JPH11343534A - アルミニウム合金押出材からなるエネルギ―吸収部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 押出軸方向に圧縮の衝撃荷重あるいは圧縮の
静的負荷を受けたとき、圧壊割れを発生することなく蛇
腹状に収縮変形するとともに、強度及びエネルギー吸収
量に関して素材自体のもつポテンシャルを過度に犠牲に
することのないエネルギー吸収部材。 【解決手段】 Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の熱処理型アルミニ
ウム合金からなる押出材を、溶体化焼入れ又はプレス焼
入れ後過時効処理する。望ましい合金組成は、Ｍｇ：
０．３５〜１．１％、Ｓｉ：０．５〜１．３％、Ｃｕ：
０．１５〜０．７％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｚ
ｒ：０．０６〜０．２％を含み、さらにＭｎ：０．０５
〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜０．１５％のいずれか１
種又は２種を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アルミニウム合金
製押出材からなり、その押出軸方向に圧縮の衝撃荷重あ
るいは圧縮の静的負荷を受けたとき、その衝撃荷重及び
静的負荷を吸収する作用を持つエネルギー吸収部材に関
する。

【０００２】

【従来の技術】自動車のフレーム構造において、サイド
メンバやバンパーステイなどのエネルギー吸収部材とし
て、アルミニウム合金中空押出材の適用が検討されてい
る（例えば特開平７−３１０１５０号公報、特開平７−
１１８７８２号公報参照）。軸方向に圧縮の衝撃荷重を
受けるこれらのエネルギー吸収部材に要求される特性の
１つは、上記公報にも記載されているように、部材が押
出軸方向に荷重を受けたとき形材全体がオイラー座屈
（形材全体がくの字形に曲がる座屈）を起こさず、かつ
圧壊割れを発生することなく蛇腹状に収縮変形して、安
定したエネルギー吸収を得ることである。

【０００３】上記特開平７−１１８７８２号公報にも記
載されているように、サイドメンバやバンパーステイな
どのエネルギー吸収部材には、高強度アルミ合金の中で
は比較的耐食性に優れ、リサイクル性の面でも他の系の
アルミニウム合金より優れている６０００系（Ａｌ−Ｍ
ｇ−Ｓｉ系）アルミニウム合金押出材が検討されている
が、このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に
通常のＴ５、Ｔ６処理を行って強度を上げた場合、変形
能が低下して圧壊割れが発生しやすいという問題があ
る。

【０００４】例えば自動車のサイドメンバに圧壊割れが
発生すると、蛇腹状の収縮変形が妨げられて安定したエ
ネルギー吸収が得られなくなる恐れがあり、また、狭い
エンジンルーム内に破片が砕け散ったり、割れの先端が
飛び出して、他の部品や配線を損傷し、あるいはボディ
外板に穴を開けたりする恐れがあり、信頼性のある素材
として認められないことになる。そのため、強度を向上
させる元素すなわちＳｉ、Ｍｇ、Ｃｕ等を多めに添加し
たうえで、伸びを大きくするため焼鈍するなど、発揮し
得る強度、耐力及びエネルギー吸収量を大幅に犠牲にし
た材料設計を余儀なくされてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、アルミニウ
ム合金製押出材からなるエネルギー吸収部材において、
押出軸方向に圧縮の衝撃荷重あるいは圧縮の静的負荷を
受けたとき、圧壊割れを発生することなく蛇腹状に収縮
変形するとともに、強度及びエネルギー吸収量に関して
素材自体のもつポテンシャルを過度に犠牲にすることの
ない、軸圧壊特性に優れたエネルギー吸収部材を得るこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るエネルギー
吸収部材は、過時効処理した熱処理型アルミニウム合金
押出材からなることを特徴とする。適正な過時効処理の
レベルの目安として、溶体化焼入れ（溶体化処理温度以
上に加熱し急冷する焼入れ処理）又はプレス焼入れ（溶
体化処理は熱間押出の温度を利用し、オンラインで急冷
し焼入れする処理）した押出材を時効処理して得られる
耐力（σ0.2）の最高値をσmaxとしたとき、過時効処理
により（０．９〜０．５）×σmaxの耐力をもつように
するとよい。この熱処理型アルミニウム合金としては、
強度、耐食性及びリサイクル性等の観点から、６０００
系、つまりＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金が好適
である。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に
おいて上記の耐力をもつエネルギー吸収部材を得る過時
効処理条件としては、例えば２１０〜２３０℃×１５０
〜２４０分が挙げられる。また、他の熱処理型アルミニ
ウム合金、例えば７０００系のＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ又はＡ
ｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金においても、過時効処理条
件は異なるものの、過時効処理によって圧壊割れ性が改
善される。

【０００７】

【発明の実施の形態】熱処理型アルミニウム合金押出材
に対し過時効処理を行うことにより、軸方向圧縮に対す
る最大荷重は多少低下するが、圧壊割れを発生すること
なく安定して蛇腹状に収縮変形するようになり、総合的
な軸圧壊特性は向上する。そして、あくまで目安である
が、（０．９〜０．５）×σmaxの耐力をもつように過
時効処理することが好ましい。過時効処理後の耐力が
０．９×σmaxより大きい場合は圧壊割れ防止の改善効
果が十分でなく、逆に０．５×σmaxより小さくなると
強度及びエネルギー吸収量が低下し過ぎる。この範囲内
では、一般に（０．８〜０．６）×σmaxの範囲がより
好ましい。なお、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系押出形材を過時効
処理し、これを曲げ加工用ワークとして用いることが特
開平５−２５５９５号公報に記載されている。しかし、
同公報に記載された技術は過時効処理により高すぎる引
張強さ、耐力を低下させ、曲げ加工精度を向上させると
いうものであり、また、同公報には過時効処理による伸
びの向上がないことが示されていることから、同公報は
過時効処理が軸方向に圧縮を受けるエネルギー吸収部材
の圧壊割れ特性を向上させることを示唆するものではな
い。

【０００８】本発明においてσmaxは、溶体化焼入れ又
はプレス焼入れした押出材を時効処理して得られる耐力
の最高値であり、同じ条件で溶体化焼入れ又はプレス焼
入れした押出材であれば、その値は特定できる。その処
理条件は、処理温度によって処理時間も変わり、一義的
には決められないが、例えば１７７〜１８３℃×３３０
〜４００ｍｉｎや１８７〜１９３℃×１５０〜２１０ｍ
ｉｎである。過時効処理後の耐力値はこのσmaxと比較
される。過時効処理とは、σmaxが得られる時効処理条
件より高い温度又は長い時間時効処理を行うことであ
り、具体的には、処理温度Ｔ_１℃で時効処理した場合に
Ｈ_１ｍｉｎでＴ_１℃での最高強度が得られるとすれば、
Ｔ_１℃×（Ｈ_１＋α）ｍｉｎの処理条件を施すこと、ま
た、処理温度Ｈ_２で時効処理した場合にＴ_２℃でＨ_２ｍ
ｉｎでの最高強度が得られたとすれば、（Ｔ_２＋β）℃
×Ｈ_２ｍｉｎの処理条件を施すことを意味する。ここ
で、α、βは正の値である。

【０００９】本発明に適するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミ
ニウム合金は、Ｍｇ、Ｓｉを主成分とする析出硬化型合
金であり、概ね次のような組成をもつ。Ｍｇ：０．３５
〜１．６％（重量％、以下同じ）、Ｓｉ０．２〜１．６
％を含み、必要に応じてＣｕ：０．８％以下、Ｔｉ：
０．２％以下、Ｚｒ：０．３％以下、Ｍｎ：０．８％以
下、Ｃｒ：０．５％以下の１種又は２種以上を含み、残
部Ａｌ及び不可避不純物。不可避不純物のうち、Ｆｅは
０．７％以下、その他の不純物は個別には０．０５％以
下、合計で０．１５％以下に制限される。特に軽度の過
時効処理でも圧壊割れの発生を防止できる組成は、Ｍ
ｇ：０．３５〜１．１％、Ｓｉ：０．５〜１．３％、Ｃ
ｕ：０．１５〜０．７％、Ｔｉ：０．００５〜０．２
％、Ｚｒ：０．０６〜０．２％を必須成分として含み、
さらにＭｎ：０．０５〜０．５％、Ｃｒ：０．０５〜
０．１５％のいずれか１種又は２種を含み、残部Ａｌ及
び不可避不純物であることが、本発明者らのさらなる研
究により見いだされた。この組成の場合、軽度の過時効
処理でも圧壊割れ性が向上するので、その分、最大荷重
及び吸収エネルギーを犠牲にしなくて済む。その場合の
過時効処理後の耐力の目安としては、特にやや高目の
（０．９〜０．８）×σmaxがよい。各成分の限定理由
は次のとおりである。

【００１０】Ｍｇ、Ｓｉ Ｍｇ及びＳｉは、合金に強度を付与する元素である。Ｍ
ｇ含有量が０．３５％未満又はＳｉ含有量が０．２％未
満の場合、時効処理の効果が得られない。特に本発明で
は過時効処理することにより通常の時効処理の場合に比
べて強度が低下するので、この添加量未満ではエネルギ
ー吸収部材として十分な強度、エネルギー吸収量が得ら
れない。逆に、Ｍｇ含有量が１．６％を越え又はＳｉ含
有量が１．６％を越えると、圧壊割れの発生を防止する
には過度の過時効処理を必要とし、強度及びエネルギー
吸収量の面で素材自体がもつポテンシャルを大幅に犠牲
にすることになる。従って、Ｍｇは０．３５〜１．６
％、Ｓｉは０．２〜１．６％の範囲とする。特にＭｇ：
０．３５〜１．１％、Ｓｉ：０．２〜１．３％の範囲
が、素材自体のポテンシャルを余り犠牲にせずに圧壊割
れ防止を図ることができ、好ましい。素材強度を考慮し
た場合、Ｓｉ：０．５〜１．３％がなお好ましい。

【００１１】Ｃｕ Ｃｕは合金のマトリックス強度を向上させるとともに、
材料の延性を向上させる。本発明では過時効処理するこ
とにより強度が低下するため、材料のマトリックス強度
を予め高めにしておくことが必要である。そのために
は、添加量は０．１５％以上とするのが望ましい。一
方、０．８％を超えるとその効果が飽和するとともにプ
レス焼入れ性、及び溶接性を劣化させる。望ましくは、
０．７％以下である。従って、Ｃｕ添加量は０．８％以
下、望ましくは０．１５〜０．７％である。

【００１２】Ｔｉ Ｔｉは溶解鋳造時に核生成し鋳造組織を微細にする働き
があり、そのため適宜添加されるが、望ましい添加量は
０．００５％以上である。しかし、多すぎると粗大な化
合物を生成しＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を脆弱にするので
０．２％を上限とする。 Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｒ Ｚｒ、Ｍｎ、Ｃｒは均質化熱処理時に鋳塊中に金属間化
合物として析出し、熱間加工等における２次再結晶を抑
制し、金属組織を微細にする。押出加工においては組織
を繊維状組織とし、等軸再結晶組織に比べ過時効処理後
の圧壊割れ性を著しく改善する。このうちＺｒはその改
善効果が最も高く、軽度の過時効処理でも圧壊割れの発
生を防止できるようになる利点があり、Ｚｒのこの作用
を十分発揮させるには０．０６％以上添加する必要があ
る。Ｍｎ、Ｃｒについてもそれぞれ０．０５％、０．０
５％以上添加するのが望ましい。また、Ｍｎ、ＣｒはＺ
ｒに比べてプレス焼入れ性の低下が大きく、Ｃｒは押出
材の表面性状を著しく悪化させるので、これら３種の元
素のうちではまずＺｒを添加し、再結晶抑制効果をさら
に高める必要がある場合にＭｎ、Ｃｒを添加するのが望
ましい。一方、過剰な添加は鋳造時に粗大な不溶性金属
間化合物を生成しやすく、強度、延性の低下及び圧壊割
れ性の悪化の原因となるので、それぞれ０．３０％、
０．８０％、０．５％とし、特に軽度の過時効処理で圧
壊割れを防止するためには、それぞれ０．２％、０．５
％、０．１５％以下が望ましい。

【００１３】上記のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合
金を用いてエネルギー吸収部材を製造するには、常法に
則り溶解鋳造により鋳塊にした後、均質化処理し、所望
の断面形状に熱間押出−プレス焼入れするか、所望の断
面形状に熱間押出後、溶体化焼入れした後、過時効処理
を行う。過時効処理の条件は、先に述べたように例えば
２１０〜２３０℃×１５０〜２４０分であり、これによ
り、合金中の析出物Ｍｇ_２Ｓｉが緻密微細に分布した
後、さらに成長を続け粗大に成長し、強度は最高強度よ
りも低下する。

【００１４】本発明に係るエネルギー吸収部材は、自動
車等の車体のフレーム材、例えばサイドメンバやバンパ
ーステイなど、押出軸方向に加えられる衝撃荷重を変形
エネルギーに変換することにより構体全体の破壊を防止
する用途に適用され、その断面形状は特に限定されるわ
けではないが、例えば適宜の閉断面形状とされる。

【００１５】

【実施例】（実施例１）表１に示す化学成分（ＪＩＳ６
０６３に相当）のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を半連続鋳造
法により作製した鋳塊に４７０℃×８ｈｒの均質化熱処
理を施した後、その温度にて図１に示す田型断面形状に
押出成形した。

【００１６】

【表１】

【００１７】供試材は、表２に示す条件で溶体化処理後
焼入れを行い、温度を変えて時効処理を行った（Ｎｏ．
２〜５）。また、自然時効のままの供試材（Ｎｏ．１）
と焼鈍材とした供試材（Ｎｏ．６）も作成した。

【００１８】

【表２】

【００１９】供試材よりＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採
取し、機械的性質を調査した結果を表３及び図２に示
す。なお、図２をみると、引張強さ及び耐力はＮｏ．３
の条件で最も大きくなっている。

【００２０】

【表３】

【００２１】また、供試材の静的な軸圧壊試験を行っ
た。供試材の長さは２００ｍｍで、これを図３に示すよ
うなアムスラー試験機にて１０〜５０ｍｍ／ｍｉｎ程度
の変位速度で軸方向に静的圧縮荷重を加え、１００ｍｍ
圧縮した。その試験結果も表３及び図２に合わせて示
す。なお、吸収エネルギーは変位量１００ｍｍまでに吸
収したエネルギーであり、圧壊割れの評価は、１が割れ
なし、２が微小クラック、３がクラック（開口無し）、
４が開口割れ、５が破断割れとし、５段階にて評価し
た。

【００２２】表３及び図２の結果から、Ｎｏ．３の熱処
理を行ったものは最大荷重が大きく吸収エネルギーも大
きいが、圧壊割れ性に劣る。一方、過時効処理を行った
Ｎｏ．４、５は最大荷重及び吸収エネルギーでは素材強
度を最大としたＮｏ．３より劣るが、圧壊割れランクで
は際だって優れている。なお、表３及び図２に明らかな
ように、圧壊割れ性は過時効領域に入ると急激に改善さ
れる。しかし、焼鈍材であるＮｏ．６と異なり、過時効
処理を行ったＮｏ．４、５の伸びは素材強度を最大とし
たＮｏ．３より小さく、過時効処理材の圧壊割れ性の向
上が伸びの向上によるものではないことが分かる。

【００２３】また、焼入れままのＮｏ．１は、表３に示
す圧壊特性では過時効処理を行ったＮｏ．４、５に遜色
ないようにみえるが、これらは自然時効が進行するに従
って、あるいは製品使用中に析出温度以上に保持される
状態において時効が進行し、圧壊割れ性が劣化する可能
性があり、エネルギー吸収部材として信頼性のある素材
として認められていない。これに対し、過時効処理を行
ったＮｏ．４、５は自然時効が進行することはなく、ま
た、万一製品使用中に析出温度以上に保持される状態に
おいても圧壊割れ性が劣化することはなく、信頼性が高
い。

【００２４】（実施例２）表４に示す３種の化学成分Ａ
ｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を半連続鋳造法により作製した鋳
塊に５５０℃×４ｈｒの均質化熱処理を施した後、５０
０℃にて図４に示す口型断面形状に押出成形し、そのま
まプレス焼入れした。供試材は、表５に示すようにプレ
ス焼入れのままのものと、温度を変えて時効処理を行っ
たものを作成した。

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】供試材よりＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採
取し、機械的性質を調査した結果を表６に示す。また、
長さ２００ｍｍの供試材を用い、図３に示すようにアム
スラー試験機にて形材の軸方向に１０〜５０ｍｍ／ｍｉ
ｎ程度の変位速度で静的圧縮荷重を加え、軸方向に１０
０ｍｍ圧縮し、圧壊割れの発生の有無を調べた。圧壊割
れの評価は、実施例１と同じく１〜５の５段階で評価し
た。その試験結果も表６に示す。

【００２８】

【表６】

【００２９】表６の結果から、本発明で特に好ましいと
される組成に該当する合金Ｎｏ．１の供試材は、最大強
度を示す時効処理Ｃで合金Ｎｏ．２、３の供試材に比べ
て強度が高く、圧壊割れ性も相対的に優れている。この
傾向は他の時効処理においても同様であり、過時効処理
Ｄ、Ｅにおける圧壊割れランクをみても、合金Ｎｏ．１
の供試材は相対的に優れている。合金Ｎｏ．１の供試材
は、このように軽度の過時効処理でも圧壊割れが改善さ
れるので、強度の低下に伴うエネルギー吸収量の低下が
少なく（開口割れが発生しない場合、エネルギー吸収量
は強度にほぼ比例する）、軸方向荷重を受けるエネルギ
ー吸収部材として優れている。

【００３０】なお、プレス焼入れままの時効処理Ａの供
試材は、表６に示す圧壊割れ性では過時効処理Ｄ、Ｅの
供試材に遜色ないようにみえるが、これらは自然時効が
進行するに従って、あるいは製品使用中に析出温度以上
に保持される状態において時効が進行し、圧壊割れ性が
劣化する可能性があり、エネルギー吸収部材として信頼
性のある素材として認められていない。これは最高強度
に達していない亜時効処理Ｂの供試材でも同様である。
これに対し、過時効処理を行ったＤ、Ｅの供試材は自然
時効が進行することはなく、また、万一製品使用中に析
出温度以上に保持される状態においても圧壊割れ性が劣
化することはなく、信頼性が高い。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、押出軸方向に圧縮の衝
撃荷重あるいは圧縮の静的負荷を受けたとき、圧壊割れ
を発生することなく蛇腹状に収縮変形するとともに、強
度及びエネルギー吸収量に関して素材自体のもつポテン
シャルを過度に犠牲にすることのないエネルギー吸収部
材を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例に用いた押出材の断面形状である。

【図２】 実施例に用いた供試材の引張強さ、耐力及び
圧壊割れと時効処理の関係を示す図である。

【図３】 実施例の静的圧壊試験法の説明図である。

【図４】 実施例に用いた押出材の断面形状である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０ Ｃ２２Ｆ 1/00 ６３０Ｂ ６３１ ６３１Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 過時効処理した熱処理型アルミニウム合
   金押出材からなるエネルギー吸収部材。
2. 【請求項２】 時効処理して得られる耐力（σ0.2）の
   最高値をσmaxとしたとき、過時効処理により（０．９
   〜０．５）×σmaxの耐力をもつようにされた請求項１
   に記載のエネルギー吸収部材。
3. 【請求項３】 上記熱処理型アルミニウム合金がＡｌ−
   Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金である請求項１又は２に
   記載のエネルギー吸収部材。