JP6797201B2 - 高形成複層アルミニウム合金パッケージ - Google Patents
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Description
本出願は、2015年10月15日に出願された米国仮特許出願第62/241,958号及び2016年3月2日に出願された米国仮特許出願第62/302,218号の優先権及び出願の利益を主張するものであり、その両方はそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本明細書で使用される「発明」、「その発明」、「この発明」、及び「本発明」という用語は、この特許出願及び以下の特許請求の範囲の主題の全てを広く指すことを意図している。これらの用語を含む記述は、本明細書に記載の主題を限定するものではなく、または以下の特許請求の範囲の意味もしくは範囲を限定するものではないと理解すべきである。
本明細書では複層金属シートが提供される。複層金属シートは、第1の面及び第2の面を有するアルミニウム含有合金のコア層と、1つ以上のクラッド層(複数可)とを含む。いくつかの例では、コア層は一方の面のみでクラッドされている(すなわち、1つのクラッド層が金属シートに存在する)。他の例では、コア層は両方の面でクラッドされている(すなわち、2つのクラッド層が金属シートに存在する)。
コア層はアルミニウム含有合金である。いくつかの例では、「AA6xxxシリーズ」合金、「AA2xxxシリーズ」合金、「AA5xxxシリーズ」合金、または「AA7xxxxシリーズ」合金として指定された任意の合金が、コア層としての使用に好適である。非限定的な例として、コア層として使用するためのAA6xxx合金には、AA6016、AA6016A、AA6013、AA6014、AA6008、AA6005、AA6005A、AA6005B、AA6005C、AA6451、AA6181A、AA6501、AA6056、AA6011、またはAA6111合金が含まれ得る。コア層として使用するための非限定的な例示的なAA2xxxシリーズ合金には、AA2013またはAA2002合金が含まれ得る。コア層として使用するための非限定的な例示的なAA5xxxシリーズ合金には、AA5182、AA5754、AA5251、AlMg5、またはAlMg6合金が含まれ得る。コア層として使用するための非限定的な例示的なAA7xxxシリーズ合金には、AA7075、AA7085、AA7021、AA7022、AA7049、AA7050、AA7019、AA7001、AA7003、AA7010、またはAA7012合金が含まれ得る。
上述のように、複層金属シートにおけるクラッド層(複数可)としての使用のためのアルミニウム含有合金も開示されている。クラッド層としての使用に好適な合金は、最大で0.6重量%のFeならびに追加の元素Mn、Ni、Ti、Co、Nb、Cr、V、Zr、Hf、及びTaのうちの1つ以上を含む。クラッド層としての使用のための合金は、極めて良好な曲げ及び高い伸びを示す。クラッド層のこれらの特性は、部分的に、クラッド層合金の特定の元素組成によって達成される微細構造(例えば、細かい粒サイズ)により達成される。具体的には、合金は、表3に提供される以下の元素組成を有し得る。
本明細書に記載の複層金属シートは、コア層、第1のクラッド層、及び任意に第2のクラッド層を含み、当業者に知られている任意の従来の方法を使用して作製され得る。本明細書に記載のクラッド層は、当業者に知られている任意の手段によって、本明細書に記載のコア層に取り付けられ得る。例えば、クラッド層は、例えば、米国特許第7,748,434号及び同第8,927,113号(いずれもそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる)に記載されているように直接冷却共鋳造によって、米国特許第7,472,740号(その全体が参照により本明細書に組み込まれる)に記載されているように複合鋳造インゴットを熱間及び冷間圧延することによって、またはコア及びクラッドの間で必要とされる冶金接合を達成するための圧延接合によって取り付けられ得る。任意に、複層金属シートは、クラッド及びコアを接合するために熱間金属圧延などによって作製され得る。
本明細書の合金及び複層金属シートは、高形成能力を有し、並外れた曲げ及び伸びを示す。合金は、少なくとも20%(例えば、少なくとも25%、少なくとも30%、または少なくとも35%)の破断点伸び(A80)及び少なくとも18%(例えば、少なくとも20%または少なくとも27%)の均一伸び(Ag)を示す。合金及びシートはまた、高度に再利用可能である。
本明細書に記載のアルミニウム合金及び複層金属シートは、自動車、航空機、及び鉄道用途を含む輸送用途で使用され得る。いくつかの場合では、その合金及びシートは、ボディサイドパネル、ドア外側パネル、トランクリッド外側パネル、または外側フードなどのモータ車両ボディ部品製品を調製するために使用され得る。複層金属シートはまた、深絞り(deep drawing)ドア内側パネル、複雑なトランクリッド内側パネル、ならびに高度に変形した構造の内側パネル及びトンネルを生成するために使用され得る。本明細書に記載のアルミニウム合金及び複層金属シートはまた、例えば、外部(例えば、外側スキンパネル)及び内部パネルを調製するために、航空機または鉄道車両の用途において使用され得る。
本明細書に記載のクラッド層として使用するための合金は、合金を型鋳造してインゴットとし、そのインゴットを540℃で10時間均質化し、均質化されたインゴットを340℃〜370℃で熱間圧延し、次いで熱間圧延されたシートを室温に冷却することによって調製した。その後、シートを1mmに冷間圧延し、540℃のピーク金属温度で70秒間アニーリングした。
例示的及び比較合金の伸び及び曲げ特性を測定した。伸びは、圧延方向に対して90°で、方法DIN EN ISO 6892−1:2009に従って測定した。圧延方向に対してサンプルを10%もしくは15%横方向に一軸で予備歪みさせた後、または180℃で10時間の人工時効後に内側曲げ角度(β)を測定した。内側曲げ角度(β)の意味を描写する例解図を図14に提供する。曲げ試験は、DIN EN ISO 7438の方法に従って実施した。曲げラインは、圧延方向に対して平行であり、曲げ前の2つのロールの間の距離は曲げ金属厚さの2倍であり、パンチ半径は3°のパンチ角度で0.2mmであった。
粒構造
複層金属シートは、AA6016コア上に二重にクラッドされたインゴットを溶融鋳造し、そのインゴットを545℃+/−5℃で少なくとも4時間均質化し、自己アニーリングに好適な温度(およそ430℃)でインゴットを熱間圧延して10mmの厚さとすることによって調製した。次いで、熱間圧延されたシートを冷間圧延して1.02mmの厚さとし、その後、545℃〜565℃の範囲のピーク金属温度で溶体化熱処理した。任意に、インターアニーリング工程を4mmで350℃の温度で2時間実施した(表10参照)。
再利用の目的のため、複層シートのFe含有量は、0.28%以下としてFe含有6xxxスクラップを防止するべきである。6xxx合金(例えば、AA6016合金またはAA6014合金)の0.28%より高いFeレベルは、伸び及び曲げに有害な影響を及ぼす。クラッド層に0.45重量%のFeを含有する本明細書に記載の複層シート(サンプルC)、及びクラッド層に1.1%のFeを含有する比較複層シート(比較サンプルD)の元素含有量を表12及び13にそれぞれ示す。表12に示されているように、本明細書に記載の複層シートの鉄含有量は0.25%であり、これは再利用性の観点から許容可能な範囲内である。AA8079クラッドを使用して調製された比較複層シートの鉄含有率は0.38%であり、これは比較複層シートが再利用に好適ではないことを示している(表13参照)。
上述したように、高形成を必要とする絞り部品のために、また、オレンジ剥離効果を回避するために、細かい粒サイズが必要とされる。サンプルA及びBならびに比較サンプルA及びBの各々について粒構造を分析した。図9に示されるように、クラッド層中に0.45重量%のFeを含有するサンプルA及びBにおける粒サイズは、比較的小さく、クラッド層中に1重量%のFeを含有する比較サンプルBと同様のサイズであった。サンプルA及びBの粒サイズは、上述したように、インターアニーリング工程を使用して加工された比較サンプルAよりも小さい。また、サンプルAにおける粒サイズを比較サンプルCと比較した。図10に示されるように、サンプルAにおける粒サイズは、比較サンプルCよりも細かい。
サンプルA及びBならびに比較サンプルA及びBの各々についてFe粒子の分布を分析した。図11に示されているように、サンプルA及びBにおけるFe粒子サイズは小さい。比較サンプルA及びBは、いずれとも高いFe含有量を有し、サンプルA及びBよりも多くのFe粒子を有する。サンプルA及びBが、比較サンプルA及びBと比較して同様のまたは小さな粒サイズを有する場合、サンプルA及びBの細かい粒サイズは、細かいFe粒子サイズに起因し、また、Mn、Ni、Ti、Co、Nb、Cr、Zr、Hf、Ta、及びVなどの金属間促進剤元素の効果に起因する。
高い伸び及び非常に良好な曲げは、モータ車両部品(例えば、ボディサイド、ドア内側パネル、デックリッド内側パネル、デックリッド外側パネル、フード内側パネル、フロントウォール部品など)などの高形成を必要とする部品の重要な基準である。上述のサンプルA、及びサンプルAのモノリシックコア合金を15%の予備歪みに供した。サンプルAのモノリシックコア合金及びサンプルAについて伸び及び内側曲げ角度を比較した。モノリシックコア合金または本明細書に記載の複層パッケージの両方で、異なる溶体化熱処理工程を使用することによって高い伸びが達成された。図12を参照。しかしながら、サンプルAは、サンプルAのコア合金と比較して優れた曲げを示した。具体的には、サンプルA(すなわち、複層パッケージ)は、15°未満の内側曲げ角度を有する非常に良好な曲げ、及び23%を超える圧延方向に対する伸び(Ag)90°を維持した。
自動車の深絞り部品(deep drawing parts)の場合、スプリングバック効果を最小限にするためにより低い入力強度(incoming strength)が必要とされる。工業標準によれば、入力強度は、溶体化熱処理後最長で6か月間所定の範囲内にあることが保証される。それ故、好適な部品は、70MPa〜110MPaの強度値を維持することによって、ある期間にわたって強度特性の安定性を実証しなければならない。サンプルA及びBの強度レベルは、DIN EN ISO6892−1:2009に従って溶体化熱処理(SHT)した後の異なる日に圧延方向に対して90°で測定した。上述のサンプルA及びBなどの本明細書に記載の複層パッケージの強度レベルは、最大で180日間、70MPa〜110MPaの範囲内にとどまった。図13を参照。
複層パッケージのサンプルA及びBについて最小塗料焼付応答を、圧延方向に対して90°の2%の予備歪み及び185℃での20分間の人工時効後に測定した。Rp0.2値として決定される降伏強度は160MPaを超えた。Rm値として決定される最大引張強度は220MPaを超えた。A80値として決定される全伸びは18%を超えた。
クロスダイ試験は、サンプルAのコアならびにサンプルA及びBについて実施した。表10を参照。クロスダイ試験は、標準的なクロスダイツールを用いて、25kNのクランプ力、20mm/分のスタンプ速度、及び40〜60mmのスタンプ深さで実施した。開始ブランクのサイズは、幅250mm及び長さ250mmであり、開始厚さは1.02mmであった。クロスダイ試験中の潜在的な摩擦効果を除去するために、1.5g/m2のコーティング重量でホットメルトで静電噴霧バーを使用してシートを潤滑させた。
自動車パネルの場合、インゴットから形成された合金は、銅加速酢酸塩噴霧(CASS)及び糸状試験のような自動車腐食試験に対して抵抗性である必要がある。CASS試験は、腐食抵抗性分析のために高度に腐食性の環境にサンプルを曝露する。糸状試験は、コーティングされた合金サンプルの腐食を分析するために採用される。別の重要な基準は、例示的なクラッドの表面の接合性能であり得る。
モータ車両部品(例えば、ボディサイド)などの高形成を必要とする部品は、最大の伸び、優れた曲げ特性、細かい粒サイズを必要とし、高度に再利用可能でなければならない。上述のように、また以下の表14に要約されるように、複層パッケージサンプルA及びBは、これらの要件の各々を達成することが可能である。AA1050、AA8079、またはAA5005合金から調製されたクラッド層を含有する比較複層シートは、その必要とされる領域の1つ以上に劣っていた。
本明細書に記載のクラッド層として使用するための合金を、実施例1で上述したように調製した。調製した合金の元素組成範囲を表15に示す。比較合金5は、主としてアルミニウム、ケイ素、及び鉄を含有する合金である。比較合金6は、主としてアルミニウム、ケイ素、鉄、及びマンガンを含有する合金である。合金14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、及び24は試作合金である。
T4焼戻しにおける表15に列挙された合金の強度及び伸び特性を測定した。図15及び16を参照。降伏強度及び引張強度は、圧延方向に対して0°(縦)、45°、及び90°(横)で、方法DIN EN ISO 6892−1:2009に従って測定した。伸びは、圧延方向に対して0°、45°、及び90°で、方法DIN EN ISO 6892−1:2009に従って測定した。
比較合金及び例示的な合金の粒サイズは、走査型電子顕微鏡(SEM−EBSD)における電子後方散乱回折技術を使用した光学顕微鏡検査によって分析した。図18に示されるように、鉄及びアルミニウムのみまたは鉄、マンガン、及びアルミニウムのみを含有する合金14及び15は、比較的大きな粒サイズをもたらした。しかしながら、合金16及び19〜24は全て、25μm以下の粒サイズ値を示した。合金17及び18は、25μm〜30μmの粒サイズを示した。図19A及び19Bにおいて、合金14及び合金16のSEM画像が示され、比較されている。
いくつかの場合では、最小の平均粒サイズ、圧延方向に対して0°(「L」として示される)、45°、及び90°(「T」として示される)で最も高い伸び(A80)、及びFe、Mn、Cr、Ti、Co、Ni、及びVの組み合わせた組成が0.60〜0.90重量%(例えば、0.60重量%≦[Fe+Mn+Cr+Ti+Co+Ni+V]≦0.90重量%)を有する合金で最適な形成性が観察された。
本明細書に記載のクラッド層として使用するための合金を、実施例1で上述したように調製した。調製した合金の元素組成範囲を表16に示す。合金25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、及び35は例示的な合金である。コア合金2xxx、5xxx、6xxx、及び7xxx合金から生じるスクラップを有する溶融鋳造合金の再利用含有量を増大させるために、クラッド層に対してSi、Cu、Mg、及びZnのうちのいくつかの添加を試験した。
図26A及び26Bは、降伏点伸び試験(Rp02、図26A)及び最大引張試験(Rm、図26B)の結果のヒストグラムを示している。試験は、圧延方向に対して90°(横)で、標準DIN EN ISO 6892−1:2009に従って行った。0.05重量%から0.41重量%へのCuの増加は、合金25を合金27と比較したときに示されるRp02/Rm比の改善を示した。
いくつかの場合では、例示的な合金25〜33におけるSi、Mg、Cu、及びZnの量を増加させても、粒サイズは減少しなかった。しかしながら、合金34及び35に見られるように、Ta(合金34)及びHf(合金35)の添加は、合金中の粒サイズをわずかに増加させ得るが、平均粒サイズは30ミクロン未満のままである。
Claims (19)
- コア層と、クラッド層用アルミニウム合金を含む第1のクラッド層と、を含む、複層金属シートであって、
前記コア層が、第1の面及び第2の面を含み、前記第1のクラッド層が、前記第1の面または前記第2の面上にあり、
前記第1のクラッド層が、0.2〜0.6重量%のFeと、0.06〜0.25重量%のMnと、最大で0.29重量%のSiと、最大で0.05重量%のCuと、最大で0.35重量%のMgと、最大で0.4重量%のZnと、Ni、Ti、Co、Nb、Cr、V、Zr、Hf、及びTaからなる群から選択される1つ以上の追加の元素と、最大で0.15重量%の不純物と、残りがAlであり、
前記1つ以上の追加の元素が、最大0.60重量のNi、最大0.15重量%のTi、最大0.60重量%のCo、最大0.3重量%のNb、最大0.25重量%のCr、最大0.2重量%のV、最大0.25重量%のZr、最大0.30重量%のHfおよび最大0.20重量%のTaからなる群から選択され、
Fe、Mn、Cr、Ti、Co、Ni及びVを組み合わせた組成が、0.60重量%≦[Fe+Mn+Cr+Ti+Co+Ni+V]≦0.90重量%であり、
前記第1のクラッド層の合金が10ミクロン〜30ミクロンの粒サイズを有する、
前記複層金属シートのFe含有量が、0.28%以下である、
複層金属シート。 - 前記第1のクラッド層が、0.25〜0.55重量%のFeと、0.08〜0.20重量%のMnと、最大で0.25重量%のSiと、最大で0.05重量%のCuと、最大で0.25重量%のMgと、最大で0.20重量%のZnと、Ni、Ti、Co、Nb、Cr、V、Zr、Hf、及びTaからなる群から選択される1つ以上の追加の元素と、最大で0.15重量%の不純物と、残りがAlである、請求項1に記載の複層金属シート。
- 前記第1のクラッド層が、0.25〜0.55重量%のFeと、0.08〜0.20重量%のMnと、最大で0.12重量%のSiと、最大で0.05重量%のCuと、0.3〜0.35重量%のMgと、最大で0.05重量%のZnと、Ni、Ti、Co、Nb、Cr、V、Zr、Hf、及びTaからなる群から選択される1つ以上の追加の元素と、最大で0.15重量%の不純物と、残りがAlである、請求項1に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.15重量%の量のTiを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.2重量%の量のVを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.60重量%の量のNiを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.60重量%の量のCoを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.3重量%の量のNbを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.2重量%の量のCrを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.25重量%の量のZrを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.30重量%の量のHfを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記1つ以上の追加の元素が、0.01〜0.20重量%の量のTaを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記第1のクラッド層が、0.2〜0.5重量%のFeと、最大で0.25重量%のSiと、最大で0.05重量%のCuと、0.1〜0.2重量%のMnと、最大で0.1重量%のMgと、最大で0.15重量%のCrと、最大で0.20重量%のZnと、最大で0.6重量%のNiと、最大で0.12重量%のTiと、最大で0.6重量%のCoと、最大で0.2重量%のNbと、最大で0.18重量%のVと、最大で0.25重量%のZrと、最大で0.30重量%のHfと、最大で0.15重量%のTaと、最大で0.15重量%の不純物とを含み、残りがAlである、請求項1に記載の複層金属シート。
- 前記第1のクラッド層の合金が、15ミクロン〜25ミクロンの粒サイズを有する、請求項1〜13のいずれか1項に記載の複層金属シート。
- 前記コア層が、AA6xxx合金、AA2xxx合金、AA5xxx合金、またはAA7xxx合金を含む、請求項1に記載の複層金属シート。
- 前記コア層上に第2のクラッド層を更に含み、前記第2のクラッド層が、第1のクラッド層と同じ組成内で同一または異なる、請求項1に記載の複層金属シート。
- 前記コア層の前記第1の面に前記第1のクラッド層が隣接して第1の界面を形成し、前記コア層の前記第2の面に前記第2のクラッド層が隣接して第2の界面を形成する、請求項16に記載の複層金属シート。
- 請求項1〜17のいずれか1項に記載の複層金属シートから調製された製品であって、モータ車両ボディ部品である、製品。
- 前記モータ車両ボディ部品が、ボディサイドパネルである、請求項18に記載の製品。
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