JP5179396B2

JP5179396B2 - 衝撃吸収部材

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Publication number: JP5179396B2
Application number: JP2009027926A
Authority: JP
Inventors: 一浩貝田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: JP2010181020A

Description

本発明は、７０００系アルミニウム合金押出形材からなる衝撃吸収部材、特にバンパー補強材、サイドメンバー、インパネ補強材、ドアビーム等の自動車用衝撃吸収部材に関する。

自動車用構造部材として、軽量化のため、ＪＩＳに規定された６０００系又は７０００系アルミニウム合金の中空押出形材が使用されるようになってきた（例えば特許文献１参照）。しかし、特に７０００系アルミニウム合金のような高強度材を、バンパー補強材、サイドメンバー、インパネ補強材、ドアビーム等の衝撃吸収部材の用途に適用すると、衝突時に潰れ変形する場合に、割れが発生しやすい。そのため、断面の肉厚を大きくしたり、７０００系の中では比較的低強度の材料を使用したり、過時効処理する（特許文献２，３参照）ことにより、割れを防止する試みがなされている。

特開２００１−２２５７６３号公報特開２００１−１４００２９号公報特開平１１−２６４００４号公報

しかし、衝突時に断面が潰れ変形する際の割れを防止するため、上記の対策を施すと、衝撃吸収部材の十分な軽量化が図れないという問題がある。
本発明は、従来の７０００系アルミニウム合金押出形材からなる衝撃吸収部材の上記問題点に鑑みてなされたもので、衝突時に断面が潰れ変形する際の割れを防止するとともに、衝撃吸収部材のさらなる軽量化を可能とすることを目的とする。

本発明は、外形が略矩形断面のアルミニウム合金押出形材からなる衝撃吸収部材において、前記アルミニウム合金押出形材は２種の異なる７０００系アルミニウム合金が押出時に互いに溶着した複合押出形材であり、前記外形を構成する前後のフランジがＭｇ：０．９％以上１．５％以下を含有する高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、前記外形を構成する上下のウエブがＭｇ：０．５％以上０．９％未満を含有する低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、前記フランジがウエブより高強度で、過時効処理されていることを特徴とする。前記矩形断面の内部に、前記ウエブに略平行で前記フランジと同一のアルミニウム合金からなる中リブが形成されている。なお、本発明に係る衝撃吸収部材において、フランジは衝突面及びその反対側に向く面を意味する。

７０００系アルミニウム合金とはＪＩＳに規定された合金系であり、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−（Ｃｕ）系展伸材である。７０００系アルミニウム合金は熱処理型アルミニウム合金であり、本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材も、プレス焼入後過時効処理されるか、再加熱して溶体化処理後過時効処理される。過時効処理を行うのは、割れ防止のためである。

本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材は、衝突時に断面が潰れ変形する際、特に大きい変形を受けるウエブが低Ｍｇで比較的低強度であり、曲げ性が優れることにより割れの発生が防止でき、一方、ウエブに比べて大きい曲げ変形を受けないフランジが高Ｍｇでより高強度であることにより、押出形材全体として薄肉化及び軽量化が可能となる。なお、衝突時に断面が潰れ変形する際、中リブもウエブと同様に大きい変形を受けるが、中リブは矩形断面に囲まれているため割れても特に支障がなく、またフランジと同じ高強度材で形成するため、押出形材全体を高強度化することができる。

過時効処理後でも、本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材は、従来のものに比べて全体として高い強度を保つ。これは、従来のアルミニウム合金押出形材の場合、過時効処理して、潰れ変形時に割れの発生が防止できる強度レベルまでウエブを軟化させると、当然押出形材全体が同じ強度レベルに軟化するが、本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材の場合、ウエブを前記強度レベルに軟化させても、高強度材からなるフランジと中リブはウエブより高強度に保たれるからである。このため、押出形材の薄肉化及び軽量化が可能となる。
本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材は、例えば自動車のバンパー補強材、サイドメンバー、インパネ補強材、ドアビーム等の衝撃吸収部材に好適に適用することができる。

参考例に係る複合アルミニウム合金押出形材の断面図である。本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材を例示する断面図である。本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材を例示する断面図である。本発明に係る複合アルミニウム合金押出形材を製造する複合ビレットの斜視図（ａ）及び押出ダイスの背面図（ｂ）である。実施例の圧壊試験の説明図である。実施例（Ｎｏ．１，４）の圧壊試験の荷重−変位のグラフ及びエネルギー吸収量−変位のグラフである。

本発明に係るアルミニウム合金押出形材（衝撃吸収部材）に用いられる７０００系アルミニウム合金は２種類であり、フランジ側はＭｇ：０．９％以上１．５％以下を含有する７０００系アルミニウム合金からなり、ウエブ側はＭｇ：０．５％以上０．９％未満を含有する７０００系アルミニウム合金からなる。その他の添加元素としては、７０００系アルミニウム合金において一般的な範囲でよいが、望ましい組成として、前記範囲のＭｇ以外に、Ｚｎ：４．０〜８．０％、Ｃｕ：０．０５〜０．５％、Ｆｅ：０．１〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、Ｔｉ：０．０１〜０．０４％を含み、必要に応じてＣｒ：０．０４％以下を含むアルミニウム合金が挙げられる。

Ｍｇはこの７０００系アルミニウム合金の強度及び曲げ性に対して支配的な元素であり、フランジ側（高Ｍｇ）では０．９％以上１．５％以下、ウエブ側（低Ｍｇ）では０．５％以上０．９％未満とする。衝突時に大きく曲げ変形するウエブ側は、曲げ性向上による割れの防止を優先してＭｇ含有量を０．９％未満とし、比較的曲げ変形の小さいフランジ側は、強度向上を優先してＭｇ含有量を０．９％以上とする。しかし、ウエブ側でもＭｇ含有量が０．５％未満では強度が不足し、フランジ側でもＭｇ含有量が１．５％を超えると曲げ性が不足し割れが発生するおそれがある。

Ｚｎは強度を向上させる元素であり、添加量は４．０〜８．０％とする。下限値未満では十分な強度が得られず、上限値を超えると一般耐食性が低下する。Ｚｎ含有量は望ましくは６．０〜７．０％とする。
Ｃｕは強度を向上させる元素であり、添加量は０．０５〜０．５％とする。下限値未満では十分な強度が得られず、上限値を超えると耐応力腐食割れ性及び一般耐食性が低下する。Ｃｕ含有量は望ましくは０．１〜０．３％とする。
Ｆｅは強度を向上させる元素であり、添加量は０．１〜０．３％とする。下限値未満では効果が不十分で、上限値を超えると耐食性が低下する。

Ｚｒ，Ｔｉは結晶粒を微細化して強度を向上させる元素であり、添加量はそれぞれ０．０５〜０．３％，０．０１〜０．０４％とする。下限値未満では効果が不十分で，上限値を超えると粗大な金属間化合物を形成し、曲げ性の低下を招く。Ｚｒ含有量は望ましくは０．１〜０．２％とする。
Ｃｒは、同じく結晶粒を微細化して強度を向上させる元素であり、必要に応じて０．０４％以下添加される。上限値を超えると粗大な金属間化合物を形成し、曲げ性の低下を招く。
不可避不純物のうち、Ｓｉは多く含まれると圧壊時に割れが生じ、Ｍｎは多く含まれると粗大な晶出物が生じるため、それぞれ０．１５％以下に制限することが望ましい。その他の不可避不純物は個別に０．０５％以下、合計で０．１５％以下に制限する。

図１〜３に、本発明の参考例及び本発明に係るアルミニウム合金押出形材（衝撃吸収部材）の断面構造の例を示す。
図１は本発明を適用したバンパー補強材の断面構造を示す。この押出形材は、車体に取り付けられたとき略鉛直に配置される前後（衝突面側と車体側）のフランジ１，２と、フランジ１，２に対し垂直な上下ウエブ３，４からなる矩形断面を有する。この断面において、フランジ１，２が高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、ウエブ３，４が低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、フランジ１，２及びウエブ３，４は押出時に互いに溶着し、断面全体が完全に一体化している。この押出形材は、プレス焼入後過時効処理されるか、再加熱して溶体化処理した後過時効処理される。

バンパー補強材は一般に両端に曲げ加工が施されるが、面内曲げが行われる上下ウエブ３，４が成形性に優れる低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、曲げ加工が比較的容易である。また、前方からの（前側フランジ１への）衝突時にバンパー補強材が潰れ変形するとき、変形の大きい上下ウエブ３，４が曲げ性に優れる低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、割れの発生が防止でき、前後フランジ１，２が強度の高い高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、断面全体として高強度で、エネルギ吸収量が多く、薄肉化及び軽量化が可能である。

図２は本発明を適用したバンパー補強材の断面構造を示す。この押出形材は、車体に取り付けたとき略鉛直に配置される前後（衝突面側と車体側）のフランジ１１，１２と、フランジ１１，１２に対し垂直な上下ウエブ１３，１４からなる略矩形断面の外形を有し、その断面内部にウエブ１３，１４に平行な中リブ１５を有する。この断面において、フランジ１１，１２及び中リブ１５が高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、ウエブ１３，１４が低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなる。フランジ１１，１２及びウエブ１３，１４は押出時に互いに溶着し、中リブ１５とともに断面が完全に一体化している。この押出材は、プレス焼入後過時効処理されるか、再加熱して溶体化処理した後過時効処理される。

このバンパー補強材は、前方からの（前側フランジ１への）衝突時に潰れ変形するとき、変形の大きいウエブ１３，１４及び中リブ１５のうち、両側のウエブ１３，１４が曲げ性に優れる低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、外形部分に割れが発生するのが防止でき、フランジ１１，１２及び中リブ１５が強度の高い高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、断面全体として高強度で、エネルギー吸収量が多く、薄肉化及び軽量化が可能である。なお、中リブ１５はフランジ１１，１２及びウエブ１３，１４により構成される略矩形の閉断面内にあるため、割れても特に支障がない。

図３は本発明を適用した横圧壊型（特開２００５−１４８３６号公報参照）のバンパーステイの断面構造を示す。この押出形材は、押出方向を上下方向に向けて車体に取り付けたとき略鉛に配置される前後（衝突面側と車体側）のフランジ２１，２２と、フランジ２１，２２に対し垂直なウエブ２３，２４からなる略矩形断面の外形（フランジ２１，２２は突出部を有する）を有し、その断面内部にウエブ２３，２４に平行な中リブ２５を有する。この断面において、フランジ２１，２２及び中リブ２５が高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、ウエブ２３，２４が低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなり、フランジ２１，２２及びウエブ２３，２４は押出時に互いに溶着し、中リブ２５とともに断面が完全に一体化している。この押出材は、プレス焼入後過時効処理されるか、再加熱して溶体化処理した後過時効処理される。

このバンパーステイは、例えば前側フランジ２１がバンパー補強材の後側フランジ（図１の後側フランジ２参照）に接合され、後側フランジ２２をサイドメンバーの先端部に接合される。前方からの衝突時にバンパーステイが圧壊するとき、変形の大きいウエブ２３，２４及び中リブ２５のうち、両側のウエブ２３，２５が曲げ性に優れる低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、外形に割れが発生するのが防止でき、フランジ２１，２２及び中リブ２４が強度の高い高Ｍｇの７０００系アルミニウム合金からなるので、断面全体として高強度で、薄肉化及び軽量化が可能である。なお、中リブ２５はフランジ２１，２２及びウエブ２３，２４により構成される略矩形の閉断面内にあるため、割れても特に支障がない。

前記断面構造のアルミニウム合金押出形材を製造するには、例えば特開平５−３８９４０号公報又は特開平７−６０３４０号公報に記載された押出方法が適用できる。
特開平５−３８９４０号公報の方法は、強度の異なる（高強度及び低強度の）アルミニウム合金からなる２つの半円状ビレットを組み合わせて１つの円柱状ビレットとし、押出温度に加熱してコンテナに収容し、このとき異なる合金系のアルミニウム合金がそれぞれ異なるエントリーポートに入るようにビレットをコンテナ内にセットし、各エントリーポートから出たメタルを中空押出ダイスに通して押し出す方法である。これを本発明に適用する場合、目的とする押出形材の断面構造に従って、高Ｍｇと低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金ビレットを適宜組み合わせればよい。

一例を図４を参照して説明すると、高Ｍｇと低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金ビレットを縦方向に４分割し、図４（ａ）に示すように、各アルミニウム合金につき２個ずつの分割ビレットを、向かい合う箇所に同じアルミニウム合金が位置するように溶接（溶接箇所３１）して１つの円柱状の複合ビレット３２を製造し、複合ビレット３２を加熱してコンテナに収容し、図４（ｂ）に示すように、４個のエントリーポート３３をもつ中空押出ダイス３４の各エントリーポートに各合金が入るように複合ビレット３２を前記コンテナ内にセットし、図１〜図３のいずれかの断面に押し出す。

特開平７−６０３４０号公報の方法は、複数個のエントリーポートを有する中空押出ダイスの後部に、各ポート穴に対応する複数個の独立したビレット収容穴を備えたコンテナを配備し、各ビレット収容穴にビレットを収容して押し出す方法である。これを本発明に適用する場合、目的とする押出形材の断面構造に従って、高Ｍｇと低Ｍｇの７０００系アルミニウム合金ビレットを各ビレット収容穴に収容すればよい。例えばエントリーポートが４個であれば、図４に示す例と同様に、同材質のものを向かい合う位置に配置すればよい。

押出成形により得られた複合アルミニウム合金押出形材は、高Ｍｇと低Ｍｇの２種類の７０００系アルミニウム合金が互いに溶着しているが、異なるとはいえ同じ７０００系アルミニウム合金であるので、溶着性に問題はない。この複合アルミニウム合金押出形材は、プレス焼き入れ後過時効処理（ＪＩＳＨ０００１に規定された質別Ｔ７）を受けるか、溶体化処理後過時効処理を受ける（同じく質別Ｔ７）。７０００系アルミニウム合金の時効処理条件としては、高強度を得るため、一般的に１２０〜１５０℃×９〜２４ｈｒが採用されているが、本発明では、より曲げ性を向上させ、衝突時の割れを防止するため、特許文献２，３に記載されているように、過時効領域で人工時効処理（過時効処理）を行う。

なお、過時効処理とは、ＪＩＳＨ０００１の質別Ｔ７の欄、又は特許文献２，３に記載されているように、特別の性質に調整するため、最高強度（耐力）が得られる時効処理条件より高い温度又は／及び長い時間時効処理を行うことである。あるいは、最高強度を得たところでいったん時効処理を停止し、再度加熱して時効処理を行った場合も、過時効処理になる。
過時効処理による強度低下のめどとして、特許文献２に記載されているように、この複合アルミニウム合金押出形材を過時効処理したとき、ウエブの過時効処理後の強度（耐力）が、該ウエブの時効処理して得られる耐力の最高値（概ね１３０℃×１２時間の時効処理条件で得られる）の約０．７〜０．９倍に軟化するように調整する。
より具体的に耐力値で表現すると、自動車用衝撃吸収部材のウエブとして一般的な厚さ２ｍｍ以下程度の板厚であれば、該ウエブの過時効処理後の耐力が３３０Ｎ／ｍｍ^２以下になるように、過時効処理条件を選択すればよい。過時効処理によりウエブがこの程度に軟化していると、５０％の押し込み（衝撃吸収部材を半分の高さに潰す）でも、ウエブに割れ（貫通割れ）が生じない。望ましくは３１０Ｎ／ｍｍ^２以下である。

（実施例１）
表１のＡ〜Ｄに示す７０００系アルミニウム合金ビレットを縦方向に４分割し、図４（ａ），（ｂ）を参照して説明したように、各アルミニウム合金につき２個ずつの分割ビレットを組み合わせて円柱状の複合ビレットを製造し、これを高周波加熱で５００℃まで加熱してコンテナに収容し、図２に示すような日型断面（外形４０ｍｍ×４０ｍｍ，板厚２ｍｍ）に押し出してプレス焼き入れした。
アルミニウム合金の組み合わせを表２に示す。図２に示すとおり、前後のフランジと上下のウエブは異なる材質からなり、かつフランジと中リブは同じ材質からなり、２種のアルミニウム合金は押出時に互いに溶着し、完全に一体化していた。

続いて、各押出形材に対し１６５℃×５時間の人工時効処理（過時効処理（Ｔ７材））、及び１３０℃×１２時間の人工時効処理（Ｔ５材）を行い、それぞれを供試材として、下記要領で引張試験、曲げ試験及び圧壊試験を行った。結果を表２に示す。
また、表２のＮｏ．１，４について、圧壊試験の荷重−変位のグラフ及びエネルギー吸収量（ＥＡ）−変位のグラフを図６に示す。図６において、▲はＮｏ．１の荷重、△はＮｏ．１のエネルギー吸収量、◆はＮｏ．４の荷重、◇はＮｏ．４のエネルギー吸収量を示す。
（引張試験）
Ｔ７材のウエブ側及びフランジ側から長さ方向にＪＩＳ１３号Ｂ試験片を採取して引張試験を行い、それぞれの耐力を求めた。

（曲げ試験）
Ｔ７材及びＴ５材のウエブ側から長さ方向に採取した試験片を曲げ半径３ｍｍの治具を用い、３点曲げの要領で１８０゜曲げを行い、曲げ先端部を目視観察し、割れの有無で曲げ性を評価した（割れなし：○，表面亀裂あり：△，貫通割れあり：×）。
（圧壊試験）
図５に示すように、長さ５０ｍｍに切断した供試材４１をフランジを上下にして定盤４２上に置き、上面より剛体４３で加圧して横圧壊試験を行った。供試材の変位量（剛体の押し込み量）は押出形材の高さの５０％（２０ｍｍ）とした。ウエブの割れの有無を目視観察し、割れ性を評価した（割れなし：○，表面亀裂あり：△，貫通割れあり：×）。

（実施例２）
実施例１と同じアルミニウム合金の組み合わせで、図２に示すような日型断面（外形８０ｍｍ×１００ｍｍ，板厚１．５ｍｍ）に押し出してプレス焼き入れした。前後のフランジと上下のウエブは異なる材質からなり、かつフランジと中リブは同じ材質からなり、２種のアルミニウム合金は押出時に互いに溶着し、完全に一体化していた。続いて、各押出形材に対し１６５℃×５時間の人工時効処理（過時効処理（Ｔ７材））を行い、これを供試材として、前記要領で圧壊試験を行った。ただし、供試材の変位量（剛体の押し込み量）は４０ｍｍとした。結果を同じく表２に示す。

表１，２に示すように、４０ｍｍ×４０ｍｍ断面のＴ７材の圧壊割れ性をみると、ウエブのＭｇ含有量が０．９％未満のＮｏ．１〜３が優れ、Ｔ５材に比べて大きく改善している。しかし、ウエブのＭｇ含有量が０．９％以上のＮｏ．４は、圧壊割れ性が劣る。Ｔ７材、Ｔ５材とも曲げ性と圧壊割れ性は同様の傾向を示している。なお、Ｔ７材、Ｔ５材のいずれも、Ｎｏ．１〜４の全てにおいて、中リブに割れが発生していた。
図６をみると、Ｎｏ．４はＮｏ．１より最大荷重が大きいが、ウエブに割れが生じたため荷重の低下が急激に生じ、トータルのエネルギー吸収量はＮｏ．１に劣る。
８０ｍｍ×１００ｍｍ断面のＴ７処理材の圧壊割れ性も、上記とほぼ同様の傾向を示している。なお、Ｎｏ．１〜４の全てにおいて、中リブに割れが発生していた。

１，２，１１，１２，２１，２２フランジ
３，４，１３，１４，２３，２４ウエブ
１５中リブ

Claims

外形が略矩形断面で前後のフランジと上下のウエブにより構成され、前記ウエブに略平行な中リブを有するアルミニウム合金押出形材からなる自動車の衝撃吸収部材において、前記アルミニウム合金押出形材は２種の異なる７０００系アルミニウム合金が押出時に互いに溶着した複合押出形材であり、前記外形を構成する前後のフランジがＭｇ：０．９％以上１．５％以下を含有する７０００系アルミニウム合金からなり、前記外形を構成する上下のウエブがＭｇ：０．５％以上０．９％未満を含有する７０００系アルミニウム合金からなり、前記中リブは前記フランジと同一のアルミニウム合金からなり、前記フランジ及び中リブの方がウエブより高強度であり、過時効処理されていることを特徴とする自動車の衝撃吸収部材。