铝合金材料及使用该材料的紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件及电池用部件的制作方法

铝合金材料及使用该材料的紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件及电池用部件
本技术是申请号为201880013503.9、申请日为2018年02月22日、发明名称为铝合金材料以及使用铝合金材料的紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件以及电池用部件的专利申请的分案申请。
技术领域
1.本发明涉及一种高强度的铝合金材料。这样的铝合金材料用于广泛的用途(例如，紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件以及电池用部件)。


背景技术：

2.以往，在汽车、铁道机车等运输机器、各种结构部件和紧固部件中，广泛使用了铁系或铜系的金属材料，最近正在研究替换为铝系材料，该铝系材料与铁系或铜系的金属材料相比，比重小，而且热膨胀系数大，除此之外，导热性和导电性也比较好。
3.此外，近年来，随着金属部件形状的多样化，利用电子束、激光等使金属粉末烧结，以希望的形状造型三维结构体的技术被广泛研究。但是，虽然在这样的技术中使用了金属粉末，但是如果使金属粉末过于微细化，则存在容易爆炸等问题。
4.因此，最近在开发通过编、织、连结、接合、连接金属制细线等方法造型三维结构物的技术。这样的方法，例如wire-woven cellular materials(金属丝编制多孔材料)被进行研究，并期待应用于电池用部件、散热器、冲击吸收部件等。
5.但是，纯铝材与铁系或铜系的金属材料相比，存在强度低的问题。此外，作为较高强度的铝系合金材料的2000系(al-cu系)和7000系(al-zn-mg系)的铝合金材料存在耐腐蚀性、耐应力腐蚀裂纹性差等问题。此外，作为导电性和导热性、以及耐腐蚀性比较优异的铝系合金材料的6000系(al-mg-si系)的铝合金材料虽然在铝系合金材料中强度较高，但还不具有充分的强度，期望进一步的高强度化。
6.另一方面，作为铝合金的高强度化的方法，利用固溶元素的技术被广泛使用。例如，专利文献1中公开了含有高浓度的mg，获得高强度的方法。此外，在专利文献2中公开了通过轧制温度的控制来获得具有微细组织的al-mg系合金的方法。但是，这些方法虽然在工业批量生产性方面优异，但更高强度化是一个课题。
7.此外，作为实现铝合金材料的高强度化的方法，已知有如下方法：使用含有非晶质相的铝合金原材料的结晶化的方法(专利文献3)、使用equal-channel angular pressing(ecap，等通道转角挤压)法的微细晶粒形成方法(专利文献4)、在室温以下的温度下实施冷加工而形成微细晶粒的方法(专利文献5)等。但是，这些方法均存在如下问题：制造出的铝合金材料的大小较小，工业上的实用化较为困难。
8.此外，在专利文献6中公开了通过大量添加mg和冷轧从而获得具有微细组织的al-mg系合金的方法。该方法的课题是，由于mg量多，从而加工性差，合金制作需要特殊的工艺。现有技术文献
专利文献
9.专利文献1：日本特开2012-082469号公报专利文献2：日本特开2003-027172号公报专利文献3：日本特开平5-331585号公报专利文献4：日本特开平9-137244号公报专利文献5：日本特开2001-131721号公报专利文献6：日本特开2009-24219号公报


技术实现要素：

发明要解决的课题
10.本发明目的在于提供一种可代替铁系或铜系金属材料的高强度的铝合金材料和使用该铝合金材料的紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件以及电池用部件。用于解决课题的技术方案
11.本发明人反复进行深入研究，结果发现，通过使铝合金材料具有规定的合金组成，并且具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，在与上述一个方向平行的截面中，上述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下，从而能够获得一种与铁系或铜系的金属材料相当的高强度的铝合金材料，并根据上述认识完成了本发明。
12.即，本发明的主要构成如下所述。[1]一种铝合金材料，其特征在于，具有如下合金组成，含有：mg：0.50质量％以上且6.0质量％以下、fe：0质量％以上且1.50质量％以下、si：0质量％以上且1.0质量％以下、选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上：共计0质量％以上且2.0质量％以下，余量由al及不可避免的杂质构成，具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，在与所述一个方向平行的截面上，所述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下。[2]根据上述[1]所述的铝合金材料，其中，含有：mg：0.50质量％以上且小于2.0质量％、si：0质量％以上且0.20质量％以下。[3]根据上述[1]所述的铝合金材料，其中，含有：mg：2.0质量％以上且6.0质量％以下。[4]根据上述[3]所述的铝合金材料，其中，含有：mg：3.0质量％以上。[5]根据上述[1]至[4]中任意1项所述的铝合金材料，其中，维氏硬度(hv)为125～280。[6]根据上述[1]至[5]中任意1项所述的铝合金材料，其中，含有：选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上：共计0.06质量％以上。[7]根据上述[1]至[6]中任意1项所述的铝合金材料，其中，含有：选自cu：0.05质量％以上且0.20质量％以下、mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下、cr：0.05质量％以上且0.20质量％以下以及zr：0.02质量％以上且0.20质量％以下的组中的1种以上。[8]根据上述[1]至[7]中任意1项所述的铝合金材料，其在110℃加热24小时后的状态下测定的抗拉强度为300mpa以上。
[9]一种紧固部件，其使用上述[1]至[8]中任意1项所述的铝合金材料。[10]一种结构用部件，其使用上述[1]至[8]中任意1项所述的铝合金材料。[11]一种弹簧用部件，其使用上述[1]至[8]中的任意1项所述的铝合金材料。[12]一种导电部件，其使用上述[1]至[8]中任意1项所述的铝合金材料。[13]一种电池用部件，其使用上述[1]至[8]中任意1项所述的铝合金材料。发明效果
[0013]
根据本发明，通过使铝合金材料具有规定的合金组成，并且具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状金相组织，而且在与上述一个方向平行的截面中，上述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下，从而能够获得与铁系或铜系金属材料相当的高强度的铝合金材料以及使用该铝合金材料的紧固部件、结构用部件、弹簧用部件、导电部件以及电池用部件。
附图说明
[0014]
图1是示意性地表示本发明所涉及的铝合金材料的金相组织的形态的立体图。图2是表示纯铝、纯铜以及本发明第一实施方式所涉及的铝合金材料的加工度与抗拉强度之间的关系的曲线图。图3是表示纯铝、纯铜以及本发明第二实施方式所涉及的铝合金材料的加工度与抗拉强度之间的关系的曲线图。图4是sim图像，表示实施例2所涉及的铝合金材料在与加工方向x平行的截面中的金相组织的形态。
具体实施方式
[0015]
以下，详细说明本发明的铝合金材料的优选实施方式。
[0016]
本发明的铝合金材料的特征在于，具有如下合金组成，含有：mg：0.50质量％以上且6.0质量％以下、fe：0质量％以上且1.50质量％以下、si：0质量％以上且1.0质量％以下、选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上：共计0质量％以上且2.0质量％以下，余量为al及不可避免的杂质构成，并且具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，在与上述一个方向平行的截面中，上述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下。
[0017]
这里，在上述合金组成举出含有范围的成分中，含有范围的下限值被记载为“0质量％”的成分均表示被适当抑制的成分或是根据需要而任意地添加的成分。即，在这些成分为“0质量％”的情况，表示不包含该成分。
[0018]
在本说明书中，“晶粒”是指被方位差边界包围的部分，这里“方位差边界”是指，在利用扫描透射电子显微鏡法(stem)、扫描离子显微镜(sim)等观察金相组织时，对比度(沟道效应对比度)不连续地变化的边界。此外，晶粒的与长度方向垂直的尺寸对应于方位差边界的间隔。
[0019]
此外，本发明所涉及的铝合金材料具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织。这里，在图1中表示示意性地示出本发明所涉及的铝合金材料的金相组织的形态的立体图。如图1所示，本发明的铝合金材料具有细长形状的晶粒10成为一致朝向一个方向x
延伸的状态的纤维状组织。这样的细长形状的晶粒完全不同于以往的微细的晶粒以及只是长宽比大的扁平的晶粒。即，本发明的晶粒是纤维那样的细长的形状，其与长度方向(加工方向x)垂直的尺寸t的平均值为310nm以下。像这种微细的晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织可以说是以往的铝合金中所没有的新的金相组织。
[0020]
由于本发明的铝合金材料具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，并且在与上述的一个方向平行的截面中，上述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值被控制为310nm以下，因此，可实现与铁系或铜系的金属材料相当的高强度(例如，0.2％屈服强度为400mpa以上，维氏硬度(hv)为125以上)。
[0021]
此外，使晶粒直径微细，除了提高强度以外，还与改善晶界腐蚀的作用、改善疲劳特性的作用、降低塑性加工后的表面粗糙的作用、减少剪切加工时的塌边、毛刺的作用等直接相关，具有整体提高材料功能的效果。
[0022]
(1)合金组成[第一实施方式]表示本发明的铝合金材料的第一实施方式的合金组成及其作用。
[0023]
(必须添加成分)在本发明的铝合金材料的第一实施方式中，含有0.50质量％以上且小于2.0质量％的mg。
[0024]
＜mg：0.50质量％以上且小于2.0质量％＞mg(镁)具有固溶到铝母材中并强化的作用、以及使微细的结晶稳定化、使结晶微细化的作用。在mg含量为2.0质量％以上的情况下，加工性差，在加工度超过5的比较高的加工度下，在加工过程中容易产生裂纹。此外，在mg含量小于0.50质量％的情况下，微细化效果较差，无法获得所期望的金相组织。因此，在以加工度超过5的比较高的加工度下获得结晶微细化的效果的情况下，mg含量优选为0.50质量％以上且小于2.0质量％，更优选为0.50质量％以上且小于1.0质量％。通过满足这样的mg含量，能够在加工度超过5的比较高的加工度下，获得晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下的特有的金相组织。
[0025]
(强度提高成分)在本发明的铝合金材料的第一实施方式中，将fe的含量设为0质量％以上且1.50质量％以下。
[0026]
＜fe：0质量％以上且1.50质量％以下＞fe(铁)在铸造、均质化热处理中，作为al-fe系、al-fe-si系、al-fe-si-mg系等与铝的金属间化合物、与铝和其他添加元素的金属间化合物结晶或析出。在本说明书中，将上述那样主要由fe和al构成的金属间化合物称为fe系化合物。fe系化合物有助于晶粒的微细化，并且提高抗拉强度。此外，fe借助固溶到铝中的fe也具有提高抗拉强度的作用。虽然随着fe的含量增加，fe系化合物增加，并且有助于强度提高，但是若是fe的含量超过1.50质量％，则fe系化合物变得过多，加工性会降低。另外，在铸造时的冷却速度较慢的情况下，fe系化合物的分散变疏，不良影响度增高。因此，fe的含量设为0质量％以上且1.50质量％以下，优选为0.02质量％以上且0.80质量％以下，更优选为0.03质量％以上且0.50质量％以下，进一步优选为0.04质量％以上且0.35质量％以下，更进一步优选为0.05质量％以上且0.25质量％以下。
[0027]
(抑制成分)在本发明的铝合金材料的第一实施方式中，将si的含量设为0质量％以上且0.20质量％以下。
[0028]
＜si：0质量％以上且0.20质量％以下＞si(硅)是在铸造、均质化热处理中，作为al-fe-si系、al-fe-si-mg系等金属间化合物结晶或析出的成分。在本说明书中，将这样的主要包含fe和si的金属间化合物称为fesi系金属间化合物。虽然该金属间化合物有助于晶粒的微细化，并且提高抗拉强度，但是在铸造时不可避免地结晶或析出的fesi系金属间化合物具有降低加工性的倾向。因此，从抑制fesi系金属间化合物的形成，获得良好的加工性这一观点考虑，需要抑制si的含量，并将si含量控制为0.20质量％以下。另外，虽然希望尽可能地降低si的含量，但是，在制造工序上，考虑不可避免地含有的情况，从实用性的观点考虑，可以将含量设为0.01质量％以上。因此，si的含量设为0质量％以上～0.20质量％以下，优选为0质量％以上～0.15质量％以下，更优选为0质量％以上～0.10质量％以下。
[0029]
(任意添加成分)在本发明的铝合金材料的第一实施方式中，除了作为必须添加成分的mg，进一步作为任意添加元素，使其含有选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn的1种以上，共计0质量％以上且2.0质量％以下。
[0030]
＜选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上：共计0质量％以上且2.0质量％以下＞cu(铜)、ag(银)、zn(锌)、ni(镍)、ti(钛)、co(钴)、au(金)、mn(锰)、cr(铬)、v(钒)、zr(锆)、sn(锡)都是特别提高耐热性的元素。从充分地发挥该作用效果这一观点考虑，优选将这些成分的含量设为共计0.06质量％以上。但是，若是这些成分的含量被设为共计超过2.0质量％时，加工性会降低。因此，选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上的含量共计被设为2.0质量％以下，优选为0.06质量％以上，更优选为0.3质量％以上且1.2质量％以下。另外，这些成分的含量也可以设为0质量％。此外，这些成分可以仅单独添加1种，也可以添加2种以上的组合。特别是，考虑在腐蚀环境下使用的情况下的耐腐蚀性，则优选含有选自zn、ni、co、mn、cr、v、zr以及sn中的任意1种以上。
[0031]
此外，在上述成分中，更加优选含有：选自cu：0.05质量％以上且0.20质量％以下、mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下、cr：0.05质量％以上且0.20质量％以下以及zr：0.02质量％以上且0.20质量％以下的组中的1种以上。这些成分在固溶状态下的扩散系数较大，原子大小与铝大为不同，从而降低晶界能量。并且，这些成分与铝形成微细的金属间化合物，从而也使晶界的易动度降低。通过这些协同效果，抑制微细结晶的粗大化，且抑制加热的热处理引起的强度的降低。各种成分的含量的下限值，在发挥上述作用效果方面更优选，上限值在抑制粗大的结晶物的形成，进而抑制加工性的降低方面更优选。
[0032]
＜余量：al及不可避免的杂质＞除了上述成分以外的余量是al(铝)及不可避免的杂质。这里所谓的不可避免的杂质是指，在制造工序上，不可避免地含有的含有水平的杂质。由于不可避免的杂质因其含量不同也可能成为使导电率降低的主要原因，因此，考虑到导电率的降低，优选以某种程度抑制不可避免的杂质的含量。作为能够举出的不可避免的杂质的成分，能够举出例如，b(硼)、
bi(铋)、pb(铅)、ga(镓)、sr(锶)等。另外，这些成分含量的上限可以是每种上述成分0.05质量％，也可以是上述成分的总量为0.15质量％。
[0033]
[第二的实施方式]接下来，表示本发明的铝合金材料的第二实施方式的合金组成及其作用。
[0034]
(必须添加成分)在本发明的铝合金材料的第二实施方式中，含有2.0质量％以上且6.0质量％以下的mg。
[0035]
＜mg：2.0质量％以上且6.0质量％以下＞mg(镁)具有固溶到铝母材中并强化的作用，以及使微细的结晶稳定化，使结晶微细化的作用。在加工度5以下的比较低的加工度下，获得结晶微细化的效果的情况下，mg含量优选为2.0质量％以上，更优选为3.0质量％以上。在mg的含量小于2.0质量％的情况下，在加工度5以下的比较低的加工度下，微细化效果较差，难以获得所期望的金相组织。此外，在mg含量超过6.0质量％的情况下，由于加工性差，因而在加工中会产生裂纹。通过满足这样的mg含量，在加工度5以下的比较低的加工度下，能够获得晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下的特有的金相组织。
[0036]
(强度提高成分)在本发明的铝合金材料的第二实施方式中，将fe的含量设为0质量％以上且1.50质量％以下。
[0037]
＜fe：0质量％以上且1.50质量％以下＞fe(铁)在铸造、均质化热处理中，作为al-fe系、al-fe-si系、al-fe-si-mg系等与铝的金属间化合物、与铝和其他添加元素的金属间化合物结晶或析出。fe系化合物有助于晶粒的微细化，并且提高抗拉强度。此外，fe借助固溶到铝中的fe也具有提高抗拉强度的作用。虽然随着fe的含量增加，fe系化合物增加，并且有助于强度提高，但是若是fe的含量超过1.50质量％，则fe系化合物变得过多，加工性会降低。另外，在铸造时的冷却速度较慢的情况下，fe系化合物的分散变疏，不良影响度增高。因此，fe的含量设为0质量％以上且1.50质量％以下，优选为0.02质量％以上且0.80质量％以下，更优选为0.03质量％以上且0.50质量％以下，进一步优选为0.04质量％以上且0.35质量％以下，更进一步优选为0.05质量％以上且0.25质量％以下。
[0038]
(抑制成分)在本发明的铝合金材料的第二实施方式中，将si的含量设为0质量％以上且1.0质量％以下。
[0039]
＜si：0质量％以上且1.0质量％以下＞si(硅)是在铸造、均质化热处理中，作为mg-si系、al-fe-si系、al-fe-si-mg系等金属间化合物结晶或析出的成分。在本说明书中，将这样的主要包含mg和si的金属间化合物称为mgsi系金属间化合物。在mg为2.0质量％以上的情况下，si容易作为mgsi系金属间化合物结晶或析出，有助于晶粒的微细化，并且提高抗拉强度。若是si多于1.0质量％，则存在容易作为fesi系金属间化合物结晶或析出，并且加工性降低的倾向。因此，从抑制fesi系金属间化合物的形成，获得良好的加工性这一观点考虑，需要抑制si含量，并将si含量控制为1.0质量％以下。另外，虽然希望尽可能地降低si的含量，但是，在制造工序上，考虑不可避
免地含有的情况，从实用性的观点考虑，可以将含量的下限值设为0.01质量％以上。因此，si的含量设为0质量％以上且1.0质量％以下，优选为0质量％以上且0.60质量％以下，更优选为0质量％以上且0.40质量％以下，进一步优选为0质量％以上且0.20质量％以下。
[0040]
(任意添加成分)与第一实施方式相同地，除了作为必须添加成分的mg，进一步作为任意添加元素，能够使其含有：选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上，共计0质量％以上且2.0质量％以下。
[0041]
＜选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上：共计0质量％以上且2.0质量％以下＞cu(铜)、ag(银)、zn(锌)、ni(镍)、ti(钛)、co(钴)、au(金)、mn(锰)、cr(铬)、v(钒)、zr(锆)、sn(锡)都是特别提高耐热性的元素。从充分地发挥该作用效果这一观点考虑，优选将这些成分的含量设为共计0.06质量％以上。但是，若是这些成分的含量被设为共计超过2.0质量％时，加工性会降低。因此，选自cu、ag、zn、ni、ti、co、au、mn、cr、v、zr以及sn中的1种以上的含量共计被设为，2.0质量％以下，优选为0.06质量％以上，更优选为0.3质量％以上且1.2质量％以下。另外，这些成分的含量也可以设为0质量％。此外，这些成分可以仅单独添加1种，也可以添加2种以上的组合。特别是，考虑在腐蚀环境下使用的情况下的耐腐蚀性，则优选含有选自zn、ni、co、mn、cr、v、zr以及sn中的任意1种以上。
[0042]
此外，在上述成分中，更加优选含有：选自cu：0.05质量％以上且0.20质量％以下、mn：0.3质量％以上且1.0质量％以下、cr：0.05质量％以上且0.20质量％以下以及zr：0.02质量％以上且0.20质量％以下的组中的1种以上。这些成分在固溶状态下的扩散系数较大，原子大小与铝大为不同，从而降低晶界能量。并且，这些成分与铝形成微细的金属间化合物，从而也使晶界的易动度降低。通过这些协同效果，抑制微细结晶的粗大化，且抑制加热的热处理引起的强度的降低。各种成分的含量的下限值，在发挥上述作用效果方面更优选，上限值在抑制粗大的结晶物的形成以及抑制加工性的降低方面更优选。
[0043]
＜余量：al及不可避免的杂质＞除了上述成分以外的余量是al(铝)及不可避免的杂质。这里所谓的不可避免的杂质是指，在制造工序上，不可避免地含有的含有水平的杂质。由于不可避免的杂质因其含量不同，也可能成为使导电率降低的主要原因，因此，考虑到导电率的降低，优选以某种程度抑制不可避免的杂质的含量。作为能够举出的不可避免的杂质的成分，能够举出例如，b(硼)、bi(铋)、pb(铅)、ga(镓)、sr(锶)等。另外，这些成分含量的上限可以是每种上述成分0.05质量％，也可以是上述成分的总量为0.15质量％。
[0044]
这样的铝合金材料能够通过组合合金组成以及组合制造工艺并进行控制来实现。以下，对本发明的铝合金材料的优选的制造方法进行说明。
[0045]
(2)本发明的一个实施例的铝合金材料的制造方法本发明的一个实施例的铝合金材料的特征在于，特别是将晶界以高密度导入al-mg系合金的内部，由此实现高强度化。因此，与利用以往的铝合金材料一般进行的、使mg-si化合物析出硬化的方法相比，针对高强度化的工艺有很大不同。
[0046]
在本发明的铝合金材料的优选的制造方法中，对于具有规定的合金组成的铝合金材料，在第一实施方式中，作为最终加工，以加工度5～11进行冷加工[1]，在第二实施方式
中，作为最终加工，以加工度2～5进行冷加工[1]。此外，根据需要，在各实施方式的冷加工[1]之后，也可以进行调质退火[2]。另外，在本说明书中，调质退火是包含稳定化处理的处理。以下，详细地进行说明。
[0047]
通常，对金属材料施加变形的应力时，作为金属结晶的变形的基本步骤，产生结晶滑动。越是容易产生这种结晶滑动的金属材料，变形所需要的应力越小，可以说是低强度。因此，在金属材料的高强度化时，抑制金相组织内产生的结晶滑动是重要的。作为这种结晶滑动的阻碍因素，能够举出金相组织内的晶界的存在。这样的晶界，在对金属材料施加变形的应力时，能够防止结晶滑动在金相组织内传播，其结果为，提高金属材料的强度。
[0048]
因此，在金属材料的高强度化时，可以考虑优选将晶界以高密度导入金相组织内。这里，作为晶界的形成机构，例如，可以考虑伴随如下金相组织的变形的金属结晶的分裂。通常，在多晶材料的内部，由于相邻的晶粒彼此的取向的不同、与加工工具接触的表层附近和主体内部之间的变形的空间分布，应力状态成为复杂的多轴状态。由于这些影响，变形前是单一取向的晶粒随着变形而向多个取向分裂，在分裂后的结晶彼此之间形成晶界。
[0049]
但是，形成的晶界通常是与12配位的最密原子排列背离的结构，具有界面能量。因此，可以考虑，在通常的金相组织中，晶界变为一定密度以上时，增加的内部能量成为驱动力，发生动态或静态的恢复、再结晶。因此，可以想到即使增加变形量，由于晶界的增加和减少同时发生，因此晶界密度也会成为饱和状态。
[0050]
这种现象也与以往的金相组织即纯铝以及纯铜的加工度与抗拉强度的关系一致。图2表示纯铝、纯铜以及本发明的第一实施方式所涉及的铝合金材料的、加工度与抗拉强度之间的关系的曲线图。此外，图3表示纯铝、纯铜以及本发明的第二实施方式所涉及的铝合金材料的、加工度与抗拉强度之间的关系的曲线图。
[0051]
如图2、3所示，通常的金相组织即纯铝和纯铜在较低的加工度下即可显示抗拉强度的提高(硬化)，但加工度越增加，硬化量越有饱和的倾向。这里，认为加工度与施加到上述金相组织的变形量对应，硬化量的饱和与晶界密度的饱和对应。
[0052]
与此相对，可知本发明的铝合金材料中，即使加工度增加，硬化也持续，强度随着加工而持续上升。这被认为，本发明的铝合金材料通过具有上述合金组成，特别是通过具有规定量的mg，来促进晶界密度的增加，此外，即使在金相组织内晶界成为一定密度以上，也能够抑制内部能量的增加。其结果是，认为能够防止金相组织内的恢复、再结晶，能够有效地在金相组织内增加晶界。
[0053]
虽然这种添加mg引起的结晶微细化的机理未必明显，但是认为是通过以下因素引起：(i)与位错这样的晶格缺陷具有很强的相互作用的mg使微带的形成变得容易，从而促进结晶分割，(ii)通过缓和原子半径相对于al原子大的mg原子在晶界的原子排列的错配，从而能够有效地抑制伴随加工的内部能量的增加。
[0054]
在这样的本发明中，将冷加工[1]中的加工度在第一实施方式中设为超过5，在第二实施方式中设为2以上且5以下。特别是在各实施方式中，通过以更大的加工度进行加工，从而能够促进伴随金相组织的变形的金属结晶的分裂，能够将晶界以高密度导入到铝合金材料的内部。其结果为，铝合金材料的晶界被强化，强度大幅度提高。在第一实施方式中，这样的加工度优选为6以上，更优选为9以上，其上限没有特别规定，但通常为15。此外，在第二实施方式中，加工度优选为3以上，更优选为4以上，其上限没有特别规定，但为了防止加工
裂纹，通常为5以下。
[0055]
另外，在设加工前的截面积为s1、加工后的截面积为s2(s1＞s2)时，加工度η用下述公式(1)来表示。加工度(量纲为1)：η＝ln(s1/s2)
…
(1)
[0056]
此外，作为加工率，优选设为98.2％以上，更优选设为99.8％以上。另外，加工率r通过上述s1和s2用下述公式(2)来表示。加工率(％)：r＝{(s1-s2)/s1}
×
100
…
(2)
[0057]
此外，加工方法根据目的铝合金材料的形状(线棒材、板材、条、箔等)适当选择即可，例如能够举出盒式棍子模具、槽辊轧制、圆线轧制、模具等的拉拔加工、型锻等。此外，上述加工中的各种条件(润滑油的种类、加工速度、加工发热等)只要在公知的范围内适当调整即可。
[0058]
此外，如果铝合金原材料具有上述合金组成，则没有特别限定，例如能够根据使用目的适当选择使用挤压材料、铸块材料、热轧材料、冷轧材料等。
[0059]
在本发明中，以残余应力的释放、拉伸的提高为目的，也可以在冷加工[1]后进行调质退火[2]。在进行调质退火[2]的情况下，将处理温度设为50～160℃。在调质退火[2]的处理温度低于50℃的情况下，难以获得上述效果，在超过160℃时，由于恢复、再结晶引起晶粒的生长，强度降低。此外，调质退火[2]的保持时间优选为1～48小时。另外，这种热处理的各种条件能够根据不可避免的杂质的种类、含量以及铝合金材料的固溶和析出状态来适当调节。
[0060]
此外，在本发明中，如上所述，对于铝合金原材料，通过模具的拉拔、轧制等方法，进行高加工度的加工。因此，作为结果，能够获得长条的铝合金材料。另一方面，在粉末烧结、压缩扭转加工、高压扭转(hpt)、锻造加工、等通道转角挤压(ecap)等以往的铝合金材料的制造方法中，难以获得上述长条的铝合金材料。上述本发明的铝合金材料，优选以10m以上的长度来制造。另外，制造时的铝合金材料的长度上限没有特别设置，但考虑到操作性等，优选设为10000m。
[0061]
此外，本发明的铝合金材料，如上所述，为了使晶粒微细化而增大加工度是有效的。因此，特别是作为线材、棒材制作时，直径越细越容易实现本发明的构成，此外，在作为板材、箔制作的情况下，厚度越薄，越容易实现本发明的构成。
[0062]
特别是在本发明的铝合金材料为线材的情况下，其线径在第一实施方式中优选为3.5mm以下，更优选为2.5mm以下，进一步优选为1.5mm以下，特别优选为1.0mm以下。另外，下限没有特别设置，但考虑到操作性等，优选为0.05mm。在第二实施方式中，优选为10mm以下，更优选为7.5mm以下，进一步优选为5.0mm以下，特别优选为3.5mm以下。
[0063]
此外，在本发明的铝合金材料为棒材的情况下，其线径或一边的长度只要能够获得与线材相同程度的加工度即可，例如为25mm以下，更优选为20mm以下，进一步优选为15mm以下，特别优选为10mm以下。
[0064]
此外，在本发明的铝合金材料为板材的情况下，其板厚优选为2.0mm以下，更优选为1.5mm以下，进一步优选为1.0mm以下，特别优选为0.5mm以下。另外，下限没有特别设置，但考虑到操作性等，优选为0.020mm。
[0065]
此外，如上所述，本发明的铝合金材料有时被加工得细或薄，但也可以准备多个这
样的铝合金材料进行接合，使其变粗或变厚，能够按照目的用途来使用。另外，接合的方法能够使用公知的方法，能够举出例如压接、焊接、利用粘接剂的接合、摩擦搅拌接合等。此外，在铝合金材料为线棒材的情况下，也能够将多根捆在一起进行捻合，作为铝合金绞线，按照目的用途来使用。另外，上述调质退火[2]的工序也可以在对进行上述冷加工[1]的铝合金材料进行接合或捻合的加工后进行。
[0066]
(3)本发明的铝合金材料的组织特征通过上述制造方法制造的本发明的铝合金材料在金相组织内高密度地导入晶界。这样的本发明的铝合金材料的特征在于，具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，在与上述一个方向平行的剖面中，上述晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下。这样的铝合金材料通过具有以往所没有的特有的金相组织，能够发挥特别优异的强度。
[0067]
本发明的铝合金材料的金相组织为纤维状组织，细长形状的晶粒成为一致朝向一个方向并呈纤维状延伸的状态。这里，“一个方向”是指，与铝合金材料的加工方向对应，在铝合金材料是线材、棒材的情况下，则与例如拉丝方向对应，在铝合金材料是板材、箔的情况下，则与例如轧制方向对应。此外，本发明的铝合金材料，特别是对于与这样的加工方向平行的抗拉应力，发挥特别优异的强度。
[0068]
此外，上述一个方向优选与铝合金材料的长度方向对应。即，通常，只要铝合金材料没有被单片化为比与其加工方向垂直的尺寸短的尺寸，则其加工方向与其长度方向对应。
[0069]
此外，在与上述一个方向平行的剖面中，晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值为310nm以下，更优选为270nm以下，进一步优选为220nm以下，特别优选为170nm以下，更进一步优选为120nm以下。在这样的直径(晶粒的与长度方向垂直的尺寸)较细的晶粒向一个方向延伸的纤维状的金相组织中，晶界以高密度形成，根据这样的金相组织，能够有效地阻碍伴随变形的结晶滑动，能够实现以往没有的高强度。另外，在实现高强度方面，晶粒的与长度方向垂直的尺寸的平均值越小越好，但作为制造上或物理上的界限的下限例如为20nm。
[0070]
此外，上述晶粒的长度方向的尺寸不一定确定，但优选为1200nm以上，更优选为1700nm以上，进一步优选为2200nm以上。此外，在上述晶粒的长宽比中，优选为10以上，更优选为20以上。
[0071]
(4)本发明的铝合金材料的特性[0.2％屈服强度]0.2％屈服强度是依据jis z2241：2011测定的数值。详细的测量条件在后述的实施例的栏中进行说明。
[0072]
在本发明的铝合金材料特别是线材、棒材的情况下，优选0.2％屈服强度为400mpa以上。这是与一般的强拉丝加工后的铜线同等的强度。此外，铝合金材料的0.2％屈服强度更优选为460mpa以上，进一步优选为520mpa以上，特别优选为580mpa以上，更进一步优选为650mpa以上。具有这样高强度的本发明的铝合金材料，能够作为cu-sn系、cu-cr系等稀铜合金的强拉丝加工材料的替代品使用。此外，这样的铝合金材料也能够作为钢材或不锈钢材料的替代品使用。另外，本发明的铝合金材料的0.2％屈服强度的上限没有特别限定，例如
为800mpa，优选为750mpa。
[0073]
[维氏硬度(hv)]维氏硬度(hv)是依据jis z 2244：2009测定的数值。详细的测量条件在后述的实施例的栏中进行说明。另外，在对已经成为部件的加工品的维氏硬度(hv)进行测量的情况下，也能够在将加工品进行分解后对剖面进行镜面抛光，并针对该剖面进行测量。
[0074]
本发明的铝合金材料特别是在线材、棒材的情况下，优选维氏硬度(hv)为125以上。这是与一般的强拉丝加工的铜线同等的强度。此外，铝合金材料的维氏硬度(hv)更优选为140以上，进一步优选为150以上，特别优选为160以上，更进一步优选为170以上。具有这样高强度的本发明的铝合金材料，能够作为cu-sn系、cu-cr系等稀铜合金的强拉丝加工材料的替代品使用。此外，这样的铝合金材料也能够作为钢材或不锈钢材料的替代品使用。另外，本发明的铝合金材料的维氏硬度(hv)的上限没有特别限定，例如为330，优选为280。
[0075]
[抗拉强度]抗拉强度是依据jis z2241：2011测定的值。详细的测量条件在后述的实施例的栏中进行说明。
[0076]
本发明的铝合金材料特别是在线材、棒材的情况下，优选抗拉强度为450mpa以上。这是与一般的强加工度下拉丝加工后的铜线同等的强度。此外，铝合金材料的抗拉强度更优选为520mpa以上，进一步优选为560mpa以上，特别优选为600mpa以上，更进一步优选为640mpa以上。具有这样的高强度的本发明的铝合金材料能够作为cu-sn系、cu-cr系等的稀铜合金的强拉丝加工材料的替代品使用。此外，这样的铝合金材料也能够作为钢材或不锈钢材料的替代品使用。另外，本发明的铝合金材料的抗拉强度的上限没有特别限定，例如为1000mpa。
[0077]
此外，本发明的铝合金材料优选耐热性也优异。这样的本发明的铝合金材料即使在加热后也能够维持上述那样高的抗拉强度。特别是，本发明的铝合金材料在以110℃加热24小时后的状态下测量出的抗拉强度优选为300mpa以上，更优选为400mpa以上，进一步优选为500mpa以上。
[0078]
(5)本发明的铝合金材料的用途本发明的铝合金材料对于使用铁系材料、铜系材料以及铝系材料的所有用途都能够成为对象。具体而言，优选能够作为下述部件使用：电线、线缆等导电部件、集电体用的网格、网等电池用部件、螺钉、螺栓、铆钉等紧固部件、螺旋弹簧等弹簧用部件、连接器、端子等的电触点用弹簧部件、轴、框等结构用部件、导线、半导体用的接合线、发电机、用于马达的绕组等。此外，本发明的铝合金材料优选耐热性也优异，因此，对于特别要求耐热性的用途更为优选。
[0079]
作为导电部件的更具体的用途例，能够举出：架空输电线、opgw、地下电线、海底线缆等电力用电线、电话用线缆、同轴线缆等通信用电线、有线驾驶飞机用线缆、橡皮绝缘线缆、ev/hev用充电线缆、海上风力发电用扭转线缆、电梯线缆、脐带线缆、机器人线缆、电车用架线、架空线等机器用电线、汽车用线束、船舶用电线、飞机用电线等输送用电线、母线、引线框、柔性扁平线缆、避雷针、天线、连接器、端子、线缆的编织等。
[0080]
电池用部件能够举出太阳能电池的电极等。
[0081]
作为结构用部件的更具体的用途例，能够举出：建筑工地的脚手架、输送机网格
带、衣料用的金属纤维、锁边扣、护栏、驱虫网、拉锁、拉链、夹子、铝棉、制动拉索、辐条等的自行车用部件、强化玻璃的加强线、管密封件、金属密封件、线缆的保护强化材料、风扇带的芯棒、致动器驱动用线、链条、挂钩、隔音用网格、棚板等。
[0082]
作为紧固部件的更具体的用途例，能够举出：蜗杆、订书钉、图钉等。
[0083]
作为弹簧用部件的更具体的用途例，能够举出：弹簧电极、端子、连接器、半导体探测器用弹簧、板簧、发条用弹簧等。
[0084]
另外，作为其他用途，优选用作为了使树脂系材料、塑料材料、布等具有导电性、或者为了控制强度、弹性率而添加的金属纤维。
[0085]
此外，作为其他用途，还适用于眼镜框、手表用带、钢笔的笔尖、叉子、头盔、注射针等民生部件、医疗部件。
[0086]
以上，对本发明的实施方式进行说明，但是本发明不限于上述实施方式，包括本发明的构思以及权利要求书所包含的所有的方式，并且能够在本发明的范围内进行各种各样的改变。实施例
[0087]
接下来，为了进一步明确本发明的效果，对实施例以及比较例进行说明，但本发明并不限定于这些实施例。
[0088]
(实施例1～30)首先，准备具有表1所示的合金组成的各棒材。接下来，使用各棒材，在表1所示的制造条件下，制作出各铝合金线材(最终线径为)。另外，对于各棒材，准备在最终线径中成为规定的加工度的直径的棒材。
[0089]
(比较例1)在比较例1中，使用99.99质量％-al构成的棒材，在表1所示的制造条件下，制作出铝线材(最终线径为)。
[0090]
(比较例2～5)比较例2～5使用具有表1所示的合金组成的各棒材，在表1所示的制造条件下，制作出各自的铝合金线材(最终线径为)。
[0091]
另外，表1所示的制造条件a～i具体如下。
[0092]
＜制造条件a＞对准备好的棒材进行加工度2.0的冷加工[1]。另外，不进行调质退火[2]。
[0093]
＜制造条件b＞除了将冷加工[1]的加工度设为4.0以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0094]
＜制造条件c＞除了将冷加工[1]的加工度设为5.0以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0095]
＜制造条件d＞除了将冷加工[1]的加工度设为5.5以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0096]
＜制造条件e＞除了将冷加工[1]的加工度设为8.5以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0097]
＜制造条件f＞
除了将冷加工[1]的加工度设为9.5以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0098]
＜制造条件g＞对准备好的棒材进行加工度2.0的冷加工[1]，然后，在处理温度80℃、保持时间2小时的条件下进行调质退火[2]。
[0099]
＜制造条件h＞除了将冷加工[1]的加工度设为4.0以外，在与制造条件g相同的条件下制造。
[0100]
＜制造条件i＞除了将冷加工[1]的加工度设为5.0以外，在与制造条件g相同的条件下制造。
[0101]
＜制造条件j＞除了将冷加工[1]的加工度设为5.5以外，在与制造条件g相同的条件下制造。
[0102]
＜制造条件k＞除了将冷加工[1]的加工度设为8.5以外，在与制造条件g相同的条件下制造。
[0103]
＜制造条件l＞除了将冷加工[1]的加工度设为9.5以外，在与制造条件g相同的条件下制造。
[0104]
＜制造条件m＞除了将冷加工[1]的加工度设为1.0以外，在与制造条件a相同的条件下制造。
[0105]
(比较例7～9)：表1的制造条件n对具有表1所示的合金组成的各棒材进行加工度为2.0的冷加工[1]，但由于断线多发，中止了作业。
[0106]
(实施例31)：表1的制造条件o在对具有表1所示的合金组成的棒材，进行加工度2.0的冷加工[1]后，进行轧制加工，制作出铝合金板材(最终板厚0.85mm，宽度1.0mm)。另外，不进行调质退火[2]。
[0107]
(实施例32)：表1的制造条件p在对具有表1所示的合金组成的棒材，进行加工度6.5的冷加工[1]后，进行轧制加工，制作出铝合金板材(最终板厚0.85mm，宽度1.0mm)。另外，不进行调质退火[2]。
[0108]
(比较例10)：表1的制造条件q制造具有在纯al块(jis a1070)中添加有2.5质量％的mg的合金组成的铸块，将其以560℃进行24小时的均质化处理，通过冷加工，制作了板材。将该板材以320℃进行4小时的再结晶化处理后，实施加工度3.0的冷加工[1]，制作出铝合金板材(最终板厚0.85mm)。另外，不进行调质退火。
[0109]
(比较例11)：表1的制造条件r将表1所示组成的铝合金熔解，通过半连续铸造制作出铸块。以480℃对该铸块进行均质化热处理。然后，实施热轧(开始温度:400℃，结束温度:330℃)，制成热轧板。然后，实施加工度1.9的冷加工[1]，以175℃实施4小时的调质退火，制作出铝合金板材(最终板厚0.85mm)。
[0110]
[评价]使用上述实施例以及比较例所涉及的铝合金线材和铝合金板材(以下，称为“铝合金材料”。)，进行下述所示的特性评价。各特性的评价条件如下所述。结果如表1所示。
[0111]
[1]合金组成
按照jis h1305：2005采用发光分光分析法进行分析。另外，使用发光分光分析装置(日立高新技术公司制)进行测定。
[0112]
[2]组织观察使用扫描离子显微镜(smi3050tb，精工仪器株式会社制)，通过sim(scanning ion microscope，扫描离子显微镜)观察来进行金相组织的观察。在加速电压30kv下进行观察。观察用试样使用如下得到的试样：对与上述铝合金材料的长度方向(加工方向x)平行的剖面，通过fib(focused ion beam，聚焦离子束)进行加工，并利用离子铣削进行精加工。
[0113]
在sim观察中，使用灰色对比度，将对比度的不同作为结晶的取向，将对比度不连续地变化的边界识别为晶界。另外，根据电子束的衍射条件，有时即使结晶取向不同，灰色对比度也没有差别，因此，在这种情况下，利用电子显微镜的试样台内的正交的2根试样旋转轴，各倾斜
±3°
，改变电子束与试样的角度，在多个衍射条件下拍摄观察面，识别出晶界。另外，观察视野被设为(15～40)μm
×
(15～40)μm，在上述剖面中，在与铝合金材料的长度方向垂直的方向对应的线上的、中心和表层的中间附近的位置(从表层侧开始到线径或板厚的约1/4中心侧的位置)进行观察。观察视野根据晶粒的大小进行适当调整，在各试样中各自观察3处。
[0114]
然后，根据进行sim观察时拍摄的图像，在与铝合金材料的长度方向(加工方向x)平行的截面上，判断有无纤维状的金相组织。图4是在进行sim观察时拍摄的、与实施例2的铝合金材料的长度方向(加工方向x)平行的剖面的sim图像的一部分。在本实施例中，在观察到图4所示的金相组织的情况下，评价为“有”纤维状的金相组织。
[0115]
另外，在各自的观察视野中，选择晶粒中任意的100个，测量各个晶粒的与长度方向垂直的尺寸和晶粒的与长度方向平行的尺寸，计算该晶粒的长宽比。并且，关于晶粒的与长度方向垂直的尺寸和长宽比，根据观察到的晶粒的总数计算出平均值。另外，在观察到的晶粒明显大于400nm的情况下，减少测量各尺寸的晶粒的选择数，计算出各自的平均值。此外，对于晶粒的与长度方向平行的尺寸明显是晶粒的与长度方向垂直的尺寸的10倍以上的情况，一律判断为长宽比为10以上。
[0116]
[3]0.2％屈服强度首先，准备测量用样品。关于实施例1～30以及比较例1～5的线材，在拉丝状态下，作为测量用样品。此外，关于实施例31、32的铝合金板材，在轧制状态下，作为测量用样品。此外，关于比较例9的铝合金板材，在轧制后进行冲裁加工，将加工成宽度1.0mm的材料作为测量用样品。另外，对于比较例10的铝合金板材，在轧制后进行切割加工，将加工成宽度1.0mm的板材作为测量用样品。
[0117]
关于各种测量用样品，根据jis z2241：2011，使用精密万能试验机(岛津制作所制)，进行拉伸试验，对0.2％屈服强度(mpa)进行测量。此外，上述试验在应变速度2
×
10-3
/s的条件下实施。另外，关于各个铝合金材料，分别利用3根样品进行拉伸试验(n＝3)，其平均值作为各铝合金材料的0.2％屈服强度。0.2％屈服强度越大越好，在本实施例中，400mpa以上为合格水平。
[0118]
[4]抗拉强度根据jis z2241：2011，使用精密万能试验机(岛津制作所制)，进行拉伸试验，对抗拉强度(mpa)进行测量。此外，上述试验在应变速度2
×
10-3
/s的条件下实施。另外，各铝合金
材料的测量用样品与0.2％屈服强度的测量的情况同样地准备，但是特别地，准备在上述a～r的条件下制造出的状态的铝合金材料和进一步在制造后以110℃加热24小时后的铝合金材料，关于各个铝合金材料，分别利用3根样品测量抗拉强度(n＝3)，将各自的平均值作为各铝合金材料的加热前的抗拉强度和加热后的抗拉强度。在本实施例中，关于加热前的铝合金材料，将450mpa以上评价为良好。此外，关于加热后的铝合金材料，将300mpa以上评价为良好。
[0119]
[5]维氏硬度(hv)根据jis z2244：2009，使用微小硬度试验机hm-125(akashi公司(目前的三丰公司)制)，对维氏硬度(hv)进行测量。此时，试验力为0.1kgf，保持时间为15秒。此外，测量位置是在与铝合金材料的长度方向平行的截面中，与长度方向垂直的方向对应的线上的、中心与表层的中间附近的位置(从表层侧开始到线径或板厚的约1/4中心侧的位置)，将测量值(n＝5)的平均值作为各铝合金材料的维氏硬度(hv)。另外，在测量值的最大值以及最小值的差为10以上的情况下，进一步增加测量数，将测量值(n＝10)的平均值作为各铝合金材料的维氏硬度(hv)。维氏硬度(hv)越大越好，在本实施例中，125以上为合格水平。
[0120]
[表1]
(注)表中的下划线的粗字体表示本发明的适当范围外、以及评价结果没有达到本实施例中的合格水平。
[0121]
根据表1的结果可以确认，本发明的实施例1～30所涉及的铝合金材料具有特定的合金组成，且具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，在与该一个方向平行的截面中，晶粒的与长度方向垂直的尺寸为310nm以下。图4是实施例3所涉及的铝合金材料的与加工方向平行的剖面的sim图像。另外，实施例1～2以及4～30所涉及的铝合金材料的与长度方向平行的剖面也确认到与图4相同的金相组织。可以确认具有上述特有的金相组织的本发明实施例1～30所涉及的铝合金材料发挥与铁系或铜系的金属材料相当的高强度(例如，0.2％屈服强度400mpa以上，维氏硬度(hv)125以上)。
[0122]
此外，确认了比较例1～3、5、10以及11的铝合金材料的合金组成不满足本发明的适当范围，或是不具有晶粒一致朝向一个方向延伸的纤维状的金相组织，或者是这两者，晶粒的与长度方向垂直的尺寸也是400nm以上。确认了比较例1～3、5、10以及11的铝合金材料与本发明所涉及的实施例1～30的铝合金材料相比，0.2％屈服强度和维氏硬度(hv)都明显较差。
[0123]
此外，确认了在比较例7～9中，铝合金材料的合金组成不满足本发明的适当范围，因此，在冷加工[1]中发生了加工裂纹。此外，确认了虽然在比较例4中，铝合金材料的合金组成满足本发明的适当范围，但是相对于包含高含量的mg的铝合金材料，加工度过高，因此，在冷加工[1]中发生了加工裂纹。