JP3594823B2

JP3594823B2 - Ａｌ合金押出形材の加工方法

Info

Publication number: JP3594823B2
Application number: JP35363998A
Authority: JP
Inventors: 久男谷川; 紘一大堀
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JP2000178704A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ合金押出形材の加工方法に関し、特に、スペースフレーム構造のＡｌ製車体構造を構成するサイドメンバ−等のエネルギー吸収特性に優れたＡｌ合金押出形材を製造する際に用いて好適なＡｌ合金押出形材の加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のサイドメンバ−は、自動車の前方のエンジン部分と、後方のトランク部分において、衝突時にアコ−ディオン状に座屈変形し、これにより衝突時の衝撃エネルギ−を吸収することにより、乗員の安全性を確保する機能を持つ部材である。
このサイドメンバ−としては、車体前方のエンジンルーム下部から後方に向かって延び客室前方フロアの構造部材に接続されるフロントサイドメンバー、客室後方フロアの構造部材から後方に延びトランクルーム下部に達するリヤサイドメンバー等がある。
【０００３】
従来のサイドメンバ−は、冷延鋼板にプレス成形加工を施し、スポット溶接等を用いて接合した断面矩形状の筒状部材が用いられている。
ところで、近年、地球の温暖化等の環境問題から、排ガス低減や燃費向上等を目的として自動車の軽量化が強く要請されており、この軽量化の一環として、鋼板や鋼管を用いる代わりに、軽量で、かつ複雑形状の構造物を一体で製造できるＡｌやＴｉ等の軽金属を主成分とする軽合金押出形材が検討されている。
このような押出形材に適した軽合金としては、現在は主として押出性、機械的性質、および耐食性などのバランスの良いＪＩＳ６Ｎ０１合金などのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系Ａｌ合金が使用されている。
【０００４】
例えば、サイドメンバ−等のスペースフレーム構造のＡｌ製車体構造を構成する部材を製造するには、まず、Ａｌ合金を押出成形することにより各種断面形状を有するＡｌ合金押出材とする。次いで、このＡｌ合金押出材に、該Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件で時効硬化処理を行い、その後曲げ加工を行う。次いで、溶接等の接合加工を行いＡｌ車体構造用部材とする（Ａ工程）。
また、前記Ａｌ合金押出材に曲げ加工を行い、その後該Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件で時効硬化処理を行う点以外は上述したＡ工程と同様としたＢ工程によりＡｌ車体構造用部材を得ることもできる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のＡｌ製車体構造を構成する部材、特に、衝突時にアコ−ディオン状に座屈変形して前後方向から加わるエネルギーを吸収するサイドメンバーにおいては、製造工程中の曲げ加工性が良いと同時に、アコ−ディオン状に座屈変形することで衝突時のエネルギーを充分に吸収し、乗員の被害が最小となるようにする機能も要求される。
【０００６】
従来のＡ工程においては、Ａｌ合金押出材に時効硬化処理を行った後に曲げ加工を行っているために、該押出材の曲げ加工時に割れが生じたり、あるいは軸圧縮荷重負荷時に割れが生じる虞があるという問題点がある。
また、従来のＢ工程においては、Ａｌ合金押出材に曲げ加工を行った後に時効硬化処理を行っているために、該押出材の曲げ加工時に断面変形が大きくなる虞があるという問題点がある。
以上により、上述したＡ工程、Ｂ工程のいずれの工程においても、曲げ加工性とエネルギー吸収特性とを両立させることは困難であり、どちらかが犠牲になってしまうという問題点がある。
【０００７】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであって、曲げ加工性及びエネルギー吸収特性に優れたＡｌ合金押出形材を製造することのできるＡｌ合金押出形材の加工方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために、Ａｌ合金押出材の曲げ加工性及びエネルギー吸収特性に及ぼす製造工程の影響を明らかにすべく種々の実験を行った結果、本発明に係る組成のＡｌ合金押出材に、第１の熱処理、曲げ加工、第２の熱処理を順次行うことにより、曲げ加工性及びエネルギー吸収特性に優れたＡｌ合金押出形材が得られることを知見した。
【０００９】
本発明は以上の知見に基づくものであり、請求項１記載のＡｌ合金押出形材の加工方法は、Ｓｉを０．６〜１．２重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．１〜０．４重量％、Ｍｎを０．２〜０．６重量％、Ｔｉを０．００５〜０．１重量％、Ｃｒを０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒを０．０５〜０．２５重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金を押出成形し、得られたＡｌ合金押出材に１２０〜１８０℃で１〜２４時間保持の亜時効条件で第１の熱処理を行い、次いで、曲げ加工を行い、その後、第１の熱処理以上の温度でかつ、１５０〜２２０℃で１〜２４時間保持の過時効条件で第２の熱処理を行うことを特徴としている。
【００１０】
請求項２記載のＡｌ合金押出形材の加工方法は、請求項１記載のＡｌ合金押出形材の加工方法において、前記Ａｌ合金は、Ｃｕを０．４〜０．８重量％含有することを特徴としている。
【００１１】
請求項３記載のＡｌ合金押出形材の加工方法は、請求項１または２記載のＡｌ合金押出形材の加工方法において、前記押出材は、断面が多角形状の中空押出材からなることを特徴としている。
【００１３】
本発明のＡｌ合金押出形材の加工方法では、Ａｌ合金を押出成形し、得られたＡｌ合金押出材に該Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件より手前の時効条件で第１の熱処理を行うことにより、この第１の熱処理が施されたＡｌ合金押出材では微細な析出物が発生することで伸びが良くしかも硬すぎることがなく、曲げ加工性に優れたものとなる。次いで、曲げ加工を行うことにより、伸びの値が高く複雑な曲げ形状にも曲げ加工することが可能となる。しかも、時効硬化も進んでいるので、降伏強さも高い。例えば、曲げ加工するＡｌ合金押出材が中空部を有する場合、該中空部の断面変形を小さく抑えることが可能になる。
【００１４】
この曲げ加工を行ったＡｌ合金押出材は、エネルギー吸収特性が劣っていることから、前記Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件を越えた時効条件で第２の熱処理を行うことにより、この第２の熱処理が施されたＡｌ合金押出材では析出物が粗大化することで、高強度でありながら低強度合金と同様の圧縮荷重時の変形挙動が可能になり、エネルギー吸収特性を高めることが可能になる。
第１及び第２の熱処理の条件は合金組成により変動するが、本発明に係るＡｌ合金の場合、第１の熱処理では、１２０〜１８０℃の範囲とし、保持時間を１〜２４時間とし、また第２の熱処理では、第１の熱処理以上の温度でかつ、１５０〜２２０℃の範囲とし、保持時間を１〜２４時間とすればよい。
【００１５】
次に、本発明に係るＡｌ合金の組成を限定した理由について説明する。
本発明に係るＡｌ合金は、Ｓｉを０．６〜１．２重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．１〜０．４重量％、Ｍｎを０．２〜０．６重量％、Ｔｉを０．００５〜０．１重量％、Ｃｒを０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒを０．０５〜０．２５重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有するものである。
また、前記Ａｌ合金は、Ｃｕを０．４〜０．８重量％含有することとしてもよい。
【００１６】
ＳｉおよびＭｇは、Ａｌ合金中に微細なＭｇ_２Ｓｉ化合物として析出して強度を向上させる作用がある。ここで、Ｓｉの含有量が０．６重量％未満かつＭｇの含有量が０．５重量％未満になると、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物の析出量が少なくなり、その結果、所望の強度を確保することができなくなる。また、Ｓｉの含有量が１．２重量％を越えかつＭｇの含有量が１．０％を超えると、Ｍｇ_２Ｓｉ化合物の析出量が多くなり、押出加工性および曲げ加工性が低下するとともに、衝突時の変形による割れが発生し易くなる。したがって、Ｓｉの含有量を０．６〜１．２重量％、Ｍｇの含有量を０．５〜１．０重量％とした。なお、Ｓｉの含有量の望ましい範囲は０．６５〜０．９５重量％、Ｍｇの含有量の望ましい範囲は０．５５〜０．９５重量％である。
【００１７】
Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは、Ｆｅと、Ｍｎと、Ｃｒおよび／またはＺｒとが共存した状態で微細な金属間化合物を生成し、均質化処理後にこの金属間化合物がＡｌ合金中に分散し、押出加工時の再結晶を著しく抑制するとともに繊維状組織の発達を促進する。この結果、衝突時の変形による割れを発生しにくくする作用がある。
【００１８】
ここで、Ｆｅの含有量が０．１重量％未満、Ｍｎの含有量が０．２重量％未満、Ｃｒの含有量が０．０５重量％未満、Ｚｒの含有量が０．０５重量％未満になると、その効果が不十分なものとなり、また、Ｆｅの含有量が０．４重量％を越え、Ｍｎの含有量が０．６重量％を越え、Ｃｒの含有量が０．３重量％を越え、Ｚｒの含有量が０．２５重量％を超えると、粗大な金属間化合物が生成するようになり衝突時の変形による割れが発生し易くなる。
【００１９】
したがって、Ｆｅの含有量を０．１〜０．４重量％、Ｍｎの含有量を０．２〜０．６重量％、Ｃｒの含有量を０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒの含有量を０．０５〜０．２５重量％とした。
なお、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの含有量の望ましい範囲は、Ｆｅ：０．１５〜０．３重量％、Ｍｎ：０．２５〜０．４５重量％、Ｃｒ：０．０７〜０．２重量％、Ｚｒ：０．０７〜０．１５重量％である。
【００２０】
ＴｉはＡｌ合金の組織を微細化し、割れを防止する作用がある。ここで、Ｔｉの含有量が０．００５重量％未満になると割れを防止するという効果が得られず、また、その含有量が０．１重量％を超えると粗大な金属間化合物を生成するようになり、その結果、衝突時の変形による割れが発生し易くなる。したがって、Ｔｉの含有量を０．００５〜０．１重量％とした。なお、Ｔｉの含有量の望ましい範囲は０．００５〜０．０５重量％である。
【００２１】
Ｃｕは、Ａｌ合金中に固溶して強度を向上させる作用がある。
ここで、Ｃｕの含有量が０．４重量％以下になると所望の強度向上効果が得られず、また、その含有量が０．８重量％を超えると曲げ加工性および耐食性が低下するようになる。
したがって、Ｃｕの含有量を０．４〜０．８重量％とした。なお、Ｃｕの含有量の望ましい範囲は、０．４５〜０．６５重量％である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明のＡｌ合金押出形材の加工方法の一実施形態について、図面に基づき説明する。
図１は本発明のＡｌ合金押出形材の加工方法の一実施形態を示す流れ図、図２は時効処理時間とＡｌ合金押出材の強度との関係を表す時効曲線を示す図である。
このＡｌ合金押出形材の加工方法では、Ｓｉを０．６〜１．２重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．１〜０．４重量％、Ｍｎを０．２〜０．６重量％、Ｔｉを０．００５〜０．１重量％、Ｃｒを０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒを０．０５〜０．２５重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金を押出成形する。
前記Ａｌ合金は、Ｃｕを０．４〜０．８重量％含有することとしてもよい。
【００２３】
このＡｌ合金を押出成形して得られたＡｌ合金押出材は、断面が多角形状の中空押出材、例えば肉厚一定の矩形状の断面を有する筒部材からなる曲げ加工用押出材である。
次いで、このＡｌ合金押出材に、図２に示すように、該Ａｌ合金の最高強度Ｈ_ｈが得られる時効処理時間（時効条件）Ｔ_ｈより手前の時効処理時間（亜時効条件）Ｔ_１で時効処理１（第１の熱処理）を行う。この時効処理時間Ｔ_１における強度Ｈ_１は最高強度Ｈ_ｈより低い。これにより、時効処理１が施されたＡｌ合金押出材では微細な析出物が発生し、伸びが良くしかも硬すぎることがなく、曲げ加工性に優れたものとなる。
【００２４】
次いで、このＡｌ合金押出材に曲げ加工を施す。
この曲げ加工方法は、Ａｌ合金押出材の一端部を押さえつつ該Ａｌ合金押出材を鉛直面内に湾曲させるもので、図３及び図４に示す様な曲げ加工装置を用いて加工される。
この曲げ加工装置１は、矩形状の断面を有する筒状のＡｌ合金押出材２を曲げ加工する中心軸Ｃを有する略車輪状の回転曲げ型３と、該回転曲げ型３の中心軸Ｃの一方側外方に設けられＡｌ合金押出材２の一方の直線部分２ａを上方から押さえる移動押さえ型４と、移動押さえ型４と同一水平線上に設けられ、Ａｌ合金押出材２を回転曲げ型３の図中略三角形状で示したクランプ部３ａとともに把持し、曲げ加工の途中でＡｌ合金押出材２の他方の直線部分２ｂに向かって図中左側から右側に移動するクランプ型（締め付け型）５とから概略構成されている。
【００２５】
ここでは、図３に示すように、前記Ａｌ合金押出材２の略中央部を回転曲げ型３のクランプ部３ａに載置し、このＡｌ合金押出材２の一方の直線部分２ａを移動押さえ型４により上方から押さえる。
そして、図４に示すように、この状態で前記回転曲げ型３をその中心軸Ｃの廻りにゆっくりと図中右回転させ、このＡｌ合金押出材２の直線部分２ｂを前記回転曲げ型３の曲率半径に合わせて鉛直面内に上向きに凸に曲げ加工する。
【００２６】
以上により、直線状に延びるＡｌ合金押出材２は、その直線部分２ａの延長線と他方の直線部分２ｂとのなす角θが所定の角度となるように曲げ加工されてＡｌ合金押出材２’とされる。
このＡｌ合金押出材２’は、伸びの値が高く複雑な曲げ形状にも曲げ加工することが可能である。また、時効硬化も進んでいることから、降伏強さも高い。また、矩形状の断面を有する筒部材であるから、筒部材の断面変形を小さく抑えることが可能である。
【００２７】
このＡｌ合金押出材２’はエネルギー吸収特性が劣っているので、図２に示すように、該Ａｌ合金の最高強度Ｈ_ｈが得られる時効処理時間Ｔ_ｈを越えた時効処理時間（過時効条件）Ｔ_２で時効処理２（第２の熱処理）を行う。この時効処理時間Ｔ_２における強度は、時効処理時間Ｔ_１における強度Ｈ_１にほぼ等しく最高強度Ｈ_ｈよりは低い。これにより、この時効処理２が施されたＡｌ合金押出材では、析出物が粗大化することで強度は若干低下するもののエネルギー吸収特性を付与することが可能になる。
【００２８】
ここで、本実施形態のＡｌ合金押出形材の加工方法の実施例について説明する。
［実施例］
まず、組成の異なる２種類のＡｌ合金を用意した。ここでは、Ａ合金（Ｓｉ：０．９重量％、Ｍｇ：０．９５重量％、Ｆｅ：０．３重量％、Ｍｎ：０．４重量％、Ｔｉ：０．０１重量％、Ｚｒ：０．１０重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金）及びＢ合金（Ｓｉ：０．８５重量％、Ｍｇ：０．８重量％、Ｃｕ：０．６重量％、Ｆｅ：０．２５重量％、Ｍｎ：０．４重量％、Ｔｉ：０．０７重量％、Ｚｒ：０．１２重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金）の２種類とした。
【００２９】
次いで、このＡ合金及びＢ合金に対して表１に示す製造工程により押出成形、熱処理（時効処理１、時効処理２、時効処理３のいずれか１種または２種）及び曲げ加工を行い、試料Ｎｏ．１〜７の押出形材製の部材とした。ここでは、試料Ｎｏ．１、２が本実施例、試料３〜７が比較例である。
時効処理１〜３の条件は、時効処理１：１５０℃×１２時間、時効処理２：２０５℃×６時間、時効処理３：１８０℃×７時間である。
また、押出成形の条件を、押出温度：５００℃、押出速度：７ｍ／ｍｉｎ、冷却：水冷とし、矩形断面の外形寸法が５０×７５ｍｍ、肉厚が２ｍｍの中空角パイプ状に押出成形し押出材とした。なお、時効処理３は、Ａ合金の最高強度Ｈ_ｈが得られる時効処理時間Ｔ_ｈで時効処理を行ったものである。次いで、軸方向に荷重を負荷する圧縮試験を行い、圧潰特性評価を行った。その結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１に示した本実施例の押出形材である試料１、２は、曲げ加工時に断面変形や、割れが少なく、加工性が良好であった。また、圧縮試験においても割れが発生することなくアコ−デオン状に圧縮変形し、エネルギ−吸収特性も優れていることが明かであった。
これに対し、曲げ加工の後工程で時効処理１または時効処理２を行った試料（Ｎｏ．３、４）では、曲げ加工時の変形が大きく、圧縮試験においてもアコ−デオン状に圧縮変形する前に割れてしまう（破壊）か、アコ−デオン状に圧縮変形はするが部分的に割れが認められた（やや良）。
【００３２】
また、曲げ加工の前工程で時効処理１を後工程で時効処理３を行った試料（Ｎｏ．５）では、加工性は良好であったが、圧縮試験ではアコ−デオン状に圧縮変形する前に割れてしまった（破壊）。
また、曲げ加工の前工程で時効処理１を行った試料（Ｎｏ．６）では、加工性は良好であったが、圧縮試験ではアコ−デオン状に圧縮変形する前に割れてしまった（破壊）。
また、曲げ加工の前工程で時効処理２を行った試料（Ｎｏ．７）では、曲げ加工時に割れが生じてしまった（割れ）。
【００３３】
以上説明したように、本発明の一実施形態のＡｌ合金押出形材の加工方法によれば、Ｓｉを０．６〜１．２重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．１〜０．４重量％、Ｍｎを０．２〜０．６重量％、Ｔｉを０．００５〜０．１重量％、Ｃｒを０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒを０．０５〜０．２５重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金（Ｃｕを０．４〜０．８重量％含有してもよい）を押出成形し、得られたＡｌ合金押出材に、最高強度Ｈ_ｈが得られる時効処理時間Ｔ_ｈより手前の時効処理時間Ｔ_１で時効処理１を行うので、微細な析出物が発生することで伸びが良くしかも硬すぎることがなく、その結果、曲げ加工性を高めることができる。
【００３４】
また、このＡｌ合金押出材に曲げ加工を行うので、伸びの値が高く複雑な曲げ形状にも曲げ加工することができる。したがって、中空部の変形を小さく抑えることができ、押出材の断面形状によっては、従来のような中子を省略することができ、金型のコストを削減することができる。しかも、時効硬化が進んでいることから、降伏強さを高めることができる。
【００３５】
また、曲げ加工を施したＡｌ合金押出材に、最高強度Ｈ_ｈが得られる時効処理時間Ｔ_ｈを越えた時効処理時間Ｔ_２で時効処理２を行うので、析出物が粗大化することで、高強度でありながら低強度合金と同様の圧縮荷重時の変形挙動とすることができ、エネルギー吸収特性を高めることができる。
【００３６】
以上、本発明のＡｌ合金押出形材の一実施形態について図面に基づき説明してきたが、具体的な構成は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で設計の変更等が可能である。例えば、Ａｌ合金の組成は、上記実施例に限定されることなく、上述した組成の範囲で必要に応じて変更することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明のＡｌ合金押出形材の加工方法によれば、Ａｌ合金を押出成形し、得られたＡｌ合金押出材に該Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件より手前の時効条件で第１の熱処理を行うので、微細な析出物が発生することで、伸びが良くしかも硬すぎることがなく、その結果、曲げ加工性を高めることができる。
また、第１の熱処理を行ったＡｌ合金押出材に曲げ加工を行うので、伸びの値が高く複雑な曲げ形状にも曲げ加工することができる。しかも、時効硬化を進めることができるので、降伏強さを高めることができる。
【００３８】
また、このＡｌ合金押出材に、前記Ａｌ合金の最高強度が得られる時効条件を越えた時効条件で第２の熱処理を行うので、析出物が粗大化することで、高強度でありながら低強度合金と同様の圧縮荷重時の変形挙動とすることができ、エネルギー吸収特性を高めることができる。
【００３９】
以上により、曲げ加工性及びエネルギー吸収特性に優れたＡｌ合金押出形材を製造することのできるＡｌ合金押出形材の加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＡｌ合金押出形材の加工方法の一実施形態を示す流れ図である。
【図２】時効処理時間とＡｌ合金押出材の強度との関係を表す時効曲線を示す図である。
【図３】本発明のＡｌ合金押出材に曲げ加工を施すための曲げ加工装置の概略構成を示す正面図である。
【図４】曲げ加工装置の一動作を示す正面図である。
【符号の説明】
１曲げ加工装置
２、２’ Ａｌ合金押出材
２ａ、２ｂ直線部分
３回転曲げ型
３ａクランプ部
４移動押さえ型
５クランプ型（締め付け型）
Ｃ中心軸
θ 角

Claims

Ｓｉを０．６〜１．２重量％、Ｍｇを０．５〜１．０重量％、Ｆｅを０．１〜０．４重量％、Ｍｎを０．２〜０．６重量％、Ｔｉを０．００５〜０．１重量％、Ｃｒを０．０５〜０．３重量％および／またはＺｒを０．０５〜０．２５重量％含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ合金を押出成形し、得られたＡｌ合金押出材に１２０〜１８０℃で１〜２４時間保持の亜時効条件で第１の熱処理を行い、次いで、曲げ加工を行い、その後、第１の熱処理以上の温度でかつ、１５０〜２２０℃で１〜２４時間保持の過時効条件で第２の熱処理を行うことを特徴とするＡｌ合金押出形材の加工方法。
前記Ａｌ合金は、Ｃｕを０．４〜０．８重量％含有することを特徴とする請求項１記載のＡｌ合金押出形材の加工方法。
前記押出材は、断面が多角形状の中空押出材からなることを特徴とする請求項１または２記載のＡｌ合金押出形材の加工方法。