JP2010100879A

JP2010100879A - 光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材

Info

Publication number: JP2010100879A
Application number: JP2008271724A
Authority: JP
Inventors: Hajime Nakada; 一中田; Keitaro Yamaguchi; 恵太郎山口
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-05-06

Abstract

【課題】高純化を要することなく、光輝性、耐応力腐食割れ性に優れ、さらに高い強度を有し、車両用ホイールに好適なアルミニウム合金材を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｃｒ：０．３１〜０．４５％、Ｃｕ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記不可避不純物中でＦｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１０％以下に制限されており、引張強度を２１０ＭＰａ以上にできるので、光輝性に優れ、さらに高強度かつ耐食性に優れたホイール用展伸材などを提供できる。また、高純度地金を必要とすることなく優れた光輝性が得られるため、低コストで製造できる。
【選択図】なし

Description

この発明は、自動車や二輪車等に用いられる車両用ホイール（２ピース、３ピース用など）などの材料に好適な光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材に関するものである。

自動車や二輪車等の車両用ホイールには、軽量性及び意匠性、耐食性に優れたアルミニウム合金製のホイールが広く用いられている（例えば特許文献１参照）。アルミホイールは鋳造や鍛造による１ピースホイール、展伸材を成形加工して製造する２ピースホイール及び３ピースホイールがある。このうち、２ピースホイールや３ピースホイールはデザインの自由度が高いため、意匠性の観点では有利である。
２ピースホイールや３ピースホイールでは、アルミニウム本来の光沢感を利用した、いわゆる光輝ホイールが多い。光輝性を付与する処理方法としては、成形加工したホイールリムにバフ研磨及び化学研磨を行って表面を鏡面化し、アルマイト処理する方法がコスト的に有利である。
特開平１１−２１６４８号公報

ところで、上記した化学研磨とアルマイトにより光輝性を得る方法では、アルミニウム素材中のＦｅやＳｉといった不純物、また合金成分が少ないほど高い光輝性が得られる。しかし、不純物を低減するためには地金を高純化しなければならず、コストが上昇する問題がある。

また、ホイール材では高い強度が必要となる。最近では、ホイールの大径化が進み、軽量化のためには薄肉化する必要があり、このために、より高い強度が要望されている。高強度化のためにはＭｇやＣｕ等の合金成分の添加は必須であるが、これら合金成分も光輝性を低下させる。また、ＭｇやＣｕは含有量の増加と共に、粒界腐食感受性が高まり、耐応力腐食割れ性が低下するという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、地金の高純化を特に必要とすることなく、優れた光輝性、強度、耐応力腐食割れの特性を発揮する高強度アルミニウム合金材を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材のうち、第１の本発明は、質量％で、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｃｒ：０．３１〜０．４５％、Ｃｕ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記不可避不純物中でＦｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１０％以下に制限されることを特徴とする。

第２の本発明の光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材は、前記第１の本発明において、引張強度が２１０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

以下に、本発明で規定する組成等の限定理由について説明する。なお、以下の成分含有量はいずれも質量％で示されている。

Ｍｇ：２．５〜４．５％
ＭｇはＡｌに対して固溶度が高く、合金の強度を高める。一方で、添加量が多いと、光輝性及び耐応力腐食割れ性が低下する。２．５％未満ではホイールリムとしての強度が不足し、４．５％を超えると光輝性が低下し、また応力腐食割れの危険性がある。
応力腐食割れ感受性は、一般的に、Ｍｇ添加量が３．５％以上になると、調質や加工状態によって高まる。これは、β相（Ｍｇ_２Ａｌ_３）が結晶粒界に連続的に析出し、この相はマトリックスに対し卑であるため、腐食環境において優先的に溶解し、粒界腐食が生じるためと考えられている。本発明では、Ｃｒの添加量を調整することにより、応力腐食割れ感受性を低減させている。

Ｃｒ：０．３１〜０．４５％
Ｃｒはマトリックスの電位を貴にする。化学研磨の際、ＦｅやＣｕをそれぞれ含む金属問化合物はマトリックスよりも貴であるため、溶解電位差により周囲のマトリックスが溶解し、ピットを形成させるため、光輝牲が低下するが、Ｃｒの添加により、溶解電位差が小さくなるため、ピットの形成を抑制し光輝性が向上する。

また、Ｃｒは合金の強度を高め、さらには、耐応力腐食割れ性を高める。前述のように、Ｍｇを３．５％以上含むＡｌ−Ｍｇ系合金では応力腐食割れ性の危険があるが、Ｃｒを所定量以上添加することにより、応力腐食割れの要因であるβ相の析出を抑制して、粒界腐食の活性点を減少させるため、粒界腐食感受性が低下し、耐応力腐食割れ性が向上する。ただし、Ｃｒの添加量が多いと、アルマイト皮膜が白濁し光輝性が低下する。このため、０．３１〜０．４５％とした。なお、同様に理由で、下限を０．３３％、上限を０．４０％とするのが望ましい。

Ｃｕ：０．０２〜０．１５％
Ｃｕは、Ｃｒと同様に合金の強度を高めると共に、マトリックスの電位を貴にするため、化学研磨性が向上し、光輝性が向上する。しかし、含有量が多い場合、製造条件によってはＡｌ−Ｃｕ系やＡｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系の金属間化合物が析出し、これにより光輝性が低下する。また、これらは結晶粒界に析出するため、マトリックスに対し卑なＰＦＺ（無析出帯〉が形成され、粒界腐食感受性を高め、耐応力腐食割れ性が低下する。このため、Ｃｕ含有量を０．０２〜０．１５％とする。なお、同様に理由で、下限を０．０４％、上限を０．１０％とするのが望ましい。

Ｆｅ：０．０６％以下
Ｆｅは不可避不純物として材料に含有され、Ａｌ−Ｆｅ系の金属間化合物として晶出または析出する。前述のように、Ａｌ−Ｆｅ系金属開化合物はマトリックスに対し貴であるため、化学研磨の際、溶解電位差によりＡｌ−Ｆｅ系金属間化合物周囲のマトリックスが溶解し、ピットを形成する。また、アルマイト皮膜中に取り込まれ、これらによって光輝性が低下する。ただし、本発明では、Ｃｒ及びＣｕの添加量の調整により格別に制限しなくとも良好な光輝性が得られる。従って、原料として高純度Ａｌ地金を用いる必要がなく、コストを下げることが可能である。このため、Ｆｅ含有量を０．０６％以下とした。

Ｓｉ：０．１０％以下
ＳｉもＦｅと同様に不可避不純物して材料に含有され、Ａｌ−Ｆe−Ｓｉ系の金属間化合物として存在し、またＭｇを含む場合はＭｇ−Ｓｉ系の金属間化合物として存在するため、やはり光輝性を低下させる。ただし、ＳｉはＦｅに比べ光輝性に及ぼす影響は小さい。このため、Ｓｉ含有量を０．１０％以下とする。

引張強度２１０ＭＰａ以上
２ピースホイールではローリング加工やスピニング加工が施され、３ピースホイールにおいてもスピニング加工が施される。これら成形加工を可能にするためには展伸材は軟質材である必要があり、調質はＯが望ましい。また、薄肉化のために高強度が必要となる。このため展伸材の強度は、調質Ｏにおいて引張強度２１０ＭＰａ以上とするのが望ましく、さらには、２４０ＭＰａ以上とするのが一層望ましい。

合金の強度を高める元素として、Ｍｇ及びＣｕが有効であるが、これらは前述のように、含有量を増加すると光輝性及び耐応力腐食割れ性を低下させる。本発明では、光輝性への影響が小さいＣｒを所定量添加することにより、強度を高め、さらに耐応力腐食割れ性を向上させている。合金成分を本発明の成分範囲にすることで、高強度かつ優れた光輝性及び耐応力腐食割れ性を実現できる。

以上説明したように、本発明の光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム材は、質量％で、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｃｒ：０．３１〜０．４５％、Ｃｕ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記不可避不純物中でＦｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１０％以下に制限されており、引張強度を２１０ＭＰａ以上にできるので、以下に示す効果が得られる。
（１）優れた化学研摩性を有するため、光輝性に優れたホイール用展伸材などが得られる。
（２）高強度かつ耐食性に優れたホイール用展伸材などが得られる。
（３）高純度地金を使用せずとも優れた光輝性が得られるため、低コストで製造できる。

以下に、本発明の実施形態について説明する。
本発明の組成を有するアルミニウム合金をＤＣ鋳造法等により鋳造し、熱間圧延を施して所定の板厚のアルミニウム合金板を得る。必要に応じて均質化処理を施してもよい。熱間圧延仕上げ温度は、Ａｌ−Ｆｅ系、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系等の金属間化合物の析出や結晶粒の粗大化を抑制するため、２５０〜４００℃とすることが望ましく、また熱間圧延後は速やかに冷却することが望ましい。熱間圧延後、必要に応じて冷間圧延を施してもよい。
また、圧延板の製造においては、連続鋳造圧延法を採用することも可能である。
圧延板に対しては、その後、バッチ焼鈍や連続焼鈍により最終焼鈍を行う。この最終焼鈍条件は特に限定しないが、結晶粒粗大化や金属間化合物の析出を抑制する観点より、例えば、バッチ焼鈍では３００〜４００℃、１〜５時間とすることが望ましい。

このようにして得られたアルミニウム合金板は、ローリング、溶接、スピニング等によリホイールリムに成形加工される。このホイールリムは、表面をダイヤモンドバイトによる切削加工やバフ研磨等の機械的処理を施した後、化学研磨により鏡面化し、その後、アルマイト処理を行う。化学研磨の代わりに電解研磨、またアルマイト処理の代わりに化成処理を採用することも可能である。

これら一連の光輝処理は常法により行うことができ、処理の方法及び条件は本発明としては特に限定されるものではない。ただし、コスト及び光輝性の観点から、リン酸−硝酸系の化学研磨、硫酸浴で処理する硫酸アルマイトが望ましい。リン酸−硝酸系の化学研磨では、処理温度は８０〜１２０℃、時間は３０〜２４０秒とすることが望ましい。また、硫酸アルマイト処理では、５〜２０質量％の硫酸浴中で、定電圧制御であれば５〜２０Ｖ、定電流制御であれば０．５〜２．０Ａ／ｄｍ^２で１〜１５分間処理して、１〜４μｍの酸化皮膜厚さを形成することが望ましい。

本発明材は、光輝性が要求される自動車や二輪車用のアルミニウムホイールに好適に用いられるが、本発明の用途がこれに限定されるものではなく、光輝性等が必要とされる他の用途への適用も当然に可能である。

表１に示す組成（残部Ａｌとその他不可避不純物）のアルミニウム合金を常法により鋳造し、５２０℃、１時間の均熱処理を行い、これを熱間圧延し、さらに冷間圧延し、厚さ５ｍｍのアルミニウム合金板を作製した。次いで、３８０℃、３時間の最終焼鈍を行った。

このアルミニウム合金板を５０ｍｍ角に切断し、＃２００のエメリー紙で研磨した後、１μｍのアルミナ粒子でバフ研磨し、さらにリン酸−硝酸系の化学研磨液（商品名：ラサブライト、ラサ工業（株））により、浴温１００℃、処理時間１２０秒で化学研磨処理し、鏡面に仕上げた。ついで、１５％硫酸溶液中で１．２５Ａ／ｄｍ^２の定電流電解処理を行い、アルマイト皮膜２μｍを形成するアルマイト処理を行った。

上記供試材について以下の項目について評価を行い、その結果を表１に示した。

（１）引張強さ
最終焼鈍後の供試材について引張試験を行った。引張強度２１０ＭＰａ以上を合格とした。
（２）光輝性
光輝性は、光沢度計による鏡面反射率測定により評価した。入射光−反射光の角度は６０°−６０°とし、圧延目に対し平行に光を照射し、銀鏡を１００として相対的な鏡面反射率を測定した。７５以上を合格とした。
（３）耐応力腐食割れ性
応力腐食割れは粒界腐食によって発生することから、アノード電解により粒界腐食感受性を調べることにより耐応力腐食割れ性を評価するものとし、最終焼鈍後の供試材について評価した。
なお、評価に先立ち、粒界腐食感受性を高めるため、１５０℃、７日間の加熱処理（鋭敏化処理）を行った。アノード電解は、Ｃｒ：１００ｐｐｍ、ＳＯ_４ ^２−：３００ｐｐｍを含む常温の水溶液中で、電流密度０．５ｍＡ／ｃｍ^２の定電流により２４時間行った。発生した腐食ピットの任意の５箇所について、その断面を光学顕微鏡により観察し、粒界腐食が発生していないものを○、粒界腐食が一部見られるがその深さが１００μｍ未満のものを△、粒界腐食の深さが１００μｍ以上のものを×とした。

表１に示されるように、本発明の供試材は、高い強度（２１０ＭＰａ以上）を有するともに、光輝性、耐応力腐食割れ性に優れていた。なお、本発明の供試材のうち、Ｍｇを３．５％以上含有する供試材では、光輝性、耐応力腐食割れ性を損なうことなく、２４０ＭＰａ以上の強度が得られた。

Claims

質量％で、Ｍｇ：２．５〜４．５％、Ｃｒ：０．３１〜０．４５％、Ｃｕ：０．０２〜０．１５％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、前記不可避不純物中でＦｅ：０．０６％以下、Ｓｉ：０．１０％以下に制限されることを特徴とする光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材。
引張強度が２１０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１記載の光輝性及び耐応力腐食割れ性に優れる高強度アルミニウム合金材。