JP3450209B2 - 車両ボディ用フレーム材の製造方法 - Google Patents
車両ボディ用フレーム材の製造方法Info
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Description
金からなる車両ボディ用フレーム材の製造方法に関する
ものである。
ム,リアフレーム及びピラー等に代表されるボディ用フ
レームは、搭乗者の安全性を確保するため、衝突時の衝
撃エネルギーの吸収性が優れていることが必要である。
また、三次元的な曲げ加工(曲げの中心線が一平面上に
位置しないような曲げ加工)のために、曲げ加工精度が
良好であることも必要である。
ような性能条件が必要であるため通常冷間圧延鋼板が使
用されていたが、近年特に自動二輪車を含む乗用車両で
は、運動性の向上や燃費の改善の要請により、車両ボデ
ィ用フレーム材として、より軽量なアルミニウム合金材
料が使用されるようになった。車両ボディ用のアルミニ
ウム合金製フレーム材には、押出性がよく、曲げ加工性
及び強度的にも良好であるところから、例えば6063
(Mg:0.45〜0.9%,Si:0.2〜0.6
%,Fe:0.35%以下,Cu,Mn,Cr,Zn,
Ti各0.1%以下,残Al)合金に代表されるAl−
Mg−Si系合金が使用されている。
撃吸収部材としての車両ボディ用フレーム材は、0.2
%耐力が大きいばかりでなく、各フレーム材の0.2%
耐力が一定でそのバラツキが小さくなければならない。
なせならば、0.2%耐力が一定でなければ衝撃を安定
して吸収することができないからであり、また、各フレ
ーム材の0.2%耐力のバラツキが大きいと、曲げ加工
時(特に、スプリングバック量が大きい押し通し曲げ機
による曲げ加工時)のスプリングバック量の変化が大き
いため寸法精度が悪くなり、曲げ加工後の矯正加工や、
フレーム材毎に曲げ加工条件を設定することなどが必要
になって生産性が低下するからである。しかしながら、
従来のAl−Mg−Si系合金の押出材は、製造ロット
別にみても同じ製造ロット内においても、0.2%耐力
のバラツキが大きく、曲げ加工時の生産性の低下や衝突
時の衝撃吸収性能に問題があり、これらの点の改善が望
まれていた。
ギーを吸収することができるアルミニウム合金製の車両
ボディ用フレーム材の製造方法を提供することにある。
この発明の他の目的は、強度のバラツキが小さく、した
がって、衝突エネルギー吸収量のバラツキが小さいとと
もに、押出性及び曲げ加工性により優れたアルミニウム
合金製の車両ボディ用フレーム材の製造方法を提供する
ことにある。具体的には、0.2%耐力が170〜20
0MPaであって、伸びが12〜18%である車両ボデ
ィ用フレーム材を製造する方法を提供しようとするもの
である。
ィ用フレーム材の製造方法は、前述の課題を解決するた
め以下のように構成したものである。すなわち、請求項
1に記載の車両ボディ用フレーム材の製造方法は、M
g:0.45〜0.49wt%,Si:0.30〜0.
36wt%を含有するアルミニウム合金ビレットを53
0〜600℃の温度で均質化する工程と、前記アルミニ
ウム合金鋳塊を530℃以上の温度で押出材として押出
加工する工程と、前記押出材を押出後一秒間に0.6℃
以上の速度で少なくとも100℃まで冷却する工程と、
前記冷却された押出材を20〜40℃で15時間以上保
持した後、165〜210℃で時効処理する工程を含む
ことを特徴としている。
の製造方法は、Mg:0.45〜0.49wt%,S
i:0.30〜0.36wt%を含有するアルミニウム
合金ビレットを530〜600℃の温度で均質化する工
程と、前記アルミニウム合金鋳塊を530℃以上の温度
で押出材として押出加工する工程と、前記押出材を押出
後一秒間に0.6℃以上の速度で少なくとも100℃ま
で冷却した後、さらに室温まで冷却する工程と、前記冷
却された押出材を、20℃未満での累積保持時間120
時間以内に20〜40℃で15時間以上保持した後、1
65〜210℃で時効処理する工程を含むことを特徴と
している。
両ボディ用フレーム材の製造方法で使用される合金は、
Mg及びSiを必須の添加元素とするアルミニウム合金
である。Mg及びSiは、車両ボディ用フレーム材の強
度を向上させるための添加元素であり、これらの元素が
析出物Mg2 Siを形成することによって、製造された
フレーム材の引張強さ及び0.2%耐力が向上する。M
gとSiの含有率がそれぞれ0.45wt%,0.30
wt%未満である場合には、製造されたフレーム材は車
両の衝撃エネルギーを吸収するに十分な強度が得られな
い。他方、両元素の含有率がそれぞれ0.49%,0.
36%を超えると、製造されたフレーム材は、引張強さ
と0.2%耐力は上昇するが伸びが低下する。そのた
め、衝撃吸収時の座屈変形によって割れが生じ易くな
り、衝撃エネルギー吸収能力が低下するほか、製品形状
が複雑で曲げ加工が厳しい場合には曲げ加工時に割れが
生じ易くなる。したがって、製造されたフレーム材の機
械的性質のバラツキを極力小さくし、優れた成形性と衝
撃吸収性能を確保するため、Mgは0.45〜0.49
wt%の範囲で、Siは0.30〜0.36wt%の範
囲でそれぞれ添加する必要がある。
金を、以下のような条件で処理して車両ボディ用フレー
ム材を製造する。図4には、この発明の実施形態による
製造工程での材料に対する熱処理履歴が示されている。
第1に、前述のような組成のアルミニウム合金ビレット
を、530〜600℃の温度で均質化処理する。この均
質化処理により、ビレットの鋳造時に偏折した添加元素
が拡散により均質になる。均質化処理温度が、530℃
よりも低温であると晶出物等の均一化を達成することが
できず、600℃を超えると材料が部分的に溶融するお
それがある。
ミニウム合金鋳塊を、530℃以上の温度(ダイスから
押し出された直後の材料温度)で所定断面形状の押出材
に押出加工する。530℃以上の温度で押し出すことに
より、押出時に添加元素が母相に十分に固溶され、母相
に固溶したMg,Si量が同一製造ロットのみでなく、
異なった製造ロットでもほとんど差がなくなるため、強
度バラツキがほとんどないフレーム材が製造される。押
出加工時にダイスから出た直後の材料温度が530℃未
満である場合には、添加元素であるMg,Siが母相に
十分固溶せず強度バラツキの原因になる。
6℃以上の速度で少なくとも100℃まで冷却した後、
さらに室温まで冷却する。押出材をこのように冷却する
ことにより、530℃以上で押し出すことによって固溶
させた添加元素が冷却中に析出・成長するのを防止し、
時効処理時に添加元素によりフレーム材へ所定の強度を
付与する。冷却速度が0.6℃/secよりも下回る
と、固溶した添加元素が冷却中に析出・成長するのを防
止することができず、添加元素によるフレーム材の強度
が十分に保証できなくなるおそれがある。特に、150
℃以上の温度領域では、強度に影響する析出物の成長が
早いので、0.6℃/sec以上の速度で100℃まで
冷却することが不可欠である。さらに、この発明では前
記析出・成長の抑制をより完全なものとするため、材料
温度が少なくとも100℃に下降するまで前記冷却速度
を維持するものとする。前記冷却は、押出材の形状変形
の防止や設備費の点からファンを使用した空冷によるの
が好ましいが、押出材の形状変形などのおそれがない場
合には水冷によっても差し支えない。
℃で15時間以上室温時効を行った後、これを165〜
210℃の温度で人工時効処理する。材料の押出,冷却
後20℃未満での累積保持時間は120時間以内である
ことが望ましい。この室温時効と人工時効処理により、
フレーム材の引張強さ及び0.2%耐力を向上させるこ
とができる。材料の押出・冷却後の20℃以上の保持で
GPゾーンを析出させ、さらに、このGPゾーンの析出
密度をほぼ一定にするために、20〜40℃で室温時効
を15時間以上行う必要がある。これ以上長時間室温時
効を行ってもGPゾーンの析出密度はほとんど変化せ
ず、その後の人工時効でのMg2 Siの数,大きさ及び
密度をほぼ一定にすることができる。したがって、製造
ロットが変わっても、所定の時効条件の範囲では材料の
強度を一定範囲にすることができる。室温時効が20℃
未満ではGPゾーンの析出が進まず、そのまま人工時効
を施しても20〜40℃で室温時効した場合に比べて材
料の強度が低下するが、冬季など材料の押出,冷却後2
0℃未満に保持される場合でも、20〜40℃で室温時
効を15時間以上行うことによりGPゾーンの析出密度
をほぼ一定にすることができる。材料の押出,冷却後2
0℃未満の累積保持時間が120時間を超えると、その
後20〜40℃で15時間以上室温時効を施しても、G
Pゾーンの析出密度が一定にならずバラツクおそれがあ
り、したがって20℃未満での累積保持時間は120時
間以内であるのが好ましい。人工時効温度が165℃未
満では、熱処理を長時間実施しなければならないので生
産性が低下し、人工時効温度が210℃を超えると、フ
レーム材の強度変化が激しくなり強度のバラツキが大き
くなる。
エネルギーを吸収することができ、強度のバラツキ(衝
撃エネルギー吸収量のバラツキ)が小さく、しかも、押
出性及び曲げ加工性により優れたアルミニウム合金製の
車両ボディ用フレーム材を製造することができる。具体
的には、前述の製造方法によって製造された車両ボディ
用フレーム材は、0.2%耐力が170〜200PMa
で、かつ伸びが12〜18%である。0.2%耐力が1
70〜200PMaの範囲内であれば、通常の乗用車両
に必要な衝撃エネルギー吸収量を有するとともに、強度
が均一で、衝撃エネルギー吸収量のバラツキが小さく、
しかも曲げ加工時のスプリングバック量もより均一であ
る。フレーム材の0.2%耐力が170PMaを下回る
と強度が劣り、衝撃エネルギー吸収量が小さくなるとと
もに、衝撃エネルギー吸収量のバラツキも大きくなる。
フレーム材の0.2%耐力が200PMaを超えると、
衝突エネルギー吸収量は増大するが伸びが低下し、衝撃
エネルギー吸収時や曲げ加工時に割れが発生するととも
に、衝撃エネルギー吸収量もバラツキ易くなる。
2wt%,残部Al及び不可避的不純物であるアルミニ
ウム合金ビレットを、565℃の温度で4時間均質化処
理した後、460℃程度に再加熱し、これを押出加工し
て図1のように一辺L=25mm,肉厚=2.0mmの正六
角形断面の押出材を製造した。押出時のダイスからの出
側の材料温度は540〜550℃であった。前記押出材
を0.8℃/secの速度でファンにより空冷(約9分
間に100℃まで冷却)し、これを20℃で20時間保
持した後、210℃で2時間の人工時効処理を施し、車
両ホディ用フレーム材を製造した。なお、フレーム材
は、押出以降同一条件で3回製造した。これら3回の製
造ロットの各5本ずつ計15本のフレーム材を長さ30
0mmに切断してフレーム材のサンプルとし、各サンプル
の引張試験と圧縮試験を行うとともに、圧縮試験中の割
れの有無を調べた。圧縮試験は、各サンプルに対して垂
直方向へ静的荷重を加え、圧縮変形量とその時の荷重を
測定することにより行い、圧縮開始から圧縮変形量が1
00mmに達するまでに負荷された荷重と圧縮変形量との
積を求め、これを吸収エネルギーとした。前記圧縮試験
の際の変位荷重曲線の測定例を図2に示した。前記各試
験の結果、前記15本のサンプルは、0.2%耐力が1
78〜180PMa、伸びが14.2〜16.0%、エ
ネルギー吸収量が5.4〜5.6kg・mであり、同一
製造ロット内のサンプル5本のエネルギー吸収量のバラ
ツキは0.1kg・m以内であった。また、前記圧縮試
験中のサンプルの割れはなかった。
や製造条件を、この発明の範囲内で種々変えた実施例の
サンプルNo.1〜20のフレーム材を製造するととも
に、表2で示すように、添加元素の含有率及び各製造条
件の中のいずれかの一又は二の要件がこの発明の範囲外
である比較例のサンプルNo.21〜48のフレーム材
を製造した。ただし、各サンプルにおいて添加元素以外
の組成は、残部がAl及び不可避的不純物である。各サ
ンプルの押出形状は、図3のように外形が正方形で一辺
L=100mm、肉厚=2.5mmの「田」の字状断面であ
った。そして、各サンプルについて引張強さ,0.2%
耐力及び伸び等の引張性質、衝撃エネルギー吸収量,吸
収量のバラツキ及び割れ等のエネルギー吸収特性を測定
するとともに、曲げ加工試験を行った。それらの結果を
表3,4に示した。なお、表1及び表2において、押出
材料温度は押出ダイスからの出側の材料温度であり、冷
却速度は材料温度から100℃差し引いた値を材料温度
が100℃まで下がるのに要した時間で除した値であ
る。表2の下線付部分は、この発明の範囲内でない数値
又は条件であることを示している。表3及び表4におい
て、エネルギー吸収量は、300mmの長さに切断したサ
ンプルに垂直方向への荷重を加え、サンプルの圧縮変形
量が100mmに達するまでの荷重と変形量との積であ
る。吸収量のバラツキは、同一製造ロット内の3本のサ
ンプルの吸収量の最大差を示している。また、各サンプ
ルNo.1〜48のフレーム材をそれぞれ500mmの長
さで60本のサンプルに切断し、押し通し曲げ機を使用
して曲げ半径500mmで30度曲げを行った。表3及び
4における曲げ変位量は、サンプルの一方の片端を基準
として、60本のサンプル中の他端の最大のずれ量を示
したものである。
0と比較例サンプルNo.21〜40、実施例サンプル
No.1,3,10と比較例サンプルNo.31,3
2,33は、合金の組成及び製造条件がほぼ対応してい
るが、後者はその合金組成及び製造条件の中の一つ又は
二つの要素がこの発明の範囲から外れているケースであ
る。表3,4で明らかなように、本発明の実施例である
サンプルNo.1〜20は、0.2%耐力が171〜1
99MPa、伸びが12.0〜17.6%、衝撃エネル
ギー吸収量が12.3〜13.7kg・mであって、こ
れらの測定結果は、いずれも実験上車両ボディ用フレー
ム材としての使用に耐えうるものであった。また、60
本曲げ変位量は0.6〜0.9mmの範囲で大差がないと
ともに、エネルギー吸収量のバラツキは0〜0.1kg
・mで非常に小さく、かつ、圧縮時に割れは発生せず、
所定の性能を満足した。
の添加元素であるSi又はMgの添加量が、それぞれ
0.30wt%,0.45wt%未満である比較例のサ
ンプルNo.26,32のフレーム材は、それぞれ対応
する実施例サンプルNo.1,2と比べると、伸びは十
分であるが強度(0.2%耐力)が小さく、エネルギー
吸収量も相対的に小さかった。
wt%,0.49wt%を超えるサンプルNo.30,
37,39のフレーム材は、Si,Mgの添加量が本発
明の範囲を満足する実施例サンプルNo.5,7,9と
比べると、0.2%耐力は大きいが伸びが小さく、圧縮
時に割れが発生したほかエネルギー吸収量のバラツキも
大きかった。
条件よりも低い(500℃)比較例サンプルNo.33
のフレーム材は、これに対応する前記実施例サンプルN
o.3と比べ、0.2%耐力,伸び,エネルギー吸収量
ともにかなり小さいほか、エネルギー吸収量バラツキが
大きく、圧縮時に割れが発生した。
件よりも低い(515℃)比較例サンプルNo.28の
フレーム材は、これに対応する前記実施例サンプルN
o.3と比べ、0.2%耐力,エネルギー吸収量ともに
かなり小さいとともに、60本曲げ変位量やエネルギー
吸収量バラツキが大きかった。押出温度と室温時効時間
がこの発明の製造方法における条件以下である比較例サ
ンプルNo.31のフレーム材は、これに対応する前記
実施例サンプルNo.1と比べ、0.2%耐力,エネル
ギー吸収量ともにかなり小さいとともに、60本曲げ変
位量やエネルギー吸収量バラツキが大きかった。
件よりも低い(520℃)比較例サンプルNo.40の
フレーム材は、これに対応する前記実施例サンプルN
o.10と比べ、0.2%耐力,伸び,及びエネルギー
吸収量ともに僅かに小さく、60本曲げ変位量やエネル
ギー吸収量のバラツキが大きかった。また、圧縮時には
割れが発生した。
wt%,0.49wt%を超え、押出温度(材料温度)
がこの発明の製造方法における条件以下である(510
℃)比較例サンプルNo.34のフレーム材は、これに
対応する前記実施例サンプルNo.4と比べ、0.2%
耐力,エネルギー吸収量ともにかなり小さく、60本曲
げ変位量やエネルギー吸収量バラツキも大きく、圧縮時
に割れが発生した。
件よりも遅い比較例サンプルNo.27,35,36の
各フレーム材は、冷却速度が本発明の範囲内である実施
例サンプルNo.2,5,6と比べると、0.2%耐
力,及びエネルギー吸収量ともに小さく、60本曲げ変
位量やエネルギー吸収量バラツキも大きかった。また、
前記比較例サンプルNo.35.36の各サンプルは伸
びが小さく圧縮時に割れが発生した。
ける条件以下である比較例サンプルNo.29,38の
フレーム材は、室温時効時間が本発明の範囲を満足する
実施例サンプルNo.4,8のフレーム材と比べると、
0.2%耐力,及びエネルギー吸収量ともにかなり小さ
かった。室温時効温度が本発明に係る製造方法の条件を
外れている比較例サンプルNo.21〜25のフレーム
材は、室温時効温度が本発明の範囲を満足する実施例サ
ンプルNo.6〜10のフレーム材と比べると、0.2
%耐力,及びエネルギー吸収量ともにかなり小さかっ
た。
法における温度条件より低い(160℃)比較例サンプ
ルNo.41のフレーム材は、これと対応する実施例サ
ンプルNo.1のフレーム材と比べると、0.2%耐
力,及びエネルギー吸収量ともかなり小さく、60本曲
げ変位量やエネルギー吸収量のバラツキも大きかった。
法における温度条件より高い(220℃)比較例サンプ
ルNo.42,43のフレーム材は、それぞれ対応する
各実施例サンプルNo.3,10のフレーム材と比べる
と、60本曲げ変位量やエネルギー吸収量のバラツキが
大きかった。
の室温時効を施してない比較例サンプルNo.44〜4
8のフレーム材は、室温時効条件が本発明の範囲を満足
する各実施例サンプルNo.11〜20と比べると、
0.2%耐力及びエネルギー吸収量ともにかなり小さか
った。
用フレーム材の製造方法によれば、前述のように組成の
アルミニウム合金ビレットを、前述の条件で均質化処理
後押出し加工し、この押出材を押出後一秒間に0.6℃
以上の速度で少なくとも100℃冷却し、冷却された押
出材を20〜40℃で15時間以上保持した後、165
〜210℃で時効処理する工程を含む。したがって、
0.2%耐力が170〜200MPaで、かつ伸びが1
2〜18%であって、搭乗者を保護するのに必要十分な
衝撃エネルギーを吸収するのに充分なアルミニウム合金
製の車両ボディ用フレーム材を製造することができる。
併せて、強度のバラツキ(衝撃エネルギー吸収量のバラ
ツキ)が小さく、しかも、押出性及び曲げ加工性により
優れたアルミニウム合金製の車両ボディ用フレーム材を
製造することができる。
の押出,冷却後室温時効前の20℃未満での累積保持時
間を120時間以内としたので、その後20〜40℃で
15時間以上室温時効を施すことより、GPゾーンの析
出密度が一定になり易い。
ム材の断面図である。
の変位荷重曲線を示す線図である。
ム材の断面図である。
履歴を示す模式図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 Mg:0.45〜0.49wt%,S
i:0.30〜0.36wt%を含有するアルミニウム
合金ビレットを530〜600℃の温度で均質化処理す
る工程と、 前記アルミニウム合金鋳塊を530℃以上の温度で押出
材として押出加工する工程と、 前記押出材を押出後一秒間に0.6℃以上の速度で少な
くとも100℃まで冷却する工程と、 前記冷却された押出材を20〜40℃で15時間以上保
持した後、165〜210℃で時効処理する工程を含む
ことを特徴とする、 車両ボディ用フレーム材の製造方法。 - 【請求項2】 Mg:0.45〜0.49wt%,S
i:0.30〜0.36wt%を含有するアルミニウム
合金ビレットを530〜600℃の温度で均質化処理す
る工程と、 前記アルミニウム合金鋳塊を530℃以上の温度で押出
材として押出加工する工程と、 前記押出材を押出後一秒間に0.6℃以上の速度で少な
くとも100℃まで冷却した後、さらに室温まで冷却す
るする工程と、 前記冷却された押出材を、20℃未満での累積保持時間
120時間以内に20〜40℃で15時間以上保持した
後、165〜210℃で時効処理する工程を含むことを
特徴とする、 車両ボディ用フレーム材の製造方法。
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