JP2023155800A - 自動車用ドアビームおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態の目的は、ZnおよびMgが高濃度化された7000系アルミニウム合金押出材からなる自動車用ドアビームにおいて、ドアビームとマスチック接着剤との間の接着力(マスチック接着性)を向上したものを提供することである。本発明の別の実施形態の目的は、マスチック接着性を向上した自動車用ドアビームの製造方法を提供することである。
7000系アルミニウム合金押出材からなる自動車用ドアビームであり、
Zn:7.5~9.0質量%、
Mg:1.5~2.0質量%、
Cu:0.1~0.7質量%、
Si:0.15質量%以下(0質量%を含む)、
Fe:0.3質量%以下(0質量%を含む)、
Ti:0.2質量%以下(0質量%を含まない)、
Mn,Cr,Zrの1種以上をMn:0.30質量%以下(0質量%を含まない)、Cr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)、Zr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)の範囲内で、合計で0.10~0.50質量%、
残部Alおよび不可避的不純物からなり、
マスチック接着される接着部を有し、該接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が以下の式(1)を満たす、自動車用ドアビームである。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。
MgおよびZnの含有量が、以下の式(2)および式(3)を満たす、態様1に記載の自動車用ドアビームである。
CZn-5.38×CMg≦1.0 (2)
CMg-0.186×CZn≦0.5 (3)
ここで、CZnおよびCMgは、それぞれ質量%で示したZnおよびMgの含有量である。
態様1または2に記載の自動車用ドアビームを製造する方法であって、
マスチック接着される自動車用ドアビームの接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が以下の式(1)を満たすように、前記接着部の表面を処理する工程を含む、自動車用ドアビームの製造方法である。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。
前記接着部の表面を処理する工程は、前記表面を研磨して前記表面のMg濃縮層の少なくとも一部を除去することを含む、態様3に記載の自動車用ドアビームの製造方法である。
前記接着部の表面を処理する工程は、化学的処理により前記表面のMg濃縮層の少なくとも一部を除去することを含む、態様3に記載の自動車用ドアビームの製造方法である。
ドアビームの素材として用いられる7000系アルミニウム合金押出材の組成は、
Zn:7.5~9.0質量%、
Mg:1.5~2.0質量%、
Cu:0.1~0.7質量%、
Si:0.15質量%以下(0質量%を含む)、
Fe:0.3質量%以下(0質量%を含む)、
Ti:0.2質量%以下(0質量%を含まない)、
Mn,Cr,Zrの1種以上をMn:0.30質量%以下(0質量%を含まない)、Cr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)、Zr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)の範囲内で、合計で0.10~0.50質量%、
残部Alおよび不可避的不純物からなる。この組成は、従来の7000系アルミニウム合金押出材と比べて、ZnおよびMgの濃度(含有量)が高い。
この7000系アルミニウム合金押出材に含まれる個々の元素について説明する。
ZnはMgとともにMgZn2を形成し、7000系アルミニウム合金押出材の強度を向上させる。強度の向上効果を発揮するためには、Zn含有量は7.5質量%以上が必要である。一方、Zn含有量が9.0質量%を超えると、耐SCC性の低下を抑制できない。従って、Zn含有量は7.5~9.0質量%の範囲内とする。Zn含有量の下限値は、より好ましくは7.7質量%、さらに好ましくは8.0質量%、特に好ましくは8.1質量%であり、上限値は好ましくは8.8質量%である。
MgはZnとともにMgZn2を形成し、7000系アルミニウム合金押出材の強度を向上させる。強度の向上効果を発揮するためには、Mg含有量は1.5質量%以上が必要である。一方、Mg含有量が2.0質量%を超えると、耐SCC性の低下を抑制できず、また変形抵抗の増加により押出性を劣化させる。従って、Mg含有量は1.5~2.0質量%の範囲内とする。Mg含有量の下限値は好ましく1.6質量%、上限値は好ましくは1.8質量%である。
MgとZnの含有量は、以下のような関係を満たすことが好ましい。
MgZn2を構成するMgとZnの化学量論比(質量比)は1:5.38である。7000系アルミニウム合金押出材のZn含有量(質量%)をCZnとし、Mg含有量(質量%)をCMgとすると、ZnとMgが化学量論比で存在するとき、CZn=5.38×CMgが成立する。一方、Znが化学量論比より過剰に存在するとき、CZn>5.38×CMgが成立し、そのときの過剰Zn量(EZn)はEZn=CZn-5.38×CMgで計算される。また、Mgが化学量論比より過剰に存在するとき、CZn<5.38×CMgが成立し、そのときの過剰Mg量(EMg)はEMg=CMg-0.186×CZnで計算される。
CZn-5.38×CMg≦1.0 (2)
CMg-0.186×CZn≦0.5 (3)
ここで、CZnおよびCMgは、それぞれ質量%で示したZnおよびMgの含有量である。
Cuは粒界析出物(MgZn2)に固溶することで、粒界析出物とPFZ(無析出帯)との電位差を小さくし、腐食環境下で粒界析出物の優先溶解を抑制し、これにより7000系アルミニウム合金押出材の耐SCC性を改善する。また、Cuは7000系アルミニウム合金押出材の強度を向上させる。しかし、Cu含有量が0.1質量%未満では上記作用が不十分である。一方、Cu含有量が0.7質量%を超えると、逆に耐SCC性を劣化させ、また、変形抵抗の増加により押出性を劣化させ、押出材の溶接割れ性も劣化させる。従って、Cu含有量は0.1~0.7質量%の範囲とする。Cu含有量の下限値は好ましくは0.2質量%、上限値は好ましくは0.5質量%である。
Tiは7000系アルミニウム合金の鋳造時に結晶粒を微細化させる作用がある。一方、0.2質量%を超えるとその作用が飽和し、かつ粗大な金属間化合物が晶出して押出材の成形性を低下させる。従って、Ti含有量は0.2質量%以下(0質量%を含まない)とする。Ti含有量の好ましい下限値は0.005質量%であり、好ましい上限値は0.05質量%である。
Mn,Cr,Zrは、均質化処理によってアルミニウム中に微細分散粒子として析出し、再結晶を抑制する効果があり、また再結晶を抑制することで耐SCC性を向上させる効果があり、1種以上が合計で0.10質量%以上添加される。Mn,Cr,Zrの1種以上として、(1)3元素のうちいずれか1種のみ、(2)3元素のうち2種の組み合わせ(MnとCr、MnとZr、又はCrとZr)、又は(3)3元素全ての組み合わせが考えられ、前記(1)~(3)のいずれでも選択できる。しかし、Mn,Cr,Zrの含有量がそれぞれ0.30質量%、0.25質量%、0.25質量%を超え、又は1種以上の合計含有量が0.50質量%を超えると、押出性が悪くなり、また、押出材の焼き入れ感受性が鋭くなる。従って、Mn,Cr,Zrの1種以上の含有量は、Mn:0.30質量%以下(0質量%を含まない)、Cr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)、Zr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)の範囲内で、合計が0.10~0.50質量%の範囲内とする。
7000系アルミニウム合金には、少量のSiが混入している。SiはMgとともにMg2Siを形成し、粒界に析出する。Si含有量が0.15質量%を超えると、Mg2Siが過剰に形成されてMgが消費され、押出材の強度不足の原因となる。また、Si含有量が0.15質量%を超えると、押出材の表面に焼き付きが生じやすく、押出性を劣化させる。従って、Si含有量は0.15質量%以下(下限値は0質量%)とする。
7000系アルミニウム合金には、不純物として少量のFeが混入している。Feは鋳造時に合金中の他の元素と金属間化合物を形成し、鋳塊中に晶出物(Fe系晶出物)を生成する。本明細書においてFe系晶出物とは、Al-Fe系、Al-Fe-Si系、Al-Mn-Fe系、A1-Fe-Mn-Si系、Al-Cr-Fe系等、Feを含む晶出物(金属間化合物)を総称する用語である。鋳塊中に生成したFe系晶出物は、押出後の材料(押出材)中にも消滅することなく存在する。
Fe系晶出物が多く晶出すると、7000系アルミニウム合金押出材の靱性が低下する。そのため、Fe含有量は0.3質量%以下(下限値は0質量%)とする。Fe含有量の好ましい上限値は0.15質量%である。Fe含有量を制限することでFe系晶出物が減少し、Fe系晶出物を原因とする孔食を抑制する効果も期待できる。
好ましい1つの実施形態では、残部は、Alおよび不可避的不純物である。7000系アルミニウム合金を鋳造する際、主要不純物であるSi、Fe以外にも、地金、添加元素の中間合金等、様々な経路から不可避的に不純物が混入する。これらの不可避的不純物の混入についても、7000系アルミニウム合金のJIS規格等に基づき、本発明の効果を阻害しない範囲で許容される。なお、例えばSi、Feのように、通常、含有量が少ないほど好ましく、従って不可避不純物であるが、その組成範囲について上記のように別途規定している元素がある。このため、本明細書において、残部を構成する「不可避的不純物」という場合は、別途その組成範囲が規定されている元素を除いた概念である。
本発明の実施形態に係る自動車用ドアビームは、マスチック接着される部分(これを「接着部」と称する)の表面におけるAl含有量に対するMg含有量の比が、10.0以下である。つまり、接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が、以下の式(1)を満たしている。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。
マスチック接着性の評価では、過酷な条件下での接着性を検証するために、湿潤環境下で接着性の評価を行う。接着部表面のMg濃度が高い場合、湿潤環境下で表面のMgの水和反応が進みやすい。その結果、接着部表面とマスチック接着剤との間の接着力が低下して、マスチック接着性が低下しやすいと推測される。
[Mg]/[Al]を10.0以下にすることにより、接着部表面での水和反応が抑制されて、優れたマスチック接着性を達成できる。
[Mg]/[Al]は、好ましくは8.0以下、よりこのましくは7.2以下である。
別の測定方法としては、接着部に接着剤が付着した状態で、接着部を通る断面でドアビームを切断し、その断面をSEM(走査型電子顕微鏡)またはTEM(透過電子顕微鏡)に取り付けたEDX装置により分析して、接着部の表面位置におけるMgおよびAlの濃度(含有量)を測定する方法がある。
自動車用ドアビームの製造方法では、マスチック接着される自動車用ドアビームの接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が以下の式(1)を満たすように、前記接着部の表面を処理する工程を含む。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。
研磨装置を用いた研磨除去の場合、除去量は、研磨時の荷重、研磨時間で調節することができる。
接着部表面の除去量(除去深さ)は、上述した手法を用いて決定することができる。
化学的除去の場合、除去量は、使用する処理溶液の種類および濃度、処理溶液を適用する時間で調節することができる。
表1に合金種A、Bの成分組成を示す。なお、合金種A、Bのいずれも、Mgが化学量論比より過剰に存在した。合金種AはEMg=0.019(質量%)であり、合金種BはEMg=0.191(質量%)であった。
合金種Aの押出材に対して、スコッチ・ブライト 工業用パッド7447 #320番(3M社製)を取り付けたオービタルサンダー(ハンドサンダー)(コバックス社製)を用いて、表面を研磨した。荷重は5kgで一定とし、研磨時間は3秒、5秒および10秒の3段階とし、それぞれNo.3~5とした(表2参照)。
No.1および2の各押出材の幅方向中央部から、長手方向が押出方向に平行となるようにJIS13B引張試験片をインナーフランジから機械加工により採取した。採取した試験片は各押出材で2個ずつとした。この試験片を用いてJIS Z 2241:2011の規定に準拠して引張試験を行い、耐力(0.2%)、引張強さ、伸びを測定した。クロスヘッドスピードは耐力値に達するまで5.0mm/分とし、その後、10.0mm/分とした。表2に記載したNo.1、2の耐力値は、2個の試験片で測定された耐力値の平均値とした。測定結果を表2に示す。
なお、No.1と、No.3~5はいずれも同じ合金種を用いているので、No.3~5の耐力、引っ張り強さ、および伸びは、No.1と同様であると推測される。
No.1~5について、試料表面のMgおよびAlの濃度(含有量)を測定した。
MgおよびAlの濃度の定量は、GD-OES分析を用いて、試料表面位置から深さ方向へ連続的に定量した。なお、GD-OES分析では、O、Mg、Al、Si、Cu、Zn、およびZrの含有量を測定した。「Mg濃度」および「Al濃度」は、測定した全元素の合計含有量を100質量%としたときのMgおよびAlの含有量のことである。
測定前に試料の表面をエタノールで拭き取って、研磨粉を除去した。Mg濃度の測定結果を図1に示す。横軸が表面からの深さ(μm)、縦軸がMgの濃度(質量%)である。グラフの1~5は、実施例のNo.1~5に対応している。No.1および2のグラフは、深さ0~0.1μmの範囲にピークがあり、表面にMg濃縮層が存在していることがわかる。
幅25mm×長さ150mm×厚さ3.7mmの供試材を2枚準備した。各供試材の一方の端部付近の、幅25mm×長さ約25~約30mmの範囲を接着部とした。一方の供試材の接着部に、マスチック接着剤として熱硬化型エポキシ樹脂系接着剤を塗布し、そこに他方の供試材の接着部を重ねた。このとき、2枚の供試材の他方の端部(引張試験時の把持部)が互いに逆向きとなるように、2枚の供試材を重ねた。その後、接着剤を乾燥し、加熱して熱硬化処理した。これにより、2枚の供試材の接着部を、接着剤層によって接着した接着試験体を得た。
分離した2枚の供試材の接着部を肉眼で確認して、接着剤層の破壊形態を評価した。全面凝集破壊(マスチック接着剤層が内部破壊している)の場合、マスチック接着剤層と供試材との界面の接着力が高い(優れたマスチック接着性)と判断し、合格(○)と評価した。一方、界面剥離(マスチック接着剤層と供試材との界面で剥離している)が僅かでも生じていた場合は、マスチック接着性が十分ではないと判断し、不合格(×)と評価した。
Claims (5)
- 7000系アルミニウム合金押出材からなる自動車用ドアビームであり、
Zn:7.5~9.0質量%、
Mg:1.5~2.0質量%、
Cu:0.1~0.7質量%、
Si:0.15質量%以下(0質量%を含む)、
Fe:0.3質量%以下(0質量%を含む)、
Ti:0.2質量%以下(0質量%を含まない)、
Mn,Cr,Zrの1種以上をMn:0.30質量%以下(0質量%を含まない)、Cr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)、Zr:0.25質量%以下(0質量%を含まない)の範囲内で、合計で0.10~0.50質量%、
残部Alおよび不可避的不純物からなり、
マスチック接着される接着部を有し、該接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が以下の式(1)を満たす、自動車用ドアビーム。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。 - MgおよびZnの含有量が、以下の式(2)および式(3)を満たす、請求項1に記載の自動車用ドアビーム。
CZn-5.38×CMg≦1.0 (2)
CMg-0.186×CZn≦0.5 (3)
ここで、CZnおよびCMgは、それぞれ質量%で示したZnおよびMgの含有量である。 - 請求項1または2に記載の自動車用ドアビームを製造する方法であって、
マスチック接着される自動車用ドアビームの接着部の表面におけるMgおよびAlの含有量が以下の式(1)を満たすように、前記接着部の表面を処理する工程を含む、自動車用ドアビームの製造方法。
[Mg]/[Al]≦10.0 (1)
ここで、[Mg]および[Al]は、それぞれ質量%で示した、接着部表面のMgおよびAlの含有量を示す。 - 前記接着部の表面を処理する工程は、前記表面を研磨して前記表面のMg濃縮層の少なくとも一部を除去することを含む、請求項3に記載の自動車用ドアビームの製造方法。
- 前記接着部の表面を処理する工程は、化学的処理により前記表面のMg濃縮層の少なくとも一部を除去することを含む、請求項3に記載の自動車用ドアビームの製造方法。
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