JP6577652B2 - アルミニウム合金および締結部材 - Google Patents
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Description
本発明は、アルミニウム合金、およびこのアルミニウム合金を用いてなる締結部材に関する。
従来、自動車の燃費向上を実現するための一つの方策として、各種部品の軽量化が追求されている。例えば、エンジンブロックの材料として、鋳鉄の代わりにアルミニウム合金を使用したり、エンジンカバーやオイルパンの材料として、鋼の代わりにマグネシウム合金を使用したりするようになってきている。
上述したアルミニウム合金またはマグネシウム合金からなる部品同士を従来の鋼製ボルトによって締結する場合、アルミニウム合金やマグネシウム合金の線膨張係数と鋼の線膨張係数との差が大きいことに起因してゆるみが発生しやすい上、異種金属の接触による腐食も発生しやすい。このため、締結の信頼性を十分確保するには、部品のねじ穴を深くして鋼製ボルトの軸部長さを長くしたり、鋼製ボルトの径を太くしたりしなければならない。ところが、鋼製ボルトの軸部長さは部品の肉厚に影響を及ぼす一方、鋼製ボルトの径の太さは部品のねじ穴を設けるフランジ部分の幅に影響を及ぼすため、アルミニウム合金やマグネシウム合金からなる部品の締結用に鋼製ボルトを使用することは、軽量化を追求する上で障害となっていた。
このような鋼製ボルトの問題を解決するために、アルミニウム合金やマグネシウム合金からなる部品同士を締結する締結部材として、アルミニウム合金製のボルトを採用する動きも広がってきている（例えば、特許文献１，２を参照）。アルミニウム合金製のボルトは、各種部品を構成するアルミニウム合金やマグネシウム合金との線膨張係数の差が小さくかつ異種金属接触腐食が小さいため、部品のねじ穴を浅くしたり、ボルトの径を細くしたりしても締結の信頼性を確保することができ、軽量化を図るのに好適である。
特許文献１では、締結部材として求められる引張り強さが４００ＭＰａ程度の強度を備える６０００系のアルミニウム合金からなる締結部材が開示されている。この特許文献１よりも高強度なアルミニウム合金として、特許文献２では、ケイ素、鉄、マンガン、亜鉛、バナジウムなどの含有量を特定範囲内で含有させることにより、引張り強さが４５０ＭＰａ以上の強度を備える６０００系のアルミニウム合金からなる締結部材が開示されている。
しかしながら、特許文献２が開示するアルミニウム合金は、バナジウムを含有しているため、バナジウムにより硬度は高くなって強度を向上することができるが、靱性が悪化するという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、強度および靱性に優れたアルミニウム合金および締結部材を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るアルミニウム合金は、質量比で０．７％以上１．８％以下のケイ素、０．５％以上２．１％以下の銅、０．４％以上１．８％以下のマンガン、０．６％以上１．６％以下のマグネシウムおよび０．１％以上０．７％以下の亜鉛を含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
また、本発明に係るアルミニウム合金は、上記発明において、前記銅は、質量比で１．５％以上２．１％以下含まれていることを特徴とする。
本発明に係るアルミニウム合金は、上記発明において、前記マンガンは、質量比で１．２％以上１．８％以下含まれていることを特徴とする。
また、本発明に係るアルミニウム合金は、上記発明において、前記ケイ素は、質量比で１．４％以上１．８％以下含まれており、前記マグネシウムは、質量比で１．２％以上１．６％以下含まれていることを特徴とする。
また、本発明に係るアルミニウム合金は、上記発明において、質量比で１．４％以上１．８％以下の前記ケイ素、１．５％以上２．１％以下の銅、１．２％以上１．８％以下の前記マンガン、１．２％以上１．６％以下の前記マグネシウム、および０．１％以上０．７％以下の亜鉛を含むことを特徴とする。
また、本発明に係るアルミニウム合金は、上記発明において、質量比で０．０５％以上０．１５％以下のニッケル、０．０５％以上０．１５％以下のコバルト、および０．０５％以上０．３％以下のチタンからなる群より選ばれる少なくとも１種をさらに含むことを特徴とする。
また、本発明に係る締結部材は、複数の部材を締結する締結部材であって、上記発明のいずれかに係るアルミニウム合金からなることを特徴とする。
また、本発明に係る締結部材は、上記発明において、引張り強さが４７０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
本発明によれば、強度および靱性に優れたアルミニウム合金および締結部材を提供することができる。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る締結部材の構成を示す側面図である。図１に示す締結部材１は、アルミニウム（Ａｌ）合金からなるボルト（雄ねじの一種）である。締結部材１は、円柱状をなす軸部２と、軸部２の軸線方向（図１の左右方向）の一端に設けられる頭部３と、軸部２と頭部３との境界をなす首部４とを備える。軸部２は、表面にねじ山２１が形成されたねじ部２２を有する。なお、頭部３の形状（六角トリム型）はあくまでも一例に過ぎず、その他の形状（六角フランジ型、なべ型、皿型、トラス型、平型等）を有していても構わない。
図１は、本発明の実施の形態１に係る締結部材の構成を示す側面図である。図１に示す締結部材１は、アルミニウム（Ａｌ）合金からなるボルト（雄ねじの一種）である。締結部材１は、円柱状をなす軸部２と、軸部２の軸線方向（図１の左右方向）の一端に設けられる頭部３と、軸部２と頭部３との境界をなす首部４とを備える。軸部２は、表面にねじ山２１が形成されたねじ部２２を有する。なお、頭部３の形状（六角トリム型）はあくまでも一例に過ぎず、その他の形状（六角フランジ型、なべ型、皿型、トラス型、平型等）を有していても構わない。
締結部材１は、ケイ素（Ｓｉ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）および亜鉛（Ｚｎ）を含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金からなる。具体的に、本実施の形態に係るアルミニウム合金は、質量比において、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含んでいる。また、０．０５％以上０．１５％以下のニッケル（Ｎｉ）、０．０５％以上０．１５％以下のコバルト（Ｃｏ）、および０．０５％以上０．３％以下のチタン（Ｔｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１種の元素を含んでもよい。以下の説明において、含有量とは、質量比における含有比率を示している。
ここで、Ｓｉは、時効処理によりＭｇ2Ｓｉが析出し、このＭｇ2Ｓｉの析出により強度を増加させることができる。特に、Ｍｇ含有量が１．２％以上１．６％以下の場合、Ｓｉ含有量が１．４％以上１．８％以下であれば、Ｍｇ2Ｓｉ析出物量を一層増やすことができ、さらに強度を向上させることができるため好ましい。一方、Ｓｉ含有量が１．８％を超えると、合金の伸びを低下させてしまう。また、Ｓｉ含有量が０．７未満では、Ｍｇ2Ｓｉ析出物による強度向上効果が不足する。
Ｃｕは、時効処理によりＣｕＡｌ2やＡｌ2ＣｕＭｇが析出し、この析出物により強度を増加させることができる。特に、Ｃｕ含有量が１．５％以上２．１％以下であれば、これら析出物量を一層増やすことができ、さらに強度を向上させることができる。一方、Ｃｕ含有量が２．１％を超えると、合金の耐食性や耐応力腐食割れ性、伸びを低下させてしまう。また、Ｃｕ含有量が０．５％未満では、これら析出物による強度向上効果が不足する。
Ｍｎは、固溶強化を示す元素である。また、時効処理によりＡｌ−Ｍｎ−Ｓｉ系析出物も生成し、強度を増加させることができる。特に、Ｍｎ含有量が１．２％以上１．８％以下であれば、これら析出物量を一層増やすことができ、さらに強度を向上させることができる。一方、Ｍｎ含有量が１．８％を超えると、合金の伸びを低下させてしまう。また、Ｍｎ含有量が０．４％未満では、これら析出物による強度向上効果が不足する。
Ｍｇは、時効処理によりＭｇ2Ｓｉが析出し、強度を増加させることができる。特に、Ｓｉ含有量が１．４％以上１．８％以下の場合、Ｍｇ含有量が１．２％以上１．６％以下であれば、Ｍｇ2Ｓｉ析出物量を一層増やすことができ、さらに強度を向上させることができる。一方、Ｍｇ含有量が１．６％を超えると、伸びを低下させてしまう。また、Ｍｇ含有量が０．６％未満では、Ｍｇ2Ｓｉ析出物による強度向上効果が不足する。
Ｚｎは、時効処理によりＭｇＺｎ2が析出し、強度を増加させる。ここで、Ｚｎ含有量が０．７％を超えると、合金の耐食性や耐応力腐食割れ性、伸びを低下させてしまう。また、Ｚｎ含有量が０．１％未満では、これら析出物による強度向上効果が不足する。
Ｎｉは、ＡｌやＦｅ、Ｃｕ等との析出物を形成し、耐熱性を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。ここで、Ｎｉ含有量が０．１５％を超えると、耐食性や耐応力腐食割れ性、伸びを低下させてしまう。また、Ｎｉ含有量が０．０５％未満では、これら析出物による強度向上効果が不足する。
Ｃｏは、Ａｌ等との析出物を形成し、耐熱性を向上させる元素であり、必要に応じて添加することができる。ここで、Ｃｏ含有量が０．１５％を超えると、合金の伸びを低下させてしまう。また、Ｃｏ含有量が０．０５％未満では、これら析出物による強度向上効果が不足する。
Ｔｉは、鋳造組織の微細化を通して、強度を増加させる元素であり、必要に応じて添加することができる。ここで、Ｔｉ含有量が０．３％を超えると、合金の伸びを低下させてしまう。また、Ｔｉ含有量が０．０５％未満では、組織の微細化による強度向上効果が不足する。
０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がＡｌおよび不可避不純物からなるアルミニウム合金からなる締結部材１は、引張り強度が４７０ＭＰａ以上８００ＭＰａである。さらに、締結部材１は、０．２％耐力が４００ＭＰａ以上、破断伸びが１２％以下であり、靱性に優れている。
締結部材１は、上述したアルミニウム合金からなる棒状部材に対して伸線加工やヘッダ加工等を施すことによって成形される。棒状部材に対して伸線加工およびヘッダ加工を施すことによって締結部材１を形成すると、ねじ部２２では、金属結晶がねじ表面形状に沿って繊維状に引き延ばされるファイバーフローが見られる。ねじ部２２にき裂が生じる場合には、ファイバーフローを横切るようにき裂が進む。したがって、ファイバーフローがあることにより、応力腐食割れを抑制することができる。
以上説明した本発明の実施の形態１によれば、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いて締結部材１を作製することによって、強度および靱性に優れた締結部材を提供することができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る締結部材の構成を示す平面図である。図２に示す締結部材５は、上述したアルミニウム合金からなるナット（雌ねじの一種）である。締結部材５は、中空円柱状をなしており、中心部に形成される穴５１の内面にねじ山５２が形成されている。なお、図２に示す締結部材５の形状（六角ナット）はあくまでも一例に過ぎず、他の形状を有するナット（フランジ付ナット、袋ナット、高ナット等）として実現することも可能である。
図２は、本発明の実施の形態２に係る締結部材の構成を示す平面図である。図２に示す締結部材５は、上述したアルミニウム合金からなるナット（雌ねじの一種）である。締結部材５は、中空円柱状をなしており、中心部に形成される穴５１の内面にねじ山５２が形成されている。なお、図２に示す締結部材５の形状（六角ナット）はあくまでも一例に過ぎず、他の形状を有するナット（フランジ付ナット、袋ナット、高ナット等）として実現することも可能である。
締結部材５は、上述したアルミニウム合金を用いて形成され、リング状をなす。締結部材５は、上述したアルミニウム合金からなる棒状部材に対して伸線加工、芯部のくり抜き加工、およびヘッダ加工等を施すことによって成形される。
以上説明した本発明の実施の形態２によれば、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いて締結部材５を作製することによって、実施の形態１と同様、強度および靱性に優れた締結部材を提供することができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る締結部材の構成を示す側面図である。図３に示す締結部材６は、上述したアルミニウム合金からなるリベットである。締結部材６は、円柱状の軸部７と、軸部７をなす円柱の高さ方向（図３の左右方向）の一端に設けられる頭部８と、軸部７と頭部８との境界をなす首部９とを備える。なお、図３に示す頭部８の形状（丸型）はあくまでも一例に過ぎず、その他の形状（皿型等）を有していても構わない。
図３は、本発明の実施の形態３に係る締結部材の構成を示す側面図である。図３に示す締結部材６は、上述したアルミニウム合金からなるリベットである。締結部材６は、円柱状の軸部７と、軸部７をなす円柱の高さ方向（図３の左右方向）の一端に設けられる頭部８と、軸部７と頭部８との境界をなす首部９とを備える。なお、図３に示す頭部８の形状（丸型）はあくまでも一例に過ぎず、その他の形状（皿型等）を有していても構わない。
締結部材６は、上述したアルミニウム合金からなる棒状部材に対して伸線加工やヘッダ加工等を施すことによって成形することができる。
以上説明した本発明の実施の形態３によれば、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金を用いて締結部材６を作製することによって、実施の形態１と同様、強度および靱性に優れた締結部材を提供することができる。
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態１〜３によってのみ限定されるべきものではない。例えば、本発明に係る締結部材を、ボルト以外の雄ねじである小ねじやタッピンねじとして実現することも可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、特許請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
以下、本発明に係るアルミニウム合金の実施例について説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜１０、比較例１〜５）
表１に示す各組成のアルミニウム合金を電気炉で溶解した後、鋳造して鋳塊を得た。次いで、この鋳塊を、温度５００〜５６０℃で加熱して均質化処理を行った。さらに、鋳塊を熱間圧延および線引加工することにより直径１０〜１１ｍｍの線材を得た。この線材を所定寸法に切断後、ヘッダー加工を行い、ブランク品を得た。ブランク品を温度５３０〜５６０℃の条件下で溶体化処理後、温度１５０〜２００℃で人工時効を行い、次いで転造加工を行うことによって、呼び径８ｍｍ、ピッチ１．２５ｍｍのボルトを作製した。これらのボルトに対して引張り試験を行い、引張り強さ、０．２％耐力および破断伸びを求めた。結果を表１に示す。
表１に示す各組成のアルミニウム合金を電気炉で溶解した後、鋳造して鋳塊を得た。次いで、この鋳塊を、温度５００〜５６０℃で加熱して均質化処理を行った。さらに、鋳塊を熱間圧延および線引加工することにより直径１０〜１１ｍｍの線材を得た。この線材を所定寸法に切断後、ヘッダー加工を行い、ブランク品を得た。ブランク品を温度５３０〜５６０℃の条件下で溶体化処理後、温度１５０〜２００℃で人工時効を行い、次いで転造加工を行うことによって、呼び径８ｍｍ、ピッチ１．２５ｍｍのボルトを作製した。これらのボルトに対して引張り試験を行い、引張り強さ、０．２％耐力および破断伸びを求めた。結果を表１に示す。
（実施例１〜４）
実施例１〜４は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
実施例１〜４は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
（実施例５〜１０）
実施例５〜１０は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含むとともに、０．０５％以上０．１５％以下のニッケル（Ｎｉ）、０．０５％以上０．１５％以下のコバルト（Ｃｏ）、および０．０５％以上０．３％以下のチタン（Ｔｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
実施例５〜１０は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含むとともに、０．０５％以上０．１５％以下のニッケル（Ｎｉ）、０．０５％以上０．１５％以下のコバルト（Ｃｏ）、および０．０５％以上０．３％以下のチタン（Ｔｉ）からなる群より選ばれる少なくとも１種を含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金である。
（比較例１〜５）
比較例１〜５は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金に対し、いずれかの元素が範囲外にある。具体的に、比較例１は、Ｍｇが０．５１％であり、上述した範囲から外れている。比較例２は、Ｓｉが０．６２％であり、上述した範囲から外れている。比較例３は、Ｃｕが０．４３％であり、上述した範囲から外れている。比較例４は、Ｍｎが０．３２％であり、上述した範囲から外れている。比較例５は、Ｚｎが０．０２％であり、上述した範囲から外れている。
比較例１〜５は、０．７％以上１．８％以下のＳｉ、０．５％以上２．１％以下のＣｕ、０．４％以上１．８％以下のＭｎ、０．６％以上１．６％以下のＭｇおよび０．１％以上０．７％以下のＺｎを含み、残部がアルミニウム（Ａｌ）および不可避不純物からなるアルミニウム合金に対し、いずれかの元素が範囲外にある。具体的に、比較例１は、Ｍｇが０．５１％であり、上述した範囲から外れている。比較例２は、Ｓｉが０．６２％であり、上述した範囲から外れている。比較例３は、Ｃｕが０．４３％であり、上述した範囲から外れている。比較例４は、Ｍｎが０．３２％であり、上述した範囲から外れている。比較例５は、Ｚｎが０．０２％であり、上述した範囲から外れている。
引張り強さにおいて、表１から、実施例１〜１０は、４７０ＭＰａ以上であるのに対し、比較例１〜５は、４７０ＭＰａ未満であり、実施例１〜１０の方が上述した強度を満たし、高強度であることがわかる。また、０．２％耐力および破断伸びにおいて、表１から、実施例１〜１０は、０．２％耐力が４００ＭＰａ以上、かつ破断伸びが１２％以下であるのに対し、比較例１〜５は、０．２％耐力が４００ＭＰａ未満、かつ破断伸びが１３％以上であり、実施例１〜１０の方が上述した強度を満たし、靱性にも優れていることがわかる。
以上のように、本発明に係るアルミニウム合金および締結部材は、強度および靱性に優れた締結部材を提供するのに好適である。
１、５、６ 締結部材
２、７ 軸部
３、８ 頭部
４、９ 首部
２１、５２ ねじ山
２２ ねじ部
５１ 穴
２、７ 軸部
３、８ 頭部
４、９ 首部
２１、５２ ねじ山
２２ ねじ部
５１ 穴
Claims (7)
- 質量比で０．７％以上１．８％以下のケイ素、１．５％以上２．１％以下の銅、０．４％以上１．８％以下のマンガン、０．６％以上１．６％以下のマグネシウムおよび０．１％以上０．７％以下の亜鉛を含み、残部がアルミニウムおよび不可避不純物からなる
ことを特徴とするアルミニウム合金。 - 前記マンガンは、質量比で１．２％以上１．８％以下含まれている
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。 - 前記ケイ素は、質量比で１．４％以上１．８％以下含まれており、
前記マグネシウムは、質量比で１．２％以上１．６％以下含まれている
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。 - 質量比で１．４％以上１．８％以下の前記ケイ素、１．２％以上１．８％以下の前記マンガン、１．２％以上１．６％以下の前記マグネシウム、および０．１％以上０．７％以下の亜鉛を含む
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。 - 質量比で０．０５％以上０．１５％以下のニッケル、０．０５％以上０．１５％以下のコバルト、および０．０５％以上０．３％以下のチタンからなる群より選ばれる少なくとも１種をさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金。 - 複数の部材を締結する締結部材であって
請求項１〜５のいずれか一つに記載のアルミニウム合金からなる
ことを特徴とする締結部材。 - 引張り強さが４７０ＭＰａ以上である
ことを特徴とする請求項６に記載の締結部材。
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