JP2006213942A - 耐食性に優れたリアサイドレール用アルミニウム合金押出形材 - Google Patents

Abstract

【課題】 厳しい使用環境下と加工環境下および素材環境下でも、耐食性に優れるトラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用６０００系アルミニウム合金押出形材を提供することを目的とする。
【解決手段】 トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用のアルミニウム合金押出形材における成分組成として、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｓｉ：０．２〜１．０％を含み、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉを各々単独でも０．２％以下で、これらの総量でも１．０％以下に規制し、更に、再結晶組織における平均結晶粒径を２００μｍ以下と微細に、かつ結晶粒の平均アスペクト比を５以下と小さく規定し、トラックシャ−シフレ−ムとして使用された場合の耐食性を向上させる。
【選択図】 無し

Description

本発明は、トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用のアルミニウム合金押出形材であって、特に、粒界腐食などの耐食性に優れたリアサイドレール用アルミニウム合金押出形材に関する。

従来、キャブオーバ車のトラックシャーシフレームは、車体後部側（荷台側）のリアサイドレール（リアサイドフレ−ム）と、車体前部側（運転席キャビン側）のフロントサイドレール（フロントサイドフレ−ム）とが、単一の（一体の）鋼製チャンネル部材によって構成されている。

近年、排気ガス等による地球環境問題に対して、自動車などの輸送機の車体の軽量化による燃費の向上が追求されている。この事情は、キャブオーバ車などのトラックでも同様であり、トラックの車体に対し、従来から使用されている鋼材に代わって、圧延板や押出形材など、より軽量なアルミニウム合金材の適用が増加しつつある。

しかし、このようなトラックの車体に対するアルミニウム合金材の適用は、トラックの荷台やトラックのドアフレームなどに限定されている（例えば、特許文献１や２参照）。言い換えると、上記シャーシフレーム４０などのトラック車体本体への実用化（適用）は遅れているのが実情である。
特開２００４−１８９１２５号公報 (特許請求の範囲） 特開２００４−８４２３５公報 (特許請求の範囲）

上記シャーシフレームなどのトラック車体本体へのアルミニウム合金材の実用化（適用）が遅れている理由は、アルミニウム合金材の信頼性の問題がある。

トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレールの場合、車体パネル内に収容される自動車車体のサイドフレーム（サイドメンバ）などとは異なり、トラック車体として、外部にむき出しの状態で使用される。

このため、トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレールには、耐食性、特に、耐粒界腐食性などの耐食性が高いことが求められる。この点、アルミニウム合金押出形材の内でも、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系の６０００系アルミニウム合金押出形材は、より強度が高い７０００系アルミニウム合金押出形材に比して、粒界腐食発生の懸念が少ない。

また、６０００系アルミニウム合金押出形材は、５０００系アルミニウム合金押出形材に比して、強度や耐力が高く、リアサイドレールとして必要な曲げ強度・剛性やねじり強度・剛性を確保でき、リアサイドレールには好適と言える。

しかし、アルミニウム合金押出形材を、機械的な加工やプレス加工などによって、穴あけ加工や成形されて、リアサイドレールに加工する場合、加工部位に残留応力が発生しやすい。この残留応力は、外部にむき出しの状態で使用されるリアサイドレールにとって、トラックの走行が特に塩水などの腐食環境において多い場合には腐食（粒界腐食）の発生原因となりやすい。

また、リアサイドレールへのアルミニウム合金押出形材の適用は軽量化が大きな目的であり、このため、軽量化の利点を出すためには、アルミニウム合金押出形材の肉厚は最大でも６ｍｍ以下の比較的薄肉に制限される。このため、このような薄肉での使用下において、粒界腐食が発生した場合のダメージは、より厚肉な場合に比して、極めて大きくなる。

更に、リアサイドレールとして必要な、曲げ強度・剛性やねじり強度・剛性を確保するために、アルミニウム合金押出形材には０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の高強度、高耐力が要求される。このため、アルミニウム合金押出形材がこのような高強度になるほど、粒界腐食に対する感受性は増すことなる。

このため、使用環境としても、リアサイドレールとして外部にむき出しの状態で使用されても、また、前記した加工部位に残留応力が生じても、前記薄肉化、かつ高強度化の上で、耐粒界腐食性に優れる６０００系アルミニウム合金押出形材が求められている。

したがって、本発明の目的は、上記使用環境下と加工環境下および上記素材環境下でも、耐粒界腐食性に優れるリアサイドレール用６０００系アルミニウム合金押出形材を提供しようとするものである。

この目的を達成するために、本発明のトラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用のアルミニウム合金押出形材の要旨は、質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｓｉ：０．２〜１．０％を含み、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉを各々単独でも０．２％以下で、これらの総量でも１．０％以下に規制し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなり、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、肉厚が３〜６ｍｍであって、ミクロ組織が再結晶組織からなり、この再結晶組織の、平均結晶粒径が２００μｍ以下、結晶粒の押出方向の長さＬと押出形材厚さ方向の長さＳＴとの比であるアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下であることとする。

本発明では、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなる押出形材の組織を押出形材の押出方向に亙って、均一で微細な等軸晶からなる再結晶組織として、耐粒界腐食性に優れるものとする。

一般的に、再結晶組織は、アスペクト比Ｌ／ＳＴが大きい繊維状組織に比して、粒界腐食に対する耐食性が劣るとされている。この点、本発明では、再結晶組織における平均結晶粒径とアスペクト比とを規定し、均一で微細な等軸晶からなる再結晶組織とすれば、耐粒界腐食性が向上することを知見した。

これによって、本発明アルミニウム合金押出形材は、残留応力が発生しても、トラックの走行が特に塩水などの腐食環境であっても、そして、軽量化のために肉厚が最大でも６ｍｍ以下に薄肉化された場合でも、更に、リアサイドレールとして必要な、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の高耐力であっても、耐粒界腐食性に優れることができる。この結果、トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレールにアルミニウム合金を用いて軽量化することが可能となる。

(化学成分組成)
先ず、本発明押出形材のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金成分組成につき、以下に説明する。本発明押出形材の組成は、肉厚が３〜６ｍｍにおいて、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の高耐力を確保するために、また、耐粒界腐食性を確保するために、質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｓｉ：０．２〜１．０％を含み、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（６０００系）アルミニウム合金組成とする。

各元素の好ましい含有範囲と意義、あるいは許容量について以下に説明する。 Ｓｉ：０．２〜１．０％。
Ｓｉは、固溶強化と、人工時効処理によってＭｇとともにＧＰゾーンなどの化合物相を形成することによって、時効硬化能を発揮し、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の必要耐力を得るための必須の元素である。Ｓｉが０．２％未満では、人工時効処理によっても前記化合物相が不足し、必要な耐力が得られない。一方、Ｓｉが１．０％を越えて含有されると、リアサイドレールへの加工性や、耐粒界腐食性が低下する。したがって、Ｓｉは０．２〜１．０％の範囲とする。

Ｍｇ：０．４〜１．２％、
Ｍｇは、Ｓｉと同様、固溶強化と、人工時効処理によってＭｇとともにＧＰゾーンなどの化合物相を形成することによって、時効硬化能を発揮し、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上の必要耐力を得るための必須の元素である。Ｍｇが０．４％未満では、人工時効処理によっても前記化合物相が不足し、必要な耐力が得られない。一方、Ｍｇが１．２％を越えて含有されると、リアサイドレールへの加工性や、耐粒界腐食性が低下する。したがって、Ｍｇは０．４〜１．２％の範囲とする。

（Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉ）
Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、Ｔｉなどの遷移元素を実質量含むと、熱間押出に際して、アスペクト比Ｌ／ＳＴが１０以上の繊維状組織となりやすく、アスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下の再結晶組織を、押出形材の押出方向に亙って得ることができなくなる。更に、Ｃｕ、Ｚｎなどの合金元素は、耐粒界腐食性を低下させる。したがって、これら合金元素はできるだけ少ない方が好ましい。

しかし、リサイクルの観点から、溶解材として、高純度Ａｌ地金だけではなく、６０００系合金やその他のＡｌ合金スクラップ材、低純度Ａｌ地金などを溶解原料として使用して、本発明アルミニウム合金組成を溶製する場合には、これら他の合金元素は必然的に含まれることとなる。したがって、本発明では、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉを各々単独でも０．２％以下とし（０．２％までの含有は許容し）、これら元素の総量でも１．０％以下に規制する（０．１％までの含有は許容する）。

但し、特に、Ｃｕ、Ｚｎは、耐粒界腐食性を著しく低下させるので、Ｃｕ＋Ｚｎの合計含有量で０．２質量％以下に規制することが好ましい。

（ミクロ組織）
本発明押出形材では、特に、リアサイドレールとしての前記使用環境下での耐粒界腐食性を向上させるために、ミクロ組織が再結晶組織からなり、この再結晶組織の、平均結晶粒径が２００μｍ以下、結晶粒の押出方向の長さＬと押出形材厚さ方向の長さＳＴとの比であるアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下であることとする。

再結晶組織の平均結晶粒径が２００μｍを超え、また、上記結晶粒のアスペクト比の平均が５以下を超える場合、リアサイドレールとしての前記使用環境下では、粒界が優先的に腐食する粒界腐食を起こしやすい。この粒界腐食を起こすと、結晶粒が浮いて表面から次々に脱落する腐食形態が、粒界に沿って内部に伝播して発達し、腐食減量が多くなり元の表面が失われる。

一方、再結晶組織の平均結晶粒径が２００μｍ以下、上記結晶粒のアスペクト比の平均が５以下では、リアサイドレールとしての前記使用環境下では、粒界腐食が抑制され、孔食や全面腐食が発生するようになる。これらの孔食や全面腐食の場合は、上記した表面の結晶粒が浮いて脱落するようなことは少なく、腐食減量が粒界腐食に比べて格段に少なく、元の表面も残る。

本発明では、押出形材の押出方向に亙って、言い換えると、リアサイドレールの長手方向に亙って、上記平均結晶粒径と結晶粒のアスペクト比とを満たす、均一で微細な等軸晶からなる再結晶組織とすることが好ましい。

押出形材の押出方向やリアサイドレールの長手方向に亙って、部分的にでも平均結晶粒径が２００μｍを超えたり、結晶粒のアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５を超える再結晶組織があると、上記使用環境下と加工環境下および上記素材環境下では、その部分から、粒界腐食が生じる可能性が高い。

（製造方法）
本発明押出形材の製造方法につき以下に説明する。本発明押出形材は、常法の押出加工により製造可能であるが、押出後の再結晶組織が粗大化しないように、また、結晶粒のアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下となるように、特に熱間押出までの温度などの条件を下記のように制御する。

均質化熱処理（ソーキング）条件は、４５０〜５５０℃の温度範囲で、４ｈｒ未満か、２４ｈｒを超える時間とする。ソーキング温度が４５０℃未満では均質化が十分となる。また、ソーキング温度が５５０℃を越える必要は無い。但し、この温度範囲でのソーキング時間が４時間〜２４時間では、不純物として含まれるＭｎ、Ｚｒなどの遷移元素系の析出物が生じて、押出中に再結晶組織のアスペクト比が大きくなる可能性が高い。

押出温度は５００℃を超える比較的高温とする。押出温度が５００℃未満では、押出中に再結晶組織の結晶粒のアスペクト比が大きくなる可能性が高い。

以上のような好ましい条件下で、Ｍｇ、Ｓｉを上記組成範囲内で含むアルミニウム合金を溶製して鋳造し、鋳塊をソーキング（均質化処理）し、熱間押出を行い、プレス焼入れ（押出直後にオンラインで焼き入れること）することにより、上記耐力を満たした上で、押出形材のミクロ組織を押出形材の押出方向や長手方向に亙って、上記再結晶組織とすることができる。

以下に、本発明に係るアルミニウム合金押出形材の実施例を説明する。
表１に示す化学成分のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金を常法により溶解し、半連続鋳造により直径２００ｍｍのビレットに鋳造し、そのビレットを表２に示す均質化熱処理、押出開始温度、押出速度条件で、一辺が５０ｍｍ×５０ｍｍで、厚みが４ｍｍの矩形中空形材を熱間押出し、押出直後に水冷プレス焼入れを行い、さらに製品長さ３ｍに切断後に人工時効処理を行った。

これら製品矩形中空形材の諸特性を以下に示す通り評価した。
製品矩形中空形材から、長手方向に亙って５０ｍｍ間隔で試験片を５個採取し、各々厚み中心部のミクロ組織を測定した。より具体的には、電解エッチングした各試験片表面の平均結晶粒径を、100 倍の光学顕微鏡を用いて順次観察し、中空形材Ｌ方向にラインインターセプト法で測定した。そして、５個の試験片の各平均結晶粒径を更に平均化した。なお、1 測定ライン長さは0.95mm、1 視野当たり各3 本で合計5 視野を観察することにより全測定ライン長さを0.95×15mmとした。

また、同時に、上記視野内の個々の結晶粒の押出形材の押出方向の長さＬと押出形材厚さ方向の長さＳＴとの比であるアスペクト比Ｌ／ＳＴを求め、結晶粒の数で除して平均化した。

製品矩形中空形材から試験片を採取し、０．２％耐力を引張試験により測定した。引張試験はJIS Z 2201にしたがって行うとともに、試験片形状はJIS 5 号試験片で行い、クロスヘッド速度は5mm/分で、試験片が破断するまで一定の速度で行った。これらの結果を表２に示す。なお、表２のAl合金番号は表１のAl合金番号と対応している。

粒界腐食試験は、製品矩形中空形材から、長手方向に亙って５０ｍｍ間隔で Cリング状の試験片を５個採取して行った。試験条件は、前記 Cリング試験片をASTM G47の交互浸漬法の規定に準じて行った。但し、試験条件は、試験片に引張応力が付加されるか、残留応力が負荷されて、リアサイドレールとして使用されることを模擬して、C リング試験片の Cリングの上下方向に、前記０．２％耐力の７５％の応力を負荷した状態とした。この状態で、C リング試験片の５％濃度塩水への浸漬と引き上げを繰り返して６０日間行った後に、試験片の粒界腐食発生の有無を確認した。確認は試験片断面組織を顕微鏡で観察して、試験片表面から内部に向かって、結晶粒界に沿って、発達している粒界腐食か否かの腐食形態を調べて行なった。

評価は、試験片の５個の内1 個でも粒界腐食が発生している場合を、製品矩形中空形材の長手方向に亙って耐食性が優れたものではないと判定して×と評価した。そして、試験片の５個とも粒界腐食が発生していず、表面的な全面腐食や孔食が発生している場合を、製品矩形中空形材の長手方向に亙って耐食性が優れていると判定して○と評価した。これらの結果も表２に示す。

表２から分かる通り、本発明成分組成を満足する表２のＡ、Ｂ、Ｃの合金を用い、ミクロ組織が再結晶組織からなり、この再結晶組織の平均結晶粒径が２００μｍ以下、結晶粒のアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下である発明例１〜５は、厳しい使用環境下であっても、耐粒界腐食性に優れている。また０．２％耐力も２００ＭＰａ以上である。この結果は、トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用のアルミニウム合金押出形材として実用可能であることを示している。

これに対して、本発明成分組成を満足する表２のＡ、Ｂの合金を用い、ミクロ組織が再結晶組織からなっていても、平均結晶粒径が２００μｍを超えるか、結晶粒のアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５を超える比較例６〜９は、耐粒界腐食性に劣っている。また０．２％耐力も２００ＭＰａ未満と低い。

また、表１の、Ｚｎが０．２％を超えるＤ、Ｃｕが０．２％を超えるＥ、Ｆｅが０．２％を超えるＦの合金を各々を用いた比較例１０〜１２は、耐粒界腐食性に劣っている。

本発明によれば、厳しい使用環境下と加工環境下および素材環境下でも、耐粒界腐食性に優れるトラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用６０００系アルミニウム合金押出形材を提供することができる。したがって、本発明は、キャブオーバ車などのトラックのシャ−シフレ−ムにアルミニウム合金材の適用を拡大して、トラックの軽量化が実現可能である。

Claims (1)

1. トラックシャ−シフレ−ムにおけるリアサイドレール用のアルミニウム合金押出形材であって、質量％で、Ｍｇ：０．４〜１．２％、Ｓｉ：０．２〜１．０％を含み、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｔｉを各々単独でも０．２％以下で、これらの総量でも１．０％以下に規制し、残部Ａｌおよび不可避的不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなり、０．２％耐力が２００ＭＰａ以上、肉厚が３〜６ｍｍであって、ミクロ組織が再結晶組織からなり、この再結晶組織の、平均結晶粒径が２００μｍ以下、結晶粒の押出方向の長さＬと押出形材厚さ方向の長さＳＴとの比であるアスペクト比Ｌ／ＳＴの平均が５以下であることを特徴とする、耐食性に優れたリアサイドレール用アルミニウム合金押出形材。