JP3684313B2 - High-strength, high-toughness aluminum alloy forgings for automotive suspension parts - Google Patents

High-strength, high-toughness aluminum alloy forgings for automotive suspension parts Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に自動車のサスペンション部品に好適な、Al-Mg-Si系高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材 (以下、アルミニウムを単にAlと言う) に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
周知の通り、自動車や車両などの輸送機材の構造材あるいはナックル、ロアアーム、アッパーアームなどのサスペンション部品用として、軽量化を目的として、成形性や焼付硬化性に優れたJIS 6000系(Al-Mg-Si 系) などのAl合金が使用されている。このJIS 6000系Al合金は、他の要求特性である伸びなどの機械的特性や耐蝕性や応力腐食割れ性にも優れており、また、Mg量などの合金量が少なく、スクラップをJIS 6000系Al合金溶解原料として再利用できるリサイクル性の点からも優れている。
【0003】
前記自動車用のサスペンション部品を例にとると、製造コストの低減や、複雑形状部品への加工の点から、Al合金鋳造材やAl合金鍛造材が用いられる。この内、より高強度で高靱性などの機械的性質が要求される部品には、Al合金鍛造材が用いられる。そして、これらAl合金鍛造材は、Al合金鋳造材を均質化熱処理後、メカニカル鍛造などの熱間鍛造およびT6などの調質処理や時効処理が施されて製造される。
【0004】
近年、これら自動車用のサスペンション部品を含めて、より薄肉化や高強度化が求められており、前記Al合金鍛造材も、より高強度で高靱性化する必要性が生じている。しかし、現状でこれら用途に使用されているJIS 6000系Al合金では、どうしても強度不足が生じてしまう。
【0005】
このため、従来からAl合金材料の側を改善することが行われている。例えば、特開平06-256880 号公報では、自動車用のサスペンションなどの部品として用いられるAl合金鍛造材用鋳造材として、JIS 6000系(Al-Mg-Si 系) 鋳造材のMg、Si等の成分を規定するとともに、晶出物の平均粒径を8 μm 以下と小さくし、かつデンドライト二次アーム間隔(DAS) を40μm 以下と細かくして、Al合金鍛造材をより高強度で高靱性化することが提案されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この特開平06-256880 号公報の実施例にも示されている通り、この従来技術で得られるAl合金鍛造材のデンドライト二次アーム間隔(DAS) は、小さいものでも、せいぜい30μm 程度であり、かつAl合金鍛造材の特性は、丸棒の据え込み鍛造試験結果では、加工率 [( 元のインゴット高さd0−割れが発生した高さd t ) /d0]が75% の場合、強度 (σB ) が39.2〜39.3kgf/mm2(384 〜385N/mm2) 程度で、また、靱性(IC ) も2.2 〜2.3kgf/mm2 (シャルピー衝撃値で約22J/cm2)程度である。
【0007】
即ち、この従来技術のような丸棒の据え込み鍛造試験では、丸棒の各部位は均一に加工される結果、丸棒の各部位の機械的特性は均一なものとなる。しかし、図2 に自動車用のサスペンション部品用のAl合金鍛造材の一例を示す通り、実際のAl合金鍛造材では、メカニカル鍛造などの熱間鍛造によっても、部品の部位によっては、加工率が低くなる場合があり、鍛造材の各部位の機械的特性は均一なものとならない。例えば、図2 のような形状の場合、図2 のT2部分などは、T1部分の加工率が75% の場合でも、50% 程度の加工率にしかならない。そして、この加工率が低い部位の靱性は、鍛造されても鋳造組織が残るために、加工率が高い他の部位に比して、必然的に低くなる傾向にある。
【0008】
したがって、この従来技術で得られるAl合金鍛造材の強度や靱性は、JIS 6061や6151などのAl合金などよりも向上しているものの、加工率が低い部位が生じることにより、この部位の靱性が低くなるようなAl合金鍛造材に対しては、特にAl合金鍛造材の平均的な靱性が不足する。即ち、前記従来技術では、加工率が75% 未満、更には50% 以下となる部位では、前記靱性のレベルが更に低くなり、部品として要求される、部品全体としての高耐力および高靱性値を得ることができない。
【0009】
この結果、全体としてのより高強度で高靱性が要求される部品、より具体的には、部品全体としてσ0.2 で315N/mm2以上の高強度およびシャルピー衝撃値で20J/cm2 以上の靱性が要求される部品や部材には適用できず、Al合金鍛造材自体の自動車用のサスペンション部品への用途の拡大を妨げていた。
【0010】
本発明はこの様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、鍛造加工率の低い部位が存在しても、鍛造材全体としての平均的な機械的特性が優れ、鍛造材全体として、高強度で高靱性が要求される部品や部材に適用することが可能な高強度高靱性Al合金鍛造材を提供しようとするものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明自動車のサスペンション部品用Al合金鍛造材の要旨は、Mg:0.6〜1.6% (質量% 、以下同じ) 、Si:0.6〜1.8%、Cu:0.05 〜1.0%を含むとともに、Feを0.30% 以下に規制し、Mn:0.15 〜0.6%、Cr:0.1〜0.2%、Zr:0.05 〜0.2%の一種または二種以上を含み、更に、水素:0.25 cc/100g Al以下とし、残部Alおよび不可避的不純物からなるAl合金鍛造材であって、10℃/sec以上の冷却速度で鋳造されたAl合金鋳塊を、530 〜 600℃の温度で均質化熱処理した後に、熱間鍛造して鍛造材とされ、該鍛造材における鍛造加工率が最も低くなる部位のAl合金組織中のMg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物の合計の面積率を 800 倍の走査型電子顕微鏡で観察した際に、単位面積当たり1.5%以下としたことである。
【0012】
本発明者らは、鋳造により晶出する晶出物と、鍛造されたAl合金組織の靱性との関係について検討した結果、特定の晶出物の面積率が鍛造されたAl合金組織の靱性と深く関わっていることを知見した。
【0013】
即ち、本発明者らは、鍛造されたAl合金組織の破壊の起点 (ディンプルの起点)となっているのは、Al合金鋳塊の晶出物の内、Mg2Si およびAl-Fe-Si-Mn 、Al-Fe-Si-Cr 、Al-Fe-Si-Zr 等のAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物であることを知見した。
【0014】
そして、更に重要なことは、Al合金組織に存在するこれら晶出物が大きく乃至長くつながった形状ではなく、互いに間隔を開けて分散していることが靱性の向上に寄与することを知見した。即ち、これら晶出物は、特に必要な強度を確保するために寄与している点からは、単純に低減乃至無くすことはできない。しかし、必然的に存在乃至必要により存在しているこれら晶出物の形態を制御することで、必要な強度の確保と、鍛造加工率が低くても乃至鍛造加工率が低い部分があっても、高い平均的な靱性が確保できることを知見した。
【0015】
例えば、前記特開平06-256880 号公報のような晶出物の形態制御、即ち、単に鋳塊の晶出物の平均粒径を小さくするだけでは靱性の向上に多く寄与しない。本発明者らは、前記特開平06-256880 号公報のような思想に反して、例え鋳塊の晶出物の平均粒径が大きくても、それが間隔を開けて分散している (まばらに存在する) ならば、靱性の向上に寄与することを知見した。つまり、晶出物の平均粒径が小さくても、互いの間隔が小さく密集した状態乃至つながった状態では、靱性、特に破壊靱性を劣化させる。そして、一方、本発明では、これらMg2Si およびAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物等の晶出物量自体も、必要な強度確保分以外は制御乃至低減する。
【0016】
そして、この晶出物量の制御と、晶出物が互いに間隔を開けて分散している(晶出物の互いの間隔が小さく密集した状態乃至つながった状態ではない)状況に良く対応する指標として、本発明では、単位面積当たりの、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物の合計の面積率を選択する。
【0017】
これらの晶出物の面積率は、Al合金鋳塊乃至鍛造材の厚み方向断面の組織の、800 倍の走査型電子顕微鏡(SEM) の目視観察乃至画像解析観察によって行う。この走査型電子顕微鏡の倍率は、400 〜800 までの倍率で測定しても面積率はあまり変わらないが、これ以外の倍率では、測定対象となる晶出物の数が全く異なってくる。このため、倍率が異なると、測定される面積率が大きく異なり、面積率規定の再現性を失う。したがって、本発明で晶出物の面積率規定の基準とする走査型電子顕微鏡の倍率は800 倍と定める。また、面積率測定の再現性をもたせるためには、晶出物の面積率を測定する対象部位の視野数 (測定ポイント) を5 〜20視野として観察し、各視野での晶出物の測定面積率の平均をとるのが好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明における晶出物の規定について説明する。800 倍の走査型電子顕微鏡(SEM) の目視観察乃至画像解析観察によるMg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることにより、自動車用のサスペンション部品などに要求される、より高強度で高靱性、好ましくは、耐力 (σ0.2)の平均値が350N/mm2以上を有する場合の、平均値30J/cm2 以上の高靱性を得ることができる。
【0019】
一方、前記晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%を越えた場合には、特に、熱間鍛造によっても加工率が低くなる (加工率が75% 未満となる) 部品の部位の靱性が顕著に低くなることを含め、部品全体としての平均的な高靱性値を得ることができない。
【0020】
図1 は後述する実施例にて製造したAl合金鍛造材の、図2 におけるT1部位の厚み方向断面における800 倍の走査型電子顕微鏡(SEM) によるミクロ組織を示す図である (SEM による顕微鏡写真を図面化したものである) 。同図において、2 はMg2Si 晶出物、3 はAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物である。ここにおいて、図1(a)の本発明に係るAl合金鍛造材のAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物3 は互いに間隔を開けて細かく分散している。これに対し、従来技術に係るAl合金鍛造材の図1(b)のAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物3 は、晶出物同士が長くつながった形状をしている。
【0021】
そして、図1(a)のAl合金鍛造材はσ0.2 で350N/mm2以上の高強度を有するとともに、30J/cm2 以上の高靱性を有するのに対し、図1(b)のAl合金鍛造材は20J/cm2 以下の靱性であり、両者は靱性に顕著な相違がある。そして、更に、この図1(a)、(b) のいずれの個々のAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物3 の大きさは、前記特開平06-256880 号公報で言う、平均粒径が8 μm 以下である。したがって、単に鋳塊 (鋳造材) の晶出物の平均粒径を小さくするだけでは靱性の向上に多く寄与せず、例え鋳塊の晶出物の平均粒径が大きくても、それが間隔を開けて分散している (まばらに存在する) ならば、言い換えると、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が低ければ、より高強度で高靱性のAl合金鍛造材が得られることが裏付けられる。
【0022】
勿論、他の晶出物の面積率も靱性に影響する。他の晶出物として代表的なものは、例えば、Si単体の晶出物や、Al7Cu2Fe、Al12(Fe,Mn)3Cu2 、(Fe,Mn)Al6、CuやMgのAlとの化合物相の晶出物、Al2Cu2Mg、Al2Cu2などである。この内、Si単体の晶出物は、材料破壊の起点となり、靱性を著しく低下させる。したがって、Si単体の晶出物は実質的に存在しないことが必要であり、より具体的には、800 倍の走査型電子顕微鏡によりSi単体の晶出物が観察されないことが必要である。ただ、後述する通常の製造方法による場合、Al合金鋳塊乃至Al合金鍛造材の組織中には、Si単体の晶出物は実質的に存在しない。
【0023】
また、他のAl7Cu2Fe、Al12(Fe,Mn)3Cu2 、(Fe,Mn)Al6、Al2Cu2Mg、Al2Cu2等の晶出物については、前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物と同様に面積率を低くすることが靱性の向上のために必要である。しかし、これら晶出物は、前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の量に比して絶対量が少なく、しかも、前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率さえ低くすれば、これに伴い、必然的に面積率が減されるものである。したがって、本発明では、前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物以外の晶出物については、特に規定しない。
【0024】
そして、本発明におけるAl合金鍛造材の晶出物の規定を満足し、Al合金鍛造材が高強度および高靱性を保証するためには、晶出物の生成を支配する鋳塊および鋳塊の均質化熱処理の段階で、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物の合計の面積率を単位面積当たり1.5%以下とすることが重要である。即ち、生成晶出物の面積率の制御は、鍛造工程では実質的に不可能であり、本発明における鍛造材の晶出物の面積率の制御は、鋳塊および鋳塊の均質化熱処理の段階において行う。
【0025】
なお、本発明で言う耐力や靱性の平均値とは、図2 を例にすると、加工率が最も高い= 耐力や靱性が最も高いT1部分 (加工率75%)と、加工率が最も低い= 耐力や靱性が最も低いT2部分 (加工率50%)の平均を言う。勿論、これは、単にこれら2 点のみの値を平均することを意味するだけではなく、部材乃至部材の形状によっては、更に機械的性質の保証が必要となる複数の部位の値の平均をとっても良い。
【0026】
(鋳塊) 更に、本発明における鍛造材用の鋳塊は、Al合金鍛造材の高靱性化を保証するために、鋳塊のデンドライト二次アーム間隔(DAS) を30μm 以下とする。これにより、Al合金鋳塊およびAl合金鍛造材の結晶粒を微細化させるとともに、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率を低くし、Al合金鍛造材の靱性を向上させる。この鋳塊のデンドライト二次アーム間隔(DAS) が30μm を越えて大きくなった場合、前記特開平06-256880 号公報のAl合金鍛造材のデンドライト二次アーム間隔(DAS) が30μm 程度の場合のように、鍛造加工率の低い部位が存在した場合に、Al合金鍛造材全体の靱性を向上させることができない。
【0027】
なお、鍛造材は、鋳塊を直接熱間鍛造する場合や、更に鋳塊を一旦押出加工して熱間鍛造する場合も含む。したがって、鋳塊の形状は、丸棒などのインゴットやスラブ形状、或いは成品形状に近いニアネットシェイプ等があり、特に制限されるものではない。
【0028】
(本発明Al合金の化学成分組成) 次に、本発明Al合金における、化学成分組成について説明する。本発明のAl合金は、自動車、船舶などの輸送機材や構造材あるいは部品用としての強度、伸び、靱性などの機械的特性や、耐蝕性や応力腐食割れ性、あるいは合金量が少ないリサイクル性などの特性を満足する必要がある。この内、特に自動車のサスペンション部品としては、好ましくは、σ0.2 で350N/mm2以上の高強度および30J/cm2 以上の平均高靱性を得ることが必要である。
【0029】
したがって、本発明Al合金の化学成分組成は、前記諸特性を満足するために、Al-Mg-Si系のJIS 6000系Al合金の成分規格 (JIS 6101、6003、6151、6061、6N01、6063など) に相当するものとして、基本的にMg:0.6〜1.6%、Si:0.6〜1.8%、Cu:0.05 〜1.0%を含むとともに、Feを0.30% 以下に規制し、Mn:0.15 〜0.6%、Cr:0.1〜0.2%、Zr:0.05 〜0.2%の一種または二種以上を含み、更に、水素:0.25 cc/100g Al以下とし、残部Alおよび不可避的不純物からなるAl合金とする。その他、Zn:0.005〜1.0%、Ti:0.001〜0.1%、B:1.〜300ppmなどを必要により選択的に含む。しかし、JIS 6000系Al合金の各成分規格通りにならずとも、前記基本的な特性を有してさえいれば、更なる特性の向上や他の特性を付加するための、適宜成分組成の変更は許容される。この点、上記元素の成分範囲の変更や、より具体的な用途および要求特性に応じて、Ni、V 、Sc、Agなどの他の元素を適宜含むことは許容される。また、溶解原料スクラップなどから必然的に混入される不純物も、本発明鍛造材の品質を阻害しない範囲で許容される。
【0030】
(本発明Al合金の元素量) 次に、本発明Al合金材の各元素の含有量について、臨界的意義や好ましい範囲について説明する。
【0031】
Mg:0.6〜1.6%。Mgは人工時効により、SiとともにMg2 Siとして析出して、また、Cu含有組成では更にCu、Alと化合物相を形成して、最終製品使用時の高強度 (耐力) を付与するために必須の元素である。Mgの0.6%未満の含有では加工硬化量が低下し、人工時効でもσ0.2 で315N/mm2以上の高い強度が得られない。一方、1.6%を越えて含有されると、強度 (耐力) が高くなりすぎ、鍛造性を阻害し、前記Mg2Si 晶出物の合計の面積率を、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とできず、靱性が低くなり、高靱性を得ることができない。したがって、Mgの含有量は0.6 〜1.6%の範囲とする。
【0032】
Si:0.6〜1.8%。SiもMgとともに、人工時効処理により、Mg2 Siとして析出して、最終製品使用時の高強度 (耐力) を付与するために必須の元素である。Siの0.6%未満の含有では人工時効で十分な強度が得られず、σ0.2 で315N/mm2以上の高い強度が得られない。一方、1.8%を越えて含有されると、鋳造時および焼き入れ時に粗大な単体Si粒子として析出して、前記した通り靱性を低下させる。また、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることができず、高靱性を得ることができない。更に伸びが低くなるなど、成形性も阻害する。したがって、Siの含有量は0.6 〜1.8%の範囲とする。
【0033】
Cu:0.05 〜1.0%。Cuは、Mg、Alと化合物相を形成して析出し、マトリックス強度の向上に寄与する他、時効処理に際して、他の合金元素の析出に対する核の作用を生じ、析出物を微細に均一分散させ、最終製品の時効硬化を著しく促進する効果を有する。Cuの含有量が0.05% 未満では、これらの効果が発揮されない。一方、Cuの含有量が1.0%を越えると、これらの効果が飽和するとともに、却って靱性乃至熱間鍛造性を低下させる。また、Cuの含有量が0.3%を越えると耐食性が低下しやすいので、耐食性の点からは、Cuの含有量を0.3%以下とすることが好ましい。したがって、Cuの含有量は0.05〜1.0%、好ましくは0.05〜0.3%とする。
【0034】
Mn:0.15 〜0.6%、Cr:0.1〜0.2%、Zr:0.05 〜0.2%の一種または二種以上。こらの元素は均質化熱処理時およびその後の熱間鍛造時に、Al20Cu2Mn3、Al12Mg2Cr 、Al3Zr などの分散粒子 (分散相) を生成する。これらの分散粒子は再結晶後の粒界移動を妨げる効果があるため、微細な結晶粒を得ることができる。また、これらの元素の内でも、Zrは、他のMn、Crとともに複合して含有した場合に、数十から数百オングトロームのサイズの、Al-Mn 系やAl-Cr 系の分散粒子よりも、より微細なAl-Zr 系分散粒子が析出する。このため、Zrは、Mn、Crとともに含有した場合に、結晶粒界や亜結晶粒界の移動を阻止し、結晶粒の成長を抑制する効果が大きく、破壊靱性や疲労特性などの向上効果が大きい。一方、これらの元素の過剰な含有は溶解、鋳造時に粗大なAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の金属間化合物や晶出物を生成しやすく、破壊の起点となり、靱性を低下させる原因となる。したがって、Al-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることができず、高靱性を得ることができない。このため、これらの元素の含有量は各々、Mn:0.15 〜0.6%、Cr:0.1〜0.2%、Zr:0.05 〜0.2%とする。
【0035】
Fe:0.30%以下。Al合金に不純物として含まれるFeは、Al7Cu2Fe、Al12(Fe,Mn)3Cu2 、(Fe,Mn)Al6、或いは本発明で問題とする粗大なAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物を生成する。これらの晶出物は、前記した通り、破壊靱性および疲労特性などを劣化させる。特に、Feの含有量が0.3%、より厳密には0.25% を越えると、Al-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることができず、自動車用のサスペンション部品などに要求される、より高強度で高靱性を得ることができない。したがって、Feの含有量は0.30% 以下、より好ましくは0.25% 以下とすることが好ましい。
【0036】
水素:0.25 cc/100g Al以下。水素は、靱性を著しく低下させ、耐衝撃破壊性を著しく劣化させる。そして、薄肉化や高強度化した自動車用のサスペンション部品などにおいては、特に水素による耐衝撃破壊性劣化の影響が大きい。したがって、水素は0.25 cc/100g Al 以下のできるだけ少ない含有量とする。
【0037】
(Zn、Ti、B 、Be、V 等) 次に、Zn、Ti、B 、Be、V 等は、各々目的に応じて、選択的に含有される元素である。
Zn:0.005 〜1.0%。Znは人工時効時において、MgZn2 を微細かつ高密度に析出させ高い強度を実現させる。しかし、Znの0.005%未満の含有では人工時効で十分な強度が得られず、一方、1.0%を越えて含有されると、耐蝕性が顕著に低下する。したがって、Znの含有量は0.005 〜1.0%の範囲とすることが好ましい。
【0038】
Ti:0.001〜0.1%。Tiは鋳塊の結晶粒を微細化し、プレス成形性を向上させるために添加する元素である。しかし、Tiの0.001%未満の含有では、この効果が得られず、一方、Tiを0.1%を越えて含有すると、粗大な晶出物を形成し、成形性を低下させる。したがって、Tiの含有量は0.001 〜0.1%の範囲とすることが好ましい。
【0039】
B:1 〜300ppm。B はTiと同様、鋳塊の結晶粒を微細化し、プレス成形性を向上させるために添加する元素である。しかし、B の1ppm未満の含有では、この効果が得られず、一方、300ppmを越えて含有されると、やはり粗大な晶出物を形成し、成形性を低下させる。したがって、B の含有量は1 〜300ppmの範囲とすることが好ましい。
【0040】
Be:0.1〜100ppm。Beは空気中におけるAl溶湯の再酸化を防止するために含有させる元素である。しかし、0.1ppm未満の含有では、この効果が得られず、一方、100ppmを越えて含有されると、材料硬度が増大し、成形性を低下させる。したがって、Beの含有量は0.1 〜100ppmの範囲とすることが好ましい。
【0041】
V:0.15% 以下。V は、Mn、Cr、Zrなどと同様に、均質化熱処理時およびその後の熱間鍛造時に、分散粒子 (分散相) を生成する。これらの分散粒子は再結晶後の粒界移動を妨げる効果があるため、微細な結晶粒を得ることができる。しかし過剰な含有は溶解、鋳造時に粗大なAl-Fe-Si-V系の金属間化合物や晶出物を生成しやすく、破壊の起点となり、靱性を低下させる原因となる。したがって、V を含有させる場合は0.15% 以下とする。
【0042】
次に、本発明におけるAl合金鍛造材の好ましい製造方法について述べる。本発明におけるAl合金鍛造材の製造自体は常法により製造が可能である。例えば、前記Al合金成分範囲内に溶解調整されたAl合金溶湯を鋳造する場合には、例えば、連続鋳造圧延法、半連続鋳造法(DC鋳造法)、ホットトップ鋳造法等の通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。
【0043】
しかし、Al合金鍛造材の靱性向上のために、Al合金鋳塊の結晶粒を微細化させる、およひ前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率を低くするためにはAl合金溶湯を、10℃/sec以上の冷却速度で鋳造して鋳塊とすることが必要である。鋳塊の冷却速度が10℃/sec未満では、結晶粒が粗大化し、鋳塊のデンドライト二次アーム間隔(DAS) を30μm 以下とすることができない。また、Mg2 SiとAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることができず、自動車用のサスペンション部品などに要求される、より高強度で高靱性を得ることができない。
【0044】
次いで、このAl合金鋳塊 (鋳造材) の均質化熱処理温度は530 〜 600℃の温度範囲とすることが必要である。この種Al合金鋳造材の通常の均質化熱処理温度は、470 〜480 ℃程度であるが、本発明では、前記した通り、靱性の向上のために、Mn、Cr、Zrの一種または二種以上を含有させて、均質化熱処理時に、Al20Cu2Mn3、Al12Mg2Cr 、Al3Zr などの分散粒子 (分散相) を生成して、微細な結晶粒を得る。また、Al合金鍛造材の高耐力化や高靱性化を図るためには、この均質化熱処理の段階で、Mg2Si 系晶出物を充分に固溶させる必要がある。
【0045】
このためには、前記530 〜 600℃の高温での均質化熱処理が必要で、均質化熱処理温度が530 ℃未満の温度では、前記分散粒子の数が不足して、結晶粒が大きくなる。また、Mg2Si 系晶出物の固溶量も不足し、Mg2 SiとAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が、単位面積当たり1.5%以下、好ましくは、1.0%以下とすることができず、自動車用のサスペンション部品などに要求される、より高強度で高靱性、より具体的には、σ0.2 で315N/mm2以上の高強度を有する場合の、シャルピー衝撃値が20J/cm2 以上の高靱性を得ることができない。一方、均質化熱処理温度が600 ℃を越えても、効果は変わらず、却って、Al合金鋳塊 (鋳造材) の溶損等の問題を生じる。
【0046】
均質化熱処理の後に、メカニカル鍛造や油圧鍛造等により熱間鍛造して、最終製品形状( ニアネットシェイプ) のAl合金鍛造材に成形する。そして、鍛造後、必要な強度および靱性を得るためのT6処理 (溶体化処理後焼入れ) などの調質熱処理および時効処理が行われる。
【0047】
なお、Al合金鍛造材に残留する鋳造組織を無くし、強度と靱性をより向上させるために、Al合金鋳塊を均質化熱処理後、押出加工した後に、前記鍛造を行っても良い。
【0048】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。表1 に示すAl合金鋳塊 (Al合金鋳造材、いずれもφ68mm径×580mm 長さの丸棒) を、表2 、3 に示す鋳造方法(DC 鋳造法、ホットトップ鋳造法) および冷却速度( ℃/ sec)により溶製後、表2 に示す温度で、いずれも8 時間均質化熱処理を施し、表2 、3 に示す加工率で、自動車サスペンション部品形状に、メカニカル鍛造により熱間鍛造し、図1 に示す形状のAl合金鍛造材1 を製造した。次に、このAl合金鍛造材1 を硝石炉を用いて560 ℃で1 時間の溶体化処理した後水冷 (水焼入れ) を行い、その後180 ℃×5 時間の時効処理を行った。なお、表3 の発明例No.5の鋳塊は、前記均質化熱処理を行った後、押出比6 で押出加工を行った後、熱間鍛造した。
【0049】
そして、前記Al合金鋳塊およびAl合金鍛造材1 から各々試験片を採取し、鋳塊およびAl合金鍛造材1 の厚み方向の断面の組織を、800 倍の倍率の走査型電子顕微鏡(SEM) により、試験片の視野数 (測定ポイント) を10視野として観察および画像解析を行い、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の単位面積 (0.0127mm2)当たりの面積率 (各視野の平均) を求めた。また、Al合金鋳塊のデンドライト二次アーム間隔(DAS、μm)も、鋳塊のミクロ組織写真から「アルミニウムのデンドライトアームスペーシングと冷却速度の測定方法」(1988.8,軽金属学会研究委員会) に規定される交線方法により求めた。これらの結果を表2 、3 に示す。
【0050】
更にAl合金鍛造材1 から採取した試験片の引張強度 (σB 、N/mm2)、耐力 (σ0.2 、N/mm2)、伸び (δ、%)、靱性= シャルピー衝撃値(J/cm2) 等の機械的特性を測定した。この際、Al合金鍛造材1 の各部位における、鍛造加工率の違いによる機械的特性のばらつきを見るために、試験片の採取部位は、図1 の鍛造加工率が最も高くなるT1および鍛造加工率が最も低くなるT2とした。なお、鍛造加工率は断面積の減少率として計算した。そして、これらの部位の機械的特性の平均も求め、Al合金鍛造材1 全体としての平均的な機械的特性を求めた。これらの結果も表2 、3 に示す。
【0051】
表2 から明らかな通り、Fe含有量を0.30% 以下、水素の含有量を0.25 cc/100gAl以下に低く抑えるなど、本発明範囲内の化学成分組成とした、表1 のAl合金No.1を用い、かつ鋳造冷却速度と均質化処理温度が本発明製造方法を満たす発明例No.1、5 は、鍛造加工率が50% と最も低くなるT2においても、高強度と高靱性を確保しており、Al合金鍛造材全体としての平均的な機械的特性、特に耐力 (σ0.2)が350N/mm2以上で、かつ平均靱性値が30J/cm2 以上を確保している。そして、これら発明例のAl合金鍛造材組織は、前記図1(a)に示した通り Al-Fe-Si-(Mn 、Cr、Zr) 系晶出物3 が互いに間隔を開けて細かく分散している組織を有していた。
【0052】
なお、表2 の発明例の中でも、発明例No.1、5 に対し、発明例No.2は鋳造冷却速度が比較的低く、デンドライト二次アーム間隔(DAS) が比較的大きくなっている。また、発明例No.4は均質化処理温度が比較的低く、Mn、Cr、Zrなどの分散粒子生成が少なく、結晶粒が比較的粗大となっている。更に、発明例No.3は相対的にSi量、Fe量、Mg量が高い表1 のNo.2のAl合金を用い、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が比較的高くなっている。この結果、これらの発明例は、Al合金鍛造材全体としての平均的な機械的特性、特に平均耐力 (σ0.2)が315N/mm2以上で、かつ平均靱性値が20J/cm2 以上を確保しているものの、鍛造加工率が50% と最も低くなるT2における強度と靱性が、発明例No.1、5 よりは劣っている。
【0053】
更に、Mn、Crと共にZrを含む発明例No.1と、Zrを含まない以外は組成が殆ど同じ発明例No.6 (表3)との比較において、発明例No.1の靱性値の方が高い。この結果から、前記したZrの優れた靱性向上効果が分かる。
【0054】
一方、表3 から明らかな通り、特にFe量が本発明範囲を高めに外れた表1 のNo.3のAl合金を用いた比較例No.7は、Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物の合計の面積率が本発明範囲を外れている。また、鋳造冷却速度が本発明製造方法よりも低い比較例No.8は、デンドライト二次アーム間隔(DAS) が本発明範囲を外れている。更に、比較例No.9は、均質化処理温度が本発明製造方法よりも低くなり、Mn、Cr、Zrなどの分散粒子生成が少なく、結晶粒が比較的粗大となっている。したがって、これら比較例はいずれも、特に鍛造加工率が50% と最も低くなるT2における強度と靱性が低く、Al合金鍛造材1 全体としての平均的な機械的特性は、耐力 (σ0.2)が315N/mm2以下で、かつ平均靱性値が20J/cm2 以下である。そして、水素量が本発明範囲を高めに外れた表1 のNo.5のAl合金を用いた比較例No.10 も、他の比較例と同様に、Al合金鍛造材1 全体としての平均的な機械的特性は、耐力 (σ0.2)が315N/mm2以下で、かつ平均靱性値が20J/cm2 以下と著しく低い。
【0055】
そして、比較例No.7のAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物は、前記図1(b)に示す通り、晶出物同士が長くつながった形状をしていた。
【0056】
以上の実施例から、本発明によれば、特に、自動車のナックル、ロアアーム、アッパーアームなどのサスペンション部品用など、種々の形状の鍛造材について、熱間鍛造により、部品の部位によって加工率が低くなる場合でも、全体として、σ0.2 が315N/mm2以上および20J/cm2 以上の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材を得ることができることが分かる。したがって、本発明高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材における各要件の臨界的な意義が裏付けられる。
【0057】
【表1】

Figure 0003684313
【0058】
【表2】
Figure 0003684313
【0059】
【表3】
Figure 0003684313
【0060】
【発明の効果】
本発明によれば、熱間鍛造の加工率が低くなる場合でも、より高強度で高靱性が要求される部品や部材に適用することが可能な高強度高靱性Al合金鍛造材を提供することができる。したがって、Al-Mg-Si系Al合金鍛造材の自動車用への用途の拡大を図ることができる点で、多大な工業的な価値を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は本発明、図1(b)は従来技術に各々係る、Al合金鍛造材のミクロ組織を示す説明図である。
【図2】自動車用のサスペンション部品用のAl合金鍛造材の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1:Al合金鍛造材、2:Mg2Si 晶出物、3:Al-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系晶出物、[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention particularly relates to a suspension part of an automobile.To goodsThe present invention relates to a suitable Al-Mg-Si high-strength, high-toughness aluminum alloy forging (hereinafter, aluminum is simply referred to as Al).
[0002]
[Prior art]
As is well known, JIS 6000 series (Al-Mg), which has excellent formability and bake hardenability, for the purpose of weight reduction for structural materials of transportation equipment such as automobiles and vehicles or suspension parts such as knuckles, lower arms, and upper arms. Al alloy such as -Si type) is used. This JIS 6000 series Al alloy is excellent in other required characteristics such as mechanical properties such as elongation, corrosion resistance and stress corrosion cracking resistance, and also has a small amount of alloy such as Mg, and scrap is made into JIS 6000 series. It is also excellent in terms of recyclability that can be reused as an Al alloy melting raw material.
[0003]
Taking the automobile suspension part as an example, an Al alloy casting material or an Al alloy forging material is used from the viewpoint of reducing manufacturing costs and processing into a complex shape part. Among these, Al alloy forgings are used for parts that require higher strength and mechanical properties such as high toughness. And these Al alloy forging materials are manufactured by performing homogenization heat treatment of the Al alloy casting material, then performing hot forging such as mechanical forging and tempering treatment such as T6 and aging treatment.
[0004]
In recent years, there has been a demand for thinner and higher strength including these suspension parts for automobiles, and the need for higher strength and toughness of the Al alloy forged material has also arisen. However, the JIS 6000 series Al alloys currently used for these applications inevitably have insufficient strength.
[0005]
For this reason, improving the side of Al alloy material conventionally is performed. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 06-256880, JIS 6000 series (Al-Mg-Si series) casting materials such as Mg and Si are used as castings for Al alloy forgings used as parts such as automobile suspensions. In addition, the average particle size of the crystallized material is reduced to 8 μm or less, and the dendrite secondary arm spacing (DAS) is reduced to 40 μm or less to make Al alloy forgings stronger and tougher. It has been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in the examples of this Japanese Patent Laid-Open No. 06-256880, even if the dendrite secondary arm interval (DAS) of the Al alloy forging obtained by this prior art is small, it is about 30 μm at most. Yes, and the characteristics of Al alloy forgings are the processing rate [(original ingot height d0-Height at which cracking occurred dt) / d0] Is 75%, the strength (σB) Is 39.2-39.3kgf / mm2(384 to 385N / mm2) Degree and toughness (IC) 2.2 to 2.3kgf / mm2 (Charpy impact value is about 22J / cm2) Degree.
[0007]
That is, in the upsetting forging test of the round bar as in this prior art, each part of the round bar is processed uniformly, so that the mechanical characteristics of each part of the round bar become uniform. However, as shown in Fig. 2 as an example of Al alloy forgings for automobile suspension parts, the actual Al alloy forgings have a low processing rate depending on the parts of the parts even by hot forging such as mechanical forging. The mechanical characteristics of each part of the forging material may not be uniform. For example, in the case of the shape shown in Fig. 2, T in Fig. 22The part is T1Even if the processing rate of the part is 75%, the processing rate is only about 50%. And since the cast structure remains even if it is forged, the toughness of the part where the processing rate is low tends to be inevitably lower than other parts where the processing rate is high.
[0008]
Therefore, although the strength and toughness of the Al alloy forging obtained by this prior art is improved compared to Al alloys such as JIS 6061 and 6151, the toughness of this part is reduced due to the occurrence of a part with a low processing rate. The average toughness of the Al alloy forging material is particularly insufficient for the Al alloy forging material which is lowered. That is, in the prior art, at the site where the processing rate is less than 75% and further 50% or less, the toughness level is further lowered, and the high proof stress and high toughness value of the entire part required for the part are obtained. Can't get.
[0009]
As a result, parts that require higher strength and toughness as a whole, more specifically,0.2 At 315N / mm220 J / cm for higher strength and Charpy impact value2This method cannot be applied to parts and members that require the above toughness, and has hindered the expansion of the use of aluminum alloy forgings themselves to automobile suspension parts.
[0010]
The present invention has been made by paying attention to such circumstances, and its purpose is to provide excellent average mechanical properties as a whole forged material, even if there is a portion where the forging rate is low, and the forged material. As a whole, an object is to provide a high-strength, high-toughness Al alloy forging that can be applied to parts and members that require high strength and high toughness.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  To achieve this object, the present inventionFor automotive suspension partsThe summary of the Al alloy forging material is Mg: 0.6 to 1.6% (mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.6 to 1.8%, Cu: 0.05 to 1.0%, Fe is restricted to 0.30% or less, Mn: Al alloy forging containing 0.15 to 0.6%, Cr: 0.1 to 0.2%, Zr: 0.05 to 0.2%, or more, and hydrogen: 0.25cc / 100g Al or less, the balance being Al and inevitable impurities An aluminum alloy ingot cast at a cooling rate of 10 ° C./sec or more is subjected to a homogenization heat treatment at a temperature of 530 to 600 ° C. and then hot forged into a forged material.Of the part where the forging rate is lowestMg in Al alloy structure2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr), 800 When observed with a double scanning electron microscope,That is 1.5% or less per unit area.
[0012]
As a result of examining the relationship between the crystallized product crystallized by casting and the toughness of the forged Al alloy structure, the inventors have found that the area ratio of the specific crystallized product is the toughness of the forged Al alloy structure. I found out that I was deeply involved.
[0013]
That is, the inventors of the present invention are the origin of fracture of the forged Al alloy structure (the origin of dimples) of the crystallized product of the Al alloy ingot.2Knowledge of Al and Fe-Si-Mn, Al-Fe-Si-Cr, Al-Fe-Si-Zr and other Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) did.
[0014]
And more importantly, it has been found that these crystallized substances present in the Al alloy structure are not in a large or long connected shape, but are dispersed at a distance from each other to contribute to the improvement of toughness. That is, these crystallized substances cannot be simply reduced or eliminated from the viewpoint of contributing to securing a necessary strength. However, it is necessary to control the form of these crystallized substances that are present or necessary, so that the necessary strength can be ensured and the forging rate is low or the forging rate is low. It has been found that high average toughness can be secured.
[0015]
For example, the crystal form control as described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-256880, that is, simply reducing the average grain size of the ingot crystallized material does not contribute much to the improvement of toughness. Contrary to the idea described in Japanese Patent Laid-Open No. 06-256880, the present inventors, even if the average particle size of the ingot crystallized material is large, it is dispersed at intervals (sparseness). It has been found that it contributes to the improvement of toughness. That is, even if the average particle size of the crystallized material is small, the toughness, particularly the fracture toughness, is deteriorated in a state where the distance between each other is small and dense. On the other hand, in the present invention, these Mg2The amount of crystallized substances such as Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized substances itself is controlled or reduced except for the necessary strength.
[0016]
As an index that corresponds well to the control of the amount of crystallized substances and the situation where the crystallized substances are dispersed with a space between each other (the crystallized substances are not closely packed or connected). In the present invention, Mg per unit area2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystals is selected.
[0017]
The area ratio of these crystallized substances is determined by visual observation or image analysis observation of a 800-fold scanning electron microscope (SEM) of the structure of the cross section in the thickness direction of the Al alloy ingot or forging. The magnification of this scanning electron microscope does not change much even when measured at magnifications of 400 to 800, but at other magnifications, the number of crystallized substances to be measured is completely different. For this reason, when the magnification is different, the measured area ratio is greatly different, and the reproducibility of the area ratio regulation is lost. Therefore, the magnification of the scanning electron microscope, which is the standard for defining the area ratio of the crystallized product in the present invention, is set to 800 times. In addition, in order to have reproducibility of area ratio measurement, observe the number of visual fields (measurement points) of the target part for measuring the area ratio of the crystallized substance as 5 to 20 visual fields, and measure the crystallized substance in each visual field It is preferable to average the area ratio.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The definition of the crystallized product in the present invention will be described. Mg by visual observation or image analysis observation with 800X scanning electron microscope (SEM)2By making the total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized substances 1.5% or less per unit area, preferably 1.0% or less, suspension parts for automobiles, etc. Higher strength and toughness, preferably yield strength (σ0.2) Average value is 350 N / mm2When having the above, average value 30J / cm2The above high toughness can be obtained.
[0019]
On the other hand, when the total area ratio of the crystallized substances exceeds 1.5% per unit area, the processing ratio is lowered even by hot forging (the processing ratio is less than 75%). It is impossible to obtain an average high toughness value for the entire part, including that the toughness of the part is significantly reduced.
[0020]
Fig. 1 shows the T for the Al alloy forging manufactured in the examples described later.1FIG. 2 is a diagram showing a microstructure of a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 800 times in a cross section in the thickness direction of the region (a micrograph taken by SEM is made into a drawing). In the figure, 2 is Mg2Si crystallized product, 3 is an Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized product. Here, the Al—Fe—Si— (Mn, Cr, Zr) series crystallized materials 3 of the Al alloy forging according to the present invention shown in FIG. 1 (a) are finely dispersed at intervals. In contrast, the Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized material 3 in Fig. 1 (b), which is a forged Al alloy material according to the prior art, has a shape in which the crystallized materials are long connected. ing.
[0021]
And the Al alloy forging material in FIG.0.2 350N / mm230J / cm with high strength2In contrast to the above high toughness, the Al alloy forging shown in Fig. 1 (b) is 20 J / cm.2The following toughnesses, both of which have a remarkable difference in toughness. Further, the size of each Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized product 3 in any of FIGS. 1 (a) and (b) is described in JP-A-06-256880. The average particle size is 8 μm or less. Therefore, simply reducing the average grain size of the ingot (cast material) does not contribute much to the improvement of toughness. In other words, sparsely exists, in other words, Mg2If the total area ratio of Si and Al—Fe—Si— (Mn, Cr, Zr) based crystallized material is low, it is supported that a higher strength and toughness Al alloy forging can be obtained.
[0022]
Of course, the area ratio of other crystallized substances also affects the toughness. Typical examples of other crystallized substances are, for example, crystallized substances of Si alone, Al7Cu2Fe, Al12(Fe, Mn)ThreeCu2, (Fe, Mn) Al6Crystallized product of compound phase with Al of Cu, Mg, Al2Cu2Mg, Al2Cu2Etc. Among these, the crystallized substance of Si simple substance becomes the starting point of material destruction, and toughness falls remarkably. Therefore, it is necessary that the crystallized substance of Si simple substance does not exist substantially. More specifically, it is necessary that the crystallized substance of Si simple substance is not observed by a scanning electron microscope at a magnification of 800 times. However, in the case of the normal manufacturing method described later, Si crystallized substance is not substantially present in the structure of the Al alloy ingot or the Al alloy forged material.
[0023]
Also other Al7Cu2Fe, Al12(Fe, Mn)ThreeCu2, (Fe, Mn) Al6, Al2Cu2Mg, Al2Cu2For crystallization products such as Mg2Similar to Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystals, it is necessary to reduce the area ratio in order to improve toughness. However, these crystals are2The absolute amount is smaller than the amount of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystals, and the Mg2As long as the total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) crystallized substances is lowered, the area ratio is inevitably reduced. Therefore, in the present invention, the Mg2There are no particular restrictions on crystallized substances other than Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized substances.
[0024]
And in order to satisfy the stipulation of the crystallized product of the Al alloy forging material in the present invention and to guarantee the high strength and high toughness of the Al alloy forged material, Mg at the stage of homogenization heat treatment2It is important that the total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized substances is 1.5% or less per unit area. That is, the area ratio of the crystallized product is substantially impossible in the forging process, and the area ratio of the crystallized material of the forging material in the present invention is controlled by the homogenization heat treatment of the ingot and the ingot. Perform in stages.
[0025]
Note that the average value of proof stress and toughness in the present invention is the highest processing rate = T with the highest proof stress and toughness in the example of Fig. 2.1Part (processing rate 75%) and the lowest processing rate = T with the lowest yield strength and toughness2The average of the part (processing rate 50%). Of course, this does not only mean that the values of these two points are averaged, but depending on the shape of the member or member, it is also possible to average the values of a plurality of parts that require further guarantee of mechanical properties. good.
[0026]
 (Ingot) Further, the ingot for forging in the present invention has a dendrite secondary arm interval (DAS) of 30 μm or less in order to ensure high toughness of the Al alloy forging. As a result, the crystal grains of the Al alloy ingot and the Al alloy forged material are refined, and Mg2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized materials is lowered, and the toughness of Al alloy forgings is improved. When the dendrite secondary arm interval (DAS) of the ingot is increased beyond 30 μm, the dendrite secondary arm interval (DAS) of the Al alloy forging material of the Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-256880 is about 30 μm. Thus, when the site | part with a low forge processing rate exists, the toughness of the whole Al alloy forging material cannot be improved.
[0027]
The forged material includes a case where the ingot is directly hot forged, and a case where the ingot is once extruded and hot forged. Therefore, the shape of the ingot includes an ingot such as a round bar, a slab shape, or a near net shape close to a product shape, and is not particularly limited.
[0028]
 (Chemical Component Composition of the Al Alloy of the Present Invention) Next, the chemical component composition in the Al alloy of the present invention will be described. The Al alloy of the present invention is mechanical properties such as strength, elongation, toughness, etc. for transport equipment, structural materials or parts such as automobiles and ships, corrosion resistance, stress corrosion cracking, recyclability with a small amount of alloy, etc. It is necessary to satisfy the characteristics of Of these, particularly for automobile suspension parts, preferably σ0.2 350N / mm2More high strength and 30J / cm2It is necessary to obtain the above average high toughness.
[0029]
Therefore, in order to satisfy the above-mentioned characteristics, the chemical composition composition of the Al alloy of the present invention is the component standard of Al-Mg-Si JIS 6000 series Al alloys (JIS 6101, 6003, 6151, 6061, 6N01, 6063, etc. ) Basically includes Mg: 0.6 to 1.6%, Si: 0.6 to 1.8%, Cu: 0.05 to 1.0%, Fe is restricted to 0.30% or less, Mn: 0.15 to 0.6%, An Al alloy containing one or more of Cr: 0.1 to 0.2% and Zr: 0.05 to 0.2%, hydrogen: 0.25 cc / 100 g Al or less, and the balance Al and inevitable impurities. In addition, Zn: 0.005 to 1.0%, Ti: 0.001 to 0.1%, B: 1. to 300 ppm, and the like are selectively contained as necessary. However, even if it does not comply with each component standard of JIS 6000 series Al alloy, as long as it has the above basic characteristics, the composition of the ingredients can be changed as appropriate to further improve the characteristics and add other characteristics. Is acceptable. In this regard, it is allowed to appropriately include other elements such as Ni, V 2, Sc, and Ag according to changes in the component ranges of the above elements and more specific uses and required characteristics. Impurities that are inevitably mixed from the melted raw material scrap and the like are allowed within a range that does not impair the quality of the forged material of the present invention.
[0030]
   (Element amount of the Al alloy of the present invention) Next, the critical significance and preferred range of the content of each element of the Al alloy material of the present invention will be described.
[0031]
  Mg: 0.6-1.6%. Mg is Mg with Si due to artificial aging2It is an essential element for precipitating as Si, and for forming a compound phase with Cu and Al in the Cu-containing composition to give high strength (yield strength) when the final product is used. When the Mg content is less than 0.6%, the work hardening amount decreases, and even artificial aging is σ.0.2At 315N / mm2The above high strength cannot be obtained. On the other hand, if the content exceeds 1.6%, the strength (yield strength) becomes too high and the forgeability is hindered.2The total area ratio of the Si crystallized substances cannot be 1.5% or less, preferably 1.0% or less per unit area, and the toughness becomes low and high toughness cannot be obtained. Therefore, the Mg content is in the range of 0.6 to 1.6%.
[0032]
  Si: 0.6-1.8%. Si, together with Mg, can be treated with artificial aging2It is an essential element for precipitating as Si and imparting high strength (yield strength) when the final product is used. If the Si content is less than 0.6%, sufficient strength cannot be obtained by artificial aging.0.2At 315N / mm2The above high strength cannot be obtained. On the other hand, when the content exceeds 1.8%, coarse single Si particles are precipitated during casting and quenching, and the toughness is lowered as described above. Mg2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized substances cannot be 1.5% or less per unit area, preferably 1.0% or less, and high toughness is obtained. I can't. Further, the moldability is also hindered, for example, the elongation is lowered. Therefore, the Si content is in the range of 0.6 to 1.8%.
[0033]
  Cu: 0.05-1.0%. Cu forms a compound phase with Mg and Al, and contributes to the improvement of matrix strength. In addition, during aging treatment, it causes nuclei to precipitate other alloy elements and finely disperses the precipitate. And has the effect of significantly accelerating age hardening of the final product. If the Cu content is less than 0.05%, these effects cannot be exhibited. On the other hand, if the Cu content exceeds 1.0%, these effects are saturated and the toughness or hot forgeability is decreased. Further, if the Cu content exceeds 0.3%, the corrosion resistance tends to decrease. Therefore, from the viewpoint of corrosion resistance, the Cu content is preferably set to 0.3% or less. Therefore, the Cu content is 0.05 to 1.0%, preferably 0.05 to 0.3%.
[0034]
  One or more of Mn: 0.15 to 0.6%, Cr: 0.1 to 0.2%, Zr: 0.05 to 0.2%. These elements are produced during homogenization heat treatment and subsequent hot forging.20Cu2MnThree, Al12Mg2Cr, AlThreeGenerate dispersed particles (dispersed phase) such as Zr. Since these dispersed particles have an effect of hindering the grain boundary movement after recrystallization, fine crystal grains can be obtained. Also, among these elements, Zr, when contained in combination with other Mn and Cr, is larger than Al-Mn and Al-Cr-based dispersed particles of tens to hundreds of angstroms in size. Finer Al—Zr-based dispersed particles are precipitated. For this reason, when Zr is contained together with Mn and Cr, it has a great effect of preventing the movement of crystal grain boundaries and sub-grain boundaries and suppressing the growth of crystal grains, and has the effect of improving fracture toughness and fatigue properties. large. On the other hand, excessive inclusion of these elements tends to generate coarse Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based intermetallic compounds and crystallized materials during melting and casting, which is the starting point of fracture and increases toughness. It causes a decrease. Therefore, the total area ratio of the Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized product cannot be 1.5% or less per unit area, preferably 1.0% or less, and high toughness is obtained. I can't. Therefore, the contents of these elements are set to Mn: 0.15 to 0.6%, Cr: 0.1 to 0.2%, and Zr: 0.05 to 0.2%, respectively.
[0035]
  Fe: 0.30% or less. Fe contained as an impurity in Al alloy is Al7Cu2Fe, Al12(Fe, Mn)ThreeCu2 , (Fe, Mn) Al6Alternatively, a coarse Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized product which is a problem in the present invention is generated. These crystallized materials deteriorate the fracture toughness and fatigue characteristics as described above. In particular, when the Fe content exceeds 0.3%, more strictly, 0.25%, the total area ratio of Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystals is 1.5% or less per unit area. Preferably, it cannot be 1.0% or less, and the high strength and high toughness required for suspension parts for automobiles and the like cannot be obtained. Therefore, the Fe content is preferably 0.30% or less, more preferably 0.25% or less.
[0036]
Hydrogen: 0.25 cc / 100g Al or less. Hydrogen significantly reduces toughness and significantly degrades impact fracture resistance. Further, in automobile suspension parts and the like that have been made thinner and higher in strength, the impact damage resistance deterioration due to hydrogen is particularly significant. Therefore, the hydrogen content should be as low as possible below 0.25 cc / 100g Al.
[0037]
   (Zn, Ti, B, Be, V, etc.) Next, Zn, Ti, B, Be, V, etc. are elements that are selectively contained depending on the purpose.
   Zn: 0.005 to 1.0%. Zn is MgZn during artificial aging.2Is deposited finely and densely to achieve high strength. However, if the Zn content is less than 0.005%, sufficient strength cannot be obtained by artificial aging. On the other hand, if it exceeds 1.0%, the corrosion resistance is remarkably lowered. Therefore, the Zn content is preferably in the range of 0.005 to 1.0%.
[0038]
  Ti: 0.001 to 0.1%. Ti is an element added to refine crystal grains of the ingot and improve press formability. However, when the Ti content is less than 0.001%, this effect cannot be obtained. On the other hand, when the Ti content exceeds 0.1%, a coarse crystallized product is formed and the formability is lowered. Therefore, the Ti content is preferably in the range of 0.001 to 0.1%.
[0039]
  B: 1 to 300 ppm. B, like Ti, is an element added to refine the ingot crystal grains and improve press formability. However, if the content of B is less than 1 ppm, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the content exceeds 300 ppm, coarse crystals are formed and the moldability is lowered. Therefore, the B content is preferably in the range of 1 to 300 ppm.
[0040]
  Be: 0.1-100 ppm. Be is an element to be contained in order to prevent reoxidation of molten Al in the air. However, if the content is less than 0.1 ppm, this effect cannot be obtained. On the other hand, if the content exceeds 100 ppm, the material hardness increases and the moldability decreases. Therefore, the content of Be is preferably in the range of 0.1 to 100 ppm.
[0041]
  V: 0.15% or less. V, like Mn, Cr, Zr, etc., produces dispersed particles (dispersed phase) during the homogenization heat treatment and the subsequent hot forging. Since these dispersed particles have an effect of hindering the grain boundary movement after recrystallization, fine crystal grains can be obtained. However, excessive inclusion tends to generate coarse Al-Fe-Si-V intermetallic compounds and crystallized substances during melting and casting, which becomes a starting point of fracture and causes toughness to decrease. Therefore, when V is contained, the content is made 0.15% or less.
[0042]
Next, the preferable manufacturing method of the Al alloy forging material in this invention is described. In the present invention, the Al alloy forging material itself can be manufactured by a conventional method. For example, when casting an Al alloy melt that has been adjusted to be dissolved within the Al alloy component range, for example, a normal melt casting such as a continuous casting rolling method, a semi-continuous casting method (DC casting method), a hot top casting method, etc. The method is appropriately selected and cast.
[0043]
However, in order to improve the toughness of the Al alloy forging, the crystal grains of the Al alloy ingot are refined, and the Mg2In order to reduce the total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized products, cast an Al alloy melt at a cooling rate of 10 ° C / sec or more to form an ingot. It is necessary to. If the cooling rate of the ingot is less than 10 ° C / sec, the crystal grains become coarse, and the dendrite secondary arm interval (DAS) of the ingot cannot be made 30 µm or less. Mg2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized substances cannot be 1.5% or less per unit area, preferably 1.0% or less. Higher strength and higher toughness required for parts and the like cannot be obtained.
[0044]
Next, the homogenization heat treatment temperature of the Al alloy ingot (cast material) needs to be in the temperature range of 530 to 600 ° C. The normal homogenization heat treatment temperature of this kind of Al alloy cast material is about 470-480 ° C., but in the present invention, as described above, in order to improve toughness, one or more of Mn, Cr, and Zr are used. In the homogenization heat treatment, Al20Cu2MnThree, Al12Mg2Cr, AlThreeFine particles are obtained by producing dispersed particles (dispersed phase) such as Zr. In addition, in order to increase the yield strength and toughness of Al alloy forgings, at the stage of this homogenization heat treatment, Mg2It is necessary to sufficiently dissolve the Si-based crystallized product.
[0045]
For this purpose, a homogenization heat treatment at a high temperature of 530 to 600 ° C. is necessary. When the homogenization heat treatment temperature is less than 530 ° C., the number of dispersed particles is insufficient and the crystal grains become large. Mg2The amount of Si-based crystallized solid solution is also insufficient, and Mg2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized substances cannot be 1.5% or less per unit area, preferably 1.0% or less. Higher strength and toughness required for parts, more specifically, σ0.2 At 315N / mm2Charpy impact value is 20 J / cm when having high strength above2The above high toughness cannot be obtained. On the other hand, even if the homogenization heat treatment temperature exceeds 600 ° C., the effect is not changed, but on the contrary, problems such as melting of the Al alloy ingot (cast material) occur.
[0046]
After homogenization heat treatment, it is hot forged by mechanical forging or hydraulic forging, etc., and formed into an Al alloy forging material of the final product shape (near net shape). Then, after forging, tempering heat treatment and aging treatment such as T6 treatment (quenching after solution treatment) for obtaining necessary strength and toughness are performed.
[0047]
In addition, in order to eliminate the cast structure remaining in the Al alloy forged material and to further improve the strength and toughness, the forging may be performed after the Al alloy ingot is subjected to homogenization heat treatment and extrusion.
[0048]
【Example】
Next, examples of the present invention will be described. The Al alloy ingots shown in Table 1 (Al alloy cast materials, both of which are φ68mm diameter x 580mm length round bars) are cast into the casting methods (DC casting method, hot top casting method) and cooling rate (Table 2). After melting by (° C / sec), homogenized heat treatment was performed for 8 hours at the temperatures shown in Table 2, and at the processing rates shown in Tables 2 and 3, the automotive suspension parts were hot forged by mechanical forging. An aluminum alloy forging material 1 having the shape shown in FIG. 1 was produced. Next, this aluminum alloy forging material 1 was subjected to a solution treatment at 560 ° C. for 1 hour using a glass furnace, followed by water cooling (water quenching), and then an aging treatment at 180 ° C. for 5 hours. The ingots of Invention Example No. 5 in Table 3 were hot forged after being subjected to the homogenization heat treatment, followed by extrusion at an extrusion ratio of 6.
[0049]
Then, specimens were taken from the Al alloy ingot and the Al alloy forged material 1, respectively, and the cross-sectional structure in the thickness direction of the ingot and the Al alloy forged material 1 was scanned by a scanning electron microscope (SEM) at a magnification of 800 times. To observe and analyze the image with the number of fields (measurement points) of the specimen as 10 fields of view.2Total unit area of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystals (0.0127mm2) Area ratio (average of each field of view). Also, the dendrite secondary arm spacing (DAS, μm) of Al alloy ingots is specified in `` Method of measuring aluminum dendrite arm spacing and cooling rate '' from the ingot microstructure photograph (1988.8, Japan Institute of Light Metals Research Committee) Obtained by the method of crossing. These results are shown in Tables 2 and 3.
[0050]
Furthermore, the tensile strength (σB, N / mm2), Yield strength (σ0.2, N / mm2), Elongation (δ,%), toughness = Charpy impact value (J / cm2) And other mechanical properties were measured. At this time, in order to see the variation in the mechanical characteristics due to the difference in the forging rate at each site of the Al alloy forging material 1, the sampled site of the test piece is the T where the forging rate is the highest in Fig. 1.1And T with the lowest forging rate2It was. The forging rate was calculated as the reduction rate of the cross-sectional area. And the average of the mechanical characteristic of these parts was also calculated | required, and the average mechanical characteristic as the whole Al alloy forging material 1 was calculated | required. These results are also shown in Tables 2 and 3.
[0051]
As is clear from Table 2, the Al alloy No. 1 in Table 1 with a chemical composition within the scope of the present invention, such as keeping the Fe content below 0.30% and keeping the hydrogen content below 0.25 cc / 100gAl, Invention Examples No. 1 and 5 in which the casting cooling rate and the homogenization temperature satisfy the manufacturing method of the present invention are used, and the forging rate is the lowest at 50%.2In addition, high strength and toughness are ensured, and the average mechanical properties of the forged Al alloy as a whole, especially the proof stress (σ0.2) 350N / mm2Above, average toughness value is 30 J / cm2 The above is secured. In the Al alloy forged material structure of these inventive examples, as shown in FIG. 1 (a), Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized materials 3 are finely dispersed at intervals. Had an organization.
[0052]
Among invention examples in Table 2, Invention Example No. 2 has a relatively low casting cooling rate and dendrite secondary arm spacing (DAS) is relatively large compared to Invention Examples Nos. 1 and 5. In addition, Invention Example No. 4 has a relatively low homogenization temperature, produces few dispersed particles such as Mn, Cr, and Zr, and has relatively coarse crystal grains. Further, Invention Example No. 3 uses the Al alloy of No. 2 in Table 1, which has a relatively high Si content, Fe content, and Mg content.2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystals is relatively high. As a result, these inventive examples show that the average mechanical properties of the Al alloy forging as a whole, especially the average proof stress (σ0.2) Is 315N / mm2Above, average toughness value is 20 J / cm2Although the above is secured, the forging rate is the lowest at 50%.2The strength and toughness of the steels were inferior to those of Invention Examples Nos.
[0053]
Further, in comparison between Invention Example No. 1 containing Zr together with Mn and Cr and Invention Example No. 6 (Table 3) having almost the same composition except that Zr is not included, the toughness value of Invention Example No. 1 Is expensive. From this result, the excellent toughness improving effect of Zr described above can be seen.
[0054]
On the other hand, as is apparent from Table 3, comparative example No. 7 using the No. 3 Al alloy in Table 1 in which the amount of Fe is outside the scope of the present invention is particularly2The total area ratio of Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized substances is out of the scope of the present invention. Further, in comparative example No. 8 in which the casting cooling rate is lower than that of the production method of the present invention, the dendrite secondary arm interval (DAS) is out of the scope of the present invention. Furthermore, in Comparative Example No. 9, the homogenization temperature is lower than that of the production method of the present invention, the generation of dispersed particles such as Mn, Cr, and Zr is small, and the crystal grains are relatively coarse. Therefore, all of these comparative examples have the lowest forging rate, especially 50%.2The strength and toughness of the Al alloy forgings1 as a whole are the average mechanical properties of the yield strength (σ0.2) Is 315N / mm2The average toughness value is 20 J / cm2It is as follows. Further, Comparative Example No. 10 using the Al alloy of No. 5 in Table 1 where the amount of hydrogen deviated from the scope of the present invention was the same as the other comparative examples. Mechanical properties are yield strength (σ0.2) Is 315N / mm2The average toughness value is 20 J / cm2Remarkably low as below.
[0055]
And, the Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) -based crystallized product of Comparative Example No. 7 had a shape in which the crystallized products were long connected as shown in FIG. 1 (b). .
[0056]
  From the above examples, according to the present invention, in particular, automaticCar naFor forgings of various shapes, such as for suspension parts such as knuckle, lower arm, upper arm, etc.0.2315N / mm2Above and 20J / cm2It turns out that the above high-strength, high-toughness aluminum alloy forging material can be obtained. Therefore, the present invention high strength high toughness aluminum alloy forgingEach in the materialThe critical significance of the requirements is supported.
[0057]
[Table 1]
Figure 0003684313
[0058]
[Table 2]
Figure 0003684313
[0059]
[Table 3]
Figure 0003684313
[0060]
【The invention's effect】
  According to the present invention, when the hot forging rate is lowButIt is possible to provide a high-strength, high-toughness Al alloy forging that can be applied to parts and members that require high strength and high toughness. Therefore, automatic forging of Al-Mg-Si Al alloy forgingsFor carsIt has great industrial value in that it can be used for a wide range of applications.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is an explanatory view showing a microstructure of a forged Al alloy material according to the present invention and FIG. 1 (b) is a related art, respectively.
FIG. 2 is an explanatory view showing an example of an Al alloy forged material for automobile suspension parts.
[Explanation of symbols]
1: Al alloy forging material, 2: Mg2Si crystallized product, 3: Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) crystallized product,

Claims (7)

Mg:0.6〜1.6% (質量% 、以下同じ) 、Si:0.6〜1.8%、Cu:0.05 〜1.0%を含むとともに、Feを0.30% 以下に規制し、Mn:0.15 〜0.6%、Cr:0.1〜0.2%、Zr:0.05 〜0.2%の一種または二種以上を含み、更に、水素:0.25 cc/100g Al以下とし、残部Alおよび不可避的不純物からなるAl合金鍛造材であって、10℃/sec以上の冷却速度で鋳造されたAl合金鋳塊を、530 〜 600℃の温度で均質化熱処理した後に、熱間鍛造して鍛造材とされ、該鍛造材における鍛造加工率が最も低くなる部位のAl合金組織中のMg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物の合計の面積率を 800 倍の走査型電子顕微鏡で観察した際に、単位面積当たり1.5%以下としたことを特徴とする自動車のサスペンション部品用高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。Mg: 0.6 to 1.6% (mass%, the same applies hereinafter), Si: 0.6 to 1.8%, Cu: 0.05 to 1.0%, Fe is restricted to 0.30% or less, Mn: 0.15 to 0.6%, Cr: 0.1 Al alloy forging material containing one or more of ~ 0.2%, Zr: 0.05 ~ 0.2%, hydrogen: 0.25 cc / 100g Al or less, the balance being Al and unavoidable impurities, 10 ° C / The part where the forging rate in the forging material becomes the lowest after the Al alloy ingot cast at a cooling rate of sec or more is subjected to homogenization heat treatment at a temperature of 530 to 600 ° C and then hot forged into a forging material. of Mg 2 Si in the Al alloy structure and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) the crystallizate total area ratio of the system, when observed at 800 times of scanning electron microscope, unit area A high-strength, high-toughness aluminum alloy forging material for automobile suspension parts , characterized by not more than 1.5% per unit. 前記Mg2Si とAl-Fe-Si-(Mn、Cr、Zr) 系の晶出物の面積率が単位面積当たり1.0%以下である請求項1に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。The high-strength, high-toughness aluminum alloy forged material according to claim 1, wherein the area ratio of the Mg 2 Si and Al-Fe-Si- (Mn, Cr, Zr) based crystallized material is 1.0% or less per unit area. 前記Feを0.25% 以下に規制した請求項1または2に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。  The high-strength, high-toughness aluminum alloy forged material according to claim 1 or 2, wherein the Fe is regulated to 0.25% or less. 前記アルミニウム合金鋳塊のデンドライト二次アーム間隔(DAS) が30μm 以下である請求項1乃至3の何れか1項に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。  The high-strength, high-toughness aluminum alloy forged material according to any one of claims 1 to 3, wherein a dendrite secondary arm interval (DAS) of the aluminum alloy ingot is 30 µm or less. 前記アルミニウム合金鋳塊を鋳造後押出加工する請求項1乃至4の何れか1項に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。  The high-strength, high-toughness aluminum alloy forging material according to any one of claims 1 to 4, wherein the aluminum alloy ingot is extruded after casting. 前記耐力 (σ0.2)の平均値が350N/mm2以上およびシャルピー衝撃値の平均値が30J/cm2 以上である請求項1乃至5の何れか1項に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。6. The high-strength, high-toughness aluminum alloy forging according to claim 1, wherein an average value of the proof stress (σ 0.2 ) is 350 N / mm 2 or more and an average value of Charpy impact value is 30 J / cm 2 or more. Wood. 前記アルミニウム合金鍛造材が、熱間鍛造の加工率が75% 未満の部位を有する請求項1乃至6の何れか1項に記載の高強度高靱性アルミニウム合金鍛造材。  The high-strength, high-toughness aluminum alloy forged material according to any one of claims 1 to 6, wherein the aluminum alloy forged material has a portion where the hot forging rate is less than 75%.
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