JP6230142B1

JP6230142B1 - 成形用アルミニウム合金板

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Publication number: JP6230142B1
Application number: JP2017046837A
Authority: JP
Inventors: 智子阿部; 小林　一徳; 一徳小林; 大輔金田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-03-22
Filing date: 2017-03-11
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2037-03-11
Also published as: WO2017164085A1; JP2018090890A

Abstract

【課題】絞り加工性、張り出し加工性及び曲げ加工性の全てが良好な成形用アルミニウム合金板を提供する。【解決手段】Ｍｇ：２．０〜４．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、圧延方向に平行方向の引張強さが１７０ＭＰａ以上で、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上であるアルミニウム合金板。上記アルミニウム合金は、必要に応じて、さらにＭｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｚｒ：０．３５質量％以下のうち少なくとも１種を、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計で０．１〜０．６質量％含有する。【選択図】図１

Description

本発明は、張り出し加工、絞り加工、曲げ加工等の成形性に優れた成形用アルミニウム合金板に関する

自動車の車体を軽量化して燃費を削減するために、従来より自動車のフード、ドア、ルーフ、トランクなどの部材の外板としてアルミニウム板が適用されているが、近年はさらに、自動車の部材に対しアルミニウム板を適用する動きが拡大しつつある。
例えばエンジンマウントは、エンジンをボディーに懸架するために使用される部材であり、特許文献１，２に示すように、弾性体（防振ゴム）が金属のケーシングの中に設置された構造のものが多く用いられている。
エンジンマウントのケーシングの素材として、従来はステンレス鋼が用いられてきたが、近年では、車体軽量化の一環としてアルミニウム材（アルミニウム合金板）の適用が望まれている。

エンジンマウントのケーシングは、一般的には回転体であり、縦断面が複雑な形状をしたものも多い。例えば段差部を介して連続する大径部と小径部、及び小径部の端部に形成された外フランジからなるケーシングの場合、これをアルミニウム合金板から製造するには、多段絞り加工後、縮管（縮径）加工、屈曲加工による段差部の形成、端部の伸びフランジ加工等をさらに行う必要がある。このため、エンジンマウントのケーシング用アルミニウム合金板には、これらの加工において割れを生じない良好な加工性と、エンジンの重量及び振動に耐える高い強度が必要とされる。

また、自動車の室内空間を広く確保したため狭くなったエンジンルーム内を有効活用するため、エンジンルーム内に配置されるヒューズやＥＣＵ（ｅｎｇｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ）などを収めるケースについても、複雑な形状が要求されつつある。このため、これらの部材についても、加工性が良好で、かつ自動車の振動に耐える高強度のアルミニウム材料が求められる。
アルミニウム合金の中で５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）合金は、比較的加工性が優れ、強度が高く、かつ安価であり、製造過程で深絞り加工等を必要とする自動車部品用素材として有望である。例えば特許文献３，４には、主として自動車用外板の素材として開発されたＡｌ−Ｍｇ系合金板が記載されている。

実開昭６０−１１８０４７号公報特開平６−９４０６８号公報特開２００８−６３６２３号公報特開２００８−２２３０５４号公報

エンジンマウントのケーシング等の部材の製造にあたっては、Ａｌ−Ｍｇ系合金板に対し、絞り加工後、複数工程にわたり種々の厳しい塑性加工が加えられるケースが想定される。このため、これらの部材を成形する素材であるＡｌ−Ｍｇ系合金板は、絞り加工性のほか、張り出し加工性及び曲げ加工性も良好であることが望ましい。
一方、特許文献３に記載されたＡｌ−Ｍｇ系合金板は、絞り加工性及び張り出し加工性が優れるとされているが、曲げ加工性について考慮されていない。また、特許文献４に記載されたＡｌ−Ｍｇ系合金板は、絞り加工性が優れるとされているが、張り出し加工性及び曲げ加工性について考慮されていない。

本発明は、絞り加工性、張り出し加工性及び曲げ加工性の全てが良好で、例えばエンジンマウントのケーシング、ヒューズやＥＣＵなどを収めるケース等の部材の製造に適した成形用Ａｌ−Ｍｇ系合金板を提供することを目的とする。

本発明に係る成形用アルミニウム合金板（Ａｌ−Ｍｇ系合金板）は、Ｍｇ：２．０〜４．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、圧延方向に平行方向の引張強さが１７０ＭＰａ以上で、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上、１００％以下であることを特徴とする。
上記アルミニウム合金板は、必要に応じて、さらにＭｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｚｒ：０．３５質量％以下のうち少なくとも１種を、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計で０．１〜０．６質量％含有することができる。上記アルミニウム合金板は、表面の結晶粒径が９５μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係るアルミニウム合金板は、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上であり、金属間化合物、特にＭｇ_２Ｓｉの析出が抑制され、これにより厳しい塑性加工に伴う割れの発生が抑制されている。このため、本発明に係るアルミニウム合金板は、絞り加工性、張り出し加工性及び曲げ加工性（特に繰り返し曲げ加工性）の全てが良好で、多段絞り加工後にさらに厳しい塑性加工を加える必要がある場合でも、割れの発生なしに例えばエンジンマウントのケーシング等の部材を製造することができる。
また、本発明に係るアルミニウム合金板は、圧延方向に平行方向の引張強さが１７０ＭＰａ以上であり、エンジンマウントのケーシング等の部材に必要な強度を備える。

繰り返し曲げ加工性の測定試験の方法を説明する図である。繰り返し曲げ加工性の評価基準を説明する図（顕微鏡写真）である。

以下、本発明に係るアルミニウム合金板（Ａｌ−Ｍｇ系合金板）について、より詳細に説明する。
＜アルミニウム合金の組成＞
本発明に係るアルミニウム合金は、Ｍｇ：２．０〜４．０質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、必要に応じて、さらにＭｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｚｒ：０．３５質量％以下のうち少なくとも１種を、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計で０．１〜０．６質量％含有する。
Ｍｇは、アルミニウム合金板の強度と絞り加工性を向上させる作用を有する。しかし、Ｍｇ含有量が２．０質量％未満では強度が不足する。Ｍｇ含有量が２．３質量％以上になると絞り加工性が更に向上する。一方、４．０質量％を超えると加工硬化が進みやすく、特にアルミニウム合金板の繰り返し曲げ加工性が低下する。従って、Ｍｇ含有量は２．０〜４．０質量％とする。好ましくは、Ｍｇ含有量の下限値が２．３質量％、上限値が２．８質量％である。

Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは、アルミニウム合金板の強度を向上させ、かつアルミニウム合金板の結晶粒の粗大化を防止する作用を有する。Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計含有量が０．１質量％以下ではその効果が不足する。一方、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ含有量が個々にそれぞれ０．５質量％、０．３５質量％、０．３５質量％を超え、又はＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒの合計含有量が０．６質量％を超えると、金属間化合物が増加し、アルミニウム合金板の張り出し加工性及び曲げ加工性が低下する。従って、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの含有量はそれぞれ０．５質量％以下、０．３５質量％以下、０．３５質量％以下とし、かつＭｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計含有量は０．１〜０．６質量％とする。好ましくは、Ｃｒ含有量を０．１〜０．３５質量％とする。なお、Ｃｒ及びＺｒがアルミニウム合金板の加工硬化に及ぼす作用（強度アップ効果）は、同じ含有量で比較したときＭｎの約２倍である。

不可避不純物のうちＳｉは、０．３質量％を超えると、Ｍｇ−Ｓｉ系の粗大な金属間化合物が生成し、固溶Ｍｇ量の割合が低下して、アルミニウム合金板の加工性及び強度が低下する。従って、Ｓｉ含有量は０．３質量％以下とする。
同じくＦｅは、０．４質量％を超えると、Ａｌ−Ｆｅ系の粗大な金属間化合物が生成して、アルミニウム合金板の加工性が低下する。従って、Ｆｅ含有量は０．４質量％以下とする。
Ｓｉ、Ｆｅ以外の不純物のうち、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉはそれぞれ０．２質量％以下、好ましくは０．１質量％以下とし、Ｂ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇａはそれぞれ０．０５質量％以下、合計で０．１５質量％以下とする。

＜アルミニウム合金板の特性＞
本発明に係るアルミニウム合金板は、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上１００％以下であり、これは金属間化合物（Ｍｇ_２Ｓｉ）として析出するＭｇ量の割合が少ないことを意味する。なお、固溶Ｍｇ量と金属間化合物として析出するＭｇ量の和が全Ｍｇ量である。エンジンマウントのケーシング等の部材の製造において、例えば、多段絞り加工後、さらに塑性加工を加える必要がある場合、割れの起点となり得る金属間化合物の量が多すぎないことが必要である。この固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上のとき、アルミニウム合金板は良好な張り出し加工性及び繰り返し曲げ加工性を示し、多段絞り加工後、例えば縮径加工、屈曲加工による段差部の形成、端部の伸びフランジ加工等を行う場合でも、割れの発生が防止される。
本発明に係るアルミニウム合金板は、圧延方向に平行方向の引張強さが１７０ＭＰａ以上とする。これにより、強度が高く軽量なエンジンマウントのケーシング等の部材を製造することができる。

＜アルミニウム合金板の結晶組織＞
本発明に係るアルミニウム合金板の平均結晶粒径（板表面）は９５μｍ以下であることが好ましい。平均結晶粒径が９５μｍ以下であることにより、曲げ加工においてしわの発生が抑えられる。平均結晶粒径を９５μｍ以下とするには、アルミニウム合金中のＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒの合計含有量を０．１質量％以上とすることが好ましい。

＜アルミニウム合金板の製造方法＞
本発明に係るアルミニウム合金板の製造方法は、常法でよく、例えば、半連続鋳造（ＤＣ（ｄｉｒｅｃｔｃｈｉｌｌ）鋳造）、面削、均質化処理、熱間圧延、冷間圧延及び仕上げ焼鈍の各工程からなる。
均質化処理は４５０〜５５０℃の範囲内で行うことが好ましい。均質化処理温度が４５０℃より低いと、固溶Ｍｇ量の割合が７０％未満となり、粗大なＭｇ−Ｓｉ系金属間化合物が析出し、それが加工時に割れの起点となる。一方、均質化処理温度が５５０℃より高いと、鋳塊の表面が溶け始めるため、所望の製品として製造できない。固溶Ｍｇ量の割合を高くするには、Ｍｇ含有量が多いほど、均質化処理を高温域で行うことが好ましい。均質化処理時間は、１〜２４時間の間で適宜選択すればよい。

熱間圧延は、後続の冷間圧延において所定の加工率が得られるように、最終板厚が設定される。熱間圧延において、４４５〜４００℃の温度範囲は３０分以内に通過することが好ましい。材料がこの温度範囲で３０分を超えて保持されると、Ｍｇ−Ｓｉ系金属間化合物が析出、粗大化して、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以下となり、製品板（アルミニウム合金板）の加工性が低下する。
冷間圧延は、加工率が大きい方が仕上げ焼鈍後の結晶粒径が小さくなり、曲げ加工時にしわの発生が抑制されるため、加工率は５０％以上とする。
仕上げ焼鈍は３００〜４８０℃の範囲で行うことが好ましい。仕上げ焼鈍温度が３００℃より低いと、再結晶が不十分で加工時に割れが発生しやすく、４８０℃より高いと再結晶粒が粗大化し、繰り返し曲げ加工性が低下する（しわが発生）。仕上げ焼鈍をバッチ焼鈍炉で行う場合、焼鈍温度は実体温度（材料温度）で３００℃以上、４００℃未満、焼鈍時間は１〜２４時間の間で選択することが好ましい。一方、仕上げ焼鈍を連続焼鈍炉で行う場合、焼鈍温度は実体温度（材料温度）で４００℃以上、４８０℃以下、焼鈍時間は０秒〜１分の間で選択することが好ましい。なお、焼鈍時間が０秒とは、材料温度が目標の焼鈍温度に達して直ちに冷却することを意味する。
なお、この製造方法で製造されたアルミニウム合金板は焼鈍材（質別：Ｏ調質材）であり、板表面において再結晶粒の等軸晶（アスペクト比が１．２以下）が観察される。

以下、本発明の効果を確認した実施例を、本発明の要件を満たさない比較例と対比して具体的に説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
表１に示す組成のアルミニウム合金（ＳｉとＦｅとＺｎは不可避不純物として含有）を溶解し、半連続鋳造法を用いて厚さ６００ｍｍの鋳塊を作製した。この鋳塊の表層を面削し、４５０℃×４時間（Ｎｏ．１〜４，８，１０，１２，１３、１５，１６，１８〜２０）、４８０℃×４時間（Ｎｏ．５，１１，１４）又は５１０℃×４時間（Ｎｏ．６，７，９，１７，２１）の条件で均質化処理を施した後、熱間圧延を行い、板厚８．０ｍｍとした。この熱間圧延において、４４５〜４００℃の温度範囲に保持された時間は、Ｎｏ．１〜２０が３０分以内、Ｎｏ．２１が４５分であった。
続いて、熱間圧延材に対し冷間圧延を行い、板厚３．０ｍｍのアルミニウム合金板（コイル）として巻き取り、３６０℃×４時間の仕上げ焼鈍を行った。

Ｎｏ．１〜２１の各アルミニウム合金板について、表面の結晶組織（平均結晶粒径、アスペクト比）、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合、引張強さ、張り出し加工性、絞り加工性、及び曲げ加工性（繰り返し曲げ加工性）を、下記要領で測定した。その結果を表１に示す。
（平均結晶粒径）
表面の平均結晶粒径は、切片法で求めた。Ｎｏ．１〜２１の各アルミニウム合金板から試験片を切り出し、表面を機械研磨し、電解液でエッチングし、水洗・乾燥した後に、光学顕微鏡にて１００倍で表面の組織写真を撮影した（各試験片ごとに５視野）。切片法における測定ライン長さは一律０．９５ｍｍとし、測定ラインの数は各視野ごとに圧延平行方向及び圧延直角方向にそれぞれ３本ずつとした。圧延平行方向及び圧延直角方向とも、５視野の測定ライン長さの合計は０．９５×３×５ｍｍである。この測定ライン長さと３×５本の測定ラインが完全に横切った結晶粒の数から、圧延平行方向の平均結晶粒径Ａと、圧延直角方向の平均結晶粒径Ｂをそれぞれ求め、その平均値である（Ａ＋Ｂ）／２を表面の平均結晶粒径とした。
（アスペクト比）
表面の結晶粒のアスペクト比はＡ／Ｂで計算した。

（全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合）
アルミニウム合金板を熱フェノールにより溶解し、ベンジルアルコールを加えて希釈した後、吸引ろ過した。ろ過は、孔径が０．１μｍのメンブランフィルタ上で吸引ろ過し、晶出物及び微細な析出物を取り除いたろ液を得た。そのろ液をＩＣＰ（ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｌａｓｍａ）発光分光分析装置内に導入し、ネブライザーで霧状にして小さなミストのみプラズマ内に吹き込み、検出されたＭｇのスペクトル強度を予め作成した検量線を用いてＭｇ含有量（ろ液中）に換算した。固溶Ｍｇ量（質量％）を、ろ液中のＭｇ含有量と、測定に供したアルミニウム合金板の溶解量から求め、次いでアルミニウム合金板の全Ｍｇ量（質量％）に対する固溶Ｍｇ量の割合｛（固溶Ｍｇ量／全Ｍｇ量）×１００％｝を求めた。

（引張強さ）
Ｎｏ．１〜２１のアルミニウム合金板から、長手方向が圧延平行方向となるようにＪＩＳ５号引張り試験片を採取し、ＪＩＳ−Ｚ２２４１（２０１１）に準拠して引張り試験を実施して、引張強さを測定した。
（張り出し加工性）
ＪＩＳ−Ｚ２２４７（２００６）に準拠して、Ｎｏ．１〜２１のアルミニウム合金板から試験片を採取し、エリクセン試験を行い、エリクセン値を求めた。張り出し加工性の評価は、エリクセン値が９．５以上を◎（優）、９．０以上９．５未満を○（良）、９．０未満を×（不良）とした。

（絞り加工性）
Ｎｏ．１〜２１のアルミニウム合金板から種々のサイズの円板を打抜き、円筒深絞り試験を行って、限界絞り比（ＬＤＲ）を測定した。円筒絞り試験は、パンチ径が４０ｍｍ、しわ押さえ荷重が１トンで実施した。絞り加工性の評価は、ＬＤＲ１．９５以上を◎（優）、１．８５以上１．９５未満を○（良）、１．８５未満を×（不良）と評価した。

（曲げ加工性）
先に説明したエンジンマウントのケーシングの製造方法（多段絞り、縮径加工、屈曲加工、伸びフランジ加工）を想定して、繰り返し曲げを行ったときの曲げ加工性を評価した。Ｎｏ．１〜２１のアルミニウム合金板から、幅２０ｍｍ、長さ５０ｍｍの長方形の試験片を採取し（長さ方向が圧延平行方向）、この試験片１に対し、曲げ線を圧延直角方向として、Ｖブロック法により１回目の９０度Ｖ字曲げを行った。パンチの先端の曲率半径は６ｍｍとした。１回目の９０度Ｖ字曲げ後の試験片１を図１Ａに示す。続いて、図１Ｂに示すように試験片１を直線状に曲げ戻した後、図１Ｃに示すように、同じくＶブロック法により２回目の９０度Ｖ字曲げ（曲げの向きは１回目とは逆）を行った。パンチの先端の曲率半径は２ｍｍとした。
２回目の９０度Ｖ字曲げを行った試験片１（図１Ｃ）の外側頂点部分の表面を光学顕微鏡にて観察し、割れ及びしわの有無を調べ、曲げ加工性（繰り返し曲げ加工性）を評価した。評価基準は、図２Ａに示すように、割れが認められたものを×（不良）、図２Ｂに示すように、しわが認められたが割れが認められないものを○（良）、図２Ｃに示すように、目立つしわが認められないものを◎（優）とした。

表１に示すように、合金組成及び固溶Ｍｇ量の割合が本発明の規定を満たすＮｏ．１〜１２は、引張強さが１７０ＭＰａ以上で、張り出し加工性、絞り加工性及び繰り返し曲げ加工性の全てが◎又は○と評価された。また、Ｎｏ．１〜１２は表面組織が再結晶粒の等軸晶からなり、そのうち平均結晶粒径が９５μｍ以下のＮｏ．１〜９，１２は、繰り返し曲げ加工性が◎と評価された。

これに対し、合金組成又は固溶Ｍｇ量の割合が本発明の規定を満たさないＮｏ．１３〜２１は、引張強さが１７０ＭＰａ未満か、張り出し加工性、絞り加工性及び繰り返し曲げ加工性のいずれかが×と評価された。具体的には下記のとおりである。
Ｎｏ．１３は、Ｍｇ含有量が不足するため、引張強さが小さい。
Ｎｏ．１４は、Ｍｇ含有量が過剰で、繰り返し曲げ加工性が×と評価された。
Ｎｏ．１５は、Ｃｒ含有量が過剰で、繰り返し曲げ加工性が×と評価された。

Ｎｏ．１６は、Ｍｇ含有量が不足するため、引張強さが小さい。
Ｎｏ．１７は、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計含有量が過剰なため、張り出し加工性が×と評価された。
Ｎｏ．１８は、Ｍｎ含有量と、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計含有量が過剰で、張り出し加工性と繰り返し曲げ加工性が×と評価された。
Ｎｏ．１９，２０は、Ｍｇ含有量が比較的多く、均質化処理温度が４５０℃と比較的低かったため、固溶Ｍｇ量の割合が本発明の規定範囲外となり、張り出し加工性及び繰り返し曲げ性が×と評価された。
Ｎｏ．２１は、熱間圧延において４４５〜４００℃の温度範囲に３０分を超えて保持されたため、固溶Ｍｇ量の割合が低下して本発明の規定範囲外となり、張り出し加工性及び繰り返し曲げ性が×と評価された。

１試験片

Claims

Ｍｇ：２．０〜２．８質量％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなり、圧延方向に平行方向の引張強さが１７０ＭＰａ以上で、全Ｍｇ量に対する固溶Ｍｇ量の割合が７０％以上であることを特徴とする成形用アルミニウム合金板。
さらに、Ｍｎ：０．５質量％以下、Ｃｒ：０．３５質量％以下、Ｚｒ：０．３５質量％以下のうち少なくとも１種を、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの合計で０．１〜０．６質量％含有することを特徴とする請求項１に記載された成形用アルミニウム合金板。
表面の結晶粒径が９５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載された成形用アルミニウム合金板。