JP2004204352A

JP2004204352A - 耐クラッシュ性アルミニウム合金シート製品及び該製品の製造方法

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Publication number: JP2004204352A
Application number: JP2003427659A
Authority: JP
Inventors: John F Butler; エフ．バトラージョン; Claude E Brichet; イー．ブリシェクロード; De Miera Vincente Martin Saenz; マルチンサエンス・ミエラビセンテ; Jieh-Ren Yeh; イェジー・レン
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-24
Publication date: 2004-07-22
Also published as: EP1433866A2; CA2454210A1; US20050000609A1; EP1433866A3

Abstract

【課題】高強度及び良好な衝突安全性を有するアルミニウムシート製品を開示する。
【解決手段】アルミニウム合金は、Ｓｉ、Ｍｇ及びＭｎを含んでおり、含有量の調節により、成形性及び耐クラッシュ性を有しつつ、高い降伏強度を具備することができる。シート製品は溶体化処理と徐冷焼入れが施されている。このシート製品は、自動車の車体用シート製品として特に適している。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミニウム合金に関し、より具体的には、合金の成分組成とプロセスの制御により、耐クラッシュ特性が改良されたアルミニウムシート製品に関する。

自動車用のアルミニウムシートの使用は、一般的に、外板(outer panel)用としては米国アルミニウム協会(Aluminum Association)規格の６ｘｘｘ合金(Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ)、内板(inner panel)用としては５ｘｘｘ合金(Ａｌ−Ｍｇ)に限られている。アルミニウムが有する軽量効果を最大にするために、構造的に比較的低強度の５ｘｘｘ合金を、高強度の６ｘｘｘ合金に代えることが望ましい。しかしながら、既存の６ｘｘｘ合金を車体用シート(ＡＢＳ)に用いた場合の欠点は、衝突の際のエネルギー吸収能力である。この特性は、一般的に、衝突安全性(crashworthiness)と称される。

自動車の車体用シートは、焼付け塗装作業後に高強度を有する共に良好な成形特性を有する必要がある。成形特性は、伸び特性と曲げ特性が良好であらねばならない。従来、この特性を得るのに、溶体化処理温度から水冷による急冷が行われている。しかしながら、急冷を行なうと、変形、表面の凹凸(surface irregularities)、水錆などを生ずることがあり、車体の外板用としては不適である。空冷を行なうと、水冷の場合と比べて、急冷による変形問題が少なくなる利点があるが、曲げ特性に劣る欠点がある。
本発明は、上記問題及び従来の他の欠点を解消させるためになされたものである。

本発明は、合金成分と冷却速度を制御することにより、溶体化処理による(as-processed)良好な成形性と形状を具え、人工時効処理後に良好な衝突安全性と強度を具えている。

本発明の目的は、所定の強度と衝突安全性を具えた６ｘｘｘ合金を提供することである。

本発明の他の目的は、Ｓｉ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｇ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｎ約０.１〜０.３重量％、残部Ａｌ及び不可避の不純物からなり、溶体化熱処理の後、徐冷焼入れされたアルミニウム合金のシートを提供することである。

本発明のさらなる目的は、アルミニウム合金シートの処理方法を提供することであり、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｎを含有し、残部Ａｌ及び不可避の不純物からなるアルミニウム合金を溶体化処理し、約２００^OＦ/秒より遅い速度で徐冷焼入れすることを含んでいる。
本発明のこれら及びその他の目的は、以下の説明から明らかになるであろう。

発明を実施する最良の形態
本発明は、良好な耐クラッシュ特性(crash resistant properties)を有するアルミニウム合金シート製品を提供することである。ここで用いられる「シート」とは、厚さ０.２〜６.３ｍｍのアルミニウム合金製品を意味する。自動車の車体用シート製品の場合、厚さは約０.７〜３.５ｍｍが望ましい。アルミニウム合金シート製品は、良好な耐クラック特性、つまり衝突安全性を具備している。本発明の目的である材料の衝突安全性(crashworthiness)とは、目立ったクラックを発生することなく、塑性変形によるエネルギーを吸収できる能力を意味する。シート製品の衝突安全性は、臨界破壊歪(critical fracture strain: CFS)によって定量化される。

望ましい製法は、公知の又は連続的方法によるアルミニウム合金インゴットの鋳造工程、熱間圧延工程、中間焼鈍し工程、冷間圧延工程、溶体化処理工程、及び徐冷焼入れ工程を含んでいる。徐冷焼入れ工程は、例えば空気焼入れ(air quench)又は最小歪の水焼入れ(minimum distortion water quench)である。溶体化処理と徐冷焼入れの工程は、連続式の加熱装置又はテンパーラインで行なうことが望ましい。徐冷焼入れの後、所望により、シートは再加熱され、コイル冷却される。選択的に行われる冷却工程は、オフラインのバッチ処理として行なうことが望ましい。溶体化処理工程及び徐冷焼入れ工程と、選択的な再加熱工程を、図１に図式化して示している。

溶体化熱処理(solution heat treatment)工程は、アルミニウム合金シートを連続式加熱装置の中を通過させることにより行われ、上流工程で生成した可溶相(soluble phases)をほぼ溶解させる。この工程の代表的条件は、炉内温度８００〜１１００^OＦ、通過速度２０〜１５０フィート/分である。温度と炉内滞留時間は、合金の組成とゲージに基づいて調節することができる。

徐冷焼入れ(slow quenching)工程では、シートは、連続式加熱炉の加熱ゾーンから出た後、固溶体の溶質が維持されるように制御された速度で焼入れさる。これは、例えば、空冷又は最小歪の水冷により行なうことができる。本発明の目的は、比較的遅い焼入れ速度を用いることにより、所望の物理的特性を具えつつ、シートの歪を最小にすることである。ここで用いる「徐冷焼入れ」という語は、約２００^OＦ/秒よりも遅い速度、望ましくは約１００^OＦ/秒よりも遅い速度での焼入れを意味する。空冷方法の焼入れ速度は、望ましくは約２０〜１００^OＦ/秒、より望ましくは４０〜７０^OＦ/秒の範囲である。水冷方法の焼入れ速度は、望ましくは５０〜１０００^OＦ/秒、より望ましくは１００〜２００^OＦ/秒の範囲である。

選択的に行なう再加熱工程では、加熱装置は、焼入れ装置の後に設けられ、ラインの出口側のコイルハンドリング装置の直前に設けるのが望ましい。加熱装置によってシートの温度は昇温し、所定のコイリング温度に達する。コイリング温度は、約１３０〜１９０^OＦが望ましい。コイルの冷却工程では、昇温したコイルは、一般的に、金属の５０００〜５００００ポンド質量のような遅い速度で徐冷される。これは、約０.１〜５^OＦ/hourの冷却速度に相当する。

本発明の一実施例では、アルミニウム合金シートの成分組成を調節することにより、所望の耐クラッシュ性が得られる。ＳｉとＭｇを調節することにより、高強度が得られる。Ｍｎは、特に熱処理中におけるシートの結晶粒を調節するのに十分な量である。適当な合金として、６００９、６０６０、６０６３及び６００５のよな６ｘｘｘ合金を挙げることができる。合金組成の代表的範囲、望ましい範囲、より望ましい範囲を表１に示している。

特に望ましいＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ−Ｍｎ合金を表２に示している。表２は、望ましい６ｘｘＡ合金と６０６０合金の組成を重量％で表しており、残部はＡｌ及び不可避の不純物である。

本発明の利点は、アルミニウム合金シート製品の衝突安全性の向上にあり、この衝突安全性は、臨界破壊歪(ＣＦＳ)と軸方向の圧壊試験によって測定される。標準のｒ＆ｎ引張試験から得た工学的応力−歪のデータを用いて、臨界破壊歪は次式より求められる。
ＣＦＳ＝−ｌｎ（１ｅ_t,eng）
但し、式中、ｅ_t,engは工学的シニング歪(engineering thinning strain)の合計を表している。工学的シニング歪の合計は、ｅ_m、Ｆ_m及びＦ_fの関数であって、
Ｆ_t,eng＝ｆ（ｅ_m，Ｆ_m，Ｆ_f）で表される。
ここで、ｅ_mは最大負荷での工学的歪(engineering strain)、Ｆ_mは最大負荷での工学的応力(engineering sress)、Ｆ_fは破壊負荷での工学的応力である。

ＣＦＳの算定の際に用いた工学的仮定は、厚さ方向と幅方向の歪は最大負荷(Ｐ_max)まで同じであること、Ｐ_maxの後の真の応力は一定であること、Ｐ_maxの後の幅方向の歪は一定であることである。このようにして、破壊時におけるシニング歪の合計を求めることができる。本発明によれば、ＣＦＳの衝突安全性の最小値は１５が望ましいが、１８以上であることがより望ましい。
各種合金における代表的な特性比較を表３に示している。

厚さ２.０ｍｍの材料を１２ロット製造した。製造条件の詳細を表４に示している。熱間圧延の前に、各鋳造試料を切り出し、５９０℃で８時間予熱した後、５６０℃で９時間加熱した。主な変数は、合金の成分組成と、熱間圧延後に約１５０^OＦ/秒の冷却速度でのスプレー徐冷焼入れの有無と、連続式加熱炉(ＣＨＴ)のライン速度である。６ｘｘＡ合金と６０６０合金の組成については、表２に示している。

シートの評価は、Ｔ４テンパー(temper)の状態と、１８０℃(３６５^OＦ)での焼付塗装を模した処理後の状態について行なった。図２は、焼付塗装処理を行なう間、熱電対を取り付けたシート試料について、温度−時間の関係をプロットしたものである。

Ｔ４テンパー後のシートの引張特性を表５に示している。ＣＨＴのライン速度が速くなるにつれて、Ｔ４降伏強度は僅かに低下する傾向を示しているが、これは、ライン速度が速いと、Ｍｇ₂Ｓｉの固溶が不十分であったと考えられる。他のＴ４特性については、多少の変動が認められる。

予歪(pre-strained)１０％のＴ４シートを用いて行なった曲げ試験の結果では、両合金とも、徐冷焼入れが曲げに有利であることを示している。徐冷焼入れを行なった両合金は、最大鋭角曲げにも耐えた。９０度曲げ(downflange)試験及びヘム加工試験の結果では、両合金とも、フラットヘムが可能であることを示している。

焼付塗装後におけるシートのｒ＆ｎ引張特性は、ゲージ長さ２インチの試料を用いて測定した。表６は、ｒ＆ｎ引張試験のデータを示している。

図３は、処理条件と合金の降伏強度の関係をプロットしたものである。ＣＨＴのライン速度が最も速いものは、Ｍｇ₂Ｓｉの溶解が不十分であり、降伏強度が低下する傾向を示している。ギニエＸ線データによれば、ライン速度が速い条件で処理した材料に、Ｍｇ₂Ｓｉが存在することを示している。

図４ａは、表６に示す６０６０試料を、ＣＨＴ速度１１ｍ/分での溶体化処理と徐冷焼入れを行なったもので、１８５℃での焼付塗装時間と、Ｒｍ(引張強度)、Ｒｐ０.２(降伏点)及びＡ値(伸び)との関係を示すグラフである。図４ｂは、図４ａと同様なグラフで、６ｘｘＡ試料を、ＣＨＴ速度１１ｍ/分での溶体化処理と徐冷焼入れを行なったときのものである。

クラッシュテスト用として、断面が矩形で、６３ｍｍ×１３３ｍｍのボックスを作製した。スポット溶接又はリベットを、中心間距離約１インチの間隔で設けている。なお、最初と最後の溶接又はリベットについては、端部から約１/２インチの位置である。スポット溶接又はリベットの個数は、フランジ１箇所について２０である。Gurit Essex社が商品名Betamate 1494で販売している接着剤(一成分系の高靱性エポキシ)を、温めた状態でボックスの側面シーム部に沿って施した後、リベット留めを行なう。空気加熱されたカートリッジ型ガンを用いて、接着剤の温度を約４０〜５０℃(１０４〜１２２^OＦ)にする。接合すべき金属部品についても、接着剤の流動性と濡れ性を高めるために、接着剤の温度と略同じ温度まで加熱する。スポット溶接又はリベット留めを行なう直前に、温められた金属のフランジに接着剤を塗布する。溶接を指定したのと同じ位置に、リベットを取り付けた。次に、エンドキャップを被せて、適当な位置で溶接する。作製されたボックスに焼付塗装を施す。焼付塗装後のボックスについて、軸方向の圧壊試験を行なった。１００ｍｍ、１５０ｍｍ及び２００ｍｍ変位したときの圧壊荷重と吸収エネルギーを表７に示す。

圧壊試験後のボックスの外観について、コンピュータ創成図を図５乃至図８に示している。図５中、図５ａ〜図５ｃは、表７の試料No.１を異なる位置から見たときのコンピュータ創成図である。図６ａ〜図６ｃは、試料No.２のコンピュータ創成図である。図７ａ〜図７ｃは、試料No.３のコンピュータ創成図である。図８ａ〜図８ｃは、試料No.４のコンピュータ創成図である。試験した試料について、定量化可能な圧壊パラメータに有意差はなかった。

本材料の性能は、衝突安全性が要求されるシート合金製品の目標に適合するものであった。シートの焼付塗装後の降伏強度は約２３５ＭＰａ、全伸びは１５％であり、静的圧壊性能(static crush performance)は良好であった。Ｔ４特性は、満足し得る成形性を示している。

本発明の具体的実施例を例示して説明したが、当該分野の専門家であれば、特許請求の範囲に記載された発明から逸脱することなく、本発明の詳細について種々の変形をなし得ることは明らかであろう。

本発明の実施例に係るプロセスの概略図であって、アルミニウムシートの溶体化処理と徐冷焼入れの工程を示す図である。焼付塗装処理中の温度と時間の関係を示すグラフである。２種類の異なる６ｘｘｘ合金について、本発明の徐冷焼入れを行なった場合と行わなかった場合の強度特性を示すもので、降伏強度と、連続加熱炉のライン速度との関係を示すグラフである。２種類の異なる合金について、１８５℃で焼付塗装処理を行なったときの引張特性と焼付塗装時間の関係を示すグラフである。２種類の異なる合金について、１８５℃で焼付塗装処理を行なったときの引張特性と焼付塗装時間の関係を示すグラフである。６０６０合金シートから作ったクラッシュボックス(徐冷焼入れなし)を異なる位置から見たときのコンピュータ創成図である。６ｘｘＡ合金シートから作ったクラッシュボックス(徐冷焼入れあり)を異なる位置から見たときのコンピュータ創成図である。６０６０合金シートから作ったクラッシュボックス(徐冷焼入れあり)を異なる位置から見たときのコンピュータ創成図である。６ｘｘＡ合金シートから作ったクラッシュボックス(徐冷焼入れなし)を異なる位置から見たときのコンピュータ創成図である。

Claims

Ｓｉ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｇ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｎ約０.１〜０.３重量％、残部Ａｌ及び不可避の不純物からなり、溶体化処理及び徐冷焼入れされたアルミニウム合金シート。
Ｓｉは約０.５８〜約０.６８重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
Ｓｉは約０.６０〜約０.６６重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
Ｍｇは約０.５６〜約０.６６重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
Ｍｇは約０.５８〜約０.６４重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
Ｍｎは約０.１２〜約０.１８重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.３５重量％以下のＦｅを含んでいる請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.３０重量％のＦｅを含んでいる請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.２５重量％のＦｅを含んでいる請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.２０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.１０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項１のアルミニウム合金シート。
Ｓｉは約０.５８〜約０.６８重量％であり、Ｍｇは約０.５６〜約０.６６重量％であり、Ｍｎは約０.１２〜約０.１８重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.３０重量％のＦｅと約０.１０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項１２のアルミニウム合金シート。
Ｓｉは約０.６０〜約０.６６重量％、Ｍｇは約０.５８〜約０.６４重量％、Ｍｎは約０.１２〜約０.１８重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.２５重量％のＦｅと約０.１０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項１４のアルミニウム合金シート。
Ｓｉは約０.６２重量％、Ｍｇは約０.６０重量％、Ｍｎは約０.１５重量％である請求項１のアルミニウム合金シート。
アルミニウム合金は約０.２０重量％のＦｅを含んでいる請求項１６のアルミニウム合金シート。
シートは１５以上の臨界破壊歪を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１８以上の臨界破壊歪を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは２２０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは２３０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは２４０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１５以上の臨界破壊歪と２２０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１５以上の臨界破壊歪と２３０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１５以上の臨界破壊歪と２４０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１８以上の臨界破壊歪と２２０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１８以上の臨界破壊歪と２３０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは１８以上の臨界破壊歪と２４０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは約０.７〜約３.５ｍｍの厚さを有している請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは自動車の車体用シートである請求項２９のアルミニウム合金シート。
シートは２００^OＦ/秒よりも遅い速度で徐冷焼入れされている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは約２０〜１００^OＦ/秒の速度で徐冷焼入れされている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは約４０〜７０^OＦ/秒の速度で徐冷焼入れされている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは約１５０^OＦ/秒の速度で徐冷焼入れされている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは空気焼入れされている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートはさらにコイル冷却されている請求項１のアルミニウム合金シート。
シートは約０.１〜約５^OＦ/時の冷却速度でコイル冷却されている請求項３６のアルミニウム合金シート。
シートは約１３０〜約１９０^OＦの初期コイリング温度からコイル冷却されている請求項３６のアルミニウム合金シート。
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｍｎを含有し、残部Ａｌ及び不可避の不純物からなるアルミニウム合金を溶体化処理し、該アルミニウム合金を徐冷焼入れすることを含んでいるアルミニウム合金シートの処理方法。
シートは、約２００^OＦ/秒より遅い速度で徐冷焼入れされる請求項３９の方法。
シートは約２０〜１００^OＦ/秒の速度で徐冷焼入れされる請求項３９の方法。
シートは約４０〜７０^OＦ/秒の速度で徐冷焼入れされる請求項３９の方法。
シートは空気焼入れされる請求項３９の方法。
シートはコイル冷却される請求項３９の方法。
シートは約０.１〜約５^OＦ/時の冷却速度でコイル冷却される請求項４４の方法。
シートは約１３０〜約１９０^OＦの初期コイリング温度からコイル冷却される請求項４４の方法。
アルミニウム合金は、Ｓｉ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｇ約０.５〜約０.７重量％、Ｍｎ約０.１〜約０.３重量％、残部Ａｌ及び不可避の不純物からなる請求項３９の方法。
Ｓｉは約０.５８〜約０.６８重量％、Ｍｇは約０.５６〜約０.６６重量％、Ｍｎは約０.１２〜約０.１８重量％である請求項４７の方法。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.３０重量％のＦｅと約０.１０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項４８の方法。
Ｓｉは約０.６０〜約０.６６重量％、Ｍｇは約０.５８〜約０.６４重量％、Ｍｎは約０.１２〜約０.１８重量％である請求項４７の方法。
アルミニウム合金は約０.１５〜約０.２５重量％のＦｅと約０.１０重量％以下のＣｕを含んでいる請求項５０の方法。
Ｓｉは約０.６２重量％、Ｍｇは約０.６０重量％、Ｍｎは約０.１５重量％である請求項４７の方法。
シートは１５以上の臨界破壊歪と、２２０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは１５以上の臨界破壊歪と、２３０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは１５以上の臨界破壊歪と、２４０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは１８以上の臨界破壊歪と、２２０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは１８以上の臨界破壊歪と、２３０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは１８以上の臨界破壊歪と、２４０ＭＰａ以上の降伏強度を有している請求項３９の方法。
シートは約０.７〜約３.５ｍｍの厚さを有している請求項３９の方法。
シートは自動車の車体用シートである請求項３９の方法。