JP5893749B2 - アルミニウム合金 - Google Patents

Description

本発明は、運搬用車両での使用のために主に意図されるアルミニウム合金およびシート合金製品に関する。アルミニウム合金はＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ系に基づき、自動車の製造において有用なシート製品に特に適している。アルミニウム合金はさらに、複合材シート上のクラッド層としての使用にも適している。本発明はさらに、スチール部品およびアルミニウム合金部品を含む接合構造体にも関する。

自動車や他の運搬用車両の製造におけるアルミニウム合金の使用は何年にもわたって確立されてきた。具体的な部品の特定の要件に応じてさまざまな合金が使用される。ある実施形態では、材料は高強度のものであるのが望ましい。さらに他の用途は、より高い成形性を要求し、そのような場合、強度はあまり重要ではないと考えられる。例えば歩行者との衝突が起こった場合など衝撃下で容易に変形する材料に対する要望もあり、そのような材料はさらに低い強度を有し得る。そのような適用のためのアルミニウム合金製品は、シートから鍛造物、押出品から鋳造物まで様々な形態で提供される。

典型的には、アルミニウム合金は、その主な合金元素がＭｇおよびＳｉである６ＸＸＸシリーズの合金、またはその主な合金元素がＭｇである５ＸＸＸシリーズの合金由来である。その主な合金元素がＣｕである２ＸＸＸシリーズ合金が使用される場合がある。アルミニウムおよびその合金の命名および同定で最も一般的に使用される数指定システムの理解のためには、Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ出版、２００９年２月改訂の“Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ａｌｌｏｙ Ｄｅｓｉｇｎａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｌｉｍｉｔｓ ｆｏｒ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｎｄ Ｗｒｏｕｇｈｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙｓ”を参照のこと。

クラッドシートまたは複合材シートも、自動車および他の適用での使用について知られている。そのような製品では、複合材シートは、異なる化学組成を有する合金の少なくとも２つの層からなる。典型的にはコアと呼ばれる１つの層は、バルク機械的特性を提供し、一方、典型的にはクラッド層と呼ばれる第２の層は、特定の表面特性を提供する。クラッド層は通常コア層よりも薄い。通常、１つの組成を有するコア層が別の組成を有する２つのクラッド層の間に挿入されて、両クラッド層が同じ組成を有する３層シートを形成する。しかし、これは常にあてはまるわけではなく、各層が異なる組成を有する複数層の複合材シートが提供される可能性がある。

アルミニウム合金は、運搬用車両の組立で用いられる唯一の材料ではない；スチールは依然として重要な構造材料である。主に自動車構造に関するが、本明細書中で記載される発明は、限定されないが、航空機ならびに陸上車両、たとえば電車、バスおよびトラックをはじめとする他の運搬用車両、ならびにアルミニウム合金部品をスチール部品と接合させる必要がある他の産業応用に等しく応用可能である。自動車構造の場合を用いて発明の背景を説明し、その利益を証明する。

自動車構造内の様々な場所で、アルミニウム合金をスチール合金製品と接触させ、接合させなければならない。これによって問題が生じる。なぜなら、アルミニウムおよびスチールは、液相温度間の大きな差および低い元素間溶解度（inter-element solubility）のために、ＴＩＧ、ＭＩＧ、レーザー溶接、プラズマ溶接などの通常の溶接技術によって充分に接合することができないからである。実際、古典的に定義された溶接は、２つの溶融金属の合体（coalescence）という意味では起こらない。なぜなら、用いられる温度は一般的にスチールを溶融させるために充分高くないからである。したがって、おこなわれる熱接合（thermal joining）プロセスを記載するためにさまざまな用語が使用され、そのような用語としては、レーザー溶接、ブレイズ溶接などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。本質的には、そして本発明のためには、スチール部分と接合したアルミニウム部分を含む構造とは、アルミニウム合金部品の少なくとも一部を溶融させる熱処理から生じるものを意味する。

２成分Ａｌ−Ｆｅ平衡相図は、Ｆｅ_２Ａｌ_５、ＦｅＡｌ_３、ＦｅＡｌ_２およびＦｅＡｌなどの様々な平衡金属間化合物が存在することを示す。これらの金属間化合物は硬質で脆弱であることが知られている。加えて、通常の溶接技術および結果としての反応の高い入熱ならびにスチール部分とアルミニウム部分との間の拡散は脆弱な金属間化合物の厚い層を生じさせる可能性がある。スチール／アルミニウム接合面でそのような金属間化合物が存在することは、接合部の不良な機械的特性および脆弱な破壊挙動をもたらす可能性がある。アルミニウムとスチール合金との間の接合部はしたがって主要な構造的な弱さの部位になる可能性がある。適度な破壊強度を有する接合部、充分な延性を有するものが好ましい。

そのような接合部の界面強度および延性の改善が試みられてきた。１つのアプローチは、例えば溶接速度を増加させるか、またはバッキングブロックを添加して熱を除去するか、または溶接プロセスを中断することによって、接合プロセスへの入熱を減少させることであった。そのようなアプローチはコールドメタルトランスファー（Cold Metal Transfer）ブレイズ溶接（ＣＭＴ）の公知技術の範囲内で例示される。このアプローチの短所は、それを用いると、製造がより複雑であり、より高価であり、工業規模での大量生産に向かない減少した作業ウインドウ（operating window）があり、接触面強度は改善されるが、破壊モードは脆弱なままであることである。

溶接性を改善するための第２のアプローチは、Ｚｎを接合部に添加してＡｌ−Ｚｎ低融点共晶組織の形成を促進することであった。このアプローチでは、Ｚｎ充填材料が、空気雰囲気中で溶接操作の間にフラックスなしで使用されるか、またはＺｎクラッディングがスチール部品上で使用される。低入熱も併用することができる。Ｚｎを使用する問題は、レーザー溶接の間に蒸発する傾向があることである。さらに、Ｚｎは接合部領域の耐食性を低下させる。なぜなら、強い負の腐食電位を有するからである。

ＪＰ０４７６８４８７Ｂ２は、自動車用のアルミニウムおよびスチールの複合構造を得るための方法であって、レーザー光線を使用し、フラックスを使用しないでスチール板上でＡＡ５１８２合金のアルミニウム層を溶融させることを含む方法を記載する。

ＵＳ−Ａ−４，８１４，０２２は、Ｓｉ０．５、Ｍｇ０．１；Ｓｉ０．５、Ｍｇ０．２；Ｓｉ１．３、Ｍｇ０．５；Ｓｉ１．３、Ｍｇ０．１の座標を有する台形によって規定されるＳｉおよびＭｇを含む溶接可能なアルミニウム合金を記載する。合金は０．１〜０．５のＣｕをさらに含有する。組成を調整して、鋳造後の凝固の間のＭｇ_２Ｓｉの析出を制限し、合金中に発生して強化のために必要なこのＭｇ_２Ｓｉ析出物は、その後の熱処理から生じる。溶接可能な合金として記載されているが、実施例は、スチール部品ではなくそれ自体に溶接されている合金を記載している。

ＵＳ−Ａ−４，８０８，２４７は、最終アニーリングステップの適用を含むＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ−Ｍｇ合金を作成するプロセスを記載し、ここで、記載される合金は６０〜３６０℃まで加熱され、その温度で一定期間保持され、制御された方法で冷却される。３つの合金が記載され、それらすべてはＭｇ_２Ｓｉ強化析出物の形成を促進するためにＭｇを含有する。

ＵＳ−Ａ−５，５８２，６６０は、以下の組成を含む、自動車シートで使用するための合金を記載する；Ｓｉ１．０超〜約１．３、Ｍｇ０．２５超〜約０．６０、Ｃｕ約０．５〜約１．８、Ｍｎ約０．０１〜約０．１、Ｆｅ約０．０１〜約０．２、残余は実質的にアルミニウムおよび偶発的(incidental)元素および不純物である。Ｓｉと組み合わされたＭｇの存在は、Ｍｇ_２Ｓｉ強化析出物の形成に必須である。

ＷＯ９８／１４６２６は、圧延製品用のアルミニウム合金であって、重量％で以下の組成を有するものを記載する：Ｓｉ０．８〜１．５；Ｍｇ０．２〜０．７；Ｆｅ０．２〜０．７；Ｍｎ０．０１〜０．１；Ｃｕ０．２５まで；Ｃｒ０．１まで；Ｚｎ０．４まで；Ｖ０．２ｍまで、残余はＡｌである。シリコンおよびマグネシウムを強化Ｍｇ_２Ｓｉ析出物の形成のために添加する。Ｆｅを使用して、圧延中に分割され、分散された後に再結晶核形成として作用することができる充分な容積分率のＡｌ−Ｆｅ相を形成する。

研究者らはさらに、Ｐｏｔｅｓｓｅｒ ｅｔ ａｌ著、２００６年ＥＰＤ会議で発表された論文“Ｔｈｅ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｆｅ−Ａｌ Ｌａｙｅｒ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ−Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｗｅｌｄｉｎｇｓ”から明らかなＡｌ−Ｓｉはんだ合金の使用も企図した。

ＵＳ−Ｂ２−７，９４３，８８３は、鉄部材およびアルミニウム部材の接合のための方法を記載し、鉄部材は少なくとも接合面上にめっき層を含み、アルミニウム層は、アルミニウムコアと、鉄部材との接合面上に提供されたアルミニウムコア材料の融点よりも低い融点を有するアルミニウムクラッディングとにより形成される。アルミニウムクラッディング層の合金は、４．０〜１１．６重量％のＳｉ、残余のＡｌを有するＡｌ−Ｓｉ合金または５．７〜３３．２重量％のＣｕ、残余のＡｌを有するＡｌ−Ｃｕ合金のいずれかである。

さらに推奨されるのは、接合アルミニウムをスチールと接合させる場合に形成される接触面区域の厚さを減少させることであるが、このことは、溶接中に非常に厳しいプロセスウインドウ管理を必要とし、製造規模で達成するのが非常に困難である。

これらの提案は、アルミニウム合金生成物とスチール合金生成物との間の接合部の品質で依然として不満な点が多少ある。

フィラー合金（filler alloy）を使用することなくスチール合金と溶接することができ、適度な強度および延性破壊機序を有する接触面を提供するアルミニウム合金、強度と延性との間の利用可能な妥協の範囲を強化する有用な手段を提供することが本発明の１つの目的である。

本発明の第１の態様によると、以下の組成（全ての値は重量％である）であるアルミニウム合金が提供される：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで、
Ｍｇを含むすべての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）個々には０．０５以下の量で、全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウムである。

実施形態では、Ｍｎの量は偶発的、すなわち０．０５重量％以下である。実際、Ｍｎについて０．０８重量％の量が想定されるが、これは技術的目標を達成するのに性能を増強するためというよりむしろ、便宜上であり、商業的実用性のためである。

技術的問題に対する先行技術の解決策と対照的に、本発明者らは、アルミニウム合金の湿潤性を改善するため、高温割れ脆性（hot cracking shortness）に対する合金の感受性を低減するため、スチールからアルミニウム合金製品へのＦｅの拡散を変更するため、そしてスチールに近接して形成された金属間化合物の種類を、ＦｅＡｌ_３タイプよりもＦｅＡｌタイプを好むように偏らせるために、アルミニウム合金組成を適応させた。本発明による合金で、接触面は、スチール合金に隣接する区域中にＦｅＡｌを有する２つの金属間化合物タイプであるＦｅＡｌおよびＦｅ_２Ａｌ_５を含む高密度金属間化合物層によって特徴づけられる。加えて、本発明の合金で作成される接触面領域は比較的大きく、３つの異なる区域を含む。このより厚い接触面区域によって、より広い処理パラメータの使用が可能になり、より大きなプロセス柔軟性が得られ、それによって新規合金は大規模工業生産に好適になる。

Ｓｉを合金に添加して、固相温度を減少させ、湿潤性を改善する。これらの理由から、Ｓｉの下限は０．２５に設定される。さらに、Ｓｉの添加は溶接後に形成する高温割れの感受性を軽減するのに役立ち、Ｓｉの好ましい下限は０．５である。Ｓｉレベルが高いほどＡｌ（Ｆｅ３，Ｓｔ）タイプの金属間化合物の形成に有利であり、延性に対して悪影響を及ぼすので、Ｓｉの上限は１．５に設定され、Ｓｉの好ましい上限は１．２５である。

Ｃｕも、固相温度を低下させ、湿潤性を改善するために合金に添加されるが、Ａｌ−Ｆｅ金属間化合物タイプを修飾するためにも添加される。これらの理由から、Ｃｕ含有量の下限は０．３に設定される。しかしながら、Ｃｕの量は高すぎてはならない。なぜなら、Ｃｕ含有量が高いほど高温割れの危険性が増加するからである。さらに、Ｃｕ含有量が高いほど接合部延性が減少する。これらの理由から、Ｃｕの上限は１．５に設定されるが、状況によっては、Ｃｕについて１．２５の上限を設定することが望ましい場合がある。

Ｓｉと組み合わせたＭｇは強化Ｍｇ_２Ｓｉ析出物の形成に至るが、このことはここでは有益ではない。なぜなら、Ｍｇは接合部の品質の改善に寄与しないからである。Ｍｇ含有量が増加するにつれ、接合部の延性、合金の成形性および溶接品質、多孔性およびクラッキングが低下する。少量のＭｇは許容され得る（スクラップ再利用に適合するため）が、Ｍｇ含有量は個々の不純物元素の含有量を超えてはならない。

Ｍｎはさらに、高温割れ感受性または成形性に対して大きな影響を及ぼさないが、他の供給源からのリサイクルされた金属中に存在する可能性がある。ここで、それは他の元素の場合よりも多量で重大な悪影響がなく許容され得る。したがって、商業的理由（より多くのリサイクル）から、他の偶発的不純物元素について許容されるよりも多くの量がＭｎの場合に許容される。

限定されないが、Ｚｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｂ、ＣｒおよびＶなどの他の元素が、微量元素もしくは不可避の不純物の形態で、またはＴｉおよびＢの場合は結晶成長抑制剤の添加により、存在し得る。そのような微量元素または不可避の不純物または細粒化元素のそれぞれは、それぞれ０．０５未満、合計で０．１５未満の量で存在する。合金の残余はアルミニウムである。

本発明の第２の態様によると、複合材アルミニウムシートが提供され、前記複合材アルミニウム合金シートは、コアと少なくとも１つのクラッド層とを含み、クラッド層は以下の組成（全ての値は重量％である）である：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含むすべての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）それぞれ０．０５以下または全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウムである。

実施形態では、Ｍｎの量は偶発的、すなわち０．０５重量％以下である。実際、Ｍｎについて０．０８重量％の量が企図されるが、これは、技術的目標を達成する際の性能を増強するためというよりはむしろ、便宜上、商業的実用性のためである。

複合材シートとの関連において、「コア」層という用語は、複合材シートのバルク特性に最も寄与する複合材のバルク特性を示すために用いられ、「クラッド」という用語は、複合材シートの表面特性を提供する表面での合金を示すために用いられる。複合材シートは１つのコア層上に１つのクラッド層を含み得るが、さらに多くの場合、それらは１つのコア層の両側に２つのクラッドを含む。典型的には、クラッド層は、単独で、そして全体として、コア層よりも薄い。

合金を複合材シート上のクラッド層として使用する場合、コア層は、Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ Ｔｅａｌ Ｓｈｅｅｔｓを参照することによってわかるように６ＸＸＸシリーズ合金または５ＸＸＸシリーズ合金であり得る。コア層が６ＸＸＸシリーズ合金である場合、それはＡＡ６０１６、ＡＡ６０１６Ａ、ＡＡ６０１４、ＡＡ６０１１、ＡＡ６１１１、ＡＡ６００９、ＡＡ６０１０、ＡＡ６０２２およびＡＡ６４５１からなる群から選択することができる。コア合金が５ＸＸＸシリーズ合金である場合、それは、ＡＡ５００５、ＡＡ５１５２、ＡＡ５０５２、ＡＡ５０１８、ＡＡ５４５４、ＡＡ５７５４、ＡＡ５０５６、ＡＡ５４５６、ＡＡ５１８２、ＡＡ５１８６、ＡＡ５０５９、ＡＡ５０８３およびＡＡ５３８３からなる群から選択することができる。コアが高強度合金である複合材シートで新規合金を使用する利点は、たとえば塗料焼き付け（ｐａｉｎｔ ｂａｋｉｎｇ）の熱処理中などの車体のさらなる加工中に歪みの影響をはるかに受けにくいことである。

本発明の第３の態様によると、接合構造体（または接合用の構造部材、a joined structure）が提供され、接合構造体はスチール部品と、それと接合したアルミニウム合金部品とを含み、アルミニウム合金部品は以下の組成（全ての値は重量％である）であるアルミニウム合金から作成される：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含むすべての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）それぞれ０．０５以下、または全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウムである。

実施形態では、Ｍｎの量は偶発的、すなわち０．０５重量％以下である。実際、Ｍｎについて０．０８重量％の量が想定されるが、これは技術的目標の達成の際の性能を増強するためというよりむしろ、便宜上であり、商業的実用性のためである。

本発明の第４の態様にしたがって、接合構造体が提供され、この接合構造体はスチール部品と、それに接合したアルミニウム合金部品とを含み、アルミニウム合金部品は、コアと少なくとも１つのクラッド層とを含む複合材アルミニウム合金シートから作成され、クラッド層は以下の組成（全ての値は重量％である）である：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含むすべての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）それぞれ０．０５以下または全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウムである。

実施形態では、Ｍｎの量は偶発的、すなわち０．０５重量％以下である。実際、Ｍｎについて０．０８重量％の量が想定されるが、これは、技術的目標を達成する際の性能を増強するためというよりはむしろ、便宜上で商業的実用性のためである。

本発明に関して、「接合した（joined）」という語は、本発明の合金部品の少なくとも一部の溶融を引き起こす温度で作業する熱処理から生じる接合部を意味することが意図される。使用される熱処理はスチール部品の溶融に至らない。したがって、「溶接」は、２以上の溶融金属の合体という古典的な意味では起こらない。フラックスの使用は（使用することはできるが）必要ないので、プロセスは古典的なロウ付けではないが、プロセスをフラックスレスロウ付けと記載することができる。「ブレイズ溶接」という用語も使用されてきた。最も好都合にはレーザーからであるが、もしかすると他の供給源からの充分な加熱下で、アルミニウム合金部品の合金は溶融し、亜鉛コーティングが存在する場合はそのようなコーティングを含むスチール部品の表面層と反応する。温度は充分高いので、スチール部品から溶融したアルミニウムへのＦｅの拡散が起こり、溶融したアルミニウムが冷却し、凍結すると、金属間化合物を多く含む一連の層が形成され、Ａｌ／Ｆｅ比はスチール部品からの距離が増大するにつれ増大する。スチール部品上のＺｎコーティングは本発明のアルミニウム合金の湿潤性を改善し、そのようなＺｎ層を有するスチール部品が提供されることが好ましい。

本発明の第５の態様によると、接合構造体を作成する方法が提供され、この接合構造体はスチール部品およびアルミニウム合金部品を含み、スチールおよびアルミニウム合金部品は、アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理によって接合され、アルミニウム合金部品は以下の組成である合金から作成される：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含むすべての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）それぞれ０．０５以下または全体として０．１５以下の量で存在する
残余はアルミニウムである。

実施形態では、Ｍｎの量は偶発的、すなわち０．０５重量％以下である。実際、Ｍｎについて０．０８重量％の量が企図されるが、これは技術的目標の達成における性能を増強するためというよりむしろ、便宜上であり、商業的実用性のためである。

先行技術と比べて、スチール部品の前記アルミニウム合金との熱接合により、接合部の高温割れ耐性、延性および強度が改善される。

スチールシートとアルミニウムシートとの間の接触面領域で、他の種のＦｅ／Ａｌ金属間化合物よりもＦｅＡｌの粒子への偏りは、許容できない強度の損失なしに、接触面の脆弱性を低減し、より延性にするために役立つ。

本発明によるアルミニウム合金は、シート形態での主な使用を意図されるが、本発明の範囲はその形態に限定されない。当業者は、本発明の合金を押出などの他の製品形態で提供することができ、そしてそれでもなおスチール部品と溶接できることを理解するであろう。第１の焦点は自動車構造に関するものであるが、熟練した読者は、本発明の合金、およびスチールを組み入れた接合構造体におけるその使用が、輸送部門（船舶、鉄道、航空宇宙）、ならびに多くの他の産業応用（建築、工場の機械など）で多くのの異なる適用に応用可能であることに気付くであろう。

以下で、本発明を、実施例および本発明の実施形態で実施された試験結果を示す図面を参照してさらに詳細に記載する。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の範囲を限定することを意図するものではない。

本発明による合金の応力・変位曲線のプロットである。 平衡固相および液相温度に対するＣｕの効果のプロットである。 算出された高温割れ感受性に対するＣｕの効果のプロットである。 接合部延性に対するＣｕの効果のプロットである。 接合部強度に対するＣｕの効果のプロットである。 平衡固相および液相温度に対するＳｉの効果のプロットである。 接合部延性に対するＳｉの効果のプロットである。 接合部強度に対するＳｉの効果のプロットである。 曲げおよび伸びに対するＭｇの効果のプロットである。 溶接品質に対するＭｇの効果のプロットである。 接合部延性に対するＭｇの効果のプロットである。 相分析を含む、ＡｌＳｉ１０合金をスチールシートに溶接した場合に生じる接触面の２つの画像を示す。 相分析を含む、本発明による合金をスチールシートに溶接した場合に生じる接触面の２つの画像を示す。 スチールに接合後の２つの複合材シートについての応力・変位曲線のプロットであり、１つのシートは本発明によるシートであり、もう１つは先行技術によるものである。

実施例１
表１は小さなインゴットの形態の合成鋳造物の組成を記載し、各インゴットは２０×１５０×２００ｍｍである。

全ての合金は、他の元素を個々には０．０５未満、合計で０．１５未満含有し、残余はアルミニウムであった。試料８、９および１０は比較例であり、以下の請求項の範囲内に含まれない。

インゴットを空気炉中、５５０℃で６時間均質化し、１０ｍｍに熱間圧延し、１ｍｍに冷間圧延した。シート試料を４３０℃で１時間アニールして、再結晶を起こさせた。最終レベリング操作を適用して１ｍｍシートにした。

シート試料を次いでフラックスレスレーザー溶接プロセスによって接合させて、３ｋＷの定電力でＮｄ−ＹＡＧレーザーを使用して、７μｍの亜鉛層でコーティングされた（溶融亜鉛メッキ）低合金スチールの１ｍｍシートにした。接合形状は、６０°のレーザー角を有し、２枚のシート間にギャップのないフランジ溶接（Ｋｅｈｌｎａｈｔ）であった。レーザー速度はすべての合金組み合わせについて４ｍ／分であった。

平衡固相および液相温度に対する異なる元素の組成効果を、ＪＭａｔＰｒｏから得られる市販の熱力学ソフトウェアと社内のデータベースを組み合わせて使用して算出した。高温割れ感受性も、凝固区間（ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ）を経た固体フラクション発生（ｓｏｌｉｄ ｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）の熱力学的計算に基づいて算出した。どちらの場合も、公称合金組成を使用した。

接合したシートの試料をすべて染色浸透検査（ＤＰＩ）に供して、接合部の視覚的完全性を評価した。ＤＰＩ下での接合部の品質は、１が良好であり、４が不良（多数の高温割れおよび／または粗い有孔性を含む）である、１から４までの単純な序列法に基づく。

接触面区域で生じた金属間化合物の性質および分布を通常のＳＥＭおよびＥＤＸ分析によって評価した。

接合された試料をさらにラップせん断引張試験に付して、接合部破壊強度および延性を評価した。そのような図で通常の応力・歪み曲線を使用することは適切ではない。なぜなら、試験構成は、引張応力、したがって塑性変形が非検査物全体にわたって一定でないことを意味するからである。ラップせん断接合部に関する引張試験の結果は、試験中のグリップ間距離（本明細書中では標準運動距離として記載される）に対するアルミニウム部分における相当応力として表される。接合された試料のアルミニウム部分内の相当応力は加圧能力（ｎｏｍｉｎａｌ ｆｏｒｃｅ）をアルミニウム部分の断面積で割ったものである。標準運動距離は接合部の延性の表れである。

いくつかの試料を３点曲げ試験に供して成形性を評価した。試料の成形性をＤＩＮ５０１１１に基づくが、手順に若干の変更を加えた曲げ試験を使用して測定した。この試験では、あらかじめ１０％予歪み（単軸引張）を加えた６０ｍｍ×６０ｍｍのシート片を２つの円筒ローラー上に置き、ロールはシート厚さの２倍に等しい距離離れていた。各ロール直径は３０ｍｍであった。荷重をかけると、幅１００ｍｍの先細パンチバーはロール間のギャップ中にシートを押し込む。パンチ力を変位と同様に測定する。塑性変形（すなわち、クラッキングの開始）の時点で、シートを変形させるために必要な負荷は減少し、パンチ力は減少し、試験は自動的に停止する。このように試験されたシートはＶ字に変形し、Ｖの内角を測定する。この試験では、角が小さいほどシートの成形性が良好であると理解される。この試験（本明細書中では、以下、「修飾ＤＩＮ５０１１１試験」と称する）は他の成形性試験より好ましい。なぜなら、結果はたとえあったとしても操作者の判断にそれほど依存しないからである。

試料１〜３は合金の性能に対するＣｕの効果を示す。試料２と５〜７は、性能に対するＳｉの効果を示す。試料２と８〜１０は、性能に対するＭｇの効果を示す。

図１は、接合後の試料２の応力・変位曲線を示す。試験片の標準運動距離は、伸びに比例して非常に高く、このことは延性破壊モードを示し、これは破壊表面でも明らかであった。

Ｃｕの効果。図２は、Ｃｕ含有量をＡｌ０．５Ｓｉの基本組成に対して増加させることの合金の固相に対する効果を示す。Ｃｕを添加することで、固相温度が低下し、湿潤性が改善される。図３は、高温割れ感受性に対するＣｕの効果を示し、Ｃｕ含有量が１．５％まで増加する際に高温割れの可能性が高い。図４は接合部延性に対するＣｕの効果を示す。図５は、接合部破壊強度に対するＣｕの効果を示す。Ｃｕを０．５から１．０％まで増加させると破壊強度は増加するが、Ｃｕ含有量が１．５％まで増加すると、再度若干減少する。図３、４および５から、Ｃｕ含有量は１．５％未満でなければならず、好ましくは１．２５％までであることがわかる。

Ｓｉの効果。図６は、Ａｌ１．０Ｃｕの基本組成までＳｉ含有量を増加させることの、合金の固相に対する効果を示す。Ｓｉを添加することで固相温度が低下し、湿潤性が改善される。図７は、接合部延性に対するＳｉの効果を示す。Ｓｉ含有量を１．０％まで増加させることで、結合延性（ｂｏｎｄ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）は改善されるが、Ｓｉ含有量が１．５％以上まで増加する際に結合延性は急速に低下する。図８は、Ｓｉ含有量を増加させると接合部破壊強度の１％添加までの増加に至るが、破壊強度はさらに多くのＳｉが添加されるにつれ低下することを示す。図７および８から、延性および破壊強度に関して良好な接合部の品質を維持するためには、Ｓｉが１．５％以下、好ましくは１．２５％以下に限定されなければならないことがわかる。

Ｍｇの効果。図９は、修正されたＤＩＮ５０１１１試験を用いて測定される曲げ性に対するＭｇ含有量の効果を示す。伸びに対する効果はわずかである。Ｍｇ含有量が増加するにつれ、１０％予歪みを受けた試料の曲げ性は０．５のＭｇ含有量まで減少するが、その後、Ｍｇ含有量がさらに２％まで上昇するにつれて再度改善される。図１０は、ＤＰＩ後の接合部の見栄えに対するＭｇ含有量の効果を示す。Ｍｇが実質的にない状態から０．５ＭｇまでＭｇを添加することは、溶接品質が悪化（粗い多孔性および溶接クラックの存在）につながるが、２％Ｍｇを添加した場合、溶接品質は再度改善した。接合部延性に対するＭｇの効果を図１１に示し、Ｍｇ含有量の増加は溶接延性を低下させる。これらの理由から、Ｍｇ含有量は偶発的元素または不純物の量に限定される。

図１２ａ）およびｂ）は、スチールと接合させたＡｌＳｉ１０合金（試料０）で見られる接触面のＳＥＭ画像を示す。ＡｌＳｉ１０合金で生じる接触面では、接触面の幅は約１０μｍであり、スチール合金のすぐそばの領域は、ＦｅＡｌ_３（高いＡｌ／Ｆｅ比、原子％）を中心とする金属間化合物区域を含む。脆弱な構造は層中の多量の微小クラックから明らかである。図１３ａ）およびｂ）は、試料２をスチールと接合させた場合に生じる接触面のＳＥＭ画像とＥＤＸスペクトルとを示す。接触面の幅は約２０μｍであり、画像から高密度でクラックのない金属間化合物層が明らかになる。ＥＤＸ分析は、接触面での連続した金属間化合物層が様々なＡｌ／Ｆｅ比を有する２つの相から構成されることを明らかに示す。針状の金属間化合物およびより高いＡｌ／Ｆｅ比を有する層の上の第３の領域が存在する。最初の２つの金属間化合物タイプはＦｅＡｌおよびＦｅ_２Ａｌ_５の化学量論に近く、一方、第３のタイプはより脆弱なＦｅＡｌ_３に近い。接触面間には、スチール部品を本発明の合金と接合させた場合にスチール部品に隣接したＦｅＡｌタイプの層の存在を含む根本的な相違がある。

実施例２
「コア」層がＡＡ６０１６合金であり、１つの「クラッド」層が先行技術に特有のＡｌ−Ｓｉ合金（試料１１）または本発明のＡｌ−Ｃｕ−Ｓｉ合金（試料１２）のいずれかで施用された２つの複合材シート製品を製造した。各試料中のクラッド層は全シート厚さの１０％（＋／−１％）を占めていた。各層の合金組成を表２に示す。

インゴットを空気炉中、５５０℃で６時間均質化し、１０ｍｍに熱間圧延し、１ｍｍに冷間圧延した。シート試料を５４０℃で４０秒間固溶化熱処理し、換気扇によって急速に冷却し、次いで試料を１００℃で１時間保持することによってプレエージングさせた（ｐｒｅ−ａｇｅｄ）。

いくつかの試料を、典型的な成形操作のシミュレーションである１０％予歪みに付した後にＴ４ＰＸ状態に自然にエージングさせた。２％予歪みに付すことによって他の試料をＴ８Ｘ（塗料焼き付け）状態までさらにエージングさせ、続いて１８５℃で２０分間エージングさせ、２０５℃で３０分間熱処理に付すことによってＴ６２テンパリングでさらに多くの試料を調製した。３つの異なるテンパリング条件での試料１２の機械的特性を表３にまとめる。

それらを次いで実施例１で記載したのと同じレーザー溶接条件下でスチールシートと接合させた。接合部を機械的に試験して、接合部の強度および延性を評価した。

図１４の応力・歪み曲線は、試料１１および１２の両方の結果を示す。試料１２の場合、曲線はＴ８Ｘ条件の製品についてである。下記請求項によらない試料のこれらの品質と比べて、本発明の製品について達成される強度および延性は大幅に改善される。
なお、本発明は以下の態様を含む。
・態様１
アルミニウム合金であって、以下の組成（全ての値は重量％である）：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）個々に０．０５以下、全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウム、であるアルミニウム合金。
・態様２
前記Ｓｉ含有量が０．５〜１．２５である、態様１に記載のアルミニウム合金。
・態様３
前記Ｃｕ含有量が０．３〜１．２５である、態様１または２に記載のアルミニウム合金。
・態様４
０．０８重量％以下のＭｎを含有する、態様１〜３のいずれかに記載の合金。
・態様５
接合構造体であって、前記接合構造体がスチール部品と、それに接合したアルミニウム合金部品とを含み、前記アルミニウム合金部品が態様１に記載のアルミニウム合金から作成される、接合構造体。
・態様６
前記スチール部品と前記アルミニウム合金部品との間の接触面区域が、スチール部品に隣接するＦｅＡｌ層によって特徴付けられる、態様５に記載の接合構造体。
・態様７
コア層と少なくとも１つのクラッド層とを含む複合材アルミニウムシート製品であって、前記少なくとも１つのクラッド層が、以下の組成（全ての値は重量％である）：
Ｓｉ ０．２５〜１．５
Ｃｕ ０．３〜１．５
Ｆｅ ０．５まで
Ｍｎ ０．１まで
Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、（たとえあったとしても）それぞれ０．０５以下、全体として０．１５以下の量で存在し、
残余はアルミニウムであるアルミニウム合金である、複合材アルミニウムシート製品。
・態様８
前記コア層が５ＸＸＸおよび６ＸＸＸシリーズ合金の群から選択される合金から作成される、態様７に記載の複合材アルミニウムシート製品。
・態様９
前記コア層がＡＡ６０１６、ＡＡ６０１６Ａ、ＡＡ６０１４、ＡＡ６０１１、ＡＡ６１１１、ＡＡ６００９、ＡＡ６０１０、ＡＡ６０２２およびＡＡ６４５１からなる群から選択される合金から作成される、態様７に記載の複合材アルミニウムシート製品。
・態様１０
前記コア層がＡＡ５００５、ＡＡ５１５２、ＡＡ５０５２、ＡＡ５０１８、ＡＡ５４５４、ＡＡ５７５４、ＡＡ５０５６、ＡＡ５４５６、ＡＡ５１８２、ＡＡ５１８６、ＡＡ５０５９、ＡＡ５０８３およびＡＡ５３８３からなる群から選択される合金から作成される、態様７に記載の複合材アルミニウムシート製品。
・態様１１
接合構造体であって、前記接合構造体がスチール部品と、それに接合したアルミニウム合金部品とを含み、前記アルミニウム合金部品が態様７に記載の複合材アルミニウムシート製品から作成される、接合構造体。
・態様１２
接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチールおよびアルミニウム合金部品を、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理によって接合させ、前記アルミニウム合金部品が態様１に記載の合金から作成される、方法。
・態様１３
接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチールおよびアルミニウム合金部品を、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理によって接合させ、前記アルミニウム合金部品が態様７に記載の複合材アルミニウムシート製品から作成される、方法。
・態様１４
前記熱処理がレーザー溶接である、態様１２または１３に記載の方法。
・態様１５
ＦｅおよびＭｎを不純物として処理し、それらの存在量を実用可能な程度に減少させるステップを含む、態様１２〜１４のいずれかに記載の方法。
・態様１６
接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチール部品および前記アルミニウム合金部品が、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理、とりわけ、熱処理を含む、フラックスを使用しない接合方法により接合され、前記アルミニウム合金部品は、態様１〜４のいずれかに記載の合金、または態様７〜１０のいずれかに記載の複合材アルミニウムシート製品から作られる接合構造体を製造する方法。
・態様１７
前記熱処理が、レーザー溶接であり、とりわけ、前記熱処理がフラックスレスロウ付け、ブレイズ溶接またはフラックスレスレーザー溶接である、態様１６に記載の方法。
・態様１８
前記スチール部品が亜鉛で被覆されている、態様６に記載の接合構造体。

Claims (13)

1. 接合構造体であって、前記接合構造体がスチール部品と、それに接合したアルミニウム合金部品とを含み、前記アルミニウム合金部品が以下の組成（全ての値は重量％である）：
   Ｓｉ ０．２５〜１．５
   Ｃｕ ０．３〜１．５
   Ｆｅ ０．５まで
   Ｍｎ ０．１まで
   Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、個々に０以上０．０５以下、全体として０以上０．１５以下の量で存在し、
   残余はアルミニウム
   であるアルミニウム合金から作成される、接合構造体。
2. 前記スチール部品と前記アルミニウム合金部品との間の接触面区域が、スチール部品に隣接するＦｅＡｌ層によって特徴付けられる、請求項１に記載の接合構造体。
3. コア層と少なくとも１つのクラッド層とを含む複合材アルミニウムシート製品であって、前記少なくとも１つのクラッド層が、以下の組成（全ての値は重量％である）：
   Ｓｉ ０．２５〜１．５
   Ｃｕ ０．３〜１．５
   Ｆｅ ０．５まで
   Ｍｎ ０．１まで
   Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、それぞれ０以上０．０５以下、全体として０以上０．１５以下の量で存在し、
   残余はアルミニウム
   であるアルミニウム合金である、複合材アルミニウムシート製品。
4. 前記コア層が５ＸＸＸおよび６ＸＸＸシリーズ合金の群から選択される合金から作成される、請求項３に記載の複合材アルミニウムシート製品。
5. 前記コア層がＡＡ６０１６、ＡＡ６０１６Ａ、ＡＡ６０１４、ＡＡ６０１１、ＡＡ６１１１、ＡＡ６００９、ＡＡ６０１０、ＡＡ６０２２およびＡＡ６４５１からなる群から選択される合金から作成される、請求項３に記載の複合材アルミニウムシート製品。
6. 前記コア層がＡＡ５００５、ＡＡ５１５２、ＡＡ５０５２、ＡＡ５０１８、ＡＡ５４５４、ＡＡ５７５４、ＡＡ５０５６、ＡＡ５４５６、ＡＡ５１８２、ＡＡ５１８６、ＡＡ５０５９、ＡＡ５０８３およびＡＡ５３８３からなる群から選択される合金から作成される、請求項３に記載の複合材アルミニウムシート製品。
7. 接合構造体であって、前記接合構造体がスチール部品と、それに接合したアルミニウム合金部品とを含み、前記アルミニウム合金部品が請求項３に記載の複合材アルミニウムシート製品から作成される、接合構造体。
8. 接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチールおよびアルミニウム合金部品を、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理によって接合させ、前記アルミニウム合金部品が以下の組成（全ての値は重量％である）：
   Ｓｉ ０．２５〜１．５
   Ｃｕ ０．３〜１．５
   Ｆｅ ０．５まで
   Ｍｎ ０．１まで
   Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、個々に０以上０．０５以下、全体として０以上０．１５以下の量で存在し、
   残余はアルミニウム
   であるアルミニウム合金から作成される、方法。
9. 接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチールおよびアルミニウム合金部品を、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる熱処理によって接合させ、前記アルミニウム合金部品が請求項３に記載の複合材アルミニウムシート製品から作成される、方法。
10. 前記熱処理がレーザー溶接である、請求項８または９に記載の方法。
11. 接合構造体を製造する方法であって、前記接合構造体がスチール部品とアルミニウム合金部品とを含み、前記スチール部品および前記アルミニウム合金部品が、前記アルミニウム合金部品の少なくとも一部を融解させる、熱処理を含む、フラックスを使用しない接合方法により接合され、前記アルミニウム合金部品は、以下の組成（全ての値は重量％である）：
    Ｓｉ ０．２５〜１．５
    Ｃｕ ０．３〜１．５
    Ｆｅ ０．５まで
    Ｍｎ ０．１まで
    Ｍｇを含む全ての他の元素は偶発的であり、個々に０以上０．０５以下、全体として０以上０．１５以下の量で存在し、
    残余はアルミニウム
    であるアルミニウム合金、または請求項３〜６のいずれか１項に記載の複合材アルミニウムシート製品から作られる、接合構造体を製造する方法。
12. 前記熱処理が、フラックスレスロウ付け、ブレイズ溶接またはフラックスレスレーザー溶接である、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スチール部品が亜鉛で被覆されている、請求項２に記載の接合構造体。

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