JP5432262B2 - 自動車用クラッドシート製品 - Google Patents

Description

本発明は、自動車用用途での使用を主に意図される複合アルミニウムシート（またはアルミニウム複合材シート）に関する。該シート製品は、６×××系アルミニウム合金のコアおよび別の６×××系アルミニウム合金の少なくとも１つのクラッド層を有して成る。

自動車の製造におけるアルミニウムシート材料の利用は、長年にわたって確立されてきた。特定の部品に対する、自動車設計者の特別な要求に応じて、様々な合金が用いられる。ある用途では、材料は高い強度を有することが望ましい。しかしながら、他の用途は、より高い成形性を要求し、そのような場合には、強度はそれほど重要ではないと考え得る。例えば歩行者と衝突した場合など、衝撃を受けて、容易に変形する材料への要望も存在し、そのような材料は、更に低い強度を有してよい。

自動車用シートのユーザーにとっての成形性は、２つの要求を意味する。一般的にシートのバルク成形に関する、シートの厚さ方向のシートの成形性が存在する。第二は、シートが、極めて小さな半径で曲げられることができる度合いである。この後者の要求は、幾つかの自動車用部品にとって重要であり、そこにおいて、シートは後方へそれ自体に曲げられて、下層の支持パネルへの取り付け手段を形成する。この後方への曲げは、ヘム加工として知られており、このようにして、亀裂なく極めて小さな半径で曲げられることができるシートは、良好なヘム加工性を有すると言われる。

一般的に、この目的に用いられるアルミニウム合金は、６×××系合金、すなわちその主要な合金元素がＭｇおよびＳｉである合金、あるいは主要な合金元素がＭｇである５×××系合金からなる。アルミニウムおよびその合金を命名および同定する際に最も一般的に用いられる番号表示体系の理解には、アルミニウム協会によって出版され、２００１年１月に改訂された「鍛造アルミニウムおよび鍛造アルミニウム合金のための国際合金表示および化学組成範囲」を参照されたい。

多くの用途において、材料は、容易に形成されるが、塗料焼付け処理を経て、十分な機械的強度を発現させることが望ましい。６×××系合金は、それらの時効応答性のおかげで、これに特に適している。これらの合金における時効過程を理解するために、ここ１５〜２０年にわたってかなりの研究がなされ、いわゆる塗料焼付け応答性（ＰＢＲ）を最大化させるために種々の過程が存在し、それらは、供給時の（以後Ｔ４）テンパーから、成形および焼付け硬化後の最終的な（以後Ｔ８）テンパーまで、引張特性に違いがある。

より低いＴ４降伏強度および低減したＦｅ含有量は、成形性、特にヘム加工特性の改善を促すことがよく知られている。より低い降伏強度は、変形の容易さに関係する。すなわち、より低い降伏強度は、より小さな作業負荷しか用いずにシートを成形することができることを意味する。伸び率は、変形の度合いに関係する。低い降伏強度は、合金の溶質含有量を減少させることによって達成できるが、溶質含有量の減少は、塗料焼付け応答性を通常低下させる。そのような合金の一例は、アンチコロダル（登録商標）−１７０（以後ＡＣ１７０）という名前で市販されている。もう１つの合金は、欧州特許第１６８５２６８号により知られており、そこにおいて、その合金は、そのような方法で溶体化処理され、顕著な時効硬化を避ける。これら２つのうち、欧州特許第１６８５２６８号に基づく合金は、低めの溶質含有量を有し、優れたヘム加工性を保有する。他方、（同様に、ＡＡ６１１１のような高強度合金と比べて相対的に低い溶質含有量を有する）ＡＣ１７０は、欧州特許第１６８５２６８号による合金と比べて、わずかに劣るヘム加工性を有するが、時効硬化が起きる。その一方で、ＡＣ１７０では、合金が時効硬化するにつれて、ヘム加工性は経時的に悪化し、特に、ヘム加工前に予ひずみを与えた場合そうである。

上記のように、通常、機械的強度とヘム加工性との間には妥協が存在する。ヘム加工性は本発明の焦点であるが、材料が、塗料焼付けの間、ある程度時効硬化できる場合、自動車設計者にとって有益である。これは、設計者に、厚さ(gauge)の減少によって、最大限に軽量化することを可能にする。自動車製造業者に納品されたシートにおいて、機械的特性が、経時的に比較的安定したままである場合も望ましい。なぜなら、シートの納品後、そのようなシートを車体部品の製造に用いるまでに、幾らか遅れることがあるためである。例えば、ある期間の間に（数ヶ月間であってもよい）、ヘム加工性が変化する場合、シートの使用者は、それが、彼らの製造方法にあまり適するものではないことに気付くことがある。あるいは、シートは、早い段階でパネルまたはボンネットに形成され、後日、他の部品への接続だけが行なわれることがある。その接続方法にヘム加工が含まれる場合、ヘム加工特性は、その介在する期間にわたってほとんど変化しないことが望ましい。

１９８７年９月１２日に公開された日本国特許出願公開第６２−２０７６４２号は、６×××系合金のコアを、５×××系合金のクラッド層で被覆することを提案している（特許請求の範囲に記載された、そのクラッド層の組成範囲は、幾つかの６×××系合金を包含する、あるいはそれと重複しているが）。この刊行物は、クラッド層における０．５重量％よりも高いＳｉ含有量は、成形性を低下させるため、望ましくないことを教示している。そのような製品における６×××系合金および５×××系合金の混合は、それを再利用にはあまり適さないようにさせる。この刊行物は、クラッドシート製品のヘム加工特性については何も言及していない。

６×××系合金と１×××および３×××系合金との組み合わせは、米国特許出願公開第２００６−０１８５８１６号に開示されている。特に、従来組成の合金ＡＡ６１１１のコアの組み合わせが、従来のＡＡ３００３またはＡＡ３１０４のクラッド層とともに作られた。その複合構造体は、モノリシックＡＡ６１１１と比べた場合、成形性の改善をもたらした。ヘム加工特性は、開示されなかった。

国際公開第０７／１２８３９１号は、コアにおける６×××系合金とクラッド層における６×××系合金との組み合わせを有する複合製品を開示する。広いクレームにもかかわらず、明細書には、コア合金がＡＡ６０１６またはＡＡ６１１１のいずれかであり、クラッド層がＡＡ６００５Ａである、２つの実施例しか含まれていない。ヘム加工特性がどのように経時変化するかの報告はないが、その複合製品のヘム加工特性は、モノリシックコア合金単体のそれよりも良好であった。

日本国特許出願公開第２０００−１２９３８２号も、銅を含む６×××系合金を、銅を含まない６×××系合金の別の層で被覆することを開示する。成形性は、ヘム加工性ではなく、バルク成形性の度合いの尺度である−伸び率によって評価される。

これらの先行技術の開示はいずれも、予ひずみを与えた後も非常に良好なヘム加工特性であって、時効後も良好なままであるヘム加工性を提供し、同時に、塗料焼付けの間、著しく時効硬化する能力も示す、コアにおける合金とクラッド層における合金との組み合わせを提案していない。

従って、本発明の目的は、時効硬化することができ、かつ優れたヘム加工特性を有するアルミニウム合金クラッド製品を提供することであり、そのヘム加工特性は、かなりの期間の自然時効および予ひずみ後も、優れたままである。

この目的は、請求項１の特徴を有する自動車用クラッドシート製品によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項においてそれぞれ提示される。

本明細書にて広く用いられる場合、「シート」なる用語は、「プレート」または「箔」とも時々呼ばれる厚さ、ならびにプレートと箔の中間のシート厚さを包含するように意図される。

特許請求の範囲に認められる形態で合金成分を制限する理由は、下記の通りである。全ての値は重量％である。

Ｍｇ：コア層におけるＭｇ含有量は、０．４５−０．８に設定される。好ましくは、Ｍｇ含有量は０．５−０．７であり、最も好ましくは約０．６である。少なくとも１つのクラッド層におけるＭｇ含有量は、０．３−０．７に設定される。好ましくは、クラッド層におけるＭｇ含有量は、０．４−０．６であり、最も好ましくは約０．５である。

Ｓｉ：コアおよびクラッド層の双方におけるＳｉ含有量は、０．４５−０．７に設定される。好ましくは、コア層におけるＳｉ含有量は、０．５−０．７であり、最も好ましくは約０．６である。少なくとも１つのクラッド層におけるＳｉ含有量は、０．３−０．７の間である。好ましくは、少なくとも１つのクラッド層におけるＳｉ含有量は、０．４−０．６であり、最も好ましくは約０．５である。

ＭｇおよびＳｉは、大抵Ｍｇ_２Ｓｉとして結合し、時効硬化後、強度を向上させる。ＭｇまたはＳｉのいずれかが少なすぎると、得られる時効硬化は最小であり、このことは、コア合金組成物に対し、０．４５という各元素に対する下限を規定する。しかしながら、過剰なＳｉは一般的に成形性にとって、特に亀裂が起きないシートの最小曲げ半径に関して、不利益であるため、ＭｇおよびＳｉの上方の含有量が制限される。従って、ＭｇおよびＳｉ含有量は、所望の強化効果を達成し、かつ材料における多量の過剰なＳｉを防ぐような形でバランスがとられる。

Ｆｅ：コアおよび少なくとも１つのクラッド層の双方におけるＦｅ含有量は、０．３５未満に設定される。Ｆｅ含有量は、亀裂が起きない最小曲げ半径に重要な影響を与えることが知られている。Ｆｅは、通常アルミニウムに溶解できないが、例えばＡｌＦｅ（Ｍｎ）Ｓｉ相など、第２相成分として存在し、しばしば粒界に位置する。曲げたとき、成分界面にて亀裂が始まり、伝播する。従って、低いＦｅ含有量および好ましくは鉄含有相の微細分布は、シート製品の曲げ特性を改善すると考えられている。

Ｃｕ：コア層におけるＣｕ含有量は、０．０５−０．２５に設定される。この範囲内でのＣｕの添加は、Ｍｇ_２Ｓｉ析出だけから得られる強化を上回る更なる強化をもたらす。少なくとも１つのクラッド層における過剰なＣｕは、ヘム加工特性を低下させ、腐食挙動、特に糸状腐食を悪化させるため、望ましくない。少なくとも１つのクラッド層におけるＣｕ含有量は０．２０以下であるが、好ましくは、クラッド層へのＣｕの添加はなく、従って、その量は不純物の量に相当する。

Ｍｎ：コア層におけるＭｎ含有量は、０．０５−０．３に設定される。少なくとも１つのクラッド層におけるＭｎ含有量は、０．１５未満に設定される。好ましくは、少なくとも１つのクラッド層におけるＭｎ含有量は、０．１０未満である。コア合金におけるマンガンは、焼付け硬化強度に寄与し、熱処理したシートの結晶粒径および靱性を制御するのを助ける。しかしながら、少なくとも１つのクラッド層における過剰量は、好ましくない形でＭｎと関係するＦｅ含有粒子のサイズを増大させ、それゆえに、本発明に基づくシート製品の曲げ性に悪影響を及ぼす。

限定するわけではないが、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、ＣｒおよびＶのような他の元素が、微量元素または不純物として、あるいはＴｉおよびＢの場合には、結晶粒微細化剤として添加されることによって、コア層および少なくとも１つのクラッド層の双方に存在してよい。そのような微量元素または不純物各々は、それぞれが０．０５未満かつ合計が０．１５未満の量で存在する。合金の残部は、アルミニウムである。

本発明の好ましい実施形態において、自動車用クラッドシート製品は、６ヶ月の自然時効後、ＡＳＴＭ ２９０Ｃに基づいて測定した０．３未満という曲げファクタｒ／ｔを有する。より好ましい実施形態では、１２ヶ月の自然時効後も、曲げファクタは０．３未満のままである。更により好ましい実施形態において、６ヶ月の自然時効後、曲げファクタは０．２５未満であり、最も好ましくは、１２ヶ月の自然時効後、曲げファクタは０．２５未満である。

更に好ましい実施形態において、本発明の製品は、７５ＭＰａよりも大きい塗料焼付け応答性を有する。

本発明に基づくコアとクラッド層との組み合わせは、コア層の合金元素を含有するモノリシック合金よりも良好なヘム加工特性を達成し、時効硬化する能力を保有し、時効硬化の間および後に、ヘム加工特性に顕著な変化は見られない。

以下において、請求項に係る発明の実施形態に行なわれた試験の結果を示す、添付の図面を参照することによって、本発明をより詳細に説明する。詳細な説明も図面も、添付の特許請求の範囲によって規定される保護される技術的範囲を限定することを意図しない。

図１は、曲げ前に予ひずみのない、Ｔ４状態の本発明の製品および比較製品に対する曲げファクタの経時変化のプロットである。 図２は、曲げ前に５％の予ひずみを有する、Ｔ４状態の本発明の製品および比較製品に対する曲げファクタの経時変化のプロットである。 図３は、曲げ前に１０％の予ひずみを有する、Ｔ４状態の本発明の製品および比較製品に対する曲げファクタの経時変化のプロットである。 図４は、曲げ前に１５％の予ひずみを有する、Ｔ４状態の本発明の製品および比較製品に対する曲げファクタの経時変化のプロットである。

実施例：
ａ）サンプル調製：
本発明に基づく複合インゴットを、国際公開第０４／１１２９９２号に記載される方法を用いて鋳造した。複合インゴットは、２つの同一組成のクラッド層を有し、各々コア層のいずれかの側にあった。

比較する目的で、同様に国際公開第０４／１１２９９２号に記載される鋳造方法を用いて複合材料を鋳造し、国際公開第０７／１２８３９１号に基づくサンプルおよび日本国特許出願公開第６２−２０７６４２号に基づくサンプルを提供した。国際公開第０７／１２８３９１号に基づくサンプルの場合、コア層は６０１６合金で、２つのクラッド層は低溶質の６×××系合金であった。日本国特許出願公開第６２−２０７６４２号に基づくサンプルの場合、コア層は同様に６０１６合金で、２つのクラッド層は、ＡＡ５００５に基づく組成物であって、同じ組成物であった。

更に、確立されているモノリシックな自動車用シート合金ＡＣ１７０、ＡＡ６０１６および欧州特許第１６８５２６８号に基づく合金を、常套のＤＣ鋳造手段によって製造した。

試験した種々のサンプルの化学組成を表１に示す。全ての場合において、５６０ｍｍの厚さを有するインゴットを鋳造し、次に片側２５ｍｍを皮剥し除去した。この結果、クラッド製品の場合、２つのクラッド層がインゴットの厚さ全体の１０％を占めるシートを得た。

次に、インゴットを均質化し、常套のやり方を用いて、１．０ｍｍの最終厚さに熱間圧延および冷間圧延した。

次に、（欧州特許第１６８５２６８号に基づくサンプルを除いて、）全てのサンプルに対して、冷間圧延したシートを連続的な溶体化処理ラインにて溶体化処理し、最高到達板温約５６５℃を３０秒間提供した。溶体化処理（ＳＨＴ）後、シートを急冷し、予備時効を施し、その後、室温まで除冷した。

表１の組成物Ｂに基づくシートを、欧州特許第１６８５２６８号の教示に従って、５００℃というより低い温度で２０秒間、溶体化処理した。このサンプルは、予備時効処理によって著しく時効硬化することがないように構成されているため、このサンプルには予備時効処理を施さなかった。

全てのサンプルを、室温で数日間、人工的に時効させ、Ｔ４という供給時の状態を提供した。

焼付け硬化後（Ｔ８テンパー）の時効硬化応答性を評価するために、以下の冷間成形および時効処理をサンプルに施した：ひずみ２％および１８５℃で２０分間。

Ｔ４材のサンプルにも種々の量の予ひずみを施し、成形部品を作る場合に産業において用いられる成形の種類をシミュレートした。付加される予ひずみの量は、５、１０および１５％であった。曲げ性試験を用いて、１２ヶ月までの期間にわたってヘム加工特性を測定し、そこでは、Ｔ４シートを放置して自然に時効硬化させ、次に予ひずみを与え、次に曲げ性を試験した。曲げ性は、規格ＡＳＴＭ ２９０Ｃにて設定された手順に基づいて測定された。

表１：サンプルの組成、全ての値は重量％である。

比較例Ａは、別名ＡＣ１７０として知られている組成物であり、本発明のコア層組成物と非常に類似しているモノリシック組成物である。
比較例Ｂは、欧州特許第１６８５２６８号に基づくモノリシック合金である。
比較例Ｃは、確立されている自動車用シート合金ＡＡ６０１６の範囲内にあるモノリシック合金である。
比較例Ｄは、日本国特許出願公開第６２−２０７６４２号に基づく、６０１６合金コアおよび５×××系合金クラッド層を有するクラッド製品である。
比較例Ｅは、国際公開第０７／１２８３９１号に記載されているものに類似する、６０１６合金コアおよび６×××系合金クラッド層を有するクラッド製品である。

ｂ）引張特性
全てのサンプルの引張特性を、ツヴィック試験機Ｚ０５０を用いて測定した。

表２は、引張試験データ、すなわち先に明記した状態に基づく供給時のＴ４状態のものおよび焼付け硬化後のものに対する、降伏強度および最大抗張力を以下に示す。（全ての値はＭＰａである。）

本発明の製品の塗料焼付け応答性（ＰＢＲ）は、約８０ＭＰａのレベルで、適当であることが分かる。この応答性は、サンプルＡまたはＣよりも少し低いが、その応答性は、サンプルＢよりもかなり高く、自動車設計者にとって有用なままである。更にそれは、先行技術のクラッド製品で得られる塗料焼付け応答性のレベルと同程度である。

その上、Ｔ４状態の降伏強度は、比較クラッドサンプルＤおよびＥの降伏強度よりも低く、このことは、本発明の製品が、これらの製品よりも良好なバルク成形性も提供することを意味する。

ｃ）曲げ特性：
添付の図１〜図４に曲げ挙動を示す。

本発明の製品の曲げファクタは、１２ヶ月の期間にわたって比較的一定のままであり、０．３をはるかに下回るレベルのままである。試験前の予ひずみ量を変化させても、いずれの場合も、問題にならない。

対照的に、予ひずみ０％のサンプルＡの曲げファクタ（本発明のコア合金層と同じ組成を有するモノリシック合金）も低い値であり、予ひずみ０％の場合、経時的に比較的一定であった（わずかな増加が見られてもよい）。しかしながら、ひとたび予ひずみが増大すると、曲げファクタは、高くなる傾向があり、時間とともにより大きな増加が見られる傾向がある。予ひずみが５％になった後でさえ、曲げファクタの値には顕著な経時変化があり、その値は、６ヶ月の時効後０．３を上回る。予ひずみ１０％で６ヶ月の時効後では、曲げファクタは０．３６であったが、これは、次の６ヶ月かけて０．５の値に増加した。

サンプルＢは、上記から分かるように、低い塗料焼付け応答性を有するサンプルであって、本発明の製品のように、予ひずみに関係なく、経時的に安定なままの優れた曲げ性を有する。

サンプルＣは、適度に高い強度を有するモノリシック６０１６合金であって、約０．５またはこの値をはるかに上回る、比較的悪い曲げファクタの値を有する。

サンプルＤは、５×××系クラッド層を有する６０１６合金コアであって、予ひずみ０％で３ヶ月の時効後、０．３３という曲げファクタを有したが、これは、６ヶ月の時効後、０．４の値にわずかに増加した。サンプルに５、１０および１５％の予ひずみを施した場合、曲げファクタに一層顕著な変化が観察され、曲げファクタは、０．５〜０．６５の範囲内の値に上昇した。

サンプルＥは、低溶質の６×××系クラッド層を有する６０１６合金コアであって、サンプルＤよりも低い曲げファクタを一般的に有した。実際に、予ひずみ０％で３ヶ月の時効では、曲げファクタは０．１６と非常に低かった。しかしながら、曲げファクタは経時的に増加し、変化率は、試験をした他のサンプルの幾つかと比べてかなり大きく、６ヶ月の時効後、予ひずみ量にかかわらず、曲げファクタは常に０．４またはそれを上回った。要するに、曲げデータと組み合わせた引張データの解析は、本発明の製品が、曲げ前の予ひずみの量にかかわらず、経時的に比較的一定なままの優れたヘム加工性を提供し、更に、適当な度合いの焼付け硬化性を提供することができることを示す。試験した先行技術のサンプルはどれも、この組み合わせの特性をもたらさなかった。一旦形成されると、本発明のシート製品は、焼付け処理の間硬化できるのに対して、同じ曲げ挙動を有するモノリシック合金は、そうすることができない。

本発明に基づく製品は、自動車構造体での使用に理想的に適している。

Claims (16)

1. コア層および少なくとも１つのクラッド層を有して成る自動車用クラッドシート製品であって、コアは、質量％で以下の組成の合金で作られ、
   Ｍｇ ０．４５−０．８
   Ｓｉ ０．４５−０．７
   Ｃｕ ０．０５−０．２５
   Ｍｎ ０．０５−０．２
   Ｆｅ ０．３５以下
   他の元素（または不純物） それぞれが０．０５未満かつ合計が０．１５未満
   残部 アルミニウム
   
   少なくとも１つのクラッド層は、質量％で以下の組成の合金で作られている、
   Ｍｇ ０．３−０．７
   Ｓｉ ０．３−０．７
   Ｍｎ ０．１５以下
   Ｆｅ ０．３５以下
   他の元素（不純物） それぞれが０．０５未満かつ合計が０．１５未満
   残部 アルミニウム
   
   自動車用クラッドシート製品。
2. 製品は、１つのクラッド層がコア層のそれぞれの側にある、２つのクラッド層を有して成ることを特徴とする、請求項１に記載のクラッドシート製品。
3. ２つのクラッド層は、同じ組成であることを特徴とする、請求項２に記載のクラッドシート製品。
4. 少なくとも１つのクラッド層におけるＭｇ含有量は、０．４−０．６であることを特徴とする請求項１に記載のクラッドシート製品。
5. 少なくとも１つのクラッド層におけるＭｇ含有量は、０．５であることを特徴とする請求項１に記載のクラッドシート製品。
6. 少なくとも１つのクラッド層におけるＳｉ含有量は、０．４−０．６であることを特徴とする請求項１に記載のクラッドシート製品。
7. 少なくとも１つのクラッド層におけるＳｉ含有量は、０．５であることを特徴とする請求項１に記載のクラッドシート製品。
8. コア層におけるＭｇ含有量は、０．５−０．７であることを特徴とする、請求項１〜請求項７の１つに記載のクラッドシート製品。
9. コア層におけるＭｇ含有量は、０．６であることを特徴とする、請求項１〜請求項８の１つに記載のクラッドシート製品。
10. コア層におけるＳｉ含有量は、０．５−０．７であることを特徴とする、請求項１〜請求項９の１つに記載のクラッドシート製品。
11. コア層におけるＳｉ含有量は、０．６であることを特徴とする、請求項１〜請求項１０の１つに記載のクラッドシート製品。
12. ６ヶ月の自然時効後、ＡＳＴＭ ２９０Ｃによって測定した曲げファクタは、０．３未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項１１の１つに記載のクラッドシート製品。
13. １２ヶ月の自然時効後、ＡＳＴＭ ２９０Ｃによって測定した曲げファクタは、０．３未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項１２の１つに記載のクラッドシート製品。
14. ６ヶ月の自然時効後、ＡＳＴＭ ２９０Ｃによって測定した曲げファクタは、０．２５未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項１３の１つに記載のクラッドシート製品。
15. １２ヶ月の自然時効後、ＡＳＴＭ ２９０Ｃによって測定した曲げファクタは、０．２５未満であることを特徴とする、請求項１〜請求項１４の１つに記載のクラッドシート製品。
16. 焼付け応答性は、７５Ｍｐａよりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項１５の１つに記載のクラッドシート製品。

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