JP6429519B2 - Al−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法 - Google Patents
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アルミニウム合金圧延板としては、以下の範囲の化学成分の合金とする。すなわち、Mg0.4〜0.8%、Si0.6〜1.2%を含有し、かつFe0.03〜0.3%、Mn0.03〜0.3%、Cr0.01〜0.1%、Ti0.005〜0.3%、Zn0.03〜0.3%のうち選ばれた1種または2種以上を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金を素材とする。
Mgは本発明で対象としているAl−Mg−Si系合金において基本となる合金元素であって、塗装焼付処理時にSiとともにβ”析出相を形成することにより強度向上に寄与する。Mg量が0.4%未満では塗装焼付処理時に析出硬化によって強度向上に寄与するβ”相の生成密度が極端に低下するため、充分な強度向上が得られない。一方、0.8%を超えれば、粗大なMg−Si系の金属間化合物が生成され、成形性が大幅に低下してしまう。よってMg量は0.4〜0.8%の範囲内とした。
Siも本発明で対象としているAl−Mg−Si系合金において基本となる合金元素であって、塗装焼付処理時にMgとともにβ’析出相を形成することにより強度向上に寄与する。Si量が0.6%未満では上記の効果が充分に得られない。一方、1.2%を超えれば粗大なSi粒子や粗大なMg−Si系の金属間化合物が生じて、成形性が大幅に低下してしまう。したがってSi量は0.6〜1.2%の範囲内とした。
Tiは鋳塊組織の微細化による強度向上や防食に有効な元素である。Tiの含有量が0.005%未満では充分な効果が得られない。一方、0.3%を超えればTi添加による鋳塊組織微細化と防食の効果が飽和する。したがってTiは0.005〜0.3%の範囲内とした。
これらの元素は、強度向上や結晶粒微細化に有効である。Mnの含有量が0.03%未満、もしくはCrの含有量がそれぞれ0.01%未満では、上記の効果が充分に得られない。一方、Mnの含有量が0.3%を越えるか、あるいはCrの含有量がそれぞれ0.1%を超えれば、上記の効果が飽和するばかりでなく、多数の金属間化合物が生成されて成形性に悪影響を及ぼすおそれがある。したがってMnは0.03〜0.3%の範囲内、Cr、は0.01〜0.1%の範囲内とした。
Feは、一般のアルミニウム合金において通常は0.03%未満は不可避的不純物として含有される。一方、Feは強度向上と結晶粒微細化に有効な元素であり、これらの効果を発揮させるためにFeを0.03%以上積極的に添加しても良い。但し、その含有量が0.03%未満では充分な効果が得られない。一方0.3%を超えれば、成形性が低下するおそれがある。したがってFeを積極的に添加する場合のFe量は0.03〜0.3%の範囲内とした。
Znは、時効性向上を通じて強度向上に寄与するとともに表面処理性の向上に有効な元素である。Znの添加量が0.03%未満では上記の効果が充分に得られない。一方0.3%を超えれば成形性と耐食性が低下する。したがってZn量は0.03〜0.3%の範囲内とした。
以上の各元素のほか、地金や中間合金に含まれているものは基本的にはAlおよび不可避的不純物であり、本発明の効果を妨げるものではないため、このような不可避的不純物の含有も許容される。
次に、温間成形用アルミニウム合金圧延板素材の製造方法について説明すれば、基本的には、アルミニウム合金製造業で通常一般に採用されている方法により製造することが可能である。
図1に、本実施形態の製造方法の一例を示す。温間成形用アルミニウム合金圧延板素材は、鋳造工程(S11)、均質化処理工程(S12)、熱間圧延工程(S13)、冷間圧延工程(S14)、溶体化処理工程(S15)、予備時効処理工程(S16)を経て製造される。以下、項目毎に分けて説明する。
所定の成分に溶解調整されたアルミニウム合金溶湯を、通常の溶解鋳造法を適宜選択して鋳造する。ここで通常の溶解鋳造法としては、例えば半連続鋳造法(DC鋳造法)や薄板連続鋳造法(ロールキャスト法等)などを含む。
次いで、このアルミニウム合金鋳塊に480℃以上の温度で均質化処理を施す。均質化処理は、溶湯凝固時の合金元素のミクロ偏析を緩和し、併せてMn、Crをはじめとする各種の遷移元素を含む場合には、これらを主成分とする金属間化合物の分散粒子を、マトリクス中に均一かつ高密度に析出させるために必要な工程である。均質化処理の加熱時間は、通常は1時間以上とし、また経済的な理由から48時間以内に終了させるのが通常である。但し、この均質化処理における加熱温度は、熱延前に熱延開始温度まで加熱する加熱処理温度に近いことから、熱延前加熱処理を兼ねて均質化処理を行なうことも可能である。
この均質化処理工程の前もしくは後に適宜面削を施した後、300〜590℃程度の温度範囲内で熱間圧延を開始し、その後冷間圧延を施すことにより、所定の板厚のアルミニウム合金板を製造する。熱間圧延の途中、熱間圧延と冷間圧延の途中または冷間圧延の途中において、必要に応じて中間焼鈍や溶体化処理を行っても良い。
このようにして所定の板厚まで圧延された冷間圧延板には、最終的に溶体化処理を行い、その後予備時効処理を行う。各工程は、具体的には以下のようにして行う。
溶体化処理は、冷間圧延板に存在するMg2Si、単体Si等をマトリックスに固溶させるための工程であり、通常は冷延板を480℃以上の高温に加熱して行う。溶体化処理温度が590℃を超えると共晶融解が生じる恐れがあるため通常は590℃以下とし、加熱温度に到達後、保持なしもしくは5分以下の短時間保持の後、130℃以下の温度まで急冷する。このような溶体化処理は、コイル状に巻き取った冷間圧延板を、加熱帯と冷却帯を有する連続焼鈍炉に連続的に通過させることによって、効率的に行うことができる。
以上のように溶体化処理後に130℃以下の温度まで急冷した後、引き続いて予備時効処理を行う。予備時効処理は、アルミニウム合金圧延板を60〜130℃の温度範囲で、0.5〜24hr保持する条件で行う。この予備時効処理によって、前述の溶体化処理後の急冷時に、マトリクス中に過飽和に固溶されたMgとSi原子が、高温クラスタと呼ばれる原子の集合体をマトリクス中に形成する。この高温クラスタは、引き続き行われる温間成形時の加熱および塗装焼付処理時の加熱の際に、時効硬化に寄与するβ”と呼ばれる析出相に効率的に遷移する性質を有するため、塗装焼付処理後の成形品の強度を高める役割を果たす。
次に、本発明における最も重要な特徴部分である温間成形方法について説明する。この温間成形方法は、図1のフローチャートでは、温間成形工程(S17)が該当する。
本発明における最も重要な特徴は、上記のような適切な条件で予備時効処理を行ったAl−Mg−Si系合金圧延板を素材とするブランクを用いて行う温間成形の一連の工程において、ブランク全体、または特定された部分を230〜300℃の温度範囲に5分間以下の時間保持されるように、ブランクの温度条件を制御することである。これにより、温間成形終了後に塗装焼付処理を行うことによって、温間成形品全体の強度、または高強度が必要な特定の部位における強度を高めることができる。
まず、ブランクの加熱を温間成形前の予備加熱として実施する方法について述べる。この方法では、温間成形機とは別のブランク予備加熱装置を用いて、この予備加熱装置で、ブランク全体を所定の温度、時間条件で加熱した後、ブランクを温間成形機にセットして、温間成形を行う。予備加熱装置のブランク加熱の方式は、加熱した2組の金型でブランクを挟持して加熱する接触方式であっても良いし、熱風吹きつけや赤外線加熱照射等の非接触の方式であっても良い。また、加熱温度が所定の温度範囲であれば、例えばその後の温間成形においてシワ押さえに挟持されるべき領域を比較的高温に設定し、温間成形においてパンチが当たるべき領域を比較的低温に設定しても良い。
次に、ブランクの加熱を、温間成形の最中に実施する方法について述べる。この場合、予備加熱されていない室温のブランクを温間成形機にセットした後、温間成形機での温間成形の最中にブランク全体を所定の温度、時間条件で加熱する必要があるので、用いる温間成形機は、そのしわ押さえ部とパンチ部の両方またはいずれかに加熱機構を具備していなければならない。具体的には、そのしわ押さえ部とパンチ部の金型を加熱するためのヒーターを据え付けるなどして、加熱機構を付与する。
上述のように温間成形を行った後、塗装焼付処理を行う。温間成形後に塗装焼付処理を行うまでの期間については、自動車の生産プロセスでは通常、2週間以内に行われる。本発明ではこの期間について特に規定を設けるわけではないが、温間成形時の加熱処理によって低温クラスタを一旦溶解させたが、その後の室温保持中に再度徐々に生成するので、なるべく1ヶ月以内に行うのが好ましい。塗装焼付処理の条件は、通常170〜185℃の温度範囲で数十分保持する条件で行なわれる。前述の通り、Al−Mg−Si系合金圧延板をこの塗装焼付処理の温度条件範囲で保持すると、高温クラスタがβ”に遷移して、強度が上昇する時効硬化を示す。
以上説明したように、本実施形態によれば、温間成形の素材とするAl−Mg−Si系合金圧延板の製造工程の最終段階における予備時効処理条件を最適化して、まず素材自体の塗装焼付硬化性を高めておき、かつ引き続きこのAl−Mg−Si系合金圧延板をブランク素材として行う一連の温間成形プロセスにおいて、このブランク全体または特定された部分について、最適化した加熱温度、時間条件で保持する。これにより、その後に行なわれる塗装焼付処理によって、時効硬化が進んで、結果として成形品全体として高い強度を有する成形品を得ることができるか、または最適な強度分布を有する成形品を得ることができる。
アルミニウム合金を溶解して成分調整を行なった後、DC鋳造法により鋳造することにより、表1の合金No.1〜No.9に示す化学成分のアルミニウム合金鋳塊を作製した。各鋳塊について、面削を行った後、530℃で10時間保持する均熱処理を兼ねた加熱処理を行った後、熱間圧延を行って厚さ4mmの熱間圧延板を作製した。その後さらに冷間圧延を行って、厚さ1mmの冷間圧延板を作製した。これらの冷間圧延板について、530℃にて30秒間保持する溶体化処理を行った後、150℃/minの冷却速度で100℃まで冷却した後、引き続き表2に示す条件で予備時効処理を行った。
表1に合金成分を示す合金No.3の鋳塊について、実施例1と同じ条件で、加熱処理、熱間圧延、冷間圧延、溶体化処理、急冷を行った後、予備時効処理を本発明の条件の範囲内である90℃の温度で4時間保持する条件で行って作製した板厚1mmのAl−Mg−Si系合金圧延板を素材として、以下で詳述する条件で温間成形および温間成形品の評価を行った。
Claims (6)
- Mass%で、Mg0.4〜0.8%、Si0.6〜1.2%を含有し、かつFe0.03〜0.3%、Mn0.03〜0.3%、Cr0.01〜0.1%、Ti0.005〜0.3%、Zn0.03〜0.3%のうち選ばれた1種または2種以上を含有し、残部がAlおよび不可避的不純物よりなるアルミニウム合金鋳塊に対して所定の板厚まで圧延加工を施した後、溶体化処理を行い、さらに急冷した後に、60〜130℃の温度範囲で0.5〜12時間保持する予備時効処理を施したアルミニウム合金圧延板を素材とし、該アルミニウム合金圧延板に温間成形を施すAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法であって、
前記温間成形を施す一連の工程の間のいずれかのタイミングにおいて前記素材を230〜300℃の温度範囲に5分間以下保持し、前記温間成形終了後に塗装焼付処理を170〜185℃の温度範囲で保持する条件で行い、得られるAl−Mg−Si系合金圧延板の耐力値を250Mpa以上とすることを特徴とするAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。 - 前記素材の230〜300℃の温度範囲における5分間以下の保持は、前記温間成形前の予備加熱として行うことを特徴とする請求項1記載のAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。
- 前記素材の230〜300℃の温度範囲における5分間以下の保持は、前記温間成形の最中に行うことを特徴とする請求項1記載のAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。
- 前記素材の全体を230〜300℃の温度範囲に5分以下保持することを特徴とする請求項1記載のAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。
- 前記素材の一部分を230〜300℃の温度範囲に5分以下保持することを特徴とする請求項1記載のAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。
- 前記塗装焼付処理を180℃にて60分間保持した条件で行なった場合に、前記温間成形時に230〜300℃の温度範囲に5分以下保持した部分の耐力値が250MPa以上であることを特徴とする請求項1記載のAl−Mg−Si系合金圧延板の温間成形方法。
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