JP4311679B2

JP4311679B2 - 自動車のエネルギー吸収部材の製造方法

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Publication number: JP4311679B2
Application number: JP2006078666A
Authority: JP
Inventors: 浩之山下; 正和平野; 久司竹内
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2018-03-17
Also published as: JP2006233336A

Description

本発明は、自動車の補強用部材として使用されるアルミニウム合金製エネルギー吸収部材の製造方法に関する。

図２に示すように、アルミニウム合金製ドアビームの両端部を支持した状態で、中央部に圧縮側から荷重（Ｐ）を付加していく（３点曲げ試験という）と、ドアビームの中央部は押し込まれて曲げ変形を起こし、引張側（乗員側）フランジに引張力が作用する。さらに変位量（δ）が増大し、この引張力が材料の破断限界値を超えると引張側フランジに破断（亀裂）が生じる。
破断までの変位（破断変位）を増大させるため、下記特許文献１では、曲げの中立軸の位置を引張側に必要量だけ偏らせることが開示されており、また下記特許文献２では、中立軸を偏らせるのに加え、最大曲げ強度を達成した後に圧縮側に局部座屈を誘発し、引張側フランジにかかる応力を急激に下げることが開示されている。

特開平５−２４６２４２号公報特開平６−１７１３６２号公報

しかし、近年の安全対策の高まりの中で、破断変位を一層高める必要がでてきた。
例えば、上記特許文献２ではドアビーム材の高さ（Ｈ）が３０〜３５ｍｍとされ、上記特許文献１でも同程度の高さのドアビームが記載されているが、重量を増やすことなしに初期剛性を稼ぐためには、曲げを受ける軸回りの高さを大きくして断面二次モーメントを大きくすることが有効であるため、３５ｍｍより大きいビーム高さで設計されるドアビームもでてきた。しかし、その場合は従来のものに比べ、小さい変位量で引張側フランジの破断が生じてしまう。
また、ドアビームの適用車種は小型車へも広がる傾向にあり、その場合、ビーム長が短くなってくる。例えばこれを小型４ドア車のリアドアへ適用する場合は、ビーム長が７００ｍｍ以下となることもあり（上記特許文献２では、７００ｍｍ以上を対象としている）、その分、従来のビーム長の長いドアビームに比べ小さい変位量で破断が生じてしまう。

安全対策のため、単に曲げ変形時の引張側フランジの破断を防止するだけであるなら、強度を向上させる元素すなわち、Ｚｎ、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を行うということも考えられるが、それでは素材が発揮し得る強度、耐力及びエネルギー吸収量を大幅に犠牲にすることになり、軽量化の要求にも応えることができない。

本発明は、アルミニウム合金製ドアビームを含む自動車のエネルギー吸収部材について、このような一層の安全対策及び軽量化が求められている現状に鑑み、アルミニウム合金製エネルギー吸収部材が曲げ荷重を受けたとき、これまで以上に大きい破断変位を得ることができ、しかも最大強度やエネルギー吸収量におい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を目的とする。

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り、この熱処理型アルミニウム合金は、強度、最大荷重、破断変位、破断までのエネルギー吸収量等の観点から、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金が特に好適であり、その具体的組成は、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％と、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる。そして、本発明に係るエネルギー吸収部材の製造方法は、上記熱処理型アルミニウム合金押出材を最高強度を得るように時効処理した後、塗装焼付け工程を利用して過時効処理を行うことを特徴とする。

本発明によれば、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の破断変位を大幅に改善することができ、例えばドアビームであれば短いビーム長あるいは大きいビーム高さでも大きい破断変位を得ることができる。

熱処理型アルミニウム合金製押出材に対し過時効処理を行うことにより、曲げ変形における最大荷重は多少低下するが、破断変位が大幅に向上する。なお、後述する実施例をみると過時効処理による伸びの向上はなく、従って、この破断変位の向上は、焼鈍の場合と違って、強度の低下と伸びの向上によるものではなく、全く別のメカニズムによるものではないかと推測している。
ここで、過時効処理とは、最高強度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の処理条件を施すと過時効処理となり、また、処理時間Ｈ_２ｍｉｎで時効処理した場合にＴ_２℃でＨ_２ｍｉｎでの最高強度が得られたとすれば、（Ｔ_２＋β）℃×Ｈ_２ｍｉｎの処理条件を施すと過時効処理となる。α、βは正の値である。

また、ここでいう最高強度とは、溶体化焼入れ又はプレス焼入れ（押出直後の焼入れ）され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された押出材であれば、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Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金であれば、例えば１１７〜１２３℃×１８〜２４ｈｒや１２７〜１３３℃×１１〜１４ｈｒである。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金であれば、例えば１７７〜１８３℃×７．５〜８．５ｈｒや１８７〜１９３℃×２．５〜３．５ｈｒである。

また、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が行われたことになる。
この場合の過時効処理の条件は、合金系や要求される破断変位等によって異なり、一義的に決められないが、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金では、前工程の時効処理（最高強度を得た時効処理）の時効温度より４０〜６０℃高い温度で１５分〜１時間保持することが、目安として挙げられる。また、強度（耐力又は引張強度）は、最高値から５〜１０％低下した辺りを目安とすればよい。
Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金では、この過時効処理を自動車の塗装焼付け（ベーキング）工程を利用して行うことができる。（なお、自動車用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金などでは、塗装焼付け工程を利用して時効硬化させ強度向上を図る、いわゆるベークハードを利用することは、例えば特開平５−４４０００号公報等により周知であるが、この工程を過時効処理に利用した例はない。）

本発明に適するＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｚｎ、Ｍｇ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。Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％と、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物。各成分の限定理由は次のとおりである。

Ｚｎ、Ｍｇ
Ｚｎ、Ｍｇはアルミニウム合金の強度を維持するために必要な元素である。Ｚｎが４％未満、Ｍｇが０．８％未満では所望の強度が得られない。また、Ｚｎが７％、Ｍｇが１．５％を超えるとアルミニウム合金の押出性が低下するとともに伸びも低下し、所要の特性値が得られなくなる。従って、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％とする。

Ｔｉ
Ｔｉは、鋳塊組織の微細化のために添加される。Ｔｉが０．００５％より少ないと、微細化の効果が十分でなく、０．３％より多いと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、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ
これらの元素はアルミニウム合金の強度を高める作用があり、これらの中から１種又は２種以上が適宜添加される。そのほか、Ｃｕはアルミニウム合金の耐応力腐食割れ性を改善する。好適な範囲は、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％である。それぞれ下限未満では上記の作用が不十分であり、また、上限を超えると、押出性が悪くなり、Ｃｕの場合は一般耐食性が悪くなる。

不可避不純物
不可避不純物のうちＦｅはアルミニウム地金に最も多く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、過時効処理した熱処理型アルミニウム合金押出材を利用することで、ドアビームだけでなく、バンパー等を含めて、曲げ変形時の耐破断性に優れたエネルギー吸収部材を得ることができる。また、過時効処理した熱処理型アルミニウム合金押出材は曲げ変形時の耐破断性に優れているため、曲げ加工部材（曲げ加工を受ける素材）として種々の用途に広く利用できる。

表１に示す成分のアルミニウム合金を、常法により溶解し、直径２００ｍｍの鋳塊に鋳造した。この鋳塊を４７０℃×８ｈｒソーキングし、押出温度４７０℃、押出速度４ｍ／分にて押し出し、押出直後位置において冷却した窒素ガスを押出材表面に吹き付けて冷却した。押出材の断面形状は図１に示すとおりである。この押出材に対し１３０℃×１２ｈｒの時効処理を行い、比較例についてはそのまま、実施例についてはさらにベーキング相当の熱処理（１７０℃×６０ｍｉｎ）を行い、供試材とした。なお、図１において、上方のフランジが圧縮側、下方のフランジが引張側（乗員側）である。

この供試材からＪＩＳ１３号Ｂ引張試験片を採取し、機械的性質を調査した。さらに、この供試材から試験材を切り出し、スパンＬを６００ｍｍとして３点曲げ試験を行い、変位量（δ）が１２インチ（３０５ｍｍ）になるまで押し込み、引張側（乗員側）フランジに破断が生じた（亀裂が生じて分離した状態となった）変位量を測定した。試験結果を表２に示す。

この試験に用いた押出材はビーム高さが大きく（４０ｍｍ）、ビーム長、すなわちスパンＬが短い（６００ｍｍ）にも関わらず、表２にみられるように、過時効処理（ベーキング相当の熱処理）された実施例の試験材は、比較例に比べ最大荷重は少し低下するが、１２インチの変位量でも破断が生じなかった。またエネルギー吸収量でも優っている。
なお、実施例の試験材の伸びは比較例よりやや小さかった。すなわち、過時効処理された実施例では伸びが比較例より小さいにも関わらず、大きい変位量で破断が生じなかったことになる。

実施例に用いたドアビームの断面形状である。ドアビームの断面形状例（ａ）、それを用いた３点曲げ試験（ｂ）、３点曲げ試験による破断の状態（ｃ）を示す説明図である。

Claims

Ｚｎ：４〜７％（質量％、以下同じ）、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％と、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出材を最高強度を得るように時効処理した後、塗装焼付け工程を利用して過時効処理を行うことを特徴とする自動車のエネルギー吸収部材の製造方法。
前記エネルギー吸収部材がバンパーであることを特徴とする請求項１に記載された自動車のエネルギー吸収部材の製造方法。