JP5968285B2 - バンパー補強材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱処理型アルミニウム合金押出材からなるバンパー補強材とその製造方法に関する。

特許文献１〜４には、対向配置された一対のフランジとそれらに連結された複数のウエブからなるアルミニウム合金押出材の端部領域に、フランジ面に対し垂直方向に潰し加工を施し、ドアビームやバンパー補強材等の自動車用補強部材を製造することが記載されている。このうち、特許文献２には、プレス焼き入れした６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金押出材について、時効硬化処理後に潰し加工を行うことが記載されている。また、特許文献４には、プレス焼き入れした６０００系又は７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）アルミニウム合金押出材について、押出後のＴ１調質の状態で潰し加工を行い、その後に時効硬化処理を行うことが記載されている。

一方、特に７０００系アルミニウム合金押出材は、プレス焼き入れ後、時効硬化処理前の材料（Ｔ１調質材）でも、自然時効によって硬化し、成形性が低下している。その成形性を改善するため、例えば特許文献５〜７に記載されているように、従来より、自然時効により硬化した７０００系アルミニウム合金の強度を低下させる復元処理が行われている。

特許第３４６５８６２号公報 特許第４１１１６５１号公報 特開平７−２５２９６号公報 特開２００３−１１８３６７号公報 特開平７−３０５１５１号公報 特開平１０−１６８５５３号公報 特開２００７−１１９８５３号公報

アルミニウム合金中空押出材からなるバンパー補強材において、特許文献３に記載されたようにバンパー補強材の端部に潰し加工を施した場合、潰し加工を施した箇所において水平面内の断面係数が減少する。このため、端部衝突時にバンパー補強材に発生する反力が低下し、バンパー補強材のエネルギー吸収量が減少するという問題が生じる。アルミニウム合金が６０００，７０００系等の熱処理型アルミニウム合金であれば、潰し加工前にバンパー補強材の端部に復元処理を施し、潰し加工後に時効硬化処理を行うことで、潰し加工による割れの発生を防止でき、かつバンパー補強材全体の強度が向上するが、これは上記問題点の本質的な改善にはならない。
従って、本発明は、アルミニウム合金中空押出材からなるバンパー補強材において、端部にこのような潰し加工を施した場合に生じる上記問題点を改善することを目的とする。

本発明は、熱処理型アルミニウム合金中空押出材からなり、車幅方向の一方又は両方の端部に潰し加工を受け、潰し加工後に全体が時効硬化処理を受けたバンパー補強材において、潰し加工を受けた端部が潰し加工を受けた箇所を含めて潰し加工前に復元処理を受けており、前記端部の復元処理を受けた箇所の硬度が、復元処理を受けていない車幅方向中央部の硬度より高いことを特徴とする。
典型的な例でいえば、前記アルミニウム合金中空押出材の断面は、略鉛直に配置される前後のフランジと、略水平に配置され前記フランジを連結する複数個のウエブを有し、潰し加工が前記フランジ面に略垂直に行われ、潰し加工を受けた箇所は、ウエブが曲げ変形し前後のフランジ間の距離が減少している。

前記熱処理型アルミニウム合金中空押出材が、ＪＩＳ７０００系のＴ１調質材である場合、復元処理の加熱温度を４００℃以上としたとき、端部の復元処理を受けた箇所と復元処理を受けていない車幅方向中央部のビッカース硬さの差として、Ｈｖ１０以上が容易に達成される。なお、本発明においてＴ１調質材とは、プレス焼き入れ後人工時効硬化処理を行わず、その間自然時効させた材料を意味する。

本発明に係るバンパー補強材は、端部の復元処理を施した箇所（潰し加工を施した箇所）の時効処理後の硬度及び強度が、復元処理を施さなかった箇所（車幅方向中央部など、普通に時効硬化処理を施しただけの箇所）に比べて向上し、これにより、断面係数の減少に伴って生じる端部衝突時の反力の低下、及びバンパー補強材のエネルギー吸収量の減少が補われる。
本発明では、復元処理の温度を適切に調整することにより、潰し加工による割れの発生を防止でき、同時に潰し加工を施した箇所の時効処理後の硬度及び強度を向上させ、端部衝突時の反力、及びエネルギー吸収量を向上させることができる。

バンパー補強材の端部の潰し加工部と復元処理の加熱部を説明する平面図である。 潰し加工部に潰し加工を行ったバンパー補強材の平面図である。 実施例で作成したバンパー補強材について、各部の寸法を記載した平面図である。 図３に示すバンパービーム補強材において、復元処理の加熱部を示す平面図（ａ）、及び潰し加工後の形態を示す平面図（ｂ）である。 実施例の端部衝突試験について説明する平面図である。

以下、図１〜５を参照して、本発明に係るバンパー補強材及びその製造方法について、具体的に説明する。
図１に示すバンパー補強材１（潰し加工前の半製品）は、断面の輪郭が矩形の熱処理型アルミニウム合金中空押出材を曲げ加工して得られたもので、車体幅方向に平行な中央部２と、車体側に屈曲した左右の端部３と、中央部２及び端部３をつなぐ屈曲部４からなる。中央部２と屈曲部４の境界及び端部３と屈曲部の境界を破線で示している。端部３にはバンパーステイが設置される。バンパー補強材１はＴ１調質材であり、通常、自然時効により、全体がやや硬化した状態にある。なお、上記曲げ加工は、後述する復元処理と潰し加工の間に行ってもよい。

潰し加工をバンパー補強材１の端部３に施す前に、バンパー補強材１の両端から潰し加工部Ａ１を含む領域（加熱部Ａ２）を、加熱して局部的に復元処理を施した後、前記潰し加工部Ａ１に潰し加工を施す。潰し加工後のバンパー補強材１を図２に示す。
前記アルミニウム合金中空押出材は断面の輪郭が矩形で、略鉛直に配置される前後のフランジ（前フランジが衝突側、後フランジが車体側に配置される）と、両フランジを連結し略水平に配置される複数個のウエブを有し、潰し加工部Ａ１では、前記ウエブが曲げ変形し、前後のフランジ間の距離が減少している。

本発明の復元処理では、７０００系アルミニウム合金の場合、加熱部Ａ２を実体温度４００〜５５０℃に所定時間保持後、冷却（空冷又は水冷）する。この保持温度は、一般的な復元処理の保持温度（特許文献５〜７参照）よりかなり高温である。復元処理の加熱温度を４００℃以上とすることにより、加熱部Ａ２が再溶体化又はそれに近い状態となり軟化する。一方、復元処理の加熱温度が５５０℃を越えると局部溶解のおそれがある。保持時間については０秒を超える時間であればよく、加熱部Ａ２が上記保持温度に達した後、直ちに冷却してもよい。保持時間の上限は特に限定的ではないが、５分以内の短時間で済ますのが、生産効率の面で望ましい。復元処理は、他の合金系（例えば６０００系）の場合も、ほぼ同じ条件で実施できる。加熱手段として、高周波誘導加熱装置又は硝石炉を利用できる。
復元処理後の潰し加工は、復元処理終了後（冷却後）７２時間以内に行うことが望ましい。

なお、７０００系アルミニウム合金の組成は、概ね、Ｚｎ：３．０〜８．０質量％、Ｍｇ：０．４〜２．５質量％、Ｃｕ：０．０５〜２．０質量％、Ｔｉ：０．００５〜０．２質量％を含有し、さらにＭｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の１種又は２種以上を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなる。
この組成について説明すると、以下のとおりである。ただし、この組成自体は７０００系アルミニウム合金として公知のものである。

ＺｎとＭｇは金属間化合物であるＭｇＺｎ_２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％未満又はＭｇ含有量が０．４質量％未満では、実用材として必要な２００ＭＰａ以上の耐力が得られない。一方、Ｚｎ含有量が８．０質量％を越え又はＭｇ含有量が２．５質量％を越えると、押出形材に対し潰し加工前に所定の復元処理を行っても、潰し加工による亀裂の発生を防止できず、同時に、潰し加工により付与される引張残留応力を低減できず、耐応力腐食割れ性が顕著に低下する。従って、Ｚｎ含有量は３．０〜８．０質量％、Ｍｇ含有量は０．４〜２．５質量％とする。高強度化及び軽量化の観点からは、Ｚｎ含有量、Ｍｇ含有量はより高合金側、例えばそれぞれ５．０〜８．０質量％、１．０〜２．５質量％、合計で６．０〜１０．５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向上効果がなく、一方、２．０質量％を越えると押出加工性の低下を招く。従って、Ｃｕ含有量は０．０５〜２．０質量％とする。望ましくは０．５〜１．５質量％である。
Ｔｉは７０００系アルミニウム合金の鋳造時に結晶粒を微細化して、押出形材の成形性（潰し加工性）を向上させる作用があり、０．００５質量％以上添加する。一方、０．２質量％を越えるとその作用が飽和し、かつ粗大な金属間化合物が晶出して、かえって成形性を低下させる。従って、Ｔｉ含有量は０．００５〜０．２質量％とする。

Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚｒは７０００系アルミニウム合金押出形材の再結晶を抑制して、結晶組織を微細再結晶又は繊維状組織とし、耐応力腐食割れ性を向上させる作用がある。この作用のため、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒは、その１種又は２種以上をＭｎ：０．０１〜０．３質量％、Ｃｒ：０．０１〜０．３質量％、Ｚｒ：０．０１〜０．３質量％の範囲内で添加する。
上記７０００系アルミニウム合金の主要な不可避不純物として、Ｆｅ及びＳｉが挙げられる。この合金の諸特性を低下させないため、Ｆｅ：０．３５質量％以下、Ｓｉ：０．３質量％以下に制限される。

図２に示すように、潰し加工部Ａ１に所定の潰し加工を施した後、バンパー補強材１全体に時効硬化処理を施す。時効硬化処理の条件は、各熱処理型アルミニウム合金における周知の条件でよい。いうまでもなくバンパー補強材１の長手方向全長に、実質的に同じ時効硬化処理条件が適用される。
この時効硬化処理により、バンパー補強材１は硬化し強度が向上する。なかでも潰し加工部Ａ１を含む加熱部Ａ２では、復元処理の加熱により、自然時効の状態から、再溶体化又はそれに近い状態に組織が変化（復元）しており、自然時効が進行した状態のまま時効硬化処理を受けた他の箇所（復元処理の加熱を受けていない箇所）、例えば中央部２に比べると、高い硬度が得られる。この硬度向上効果は、復元処理の加熱温度が４００℃未満では得られない。そして、復元処理の加熱温度が高いほど、加熱部Ａ２の硬度の向上が大きく、特に４５０℃以上とした場合、再溶体化が十分行われるためか、硬度の向上が著しい。また、復元処理後の冷却速度は大きい方が（空冷より水冷の方が）、硬度の向上が大きい。

バンパー補強材が７０００系アルミニウム合金中空押出材からなる場合、潰し加工部Ａ１を含む加熱部Ａ２では、復元処理の加熱を受けていない箇所に比べ、ビッカース硬さでＨｖ１０以上高くなる。また、復元処理の加熱温度が４５０℃以上であれば、前記組成範囲内でＨｖ２０以上高くすることができる。
潰し加工部Ａ１では、断面係数が減少し、ウエブが曲げ変形し、潰し加工による加工硬化は時効硬化処理の加熱によりほぼ除去される。これらはいずれも衝突荷重に対する反力を減少させる要因であるが、他方、潰し加工部Ａ１では、時効硬化処理により復元処理の加熱を受けていなかった箇所より硬度が向上し、高強度化される。この高強度化により、断面係数の減少等に基づく衝突時の反力の低下、及びバンパー補強材のエネルギー吸収量の減少が補われる。

Ｚｎ：６．３９質量％、Ｍｇ：１．３４質量％、Ｃｕ：０．１５質量％、Ｆｅ：０．１１質量％、Ｓｉ：０．０４質量％、Ｍｎ：０．０２質量％、Ｃｒ：０．０３質量％、Ｚｒ：０．１３質量％、Ｔｉ：０．０２質量％、残部アルミニウム及び不可避不純物からなる７０００系アルミニウム合金を熱間押出成形し、押出直後にオンラインでファン空冷（プレス焼き入れ）して、矩形断面で輪郭が６０ｍｍ×１２０ｍｍの中空押出材（質別Ｔ１）を製造し、長さ１３００ｍｍに切断して、１３個のバンパー補強材の素材を得た。

このバンパー補強材の素材を、室温に２０日間放置して自然時効させた後（Ｔ１調質材）、それぞれ図３に示す形状に曲げ加工して、１３個のバンパー補強材１１を得た。このバンパー補強材１１は左右対称で、中央部１２、端部１３及び屈曲部１４を有し、左右の端を基準位置（ゼロ点）としたとき、端部１３が０〜３５０ｍｍ、屈曲部１４が３５０〜４５０ｍｍ、中央部１２が４５０〜６５０ｍｍの範囲を占める。バンパー補強材１１の前後方向の厚みは６０ｍｍである。端部１３の中央部１２に対する傾斜角度は１０°、屈曲部１４の曲げ半径は５００ｍｍである。この例では、バンパーステイの接合箇所Ｓ（図４（ａ）参照）は、バンパー補強材１１の端部１３のうち、端から１３０〜２００ｍｍの範囲を占める。バンパーステイは前記接合箇所Ｓにおいて、バンパー補強材１１の後フランジに、例えばボルト接合される。

得られたバンパー補強材１１に対し、復元処理を施した（Ｎｏ．１３を除く）。復元処理の加熱は高周波誘導加熱で行い、表１に示す加熱温度（実体温度）に６０秒間保持後、直ちに水冷（冷却速度：１７０℃／ｓｅｃ）又は空冷（冷却速度：５℃／ｓｅｃ）で冷却した。復元処理の加熱部Ａ２は左右対称で、左右の端を基準位置（ゼロ点）としたとき、０〜１１５ｍｍの範囲とした。加熱部Ａ２の範囲を、図４（ａ）にドットで示す。
復元処理後（Ｎｏ．１３は復元処理なしに）、バンパー補強材１１の両端部の０〜８０ｍｍの範囲を前後方向に潰し加工し、潰し加工性（割れ発生の有無）を目視で観察した。バンパー補強材１１の潰し加工後の形態を図４（ｂ）に示す。潰し加工部Ａ１では、先に図２を参照して説明したように、上下のウエブが曲げ変形し、前後のフランジ間の距離が減少している。

続いて、バンパー補強材全体に１３０℃×８時間の時効硬化処理を施した後、以下の要領でビッカース硬さと、車両衝突を模した衝突試験で反力の測定を行った。その結果を表１に併せて示す。

（ビッカース硬さの測定）
復元処理の加熱部Ａ２（Ｎｏ．１３のみは加熱せず）と、非加熱部（具体的には中央部１２を選択）について、バンパー補強材の前面（前フランジ）の高さ中央部のビッカース硬さを、１０ｍｍピッチで測定し、それぞれの平均値を求めて、加熱部Ａ２の硬度Ｈ１及び非加熱部の硬度Ｈ０とした。また、加熱部Ａ２の硬度の増分（Ｈ１−Ｈ０）を表１に併せて記載した。なお、加熱部Ａ２の硬度Ｈ１は、潰し加工を施した箇所を除く加熱部のビッカース硬さの平均値とした。

（衝突時の反力の測定）
図５に示すように、バンパー補強材１１の端部１３のうち前記接合箇所Ｓ（左右両方）を、後フランジ側から、それぞれバンパーステイを模したジグ１５で支持し、低速度衝突を模した端部衝突試験を行った。ジグ１５の左右幅は前記接合箇所Ｓの幅と同じ７０ｍｍとした。この端部衝突試験において、バリア１６はバンパー補強材１１の前記接合箇所Ｓよりやや外側に衝突するように配置し、そのストロークをバンパー補強材１１に当たってから４０ｍｍとした。端部衝突試験の結果から、最大荷重（各供試材（バンパー補強材１１）の反力に相当）及びエネルギー吸収量を求めた。

表１に示すとおり、Ｎｏ．１〜１３のうちＮｏ．３〜６，９〜１２は、復元処理の加熱温度が４００℃以上で、加熱部のビッカース硬さが、非加熱部に比べてＨｖ１０以上向上し、復元処理の加熱を行わなかったＮｏ．１３に比べて、最大荷重（反力）が１０ｋＮ以上向上し、エネルギー吸収量も向上した。特にＮｏ．４〜６，１０〜１２は、加熱温度が４５０℃以上であり、加熱部のビッカース硬さが、非加熱部に比べてＨｖ２０以上向上した。
これに対し、復元処理の加熱温度が４００℃より低いＮｏ．１，２，７，８は、加熱部のビッカース硬さが、非加熱部に比べて向上せず、最大荷重（反力）の大きさは、復元処理の加熱を行わなかったＮｏ．１３と変わらない。特に復元処理の加熱温度が低いＮｏ．１，７は、復元処理の効果がなく、復元処理の加熱を行わなかったＮｏ．１３と同様に、潰し加工による割れが発生した。

１，１１ バンパー補強材
２，１２ バンパー補強材の中央部
３，１３ バンパー補強材の端部
４，１４ バンパー補強材の屈曲部
１５ バンパーステイ
Ａ１ 潰し加工部
Ａ２ 復元処理の加熱部

Claims (6)

1. 熱処理型アルミニウム合金中空押出材からなり、車幅方向の両方の端部に潰し加工を受け、潰し加工後に全体が時効硬化処理を受けたバンパー補強材において、前記端部が潰し加工を受けた箇所を含めて潰し加工前に復元処理を受けており、前記端部の復元処理を受けた箇所の硬度が、復元処理を受けていない車幅方向中央部の硬度より高いことを特徴とするバンパー補強材。
2. 熱処理型アルミニウム合金中空押出材からなり、車幅方向の一方の端部に潰し加工を受け、潰し加工後に全体が時効硬化処理を受けたバンパー補強材において、前記端部が潰し加工を受けた箇所を含めて潰し加工前に復元処理を受けており、前記端部の復元処理を受けた箇所の硬度が、復元処理を受けていない車幅方向中央部の硬度より高いことを特徴とするバンパー補強材。
3. 熱処理型アルミニウム合金中空押出材の断面が、略鉛直に配置される前後のフランジと、略水平に配置され前記フランジを連結する複数個のウエブを有し、前記潰し加工を受けた箇所は、前記ウエブが曲げ変形していて前後のフランジ間の距離が減少していることを特徴とする請求項１又は２に記載されたバンパー補強材。
4. 前記熱処理型アルミニウム合金中空押出材がＪＩＳ７０００系アルミニウム合金からなり、前記潰し加工を受けた箇所と長手方向中央部のビッカース硬さの差がＨｖ１０以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載されたバンパー補強材。
5. 熱処理型アルミニウム合金押出材のＴ１調質材を用いてバンパー補強材を成形し、前記バンパー補強材の一方又は両方の端部を局部的に４００℃以上に加熱して復元処理を施し、復元処理を施した領域に潰し加工を施した後、前記バンパー補強材全体に時効硬化処理を施すことを特徴とするバンパー補強材の製造方法。
6. 前記熱処理型アルミニウム合金中空押出材がＪＩＳ７０００系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項５に記載されたバンパー補強材の製造方法。

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