JP2002241881A

JP2002241881A - 自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材

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Publication number: JP2002241881A
Application number: JP2001040250A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sakagami; 武坂上; Koichi Ohori; 紘一大堀
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP4611543B2

Abstract

(57)【要約】【課題】衝突時の圧縮変形を受けた際に割れが発生す
ることがなく、エネルギー吸収効率が高い自動車のフレ
ーム構造におけるエネルギー吸収部材を提供する。【解決手段】重量％でSi:0.5〜0.75％、Mg:0.75〜1.0
％を-0.05≦(Si-Mg/1.73)≦0.20となる関係を満たすよ
うに含有し、かつMnを0.02%以上0.05％未満、Zrを0.02%
以上0.05％未満含有し、かつCu:0.05〜0.4％を含有し、
さらにFe:0.1〜0.4％、Ti:0.005〜0.1％、B:0.0001〜0.
004％を含有し、残りがAlと不可避不純物から成る組成
並びに結晶粒のアスペクト比が２以下である結晶粒組織
を有し、その耐力と引張強さの比が0.85以上であり、耐
力が250〜290MPaの範囲にある機械的性質を有する構成
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系合金押出形材からなるエネルギー吸収部材に係り、特
に、自動車のフレーム構造におけるサイドメンバーなど
に用いて好適なエネルギー吸収部材に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車のサイドメンバーは、自動車の前
方のエンジン部分と、後方のトランク部において、衝突
時にアコーディオン状に座屈変形することにより衝突時
の衝撃エネルギーを吸収することにより、乗員の安全を
確保する機能を有する部材である。この部材としては、
従来冷延鋼板をプレス成形し、スポット溶接により組み
立てたものが用いられている。しかし、近年、地球温暖
化などの環境問題から、排ガス低減や燃費向上などのた
めに自動車の軽量化が強く要請されており、この軽量化
の一環として鋼板の代わりに軽量でかつ複雑形状の構造
材を一体で製造することができるアルミニウム合金押出
形材の使用が検討されている。このような用途に対して
は、現在は主として押出加工性、機械的性質、および耐
食性などのバランスが良い６０６３合金などのＡｌ−Ｍ
ｇ−Ｓｉ系合金押出形材が使用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、例えば代表的な６０６３合金
は耐力が２１５ＭＰａ程度と低いため、軸方向に圧縮荷
重を受けた際に変形が進む平均荷重が低く、したがって
エネルギー吸収効率が低いので板厚を厚くする必要があ
る。一方、６０６１合金などの耐力の大きい合金は衝突
時の変形で割れが発生しやすく、一旦割れが発生すると
それ以降の衝撃は吸収されないので、エネルギー吸収効
率は極めて低いものとなるいう問題があった。また、Ａ
ｌ合金押出形材を構成する内部組織を主として繊維状組
織としたものが特開２０００−５４０５０号公報に開示
されている。しかしながら、この主として繊維状組織か
らなるＡｌ合金押出形材は圧潰特性に優れるものの、そ
の製造において押出加工を行う際の押出速度を大きくす
ることができないために、生産性が課題となっていた。

【０００４】本発明は、係る問題点に鑑みてなされたも
のであって、衝突時の圧縮変形を受けた際に割れが発生
することがなく、エネルギー吸収効率が高い自動車のフ
レーム構造におけるエネルギー吸収部材を提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上述のよ
うな観点から、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材の圧潰
特性に及ぼす合金組成および材料特性の影響を明らかに
すべく種々の実験を行った結果、微量のＭｎとＺｒを複
合添加することにより結晶粒のサイズと形状を制御する
とともに、該押出形材の耐力と引張強さの比および耐力
値をある範囲に制御することによって圧潰特性が向上す
るという実験結果を得たものである。すなわち、本発明
の自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材
は、重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、Ｍｇ：０．
７５〜１．０％を−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍｇ／１．７
３）≦０．２０となる関係を満たすように含有し、かつ
Ｍｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒを０．０２
％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：０．０５〜
０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．４％、Ｔ
ｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．０
０４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純物から成る組
成並びに押出方向断面における結晶粒の押出方向の長さ
と厚さ方向の長さとの比が２以下である結晶粒組織を有
し、耐力と引張強さの比が０．８５以上であるととも
に、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にある機械的性
質を有することを特徴とする。

【０００６】また、上記のエネルギー吸収部材におい
て、重量％で０．０１％以下のＣｒを含有することを特
徴とする。

【０００７】以下に、本発明における合金組成並びに組
織を上記の通りに限定した理由を説明する。まず、本発
明のＡｌ合金中空材を構成するＡｌ合金の成分組成を請
求項に記載の通りに限定した理由を説明する。（ａ）ＳｉおよびＭｇ：これらの成分には、微細なＭｇ
₂Ｓｉ化合物として析出して強度を向上させる作用があ
るが、ＳｉおよびＭｇのいずれかの含有量でもＳｉ：
０．５０％未満、およびＭｇ：０．７５％未満になると
生成する析出物の量が少なくなって所望の強度を確保す
ることができず、一方これらの含有量がＳｉ：０．７５
％およびＭｇ：１．０％を超えると押出加工性が低下す
るとともに、衝突時の変形による割れが発生しやすくな
る。さらに、−０．０５≦（（Ｓｉ含有量）−（Ｍｇ含
有量）／１．７３）≦０．２０となるように含有させる
と、押出加工性をそれほど阻害せず強度が増加する。し
かしながら、Ｓｉの含有量が−０．０５≦（（Ｓｉ含有
量）−（Ｍｇ含有量）／１．７３）なる関係を満足する
量未満ではその効果が十分得られず、一方（（Ｓｉ含有
量）−（Ｍｇ含有量）／１．７３）≦０．２０なる関係
を満足する量を超えると押出加工後の冷却過程および時
効処理時にＳｉ粒子が結晶粒界に析出するようになって
圧潰特性が劣化する。したがって、Ｓｉ含有量は重量％
で０．５％以上０．７５％以下、Ｍｇ含有量は重量％で
０．７５％以上１．０％以下とされる。

【０００８】（ｂ）Ｃｕ：Ｃｕは地に固溶することによ
って強度を向上させるが、０．０５％未満ではその効果
が十分ではなく、一方０．４％を超えるとＡｌ合金の耐
食性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は重量％で
０．０５％以上０．４％とされる。

【０００９】（ｃ）Ｍｎ、Ｚｒ：これらの成分にはＡｌ
と金属間化合物を形成して、この金属間化合物が再結晶
の核生成サイトとなり、Ａｌ合金押出形材の金属組織を
微細な粒状の結晶粒からなる組織とする効果があり、そ
の結果圧潰特性が向上する。しかしながら、ＭｎとＺｒ
がそれぞれの下限値（０．０２％）未満では上記の効果
が十分に得られず、一方、上限値を超えると結晶組織に
部分的に押出方向に長く伸びた伸長粒組織や繊維状組織
が現れるようになり、衝突時の変形による割れが発生し
やすくなる。従って、ＭｎおよびＺｒの含有量は、重量
％で０．０２％以上０．０５％未満とされる。

【００１０】（ｄ）Ｔｉ、Ｂ：これらの成分には鋳造組
織を微細化し、鋳造割れを防止する作用があるが、Ｔｉ
およびＢのいずれの含有量でもＴｉ：０．００５％未
満、およびＢ：０．０００１％未満の場合には所望の効
果を得ることができず、一方、ＴｉおよびＢのいずれか
の含有量でも、Ｔｉ：０．１％およびＢ：０．００４％
を超えると、巨大な金属間化合物が生成するために靱性
が低下し、衝突時の変形による割れが発生しやすくな
る。従って、Ｔｉ含有量は重量％で０．００５％以上
０．１％以下とされ、Ｂ含有量は重量％で０．０００１
％以上０．００４％以下とされる。

【００１１】（ｅ）その他、成分組成としてＣｒの含有
量が、重量％で０．０１％以下であることが好ましい。
Ｃｒ含有量が０．０１％を超えると、結晶組織の一部に
上記伸長粒組織や繊維状組織が現れるためである。

【００１２】次に、本発明に係る材料特性の限定理由に
ついて説明する。（ａ）耐力と引張強さの比耐力と引張強さの比は合金成分および熱処理により変化
する。耐力と引張強さの比が０．８５よりも小さいと、
衝突時の圧縮変形を受けた際に、座屈変形を起こすこと
なく加工硬化し、割れが発生しやすくなる。したがっ
て、耐力と引張強さの比は０．８５以上であることが必
要である。（ｂ）耐力値耐力も合金成分および熱処理により変化する。耐力が２
５０ＭＰａ未満では十分なエネルギー吸収効率が得られ
ず、一方、２９０ＭＰａを超えると衝突時の変形による
割れが発生しやすくなる。（ｃ）結晶粒のアスペクト比本発明のエネルギー吸収部材の要件として結晶組織を構
成する結晶粒の長さ方向の長さと、厚さ方向の長さとの
比（アスペクト比）は２以下とされる。結晶粒をこのよ
うな形状とすることにより、圧潰特性に優れるエネルギ
ー吸収部材とすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限
定されるものではない。図１は、本発明に係る押出機の
押出ダイスを含む部分の構成を模式的に示す部分断面構
成図である。この図において、押出機１に投入されて加
工されるＡｌ合金ビレット２は、押出ダイス３を通過し
て押出加工されることにより所定の形状へと加工され
る。また、押出ダイス３の出口側（図示右側）には、押
出ダイス３から吐出されたＡｌ合金材を冷却するための
冷却手段４が設けられている。

【００１４】本発明のエネルギー吸収部材は、前記の化
学組成を有するアルミニウム合金ビレットを均質化処理
し、次いで４６０〜５６０℃に加熱した後、図１に示す
押出機１を用いて押出加工し、この押出機１の押出ダイ
ス３の出口側に設けられた冷却手段４によって押出ダイ
ス３通過直後に水冷して急速冷却することによりＡｌ合
金押出形材を作製し、この押出形材を曲げ加工後時効処
理を行う方法、あるいは時効処理後曲げ加工を行う方法
により時効処理および曲げ加工処理を施されて作製され
る。尚、この時効処理はいずれの場合も１５０〜２５０
℃の温度範囲で１〜２４時間行う。また、上記冷却手段
４は、水冷に限定されるものではなく、液体窒素噴射な
どの急冷法も適用可能である。

【００１５】

【実施例】以下、実施例により本発明をより詳細に説明
する。表１に示す組成の２０４ｍｍ径の合金ビレットを
常法により溶製し、これらのビレットを温度：５４５℃
にて４時間保持して均質化処理を施した後、１６５０ト
ンの押出機を用い、押出温度：５００℃、押出速度：５
ｍ／分、冷却：液体窒素吹き付け後水冷の条件で押出加
工を行い、引き続いてこれらに温度：２０５℃にて４時
間保持の条件で時効処理を施すことにより肉厚２ｍｍ、
断面５４ｍｍ×７０ｍｍの寸法の角パイプ状の本発明Ａ
ｌ合金押出形材（実施例１〜３）および比較Ａｌ合金押
出形材（比較例１〜７）をそれぞれ製造した。

【００１６】

【表１】

【００１７】次いで、上記にて得られた本発明押出形材
および比較押出形材について、引張試験による機械的性
質の測定および静的圧縮試験による圧潰特性評価を行っ
た。これらの結果を表２に示す。表２に示すように、本
発明の要件を満たす実施例１〜３の押出形材は割れが発
生することなくアコーディオン状に圧縮変形し、吸収エ
ネルギーも４０００Ｊ超と圧潰特性に優れるものであっ
た。これに対し、本発明の要件を満たさない比較例１〜
７の押出形材では、Ｓｉ含有量が多いもの（比較例
１）、Ｍｇ含有量が多いもの（比較例２）、Ｍｎおよび
Ｚｒの含有量が少ないもの（比較例４）、ＭｎおよびＺ
ｒの含有量が多いもの（比較例５）の押出形材において
は割れが発生した。また、Ｓｉ含有量が少ないもの（比
較例３）およびＭｇ含有量が多いもの（比較例４）の押
出形材においては、割れの発生はないものの、吸収エネ
ルギーが４０００Ｊ未満と低く、圧潰特性に劣るもので
あった。また、Ｃｒ含有量が多いもの（比較例７）の押
出形材は割れが発生した。

【００１８】

【表２】

【００１９】（実施例４、５、比較例８、９）次に、実
施例４、５および比較例８、９により、本発明のＡｌ合
金押出形材の製造方法による生産性の向上効果を明らか
にする。まず、実施例４として表１に示す実施例１と同
一の組成の合金ビレットを用いて、押出速度を１０ｍ／
分とした以外は上記実施例１と同一の条件にてＡｌ合金
押出形材を作製した。次に、実施例５として、押出速度
を１５ｍ／分とした以外は上記実施例４と同一の条件で
Ａｌ合金押出形材を作製した。次に、比較例８として表
１に示す組成の合金ビレットを用いて、上記実施例１と
同一の条件にてＡｌ合金押出形材を作製した。次に、比
較例９として上記比較例８と同一の組成の合金ビレット
を用いて、押出速度を１０ｍ／分とした以外は上記比較
例８と同一の条件にてＡｌ合金押出形材を作製した。

【００２０】上記で得られた実施例４、５および比較例
８、９のＡｌ合金押出形材について、ミクロ組織観察、
引張試験による耐力測定を行った。その結果を実施例１
の評価結果とともに以下の表３に示す。表３に示すよう
に、実施例４および実施例５のＡｌ合金押出形材は、押
出速度を速めているにもかかわらず上記実施例１と同等
の圧潰特性を示した。また、比較例８のＡｌ合金押出形
材の結晶組織は繊維状組織となり、その圧潰特性は上記
実施例１と同等であった。しかし、比較例８と同等の組
成とし、押出速度を速くした比較例９のＡｌ合金押出形
材は、圧潰特性に劣るものであった。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、Ｍｇ：
０．７５〜１．０％を−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍｇ／１．
７３）≦０．２０となる関係を満たすように含有し、か
つＭｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒを０．０
２％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：０．０５〜
０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．４％、Ｔ
ｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．０
０４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純物から成る組
成並びに結晶粒の押出方向断面における結晶粒の押出方
向の長さと厚さ方向の長さとの比が２以下である結晶粒
組織を有し、耐力と引張強さの比が０．８５以上である
とともに、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にある機
械的性質を有する構造とすることにより、圧潰特性に優
れた自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材
を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る押出機の部分断面構成
図である。

【符号の説明】

１押出機２Ａｌ合金ビレット３押出ダイス４冷却手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、
Ｍｇ：０．７５〜１．０％を、−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍ
ｇ／１．７３）≦０．２０となる関係を満たすように含
有し、かつＭｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒ
を０．０２％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：
０．０５〜０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜
０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．００
０１〜０．００４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純
物から成る組成並びに押出方向断面における結晶粒の押
出方向の長さと厚さ方向の長さとの比が２以下である結
晶粒組織を有し、耐力と引張強さの比が０．８５以上で
あるとともに、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にあ
る機械的性質を有することを特徴とする自動車のフレー
ム構造におけるエネルギー吸収部材。