JP4903183B2 - 優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金の形成方法 - Google Patents

優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、自動車工業用のアルミニウム合金シートの製造に関し、特に、車体パネルの用途に適し、良好な塗料焼付け応答性(paint bake response)と再利用性と共に優れた曲げ特性(bendability)を有するものの製造に関する。
様々な種類のアルミニウム合金が開発されており、自動車産業、特に自動車の車体パネルに使用されている。この目的にアルミニウム合金を使用することは、自動車の重量を実質的に減らすのに有効である。しかしながら、アルミニウム合金パネルの導入により、それぞれのニーズを創り出した。自動車用途に有用にするためには、アルミニウム合金シート製品は、クラックも亀裂もしわも生じることなく所望の形に曲げ又は成形できるように、受入れ条件において良好な成形特性を備えていなければならない。特に、パネルは、へム加工(hemming)の作業中に生じる厳しい曲げに、クラックを生じることなく耐えなければならない。へム加工は、外装用密閉シートを下側支持パネルに取付ける通常の方法であり、シートの縁部は、それ自身にほとんど裏返しになる。アルミニウム合金パネルは、このような優れた曲げ特性に加えて、塗装と焼付けとの後にも十分な強度を有し、くぼみや他の衝撃に耐えなければならない。
アルミニウム合金のAA(アルミニウム協会)6000系は、自動車パネルの用途に広く利用されている。T4耐力(YS)を低くすることとFe含有量を減少することにより、成形性、特に、ヘム加工特性が向上することは、よく知られている。耐力を低くすることは、合金の溶質含有量(Mg、Si、Cu)を減らすことにより達成できるが、従来から、T8(引張り0%)で200MPa未満となり、塗料焼付け応答性に乏しくなることがわかっていた。塗料焼付け応答性が低下することに対しては、厚さを増加することにより、又は成形パネルの人工時効により、対処することはできる。しかしながら、そのどちらの方法も費用が増すので、魅力的な選択肢ではない。さらに、Fe含有量を減少させると、回収金属の形でスクラップの十分な量を使用できない。鍛造工場からのスクラップの流れには、いくらかの鋼スクラップが混入しがちなので、Fe含有量も上昇する。
さらに、外装パネルと内装パネルとでは、必要となる材料特性が全く異なるので、合金と処理ルートとが特殊化されるのが自然な流れである。例えば、AA5000系合金が内装パネルに使用され、AA6000系が外装パネルに使用される。しかしながら、効率よく再利用を進めるには、ボンネット(hood)やラゲージドア(deck lid)等の内装パネル及び外装パネルの両方を構成するのに利用できて、共有の又は高い互換性の化学的性質を有する合金を得ることが強く求められている。少なくとも、スクラップの流れは、1種類の合金、例えば、内装パネル用の合金のみを造ることができるようにしなければならない。
Uchidaらの米国特許5266130(特許文献1)には、自動車産業用のアルミニウム合金パネルを製造するための方法が開示されている。その合金は、必須成分として、非常に広範囲のSiとMgとを含み、Mn、Fe、Cu、Ti等も含むことができる。この特許の実施例では、150℃から50℃まで4℃/minの速度で冷却することを組込んだ予備時効処理を示している。
Jinらの米国特許5616189(特許文献2)には、自動車産業用のアルミニウムシートを製造する別の方法が開示されている。使用される合金には、やはりCu、Mg、Mn、及びFeが含まれている。それらの合金から製造されるアルミニウムシートには、85℃で5時間の予備時効処理をしていた。さらに、その開示には、シートは、85℃で巻取って、常温まで10℃/hrより遅い速度で徐冷してもよいと述べている。
米国特許第5266130号明細書 米国特許第5616189号明細書
特許文献2で使用されたアルミニウムシートは、連続鋳造(CC)シートであり、このルートで製造したシート製品は、曲げ特性が乏しいことが見出された。
本発明の目的は、改良した処理技術を提供し、それにより優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを形成することである。
本発明の別の目的は、良好な塗装焼付け応答性を有するアルミニウム合金シートを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、自動車の車体パネルの製造に利用するための、再利用可能なアルミニウム合金シート製品を提供することである。
本発明は、自動車用のパネルの形成に使用するための優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを製造する方法であって、該方法が、0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るAA6000系のアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延して、その後に、形成したシートに溶体化処理を施す工程と、溶体化処理したシートを60〜120℃の温度まで急冷して、60〜120℃の巻取り温度でシートをコイルに巻き取る工程と、10℃/hr未満の冷却速度で60〜120℃の初期コイル温度から室温までコイルを徐冷することにより、コイルを予備時効する工程と、を含み、得られたシートの耐力が、T4Pテンパーにおいて125MPa未満であって、T8(2%)テンパーにおいて250MPaを超え、得られたシートの曲げ特性(r/t)値が0.2未満であることを特徴とする
本発明の製造方法によれば、優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを形成することができる。
本発明の1実施形態によれば、曲げ特性を向上したアルミニウム合金シートは、Mg及びSiの含有量を注意深く選び、マンガン含有量を増加させ特定の予備時効処理を行ったAA6000系の合金を利用して得ることができる。本発明に従って使用する合金は、濃度が重量パーセントで、0.50〜0.75%Mg、0.7〜0.85%Si、0.1〜0.3%Fe、及び0.15〜0.35%Mnのものである。別の実施形態では、合金は、0.2〜0.4%のCuを含んでもよい。
シート製品の製造に用いる方法は、予備時効を含むT4処理、すなわちT4Pである。予備時効処理は、方法の最終段階である。
本発明のシート製品の目標とする物理的性質は、以下のとおりである。
T4P、YS 90〜120MPa
T4P UTS >200MPa
T4P El >28%ASTM、>30%(JIS試片を使用)
曲げ、rmin/t <0.5
T8(引張り0%)、YS >210MPa
T8(引張り2%)、YS >250MPa
上記によれば、T4Pは、合金に、溶体化処理と、予備時効と、少なくとも48時間自然時効と、をした場合の処理を示す。UTSは、引張り強度を示し、YSは、耐力を示し、Elは、全伸びを示す。曲げは、曲げ半径とシート厚さとの比であり、ASTM290Cの規格被覆曲げ試験法(standard wrap bend test method)により決定している。T8(引張り0%又は2%)は、0%又は2%のどちらかで引っ張りながら、177℃で30分の試し塗料焼付けをした後のYSである。
Cuを含まない合金では、T4P強度を合金組成に、塗装焼付け強度をT4P強度に関係付ける関数関係が明らかにされている。
T4Pの耐力は、
T4P YS(MPa)=130(Mgwt%)+80(Siwt%)−32
で与えられ、ここでT4Pは、85℃で8時間の試し予備時効をした。
T8(引張り0%)の耐力は、
T8(MPa)=0.9(T4P)+134
で与えられる。
以下の合金は、これらの関係を用いて、T4P/T8(0%)の条件を満たすだろう。
T4Pが90MPaで、T8が215MPaでは(0.5wt%Mg−0.7wt%Si)、
T4Pが110MPaで、T8が233MPaでは(0.6wt%Mg−0.8wt%Si)、
T4Pが120MPaで、T8が242MPaでは(0.75wt%Mg−0.7wt%Si)。
これは、本発明の合金用の通常の組成範囲のAl−0.5〜0.75wt%Mg−0.7〜0.8wt%Siである。
Cuを含む合金では、この関数関係が、それほど単純ではなく、MgとSiの濃度に依存する。Cu濃度約0.2〜0.4wt%が塗装焼付けの性能を向上させるために望ましい。
結晶粒径の制御のためには、少なくとも0.2wt%のMnを含むことが好ましい。また、Mnは、合金にいくらかの強度を与える。Feは、実際上の下限、0.1wt%以上、もしくは0.3wt%以上を保持して、成形の困難性を防止しなければならない。
外装パネルでは、ヘム加工性を向上するために、合金中のFe含有量を低くする傾向にある。一方、内装パネル用途の合金のFe含有量は、再利用材料の量が増えるとき、含有量が高くなる傾向にある。
本発明で使用される合金は、半連続鋳造、例えば直接冷却(DC)鋳造により鋳造される。インゴットを均質化し、熱間圧延して再圧延厚さにし、その後に冷間圧延と溶体化処理とを施す。溶体化処理したストリップは、約60〜120℃の温度に急冷して巻き取ってコイルにする。この急冷は、約70〜100℃の温度にするのが好ましく、80〜90℃の温度範囲がより好ましい。コイルは、約10℃/hr未満の、好ましくは5℃/hr未満の速度で徐々に室温に冷却することができる。特に、3℃/hr未満の非常に遅い冷却温度にするのが好ましい。
均質化は、通常は550℃を超える温度で5時間以上行われ、再圧延の出口厚さは、通常は2.54〜6.3mmであり、出口温度は、約300〜380℃である。冷間圧延は、普通は厚さが約1.0mmであり、溶体化処理は、通常は約530〜570℃の温度で行われる。
その代わりとして、シートを中間焼鈍してもよく、この場合には、再圧延シートは、約2.0〜3.0mmの中間厚さに冷間圧延する。この中間シートを約345〜410℃の温度でバッチ焼鈍して、さらに、約1.0mmに冷間圧延して、溶体化処理する。
本発明による予備時効は、通常は、T4処理の最終段階であり、溶体化処理に続いて行われる。しかしながら、アルミニウム合金ストリップを所望の温度に再加熱した後に予備時効を行うこともできる。
また、2段階で溶体化温度から急冷を行うのが、特に有効であることも明らかになった。合金ストリップは、まず約400〜450℃に空冷してから、続いて水冷する。
本発明のシート製品は、T4Pテンパーで125MPa未満、T8(2%)テンパーで250MPaを超えるYSを有する。中間焼鈍がある場合には、シート製品は、T4Pテンパーで120MPa以下、T8(2%)テンパーで245MPa以上のYSを有する。
もし、初期アルミニウム合金インゴットが、小さい研究室規模の鋳造品ではなく商業的な大規模鋳造品であるならば、本発明によってより一層高品質のシート製品が得られる。最高の結果を得るためには、初期鋳造品の鋳造厚さを少なくとも450mmに、幅を少なくとも1250mmにする。
本発明の方法によれば、シートは、曲げ特性(r/t)値が非常に低い、例えば、約0〜0.2で、優れた塗装焼付け応答性を有するものが得られる。このように低い値は、AA6000系合金では非常に稀であり、例えば、従来処理したA6111合金シートは、約0.4〜0.45の通常のr/t値を有している。
外装パネル用途のアルミニウム合金を製造するための本発明による好ましい方法には、インゴットのDC鋳造及び表面切削と、その後に520℃(炉内温度)で6時間、次いで560℃(金属温度)で4時間の均質化の予備加熱と、を含む。インゴットは、再圧延出口厚さ3.5mmで出口温度300〜330℃に熱間圧延して、その後に2.1〜2.4mmに冷間圧延する。シートを、380℃+/−15℃で2時間のバッチ焼鈍をした後に、別の冷間圧延で0.85〜1.0mmにする。これに続いて、530〜570℃のPMTで溶体化処理を行い、450〜410℃に空冷(急冷速度20〜75℃/s)し、450〜410℃から280〜250℃に水冷(急冷速度75〜400℃/s)する。最後に、シートは、80〜90℃に空冷して、巻き取ってコイルにする(実際の巻取温度)。コイルは25℃まで冷却する。この方法が、中間焼鈍を含むT4Pの実施手順である。
本発明に係る内装プレート用途のアルミニウム合金を製造する1つの好ましい方法は、インゴットのDC鋳造及び面削と、その後に520℃(炉内温度)で6時間、次いで560℃(金属温度)で4時間の均質化の予備加熱と、を含む。このインゴットは、再圧延出口厚さ2.54mmで、出口温度300〜330℃に熱間圧延して、その後に0.85〜1.0mmに冷間圧延する。このシートは、530〜570℃のPMTで溶体化処理を行い、450〜410℃に空冷(急冷速度20〜75℃/s)し、450〜410℃から280〜250℃に水冷(急冷速度75〜400℃/s)する。次に、80〜90℃に空冷して、巻き取ってコイルにする(実際の巻取り温度)。その後に、コイルを25℃まで冷却する。この方法は、T4Pの実際としてみなされている。
上記の方法は、同様の組成又は異なるテンパーで同様の組成から、内装パネル及び外装パネルを製造すること目的としている。内装パネル又は外装パネルへの製品とその冶金学的な条件が大きく異なるので、これは、理想的な状況ではない。外装パネルは、耐へこみ性のために塗装後に高強度が要求され、表面のきびしい外観を有し、ヘム加工できなければならない。内装パネルは、むしろ適度な強度要求を有して大きい剛性に支配される製品である。さらに、内装パネルは、抵抗スポット溶接性(RSW)があり、伸展加工及び深絞り加工に関連して高い成形性を備えなければならない。
また、内装パネルは、再利用の目的のために外装パネル合金の組成と互換性のある低コストの合金から製造できることも望まれる。
このように、本発明の別の実施形態では、内装パネル用にさらに希釈した合金を用いることができる。この実施形態に使用される合金は、重量パーセントで、0.0〜0.4%Cu、0.3〜0.6%Mg、0.45〜0.7%Si、0.0〜0.6%Mn、0.0〜0.4%Fe、0.06%以下のTi、残部Al、及び不可避不純物を含む。
好ましい合金は、0.4〜0.5%Mg、0.5〜0.6%Si、0.2〜0.4%Mn、0.2〜0.3%Fe、残部Al、及び不可避不純物を含む。
本発明のシート製品の目標とする物理的性質は、以下のとおりである。
T4P、YS >75〜90MPa
T4P UTS >150MPa
T4P El >28%ASTM、>30%(JIS試片を使用)
曲げ、rmin/t <0.5
T8、YS >150〜180MPa
また、この合金は、半連続鋳造、例えば直接冷却(DC)鋳造により鋳造される。インゴットを均質化し、熱間圧延して再圧延厚さにし、その後に冷間圧延と溶体化処理を施す。溶体化処理したストリップは、約60〜120℃の温度に急冷して、巻き取ってコイルにする。コイルは、室温に冷却される。
内装パネル用には、中間焼鈍なしのT4P方法を利用する。しかしながら、別の実施形態によれば、外装パネルに適度な強度と優れた高成形性とが必要な場合には、中間焼鈍を備えたT4P方法を用いた希釈した合金を用いることができる。
マンガンを含有するものと含有しないものの2種類の合金を試験した。合金AL1は、0.49%Mg、0.7%Si、0.2%Fe、0.011%Ti、残部Al、及び不可避不純物を含み、合金AL2は、0.63%Mg、0.85%Si、0.098%Mn、0.01%Fe、0.013%Ti、残部Al、及び不可避不純物を含む。
合金は、研究室で鋳造した33/4×9”のDCインゴットであった。このインゴットを、面削して、560℃で6時間の均質化をして、5mmに熱間圧延して、その後に1.0mmに冷間圧延した。シートを560℃で塩浴で溶体化し、急冷してT4Pの実施試験を行った。
得られた結果を以下の表1に示した。
どちらの合金も、JIS(日本規格)試片形状で29〜30%伸びを示した。塗装焼付けはT8(引張り0%)である。
本発明の2種類の合金(AL3及びAL4)と、2種類の比較用合金(C1及びC2)を、以下の表2の組成に調製した。
(a)合金は、DC鋳造の3.75×9インチのインゴットで、そのインゴット表面を面削して、560℃で6時間の均質化をした。インゴットは、熱間圧延して、その後に厚さ約1mmに冷間圧延した。シートを560℃で15秒間の溶体化を行い、80℃まで急冷して巻き取ってコイルにした。コイルは、1.5〜2.0℃/hrで常温にゆっくり冷却して、1週間の自然時効を行った。結果を表3に示す。図1は、Mn濃度の曲げ特性への影響を示している。視覚による観察をして最小のr/t値で、予備引張りをしていないシートの曲げ特性について、明白な傾向を見出すことは難しい。結果を表3に示す。しかしながら、図1からわかるように、0wt%Mnの合金は、表面にクラックを生じている。0.1wt%のMnでは、屈曲部にはクラックがないが、表面にしわが見られた。0.2wt%Mnでは、表面にクラックも、しわもない。しわは、残留クラックを形成する前駆体の残りであると考えられる。
(b)別の手順は、合金AL3を生産規模のDC鋳造によりインゴットにして、560℃で1時間の均質化を行った。インゴットを5.9mmの再圧延出口厚さに熱間圧延し、2.5mmの冷間圧延した。この中間厚さのシートを、360℃で2時間の中間焼鈍して、別の冷間圧延で厚さ1mmにして、560℃で塩浴で溶体化した。シートを80℃に急冷して、巻き取ってコイルにして、80℃で8時間の時効を行った。
その結果を表4に示す。
2種類の合金AL5とAL6とを、商業的施設で鋳造し処理して試験した。これらの合金の組成を以下の表5に示す。
表5に示したAL5及びAL6の各組成で2つずつのインゴットをDC鋳造して、面削して、560℃で均質化して、熱間圧延した。1つのAL5(コイルB−2)と1つのAL6(コイルB−3)のインゴットを、熱間圧延により2.54mmにして、冷間圧延の2パスにより0.93mmの厚さにして、溶体化処理してT4Pテンパーを得た。他方の組のAL5(コイルB−1)とAL6(コイルB−4)のインゴットは、熱間圧延により3.5mmにして、冷間圧延の1パスにより2.1mm厚さにして、バッチ焼鈍し、冷間圧延の2パスにより最終厚さの0.93mmにして、溶体化処理してT4P(中間厚さで焼鈍)テンパーのシートを得た。コイルを浴浸して、380℃で2時間以下のバッチ焼鈍を行った。全てのコイルの大部分は、CASH(連続焼鈍と溶体化処理)ラインにおいて、550℃でT4P操作を行った。コイルの残部は、同じ手順ではあるが、しかし溶体化処理は535℃で行われた。
全てのコイルの試料を、再圧延と、中間と、最終厚さとの時に切出して、評価用にした。
4つのコイル全てのミクロ組織を顕微鏡観察して、結晶粒組織を、150〜200個の結晶粒の大きさを1/4厚みで測定して数量化した。機械的性質は、5〜6日の自然時効の後に測定し、曲げ半径対シート厚さr/tは、規格の巻き付け試験法により決定された。最小のr/t値は、クラックなしで曲げを達成したときのマンドレルの最小半径を、シート厚さで除算して決定した。測定に使用したマンドレルの半径は、0.025と、0.051と、0.076と、0.10と、0.15と、0.20と、0.25と、0.30と、0.41と、0.51と、0.61mmなどであり、曲げ特性は、マンドレル1サイズの違いの中で変化する。
0.3%Cu含有のAL5と、Cuを含まないAL6と、の両方のシートにおいて研磨したままのミクロ組織は、圧延方向と平行に伸びた粗大なFe富化の小板の存在を示している。また、合金は、535℃で溶体化処理を行って比較的大量にMgSiを含んだAL6合金を除けば、未溶解のMgSiを少量だけ含んでいる。
表6の結晶粒寸法の測定結果から、535℃および550℃で溶体化処理したAL5及びAL6のシートの結晶粒組織は、溶体化処理温度を535℃から550℃に変えても影響がないことがわかる。合金AL5とAL6との平均結晶粒寸法は、それぞれ約34×14μmと、35×19μm(水平方向×厚さ方向)とである。一般に、両方の合金の水平方向における結晶粒寸法の分布は、厚さ方向では違いがあるにもかかわらず、非常に類似している。AL6合金の厚さ方向の平均結晶粒寸法は、Cu含有のAL5合金に比べて約5μmだけ大きい。
T4PテンパーコイルのL方向及びT方向での引張り特性と曲げ特性とを、表7に示す。図2は、0.3%Cu含有AL5合金と、Cuを含まないAL6合金と、の引張り特性を比較しており、550から530℃への温度変化による違いを強調している。AL5は、L方向およびT方向ともに、両方の溶体化処理の温度においても、AL6合金よりも強い。耐力及び張力は、どちらの合金でも溶体化温度が高くなると僅かに増加しているが、影響は、AL6において最も顕著である。AL6合金の強度が低いのは、未溶解のMgSi粒子が多量に存在していることと一致することに注目すべきである。
塗料焼付け応答性は、T4P及びT8(2%)テンパーのYSで異るが、図3で比較されている。溶体化処理温度の変化は、AL5の塗装焼付け応答性に影響しないが、AL6合金には明らかに影響することがわかる。上で指摘したように、後者は、硬化用溶質をマトリクスから「排出」する未溶解のMgSiの存在が関係している。550℃で溶体化した場合には、AL5合金の塗料焼付け応答性は、約150MPaであり、AL6合金よりも〜10MPaほど良い。どちらの合金も、T4Pテンパーでは低強度で、T8(2%)テンパーでは高強度になる優れた組合せを示している。
T4Pテンパー引張り試験のデータから測定されたn及びR値を図4に示す。両方の合金のn値は、非常に似ていて、等方的で溶体化処理の温度による変化がない。AL5合金のR値は、L方向においてはAL6に比べて僅かに低いが、T方向においては逆の傾向にある。
図5は、両方の合金のr/t値が、L方向及びT方向において0.2より低いことを示している。0.3%Cu含有のAL5合金のr/t値は、Cuを含まない対応物に比べて僅かに良くなっており、最良の数値は、溶体化処理の温度が低い時に得られる。
T4PテンパーとT8(2%)テンパーとのYSが約100MPaと250MPa以上との組合せは、従来の自動車用合金では見出せなかった。さらに、AL5及びAL6合金の塗料焼付け応答性は、従来のAA6111よりも良好である。
中間焼鈍の材料では、AL5(コイルB−1)およびAL6(コイルB−4)のL区分におけるFe富化の粗い小板の寸法および分布は、T4Pテンパーのコイルと類似している。T4Pコイル(中間焼鈍)中の未溶解のMgSiの量は、特に、溶体化温度が535℃では、T4Pテンパーの対応物に比べて一般的に高いことが見出された。
表8に、結晶粒寸法の測定結果をまとめた。通常、溶体化温度が低下しても、結晶粒寸法に対して検出できるほどの効果はない。表6および8を見れば判るように、AL5シートの平均結晶粒寸法および分布は、AL6コイルでは逆であるにもかかわらず、T4Pの対応物に比べていくらか微細化されている。AL6でのすべての結晶粒寸法の広がりは、T4Pテンパーに比べて非常に大きくなっている。一般に、AL5コイルの平均結晶粒寸法は、厚さ方向及び水平方向の両方においてAL6シートより約10μmだけ小さい。
コイルの引張り特性および曲げ特性を、表9に記載する。図6は、AL5合金とAL6合金の、T方向およびL方向の引張り特性を比較しており、2つの異なる温度で溶体化により生じる違いを強調している。T4Pテンパーと同様に、中間焼鈍のT4PテンパーのAL5は、AL6に比べて、L方向およびT方向においても、どちらの溶体化温度でも、わずかに強度が高い。さらに、伸び値(elongation values)では顕著な効果がみられないにもかかわらず、2つの合金の強度は、550℃では、535℃とは対照的に、いくらか向上している。伸び値については顕著な違いがみられないが、両方の合金の強度は、L方向およびT方向において約12MPa以内で変化する。
図7に、2つのコイルの塗料焼付け応答性を比較する。この図は、溶体化温度を535℃から550℃に変更すると、約6〜19MPaだけ塗料焼付け応答性が向上することを示しており、ここではAL6合金で殆どすべての向上がみられた。溶体化温度が550℃のAL5合金の塗料焼付け応答性は、約148MPaであり、これはAL6対応物よりも約8MPaほど良好である。
図8に、バッチ式の中間焼鈍を行う及び行わないAL5合金及びAL6合金のYSを比較する。バッチ焼鈍を使用すると、T4PおよびT8(2%)テンパーの両方で、YSが減少する。両方の合金とも、合金の塗料焼付け応答性を最大にするためには、550℃で溶体化することが必要である。しかしながら、535℃で溶体化したAL5合金およびAL6合金の塗料焼付け応答性は、従来のAA6111に十分に匹敵することに注目すべきである。
図9に2つの合金のn及びR値を示す。T4Pテンパーと同様に、両方の合金のn値(歪み硬化指数)は、非常に似ていて、等方的で、溶体化処理の温度による変化がない。AL5合金のR値(耐薄み性)は、L方向においてはAL6に比べて低いが、T方向においては逆になる傾向がある。R値は、T4Pテンパーでも同様の傾向を示す。
図10は、2つの合金のr/t値は、L方向およびT方向において0.2よりも小さくなることを示している。0.3%Cu含有で535℃で溶体化したAL5合金のr/t値は、Cuを含まない対応物に比べて良好であるが、この有利な点は、550℃で溶体化すると失われる。
1つが600×2032mm(厚さ×幅)で長さ4000mmのインゴットで、各々が表10に示したAL7及びAL8の組成から成るものを、商業的規模で直接冷却(DC)鋳造した。液体アルミニウム溶湯を、傾動炉中で720〜750℃で合金に調製して、表面をすくい取って、25/75の比率のCl/N混合ガスで約35分間に亘って融剤を作り、アルゴンとClとをそれぞれ200リットル/分と0.5リットル/分の流量で混合ガスとして吹き込んで、インライン脱ガスをした。その後、合金溶湯に5%Ti−1%Bの粒状組織化剤を投入して、潤滑鋳型に、デュアルバッグ供給システムを用いて700〜715℃で注湯しだ。デュアルバッグ供給システムは、注湯時の乱れを抑えるのに利用された。鋳造は、初めは約25mm/分の遅い速度で行われ、50mm/分で終了した。鋳造したインゴットを、25〜80リットル/秒の流量で水を脈動させて制御しながら冷却して、クラックの発生を防いだ。インゴットを面削して、560℃で均質化して、熱間圧延した。インゴットを3.5mmに熱間圧延して、1パスで厚さの2.1mmに冷間圧延して、380℃で2時間のバッチ焼鈍をして、仕上げ厚さの0.93mmに冷間圧延して、溶体化してT4Pテンパー(中間焼鈍あり)のシートを得た。
比較用に、AL7合金およびAL8合金の95×228mm(厚さ×幅)の寸法のインゴットも鋳造した。液体アルミニウムは、約10/90の比率のCl/Ar混合ガスにより約10分間脱ガスして、5%Ti−1%Bの粒状組織化剤を炉内に添加した。液体合金溶湯は、潤滑鋳型に、700〜715℃で、150〜200mm/分の速度で注湯した。鋳型から取り出したインゴットは、水流(water jet)により冷却された。小さいインゴットを、プラントと同様の処理条件により研究室で処理された事実を除けば、商業規模のインゴットと同様の方法で処理した。
図11a〜11dは、AL7合金とAL8合金の大きな寸法及び小さい寸法のインゴットから得られたシート中の結晶粒組織の比較である。結晶粒寸法は、小さい寸法のインゴットから得られたシート材料では、特に厚さの1/2の位置で非常に粗い。表11には、厚さの1/4の位置で、水平方向(H)と厚さ方向(V)とに約150〜200個の結晶粒の測定を行った結果を示す。表11は、平均結晶粒寸法を示しており、AL7シートについての分布は、元になるインゴット寸法に関係なく、AL7シートとほぼ同様である。しかしながら、図11aを図11cと比較することより、AL7合金の厚さを横切る方向の結晶粒寸法が非常に大きく変化することに注目すべきである。一般に、AL8の平均結晶粒寸法と結晶粒寸法の広がりとは、AL7に比べて非常に大きくなっている。大きな寸法のインゴットから形成したAL7シートの平均結晶粒寸法は、水平方向と厚さ方向とのそれぞれが、約15μmと8μmであり、どちらの方向についてもAL8シートに比べて小さい。小さい寸法のインゴットからシートに形成された場合には、水平方向の粒径の差異がより大きい。表11からわかるように、大きな寸法のインゴットと小さい寸法のインゴットとから得られるAL8のシートの結晶粒寸法の差は、非常に注目すべきであり、それは、表11の鋳造条件に関係しているようである。
図12及び13は、大きな寸法のインゴットから得た商業的規模で処理したAL7合金およびAL8合金のコイルの結晶粒寸法と分布とを示している。これらのプロットから、約85〜95%の粒子は、0.5〜5平方ミクロンの範囲内の結晶粒領域を有しており、約80〜100%の粒子は、0.5〜15平方ミクロンの範囲内の結晶粒領域を有する。
本実施例の目的は、前の実施例の合金を希釈して、自動車用の内装パネルに適したシート製品を製造することである。AA6000系のアルミニウム合金系を調製して、以下の表12の組成(重量%)にした。
合金を、230×95mmのインゴットにDC鋳造して、面削して、560℃で8時間の均質化をして、5mmのシートに熱間圧延した。冷間圧延により1mmのシートに再圧延して、550℃で溶体化して空冷した。溶体化処理したシートは、試験する前に1週間の自然時効をするか、自然時効及び試験の前に85℃で8時間の予備時効を行った。
試験条件と得られた結果とを以下の表13〜16に示す。
上記の結果から、いくつかの上記合金シート製品は、T4P及び塗料焼付けのテンパーのみならず、T4テンパーの所望の耐力に適合していることがわかる。全ての合金の引張り伸びは、26〜28%と満足のいくものであり、合金の曲げ特性については、T4及びT4Pテンパーは、6000系の合金においては優秀であるが、AA5754の引張りの15%以下よりはいくらか劣る。
追加のアルミニウム合金の系列を調製して、自動車の内装パネル製造に利用するようにシートに形成した。この目的は、抵抗スポット溶接性(RSW)を測定することである。RSW試験は、アルミニウムの自動車用シート製品の抵抗スポット溶接性の評価を提供する。
用いた合金は、以下の表17に記載したとおりである。
上の表で、AL5は、実施例3に記載した種類の合金で、AL17とAL18は、より希釈した合金である。
合金をDC鋳造して、面削して、560℃で均質化をして、厚さ2.54mmのシートに熱間圧延した。2パスで厚さ0.9mmに冷間圧延して、その後に520〜570℃で溶体化処理した。シートを約75℃に急冷して、巻き取ってコイルにした。コイルを25℃に冷却した。
RSWの試験の準備では、得られたシートの試料を希酸を噴霧して洗浄して、圧延油と付着した酸化物とを除去した。シート試料にMP−404、Henkel Corp.製の金属シート型打ち用、約75〜125mg/ftの石油系潤滑剤で油滑した。
得られた結果を表18に示しており、用いられている項目は、以下の意味である。
kA”run”は、米軍用規格MIL−W−6858Dより20%大きい溶接ボタンを形成するための最小電流値であり、電極寿命試験で用いられる電流を規定する。
kA”min”は、米軍用規格MIL−W−6858Dで規定した最小寸法を超える溶接ボタンを形成するための最小の溶接電流値である。
kA”max”は、10枚のストリップの溶接の50%以上で溶融金属の排出が起こる溶接電流値である。
kA”範囲”は、”max”と”min”との算術的な差である。
インデント(%)は、電極の全くぼみ深さを、元の全ワークピースの積重ね高さで除した比率である。
シャント(%)は、60mmピッチ(間隔)で形成したときの溶接ボタンと、20mmピッチで形成したときの溶接ボタンとの直径の差であり、組み立てた(set up)10個の溶接部全ての平均ボタン直径のパーセンテージで記述されている。
チップ寿命は、1組の電極対で、破損の累積が5%を超えるまでに形成できる溶接部の数である。破損は、切取り試片の剥離と、寸法以下のボタンと界面部の破損の検査とによって判定される。電極の維持管理は必要ない。
表18では、本発明の合金AL17は、チップ寿命866を示して優れたチップ寿命である。一般に、希釈した、高い導電性の合金は、AA6111やAA5182のような高い合金組成に比べた場合に、チップ寿命が劣る傾向にある。
高いkA”範囲”は、より強い溶接の領域を示しており、表18から、本発明の合金は、A6111に近くAA5182を超えた値を示すことがわかり、これは驚くべき結果である。
本発明は、以下の態様を包含している。
第1の態様:自動車用のパネルの形成に使用するための優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを製造する方法であって、該方法が、
0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、
鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延した後に形成したシートに溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理したシートを約60〜120℃の温度まで急冷して、シートをコイルに巻き取る工程と、
10℃/hr未満の冷却速度により約60〜120℃の初期温度から室温までコイルを徐冷することによりコイルを予備時効する工程と、
を含むアルミニウム合金シートの製造方法。
第2の態様:上記第1の態様において、合金が、さらに0.2〜0.4%Cuを含むアルミニウム合金シートの製造方法。
第3の態様:上記第1又は第2の態様において、コイルを5℃/hr未満の冷却速度により冷却するアルミニウム合金シート製造方法。
第4の態様:上記第3の態様において、コイルを3℃/hr未満の冷却速度により冷却するアルミニウム合金シートの製造方法。
第5の態様:上記第1〜第4の態様において、溶体化処理したシートを、約70〜100℃の温度に急冷するアルミニウム合金シートの製造方法。
第6の態様:上記第5の態様において、溶体化処理したシートを、約80〜90℃の温度に急冷するアルミニウム合金シートの製造方法。
第7の態様:上記第1〜第6の態様において、熱間圧延したシートを中間厚さまで冷間圧延して、バッチ焼鈍して、さらに最終厚さまで圧延するアルミニウム合金シートの製造方法。
第8の態様:上記第1〜第7の態様において、コイルが、予備時効の後に自然時効してT4Pテンパーになるアルミニウム合金シートの製造方法。
第9の態様:上記第1〜第8の態様において、得られたシートの耐力が、T4Pテンパーにおいて125MPa未満であって、T8(2%)テンパーにおいて250MPaを超えるアルミニウム合金シートの製造方法。
第10の態様:上記第7の態様において、得られたシートの耐力が、T4Pテンパーでは120MPa未満であって、T8(2%)テンパーでは245MPaを超えるアルミニウム合金シートの製造方法。
第11の態様:上記第1〜第10の態様において、得られたシートの曲げ特性(r/t)値が0.2未満であるアルミニウム合金シートの製造方法。
第12の態様:上記第1〜第11の態様において、インゴットが、少なくとも450mmの厚さと、少なくとも1250mmの幅とを有するアルミニウム合金シートの製造方法。
第13の態様:自動車用のパネルの形成に使用するための優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを製造する方法であって、該方法が、
0.0〜0.4重量%Cu、0.3〜0.6重量%Mg、0.45〜0.7重量%Si、0.0〜0.6重量%Mn、0.0〜0.4重量%Fe、0.06重量%以下Ti、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、
鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延した後に形成したシートに溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理したシートを約60〜120℃の温度まで急冷して、シートをコイルに巻き取る工程と、
室温までコイルを冷却する工程と、
を含むアルミニウム合金シートの製造方法。
第14の態様:上記第13の態様において、合金が、0.4〜0.55重量%Mg、0.5〜0.6重量%Si、0.2〜0.4重量%Mn、0.2〜0.3重量%Fe、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を含むアルミニウム合金シートの製造方法。
第15の態様:上記第13又は第14の態様において、溶体化処理したシートを、約70〜80℃の温度に急冷するアルミニウム合金シートの製造方法。
第16の態様:上記第13〜第15の態様において、得られたシートを、自動車用の車体の内装パネルの形成に使用するアルミニウム合金シートの製造方法。
第17の態様:上記第13〜第15の態様において、上記方法が中間焼鈍を含み、得られたシートを自動車用の車体の外装パネルの形成に使用するアルミニウム合金シートの製造方法。
第18の態様:曲げ特性(r/t)値が0.2未満のアルミニウム合金シート材料であって、該材料が、
0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、
鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延した後に形成したシートに溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理したシートを約60〜120℃の温度まで急冷して、シートをコイルに巻き取る工程と、
10℃/hr未満の冷却速度により約60〜120℃の初期温度から室温までコイルを徐冷することによりコイルを予備時効する工程と、
を含む方法で製造されるアルミニウム合金シート材料。
第19の態様:上記第18の態様において、合金が、さらに0.2〜0.4%Cuを含むアルミニウム合金シート材料。
第20の態様:上記第18又は第19の態様において、コイルを5℃/hr未満の冷却速度により冷却するアルミニウム合金シート材料。
第21の態様:上記第20の態様において、コイルを3℃/hr未満の冷却速度により冷却するアルミニウム合金シート材料。
第22の態様:上記第18〜第21の態様において、溶体化処理したシートが、約70〜100℃の温度に急冷されるアルミニウム合金シート材料。
第23の態様:上記第22の態様において、溶体化処理したシートが、約80〜90℃の温度に急冷されるアルミニウム合金シート材料。
第24の態様:上記第18〜第23の態様において、耐力が、T4Pテンパーにおいて125MPa未満であり、T8(2%)テンパーにおいて250MPaを超えるアルミニウム合金シート材料。
第25の態様:上記第24の態様において、耐力が、T4Pテンパーにおいて120MPa未満であり、T8(2%)テンパーにおいて245MPaを超えるアルミニウム合金シート材料。
第26の態様:自動車用のパネルの形成に使用するアルミニウム合金シート材料であって、該材料が、
0.0〜0.4重量%Cu、0.3〜0.6重量%Mg、0.45〜0.7重量%Si、0.0〜0.6重量%Mn、0.0〜0.4重量%Fe、0.06重量%以下Ti、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、
鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延して、続いて形成したシートに溶体化処理を施す工程と、
溶体化処理したシートを約60〜120℃の温度まで急冷して、シートをコイルに巻き取る工程と、
室温までコイルを冷却する工程と、
を含む方法で製造されるアルミニウム合金シート材料。
第27の態様:上記第26の態様において、合金が、0.4〜0.55重量%Mg、0.5〜0.6重量%Si、0.2〜0.4重量%Mn、0.2〜0.3重量%Fe、残部Al、及び不可避不純物から成るアルミニウム合金を含むアルミニウム合金シート材料。
第28の態様:上記第26又は第27の態様において、自動車用の車体の内装パネルの形成に使用するためのアルミニウム合金シート材料。
第29の態様:上記第26又は第27の態様において、中間焼鈍をして、自動車用の車体の外装パネルの形成に使用するためのアルミニウム合金シート材料。
第30の態様:上記第18の態様のシート材料により形成された外装パネルと、上記第26の態様のシート材料により形成された内装パネルと、を含む自動車車体のパネル組み立て。
曲げ特性に対するMn含有量の影響を示す。 溶体化温度の引張り特性への影響を示すグラフである(T4P)。 溶体化温度の耐力への影響を示すグラフである(T4PとT8(0%))。 溶体化温度のn値およびR値への影響を示すグラフである(T4P)。 溶体化温度の曲げ特性への影響を示すグラフである(T4P)。 溶体化温度の引張り特性への影響を示すグラフである(中間焼鈍したT4P)。 異なる温度での耐力値の比較を示す。 溶体化温度の耐力への影響を示すグラフである(中間焼鈍したT4PとT8(2%))。 溶体化温度のn値およびR値への影響を示すグラフである(中間焼鈍したT4P) 溶体化温度の曲げ特性への影響を示すグラフである(中間焼鈍したT4P)。 Cu含有する合金の大きな寸法のインゴットから製造したT4Pテンパーのシートの結晶粒組織を示す。 Cuを含有しない合金の大きな寸法のインゴットから製造したT4Pテンパーのシートの結晶粒組織を示す。 Cu含有する合金の小さい寸法のインゴットから製造したT4Pテンパーのシートの結晶粒組織を示す。 Cuを含有しない合金の小さい寸法のインゴットから製造したT4Pテンパーのシートの結晶粒組織を示す。 Cu含有のT4Pテンパーコイルについて、1平方mm当たりの粒子数を結晶粒領域に対してプロットしたものである。 Cuを含有しないT4Pテンパーコイルについて、1平方mm当たりの粒子数を結晶粒領域に対してプロットしたものである。

Claims (16)

  1. 自動車用のパネルの形成に使用するための優れた曲げ特性を有するアルミニウム合金シートを製造する方法であって、該方法が、
    0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るAA6000系のアルミニウム合金を半連続鋳造する工程と、
    鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延して、その後に、形成したシートに溶体化処理を施す工程と、
    溶体化処理したシートを60〜120℃の温度まで急冷して、60〜120℃の巻取り温度でシートをコイルに巻き取る工程と、
    10℃/hr未満の冷却速度で60〜120℃の初期コイル温度から室温までコイルを徐冷することにより、コイルを予備時効する工程と、
    を含み、
    得られたシートの耐力が、T4Pテンパーにおいて125MPa未満であって、T8(2%)テンパーにおいて250MPaを超え、
    得られたシートの曲げ特性(r/t)値が0.2未満であることを特徴とするアルミニウム合金シート製造方法。
  2. 上記アルミニウム合金が、さらに0.2〜0.4%Cuを含むことを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  3. 上記コイルを5℃/hr未満の冷却速度により冷却することを特徴とする請求項1又は2に記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  4. 上記コイルを3℃/hr未満の冷却速度により冷却することを特徴とする請求項3に記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  5. 上記溶体化処理したシートを、70〜100℃の温度に急冷することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  6. 上記溶体化処理したシートを、80〜90℃の温度に急冷することを特徴とする請求項5に記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  7. 熱間圧延したシートを中間厚さまで冷間圧延し、バッチ焼鈍し、さらに最終厚さまで圧延することを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  8. 上記コイルが、予備時効の後に自然時効してT4Pテンパーになることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  9. 上記インゴットが、少なくとも450mmの厚さと、少なくとも1250mmの幅とを有することを特徴とする請求項1ないしのいずれかに記載のアルミニウム合金シート製造方法。
  10. 耐力が、T4Pテンパーにおいて125MPa未満であり、T8(2%)テンパーにおいて250MPaを超え、曲げ特性(r/t)値が0.2未満であるアルミニウム合金シート材料であって、
    上記アルミニウム合金シート材料が、
    0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るAA6000系のアルミニウム合金を半連続鋳造し、
    鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延して、その後に、形成したシートに溶体化処理を施し、
    溶体化処理したシートを60〜120℃の温度まで急冷して、60〜120℃の巻取り温度でシートをコイルに巻き取り、
    10℃/hr未満の冷却速度で60〜120℃の初期コイル温度から室温までコイルを徐冷することにより、コイルを予備時効して成ることを特徴とするアルミニウム合金シート材料。
  11. 曲げ特性(r/t)値が0.2未満であり、
    平均結晶粒寸法が、水平方向で27.6〜64.4μm、厚さ方向で14.1〜28.3μmであるアルミニウム合金シート材料であって、
    上記アルミニウム合金シート材料が、
    0.50〜0.75重量%Mg、0.7〜0.85重量%Si、0.1〜0.3重量%Fe、0.15〜0.35重量%Mn、残部Al、及び不可避不純物から成るAA6000系のアルミニウム合金を半連続鋳造し、
    鋳造合金インゴットを熱間圧延および冷間圧延して、その後に、形成したシートに溶体化処理を施し、
    溶体化処理したシートを60〜120℃の温度まで急冷して、60〜120℃の巻取り温度でシートをコイルに巻き取り、
    10℃/hr未満の冷却速度で60〜120℃の初期コイル温度から室温までコイルを徐冷することにより、コイルを予備時効して成ることを特徴とするアルミニウム合金シート材料。
  12. 上記アルミニウム合金が、さらに0.2〜0.4%Cuを含むことを特徴とする請求項10又は11に記載のアルミニウム合金シート材料。
  13. 上記コイルが、5℃/hr未満の冷却速度により冷却されることを特徴とする請求項10ないし12のいずれかに記載のアルミニウム合金シート材料。
  14. 上記コイルが、3℃/hr未満の冷却速度により冷却されることを特徴とする請求項13に記載のアルミニウム合金シート材料。
  15. 上記溶体化処理したシートが、70〜100℃の温度に急冷されることを特徴とする請求項10ないし14のいずれかに記載のアルミニウム合金シート材料。
  16. 上記溶体化処理したシートが、80〜90℃の温度に急冷されることを特徴とする請求項15に記載のアルミニウム合金シート材料。
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