JP2003183757A - 耐圧壊割れ性に優れた衝撃吸収部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸方向の圧縮荷重及び横方向の圧縮荷重に対
する耐圧壊割れ性に優れた衝撃吸収部材を得る。 【解決手段】 Ｍｇが０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、
Ｓｉ含有量が０．５０〜１．０ｍａｓｓ％を含み、プレ
ス焼入れ後時効処理したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウ
ム合金中空押出材からなり、耐力２００ＭＰａ以上かつ
表面再結晶層厚さが肉厚の１〜５０％であり、さらに表
面再結晶層の肉厚方向の結晶粒径が２００μｍ以下であ
る衝撃吸収部材。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系アルミニウム合金押出材からなり、圧縮の衝撃荷重を
受けたとき、その衝撃荷重を吸収する作用を持つ衝撃吸
収部材に関し、特に自動車のフレーム構造におけるサイ
ドメンバやバンパーステイ及びサイドフレームなどとし
て好適な衝撃吸収部材に関する。 【０００２】 【従来の技術】自動車のフレーム構造において、サイド
メンバやバンパーステイなどの衝撃吸収部材として、軽
量化のためアルミニウム合金中空押出材の適用が検討さ
れている。軸方向に圧縮の衝撃荷重を受けるこれらの衝
撃吸収部材には、押出軸方向に荷重を受けたとき形材全
体がオイラー座屈（形材全体がくの字形に曲がる座屈）
を起こさず、かつ圧壊割れを発生することなく蛇腹状に
収縮変形して、安定した高いエネルギー吸収を得るこ
と、及び自動車フレーム構造材として必要な強度（耐
力）を有することが要求される。 【０００３】これまで、衝撃吸収部材として利用できる
アルミニウム合金押出材として、高強度アルミニウム合
金の中では比較的耐食性に優れ、リサイクル性の面でも
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押出材が多く検討されている
（例えば特開平６−２５７８３号公報、特開平７−５４
０９０号公報、特開平７−１１８７８２号公報、特開平
９−２５６０９６号公報等）。 【０００４】上記公報にも記載されているように、Ａｌ
−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を衝撃吸収部材
に適用する場合、一般にオンラインによるプレス焼入れ
又はオフラインによる溶体化・焼入れ処理を行った後、
時効処理を施している。ここで時効処理を施すのは、押
出材の強度を向上させ、かつ組織を安定化し使用中に自
然時効が進行して耐圧壊割れ性が劣化するのを防止する
ためである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかし、Ａｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、サイドメンバー等と
して使用中に高温にさらされ、自然時効が進行し耐圧壊
割れ性が劣化する可能性があり、それを防止するため時
効処理を行うことは熱処理型のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アル
ミニウム合金押出材を衝撃吸収部材として用いる場合の
必須の要件であるが、Ｔ５、Ｔ６処理を行って強度を上
げた場合、軸方向に圧縮変形させたときに圧壊割れが発
生するという問題をはらんでいる。圧壊割れが発生する
と、蛇腹状の収縮変形が妨げられて安定したエネルギー
吸収が得られなくなる。また、最近ではリサイクル性等
の観点から、同じＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金
押出材を、横方向に衝撃荷重を受けるサイドフレームな
ど、その他の自動車フレーム構造材等としても、同時に
利用できるようにすることが求められるようになってき
た。そこで、本発明は、高強度（耐力）を付与したＡｌ
−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に、軸方向に優
れた耐圧壊割れ性及び優れたエネルギー吸収性を与え、
同時に横方向にも優れた耐圧壊割れ性を与えることを目
的とする。 【０００６】 【課題を解決するための手段】Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アル
ミニウム合金押出材において、時効処理後の強度を高く
したいとき、一般にＭｇ、Ｓｉ及び遷移元素（Ｃｕ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｚｒ等）の添加量を多くしているが、その場
合、必然的に粒界の析出物が増して粒界に歪みが集中す
る。また、添加元素量が多いと一般に焼入感受性が鋭く
なり、低い冷却速度（例えば寸法精度やコスト面で有利
な空冷プレス焼入れ）では同じく粒界の析出物の量が増
し、大きい衝撃荷重を受けて圧壊するとき割れが発生し
やすくなる。これに対し、本発明者らは、Ａｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系アルミニウム合金押出材のマクロ組織が再結晶組
織を主体とするものであるとき圧壊割れが発生しやすい
が、繊維状組織（押出による繊維状組織が押出工程以降
の熱処理工程の間においても再結晶することなく、その
まま残った状態の組織）を主体とするとき、高強度でも
圧壊割れの発生が抑えられることを見いだした。一方、
オフラインで溶体化・焼入れを行うと繊維状組織が緩ん
でしまうこと、またオンラインによるプレス焼入れで所
要の特性を得るためには、ある程度の厚さの表面再結晶
層を形成する方が有利であることも分かった。本発明
は、この知見に基づいてなされたものである。 【０００７】本発明に係る耐圧壊性に優れた衝撃吸収部
材は、Ｍｇが０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、Ｓｉ含有
量が０．５０〜１．０ｍａｓｓ％を含み、プレス焼入れ
後時効処理したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金中
空押出材からなり、耐力２００ＭＰａ以上かつ表面再結
晶層厚さが肉厚の１〜５０％であり、さらに表面再結晶
層の肉厚方向の結晶粒径は２００μｍ以下であることを
特徴とする。押出材の表面再結晶層の内側は繊維状組織
層である。この衝撃吸収部材は、押出軸方向に圧縮の衝
撃荷重を受けるサイドメンバやバンパーステイに特に好
適であり、また横方向に圧縮の衝撃荷重を受けるサイド
フレームなど、その他の自動車フレーム構造材等として
も利用できる。 【０００８】 【発明の実施の形態】上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニ
ウム合金は、上記以外の添加元素として必要に応じてＣ
ｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉ、不可避不純物としてＦ
ｅ、その他の元素を含むことができる。以下、本発明の
衝撃吸収部材を構成する押出材の組成等について説明す
る。 【０００９】Ｍｇ、Ｓｉ ＭｇとＳｉは結合してＭｇ_２Ｓｉを形成し、合金強度を
向上させる。自動車フレーム構造材として必要な強度を
得るためには、Ｍｇは０．４０％以上の添加が必要であ
る。しかし、０．８０％を越えて添加されると焼入れ感
受性が鋭くなり、焼入れ速度が低くなると焼きが入らず
必要な強度が出なくなる。従って、Ｍｇ含有量は０．４
０〜０．８０％とする。より望ましい範囲は０．４０〜
０．６０％である。一方、Ｓｉ量が０．５０％より少な
いと必要な強度が得られず、１．０％を越えると焼入れ
感受性が鋭くなり、同じく焼入れ速度が低くなると焼き
が入らず必要な強度が出なくなる。従って、Ｓｉ含有量
は０．５０〜１．０％とする。このＭｇ及びＳｉ量の範
囲内で、高い強度が得られ焼入れ感受性が余り鋭くなら
ない範囲として、Ｓｉ量は０．５０〜０．７０％が特に
望ましい。 【００１０】Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは押出材に繊維状組織を形成して耐圧
壊割れ性を向上させる作用があり、これらの中から１種
又は２種以上が、Ｍｎ：０．０５〜０．４０％、Ｃｒ：
０．０５〜０．２０％、Ｚｒ：０．０５〜０．２０％の
範囲で添加される。これらの遷移元素の添加量が下限未
満では繊維状組織とならないか、表面再結晶層が厚く出
て圧壊割れが発生し、上限を越えると焼入れ感受性が鋭
くなり、焼入れ速度が低いとき焼きが入らず、自動車フ
レーム構造材として必要な強度が出なくなる。このとき
各元素の望ましい範囲は、Ｍｎ：０．０５〜０．２５
％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％、Ｚｒ：０．０５〜
０．１５％である。また、これらの遷移元素の合計添加
量は０．０５〜０．６０％とし、０．１０〜０．４０％
がより望ましく、さらに０．２〜０．３％が望ましい。 【００１１】Ｃｕ ＣｕはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の強度を高
め、耐応力腐食割れ性を改善する作用があり、必要に応
じて添加される。しかし、０．０５％未満では作用が不
十分であり、０．７％を越えると押出性及び一般耐食性
が低下するので、含有量は０．０５〜０．７％が望まし
い。より望ましい範囲は０．１０〜０．３５％である。 Ｔｉ Ｔｉは、鋳塊組織を微細化する作用があり、適宜添加さ
れる。しかし、０．００５％より少ないと微細化の効果
が十分でなく、０．２％より多いと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
〜０．２％とする。より望ましい範囲は０．０１〜０．
１０％、さらに望ましい範囲は０．０１５〜０．０５％
である。 【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。望ましくは０．３０％以下であり、
さらに０．２５％以下が望ましい。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含有量
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】強度（耐力） 自動車フレーム構造材（衝撃吸収部材）としての適用を
考えた場合、強度が２００ＭＰａに満たないとエネルギ
ー吸収量が低下するため、強度は２００ＭＰａ以上が必
要である。しかし、上記組成を外れるとその強度が出な
くなるか（エネルギー吸収量も大きく低下する）、繊維
状組織が形成されず耐圧壊割れ特性に劣るようになる。
耐力の望ましい範囲は２２０ＭＰａ以上である。 【００１４】表面再結晶層 上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材におい
て、押出材の繊維状組織は押出材の断面のほぼ全体に形
成されているのが望ましく、自動車フレーム構造材のよ
うに厚さ１〜５ｍｍの押出材であれば、表面再結晶層は
全体の肉厚の５０％以下とする必要がある。望ましくは
３０％以下である。これは、再結晶粒は繊維状組織に比
べて結晶粒径が大きいことと、冷却速度が低い場合は冷
却過程で結晶粒界に析出する析出物が多くなり、表面再
結晶粒の粒界に歪みが集中して割れが発生しやすくなる
ためである。一方、上記組成及び厚さのＡｌ−Ｍｇ−Ｓ
ｉ系アルミニウム合金押出材であれば、５ｍ／分以下の
押出速度で押出材の断面のほぼ全て（表面再結晶層厚さ
が肉厚の１％未満）繊維状組織とすることができるが、
このような低い押出速度ではプレス焼入れ（オンライ
ン）において焼入れゾーンに入るまでに時間がかかるた
め、焼きが入りにくく必要な強度、エネルギー吸収量及
び最大荷重が得にくくなる。従って、表面再結晶層厚さ
は肉厚の１％以上とする必要がある。望ましくは５％以
上である。また、表面再結晶粒の結晶粒径は２００μｍ
以下、さらに１００μｍ以下とするのが望ましい。これ
は、表面再結晶粒の粒径が大きいほど歪みが集して割れ
が発生しやすくなるためである。 【００１５】 【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。Ｄ
Ｃ鋳造により、表１に示す成分組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系アルミニウム合金ビレットを溶製し、５５０℃×４ｈ
ｒの均熱処理を行った。続いて、押出温度５００℃及び
表１に示す押出速度で押出加工を行い、押出直後にオン
ラインで空冷又は水冷によるプレス焼入れを行い、図１
に示すような中空矩形断面の押出材（長辺が７０〜８０
ｍｍ、短辺が５４〜６０ｍｍ、肉厚が２〜５ｍｍ）を得
た。なお、空冷はファン空冷で冷却速度：約１９０℃／
ｍｉｎ、水冷は冷却速度：約１００００℃／ｍｉｎであ
った。ついで、この押出材に対し１９０℃×３時間の時
効処理を施し、供試材とした。 【００１６】この供試材について、表面再結晶層（ＧＧ
層）厚さ、表面再結晶層の結晶粒径、機械的特性、縦及
び横方向圧壊特性を下記要領で調べた。その結果を表１
及び表２に示す。 表面再結晶層厚さ：押出方向に平行方向の断面におい
て、表面４箇所及び裏面４箇所をとり、それぞれの再結
晶層厚を測定し、表裏各々平均をとり、表の平均値と裏
の平均値の合計をＧＧ層厚さとした。 表面再結晶層粒径：押出方向に平行方向の断面におい
て、表面から肉厚中心部へ向かって切断法にて、表側４
箇所、裏側４箇所測定し、その平均をとってＧＧ層粒径
とした。ここで、粒径を表面から肉厚中心部へ向かって
測定するのは、この方向に測定した粒径が割れの発生に
特に関係するためである。（なお、本発明では、表面再
結晶層厚さが表面再結晶層粒径より十分大きくなく粒径
の測定が難しい場合は、表面再結晶層粒径＝表面再結晶
層厚さと定義する。） 機械的特性：供試材よりＪＩＳ５号試験片を採取し、Ｊ
ＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行った。 【００１７】縦圧縮特性：長さ２００ｍｍの供試材を用
い、アムスラー試験機にて図２に示すように軸方向に静
的圧縮荷重を加え、これを１００ｍｍまで圧縮して荷重
−変位曲線を得、最大荷重と１００ｍｍまでの吸収エネ
ルギーを求めた。割れ性の評価は目視にて行い、割れの
発生していないものを◎、微小な割れの発生したものを
○、開口割れの発生したものを×と評価した。 横圧縮特性：長さ２００ｍｍの供試材を用い、図３に示
すように長辺側が上下になるように横向きに置いて静的
圧縮荷重を加え、これを２０ｍｍまで圧縮し、割れ性の
評価を目視にて行った。割れの発生していないものを
◎、微小な割れの発生したものを○、開口割れの発生し
たものを×と評価した。 【００１８】 【表１】 【００１９】 【表２】【００２０】表２に示すように、ＧＧ層厚さが本発明の
規定範囲内のもの（Ｎｏ．１〜８）は圧壊割れを起こさ
ず、高い耐力及び優れたエネルギー吸収特性（縦横とも
に圧壊割れなし、高い吸収エネルギー及び最大荷重）を
示す。一方、表面ＧＧ層が形成されていないＮｏ．９は
耐力が２００ＭＰａに満たず、吸収エネルギー及び最大
荷重が低く、ＧＧ層厚さが本発明の規定範囲を超えるも
の（Ｎｏ．１０〜１５）は圧壊割れ性が劣り、ＧＧ層厚
さが本発明の規定範囲内でも、耐力が２００ＭＰａに達
しないＮｏ．１６は吸収エネルギー及び最大荷重が低
く、ＧＧ層粒径が２００μｍを超えるＮｏ．１７は圧壊
割れ性が劣る。 【００２１】 【発明の効果】本発明によれば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
ルミニウム合金押出材について、耐力と表面再結晶層の
割合、及び粒径を規定することにより、高強度で優れた
エネルギー吸収特性を示す衝撃吸収部材を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 実施例に用いた押出材の断面形状を示す図で
ある。 【図２】 実施例の縦圧壊試験を説明する図（圧壊前、
圧壊後）である。 【図３】 実施例の横圧壊試験を説明する図（圧壊前、
圧壊後）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ａ ６８３ ６８３ ６８４ ６８４Ａ ６８４Ｃ ６９１ ６９１Ｂ ６９１Ｃ ６９２ ６９２Ａ (72)発明者 平野 正和 山口県下関市長府港町14番１号 株式会社 神戸製鋼所長府製造所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｍｇが０．４０〜０．８０ｍａｓｓ％、
   Ｓｉ含有量が０．５０〜１．０ｍａｓｓ％を含み、プレ
   ス焼入れ後時効処理したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウ
   ム合金中空押出材からなり、耐力２００ＭＰａ以上かつ
   表面再結晶層厚さが肉厚の１〜５０％であり、さらに表
   面再結晶層の肉厚方向の結晶粒径が２００μｍ以下であ
   ることを特徴とする耐圧壊割れ性に優れた衝撃吸収部
   材。