JP2020138228A

JP2020138228A - アルミニウム合金部材

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Publication number: JP2020138228A
Application number: JP2019037663A
Authority: JP
Inventors: 弘樹杉野; Hiroki Sugino; 吉田　正敏; Masatoshi Yoshida; 正敏吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-03-01
Also published as: EP3702059A1; JP7210330B2; US20200276628A1; CN111633051A; US11491525B2

Abstract

【課題】ウエブ又は／及び中リブに溶着部を有するアルミニウム合金押出形材を曲げ加工した場合に、前記溶着部に応力腐食割れが発生するのを抑制した、アルミニウム合金押出形材の提供。【解決手段】アルミニウム合金押出形材２１を曲げ加工した場合に中リブ２６に発生する引張残留応力のピーク位置ｐが溶着部２７ａ〜２７ｅの近傍以外に存在する。前記ピーク位置ｐが溶着部２７ｅから間隔Ｄだけ離れているため、溶着部２７ｅにおける引張残留応力が低減され、応力腐食割れの発生を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、中空断面のアルミニウム合金押出形材を曲げ加工して製作されたバンパーリインフォースやドアビーム等のアルミニウム合金部材に関する。

中空断面のアルミニウム合金押出形材は、軽量であると共に優れたエネルギー吸収性を有するため、軽量化及びエネルギー吸収性が要求される自動車部材（バンパーリインフォース、ドアビーム、フレーム部材）等の素材として広く使用されている。
アルミニウム合金押出形材から自動車部材を製造する場合、車体デザイン性の観点からアルミニウム合金押出形材に曲げ加工を行うことがある。この曲げ加工は通常比較的大きい曲率で行われ、単純曲げでは弾性変形域で生じるスプリングバックにより成形が困難な場合がある。そのような場合、スプリングバックを抑制するため引張曲げ加工が適用される。

アルミニウム合金押出形材に曲げ加工（引張曲げ加工を含む）を行うと、スプリングバックにより押出形材の断面内に残留応力が発生する。引張残留応力は、基本的に、曲げの中立軸より曲げ外側に発生する。そして、引張曲げ加工の場合は、押出形材の軸方向の引張応力が増加するため、中立軸の位置が曲げ内側に移動し、引張残留応力のピーク位置が初期（曲げ加工前）の中立軸の位置に近づく。引張応力が特に大きい場合、前記ピーク位置が初期の中立軸の位置を越えて曲げ内側に移動する。
引張曲げ加工によりアルミニウム合金押出形材に発生する引張残留応力は、腐食環境下において応力腐食割れの原因となる。そして、アルミニウム合金は一般に、強度が高くなるほど応力腐食割れが発生しやすい。

中空断面のアルミニウム合金押出形材として、一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブからなるもの、及び前記一対のフランジとウエブに加えてさらに１以上の中リブを有するものが知られている。前記中リブは、前記一対のウエブの間に位置し、前記一対のフランジを接続する。このようなアルミニウム合金押出形材は、一般にポートホール押出により製造されている。
このポートホール押出は、周知のとおり、複数のポート孔を備えたマンドレルボディとダイスを組み合わせたポートホールダイスを使用して行われる。ポートホールダイスに押し込まれたアルミニウムビレットは、前記ポート孔で分断された後、前記マンドレルを取り囲んで再び溶着して一体化し、内面を前記マンドレルで、外面を前記ダイスで成形されて中空断面の押出形材となる。

特許文献１〜６には、中空断面のアルミニウム合金押出形材に関し、押出方向に垂直な断面における溶着部の位置が開示されている。特許文献１〜６によれば、一対のフランジと一対のウエブからなるアルミニウム合金押出形材では、溶着部が４つのコーナー部に形成され（特許文献１，２，４，５）、又は一対のフランジ又は／及び一対のウエブに形成されている（特許文献１，３，６）。また、特許文献１によれば、一対のフランジと一対のウエブに加えて１つの中リブを有するアルミニウム合金押出形材では、溶着部が４つのコーナー部と中リブに形成され、又は一対のフランジと一対のウエブ及び中リブに形成されている。

アルミニウム合金押出形材の溶着部と溶着部以外（通常部）では組織が異なり、機械的性質に差異があることが知られている（特許文献２参照）。具体的には、前記溶着部の破断限界が通常部に比べて低く、このためアルミニウム押出形材の構造部材としての強度が低下するという問題が生じる。また、溶着部では通常部よりアルミニウム合金の結晶粒が粗大化し、応力腐食割れが発生しやすいことも問題となっている（特許文献７参照）。

特開平７−２２７６１８号公報特開平８-１７０１３９号公報特開平１０-３０６３３８号公報特開２００１-７１０２５号公報特開２０１６−１１２６０３号公報特許第６３２２３２９号公報特開２００４−１４９９０７号公報

図４に示すアルミニウム合金押出形材１は、一対のフランジ２，３と一対のウエブ４，５、及び中リブ６からなる。このアルミニウム合金押出形材１を長手方向（押出方向）に垂直でかつフランジ２，３に平行な方向を曲げ軸として曲げ加工すると、加工後のアルミニウム合金押出形材１のウエブ４，５及び中リブ６に残留応力が生じ、その残留応力分布は例えば図４のグラフに示す形態をとる。引張残留応力が最大となる位置（引張残留応力のピーク位置ｐ）は、曲げの中立軸ｎと曲げの外側端部の間の領域（図４に両矢印で示す範囲）のどこかに位置し、その位置は曲げの程度（曲げの曲率）により変わってくる。
アルミニウム合金押出形材１の曲げ加工が引張曲げ加工（長手方向への引張を伴う曲げ加工）の場合、前記ピーク位置ｐは曲げ内側に移動し、その残留応力分布は例えば図５のグラフに示す形態をとる。引張曲げ加工の場合、引張残留応力のピーク位置ｐは、曲げの内側端部と外側端部の間の全領域（図５に両矢印で示す範囲）のどこかに位置し、その位置は曲げの程度及びアルミニウム合金押出形材１に付加される張力の大きさにより変わってくる。

アルミニウム合金押出形材１のウエブ４，５又は／及び中リブ６に溶着部が形成されている場合、曲げ加工後のアルミニウム合金押出材１において、曲げの程度及び付加される張力の大きさによっては、前記溶着部の位置に前記ピーク位置ｐが重なる可能性がある。曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材１の溶着部に高い引張残留応力が発生すると、そこに応力腐食割れが発生するおそれが大きくなる。

応力腐食割れの発生を抑制する対策として、曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材に熱処理を施し、残留引張応力を低減することが工業的に行われている。また、応力腐食割れの発生を抑制する別の対策として、特定の合金組成及び結晶組織からなるアルミニウム合金押出形材が提案されている（特許文献７参照）。
一方、アルミニウム合金押出形材の溶着部を含む構造面の改良により、応力腐食割れの発生を抑制することは、これまで考慮されていなかった。
本発明は、中空断面のアルミニウム合金押出形材を曲げ加工して得られるアルミニウム合金部材において、曲げ加工後に溶着部に発生しやすい応力腐食割れを、従来とは異なる観点（溶着部を含む構造面の改良）で抑制しようというものである。

本発明は、一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブからなり、前記ウエブ上に溶着部を有するアルミニウム合金押出形材からなり、長手方向に垂直でかつ前記一対のフランジに平行な方向を曲げ軸として曲げ加工されたアルミニウム合金部材において、前記ウエブに存在する引張残留応力のピーク位置が前記溶着部の近傍以外に存在することを特徴とする。また、本発明は、前記アルミニウム合金押出形材が一対のフランジと一対のウエブに加えて中リブを有し、前記一対のウエブ及び中リブの少なくともいずれか１つの上に溶着部を有する場合に、前記一対のウエブ及び中リブに存在する引張残留応力のピーク位置が前記溶着部の近傍以外に存在することを特徴とする。

本発明に係るアルミニウム合金部材は、ウエブ又は／及び中リブ上の溶着部が、引張残留応力のピーク位置から離れた位置に形成されている。このため、前記溶着部における引張残留応力がピーク値（最大値）より低く、その分、ウエブ又は／及び中リブの溶着部に応力腐食割れが発生するのを抑制することができる。

本発明に係るアルミニウム合金部材（曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材）において、ウエブ上の溶着部と前記ウエブに存在する引張残留応力のピーク位置の関係を説明する図である。本発明に係るアルミニウム合金部材（曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材）において、中リブ上の溶着部と前記中リブに存在する引張残留応力のピーク位置の関係を説明する図である。アルミニウム合金押出形材の断面図の他の例である。単純曲げ加工の除荷後にアルミニウム合金押出形材に発生する残留応力分布を例示する図である。引張曲げ加工の除荷後にアルミニウム合金押出形材に発生する残留応力分布を例示する図である。

以下、図１〜図３を参照して、本発明に係るアルミニウム合金部材について、具体的に説明する。
図１に示すアルミニウム合金押出形材１１は、一対のフランジ１２，１３と、フランジ１２，１３を接続する一対のウエブ１４，１５からなり、溶着部１７ａ〜１７ｄが各フランジ１２，１３及び各ウエブ１４，１５に形成されている。フランジ１２，１３は互いに平行で、ウエブ１４，１５はフランジ１２，１３に対し垂直である。

このアルミニウム合金押出形材１に長手方向（押出方向）に垂直でかつフランジ１２，１３に平行な方向を曲げ軸として曲げ加工を施したとき、除荷後のアルミニウム合金押出形材１１（アルミニウム合金部材）には、各ウエブ１４，１５に長手方向（押出方向）に沿った残留応力が発生する。曲げ加工が長手方向に張力を付加しない単純曲げの場合、引張残留応力のピーク位置ｐは、図４に示すように曲げの中立軸ｎと曲げの外側端の間の領域のどこかに位置し、その位置は曲げの程度により変わってくる。また、曲げ加工が長手方向に張力を付加する引張曲げの場合、図５に示すように前記ピーク位置ｐは単純曲げの場合より曲げ内側に移動し、その位置は曲げの程度と張力により変わってくる。曲げ加工後にウエブ１４，１５に発生する残留応力分布の測定は、Ｘ線回折法、歪みゲージ法等の周知の測定方法を利用して行うことができる。

曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材１１（本発明に係るアルミニウム合金部材）では、ウエブ１４，１５上の引張応力のピーク位置ｐが、溶着部１７ｃ，１７ｄの近傍以外に存在する。本発明において、溶着部１７ｃ，１７ｄの近傍とは、図１に示すように、アルミニウム合金部材の高さ（曲げの外側端から内側端までの距離）をＨとし、溶着部１７ｃ，１７ｄから前記ピーク位置ｐまでの間隔をＤとしたとき、概ね、Ｄ＜Ｈ／１０を満たす領域を意味する。この領域には、溶着部１７ｃ，１７ｄの位置自体（Ｄ＝０）も含まれる。そして、溶着部１７ｃ，１７ｄの近傍以外とは、概ねＤ≧Ｈ／１０を満たす領域を意味する。

アルミニウム合金押出形材１１の曲げ加工において、曲げの程度及び張力が決まれば、前記ピーク位置ｐがウエブ１４，１５上のどの位置にくるかは実験的に予測できる。また、アルミニウム合金押出形材１１の押出加工において、溶着部１７ｃ，１７ｄが形成される位置は、ポートホールダイスの構造により決まる。従って、曲げの程度及び張力が決まれば、適切なダイス設計を行うことにより、溶着部１７ｃ、１７ｄをＤ≧Ｈ／１０を満たす領域に形成し、アルミニウム合金部材（曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材１１）に発生した引張残留応力のピーク位置ｐを溶着部１７ｃ，１７ｄ上から外し、かつ溶着部１７ｃ、１７ｄから間隔Ｄ（≧Ｈ／１０）だけ離すことができる。これにより、アルミニウム合金部材の溶着部１７ｃ，１７ｄにおける引張残留応力が低減され、その分、応力腐食割れの発生を抑制することができる。

図２に示すアルミニウム合金押出形材２１は、一対のフランジ２２，２３と一対のウエブ２４，２５、及び１つの中リブ２６を一対のウエブ２４，２５間に備え、溶着部２７ａ〜２７ｅが４つのコーナー部及び中リブ２６に形成されている。フランジ２２，２３は互いに平行で、ウエブ２４，２５及び中リブ２６はフランジ２２，２３に対し垂直である。

このアルミニウム合金押出形材２１に長手方向（押出方向）に垂直でかつフランジ２２，２３に平行な方向を曲げ軸として曲げ加工を施したとき、除荷後のアルミニウム合金押出形材２１（アルミニウム合金部材）には、ウエブ２４，２５及び中リブ２６に長手方向に沿った残留応力が発生する。曲げ加工が単純曲げの場合、引張残留応力のピーク位置ｐは、図４に示すように曲げの中立軸ｎと曲げの外側端の間の領域のどこかに位置し、その位置は曲げの程度により変わってくる。また、曲げ加工が引張曲げの場合、図５に示すように前記ピーク位置ｐは単純曲げの場合より曲げ内側に移動し、その位置は曲げの程度と張力により変わってくる。曲げ加工後に中リブ２６に発生する残留応力の測定は、先に記載したとおり、Ｘ線回折法、歪みゲージ法等の周知の測定方法を利用して行うことができる。

曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材２１（本発明に係るアルミニウム合金部材）では、中リブ２６上の引張残留応力のピーク位置ｐが、溶着部２７ｅの近傍以外に存在する。本発明において、溶着部２７ｅの近傍とは、図２に示すように、アルミニウム合金部材の高さ（曲げの外側端から内側端までの距離）をＨとし、溶着部２７ｅから前記ピーク位置ｐまでの間隔をＤとしたとき、概ね、Ｄ＜Ｈ／１０を満たす領域を意味する。この領域には、溶着部２７ｅの位置自体（Ｄ＝０）も含まれる。そして、溶着部２７ｅの近傍以外とは、概ねＤ≧Ｈ／１０を満たす領域を意味する。

アルミニウム合金押出形材２１の曲げ加工において、曲げの程度及び張力が決まれば、前記ピーク位置ｐが中リブ２６上のどの位置にくるかは実験的に予測できる。また、アルミニウム合金押出材２１の押出加工において、溶着部２７ｅが形成される位置は、ポートホールダイスの構造により決まる。従って、曲げの程度及び張力が決まれば、適切なダイス設計を行うことにより、溶着部２７ｅをＤ≧Ｈ／１０を満たす位置に形成し、アルミニウム合金部材（曲げ加工後のアルミニウム合金押出形材２１）に発生した引張残留応力のピーク位置ｐを溶着部２７ｅ上から外し、かつ溶着部２７ｅから間隔Ｄ（≧Ｈ／１０）だけ離すことができる。これにより、アルミニウム合金部材の溶着部２７ｅにおける引張残留応力が低減され、その分、応力腐食割れの発生を抑制することができる。

図３に、本発明に係るアルミニウム合金部材の素材であるアルミニウム合金押出形材の断面形状の他の例を示す。
図３Ａに示すアルミニウム合金押出形材３１は、一対のフランジ３２，３３と一対のウエブ３４，３５からなり、各フランジ３２，３３は左右に突出フランジ（ウエブ３４，３５の外側に突出した部分）を有する。
図３Ｂに示すアルミニウム合金押出形材４１は、一対のフランジ４２，４３と一対のウエブ４４，４５、及び２つの中リブ４６，４７を有する。
図３Ｃに示すアルミニウム合金押出形材５１は、一対のフランジ５２，５３と一対のウエブ５４，５５、及び３つの中リブ５６〜５８を有する。
これらのアルミニウム合金押出形材３１，４１，５１についても、長手方向に垂直でかつフランジに平行な方向を曲げ軸として曲げ加工を施す場合、ウエブ又は／及び中リブの溶着部を予めＤ≧Ｈ／１０を満たす位置に形成することで、応力腐食割れの発生を抑制することができる。

本発明に係るアルミニウム合金部材の素材であるアルミニウム合金押出形材として、特に限定的ではないが、応力腐食割れの問題が生じやすい高強度の７０００系アルミニウム合金押出形材を好適に採用できる。７０００系アルミニウム合金の組成としては、ＪＩＳ又はＡＡ規格で規定される組成が適用できる。好ましい組成として、Ｚｎ：３〜８質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらにＭｎ：０．０１〜０．５質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種以上を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなる組成を挙げることができる。

１１，２１アルミニウム合金押出形材
１２，２２フランジ（曲げ外側）
１３，２３フランジ（曲げ内側）
１４，１５，２４，２５ウエブ
１７ａ〜１７ｄ，２７ａ〜２７ｅ溶着部
２６中リブ
ｐ引張残留応力のピーク位置
Ｄピーク位置ｐと溶着部の間隔
Ｈアルミニウム合金押出形材の高さ

Claims

一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブからなり、前記ウエブ上に溶着部を有するアルミニウム合金押出形材からなり、長手方向に垂直でかつ前記一対のフランジに平行な方向を曲げ軸として曲げ加工されたアルミニウム合金部材において、前記ウエブに存在する引張残留応力のピーク位置が前記溶着部の近傍以外に存在することを特徴とするアルミニウム合金部材。
一対のフランジと、前記一対のフランジを接続する一対のウエブ、及び前記一対のウエブの間に位置し、前記一対のフランジを接続する１以上の中リブからなり、前記一対のウエブ及び中リブの少なくともいずれか１つの上に溶着部を有するアルミニウム合金押出形材からなり、長手方向に垂直でかつ前記一対のフランジに平行な方向を曲げ軸として曲げ加工されたアルミニウム合金部材において、前記一対のウエブ及び中リブに存在する引張残留応力のピーク位置が前記溶着部の近傍以外に存在することを特徴とするアルミニウム合金部材。
前記曲げ加工が引張曲げ加工であることを特徴とする請求項１又は２に記載されたアルミニウム合金部材。