JP2007239005A

JP2007239005A - 室温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法

Info

Publication number: JP2007239005A
Application number: JP2006061533A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakamori; 孝中森; Kosaku Shioda; 浩作潮田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】常温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法において、生産性を向上させる。
【解決手段】質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．０％、Ｓｉ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、４８０〜５８０℃で溶体化処理を施し、該溶体化後に５℃／秒以上で６０〜１２０℃に急冷し、該急冷後６０〜１２０℃の温度域で５秒以上５分以内保持する低温予備時効処理を施し、その後１５０〜２００℃の温度域で５秒以上５分以内保持する高温予備時効処理を施し、さらに、６０〜１２０℃の温度域で１分以上１時間以内保持する最終時効処理を施すことを特徴とする常温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法である。さらに、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有させても良い。
【選択図】なし

Description

本発明は、塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法に関し、特に、自動車ボディパネル等、成形加工ならびに塗装焼付け処理を施して用いられる、塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板及びその製造方法に関するものである。

近年、自動車の燃費向上を目的とした車体軽量化の要望が高まっており、軽量化手段の一つとして自動車ボディパネル等へのアルミニウム合金板が使用されている。熱処理型のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００系アルミニウム合金といい、単に、６０００系合金ともいう。）は、塗装焼付け工程の熱処理により降伏強度が上昇する性質（塗装焼付け硬化性という。）を有するため、板厚の薄肉化ひいては車体の軽量化に有利であり、ボディパネル材として使われることが多くなってきている。

従来、６０００系合金の塗装焼付け硬化性については、溶体化・焼入れ後に熱処理を加えることによって降伏強度を上昇させる方法が種々開示されている。

例えば、特許文献１では、溶体化焼入れ処理後、７２時間以内に４０〜１２０℃の温度で８〜３６時間の最終熱処理を行う発明が開示されている。

また、特許文献２では、溶体化処理後室温以上の５０〜１３０℃に温度に焼入れて、その温度に１〜４８時間の長時間熱処理を行った後、さらに１４０〜１８０℃の温度範囲で３〜１０分間の低温加熱処理を行う発明が開示されている。

また、特許文献３でも、溶体化焼入れ後６０分以内に４０〜１２０℃の温度で５０時間以上の熱処理を行う発明が開示されている。

また、本発明者の一部は、特許文献４に溶体化処理後に２５℃以下まで５℃／秒以上で急冷し、急冷後５分以内保持し、その後６０〜１２０℃で５秒〜１２０分保持する低温予備時効処理を施し、１５０〜２４０℃で３０秒〜３０分間保持する高温予備時効処理を施す発明を開示した。

また、特許文献５には、成形性及び塗装焼付時の強度上昇のため、溶体化処理後に８０℃／ｍｉｎ以上で５０〜１５０℃まで冷却し、そのまま５０〜１５０℃に０．５〜５０時間保持し、その後８０℃／ｍｉｎ以上において１８０〜２８０℃で０〜１７０秒保持する発明が開示されている。

また、特許文献６に、板製造後の経時変化を抑制し、良好な成形加工性、十分な焼付き硬化性を得るために、保持処理、再加熱処理の後に、１４０℃以下まで冷却後、７２時間以内に５０〜１４０℃で０．５〜５０時間保持する安定化処理を行うことが開示されている。

特開平０５−００７４６０号公報特開平０４−２１０４５６号公報特開２００３―１０５４７１号公報特開２００６―９１４０号公報特開平６―２４０４２４号公報特開平６―２７２０００号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１〜３に記載の発明は、自動車ボディパネル用材料として塗装焼付け時に大きな強度上昇を図り、かつ板製造後から成形加工までの室温放置中の自然時効による強度上昇を抑えるためには、いずれの場合も溶体化処理以降に長時間の熱処理を行う必要があり、生産性を犠牲にして製造しなければならないという問題がある。

また、特許文献４及び特許文献５に開示された発明は、溶体化処理後に低温予備時効処理、高温予備時効処理を施すという点では類似している。しかし、この２段時効処理ではアルミ合金中の過飽和元素が大量に残存するため、本発明ではさらに６０〜１２０℃で１分以上１時間以内の最終予備時効処理を施している点で相違する。本発明のように２段時効処理の後、さらに時効処理を行って過飽和元素を低減すると、アルミ板製造後の室温時効によるクラスター発生を抑えることができ、自然時効による強度上昇を抑制する効果が極めて大きい。

また、特許文献６に開示された発明は、請求項２に溶体化処理後に１５０℃以下に冷却している。しかしこれは溶体化後の冷却が目的であり保持時間は特に明記されておらず、７２時間以内と記載されているのは次工程の処理までの時間で保持温度は記載されていない。それに対し本発明は溶体化後６０〜１２０℃で５秒〜１２０保持する低温予備時効処理を施すのは高密度低成長のβ”を生成することを目的としている点で本発明と相違する。

自動車ボディパネル向けの６０００系アルミニウム合金の需要は近年増加しつつあり、今後のさらなる需要増加に対応していくためには生産性に優れた製造方法が必要とされるようになってきた。

そこで、本発明は、上記従来技術の生産性の問題を有利に解決できる、特に自動車ボディパネルの外板等に好適な、板製造後から成形加工までの室温放置中の自然時効による強度上昇が抑制され、すなわち室温非時効性に優れ、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法を提供することを目的とするものである。

６０００系合金における時効硬化性は、微細な析出物が高密度に形成されることによって生じる。そこで、本発明者らは、塗装焼付けという１７０〜１８０℃程度で２０〜３０分の短時間の熱処理によって大きな強度上昇量を得るためには、塗装焼付け処理前の材料はどのような状態にあるべきかについて鋭意検討を行った。

塗装焼付け処理のような温度で形成される析出物は、６０００系合金の場合ＭｇとＳｉから構成される金属間化合物（β”相と呼ばれる）である。このβ”相を板の製造段階で微細かつ高密度に形成させておくことができれば、塗装焼付け処理段階でこのβ”相を成長させて大きな強度上昇を得ることができるだけでなく、板製造後の室温放置中の経時変化をも抑制することができる。

本発明の要旨は以下のとおりである。
（１）質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．０％、Ｓｉ：０．５〜１．５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金板に４８０〜５８０℃で溶体化処理を施し、該溶体化後に５℃／秒以上で６０〜１２０℃に急冷し、該急冷後６０〜１２０℃の温度域に５秒以上５分以内保持する低温予備時効処理を施し、その後１５０〜２００℃の温度域に５秒以上５分以内保持する高温予備時効処理を施し、さらに６０〜１２０℃の温度域に１分以上１時間以内保持する最終予備時効処理を施すことを特徴とする室温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法。
（２）質量％で、さらに、Ｃｕ：０．１〜１．０％を含有することを特徴とする上記（１）記載の室温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法。

本発明により、自動車のエンジンフード、トランクリッド等のパネル材として好適な、高い塗装焼付け硬化性を有する６０００系アルミニウム合金板を高生産性にて製造することが可能になり、産業上の貢献が極めて顕著である。

本発明者らは、６０００系アルミニウム合金板の塗装焼付け硬化性を支配するβ”相形成挙動について鋭意検討を行い、その結果として見出された知見に基づき、溶体化処理後の熱処理パターン及び合金成分を適切に規定し、良好な塗装焼付け硬化性を有するアルミニウム合金板を、短時間の予備時効処理によって得ることが可能な本発明を成すに至った。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明のアルミニウム合金板は、従来の一般的な方法にしたがって溶解、鋳造、熱間圧延、冷間圧延によって製造された板に対して、本発明で規定した溶体化処理及び低温予備時効処理、高温予備時効処理、さらに、最終予備時効処理（以下、低温予備時効処理、高温予備時効処理及び最終予備時効処理を総称して予備時効処理という。）を施すことによって製造される。ただし、鋳片に均質化焼鈍を施しても良く、また冷間圧延の途中に中間焼鈍を行っても構わない。

先ず、溶体化処理について説明を行う。従来の一般的な方法に従って得られた冷間圧延板に対して溶体化処理を施すが、溶体化処理温度は４８０℃未満ではＭｇ₂ＳｉやＳｉ相の固溶が不十分であり、塗装焼付け硬化性が低下するだけでなく、成形性も劣化する。一方、溶体化処理温度が５８０℃超では、共晶融解が起きる場合があり成形性の低下を招く恐れがあり、また、結晶粒の粗大化による肌荒れが生じやすくなり好ましくない。溶体化処理温度に到達後、保持時間は特に限定はしない。よって保持せずに直ちに冷却しても良いが、３０分以内の所定時間保持することによりＭｇ₂ＳｉやＳｉ相の固溶が促進され、塗装焼付け硬化性、成形性が向上するため、３０分以内の所定時間の保持が好ましい。しかし、溶体化処理温度での保持時間が３０分を超えても効果があまり大きくなく、工業的にも時間を要し好ましくない。

溶体化処理後の冷却速度は、５℃／秒未満では冷却過程で結晶粒界にＭｇ₂Ｓｉ相やＳｉ相等が析出し、成形性、塗装焼付け硬化性が劣化するため、下限を５℃／秒とした。粒界析出を抑制し、溶質原子の過飽和度を十分に確保する点で好ましい下限は１０℃／秒以上である。冷却速度の上限は特に規定はしない。

溶体化処理後の急冷温度及び低温予備時効処理条件の限定理由は以下の通りである。急冷温度及び低温予備時効処理温度が６０℃未満では、クラスター（６０００系アルミニウム合金において常温近傍で形成される溶質原子の集合体で、この相が形成されると塗装焼付け硬化性が阻害される。）が形成されてしまい、引き続き行う高温予備時効処理でのβ”相の析出促進ならびに析出組織の微細化効果が不十分となってしまう。一方、急冷温度及び低温予備時効処理温度を１２０℃超とするとβ”相の成長のため析出促進が大きくなりすぎて相自体が大きくなり微細化効果が十分に得られない。また、急冷温度を６０〜１２０℃にすると、大きな規模な装置を必要とせず、アルミニウム合金板の変形を防止することができ、比較的簡単に冷却できる。

低温予備時効処理の保持時間については、５秒未満では上述の効果が確保できず、一方、５分超の保持を行っても高温予備時効処理によって初期強度が高くなり過ぎて、成形性が劣化してしまう。上記の理由により、溶体化処理後の急冷温度及び低温予備時効処理の温度範囲は６０〜１２０℃とし、低温予備時効処理の保持時間は５秒〜５分間とした。

次に高温予備時効処理の説明を行う。高温予備時効処理温度は１５０℃未満では十分な塗装焼付け硬化性が確保できるようなβ”相を短時間に形成させることができない。また、２００℃超では初期強度が高くなり過ぎて、成形性が劣化してしまう。また、保持時間については３０秒未満では十分な塗装焼付け硬化性が確保できない。一方、５分超の保持を行うと強度が高くなり過ぎ、成形性が劣化してしまうばかりでなく、本発明が目的とする生産性を損なう。上記の理由により、高温予備時効処理条件は、１５０〜２００℃の温度範囲において３０秒〜５分間保持することを条件とした。

上記の低温予備時効処理及び高温時効処理を行ってもＳｉやＭｇはまだ過飽和状態で残っている。そのため、室温時効を行うとクラスターが多く発生し、塗装焼付け硬化性が劣化する。そこで、本発明では、低温予備時効処理及び高温時効処理を施した後、再度６０〜１２０℃以下で１分以上１時間以内保持する最終予備時効処理を施す。これにより、過飽和状態のＳｉ及びＭｇによるβ”の核を高密度に生成し、かつ高温で処理しないため成長を抑えるため初期強度も低く、過飽和元素が少なくなるため室温時効においてクラスターの発生が抑えられ、室温非時効性が向上し、かつ、β”の核が多いため塗装焼付け硬化性向上の効果が大きくなる。保持時間が１分未満では室温非時効性及び塗装焼付け硬化性の向上という効果が小さくなり、１時間超ではβ”が成長するため初期強度が高くなり塗装焼付け硬化性の効果が減少する。

最終予備時効処理後は、室温まで冷却する。この際の冷却速度は特に規定しないが、通常、最終予備時効処理後のアルミニウム合金板はコイル状であるため、徐冷される。

表１の成分組成を有する６０００系アルミニウム合金を溶解し、ＤＣ鋳造法により鋳造した。得られた鋳塊に５３０℃で１０時間の均質化焼鈍を施した後、５１０℃で熱間圧延を開始し、２５０℃で板厚を５ｍｍとして熱間圧延を終了した。その後１ｍｍまで冷間圧延を行い、表２に示すように、溶体化処理条件を変化させて、溶体化処理並びに低温予備時効処理、高温予備時効処理及び最終予備時効処理を施した。これらのアルミニウム合金板を、熱処理直後及び室温で９０日間放置した後、引張特性、塗装焼付け硬化性を評価した。

引張特性は、板圧延方向（Ｌ方向）、圧延方向から４５°の方向（Ｄ方向）、圧延方向に直角な方向（Ｃ方向）を長手とする、ＪＩＳＺ２２０１に準拠した５号試験片を採取して、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張試験を行い、３方向の面内異方性を考慮した平均値で評価した。尚、耐力は成形性の観点より１４０ＭＰａ以下のものを良好として評価した。塗装焼付け硬化性は、Ｃ方向を長手として、引張試験機で２％の塑性歪を与えた後、１７０℃で２０分の熱処理を行い、再び引張試験を行い、２％耐力を測定し、熱処理後の耐力が１９０ＭＰａ以上のものを良好として評価した。この結果を表３に示す。

実施例１と同様にして製造した、表１の成分組成を有するアルミニウム合金板に、表４に示すように、低温予備時効処理条件を変化させて、溶体化処理及び予備時効処理を施した。これらのアルミニウム合金板を、熱処理直後及び室温で９０日間放置した後、引張特性、塗装焼付け硬化性を実施例１と同様にして評価した。結果を表５に示す。

実施例１及び２と同様にして製造した、表１の成分組成を有するアルミニウム合金板に、表６に示すように、高温予備時効理条件を変化させて、溶体化処理及び予備時効処理を施した。これらのアルミニウム合金板を、熱処理直後及び室温で９０日間放置した後、引張特性、塗装焼付け硬化性を実施例１及び２と同様にして評価した。結果を表７に示す。

実施例１、２及び３と同様にして製造した、表１の成分組成を有するアルミニウム合金板に、表８に示すように、最終予備時効処理条件を変化させて、溶体化処理及び予備時効処理を施した。これらのアルミニウム合金板を、熱処理直後及び室温で処理直後及び９０日間放置した後、引張特性、塗装焼付け硬化性を実施例１、２及び３と同様にして評価した。結果を表９に示す。

Claims

質量％で、
Ｍｇ：０．４〜１．０％、
Ｓｉ：０．５〜１．５％
を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるアルミニウム合金板に４８０〜５８０℃で溶体化処理を施し、該溶体化後に５℃／秒以上で６０〜１２０℃に急冷し、該急冷後６０〜１２０℃の温度域に５秒以上５分以内保持する低温予備時効処理を施し、その後１５０〜２００℃の温度域に５秒以上５分以内保持する高温予備時効処理を施し、さらに６０〜１２０℃の温度域に１分以上１時間以内保持する最終予備時効処理を施すことを特徴とする室温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法。
質量％で、さらに、
Ｃｕ：０．１〜１．０％
を含有することを特徴とする請求項１記載の室温非時効性、成形性及び塗装焼付け硬化性に優れた６０００系アルミニウム合金板の製造方法。