JP3757831B2 - 衝撃エネルギー吸収性能に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、アルミニウム合金押出材に関し、特に自動車のスペースフレームやバンパー等に好適に使用される衝撃エネルギー吸収性能に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーや環境保護等の関係から、自動車の軽量化が叫ばれ、その構造材としてアルミニウム合金押出材が使用されるようになってきている。アルミニウム合金は軽く、押出成形で任意な断面形状のものが製造できるので、自動車のスペースフレームやバンパーに採用されようとしているが、中でも、押出性等の加工性や機械的特性、リサイクル性等を考慮してＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金が使用されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
また近年、自動車の安全性確保の観点から、自動車の構造材に衝撃エネルギー吸収性も求められるようになっている。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、成分・組成と組織を厳密に調整し、衝撃エネルギー吸収性能を高めたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の衝撃エネルギー吸収性能に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、その目的を達成するため、成分・組成をＳｉ：０．４〜０．７質量％、Ｍｇ：０．４〜０．７質量％、Ｃｕ：０．０２〜０．２質量％、Ｆｅ：０．１〜０．３質量％、Ｔｉ：０．００２〜０．２質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、さらに０．０５質量％以上のＭｎ及び０．０５質量％以上のＣｒの１種又は２種をＭｎ＋Ｃｒの合計で０．０５〜０．１６質量％含有したものとし、結晶粒の断面積を０．２ｍｍ²以下の微細再結晶組織にするとともに、結晶粒界近傍の析出物の無い部分の幅を０．３μｍ以下にした組織をもつようにしたものである。
【０００５】
【作用】
アルミニウム合金押出材が衝突エネルギーを受けると、まずそのエネルギーを吸収して変形し、エネルギー吸収能を超えた時点で破断する。衝突時の衝撃を十分に吸収するためには、衝突の際に、アルミニウム合金押出材の変形能を大きくさせることが重要になる。
そこで、本発明者らは、まず、割れの機構について鋭意研究を重ねた。その結果、結晶粒界の近傍に析出物の無い領域、一般にはPrecipitate Free Zone（以下「ＰＦＺ」と称す。）と呼ばれる領域があり、衝撃エネルギーが加わった際にＰＦＺにおいて延性破壊が発生し、これが衝突時の割れの原因になっていることがわかった。
【０００６】
アルミニウム合金押出材に、その押出方向に衝撃を与えた際のクラック発生状況を図１に示す。また、図２に示したクラック発生部の拡大観察状況からわかるように、上記ＰＦＺには、他の部分と比較して析出物が無いため柔らかく、衝撃エネルギーを受けると応力がそこに集中し、延性破壊を発生している。この状況を模式的に図３に示す。
【０００７】
そこで、粒界近傍に生成されるＰＦＺの幅を狭くすることにより、ＰＦＺに応力が集中することを防止し、衝突時の割れ発生を抑制できることに到達した。ＰＦＺの幅を０．３μｍ以下にすることでＰＦＺでの破壊を抑制できた。ＰＦＺ幅を狭くしたときの割れ発生の模式的状況を図４に示す。
なお、ＰＦＺは、結晶粒界を挟んでその両側にできる。具体的には、析出領域−ＰＦＺ−結晶粒界−ＰＦＺ−析出領域となるが、本発明で規定するＰＦＺの幅とは、結晶粒界から結晶粒内の析出領域までの距離を意味する。
【０００８】
また、粒界での破壊を抑えるためには、結晶粒を小さくする必要がある。粗大再結晶組織が存在すると粗大再結晶粒の粒界に応力集中が起こり易くなるためである。
アルミニウム合金中の粒粗大化抑制作用をもつＭｎ、Ｃｒ等の合金成分添加量と熱処理条件の厳密なる調整により、結晶粒を小さく、具体的には０．２ｍｍ²以下にする必要がある。
【０００９】
以下に、各要素について詳述する。
Ｓｉ：０．４〜０．７質量％
Ｍｇとともに添加することにより、時効処理後にＭｇ−Ｓｉ系析出物を形成し、強度を高める。０．４％に満たないと十分な強度が得られず、逆に０．７％を超えて含有させるとテアリング等の押出欠陥が発生し易くなって、押出性が低下する。
【００１０】
Ｍｇ：０．４〜０．７質量％
上記の通り、強度を高めるために添加する元素である。０．４％未満では時効処理後に十分な強度が得られない。０．７％を超えて添加すると、熱間変形抵抗値が高くなり押出性が低下する。
【００１１】
Ｃｕ：０．０２〜０．２質量％
Ｓｉ、Ｍｇと同様に添加すると時効処理後に強度が上昇する。０．０２％未満では効果が得られない。また、０．２％を超えて添加すると耐食性が低下する。
【００１２】
Ｆｅ：０．１〜０．３質量％
鋳造時にＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系の晶出物を形成する。均質化処理後もその多くが残存し、押出加工により分断されて分布することにより、粒界の移動を妨げる。この作用により、結晶粒の粗大化を防止する。０．１％未満ではその効果が得られない。また０．３％を超えて添加すると、粗大なＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物を生成し、押出材の表面性状が低下する。
【００１３】
Ｔｉ：０．００２〜０．２質量％
鋳造時の結晶粒組織を微細化し、鋳造割れを防止する。また、時効処理後の耐食性を高める。０．００２％未満ではその効果が得られない。０．２％を超えて添加すると、粗大なＡｌ−Ｔｉ系化合物を生成し、押出材の表面性状を低下させることになる。
Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％
また、鋳造時の結晶粒組織を微細化するために、０．０００５〜０．０１％のＢを添加する。
【００１４】
Ｍｎ：０．０５〜０．３質量％、
Ｃｒ：０．０５〜０．２質量％、
Ｍｎ＋Ｃｒ：０．０５〜０．４質量％
Ｍｎ、Ｃｒは、それぞれ均質処理後にＡｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｃｒ系の析出物を生成し、粒界の移動を妨げることで押出材の結晶粒粗大化を防止する（ピン止め効果）。またＭｎ、Ｃｒは、衝撃吸収性能を高めるサブグレイン（亜結晶粒）を押出加工や熱処理時に残存させる作用もある。サブグレインを残存させると、結晶粒そのものを微細化したと同じ効果がある。
それらの含有量が０．０５％未満では効果が得られない。逆にＭｎ、Ｃｒを、それぞれＭｎは０．３％、Ｃｒは０．２％を超えて添加するか、Ｍｎ＋Ｃｒの合計が０．４％を超えるように添加すると熱間変形抵抗が上昇し、押出性が低下する。したがって、Ｍｎ、Ｃｒの添加量は上記の通りとする。
【００１５】
均質化条件：４８０〜５８０℃×１〜８時間
鋳塊中に偏析して存在するＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕなどを、押出中の加工熱で十分に溶体化（以後、「プレス焼入れ」と称す。）できるように均質化させる。また、Ａｌ−Ｍｎ（またはＣｒ）系化合物を析出させることで粒界の移動を防御し、結晶粒の粗大化を防止する。
４８０℃未満では偏析したＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕなどの均質化が不十分である。また、５８０℃を超えるとＡｌ−Ｍｎ（またはＣｒ）系析出物が粗大化し、粒界の移動を防ぐ効果が低下し、結晶粒が粗大化する。
なお、処理時間については、１時間未満では偏析したＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕなどの均質化が不十分である。また、８時間を超えるとＡｌ−Ｍｎ（またはＣｒ）系析出物が粗大化する傾向にあり、粒界をピン止めする効果が低下し、結晶粒が粗大化し易い。
【００１６】
押出前のビレット温度条件：４５０〜５２０℃
プレス焼入れでＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕを十分に固溶させ、時効処理後に十分な強度を得ること、また、形材出口温度の過昇温（形材のダイス出口温度が高温になりすぎること）を抑え、結晶粒の粗大化を防止する必要がある。時効処理後に十分な強度を得るには、形材出口温度を５１０℃以上にする必要がある。
ビレット温度が４５０℃未満では形材出口温度５１０℃を安定して得ることはできない。また、形材出口温度が５８０℃を超えると、Ａｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系晶出物およびＡｌ−Ｍｎ（Ｃｒ）系析出物の粒界をピン止めする効果が低下し、結晶粒が粗大化し易い。ビレット温度５２０℃を超えて押出すと形材温度が５８０℃を超える場合がある。
アルミニウム合金の成分・組成、特にＭｎ、Ｃｒ含有量を厳密に制御し、かつ均質化条件および押出前のビレット温度条件を厳密に制御することにより、押出材の結晶粒の断面積を０．２ｍｍ²以下にすることができる。
【００１７】
ＰＦＺ幅：０．３μｍ以下
本発明の最大の特徴であるＰＦＺ幅について説明する。
前記したように、粒界近傍に生成されるＰＦＺの幅を狭くすることにより、ＰＦＺに応力が集中することを防止し、衝突時の割れ発生を抑制できることを確認した。
この効果が得られるＰＦＺ幅≦０．３μｍの要件は、次に説明する各種実験結果に基づいて設定したものである。
【００１８】
押出直後４５０〜２５０℃間の冷却速度：３００℃／ｍｉｎ以上
上記のような、ＰＦＺの幅を０．３μｍ以下にするためには、これも次に説明する各種実験例から求めた結果であるが、押出直後の冷却工程において、４５０〜２５０℃間の平均冷却速度を３００℃／ｍｉｎ以上にする必要がある。この速度に満たないと、ＰＦＺの幅が０．３μｍを超え、粒界破壊が起こるようになって、所期の目的を達成しなくなる。
なお、参考として、６Ｎ０１材（Ｓｉ：０．５６％、Ｍｇ：０．５３％、Ｃｕ：０．０７％、Ｍｎ：０．１５％、Ｆｅ：０．１８％、Ｔｉ：０．０１％、Ｂ：０．００１％）を押出後、各種冷却速度で冷却したもののＰＦＺ幅を、図５〜７に示す。なお水冷での冷却速度は約１０００℃／ｓｅｃである。
冷却速度３００℃／ｍｉｎ以上では、ＰＦＺ幅は０．３μｍ以下になっていることがわかる。
【００１９】
時効処理条件：１６０〜２３０℃×１〜１５時間
プレス焼入れで固溶させたＭｇ、Ｓｉ、Ｃｕを化合物として適切なサイズおよび分布状態で析出させることで強度を高め、エネルギー吸収性能を高める。
１６０℃未満で処理すると長時間を要する。処理時間が１５時間を超えると経済的ではない。また、時効温度が高いほど処理に必要な時間は短くなるが、析出物が大きくなり、ピーク強度が低下する。２３０℃を超えると十分な強度は得られない。なお、熱処理炉内の温度を安定させるには保持時間で１時間は必要である。
【００２０】
適切なＰＦＺ幅を選定するために行った各種実験について説明する。
実験例
表１に示す合金Ｎｏ．１〜４を２０３φの鋳塊に鋳造した後、５４０℃まで、それぞれ１００℃／時間で昇温し、２時間保持し、その後室温まで２５０℃／時間で冷却した（均質化処理）。次いで４８０℃に加熱し、５０ｍｍ×５０ｍｍ×２ｍｍｔの口の字形状に押出加工し、押出中の形状を表２に示す冷却条件で冷却した。
なお、ダイスから出てきた直後の押出材の温度（以下、「出口温度」と言う。）は、５３０〜５５０℃であった。
【００２１】

【００２２】

【００２３】
得られた押出材に１８０℃×６時間の時効処理を施した後。ＰＦＺ幅を測定し、また、軸方向の圧縮試験を実施し、吸収エネルギーの測定と試験後の外観判定を行った。
なお、ＰＦＺ幅の測定は、走査電子顕微鏡観察によって行った。また、吸収エネルギーは、押出材を２５ｃｍの長さに切断し、押出方向に１ｍｍ／秒の速度で圧縮変形させ、その時の荷重−変位曲線を作成し、曲線と横軸で形成される部分の面積を吸収エネルギー量（吸収エネルギー＝荷重×変位）とした。
得られたＰＦＺ幅、吸収エネルギー量および試験後の外観を表３に示す。
【００２４】

【００２５】
なお、この種のアルミニウム合金押出材にあっては引張強さで２４５ＭＰａ、０．２％耐力で２０５ＭＰａ、吸収エネルギーとして２７００Ｎ・ｍｍ以上の特性を有することが望ましい。
表３の結果から、押出後４５０〜２５０℃間を平均冷却速度３００℃／ｍｉｎ以上で冷却した合金Ｎｏ．１，２の試験Ｎｏ．１〜３のものでは、ＰＦＺ幅が０．３μｍ以下であり、エネルギー吸収量も大きいことがわかる。圧縮変形させた押出材を観察したところ、割れは全く発生しておらず、蛇腹状に変形していた。また上記必要特性をも十分満たしている。
さらに、これらの試料について組織観察したところ、結晶粒は大きいものでもその断面積は０．１ｍｍ²以下であり、多くの結晶の中にサブグレインが観察された。
【００２６】
これに対して、押出後４５０〜２５０℃間を平均冷却速度１５０℃／ｍｉｎで冷却した試験Ｎｏ．４の試験片では、引張強さおよび０．２％耐力は十分であるものの、吸収エネルギーが２５００Ｎ・ｍｍに達していなかった。軸方向の圧縮変形時に押出材は蛇腹変形せず一部で破断していた。この試験片のＰＦＺが０．３μｍを超えていたため、粒界で延性破壊した結果によるものである。
【００２７】
また、比較材料である合金Ｎｏ．３で押出後の冷却を４００℃／ｍｉｎで行った試験材では、ＰＦＺの幅が０．３μｍ以下であっても軸方向の圧縮変形時に押出材は蛇腹変形せず、一部で破断した。
組織観察したところと、大部分が０．１ｍｍ²以下の断面積の微細な再結晶組織であったが、サブグラインはほとんど観察されず、部分的に断面積が０．３ｍｍ²を超える粗大再結晶組織が見られ、全体として細粒と粗大粒が混在する組織となっていた。
合金Ｎｏ．３においては、Ｍｎ＋Ｃｒの量が少ないために、サブグレインが消滅し、また粗大再結晶組織が発生し、圧縮変形を行った際に、粗大再結晶組織に応力が集中し、粒界割れが発生したものと推察される。
【００２８】
以上のことから、結晶粒径を小さくかつ粒界のＰＦＺ幅を０．３μｍ以下にすることで、押出材を圧縮変形させた際、蛇腹状に変形し、多くのエネルギーを吸収して破壊を防ぐことができるのに対し、ＰＦＺ幅が０．３μｍを超えると、圧縮変形時に蛇腹状に変形せず割れて、エネルギーをあまり多く吸収できないことがわかる。
【００２９】
【発明の効果】
以上に説明したように、成分・組成を厳密に調整し、さらに製造条件を制御して、組織を微細再結晶組織にするとともに結晶粒界のＰＦＺ幅を小さくすることにより、衝撃エネルギー吸収性能を高めたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を得ることができ、自動車のスペースフレームやバンパー等に好適に使用される押出材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アルミニウム合金押出材圧縮時のクラック発生箇所の観察画面
【図２】 クラック発生箇所の拡大観察観察画面
【図３】 ＰＦＺ幅が大きい材料でのクラックの発生状況を模式的に説明する図
【図４】 ＰＦＺ幅を小さくした材料でのクラックの発生状況を模式的に説明する図
【図５】 ６Ｎ０１材を押出後、冷却速度５０℃／ｍｉｎで冷却した材料のＰＦＺ幅を観察した画面
【図６】 ６Ｎ０１材を押出後、冷却速度３００℃／ｍｉｎで冷却した材料のＰＦＺ幅を観察した画面
【図７】 ６Ｎ０１材を押出後、水冷（冷却速度１０００℃／ｓｅｃ）した材料のＰＦＺ幅を観察した画面

Claims (1)

1. Ｓｉ：０．４〜０．７質量％、Ｍｇ：０．４〜０．７質量％、Ｃｕ：０．０２〜０．２質量％、Ｆｅ：０．１〜０．３質量％、Ｔｉ：０．００２〜０．２質量％、Ｂ：０．０００５〜０．０１質量％を含有し、さらに０．０５質量％以上のＭｎ及び０．０５質量％以上のＣｒの１種又は２種をＭｎ＋Ｃｒの合計で０．０５〜０．１６質量％含有し、残部がＡｌ及び不可避的不純物からなる成分・組成を有し、結晶粒の断面積が０．２ｍｍ²以下の微細再結晶組織であるとともに、結晶粒界近傍の析出物の無い部分の幅が０．３μｍ以下である組織を有することを特徴とする衝撃エネルギー吸収性能に優れたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。

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