JP3618807B2 - 曲げ加工性に優れたアルミニウム合金中空形材および該形材の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、押出加工性、機械的性質及び曲げ加工性に優れ、かつ耐応力腐食割れ性が良好で、自動車のメンバー材やバンパーレインフォースメント等に好適なアルミニウム合金中空形材およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金は、押出加工性に優れていることから薄肉中空形材の製造が容易であり、また焼入感受性が鈍く、熱間押出しでのプレス焼入れも空冷でよく、かつ耐力３００ＭＰａ程度の高強度を有し、溶接性も良好であるため、オートバイフレームや自動車のバンパーレインフォースメント等に広く使用されている。これらの代表的な合金としては、Ｚｎ：５．０〜６．５％、Ｍｇ：０．５０〜１．０％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％を含有し、残部がＡｌおよび不可避不純物からなる組成のＪＩＳ ７００３合金を挙げることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする問題点】
一方、近年、排ガスや燃費等に対する社会的な要求から自動車の軽量化が一層強く求められており、これにともない従来の鋼板車体の構造体メンバー材やフレーム部材へのアルミニウム合金形材の適用が検討されている。
しかしながら、これら自動車用メンバー材やフレーム部材は、エンジンやシャシー部品との干渉を避けつつ構造材としての性能を満足するように設計されるため、比較的、曲げ加工部の曲率半径が小さく、しかも複数の曲げ部が近接した複雑な部品形状となる場合が多い。
【０００４】
このため、従来、比較的曲げ加工性が良好であるとして、オートバイフレームや自動車のバンパーレインフォースメント等に用いられているＪＩＳ ７００３合金等の材料でも、加工度の高い曲げ加工が要求される上記自動車用メンバー材やフレーム部材としては曲げ加工性が不十分であり、これら用途へのアルミニウム合金形材の適用は困難であった。
本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、曲げ加工性を向上させることにより、自動車のメンバー材やフレーム材等への適用を可能にして、自動車等の軽量化に寄与できるアルミニウム合金中空形材およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【問題を解決するための手段】
本発明者等は前述の目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金において、Ｚｎ、Ｍｇ量を、耐力２８０ＭＰａ程度が得られ、かつ応力腐食割れが実用上問題のない範囲に制御するとともに、Ｍｎ、Ｚｒ量およびそれらの総量を適切な範囲に制御し、さらに押出加工直後に押出材表面に低温液体を吹付けるなどして、形材表面に不可避的に生成される再結晶層の厚さを抑制することによって、曲げ加工性が向上することを見い出し、本発明をなすに至ったものである。
【０００６】
すなわち、本発明のうち第１の発明は、重量％で、Ｚｎ：６．５超〜８．０％、Ｍｇ：０．４５〜０．７０％、Ｍｎ：０．３６〜０．５％、Ｚｒ：０．１５〜０．２５％、但し（Ｍｎ＋Ｚｒ）：０．５１〜０．６５％、Ｆｅ：０．２０％以下、Ｓｉ：０．１５％以下で、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金中空形材であって、該形材の全長に渡って内部組織が主として繊維状組織であり、形材表層部の再結晶組織は、厚さが５０μｍ未満であることを特徴とする。
第２の発明は、第１の発明において、アルミニウム合金組成として、さらに重量％で、Ｃｕ：０．０５〜０．２５％を含有することを特徴とする。
第３の発明は、第１または第２の発明において、アルミニウム合金組成として、さらに重量％で、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％及びＢ：０．０００１〜０．０１％の１種又は２種を含有することを特徴とする。
第４の発明は、第１〜３の発明のいずれかに記載された組成のアルミニウム合金鋳塊を４２０〜５２０℃の温度で４〜１６時間保持する均質化処理を施した後、４５０〜５２０℃の温度で押出加工して中空形材に成形し、さらに、押出直後の高温の中空形材の表面に液体窒素を短時間接触させて、表層部に形成される再結晶組織の厚さを５０μｍ未満にすることを特徴とする。
【０００７】
本発明のアルミニウム中空形材は、好適には曲げ加工性に対する要求の高い自動車のメンバー材やフレーム材等に使用されるが、本発明としては、特に用途が限定されるものではない。また、形材の形状も特に限定されるものではなく、完全な中空品（ホロー品）だけでなくセミホロー品も含まれる。
また、本発明の製造方法では、押出直後で高温の中空形材の表面に液体窒素を接触させるが、その接触面は、中空材の外面側、内面側の一方または両方でも良く、これら表面の一部（特に曲げ予定部）に接触させるものであってもよい。なお、液体窒素の接触方法としては、通常は吹き付けにより行うが、これに限定されるものでもない。また、接触は短時間で行われ、例えば、同一箇所に対し０．１〜１秒で行うのが望ましい。
【０００８】
【作用】
以下に本発明における合金組成ならびに組織、製造条件を限定した理由を、その作用とともに以下に説明する。
ａ）Ｚｎ：６．５超〜８．０％
Ｚｎ成分にはＭｇとの共存においてＭｇＺｎ_２を形成し、形材の強度を向上させる作用があるが、その含有量が６．５％以下では所望の高強度を確保することができず、一方その含有量が８．０％を越えると応力腐食割れが発生し易くなるので上記範囲とする。
ｂ）Ｍｇ：０．４５〜０．７０％
Ｍｇ成分にはＺｎと同様、形材の強度を向上させる作用があるが、その含有量が０．４５％未満では所望の高強度を確保することができず、一方その含有量が０．７０％を越えると押出加工性および曲げ加工性が低下するので上記範囲とする。
【０００９】
ｃ）Ｍｎ：０．３６〜０．５％
Ｚｒ：０．１５〜０．２５％
但し（Ｍｎ＋Ｚｒ）：０．５１〜０．６５％
これらの成分には、微細な金属間化合物として素地中に分散し、押出加工時の再結晶を抑制し、内部を繊維状組織とする作用があるが、これら元素の量が各々の下限値より少ない場合はその効果が不十分で、また各々の上限値より多い場合は粗大な金属間化合物が生成するようになって曲げ加工性に悪化傾向が現れるようになる。さらに、これらの元素は共存状態においてそれらの再結晶効果が助長されるが、その総量が０．６５％を越えると粗大な金属間化合物が生成するようになって曲げ加工性が劣化するようになるので各含有量および合計量を上記範囲とした。
ｄ）Ｆｅ：０．２％以下
Ｓｉ：０．１５％以下
これらの元素は不純物として含有されるものであり、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物となって素地中に分散され、曲げ加工性に悪影響を与える。したがって、これら元素の量を制限し、実質的に悪影響がみられない上限値を設定した。
【００１０】
ｅ）Ｃｕ：：０．０５〜０．２５％
Ｃｕ成分には形材の強度を向上させる作用があり、所望により含有させるが、その含有量が０．０５％未満ではその効果が少なく、一方その含有量が０．２５％を越えると押出加工性および曲げ加工性が低下するので上記範囲とする。
ｆ）Ｔｉ：０．００１〜０．０５％
Ｂ ：０．０００１〜０．０１％
これらの成分には鋳造組織を微細化し、鋳造割れ等の欠陥が発生するのを防止する作用があり、必要に応じて含有させる。これら元素の量が各々の下限値未満では所望の効果が得られず、一方各々の上限値超では粗大な金属間化合物が生成するようになって曲げ加工性が劣化するようになるので上記範囲とする。
【００１１】
次に本発明合金の製造方法について説明する。
Ａ）均質化処理：４２０〜５２０℃×４〜１６時間
処理温度が５２０℃を越えるとＭｎおよびＺｒ系化合物が粗大化し、一方、処理温度が４２０℃未満であったり、処理時間が４時間未満であると、上述の化合物の析出が不十分で、いずれの場合も繊維状組織が十分発達せず、内部組織は主として再結晶組織となる。また、処理時間を１６時間を越えるものとしても処理効果は飽和するので、上記範囲とする。
Ｂ）押出加工：押出温度４５０〜５２０℃
押出温度が５２０℃を越えると表面再結晶層の厚さが５０μｍ以上となって曲げ加工性が十分に改善されず、一方、押出温度が４５０℃未満であると、薄肉の中空形材の押出加工において押出圧力が高くて押出速度を上げることが出来ず、生産性の低下を招く。したがって押出温度は上記範囲とする
【００１２】
Ｃ）液体窒素の接触
押出ダイス通過直後に中空形材の表面に、液体窒素を吹付け等によって短時間接触させることにより中空形材表面部は急速冷却され、表面粗大再結晶層の生成が抑制される。また、接触時間は前述したように、同一箇所に対し０．１〜１秒で行うのが望ましい。これは、０．１秒未満では冷却が不十分で、再結晶の抑制が十分でなく、また、１秒を越えてもその効果は飽和するので、上記接触時間が望ましい。なお、上記液体窒素との接触に際しては、中空形材の表面は、４００〜４８０℃に冷却するのが望ましい。
こうして得られた押出材は直ちに曲げ加工を行うか、人工時効後曲げ加工を行うか、あるいはＯ材処理後曲げ加工を行うか、いずれの方法を採ってもよい。
人工時効処理は、押出後２日間以上室温時効させ、その後８０〜１３０℃×１〜２４時間および１４０〜１７０℃×２〜２４時間の１段ないし２段時効処理を行うのが望ましい。
【００１３】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により説明する。
表１に示す組成の２０４ｍｍ径の合金ビレットを常法により溶製し、表２、表３に示す条件で均質化処理後、肉厚２ｍｍ、断面６０×８０ｍｍ^２の角パイプ形状に押出し、押出加工直後に押出材表面に７７°Ｋに冷却した液体窒素を吹付けた。吹き付けは同一箇所に対し 約０．５秒接触するように行った。なお、一部の押出材（比較材２１）では上記した液体窒素の吹き付けを行わなかった。液体窒素の吹き付けにより、本発明材１〜８及び比較材１０〜２０，２３の押出材は、表面温度が約４５０℃に冷却され、比較材２２は、約５００℃に冷却された。
【００１４】
これらの形材（押出材）を室温放置３日後、１３０℃×８ｈｒの時効処理を施し、供試材とし、機械的性質、表面再結晶層の厚さ、曲げ加工性、耐応力腐食割れ性を評価する試験を行った。曲げ加工性は幅２０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの短冊状試験片を用い、内側半径２．０ｍｍで１８０度曲げを行い、割れの発生がないものを○、肌荒れの生じたものを△、割れの発生したものを×として評価した。また、耐応力腐食割れ性は幅２０ｍｍ、長さ１００ｍｍの短冊状試験片を用い、３点曲げにて耐力の７５％相当応力を負荷し、沸騰重クロム酸促進液に３時間浸漬し、割れの発生しなかったものを○、割れの生じたものを×で評価した。また、表面再結晶層の厚さは光学顕微鏡で断面観察し、測定した。これらの測定結果は表２、３に示すとおりである。
【００１５】
【表１】

【００１６】
【表２】

【００１７】
【表３】

【００１８】
表２、３から明らかなように、本発明の組成を有し、かつ押出直後に液体窒素を吹き付けて再結晶層厚さを制御した発明材は、全ての項目で優れた結果が得られている。これに対し、比較材は、いずれかの項目において劣っており、大部分のものは特に曲げ加工性で劣っている。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、重量％で、Ｚｎ：６．５超〜８．０％、Ｍｇ：０．４５〜０．７０％、Ｍｎ：０．３６〜０．５％、Ｚｒ：０．１５〜０．２５％、但し、（Ｍｎ＋Ｚｒ）：０．５１〜０．６５％、Ｆｅ：０．２０％以下、Ｓｉ：０．１５％以下を含有し、所望によりＣｕ：０．０５〜０．２５％、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％及びＢ：０．０００１〜０．０１％の１種以上を含有するアルミニウム合金中空形材の全長に渡って内部組織が主として繊維状組織であり、形材表層部の再結晶組織は、厚さが５０μｍ未満であるので、曲げ加工性を大幅に向上させることができ、また、その他の機械的性質や耐応力腐食割れ性では従来材と同等の性能が得られ、曲げ加工性の要求が高い自動車用メンバー材などにも適用することが可能になり、車両の軽量化が容易になる。
【００２０】
また、本発明のアルミニウム合金中空形材の製造方法によれば、上記組成の鋳塊を４２０〜５２０℃の温度で４〜１６時間保持する均質化処理を施した後、４５０〜５２０℃の温度で押出加工して中空形材に成形し、さらに、押出直後の高温の中空形材の表面に液体窒素を短時間接触させて、表層部に形成される再結晶組織の厚さを５０μｍ未満にするので、曲げ加工性の良好な形材が確実かつ容易に得られる。得られた形材では上記形材の発明と同様の効果が得られる。

Claims (4)

1. 重量％で、Ｚｎ：６．５超〜８．０％、Ｍｇ：０．４５〜０．７０％、Ｍｎ：０．３６〜０．５％、Ｚｒ：０．１５〜０．２５％、但し、（Ｍｎ＋Ｚｒ）：０．５１〜０．６５％、Ｆｅ：０．２０％以下、Ｓｉ：０．１５％以下で、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成のアルミニウム合金中空形材であって、該形材の全長に渡って内部組織が主として繊維状組織であり、さらに、形材表層部の再結晶組織は、厚さが５０μｍ未満であることを特徴とする曲げ加工性に優れたアルミニウム合金中空形材。
2. アルミニウム合金組成として、さらに重量％で、Ｃｕ：０．０５〜０．２５％を含有することを特徴とする請求項１に記載の曲げ加工性に優れたアルミニウム合金中空形材
3. アルミニウム合金組成として、さらに重量％で、Ｔｉ：０．００１〜０．０５％及びＢ：０．０００１〜０．０１％の１種又は２種を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の曲げ加工性に優れたアルミニウム合金中空形材
4. 請求項１〜３のいずれかに記載された組成のアルミニウム合金鋳塊を４２０〜５２０℃の温度で４〜１６時間保持する均質化処理を施した後、４５０〜５２０℃の温度で押出加工して中空形材に成形し、さらに、押出直後の高温の中空形材の表面に液体窒素を短時間接触させて、表層部に形成される再結晶組織の厚さを５０μｍ未満にすることを特徴とする曲げ加工性に優れたアルミニウム合金中空形材の製造方法