JP3735407B2

JP3735407B2 - High strength aluminum alloy

Info

Publication number: JP3735407B2
Application number: JP10457696A
Authority: JP
Inventors: 伸治牧野
Original assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Current assignee: Aisin Keikinzoku Co Ltd
Priority date: 1996-04-02
Filing date: 1996-04-02
Publication date: 2006-01-18
Anticipated expiration: 2016-04-02
Also published as: JPH09268342A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は構造用部材に用いられるアルミニウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
車両用構造部材として、軽量化の要請の下に押出加工したアルミニウム合金が使用されている。
例えば、自動車用バンパーリィンホースメントにはＪＩＳ７００３合金が、鉄道車両用にはＪＩＳ７０７５合金等が使用されている。
【０００３】
【本発明が解決しようとする課題】
しかし、ＪＩＳ７００３合金では強度不充分であり、一方、ＪＩＳ７０７５合金では高強度は得られるが、靱性が極端に悪くなるばかりでなく、バンパーリィンホースメント、サイドドアビームやサイドメンバー等の車両用部品の分野では耐応力腐食割れ性や押出加工性が悪く、実用的ではないという課題を抱えていた。
これらの車両用部品の分野では、車両の軽量化が燃費の向上に直接効果を与えるために、より高強度のアルミ材料の使用による小型化が要求される一方で、乗員保護という安全性の観点からは、靱性に優れたアルミ材料の使用による衝撃吸収性の向上が非常に重要となってきている。
従って、本発明は高強度であり、かつ、靱性、耐応力腐食割れ性および押出加工性にも優れたアルミニウム合金およびその製造方法を提供せんとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
押出成形用アルミニウム合金においては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｕを添加することで高強度合金が得られるが、それに反比例して押出加工性および靱性が悪くなることは広く知られているところである。
しかし、本発明者はＭｇ、Ｚｎ、Ｃｕの成分に加えて、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｆｅ、Ｓｉの成分量を変えて種々の合金を試作評価した結果、一定の組成範囲にては強度５００ＭＰａ（以下、特に示さない限り０．２％耐力をいう）以上が得られ、かつ、靱性、耐応力腐食割れ性および押出加工性に優れることが明らかになった。
その内容について以下に述べる。
【０００５】
ＭｇおよびＺｎは金属間化合物成形による強度向上が期待できる高強度アルミニウム合金の添加主成分である。
Ｍｇは強度向上に対する寄与は大きいが、押出加工性を著しく害する要因となる。
Ｚｎは押出加工性を比較的に低下させずに強度向上に寄与するが、Ｍｇに対する添加比率を一定以上に高くすると、耐応力腐食割れ性が著しく低下することになる。
従って、後述する他の添加成分との組み合わせにて、強度約５００ＭＰａを維持しつつ、相反する靱性、耐応力腐食割れ性、押出加工性に優れた特性を確保するのにＺｎ：７．０〜９．０ｗｔ％（以下、％と略す）、Ｍｇ：１．０〜２．０％が最適である。
Ｃｕはアルミニウム合金において固溶硬化が期待できるとともに、結晶粒界部と結晶粒内との電位差緩和により、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。一方、添加量が多すぎると、逆にＣｕとＡｌとの電位差腐食の原因となる。従って、Ｃｕ：０．２〜０．４％に選定した。
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは、一定の範囲については結晶粒を微細化する効果があり、押出加工性を低下させることなく、靱性、耐応力腐食割れ性を向上させることができる。その範囲は、種々試作評価した結果、Ｍｎ：０．１〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．１〜０．２％であった。
ＦｅおよびＳｉは、通常、アルミニウムの精練、鋳造過程にて不純物として混入される成分であるが、Ｆｅ：０．１５％以下、Ｓｉ：０．１％以下にしないと、いずれも靱性を低下させることも明らかになった。
【０００６】
以上の成分範囲にて調整されたアルミニウム合金を用いて、常法されているビレット鋳造し、押出加工後、所定の熱処理にても充分に高強度アルミニウム押出形材が得られるが、本発明によるアルミニウム合金の特性を最も発揮させるには、以下に述べる製造条件が良い。
本発明によるアルミニウム合金を用いて円柱状のビレットを鋳造し、その後、４４０〜４８０℃にて１０〜２０時間均質化処理する。押出加工時のビレット加熱温度は４００〜４５０℃が良い。４００℃以下では押出加工性が悪く、４５０℃以上では再結晶が粗大化して耐応力腐食割れ性が低下する。
押出加工後に、そのまま人工時効処理を実施しても、強度、靱性、耐応力腐食割れ性、押出加工性に優れたアルミニウム押出形材が得られるが、さらに靱性および耐応力腐食割れ性を向上させるには、押出形材を４００〜４７０℃に再加熱して、その後、１０００℃／分以上の速度で冷却した後に８０〜１６０℃にて１０〜７２時間焼き戻し処理するのが良い。
そのように製造した押出形材は、押出形材の断面にて繊維状組織部分の面積比率が９０％以上で靱性、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム押出形材が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明におけるアルミニウム合金例を従来と比較しながら説明する。
表１に示す合金Ａ、Ｂが本発明による添加成分量の例を示し、比較合金Ｃ、Ｄは本発明の効果を確認するためのものであり、比較合金ＥはＪＩＳ７００３に相当するアルミニウム合金である。
表２に示す押出形材は、図１に示す４５ｍｍ×４５ｍｍ、肉厚２ｍｍの断面形状の角パイプを押出加工した材料の評価結果を示す。記号の意味は、例えば「Ａ−（１）」にて説明すると、Ａは合金Ａを使用したことを示し、添字（１）は直径２０４ｍｍの円柱ビレットを鋳造し、４６０℃にて１２時間均質化処理したビレットを用いて、押出温度（ビレット加熱温度）４４０℃にて押出加工した後に９０℃×６時間＋１５０℃×１０時間の人工時効処理したことを示し、添字（２）は押出加工までは（１）と同様であり、その後に押出形材を４６０℃にて１時間加熱し、速やかに水冷して常温まで冷却した後に９０℃×６時間＋１５０℃×２４時間人工時効（焼き戻し）処理したことを示す。
【０００８】
次に、材料特性の評価方法を説明する。
引張強度、０．２％耐力、伸びはＪＩＳＺ２２４１に基づいて測定し、靱性は図２に示すように半円球形状のポンチにて打ち抜き荷重を負荷し、その際の変位（Ｓ）−荷重（Ｆ）曲線をとると、図３に示すグラフになる。
（ａ）は靱性が悪い場合に途中で材料割れが発生し、荷重が急激に低下する例を示す。（ｂ）は靱性の良い例であり、評価方法としては、（Ｓ）−（Ｆ）曲線にて得られた積分値を測定し、ＪＩＳ７００３を用いたＥ−（１）の値を１００として指数評価した。
耐応力腐食割れ性はＪＩＳＨ８７１１に準じて評価したが、腐食促進液はＣｒＯ₃、Ｋ₂Ｃｒ₂Ｏ₇、ＮａＣｌ混合水溶液を用い、液温９０℃に浸漬し、割れ発生までの時間を測定した。
繊維状組織面積比率は、押出形材を鏡面研摩した後にＮａＯＨ水溶液にてエッチング処理し、面積比率を測定した。
【０００９】
【発明の効果】
表２にて示す結果から明らかなように、本発明による合金Ａ、Ｂを用いて押出加工し、所定の熱処理をしたものは高強度でありながら、靱性、耐応力腐食割れ性に優れた特性を示す。
また、押出加工性においても、図１の断面形状のものを３０００ｔｏｎプレスにて直接押し出した場合に、合金Ａ、Ｂは１０〜１２ｍ／分の押出スピードが得られるが、合金Ｃは１〜２ｍ／分であり、合金Ｄは４〜５ｍ／分であった。
【００１０】

【００１１】

【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアルミニウム合金を用いた押出形材の断面例を示す。
【図２】靱性評価方法の模式図を示す。
【図３】靱性評価における変位（Ｓ）−荷重（Ｆ）曲線を示す。
【符号の説明】
１・・・・・・供試材
２、２´・・・供試材固定上治具
３・・・・・・供試材固定下治具
４・・・・・・供試材に荷重をかけるポンチ
（ａ）・・・・靱性の悪い材料における変位−荷重曲線例
（ｂ）・・・・靱性の良い材料における変位−荷重曲線例[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an aluminum alloy used for a structural member.
[0002]
[Prior art]
As a structural member for a vehicle, an aluminum alloy extruded under the demand for weight reduction is used.
For example, JIS7003 alloy is used for automobile bumper reinforcement, and JIS7075 alloy is used for railway vehicles.
[0003]
[Problems to be solved by the present invention]
However, JIS7003 alloy has insufficient strength, while JIS7075 alloy provides high strength, but not only the toughness is extremely deteriorated, but also the field of vehicle parts such as bumper reinforcement, side door beams and side members. However, stress corrosion cracking resistance and extrusion processability were poor, and there was a problem that it was not practical.
In the field of these vehicle parts, the weight reduction of the vehicle has a direct effect on the improvement of fuel consumption, so miniaturization is required by using higher-strength aluminum material. Therefore, it has become very important to improve impact absorption by using an aluminum material having excellent toughness.
Accordingly, the present invention is to provide an aluminum alloy having high strength and excellent in toughness, stress corrosion cracking resistance and extrudability, and a method for producing the same.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In an aluminum alloy for extrusion molding, a high-strength alloy can be obtained by adding Mg, Zn, and Cu, but it is widely known that extrusion processability and toughness deteriorate in inverse proportion.
However, as a result of the trial evaluation of various alloys by changing the component amounts of Mn, Cr, Zr, Fe, and Si in addition to the components of Mg, Zn, and Cu, the present inventor has a strength of 500 MPa in a certain composition range. (Hereinafter, 0.2% proof stress unless otherwise indicated) was obtained, and it was revealed that the toughness, the stress corrosion cracking resistance and the extrudability were excellent.
The contents are described below.
[0005]
Mg and Zn are additive main components of a high-strength aluminum alloy that can be expected to improve strength by forming an intermetallic compound.
Mg greatly contributes to strength improvement, but is a factor that significantly impairs extrusion processability.
Zn contributes to strength improvement without relatively degrading the extrusion processability, but when the ratio of addition to Mg is increased to a certain level or more, the stress corrosion cracking resistance is remarkably lowered.
Accordingly, Zn: 7.0 to secure properties excellent in conflicting toughness, stress corrosion cracking resistance and extrusion processability while maintaining a strength of about 500 MPa in combination with other additive components described later. 9.0 wt% (hereinafter abbreviated as%) and Mg: 1.0 to 2.0% are optimal.
Cu can be expected to be solid solution hardened in an aluminum alloy, and stress corrosion cracking resistance can be improved by relaxing the potential difference between the crystal grain boundary and the crystal grain. On the other hand, if the amount added is too large, it will cause potential difference corrosion between Cu and Al. Therefore, Cu: 0.2 to 0.4% was selected.
Mn, Cr, and Zr have an effect of refining crystal grains within a certain range, and can improve toughness and stress corrosion cracking resistance without deteriorating extrusion processability. As a result of various prototype evaluations, the ranges were Mn: 0.1 to 0.5%, Cr: 0.05 to 0.3%, and Zr: 0.1 to 0.2%.
Fe and Si are components that are usually mixed as impurities during the scouring and casting of aluminum. However, unless Fe: 0.15% or less and Si: 0.1% or less, both reduce toughness. It became clear.
[0006]
Using an aluminum alloy adjusted in the above component range, a sufficiently high strength aluminum extruded shape can be obtained even after a predetermined heat treatment after billet casting, which is a conventional method, and extrusion. In order to make the most of the characteristics of the aluminum alloy, the manufacturing conditions described below are good.
A cylindrical billet is cast using the aluminum alloy according to the present invention, and then homogenized at 440 to 480 ° C. for 10 to 20 hours. The billet heating temperature at the time of extrusion is preferably 400 to 450 ° C. If it is 400 ° C. or lower, the extrusion processability is poor, and if it is 450 ° C. or higher, the recrystallization becomes coarse and the stress corrosion cracking resistance decreases.
Even if the artificial aging treatment is carried out as it is after extrusion, an aluminum extruded shape with excellent strength, toughness, stress corrosion cracking resistance and extrusion processability can be obtained, but the toughness and stress corrosion cracking resistance are further improved. For this, it is preferable to reheat the extruded profile to 400 to 470 ° C., and then cool it at a rate of 1000 ° C./min or more, and then temper at 80 to 160 ° C. for 10 to 72 hours.
The extruded profile produced in such a manner provides an aluminum extruded profile that is excellent in toughness and stress corrosion cracking resistance when the area ratio of the fibrous structure portion is 90% or more in the cross section of the extruded profile.
[0007]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An example of an aluminum alloy in the present invention will be described in comparison with a conventional example.
Alloys A and B shown in Table 1 show examples of additive component amounts according to the present invention, comparative alloys C and D are for confirming the effects of the present invention, and comparative alloy E is an aluminum alloy corresponding to JIS7003. is there.
The extruded profile shown in Table 2 shows the evaluation results of the material obtained by extruding the square pipe having a cross-sectional shape of 45 mm × 45 mm and a wall thickness of 2 mm shown in FIG. The meaning of the symbol is, for example, “A- (1)”. A indicates that the alloy A was used, and the subscript (1) is a cylindrical billet with a diameter of 204 mm, which is homogeneous at 460 ° C. for 12 hours. It is shown that the artificial aging treatment of 90 ° C. × 6 hours + 150 ° C. × 10 hours was performed after extrusion at 440 ° C. using the billet treated with an extrusion temperature (billet heating temperature). Is the same as (1), after which the extruded shape was heated at 460 ° C. for 1 hour, rapidly cooled with water and cooled to room temperature, then 90 ° C. × 6 hours + 150 ° C. × 24 hours artificial aging (tempering) Indicates that it has been processed.
[0008]
Next, a method for evaluating material properties will be described.
Tensile strength, 0.2% proof stress, and elongation were measured based on JISZ2241, and toughness was determined by applying a punching load with a semicircular punch as shown in FIG. 2, and the displacement (S) -load ( F) If a curve is taken, the graph shown in FIG. 3 is obtained.
(A) shows an example in which material cracking occurs in the middle when the toughness is poor, and the load rapidly decreases. (B) is an example of good toughness, and as an evaluation method, an integrated value obtained by the (S)-(F) curve is measured, and the value of E- (1) using JIS7003 is taken as 100. evaluated.
The stress corrosion cracking resistance was evaluated according to JISH8711. The corrosion accelerating solution was a mixed solution of CrO ₃ , K ₂ Cr ₂ O ₇ and NaCl, immersed in a liquid temperature of 90 ° C., and the time until cracking was measured. .
The fibrous tissue area ratio was measured by mirror-polishing the extruded profile and then etching with an aqueous NaOH solution to measure the area ratio.
[0009]
【The invention's effect】
As is apparent from the results shown in Table 2, the alloys A and B according to the present invention were extruded and subjected to a predetermined heat treatment, which had high strength but excellent toughness and stress corrosion cracking resistance. Indicates.
Also, in the extrusion processability, when the one having the cross-sectional shape of FIG. 1 is directly extruded by a 3000 ton press, the extrusion speeds of the alloys A and B are 10 to 12 m / min, but the alloy C is 1 to 2 m. The alloy D was 4 to 5 m / min.
[0010]

[0011]

[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a cross section of an extruded profile using an aluminum alloy according to the present invention.
FIG. 2 shows a schematic diagram of a toughness evaluation method.
FIG. 3 shows a displacement (S) -load (F) curve in toughness evaluation.
[Explanation of symbols]
1 .... Sample material 2, 2 '... Sample material fixing upper jig 3 .... Sample material fixed lower jig 4 .... Load on the sample material Punch (a) ... Displacement-load curve example in material with poor toughness (b) ... Displacement-load curve example in material with good toughness

Claims

Zn: 7.0-9.0 wt%, Mg: 1.5-2.0 wt%, Cu: 0.2-0.4 wt%, Mn: 0.1-0.5 wt%, Cr: 0.05- 0.3 wt%, Zr: 0.1 to 0.2 wt%, Ti: 0.01 to 0.05 wt%, the balance being made of Al and inevitable impurities, impurity Fe: 0.15 wt% or less, impurities Si: 0.10 wt% or less of an aluminum alloy is extruded and heated to 400 to 470 ° C, cooled to 50 ° C or less at a rate of 1000 ° C / min or more, and then artificially aged at 80 to 160 ° C. A high-strength aluminum alloy extruded section excellent in toughness, stress corrosion cracking resistance and extrusion processability, characterized by having a fibrous structure ratio of 90% or more by processing.

Zn: 7.0-9.0 wt%, Mg: 1.5-2.0 wt%, Cu: 0.2-0.4 wt%, Mn: 0.1-0.5 wt%, Cr: 0.05- 0.3 wt%, Zr: 0.1 to 0.2 wt%, Ti: 0.01 to 0.05 wt%, the balance being made of Al and inevitable impurities, impurity Fe: 0.15 wt% or less, impurities It is characterized by having a fibrous structure ratio of 90% or more by performing artificial aging treatment as it is after extruding Si: 0.10 wt% or less of an aluminum alloy heated to 400 to 450 ° C. High-strength aluminum alloy extruded shape with excellent toughness, stress corrosion cracking resistance and extrusion processability.