JP4204105B2 - 軸圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出形材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軸圧壊性特性に優れるアルミニウム合金押出形材に関し、特にサイドメンバー等の自動車用構造部材として適したアルミニウム合金押出形材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護の観点から、低燃費車、電気自動車の開発に注目が集まっているが、その達成のためには車体の軽量化は必須である。一方、安全基準への対応や車体性能の向上のため車体重量は増加する傾向にある。このような状況の中、アルミニウム合金押出形材は、鉄に比べその比重が約１／３であること、優れたエネルギー吸収性を有すること、さらには断面形状の自由度が高いことから、自動車のバンパー補強材、フレーム等に採用され、自動車部材における需要が伸びている。
そのうち特にサイドメンバー等の自動車用フレームとしては、衝突時の衝撃エネルギー吸収のために、高い強度と蛇腹変形時に割れの発生しない耐圧壊割れ性、すなわち優れた軸圧壊特性が要求されている。このようなアルミニウム合金押出形材からなるエネルギー吸収部材に関し、例えば特開平７−３１０１５０号公報、特開平７−１１８７８２号公報等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム合金押出形材は強度が高くなるに従い耐圧壊割れ性が劣る傾向にあった。このため、高強度で蛇腹変形時に圧壊割れの起こらない軸圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出形材の開発が強く望まれていた。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、高強度であるとともに軸圧壊特性に優れる自動車構造部材に好適なアルミニウム合金押出形材を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、軸圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出形材を開発すべく種々実験研究を行う過程で、中空断面の押出形材から採取した引張試験片を引張試験して得た応力−歪線図（公称応力−公称歪線図）において、その線図の形態（特に最大応力点以降の線図の形態）が押出形材の軸圧壊特性と密接な関係にあることを見いだし、それをもとに本発明を得ることができた。
【０００５】
すなわち、本発明に係るアルミニウム合金押出形材は、引張試験の応力−歪線図において、最大応力点の接線、破断歪点と破断応力点を結んだ直線及び最大応力点から破断応力点までの応力−歪線図で囲まれる面積、すなわち図１に示す斜線部（Ａ）の面積が、応力−歪線図で囲まれる斜線部（Ｂ）の面積に対して０．７％以上、望ましくは１．０％以上（以下、この値をＭ値という）であることを特徴とし、この条件を満たすときアルミニウム合金押出形材は優れた軸圧壊性を示す。ここで、破断歪点とは引張試験片が破断したときの歪量を、また、破断応力点とは、応力−歪線図において引張試験片が破断したときの点を表す（いずれも図１参照）。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる軸圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出形材には、Ｍｇ０．３〜１．６重量％、Ｓｉ０．２〜１．６重量％、Ｃｕ０．２〜１．０重量％、Ｔｉ０．００５〜０．２重量％を主成分とするＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金が特に適する。この合金は、必要に応じてＣｒ０．０５〜０．５重量％、Ｍｎ０．０５〜０．８重量％、Ｚｒ０．０５〜０．３重量％から選択された１種又は２種以上の元素を含有することができ、残部は不可避不純物及びＡｌでよい。なお、不可避不純物のうち、Ｆｅは０．３５重量％以下、他は単体で０．０５重量％以下、合計で０．１５重量％以下とするのが好ましい。
このアルミニウム合金を用いた場合、５００〜５４０℃に加熱した後押出成形し、続けて１０００℃／分以上の平均冷却速度で冷却し、その後人工時効処理、望ましくは１９０℃を超える温度で３時間以上の熱処理を行う過時効処理を施し、これにより上記のＭ値を得る。構造材として十分な強度を確保する意味で、このＭ値は３０％以下とするのが好ましい。
【０００７】
次に上記アルミニウム合金の成分添加理由及び組成限定理由について説明する。
Ｍｇ
Ｍｇは、Ｓｉと結合しＭｇ_２Ｓｉを形成することにより、合金強度を向上させる。
しかし、添加量が０．３重量％に満たないと十分な強度向上効果がなく、また、析出物が不足して絞りが小さくなるため、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなり優れた軸圧壊特性が得られなくなる。
この効果を発揮するには、Ｍｇの添加量は０．３重量％以上が必要である。また、０．３重量％に満たないと、析出物が不足して絞りが小さくなるため、０．７％以上のＭ値が得るのが難しくなる。一方、Ｍｇの添加量が１．６重量％を超えると材料の押出性が劣ってしまう。また、粗大な晶出物が形成されて伸びが小さくなるため、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなる。従って、Ｍｇの含有量は０．３〜１．６重量％とし、望ましくは０．４〜０．８重量％とする。
Ｓｉ
Ｓｉは、上述したようにＭｇ_２Ｓｉを形成して合金強度を向上させる。この場合、Ｓｉの添加量が０．２重量％未満では合金強度の向上を図ることができず、また析出物が不足して絞りが小さくなるため、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなり、優れた軸圧壊特性が得られなくなる。一方、添加量が１．６重量％を超えると粗大な晶出物が形成されて伸びが小さくなるため、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなる。従って、Ｓｉの含有量は０．２〜１．６重量％とし、望ましくは０．７〜１．１重量％とする。
【０００８】
Ｃｕ
Ｃｕは析出硬化により合金強度を向上させる。しかし、Ｃｕの添加量が０．２重量％未満では前記効果を発揮することができない。また、析出物が不足して絞りが小さくなるため、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなり、優れた軸圧壊特性が得られなくなる。一方、１．０重量％を超えると耐食性を低下させる。従って、Ｃｕの含有量は０．２〜１．０重量％とし、望ましくは０．３〜０．７重量％とする。
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重量％以上とすることが必要である。また、０．００５重量％より少ないと、結晶粒が粗大化して絞りが小さくなり、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなり、優れた軸圧壊特性が得られなくなる。一方、Ｔｉ添加量が０．２重量％を超えると前記効果が飽和してしまい、また粗大な金属間化合物が晶出し所定の合金強度が得られない。また、０．７％以上のＭ値を得るのが難しくなる。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．２重量％とする。
【０００９】
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒは、ビレットの均質化処理時に微細な金属間化合物として析出して押出材の結晶粒を微細化し、強度、圧壊割れ性を向上させる。しかし、これらの元素の添加量が０．０５重量％未満では前記作用を発揮し得ない。一方、これらの元素は添加量が多くなるにつれ焼き入れ感受性を鋭くし、プレス焼き入れ（押出成形後、続けて焼入れすること）性を低下させる。そして、添加量がそれぞれ０．５、０．８、０．３重量％を超えると前記効果が飽和してしまう。従って、Ｃｒの含有量は０．０５〜０．５重量％、Ｍｎの含有量は０．０５〜０．８重量％、Ｚｒの含有量は０．０５〜０．３重量％とする。
【００１０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。本発明の特許請求範囲の規定から外れる比較例と比較して説明する。
まず、下記表１に示す組成のアルミニウム合金ビレット（直径が１５５ｍｍ）を通常の方法により溶製した。Ｎｏ．４はＪＩＳ６０６３相当のアルミニウム合金であり、Ｎｏ．５はＪＩＳ６Ｎ０１相当のアルミニウム合金、Ｎｏ．６はＮｏ．３と同じ成分のアルミニウム合金である。
【００１１】
【表１】

【００１２】
次に、これらの鋳塊に対して、約５４０℃の温度で４時間の条件で均質化処理を施した。その後、押出温度が５００℃、押出速度が５ｍ／分の条件で各ビレットを押出加工し、続いてＮｏ．１〜３、６については水冷を、Ｎｏ．４、５については強制空冷をして、断面（外形）が８０×６０ｍｍ、肉厚が５ｍｍの角パイプを製造した。この角パイプに対して、表１に示す条件で人工時効処理を施し供試材とした。
【００１３】
これらの各供試材からＪＩＳ５号試験片を採取し、この試験片を用いて引張強さσB、耐力σ0.2、破断伸び（破断歪）δをＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料引張試験法に準じて測定し、一方、応力−歪線図からＭ値を求めた。その結果を下記表２に示す。
また、各供試材（長さ３００ｍｍ）について圧壊試験を行った。図２は圧壊試験方法を示す模式図であり、圧壊試験機２により供試材１の軸方向に荷重を加えた。そして、その試験結果に基づいて変位−荷重線図を作成し、この変位−荷重線図から、変位量が１５０ｍｍまでの範囲でエネルギー吸収量を測定した。また、圧壊試験により発生した割れの状態で、割れ特性を評価した。ただし、割れが発生しなかったものを◎、極微少な割れが発生したものを○、破断したものを×と評価した。その結果を表２に併せて示す。
さらに、これらの結果からサイドメンバー等の自動車用部品の材料としての適性を評価し、その結果も表２に併せて示す。ただし、サイドメンバー等の自動車構造部材の材料として適している場合を○、適していない場合を×で示した。
【００１４】
【表２】

【００１５】
この表２から明らかなように、Ｍ値が０．７％以上であるＮｏ．１〜３はいずれも軸圧壊特性（エネルギー吸収性及び割れ特性）が良好であり、特にＭ値が１％以上の場合（Ｎｏ．２、３）は割れも発生せず極めて優れている。一方、Ｍ値が０．７％未満であるＮｏ．４〜６はいずれも軸圧壊特性が満足できるものではなかった。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｍ値が０．７％以上、好ましくは１．０％以上となるようにしたことにより、優れた軸圧壊特性を有し、例えばサイドメンバー等の自動車構造部材の材料として好適なアルミニウム合金押出形材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 応力−歪線図においてＭ値を説明する図である
【図２】 圧壊試験方法を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 供試材
２ 圧壊試験機

Claims (1)

1. Ｍｇ０．３〜１．６重量％、Ｓｉ０．２〜１．６重量％、Ｃｕ０．２〜１．０重量％、Ｔｉ０．００５〜０．２重量％を含有し、さらにＣｒ：０．０５〜０．５重量％、Ｍｎ：０．０５〜０．８重量％、Ｚｒ：０．０５〜０．３重量％から選択された１種又は２種以上の元素を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材において、引張試験の応力−歪線図で囲まれる面積に対して、最大応力点の接線、破断歪点と破断応力点を結んだ直線及び最大応力点から破断応力点までの応力−歪線図で囲まれる面積が１．４０％以上であることを特徴とする軸圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出形材。

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