JP2007254833A - 拡管用アルミニウム合金押出材 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３０％以上の大きい拡管率で電磁成形する場合でも、割れの発生のない拡管成形性に優れたアルミニウム合金押出材を得る。
【解決手段】 Ｓｉ：０．２〜１．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含み、残部Ａｌ及び不純物からなり、平均粒径２００μｍ以下の再結晶組織を有し、アスペクト比が５以上のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の分布密度が２０個／１００，０００μｍ^２以下である管状の押出材。電磁成形により端部にフランジを成形してバンパーステイを製造するのに好適に利用できる。拡管率は、未拡管部の外周長さをｌ_０とし、拡管部の外周長さ（フランジ成形であればフランジの外周長さ）をｌとすると、δ＝｛（ｌ−ｌ_０）／ｌ_０｝×１００（％）で表される。
【選択図】 図４

Description

本発明は、主として電磁成形による拡管性に優れ、自動車のバンパーステイのほか、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレームあるいは接合部等の成形に好適な拡管用アルミニウム合金押出材に関する。

例えば乗用車やトラック等の自動車車体の前端（フロント）及び後端（リア）に設置されるバンパー内部には、補強部材としてバンパーリインフォースが設けられている。バンパーリインフォースは一般に荷重方向に略垂直に向く前壁と後壁、及びそれらを連結する横壁を有する断面中空の部材であり、後方側から一対のバンパーステイにより支持され、各バンパーステイは後端がサイドメンバ（フロント又はリア）の先端に固定されている。

近年、バンパーリインフォースについて、軽量化のためにアルミニウム合金押出材が使用されるようになり、バンパーステイについても、同じくアルミニウム合金押出材が使用され始めている。アルミニウム合金押出材からなるバンパーステイには、大きく分けて縦圧壊型と横圧壊型があり、縦圧壊型のバンパーステイ１は、図１（ａ）に示すように、軸部２を構成する管状の押出材の前後端に板状の取付用フランジ３，４（バンパーリインフォース５及びサイドメンバ６の取付用）を溶接したもので、押出軸方向が車体前後方向を向き、横圧壊型バンパーステイ７は、図１（ｂ）に示すように、縦壁８〜１０の前後端に一体的に前後壁１１，１２（バンパーリインフォース５及びサイドメンバ６の取付用）が形成された押出材からなり、押出軸方向が車体上下方向を向いている。

横圧壊型のバンパーステイは、製造コストが安く、大量生産に適し、図１（ｂ）に示すようにバンパーリインフォースの端部取付箇所が車幅方向に対し傾斜又は湾曲していても、容易に対応できる利点があるが、縦圧壊型のバンパーステイに比べて重量比エネルギー吸収量が小さく、優位な軽量化効果が得られないという問題が指摘されている。逆に、縦圧壊型のバンパーステイは、縦に蛇腹状に圧壊する際のエネルギー吸収量が大きく、優位な軽量化効果が得られるという利点があるが、管状の押出材の前後端に板状の取付用フランジを溶接により取り付けることが、コスト面でネックとなっている。

縦圧壊型バンパーステイにおけるこの問題を解決するため、下記特許文献１，２では、電磁成形により中空の押出材の端部にフランジを一体的に形成することが提案されている。
この電磁成形の例を図２に示す。図２では、管状の押出材１５の周囲を電磁成形用の金型１６（複数個の分割金型から構成される）で囲繞するとともに、押出材１５の端部を金型１６の端面１７，１８（成形面）から突出させ、押出材１５の内部に挿入した電磁成形用コイル１９に電気エネルギーを投入し、これにより押出材１５の端部周壁を外径方向（放射方向）に拡開して金型の前記成形面１７，１８に押し付けることにより、フランジ２１，２２（必要に応じて片方のみもあり得る）を有するバンパーステイ２０を成形している。フランジ２１の幅はＷで示されている。
この方法によれば、前記金型の成形面を適宜の形状とすることで、軸方向に垂直な面を有するフランジだけでなく、軸方向に垂直な面に対して傾斜したフランジ、あるいは湾曲面からなるフランジなど、バンパーリインフォース５（図１参照）の取付面の形状に応じた形状のフランジを一度の電磁成形で成形することができる。

ところが、バンパーステイとして実用的なレベルの強度を有するアルミニウム合金について、押出材の端部を電磁成形により拡開してフランジを形成する場合、大きい幅（Ｗ）のフランジを形成しようとすると、図３（ａ）に示すように、フランジに径方向に向く割れ２３が生じ、また、いわゆる拡管を行う場合でも、拡管率が大きいと、図３（ｂ）に示すように、押出軸方向に沿って同様の割れ２４が発生する。
これに対し、下記特許文献３には、Ｓｉ：０．２〜１．５％（質量％、以下同じ）及びＭｇ：０．３〜１．５％を含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、板厚中心部の結晶粒の平均アスペクト比が５．０以下の再結晶組織とすることにより電磁成形性が向上し、１５％以上の拡管率で電磁成形したときにも割れの発生が防止できることが記載されている。

特開２００４−１８９０６２号公報 特開２００４−２３７８１８号公報 特開２００５−１０５３２７号公報

しかし、ボルト穴の打ち抜きスペースを確保でき、バンパーリインフォースやサイドフレームへの取付用フランジとして利用できる広幅のフランジとするためには、管状押出材の端部をさらに大きい拡管率で電磁成形することが求められている。
従って、本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の電磁成形性を改善して、さらに大きい拡管率で電磁成形する場合でも割れが発生しないようにすることを目的とする。

本発明に係る拡管用アルミニウム合金押出材は、Ｓｉ：０．２〜１．５％、Ｍｇ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含み、残部Ａｌ及び不純物からなり、平均粒径２００μｍ以下の再結晶組織を有し、アスペクト比が５以上のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の分布密度が２０個／１００，０００μｍ^２以下であることを特徴とする。なお、晶出物の粒径は晶出物の長軸方向の長さを意味し、アスペクト比は晶出物の長軸と短軸の軸比を意味する。
このアルミニウム合金は、さらに（１）Ｔｉ：０．００５〜０．２％、（２）Ｃｕ：０．３％以下、（３）Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下の１種又は２種以上、のいずれか又は前記（１）〜（３）のいずれか１又は２以上を組み合わせて含むことができる。
この拡管用アルミニウム合金押出材は、プレス焼き入れ後のＴ１処理材の状態で拡管用に用いられ、拡管後に時効処理される。

本発明において、拡管率δは、電磁成形による拡管前（又は未拡管部）の管状押出材の外周長さをｌ_０、拡管後の外周長さをｌとしたとき、下記（１）式で定義される。具体例を説明すれば、フランジ成形の場合、これも一種の拡管とみて、図４（ａ）に示すように、未拡管部２５の外周長さをｌ_０、フランジ２６の外周長さをｌとし、いわゆる拡管の場合、図４（ｂ）に示すように、未拡管部２７の外周長さをｌ_０、拡管部２８の外周長さ（最大径の箇所）をｌとする。
δ＝｛（ｌ−ｌ_０）／ｌ_０｝×１００（％）・・・・（１）

本発明によれば、例えば３０％以上という大きい拡管率で電磁成形する場合でも、割れや微小クラックの発生のない電磁成形性に優れたアルミニウム合金押出材を得ることができる。これにより、そのアルミニウム合金押出材を利用して、端部に広幅のフランジが形成された軸部材、例えばバンパーステイや、長さ方向の一部が外径方向に大きく張り出した軸部材を製造することができる。

続いて、本発明に係るアルミニウム合金の組織及び組成について説明する。
再結晶組織
前記特許文献３にも開示されたとおり、アルミニウム合金押出材によく見られるファイバー組織では、電磁成形による拡管成形性が低下し、割れが発生しやすい。ファイバー組織の場合、押出方向に平行な粒界がほとんどであり、電磁成形により瞬間的に投入される拡管の成形力は、その粒界を分断する（引き裂く）方向に作用するからである。ファイバー組織では一般に、押出方向に垂直な方向の伸びが小さいことも影響している。これに対し、再結晶組織の場合、押出方向及び押出方向に垂直な方向で伸びは大きく変わらない。しかし、再結晶粒の平均粒径が２００μｍを超えると、拡管成形性が低下するため、本発明では平均粒径が２００μｍ以下の再結晶組織とする。

晶出物
Ｍｇ、Ｓｉを主成分とする６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）合金では、アルミニウム合金中の晶出物は主にＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物である。このような晶出物はマトリックスに対してはいわば異物であり、大変形加工を行う場合はできるだけ避けたいものであるが、これはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金ではほぼ不可避な晶出物である。なお、特開２００１−２３４２７１号公報、特開平１１−３２３４７２号公報、特開平９−３１５８２号公報、特開昭５９−１４３０３９号公報等に、６０００系合金中のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物に関する記載がある。
Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物は球状で靱性の高いαタイプと、針状で脆いβタイプの２種類に大きく分類されるが、本発明者らは、光学顕微鏡で観察される晶出物のうちアスペクト比の大きいβタイプの存在数が少ないことが、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の拡管成形性を向上させることを見いだした。なお、拡管成形のような大変形成形においては、βタイプのＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物はマトリックスの変形に伴い、晶出物自身が分断し又はクラックが発生し、それを起点としてマトリックスに亀裂が伝搬し、最終的にマトリックスに割れが発生するものと推測される。

具体的には、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物を光学顕微鏡（５００倍）で観察し、観察可能な粒径２μｍ以上の晶出物のうち、アスペクト比が５以上のものを２０個／１００，０００μｍ^２以下に減少させることにより、電磁成形による拡管において優れた拡管成形性が得られる。なお、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物のαタイプとβタイプを正確に分類することは、Ｘ線回折等の物理分析が必要であり、全ての晶出物を分析することは現実的には不可能であるが、光学顕微鏡で観察される晶出物のうちアスペクト比が５以上のものはほぼ全てがβタイプであり、残りのほぼ全てがαタイプであると推測される。

Ｓｉ、Ｍｇ
Ｓｉ及びＭｇは、合金に強度を付与する元素である。Ｓｉ含有量が０．２％未満又はＭｇ含有量が０．３％未満では時効硬化の効果が十分でなく、最終製品としたときの強度が出ない。自動車のバンパーステイ等の構造部材として必要とされる強度は、一般に耐力値で１５０Ｎ／ｍｍ^２以上である。一方、Ｓｉが１．５％を超え又はＭｇが１．５％を超えると強度への寄与は飽和するとともに、Ｓｉが１．５％を超えた場合は拡管成形性が低下して電磁成形時に割れが発生し、Ｍｇが１．５％を超えると変形抵抗が高くなりすぎて押出性が低下する。Ｓｉ及びＭｇの望ましい範囲は、Ｓｉ：０．２〜１．０％、Ｍｇ０．４〜０．９％である。より望ましい範囲は、Ｓｉ：０．３〜０．６％、Ｍｇ０．５〜０．７％である。

Ｔｉ
Ｔｉは鋳造時における結晶粒を微細化する作用があり、電磁成形による拡管性が向上するため適宜添加される。望ましい添加量は、０．００５％以上である。一方、０．２％を越えると前記効果が飽和し、さらに、粗大な金属間化合物が晶出して、かえって電磁成形による拡管性を阻害する。添加する場合のＴｉの添加量は０．００５〜０．２％とし、より望ましくは０．００５〜０．１５％、さらに０．０１〜０．１％、さらに望ましくは０．０１〜０．０５％である。
Ｃｕ
Ｃｕは強度を向上させる元素であり適宜添加されるが、添加量が増えるとともに焼き入れ感受性を鋭敏化させ、押出後のファン空冷による焼き入れを困難にする。そのため、添加量は０．３％以下とする。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ
これらの元素は金属間化合物として晶出及び析出して結晶粒を微細化する作用があり、必要に応じて添加される。しかし、再結晶を抑制して押出材にファイバー組織が残留しやすくなるため、前記特許文献３にも記載されているように、等軸晶又は等軸晶に近い再結晶粒組織（アスペクト比（長軸と短軸の平均軸比）が５．０以下）を得るという観点から、これらの元素の添加量は少ない方がよい。また、添加量が多く粗大な金属間化合物に成長した場合、再結晶粒が粗大化する弊害が出てくる。従って、添加する場合は、Ｍｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下とする。
Ｆｅ
Ｆｅは本来不純物である。不純物としてアルミニウム合金中に最も多く含まれ、その含有量はアルミニウム合金中のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の形態に影響を及ぼす。Ｆｅ含有量が０．３％を超えるとアスペクト比が５以上の晶出物（βタイプ）が多くなり、拡管成形性が低下する。

製造方法
本発明では、押出材を再結晶組織とすると同時に、再結晶粒の粗大化を防止して平均粒径を２００μｍ以下に規制する必要がある。そのためには、組成面ではＭｎ等の添加量を前記の範囲に規制するとともに、製造条件面と組成面のバランスをとる必要がある。具体的には、Ｍｎ等の添加量がファイバー組織が形成されない程度に少ない場合、押出温度及び押出速度を余り高くしないで結晶粒の粗大化を抑える。Ｍｎ等の添加量がそれより多い場合、均質化処理条件を高温長時間側としてＭｎ等の金属間化合物粒を成長させ、これによりピン止め作用を低下させて再結晶を生じやすくし、押出温度及び押出速度をやや高くし、再結晶を促進させる。
また、本発明では、アスペクト比が５以上のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の分布密度を２０個／１００，０００μｍ^２以下に減少させる。そのためには、針状のβタイプのＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物をα化する必要があるが、均質化処理はその有効な手段である。均質化処理は、５５０℃以上の温度で２時間以上保持する条件で行う必要がある。

本発明に係るアルミニウム合金押出材は、種々の押出方式で製造することができるが、直接押出より間接押出の方が、押出材表面に粗大な再結晶粒が形成されるのを防止する意味で望ましく、また、ポートホール方式よりマンドレル方式の方が、断面における組織の均一性を確保する（溶着部がない）意味で望ましい。
なお、本発明に係る押出材は円形断面のものに限られず、例えば楕円、多角形等の異形断面のものを含む。また、円形断面のものを楕円、多角形等の異形に拡管する場合を含み、又はその逆もあり得る。

表１に示す化学成分のアルミニウム合金鋳塊を半連続鋳造法により溶製し、このビレットに表２に示す均質化処理を施した後、ボートホールダイスを用いて外径８０ｍｍ、肉厚２．５ｍｍのパイプ状の押出材を製作した。押し出しはビレット温度５００℃、押出速度が５ｍ／ｍｉｎの条件で行い、押出直後にファン空冷（冷却速度約１００℃／ｍｉｎ）で冷却した。
得られた押出材を供試材とし、下記要領で各種試験を行った。その結果を表２に示す。

拡管試験；
押し出したままの供試材（Ｔ１処理材）を長さ１５０ｍｍに切断して試験材とし、先に図２で説明したと同様に、周囲を電磁成形用の金型で囲繞するとともに、試験材の一方の端部を金型の端面（軸方向に対して垂直な平面とした）から突出させ、試験材の内部に電磁成形用コイルを挿入し、電気エネルギーを投入して、試験材の端部に軸方向に垂直なフランジを電磁成形した。金型端面からの試験材の突出長さにより拡管率を設定できる。
拡管率を段階的に上げてフランジに割れ（微小クラック含む）が発生するまで拡管試験を行い、割れの発生がなかった最大の拡管率を、前記（１）式に基づいて算出した。拡管率３０％以上を合格とした。

結晶粒径；
結晶粒の平均粒径は、供試材から採取した試料を研磨し、苛性ソーダでエッチングを行った後、光学顕微鏡で観察し、ＪＩＳ切断法にて測定した。なお、全ての供試材において、結晶粒径の平均アスペクト比は５以下であった。
Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の個数；
供試材から採取した試料を研磨し、光学顕微鏡（５００倍）で観察し、画像解析装置にて粒径２μｍ以上、アスペクト比が５以上の晶出物の個数を測定した。
引張試験；
供試材に１８０℃×６時間の熱処理を加えてＴ５処理材とし、ＪＩＳ１２号引張試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張試験を行った。バンパーステイや他の構造材として必要とされる耐力（σ_０．２）１５０Ｎ／ｍｍ^２以上を合格とした。

表２に示すように、合金の組成と、アスペクト比≧５の晶出物個数及び平均結晶粒径が本発明の規定範囲内の試験Ｎｏ．１，２は、３０％以上の拡管率を有し、機械的特性にも優れる。
一方、Ｓｉ含有量が少ないＮｏ．３とＭｇ含有量が少ないＮｏ．５は、時効後の強度が不足している。Ｓｉ含有量が多いＮｏ．４は、アスペクト比５以上の晶出物個数が多く、拡管成形性が低下している。Ｍｇ含有量が多いＮｏ．６は、変形抵抗が高く押出加工ができなかった。Ｆｅ含有量が多いＮｏ．７は、アスペクト比５以上の晶出物個数が多く、拡管成形性が低下している。Ｍｎ等の含有量が多いＮｏ．８は、結晶粒が粗大化して強度が低下し、アスペクト比５以上の晶出物個数が過剰なＮｏ．４，７等ほどではないが拡管率が低下している。Ｃｕ含有量が多いＮｏ．９は、ファン空冷による焼き入れが不十分で強度が低下している。均質化処理温度の低いＮｏ．１０及び均質化処理の保持時間が短いＮｏ．１１はアスペクト比５以上の晶出物個数が多く、拡管成形性が低下している。

２種類のバンパーステイについて説明する平面図である。 電磁成形方法を説明する平面図（ａ）及びそのＩ−Ｉ断面図（ｂ）である。 電磁成形による拡管時に発生する割れを説明する図である。 本発明の拡管率の定義を説明する図である。

符号の説明

１，７ バンパーステイ
５ バンパーリインフォース
６ サイドメンバ
１５ 押出材
１６ 金型
１７，１８ 端面（成形面）
１９ 電磁成形用コイル
２１，２２ フランジ
２３，２４ 割れ

Claims (6)

1. Ｓｉ：０．２〜１．５％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．３〜１．５％、Ｆｅ：０．３％以下を含み、残部Ａｌ及び不純物からなり、平均粒径２００μｍ以下の再結晶組織を有し、アスペクト比が５以上のＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物の分布密度が２０個／１００，０００μｍ^２以下であることを特徴とする拡管用アルミニウム合金押出材。
2. さらにＴｉ：０．００５〜０．２％を含むことを特徴とする請求項１に記載された拡管用アルミニウム合金押出材。
3. さらにＣｕ：０．３％以下を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載された拡管用アルミニウム合金押出材。
4. さらにＭｎ：０．２％以下、Ｃｒ：０．１％以下、Ｚｒ：０．１％以下、Ｖ：０．１％以下の１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された拡管用アルミニウム合金押出材。
5. Ｔ１処理材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載された拡管用アルミニウム合金押出材。
6. 拡管率が３０％以上の電磁成形用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載された拡管用アルミニウム合金押出材。

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