JP2021095587A - 自動車構造部材用アルミニウム合金板、自動車構造部材および自動車構造部材用アルミニウム合金板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明で言うアルミニウム合金板とは、熱間圧延や冷間圧延を実施した圧延板であり、溶体化処理および焼入れ処理などの調質が施された後であって、使用される自動車構造部材に成形され、塗装焼付硬化処理などの人工時効硬化処理される前の、素材アルミニウム合金板を言う。また、以下の記載ではアルミニウムを「アルミ」や「Al」とも言う。
本発明の好ましい実施形態に係る自動車構造部材用アルミニウム合金板は、前記Mgの含有量が、質量%で0.4%以上0.6%以下である。
本発明の好ましい実施形態に係る自動車構造部材用アルミニウム合金板は、前記Siの含有量が、質量%で0.6%以上0.8%以下である。
本発明の好ましい実施形態に係る自動車構造部材用アルミニウム合金板は、180℃の温度で20分間の人工時効処理を実施した後に、0.2%耐力が250MPa以上となるベークハード性を有する。
また、アルミニウム合金の化学組成を調整すると共に、その製造工程における冷間圧延率および焼鈍時の熱処理温度を調整することにより、強度、成形性、および圧壊性が優れた自動車構造部材用アルミニウム合金板および該アルミニウム合金板を用いた自動車構造部材を製造することができる。
その前提として、本発明のAl−Mg−Si系(以下、「6000系」とも言う)アルミニウム合金板は、その用途が、従来の自動車パネル材ではなく、上述の自動車構造部材である。
このため、この自動車構造部材(以下、「構造部材」とも言う)は、上記の従来の自動車パネル材と同様の成形性に加え、自動車構造部材用途に特有の特性である優れた圧壊性、および人工時効後においても高い耐力を有することが要求される。これらの特性のどれが欠けても、本実施形態が目的とする構造部材としては不十分となる。
なお、本実施形態において「〜」とは、その下限の値以上、その上限の値以下であることを意味する。
上記構造部材の要求特性を化学組成の面から満たすようにするため、本実施形態に係るAl−Mg−Si系のアルミニウム合金板は、質量%で、Mg:0.4%以上1.0%以下、Si:0.6%以上1.2%以下、Cu:0.6%以上1.3%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなる。
MgはSiとともに、焼付け塗装処理などの人工時効処理時に、Mg2Siなどの化合物相を形成して析出するため、Mgの含有量を適切に調整することにより、アルミニウム合金板の強度を高めることができる。
Mgの含有量が0.4%未満であると、構造部材としての十分な強度を得ることが困難になる。
一方、Mgの含有量が1.0%を超えると、鋳造時および溶体化焼入れ処理時に、Mg2Si等の化合物相が粗大な粒子として晶出又は析出し、これらが微小な破壊の起点として働くため、圧壊性が低下する。上記Mgの含有量は、好ましくは0.8%以下、より好ましくは0.6%以下である。
また、人工時効後の0.2%耐力とは、アルミニウム合金板に対して、2%以上の予ひずみを付加するとともに、180℃の温度で20分間の人工時効処理した後のアルミニウム合金板(人工時効後)の0.2%耐力の測定値(MPa)を示す。
そして、これら0.2%耐力が高いほど強度が高く、高いベークハード性(BH性)を有することを意味する。
SiもMgとともに、焼付け塗装処理などの人工時効処理時に、Mg2Siなどの化合物相を形成して析出するため、Siの含有量を適切に調整することにより、アルミニウム合金板の強度を高めることができる。
Siの含有量が0.6%未満であると、構造部材としての十分な強度を得ることが困難になる。上記Siの含有量は、好ましくは0.7%以上、より好ましくは0.8%以上である。
一方、Siの含有量が1.2%を超えると、鋳造時および溶体化焼入れ処理時に、Mg2Si等の化合物相が粗大な粒子として晶出又は析出し、これらが微小な破壊の起点として働くため、圧壊性が低下する。上記Siの含有量は、好ましくは1.1%以下、より好ましくは1.0%以下である。
Cuの含有量が0.6%未満であると、構造部材としての十分な強度を得ることが困難になる。したがって、Cu含有量は0.6%以上とし、好ましくは0.7%以上である。
一方、Cuの含有量が1.3%を超えて過剰に含有させると、時効析出とともに粒界近傍にCuの溶質欠乏層(precipitation free zoneまたはPFZとも言う)が形成され、腐食環境にて、粒内より電位的に卑なその層が選択的に溶解し、耐粒界腐食性(耐食性)が劣化する。Cuの含有量は1.3%以下とし、好ましくは1.1%以下、より好ましくは0.9%以下とする。
本実施形態に係るアルミニウム合金板は、鋳塊製造時の溶解原料の選択などによって、上記以外の元素を不可避的不純物として含み得る。上記元素以外の不可避的不純物元素の含有量は、6000系合金としてJIS規格などで規定する範囲に規制する。この不可避的不純物元素として、具体的には、Ni、In、Ga、B、Na、Ca、Sc等が挙げられる。これらの元素の含有量は個々に0.05%以下、合計で0.15%以下に規制される。
本実施形態に係るアルミニウム合金板は、更に、上記以外のその他の元素として、例えば以下に示す元素を含有することができる。これらの元素は、スクラップなど、鋳塊の溶解原料などから含有される場合の許容量として、それぞれ以下の含有量を上限とし、この範囲内であれば、積極的に添加された場合であっても本発明の効果を妨げない。なお、各含有量の下限はなく、0%の場合を含む。
Mn:1.0%以下、Fe:0.5%以下、Cr:0.3%以下、Zr:0.2%以下、V:0.2%以下、Ti:0.1%以下、Zn:0.5%以下、Ag:0.1%以下、Sn:0.15%以下
本実施形態のAl−Mg−Si系アルミニウム合金板の板厚の下限については特に限定されないが、自動車構造部材としての必要な強度、剛性を有するためには、板厚は、例えば1.5mm以上である。また、板厚の上限についても特に限定されないが、プレス成形などの成形加工の限界や、比較材としての鋼板からの軽量化効果を損ねない重量増加の範囲を考慮すると、例えば4.0mm以下である。この板厚の範囲から熱延板とするか、冷延板とするかが適宜選択される。
アルミニウム合金板の耳率は集合組織の異方性を示し、特にCube方位の集積度と強い相関を持つ。耳率が−13.0%を超える場合、Al合金板のCube方位の集積度が弱く、圧壊中の曲げ変形におけるせん断帯の抑制がされないため、圧壊性が低下する。
供試板から、外径66mmの円板状の試験片(ブランク)を打ち抜き、この試験片に対して直径40mmのポンチを用いてカッピングを施して、カップ径40mmの絞りカップを作製する。この絞りカップの耳高さを測定することにより、下記式(1)に基づき、耳率(0°−90°耳率)(%)を算出することができる。
下記式(1)において、hXは絞りカップの耳高さを表す。そして、hの添数字Xはカップ高さの測定位置を示し、Al合金板の圧延方向に対してX°の角度をなす位置を意味する。
耳率(%)=[{(h45+h135+h225+h315)−(h0+h90+h180+h270)}/{1/2(h0+h90+h180+h270+h45+h135+h225+h315)}]×100・・・(1)
なお、上記式(1)の意義を説明するものとして、以下の式(2)のように示すこともできる。
耳率(%)={(円筒容器の底面(圧延方向)を基準とした、45°方向4箇所の高さの平均値−円筒容器の底面を基準とした、0°、90°方向4箇所の高さの平均値)/(円筒容器の底面を基準とした0°、45°、90°方向8箇所の高さの平均値)}×100・・・(2)
圧壊性とは、自動車の衝突等の衝撃的な荷重が加わったときに、変形初期や途上で構造部材に割れや圧壊が発生せずに(あるいは発生しても)、最後まで変形する特性であり、圧壊性が良好な部材は、割れや圧壊が生じることなく(あるいは発生しても)、蛇腹状に曲げ変形する。
上述の通り、アルミニウム合金中のMg含有量およびSi含有量が本実施形態の範囲の上限を超えると、圧壊性が低下する。圧壊性は以下に示すVDA曲げ試験にて評価することができ、95°以上の曲げ角度となることが好ましく、100°以上であることがより好ましく、105°以上が更に好ましく、110°以上がより更に好ましい。
本実施形態においては、95°以上の曲げ角度となる圧壊性を有しているものを自動車構造部材用として合格と評価する。一方、この曲げ角度が95°未満の圧壊性では、自動車構造部材用として不十分である。
この試験方法を、図1において斜視図で示し、図2Aおよび図2Bにおいて、板状の押し曲げ治具であるポンチ3の正面図および側面図をそれぞれ示す。
まず、ロールギャップLが設けられ、互いに平行に配置された2個のロール2上に、図1に点線で示すように、ロール2に対して左右均等となる位置に板状試験片1を水平に載置する。
次に、板状試験片1の上方に、試験片1に対して垂直に立てるように板状の押し曲げ治具であるポンチ3を載置する。具体的には、ポンチ3の先端の辺がロールギャップLの中央に位置するように載置するとともに、板状試験片1の圧延方向と板状のポンチ3の延在方向とが、互いに直交する方向となるように、ロール2、試験片1、およびポンチ3を載置する。
そして、上方からポンチ3を板状試験片1の中央部に押し当てて荷重Fを印加し、この板状試験片1を前記狭いロールギャップLに向けて押し曲げ(突き曲げ)て、曲げ変形した板状試験片中央部を前記狭いロールギャップ内に押し込む。
なお、図2Bに示すように、ポンチ3は、試験片1に接触する辺の長さが90mmであり、板状試験片1の中央部に接触する下端側(尖部)は、その正面図で示すように、半径rが0.2mmφとなるように尖ったテーパ状となっている。
ポンチ3の尖部と反対側には、幅が9mm、深さが12mmである凹部が2か所に形成されており、この凹部が過重負荷装置(図示せず)に嵌合されることにより、ポンチ3が試験片1に荷重を印加するように構成されている。
本実施形態に係るアルミニウム合金板は、溶体化処理および焼入れ処理されたアルミニウム合金板に対して、2%以上の予ひずみを付加するとともに、180℃の温度で20分間の人工時効処理した後に、0.2%耐力(ベークハード性またはBH性)が250MPa以上であることが好ましい。
上記0.2%耐力が250MPa以上であると、自動車構造部材用途の合金板として必要な強度を確保することができる。なお、0.2%耐力は、上記したアルミニウム合金の含有量で制御するとともに、後記する製造方法の工程の中でも、特に各工程の熱履歴および圧下率によって制御することができる。
成形性は、後述する実施例において示される破断伸びによって評価することができ、18%以上の破断伸びとなることが好ましい。
本実施形態においては、18%以上の破断伸びとなる成形性を有しているものを自動車構造部材用として合格と評価する。一方、この破断伸びが18%未満の成形性では、自動車構造部材用として不十分である。
次に、本実施形態のアルミニウム合金板の製造方法について以下に説明する。
本実施形態に係る自動車構造部材用アルミニウム合金板の製造方法は、上記化学組成を有するアルミニウム合金を鋳造する工程と、均質化熱処理する工程と、熱間圧延する工程と、冷間圧延する工程と、焼鈍する工程と、溶体化処理する工程と、焼入れする工程とを有するAl−Mg−Si系アルミニウム合金板の製造方法であって、冷間圧延する工程における圧延率を20%以下に制御し、焼鈍する工程における熱処理温度を275℃以上に設定する。
まず、溶解、鋳造工程では、上記6000系の化学組成の範囲内に溶解調整されたアルミニウム合金溶湯を、連続鋳造法、半連続鋳造法(DC鋳造法)等の通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。
次いで、上記鋳造されたアルミニウム合金鋳塊に、熱間圧延に先立って、均質化熱処理を施す。この均質化熱処理(均熱処理)は、通常の目的である、組織の均質化(鋳塊組織中の結晶粒内の偏析をなくす)の他に、SiやMgを充分に固溶させるために重要である。この目的を達成する条件であれば、特に限定されるものではなく、通常の1回または1段の処理でも良い。
均質化熱処理を行った鋳塊の熱間圧延は、圧延する板厚に応じて、鋳塊(スラブ)の粗圧延工程と、仕上げ圧延工程とから構成される。これら粗圧延工程や仕上げ圧延工程では、リバース式あるいはタンデム式などの圧延機が適宜用いられる。
熱間粗圧延工程において、熱延開始温度が固相線温度を超える圧延温度では、バーニングが起こるため熱延自体が困難となるおそれがある。また、熱延開始温度が350℃未満ではいずれの均熱工程材でも熱延時の荷重が高くなりすぎ、熱延自体が困難となるおそれがある。したがって、熱延開始温度は350℃〜固相線温度の範囲から選択して熱間圧延し、2〜8mm程度の板厚の熱延板とする。この熱延板の冷間圧延前の焼鈍(荒鈍)は必ずしも必要ではないが実施しても良い。
上記熱間粗圧延後に、好ましくは、終了温度を250〜350℃の範囲とした熱間仕上圧延を行う。この熱間仕上圧延の終了温度が250℃未満と低すぎる場合には、圧延荷重が高くなって生産性が低下するおそれがある。一方、加工組織を多く残さず再結晶組織とするために、熱間仕上圧延の終了温度を高くした場合、この温度が350℃を超えると、Mg2Siが粗大に析出し、圧壊性が低下する可能性が高くなるおそれがある。
この熱延板の冷間圧延前の焼鈍(荒鈍)は必要ではないが、実施しても良い。
上記熱延板を冷間圧延して所望の板厚とする工程において、冷間圧延率を高くすると、熱間圧延の加工組織を残留することができず、十分な圧壊性を確保することができない。即ち、冷間圧延の圧延率を20%以下とすると、冷間圧延によってほとんど歪が導入されず、熱間圧延の加工組織を残留させ、耳率を−13.0%以下とすることができる。その結果、得られたアルミニウム合金板の圧壊性は向上する。
したがって、冷間圧延の圧延率は20%以下とし、好ましくは10%以下とする。
275℃以上の温度の焼鈍処理を行うことによって、冷間圧延後に残存したCube方位の核を粗大化させることなく優先成長させることができ、耳率が−13.0%以下となるアルミニウム合金板を得ることができる。その結果、従来同等の優れた成形性に加え、高い圧壊性を得ることができる。焼鈍温度が275℃より低いと、再結晶温度以下であるため焼鈍時に再結晶が生じず、耳率が−13.0%超となり、成形性は良好であるが、圧壊性が著しく低下する。なお、焼鈍温度は、好ましくは300℃以上である。
焼鈍処理の昇温速度は、1〜500℃/hが好ましい。昇温速度が1℃/hより小さいと、結晶粒径が粗大化し、圧壊性が低下しやすい。昇温速度が500℃/hより大きいと、Cubeの核が少なく、溶体化処理後にCube方位の面積率が低くなり、圧壊性が低下しやすい。
冷間圧延後、溶体化処理と、これに続く、室温までの焼入れ処理を行う。この溶体化焼入れ処理については、通常の連続熱処理ラインを用いてよい。ただ、Mg、Siなどの各元素の十分な固溶量を得るためには、500℃以上、溶融温度以下の温度で溶体化処理した後、室温までの平均冷却速度を20℃/秒以上とすることが好ましい。500℃より低い温度では、溶体化処理前に生成していたMg−Si系などの化合物の再固溶が不十分になって、固溶Mg量と固溶Si量が低下する。
本実施形態は、上述したアルミニウム合金板を用いた自動車構造部材にも関する。本実施形態に係るアルミニウム合金板は、素材板の強度、成形性および圧壊性がバランスよく優れているため、自動車構造部材として用いたときにより優れた安全性を有するものとなる。
また、得られたアルミニウム合金板に対して、人工時効処理前後の0.2%耐力(MPa)、破断伸び(%)、人工時効後のVDA曲げ角度(°)を測定することにより、それぞれ、アルミニウム合金板の強度、成形性および圧壊性を評価した。
まず、製造条件について詳細に説明する。表1に示す化学組成を有するアルミニウム合金を溶解鋳造し、得られた鋳塊を560℃の温度で4時間保持する条件で均質化熱処理した。その後、終了温度が250℃〜350℃となるように熱間圧延を行った。更に、最終板厚が2.0mmとなるように、表1に示す各圧延率で冷間圧延を行い、冷延板とした。
この冷延板に対し、空気炉にて30℃/hで昇温し、表1に示す各焼鈍温度で4時間保持した後、40℃/hで降温させる焼鈍処理を行った。
この後、以下の共通の条件にて、熱処理設備で調質処理(T4処理)した。具体的には、溶体化処理温度までの平均加熱速度を5℃/秒として上記焼鈍後の板を加熱し、525℃の温度で28秒間保持することにより溶体化処理を行った後、平均冷却速度を20℃/秒としたファン空冷を行うことで室温まで冷却した。また、この冷却直後に、直ちに80℃で5時間保持する条件で予備時効処理を行い、予備時効処理後は徐冷(放冷)しアルミニウム合金板(T4材)を得た。
得られたアルミニウム合金板から供試板を採取し、以下に示す方法で耳率を測定した。供試板から、外径66mmの円板状の試験片を打ち抜き、この試験片に対して直径40mmのポンチを用いてカッピングを施して、カップ径40mmの絞りカップを作製した。この絞りカップの耳高さを測定し、上記式(1)により耳率(0°−90°耳率)(%)を算出した。
上記各供試板からJIS13Aの引張試験片(20mm×80mmGL×2.0mm)を採取し、下記条件で室温にて引張試験を行うことにより。0.2%耐力を測定した。まず、予備時効処理後の供試板を2組準備し、一方は追加熱処理を行わないものを0.2%耐力の測定に供した。また、他方は2%以上の予ひずみを付加すると共に、180℃の温度で20分間の人工時効処理を行った後、0.2%耐力を測定した。
上記各供試板からJIS13Aの引張試験片(20mm×80mmGL×2.0mm)を採取し、下記条件で室温にて引張試験を行った。引張試験は、引張試験機を用いて速度5mm/分の速さで試験片を引っ張り、試験片が切断(破断)したときの伸びを測定した。
試験片の引張方向は圧延方向に対して0°方向,45°方向,90°方向の3方向とし、測定回数は5回として、以下の式(3)によって算出した値の平均値を破断伸びとした。なお、下記式(3)において、Loは引張試験前の標点間の距離であり、Lは破断時の標点間の距離である。
破断伸び(%)=100×(L−Lo)/Lo・・・(3)
なお、破断伸びは25%以上であれば、自動車構造部材用として十分な成形性を有するものであると判断し、合格と評価した。
上記予備処理後の供試板に、2%以上の予ひずみを付加するとともに、180℃の温度で20分間の人工時処理を行ったものから、板厚が2.0mm、幅bが60mm、長さlが60mmである正方形の試験片を採取し、VDA曲げ試験による圧壊性を評価した。
VDA曲げ試験は、VDA238−100に準拠し、曲げ線が圧延方向と平行となる3点曲げ試験とした。荷重が30Nに達するまでの試験速度を10mm/分とし、それ以降の試験速度を20mm/分とした。クラック発生、もしくは、板厚減少により、最大荷重から60N減少したとき、曲げ加工がストップする設定とした。
上記曲げ試験は3枚の試験片について測定し、これらの平均値を曲げ角度(°)として採用した。
なお、曲げ角度は95°以上であれば、自動車構造部材用として十分な圧壊性を有するものであると判断し、合格と評価した。
また同様に、強度、成形性および圧壊性の評価結果において、自動車構造部材用として合格と評価できなかったものには、数値に下線を引いて示している。
表1から明らかなように、実施例1〜2は、アルミニウム合金の化学組成が本発明の範囲内であると共に、本発明に規定する条件で製造されたものである。
すなわち、実施例1〜2は、アルミニウム合金の化学組成が質量%で、Mg:0.4%以上1.0%以下、Si:0.6%以上1.2%以下、Cu:0.6%以上1.3%以下、および耳率が−13.0%以下であるので、強度、成形性、および圧壊性がバランスよく優れたアルミニウム合金板を得ることができた。
2 ロール
3 ポンチ
Claims (8)
- 質量%で、Mg:0.4%以上1.0%以下、Si:0.6%以上1.2%以下、Cu:0.6%以上1.3%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるAl−Mg−Si系アルミニウム合金板であって、
耳率が−13.0%以下であることを特徴とする自動車構造部材用アルミニウム合金板。 - 更に、質量%で、Mn:1.0%以下、Fe:0.5%以下、Cr:0.3%以下、Zr:0.2%以下、V:0.2%以下、Ti:0.1%以下、Zn:0.5%以下、Ag:0.1%以下、及びSn:0.15%以下から選択された少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項1に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板。
- 前記Mgの含有量が、質量%で0.4%以上0.6%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板。
- 前記Siの含有量が、質量%で0.6%以上0.8%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板。
- 180℃の温度で20分間の人工時効処理を実施した後に、0.2%耐力が250MPa以上となるベークハード性を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板を用いた自動車構造部材。
- 質量%で、Mg:0.4%以上1.0%以下、Si:0.6%以上1.2%以下、Cu:0.6%以上1.3%以下を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物からなるアルミニウム合金を鋳造する工程と、均質化熱処理する工程と、熱間圧延する工程と、冷間圧延する工程と、焼鈍する工程と、溶体化処理する工程と、焼入れする工程とを有するAl−Mg−Si系アルミニウム合金板の製造方法であって、
前記冷間圧延する工程における圧延率を20%以下に制御し、
前記焼鈍する工程における熱処理温度を275℃以上に設定することを特徴とする自動車構造部材用アルミニウム合金板の製造方法。 - 前記アルミニウム合金は、更に、質量%で、Mn:1.0%以下、Fe:0.5%以下、Cr:0.3%以下、Zr:0.2%以下、V:0.2%以下、Ti:0.1%以下、Zn:0.5%以下、Ag:0.1%以下、及びSn:0.15%以下から選択された少なくとも1種を含有することを特徴とする請求項7に記載の自動車構造部材用アルミニウム合金板の製造方法。
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