JP6329430B2 - 曲げ性に優れた高耐力Al−Zn系アルミニウム合金製押出材 - Google Patents
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Description
さらに、再結晶組織の形成による機械的強度への影響については、添加元素や不可避不純物の含有量を適正な範囲に制御することによって、実用上問題のない範囲で高い耐力のアルミニウム押出合金材が得られることを見出した。
本発明の押出材におけるアルミニウム合金の金属組織は、内部組織を含む大部分が再結晶組織から形成されており、繊維状組織をほとんど含まない。組織全体が再結晶組織からなるアルミニウム合金は、繊維状組織からなるものに比べて、良好な変形性を有しており、大きな曲げ加工を行うことができる。また、事故等により急激に大きな曲げ応力が加わって、大きく変形しても破断しにくく、良好な曲げ性と耐割れ性を有している。
再結晶化を抑制する作用を有する元素であるZrの含有量を一定以下に規制することにより、金属組織の主たる部分を再結晶組織で形成することができる。再結晶化により機械的強度への影響に関しては、Zn、Mg、Cu、Fe、Siを所定量で含有させることにより、必要な耐力を確保することができる。
再結晶化による結晶粒粗大化を抑制する作用を有する元素であるZr、Cr、Mnを所定量で含有することにより、再結晶組織の粗大化を抑制することができる。
再結晶組織が微細に形成されているため、曲げ加工を施しても表面の肌荒れが抑制されて外観が良好である。また、機械的強度の低下を抑制できる。
アルミニウム合金のビレットに対して、所定の条件で、均質化処理、押出加工、時効処理を行うことにより、曲げ性に優れた高耐力アルミニウム合金押出材を製造することができる。再結晶抑制元素の含有が制限されたアルミニウム合金を使用し、高温で押出加工することにより、押出材の組織全体で再結晶組織を得ることができる。機械的強度を高める時効処理は、一段時効で行うことができる。
アルミニウム合金のビレットに対して、所定の条件で、均質化処理、押出加工、時効処理を行うことにより、曲げ性に優れた高耐力アルミニウム合金押出材を製造することができる。時効処理として、二段時効を用いることができる。
本発明のアルミニウム合金押出材は、例えば、自動車のバンパーリインフォースメント、ルーフレール、ドアインパクトビーム、シートレール、サイドメンバー等のメンバー類、サイドシル、オートバイフレーム、オートバイハンドル、自転車用リム等に適用できる。断面形状に中空部やトング比の高い半中空部を含む複雑形状の押出材に適している。
(再結晶組織)
本発明の高耐力アルミニウム合金押出材は、アルミニウム合金の金属組織が、その内部組織を含む大部分において再結晶組織から形成されており、繊維状組織をほとんど含まない。組織全体を再結晶組織で構成することにより、30%以上の高い曲げ限界ひずみが得られる。そのため、大きな加工度で曲げ加工を施しても、加工材表面に割れや傷などの表面欠陥が発生しないので、高い加工度の曲げ加工が可能となる。また、不測の事態により、過度な曲げ応力が加わっても破断しにくくなる。再結晶組織の占有率は、90%以上が好ましい。
前記した元素以外の不可避的不純物については、本発明のアルミニウム合金押出材の特性に影響を与えない範囲で含有することは許容される。具体的には、これらの不可避的不純物の合計が0.05wt%以下であれば許容される。
(鋳造、均質化処理)
通常の溶製及び溶湯処理を施した後、半連続鋳造法(DC鋳造)によってビレットが製造される。このビレットに均質化処理を施した。均質化処理は、鋳造組織内の偏析を解消し、合金元素や粗大化合物を固溶させて、鋳造組織の均質化を行う処理である。本発明では、ビレットを450〜560℃の温度で1時間以上の均質化処理を施した後、室温まで冷却した。均質処理温度が450℃未満や1時間未満の場合は、均質化が不十分である一方、560℃を超えると、バーニング(部分溶融)が起きるおそれがあるので、好ましくない。
次いで、ビレットを熱間で押出加工を行い、所定寸法の押出材を製造する。本発明では、400℃〜570℃の温度に加熱して、押出機のプラテン出口における製品速度が2〜50m/minとなるように熱間押出を行い、得られた押出材を100℃までが50℃/min以上となるように室温まで冷却する。
押出温度については、押出比の大きい薄肉形状の部材等を押出加工できるように、また、押出加工により付与される歪みを駆動力として再結晶が進行するように、400℃以上の高温が好ましい。ただ、570℃を超えると、変形し易くなって押出加工時の歪みが十分に蓄積されず、再結晶に必要な駆動力が不足する。そのため、400〜570℃の範囲が好ましい。
押出速度については、2m/minより遅いと、歪みが十分に蓄積されず再結晶の駆動力が足りないので、再結晶組織の形成が十分でなくて繊維状組織が残存し易くなる。逆に、50m/minを超えると、変形速度が大きくなるため、製品の形状精度や表面性状が悪化しやすい。
押出加工後は、再結晶粒の粗大化が生じないように急冷して微細な再結晶組織を保持する。好ましくは、100℃まで50℃/min以上、より好ましくは、200℃/min以上の冷却速度で冷却する。
次に、常温まで冷却された押出材は、所定の長さに切断あるいは矯正処理された後、人工時効処理が施される。この人工時効処理は、強度に寄与する化合物をマトリックス組織中に分散析出させる処理であり、110〜200℃、好ましくは120〜150℃の温度範囲で所定時間保持して行われる。当該処理により、押出材は、高い曲げ性を保持しつつ、必要な強度が付与される。
時効条件としては、1段時効で行うことができるが、2段時効がより好ましい。2段時効の場合は、1段目で90℃〜120℃、好ましくは95℃〜115℃の予備時効を行った後、2段目は、1段目より高温の上述した110℃〜200℃の温度範囲で行われる。上記の温度範囲の下限値未満では、析出物の生成や成長が不十分となり強度が不足する。上記の温度範囲の上限値を超えると、粗大な化合物が析出して成形性、耐食性を劣化させる。人工時効処理に必要な時間は、合計4〜24時間である。2段時効の場合には、時効時間を1段目と2段目で適当に配分する。時効時間が短いと得られる強度が不十分である。時効時間が長いと過時効になるので、強度が低下し、生産性も低下する。
曲げ加工方法は、特に限定されるものでない。ベンダー曲げ加工等のアルミニウム押出材の曲げ加工に通常用いられる方法であれば良い。回転曲げ加工、圧縮曲げ加工、ロール曲げ加工、プレス曲げ加工、引張り曲げ加工、押し通し曲げ加工等の加工方法を適用できる。
表1、表2に示す合金組成を有する本発明例(合金No.3、No.5、No.7〜No.24)、参考例(合金No.1、No.2、No.4、No.6)、比較例(合金No.25〜No.42)の溶湯を調製し、DC鋳造により直径8インチの略円筒状のビレットを製造した。得られたビレットに、480℃で4時間保持した後、ファン空冷して均質化処理を行った。その後、押出加工装置により表1、2の押出速度及び押出温度で熱間押出して、平板形状(幅100mm、厚さ2mm)の押出材を得た。その際、押出装置出口に配置した冷却装置により押出直後から室温付近までファン空冷で冷却した。この押出材を長さ4500mmに切断した後、表1、2に示す温度及び時間で人工時効処理を施して供試材を得た。合金No.3は、押出後ファン空冷せず、自然放冷(冷却速度50℃/min未満)させ、室温まで冷却し、再結晶組織の粗大化を図った。
供試体から観察用の試験片(長さ20mm、厚さ2mm)を採取し、その押出方向に平行な断面を鏡面研磨した後、エッチングを施し、その断面組織を金属顕微鏡で観察した。
さらに、本発明例の試験片を用いて、押出方向に平行な断面の部分を測定対象にして、再結晶組織の占有率を測定した。当該占有率は、試験片の断面の縦方向に渡って厚さ全体を金属顕微鏡により撮影した観察画像又は写真上で、再結晶組織の占める厚さを測定し、その再結晶領域の厚さを全試料厚さに占める割合により再結晶組織の占有率(%)を算出した。当該試験片は、断面の上下の各表面から再結晶組織が形成されており、それぞれの再結晶組織の厚みをΔt1、Δt2として測定し、(Δt1+Δt2)/板厚により再結晶組織の占有率を算出した。
次いで、当該試験片における平均結晶粒径(μm)を測定した。平均結晶粒径(μm)は、JISH0501に規定される切断法に準拠して、算出した。切断法は、結晶粒の観察画像又は写真上で、所定領域内において直線を引き、当該直線の長さと当該直線によって切られる結晶粒数を基にして、切られた長さの平均値を算出し、平均結晶粒径とする方法である。
供試体からJISZ2201の5号試験片(25mm幅×50mm長さ)を採取し、室温大気中で、引張り速度5mm/minで引張試験を行い、引張強さ(MPa)、耐力(MPa)及び伸び(%)を測定した。試験片の引張方向が押出方向となるように試験片を採取した。
JISZ2248に準拠して、供試材から長さ100mm、幅50mm、厚さ試料の元厚さのまま(2.0mm)の板状の3号試験片を採取し、押曲げ法により曲げ試験を行った。試験片下面を長さ方向の2点で円筒状の支え具により支持し、2点間の中央付近で試験片上面に押金具を接触させ、荷重を加えつつ試験片を曲げた。試験片の湾曲部の外側を肉眼で観察し、裂け傷及びその他の欠陥が発生した時の曲げ角度である曲げ限界ひずみ(%)を測定した。
曲げ試験の模式図を図4に示す。本曲げ試験は、曲率Rのポンチ、板厚tの試験片に対して、直径30mmの支え具を間隔L=2R+2t(許容誤差±0.2mm)で配置した。試験片の上からポンチを密着させて、ポンチ平行部が支え具の間を通るまで押し曲げを行った。試験片の屈曲部に損傷等を生じないで180°押し曲げることができるまで、ポンチの曲率Rを変えながら試験を実施した。180°押曲げの密着曲げができる最小のRが、曲げ限界であり、その曲げ限界ひずみ(ε)は、ε(%)=t/(2R+t)×100により算出された。なお、本曲げ試験では、曲げ限界ひずみが最大58%までのポンチを使用した。
耐食性は、JASO M609−1 CCT複合サイクルの試験によって評価した。1サイクルは、試験片に対して、(1)塩水噴霧(35℃、湿度90%、5%NaCl)を2時間行い、次いで、(2)乾燥(60℃、湿度30%)を4時間行い、次いで、(3)湿潤(50℃、湿度95%)を2時間行うことからなる。この(1)〜(3)の90サイクル(約30日間)で実施した後、試験片をリン酸クロム酸水溶液で10分間煮沸し、腐食性生物を除去した。その後、試験片の断面を観察した。腐食深さが100μm以下の場合は、良好であり、腐食深さが100μmを超えた場合は、不良であると評価した。
表3、表4おいて、再結晶組織を「RC」で表示し、繊維状組織を「F」で表示した。本発明例の合金材は、表1に示すように、いずれも主たる金属組織が再結晶組織であった。例えば、図1(a)に示すように、参考例の合金No.1は、再結晶により形成された微細組織を呈していた。
比較例の合金No.25〜No.34は、本発明例の合金よりも多い0.16wt%Zrを含有するので、再結晶化が抑制されて繊維状組織を形成した。例えば、図2(a)に示すように、比較例の合金No.25は、従来材と同様に、押出方向に伸びた繊維状組織を呈していた。また、比較例の合金No.35〜No.42は、Zr含有量が本発明例と同程度の0.05wt%であることから、本発明例と同じように再結晶組織が形成された。ただ、他の成分の含有量が本発明例の範囲を外れるので、後記するように所定の機械的特性が得られなかった。
表3に示すように、本発明例の合金No.3、No.5、No.7〜No.24、参考例の合金No.1、No.2、No.4、No.6は、再結晶組織が面積率90%以上を占めており、金属組織のほぼ全体が再結晶組織で形成されていた。繊維状組織は、ほとんど存在しない、あるいは内部に局所的に存在するだけであった。
アルミニウム合金押出材は、押出金型と接触する表面部で再結晶が進行しやすい。本発明例は、表面層及び内部が再結晶組織からなるが、押出加工による表面の肌荒れは生じていなかった。
表3に示すように、本発明例の再結晶組織は、合金No.3を除き、平均結晶粒径が500μm以下であり、微細組織を呈していた。結晶粒の粗大化が生じていなかった。
表3、表4に示すように、本発明例の合金No.3、No.5、No.7〜No.24、参考例の合金No.1、No.2、No.4、No.6は、340MPaを超える引張強度と300MPaを超える耐力を有しており、繊維状組織からなる比較例の合金No.25〜No.34と比べて遜色がなかった。機械部材に必要な強度を備えているので、実用材料として使用できる。平均結晶粒径の大きい合金No.3も、他の平均結晶粒径の小さい本発明例の押出材より、機械的強度がやや劣るものの、機械部材に必要な強度を備えている。
表3、表4に示すように、再結晶組織からなる本発明例の合金No.3、No.5、No.7〜No.24、参考例の合金No.1、No.2、No.4、No.6は、30%以上の高い曲げ限界ひずみを示した。それに対し、繊維状組織からなる比較例の合金No.25〜No.34は、曲げ限界ひずみが30%を下回っていた。本発明例は、比較例と比べて曲げ限界ひずみが向上しており、優れた曲げ性を有していた。本発明例の合金No.3は、粒径が720μmであり、他の本発明例と比べて結晶粒が大きいため、曲げ限界ひずみが小さいが、比較例を上回っている。図1(b)に示すように、本発明例の合金材は、曲げ試験を行っても屈曲部に割れが生じていなかった。そのため、図3(a)に示すように試験片を大きく曲げることができた。
このように、本発明例は、大きな角度で曲げ加工を施すことができるので、押出材を種々の形状に成形可能である。押出加工によって最終形状に近い形状まで成形しなくてもよく、金型、加工条件等に選択余地が広がるので、生産コストを低減できる。さらに、本発明例の合金を使用した製品は、不測の事態により過度な曲げ応力が負荷されても破断しにくいので、使用者の安全を確保できる。
表3、表4において、耐食性が良好な場合を「○」、不良の場合を「×」で表示した。表3に示すように、本発明例の合金は、いずれも耐食性が良好であった。
表4に示すように、比較例の合金No.25〜No.34は、その主たる金属組織が繊維状組織から構成されているため、本発明例の合金と比べて曲げ限界ひずみが小さかった。図2(b)に示すように、曲げ限界ひずみが小さい比較例の合金材は、屈曲部に割れが生じていた。そのため、試験片を大きく曲げることができず、図3(b)に示すように試験片は分断した。このように、比較例の合金材は、本発明例と比べて曲げ性および耐割れ性に劣っていた。
比較例の合金No.35〜No.42は、その主たる金属組織が再結晶組織から構成されていた。しかし、本発明例の合金組成の範囲を外れているため、耐力、曲げ限界ひずみ、または耐食性において、本発明例よりも劣っていた。合金No.35は、Si含有量が多く、合金No.36は、Fe含有量が多いため、粗大な晶出物が形成されやすく、耐力が本発明例よりも低かった。合金No.37は、Cu含有量が少ないため、耐力が低かった。合金No.38は、Cu含有量が多いため、耐食性が不良であった。合金No.39は、Mg含有量が少ないため、耐力が低かった。合金No.40は、Mg含有量が多いため、耐食性が不良であった。合金No.41は、Zn含有量が少ないため、耐力が低かった。合金No.42は、Zn含有量が多いため、曲げ限界ひずみが低く、耐食性が不良であった。
表1における本発明例の合金No.8と同じ合金組成の溶湯を用いて、実施例1と同様の手順により、ビレットを製造した。得られたビレットに、480℃で4時間保持した後、ファン空冷して均質化処理を行った。その後、表5に示す押出速度及び押出温度で、実施例1と同様の手順により熱間押出を行い、ファン空冷で室温まで冷却して、平板形状(幅100mm、厚さ2mm)の押出材を得た。この押出材を長さ4500mmに切断した後、表5に示す温度及び時間で人工時効処理を施して供試材として、合金No.43〜No.46を得た。そして、実施例1と同様の手順により、金属組織、平均結晶粒径、引張り強さ、耐力、伸び、および曲げ限界ひずみ、耐食性に関する試験および測定を行った。その結果を表5に示す。
それに対し、表5に示すように、合金No.43は、ビレット温度が高く、押出速度が遅いため、製品の表層が粗大化される一方で、製品内部が繊維状組織であるため、曲げ限界ひずみが30%を下回り、曲げ性が劣化した。合金No.44は、押出速度が速すぎたため、摩擦熱による局部溶融が生じて、押出品の表層に微細割れが発生した。合金No.45は、ビレット温度が低すぎたため、押出変形抵抗が高くなり押出加工が極めて困難であった。合金No.46は、ビレット温度が高いため、局部溶融が生じて押出品の表層に微細割れが発生した。合金No.44〜No.46は、いずれも押出品として不適であったので、時効処理および評価試験を実施しなかった。
以上の結果によると、本発明の製造方法における押出加工および熱処理条件を用いることにより、再結晶組織が形成されて良好な曲げ性を有する高耐力アルミニウム合金を製造することができる。
Claims (7)
- Zn:5.0〜7.0質量%、Mg:0.5〜1.5質量%、Cu:0.05〜0.3質量%、Zr:0.15質量%以下、Fe:0.1〜0.4質量%、Si:0.05〜0.4質量%、Ti:0.005〜0.12質量%を含有し、Cr:0.05〜0.3質量%、Mn:0.05〜0.2質量%の1種以上を含有する、残部がAl及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金の押出材であって、金属組織の90%以上が再結晶組織であることを特徴とする曲げ性および耐割れ性に優れた高耐力アルミニウム合金押出材。
- 前記アルミニウム合金が、Zr:0.05〜0.08質量%、B:0.003〜0.1質量%の1種または2種以上を含有する、請求項1記載の高耐力アルミニウム合金押出材。
- 前記再結晶組織の平均結晶粒径が500μm以下である、請求項1または2に記載された高耐力アルミニウム合金押出材。
- 曲げ加工が施された請求項1〜3のいずれか1項に記載された高耐力アルミニウム合金押出材。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載された高耐力アルミニウム合金押出材の製造方法であって、
前記アルミニウム合金のビレットを、450〜560℃で、1〜16hr加熱保持した後、常温まで冷却して、均質化処理を行う工程、
前記ビレットを、400〜570℃に加熱し、押出速度2〜50m/minで押出加工を行い、押出材を得る工程、
前記押出材を、110〜200℃に加熱し、4〜24hr保持して、時効処理を行う工程、
を含むことを特徴とする曲げ性および耐割れ性に優れた高耐力アルミニウム合金押出材の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載された高耐力アルミニウム合金押出材の製造方法であって、
前記アルミニウム合金のビレットを、450〜560℃で、1〜16hr加熱保持した後、常温まで冷却して、均質化処理を行う工程、
前記ビレットを、400〜570℃に加熱し、押出速度2〜50m/minで押出加工を行い、押出材を得る工程、
前記押出材を、1段目で90〜120℃に加熱し、予備時効を行い、その後、2段目で前記1段目の保持温度よりも高温の110〜200℃に加熱し、時効処理を行い、前記1段目の保持時間と前記2段目の保持時間との合計が4〜24hrである工程、
を含むことを特徴とする曲げ性および耐割れ性に優れた高耐力アルミニウム合金押出材の製造方法。 - さらに、前記時効処理が施された押出材に曲げ加工を施す工程を含む、請求項5または6に記載された高耐力アルミニウム合金押出材の製造方法。
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