JP3850348B2

JP3850348B2 - バルジ成形用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材

Info

Publication number: JP3850348B2
Application number: JP2002212159A
Authority: JP
Inventors: 仁川井; 貴志岡
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2022-07-22
Also published as: JP2003105474A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレームあるいは接合部等の成形に好適なバルジ成形性が優れたアルミニウム合金中空押出材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の温暖化及びオゾン層の破壊など環境問題の観点から、大気中の炭酸ガス等の増加を抑制するために、自動車の軽量化及び電気自動車の導入などが本格的に検討されている。
この軽量化の一貫として、素材の置換、すなわち従来自動車用構造材に主として使用されてきた鋼板の代わりにアルミニウム合金材の使用が増加している。また、電気自動車においても電池を積載するための重量増加を補償するために車体を軽量化する必要が強く求められている。さらに、長手方向に一定ではあるが自由な断面形状が得られる押出材は設計の自由度を広げ、最終形状に近い断面形状を得ることで成形性を向上できるなど、アルミニウム合金材の使用が注目され、例えば特開２０００−１７７６２１号公報には、サスペンションサブフレームの製造にアルミニウム合金押出材を用いることが記載されている。
【０００３】
一方、車体組立時にフレーム同士を接合する際に用いる継手部材や、サスペンションサブフレーム等、複雑形状の部品の成形方法として、バルジ成形が着目され、例えば、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金溶接管をバルジ成形したものをサスペンションサブフレームとして用いることが公知である。そのほか、特開平５−２１２４６４号公報には、５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）アルミニウム合金板を液圧成形することが記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金の場合、これまで成形加工性の面で一般に有利とされる焼きなまし材（Ｏ材）が、バルジ加工用素材として用いられてきた。しかし、バルジ成形の張出高さが高くなると張出部の頂部に亀裂が入り、大きく張出成形をすることができなかった。
本発明は、Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金のバルジ成形に関して、このような問題点に鑑みてなされたもので、バルジ成形性（特に張出高さ）に優れ、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレーム及び接合部材等の成形に好適なＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材を提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、バルジ成形性に優れるＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材を開発すべく種々実験研究を行う過程で、押出材を抽伸後焼きなました従来のＯ材は、表層部はほぼ完全に等軸晶化されているが、その中心部では冷間加工（抽伸）の際に導入された転位は消滅しているものの、一部に等軸晶ではなく押出方向に延伸した組織（押し出し時又は抽伸時に導入された組織）が残留し、これがバルジ成形性を阻害していることを見いだし、その知見をもとに本発明を得ることができた。
【０００６】
すなわち、本発明に係るバルジ成形用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材は、Ｍｇ：１．５〜５．０％及びＴｉ：０．００５〜０．２％を含有するＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材からなり、板厚中心部における結晶粒の長軸と短軸の平均軸比が４．５以下であることを特徴とする。なお、本発明においてバルジ成形とは、流体圧を利用して部材の一部を膨出させること（ハイドロフォームと呼ばれることもある）、及び部材の外側を負圧にすることにより部材の一部を膨出させることを意味する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
前記組成のＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材において、板厚中心部における結晶粒の長軸と短軸の平均軸比（アスペクト比）を４．５以下というのは、これにより優れたバルジ成形性が得られるからである。なお、アスペクト比が４．５以下というのは、板厚中心部の結晶粒が等軸晶又は等軸晶に近い形態であることを意味する。押出材の板厚中心部でアスペクト比が４．５以下であれば、それより表層部でも同じく４．５以下が得られている。このアスペクト比は３以下であることがより好ましい。
また、バルジ成形後の表面部の肌荒れを抑えるためには、少なくとも表面部（外表面から５００μｍまでの部分）の再結晶粒の平均粒径が５００μｍ以下であることが望ましい。３００μｍ以下、さらに１００μｍ以下がより望ましい。
【０００８】
上記Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｍｇ、Ｔｉ以外の添加元素としてＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒ及びＶの１種又は２種以上を含み、さらに不可避不純物としてＦｅ、その他の元素を含むことができる。ただし、これらの添加元素等の含有量の合計は、ＪＩＳ５０００系アルミニウム合金のレベルである６％未満（Ａｌ：９４％以上）とするのが望ましい。
以下、本発明に係るアルミニウム合金中空押出材における各成分の添加理由について説明する。
Ｍｇ
Ｍｇはアルミニウムのマトリックス中に固溶し、合金強度を向上させる。自動車のフレーム又は継手部材等の構造部材として必要な強度（耐力値σ0.2≧５０ＭＰａ）を得るためには、Ｍｇは１．５％以上の添加が必要である。しかし、５．０％を越えて添加されると耐応力腐食割れ性が低下し、かつ固溶量が過剰となって伸びδが低下し、優れたバルジ成形性が得られない。従って、Ｍｇ含有量は１．５〜５．０％とする。より望ましい範囲は２．０〜４．０％である。
【０００９】
Ｔｉ
Ｔｉは鋳造時における結晶粒を微細化することにより合金強度を向上させる。この効果を発揮させるには、Ｔｉ添加量は０．００５％以上とすることが必要である。また、０．００５％より少ないと、結晶粒が粗大化して伸びが低下し、優れたバルジ成形性が得られない。一方、Ｔｉ添加量が０．２％を超えると前記効果が飽和し、さらに、粗大な金属間化合物が晶出して所定の合金強度及び伸びが得られなくなる。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．２％とし、より望ましくは０．０１〜０．１％、さらに望ましくは０．０１〜０．０５％とする。
【００１０】
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｖ
これらの元素は製造工程における組織制御、すなわち金属間化合物として晶出及び析出して結晶粒の粗大化を防止し耐応力腐食割れ性を改善するために、必要に応じて１種又は２種以上が添加される。それぞれ、０．０５％、０．０５％、０．０５％、０．０１％以下ではその効果がなく、１．０％、０．３％、０．２％、０．２％を超えると前記効果が飽和するとともに、粗大な金属間化合物が析出して伸びが低下し、バルジ成形性を劣化させる。
なお、これらの元素が金属間化合物として晶出及び析出すると再結晶が抑制され、押出材に押し出し方向に延伸した組織（繊維状組織）が残留しやすくなるため、アスペクト比が４．５以下の組織を得るという観点からは、これらの元素の添加量は少ない方がよい。上記範囲を越えて添加された場合、後述する製造条件等を工夫しても、延伸した組織が解消できないか他の弊害（再結晶粒の粗大化）が出てくる。
【００１１】
不可避不純物
不可避不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く含まれる不純物であり、０．７％を超えて合金中に存在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．７％以下、望ましくは０．５％以下に規制する。また、アルミニウム合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金、化合物等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外の不純物のうちＳｉは０．５％以下、望ましくは０．４％以下、Ｃｕは０．３％以下、望ましくは０．２％以下、Ｚｎは０．３％以下、望ましくは０．２％以下、その他の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は上記の数値以下とする。なお、不純物のうちＢについてはＴｉの添加に伴い合金中にＴｉ含有量の１／５程度の量で混入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望ましい。
【００１２】
押出材の板厚中心部の組織をアスペクト比４．５以下とするには、組成面では、Ｍｎ等の遷移元素の添加量を抑えるのが有効である。また、製造条件面では、押出材が再結晶を起こしやすい条件を設定する。例えば、ビレットの均質化処理条件を高温長時間側とし、又は／及び押出温度を高め、これらの元素の金属間化合物粒を成長させピン止め作用を低下させると、再結晶が起こりやすくなる。また、押出比や押出速度を上げて押出中の押出材が高温になるようにしても、再結晶が起こりやすくなる。さらに、Ｏ材であれば、押し出したままの押出材を抽伸したのち、板厚中心部まで完全に再結晶が起こるように、高温長時間の焼きなましを行うことも考えられる。
一方、バルジ成形性だけを考慮するのであれば、アスペクト比をコントロールすることで足りるが、バルジ成形後の表面部の肌荒れを考慮すると、同時に表面部の再結晶粒の粗大化を防止する必要がある。そのためには、遷移元素の添加量が繊維状組織が形成されない程度に少ない場合、押出温度及び押出速度を余り高くしないで結晶粒の粗大化を抑え、遷移元素の添加量がそれより多い場合、均質化処理条件を高温長時間側とし、押出温度及び押出速度を比較的高くして、再結晶を促進させるようにする。
このように、アスペクト比が４．５以下となるように、かつ再結晶粒が余りに粗大化しないようにするには、組成面と製造条件面のバランスを取る必要がある。
【００１３】
本発明に係るＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材は、種々の押出方式で製造することができるが、直接押出より間接押出の方が、押出材表面に粗大な再結晶粒が形成されるのを防止する意味で望ましく、また、ポートホール方式よりマンドレル方式の方が、断面における組織の均一性を確保する（溶着部がない）意味で望ましい。
本発明に係るＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材は、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレームあるいは接合部等の成形に好適であり、特に自動車のサスペンションサブフレームの成形に好適に利用できる。なお、本発明でいうサスペンションサブフレームは、単にサブフレームとか、サスペンションフレーム、サスペンションメンバー、エンジンマウント、エンジンクレイドルなどと呼ばれるものである。
なお、本発明に係る押出材は、端部のフランジ曲げなどの口広げ加工性、ヘミング加工性も良好である。
【００１４】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
先ず、下記表１に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を通常の方法により溶製し、Ｎｏ．１〜４、８〜１０の鋳塊に対しては、５２０℃×４ｈｒの均質化処理を施し、押出温度が５２０℃、押出速度が５ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、Ｎｏ．５の鋳塊に対しては、５７０℃×４ｈｒの均質化処理を施し、押出温度が５２０℃、押出速度が１０ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、Ｎｏ．６の鋳塊に対しては、５７０℃×４ｈｒの均質化処理を施し、押出温度が５２０℃、押出速度が５ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、Ｎｏ．７の鋳塊に対しては、４５０℃×８ｈｒの均質化処理を施し、押出温度が４７０℃、押出速度が３ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、いずれも押出直後に材料をファン空冷（冷却速度約１００℃／ｍｉｎ）で冷却し、外径が３８．５ｍｍ、肉厚が１．５ｍｍの丸パイプを得た。Ｎｏ．７についてはさらに５５０℃×４ｈｒの再加熱を施した後、放冷した。
これを供試材（Ｎｏ．１〜１０）とし、下記要領にて、板厚中心部における結晶粒の長軸と短軸の平均軸比（アスペクト比）と、表面部の再結晶粒の平均粒径を測定し、引張特性及びバルジ成形性の試験を行った。また、バルジ成形後の表面の肌荒れを目視で確認した。その結果を同じく表１に示す。
【００１５】
【表１】

【００１６】
アスペクト比；各供試材から試験片を採取し、板面に垂直かつ押出方向に平行な断面を観察し、その板厚中心部に位置する結晶粒１０個について長軸と短軸の長さの比を求め、その平均値をアスペクト比とした。
表面部の平均粒径；板面に垂直かつ押出方向に平行な断面において、押出材の外表面から５００μｍまでの部分に位置する再結晶粒１０個について押出方向に平行方向の長さと垂直方向の長さを求め、それらを平均して再結晶粒の粒径とした。
引張試験；各供試材からＪＩＳ１２Ａ号試験片を作成し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張試験を実施し、引張強さσB、耐力σ0.2及び伸びを求めた。
【００１７】
バルジ成形試験；各供試材を長さ１７７ｍｍに切断し、バルジ成形試験を行った。図１はバルジ成形試験方法を示す模式図であり、下型１に各供試材（パイプ）５をセットし、マンドレル２、３をパイプの端面に挿入した後上型４を締め、マンドレル２、３内部の穴２ａ、３ａに水６を通しパイプ内部に圧力をかけると同時に、マンドレル２、３を移動させてパイプを長手方向に圧縮することでＴ型の成形を行った。なお、内圧（水の圧力）：２５．５ＭＰａ、マンドレル圧縮量：８５ｍｍ（片側４２．５ｍｍ）、張出高さ（図２参照）：８５ｍｍに設定した。バルジ成形性は張出頭頂部の表面に生ずる割れ（亀裂）の有無と張出部の局部的に肉厚が薄くなるネッキングの有無を観察し、割れなしでネッキングも起きていないものを○、割れなしだがネッキングが起きたものを△、割れありを×と評価した。
肌荒れの評価；バルジ成形後の表面を目視し、肌荒れのないものを◎とし、肌荒れが大きいものを×とし、その中間を○、△として全４段階で評価した。
【００１８】
表１に示されるように、Ｎｏ．１と成分組成及びアスペクト比が本発明の規定を満たすＮｏ．２〜７はいずれもバルジ成形性が良好であり、耐力σ0.2も構造部材としての必要強度を満たす。特にアスペクト比の小さいＮｏ．１〜５はバルジ成形性が優れている。
肌荒れの評価を見ると、表面部の平均結晶粒径が小さいＮｏ．１〜４は肌荒れがなく、Ｎｏ．５〜７は平均結晶粒径が大きくなるにつれ、しだいに肌荒れが大きくなっている。なお、Ｎｏ．７は押出直後は断面全体が微細なファイバー組織（押出方向に延伸した組織）であり、これを再加熱して再結晶させたため、表面部の結晶粒が粗大化した。
【００１９】
一方、Ｍｇ量の多いＮｏ．８はバルジ成形性に劣り、Ｍｇ量の少ないＮｏ．９は耐力が不足し、アスペクト比が大きいＮｏ．１０はバルジ成形性が劣る。
肌荒れの評価を見ると、表面部の結晶粒径が小さいＮｏ．８〜９は肌荒れがなく、結晶粒径が大きいＮｏ．１０は肌荒れが大きい。なお、Ｎｏ．１０は表層部のみ粗大再結晶粒が成長したもので、遷移元素の添加量が過剰なときこのような組織になる傾向がある。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、所定組成のＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材において、板厚中心部における結晶粒の長軸と短軸の平均軸比（アスペクト比）を４．５以下とすることにより、優れたバルジ成形性が得られる。また、表層部の再結晶粒の平均粒径を５００μｍ以下とすることにより、バルジ成形後の肌荒れを抑えることができる。このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金中空押出材は、自動車や鉄道車両、船舶又は建築部材のフレーム及び接合部材等のバルジ成形用材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のバルジ成形試験方法を説明する模式図である。
【図２】実施例のバルジ成形試験による張出高さの説明図である。
【符号の説明】
１下型
２、３マンドレル
４上型
５供試材（パイプ）

Claims

Ｍｇ：１．５〜５．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含有し、さらにＭｎ：０．０５〜１．０％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％、Ｖ：０．０１〜０．２％のうち１種以上を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなるＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材からなり、板厚中心部における結晶粒の長軸と短軸の平均軸比が４．５以下であることを特徴とするバルジ成形用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材。
外表面から５００μｍまでの再結晶粒の平均結晶粒径が５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載されたバルジ成形用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材。
請求項１又は２に記載されたバルジ成形用Ａｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金中空押出材を用いたサスペンションサブフレーム。