JP3810855B2

JP3810855B2 - Method for producing improved elongated Al alloy product and product produced by the method

Info

Publication number: JP3810855B2
Application number: JP11784096A
Authority: JP
Inventors: エス．ウォーレンアリソン
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2016-05-13
Also published as: JPH09316616A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、改良された細長いＡｌ合金成品および部品、特に車輌の主要構造部材の製造に特に有用な、改良された細長いＡｌ合金成品を押出し加工を含む作業によって製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真直フレーム部材を含みうるいくつかの別体部品から成る独立した複数の副組立体を用意することによって、車輌のフレームを製造することは公知である。各副組立体は、鋳造品、押出し加工品または板状部品であってよい複数の部材を節（ノード）構造によって一体に接合して製造される。フレームおよび副組立体は、接着剤接合、溶接または機械的締着によって、もしくはこれらの接合技術と他の接合技術を組合せることにより組立てられる。かかる車輌フレーム構造の例は、「自動車シャシー」という名称の米国特許第４６１８１６３号明細書に記載されており、その全記載内容を参考のために本明細書の記載として援用する。Ａｌ合金はかかる車輌のフレーム構造にきわめて好適である。その密度が小さく、良好な強度と良好な耐食性を有するからである。さらに、Ａｌ合金は車輌フレームの剛さおよび作動特性を改良するために使用できる。Ａｌ合金を使用することは、環境的利点，および軽量なＡｌ合金製車輛フレームに基く効率に対するポテンシャルを付与し、軽量化による燃費の低減化を実現する。最後に、車輌フレームにおけるＡｌ合金部品の採用は、車輌の使用寿命が尽きたとき、Ａｌ合金部品または副組立体を最終的に再使用する機会を生ずる。さらにＡｌ合金製車輛フレームは、これよりも重い通常の鋼製フレームによる車輛構造に典型的に対応する、いちじるしい強度および耐破壊性を有すると考える。
【０００３】
上記のように、Ａｌ合金製の主自動車車体構造体にとって重要な考察は、自動車の全重量の低減化および自動車性能の改良のいずれか一方または双方に関連した耐破壊性を含んでいる。自動車への適用に対して、耐破壊性は、車室のうけ入れ難い変形の発生または搭乗者の過度の減速なしに、自動車の或る衝突衝撃量の支承能力を反映する。衝突時に、構造体は規定の態様で変形すべきであり、構造体によって吸収される変形エネルギは衝撃の運動エネルギと平衡すべきであり、車室の完全性が維持されるべきであり、また搭乗者の減速を最小にする態様で主構造体が破壊されなければならない。自動車構造体または他の用途に使用するために、Ａｌ合金の物理的および機械的特性を評価する目的で、種々の標準的テストを行うことができる。例えば、強度および相対的に期待される性能に関する情報を得るため、引張りテストおよび標準的成形性テストを行うことができ、または破断特性を試験しかつ弾性または塑性応力の下で、クラックの成長に対する抵抗または靱性の大きさを知るため引裂テストを行うことができる。これらのテストまたは他のテスト方法が、車輌部品、副組立体およびフレームの製造に使用される代表的材料の性能を試験するために行われる。しかしながら、主車体構造体に使用するためのＡｌ合金部品の評価を行うための標準的テストはほとんどない。
【０００４】
したがって、上記テストに加えて、静的軸線方向破壊テストが軸線方向圧縮荷重に対する車輌フレーム部品の応答の評価を可能にすると考える。静的軸線方向破壊テストは、もし圧縮荷重の下においてエネルギを吸収すべく設計される部品構造の評価に使用されるならば、圧縮荷重に対する部品の応答を試験するのに必要な厳しい条件を実現する。静的軸線方向破壊テストの間、特定の長さのエネルギ吸収部品は部品に所定の速度で圧縮負荷され、最初の自由な長さのほぼ半分またはそれ以下の高さに最終的に変形される。これらの条件の下で経験しうる種々の圧潰モードには、規則的な折曲すなわち安定な圧潰、不規則な折曲および屈曲が含まれる。エネルギ吸収部品の評価に対する所望の応答は、規則的折曲を特徴とする安定な軸線方向圧潰である。破壊されるサンプルはこのテスト中に発生した厳しい変形に対応する材料を決定するため試験される。一般にはクラックなしに変形する可能性を示すことが好ましい。この場合、サンプルは静的軸線方向破壊テストに続いて視覚的に試験され、かつ変形したサンプルの外観に基いて格付けが選定される。
【０００５】
試験の結果は１から３までの目盛で登録される。「３」は、折曲部に近い区域にしばしば裸眼で見られる開放クラック（割れ）および粗面化損傷の形跡があることを示す。格付け「３」の材料は使用できないと考えられる。「２」は折曲部に近い領域または押出し材料の変位した側壁が粗面化され、また僅かにクラックが生じるかも知れないが、側壁の完全性が基本的には維持されていることを示す。格付け「２」のサンプルは、格付け「３」よりはよいが、格付け「１」のサンプル程にはよくないことを示す。格付け「１」のサンプルは、破壊された押出し加工品にクラックまたは粗面区域が無く、折曲部は実質的に平滑であることを示す（これは、静的軸線方向破壊テストに対する好ましい材料反応である）。
【０００６】
構造体または構造部品が、静的ならびに動的破壊テストの間、圧縮荷重の下において、所望のように徐々にエネルギを吸収しかつ変形する可能性は、部品の構造たとえば形状、断面形状、大きさ、長さ、厚さ、装置に含まれる接続形式、ならびに、部品が製造される材料の特性、すなわち実際の負荷速度における降伏および最終的引張り強度、弾性率、破断形式などの関数である。そのようなエネルギ吸収部品を含む主車体構造体を製造するための有力な候補として種々のＡｌ合金がある。たとえば６ＸＸＸ合金は、強化Ａｌ車輛に関連する押出し加工部品の製造に利用することができる。６ＸＸＸシリーズ合金は、その主合金添加物としてＭｇおよびＳｉを含む熱処理可能なＡｌ合金であり、Ａｌ協会方式に従って指定された、一般的なＡｌ合金群である。６ＸＸＸ合金の強化はＭｇ_２Ｓｉまたはその前駆物質の析出によって達成される。６ＸＸＸは自然時効処理された質別Ｔ_４または人工時効処理された質別Ｔ_６のいずれかで広く使用される。また、このシリーズの合金は、改善された組合せの特性を付与するために、付加的相を形成しまたは強化相を調整する目的で、Ｃｒ、ＭｎまたはＣｕまたはそれらと他の元素との組合わせを含むのが普通である。
【０００７】
６ＸＸＸ合金は、建築用形状物の製造に普通に使用され、またこれらの成品がほんの最小限の強度水準を必要とする用途にもっとも多く使用されるため、経費の観点で６ＸＸＸ合金は空気焼入れで生産されるのが普通である。合金６０６３は６ＸＸＸ成品のもっとも広く使用されるものの一つである。該合金は、質別Ｔ_４の自然時効処理材、および質別Ｔ_５，Ｔ_６の人工時効処理材として、それぞれ典型的な降伏強度９０ＭＰａ（１３ｋｓｉ）、１４５ＭＰａ（２１ｋｓｉ）および２１５ＭＰａ（３１ｋｓｉ）を示す。一般に認められている業界協定により、質別Ｔ_５およびＴ_６の押出し加工用指定材は、溶体化熱処理および焼入れ作業を含む質別Ｔ_６の厳格な規定に代えてプレス焼入れされるとともに人工時効処理された成品を指すことができる。
【０００８】
上昇温度処理作業からの焼入れは、最終成品に必要な特性および性能の向上に重要であることが多い。焼入れの目的は、押出し加工のような上昇温度作業で生じた固溶体内にＭｇ，Ｓｉおよび他の元素を維持することである。押出し加工の場合、別の溶体化熱処理および焼入れ作業に伴う追加経費を回避するため、成品が押出し加工プレスから排出される際に焼入れされることが多い。押出し加工温度から迅速な冷却速度を得るために水焼入れを行うことができる。迅速な冷却速度は、固溶体中の元素をもっともよく維持する。しかしながら、水冷却は追加設備を必要とし、また過度の変形と、使用に先立って形状を正するための事後処理必要性とを生ずる。６０６３成品のプレス焼入れに空気冷却が行われるのが普通である。空気冷却は従来経験した変形を低減化し、かつ中空成品の寸法性能を改善する。
【０００９】
しかしながら、６ＸＸＸ成品は、典型的に、ある程度の焼入れ感受性、または空気焼入れにおいて経験される焼入れ速度の低下を伴う強度もしくは他の特性の低下を示す。焼入れ感受性は、徐速焼入れ中の固溶体からの元素の析出による。この析出は、典型的に、粒界およびマイクロ組織中の他の不均一部分に生じる。焼入れ作業中の析出は、事後の時効処理作業中に強化相を析出させるために溶質を利用できなくする。徐速焼入れは、典型的に、強度、靱性、成形性または耐食性の低下をもたらす。また徐速焼入れは、低エネルギ粒界破断を促進することにより、成品の破断特性に悪影響を及ぼす可能性がある。降伏強度に関連する焼入れ感受性は、６０６３のような希薄合金では小さいのが普通である。
【００１０】
しかしながら、明瞭な焼入れ感受性が、靱性および靱性インジケータならびに、材料の破面機能によって強く影響される他の特性に関して観察される。引裂テストおよび成形性評価を通じて得られる結果が異ることが徐々にして認められる。焼入れ速度の劇的影響も、６０６３のような通常の商用押出し加工材料において、静的軸線方向破壊テストを使用して得られる結果においても認識される。所望の特性の低下を克服するために、別の溶体化熱処理および焼入れを行なうことができ、あるいはまた、焼入れ中の析出を最少にする速度で冷却を行なうために、直列加圧噴水焼入れを利用することができる。しかしながら、上記のように、水焼入れは変形を生じ、処理速度を抑制し、寸法修正用の追加処理を必要とし、部品形状を公差内に維持する能力を制限する。もっとも厳しい公差が、車輌副組立体またはフレームの組立て中維持されるべきである。水焼入れ作業の使用に関連する焼入れ変形は、複雑な、壁の薄い、中空の押出し加工物に悪影響を及ぼし、それをポテンシャル的に変形し、所望の用途に対する公差から外れさせ、さらに労働を強化する修正を必要にさせる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
米国特許第４５２５３２６号明細書には、６ＸＸＸ合金（Ｓｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｍｇ）の強度に対する焼入れ感受性が、Ｖ（バナジウム）の添加によって改善されることが記載されている。とくに、該特許明細書は、押出し成品の製造に対して、Ｖ：０．０５〜０．２％と、Ａｌ合金に対するＦｅ濃度の１／４〜２／３に等しい濃度のＭｎとを添加することを開示している。強度に対して焼入れ感受性を低下する合金を開発する努力にもかかわらず、静的軸線方向破壊性能に対して焼入れ感受性を低下する合金に対する必要性が存在する。
【００１２】
空気焼入れ可能な合金は、自動車構造体の組立てに必要な寸法上の可能性に適合し、かつ強度が大きく、衝突の際に圧縮荷重をうけるときエネルギを吸収すべく設計された部品に、規則的に変形する能力を含む最終的構造に使用するのに好適な特性を備えた、薄壁中空押出し形状を製造する可能性を生じ、またこれらの部品の製造が費用に比べて効果をよくするものである。
したがって、優れた静的軸線方向破壊性能を備えたことを特徴とするＡｌ合金を得ること、静的軸線方向破壊性能および自動車構造体に適用する上で必要な他の特性に対して、焼入れ感受性が低下したことを特徴とするＡｌ合金を得ること、薄壁中空押出し成品を含む形状範囲の拡大が可能で、かつ強化Ａｌ車輌または同様の構造物の製造に使用するため寸法上の可能性を改良されたＡｌ合金を得ること、改良されたＡｌ合金を得ること、および改良された長いＡｌ合金成品を製造する方法を得ることが本発明の目的である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、重量で、Ｍｇ：０．４８〜０．６４％、Ｓｉ：０．４〜０．５１％、Ｖ：０．１〜０．３５％、Ｆｅ：０．１〜０．４％を含み、残部がＡｌと不可避不純物である合金を用意すること、前記合金から成る部材を押出し加工すること、および前記合金から成る部材を空気焼入れすること、以上の各工程を含む改良された細長いＡｌ合金成品を製造する方法が得られる。なお、合金中の各成分の含有量を表す「％」については、［００２５］欄の項目ｂで、断りのない限り重量％である旨を述べている。
【００１４】
別途断りのない限り、前記全ての成分割合（％）は重量による。さらに、このＡｌ合金は静的軸線方向破壊性能に対する比較的低い焼入れ感受性を示し、かつ大きい強度、成形性および耐食性を生ずる。したがって、本発明の合金組成は、空気焼入れに理想的に適合可能で、しかも形状範囲の拡大および寸法上の可能性が改良される。焼入れ工程は、均質化、再加熱、押出し加工、自然時効処理および人工時効処理の各工程に加えて、押出し成品の強制空気焼入れの適用を含むことができる。
本発明の上記ならびに他の特徴および利点は、本発明による強制空冷成品の特徴を示すグラフである単一の図面に基づく、本発明の下記の詳細な説明を考慮することによって一層明確に理解しうるであろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、合金成分はＭｇ：約０．４５〜０．７％（好ましくは約０．４８〜０．６４％）、Ｓｉ：約０．３５〜０．６％（好ましくは約０．４〜０．５１％）、Ｖ：約０．１〜０．３５％（好ましくは約０．２％）、およびＦｅ：約０．１〜０．４％（好ましくは約０．１５〜０．３％）を含み、残部が実質的にＡｌと不可避不純物である。本発明の合金組成は、意図的なＣｕの添加がなく、かつ不純物の許容レベルがＡｌ協会組成規準に一致している。合金は、典型的には、連続鋳造または半連続鋳造によって、典型的には、円筒形インゴットビレットである押出し加工に適した形状の押出し用インゴットになされる。インゴットは、必要ならば、表面の不純物を除去するため機械加工または皮剥ぎすることができ、または表面が適当であれば機械加工せずに押出し加工できる。
【００１６】
押出し工程は直径を著しく縮小するが、押出し用ビレットに比較して長さをいちじるしく伸長する。押出し加工の前に、鋳造状態のビレットは、典型的には、加工性および特性を改良するため熱処理をうける。鋳造状態のビレットは存在するＭｇ_２Ｓｉ粒子を固溶させうるようにＭｇ_２Ｓｉの固相温度を超える温度で均質化され、鋳造過程から生ずる化学的偏析を減少する。均質化に続いて、インゴットは空冷される。押出し加工前、ビレットは熱間加工温度に再加熱され、直接または間接押出し技術によって押出し加工される。本発明を実施する際、押出し加工直前のシリンダ温度を、典型的には、押出し温度よりも、１０〜３８℃（５０〜１００°Ｆ）低く、通常約３７１〜５３８℃（７００〜１０００°Ｆ）の範囲（好ましくは４８２℃（９００°Ｆ））として、押出し加工を行うことが重要な選択である。
【００１７】
押出し円寸法は変化するが、押出し成品は、典型的には、１．５ｍｍ以上の壁厚を有する。押出し成品は、典型的には、端部が切落とされ、引続く作業によって所望の長さに切断される。押出し成品は焼入れ領域に進入し、そこで好ましくは強制空冷技術の実施によって焼入れされ、押出し成品の温度は約１２１〜２３２℃（２５０〜４５０°Ｆ）に冷却される。押出し成品が焼入れ領域を出る時、約１７７℃（３５０°Ｆ）であるのが好ましい。冷却速度すなわち押出し成品が焼入れ領域を通過するときの温度変化は、最終的に押出し部品の形状、押出し成品が焼入れ領域を横断する速度および空気温度の関数である。実験によれば、成品は強制空冷を実施され、冷却速度は２〜３℃／秒（３〜６°Ｆ／秒）であった。押出し部品は、真直化のために、約１／４〜１−１／２％（すなわち、約０．２５〜１．５％）だけ伸長される。押出し成品は自然時効処理される。適当な性質は４〜３０日の自然時効処理によって達成される。
【００１８】
押出し部品は、引続いて伸長されまたは伸長されないで、人工時効処理してその強度特性を改善することができる。この処理は、典型的には、約１２１または１３２℃（２５０または２７０°Ｆ）、典型的には、超１４９℃（３００°Ｆ）、たとえば約１６６〜２３２℃（３３０〜４５０°Ｆ）で、１時間またはそれより短い時間から約１０または１５時間、典型的には、１７７〜２０４℃（３５０〜４００°Ｆ）で約２または３時間の加熱を含んでいる。使用される時間は温度と反対に変化し（温度が高ければ時間は短く、温度が低ければ時間は長い）、この処理はいわゆるピークまたはＴ_６強度を改善する。
【００１９】
【実施例】
評価のため、Ａｌ合金組成、および熱処理の三つの組合わせを示す押出し加工が準備された。各成分のサンプルが水焼入れおよび空気焼入れを使用して押出し加工された。
「Ａ」および「Ｂ」と称する合金は、銅を含まない６０６３型組成である。サンプル「Ａ」は、６０６３−Ｔ_６成品用にＡｌ協会により推奨された処理すなわち、５７９℃（１０７５°Ｆ）で４時間均質化し、１７７℃（３５０°Ｆ）で８時間時効処理する処理を使用して均質化されかつ時効処理された。すべての他の処理工程は他例の材料の製造に使用された工程と同じである。サンプル「Ｂ」は、本発明の工程に従って均質化されかつ時効処理された。最後に、本発明の合金は「Ｃ」と称せられ、Ｖ：約０．２％を含んでいる。表１は６０６３Ａｌ合金の登録された組成範囲を示している。
【００２０】
【表１】

【００２１】
表２は、水焼入れを使用して製造された押出し成品の解析から得られたデータである。商用合金６０６３（サンプル「Ａ」）、６０６３型合金（サンプル「Ｂ」）および本発明の合金（サンプル「Ｃ」）が、通常の水焼入れ工程を使用して押出し成品を製造するため使用された。押出し成品は質別Ｔ_６まで時効処理され、静的軸線方向テストおよび標準的引張りテストを使用して評価された。これらの材料を示す成品の評価において、断面７．６ｃｍ（３インチ）の押出し成品は、端部を平行に鋸切断され、軸線方向に変位させられた。このテストは、一つの急激な折曲げ部を有する高さ約３．２ｃｍ（１．２５インチ）のサンプルに破壊された。破壊された成品の変形区域は視覚的検査をうけ、以前に記載された格付け方式に従って破壊格付けを指定された。ここで、格付け「１」は所望の結果であり、格付け「３」はクラックの存在を示す。表２の第２欄は、静的軸線方向破壊テストの結果を示す。表から分かるように、三つの合金はすべて、水焼入れをうけたとき、静的軸線方向破壊テストにおいて好ましい性能を示した。
【００２２】
【表２】

【００２３】
残りの表３、表４は、強制空気焼入れを使用して製造された押出し成品サンプルの解析から得られたデータを示す。これらすべての合金、６０６３合金、６０６３型合金および本発明合金は、上記のように強制空気焼入れを使用して押出し加工された。押出し成品のサンプルは、質別Ｔ_６まで時効処理され、静的軸線方向破壊テスト、縦方向引張りテストおよび、破壊靱性、耐食性および成形性の相対的レベルを示すため通常使用されるテスト方法を使用して評価される。これらの材料の相対的破壊靱性は、カーン（Ｋａｈｎ）引裂テストを使用して決定される単位伝播エネルギ値（ＵＰＥ）を比較することによって示される。これらの相対的耐食性はかさ溶液電位測定（ｂｕｌｋｓｏｌｕｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ）を使用して比較される。これらの材料の相対的成形性は、乾燥状態および潤滑状態におけるオルセン（Ｏｌｓｅｎ）ドームテストおよび案内曲げテストを使用して評価された。オルセンドームテストは、典型的には、シート状成品の相対的成形性を示すため使用される。この例において、Ｔ_６押出し成品のサンプルは乾燥状態および潤滑状態において評価され、面ひずみおよび同等の二軸成形状態を擬制する。
【００２４】
このテストにおいて、乾燥および潤滑パンチ加工が、一層よい相対的成形性を示す一層大きい値をもった評価中の材料にくびれまたは損傷を発生する、ドーム高さを決定するため使用される。案内曲げテストは最初は、シート成形作業を擬制するため指定された条件の下で成形性を評価するため、開発された。典型的には、評価されるサンプルは、引張り作業において予想される変形を擬制するため予め１０％の歪みを与えられかつ引続いて異なった半径のマンドレル上で曲げられたＴ_４シート成品を示している。この押出し成品に対するサービス適用において予想される材料変形の型が与えられると、ストリップのサンプルはＴ_６状態において評価され、予備歪みは使用されなかった。このテストの所望の結果は、クラックなしに小さいマンドレル上で曲げられる可能性であり、この評価によるデータは、典型的には、サンプルの厚さｔに対する制限半径Ｒの比として表現される。この場合、Ｒ／ｔ比が小さくなると一層よい成形性を示す。
【００２５】
表３、表４に示されたような得られたデータは、６０６３および６０６３型材料の強制空冷Ａｌ合金押出し成品は（水焼入れをうけた押出し加工物に比較して）静的破壊テストにおける性能のレベル低下を示し、一方、本発明の新規な合金は所望の性能レベルを維持し、噴水冷却成品において得られたものと同じ作動の結果を表示した。本発明のＡｌ合金は、強度に悪影響なしに、カーンテストによって測定された単位伝播エネルギ値（ＵＰＥ）によって示された改良された技術を表示した。Ａｌ合金においては典型的な、靱性が増加すると強度のコストも増加する。これらの金属における−かさ溶液電位測定は、かさ腐食性能（ｂｕｌｋｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）が匹敵するものと期待しうることを同様に示している。成形性インジケータテストの結果の比較は、テストされた本発明合金の押出し成品が、乾燥および潤滑状態におけるオルセン高さの増大、ならびに達成された案内曲げ半径の所望の増大を表示したことを示している。
【００２６】
【表３】

【００２７】
表１に記載されたいくつかの材料の評価において得られた結果の比較は、唯一つの図面に図示されている。降伏強度、破断靱性および成形性インジケータの結果は、強制空冷押出し成品サンプルにおいて収集された測定値の平均を示している。データは比較を可能にするため、６０６３成品に関連して標準化されている。通常の水焼入れ工程の排除はいくつかの明白な利点を生じた。複雑な焼入れ水の分配、供給および回収装置が廃止された。空冷焼入れ装置の導入は、水焼入れによってしばしば損われた寸法的公差に適合する能力を増大する。経費制御および経費減少における積極的衝撃は、押出し工程段階ならびに押出し成品の押出し後の処理において発生した。押出し成品の押出し後の手作業による較正が、いちじるしく減少しあるいは排除された。
【００２８】
別に記載されない限り、下記のように定義する。
ａ．「ｋｓｉ」は平方インチ当たりキロポンド（１０００ポンド）に等しい。
ｂ．組成のパーセンテージは重量％である。
ｃ．「インゴット由来」なる用語は、液体金属から公知のまたは粉末冶金技術以外のその後開発された鋳造工程によって凝固せしめられたことを意味する。この語は直接チル鋳造、電磁鋳造、噴射鋳造およびその変形を含むが、それらに限定されるものではない。
ｄ．組成元素の数値範囲または最少値もしくは最大値、または温度もしくは他の工程関連事項および他の事項について、数を丸める通常のルールから離れてまたはそれに加えて、各数をとくに指定しかつ開示することを意図することにおいて、（ｉ）範囲の記載された最少および最大範囲以内およびそれらの間、または（ｉｉ）記載された最小値においてまたはそれ以上、（ｉｉｉ）記載された最大値においてまたはそれ以下は、各分数およびコンマ以下のいずれか一方または双方を含む。（たとえば、１〜１０の範囲は、１．１，１．２，・・・・１．９，２，２．１，２．２・・・など１０まで、また５００〜１０００の範囲は５０１，５０２・・・など１０００まで、間のすべての数および分数、コンマ以下の数、そして５までは、０．０１・・・０．１・・・１などを示す。）
本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は特許請求の範囲の記載内で別途実施しうることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】表１に記載されたいくつかの材料の評価において得られた結果を比較する図面である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to improved elongated Al alloy products and parts, particularly methods for producing improved elongated Al alloy products by operations including extrusion, which are particularly useful in the manufacture of vehicle structural members.
[0002]
[Prior art]
It is known to manufacture a vehicle frame by providing a plurality of independent subassemblies consisting of several separate parts that may include a straight frame member. Each sub-assembly is manufactured by joining together a plurality of members, which may be castings, extruded products, or plate-like parts, by a node structure. The frame and subassembly are assembled by adhesive bonding, welding or mechanical fastening, or by combining these and other bonding techniques. An example of such a vehicle frame structure is described in US Pat. No. 4,618,163, entitled “Automobile Chassis”, the entire contents of which are incorporated herein by reference. Al alloy is very suitable for the frame structure of such a vehicle. This is because its density is small, and it has good strength and good corrosion resistance. In addition, Al alloys can be used to improve vehicle frame stiffness and operating characteristics. The use of an Al alloy provides environmental advantages and potential for efficiency based on a lightweight Al alloy vehicle frame, and realizes a reduction in fuel consumption due to weight reduction. Finally, the adoption of Al alloy parts in the vehicle frame provides the opportunity to eventually reuse the Al alloy parts or subassemblies when the vehicle service life is exhausted. Furthermore, it is believed that Al alloy vehicle frames have tremendous strength and fracture resistance, typically corresponding to vehicle structures with normal steel frames heavier than this.
[0003]
As noted above, important considerations for a main automotive body structure made of an Al alloy include fracture resistance associated with either or both of reducing the overall weight of the vehicle and improving vehicle performance. For automotive applications, fracture resistance reflects the vehicle's ability to support a certain amount of impact impact without the occurrence of inaccessible deformation of the passenger compartment or excessive occupant deceleration. At the time of the collision, the structure should be deformed in a defined manner, the deformation energy absorbed by the structure should be balanced with the kinetic energy of the impact, the integrity of the passenger compartment should be maintained, and The main structure must be destroyed in a manner that minimizes passenger deceleration. Various standard tests can be performed for the purpose of evaluating the physical and mechanical properties of Al alloys for use in automotive structures or other applications. For example, tensile and standard formability tests can be performed to obtain information about strength and relatively expected performance, or testing for fracture properties and under elastic or plastic stress against crack growth A tear test can be performed to determine the magnitude of resistance or toughness. These tests or other test methods are performed to test the performance of representative materials used in the manufacture of vehicle parts, subassemblies and frames. However, there are few standard tests for evaluating Al alloy parts for use in the main body structure.
[0004]
Therefore, in addition to the above test, we believe that the static axial fracture test will allow evaluation of the response of vehicle frame components to axial compression loads. Static axial fracture testing provides the rigorous conditions needed to test a part's response to compressive loads if used to evaluate part structures designed to absorb energy under compressive loads To do. During a static axial fracture test, a specific length of energy absorbing part is compression loaded onto the part at a predetermined speed and eventually deformed to a height of approximately half or less of the original free length. . The various crush modes that can be experienced under these conditions include regular folding, i.e. stable crushing, irregular folding and bending. The desired response to the evaluation of the energy absorbing component is a stable axial crush characterized by regular bending. The sample to be destroyed is tested to determine the material that corresponds to the severe deformation that occurred during this test. In general, it is preferable to show the possibility of deformation without cracks. In this case, the sample is visually examined following a static axial fracture test and a rating is selected based on the appearance of the deformed sample.
[0005]
The test results are registered on a scale from 1 to 3. “3” indicates that there is evidence of open cracks and roughening damage often seen with the naked eye in the area near the bend. A material with a rating of “3” is considered unusable. "2" indicates that the area near the bend or the displaced sidewall of the extruded material is roughened and may crack slightly, but the integrity of the sidewall is essentially maintained. . A sample with a rating of “2” is better than a rating of “3” but is not as good as a sample with a rating of “1”. A sample with a rating of “1” indicates that the fractured extrudate has no cracks or roughened areas and that the bend is substantially smooth (this is a preferred material response to a static axial fracture test). Is).
[0006]
The possibility that a structure or structural part gradually absorbs energy and deforms as desired under static loading during static and dynamic fracture tests is the structure of the part, eg shape, cross-sectional shape, large It is a function of the length, length, thickness, type of connection included in the equipment, and the properties of the material from which the part is manufactured, ie yield and ultimate tensile strength at actual load rates, modulus of elasticity, type of failure, etc. There are various Al alloys as promising candidates for manufacturing the main vehicle body structure including such energy absorbing parts. For example, 6XXX alloy can be used to manufacture extruded parts associated with reinforced Al vehicles. The 6XXX series alloys are heat-treatable Al alloys containing Mg and Si as their main alloy additives, and are a general group of Al alloys specified in accordance with the Al association system. Strengthening of the 6XXX alloy is achieved by precipitation of Mg ₂ Si or its precursor. 6XXX are widely used in any of the natural aging treated temper T ₄ or artificial aging has been temper T _6. This series of alloys also provides Cr, Mn or Cu or combinations thereof with other elements for the purpose of forming additional phases or adjusting the strengthening phase to impart improved combination properties. It is normal to include.
[0007]
6XXX alloys are commonly used in the manufacture of building shapes and are most often used in applications where these components require only minimal strength levels, so in terms of cost, 6XXX alloys are air quenched. Usually produced. Alloy 6063 is one of the most widely used 6XXX products. The alloy natural aging process material quality by _{T 4,} and as Shitsubetsu _T 5, artificial aging material _{T 6,} respectively typical yield strength 90MPa (13ksi), 145MPa (21ksi ) and 215MPa a (31ksi) Show. The industry agreements generally accepted, extrusion for the specified material Temper T ₅ and T ₆ are artificially aged while being pressed hardened in place of the strict provisions of the temper T ₆ including solution heat treatment and quenching operations It can refer to the processed product.
[0008]
Quenching from elevated temperature processing operations is often important for improving the properties and performance required for the final product. The purpose of quenching is to maintain Mg, Si and other elements in the solid solution produced by elevated temperature operations such as extrusion. In the case of extrusion, the product is often quenched as it is discharged from the extrusion press in order to avoid the additional costs associated with separate solution heat treatment and quenching operations. Water quenching can be performed to obtain a rapid cooling rate from the extrusion temperature. A rapid cooling rate best maintains the elements in the solid solution. However, water cooling requires additional equipment and results in excessive deformation and the need for post processing to correct the shape prior to use. Air cooling is typically used for press quenching 6063 products. Air cooling reduces the deformation experienced previously and improves the dimensional performance of the hollow product.
[0009]
However, 6XXX products typically exhibit some degree of quenching sensitivity, or a reduction in strength or other properties with the reduction in quenching rate experienced in air quenching. Quenching sensitivity is due to the precipitation of elements from the solid solution during slow quenching. This precipitation typically occurs at grain boundaries and other non-uniform portions in the microstructure. Precipitation during the quenching operation renders the solute unavailable to precipitate the strengthening phase during the subsequent aging operation. Slow quench typically results in a decrease in strength, toughness, formability or corrosion resistance. Slow quenching also has the potential to adversely affect the fracture characteristics of the product by promoting low energy grain boundary fracture. The quenching sensitivity associated with yield strength is usually small for a dilute alloy such as 6063.
[0010]
However, a clear quenching sensitivity is observed for toughness and toughness indicators and other properties that are strongly influenced by the fracture surface function of the material. It is gradually observed that the results obtained through the tear test and the formability evaluation are different. The dramatic effect of quench rate is also recognized in the results obtained using static axial fracture tests on conventional commercial extruded materials such as 6063. Another solution heat treatment and quenching can be performed to overcome the degradation of the desired properties, or alternatively, series pressurized fountain quenching is used to cool at a rate that minimizes precipitation during quenching. can do. However, as noted above, water quenching can cause deformations, reduce processing speed, require additional processing for dimensional correction, and limit the ability to maintain part shapes within tolerances. The tightest tolerances should be maintained during the assembly of the vehicle subassembly or frame. Quenching deformation associated with the use of water quenching operations adversely affects complex, thin-walled, hollow extrusions that can potentially be deformed, deviating from tolerances for the desired application and further strengthening labor You need to fix it.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
U.S. Pat. No. 4,525,326 describes that the quenching sensitivity to the strength of 6XXX alloys (Si, Fe, Cu, Mg) is improved by the addition of V (vanadium). In particular, the patent specification adds V: 0.05 to 0.2% and Mn at a concentration equal to 1/4 to 2/3 of the Fe concentration relative to the Al alloy for the production of extruded products. It is disclosed. Despite efforts to develop alloys that reduce quenching sensitivity to strength, there is a need for alloys that reduce quenching sensitivity to static axial fracture performance.
[0012]
Air-hardenable alloys are part of a part that is designed to absorb energy when subjected to compressive loads in the event of a collision that is compatible with the dimensional possibilities required for the assembly of automobile structures. Creates the possibility of producing thin-walled hollow extruded shapes with properties suitable for use in the final structure, including the ability to deform automatically, and the production of these parts is more cost effective Is.
Therefore, obtaining an Al alloy characterized by excellent static axial fracture performance, quenching sensitivity to static axial fracture performance and other properties required for application to automotive structures It is possible to obtain an Al alloy characterized by a decrease in the size, to expand the shape range including thin-walled hollow extruded products, and to provide dimensional possibilities for use in the manufacture of reinforced Al vehicles or similar structures. It is an object of the present invention to obtain an improved Al alloy, to obtain an improved Al alloy, and to obtain a method for producing an improved long Al alloy product.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, by weight, Mg: 0.48-0.64 %, Si: 0.4-0.51 %, V: 0.1-0.35%, Fe: 0.1-0. An alloy containing 4%, the balance being Al and inevitable impurities, extruding the member made of the alloy, and air quenching the member made of the alloy; A method for producing a long and slender Al alloy product is obtained. Note that “%” representing the content of each component in the alloy is “% by weight” in the item “b” in the column [0025] unless otherwise specified.
[0014]
Unless otherwise noted, all component percentages (%) are by weight. In addition, this Al alloy exhibits a relatively low quenching sensitivity to static axial fracture performance and produces high strength, formability and corrosion resistance. Thus, the alloy composition of the present invention is ideally adaptable to air quenching, with improved shape range and dimensional possibilities. The quenching process can include the application of forced air quenching of the extruded product in addition to the homogenization, reheating, extrusion process, natural aging process and artificial aging process.
These and other features and advantages of the present invention will be more clearly understood by considering the following detailed description of the invention based on a single drawing which is a graph illustrating the features of a forced air cooled product according to the present invention. It will be possible.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
According to the present invention, the alloy components are Mg: about 0.45-0.7% (preferably about 0.48-0.64%), Si: about 0.35-0.6% (preferably about 0 0.4 to 0.51%), V: about 0.1 to 0.35% (preferably about 0.2%), and Fe: about 0.1 to 0.4% (preferably about 0.15 to 0.3%), and the balance is substantially Al and inevitable impurities. The alloy composition of the present invention has no intentional addition of Cu, and the allowable level of impurities is consistent with the Al association composition criteria. The alloy is typically made by extrusion or semi-continuous casting into an extrusion ingot of a shape suitable for extrusion, typically a cylindrical ingot billet. The ingot can be machined or skinned to remove surface impurities, if necessary, or extruded without machining if the surface is appropriate.
[0016]
The extrusion process significantly reduces the diameter, but extends significantly in length compared to the extrusion billet. Prior to extrusion, the billet in the cast state is typically heat treated to improve processability and properties. The billet in the cast state is homogenized at a temperature exceeding the solid phase temperature of Mg ₂ Si so that the existing Mg ₂ Si particles can be dissolved, reducing chemical segregation resulting from the casting process. Following homogenization, the ingot is air cooled. Prior to extrusion, the billet is reheated to the hot processing temperature and extruded by direct or indirect extrusion techniques. In practicing the present invention, the cylinder temperature just prior to extrusion is typically 10-38 ° C (50-100 ° F) lower than the extrusion temperature, usually about 371-538 ° C (700-1000 ° F). ) (Preferably 482 ° C. (900 ° F.)) is an important choice.
[0017]
Although the extrusion circle dimensions vary, the extruded product typically has a wall thickness of 1.5 mm or more. The extruded product is typically cut off at the ends and cut to the desired length by subsequent operations. The extruded product enters the quenching zone where it is preferably quenched by performing a forced air cooling technique and the temperature of the extruded product is cooled to about 121-232 ° C (250-450 ° F). When the extruded product exits the quench zone, it is preferably about 177 ° C (350 ° F). The cooling rate, ie the temperature change as the extruded product passes through the quench zone, is ultimately a function of the shape of the extruded part, the rate at which the extruded product traverses the quench zone and the air temperature. According to experiments, the product was subjected to forced air cooling and the cooling rate was 2-3 ° C./sec (3-6 ° F./sec). The extruded part is stretched by about 1/4 to 1-1 / 2% (ie, about 0.25 to 1.5%) for straightening. Extruded products are naturally aged. Appropriate properties are achieved by 4-30 days of natural aging treatment.
[0018]
Extruded parts can be subsequently stretched or not stretched and artificially aged to improve their strength properties. This treatment is typically at about 121 or 132 ° C. (250 or 270 ° F.), typically above 149 ° C. (300 ° F.), such as about 166-232 ° C. (330-450 ° F.). Heating from 1 hour or less to about 10 or 15 hours, typically about 177 to 204 ° C. (350 to 400 ° F.) for about 2 or 3 hours. The time used varies inversely with temperature (the higher the temperature, the shorter the time, the lower the temperature, the longer the time), and this treatment improves the so-called peak or T ₆ intensity.
[0019]
【Example】
For evaluation, an extrusion process was prepared showing three combinations of Al alloy composition and heat treatment. Samples of each component were extruded using water quenching and air quenching.
Alloys referred to as “A” and “B” have a 6063 type composition without copper. Sample “A” is a treatment recommended by the Al Society for 6063-T ₆ products, ie homogenized at 579 ° C. (1075 ° F.) for 4 hours and aged at 177 ° C. (350 ° F.) for 8 hours. Use homogenized and aged. All other processing steps are the same as those used to produce other examples of materials. Sample “B” was homogenized and aged according to the process of the present invention. Finally, the alloy of the present invention is referred to as “C” and contains V: about 0.2%. Table 1 shows the registered composition range of the 6063 Al alloy.
[0020]
[Table 1]

[0021]
Table 2 is the data obtained from the analysis of the extruded product produced using water quenching. Commercial alloy 6063 (sample “A”), type 6063 alloy (sample “B”) and the alloy of the present invention (sample “C”) were used to produce extruded products using conventional water quenching processes. . Extrusion finished products are aged to temper T _6, it was evaluated using the static axial test and standard tensile tests. In the evaluation of products showing these materials, extruded products with a cross-section of 7.6 cm (3 inches) were sawed in parallel at the ends and displaced in the axial direction. The test was broken into a sample about 3.2 cm (1.25 inches) high with one sharp bend. The area of deformation of the destroyed product was visually inspected and assigned a failure rating according to the rating system described previously. Here, the rating "1" is the desired result, the rating of "3" indicates the presence of cracks. The second column of Table 2 shows the results of the static axial fracture test. As can be seen from the table, all three alloys showed favorable performance in static axial fracture tests when subjected to water quenching.
[0022]
[Table 2]

[0023]
The remaining Tables 3 and 4 show the data obtained from analysis of extruded product samples produced using forced air quenching. All alloys thereof, 6063 alloy, the 6063 type alloys and the onset Akirago gold, was extruded using a forced air quenching as described above. Samples of the extruded formed article is aged to temper T _6, the static axial destructive testing, longitudinal tensile test and, using the test methods that are commonly used to indicate fracture toughness, the relative levels of corrosion resistance and formability And evaluated. The relative fracture toughness of these materials is shown by comparing unit propagation energy values (UPE) determined using the Kahn tear test. These relative corrosion resistances are compared using bulk solution potential measurements. The relative formability of these materials was evaluated using the Olsen dome test and the guided bend test in dry and lubricated conditions. The Olsen dome test is typically used to show the relative formability of sheet products. In this example, a sample of T ₆ extrusion formed article is evaluated in a dry state and lubrication state, constructive plane strain and the same twin-screw molding conditions.
[0024]
In this test, dry and lubricated punching is used to determine the dome height that causes necking or damage to the material under evaluation with a higher value indicating better relative formability. The guided bending test was first developed to evaluate formability under specified conditions to mimic the sheet forming operation. Typically, the sample to be evaluated, shows of T ₄ sheets formed article bent over mandrels of different radii had and subsequently given the strain in advance 10% to fiction deformation expected in the tensile working ing. When the type of the material deformation expected in the service application for the extrusion-products are given, the sample strip is evaluated in T ₆ states, pre-strain was used. The desired result of this test is the possibility of bending on a small mandrel without cracks, and the data from this evaluation is typically expressed as the ratio of the limiting radius R to the sample thickness t. In this case, if the R / t ratio is small, better formability is exhibited.
[0025]
The data obtained as shown in Tables 3 and 4 show that the forced air-cooled Al alloy extrudates of type 6063 and 6063 type materials (compared to water-quenched extrudates) performance in static fracture tests. While the new alloy of the present invention maintained the desired performance level, it displayed the same operational results as obtained in the fountain cooling product. Al alloys of the present invention, without adverse effect on strength, displaying the result shown improved technique to the measured unit propagation energy value (UPE) by Kahn test. As with toughness, which is typical for Al alloys, the cost of strength increases. The -bulk solution potential measurements on these metals similarly show that the bulk corrosion performance can be expected to be comparable. A comparison of the results of the formability indicator test shows that the tested extrudates of the alloys of the present invention displayed an increase in Olsen height in dry and lubricated conditions, and a desired increase in the guide bend radius achieved. Yes.
[0026]
[Table 3]

[0027]
A comparison of the results obtained in the evaluation of several materials listed in Table 1 is illustrated in only one drawing. The yield strength, fracture toughness, and formability indicator results represent the average of the measurements collected on the forced air cooled extruded product sample. Data has been standardized in relation to 6063 products to allow comparison. The elimination of the normal water quenching process has yielded several obvious advantages. Complex quenching water distribution, supply and recovery equipment has been discontinued. The introduction of air-cooled quenching equipment increases the ability to meet dimensional tolerances often impaired by water quenching. Positive impacts in cost control and cost reduction occurred in the extrusion process steps as well as in the post-extrusion processing of the extruded product. Manual calibration after extrusion of the extruded product was significantly reduced or eliminated.
[0028]
Unless stated otherwise, it is defined as follows:
a. “Ksi” is equal to kilo pounds per square inch (1000 pounds).
b. The percentage of composition is% by weight.
c. The term “derived from ingot” means solidified from a liquid metal by a known or later developed casting process other than powder metallurgy techniques. The term includes, but is not limited to, direct chill casting, electromagnetic casting, injection casting and variations thereof.
d. Specify and disclose each number specifically, apart from or in addition to the usual rule of rounding numbers, for numerical ranges or minimum or maximum values of compositional elements, or temperature or other process-related matters and other matters (Ii) within and between the stated minimum and maximum ranges of the range, or (ii) at or above the stated minimum value, and (iii) at or below the stated maximum value. Includes one or both of each fraction and a comma or less. (For example, the range of 1 to 10 is up to 10, such as 1.1, 1.2,... 1.9, 2, 2.1, 2.2, etc., and the range of 500 to 1000 is 501. ..., 502... Etc. up to 1000, all numbers and fractions in between, numbers below commas, and up to 5 indicate 0.01... 0.1.
While preferred embodiments of the invention have been described, it should be understood that the invention may be practiced otherwise within the scope of the appended claims.
[Brief description of the drawings]
1 is a drawing comparing the results obtained in the evaluation of several materials listed in Table 1. FIG.

Claims

By weight, Mg: 0.48 to 0.64 %, Si: 0.4 to 0.51 %, V: 0.1 to 0.35%, Fe: 0.1 to 0.4%, the balance Preparing an alloy in which Al is an inevitable impurity;
Extruding the alloy member; and air quenching the alloy member;
A method for producing an improved elongated Al alloy product including the steps described above.

The method of claim 1, wherein the alloy comprises, by weight, V: 0.2%.

The alloy is Mg: 0.48-0.64% by weight, Si: 0.4-0. The method of claim 1 comprising 51 %, V: 0.2% and Fe: 0.2%.

The method of claim 1, wherein the extrusion is performed at a cylinder temperature of 371-538 ° C. (700-1000 ° F.).

The method of claim 1, wherein the extrusion is performed at a cylinder temperature of 454-510 ° C. (850-950 ° F.).

The method of claim 1, wherein the quenching reduces the temperature of the extruded product to 121-232 ° C. (250-450 ° F.).

The method of claim 1, wherein the quenching reduces the temperature of the extruded product to less than 177 ° C. (350 ° F.).

The method according to claim 1, wherein after extrusion, the extruded product is stretched.

The method of claim 8 , wherein the extruded product is straightened by elongation of 0.25 to 1.50%.

Heating the alloy;
Extruding the alloy,
Air quenching the extruded alloy;
Artificially aging the extruded alloy;
The method according to any one of claims 1 to 9 , comprising the above steps.

The method according to any one of claims 1 to 9 , wherein the extruded product is a straight frame member of a vehicle.

The method of claim 10 , wherein the extruded product is a straight frame member of a vehicle.

4. An Al alloy extruded member joined to produce a frame or subassembly, wherein at least a plurality of the Al alloy extruded members have a composition as claimed in any one of claims 1 to 3. Vehicle frame containing Al alloy.