JP2006299295A

JP2006299295A - アルミニウム合金の高温成形方法

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Publication number: JP2006299295A
Application number: JP2005118301A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takada; 健高田; Masao Kikuchi; 正夫菊池
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-11-02

Abstract

【課題】製造コストの小さいアルミニウム合金の高温での変形量の大きい成形方法を提案する。
【解決手段】アルミニウム合金に、温度域４００℃以上６５０℃以下、保持時間１秒以上１０分以下の溶体化熱処理工程を施し、続く降温時の２００℃以上６００℃以下の温度にて１×１０^-1／秒以下の歪速度で成形する溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。成形後５０℃以上２５０℃以下の温度域にて１０分以上保持することが好ましい。成分は、Ｍｇを２．０％以上８．０％以下を含み、残部がアルミニウム、または、Ｍｇを０．１％以上１．０％以下、Ｓｉを０．２％以上２．０％以下を含み、残部がアルミニウムであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミニウム合金の高温での成形方法に関する。

自動車含め各種輸送機器の燃費削減、および排出される二酸化炭素や排気ガスの低減のため、構造材料の軽量化が進められている。この軽量化対策の一つの手段が鋼に替わりアルミニウム合金を適用することである。

自動車用材料において構造材料を鋼からアルミニウム合金へ適用する際の問題の一つが、アルミニウム合金は鋼に比べて成形性が劣る点である。その他の欠点としては素材価格が高いことが挙げられるが、適用に際して最も大きな問題がこの成形性が劣ることと言える。

アルミニウム合金の成形性向上の方法としては、素材の改善と成形方法の改善が考えられる。このうち、素材の改善に関しては、従来よりも格段に成形性が向上する高成形材料を開発することは困難である。

一方、成形方法の改善においては、各種成形方法のアルミニウム合金への適用の提案がなされている。高温での成形は、鋼並みの成形性が得られる有効な方法として考えられている。高温での成形については、例えば、特許文献１あるいは特許文献２に記されており、通常のアルミニウム合金を使用して冷間成形に比較して成形性改善が達成されている。しかし、この高温成形にも適用における問題がある。温度の調整、すなわち昇温降温に大きな時間と熱量がかかることであり、これらのため製造コストは高くなる。このために高温での成形方法は実用化には至っていない。

冷間での成形における変形量は限られたものである。冷間での成形性を大きく向上させるには、冷間での成形の途中に歪取り焼鈍を入れれば可能である。しかし、歪取り焼鈍には上記と同様で、昇温降温に大きな時間と熱量がかかり、これらのため製造コストは高くなる。

特開平６―１７０４５３号公報特開平８−６６７２９号公報

本発明の課題は、製造コストが低く、かつ、高温での変形量の大きいアルミニウム合金の成形方法を提案することである。

高温での成形の問題点は、昇温、降温に費やす時間と熱量のコストであり、これを低減させることが本発明の具体的な課題である。

通常の高温での成形は、冷延焼鈍板を高温に加熱し、所定の温度にて保持しながら成形を行い、成形終了後は温度を下げるという順序で行われる。この工程における、工程時間の大幅な短時間化、すなわち高速での成形、あるいは温度を低くして所要熱量を大幅に低減させることが実施上の課題である。この短時間化と低熱量化について検討したが、有効な手段は見出せなかった。

本発明者等は、問題解決のために板の製造工程まで遡り、製造工程の一部と成形工程とを併せることで課題の解決を図った。すなわち、板製造時の冷間圧延後に行う溶体化熱処理の焼鈍工程のプロセスに高温でのプレス成形工程を組み込むことを考えた。

通常、冷間圧延後は溶体化熱処理、酸洗などの表面調整を経て板材は出荷され、プレス現場まで移動した後プレスが行われる。このプレス工程を溶体化熱処理に組み込むこと、つまり熱処理直後の高温時にてプレスを行うことで、２つの工程を１工程にし短時間化を図る。また、焼鈍時の熱量を利用することで高温成形に必要な熱量のコストを低減させることを考えた。しかし、一方で、この様な工程は従来材料以上の特性が得ることが必要である。したがって、２つの工程を１工程にし短時間化を図るにしても、低コスト化と同時に特性の確保が必要である。

なお、材料には冷間圧延後の材料が低コストであり最適ではあるが、既に歪焼鈍および溶体化熱処理を施した材料でも同様な成形性向上の効果は得られる。

本発明者らは上記の課題に鑑み、鋭意研究の結果、溶体化処理後の徐冷中に低歪速度で加工すれば大変形が可能であることを明らかにした。

本発明は、以上をもとにしてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
［１］質量でＭｇを２．０％以上８．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金に、温度域４００℃以上６５０℃以下、保持時間１秒以上１０分以下の溶体化熱処理工程を施し、続く降温時の２００℃以上６００℃以下の温度にて１×１０^-1／秒以下の歪速度で成形することを特徴とする溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。
［２］質量でＭｇを２．０％以上８．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金に、温度域４００℃以上６５０℃以下、保持時間１秒以上１０分以下の溶体化熱処理工程を施し、続く降温時の２００℃以上６００℃以下の温度にて１×１０^-1／秒以下の歪速度で成形し、５０℃以上２５０℃以下の温度域にて１０分以上保持することを特徴とする溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。
［３］前記アルミニウム合金が質量で、Ｍｇを０．１％以上１．０％以下、Ｓｉを０．２％以上２．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金であることを特徴とする［１］または［２］に記載の溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。

本発明により、従来の冷延焼鈍板から高温成形する場合に比べて低コストで複雑形状のアルミニウム合金の成形部品が製造できる。その結果、本発明はアルミニウム合金を使用することによる自動車車体などの輸送機器の軽量化に大きく貢献する。

以下に本発明の詳細について示す。

まず、溶体化熱処理の温度域は、添加元素にもよるが、アルミニウム合金の場合ではおよそ４００℃以上６５０℃以内の温度域である。この溶体化処理によりアルミ合金中の強度向上に寄与する析出物を構成する元素を一旦素材中に溶け込ませる。それ故、容体化処理後の降温中のアルミニウム合金は強度を失っているが、高温であるが故に加工により導入した歪が回復しやすく、延性が増し、加工しやすい状態になっている。

高温での成形方法は成形にて導入された歪をその場で消去、すなわち加工時に導入された歪を直ちに回復させて成形の限界を拡大させる現象を利用したものである。高温での深絞り成形では、加工による加工硬化が回復により低下し、その結果、室温の場合よりも流入抵抗が低下し、流入量が増加して深絞り性は向上する。高温での深絞り成形はこの現象を利用したものである。また、高温での張り出し成形方法は加工にて導入された歪を回復させて破断歪までの高い伸びが得られる現象を利用したものである。したがって、高温での成形は、回復が起こる温度以上に加熱することが必要となる。しかし、より高温の融点直下まで材料温度を上げてしまえば、結晶粒界の強度が低下して逆に成形性が低下する。このような結晶粒界の強度が低下する温度はおよそ６００℃より上であるので、高温成形は溶体化熱処理後の降温時の６００℃より下にて実施すべきである。一方、高温成形の実施温度の下限は、回復現象が発現する２００℃以上にすべきである。

このような高温での成形性能の向上は低歪速度にて達成される。歪速度が高くなれば、単位時間あたりに導入される歪量は増大する。高温にて回復される、すなわち歪が除去される量は一定温度ではほぼ一定とみなせるので、歪速度を高くすれば、回復量は少なく、蓄積される歪量が多くなり、破断限界の歪量までの延性が小さくなる。それゆえ、高温での成形性の向上には低歪速度が必要であると言える。したがって、歪速度の上限は、高温での成形性向上の効果が得られる値としておよそ１×１０^-1／秒である。一方、下限値は１×１０^-5／秒である。この下限値未満に歪速度を低下させても大きな成形性向上の変化は得られないばかりでなく、生産性が極端に落ちてしまう。したがって、高温成形での歪速度は１×１０^-5／秒以上とすることが望ましい。なお、歪速度１×１０^-1／秒以下の加工では加工時間が長いが、従来の冷延焼鈍材を用いた高温成形における昇温降温に要する大きな時間及び熱量に比較すれば、これら時間及び熱量は少なくてすみ、低コストになる。

ところで、自動車用の外板パネルには、成形性に加えて高い剛性が要求されている。材質としては、プレス成形、塗装焼付けの後に、高剛性として、高い降伏強度が要求されている。従来、アルミニウム合金の塗装焼付け後の強度向上は析出物により達成させてきた。このような析出物はプレス成形性を阻害する要因でもある。

従来の工程では溶体化熱処理後におよそ２５０℃以下の温度域での時効処理を施し、プレス成形性を阻害しない範囲の大きさの微細な析出物を析出させた。プレス成形後には、これらの析出物は塗装焼付けの熱処理にて成長し、降伏強度を向上させて、剛性は高くなる。しかし、この様な工程では、析出可能な析出量を全て強度向上に寄与させることは出来ない。

本発明の溶体化工程と成形工程を併せた場合では、この時効処理は高温での成形直後に行えば良い。つまりプレス成形後に析出処理を施すので、プレス成形の阻害を考慮することなく析出処理ができる。このような強度向上に寄与する析出物の析出温度域は、添加元素に依るが、およそ５０℃以上２５０℃以下である。また、析出に要する所要時間も添加元素に依るが１０分以上である。したがって、成形品に高い剛性を与える場合には、成形後には５０℃以上２５０℃以下の温度域にて１０分以上保持することが必要である。上限は特に設けないが、保持時間２０時間で十分な量の析出物が析出する。なお、温度保持は常に一定の温度に保持する必要はなく、保持時間内にて上記温度域を降温する工程であっても効果は同じであり、問題ではない。

ところで、このような高温での成形に望ましいアルミニウム合金はＭｇを添加した５０００系合金である。しかし、重量％で２．０％未満であれば有効な高温での成形性は得られない。逆に、Ｍｇを多量に添加では熱間脆性の発生という問題点を有している。その上限は明確ではないが、およそ８．０％以上と推測される。

したがって、成形品の自由度を上げる場合には高温での成形性の高いＭｇ添加の５０００系材料を使用すべきであり、それは重量％でＭｇを２．０％以上含むことが必要である。

また、成形性に加えて成形品の剛性を更に高めるためには、塗装焼付け工程として強度向上に有効な析出物が析出する、ＭｇとＳｉを添加元素とした６０００系合金が望ましい。これら添加元素を含んだ場合には、ＭｇとＳｉの析出物が時効処理にて生成し、これは強度向上に大きく寄与する。これら元素を多量に添加すれば、それだけ析出量が増えて強度は向上する。Ｍｇでは１．０％で、Ｓｉでは２．０％でこの成形性向上の効果は飽和し、多量の添加は材料素材のコストを上げることにもなる。そこで、高い剛性を有する成形品を得る場合には、重量％でＭｇを０．１％以上１．０％以下、Ｓｉを０．２％以上２．０％以下含む６０００系アルミニウム合金を使用することが望ましい。

表１は試験に供した材料の成分を示したものである。試験には全て１ｍｍ厚の冷間圧延材を用いた。ＡとＢの材料はＭｇ添加の５０００系合金であり、この添加量では、Ｍｇは固溶状態にあり析出物は形成しない。一方、ＣとＤはＭｇとＳｉを添加の６０００系合金であり、熱処理によりＭｇとＳｉの析出物を形成する。

図１は冷間圧延材を用いて実施した試験の工程図である。（１）は、５４０℃にて１分間保持した後、放冷し５００℃に到達した時点で成形を行い、終了後は室温まで放冷する工程を示す。ここでの成形加工として、深絞り性評価には小型試験機によるＬＤＲ、張出性評価には引張試験での伸びを用いた。ＬＤＲの計測では、試験片を大気炉にて５４０℃で１分間保持し、その後大気中にて５００℃まで冷却後、小型試験機を用いた深絞り試験にて実施した。このとき、金型による抜熱で２００℃未満に下がらないよう金型を加熱している。一方、伸びは大気炉内での引張試験にて求めた。試験は、５４０℃で１分間保持し、その後大気中にて５００℃まで冷却した後に１×１０^-3／ｓの歪速度にて実施した。このとき大気による冷却で２００℃未満に下がらないように試験片周りの雰囲気を２００℃以上に加熱した。それらの試験結果は表２中の高温成形欄のＬＤＲと伸び（Ｅｌ）にそれぞれ記した。

（２）は（１）の工程に対する通常の工程図である。大気炉にて５４０℃１分間の保持の後、大気中にて放冷後、（１）と同じ深絞り試験と引張試験を室温にて行い、ＬＤＲと伸び（Ｅｌ）を求めた。それらの結果は表２中の室温成形欄のＬＤＲと伸び（Ｅｌ）にそれぞれ記した。

（３）は（１）の成形工程の後の冷却にて、試験片温度が１００℃に達した時点で再び大気炉にて１００℃にて１時間の保持を行い、その後再び室温まで放冷し、室温到達後は塗装焼付け工程に相当する１８０℃２０分の熱処理を実施した工程である。塗装焼付け工程の熱処理後には剛性を評価するための引張試験を実施した。この試験で得られた降伏強度は表２中の高温成形欄のＢＨ後ＹＳに記した。なお、この工程では引張試験の試験片を用いた。溶体化熱処理後の成形では、実際の成形を再現するために１０％の引張歪を付与した。

（４）は（２）の成形の後に塗装焼付け工程に相当する１８０℃２０分の熱処理を実施する工程である。その後、剛性を評価するための引張試験実施した。この試験で得られた降伏強度は表２中の室温成形欄のＢＨ後ＹＳに記した。なお、この工程でも試験片は引張試験片であり、成形では実際の成形を再現するために１０％の引張歪を付与した。

以上の４工程において、［１］の発明は（１）の工程に相当し、それに対して比較する通常の工程は（２）に相当する。また、［２］の発明は（３）の工程に相当し、それに対して比較する工程は（４）に相当する。

なお、上記の深絞り成形試験では直径７５ｍｍの円筒ポンチを使用した円筒深絞り試験であり、引張試験は、全長７０ｍｍゲージ部の長さ１２ｍｍ幅８ｍｍの試験片を用いた。

各材料ともに、高温成形でのＬＤＲおよび伸び（Ｅｌ）は、室温で得られたそれらに比べて大きい。このことは、高温成形により、深絞りおよび張り出し、あるいはそれらを混合した成形は、従来通りに室温で成形するよりも大きく向上している。したがって、溶体化熱処理工程に成形工程を併せた［１］の発明では、成形性は従来以上の値であることが示された。

また、６０００系合金であるＣとＤの材料では、塗装焼付け後の剛性は従来以上の値を有している。このことは、上記工程の後に高温での時効熱処理の工程を加えることで、従来以上の剛性が得られることを示している。したがって、［３］に記載した成分系では、従来以上の剛性が得られた。

一方、５０００系アルミニウム合金であるＡ，Ｂは、６０００系アルミニウム合金であるＣ，Ｄに比べて、ＬＤＲおよび伸びともに優れ、高温での成形性が優れていることが言える。また、Ｃ，ＤはＡ，Ｂに比べてＢＨ後のＹＳの上昇が大きく、剛性が大きく改善されると言える。

したがって、５０００系のアルミニウム合金では成形性が、６０００系のアルミニウム合金では成形性に加えて剛性が、従来値以上になることが示された。

以上より、溶体化熱処理の工程に成形の工程を加えることで２工程を１工程にしても、成形性、剛性は、従来の２工程での値に劣ることなく、むしろそれ以上の良好な値になることが示された。

試験の工程図である。

Claims

質量でＭｇを２．０％以上８．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金に、温度域４００℃以上６５０℃以下、保持時間１秒以上１０分以下の溶体化熱処理工程を施し、続く降温時の２００℃以上６００℃以下の温度にて１×１０^-1／秒以下の歪速度で成形することを特徴とする溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。
質量でＭｇを２．０％以上８．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金に、温度域４００℃以上６５０℃以下、保持時間１秒以上１０分以下の溶体化熱処理工程を施し、続く降温時の２００℃以上６００℃以下の温度にて１×１０^-1／秒以下の歪速度で成形し、５０℃以上２５０℃以下の温度域にて１０分以上保持することを特徴とする溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。
前記アルミニウム合金が質量で、Ｍｇを０．１％以上１．０％以下、Ｓｉを０．２％以上２．０％以下を含み、残部がアルミニウム及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１または２に記載の溶体化熱処理工程を兼ねたアルミニウム合金板の成形方法。