JP2908993B2

JP2908993B2 - 高強度及び高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金材

Info

Publication number: JP2908993B2
Application number: JP31100194A
Authority: JP
Inventors: 貴志岡; 一浩貝田; 正和平野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1994-12-14
Filing date: 1994-12-14
Publication date: 1999-06-23
Anticipated expiration: 2014-06-23
Also published as: JPH08170139A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車のバンパー又は自
動車の構造材等に使用され、またその他の構造材等にも
使用される高強度及び高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ
系アルミニウム合金材に関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム押出し材は、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構造材等におい
て、広く使用されている。特に自動車のバンパー又はフ
レーム材等は、軽量性及びエネルギー吸収性が特に必要
であるため、アルミニウム合金の押出し材が使用されて
いる。

【０００３】中空押出しには、ポートホール押出しとマ
ンドレル押出しとがあるが、マンドレル押出しは完全な
円形である円筒パイプを押し出す場合は有効であるが、
角筒等のように円形でない場合は、マンドレルの挿入が
困難である。このため、マンドレル押出し法は、工業的
にはあまり使用されていない。一方、角筒状の部材の押
出しに工業的に使用されている中空ポートホール押出し
法においては、角筒の４つのコーナー部における溶着部
で再結晶が発生する。

【０００４】バンパー又は自動車構造材のような自動車
部品等の押出し断面は中空部を有する複雑な形状のもの
が多く、押出し性が優れた合金でなければ、精度が高い
押出し材を得ることが極めて困難である。また、このよ
うな押出し材は構造材として使用されるため、より高強
度な合金であることが望まれるが、一般に合金の強度が
向上すると、それに伴い変形抵抗も増大し、押出し性は
低下してしまう。従って、合金の強度を向上させること
ができても、合金の変形抵抗が大きいため、押出し形状
を複雑な形状とすることが困難となる。このように合金
の強度と押出し性とは、一方を向上させると他方が低下
してしまうという相反する関係にある。このため、従
来、両特性をともに向上させた合金、即ち高強度で高押
出し性を有するアルミニウム合金の開発が要望されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
この種の用途に使用される合金として、ＪＩＳ７００３
合金があるが、この合金は７０００系合金において比較
的押出し性が優れているものの、自動車の構造材として
使用する場合には強度が不十分である。一方、７０００
系合金においてＪＩＳ７０７５合金は高強度を有する
が、押出し性が劣るため、複雑形状の自動車構造材等を
製造することは困難である。

【０００６】なお、このＪＩＳ７００３合金は、Ｚｎ：
５．０〜６．５重量％、Ｍｇ：０．５〜１．０重量％、
Ｃｕ：０．２重量％、Ｚｒ：０．０５重量％〜０．２５
重量％、Ｔｉ：０．２重量％、Ｍｎ：０．３重量％及び
Ｃｒ：０．２重量％を含むアルミニウム合金である。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、ＪＩＳ７００３合金よりも優れた強度を有
し、押出し性及び耐応力腐食割れ性がＪＩＳ７００３合
金と同等かそれ以上であり、自動車のバンパー又は構造
材等に使用して自動車の軽量化及び安全性の向上を図る
ことができる高強度及び高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃ
ｕ系アルミニウム合金材を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る高強度及び
高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金材
は、Ｍｇ：０．５乃至０．９重量％、Ｚｎ：６．７乃至
９．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至０．４重量％、Ｚｒ：
０．０５乃至０．２５重量％及びＴｉ：０．００５乃至
０．２重量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物
からなる中空ポートホール押出し材であって、この押出
し材の溶着部以外の部分の外面及び内面に夫々肉厚の１
０％以下の厚さの再結晶層が形成されており、内部が繊
維状組織を有し、前記再結晶の平均粒径が１５０μｍ以
下であることを特徴とする。

【０００９】また、このアルミニウム合金押出し材の組
成として、前記成分の他にＡｇを０．１乃至０．４重量
％含有することもできる。

【００１０】更に、上述の成分組成を有する中空ポート
ホール押出し材の代わりに、中実又はマンドレル押出し
材を使用し、この押出し材の外面に肉厚の１０％以下の
厚さの再結晶層が形成され、内部が繊維状組織を有し、
前記再結晶の平均粒径が１５０μｍ以下のものに構成す
ることもできる。

【００１１】

【作用】本願発明者等は、高強度及び高押出性の双方の
特性が改善されたアルミニウム合金材を開発すべく種々
の実験研究を行った。その結果、アルミニウム合金中の
Ｚｎの含有量を増加させることにより変形抵抗を増大さ
せることなく、押出し材の強度を向上させることができ
ることを見出した。また、一般に、Ｚｎ量を増加するこ
とにより耐ＳＣＣ性は悪化してしまうが、Ｃｕの添加量
を増加させ、表面再結晶層の厚さを所定値以下とするこ
とにより、アルミニウム合金は良好な耐ＳＣＣ性を確保
できることも見出した。

【００１２】以下、本発明に係る高強度及び高押出性ア
ルミニウム合金材の成分添加理由及び組成限定理由につ
いて説明する。

【００１３】Ｍｇ（マグネシウム）：０．５乃至０．９
重量％ＭｇはＺｎと結合してＭｇＺｎ₂を形成することによ
り、合金強度を向上させる。この効果を発揮するには、
Ｍｇの添加量は０．５重量％以上必要である。一方、Ｍ
ｇの添加量が０．９重量％を超えると押出し性等を阻害
してしまう。従って、Ｍｇの含有量は０．５乃至０．９
重量％とする。なお、より一層の合金強度の向上を図る
には、Ｍｇの含有量を０．７乃至０．９重量％とするこ
とが好ましい。

【００１４】Ｚｎ（亜鉛）：６．７乃至９．０重量％Ｚｎは上述したように、ＭｇＺｎ₂を形成して、合金強
度を向上させる。この場合、Ｚｎの添加量が６．７重量
％未満では合金強度の向上を図ることができず、一方Ｚ
ｎの添加量が９．０重量％を超えると耐応力腐食割れ性
が劣化してしまう。従って、Ｚｎの含有量は６．７乃至
９．０重量％とする。なお、より一層の合金強度の向上
を図るには、Ｚｎの含有量を７．０乃至９．０重量％と
することが好ましい。

【００１５】Ｃｕ（銅）：０．１乃至０．４重量％Ｃｕは析出強化により合金強度を向上させると共に、伸
び及び耐応力腐食割れ性を向上させる。しかし、Ｃｕの
添加量が０．１重量％未満では、前記効果を発揮し得え
ない。一方、Ｃｕの添加量が０．４重量％を超えると耐
食性及び焼入れ性を低下させてしまう。従って、Ｃｕの
含有量は、０．１乃至０．４重量％とする。なお、より
一層の合金強度及び耐応力腐食割れ性の向上を図るに
は、Ｃｕの含有量は０．１乃至０．２重量％であること
が好ましい。

【００１６】Ｚｒ（ジルコニウム）：０．０５乃至０．
２５重量％Ｚｒはビレットの均質化処理時において微細な金属間化
合物として析出し、結晶粒を微細化させることにより、
強度、伸び及び耐応力腐食割れ性を向上させる。Ｚｒの
添加量が０．０５重量％未満では前記効果を発揮し得な
い。一方、Ｚｒの添加量が０．２５重量％を超えると、
粗大な金属間化合物が晶出してしまい、所定の合金強度
の向上が図れない。従って、Ｚｒの含有量は０．０５乃
至０．２５重量％とする。なお、より一層の強度、伸び
及び耐応力腐食性の向上を図るには、Ｚｒの含有量は
０．１乃至０．２重量％であることが好ましい。

【００１７】Ｔｉ（チタン）：０．００５乃至０．２重
量％Ｔｉは鋳造時における結晶粒を微細化することにより合
金強度を向上させる。この効果を発揮させるにはＴｉの
添加量を０．００５重量％以上とすることが必要であ
る。一方、Ｔｉの添加量が０．２重量％を超えると前記
効果が飽和してしまい、また粗大な金属間化合物が晶出
し所定の合金強度が得られない。従って、Ｔｉの含有量
は０．００５乃至０．２重量％とする。なお、より一層
の合金強度の向上を図るには、Ｔｉの含有量は０．０１
乃至０．０４重量％であることが好ましい。

【００１８】Ａｇ（銀）：０．１乃至０．４重量％Ａｇは合金中に析出することにより、耐応力腐食割れ性
を向上させる。合金材が腐食作用が激しい環境において
使用される場合、又は大きな負荷応力が作用する環境に
おいて使用される場合に添加することが好ましい。Ａｇ
の添加量が０．１重量％未満では前記効果を発揮し得
ず、０．４重量％を超えて添加されると、合金中におい
て粗大な晶出物を生成してしまい、所定の合金強度が得
られない。従って、Ａｇの含有量は０．１乃至０．４重
量％とする。なお、より一層の耐腐食性割れ性を向上さ
せるには、Ａｇの含有量は０．１乃至０．３重量％であ
ることが好ましい。

【００１９】次に、表面再結晶層の厚さ及び再結晶の平
均粒径の限定理由について説明する。

【００２０】図１（ａ）は中空押出し材の一例を示す断
面図であり、図１（ｂ）はその一辺の中間部４の断面組
織を示す拡大図である。また、図１（ｃ）は中空押出し
材のコーナー部である溶着部の断面組織を示す拡大図で
ある。この中空押出し材１のコーナー部には溶着部３
ａ、３ｂ、３ｃ及び３ｄが形成されている。図１（ｂ）
に示すように、押出し時において押出し材がダイスベア
リングとの摩擦熱等により、その押出し材の外面６及び
内面７において表面再結晶組織８及び９が形成される。
この表面再結晶組織８及び９間の内部は繊維状組織１０
となっている。また、図１（ｃ）に示す溶着部において
は、外面６から内面７まで続く再結晶組織１３が形成さ
れている。

【００２１】本発明においては、図１（ｂ）に示す表面
再結晶組織８及び９が占める部分の厚さｔを肉厚３の１
０％以下にする。また、ＪＩＳＨ０５０１における切断
法により求められたこの再結晶組織８及び９の平均粒径
を１５０μｍ以下にする。これは、中空押出し材１の外
面６及び内面７において形成される表面結晶組織８又は
９のうち少なくとも一方の再結晶層の厚さｔが肉厚３の
１０％を超える場合、または前記再結晶の平均粒径が１
５０μｍを超えて大きくなる場合には耐応力腐食割れ性
が著しく劣化すると共に、強度も低下してしまうからで
ある。従って、溶着部３ａ〜３ｄ以外の部分の外面６及
び内面７の各表面再結晶層の厚さｔを夫々肉厚３の１０
％以下とすると共に、前記再結晶の平均粒径を１５０μ
ｍ以下とする。

【００２２】また、図１（ｃ）に示すように、溶着部３
ａ〜３ｄにおける各再結晶組織１３の最小幅ｗは、肉厚
の１５％を超えると中空押出し材の強度が低下すると共
に耐ＳＣＣも劣化してしまう。そのため、各再結晶組織
１３の最小幅ｗは肉厚の１５％以下にすることが好まし
い。

【００２３】なお、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すよう
に、押出しにより表面再結晶８及び９に挟まれた部分は
細長く伸ばされた繊維状組織１０となるが、ビレットの
温度が約５４０℃の高温になると繊維状組織１０の内部
においても再結晶組織が析出する。また、従来のように
押出し温度が４７０〜４８０℃であると、押出し時の摩
擦熱等により押出し材の温度が５００℃を超えてしまう
ことがあり、５００℃の温度を超えて再結晶が形成され
る場合はその再結晶は粗大化してしまうことを本願発明
者等は実験により知見した。

【００２４】従って、押出し材が５００℃の温度を超え
ないように、押出し温度は約４５０℃であることが好ま
しい。また、再結晶の粗大化の原因として、押出し速
度、押出し比又はビレットの成分等があるが、押出し速
度については１０ｍ／分であれば、再結晶が粗大化する
ことはない。

【００２５】一般に、７０００系アルミニウム合金で
は、常に応力腐食割れが問題となるため、上述したよう
に、本発明においてはＺｒ、Ｃｕ及びＡｇをアルミニウ
ム合金に添加することにより耐応力腐食割れ性の向上を
図っている。

【００２６】なお、表面再結晶層の厚さは測定位置によ
ってばらつきがあり一定ではないが、合金材の先端部、
中間部及び後端部を観察し、夫々の位置における平均厚
さが肉厚の１０％以下であればよい。

【００２７】また、本発明に係る高強度及び高押出性Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金材は、ビレッ
トを均質化処理した後、押出し成形し、その後、溶体化
処理、焼入れ処理及び時効処理を順次行うことにより、
自動車構造材等に成形することができる。なお、均質化
処理、焼入れ処理及び時効処理の条件は従来の７００３
合金の場合と同様の条件により行うことができる。

【００２８】

【実施例】以下、本発明の実施例について、本発明の特
許請求の範囲から外れる比較例と比較して説明する。図
１（ａ）は、中空押出し材１をその長手方向と直角な方
向に切断した場合の断面形状を示す模式図である。ま
た、図１（ｂ）は、中空押出し材１の一辺の中間部４の
断面組織を示す拡大図であり、図１（ｃ）は、中空押出
し材１のコーナー部５の溶着部の断面組織を示す拡大図
である。

【００２９】先ず、下記表１に示す組成のアルミニウム
合金ビレットに対して均質化処理を施した。この場合、
全てのビレットに対して、５２０℃の温度下で４時間の
均質化処理を行った。

【００３０】次に外径が１５０ｍｍである円筒形のアル
ミニウム合金ビレットを５ｍ／分の押出し速度により押
出し、図１に示すような一辺の長さが４０．０ｍｍ、肉
厚が２．０ｍｍである中空押出し材を製作した。そし
て、５００℃の温度により溶体化処理を施した後、強制
ファン空冷により焼入れを行った。その後、７０℃の温
度で５時間と１３０℃の温度で１２時間の２段階の時効
処理を行った。なお、押出し時のビレットを４８０℃の
温度にして押出しを行った。

【００３１】また、以上のようにして製作した供試材
は、中空ポートホール押出しによるものであるが、中実
押出し材においてもその特性は何等異なるものではな
い。

【００３２】なお、比較例Ｎｏ１１は従来使用されてい
るＪＩＳ７００３合金より製作した供試材である。

【００３３】

【表１】

【００３４】以下に、上述のように製作した中空押出し
材である供試材の評価方法について説明する。

【００３５】先ず、表面再結晶層の厚さ及び平均粒径に
ついては、図１（ａ）に示すように、点線で囲まれた中
空押出し材の一辺の中間部４を押出し方向に所定長さ切
り取り、その断面を鏡面研磨仕上げをして、その後エッ
チングを施した。図１（ｂ）は、このような処理を施し
た供試材の断面組織を示す拡大図である。中空押出し材
の外面６及び内面７において夫々表面再結晶組織８及び
９が形成される。この場合の表面再結晶層の厚さ及び平
均粒径は、表面再結晶組織８又は９のいずれか値の大き
い側の結晶層について測定を行った。なお、表面再結晶
層の厚さは供試材の外面６及び内面７の間の肉厚に対す
る表面再結晶組織８又９の結晶層の厚さの割合により示
す。

【００３６】次に、中空押出し材の機械的性質を評価す
べく、供試材から引張試験において使用するＪＩＳ５号
試験片を製作し、引張強さ、耐力及び伸びについて評価
を行った。

【００３７】また、合金の押出し性については、押出し
後の供試材の表面性状を観察すると共に、均質化処理後
のビレットより採取した試験片の高温圧縮試験による変
形抵抗値により評価を行った。なお、前記試験における
試験片の温度は５００℃である。

【００３８】更に、耐応力腐食割れ性については、３点
支持法により耐力の８０％の応力を負荷した試験片を沸
騰状態のクロム酸溶液に３６０分浸漬させるＳＣＣ試験
を行った。この試験によるＳＣＣ発生時間により耐応力
腐食割れ性の評価を行った。

【００３９】以上の試験結果は、下記表２に示すとおり
である。

【００４０】

【表２】

【００４１】上記表２に示すように実施例Ｎｏ１〜Ｎｏ
４はいずれも従来品である比較例Ｎｏ１１に比べ、優れ
た強度を有しており、強度が向上しても押出し性及び耐
応力腐食割れ性は同等以上の特性を有している。

【００４２】一方、比較例Ｎｏ１及びＮｏ２の結果よ
り、Ｍｇの含有量が０．９重量％を超える場合は、押出
し性が低下してしまい、逆にＭｇの含有量が０．５重量
％未満では合金強度を向上させることができないことが
わかる。

【００４３】比較例Ｎｏ３及びＮｏ４の結果より、Ｚｎ
の含有量が９．０重量％を超える場合は、耐応力腐食性
が劣化してしまい、一方Ｚｎの含有量が６．７重量％未
満では合金強度の向上が十分ではないことがわかる。

【００４４】比較例Ｎｏ５及びＮｏ６の結果より、Ｃｕ
の含有量が０．４重量％を超える場合は、プレス焼入れ
性が低下してしまうため、合金強度の向上が見られず、
一方Ｃｕの含有量が０．１重量％未満では強度の向上が
十分ではなく、また耐応力腐食割れ性が劣化してしまう
ことがわかる。

【００４５】比較例Ｎｏ７及びＮｏ８の結果より、Ｚｒ
の含有量が０．２５重量％を超える場合は、伸びが低下
してしまい、逆にＺｒの含有量が０．０５重量％未満で
は耐応力腐食割れ性が劣化してしまうことがわかる。

【００４６】比較例Ｎｏ９及びＮｏ１０の結果より、Ｔ
ｉの含有量が０．２重量％を超える場合は、合金強度の
向上が十分ではなく、また押出し性が劣化してしまっ
た。一方、Ｔｉの含有量が０．００５重量％未満では押
出し性は従来と同等であるが、合金強度の向上が十分で
はないことがわかる。

【００４７】また、上記表１に示す実施例Ｎｏ４の組成
を有するビレットを種々の押出し温度で押出しすること
により表面再結晶の状態を変えて、耐力及び耐ＳＣＣ性
について評価を行った。その結果を下記表３に示す。

【００４８】

【表３】

【００４９】上記表３の実施例Ｎｏ５及びＮｏ６に示す
ように、押出し温度が５００℃以下であれば、表面再結
晶の粒径及び層厚さについては本発明の範囲内であり、
耐力及び耐ＳＣＣ性について良好な結果が得られた。

【００５０】一方、比較例Ｎｏ１２乃至Ｎｏ１４に示す
ように押出し温度が５００℃を超えている場合は、表面
再結晶の粒径は粗大化すると共に肉厚に対する表面再結
晶層の厚さの割合が１０％を超えてしまうため、これら
の耐力及び耐ＳＣＣ性はともに劣化している。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
所定の組成を有するアルミニウム合金を押出しして所定
の表面再結晶を形成させることにより、自動車のバンパ
ー又は自動車構造材等に従来使用されているＪＩＳ７０
０３のＡｌ合金と同等以上の押出し性及び耐応力腐食割
れ性を有していると共に、前記Ａｌ合金よりも極めて優
れた強度を有するアルミニウム合金材を製造することが
できる。また、前記アルミニウム合金材を自動車のバン
パー又は自動車構造材等に使用することにより、自動車
のより一層の軽量化及び安全性の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】中空押出し材をその長手方向と直角な方向に切
断した場合の断面形状を示す模式図並びにその一辺及び
１コーナー部の結晶組織を示す拡大図である。

【図２】肉厚に対する表面再結晶層の厚さと耐力及びＳ
ＣＣ発生時間との関係を示すグラフ図である。

【符号の説明】

１；中空押出し材２ａ，６；中空押出し材の外面２ｂ，７；同じく内面３；同じく肉厚３ａ〜３ｄ；溶着部４；中空押出し材の一辺の中間部５；同じく１コーナー部８；同じく外面の表面再結晶組織９；同じく内面の表面再結晶組織１０；同じく肉厚内部の繊維状組織１３；溶着部の再結晶組織

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−247575（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−113164（ＪＰ，Ａ) 特開昭49−1418（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−102513（ＪＰ，Ａ) 特公昭48−29446（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｍｇ：０．５乃至０．９重量％、Ｚｎ：
６．７乃至９．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至０．４重量
％、Ｚｒ：０．０５乃至０．２５重量％及びＴｉ：０．
００５乃至０．２重量％を含有し、残部がＡｌ及び不可
避的不純物からなる中空ポートホール押出し材であっ
て、この押出し材の溶着部以外の部分の外面及び内面に
夫々肉厚の１０％以下の厚さの再結晶層が形成されてお
り、内部が繊維状組織を有し、前記再結晶の平均粒径が
１５０μｍ以下であることを特徴とする高強度及び高押
出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金材。
【請求項２】Ｍｇ：０．５乃至０．９重量％、Ｚｎ：
６．７乃至９．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至０．４重量
％、Ｚｒ：０．０５乃至０．２５重量％、Ｔｉ：０．０
０５乃至０．２重量％及びＡｇ：０．１乃至０．４重量
％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる中
空ポートホール押出し材であって、この押出し材の溶着
部以外の部分の外面及び内面に夫々肉厚の１０％以下の
厚さの再結晶層が形成されており、内部が繊維状組織を
有し、前記再結晶の平均粒径が１５０μｍ以下であるこ
とを特徴とする高強度及び高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−
Ｃｕ系アルミニウム合金材。
【請求項３】Ｍｇ：０．５乃至０．９重量％、Ｚｎ：
６．７乃至９．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至０．４重量
％、Ｚｒ：０．０５乃至０．２５重量％及びＴｉ：０．
００５乃至０．２重量％を含有し、残部がＡｌ及び不可
避的不純物からなる中実又はマンドレル押出し材であっ
て、この押出材の外面に肉厚の１０％以下の厚さの再結
晶層が形成されており、内部が繊維状組織を有し、前記
再結晶の平均粒径が１５０μｍ以下であることを特徴と
する高強度及び高押出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アル
ミニウム合金材。
【請求項４】Ｍｇ：０．５乃至０．９重量％、Ｚｎ：
６．７乃至９．０重量％、Ｃｕ：０．１乃至０．４重量
％、Ｚｒ：０．０５乃至０．２５重量％、Ｔｉ：０．０
０５乃至０．２重量％及びＡｇ：０．１乃至０．４重量
％を含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる中
実又はマンドレル押出し材であって、この押出材の外面
に肉厚の１０％以下の厚さの再結晶層が形成されてお
り、内部が繊維状組織を有し、前記再結晶の平均粒径が
１５０μｍ以下であることを特徴とする高強度及び高押
出性Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃｕ系アルミニウム合金材。