JP2000128017A

JP2000128017A - Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材

Info

Publication number: JP2000128017A
Application number: JP30561698A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kawai; 仁川井; Shinji Yoshihara; 伸二吉原; Masakazu Hirano; 正和平野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-09
Anticipated expiration: 2018-10-27
Also published as: JP3077974B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高強度で圧壊割れの起こらない軸圧壊特性に
優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材を
得る。【解決手段】結晶粒内の（１００）面の［１００］及
び［０１０］方向のＭｇ _２Ｓｉ析出物の大きさの平均値
が２０ｎｍ以上であり、かつ、（１００）面の［００
１］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の分布密度が１００個／μ
ｍ^２以上であり、さらに、粒界上の析出物の大きさが１
０００ｎｍ以下であるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム
合金押出形材。好ましい組成は、Ｍｇ：０．２〜１．６
％、Ｓｉ：０．２〜１．８％、必要に応じてＣｕ：１．
０％以下を含み、さらに、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、
あるいはＴｉ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜
０．２％、Ｚｒ：０．０１〜０．２％のいずれか１種又
は２種以上、を必要に応じて含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアルミニウム合金押
出形材に関し、より詳しくは、形材の押出軸方向に圧縮
の衝撃荷重あるいは圧縮の静的付加を受けたとき、その
衝撃荷重及び静的負荷を吸収する作用をもち、特に自動
車用構造部材、例えばサイドメンバーやバンパーステイ
等に好適に適用されるアルミニウム合金押出形材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境保護の観点から、低燃費車、
電気自動車の開発に注目が集まっているが、その達成の
ためには車体の軽量化は必須である。一方、安全基準へ
の対応や車体性能の向上のため車体重量は増加する傾向
にある。このような状況の中、アルミニウム合金押出材
は、鉄に比べその比重が約１／３であること、優れたエ
ネルギー吸収性を有すること、さらには断面形状の自由
度が高いことから、自動車のバンパー補強材、フレーム
等に採用され、自動車部材における需要が伸びている。
自動車構造部材の中でも、特に自動車フレーム用には、
衝突時の衝撃エネルギー吸収のために、高い強度と蛇腹
変形時に割れの発生しない耐圧壊割れ性、すなわち優れ
た軸圧壊特性が要求されている。このような軸圧壊特性
が要求されるサイドメンバーやバンパーステイなどの自
動車フレーム用の素材として、例えば特開平９−２５６
０９６号公報では、高強度アルミニウム合金の中では比
較的耐食性に優れ、リサイクルの面でも他の系のアルミ
ニウム合金より優れているＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニ
ウム合金の押出形材の適用が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ−
Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、合金成分の添加や熱
処理により強度を上げた場合、強度が高くなるに従い耐
圧壊割れ性が劣る傾向にあった。このため、高強度で圧
壊割れの起こらない軸圧壊特性に優れるアルミニウム合
金の開発が強く望まれていた。本発明は、かかる問題点
に鑑みてなされたものであり、軸圧壊特性（高強度と優
れた耐圧壊割れ性）に優れる自動車構造部材に好適なＡ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材を提供する
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、Ａｌ−Ｍ
ｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金について、軸圧壊特性に優
れる押出形材を開発すべく種々の実験研究を行い、その
結果、合金の結晶粒内を観察したときの（１００）面に
おける特定方位のＭｇ_２Ｓｉ析出物の大きさ及び分布状
態と、結晶粒界上のＭｇ_２Ｓｉ等の析出物の大きさがあ
る特定範囲にあるとき、優れた軸圧壊特性が得られるこ
とを見いだした。本発明はこの知見に基づいてなされた
ものである。すなわち、本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系アルミニウム合金押出形材は、結晶粒内の（１００）
面の［１００］及び［０１０］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物
の大きさの平均値が２０ｎｍ以上であり、かつ、（１０
０）面の［００１］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の分布密度
が１００個／μｍ^２以上であり、さらに、粒界上のＭｇ
_２Ｓｉ等の析出物の大きさが１０００ｎｍ以下であるこ
とを特徴とする。このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム
合金押出形材は軸圧壊特性に優れるので、クラッシャブ
ル部材（軸方向に圧縮の衝撃荷重あるいは圧縮の静的付
加を受けたとき、軸方向に潰れてその衝撃荷重及び静的
負荷を吸収する作用をもつ部材）として用いるのに好適
である。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明に係るアルミニウム合金押
出形材の、粒内析出物の大きさ及び分布密度と粒界析出
物の大きさの範囲限定理由は次の通りである。（粒内析出物の大きさ）粒内のＭｇ_２Ｓｉ析出物は、人
工時効処理時に＜１００＞方向にロッド状に析出し、転
位の運動を妨害することにより強度を上昇させる。結晶
粒内の（１００）面の［１００］及び［０１０］方向の
析出物の大きさの平均値が２０ｎｍに満たない場合、圧
縮変形時、転位が析出粒子をせん断する。この場合、そ
のすべり面（（１１１）面）上では後続転位は極めて容
易に運動できるので、直線的な粗いすべり帯組織が形成
される。このため、粒界に応力集中を起こし粒界破断す
るため耐圧壊割れ性に劣る。この析出物の大きさは平均
値で３０ｎｍ以上であるのがより望ましい。ただし、析
出物が大きくなりすぎると強度を低下させるため、平均
値が１０００ｎｍを超えないことが望ましい。（分布密度）Ｍｇ_２Ｓｉ析出物の分布密度は、析出物の
大きさと同様に強度に影響を及ぼす。結晶粒内の（１０
０）面の［００１］方向の析出物の分布密度が１００個
／μｍ^２以下の場合、強度が低く、圧縮変形時のエネル
ギー吸収量が低くなる。従って、分布密度は１００個／
μｍ^２以上とする。この分布密度は、より高い強度を得
るという意味で４００個／μｍ^２以上であることが望ま
しい。ただし、分布密度が大きくなりすぎると圧壊割れ
が起きやすくなるため、２０００個／μｍ^２以下とする
のが望ましい。なお、上記のＭｇ_２Ｓｉ析出物の大きさ
及び分布密度は後述する測定方法で測定するものとす
る。（粒界析出物）粒界上のＭｇ_２Ｓｉ析出物、Ｓｉ単体等
は押し出し後又は溶体化処理後の冷却中に生成し、破断
形態に影響を及ぼす。粒界析出物の大きさが１０００ｎ
ｍを越えると、析出物が割れ起点となって粒界破断し、
耐圧壊割れ性に劣る。望ましくは５００ｎｍ以下であ
る。

【０００６】また、本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
ルミニウム合金押出形材において、結晶組織を繊維状組
織（ファイバー組織）とするのが望ましい。ここで、フ
ァイバー組織とは押出材にみられる熱間加工組織で、押
出方向に長く伸ばされた結晶粒組織のことである。な
お、材料が変形するときの材料内の歪は転位の動きによ
って導かれるが、この転位は結晶粒界等の金属結晶の並
びが不規則な部分において消失するため、結晶粒界等の
金属結晶の並びが不規則な部分は転位による格子のずれ
が蓄積し歪が集中することになる。従って、材料内での
転位の分布すなわち歪みの分布は結晶粒径が細かい方
が、材料全体の中で均一になりやすい。そして、圧壊時
に割れの発生を抑制するためには、変形歪みを材料内で
均等にさせる必要がある。再結晶を抑制し、ファイバー
組織、すなわち粒界を細かな状態に保持することによっ
て変形歪みを材料内に均等に分布させることができ、高
強度とともに耐圧壊割れ性を向上させることができる。

【０００７】本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金は、
Ｍｇ、Ｓｉを主成分とする析出硬化型合金である。好ま
しい組成として、Ｍｇ：０．２〜１．６％、Ｓｉ：０．
２〜１．８％、必要に応じてＣｕ：１．０％以下を含
み、さらに、Ｍｎ：０．０５〜０．５％、あるいはＴ
ｉ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜０．２％、
Ｚｒ：０．０５〜０．２％のいずれか１種又は２種以
上、を必要に応じて含み、残部Ａｌ及び不純物からなる
組成を挙げることができる。なお、不純物としてＦｅは
０．７％以下、その他の不純物は０．０５％以下、合計
で０．１５％以下であれば、この合金の特性に影響を及
ぼすことはない。各成分の限定理由は次の通りである。

【０００８】（Ｍｇ、Ｓｉ）ＭｇとＳｉはＭｇ_２Ｓｉ析
出物を形成し、合金に強度を付与する元素である。Ｍ
ｇ：０．２％未満、Ｓｉ：０．２％未満では、軸方向に
衝撃荷重や静的負荷が加わる構造部材又はエネルギー吸
収部材として必要な強度が得られない。一方、Ｍｇ：
１．６％超、Ｓｉ：１．８％超では、押出形材の変形能
が低下して二次加工が難しくなり、また、押出軸方向の
変形により圧壊割れが生じやすくなる。従って、Ｍｇ：
０．２〜１．６％、Ｓｉ：０．２〜１．８％とする。特
に好ましい範囲は、それぞれ０．４〜０．８％、０．７
〜１．１％である。（Ｃｕ）Ｃｕはその添加量に応じて合金のマトリックス
強度を向上させる作用があり、適宜添加される。この作
用を得るには０．１％以上添加するのが好ましい。しか
し、添加量が１％を超えると、耐食性、耐応力腐食割れ
性及び溶接性が低下し、また、押出軸方向の変形による
圧壊割れが生じやすくなる。従って、Ｃｕを添加する場
合は、１．０％を上限とするのが望ましい。添加する場
合の特に望ましい範囲は０．４５〜０．５５％である。

【０００９】（Ｍｎ）Ｍｎは合金組織の再結晶化を抑制
し組織の微細化に効果があるため、適宜添加される。ま
た、この性質から押出形材のファイバー組織を安定化す
る働きがある。これらの効果は０．０５％以上の添加で
顕在化してくるが、０．５％を超えると熱処理時のＭｇ
の拡散を抑制し、熱処理性を劣化させるとともに、粗大
な化合物を生成し圧壊割れ性の悪化の原因となる。その
ため、添加量は０．０５〜０．５％とするのが望まし
い。（Ｔｉ、Ｃｒ、Ｚｒ）Ｔｉは溶解鋳造時に核生成し鋳造
組織を微細にする作用があり、適宜添加される。その効
果は０．０１％以上の添加で顕著となり、０．１％を超
えると粗大な化合物を生成し圧壊割れ性の悪化の原因と
なる。そのため、添加量は０．０１〜０．１％とするの
が望ましい。Ｃｒは粒界のピン止め効果があり、押出形
材のファイバー組織を安定化する働きがあることから、
適宜添加される。その効果は０．０１％以上の添加で顕
在化してくるが、０．２％を超えて添加した場合、押出
加工時の初期圧力を著しく高めてしまうため実用的でな
く、その添加量は０．０１〜０．２％が好適である。Ｚ
ｒはＣｒと同様粒界のピン止め効果があり、押出形材の
ファイバー組織を安定化する働きがあることから、適宜
添加される。その効果は０．０１％以上の添加で顕在化
してくるが、０．２％を超えて添加してもファイバー組
織を安定化する効果がそれ以上上がらないため、その添
加量は０．０１〜０．２％が好適である。

【００１０】上記のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金を用いて、本発明の押出形材を製造するには、常法に
則り溶解鋳造により鋳塊にした後、均質化処理し、所望
の断面形状に熱間押出直後に急冷（プレス焼入れ）する
か、熱間押出後溶体化焼入れを行う。熱間押出−プレス
焼入れは、押出加工の加工温度を利用して溶体化を兼ね
るもので、押出温度は溶体化温度とすることが重要であ
る。このときファイバー組織を得るには、押出温度を適
正温度に設定し、押出後のファイバー組織が再結晶して
粗大な再結晶粒へと変化しないようにし、あるいは熱間
押出後溶体化焼入れする場合も、熱間押出後又は溶体化
の過程でファイバー組織が再結晶して粗大な再結晶粒へ
と変化しないようにすればよい。そして、粒界析出物の
粗大化を防止し、その大きさを前記の範囲内にとどめる
ためには、溶体化後（前者の場合は押出後）、直ちに急
冷する必要がある。続いて時効処理を行い、粒内にＭｇ
_２Ｓｉを析出させる。

【００１１】なお、本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
ルミニウム合金押出形材を、特にサイドメンバーやバン
パーステイ等の自動車用構造部材として用いる場合に
は、高いエネルギー吸収量を得るため、時効処理後にお
いて２００Ｎ／ｍｍ^２以上の引張強度、１５０Ｎ／ｍｍ
^２以上の耐力を有することが望ましい。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例について、比較例と比
較して説明する。Ｍｇ及びＳｉを主要添加元素とする数
種のアルミニウム合金を通常の方法により溶製し、直径
１５５ｍｍの鋳塊を得た。次に、これらの鋳塊に対して
５５０℃×８ｈｒの均質化処理を施した後、押出温度が
５００℃、押出速度が５ｍ／分の条件で各ビレットを押
出加工し、直ちに水冷（平均冷却速度約１２０００℃／
ｍｉｎ）又は空冷（同じく約１９０℃／ｍｉｎ）し、長
片が６０ｍｍ、短片が４０ｍｍ、肉厚が２ｍｍの角パイ
プを得た。その断面を図１に示す。次いで、これらの角
パイプに対して、人工時効処理を施し供試材とした。各
供試材の合金組成を表１に、その処理条件を表２に示
す。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】これらの供試材からＪＩＳ５号試験片を採
取し、この試験片を用いて引張強さσ_Ｂ、耐力
σ_０．２、破断伸びδをＪＩＳＺ２２４１に規定する金
属材料引張試験に準じて測定した。また、各供試材（長
さ２００ｍｍ）について圧壊試験を行った。図２は圧壊
試験方法を示す模式図である。万能試験機２により供試
材１の軸方向に荷重を加えた。そして、その試験結果に
基づいて変位−荷重線図を作成し、この変位−荷重線図
から変位量１００ｍｍまでのエネルギー吸収量を求め
た。また、圧壊試験により発生した割れの状態で、割れ
特性を評価した。ただし、割れが発生しなかったものを
○、割れが発生したものを×と評価した。さらに、供試
材から試料を採取し、透過型電子顕微鏡を用い、（１０
０）面を観察面とし、倍率２０００００倍で、［１０
０］方向及び［０１０］方向に析出した各Ｍｇ_２Ｓｉ析
出物のうち、当該方向の長さが５ｎｍ以上の析出物の
み、その長さを測定した。同じ観察面で、［００１］方
向に析出した直径１ｎｍ以上のＭｇ_２Ｓｉ析出物の個数
を測定し、分布密度を求めた。それぞれの測定は、同一
の供試材において４視野実施し（合計観察面積０．１６
μｍ^２）、その平均値を求めた。また、同一供試材を用
い、粒界上のＭｇ_２Ｓｉ、単体Ｓｉなどの析出物の大き
さ（最大値）を求めた。以上の結果を表３に示す。ま
た、サイドメンバー等の自動車用構造部材の材料として
の適性を総合評価し、その結果も表３に併せて示す。た
だし、サイドメンバー等の自動車構造部材として適して
いる場合を○、適していない場合を×で示した。

【００１６】

【表３】

【００１７】表３から明らかなように、本発明例に該当
する供試材Ｎｏ．１〜４はいずれも軸圧壊特性（エネル
ギー吸収量及び割れ性）が良好であった。一方、Ｎｏ．
４〜６はいずれも軸圧壊特性が満足できるものではなか
った。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、粒内析出物の大きさ、
分布密度及び粒界析出物の大きさを所定の範囲に規制し
たことにより、軸圧壊特性が極めて優れ、サイドメンバ
ー等の自動車構造用部材の材料として好適なアルミニウ
ム合金押出形材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例にて製造した中空形材の断面図であ
る。

【図２】圧壊試験方法を示す模式図である。

【符号の説明】

１供試材２万能試験機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶粒内の（１００）面の［１００］及
び［０１０］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の大きさの平均値
が２０ｎｍ以上であり、かつ、（１００）面の［００
１］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の分布密度が１００個／μ
ｍ^２以上であり、さらに、粒界上の析出物の大きさが１
０００ｎｍ以下であることを特徴とするＡｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系アルミニウム合金押出形材。
【請求項２】結晶粒内の（１００）面の［１００］及
び［０１０］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の大きさの平均値
が２０ｎｍ以上であり、かつ、（１００）面の［００
１］方向のＭｇ_２Ｓｉ析出物の分布密度が１００個／μ
ｍ^２以上であり、さらに、粒界上の析出物の大きさが１
０００ｎｍ以下であることを特徴とするクラッシャブル
部材用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材。
【請求項３】Ｍｇ：０．２〜１．６％（ｗｔ％、以下
同じ）、Ｓｉ：０．２〜１．８％を含むＡｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項
１又は２に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム
合金押出形材。
【請求項４】上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金が、Ｃｕ：１．０％以下を含むことを特徴とする請求
項３に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金
押出形材。
【請求項５】上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金が、Ｍｎ：０．０５〜０．５％を含むことを特徴とす
る請求項４に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウ
ム合金押出形材。
【請求項６】上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金が、Ｔｉ：０．０１〜０．１％、Ｃｒ：０．０１〜
０．２％、Ｚｒ：０．０１〜０．２％のいずれか１種又
は２種以上を含むことを特徴とする請求項４又は５に記
載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形
材。
【請求項７】結晶組織が繊維状組織であることを特徴
とする請求項１〜６のいずれかに記載されたＡｌ−Ｍｇ
−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材。
【請求項８】引張強度が２００Ｎ／ｍｍ^２以上、耐力
が１５０Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする請求項
１〜７に記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金押出形材。
【請求項９】請求項１〜８のいずれかに記載されたア
ルミニウム合金押出形材を使用したことを特徴とする自
動車用構造部材。