JP5344855B2

JP5344855B2 - 圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材

Info

Publication number: JP5344855B2
Application number: JP2008148656A
Authority: JP
Inventors: 仁川井; 正和平野
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2021-04-27
Also published as: JP2008274441A

Description

本発明は、例えば自動車用のエネルギー吸収部材として好適な圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材に関する。

自動車の衝突安全性の向上のため、エネルギー吸収部材が用いられている。例えば軽衝突時の車体の損傷を緩和するためのエネルギー吸収部材として、自動車用バンパー補強材があり、これには、軽量化の観点からアルミニウム合金押出材の使用が検討されている（特許文献１〜４等）。このバンパー補強材は、例えば断面矩形の中空押出材として成形されるもので、いわゆるクラッシャブル材であり、衝突などにより外部からエネルギーが与えられたとき、その衝突エネルギーを中空部分の変形（潰れ）により吸収し、他の部材が極力破損しないようにするものである。
図１は中空矩形断面（フランジ部１ａ、１ｂ及びウエブ部１ｃ、１ｄ）を有するバンパー補強材１の変形過程を示すもので、バンパー補強材１の外側フランジ部１ａ側に対し垂直に圧縮荷重が加えられると、主として対向するウエブ部１ｃ、１ｄが変形することにより中空矩形断面が変形し（仮想線参照）、その変形の過程で荷重によるエネルギーが吸収される。

このようなバンパー補強材が吸収すべきエネルギーの大きさ（最小値）は法規格などによって決まっており、一方、バンパー補強材により吸収可能なエネルギーの大きさが余りに大きいと、過剰設計となって重量が過大となってしまう。従って、バンパー補強材は必要なエネルギーを吸収することができるように、しかも過剰設計となって重量が過大とならないように設計される。

特開平７−７０６８８号公報特開平８−１７０１３９号公報特開平８−１４４０３１号公報特開平９−２６８３４２号公報

このように、エネルギー吸収部材を代表するバンパー補強材には、エネルギー吸収量が大きく、かつ軽量であることが要求される。この要求に対処するため、最近では、バンパー補強材を構成するアルミニウム合金押出材の材料強度を高くすることが試みられている。しかし、前記公報に記載された７０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系）アルミニウム合金のように、高強度化した材料を用いた場合、ウエブ部に割れが生じやすくなり、割れが生じたときは逆にエネルギー吸収力が低下する。
すなわち、アルミニウム合金押出材のエネルギー吸収力と軽量化のための高強度化は相矛盾する課題であり、これまで、これを合金成分、組織等、冶金的に解決することは難しかった。

本発明は、このような現状に鑑みてなされたもので、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系アルミニウム合金の高強度材を用いて強度を高め、同時に圧壊時の割れを防止して高いエネルギー吸収量を確保することを目的とする。

本発明者らは、このような圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材を開発すべく種々実験研究を行う過程で、押出材から採取したＪＩＳ５号引張試験片を引張試験した場合の試験片の破断面の肉厚減少率が、押出材の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。

すなわち、本発明に係るアルミニウム合金押出材は、Ｍｇ：０．５〜１．８％、Ｚｎ：４．０〜８．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％を含有しさらに、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％のうち１種又は２種以上を含有し（ただし、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの合計で０．１〜０．４％）、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、空冷によるプレス焼き入れ後時効処理されたアルミニウム合金押出材であり、これが繊維状組織を有し、かつＪＩＳ５号引張試験片にて引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０％以上であることを特徴とする。ここで、破断面の肉厚減少率（以下、絞りという）とは、引張試験片の破断面を正面からみたときの当該破断面の中央部の肉厚（試験片の板面に対し垂直に測定した肉厚）をａとし、引張試験片の元の肉厚をａ_０としたとき、（１−ａ／ａ_０）×１００で表されるものとする。
このアルミニウム合金押出材は圧壊特性に優れ、特に横方向の圧縮荷重を受けるバンパー補強材、フレーム、ドアビーム等の自動車用部材として好適である。

本発明によれば、高強度アルミニウム合金を使用することで強度を高め、同時に衝突の圧縮荷重を受けたときの圧壊特性、特に横圧壊に対する耐割れ性に優れるアルミニウム合金押出材を得ることができる。
本発明に係るアルミニウム合金押出材は、例えば、バンパー補強材、ドアビーム（ドア内の前後方向等に配置され、側方からの衝撃荷重を受け止めるエネルギー吸収部材）、インパクトビーム（ドアの前後方向に配置され、軸方向の衝撃荷重を受け止めるエネルギー吸収部材）、ステアリングメンバー（車体幅方向に配置されるインストルメントパネルの補強材）、自動車フレーム（サイドメンバー、クロスメンバー、バンパーステイ、サイドフレーム等）、鉄道車両、船舶等のフレーム等の用途に用いることができる。

続いて、本発明に係るアルミニウム合金押出材の各成分の添加理由及び組成限定理由について説明する。
Ｚｎ
ＺｎはＭｇと共存して合金に時効性を与え、人工時効により強度を向上させる作用を有する。Ｚｎの含有量が４．０％未満では強度の向上が十分でなく、エネルギー吸収量が少なくなる。一方、８．０％を超えると押出性が低下するとともに、伸び及び曲げ加工性が低下する。さらに耐ＳＣＣ性及び一般耐食性が低下する。従って、Ｚｎの含有量は４．０〜８．０％とし、なかでも６．０〜７．０％がより好ましい。

Ｍｇ
Ｍｇはアルミニウム合金の強度を高める主要な元素である。しかし、Ｍｇの含有量が０．５％未満では強度を向上させる効果を十分に得ることができず、エネルギー吸収量が少なくなる。一方、１．８％を超えると押出性が低下するとともに伸びも低下する。さらに耐ＳＣＣ性、曲げ加工性が低下する。従って、Ｍｇの含有量は０．５〜１．８％とし、０．６〜１．０％がより好ましく、さらに０．７〜０．９％がより好ましい。

Ｔｉ
Ｔｉはアルミニウム合金鋳塊中の結晶粒を微細化する効果がある。しかし、含有量が０．００５％未満ではその効果を十分得ることができず、また０．３％を超えると結晶粒微細化効果が飽和して巨大化合物が発生してしまう。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．３％とする。
Ｃｕ
Ｃｕはアルミニウム合金の強度を高める作用があり、目標とする高強度を得るため添加される。また、Ｃｕは耐ＳＣＣ性を改善する作用がある。しかし、Ｃｕ含有量が０．０５％未満ではその効果が不十分で、エネルギー吸収量が少なく、耐ＳＣＣ性に劣るようになる。一方、０．６％を超えると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感受性を高め強度低下を招くとともに、曲げ加工性及び一般耐食性を劣化させる。また、溶接性も悪くなる。従って、Ｃｕの含有量は０．０５〜０．６％、望ましくは０．１〜０．２％である。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ
これらの元素はアルミニウム合金押出材に繊維状組織を形成し、合金を強化する作用があるため、１種又は２種以上が添加される。しかし、それぞれ、０．１％、０．０３％、０．０５％未満ではその効果が不十分であり、一方、それぞれ０．７％、０．３％、０．２５％を超えると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感受性を高め強度低下を招く。従って、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％の範囲とする。Ｚｒは０．１〜０．２％が望ましい。繊維状組織を形成するためには１種又は２種以上を合計で０．１％以上含有することが望ましく、特に空冷によるプレス焼入れを行う場合、焼入れ感受性が高まるのを防ぐため合計で０．４％以下が望ましい。

不可避不純物
不可避不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く含まれる不純物であり、０．３５％を超えて合金中に存在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の機械的性質を損なう。従って、Ｆｅの含有量は０．３５％以下に規制する。また、アルミニウム合金を鋳造する際には地金、添加元素の中間合金等様々な経路より不純物が混入する。混入する元素は様々であるが、Ｆｅ以外の不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従って、これらの不純物は単体で０．０５％以下、総量で０．１５％以下とする。なお、不純物のうちＢについてはＴｉの添加に伴い合金中にＴｉの１／５程度の量で混入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望ましい。

絞り
Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系アルミニウム合金押出材において、本発明で定義された絞りの値が２０％以上のとき圧壊割れ特性に優れる理由については、絞りの値は材料の局部的な変形能を示す１つの指標であり、一方、押出材が圧壊変形する場合、材料のごく表面に発生する伸びは３０％程度に達し、このような領域では材料は絞りのような局部的な変形をしていると考えられることから、絞りの値が所定値以上の場合に割れの発生が抑制されたものと推測される。
上記組成範囲内において絞りの値を２０％以上とするには、例えば空冷によるプレス焼入れであれば焼入れ時の冷却速度を上げることが有効である。下記実施例に示すように、時効処理により高強度化したもので２０％以上の絞りを得ることができた。

なお、本発明に係るエネルギー吸収部材において、アルミニウム合金押出材の結晶組織は繊維状組織を有するものとする。ここで、繊維状組織とは、押出材にみられる熱間加工組織で、押し出し方向に長く伸ばされた結晶粒組織のことであり、等軸再結晶組織に比べて強度を高め、高い絞りを得て押出材の圧壊割れ性を向上させる。表面再結晶組織が形成された場合でも、押出材断面厚さの１／２程度以上の厚さで形成されている必要がある。また、アルミニウム合金押出材の断面形状は特に限定されるわけではないが、適宜の閉断面形状、例えば荷重方向にほぼ垂直に向く前後のフランジ部、及びそれらを連結し荷重方向にほぼ平行に向く一対のウエブ部からなる略矩形断面とされる。

表１に示す化学成分のＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金を常法により溶解し、半連続鋳造法により直径２００ｍｍの鋳塊に鋳造した。この鋳塊を均質化処理した後、図２に示す断面形状に押し出し、押出加工時の高温状態（４６０℃）から空冷により焼入れ（プレス焼入れ）した。空冷はノズルから噴射される高速の冷却空気を押出材の表面に直接噴射して行われ、その冷却速度は約３００℃／ｍｉｎであった。これは、プレス焼入れに用いられる通常のファン空冷よりかなり大きい冷却速度である。ただし、Ｎｏ．１１、１２については、プレス焼入れを通常のファン空冷（冷却速度；約２００℃／ｍｉｎ）により行った。続いて、この押出材を短尺に切断し、同じく表１に示す時効処理を施して供試材とした。

この供試材のウエブ部（幅４０ｍｍの側）から長さ方向にＪＩＳ５号試験片を採取して引張試験を行い、各供試材の機械的性質を測定した。また、３０ｔｏｎ万能試験機を用い、図３に示すように、専用ステイ２（供試材取付面：長さ方向８０ｍｍ×幅方向５０ｍｍ）に両面テープで固定した供試材３の上面より剛体４を押し付け、横圧壊試験を行った（変位量３５ｍｍ＝有効ストロークまで）。各供試材の機械的性質、横圧壊試験による各供試材の最大荷重、有効ストローク内の吸収エネルギーとその圧壊割れ性を表２に示す。表２に示す圧壊割れ性は、ウエブ部の割れ性を３段階で評価したもので、◎：割れなし、○：微小割れあり、肉厚を貫通する分断割れなし、×：分断割れあり、である。
なお、Ｎｏ．１（Ｎｏ．３、１１も同じ）については押出速度を７ｍ／分とし、その他はＮｏ．１と同等の表面品質が得られる限界押出速度を測定し、この押出速度がＮｏ．１に対し同等のもの（Ｎｏ．１の９０％以上の場合）を○、７０〜８９％の場合を△、６９％以下の場合を×と評価した。その結果を同じく表２に示す。

さらに、表１に示す化学成分のＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系合金鋳塊を、前記の押出材と同じ製造条件で押出成形−プレス焼入れし、２ｍｍ×１５０ｍｍの押出材（フラットバー）を得、これに同じ熱処理を施して供試材とした。各供試材について、耐ＳＣＣ性を下記要領にて測定した。
クロム酸水溶液（純水１リットル中、無水クロム酸３６ｇ、重クロム酸カリ３０ｇ、塩化ナトリウム３ｇ）を試験液として用い、各供試材から押出直角方向（ＬＴ方向）に応力がかかるように試験片を採取し、試験温度９５℃、３点曲げの要領で材料耐力の１００％及び７５％の負荷を与える条件で実施した。評価基準は、３６０分浸漬後、拡大鏡にて２５倍で観察し、材料表面の亀裂の有無で評価した。亀裂のないものを○、１００％負荷試験片のみ亀裂発生の場合は△、７５％負荷試験片にも亀裂発生の場合は×と評価した。

表２に示すように、組成が本発明の範囲内で絞りが２０％以上であるＮｏ．１は、最大荷重、吸収エネルギー及び耐割れ性など、横圧壊特性に優れ、押出性、耐ＳＣＣ性にも優れる。参考例であるＮｏ．２はＮｏ．１より強度が低い。
一方、組成が本発明の範囲内であるが、絞りが２０％未満であるＮｏ．３、４、１１、１２は耐割れ性に劣る。Ｎｏ．３については時効時間が不足したこと、Ｎｏ．４については再結晶組織であること、Ｎｏ．１１、１２については空冷によるプレス焼入れの冷却速度が低いことが影響した可能性がある。
また、主要成分が本発明の規定を外れるＮｏ．４〜１０は、絞りが２０％以上で耐割れ性は比較的よいが、押出性（Ｎｏ．５、９）、耐ＳＣＣ性（Ｎｏ．５、７、１０）、強度（Ｎｏ．６、８、９）、最大荷重及び吸収エネルギー（Ｎｏ．６、８、９）のいずれかの特性が劣っている。

バンパー補強材の変形前（実線）及び変形過程の一形態（仮想線）を示す図である。実施例に使用したエネルギー吸収部材の断面形状を示す図である。実施例の横圧壊試験方法を示す図である。

符号の説明

２ステイ
３供試材
４剛体

Claims

Ｍｇ：０．５〜１．８％（質量％、以下同じ）、Ｚｎ：４．０〜８．０％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％、Ｃｕ：０．０５〜０．６％を含有し、さらに、Ｍｎ：０．１〜０．７％、Ｃｒ：０．０３〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％のうち１種又は２種以上を合計で０．１〜０．４％含有し（但し、Ｚｒを単独で含有する場合は、Ｚｒ：０．１〜０．２％を除く。）、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、空冷によるプレス焼き入れ後時効処理されたアルミニウム合金押出材であり、これが繊維状組織を有し、かつＪＩＳ５号引張試験片にて引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０％以上、２６．３％以下であることを特徴とする圧壊特性に優れるアルミニウム合金押出材。