JP5633810B2 - アルミニウム合金接合部材 - Google Patents

Description

本願発明は、アルミニウム合金材の端部間を摩擦撹拌接合により一体に接合した後、陽極酸化処理による皮膜を形成してなる車両用ホイールや筺体の製造に供されるアルミニウム合金接合部材に関する。

従来、車両用ホイールや筺体の製造では、その軽量性からアルミニウム合金接合部材が製造に供される。例えば車両ホイールの製造では、板状のアルミニウム合金材を円筒状とし、その端部を突き合わせた上で、該端部間を摩擦撹拌接合により一体に接合して円筒状とする。更に、両端をフレア加工によって製品として成形する。そして、接合部の反対の面を意匠面とし、該意匠面での耐食性や耐摩耗性を向上させるために陽極酸化処理による皮膜を形成してなるものである。
また、筺体の場合は、アルミニウム合金材からなる側材と蓋材とを摩擦撹拌接合により一体に接合している。そして、一体に接合した側材と蓋材とは接合部も含めて接合部側の表面を平滑に面削した上で、耐食性や耐摩耗性を向上させるために陽極酸化処理による皮膜を形成し意匠面とするものである。
ところが、上記意匠面において形成される陽極酸化皮膜には、該接合部に対応する部分とその他の部分との間で結晶粒径の相違によって皮膜に色調差が発生することがある。
そこで、アルミニウム合金接合部材の陽極酸化皮膜において接合部に対応する部分とその他の部分との間で発生する結晶粒径の相違による色調差を解消するために、熱処理を施して結晶粒径の均一化を図ることが提案されている（特許文献１及び２参照）。

しかしながら、上述のように熱処理によって結晶粒径の均一化を図っても、アルミニウム合金接合部材の陽極酸化皮膜における接合部に対応する部分とその他の部分との間で発生する色調差が十分に改善されないことがある。
そこで、まずアルミニウム合金接合部材における摩擦撹拌接合による接合部とそれ以外の部分とにおける表面及び断面ミクロ組織を詳細に比較検討した。その結果、接合部では粗大なＡｌ−Ｆｅ系及び／又はＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系からなる第二相粒子は撹拌により微細に粉砕されるので２μｍ以上の第二相粒子は減少し、５μｍ以上の第二相粒子はほとんど見出すことができないものである。そして、陽極酸化皮膜を形成する意匠面において接合部に相当する部分（以下、「接合部相当部分」という。）とそれ以外の部分とを比較検討すると、接合部相当部分では粗大な第二相粒子も含めた第二相粒子が偏って分布していることが見出された。即ち、このような接合部相当部分における偏って分布する第二相粒子では、陽極酸化皮膜にも当該分布が反映されるため、皮膜における色調差として認識されるものとなる。

特開２００３−２２５７８０号公報 特開２００３−２３０９７０号公報

解決しようとする課題は、アルミニウム合金接合部材の陽極酸化処理によって形成される皮膜における接合部相当部分での第二相粒子の偏った分布に起因する色調差を解消することである。

第１の特徴として、本願発明のアルミニウム合金接合部材を、
Ｍｇ：４．０質量％（以下、「％」とする。）超え６．０％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｆｅ：０．１％以下、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金材であって、
該アルミニウム合金材中に分布する第二相粒子の粒径が５μｍ以下とするものであって、
該アルミニウム合金材の端面同士を摩擦撹拌接合によって接合部を形成するように一体に接合し、
該接合部側の面あるいはその反対面において陽極酸化処理による皮膜を形成するものである。

そのため、上記アルミニウム合金材中では第二相粒子をなすＳｉ及びＦｅの含有量及び第二相粒子の平均粒径自体を制御するので、該アルミニウム合金材を摩擦撹拌接合により接合しても、接合部相当部分ではそれ以外の部分と比較しても第二相粒子の偏った分布は抑制される。その結果、該接合部相当部分とそれ以外の部分との間での、アルミニウム合金接合部材の陽極酸化皮膜における色調差を防止することができる。

ここで、上記アルミニウム合金接合部材に含有されるＭｇは、車両用ホイールや筺体の強度を調整に寄与するものである。そのため、４．０％以下では強度が不足し、６．０％超では成形が困難となるとともに、生産性の低下を招くものとなる。そこで、本願発明では４．０％超え６．０％以下とするものである。
さらに、Ｃｕは、陽極酸化処理後の皮膜全体の色調を均質にすることに寄与するものである。そのため、０．２％超では陽極酸化処理後の皮膜がＡｌ−Ｃｕ系の微細析出物の影響により混濁するので、本願発明では０．２％以下とするものである。
また、Ｓｉ及びＦｅは、Ａｌ−Ｆｅ系及び／又はＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系からなる第二相粒子を形成するものであって、該Ｓｉ及びＦｅの含有量が０．１％超であると、粒径が５μｍを超える粗大なＡｌ−Ｆｅ系及び／又はＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の第二相粒子が形成され易くなる。そのため、摩擦撹拌接合時には接合部で粗大な第二相粒子は優先的に粉砕されるが、接合部相当部分では、摩擦撹拌接合の撹拌により粗大なものも含めた第二相粒子は偏って分布することとなる。その結果、接合部相当部分において偏って分布する第二相粒子ではそれ以外の部分のものと比較しても陽極酸化皮膜における色調差の原因となるものである。そこで、本願発明ではＳｉ及びＦｅの含有量は０．１％以下とするものである。より好ましいＳｉ及びＦｅの含有量は０．０７％以下である。

第２の特徴として、第１の特徴を踏まえて、本願発明のアルミニウム合金接合部材を、
上記アルミニウム合金材中の第二相粒子が１００００個／ｍｍ^２以下で分布するものである。

そのため、アルミニウム合金材中に分布する第二相粒子を少なくすることで、摩擦撹拌接合時の撹拌により接合部相当部分ではそれ以外の部分と比較しても第二相粒子の分布の偏りを最小限にすることができる。その結果、陽極酸化皮膜における色調差をより確実に解消することができる。

ここで、第二相粒子の偏った分布は、上述のようにアルミニウム合金接合部材に陽極酸化処理による皮膜における色調差の原因となる。そのため、第二相粒子の分布密度が１００００個／ｍｍ^２超であると、摩擦撹拌接合時に接合部相当部分における第二相粒子の分布はその他の部分と比較して多く偏ったものとなる。そのため、陽極酸化皮膜に色調差が発生するものとなる。そこで、本願発明では、接合部相当部分における偏った分布を防止すべく第二相粒子自体の存在を少なくするものであって、第二相粒子の分布密度を１００００個／ｍｍ^２以下とするものである。

本願発明のアルミニウム合金接合部材は、接合部側の面あるいはその反対の面に対して陽極酸化処理による皮膜を形成しても、接合部相当部分とそれ以外の部分とにおける第二相粒子をなす金属の含有量、第二相粒子の粒径を制限することで、第二相粒子の偏った分布に起因する色調差を確実に解消して均一な陽極酸化皮膜を形成するので、アルミニウム合金接合部材の製品の品質の向上を図ることができる優れた効果を有する。更に、第二相粒子の分布密度を制御することで、より好ましく色調差の解消が図られる。

摩擦撹拌接合により接合したアルミニウム合金接合部材の陽極酸化皮膜において接合部相当部分とそれ以外の部分との間で発生する色調差を解消するという目的を、第二相粒子をなすＳｉ及びＦｅの含有量、第二相粒子の粒径を制限して実現した。更には分布密度まで制限してより好ましい形に実現した。

そこで、本願発明の効果について以下のようにして確認した。
まず、アルミニウム合金材には、第二相粒子をなすＳｉ及びＦｅのうち、ＳｉあるいはＦｅの含有量が上限近傍の２種類の５０００系アルミニウム合金を本発明材１あるいは本発明材２として使用した。ＳｉあるいはＦｅの含有量が上限をわずかに外れる２種類の合金を、比較材１あるいは比較材２として、本発明材１、２の比較例として使用した。
なお、該本発明材及び比較材の化学成分は表１に示す通りである。

本発明材と比較材の供試材は、半連続鋳造により鋳塊を製造した後、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延で２．５ｍｍの板厚にした後、最終焼鈍によりＯ材調質（軟化材）とすることで得た。それぞれ１００ｍｍ幅×２００ｍｍ長さの板を２枚製造し、長手方向を突合わせて、突合せ部を摩擦撹拌接合した。ツールの回転数は５００ｒｐｍ、接合速度は８００ｍｍ／分、ツールの直径は７ｍｍ、ピンの直径は３ｍｍとした。

上記本願発明の実施例としての本発明材１、２と比較例としての比較材１、２のアルミニウム合金材の長手端面を突き合わせた上で摩擦撹拌接合により接合部を形成するよう一体に接合し、接合後は接合部も含めた接合面をフライス盤による面削によって表層を０．５ｍｍ削除した後にペーパー研磨及びバフ研磨により表面を平滑にし、硫酸による陽極酸化処理により１０μｍ厚さの陽極酸化皮膜を形成した。

その結果、本願発明の実施例である本発明材１、２によるアルミニウム合金接合部材に形成された陽極酸化皮膜では、接合部相当部分とそれ以外の部分との間で色調差は認められず、本願発明の効果が確認された。一方、比較例である比較材１、２によるアルミニウム合金接合部材に形成された陽極酸化皮膜では、接合部相当部分とそれ以外の部分との間で色調差に起因する筋模様が目視で認められた。

さらに、上記本願発明の実施例である本発明材１、２によるアルミニウム合金接合部材及び比較例である比較材１、２によるアルミニウム合金接合部材において、接合部相当部分とそれ以外の部分とにおける０．５ｍｍ面削後の表面ミクロ組織を観察した。ミクロ組織はペーパー研磨及びバフ研磨の後、５％フッ酸でエッチングした後、光学顕微鏡で４００倍に拡大し、画像解析により、１μｍピッチで各粒径での１ｍｍ^２当りの分布数を測定することで得た。

その結果、本願発明の実施例である本発明材によるアルミニウム合金接合部材では、反対面接合部相当部分ではそれ以外の部分と比較しても第二相粒子は偏ることなく均一に分布しており、本発明材１の場合は最大粒径が４μｍであり、４μｍ以下の第二相粒子の分布密度は２５５０個／ｍｍ^２、本発明材２の場合は最大粒径が５μｍであり、５μｍ以下の第二相粒子の分布密度は５３６０個／ｍｍ^２であったのに対して、比較例である比較材によるアルミニウム合金接合部材では、接合部相当部分ではそれ以外の部分と比較して第二相粒子は偏って分布しており、比較材１の場合は最大粒径が６μｍであり、６μｍ以下の第二相粒子の分布密度は５７２０個／ｍｍ^２であり、比較材２の場合は最大粒径が７μｍであり、７μｍ以下の第二相粒子の分布密度は８４７０個／ｍｍ^２であることが確認された。

また、第２の特徴である分布密度について、その効果を確認した。
本発明材としては、前記の本発明材２を用い、比較材としてはＦｅ量を多く含有した比較材３を用いた。化学成分は表２に示す。供試材の製造方法、評価方法は前記と同じとした。

その結果、本発明材２は、陽極酸化処理後に接合部相当部分の色調差はなく筋模様は認められず、最大粒径が５μｍであり、５μｍ以下の第二相粒子の分布密度は３１６０個／ｍｍ^２であるのに対して、比較材３は、陽極酸化処理後に接合部相当部分に色調差が認められ、接合部相当部分ではそれ以外の部分と比較して第二相粒子は偏って分布しており、最大粒径が７μｍであり、７μｍ以下の第二相粒子の分布密度は１０６３０個／ｍｍ^２であった。

Claims (2)

1. Ｍｇ：４．０質量％（以下、「％」とする。）超え６．０％以下、Ｃｕ：０．２％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｆｅ：０．１％以下、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金材であって、
   該アルミニウム合金材中に分布する第二相粒子の粒径が５μｍ以下とするものであって、
   該アルミニウム合金材の端面同士を摩擦撹拌接合によって接合部を形成するように一体に接合し、
   該接合部側の面あるいはその反対面において陽極酸化処理による皮膜を形成する
   ことを特徴とするアルミニウム合金接合部材。
2. 上記アルミニウム合金材中の第二相粒子が１００００個／ｍｍ^２以下で分布する
   ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金接合部材。