CN105829150A - 汽车用行走部分部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使作为由铝合金铸造材料构成的锻造部件也具有充分的强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其有效的制造方法。本发明涉及一种汽车用行走部分部件，其特征在于，该汽车用行走部分部件是铝合金制的锻造部件，在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上，由晶体取向算出的施密特因子的倒数的平均为2.3以上。

Description

汽车用行走部分部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有高强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其制造方法，更具体地说，涉及一种即使作为由铝合金铸造材料构成的锻造部件也具有充分的强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其有效的制造方法。
背景技术
在汽车等的运输机械的领域中，排气限制或二氧化碳的排放限制的要求提高。对于这些要求，通过车体的轻量化来提高耗油量性能的方法受到关注，正在积极地研究代替现有的铁系材料适用铝系材料。
作为运输机械用的铝材料，在仅仅要求耐腐蚀性的情况下多使用1000系列或3000系列铝合金，但在要求耐腐蚀性、高强度以及高韧性的情况下，多适用这些的特性平衡性优异、生产性也高的6000系列铝合金等。
然而，2000系列、6000系列以及7000系列等的时效硬化型的铝合金中，在加工后需要固溶处理等的热处理，会发生由该热处理引起的晶粒的粗大化。特别是，近年来，部件变得非常薄等影响，由挤压材料构成的锻造材料在固溶处理～时效处理等的过程中，晶粒粗大化的倾向变得显著。在以挤压材料作为原材料的情况下，挤压材料本身所具有的织构在强度提高上优选，但是由于形变的导入会成为容易发生再结晶和晶粒生长的状态，从而极其难以抑制上述固溶处理～时效处理等的过程中部件的强度降低。
相对于此，申请人通过对圆棒铸造材料或具有近似于锻造最终产品的产品投影形状的薄片截面形状的异形铸造材料进行锻造，从而制造了在不发生再结晶和晶粒生长的范围内确保了强度的铝合金制的汽车用部件。例如，在专利文献1(日本专利第4224676号公报)中提出了一种铝合金的锻造方法，其特征在于，通过半连续铸造法来铸造铝合金，在与铸造进行方向大致垂直的方向上切断该铸造棒，将得到的薄片材料作为原材料，通过锻造制造具有比产品的平均板厚大的弯曲的产品时，以近似于锻造最终产品时在锻造施压方向上投影得到的形状的方式设计与铸造棒的铸造进行方向大致垂直的截面上的截面形状，并在锻造的第1工序中，锻造压力的作用方向与锻造后形成的弯曲的方向大致平行，且在与原材料端部的切面方向大致垂直的方向上进行锻造，不对原材料的侧端施加弯曲的变形而仅对原材料中央部赋予相当于最终产品的弯曲的30％以上的弯曲的变形。
上述专利文献1所公开的铝合金的锻造方法中，在锻造具有比原材料的厚度薄的薄壁部的产品时，通过调整锻造的第1工序中的压下量可以避免锻造缺陷，可以有助于成品率的提高和产品的可靠性提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第4224676号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，近年来对车体轻量化的要求进一步提高，寻求更薄且高强度的铝制的锻造部件，然而上述专利文献1的铝合金的锻造方法还得不到充分的部件强度。
鉴于如上所述的现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种即使作为由铝合金铸造材料构成的锻造部件也具有充分的强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其有效的制造方法。
解决技术问题的手段
本发明者们为了达成上述目的，对具有高强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其制造方法重复了专门研究，其结果发现：作为锻造的前工序对铝合金铸块的任意的区域施加塑性变形，控制产品需要耐力和拉伸强度的部位的晶体取向是极其有效的，从而达成本发明。
即，本发明提供一种汽车用行走部分部件，其特征在于，该汽车用行走部分部件是铝合金制的锻造部件，在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上，由晶体取向算出的施密特因子(Schmid'sfactor)的倒数的平均为2.3以上。
在此，施密特因子是对于金属材料宏观的垂直应力与分切应力间的系数，单晶金属时，施密特因子越大的晶体会在越小的外力下开始塑性变形。如果将样品的截面积记为A，将拉伸力的大小记为F，则拉伸应力σ成为σ＝F/A。另外，如果将拉伸力的方向与滑移面法线n所成的角记为θ，将拉伸方向与滑移方向d所成的角记为φ，则拉伸力在滑移方向上的分力为Fcosφ，滑移面的面积为As＝A/cosθ，因此外力在该滑移系上的分切应力τ成为τ＝Fcosφ/As＝(F/A)·cosθcosφ＝σcosθcosφ。在此，cosθcosφ为施密特因子。
铝等的面心立方晶格的金属通常有12个滑移系。如果确定晶体取向和应力方向，则各个滑移系分别具有特有的施密特因子，施密特因子越大的滑移系活动所需的应力越小，可以说是越容易活动的滑移系。任意的结晶的施密特因子是指12个滑移系中值最大，最容易活动的滑移系(主滑移系，primaryslipsystem)的施密特因子。
在假定各结晶上施加的应力与宏观应力相等，导入的形变在每个晶粒中不同，并且活动滑移系是1个主滑移系的Sachs理论中，耐力成为σ0+τCRSS·m。在此，σ0是铝合金固有的强度上加入粒度的效果所得到的耐力，τCRSS是临界切应力，m是施密特因子的倒数(m值)。
也就是说，在施密特因子的倒数(m值)大的部件中，对于测定该施密特因子的倒数(m值)的方向，可以显示高的强度。如上所述，本发明的汽车用行走部分部件其特征在于，在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上，由晶体取向算出的施密特因子的倒数(m值)的平均为2.3以上，从而可以有效地改善最大应力产生部位的载荷应力方向的强度。
另外，对于施密特因子，在拉伸力的方向与滑移面呈45°的角度的情况下，最大值为0.5；在拉伸力的方向与滑移面垂直或平行的情况下，最小值为0。
在上述本发明的汽车用行走部分部件中，上述锻造部件优选为热处理型的铝合金制品。
另外，本发明还提供一种汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，具有：第一工序，铸造铝合金；第二工序，对上述第一工序中得到的铝合金铸块施加塑性变形，控制晶体取向；和第三工序，对上述第二工序中得到的控制了晶体取向的铝合金实施锻造，得到上述应力产生部位的所述施密特因子的倒数的平均为2.3以上的锻造部件。
实施上述第二工序和上述第三工序的次数不限于1次，也可以分别多次实施上述第二工序和上述第三工序。
在上述本发明的汽车行走部分部件的制造方法中，优选具有大致同时进行上述第二工序和上述第三工序的工序。通过大致同时进行上述第二工序的晶体取向的控制和上述第三工序的成型加工，从而可以将汽车用行走部分部件的制造工序简略化。
在上述本发明的汽车用行走部分部件的制造方法中，上述第二工序优选为以使上述铝合金铸块的端部在大致一个方向(施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向)上伸长的方式进行塑性变形的工序。
另外，在上述本发明的汽车用行走部分部件的制造方法中，优选在上述第一工序的上述铸造中使用半连续铸造法，将通过上述半连续铸造法铸造得到的铸造棒在与铸造进行方向大致垂直方向上切断，设计通过上述切断得到的薄片材料的截面形状以使上述锻造部件近似于在锻造时的锻造施压方向上投影后的形状，将上述薄片材料制成上述铝合金铸块。
另外，在上述本发明的汽车用行走部分部件的制造方法中，优选进一步具有对上述第三工序中得到的锻造部件实施固溶处理和时效处理的第四工序。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种即使作为由铝合金铸造材料构成的锻造部件也具有充分的强度的铝合金制的汽车用行走部分部件及其有效的制造方法。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的汽车用行走部分部件的一个例子的示意立体图。
图2是表示本发明的实施方式所涉及的汽车用行走部分部件的使用时的载荷状态的一个例子的示意图。
图3是本发明的汽车用行走部分部件的制造方法的工序图。
图4是表示本发明的汽车用行走部分部件的制造方法中使用的异形连铸棒和将其切片得到的薄片材料的一个例子的示意立体图。
图5是本发明的汽车用行走部分部件的制造方法中使用的薄片材料的外观照片。
符号说明
1…汽车用行走部分部件、2…臂部、4…球窝接头安装部、6…衬套套筒、8…异形连铸棒、10…薄片材料
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的汽车用行走部分部件及其制造方法的代表性实施方式进行详细地说明，但是本发明并不仅限定于这些。另外，以下的说明中有可能对同一或相当部分赋予同一符号，省略重复的说明。另外，附图是为了概念地说明本发明的，因此，也存在表示的各构成要素的尺寸或它们的比与实际的不同的情况。
1.汽车用行走部分部件
从车体轻量化的观点出发，对汽车用部件的铝合金化进行了各种研究，例如，对汽车用的悬架部件即上臂、下臂以及横向推杆等，也可以使用铝合金的热锻造品。这些部件近来由于用于汽车的车厢尺寸扩大、行驶性能提高、为了成本降低的部件一体化而造成形状复杂化，因此，应力容易集中在特定的部位。作为其它的汽车用部件，例如可以列举转向节、纵臂等。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的汽车用行走部分部件的一个例子的示意立体图。汽车用行走部分部件1是锻造悬架部件，具有弯度大的三维复杂形状。汽车用行走部分部件1是铝合金制品，优选为热处理型的铝合金制。热处理型的铝合金是通过热处理得到规定的强度的铝合金，可以列举2000系列合金(Al-Cu-Mg系合金)、6000系列合金(Al-Mg-Si系合金)、7000系列合金(Al-Zn-Mg系合金)、AC1B合金(Al-Cu-Mg系合金)AC2A合金(Al-Cu-Si系合金)、AC2B合金(Al-Cu-Si系合金)、AC5A合金(Al-Cu-Ni-Mg系合金)、AC4A合金(Al-Si-Mg合金)、AC4C合金(Al-Si-Mg系合金)、AC4CH合金(Al-Si-Mg系合金)、AC4B合金(Al-Si-Cu系合金)、AC4D合金(Al-Si-Cu-Mg系合金)、AC8A合金(Al-Si-Ni-Cu-Mg系合金)、AC8B合金(Al-Si-Ni-Cu-Mg系合金)、AC8C合金(Al-Si-Ni-Cu-Mg系合金)、AC9A合金(Al-Si-Cu-Mg-Ni系合金)、AC9A合金(Al-Si-Cu-Mg-Ni系合金)等。
对于汽车用行走部分部件1可以使用上述热处理型的铝合金，但从确保汽车用行走部分部件1的强度和可靠性的观点出发，优选使用膨化材料，更优选使用6000系列合金。
汽车用行走部分部件1在臂部2具有在使用中最大应力产生的最大应力产生部位，该最大应力产生部位结合使用方式需要具有充分的强度。在此，进行设计使得最大应力产生部位以在施加外力的情况下的载荷应力方向上根据晶体取向算出的施密特因子的倒数的平均成为2.3以上。
汽车用行走部分部件1大概由如图1所示的大致三角形的整体形状构成，在各三角形的顶点部分具有用臂部2连接的球窝接头安装部4和衬套套筒(bushingboss)6。臂部2通常在其宽度方向的各周缘部(两侧端部)具有在臂部2的长边方向延伸的肋拱，在其宽度方向的中央部通常具有在臂部2的长边方向延伸的圈套。汽车用行走部分部件1使用时在衬套套筒6中压入衬套，在球窝接头安装部4上安装球窝接头。
以上述的汽车用行走部分部件1的整体结构或形状作为前提，在通常的汽车用行走部分部件1中，使用中产生最大应力(负载最大应力)的特定部位为臂部2的球窝接头安装部4侧。另外，虽然由于汽车用行走部分部件1的构造设计条件等而多少产生差异，但是对臂部2的载荷应力方向为臂部2的大致长边方向。
图2中表示汽车用行走部分部件1的使用时的载荷状态的一个例子的示意图。作为将衬套固定，在球窝接头安装部4以载荷方向-1和载荷方向-2所示的方向施加载荷的情况下，汽车用行走部分部件1的最大应力产生部位成为a和b的区域。
在此，在臂部2的最大应力产生部位的强度不充分的情况下，难以在较高地维持作为汽车用行走部分部件1整体的强度的同时达到轻量化。相对于此，本发明的汽车用行走部分部件1中，在施加外力的情况下的载荷应力方向(臂部2的大致长边方向)上，根据晶体取向算出的施密特因子的倒数的平均成为2.3以上，通过织构的最佳化从而使强度提高。
根据织构而强度不同这一点已广为人知，在本发明的汽车用行走部分部件1中，关于最大应力产生部位选择性地将织构最佳化。其结果，可以提高相对于应力方向的强度。
以下，对施加外力的情况下的载荷应力方向(臂部2的大致长边方向)上根据晶体取向得到施密特因子的倒数(m值)的方法进行说明。
首先，通过扫描型电子显微镜所附属的背散射电子衍射测定装置(SEM-EBSD)测定最大应力产生部位上的拉伸试验片的采用位置的织构。具体来说，以观察面与应力方向垂直的方式采集试验片，对于观察面进行机械研磨、抛光之后，通过电解抛光除去加工层。通过对于该观察面进行SEM-EBSD测定从而取得取向信息。
根据得到的取向信息，使用EBSD分析软件求得施密特因子的倒数(m值)，作为该分析软件，例如可以使用TSL公司制造的“OIMAnalysis”。具体来说，将活动的滑移系假定为{111}<110>，在对垂直于观察面的方向赋予拉伸变形的条件下，分别算出测定视野中的各测定点(约10万点)的施密特因子。根据算出的施密特因子，算出倒数，取得全部测定点的平均，由此可以算出测定视野的施密特因子的倒数(m值)。
2.汽车用行走部分部件的制造方法
本发明的汽车用行走部分部件的制造方法提供上述本发明的汽车用行走部分部件的有效的制造方法。图3是本发明的汽车用行走部分部件的制造方法的工序图。本发明的汽车用行走部分部件的制造方法具有：铸造铝合金的第一工序(S01)；对上述第一工序(S01)中得到的铝合金铸块施加塑性变形，控制晶体取向的第二工序(S02)；和对上述第二工序(S02)中得到的控制了晶体取向的铝合金施加锻造的第三工序(S03)。另外，优选进一步具有对上述第三工序(S03)中得到的锻造部件施以固溶处理的第四工序(S04)。另外，第二工序(S02)和第三工序(S03)也可以作为一个工序一并实施。
(1)铝合金的铸造(第一工序)
铸造铝合金的第一工序(S01)中优选使用半连续铸造法。图4中表示了展示异形连铸棒和将其切片得到的薄片材料的一个例子的示意立体图。在第一工序(S01)中，制造具有近似于锻造最终产品的产品投影形状的薄片截面形状的异形连铸棒8。另外，如上所述，对于铝合金优选使用热处理型的铝合金，特别地，更优选使用6000系列铝合金。
作为异形连铸棒8的截面形状，也可以制成比最终产品的投影形状大的形状，如果作为锻造时的原材料的薄片材料10的截面形状大于最终产品的投影形状，则为了使成品率良好，需要减薄将异形连铸棒8切片时的切割板厚。然而，如果将厚度过度减薄，则产品的厚壁部欠缺，容易产生所谓的未填充，因此，不能将薄片材料10的板厚极端地减薄。即，薄片材料10的板厚下限以最终产品的最大厚壁部不发生未填充为基准。
另外，加工成产品形状的锻造通常在粗锻造中锻造成大体上接近产品形状的形状，在其后的最后加工锻造中整顿形状。
(2)通过塑性变形的晶体取向控制(第二工序)
在对第一工序(S01)中得到的铝合金铸块施加塑性变形，控制铝合金铸块的晶体取向的第二工序(S02)中，优选为以使将异形连铸棒8切断得到的薄片材料10的端部在大致一个方向(施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向)上延伸的方式施加塑性变形的工序。
将薄片材料10的端部延伸的区域相当于最终成为汽车用行走部分部件1的臂部2的区域。通过以在该区域中，由施加外力的情况下的载荷应力方向(臂部2的大致长边方向)上的晶体取向算出的施密特因子的倒数(m值)的平均成为2.3以上的方式进行锻造(在特定的方向上形成金属流体)，由此可以得到轻量且高强度的汽车用行走部分部件1。另外，延伸方向优选为臂部2的大致长边方向。
第二工序(S02)中可以使用具有上述形状的薄片材料10，通过锻造薄片材料10的端部延伸，因此，优选使用预先将端部设计得较短的薄片材料。图5中，(a)表示不考虑由于锻造产生的端部的伸长的薄片材料，(b)表示考虑到由于锻造而造成的端部的伸长的薄片材料的外观照片。在(b)中，通过第二工序(S02)使端部向箭头方向延伸，从而可以得到适当形状和大小的薄片材料10。
第二工序(S02)中锻造的压下率优选为10～70％，进一步优选为30～50％。这是由于如果压下率过大，则由于再结晶而发生强度降低；如果过小，则不能使施密特因子的倒数(m值)的平均为2.3以上。
另外，实施第二工序(S02)的次数不限于1次，也可以实施多次。
(3)锻造(第三工序)
该工序是对第二工序(S02)中得到的控制了晶体取向的铝合金实施锻造，制成汽车用行走部分部件1的最终形状的工序。另外，锻造方法没有特别地限定，可以在不损害本发明的效果的范围内使用现有公知的各种锻造方法。
另外，实施第三工序(S03)的次数不限于1次，也可以实施多次。
(4)固溶处理和时效处理(第四工序)
在作为铝合金使用热处理型的铝合金的情况下，优选对通过上述第三工序(S03)的锻造而制成最终形状的锻造部件实施固溶处理和时效处理。固溶处理后，通过施以适当的时效处理，从而可以提高锻造部件整体的强度。
固溶处理和时效处理的条件没有特别地限定，可以在不损害本发明的效果的范围内使用现有公知的各种固溶处理和时效处理。另外，由于这些的最佳条件依赖于铝合金的种类或锻造部件的形状和大小等，因此，优选对固溶处理和时效处理后的锻造部件进行组织观察或机械特性的评价，并选定适宜的优选条件。
以上，对本发明的代表性实施方式进行了说明，但是本发明并不仅限定于这些，可以有各种设计变更，这些设计变更全部包含于本发明的技术范围中。
实施例
《实施例》
将具有表1所记载的组成的热处理型的铝合金进行半连续铸造成为图3所示的形状。对得到的铸块进行均质化处理之后，分别切割成30mm的厚度(第一工序)。
对得到的铝合金铸块施加塑性变形控制晶体取向的第二工序之后，进行热锻造(第三工序)[粗锻造→最后加工锻造]，得到图1所示的形状的锻造品。第二工序的塑性变形中使用热锻造，该热锻造的条件设为原材料温度500℃并且压下率40％。另外，对得到的锻造品施以T6调质处理(第四工序)。
从得到的锻造品的最大应力产生部位(图2所示的a和b)上采集试验片，用上述的SEM-EBSD法算出施密特因子的倒数(m值)。另外，使用日本电子制造的扫描型电子显微镜(SEM)和TSL制造的背散射电子衍射测定装置(EBSD)的复合系统进行测定。测定条件为，视野面积800μm×800μm、晶体取向测定点间的距离(步长)3μm。测定后，使用TSL公司制造的OIM系统实施晶体取向分析。将得到的施密特因子的倒数(m值)示于表2中。
另外，对由锻造品的最大应力产生部位(图2所示的a和b)取得的试验片进行拉伸试验，测定0.2％耐力、拉伸强度以及伸长率。拉伸试验片使用了JISZ2241中记载的14号A试验片。拉伸速度根据JISZ2241，将直至0.2％耐力设定为2mm/min，将0.2％耐力之后设定为5mm/min。另外，N数为3个，计算平均值。将得到的值分别示于表2中。
《比较例》
除了不实施控制铝合金铸块的晶体取向的第二工序以外，其它都与实施例同样地得到锻造品。另外，与实施例同样地测定m值、0.2％耐力、拉伸强度以及伸长率。将得到的值分别示于表2中。
[表1]
[表2]
在实施例的锻造品中，全部试验片的施密特因子的倒数(m值)为2.3以上，而比较例的锻造品中全部试验片的施密特因子的倒数(m值)小于2.3。对应于此，可以确认实施例的锻造品的0.2％耐力与比较例的锻造品相比明显提高。

Claims (7)

1.一种汽车用行走部分部件，其特征在于，
该汽车用行走部分部件是铝合金制的锻造部件，
在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上，由晶体取向算出的施密特因子的倒数的平均为2.3以上。
2.如权利要求1所述的汽车用行走部分部件，其特征在于，
所述锻造部件为热处理型的铝合金制品。
3.一种汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，
具有：
第一工序，铸造铝合金；
第二工序，对所述第一工序中得到的铝合金铸块施加塑性变形，控制晶体取向，使得在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上，由晶体取向算出的施密特因子的倒数的平均成为2.3以上；和
第三工序，对所述第二工序中得到的控制了晶体取向的铝合金实施锻造，得到所述应力产生部位的所述施密特因子的倒数的平均为2.3以上的锻造部件。
4.如权利要求3所述的汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，
具有大致同时进行所述第二工序和所述第三工序的工序。
5.如权利要求3或4所述的汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，
所述第二工序是进行塑性变形以使所述铝合金铸块的端部在施加外力的情况下的最大应力产生部位的载荷应力方向上伸长的工序。
6.如权利要求3～5中任一项所述的汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，
在所述第一工序的所述铸造中使用半连续铸造法，
将通过所述半连续铸造法铸造得到的铸造棒在与铸造进行方向大致垂直方向上切断，
设计通过所述切断得到的薄片材料的截面形状以使所述锻造部件近似于在锻造时的锻造施压方向上投影后的形状，
将所述薄片材料制成所述铝合金铸块。
7.如权利要求3～6中任一项所述的汽车用行走部分部件的制造方法，其特征在于，
进一步具有第四工序，对所述第三工序中得到的所述锻造部件实施固溶处理和时效处理。
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