JP2001140029A - エネルギー吸収部材 - Google Patents
エネルギー吸収部材Info
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Abstract
を高くし、同時に横方向に衝突の圧縮荷重を受けたとき
の割れを防止して高いエネルギー吸収量を確保する。 【構成】 エネルギー吸収部材が、Mg:0.5〜1.
6%、Zn:4.0〜7.0%、Ti:0.005〜
0.3%、Cu:0.05〜0.6%を含有し、さら
に、Mn:0.2〜0.7%、Cr:0.03〜0.3
%、Zr:0.05〜0.25%のうち1種又は2種以
上を含有し、残部Al及び不可避不純物からなるアルミ
ニウム合金押出材であり、これが繊維状組織を有し、か
つ時効処理して得られる耐力の最高値の0.7倍以上の
耐力をもつように過時効処理されている。
Description
に関し、詳しくは横方向の圧縮荷重を受ける自動車用の
エネルギー吸収部材に関する。
ルギー吸収部材が用いられている。例えば軽衝突時の車
体の損傷を緩和するためのエネルギー吸収部材として、
自動車用バンパー補強材があり、これには、軽量化の観
点からアルミニウム合金押出材の使用が検討されている
(特開平7−70688号公報、特開平8−17013
9号公報等)。このバンパー補強材は、例えば断面矩形
の中空押出材として成形されるもので、いわゆるクラッ
シャブル材であり、衝突などにより外部からエネルギー
が与えられたとき、その衝突エネルギーを中空部分の変
形(潰れ)により吸収し、他の部材が極力破損しないよ
うにするものである。図1は中空矩形断面(フランジ部
1a、1b及びウエブ部1c、1d)を有するバンパー
補強材1の変形過程を示すもので、バンパー補強材1の
外側フランジ部1a側に対し垂直に圧縮荷重が加えられ
ると、主として対向するウエブ部1c、1dが変形する
ことにより中空矩形断面が変形し(仮想線参照)、その
変形の過程で荷重によるエネルギーが吸収される。
ネルギーの大きさ(最小値)は法規格などによって決ま
っており、一方、バンパー補強材により吸収可能なエネ
ルギーの大きさが余りに大きいと、過剰設計となって重
量が過大となってしまう。従って、バンパー補強材は必
要なエネルギーを吸収することができるように、しかも
過剰設計となって重量が過大とならないように設計され
る。
ー吸収部材を代表するバンパー補強材には、エネルギー
吸収量が大きく、かつ軽量であることが要求される。こ
の要求に対処するため、最近では、バンパー補強材を構
成するアルミニウム合金押出材の材料強度を高くするこ
とが試みられている。しかし、前記公報に記載された7
000系(Al−Mg−Zn系)アルミニウム合金のよ
うに、高強度化した材料を用いた場合、ウエブ部に割れ
が生じやすくなり、割れが生じたときは逆にエネルギー
吸収力が低下する。すなわち、アルミニウム合金押出材
のエネルギー吸収力と軽量化のための高強度化は相矛盾
する課題であり、これまで、これを合金成分、組織等、
冶金的に解決することは難しかった。
たもので、横方向の圧縮荷重を受ける自動車用のエネル
ギー吸収部材について、Al−Mg−Zn系アルミニウ
ム合金の高強度材を用いて強度を高め、同時に衝突時の
割れを防止して高いエネルギー吸収量を確保することを
目的とする。
吸収部材は、Mg:0.5〜1.6%、Zn:4.0〜
7.0%、Ti:0.005〜0.3%、Cu:0.0
5〜0.6%を含有しさらに、Mn:0.2〜0.7
%、Cr:0.03〜0.3%、Zr:0.05〜0.
25%のうち1種又は2種以上を含有し、残部Al及び
不可避不純物からなるアルミニウム合金押出材であり、
これが繊維状組織を有し、かつ時効処理して得られる耐
力の最高値(σ0.2max)の0.7倍以上の耐力をもつよ
うに過時効処理されていることを特徴とする。このエネ
ルギー吸収部材は横圧壊特性に優れ、横方向の圧縮荷重
を受けるバンパー補強材、フレーム、ドアビーム等の自
動車用部材として用いることができる。
ウム合金押出材に対し過時効処理を行うことにより、材
料強度(耐力)は多少低下するが、横圧縮(押出軸方向
に垂直な方向の荷重)に対して圧壊割れを発生すること
なく安定して潰れ変形するようになり、エネルギー吸収
量も向上して、総合的な横圧壊特性は向上する。また、
衝突時の初期荷重が抑えられ、かつ圧壊割れが発生しな
くなることで有効ストローク内の平均荷重が大きくな
り、圧壊に伴うエネルギー吸収量が向上する。ここで、
初期荷重とは、図4及び図5に示す荷重−変位曲線に付
記したように、有効ストローク内(図4及び図5では3
5mm)の初期の最大荷重、すなわち座屈開始荷重を意
味する。有効ストローク内で確実に高いエネルギー吸収
量を得るためには、この荷重−変位曲線において、最大
荷重が有効ストローク内の初期(図4参照)ではなく、
終期(図5参照)に発生することが望まれている。
(耐力)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る。具体的には、例えば、
処理温度T1℃で時効処理した場合にH1minでT1
℃での最高強度が得られるとすれば、T1℃×(H1+
α)minの処理条件を施す。また、処理時間H2で時
効処理した場合にT2℃でH2minでの最高強度が得
られるとすれば、(T2+β)℃×H2minの処理条
件を施す。ここで、α、βは正の値である。このよう
に、過時効処理は温度と時間の兼ね合いで決まるため、
低温であっても時間さえ長くすれば一応過時効とするこ
とができる。しかし、生産性等を考えると、上記組成の
アルミニウム合金押出材において、(150〜180)
℃×(6〜12)hr程度が工業的には望ましい。ある
いは、例えば最高強度を得たところでいったん時効処理
を停止し、再度加熱して時効処理を行った場合も、本発
明でいう過時効処理になる。この場合、後工程の時効処
理として、自動車組立時の塗装焼付け工程を利用するこ
とができる。
効処理後の耐力が、アルミニウム合金押出材を時効処理
して得られる耐力の最高値(σ0.2max)の約0.7倍以
上になるように調整する。これ以上過時効処理を行うと
強度の低下が大きくなり、平均荷重が低下しエネルギー
吸収量が低下して実用的といえなくなる。一方、過時効
処理後の耐力は、上記σ0.2maxの約0.9倍以下が望ま
しい。過時効処理の程度がこれより小さいと耐圧壊割れ
性の改善が少なく、エネルギー吸収量の向上が余り見込
めないためである。
出材をエネルギー吸収部材として用いることが特開平1
1−106879号公報に記載されている。しかし、同
公報に記載されたエネルギー吸収部材は、押出軸方向に
圧縮荷重を受けたとき蛇腹状に収縮変形するサイドメン
バーやバンパーステイに関するもので、横方向に圧縮荷
重を受け変形形態も異なるバンパー補強材等の横圧壊特
性を向上させることを示唆するものではない。また、特
開平5−25595号公報にはアルミニウム合金押出材
を過時効処理し、これを曲げ加工用ワークとして用いる
ことが記載されている。しかし、同公報に記載された技
術は6000系(Al−Mg−Si系)アルミニウム合
金押出材に関するものであり、かつ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るから、横方向に圧縮荷重を受け
て圧壊するエネルギー吸収部材の横圧壊特性を向上させ
ることを示唆するものではない。
過時効処理することにより、通常の時効処理材(最高強
度材)に比べ、耐応力腐食割れ性(耐SCC性)、
一般耐食性、曲げ加工性が改善し、さらにエネルギ
ー吸収部材を薄肉化できるなどの利点が出てくる。これ
らを以下、簡単に説明する。 耐SCC性;自動車のバンパー補強材やフレームは曲
げ加工を施すことが多く、本発明のようなAl−Mg−
Zn合金の場合、残留応力等の影響で曲げ加工部にSC
Cが発生しやすい。このSCCは結晶粒界の析出物と結
晶粒内の電位差によって粒界の析出物が溶出して発生す
るといわれているが、時効処理材では粒界にMgZn2
の析出物が微細に連続的に析出しており、一方、過時効
処理材では時効処理材に比べると析出物が粗大化して不
連続となっており、同じように析出物が溶出しても、過
時効処理材の場合、溶出が粒界に沿って不連続に起こる
ので、比較的SCCが起こりにくいものと考えられる。
ることから、時効処理材に比べ一般耐食性が向上する。 曲げ加工性 特にバンパー補強材やフレームなどの曲げ加工におい
て、きびしい曲げ条件(曲げ半径が小さい等)では、時
効処理材に比べ過時効処理材は局部伸びが大きいため加
工割れが発生しにくい。従って、過時効処理材の方がよ
りきびしい加工を必要とする製品に使用できる。 薄肉化 一般に薄肉となるほど衝突のとき圧壊割れが発生しやす
くなる。従って、強度的に過剰設計で薄肉化が望ましい
ときでも、割れ防止の観点からエネルギー吸収部材を薄
肉化するのは難しいが、過時効処理材は時効処理材に比
べて圧壊割れを起こしにくいので、薄肉化が可能であ
る。
出材の各成分の添加理由及び組成限定理由について説明
する。 Zn ZnはMgと共存して合金に時効性を与え、人工時効に
より強度を向上させる作用を有する。Znの含有量が
4.0%未満では強度の向上が十分でなく、エネルギー
吸収量が少なくなる。一方、7.0%を超えると押出性
が低下するとともに、伸び及び曲げ加工性が低下する。
さらに耐SCC性及び一般耐食性が低下する。従って、
Znの含有量は4.0〜7.0%とし、なかでも6.0
〜7.0%がより好ましい。 Mg Mgはアルミニウム合金の強度を高める主要な元素であ
る。しかし、Mgの含有量が0.5%未満では強度を向
上させる効果を十分に得ることができず、エネルギー吸
収量が少なくなる。一方、1.6%を超えると押出性が
低下するとともに伸びも低下する。さらに耐SCC性、
曲げ加工性が低下する。従って、Mgの含有量は0.5
〜1.6%とし、なかでも0.6〜1.0%がより好ま
しい。
果がある。しかし、含有量が0.005%未満ではその
効果を十分得ることができず、また0.3%を超えると
結晶粒微細化効果が飽和して巨大化合物が発生してしま
う。従って、Tiの含有量は0.005〜0.3%とす
る。 Cu Cuはアルミニウム合金の強度を高める作用があり、目
標とする高強度を得るため添加される。また、Cuは耐
SCC性を改善する作用がある。しかし、Cu含有量が
0.05%未満ではその効果が不十分で、エネルギー吸
収量が少なく、耐SCC性に劣るようになる。一方、
0.6%を超えると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感
受性を高め強度低下を招くとともに、曲げ加工性及び一
般耐食性を劣化させる。また、溶接性も悪くなる。従っ
て、Cuの含有量は0.05〜0.6%、望ましくは
0.1〜0.2%である。
形成し、合金を強化する作用があるため、1種又は2種
以上が添加される。しかし、それぞれ、0.2%、0.
03%、0.05%未満ではその効果が不十分であり、
一方、それぞれ0.7%、0.3%、0.25%を超え
ると押出性が悪くなり、さらに焼入れ感受性を高め強度
低下を招く。従って、Mn:0.2〜0.7%、Cr:
0.03〜0.3%、Zr:0.05〜0.25%の範
囲とする。Zrは0.1〜0.2%が望ましい。繊維状
組織を形成するためには1種又は2種以上を合計で0.
1%以上含有することが望ましく、特に空冷によるプレ
ス焼入れを行う場合、焼入れ感受性の低下を防ぐため合
計で0.4%以下が望ましい。
含まれる不純物であり、0.35%を超えて合金中に存
在すると鋳造時に粗大な金属間化合物を晶出し、合金の
機械的性質を損なう。従って、Feの含有量は0.35
%以下に規制する。また、アルミニウム合金を鋳造する
際には地金、添加元素の中間合金等様々な経路より不純
物が混入する。混入する元素は様々であるが、Fe以外
の不純物は単体で0.05%以下、総量で0.15%以
下であれば合金の特性にほとんど影響を及ぼさない。従
って、これらの不純物は単体で0.05%以下、総量で
0.15%以下とする。なお、不純物のうちBについて
はTiの添加に伴い合金中にTiの1/5程度の量で混
入するが、より望ましい範囲は0.02%以下、さらに
0.01%以下が望ましい。
おいて、アルミニウム合金押出材の結晶組織は繊維状組
織を有するものとする。ここで、繊維状組織とは、押出
材にみられる熱間加工組織で、押し出し方向に長く伸ば
された結晶粒組織のことであり、等軸再結晶組織に比べ
て強度を高め、過時効処理後の横圧壊割れ性を向上させ
る。また、アルミニウム合金押出材の断面形状は特に限
定されるわけではないが、適宜の閉断面形状、例えば荷
重方向にほぼ垂直に向く前後のフランジ部、及びそれら
を連結し荷重方向にほぼ平行に向く一対のウエブ部から
なる略矩形断面とされる。
金を常法により溶解し、半連続鋳造法により直径200
mmの鋳塊に鋳造した。この鋳塊を均質化処理した後、
図2に示す断面形状に押し出し、押出加工時の高温状態
(460℃)から空冷により焼入れ(プレス焼入れ)し
た。ただし、No.15については、空冷では焼きが入
らなかったため、水冷による焼入れを行った。下記表2
においてNo.15のデータは水冷のものであり、空冷
のデータをカッコ内に参考として示している。続いて、
この押出材を短尺に切断し、同じく表1に示す熱処理を
施して供試材とした。なお、T5処理は時効処理(最高
強度σ0.2max)、T7処理は過時効処理を意味する。
から長さ方向にJIS13号B試験片を採取して引張試
験を行い、各供試材の機械的性質を測定した。また、3
0ton万能試験機を用い、図3に示すように、専用ス
テイ2(供試材取付面:長さ方向80mm×幅方向50
mm)に両面テープで固定した供試材3の上面より剛体
4を押し付け、横圧壊試験を行った(変位量35mm=
有効ストロークまで)。各供試材の機械的性質、横圧壊
試験による各供試材の初期荷重、最大荷重、有効ストロ
ーク内の平均荷重及び吸収エネルギーとその圧壊割れラ
ンクを表2に示す。また、供試材No.1、2の変位−
荷重曲線を図4及び図5に示す。表2に示す圧壊割れラ
ンクは、ウエブ部の割れ性を5段階で評価したもので、
1:割れなし、2:肉厚貫通なしの割れあり、3:肉厚
貫通ありの部分割れあり、4:肉厚貫通ありの割れによ
る分断あり、5:割れ全分断、である。なお、No.1
〜5については押出速度を7m/分とし、No.6〜1
6については、No.1〜5と同等の表面品質が得られ
る限界押出速度を測定し、この押出速度がNo.1〜5
に対し同等のもの(No.1〜5の90%以上の場合)
を○、70〜89%の場合を△、69%以下の場合を×
と評価した。その結果を同じく表2に示す。
−Zn系合金鋳塊を、前記の押出材と同じ製造条件で押
出成形−プレス焼入れし、2mm×150mmの押出材
(フラットバー)を得、これに同じ熱処理を施して供試
材とした。各供試材について、耐SCC性、曲げ加工
性、耐食性を下記要領にて測定した。 ・耐SCC性 SCC試験は、クロム酸水溶液(純水1リットル中、無
水クロム酸36g、重クロム酸カリ30g、塩化ナトリ
ウム3g)を試験液として用い、各供試材から押出直角
方向(LT方向)に応力がかかるように試験片を採取
し、試験温度95℃、3点曲げの要領で材料耐力の10
0%及び75%の負荷を与える条件で実施した。評価基
準は、360分浸漬後、拡大鏡にて25倍で観察し、材
料表面の亀裂の有無で評価した。亀裂のないものを○、
100%負荷試験片のみ亀裂発生の場合は△、75%負
荷試験片にも亀裂発生の場合は×と評価した。
験片を曲げ半径2mmの治具を用い、3点曲げの要領で
180゜曲げを行い、曲げ先端部を目視観察し、表面の
亀裂の有無にて評価した(亀裂なし:○、微細亀裂:
△、貫通割れ×)。 ・耐食性 耐食性評価は、供試材から試験片を採取し、JISZ2
371塩水噴霧試験方法に従い、2000時間の腐食減
量を測定した。No.1、2、4、5、10〜14はN
o.3を基準とし、No.6はNo.7を基準とし、N
o.8はNo.9を基準とし、それぞれ腐食減量が基準
とする供試材の腐食減量の+15%以内を○、+30%
以内を△、+31%以上を×として評価した。
o.2〜5は、通常のT5処理を行ったNo.1(最高
強度材)に比べて耐力が低下するが、圧壊割れランク及
び吸収エネルギーが向上している。また、No.1では
初期荷重=最大荷重であり、初期荷重と平均荷重の差が
大きく出たが、No.2〜5では初期荷重が小さく、平
均荷重に近くなっている。このうちNo.3、4は、圧
壊割れランク、エネルギー吸収量とも特に優れている
が、No.5は過時効が進んで耐力の低下が大きく、吸
収エネルギーの向上が少ないため実用的とはいえない。
なお、No.2〜4において耐力が低いにも関わらずエ
ネルギー吸収量が向上しているのは、圧壊割れ性が改善
されたことで、図5に示されるように、変位後半(25
〜35mm)においても荷重の低下が少ないか、全くな
いためである。
と、適度に過時効処理されたNo.7、9は圧壊割れラ
ンク、エネルギー吸収量とも優れ、他の特性も優れてい
る。また、No.10は過時効処理されているが、M
n、Cr、Zrを含有しないため、結晶組織が等軸晶と
なり、圧壊割れランク、エネルギー吸収量とも劣る。耐
SCC性、曲げ加工性も劣る。他の成分が本発明の規定
範囲外のNo.11〜16は、圧壊割れランクは比較的
よいが、エネルギー吸収量及び他の特性のいずれかが劣
る。
金押出材を使用することで強度を高め、同時に横方向に
衝突の圧縮荷重を受けたときの横圧壊特性に優れる自動
車用エネルギー吸収部材を得ることができる。
程の一形態(仮想線)を示す図である。
形状を示す図である。
線(No.1)である。
線(No.2)である。
Claims (1)
- 【請求項1】 Mg:0.5〜1.6%(質量%、以下
同じ)、Zn:4.0〜7.0%、Ti:0.005〜
0.3%、Cu:0.05〜0.6%を含有し、さら
に、Mn:0.2〜0.7%、Cr:0.03〜0.3
%、Zr:0.05〜0.25%のうち1種又は2種以
上を含有し、残部Al及び不可避不純物からなるアルミ
ニウム合金押出材であり、これが繊維状組織を有し、か
つ時効処理して得られる耐力の最高値(σ0.2max)の
0.7倍以上の耐力をもつように過時効処理されている
ことを特徴とする横圧壊特性に優れるエネルギー吸収部
材。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
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---|---|---|---|
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JP11-248971 | 1999-09-02 | ||
JP2000230060A JP3772962B2 (ja) | 1999-09-02 | 2000-07-28 | 自動車用バンパー補強材 |
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---|---|---|---|
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