JP5968284B2 - バンパー構造体及びバンパービームの製造方法 - Google Patents

バンパー構造体及びバンパービームの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱処理型アルミニウム合金押出材からなるバンパービームと、前記バンパービームの両端部に接合された一対のバンパーステイからなるバンパー構造体、及び前記バンパービームの製造方法に関する。
特許文献1〜4には、対向配置された一対のフランジとそれらに連結された複数のウエブからなるアルミニウム合金押出材の端部領域に、フランジ面に対し垂直方向に潰し加工を施し、ドアビームやバンパービーム等の自動車用補強部材を製造することが記載されている。このうち、特許文献2には、プレス焼き入れした6000系(Al−Mg−Si系)アルミニウム合金押出材について、時効硬化処理後に潰し加工を行うことが記載されている。また、特許文献4には、プレス焼き入れした6000系又は7000系(Al−Zn−Mg系)アルミニウム合金押出材について、押出後のT1調質の状態で潰し加工を行い、その後に時効硬化処理を行うことが記載されている。
しかし、特に7000系アルミニウム合金押出材は、プレス焼き入れ後、時効硬化処理前の材料(T1調質材)でも、自然時効によって硬化し、成形性が低下している。その成形性を改善するため、例えば特許文献5〜7に記載されているように、従来より、自然時効により硬化した7000系アルミニウム合金の強度を低下させる復元処理が行われている。
一方、特許文献8には、高張力鋼を管状にロール成形したバンパービームの長手方向の一部(中央部、端部又はバンパーステイの取付部)を焼き鈍しして当該部分のみを軟化させ、衝突時のエネルギー吸収特性を改善することが記載されている。
特許第3465862号公報 特許第4111651号公報 特開平7−25296号公報 特開2003−118367号公報 特開平7−305151号公報 特開平10−168553号公報 特開2007−119853号公報 特表2010−502496号公報
6000系、7000系等の熱処理型アルミニウム合金押出材からなるバンパービームにおいて、バンパービームの長手方向の一部に潰し加工等の塑性加工を施したうえ、特許文献8の発明に倣って長手方向の一部(特にバンパーステイの取付部)に局部的な軟化部を形成しようとすると、復元処理、時効硬化処理、及び焼き鈍し処理の3度にわたる熱処理が必要となり、これが生産性の低下及びコストアップ要因となる。
従って、本発明は、熱処理型アルミニウム合金押出材からなり、長手方向の一部に潰し加工等の塑性加工が施され、併せて所定箇所に局部的な軟化部を有するバンパービームを効率よく低コストで提供することを目的とする。
本発明に係るバンパー構造体は、熱処理型アルミニウム合金押出材からなるバンパービームと、バンパービームの両端部に接合された一対のバンパーステイからなり、前記バンパービームが長手方向の一部に塑性加工を受け、塑性加工後に全体が時効硬化処理を受けており、前記バンパービームの塑性加工を受けた箇所が塑性加工前に復元処理を受け、その熱影響部がバンパーステイの接合箇所に生じ、前記バンパービームに前記接合箇所と重なる硬度低下領域が形成されていることを特徴とする。ここで、熱影響部は、復元処理の加熱部からの熱伝導により加熱され、何らかの組織的な変質が生じた可能性のある箇所を意味する。硬度低下領域は、前記熱影響部に形成され、時効硬化処理後のビッカース硬さが、復元処理の加熱部及び非熱影響部(復元処理の加熱部と熱影響部を除く箇所)のビッカース硬さより小さい領域である。
前記バンパー構造体において、前記バンパービームが、車体幅方向に平行な中央部と、車体側に屈曲した両端部と、前記中央部と両端部をつなぐ屈曲部からなるとき、前記接合箇所及び硬度低下領域が前記両端部に存在する。
前記バンパー構造体において、前記硬度低下領域における最小硬さの位置が前記接合箇所に存在することが望ましい。
前記熱処理型アルミニウム合金押出材は、好ましくはJIS7000系アルミニウム合金からなる。この場合、前記硬度低下領域のビッカース硬さの最小値と、時効硬化処理で普通に硬化した箇所(前記非熱影響部)のビッカース硬さの差が20Hv以上であることが望ましい。
上記バンパー構造体のバンパービームは、例えば熱処理型アルミニウム合金押出材のT1調質材を用い、前記バンパービームの長手方向の一部に復元処理を施し、このときバンパーステイの接合箇所に熱影響部を生じさせ、復元処理を施した領域に冷間で塑性加工を施した後、前記バンパービーム全体に時効硬化処理を施し、前記バンパービームに前記接合箇所と重なる硬度低下領域を形成することにより製造することができる。なお、本発明においてT1調質材とは、プレス焼き入れ後人工時効硬化処理を行わず、その間自然時効させた材料を意味する。
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り、長手方向の一部に潰し加工等の塑性加工が施され、併せてバンパーステイの接合箇所に局部的な硬度低下領域(軟化部)を有するバンパービーム、及び該バンパービームを用いたバンパー構造体を、効率よく低コストで提供することができる。このバンパー構造体は、前記硬度低下領域を有しない場合に比べて、衝突時のエネルギー吸収特性が改善されている。
バンパービームの端部に潰し加工を施す場合(a)、及び中央部に潰し加工を施す場合(b)において、復元処理の加熱部及び熱影響部等を説明する平面図である。 図1(a)に示すバンパービームの端部に潰し加工を行い、かつバンパーステイを接合したバンパー構造体において、熱影響部及び硬度低下領域等を説明する平面図である。 図1(b)に示すバンパービームの中央部に潰し加工を行い、かつバンパーステイを接合したバンパー構造体において、熱影響部及び硬度低下領域等を説明する平面図である。 実施例で作成したバンパービーム(曲げ成形後)について、各部の寸法を記載した平面図である。 図4に示すバンパービームの端部に潰し加工を施す場合に、復元処理の加熱部を示す平面図(a)、及び潰し加工後の形態を示す平面図(b)である。 図4に示すバンパービームの中央部に潰し加工を施す場合に、復元処理の加熱部を示す平面図(a)、及び潰し加工後の平面図(b)である。 実施例のオフセットバリア衝突試験について説明する平面図である。 実施例のEA効率について説明する図である。
以下、図1〜7を参照して、本発明に係るバンパー構造体、及びバンパービームの製造方法について、具体的に説明する。
図1に示すバンパービーム1(潰し加工前の半製品)は、断面の輪郭が矩形の熱処理型アルミニウム合金中空押出材を曲げ加工して得られたもので、車体幅方向に平行な中央部2と、車体側に屈曲した左右の端部3と、中央部2及び端部3をつなぐ屈曲部4からなる。中央部2と屈曲部4の境界及び端部3と屈曲部の境界を破線で示している。バンパービーム1はT1調質材であり、自然時効により、全体がやや硬化した状態にある。なお、上記曲げ加工は、後述する復元処理と潰し加工の間に行ってもよい。
潰し加工をバンパービーム1の端部3に施す場合、図1(a)に示すように、バンパービーム1の両端から潰し加工部A1を含む領域(加熱部A2)を加熱して復元処理を施した後、前記潰し加工部A1に潰し加工を施す。
復元処理を行うと、加熱部A2に隣接して、加熱部A2からの熱伝導により加熱された熱影響部A3が生じる。熱影響部A3より中央部2側は非熱影響部A4である。復元処理の加熱は、潰し加工部A1に復元処理を施し、かつ熱影響部A3がバンパーステイ5の接合箇所S(図2参照)に生じるように行う必要がある。
一方、潰し加工をバンパービーム1の中央部1に施す場合、図1(b)に示すように、バンパービーム1の中央部2の潰し加工部B1を含む領域(加熱部B2)を加熱して復元処理を施した後、前記潰し加工部B1に潰し加工を施す。
復元処理を行うと、加熱部B2に隣接して、加熱部B2からの熱伝導により加熱された熱影響部B3が生じる。熱影響部B3より端側は非熱影響部B4である。この場合も、復元処理の加熱は、潰し加工部B1に復元処理を施し、かつ熱影響部B3がバンパーステイ5の接合箇所S(図3参照)に生じるように行う必要がある。
本発明の復元処理では、7000系アルミニウム合金の場合、加熱部A2,B2を実体温度330〜550℃に所定時間保持後、冷却(空冷又は水冷)する。この保持温度には、一般的な復元処理の保持温度(特許文献5〜7参照)よりかなり高温域が含まれる。復元処理の保持温度は、望ましくは350〜550℃、より望ましくは400〜550℃である。保持時間については0秒を超える時間であればよく、加熱部A2,B2が上記保持温度に達した後、直ちに冷却してもよい。保持時間の上限は特に限定的ではないが、5分以内の短時間で済ますのが、生産効率の面で望ましい。復元処理は、他の合金系(例えば6000系)の場合も、ほぼ同じ条件で実施できる。加熱手段として、高周波誘導加熱装置又は硝石炉を利用できる。
この復元処理により加熱部A2,B2が軟化し、かつ、熱影響部A3,B3に、時効硬化処理後、硬度低下領域A5,B5(図2,3参照)が形成される。復元処理後の潰し加工は、復元処理終了後(冷却後)72時間以内に行うことが望ましい。
なお、7000系アルミニウム合金の組成は、概ね、Zn:3.0〜8.0質量%、Mg:0.4〜2.5質量%、Cu:0.05〜2.0質量%、Ti:0.005〜0.2質量%を含有し、必要に応じて、さらにMn:0.01〜0.3質量%、Cr:0.01〜0.3質量%、Zr:0.01〜0.3質量%の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。
この組成について説明すると、以下のとおりである。ただし、この組成自体は7000系アルミニウム合金として公知のものである。
ZnとMgは金属間化合物であるMgZnを形成して、7000系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Zn含有量が3.0質量%未満又はMg含有量が0.4質量%未満では、実用材として必要な200MPa以上の耐力が得られない。一方、Zn含有量が8.0質量%を越え又はMg含有量が2.5質量%を越えると、押出形材に対し塑性加工前に所定の復元処理を行っても、塑性加工による亀裂の発生を防止できず、同時に、塑性加工により付与される引張残留応力を低減できず、耐応力腐食割れ性が顕著に低下する。従って、Zn含有量は3.0〜8.0質量%、Mg含有量は0.4〜2.5質量%とする。高強度化及び軽量化の観点からは、Zn含有量、Mg含有量はより高合金側、例えばそれぞれ5.0〜8.0質量%、1.0〜2.5質量%、合計で6.0〜10.5質量%が望ましい。
Cuは7000系アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。Cu含有量が0.05質量%未満では十分な強度向上効果がなく、一方、2.0質量%を越えると押出加工性の低下を招く。従って、Cu含有量は0.05〜2.0質量%とする。望ましくは0.5〜1.5質量%である。
Tiは7000系アルミニウム合金の鋳造時に結晶粒を微細化して、押出形材の成形性を向上させる作用があり、0.005質量%以上添加する。一方、0.2質量%を越えるとその作用が飽和し、かつ粗大な金属間化合物が晶出して、かえって成形性を低下させる。従って、Ti含有量は0.005〜0.2質量%とする。
Mn,Cr,Zrは7000系アルミニウム合金押出形材の再結晶を抑制して、結晶組織を微細再結晶又は繊維状組織とし、耐応力腐食割れ性を向上させる作用がある。この作用のため、Mn、Cr及びZrは、その1種又は2種以上をMn:0.01〜0.3質量%、Cr:0.01〜0.3質量%、Zr:0.01〜0.3質量%の範囲内で添加する。
上記7000系アルミニウム合金の主要な不可避不純物として、Fe及びSiが挙げられる。この合金の諸特性を低下させないため、Fe:0.35質量%以下、Si:0.3質量%以下に制限される。
潰し加工部A1,B1に所定の潰し加工を施した後、バンパービーム1全体に時効硬化処理を施す。時効硬化処理の条件は、各合金系における周知の条件でよい。いうまでもなくバンパービーム1の長手方向全長に、実質的に同じ時効硬化処理条件が適用される。
この時効硬化処理により、バンパービーム1は、熱影響部A3,B3に含まれる一部の領域(硬度低下領域)を除いて全体的に硬化し強度が向上する。7000系アルミニウム合金の場合、復元処理の保持温度が約400℃以上の場合に、加熱部A2,B2が再溶体化され、時効硬化処理後、非熱影響部A4,B4より硬さ及び強度が向上する。なお、本発明でいう復元処理は、この再溶体化を含む。他の合金系(例えば6000系)の場合も同様に、約400℃以上で再溶体化が生じる。
熱影響部A3,B3に形成される前記硬度低下領域A5,B5は、復元処理の間に、バンパービーム1aの断面全体において、過度な過時効処理又は焼き鈍し処理に相当する加熱が行われた領域であり、時効硬化処理後の硬さが加熱部A2,B2や非熱影響部A4,B4に比べて向上せず、強度が低い。7000系アルミニウム合金の場合、硬度低下領域A5,B5のビッカース硬さの最小値は、非熱影響部A4,B4のビッカース硬さより20Hv以上小さくすることができる。
復元処理の保持温度が高いほど、また、復元処理後の冷却速度が遅い方が(水冷より空冷の方が)、熱影響部A3,B3が広く生じ、かつ硬度低下領域が広くなる。復元処理の保持温度が高いほど、硬度低下領域A5,B5のビッカース硬さが最小となる位置は、加熱部A2,B2から遠くなる。
図2に示すバンパー構造体は、前記バンパービーム1(図1(a)参照)の端部3に局部的に復元処理及び潰し加工を施し、さらに全長に渡り時効硬化処理を施したバンパービーム6と、バンパービーム6の端部3に接合したバンパーステイ5からなる。バンパーステイ5は、左右のウエブと前後のフランジを有するアルミニウム合金押出材を、押出方向に垂直な面内で所定長さに切断したもので、押出方向が上下方向になるようにバンパービーム6の後方側に配置され、前フランジがバンパービーム6の後壁に、例えばボルト締結されている。
バンパービーム6は、潰し加工部A1が前方から後方側に潰し加工され、熱影響部A3がバンパーステイ5の接合箇所Sに生じ、かつ熱影響部A3には、接合箇所Sと重なる硬度低下領域A5(ドットで示す領域)が、バンパービーム6の断面全体に形成されている。
図3に示すバンパー構造体は、前記バンパービーム1(図1(b)参照)の中央部2、屈曲部4、及び端部3の一部(バンパーステイ5の接合箇所Sの近傍まで)に復元処理を施し、次いで中央部2に潰し加工を施し、さらに全長に渡り時効硬化処理を施したバンパービーム7と、バンパービーム7の端部3に接合したバンパーステイ5からなる。
バンパービーム7は、潰し加工部B1が前方から後方側に潰し加工され、熱影響部B3がバンパーステイ5の接合箇所Sに生じ、かつ熱影響部A3には、接合箇所Sと重なる硬度低下領域B5が形成されている。
図2,3に示すバンパー構造体において、バンパービーム6,7には、接合箇所Sと重なる硬度低下領域A5,B5が形成され、この硬度低下領域A5,B5は他の領域に比べて硬さ及び強度が低く、衝突時の変形促進手段として作用する。一方、加熱部A2,B2及び非熱影響部A4,B4を始め、熱影響部A3,B3も硬度低下領域A5,B5以外の領域は時効硬化して強度が高い。
その結果、このバンパー構造体では、後述する実施例に示すように、衝突時のエネルギー吸収特性が改善される。
硬度低下領域A5,B5は、バンパーステイ6,7の長さ方向で、接合箇所Sと重なるように形成されるが、図3に示すように、接合箇所Sの左右にその領域が及んでいてもよい。しかし、硬度低下領域A5,B5が屈曲部4に形成された場合、衝突時に屈曲部4に割れが発生する可能性があるので、屈曲部4には形成しない方がよい。
Zn:6.39質量%、Mg:1.34質量%、Cu:0.15質量%、Fe:0.11質量%、Si:0.04質量%、Mn:0.02質量%、Cr:0.03質量%、Zr:0.13質量%、Ti:0.02質量%、残部アルミニウム及び不可避不純物からなる7000系アルミニウム合金を熱間押出成形し、押出直後にオンラインでファン空冷(プレス焼き入れ)して、矩形断面で輪郭が60mm×120mmの中空押出材を製造し、長さ1300mmに切断して、25個のバンパービーム素材を得た。
このバンパービーム素材を、室温に20日間放置して自然時効させた後(T1調質材)、それぞれ図4に示す形状に曲げ加工して、25個のバンパービーム11を得た。このバンパービーム11は左右対称で、中央部12、端部13及び屈曲部14を有し、左右の端を基準位置(ゼロ点)としたとき、端部13が0〜350mm、屈曲部14が350〜450mm、中央部12が450〜650mmの範囲を占める。バンパービーム11の前後方向の厚みは60mmであり、端部13の中央部12に対する傾斜角度は10°、屈曲部14の曲げ半径は500mmである。また、バンパーステイ15(図7参照)はバンパービーム11の端部13の後壁に接合され、その接合箇所Sは130〜200mmの範囲を占める。
得られたバンパービーム11を、表1に示す条件で加熱し復元処理を施した。復元処理の加熱は高周波誘導加熱で行い、保持温度に60秒間保持後、直ちに水冷(冷却速度:170℃/sec)又は空冷(冷却速度:5℃/sec)で冷却した。復元処理の加熱部は左右対称とし、例えばNo.1では、左右の端を基準位置(ゼロ点)としたとき、0〜125mmの範囲であり、No.19は225〜650mmの範囲である。No.1,19の加熱部の範囲を、それぞれ図5(a),図6(a)にドットで示す。
復元処理後、表1に示すように、No.1〜18については、両端部の0〜80mmの範囲を前後方向に潰し加工し、No.19〜25については、中央部の610〜650mmの範囲を前後方向に潰し加工した。No.1,19の潰し加工後の形態を図5(b),図6(b)に示す。
Figure 0005968284
続いて、バンパービーム全体に130℃×8時間の時効硬化処理を施した後、以下の要領でビッカース硬さの測定、及び車両衝突を模したエネルギー吸収特性の測定を行った。
(ビッカース硬さの測定)
バンパービームの前壁の高さ中央部のビッカース硬さを、端から10mmピッチで幅方向中央まで測定した。No.2〜6,8〜12,14〜18,20〜25には、復元処理の加熱部A2,B2の近傍(熱影響部)に、ビッカース硬さが低下した領域(硬度低下領域)が形成されていた。この測定結果を元に、復元処理の加熱部のビッカース硬さ(硬度H1)、熱影響部(硬度低下領域)のビッカース硬さの最小値(最小硬度H2)、及び非熱影響部のビッカース硬さ(硬度H3)を求め、その結果を表1,2に記載した。また、最小硬度H2が測定された位置(バンパービームの端からの距離)、及び硬度差(H1−H2,H3−H2)を表2に併せて記載した。なお、復元処理の加熱部のビッカース硬さH1は、潰し加工を施した箇所を除く加熱部のビッカース硬さの平均値とした。非熱影響部のビッカース硬さH3は、復元処理の加熱部及びその近傍を除き、かつビッカース硬さが低下していない領域のビッカース硬さの平均値とした。
(エネルギー吸収特性の測定)
図7に示すように、バンパービーム11の接合箇所S(左右両方)に、それぞれバンパーステイ15を接合し、低速度衝突を模したオフセットバリア衝突試験を行った。バンパーステイ15の前フランジの幅は70mmであり、この前フランジがバンパービーム11の後壁にボルト締結されている。バリア16は前面が10°傾斜し、バンパービーム11の端部13の前壁と平行である。バリア16のストロークは、バンパービーム11の端部13の前壁に当たってから40mmとした。オフセットバリア衝突試験の結果から、ピーク荷重とEA効率を求め、かつ衝突割れの有無を目視観察し、その結果を表2に記載した。
なお、オフセットバリヤ衝突試験の結果得られた荷重L−変形量dのグラフ(図8参照)において、ピーク荷重をLp、最大変形量をDm(=40mm)、バンパービーム11によるエネルギー吸収量(図8の斜線部分の面積)をAとしたとき、EA効率はA/(Lp×Dm)で表される。
Figure 0005968284
表2に示すとおり、No.1〜12のうちNo.1,7は、復元処理のための保持温度が低いため復元処理の効果がなく、硬度低下領域が形成されていない。このため、衝突試験のピーク荷重が高く、EA効率が70%に達せず、エネルギー吸収特性が劣る。一方、No.2〜6,8〜12は、硬度低下領域がバンパーステイの接合箇所に形成され、硬度差H3−H2が20Hv以上となり、その結果、ピーク荷重がNo.1,7に比べて10kN以上低下し、70%以上のEA効率が得られた。
No.13〜18のうちNo.13は、復元処理のための保持温度が低いため復元処理の効果がなく、硬度低下領域が形成されていない。このため、衝突試験のピーク荷重が高く、EA効率が70%に達せず、エネルギー吸収特性が劣る。また、No.14〜18は、硬度低下領域がバンパーステイの接合箇所に形成されず、このため衝突試験のピーク荷重が高く、EA効率が70%に達せず、エネルギー吸収特性が劣る。特にNo.17,18は、硬度低下領域が屈曲部に形成されたため、衝突試験で屈曲部に割れが発生した。
No.19〜25のうちNo.19は、復元処理のための保持温度が低いため復元処理の効果がなく、硬度低下領域が形成されていない。このため、衝突試験のピーク荷重が高く、EA効率が70%に達せず、エネルギー吸収特性が劣る。また、No.25は、硬度低下領域がバンパーステイの接合箇所に形成されず、このため衝突試験のピーク荷重が高く、EA効率が70%に達せず、エネルギー吸収特性が劣る。一方、No.20〜24は、硬度低下領域がバンパーステイの接合箇所に形成され、硬度差H3−H2が20Hv以上となり、その結果、ピーク荷重がNo.19に比べて10kN以上低下し、70%以上のEA効率が得られた。
1,6,7,11 バンパービーム
2 バンパービームの中央部
3 バンパービームの端部
4 バンパービームの屈曲部
5,15 バンパーステイ
A1,B1 潰し加工部
A2,B2 復元処理の加熱部
A3,B3 熱影響部
A4,B4 非熱影響部
A5,B5 硬度低下領域

Claims (8)

  1. 熱処理型アルミニウム合金押出材からなり、長手方向の一部に塑性加工を受け、塑性加工後に全体が時効硬化処理を受けたバンパービームと、前記バンパービームの両端部に接合された一対のバンパーステイからなるバンパー構造体において、前記バンパービームの塑性加工を受けた箇所が塑性加工前に復元処理を受け、その熱影響部がバンパーステイの接合箇所に生じ、前記バンパービームに前記接合箇所と重なる硬度低下領域が形成されていることを特徴とするバンパー構造体。
  2. 前記バンパービームは車体幅方向に平行な中央部と、車体側に屈曲した両端部と、前記中央部と両端部をつなぐ屈曲部からなり、前記接合箇所及び硬度低下領域が前記両端部に存在することを特徴とする請求項1に記載されたバンパー構造体。
  3. 前記硬度低下領域における最小硬さの位置が前記接合箇所に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載されたバンパー構造体。
  4. 前記熱処理型アルミニウム合金押出材がJIS7000系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載されたバンパー構造体。
  5. 前記硬度低下領域のビッカース硬さの最小値と、復元処理の非熱影響部のビッカース硬さの差が20Hv以上であることを特徴とする請求項4に記載されたバンパー構造体。
  6. 熱処理型アルミニウム合金押出材のT1調質材を用いてバンパービームを成形し、前記バンパービームの長手方向の一部に復元処理を施し、このときバンパーステイの接合箇所に熱影響部を生じさせ、復元処理を施した領域に冷間で塑性加工を施した後、前記バンパービーム全体に時効硬化処理を施し、前記バンパービームに前記接合箇所と重なる硬度低下領域を形成することを特徴とするバンパービームの製造方法。
  7. 前記バンパービームは車体幅方向に平行な中央部と、車体側に屈曲した両端部と、前記中央部と両端部をつなぐ屈曲部からなり、前記硬度低下領域が前記両端部に存在することを特徴とする請求項6に記載されたバンパービームの製造方法。
  8. 前記熱処理型アルミニウム合金押出材がJIS7000系アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項6又は7に記載されたバンパービームの製造方法。
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