JP2002327229A - 圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バンパー補強材等に適する圧壊特性に優れる
アルミニウム合金押出材を得る。 【解決手段】 Ｍｇ：０．５〜１．８％（質量％、以下
同じ）、Ｚｎ：４．０〜８．０％、Ｔｉ：０．００５〜
０．３％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％を含有し、さら
に、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：０．０３〜０．３
％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％のうち１種又は２種以
上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、繊維
状組織を有し、かつＪＩＳ５号引張試験片にて引張試験
を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０％以上であ
るアルミニウム合金押出材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば自動車用の
エネルギー吸収部材として好適な圧壊特性に優れるアル
ミニウム合金押出材に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の衝突安全性の向上のため、エネ
ルギー吸収部材が用いられている。例えば軽衝突時の車
体の損傷を緩和するためのエネルギー吸収部材として、
自動車用バンパー補強材があり、これには、軽量化の観
点からアルミニウム合金押出材の使用が検討されている
（特開平７−７０６８８号公報、特開平８−１７０１３
９号公報等）。このバンパー補強材は、例えば断面矩形
の中空押出材として成形されるもので、いわゆるクラッ
シャブル材であり、衝突などにより外部からエネルギー
が与えられたとき、その衝突エネルギーを中空部分の変
形（潰れ）により吸収し、他の部材が極力破損しないよ
うにするものである。図１は中空矩形断面（フランジ部
１ａ、１ｂ及びウエブ部１ｃ、１ｄ）を有するバンパー
補強材１の変形過程を示すもので、バンパー補強材１の
外側フランジ部１ａ側に対し垂直に圧縮荷重が加えられ
ると、主として対向するウエブ部１ｃ、１ｄが変形する
ことにより中空矩形断面が変形し（仮想線参照）、その
変形の過程で荷重によるエネルギーが吸収される。

【０００３】このようなバンパー補強材が吸収すべきエ
ネルギーの大きさ（最小値）は法規格などによって決ま
っており、一方、バンパー補強材により吸収可能なエネ
ルギーの大きさが余りに大きいと、過剰設計となって重
量が過大となってしまう。従って、バンパー補強材は必
要なエネルギーを吸収することができるように、しかも
過剰設計となって重量が過大とならないように設計され
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、エネルギ
ー吸収部材を代表するバンパー補強材には、エネルギー
吸収量が大きく、かつ軽量であることが要求される。こ
の要求に対処するため、最近では、バンパー補強材を構
成するアルミニウム合金押出材の材料強度を高くするこ
とが試みられている。しかし、前記公報に記載された７
０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系）アルミニウム合金のよ
うに、高強度化した材料を用いた場合、ウエブ部に割れ
が生じやすくなり、割れが生じたときは逆にエネルギー
吸収力が低下する。すなわち、アルミニウム合金押出材
のエネルギー吸収力と軽量化のための高強度化は相矛盾
する課題であり、これまで、これを合金成分、組織等、
冶金的に解決することは難しかった。

【０００５】本発明は、このような現状に鑑みてなされ
たもので、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系アルミニウム合金の高強
度材を用いて強度を高め、同時に圧壊時の割れを防止し
て高いエネルギー吸収量を確保することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、このよう
な圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材を開発すべ
く種々実験研究を行う過程で、押出材から採取したＪＩ
Ｓ５号引張試験片を引張試験した場合の試験片の破断面
の肉厚減少率が、押出材の圧壊特性と密接な関係にある
ことを見いだし、それをもとに本発明を得ることができ
た。

【０００７】すなわち、本発明に係るアルミニウム合金
押出材は、Ｍｇ：０．５〜１．８％、Ｚｎ：４．０〜
８．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｃｕ：０．０
５〜０．６％を含有しさらに、Ｍｎ：０．１〜０．７
％、Ｃｒ：０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．
２５％のうち１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び
不可避不純物からなるアルミニウム合金押出材であり、
これが繊維状組織を有し、かつＪＩＳ５号引張試験片に
て引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０
％以上であることを特徴とする。ここで、破断面の肉厚
減少率（以下、絞りという）とは、引張試験片の破断面
を正面からみたときの当該破断面の中央部の肉厚（試験
片の板面に対し垂直に測定した肉厚）をａ（図１参照）
とし、引張試験片の元の肉厚をａ_０としたとき、（１−
ａ／ａ_０）×１００で表されるものとする。このアルミ
ニウム合金押出材は圧壊特性に優れ、特に横方向の圧縮
荷重を受けるバンパー補強材、フレーム、ドアビーム等
の自動車用部材として好適である。

【０００８】

【発明の実施の形態】続いて、本発明に係るアルミニウ
ム合金押出材の各成分の添加理由及び組成限定理由につ
いて説明する。 Ｚｎ ＺｎはＭｇと共存して合金に時効性を与え、人工時効に
より強度を向上させる作用を有する。Ｚｎの含有量が
４．０％未満では強度の向上が十分でなく、エネルギー
吸収量が少なくなる。一方、８．０％を超えると押出性
が低下するとともに、伸び及び曲げ加工性が低下する。
さらに耐ＳＣＣ性及び一般耐食性が低下する。従って、
Ｚｎの含有量は４．０〜８．０％とし、なかでも６．０
〜７．０％がより好ましい。

【０００９】Ｍｇ Ｍｇはアルミニウム合金の強度を高める主要な元素であ
る。しかし、Ｍｇの含有量が０．５％未満では強度を向
上させる効果を十分に得ることができず、エネルギー吸
収量が少なくなる。一方、１．８％を超えると押出性が
低下するとともに伸びも低下する。さらに耐ＳＣＣ性、
曲げ加工性が低下する。従って、Ｍｇの含有量は０．５
〜１．８％とし、０．６〜１．０％がより好ましく、さ
らに０．７〜０．９％がより好ましい。

【００１０】Ｔｉ Ｔｉはアルミニウム合金鋳塊中の結晶粒を微細化する効
果がある。しかし、含有量が０．００５％未満ではその
効果を十分得ることができず、また０．３％を超えると
結晶粒微細化効果が飽和して巨大化合物が発生してしま
う。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．３％とす
る。 Ｃｕ Ｃｕはアルミニウム合金の強度を高める作用があり、目
標とする高強度を得るため添加される。また、Ｃｕは耐
ＳＣＣ性を改善する作用がある。しかし、Ｃｕ含有量が
０．０５％未満ではその効果が不十分で、エネルギー吸
収量が少なく、耐ＳＣＣ性に劣るようになる。一方、
０．６％を超えると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感
受性を高め強度低下を招くとともに、曲げ加工性及び一
般耐食性を劣化させる。また、溶接性も悪くなる。従っ
て、Ｃｕの含有量は０．０５〜０．６％、望ましくは
０．１〜０．２％である。

【００１１】Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ これらの元素はアルミニウム合金押出材に繊維状組織を
形成し、合金を強化する作用があるため、１種又は２種
以上が添加される。しかし、それぞれ、０．１％、０．
０３％、０．０５％未満ではその効果が不十分であり、
一方、それぞれ０．７％、０．３％、０．２５％を超え
ると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感受性を高め強度
低下を招く。従って、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：
０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％の範
囲とする。Ｚｒは０．１〜０．２％が望ましい。繊維状
組織を形成するためには１種又は２種以上を合計で０．
１％以上含有することが望ましく、特に空冷によるプレ
ス焼入れを行う場合、焼入れ感受性の低下を防ぐため合
計で０．４％以下が望ましい。

【００１２】不可避不純物 不可避不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く
含まれる不純物であり、０．３５％を超えて合金中に存
在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の
機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．３５
％以下に規制する。また、アルミニウム合金を鋳造する
際には地金、添加元素の中間合金等様々な経路より不純
物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外
の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以
下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従
って、これらの不純物は単体で０．０５％以下、総量で
０．１５％以下とする。なお、不純物のうちＢについて
はＴｉの添加に伴い合金中にＴｉの１／５程度の量で混
入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに
０．０１％以下が望ましい。

【００１３】絞り Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、
本発明で定義された絞りの値が２０％以上のとき圧壊割
れ特性に優れる理由については、絞りの値は材料の局部
的な変形能を示す１つの指標であり、一方、押出材が圧
壊変形する場合、材料のごく表面に発生する伸びは３０
％程度に達し、このような領域では材料は絞りのような
局部的な変形をしていると考えられることから、絞りの
値が所定値以上の場合に割れの発生が抑制されたものと
推測される。上記組成範囲内において絞りの値を２０％
以上とするには、例えば空冷によるプレス焼入れであれ
ば焼入れ時の冷却速度を上げることが有効である。下記
実施例に示すように、時効処理により高強度化したもの
で２０％以上の絞りを得ることができた。

【００１４】なお、本発明に係るエネルギー吸収部材に
おいて、アルミニウム合金押出材の結晶組織は繊維状組
織を有するものとする。ここで、繊維状組織とは、押出
材にみられる熱間加工組織で、押し出し方向に長く伸ば
された結晶粒組織のことであり、等軸再結晶組織に比べ
て強度を高め、高い絞りを得て押出材の圧壊割れ性を向
上させる。表面再結晶組織が形成された場合でも、押出
材断面厚さの１／２程度以上の厚さで形成されている必
要がある。また、アルミニウム合金押出材の断面形状は
特に限定されるわけではないが、適宜の閉断面形状、例
えば荷重方向にほぼ垂直に向く前後のフランジ部、及び
それらを連結し荷重方向にほぼ平行に向く一対のウエブ
部からなる略矩形断面とされる。

【００１５】

【実施例】表１に示す化学成分のＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合
金を常法により溶解し、半連続鋳造法により直径２００
ｍｍの鋳塊に鋳造した。この鋳塊を均質化処理した後、
図２に示す断面形状に押し出し、押出加工時の高温状態
（４６０℃）から空冷により焼入れ（プレス焼入れ）し
た。空冷はノズルから噴射される高速の冷却空気を押出
材の表面に直接噴射して行われ、その冷却速度は約３０
０℃／ｍｉｎであった。これは、プレス焼入れに用いら
れる通常のファン空冷よりかなり大きい冷却速度であ
る。ただし、Ｎｏ．１１、１２については、プレス焼入
れを通常のファン空冷（冷却速度；約２００℃／ｍｉ
ｎ）により行った。続いて、この押出材を短尺に切断
し、同じく表１に示す時効処理を施して供試材とした。

【００１６】

【表１】

【００１７】この供試材のウエブ部（幅４０ｍｍの側）
から長さ方向にＪＩＳ５号試験片を採取して引張試験を
行い、各供試材の機械的性質を測定した。また、３０ｔ
ｏｎ万能試験機を用い、図３に示すように、専用ステイ
２（供試材取付面：長さ方向８０ｍｍ×幅方向５０ｍ
ｍ）に両面テープで固定した供試材３の上面より剛体４
を押し付け、横圧壊試験を行った（変位量３５ｍｍ＝有
効ストロークまで）。各供試材の機械的性質、横圧壊試
験による各供試材の最大荷重、有効ストローク内の吸収
エネルギーとその圧壊割れ性を表２に示す。表２に示す
圧壊割れ性は、ウエブ部の割れ性を３段階で評価したも
ので、◎：割れなし、○：微小割れあり、肉厚を貫通す
る分断割れなし、×：分断割れあり、である。なお、Ｎ
ｏ．１（Ｎｏ．３、１１も同じ）については押出速度を
７ｍ／分とし、その他はＮｏ．１と同等の表面品質が得
られる限界押出速度を測定し、この押出速度がＮｏ．１
に対し同等のもの（Ｎｏ．１の９０％以上の場合）を
○、７０〜８９％の場合を△、６９％以下の場合を×と
評価した。その結果を同じく表２に示す。

【００１８】

【表２】

【００１９】さらに、表１に示す化学成分のＡｌ−Ｍｇ
−Ｚｎ系合金鋳塊を、前記の押出材と同じ製造条件で押
出成形−プレス焼入れし、２ｍｍ×１５０ｍｍの押出材
（フラットバー）を得、これに同じ熱処理を施して供試
材とした。各供試材について、耐ＳＣＣ性を下記要領に
て測定した。クロム酸水溶液（純水１リットル中、無水
クロム酸３６ｇ、重クロム酸カリ３０ｇ、塩化ナトリウ
ム３ｇ）を試験液として用い、各供試材から押出直角方
向（ＬＴ方向）に応力がかかるように試験片を採取し、
試験温度９５℃、３点曲げの要領で材料耐力の１００％
及び７５％の負荷を与える条件で実施した。評価基準
は、３６０分浸漬後、拡大鏡にて２５倍で観察し、材料
表面の亀裂の有無で評価した。亀裂のないものを○、１
００％負荷試験片のみ亀裂発生の場合は△、７５％負荷
試験片にも亀裂発生の場合は×と評価した。

【００２０】表２に示すように、組成が本発明の範囲内
で絞りが２０％以上であるＮｏ．１、２は、最大荷重、
吸収エネルギー及び耐割れ性など、横圧壊特性に優れ、
押出性、耐ＳＣＣ性にも優れる。一方、組成が本発明の
範囲内であるが、絞りが２０％未満であるＮｏ．３、
４、１１、１２は耐割れ性に劣る。Ｎｏ．３については
時効時間が不足したこと、Ｎｏ．４については再結晶組
織であること、Ｎｏ．１１、１２については空冷による
プレス焼入れの冷却速度が低いことが影響した可能性が
ある。また、主要成分が本発明の規定を外れるＮｏ．４
〜１０は、絞りが２０％以上で耐割れ性は比較的よい
が、押出性（Ｎｏ．５、９）、耐ＳＣＣ性（Ｎｏ．５、
７、１０）、強度（Ｎｏ．６、８、９）、最大荷重及び
吸収エネルギー（Ｎｏ．６、８、９）のいずれかの特性
が劣っている。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、高強度アルミニウム合
金を使用することで強度を高め、同時に衝突の圧縮荷重
を受けたときの圧壊特性、特に横圧壊に対する耐割れ性
に優れるアルミニウム合金押出材を得ることができる。
本発明に係るアルミニウム合金押出材は、例えば、バン
パー補強材、ドアビーム（ドア内の前後方向等に配置さ
れ、側方からの衝撃荷重を受け止めるエネルギー吸収部
材）、インパクトビーム（ドアの前後方向に配置され、
軸方向の衝撃荷重を受け止めるエネルギー吸収部材）、
ステアリングメンバー（車体幅方向に配置されるインス
トルメントパネルの補強材）、自動車フレーム（サイド
メンバー、クロスメンバー、バンパーステイ、サイドフ
レーム等）、鉄道車両、船舶等のフレーム等の用途に用
いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 バンパー補強材の変形前（実線）及び変形過
程の一形態（仮想線）を示す図である。

【図２】 実施例に使用したエネルギー吸収部材の断面
形状を示す図である。

【図３】 実施例の横圧壊試験方法を示す図である。

【符号の説明】

２ ステイ ３ 供試材 ４ 剛体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｍｇ：０．５〜１．８％（質量％、以下
   同じ）、Ｚｎ：４．０〜８．０％、Ｔｉ：０．００５〜
   ０．３％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％を含有し、さら
   に、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：０．０３〜０．３
   ％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％のうち１種又は２種以
   上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるアルミ
   ニウム合金押出材であり、これが繊維状組織を有し、か
   つＪＩＳ５号引張試験片にて引張試験を実施したときの
   破断面の肉厚減少率が２０％以上であることを特徴とす
   る圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材。