JP5767624B2 - 電磁成形用アルミニウム合金中空押出材 - Google Patents
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Description
一方、近年の電磁成形用コイルは、耐久性が向上し、より高い電磁力を出力できるようになってきた。そのため、6000系アルミニウム合金より高強度な7000系アルミニウム合金に対する電磁成形の適用が検討されている。
特許文献5〜7に記載された7000系アルミニウム合金中空押出材は、いずれもMn、Cr、Zrの1種以上を相当量含み、結晶組織は主として繊維状組織であり、優れた拡管成形性を有するとされている。なお、一般的に構造部材に用いられる7000系アルミニウム合金は、耐SCC性(耐応力腐食割れ性)向上のため、Cr、Mn、Zr等の遷移元素を添加して結晶組織を繊維状にし、結晶粒の微細化を図っている。
しかし、結晶組織が主として繊維状組織からなる7000系アルミニウム合金中空押出材を、ポートホール押出で成形し、この中空押出材に対し電磁成形による拡管を適用した場合、実用レベルである20%以上の拡管率(拡管率の定義は特許文献3参照)で拡管しようとしたとき、成形品に割れが発生するという問題がある。
この推測に基づき、本発明では、ポートホール押出で成形した7000系アルミニウム合金中空押出材の断面全体を再結晶組織として、溶着部と非溶着部の組織差を小さくし、その結果、電磁成形で拡管したとき優れた拡管成形性を得ることができた。
[合金組成]
Zn:3.0〜8.0質量%
Znは、Mgとともに金属間化合物であるMgZn2を形成して、7000系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Zn含有量が3.0質量%未満では十分な強度が得られず、8.0質量%を越えると強度が高くなりすぎ、現状の電磁成形用コイルの電磁力では、実用レベルの拡管率が得られない。Zn含有量は4.0〜7.0質量%が望ましく、さらに4.5〜6.5質量%が望ましい。
MgはZnとともに金属間化合物であるMgZn2を形成して、7000系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Mg含有量が0.4質量%未満では十分な強度が得られず、2.0質量%を越えると強度が高くなりすぎ、現状の電磁成形用コイルの電磁力では、実用レベルの拡管率が得られない。Mg添加量は0.4〜1.7質量%が望ましく、さらに0.4〜1.5質量%が望ましい。
Cuは7000系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Cu含有量が0.05質量%未満では十分な強度が得られず、2.0質量%を越えると強度が高くなりすぎ、現状の電磁成形用コイルの電磁力では、実用レベルの拡管率が得られない。Cu含有量は0.08〜1.7質量%が望ましく、さらに0.1〜1.5質量%が望ましい。
Tiは鋳造時における結晶粒を微細化する作用があり、電磁成形による拡管成形性が向上するため添加される。望ましい添加量は、0.005%以上である。一方、0.2%を越えると前記効果が飽和し、さらに、粗大な金属間化合物が晶出して、かえって電磁成形による拡管成形性を阻害する。従って、Tiの添加量は0.005〜0.2%とし、より望ましくは0.01〜0.1%、さらに望ましくは0.01〜0.05%とする。
Fe:0.35質量%以下
Si及びFeはアルミニウム地金に含まれる不可避的不純物であり、合金中に多量に存在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、押出材の延性を低下させる。このため、Si含有量は0.3質量%以下(0質量%を含む)、Fe含有量は0.35質量%以下(0質量%を含む)に制限する。望ましくはSi含有量は0.2質量%以下(0質量%を含む)、Fe含有量は0.25質量%以下(0質量%を含む)に制限する。
Mn、Cr、Zrは、7000系アルミニウム合金押出材の結晶組織を繊維状にし、耐SCC性(耐応力腐食割れ性)を向上させる作用があるため、押出材を構造部材として用いる場合は一般的に添加されている。しかし、先に説明したとおり、押出材が繊維状組織からなる場合、電磁成形による拡管で割れが発生しやすく、割れの発生なしに実用レベルである20%以上の拡管率が得られない。本発明では、押出材の断面全体を再結晶組織とするため、Mn、Cr及びZrの1種又は2種以上の合計を0.10質量%以下(0質量%を含む)に制限し、望ましくは0.08質量%以下とし、さらに望ましくは0.05質量%以下とする。
ポートホール押出で成形した7000系アルミニウム合金中空押出材の結晶組織が繊維状組織である場合、溶着部と非溶着部の組織差が大きく、強度差も大きい。このため、先に説明したとおり、この中空押出材に電磁成形による拡管を適用したとき、溶着部が応力集中部となり、同溶着部に割れが発生する。
これに対し、中空押出材の断面全体が再結晶組織である場合、電磁成形による拡管を大きい拡管率で行っても割れが発生しにくく、優れた拡管成形性を示す。これは、再結晶組織の中空押出材の場合、繊維状組織の中空押出材に比べ、溶着部と非溶着部の組織差及び強度差が小さく、電磁成形で拡管するとき溶着部が応力集中部になりにくいためと推測される。
従って、本発明に係る中空押出材は、断面全体が再結晶組織からなるものとした。本発明では、最も再結晶化しにくい(繊維状組織が残りやすい)板厚中心部において結晶粒の平均アスペクト比が5.0以下のとき、中空押出材の断面全体が再結晶組織からなるものと定義した。なお、アスペクト比が5.0以下というのは、結晶粒が等軸晶又は等軸晶に近い形態の再結晶粒であることを意味する。
電磁成形コイルの電磁力には実用上限界があることから、押出材をあまり高強度にすると、電磁成形による拡管で高い拡管率が得られなくなる。しかし、後述する実施例に示すように、電磁成形時の耐力が300N/mm2以下であれば、実用レベルの拡管率20%以上を得ることができる。電磁成形は一般に時効処理前に行うから、本発明に係る7000系アルミニウム合金中空押出材は、押出後の質別T1(特に自然時効が進行していない段階)の耐力が300N/mm2以下になるように、強化元素であるZn,Mg,Cuの含有量の上限値を規定している。ただし、電磁成形時の押出材の質別はT1(特に自然時効が進行していない段階)に限定されるものではなく、人工時効材、O材等の質別もあり得る。いずれの場合でも、電磁成形時の耐力が300N/mm2を超える場合、電磁成形機の電磁力限界から十分な拡管率が得られない。ここで、人工時効処理には亜時効、ピーク時効、過時効があり、高強度を得るにはピーク時効が望ましい。しかし、亜時効であればピーク時効に対して若干強度は低下するが、局部伸びが増加するため、例えばバンパーステイの圧壊割れ性を向上させることが出来る。また、過時効もピーク時効に比べ強度が低下するが、耐SCC性が向上するというメリットがある。
本発明では、拡管率の定義は特許文献3と同じとする。すなわち、拡管率δは、電磁成形による拡管前(又は未拡管部)の中空押出材の外周長さをL0、拡管後の外周長さをLとしたとき、下記(1)式で定義される。具体例を説明すれば、中空押出材の端部にフランジを成形する場合(特許文献3の図4(a)参照)、これも一種の拡管とみて、拡管前(又は未拡管部)の外周長さをL0、成形されたフランジの外周長さをLとする。また、いわゆる拡管の場合(特許文献3の図4(b)参照)、拡管前(又は未拡管部)の外周長さをL0、拡管部の外周長さ(最大径の箇所)をLとする。
δ={(L−L0)/L0}×100(%)・・・・(1)
なお、本発明に係る押出材は円形断面のものに限られず、例えば楕円、多角形等の異形断面のものを含む。また、円形断面のものを楕円、多角形等の異形に拡管する場合を含み、又はその逆もあり得る。
本発明に係るアルミニウム合金中空押出材を用いた電磁成形は、20〜120%の拡管率で行われる。拡管率が小さく20%未満の場合は、本発明に係るアルミニウム合金中空押出材でなくても電磁成形による拡管が可能であるため、拡管率は20%以上が望ましい。また、拡管率が120%を超える場合、成形性に優れる本発明に係るアルミニウム合金中空押出材であっても割れやネッキングが生じるため、拡管率は120%以下が望ましい。さらに拡管率は30〜100%が望ましく、さらに40〜90%が望ましい。
この押出材を用い、下記要領で結晶組織の観察、電磁成形試験、及び引張試験を行った。その結果を表1,2に示す。
押出材の非溶着部の断面(押出方向に平行で板厚方向に垂直な断面)をケラー液でエッチングし、同断面の顕微鏡組織写真を撮影し、その組織写真から、JISH0501の切断法に準拠して、板厚中心部の押出方向及び板厚方向の平均結晶粒径を測定した。平均結晶粒径の測定範囲は、1/2tのライン(板厚の中心)を中心として板厚方向内外に500μm(計1000μm)×押出方向に500μmの範囲とした。押出方向の平均結晶粒径(a)と板厚方向の平均結晶粒径(b)の比を計算し、a/b又はb/aの大きい方の値を、板厚中心部の結晶粒の平均アスペクト比とした。なお、B5,B7〜B11については、繊維状の結晶組織が押出方向に細かく形成され、平均結晶粒径が測定できなかったが、平均アスペクト比は明らかに10を超えていると推測された。
一方、平均結晶粒径の測定とは別に、前記断面全体(1/2tのラインから表面まで)の結晶組織の観察を行ったところ、板厚中心部の結晶粒の平均アスペクト比が5.0以下のA1〜A22及びB1〜B4は、いずれも断面全体(表面から断面中央部まで)が明らかに再結晶組織からなり、一方、Mn、Cr、Zrの含有量が比較的多いB5〜B11は、いずれも断面のほぼ全体が繊維状組織からなることが確認された。図1(a),(b)にA1及びB7の顕微鏡組織写真の一部を示す。
押出後26時間室温(25℃)で放置して自然時効した押出材(T1材)を、長さ110mmに切断して供試材とし、電磁成形試験機を用いて室温で拡管試験を行った。電磁成形試験は図2に示すように、パイプ状の押出材1の周囲を電磁成形用金型2(2つの分割金型から構成される)で拘束するとともに、押出材1の端部を金型2の端面3(成形面)から突き出させ、押出材1の内部に装入した電磁成形用コイル4に、実用上最大レベルの電気エネルギーを投入した。供試材A1〜A16,B1〜B11については、押出材1の端部の突出長さを35mmとし、供試材A17〜A22については、押出材1の端部の突出長さを55mmとし、投入する電気エネルギーの大きさは全て一定とした。
押出後26時間室温(25℃)で放置して自然時効した押出材(T1材)を供試材とし、この供試材から引張試験片(JIS12B号)を採取し、常温にて、クロスヘッドスピード2mm/分で引張試験を実施し、耐力値を測定した。また、いずれも26時間自然時効後、A1〜A9,A13,A17〜A22,B1〜B11についてはさらに90℃×3h→140℃×8hの条件で人工時効処理し、A10〜A12についてはさらに90℃×3h→130℃×6hの条件で人工時効処理し、A14〜A16についてはさらに室温(25℃)で30日間の自然時効した押出材を供試材とし、前記要領で引張試験を実施し、耐力値を測定した。
一方、Zn含有量が規定より少ないB2は、高い拡管率が得られるが、人工時効後の耐力が低く、高強度合金である7000系アルミニウム合金を用いたメリットが得られない。
Mn,Cr,Zrの含有量が規定よりも多いB5〜B10は、いずれも図1(b)のような繊維状組織を呈し、図3(b)のように大きく拡開したフランジ部が形成されたが、溶着部割れ(矢印6で示す)が発生した。
Mg、Zn及びZrの含有量が規定よりも多いB11は、繊維状組織を呈しているが、電磁成形機の電磁力限界から拡管率が6%と低く、溶着部割れは発生していない。
2 金型
3 金型の端面(成形面)
4 電磁成形用コイル
5 フランジ部
6 溶着部割れ
Claims (5)
- Zn:3.0〜8.0質量%、Mg:0.4〜2.0質量%、Cu:0.05〜2.0質量%、Ti:0.005〜0.2質量%、Si:0.3質量%以下、Fe:0.35質量%以下、Mn、Cr及びZrの1種又は2種以上の合計が0.10質量%以下、残部Al及び不可避的不純物からなり、断面全体が再結晶組織からなることを特徴とするポートホール押し出しされた電磁成形用アルミニウム合金中空押出材。
- 20%〜120%の拡管率で電磁成形されることを特徴とする請求項1に記載された電磁成形用アルミニウム合金中空押出材。
- 請求項1に記載されたアルミニウム合金中空押出材からなり、20%〜120%の拡管率で電磁成形されたことを特徴とする電磁成形部材。
- 時効処理により耐力を190〜400N/mm2としたことを特徴とする請求項3に記載された電磁成形部材。
- 請求項1又は2に記載されたアルミニウム合金中空押出材を用い、20%〜120%の拡管率で電磁成形後、時効処理を行うことを特徴とする電磁成形部材の製造方法。
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