝合金构件的制造方法的流程图。如图1所示，本实施方式的铝合金构件的制造方法包括：将铝(Al)合金加热至400℃以上且500℃以下后从耐压性的模框挤出的挤出工序ST1；将从模框挤出后的铝合金成形加工为期望形状的成形工序ST2；将经过成形加工后的铝合金以2℃/秒以上且30℃/秒以下、优选以2℃/秒以上且10℃/秒以下的冷却速度进行冷却而得到铝合金构件的冷却工序ST3；将冷却后的铝合金构件保持于100℃以上且200℃以下而进行时效处理的时效处理工序ST4；以及对时效处理后的铝合金构件实施表面处理及涂装的后工序ST5，所述铝(Al)合金包含：1.6质量％以上且2.6质量％以下的镁(Mg)、6.0质量％以上且7.0质量％以下的锌(Zn)、0.5质量％以下的铜(Cu)或银(Ag)(且铜(Cu)和银(Ag)的总量为0.5质量％以下)、0.01质量％以上且0.05质量％以下的钛(Ti)，余量为铝(Al)和不可避免的杂质。

需要说明的是，在图1所示的例子中，针对在成形工序ST2之前实施挤出工序ST1的例子进行了说明，但如果能够将铝合金加热至400℃以上且500℃以下并通过热成形而实施成形工序ST2，则未必需要实施挤出工序ST1。另外，在图1所示的例子中，针对在冷却工序ST3之后实施时效处理工序ST4及后工序ST5的例子进行了说明，但时效处理工序ST4及后工序ST5根据需要而实施即可。以下，针对用于本实施方式涉及的铝合金构件的制造方法的铝合金进行详细说明。

(铝合金)

作为铝合金，使用包含JIS标准及AA标准的具有Al-Zn-Mg系组成及Al-Zn-Mg-Cu系组成的7000系铝合金(以下也简称为“7000系铝合金”)。通过使用该7000系铝合金，例如通过实施T5-T7中的于120℃以上且160℃以下进行6小时以上且16小时以下的条件下的人工时效处理，可以得到强度以0.2％屈服强度计为400MPa以上的高强度的铝合金构件。

作为铝合金，使用组成如下的铝合金：1.6质量％以上且2.6质量％以下的镁(Mg)、6.0质量％以上且7.0质量％以下的锌(Zn)、0.5质量％以下的铜(Cu)或银(Ag)(且铜(Cu)和银(Ag)的总量为0.5质量％以下)、0.01质量％以上且0.05质量％以下的钛(Ti)，余量为铝(Al)和不可避免的杂质。通过使用这样组成的铝合金，可以使铝合金构件的强度以0.2％屈服强度计为400MPa以上。另外，优选铝合金含有以总量计为0.15质量％以上且0.6质量％以下的锆(Zr)、铬(Cr)或锰(Mn)中的1种或2种以上。

钛(Ti)在铝合金的铸造时形成Al₃Ti，具有使晶粒微细化的效果，因此优选相对于铝合金的总质量为0.01质量％以上。另外，如果为0.05质量％以下，则对于应力腐蚀开裂的耐性提高。作为钛的含量，优选为0.01质量％以上且0.05质量％以下。

镁(Mg)是使铝合金构件的强度提高的元素。作为镁(Mg)的含量，从提高铝合金构件的强度的观点考虑，相对于铝合金的总质量为1.6质量％以上，另外，从降低挤出加工时的挤出压力、以及提高挤出速度等提高挤出材料的生产性的观点考虑，镁(Mg)的含量为2.6质量％以下、优选为1.9质量％以下。基于上述考虑，作为镁(Mg)的含量，相对于铝合金的总质量为1.6质量％以上且2.6质量％以下的范围，优选为1.6质量％以上且1.9质量％以下的范围。

锌(Zn)是使铝合金构件的强度提高的元素。作为锌(Zn)的含量，从提高铝合金构件的强度的观点考虑，相对于铝合金的总质量为6.0质量％以上、优选为6.4质量％以上，另外，从减少晶界析出物MgZn₂、提高对于耐应力腐蚀开裂的耐性的观点考虑，为7.0质量％以下。基于上述考虑，作为锌(Zn)的含量，相对于铝合金的总质量为6.0质量％以上且7.0质量％以下的范围，优选为6.4质量％以上且7.0质量％以下的范围。

铜(Cu)是使铝合金构件的强度和对于应力腐蚀开裂(SCC)的耐性提高的元素。作为铜(Cu)的含量，从提高铝合金构件的强度和对于应力腐蚀开裂(SCC)的耐性的观点、以及挤出成形性的观点考虑，相对于铝合金的总质量为0质量％以上且0.5质量％以下。需要说明的是，即使将铜(Cu)的部分或全部变更为银(Ag)也可以获得同样的效果。

对于锆(Zr)而言，从形成Al₃Zr而使铝合金的强度提高、阻止回复再结晶而抑制晶粒的粗大化，因而具有可提高对于应力腐蚀开裂的耐性的效果的观点，以及由于形成纤维组织而使裂纹产生特性提高、从而改善疲劳寿命的观点考虑，优选相对于铝合金的总质量为0.15质量％以上。另外，如果为0.6质量％以下，则淬火敏感性变得敏锐、强度提高。作为锆(Zr)的含量，相对于铝合金的总质量优选为0.15质量％以上且0.6质量％以下。另外，由于即使将部分或全部量的锆(Zr)置换为铬(Cr)或锰(Mn)也可以获得同等的效果，因而也可以使(Zr、Mn、Cr)的总含量为0.15质量％以上且0.6质量％以下。

作为不可避免的杂质，可列举从铝合金的生坯及废料等必然会混入的铁(Fe)及硅(Si)等。作为不可避免的杂质的含量，从保持铝合金构件的成形性、耐蚀性及焊接性等作为制品的诸特性的观点考虑，优选使铁(Fe)的含量为0.25质量％以下、使硅(Si)的含量为0.05质量％以下。

<挤出工序：ST1>

在挤出工序中，使调整至上述组成范围内的铝合金熔解之后，通过半连续铸造法(DC铸造法)等熔解铸造法进行铸造而制成铸锭(billet)。接着，将铸造后的铝合金的铸锭加热至给定的温度范围(例如，400℃以上且500℃以下)而进行均质化热处理(均热处理)。由此，铝合金的铸锭中的晶粒内的偏析等消失，铝合金构件的强度提高。加热时间例如为2小时以上。接着，将均质化后的铝合金的铸锭在给定的温度范围(例如，400℃以上且500℃以下)从耐压性的模框进行热挤压。

<成形工序：ST2>

在成形工序中，于400℃以上且500℃以下的温度范围对挤出的铝合金进行成形加工。另外，成形加工也可以与挤出工序中从模框的热挤压同时实施，还可以在将挤出工序后的铝合金保持于400℃以上且500℃以下的温度范围的状态下实施。

作为成形加工，只要是可以将铝合金成形为期望的铝合金构件的形状的加工即可，没有特殊限制。作为成形加工，可列举例如：对铝合金的挤压型材的整个长度方向或长度方向的一部分进行的弯曲加工、对挤压型材截面进行的局部的破碎加工、对挤压型材进行的冲裁加工以及对挤压型材进行的修剪加工等会伴有残留应力的产生的塑性加工。这些成形加工可以仅实施1种，也可以实施2种以上。

<冷却工序：ST3>

在冷却工序中，将成形为期望形状后的铝合金以2℃/秒以上且30℃/秒以下、优选以2℃/秒以上且10℃/秒以下的冷却速度进行冷却。冷却工序中的冷却后的温度例如为250℃以下。通过以这样的冷却速度进行冷却，能够除去成形工序中因成形加工而在铝合金内部产生的残留应力，因此可提高铝合金构件的形状精度。进一步，在本实施方式中，通过使用上述组成的铝合金，即使在对铝合金以2℃/秒以上且30℃/秒以下、优选以2℃/秒以上且10℃/秒以下的冷却速度进行冷却的情况下也能够制造出高强度的铝合金构件。

在此，参照图2对本实施方式的冷却工序的冷却条件与铝合金的强度之间的关系进行详细说明。图2是示出本实施方式的铝合金及通常的铝合金的冷却温度与冷却时间的关系的图。需要说明的是，在图2中，横轴表示冷却时间、纵轴表示铝合金的温度。另外，实线的曲线L1的外侧(左侧)的区域表示显示出本实施方式的铝合金的能够实现高强度化的冷却温度与冷却时间的关系的范围，虚线的曲线L2的外侧(左侧)的区域表示显示出通常的铝合金的能够实现高强度化的冷却温度冷却时间的关系的范围。此外，将铝合金以2℃/秒的冷却速度从500℃及550℃进行冷却时的冷却曲线L5、L6以单点划线表示，将铝合金以30℃/秒的冷却速度从500℃及550℃进行冷却时的冷却曲线L3、L4以双点划线表示。

如图2所示，对于本实施方式的铝合金而言，在以30℃/秒的冷却速度冷却铝合金的情况下，在从500℃及550℃的任意温度开始冷却铝合金的情况下，冷却曲线L3、L4均存在于实线的曲线L1的外侧(左侧)区域。由该结果可知，对于本实施方式的铝合金而言，在以30℃/秒的冷却速度进行骤冷的情况下，能够防止铝合金强度的降低。

另外，对于本实施方式的铝合金而言，在以2℃/秒的冷却速度冷却铝合金的情况下，在从550℃冷却铝合金时，冷却曲线L6在实线的曲线L1的内侧(右侧)区域通过，与此相对，在从500℃冷却铝合金时，冷却曲线L5不会进入实线的曲线L1的内侧(右侧)，而是在实线的曲线L1上通过。由该结果可知，对于本实施方式的铝合金而言，无需在使铝合金内部残存残留应力的冷却速度(即30℃/秒)的条件下对铝合金进行骤冷，即使在消除铝合金内部的残留应力的冷却速度(2℃/秒)的条件下对500℃的铝合金进行冷却的情况下也能够获得高强度的铝合金。由此可知，在本实施方式中，不仅可得到高强度的铝合金，还可以防止由在成形工序中产生的铝合金内部的残留应力引起的铝合金构件的形状精度的降低。

另一方面，在使用通常的铝合金同样地进行加热后从500℃及550℃冷却铝合金的情况下，在以2℃/秒及30℃/秒的任意冷却速度冷却铝合金时，冷却曲线L3-L6均在虚线的曲线L2的内侧(右侧)通过。因此，在使用通常的铝合金来制造高强度的铝合金构件的情况下，需要以30℃/秒以上的冷却速度将铝合金骤冷，无法消除铝合金的残留应力。另外，在使用通常的铝合金以30℃/秒以下的冷却速度冷却铝合金的情况下，能够消除铝合金内部的残留应力，但另一方面，无法获得高强度的铝合金。

这样，在本实施方式的铝合金构件的制造方法中，由于使用的是具有给定组成的铝合金，因此即使在热成形后以2℃/秒的冷却速度进行冷却来除去残留应力的情况下，也能够制造高强度的铝合金。因此，可实现不实施固溶化处理而能够容易地制造高强度的铝合金构件的铝合金构件的制造方法及铝合金构件。

作为冷却工序中的铝合金的冷却速度，如上所述，为2℃/秒以上且30℃/秒以下，优选为2℃/秒以上且10℃/秒以下。冷却速度为2℃/秒以上时，如图2所示，可以防止铝合金的强度的降低，如果冷却速度为10℃/秒以下，则可以充分除去铝合金内部的热应变及残留应力，因此可提高铝合金构件的形状精度。作为铝合金的冷却速度，从进一步提高上述效果的观点考虑，更优选为3℃/秒以上、进一步优选为4℃/秒以上，另外，更优选为9℃/秒以下、进一步优选为8℃/秒以下。

在冷却工序中，优选对铝合金进行气冷。由此，可以容易且廉价地冷却铝合金。作为气冷的条件，只要冷却速度为2℃/秒以上且30℃/秒以下、优选为2℃/秒以上且10℃/秒以下即可，没有特殊限制。作为气冷的条件，例如可以在常温(-10℃以上且50℃以下)的环境中放置，也可以在放置于常温环境中的铝合金进行送风而进行冷却。

<时效处理工序：ST4>

在时效处理工序中，以加热处理(例如，100℃以上且200℃以下)保持铝合金构件而进行时效处理。由此，由自然时效引起的铝合金的刚性的变化减少而变得稳定，因此可提高铝合金构件的形状精度。作为时效处理的温度，从铝合金构件的强度的观点考虑，优选为100℃以上、更优选为125℃以上，且优选为200℃以下、更优选为175℃以下。

作为时效处理的时间，优选为2小时以上。由此，会因时效处理而发生铝合金的析出，因此铝合金构件的强度提高。作为时效处理的时间，更优选为6小时以上，且优选为48小时以下、更优选为24小时以下。

<后工序：ST5>

在后工序中，从提高冷却后的铝合金构件的耐腐蚀性、耐磨损性、装饰性、光反射防止性、导通性、膜厚均匀性及作业性等观点考虑，要实施表面处理及涂装。作为表面处理，可列举例如氧化铝膜处理、铬酸盐处理、无铬酸盐处理、电镀处理、非电镀处理、化学抛光及电解抛光等。

正如以上说明的那样，根据本实施方式的铝合金构件的制造方法，由于铝合金含有给定量的镁、锌及铜或银，因此不实施固溶化处理即能够成形高强度的铝合金。进而，对于该铝合金而言，即使在成形后的冷却时以30℃/秒以下、优选以10℃/秒以下的冷却速度进行冷却，也能够防止表面的再结晶组织化及内部的加工组织的晶粒粗大化，可保持高强度，因此能够防止伴随冷却而产生热应变及残留应力。由此，能够以高形状精度制造0.2％屈服强度为430MPa以上、拉伸强度为500MPa以上的铝合金。

实施例

以下，结合为了明确本发明的效果而实施的实施例对本发明进行更为详细的说明。需要说明的是，本发明完全不受以下实施例的限定。

(实施例1)

将含有1.68质量％的镁(Mg)、6.70质量％的锌(Zn)、0.26质量％的铜(Cu)、0.02质量％的钛(Ti)、0.25质量％的锰(Mn)、0.19质量％的锆(Zr)的铝(Al)合金挤出，通过在500℃进行加热处理而进行了成形。然后，将成形后的铝合金以2.45℃/秒的冷却速度冷却至100℃，制造了铝合金构件。然后，使用从所制造的铝合金构件的任意位置采集的美国材料试验标准ASTM E557的平板拉伸试验片，按照ASTM E557所规定的金属材料试验方法测定了拉伸强度及屈服强度。其结果，0.2％屈服强度为492MPa、拉伸强度为531MPa。需要说明的是，这些测定值在各例中均是3个采集试验片的测定值的平均值。结果如下述表1所示。

(比较例1)

将含有1.68质量％的镁(Mg)、6.70质量％的锌(Zn)、0.26质量％的铜(Cu)、0.02质量％的钛(Ti)、0.25质量％的锰(Mn)、0.19质量％的锆(Zr)的铝(Al)合金挤出，通过在500℃进行加热处理而进行了成形。然后，将成形后的铝合金以0.36℃/秒的冷却速度冷却至200℃，制造了铝合金构件。然后，使用从所制造的铝合金构件的任意位置采集的美国材料试验标准ASTM E557的平板拉伸试验片，按照ASTM E557所规定的金属材料试验方法测定了拉伸强度及屈服强度。其结果，0.2％屈服强度为393MPa、拉伸强度为467MPa。需要说明的是，这些测定值在各例中均是3个采集试验片的测定值的平均值。结果如下述表1所示。

(比较例2)

除了使用了市售的7000系铝合金(镁(Mg)的含量:2.5质量％、锌(Zn)的含量:5.5质量％、铜(Cu)的含量:1.6质量％)、以及将铝合金以35℃/秒从466℃冷却至100℃以下以外，与实施例1同样地制造了铝合金构件并进行了评价。其结果，0.2％屈服强度为466MPa、拉伸强度为532MPa。可以认为，该结果是由于使用了与实施例1的组成不同的铝合金，因而导致铝合金的热稳定性降低。结果如下述表1所示。

(比较例3)

除了使用了市售的7000系铝合金(镁(Mg)的含量:2.5质量％、锌(Zn)的含量:5.5质量％、铜(Cu)的含量:1.6质量％)、以及将铝合金以2.43℃/秒从400℃冷却至100℃以外，与实施例1同样地制造了铝合金构件并进行了评价。其结果，0.2％屈服强度为230MPa、拉伸强度为352MPa。可以认为，该结果是由于使用了与实施例1的组成不同的铝合金，因而导致铝合金的热稳定性降低。结果如下述表1所示。

[表1]

由表1可知，根据本实施方式的铝合金构件的制造方法，可得到0.2％屈服强度及拉伸强度优异的铝合金(实施例1)。与此相对，在冷却速度过快及过慢的情况下，导致0.2％屈服强度及拉伸强度降低(比较例1及比较例2)。另外，在铝合金的组成不在本实施方式的铝合金的范围内的情况下，导致0.2％屈服强度及拉伸强度降低(比较例2及比较例3)。