JP4116956B2 - 曲げ加工性に優れたＡｌ合金板 - Google Patents

Description

本発明は、曲げ加工性に優れると共に、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。

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Ａｌ合金材は、自動車に限らず、屋根材、インテリア、カーテンウオールなどの建材、器物、電化製品、光学機器、鉄道車両や航空機などの輸送機器の他、一般機械部品などの素材として広範囲の分野で適用されている。

上記各種用途に適用されるＡｌ合金材では、曲げ加工性が優れていることが要求されることになる。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（デザイン）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、曲げ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。

Ａｌ合金板の曲げ加工性を改善するために、これまでにも様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１には、結晶粒径や析出物を制御することによって曲げ加工性を改善する技術が提案されている。また特許文献２には、結晶粒のアスペクト比を制御することによって曲げ加工性を改善することも行われている。更には、粒界析出物を規制したり、Ａｌ合金板の耐力を低減することのよって曲げ加工性を改善することも行われている（例えば、特許文献３、４など）。

しかしながら、これまで提案されてきた技術では、近年の厳しい要求特性に対応しきれていないのが実状である。また、これまで提案されてきた技術では、曲げ加工性を改善することが他の要求特性（例えば室温における強度や伸び）を低下させることになる。こうしたことから、強度や伸びなどの基本的な特性を低減させることまく、曲げ加工性に優れたＡｌ合金板が要求されている。
特開平５−３２０８０９号公報 （特許請求の範囲など） 特開平４−２１０４５４号公報 （特許請求の範囲など） 特開平９−３１６１６号公報 （特許請求の範囲など） 特開平１０−８１７６号公報 （特許請求の範囲など）

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、曲げ加工性に優れると共に、室温での強度／伸びバランスにも優れたＡｌ合金板を提供することにある。

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：１０〜４０質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避不純物であるＡｌ合金板であり、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で画像解析を行った場合に、該Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の体積率が５％以上であり、該析出物のうち粒径が１．０μｍ以下のものの密度が０．１５個／μｍ²以上である点に要旨を有するものである。

本発明のＡｌ合金板においては、前記Ｚｎ析出物の体積率が８．０％以上であり、該析出物のうち粒径が０．６μｍ以下のものの密度が０．１個／μｍ²以上であるものは、更に優れた曲げ加工性を発揮すると共に、室温での強度／伸びバランスにも優れたものとなる。

また本発明のＡｌ合金板には、他の元素として、（ａ）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、（ｂ）Ｃｕ：０．１〜１．０質量％および／またはＭｇ：０．１〜１．０質量％などを含むことも有効であり、含有させる成分の種類に応じてＡｌ合金板の特性が更に改善される。

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曲げ加工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。

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ると共に、微細なＺｎ析出物の体積率および密度を規定することによって、優れた曲げ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なＡｌ合金を提供し得ることになった。

本発明者らは、アルミ合金板の曲げ加工性の改善を図るべく、様々な角度から検討した。その結果、変形可能な微細なＺｎ析出物を多量に析出させれば、局部伸びの増大が図れ、これによって曲げ加工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得ることを見出したのである。

本発明のＡｌ合金板は、合金素材として、１０〜４０質量％のＺｎを含むものである。即ち、本発明のＡｌ合金板では、Ａｌマトリックス中に変形可能な軟質粒子であるＺｎ析出物を粒子分布制御して分散させることによって変形中の歪の集中を抑制し、局部伸びを向上させたものである。そのためには、Ｚｎを１０質量％以上含有させる必要がある。但し、Ｚｎ含有量が多くなり過ぎると、曲げ加工性は良好になるものの、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ばかりか、鋳造が難しくなるので、４０質量％以下に抑えるべきである。Ｚｎ含有量の好ましい下限は、１５質量％であり、より好ましくは２０質量％である。

本発明では、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曲げ加工性を高めるところにその特徴を有しており、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、曲げ加工性を一段と高めることができるので好ましい。

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：０．０２〜０．５質量％、Ｃｒ：０．０２〜０．５質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．４質量％、Ｔｉ：０．０１〜０．３質量％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。

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。

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および／または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。しかし含有量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。

本発明のＡｌ合金板における基本的な成分は上記の通りであり、残部は実質的に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。

本発明では、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曲げ加工性を改善し、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析出物の体積率、および所定の粒径（円相当直径）の析出物の密度も重要な要件となる。

そして、本発明者らがそれらの具体的な値と曲げ加工性や強度／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析出物の体積率が５％以上であり、粒径（円相当直径）が１．０μｍ以下のＺｎ析出物の密度が０．１５個／μｍ²以上という要件を満足するものは、後記実施例でも明らかにする如く、優れた曲げ加工性を発揮すると共に、強度／伸びバランスも優れていることが確認された。

Ｚｎ析出物の体積率若しくは密度が上記の規定範囲に満たない場合には、曲げ加工性が劣化することになるが、体積率は好ましくは１０．０％以上、より好ましくは１４．０％以上であるものは、卓越した曲げ加工性を示す他、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。尚、上記体積率の上限については限定するものではないが、軽量化効果という観点からすれば、４０％以下であることが好ましい。

一方、粒径（円相当直径）が１．０μｍ以下のＺｎ析出物の密度が０．１５個／μｍ²以上という要件を満足することによって、上記体積率と相俟って良好な曲げ加工性を示すものとなる。また、本発明では粒径が１．０μｍ以下の微細なＺｎ析出物を対象とするものであるが、粒径がこれよりも大きいものでは、微細析出物分散による曲げ加工性改善効果が有効に発揮されない。微細析出物の分散による効果をより有効に発揮させると観点からすれば、粒径が０．６μｍ以下のものの密度が０．１個／μｍ²以上という要件を満足させることが好ましい。

尚、上記で規定するＺｎ析出物の体積率、粒径および密度は、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。

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合金中に微細なＺｎ析出物を適度の体積率および密度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が、こうした微細なＺｎ析出物を効率よく生成させるには下記の方法によることが好ましい。

まず第１の方法としては、温間圧延により析出物を微細に析出させる方法が挙げられる。この温間圧延に際しては、１００〜２７５℃程度の温度範囲で圧延を行うことが好ましい。このときの温間圧延温度が高過ぎると再固溶して析出量が低下すると共に、結晶粒が粗大化して曲げ加工性が劣化することになる。また、温間加工温度が低過ぎると、析出が十分に起こらず析出量が低下して曲げ加工性が劣化する。温間圧延率が高いほど析出物が微細に析出する。温間圧延後に、再固溶を促進させない範囲（２７５℃程度以下）での歪取り焼鈍を施しても良い。

第２の方法としては、最終焼鈍でＺｎ粒子を再固溶させた後析出焼鈍を行って微細析出させる方法が挙げられる。この方法では、冷間圧延後の最終焼鈍を２段階で行うものであり、１回目の焼鈍でＺｎを完全固溶させ、２回目の焼鈍で微細析出を促進するものであるが、１回目の再結晶焼鈍温度が低いと（２７５℃程度以下）十分再固溶せず、融点直下まで温度を上げると結晶結晶粗大化や部分溶融して欠陥が形成され、曲げ加工性が劣化する。一方、２回目の焼鈍温度が高過ぎると（２７５℃程度以上）再固溶して析出量が低下し、粗大化することになる。また十分に析出することを狙うために、２回目の析出焼鈍時間は４時間以上とすることが好ましく、これより時間が短いと析出量が低下して曲げ加工性が劣化することになる。

その他の製造条件は特に制限されず、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上記温間圧延若しくは冷間圧延を行なえばよい。

かくして得られる本発明のＡｌ合金板は、優れた曲げ加工性を有する他、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。

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。

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、３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。

得られたＡｌ合金板から、ＪＩＳ １３号で定める引張試験片を切り出し、室温（２５℃）で、１．２×１０^-1／ｓの歪速度で引張試験を行い、伸びおよび耐力を測定した。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）、体積率および密度を、１０視野の平均値として求めた。尚、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部で行った。

曲げ加工試験としては、長さ：１８０ｍｍ、幅：３０ｍｍの曲げ加工試験片を採取し、曲げ加工性評価性評価を行った。このときの加工条件として、１０％の予歪を加えた後、１８０°曲げ試験（内側曲げる半径Ｒ＝０．２５ｍｍ）を行った。また曲げ加工性は、曲げの縁曲部の割れの発生程度を目視で観察し、下記の基準で評価した。

（曲げ加工性の評価基準）
１：肌荒れ、微小な割れがない
２：肌荒れが発生しているものの、微小なものを含めた割れはない
３：微小な割れが発生している
４：大きな割れが発生している
５：大きな割れが複数或は多数発生している
尚、上記基準における判断としては、ヘム加工性が良好と判断されるのは１〜２までであり、３以上ではヘム加工性が劣ると判断できる。また、曲げ加工性の評価として、１と２の間のものは１．５として評価を行った。これらの結果を、下記表４、５に示す。

表４，５において、実験Ｎｏ．１〜８（表４）およびＮｏ．１４〜２１（表５）のものは、本発明で規定する要件を全て満たす実施例であり、優れた曲げ加工性を有している他、室温における耐力と伸びも良好である。特に、Ｚｎ析出物の体積率が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。

これらに対し実験Ｎｏ．９〜１３およびＮｏ．２２〜２８のものは、本発明で定めるいずれかの要件を欠く比較例であり、何れも曲げ加工性が劣化しており、且つ室温での強度または伸び少なくとも一方が劣悪で強度／伸びバランスが悪くなっている。

Claims (5)

1. Ｚｎ：１０〜４０質量％を含み、残部がＡｌおよび不可避不純物であるＡｌ合金板であり、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で画像解析を行った場合に、Ａｌ合金中に含まれるＺｎ析出物の体積率が５％以上であり、該析出物のうち粒径が１．０μｍ以下のものの密度が０．１５個／μｍ²以上であることを特徴とする曲げ加工性に優れたＡｌ合金板。
2. 前記Ｚｎ析出物の体積率が８．０％以上であり、該析出物のうち粒径が０．６μｍ以下のものの密度が０．１個／μｍ²以上である請求項１に記載Ａｌ合金板。
3. 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。
4. 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。
5. Ｆｅ：０．５質量％以下、Ｓｉ：０．５質量％以下に抑えられたものである請求項１〜４のいずれかに記載のＡｌ合金板。