JP2010222710A - 成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｍｇ：０．２％以上、Ｓｉ：０．３％以上、Ｃｕ：０．９〜１．５％、Ｍｇ＋Ｓｉ：２％以下を含有し、残部にＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金において、５％から１０％の間の加工硬化指数ｎ₁ と１０％から１５％の間の加工硬化指数ｎ₂ の和が０．６１以上であることを特徴とする、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法に関するものである。

最近の自動車軽量化傾向によりボディへのアルミニウム合金（以下アルミ合金という）の適用、特にＭｇとＳｉを含む６０００系アルミ合金の適用が検討されている。材料にはＢＨ性と成形性が要求されている。自動車のボディは外板用と内板用の２枚の板材で構成されており、外板用板材には特にＢＨ性が要求される。一方成形性は外板、内板問わずその素材に要求される。アルミ合金の成形性は普通鋼に比べて劣り、これがアルミ合金の自動車ボディへの適用を困難にさせている。

このアルミ合金の成形性は析出物または固溶元素でほぼ決定すると考えられている。６０００系アルミ合金の場合、熱処理により析出物の形態が異なるため、成分と熱処理の組み合わせにより成形性の異なる６０００系アルミニウム合金を製造することができる。しかし、どのような特性の材料が成形性に良いのかは実際にプレスをするまで分からない。つまり、成形性向上に有効な機械的性質、すなわち引張特性等による成形性指標は不明である。

特開平１０−１０２１７９号公報（特許文献１）では、引張強度（ＴＳ）と降伏応力（ＹＳ）との差、すなわちＴＳ−ＹＳを成形性の指標として、これがある値以上であればアルミ合金のプレス時の成形性は優れるということが報告されている。しかし、このＴＳ−ＹＳだけでアルミ合金の成形性を全て把握することは出来ない。それ故、成形性に優れた自動車ボディ用アルミ合金は、有効な成形性指標が定まらないため困難であった。

また、例えば、特開平１０−２５９４６４号公報（特許文献２）では、Ｍｇ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：０．８０〜２．００％、Ｃｕ：０〜０．５０％、Ｆｅ：０．３０％以下を含有するＡｌ合金が提案されているが、この発明のＦｅ元素は積極的添加元素であり、しかもＣｕの含有量が低い。すなわち、実施例でのＣｕの最大値は０．３８％と低い値を示している。

さらに、特開平５−２６３２０３号公報（特許文献３）に開示されているように、重量％で、Ｍｇ：０．１〜１．５％、Ｓｉ：０．３〜２．５％を含有し、さらに必要に応じてＭｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％のうちの１種または２種以上を含有するＡｌ合金が提案されているが、この発明のＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒのいずれも選択元素ではあるが積極的な添加元素としてこれらの元素を含む場合について示している。また、同時にＣｕについては、特許文献２と同様に、実施例でのＣｕの最大値は０．３２％と低い値を示している。
特開平１０−１０２１７９号公報 特開平１０−２５９４６４号公報 特開平５−２６３２０３号公報

本発明では、成形性に優れた自動車ボディ用アルミ合金およびその製造方法の提供を課題としている。そのためには、アルミ合金の成形性指標を見出し、その目標値を設定することが必要である。

本発明は、成分、引張特性、２つの領域に分けた歪領域それぞれでの加工硬化指数を同時に限定することで、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法を提供するもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）質量％で、Ｍｇ：０．２％以上、Ｓｉ：０．３％以上、Ｃｕ：０．９〜１．５％、Ｍｇ＋Ｓｉ：２％以下を含有し、残部にＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金において、５％から１０％の間の加工硬化指数ｎ₁ と１０％から１５％の間の加工硬化指数ｎ₂ の和が０．６１以上であることを特徴とする、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金。

（２）質量％で、Ｍｇ：０．２％以上、Ｓｉ：０．３％以上、Ｃｕ：０．９〜１．５％、Ｍｇ＋Ｓｉ：２％以下を含有し、残部にＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金において、５％から１０％の間の加工硬化指数ｎ₁ と１５％から２０％の間の加工硬化指数ｎ₃ の和が０．５５以上であることを特徴とする、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金。

（３）冷間圧延後、５００〜５８０℃の温度で溶体化処理を施した後に、１５℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下まで冷却し、その後、５０℃以下で１日以上保持することを特徴とする、前記（１）に記載の成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金の製造方法。

（４）冷間圧延後、５００〜５８０℃の温度で溶体化処理を施した後に、２０℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下まで冷却し、その後、３０℃以下で３日以上保持することを特徴とする、前記（２）に記載の成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金の製造方法にある。

本発明により、自動車軽量化に有効な成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金およびその製造方法を提供でき、その産業上の価値は極めて高いといえる。

発明者らは まず、従来知見に基づいたアルミ合金の成形性の検討を行った。普通鋼を基にした塑性加工の理論では、張出し等の成形性は材料の加工硬化指数（以下、ｎ値という）や伸びに依存するとされており、アルミ合金でのこれらと成形性との関係を調査した。しかし、これらとプレス成形性との相関はＴＳ−ＹＳとの相関程良くはなかった。ｎ値や伸びがプレス成形性とそれ程良い相関でない理由としては、アルミ合金の加工硬化則が普通鋼等のそれと異なるためと考えられた。そこで、各種アルミ合金の加工硬化則について調査を行った。

図１は、得られたアルミ合金の引張特性における塑性域での応力−歪関係の典型的な図である。ただし、ＹＳからＴＳの間のそれぞれの値を両対数で表示した。普通鋼等でこのような表示をすれば、直線関係が得られ、その傾きを示すｎ値は塑性域全てでほぼ一定となる。しかし、アルミ合金の場合、全てが直線関係ではなく、ＹＳ付近の低歪域でのｎ値とこれよりも大きい歪域でのｎ値とは異なっている。それ故、アルミ合金の塑性変形は塑性域を一貫する加工硬化則に従わないと考えられた。

そこで発明者らは、アルミ合金の加工硬化則を２つの領域、すなわちＹＳ近傍の低歪域とそれ以上の歪量の領域に分け、それぞれ独自の成形性指標を設定することで、成形性に優れたアルミ合金の開発を試みた。
発明者らが発案した成形性指標設定の考え方は、成形時には２つの異なるｎ値のアルミ合金が足し合わされて１つの合金を形成しており、そしてそれぞれの伸びの和が全体の伸びであるとするものである。しかし、図１に示されるように、塑性域に明瞭な変極点は見られない。そこで、両区分の特定の区間のｎ値の和で全体の伸びの和を代表させることを想到した。

まず、各種アルミ合金の引張試験を行った。試験には厚さ１ｍｍのＪＩＳ５号試験片を用いて得た。試験は室温にて実施し、引張強度（ＴＳ）、降伏応力（ＹＳ）、応力−歪線図を計測した。降伏応力は０．２％耐力の値で代表した。ｎ値は、下記に示す式により、２点間の応力（ＭＰａ）と歪、それぞれｓ₁ とｅ₁ 、およびｓ₂ とｅ₂ をそれぞれ真応力と真歪、σ₁ とε₁ 、およびσ₂ とε₂ に変換して求めた。

σ₁ ＝ｓ₁ （１＋ｅ₁ ）、ε₁ ＝ｌｎ（１＋ｅ₁ ）
σ₂ ＝ｓ₂ （１＋ｅ₂ ）、ε₂ ＝ｌｎ（１＋ｅ₂ ）
ｎ＝ｌｎ（σ₁ ／σ₂ ）／ｌｎ（ε₁ ／ε₂ ）。

応力−歪線図の過去の解析を基に、低歪域と高歪域の成形性を代表するｎ値の特定を行った。その結果、低歪域としては５％から１０％の間のｎ値と高歪域として１０％から１５％の間のｎ値がそれぞれの領域の成形性を代表させると推定された。次に、成形性に優れた材料の成形高さと上記２区間のｎ値との関係を調査した結果、５％から１０％の間のｎ値と１０％から１５％の間のｎ値の和が０．６１以上である材料がプレス成形性に優れていることが判明した。

以上の発明では高歪域を１０％から１５％と設定しており、低歪域と高歪域のｎ値の和が、０．６１以上の材料であれば全て高成形と判断される。さらに高成形の材料を得るためには、これ以上の精度の高成形性指針を設定すべきである。
実際の張出し加工において材料の破断の有無を決定するのはＴＳ近傍での材料の加工硬化特性であるから、より正確な表記としては更に大きい歪領域を高歪域と設定するのが望ましい。より正確な成形性表記が出来れば、より高成形の材料の目標値が設定でき、より高成形の材料を開発することが可能となる。

ところが、引張試験でのＴＳ近傍の応力−歪線図では、真応力が真歪のｎ乗に比例するという前述の式で表される加工硬化則から若干外れることがある。そこで、各種アルミ合金の引張試験を実施し、応力−歪線図がこの加工硬化則に従う最大の歪領域を調査した。その結果、ほとんど全ての高加工性の材料において、１５％から２０％の歪領域では真応力が真歪のｎ乗に比例する加工硬化則が成立することが明らかとなった。それ故、より正確な材料の成形性指標としては、５％から１０％のｎ値と１５％から２０％のｎ値との和を用いるべきとした。この指標を基に各種アルミ合金の成形性を解析したところ、成形性に優れた材料ではこの和は０．５５以上であった。

このように２つの歪区間のｎ値を限定するためには、ｎ値を決定する材質を制御する必要があり、成分や製造方法にこれは依存する。具体的には、合金結晶を強化する成分と製造方法の組み合わせの設定が必要であると考えられる。具体的には析出状態と固溶状態を制御する成分と製造方法の組み合わせを採用する。
アルミニウムにＭｇとＳｉを添加した合金の場合、溶質原子からなると考えられる低温クラスターを形成させれば、このような２つの歪区間のｎ値の和は増加する。そのためには、所定のＭｇとＳｉの添加のもと、５００℃以上の熱処理によりこれらを充分アルミ中に固溶させ、その後、これらの添加物により構成される析出物が粗大化しないように、１５℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下に冷却し、５０℃以下で１日以上保持する製造方法がよい。

このように低温クラスターを形成させるためには、添加量の下限は、質量％でＭｇでは０．２％以上、Ｓｉでは０．３％以上が必要である。しかし、過剰な添加は、固溶させる熱処理温度を上昇させて工業的な製造コストを上昇させることと、析出物を粗大化させてしまうという。そこで、両元素の析出物量を転成する考え方で、質量％でＭｇ＋Ｓｉ：２％以下とした。このような材料であれば、２つの歪区間のｎ値の和を０．５２以上とすることが可能である。

さらに好ましい２つの歪区間のｎ値の和は０．６１以上である。このような高成形性材料を得るためには、Ｃｕの添加が好ましい。Ｃｕは、熱処理後の低温での保持において、ＡｌやＭｇやＳｉと析出物を形成せずに、固溶状態となる。このＣｕの固溶状態は、本発明のアルミニウム合金を強化させ、ｎ値も上昇させる効果があり、この効果を得るためには０．３％以上の添加が必要である。しかしながら、過剰の添加は、耐食性の劣化と固溶に必要な温度を上昇させる。それ故、これら両者の欠点が発現しない量として、１．５％の添加量を上限とすべきである。このようにＣｕ添加量も調整した合金を、５００℃以上の熱処理とその後の５０℃以下への冷却保持により、２つの歪区間のｎ値の和を０．６１以上とすることが可能である。１５％から２０％の歪領域を高歪域としたｎ値の和による指標を用いた場合も、上記成分系により高成形材料が得られる。

本発明のアルミニウム合金の好適な製造方法について詳しく説明する。
本発明のアルミニウム合金は、常法にしたがって鋳造、熱間および冷間圧延を施すが、低温クラスターを形成させて優れた成形性を得るためには、冷間圧延後、５００〜５８０℃の範囲内の温度で溶体化処理を施して１５℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下まで冷却することが有効である。

上記工程の溶体化処理条件としては、５００℃以下の温度では、所定区間のｎ値を向上させるのに必要な溶質原子がＡｌ母相中に十分に固溶せずに、第２相として析出し、十分な成形性が得られなくなる。一方、溶体化温度が５８０℃を超えると、部分溶解が生じてしまうおそれがある。そのために溶体化処理温度は５００〜５８０℃の範囲内とした。また、上記の溶体化温度での保持については、溶質原子の固溶が十分に行われるのならば、保持なし（溶体化処理温度到達後、すぐに冷却）でも、ある程度の保持時間をとってもよい。

また、溶体化処理後の冷却速度を１５℃／ｓ未満となっても、また、その後の保持時間が１日未満であっても、冷却中に第２相が析出し、溶質原子の過飽和固溶量が減少してしまい、プレス成形性向上に有効な低温クラスター形成量が少なく十分な成形性が得られない。そのため、溶体化処理後の冷却速度は１５℃／ｓ以上とし、その後、５０℃以下の温度で１日以上保持することが必要となる。

より精度の高い成形性指標はＴＳ近傍の加工硬化特性を限定している。この領域の加工硬化指数を限定することでより高成形な材料が得られる。この領域の加工硬化指数ｎ値の上昇は、同様にＭｇとＳｉが添加された材料では、溶質原子からなると考えられる低温クラスターをより大量に生成させれば達成出来ると考えられる。そのためには、前述と同様に、溶体化処理温度、その後の所定温度までの冷却速度、そして所定温度での保持時間の設定が必要である。このうち、溶体化処理温度の更なる増加は工業的設備の制約等により困難であるため、低温クラスター量を更に増加させるためには冷却速度と保持時間の新たな設定が必要となる。

本成分系での低温クラスターの大量形成には、先ず、熱処理により固溶しているＭｇとＳｉが冷却途中で他の析出物に生成することなく所定温度まで速やかに降温させることが必要となる。所定温度まで速やかに降温した後、固溶したＭｇとＳｉは拡散により低温のクラスターを形成するが、低温故に各々の拡散係数は溶体化処理温度時の様な高温時に比べてかなり小さい。それ故クラスターの形成にはかなりの時間を要する。そこで、低温での保持時間の設定が必要となる。

以上より、より大量の低温クラスターを形成させるためには、冷却速度の上昇と低温保持時間の増大が必要であると言える。これらの値を理論的に設定することは現時点で不可能であるため、各種アルミ合金に対する試験により求めた。冷却速度と低温保持温度が材料の成形性、すなわち、低温域と高温域のｎ値の和に及ぼす影響を調査した。その結果、２０℃／ｓ以上の冷却速度で、５０℃以下で３日以上保持することにより、所望の高成形性が得られることが判明した。

以下、本発明について実施例によって具体的に説明する。
上記のアルミ合金のプレス成形性を検討するために、下記の試験を実施した。金型に９５０×７５０ｍｍ、曲率８０００ｍｍ、高さ４０ｍｍの張出し金型を使用し、３０ｍｍ高さまでの成形を可能にする限界のシワ押さえ圧力（ＢＨＦ）を求めた。成形性に優れる材料はこの限界ＢＨＦ値が大きい。また、より高成形な材料の判定として、１００ｍｍφの球頭張出し試験による破断成形高さによる評価を行った。

表１は、試験に供した各種アルミ合金の成分と引張特性値を示す。ｎ₁ は、歪領域が５％と１０％間でのｎ値であり、ｎ₂ は１０％から１５％間でのｎ値である。ｎ₃ は、歪領域が１５％と２０％間でのｎ値である。使用した材料の板厚は１ｍｍであり、上記金型を使用したプレス試験を実施し、当金型での成形性基準値（１２０ｔ）以下のＢＨＦ値で破断、あるいはネッキング、あるいはシワが全く発生しなかった場合には、この材料は自動車用ボディ材料に適しているとして表１の左欄にて○と記した。それ以外の場合には×と記した。球頭張出し試験では、その成形高さが３５ｍｍ以上である材料を成形性良好として○とし、それ以下の材料を×と表記した。

本発明以外の成分や製造方法では十分な成形性が得られないが、本発明によれば、表１記載の結果の通り、ｎ₁ とｎ₂ の和が０．６１以上の材料が得られ、全て本実施例におけるプレス試験での成形性に優れており、自動車用ボディ材に適しているとの判定が得られた。さらに高成形な材料を得るためには、上記ｎ₁ とｎ₃ の和が、０．５５以上である材料が、上記の高成形性材料の中で更に高成形であること言える。この様な材料は、形状が複雑であり高成形が要求される自動車ボディに適しているとの判定が得られた。

アルミニウム合金の引張特性における塑性域での応力−歪関係を示す典型的な図である。

Claims (4)

1. 質量％で、
   Ｍｇ：０．２％以上、
   Ｓｉ：０．３％以上、
   Ｃｕ：０．９〜１．５％、
   Ｍｇ＋Ｓｉ：２％以下
   を含有し、残部にＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金において、５％から１０％の間の加工硬化指数ｎ₁ と１０％から１５％の間の加工硬化指数ｎ₂ の和が０．６１以上であることを特徴とする、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金。
2. 質量％で、
   Ｍｇ：０．２％以上、
   Ｓｉ：０．３％以上、
   Ｃｕ：０．９〜１．５％、
   Ｍｇ＋Ｓｉ：２％以下
   を含有し、残部にＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金において、５％から１０％の間の加工硬化指数ｎ₁ と１５％から２０％の間の加工硬化指数ｎ₃ の和が０．５５以上であることを特徴とする、成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金。
3. 鋳造、熱間および冷間圧延後、５００〜５８０℃の温度で溶体化処理を施した後に、１５℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下まで冷却し、その後、５０℃以下で１日以上保持することを特徴とする、請求項１に記載の成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金の製造方法。
4. 鋳造、熱間および冷間圧延後、５００〜５８０℃の温度で溶体化処理を施した後に、２０℃／ｓ以上の冷却速度で５０℃以下まで冷却し、その後、３０℃以下で３日以上保持することを特徴とする、請求項２に記載の成形性に優れた自動車ボディ用アルミニウム合金の製造方法。

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