JP4775935B2 - 耐衝撃破壊性に優れたアルミニウム合金押出材 - Google Patents

Description

本発明は、衝撃を受けた際に表面部からの亀裂を起点とした破壊の発生を抑えたアルミニウム合金押出材に関する。

車両の軽量化を目的にアルミニウム合金の採用が拡大しつつある。
車両用のサスペンション部品等、いわゆる足廻り部品等は走行時の衝撃を直接的に受けるため、高い耐衝撃破壊性が要求される。
この種の高い耐衝撃破壊性が要求される車両用部品の中には、ロアアームブラケットのように中空部品もあり、中空部品はアルミニウム合金押出材を採用するのが製造コスト上有利である。
しかし、従来のアルミニウム合金を用いた押出材では、ビレットを加熱して熱間押出後冷却する過程で押出材表面から再結晶が進行して粒状組織になるのが一般的であった。
粒状組織では、粒状の粒界に沿って破壊伝幡し、高い靭性やシャルピー特性が充分に得られないという問題があった。

そこで、例えば特開２００３−１５５５３５号公報には、繊維状組織の面積率が７０％以上になるようにアルミニウム合金組成を調整した押出材に関する技術を開示する。
この公報に開示の合金組成は、Ｓｉ：０．６〜１．１質量％（以下すべて質量％）、Ｍｇ：０．６〜１．１％、Ｃｕ：０．１〜０．５％、Ｆｅ：０．１〜０．３％、Ｔｉ：０．００１〜０．２０％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｃｒ：０．１〜０．３％、Ｚｒ：０．１〜０．３％（ただしＭｎ＋Ｃｒ＋Ｚｒ＝０．２〜１．０％）と開示する。
しかし、Ｚｒを添加することにより、鋳造にＴｉと粗大な金属間化合物を形成し、Ｔｉの結晶微細化効果を減少させるとともに、鋳造時に割れを発生させる原因となる。
従って、Ｚｒの添加量を制限しなければならず、代替として添加するＦｅ成分が０．１〜０．３質量％の範囲では、安定した繊維状組織を得るには不充分であった。
特に、ロアアームブラケットのように衝撃を強く受ける部品においては、衝撃的な引張力を受ける押出材の表面の再結晶層の厚みを所定以下にしないと、亀裂破壊伝幡を抑えることができないことも明らかになった。

また、本願出願人は先に耐衝撃破壊特性に対して、Ｆｅ成分の影響が大きいことを見い出し、Ｆｅ成分を０．２５〜０．４５質量％の範囲に調整する技術を特開２００４−４３８３４号公報に開示する。
本願発明者らは、再結晶層の厚みと外部亀裂との関係を詳細に調査した結果、特開２００４−４３８３４号公報に示したＭｎ成分０．０２〜０．２０質量％においても所定の効果が認められるものの、さらに安定した耐衝撃破壊性を得るには、Ｍｎ成分を０．２０〜０．４０質量％まで高くした方が良いことを見い出したことにより本発明に至ったものである。

特開２００３−１５５５３５号公報 特開２００４−４３８３４号公報

本発明は、耐衝撃破壊性に優れ、特に衝撃を受けた際に表面部からの亀裂破壊を抑えたアルミニウム合金押出材の提供を目的とする。

本発明に係る耐衝撃破壊性に優れたアルミニウム合金押出材は、Ｓｉ：０．５０〜０．９０質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．１５質量％、Ｆｅ：０．３０（０．３０を除く）〜０．４５質量％、Ｍｎ：０．２０（０．２０を除く）〜０．４０質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０質量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いて押出加工し、その直後に平均冷却速度３００℃／分以上で冷却し、その後に人工時効処理をし、押出形材表面部の再結晶層の厚みが６００μｍ以下であることを特徴とする。
ここで、押出形材表面部の再結晶層の厚み６００μｍ以下とは、それより内側（内部側）は繊維状組織であることを意味する。

車両用サスペンション部品、特にロアアームブラケット等の中空部を有する部品においては、中空部にブッシュ部材を挿入し、シャフト類を連結する。
車両走行時に生じる路面からの衝撃は、ロアアームブラケットの表面に引張り応力として負荷される。
このような衝撃による破壊特性を評価する方法を詳細に検討した結果、図３に示すように押出材の表面側を背にして（引張り応力が働くように）ハンマー衝撃を負荷するシャルピー衝撃試験にて代用できることが明らかになった。
このような衝撃試験方法を本明細書にては、外部衝撃試験と称する。

本発明は、引張強度、耐力及び伸び等の一般的機械特性の他に、上記外部衝撃試験評価に基づいて完成したものである。
特に、外部衝撃試験による衝撃破壊特性においては、押出材の表面部の粒状の再結晶層の厚みが大きい影響を与えることが明らかになり、ロアアームブラケットにおいては外部衝撃を受ける部分の再結晶層の厚みが６００μｍ以下に抑えることが必要であった。
なお、理想的には３００μｍ以下に抑えるのがよい。
再結晶により生ずる粒状組織では、粒界に沿って無析出帯が発生し、それに沿って破壊伝播すると推定される。繊維状組織では、粒界が押出方向に伸長し、複雑に入り組むために無析出帯に沿った破壊伝播を抑制するために、靭性やシャルピー衝撃値が高くなる。
しかし、引張り応力が働く表面部に粒状組織が厚めに存在すると、その部分の粒界で発生した亀裂が衝撃により内部に衝撃伝播するために再結晶層の厚みを抑える必要があると推定する。

次に、アルミニウム合金の成分範囲の設定理由について説明する。
Ｓｉ及びＭｇ成分は、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子の析出により引張強度及び耐力に影響を与える。
そのような観点から、Ｓｉ成分を０．５０〜０．９０質量％（以下単に％と表示する）、好ましくは０．６０〜０．８０％に対して、Ｍｇ成分を０．７５〜１．１５％、好ましくは０．８５〜１．０５％の範囲に調整する。
Ｓｉが０．９０％を越え、Ｍｇが１．１５％を越えると押出加工性が悪くなる。
なお、耐食性の観点からもＭｇ_２Ｓｉの理論比率になるように成分調整するのが好ましい。

Ｃｕ成分は延性確保のため添加するが、それとともにマトリックス強度向上を図ることができるが、多く添加すると局部腐食や耐応力腐食割れの原因となるので０．１０〜０．３５％、好ましくは０．１５〜０．３０％の範囲がよい。

Ｍｎ及びＣｒ成分は、押出材の再結晶を抑え、繊維状組織を形成するのに効果的であることは公知である。
しかし、Ｍｎ、Ｃｒ成分が多くなると、押出性を低下させるだけでなく、生成する晶出部が起点となることでかえって靭性を悪化させるので、これまで適正成分についていくつか報告があるものの、粒状の再結晶粒層の厚みを安定的に抑えるには不充分であった。
また、Ｆｅ成分は、従来不純物として取り扱われていたので、０．３％以下に抑えるのが良いと一般的に報告されていた（特許文献１）。
本発明いおいては、Ｆｅ成分を積極的に添加調整し、０．３０％を越え、０．４５％以内であれば、押出加工時に押出材表面の再結晶化を抑制しつつ、安定した繊維状組織が得られることを見い出したものである。
即ち、繊維状組織にはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒが相互に大きな影響を与え、Ｃｒ成分を０．３％以下に抑えないと、Ａｌ−Ｓｉ系の晶出物の粗大化をまねくため、Ｍｎの添加によりビレットの均質化処理の際の析出物を微細化し、押出加工時の再結晶化をＦｅ系晶出物の分散により抑えた点に特徴がある。
この場合に、Ｍｎ成分０．０２％以上で０．４０％の範囲が好ましいが、特に粒状の再結晶層の厚みを６００μｍ以下に抑えるにはＭｎ成分は０．２０％を越え、０．４０％以下がよい。

以上のようなアルミニウム合金組成のビレットを用いて押出加工する際には、押出加工後の冷却速度も大きな影響を与え、平均冷却速度３００℃／分以上が必要となる。
ここで、押出加工直後とは、押出加工後に押出形材温度が５００℃以下にならない範囲のことである。
また、冷却速度は押出材が５０℃以下になるまでの速度をいう。
このように、押出加工直後に急冷するとアルミニウム合金の再結晶化の進行を抑え、焼入後に人工時効処理し、所定の強度等を得ることができる。

本発明においては、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ成分の適正化で優れた強度と高い耐食性を確保しつつ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ成分量の最適化により評価結果を後述するように、優れた耐衝撃破壊特性が得られる。
これにより、サスペンション部分等の車両部品のアルミ化の推進が期待できる。

図１の表に本発明に係る実施例と比較例の成分組成、再結晶層の厚み測定結果及び外部衝撃値測定結果を示す。
ここで、押出加工に用いたビレットは定法にて鋳造したアルミニウム合金ビレットを５６５℃で６時間均質化処理したものを用いた。
このビレットを５１０℃に予熱し、図２に示すようなブラケット断面に押し出し、連続的に３００℃／分以上の冷却速度で水冷した。
上記押出加工で得られた押出形材を製品長さに切断し、耐久試験等の評価（記載省略）をするとともに、ブラケット１の衝撃を受ける部位を代表して図２に示すように試験片１ａを切り出し、図３に示すように、表面部を背にして背側から図示を省略したが、ハンマー衝撃を与えて外部衝撃値を測定した。
なお、図１に示す値は、試験片の表面幅５ｍｍ、表面長さ５５ｍｍ、厚み１０ｍｍのときの値である。
また、参考に図１に示した表面部の再結晶層の顕微鏡写真を図４及び図５に示す。
再結晶層の厚みは、それぞれ図４（イ）５０μｍ、（ロ）１００μｍ、（ハ）３００μｍ、図５（ニ）１０００μｍ、（ホ）２０００μｍの例を示す。
再結晶厚みが３００μｍレベル以下では、外部衝撃値が高く安定しているが、３００μｍを超えると緩やかに低下し、１０００μｍ以上では大きい低下が認められた。
さらに、再結晶厚みと外部衝撃値との関係を多くデータ取りしてグラフ化した結果、再結晶厚み６００μｍ以下で外部衝撃値が比較的高く安定していることが明らかになった。

アルミニウム合金成分とその品質評価結果を示す。 試験評価に供した製品例を示す。 外部シャルピー衝撃値の測定方法を模式的に示す。 再結晶層の顕微鏡写真例を示す。 再結晶層の顕微鏡写真例を示す。

Claims (1)

1. Ｓｉ：０．５０〜０．９０質量％、Ｍｇ：０．７５〜１．１５質量％、Ｆｅ：０．３０（０．３０を除く）〜０．４５質量％、Ｍｎ：０．２０（０．２０を除く）〜０．４０質量％、Ｃｕ：０．１０〜０．３５質量％、Ｃｒ：０．１０〜０．３０質量％、残部がＡｌと不可避的不純物からなるアルミニウム合金を用いて押出加工し、その直後に平均冷却速度３００℃／分以上で冷却し、その後に人工時効処理をし、押出形材表面部の再結晶層の厚みが６００μｍ以下であることを特徴とする耐衝撃破壊性に優れたアルミニウム合金押出材。