JP4726524B2 - アルミニウム合金管およびそれを用いたアルミニウム合金製自動車用構造部材 - Google Patents
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Description
そこでアルミニウム合金管のCr、Si、Fe量を規制することで熱間加工の際の結晶粒の粗大化を防止でき、また熱間加工の際に発生するキャビティの量を少なくすることができることを見出し、本発明をなすに至った。
(1) Mg(マグネシウム)を2.5質量%以上2.8質量%以下、Si(ケイ素)を0.25質量%以下、Fe(鉄)を0.35質量%以下、Cr(クロム)を0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAl(アルミニウム)よりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が2.3%以下であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(2) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が1.0%以下であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(3) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が2.3%以下を示し、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の83%以上であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(4) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が1.0%以下を示し、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の90%以上であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(5) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が2.3%以下を示し、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の83%以上であり、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の結晶粒径が300μm以下であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(6) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管であって、熱間加工後のキャビティの面積率が1.0%以下を示し、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の90%以上であり、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の結晶粒径が300μm以下であることを特徴とする熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管。
(7) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管を熱間加工したAl−Mg系アルミニウム合金管であって、引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであることを特徴とするAl−Mg系アルミニウム合金管。
(8) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管の熱間加工後のキャビティの面積率が2.3%以下を示し、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の結晶粒径が300μm以下で、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の83%以上であり、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであるAl−Mg系アルミニウム合金管を熱間加工したことを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
(9) Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管の熱間加工後のキャビティの面積率が1.0%以下を示し、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の結晶粒径が300μm以下で、熱間にて拡管加工したときの最小肉厚が平均肉厚の90%以上であり、且つアルミニウム合金管の熱間加工後の引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであるAl−Mg系アルミニウム合金管を熱間加工したことを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
(10) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管を熱間加工して用いた自動車用構造部材であって、熱間加工後の引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであり、引張強さ及び耐力のばらつきが10MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
(11) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管を押出後熱間加工して用いた自動車用構造部材であって、熱間加工後の1×107回での疲労強度が70MPa以上であり、1×107回での疲労強度のばらつきが20MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
(12) (1)〜(6)のいずれか1項に記載の熱間加工用Al−Mg系アルミニウム合金管を熱間加工して用いた自動車用構造部材であって、熱間加工後の引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであり、引張強さ及び耐力のばらつきが10MPa以下であり、熱間加工後の1×107回での疲労強度が70MPa以上であり、1×107回での疲労強度のばらつきが20MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
(13) (10)〜(12)のいずれか1項に記載のアルミニウム合金製自動二輪車及び自動四輪車用構造部材。
本発明においてAl合金組成には、Ti及びBから選ばれる少なくとも1種を微量添加するのが好ましい。
Tiは鋳造組織を微細化する効果があり、鋳塊割れの防止、熱間加工性の向上、製品の機械的性質の均一化など種々の利点があるため、工業的なビレットの鋳造に際し一般的に添加される元素であるが、0.001質量%未満では微細化の効果が不十分であり、0.2質量%を超えると粗大金属間化合物が晶出して材料の靭性や疲労特性が大きく低下するため、添加量を0.001質量%以上0.2質量%以下に制限することが好ましい。なお、Bは単独で添加してもよいがTiと同時に添加すると鋳造組織の微細化効果をより強めるのでこのような添加がより好ましい。その含有量は0.02質量%以下が好ましい。
冷間加工の加工率が少ないとその後熱間加工において結晶粒が粗大化するために、冷間加工の加工度は、少なくとも、20%以上とする。
本発明においてアルミニウム合金管の熱間加工としては、金型を好ましくは380〜550℃、より好ましくは420〜530℃に加熱し、通常の拡管加工法により行うことができる。熱間加工後の特性を規定する場合は、例えば、後述の実施例に示した方法などが挙げられる。
この拡管加工法によれば、空気圧入により、丸管、断面が四角形、台形などの角管、またはこれらを部分的に組み合わせたような複雑な形状にアルミニウム合金管を成形することが可能であり、様々な立体パターン形状の合金管とすることができる。したがって、自動車用構造部材だけでなく、その用途は構造部材に限定されることなく、このような加工を必要とするその他の二輪用及び四輪用部材などにも適用が可能である。
したがってキャビティの量を低く抑えることが好ましい。本発明の合金管においては、前述のとおりCr、Fe、Siなどの含有量を規定することによりキャビティ面積率を2.3%以下(好ましくは1.0%以下)に抑えている。その結果、肉厚のばらつきを小さくし、最小肉厚を平均肉厚の83%以上(好ましくは90%以上)とすることができる。さらには、材料強度や疲労強度のばらつきも抑え、好適な熱間加工用アルミニウムAl−Mg合金管、アルミニウム合金製自動車用構造部材などとすることが可能となる。
<アルミニウム押出管の製造および試験>
(製造例)
表1に示す組成の合金を、直径260mmのビレットに溶解鋳造し、530℃にて4時間の均質化処理を行った。このビレットを480℃に加熱し、押出速度5m/分にて押出し、外径95mm、肉厚3.5mmの丸管形状にした。この丸管(外径95mm、肉厚3.5mm)を300mm長さに切断したものを温度500℃に加熱し、500℃に加熱した図1(a)、(b)に示す金型に挿入した。図1の(a)は金型1の正面図であり、パイプ挿入部2が設けられている。図1の(b)は金型の断面図である。
次に図1の金型に合金管(丸管)を挿入して図2の説明図(a)、(b)、(c)、(d)に示す工程で拡管加工した。まず(a)のようにして、合金A〜D、K、またはLからなるパイプ3を挿入したのち、(b)のように金型1で挟持した。この両端部をシール型4でシールした後、空気導入穴5より管内に1.5MPaの空気圧を加えることにより、(c)に示すようにパイプ3を熱間にて拡管加工して、合金管(丸管)6を成形した(実施例)。一方、合金E〜J、M、またはNにより比較のための合金管を成形した(比較例)。
拡管加工した円筒部より各種試験片を採取するが、各種試験片採取位置の加工歪み量は約27%である。このように熱間にて拡管加工すると高温での一軸引張加工等に比べてキャビティが多く発生し、キャビティの影響をより明確にできる。なお、例示した熱間加工後の合金管の各外径の寸法は図3(a)、(b)(図3(a)は正面図、図3(b)は断面図である。)に示す通りであり、加工に要する時間は約5秒であった。
熱間加工して得た合金管6の図4で示す位置6aより押出管又は引抜管の押出もしくは引抜方向に対して垂直面から、ミクロ組織観察用試験片(20mm×20mm)を切出し研磨後、光学顕微鏡にて倍率100倍で5視野を撮影した写真を画像解析し、キャビティの面積率を測定し、その平均値を表2にキャビティ面積率(%)として示した。
キャビティの面積率については、その面積率が2.3%を超えると、局部的な肉厚減少が生じ、肉厚ばらつきが大きくなる。
熱間加工後の材料の図4で示す位置6aよりミクロ組織観察用試験片(20mm×20mm)を切出し、光学顕微鏡にて倍率100倍で5視野を撮影した写真で結晶粒径の測定を実施した。結晶粒径の測定は、交線法を用いて、管の肉厚方向及び円周方向の2方向で実施してその平均値を求めた。それら5視野の平均値を表2に示した。
結晶粒径が300μmを超えると疲労強度が低下する。さらには、結晶粒径が300μmを超えると、熱間加工後のアルミニウム合金管に肌あれが生じ、製品の外観を損なうとともに、疲労強度の低下や加工した製品の2次加工性を低下させる。
熱間加工後の図4に示す位置6bより長手方向にJIS12号試験片を切り出し、JIS Z 2241に準拠して引張試験を行った。その結果を表2に示した。
引張強さが175MPa未満又は耐力が70MPa未満であると、熱間加工時の加工性にばらつきが生じるとともに、熱間加工用アルミニウム合金管とした場合の信頼性を低下させる。
熱間加工後の図4に示す位置6bより試験片を切出し、JIS H 8711に準拠して応力腐食割れ試験を行った。交互浸漬を30日間行い割れの発生を確認した。
応力腐食割れ性について、交互浸漬試験において30日未満で割れが発生するものは、使用時に応力腐食割れが発生する可能性が有る。表2において前記条件でも割れが発生しないものを「○」、割れが発生したものを「×」とした。
熱間加工後の合金管6の斜視図(図5)における円周の最小肉厚部(肉厚測定位置6c)を基準に均等に45°間隔で8箇所について、各3個肉厚測定を実施し、表3に測定結果を示した。また、肉厚の最小値および肉厚の平均値を求め、その結果を表2に示す。
平均肉厚に対する最小肉厚の割合(%)を肉厚比と定義する。この肉厚比が83%以下の場合は、引張強さや疲労強度ばらつきが大きくなる。
(製造例)
表1に示す組成の合金を、直径260mmのビレットに溶解鋳造し、530℃にて4時間の均質化処理を行った。このビレットを480℃に加熱し、押出速度5m/分にて所定寸法の押出管に押出後、さらに冷間加工率35%の引き抜きを行い、外径95mm、肉厚3.5mmの丸管を製造した。
このように製造した引抜丸管(外径95mm、肉厚3.5mm)を300mm長さに切断したものを温度500℃に加熱し、500℃に加熱した図6に示す金型10の挿入部11に挿入し、前記図2の場合と同様の工程で両端部をシールした。その後、管内に1.5MPaの空気圧を加えることにより、図2と同様の工程で外形を台形形状管12に熱間加工した。加工に要する時間は約5秒であった。このとき合金A〜D、K、またはLにより自動車用構造部材を成形し(実施例)、合金E〜J、M、またはNにより比較のための部材を成形した(比較例)。
台形形状管の正面形状(P面からみた図)とその断面形状は図7(a)、(b)に示す通りである。実際の自動車用構造部材の断面は台形とは限らなく、様々な形状があるが、ここでは代表例として加工品の断面形状を台形に加工する金型を用いた。なお、キャビティの面積率の測定は、下記で述べる方法に従ってP面、Q面、R面、S面の全ての面について行い、結晶粒径の観察は最も結晶粒径が粗大になりやすいP面のみについて行い、引張特性と疲労特性の測定は、部品として最も応力が集中する箇所であるP面のみについて行った。
自動車部品に熱間加工した材料から図7(b)のP、Q、R、Sの各面における、図7(a)に示す12a位置より素管の押出・引抜方向に対して垂直面から、ミクロ組織観察用試験片(20mm×20mm)を切出し、研磨後、光学顕微鏡にて倍率100倍で各々5視野を撮影した。その写真から観察位置P、Q、R、Sについて各5視野ずつ画像解析装置により、キャビティの面積率を測定し、その平均値を表4に示す。
キャビィティの発生面積率が(観察位置P、Q、R、Sの1箇所でも)2.3%を超えると肉厚ばらつきが大きくなり、局部的な肉厚減少が生じ、引張り強さや疲労強度の低下を招く。
自動車部品に熱間加工した材料から、図7に示したP面の位置12aよりミクロ組織観察用試験片(20mm×20mm)を肉厚方向及び円周方向の2方向に切出し、光学顕微鏡にて倍率100倍で写真撮影し、結晶粒径を求めた。それらの5視野の観察結果の平均値測定結果として表5に示した。
結晶粒径が300μmを超えると疲労強度が低下する。表4において、結晶粒径が300μm以下のものを「○」、300μmを越えるもの「×」で示した。
自動車部品に熱間加工した材料から、図7に示すP面の位置12bより各4本長手方向にJIS5号試験片を切り出し、JIS Z 2241に準拠して引張試験を行った。その結果を表5に示した。
引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPa、またはそれらのばらつきが10MPa以下の範囲を外れると、熱間加工時の加工性にばらつきが生じるとともに、自動車部材として使用した場合の信頼性を低下させる。表4において、引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPa、かつそれらのばらつきが10MPa以下のものを「○」、その範囲以外のものを「×」で示した。
自動車部品に熱間加工した材料から、図7のP面の位置12bより長手方向にJIS1号試験片を切出し、JIS Z 2275に準拠して平面曲げ疲れ試験を行い、1×107回での疲労強度を求め、その結果を表6に示した。
疲労強度が70Mpa未満又はそのばらつきが20MPaを超えるものは、部品寿命や安全性の観点で問題が生じ、自動車構造部材や自動車部品としての信頼性が低下する。表4において、疲労強度が70MPa以上で、そのばらつきが20MPa以下のものを「○」、その範囲外のものを「×」で示した。
自動車部品に熱間加工した材料から、図7に示すP面の位置12bより試験片を切出し、JIS H 8711に準拠して応力腐食割れ試験を行った。交互浸漬を30日間行い、割れの発生を確認した。
応力腐食割れ性については、交互浸漬試験において30日未満で割れが発生するものは、使用時に応力腐食割れが発生する可能性がある。表4において、前記条件においても割れが発生しないものを「○」、割れが発生したものを「×」で示した。
上記の表1〜3に示すアルミニウム押出管の試験とその結果を次にまとめる。
合金A〜D、K、Lのものに関しては、キャビティ面積率が2.3%以下であり、肉厚比が83%以上である。また結晶粒径の粗大化がおこっておらず、自動車用構造部材用アルミニウム合金管として必要な引張強さを確保し、応力腐食割れも生じていない(表2の総合評価「○」)。なかでも合金A〜Dのものに関しては、さらにキャビティ面積率が1.0以下であり、肉厚比が90%以上である(表2の総合評価「◎」)。
上記の表4〜6に示す自動車用構造部材の試験結果を次にまとめる。
合金A〜D、K、Lのものに関しては、キャビティ面積率が2.3%以下であり、肉厚比が83%以上である。また結晶粒径の粗大化がおこっておらず、自動車用構造部材に必要な引張強さと耐力を有し、それらのばらつきも小さく、疲労強度も確保している(表4の総合評価「○」)。
1a、10a 割り位置
2 パイプ挿入部
3 パイプ
4 シール型
5 空気導入部
6 丸管(合金管)
6a、12a キャビティ測定用および結晶粒径測定用の試験片採取位置
6b、12b 引張試験片、応力腐食割れ試験片採取位置
6c 肉厚測定位置
10 金型
11 パイプ挿入部
12 台形形状管(台形形状に加工したパイプ)
Claims (13)
- Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管を380〜550℃で熱間により拡管加工したAl−Mg系アルミニウム合金管であって、キャビティの面積率が2.3%以下であることを特徴とするAl−Mg系アルミニウム合金管。
- キャビティの面積率が1.0%以下であることを特徴とする、請求項1に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 最小肉厚が平均肉厚の83%以上であることを特徴とする、請求項1に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 最小肉厚が平均肉厚の90%以上であることを特徴とする、請求項2に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 結晶粒径が300μm以下であることを特徴とする、請求項3に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 結晶粒径が300μm以下であることを特徴とする、請求項4に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管。
- 請求項7に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管を用いた自動車用構造部材であって、引張強さ及び耐力のばらつきが10MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
- 請求項7に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管を用いた自動車用構造部材であって、1×107回での疲労強度が70MPa以上であり、1×107回での疲労強度のばらつきが20MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
- 請求項7に記載のAl−Mg系アルミニウム合金管を用いた自動車用構造部材であって、引張強さ及び耐力のばらつきが10MPa以下であり、1×107回での疲労強度が70MPa以上であり、1×107回での疲労強度のばらつきが20MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
- 請求項8〜10のいずれか1項に記載のアルミニウム合金製自動二輪車及び自動四輪車用構造部材。
- Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管を380〜550℃で熱間により拡管加工したアルミニウム合金製自動車用構造部材であって、キャビティの面積率が2.3%以下を示し、且つ結晶粒径が300μm以下で、最小肉厚が平均肉厚の83%以上であり、且つ引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
- Mgを2.5質量%以上2.8質量%以下、Siを0.25質量%以下、Feを0.35質量%以下、Crを0.25質量%以上0.35質量%以下含有し、残部が不可避不純物及びAlよりなる合金組成のアルミニウム合金管を380〜550℃で熱間により拡管加工したアルミニウム合金製自動車用構造部材であって、キャビティの面積率が1.0%以下を示し、且つ結晶粒径が300μm以下で、最小肉厚が平均肉厚の90%以上であり、且つ引張強さが175〜235MPa、耐力が70〜95MPaであることを特徴とするアルミニウム合金製自動車用構造部材。
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