JP3869323B2

JP3869323B2 - 延性に優れたＡｌ合金板

Info

Publication number: JP3869323B2
Application number: JP2002186325A
Authority: JP
Inventors: 克史松本; 茂信難波; 浩一槙井; 康昭杉崎
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2022-06-26
Also published as: JP2004027302A; DE10328614A1; DE10328614B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温間域での延性に優れ、あるいは更に、室温での強度／伸びバランスに優れたＡｌ−Ｚｎ系の合金板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地球環境問題を背景に、燃費向上を目的として自動車等の車体に対する軽量化の要望は益々高まってきており、自動車などのボディパネル材も鋼板などの鉄鋼材料に代わる軽量金属材としてＡｌ合金材の需要が増大している。また家電製品においても、リサイクル性の観点から従来の樹脂製品に代わる軽量金属材としてＡｌ合金材を適用する例が増大してきている。
【０００３】
こうしたＡｌ合金材のうち自動車部品では、フード、フェンダー、ドア、ルーフ、トランクなどのパネル構造体のアウターパネル（外板）やインナーパネル（内板）等のパネル材として、薄肉でかつ高強度の６０００系Ａｌ合金板の使用が検討されており、また家電製品用のパネル材としては、延性に優れた５０００系Ａｌ合金材の使用が検討されている。
【０００４】
殊に最近では、付加価値を高めるためデザイン設計の自由度増大に対する要求が高まっており、更には、部品点数の低減による低コスト化の要望等も高まってくるにつれて、部品形状の複雑化や成形部品としての大型一体化の傾向を含めて、成形加工性に対する要望は一段と厳しさを増してきている。
【０００５】
こうした要望に適合させるための手法として、高温域での超塑性加工やプレス成形などが検討されており、また成形加工性（生産性）も高め得るよう、加工温度域の低温化や高速化の要求も強くなっている。
【０００６】
ところが、自動車外板用などとして使用されている従来のＡｌ合金製パネル材は、２００〜３００℃程度の温間域でさえも１００％レベル以上の延性を有しているものはなく（ＪＩＳハンドブック参照）、また室温付近での強度／伸びバランスについても、需要者の要望を満足せしめ得るようなＡｌ合金は提供されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
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、温間温度域での延性に優れ、あるいは更に、室温での強度／伸びバランスに優れたＡｌ合金板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明のＡｌ合金板とは、Ｚｎ：１０〜３０質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ合金であって、該Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の平均粒径（円相当直径）が０．５μｍ以下で且つアスペクト比が１．５以上であり、該析出物の面積率が０．５％以上である、温間域での延性に優れたＡｌ合金である。
【０００９】
本発明にかかる上記Ａｌ合金の中でも、上記Ｚｎ析出物の面積率が５．０〜８．０％であるものは、温間域での優れた延性に加えて、室温での強度／伸びバランスに優れたものであり、本発明におけるより好ましい実施態様である。また上記Ａｌ合金には、結晶粒微細化効果を有する元素として、Ｍｎ：０．０２〜０．５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．５質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を積極的に含有させれば、延性や強度／伸びバランスを一段と高めることができ、更には、強度向上効果を有する元素として、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％および／またはＭｇ：０．１〜１．０質量％を積極的に含有させることで強度／伸びバランスを更に高めることができ、それらも本発明の好ましい態様として推奨される。
【００１０】
また、本発明の上記Ａｌ−Ｚｎ系合金においては、当該合金原料に由来してＦｅとＳｉが不可避的に混入してくるが、これらは粗大なＦｅ−Ｓｉ系晶析出物の生成源となって延性を著しく害するので、不可避不純物元素の中でも特にＦｅとＳｉは夫々０．５質量％以下に抑えることが望ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
塑性加工性の高められたＡｌ合金としては、例えば特開昭５４−７２７０５号公報に開示されている様な超塑性加工用のＡｌ−Ｚｎ系合金が知られており、この合金は、Ａｌ中にＺｎを固溶させることで変形時の動的再結晶を促進させ、超塑性現象を利用して高延性を得ている。
【００１２】
こうした公知技術に対し本発明最大の特徴は、ＺｎをＡｌ中に固溶させるのではなく、変形可能な微細なＺｎ析出物として析出させ、それにより、従来の超塑性温度域（約４００℃以上）よりも低温側での延性を飛躍的に高めると共に、室温での強度／伸びバランスを大幅に向上させたところにある。
【００１３】
まず本発明では、合金素材として、１０質量％以上、３０質量％以下のＺｎを含み、残部が不可避不純物の混入を許容する実質的にＡｌからなるＡｌ系合金が使用される。
【００１４】
即ち本発明では、Ａｌマトリックス中にＺｎ析出物を晶出せしめ、当該Ｚｎ析出物が有している変形能を活用して温間域での塑性変形能を高めるところに第一の特徴を有しており、そのためには、Ｚｎを１０質量％以上含有させる必要がある。ちなみに、Ｚｎ含量が１０質量％未満では、Ｚｎ析出物としての塑性変形能向上作用が不十分となり、温間域での延性を満足し得るレベルまで高めることができない。但し、Ｚｎ含量が多くなり過ぎると、Ａｌに比べて比重の高いＺｎ量の増大によりＡｌ合金全体としての平均比重が大きくなり、軽量化の目的にそぐわなくなるので、３０質量％以下に抑えるべきである。延性と軽量性を両立させる上でより好ましいＺｎ含量は１５質量％以上、２５質量％以下である。
【００１５】
上記温間域での塑性変形能に加えて、室温における優れた強度／伸びバランスを与えるには、Ｚｎ含量を上記範囲の中でも多めにするのがよく、好ましくは１７質量％以上、２５質量％以下、更に好ましくは２０質量％以上、２５質量％以下にするのがよい。
【００１６】
残部成分は実質的にＡｌであるが、必須成分となるＡｌやＺｎに由来して不可避的に混入してくる不純物、例えば後述するＦｅやＳｉ等については、不可避不純物量である限り許容される。不可避不純物量の具体的な基準は不純物の種類によっても異なるが、特にＦｅとＳｉついては、これらの元素が多量に混入すると、粗大なＦｅ−Ｓｉ系晶析出物［例えば、α−ＡｌＦｅＳｉ、β−ＡｌＦｅＳｉ、Ａｌ₆Ｆｅ、Ａｌ₆（Ｆｅ，Ｍｎ）、Ａｌ₁₂（Ｆｅ，Ｍｎ）₃Ｃｕ₁₂、Ａｌ₇Ｃｕ₂Ｆｅ等］を形成して破壊の起点となり、延性に顕著な悪影響を及ぼすので、特にＦｅとＳｉについては、何れも０．５質量％以下、より好ましくは０．３質量％以下に抑えるべきである。
【００１７】
ところで本発明では、追って詳述する如く、Ａｌ合金マトリックス中に極力微細なＺｎ析出物をできるだけ多量生成させることによって延性を高めるところに特徴を有しており、こうした特徴をより有効に発揮させるには、該合金中に結晶粒微細化効果を有する金属元素を適量含有させることが有効となる。その様な作用を有する金属元素としてはＭｎ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｔｉが挙げられ、これら元素の１種または２種以上を積極的に含有させると、温間域での延性を一段と高めることができるので好ましい。
【００１８】
こうした結晶粒微細化効果を有効に発揮させるための前記元素の好ましい含有量は、Ｍｎ：０．０２質量％以上、０．５質量％以下、Ｃｒ：０．０２質量％以上、０．５質量％以下、Ｚｒ：０．０１質量％以上、０．４質量％以下、Ｔｉ：０．０１質量％以上、０．３質量％以下であり、より好ましくは、Ｍｎ：０．０５質量％以上、０．３質量％以下、Ｃｒ：０．０５質量％以上、０．３質量％以下、Ｚｒ：０．０３質量％以上、０．２質量％以下、Ｔｉ：０．０２質量％以上、０．２質量％以下である。これらの元素は、単独で添加し得るほか、必要により２種以上を適宜複合添加することも有効である。
【００１９】
尚、上記各金属元素の含有率範囲を規定したのは、各々下限値を下回る場合は結晶粒微細化効果が有効に発揮されず、逆に多過ぎると、結晶粒微細化効果が飽和するばかりでなく、粗大な金属間化合物が析出して破壊の起点となり、却って延性を劣化させるからである。
【００２０】
また本発明においては、更に他の元素として、Ａｌ合金に対して強度向上効果を発揮するＣｕ及び／又はＭｇを適量含有させ、特に室温での強度／伸びバランスを一段と高めることができる。こうした強度向上効果は、Ｃｕ、Ｍｇの何れについても各々０．１質量％以上、より好ましくは０．２質量％以上含有させることによって有効に発揮される。しかし含有率が多くなり過ぎると、特にＺｎ元素との間で塑性変形を阻害する金属間化合物を形成して延性を劣化させるので、夫々１．０質量％以下、より好ましくは０．８質量％以下に抑えなければならない。
【００２１】
次に本発明では、前述した如くＺｎ等の合金元素をＡｌマトリックス中に固溶させることにより超塑性を与えるものではなく、相対的に多量のＺｎを含有させて、Ａｌマトリックス中に微細なＺｎ析出物を多量生成せしめ、該Ｚｎ析出物の有する塑性変形能を利用して温間域での延性を改善し、あるいは更に室温域での強度／伸びバランスを高めるもので、こうしたＺｎ析出物による物性改善効果を有効に発揮させるには、当該Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の平均粒径（円相当直径）とアスペクト比および面積率が極めて重要となる。
【００２２】
そして、本発明者らがそれらの具体的な値と延性や強度／伸びバランスの関係について詳細に検討を重ねた結果、Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の平均粒径（円相当直径）が０．５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下で、且つアスペクト比が１．５以上、より好ましくは２．０以上であり、更に該析出物の占める面積率が０．５％以上、より好ましくは１．５％以上という要件を満たすものは、後記実施例でも明らかにする如く、例えば２００℃の温間域で１００％以上の卓越した伸びを発揮することが確認された。
【００２３】
また、上記Ｚｎ析出物の要件を満たすものの中でも、面積率が５．０％以上、８．０％以下、より好ましくは６．０％以上、７．０％以下であるものは、温間域で卓越した伸びを示す他、室温における強度／伸びバランスにおいても非常に優れた性能を発揮することが確認された。
【００２４】
尚、上記で規定するＺｎ析出物の平均粒径、アスペクト比および面積率とは、対象となるＡｌ合金板の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率10000倍で観察し、視野数１０で画像解析を行うことによって求めた値である。
【００２５】
ちなみに図１は、後記実施例に示した合金Ｎｏ．４（本発明材）のＳＥＭ写真（10000倍）、図２は、後記実施例に示した合金Ｎｏ．１６（比較材）のＳＥＭ写真（10000倍）を示したものであり、各写真に白い粒状として観察されるのがＺｎ析出物である。そして本発明では、これらの写真から任意に４５μｍ×３０μｍの領域を１０箇所抜出して画像解析を行い、各領域に存在するＺｎ析出物の平均粒径を円相当直径に換算して算出すると共に、そのアスペクト比の平均値を算出し、更には各観察領域中に占めるＺｎ析出物の面積率を平均値として求めた。
【００２６】
そして、Ａｌ合金中に存在するＺｎ析出物の平均粒径が０．５μｍを超え、且つアスペクト比が１．５未満で、その面積率が０．５％未満であるものは、温間域での伸びが明らかに乏しく、温間加工性に欠けること、特に、Ｚｎ析出物が観察されずその面積率がゼロでものは、温間域での伸びが極端に小さいばかりでなく、室温域での強度が低くて強度／伸びバランスも劣悪になる。
【００２７】
上記の様に本発明のＡｌ合金は、従来材に比べて比較的多量のＺｎを含有せしめ、Ａｌ合金中に微細でアスペクト比の高いＺｎ析出物を適度の面積率で生成せしめたところに特徴を有しており、この様なＡｌ合金を製造するための具体的な手段は特に制限されない。しかし、こうした微細でアスペクト比の大きいＺｎ析出物を効率よく生成させるには、冷延時の歪量を高めに設定し、好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上に設定することによってＺｎ析出物を極力微細化すると共にアスペクト比を高め、また、冷延後の焼鈍工程ではＺｎの固溶を極力抑えてＺｎ析出物を残存させるため、焼鈍温度を低めに抑え、好ましくは２５０℃程度以下、より好ましくは１５０〜２００℃の範囲で焼鈍を行うことが望ましい。
【００２８】
その他の製造条件も特に制限されず、一般的なＡｌ合金板の製造法、例えば、ＤＣ鋳造や薄板連鋳によってＡｌ合金を造塊し、その後均質化処理を施してから熱間圧延を行い、必要に応じて中間焼鈍を行なってから冷間圧延を行なえばよい。
【００２９】
かくして得られる本発明のＡｌ合金板は、上記の様に例えば２００℃といった温間域で１００％以上の卓越した延性を有しており、優れた温間加工性を有する他、室温条件下における強度／伸びバランスにも優れたものであるから、これらの特徴を活かし、且つＡｌ合金材として本来備えている軽量性も活かして、例えば自動車用部品（フード、フェンダー、ドア、ルーフ、トランクなどのアウターパネルやインナーパネル等）や船舶用パネル材、家電製品の外板材などとして幅広く有効に活用できる。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。
【００３１】
実施例
下記表１に示す化学組成のＡｌ合金をＤＣ鋳造または薄板連鋳によって造塊し、得られた鋳塊に５００℃×４時間の均質化熱処理を施した後、４００℃の開始温度で種々の厚さに熱間圧延を行った。次いで、表２に示す条件で冷間圧延および焼鈍を行うことにより、厚さ１ｍｍのＡｌ合金板を得た。
【００３２】
得られたＡｌ合金板から、ＪＩＳ１３号で定める引張試験片を切り出し、インストロン社製の引張試験機「５８８０型」を用いて、室温（２５℃）及び２００℃で、１．２×１０^-4／ｓの歪速度で引張試験を行い、伸び及び耐力を測定した。また、Ｚｎ析出物の評価として、各Ａｌ合金板の縦断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により倍率10000倍で観察し、任意に選んだ１０の視野について画像解析を行うことにより、Ｚｎ析出物の平均粒子径（円相当直径に換算）、アスペクト比および面積率を、１０視野の平均値として求めた。なお、サンプルは、最終焼鈍後に縦断面を観察できるように切り出し、機械研磨した後、ＳＥＭの２次電子像観察をサンプルの１／２ｔ部で行なった。結果を表２に一括して示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
表１，２において、合金Ｎｏ．１〜１２は本発明の規定要件を全て満たす実施例であり、２００℃の温間域で１００％以上の優れた伸びを有している他、室温における耐力と伸びも良好である。特に、Ｚｎ析出物の面積率が５．０〜８．０の好適範囲に納まっている合金Ｎｏ．３，１１，１２は、他の実施例合金に較べても室温において卓越した強度／伸びバランスを有していることが分かる。
【００３６】
これらに対し合金Ｎｏ．１３〜２２は、本発明で定めるいずれかの要件を欠く比較例であり、何れも２００℃での伸びが高々８０％までの低い値しか得られておらず、且つ室温でも強度または伸び少なくとも一方が劣悪で強度／伸びバランスが悪い。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されており、特にＺｎを相対的に多量含有せしめ、且つＺｎ析出物を微細に且つ大きなアスペクト比で存在させると共に、当該析出物の面積率を規定することによって、温間で１００％を超える卓越した延性を有し優れた成形加工性を有すると共に、常温における強度／伸びバランスも良好で、優れた常温強度と加工性を兼ね備えたＡｌ合金を提供し得ることになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験で得た実施例合金のＳＥＭ写真を例示する図である。
【図２】実験で得た比較例合金のＳＥＭ写真を例示する図である。

Claims

Ｚｎ：１０〜３０質量％、Ｆｅ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）、Ｓｉ：０．５質量％以下（０質量％を含まない）を含み、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるＡｌ合金であって、該Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の平均粒径（円相当直径）が０．５μｍ以下、アスペクト比が１．５以上であり、該析出物の面積率が０．５％以上であることを特徴とする温間域での延性に優れたＡｌ合金板。
前記Ｚｎ析出物の面積率が、５．０〜８．０％であり、室温での強度／伸びバランスに優れたものである請求項１に記載のＡｌ合金板。
他の元素として、Ｍｎ：０．０２〜０．５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．５質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％よりなる群から選択される少なくとも１種の元素を含むものである請求項１または２に記載のＡｌ合金板。
更に他の元素として、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％および／またはＭｇ：０．１〜１．０質量％を含むものである請求項１〜３のいずれかに記載のＡｌ合金板。