JP3498948B2 - 耐圧壊割れ性に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮の衝撃荷重を
受けたとき、その衝撃荷重を吸収する機能を持ち、例え
ば自動車のフレーム構造におけるサイドメンバやバンパ
ーステイ及びサイドフレームなどの衝撃吸収部材として
好適な、耐圧壊割れ性に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アル
ミニウム合金押出材に関する。 【０００２】 【従来の技術】自動車のフレーム構造において、サイド
メンバやバンパーステイなどの衝撃吸収部材として、軽
量化のため例えば矩形断面を有するアルミニウム合金中
空押出材の適用が検討されている。軸方向に圧縮の衝撃
荷重を受けるこれらの衝撃吸収部材には、押出軸方向に
荷重を受けたとき押出材全体がオイラー座屈（形材全体
がくの字形に曲がる座屈）を起こさず、かつ圧壊割れを
発生することなく蛇腹状に収縮変形して、安定した高い
エネルギー吸収を得ること、及び自動車フレーム構造材
として必要な強度（耐力）を有することが要求される。 【０００３】これまで、衝撃吸収部材として利用できる
アルミニウム合金押出材として、高強度アルミニウム合
金の中では比較的耐食性に優れ、リサイクル性の面でも
他の系のアルミニウム合金より優れているＡｌ−Ｍｇ−
Ｓｉ系アルミニウム合金押出材が多く検討されている
（例えば特開平６−２５７８３号公報、特開平７−５４
０９０号公報、特開平７−１１８７８２号公報、特開平
９−２５６０９６号公報等）。 【０００４】アルミニウム合金押出材を自動車のフレー
ム構造等に用いるためには、少なくとも１５０ＭＰａ以
上、望ましくは２００ＭＰａ以上の耐力を有することが
要求される。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出
材においてこの強度を出すため、上記公報にも記載され
ているように、一般にオンラインによるプレス焼入れ又
はオフラインによる溶体化・焼入れ処理を行った後、時
効処理を施している。ここで時効処理を施すのは、押出
材の強度を向上させ、かつ組織を安定化し使用中に自然
時効が進行して強度が変化するのを防止するためであ
る。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
ルミニウム合金押出材は、サイドメンバー等として使用
中に高温にさらされ、自然時効が進行し耐圧壊割れ性が
劣化する可能性があり、それを防止するため時効処理を
行うことは熱処理型のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム
合金押出材を衝撃吸収部材として用いる場合の必須の要
件であるが、Ｔ５、Ｔ６処理を行って強度を上げた場
合、軸方向に圧縮変形させたときに圧壊割れが発生する
という問題をはらんでいる。圧壊割れが発生すると、蛇
腹状の収縮変形が妨げられて安定したエネルギー吸収が
得られなくなる。また、圧壊割れがひどい場合、破片が
飛散する危険もある。さらに、最近ではリサイクル性等
の観点から、同じＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金
押出材を、横方向に衝撃荷重を受けるサイドフレームな
ど、その他の自動車用構造部材としても、同時に利用で
きるようにすることが求められるようになってきた。そ
こで、本発明は、高強度（耐力）を付与したＡｌ−Ｍｇ
−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に、軸方向に優れた耐
圧壊割れ性及び優れたエネルギー吸収性を与え、同時に
横方向にも優れた耐圧壊割れ性を与えることを目的とす
る。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、耐圧壊割
れ性に優れるアルミニウム合金押出材を開発すべく種々
実験研究を行う過程で、中空断面の押出材から採取した
ＪＩＳ５号引張試験片を引張試験した場合の試験片の破
断面の肉厚減少率が、押出材の耐圧壊割れ性と密接な関
係にあることを見いだし、それをもとに本発明を得るこ
とができた。 【０００７】すなわち、本発明に係る耐圧壊割れ性に優
れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、Ｊ
ＩＳ５号引張試験片にて引張試験を実施したときの破断
面の肉厚減少率が２５％以上であることを特徴とする。
ここで、破断面の肉厚減少率（以下、絞りという）と
は、引張試験片の破断面を正面からみたときの当該破断
面の中央部の肉厚（試験片の板面に対し垂直に測定した
肉厚）をａ（図１参照）とし、引張試験片の元の肉厚を
ａ_０としたとき、（１−ａ／ａ_０）×１００で表される
ものとする。本発明に係る耐圧壊割れ性に優れるＡｌ−
Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材には、Ｍｇ：０．
３〜０．８％、Ｓｉ：０．５〜１．１％を含有するＡｌ
−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金が適している。 【０００８】 【発明の実施の形態】上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニ
ウム合金は、上記以外の添加元素として必要に応じて、
Ｃｕ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの１種又は２種
以上を含み（〜を単独で又はこれらの２組（＋
、＋、＋）又は３組（＋＋）を組み合
わせて）、さらに不可避不純物としてＦｅ、その他の元
素を含むことができる。以下、本発明の衝撃吸収部材を
構成する押出材の組成等について説明する。 【０００９】Ｍｇ、Ｓｉ ＭｇとＳｉは結合してＭｇ_２Ｓｉを形成し、合金強度を
向上させる。自動車フレーム構造材等として必要な強度
を得るためには、Ｍｇは０．３％以上の添加が必要であ
る。しかし、０．８％を越えて添加されると析出物が多
くなり過ぎ、２５％以上の絞りを得ることが難しくな
り、優れた耐圧壊割れ性が得られなくなる。従って、Ｍ
ｇ含有量は０．３〜０．８％とする。より望ましい範囲
は０．４〜０．７％、さらに望ましくは０．４５〜０．
６０％である。一方、Ｓｉ量が０．５％より少ないと必
要な強度が得られず、１．１％を越えて添加されると、
同じく粒界析出物が多くなり、２５％以上の絞りを得る
ことが難しく、優れた耐圧壊割れ性が得られなくなる。
従って、Ｓｉ含有量は０．５〜１．１％とする。より望
ましい範囲は０．５〜１．０％、さらに望ましくは０．
５〜０．７％である。なお、焼入れ感受性が鋭くなるの
を抑え、空冷によるプレス焼入れでも焼きが入り必要な
強度が得られるようにするには、Ｍｇ：０．７％以下、
Ｓｉ：１．０％以下、過剰Ｓｉ（Ｍｇ_２Ｓｉのバランス
組成よりも過剰のＳｉ、「総Ｓｉ量−０．５７８×Ｍｇ
量」で定義される）：０．１〜０．５％とする。 【００１０】Ｃｕ Ｃｕは析出硬化により合金強度を向上させ、マトリック
スのＭｇ_２Ｓｉ析出物を微細化して絞りを大きくし、耐
圧壊割れ性を改善する効果がある。しかし、０．１％未
満ではその効果がなく、一方、０．７％を超えると耐食
性及び溶接性を低下させる。従って、Ｃｕの含有量は
０．１〜０．７％とし、望ましくは０．１〜０．６％、
さらに望ましくは０．１〜０．４％とする。 Ｔｉ 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
添加量は０．００５％以上とすることが必要である。ま
た、０．００５％より少ないと、結晶粒が粗大化して絞
りが小さくなり、優れた耐圧壊割れ性が得られなくな
る。一方、Ｔｉ添加量が０．２％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。また、２５％以上の絞りを得
るのが難しくなる。従って、Ｔｉの含有量は０．００５
〜０．２％とし、より望ましくは０．０１〜０．１％、
さらに望ましくは０．０１〜０．０５％とする。 【００１１】Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは、それぞれビレットの均質化処理時
に微細な金属間化合物として析出して押出材の結晶粒を
微細化し、強度、耐圧壊割れ性を向上させる。しかし、
これらの元素の添加量が合計で０．０５％未満では前記
作用を発揮し得ない。一方、添加量が合計で０．６％を
超えると前記効果が飽和してしまう。個別にはそれぞれ
０．０５％、０．００１％、０．０５％未満では前記作
用を発揮し得ず、それぞれ０．４％、０．２％、０．２
％を超えると前記効果が飽和してしまう。従って、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｚｒの含有量は合計で０．０５〜０．６％、
個別にはＭｎ：０．０５〜０．４％、Ｃｒ：０．００１
〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％とし、これらの
１種又は２種以上が適宜添加される。より望ましくは、
Ｍｎ：０．１〜０．２％、Ｃｒ：０．００１〜０．１
％、Ｚｒ：０．１〜０．１５％の１種又は２種以上であ
る。 【００１２】ところで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウ
ム合金押出材において、押出材に繊維状組織が形成され
ると強度及び耐圧壊割れ性が向上する。この繊維状組織
は押出材断面全体に形成されているのが望ましく、表面
再結晶層が形成された場合でも、押出材断面厚さの１／
２程度以上の厚さで形成されていることが望ましい。な
お、この繊維状組織とは、押出による繊維状組織が押出
工程以降の熱処理工程の間においても再結晶せずに残っ
た状態の組織のことである。この繊維状組織を得るに
は、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを合計で０．１％以上含有させる
必要がある。一方、製造コストの低減及び焼入れ後の寸
法精度の向上のため、必要な強度と優れた耐圧壊割れ性
を空冷によるプレス焼入れで得ることが望まれている。
しかし、冷却速度の比較的遅い（通常、１００〜４００
℃／ｍｉｎ）空冷の場合、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを添加する
と、これらの元素はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金の焼入れ感受性を鋭くするため、合計含有量が０．４
％を越えると十分に焼きが入らず、高い強度（特に耐
力）が得られない。従って、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを添加し
て繊維状組織を得る場合、特に空冷によるプレス焼入れ
を行うときは、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの合計含有量は０．１
〜０．４％とする。ただし、通常のファン空冷（２００
℃／ｍｉｎ程度）において繊維状組織を得るには、０．
１８％以上の含有量が望ましい。 【００１３】不可避不純物 不可避不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く
含まれる不純物であり、０．３５％を超えて合金中に存
在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の
機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．３５
％以下に規制する。望ましくは０．３０％以下であり、
さらに０．２５％以下が望ましい。また、アルミニウム
合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金、化合
物等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は
様々であるが、Ｆｅ以外の不純物は単体で０．０５％以
下、総量で０．１５％以下であれば合金の特性にほとん
ど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は単体で
０．０５％以下、総量で０．１５％以下とする。なお、
不純物のうちＢについてはＴｉの添加に伴い合金中にＴ
ｉ含有量の１／５程度の量で混入するが、より望ましい
範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望まし
い。 【００１４】また、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金押出材において、本発明で定義された絞りの値が２５
％以上のとき耐圧壊割れ性に優れる理由については、絞
りの値は材料の局部的な変形能を示す１つの指標であ
り、一方、押出材が蛇腹状に圧壊変形する場合、材料の
ごく表面に発生する伸びは３０％程度に達し、このよう
な領域では材料は絞りのような局部的な変形をしている
と考えられることから、絞りの値が所定値以上の場合に
割れの発生が抑制されたものと推測される。なお、本発
明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材
は、押出軸方向の耐圧壊特性に優れるが、同時に横方向
の耐圧壊特性にも優れ、また、自動車のフレーム構造以
外に鉄道車両、船舶等の構造部材としても利用できる。 【００１５】 【実施例】以下、本発明の実施例について、本発明の特
許請求範囲の規定から外れる比較例と比較して説明す
る。まず、下記表１に示す成分組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ
系アルミニウム合金ビレット（直径：１５５ｍｍ）を通
常の方法により溶製し、約５４０℃×４時間の条件で均
質化処理を施した。その後、押出温度が５００℃、押出
速度が５ｍ／分の条件で各ビレットを押出加工し、押出
直後にオンラインで空冷又は水冷によるプレス焼入れを
行い、図２に示すような中空矩形断面の押出材（外形が
７０×５４ｍｍ、肉厚が２ｍｍの角パイプ）を製造し
た。なお、Ｎｏ．９のみ水冷とし他はすべて空冷とし
た。この角パイプに対して、表１に示す条件で人工時効
処理を施し供試材とした。 【００１６】 【表１】 【００１７】これらの各供試材から押出軸方向に平行に
ＪＩＳ５号試験片を採取し、この試験片を用いて引張強
さσB、耐力σ0.2、破断伸び（破断歪）δをＪＩＳＺ２
２４１に規定する金属材料引張試験法に準じて測定し、
一方、先に説明した方法で破断面の中央部の肉厚を測定
し、先に定義した絞りの値を求めた。元の肉厚は２ｍｍ
である。その結果を表２に示す。また、各供試材（長さ
２００ｍｍ）について縦及び横圧壊試験を行った。縦圧
壊試験は、アムスラー試験機にて図３に示すように軸方
向に静的圧縮荷重を加え、これを１００ｍｍまで圧縮し
て荷重−変位曲線を得、最大荷重と１００ｍｍまでの吸
収エネルギーを求めた。割れ性の評価は目視にて行い、
開口割れ（肉厚を貫通する割れ）の発生しなかったもの
を○、開口割れの発生したものを×と評価した。縦圧壊
試験の総合評価としては、開口割れがなく、耐力２００
ＭＰａ以上で吸収エネルギー２５００Ｊ以上（１５０Ｍ
Ｐａ以上であれば１５００Ｊ以上がほぼこれに相当）を
合格と判定した。横圧壊試験は、供試材を長辺側が上下
になるように横向きにおいて静的圧縮荷重を加え、これ
を２０ｍｍまで圧縮し、割れ性の評価を目視にて行っ
た。割れ性の評価は縦圧壊試験と同じである。その結果
を表２に併せて示す。 【００１８】 【表２】 【００１９】表２から明らかなように、絞りが２５％以
上のＮｏ．１〜７はいずれも縦及び横圧縮の割れ性に優
れ、絞りが２５％に満たないＮｏ．８、９は割れ性が劣
る。しかも、Ｎｏ．１、３は耐力がＮｏ．８とほぼ同等
であるが、Ｎｏ．８と比べ吸収エネルギーが２０％前後
高く、耐力がＮｏ．８より低いＮｏ．２、４〜６でも最
大荷重はやや低いが、吸収エネルギーはＮｏ．８より高
くなっている。耐力値がＮｏ．８より高いＮｏ．７では
吸収エネルギーがＮｏ．８と比べ相当高く、Ｎｏ．９と
比べても高い。なお、Ｎｏ．１〜７、９には繊維状組織
が断面の半分以上の厚さで形成されていたが、Ｎｏ．８
には繊維状組織が形成されていなかった。 【００２０】 【発明の効果】本発明によれば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
ルミニウム合金押出材において、押出材の絞りが２５％
以上となるようにしたことにより、縦圧縮及び横圧縮に
対し優れた耐圧壊割れ性を有し、かつ吸収エネルギーが
高く、例えば自動車フレーム（サイドメンバー、クロス
メンバー、バンパーステイ、サイドフレーム、ピラ
ー）、バンパー、ドアビーム等の自動車用構造部材、鉄
道車両、船舶の構造用部材等として好適なアルミニウム
合金押出材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明における絞りを説明する図（側面図、
正面図）である 【図２】 実施例に用いた押出材の断面形状を示す図で
ある。 【図３】 実施例の縦圧壊試験を説明する図（圧壊前、
圧壊後）である。 【図４】 実施例の横圧壊試験を説明する図（圧壊前、
圧壊後）である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｃ 21/06 Ｃ２２Ｃ 21/06 // Ｃ２２Ｆ 1/05 Ｃ２２Ｆ 1/05 (56)参考文献 特開 平５−171328（ＪＰ，Ａ) 特開2000−54051（ＪＰ，Ａ) 特開2000−54050（ＪＰ，Ａ) 特開2000−54048（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−256096（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−54090（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 21/00 - 21/18 C22F 1/04 - 1/057

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 Ｍｇ：０．３〜０．７％（質量％、以下
   同じ）、Ｓｉ：０．５〜１．０％、Ｃｕ：０．１〜０．
   ４％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、さらにＭｎ、Ｃｒ
   及びＺｒのいずれか１種又は２種以上を０．１〜０．４
   ％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｍ
   ｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、空冷によ
   るプレス焼き入れ及び人工時効処理が施されたＴ５調質
   材であり、断面厚さの１／２以上の厚さで繊維状組織が
   形成され、ＪＩＳ５号引張試験片にて引張試験を実施し
   たときの破断面の肉厚減少率が２５％以上であることを
   特徴とする耐圧壊割れ性に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系ア
   ルミニウム合金押出材。