TWI557235B - Aluminum alloy roll material - Google Patents

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Kazunori Kobayashi
Wataru Yamauchi
Masanori Taniguchi
Tooru Iwai
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Kobe Steel Ltd
Shimano Kk
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Description

鋁合金輥軋材
本發明是關於自行車的曲柄零組件所使用之鋁合金輥軋材。更詳細的說，是關於6000系列鋁合金的輥軋材。
以往，在自行車的曲柄零組件是使用鋁合金的擠壓鍛造材，伴隨近年的自行車熱潮而造成曲柄零組件的製造數量增加，基於低成本化的目的，開始考慮使用輥軋材製的曲柄零組件。使用輥軋材來製造曲柄零組件的情況，若將高強度的鋁合金板材就那樣進行沖壓加工，可能發生龜裂等而無法獲得既定的品質。因此，首先使用軟質材(O材)作為材料而實施沖壓加工，取得曲柄形狀的成形加工零組件，再者，為了提高曲柄零組件的強度，將所獲得的成形加工零組件予以溶體化處理後，實施時效硬化處理(相當於T6)，為了精加工而進行陽極氧化(氧皮鋁)處理，此情況是已知的。
作為成形加工用鋁合金輥軋板，例如，將成分組成限定在特定的範圍，並界定輥軋、溶體化處理等的 各製程的條件，藉此將強度及成形性予以維持並降低面內異向性是已知的(參照專利文獻1)。此外，在Al-Mg-Si系合金，為了防止氧皮鋁處理後的光澤性降低，將組成、硬度、結晶析出物的粒子數及粒子平均面積等予以控制，並經由切削加工、研磨製程而將表面予以平滑化者已被提出(參照專利文獻2)。
[專利文獻1]日本特開平5-263203號公報
[專利文獻2]日本特開2000-54054號公報
然而，若使用習知的鋁合金輥軋板而依前述方法製造曲柄零組件，在陽極氧化(氧皮鋁)處理後的零組件上會發生斑狀的外觀不良。這是因為，藉由沖壓加工而施加於成形加工品的各部位之應變在每個部位都不同，於之後的溶體化處理之加熱後，材料組織會維持原先的加工組織，或成為使再結晶進展後的組織，因此在氧皮鋁處理後的外觀會產生差異而出現斑狀。該現象，縱使是使用前述專利文獻2所記載的Al-Mg-Si系合金，因為無法控制溶體化處理後的組織形態，這樣的外觀不良並無法充分地抑制。
於是，本發明的主要目的在於，提供一種強度及沖壓加工性優異且縱使在氧皮鋁處理後也不容易發生 斑狀的外觀不良之鋁合金輥軋材。
本發明人，為了解決前述的課題進行深入實驗探討的結果，獲得以下的認知。作為斑狀的外觀不良的原因之一，乃是溶體化處理所造成之結晶組織的粗化。另一方面，當藉由沖壓加工來形成曲柄形狀的成形加工零組件時，會對鋁合金輥軋板導入應變。而且了解到，溶體化處理所造成之結晶粒的過度成長容易在該應變較小的部位發生。
於是，本發明人針對抑制結晶粒的過度成長的方法進行探討而發現出，藉由添加過渡元素、控制析出物的分布密度，可將優異的強度及沖壓加工性予以維持並抑制氧皮鋁處理後的斑狀外觀不良的發生，而完成本發明。
亦即，本發明的鋁合金輥軋材，是自行車的曲柄零組件所使用之鋁合金輥軋材，其成分組成係含有Mg：0.6~1.4質量%、Si：0.3~1.0質量%、Cu：0.1~0.5質量%、Cr：0.02~0.4質量%、Mn：0.1~0.6質量%，剩餘部分為Al及不可避免的雜質所構成，在每1μm3含有600個以上之尺寸為10~300nm的分散粒子。
本發明的鋁合金輥軋材，可限制為Fe：0.7質量%以下。
此外，本發明的鋁合金輥軋材，可含有Zr： 0.05~0.15質量%。
另一方面，本發明的鋁合金輥軋材，尺寸為10~300nm的分散粒子可在每1μm3含有700個以上。
此外，本發明也提供一種自行車零組件，其特徵在於，是由本發明的鋁合金輥軋材所構成。
此外，本發明也提供一種陽極氧化自行車零組件，其特徵在於，是對由本發明的鋁合金輥軋材所構成之自行車零組件，進一步實施陽極氧化處理。
此外，本發明還提供一種鋁合金輥軋材作為自行車的曲柄零組件之用途。
依據本發明，因為將成分組成界定在特定的範圍，可維持其作為自行車曲柄用零組件之優異的強度及沖壓加工性，並抑制斑狀外觀不良的發生。
以下，針對用來實施本發明的形態予以詳細地說明。又本發明並不限定於以下所說明的實施形態。
本發明的實施形態之鋁合金輥軋材，是6000系列的鋁合金，使用於自行車的曲柄零組件。具體而言，本實施形態的鋁合金輥軋材，其成分組成係含有Mg：0.6~1.4質量%、Si：0.3~1.0質量%、Cu：0.1~0.5質量%、Cr：0.02~0.4質量%及Mn：0.1~0.6質量%，剩餘部分 為Al及不可避免的雜質所構成。此外，本實施形態的鋁合金輥軋材，按照必要可將Fe限制為0.7質量%以下，此外可含有Zr：0.05~0.15質量%。
[Mg：0.6~1.4質量%]
Mg的作用效果在於，藉由固溶強化而提高鋁合金輥軋材的強度。此外，Mg的作用效果還包括，藉由在溶體化處理及人工時效處理後與Si結合而形成Mg-Si系析出物，以提高鋁合金輥軋材的強度。然而，當Mg含量未達0.6質量%的情況，該等作用效果無法充分地發揮，此外，當Mg含量超過1.4質量%時，成形加工性降低，而在沖壓加工中會發生龜裂。因此，在本實施形態的鋁合金輥軋材，將Mg含量設為0.6~1.4質量%。Mg含量的下限較佳為0.8質量%。Mg含量的上限較佳為1.1質量%。
[Si：0.3~1.0質量%]
Si的作用效果在於，藉由固溶強化、在溶體化處理及人工時效處理後與Mg結合而形成Mg-Si系析出物，將鋁合金輥軋材的強度提高。然而，當Si含量未達0.3質量%的情況，其作用效果無法充分地發揮。另一方面，當Si含量超過1.0質量%時，容易生成Al-Fe-Si系金屬間化合物、Al-Fe-Mn-Si系金屬間化合物等之粗大的金屬間化合物。這種粗大的金屬間化合物，因為在成形時容易成為龜裂的起點，若存在於鋁合金輥軋材中，在沖壓加工中變得 容易發生龜裂。因此，在本實施形態的鋁合金輥軋材，Si含量設為0.3~1.0質量%。Si含量的下限較佳為0.5質量%。
[Cu：0.1~0.5質量%]
Cu的作用效果在於，藉由固溶強化、在溶體化處理及人工時效處理後促進Mg-Si系析出物的形成，而將鋁合金輥軋材的強度提高。然而，在Cu含量未達0.1質量%的情況，其作用效果無法充分地發揮，當Cu含量超過0.5質量%，成形加工性降低，在沖壓加工中容易發生龜裂。因此，在本實施形態的鋁合金輥軋材，將Cu含量設為0.1~0.5質量%。
[Cr：0.02~0.4質量%]
Cr的作用效果在於，抑制鋁合金輥軋材的再結晶並提高強度，並使所製造的曲柄零組件之氧皮鋁處理後的外觀成為均一且良好。然而，當Cr含量未達0.02質量%的情況，其作用效果無法充分地發揮。另一方面，若Cr含量超過0.4質量%，容易生成Al-Mg-Cr系金屬間化合物等之粗大的金屬間化合物。這種粗大的金屬間化合物，因為在成形時容易成為龜裂的起點，若存在於鋁合金輥軋材中，在沖壓加工中變得容易發生龜裂。此外，溶體化處理時的淬火敏感性增高，時效處理後的強度會降低。因此，在本實施形態的鋁合金輥軋材，將Cr含量設為0.02~0.4 質量%。Cr含量的下限較佳為0.1質量%。
[Mn：0.1~0.6質量%]
Mn的作用效果在於，藉由固溶強化將鋁合金輥軋材的強度提高，並使所製造的曲柄零組件之氧皮鋁處理後的外觀均一且良好。然而，當Mn含量未達0.1質量%的情況，其作用效果無法充分地發揮。另一方面，若Mn含量超過0.6質量%，容易生成Al-Fe-Mn系金屬間化合物、Al-Fe-Mn-Si系金屬間化合物等之粗大的金屬間化合物。這種粗大的金屬間化合物，因為在成形時容易成為龜裂的起點，若存在於鋁合金輥軋材中，在沖壓加工中變得容易發生龜裂。此外，溶體化處理時的淬火敏感性增強，造成時效處理後的強度降低。因此，在本實施形態的鋁合金輥軋材，將Mn含量設為0.1~0.6質量%。Mn含量的下限較佳為0.25質量%。
[Fe：0.7質量%以下]
Fe會形成Al-Fe-Mn系金屬間化合物、Al-Fe-Si系金屬間化合物及Al-Fe-Mn-Si系金屬間化合物等，特別是當Fe含量超過0.7質量%時，該等金屬間化合物有粗化、或大量形成的傾向。粗大的金屬間化合物，因為在成形時容易成為龜裂的起點，若存在於鋁合金輥軋材中，在沖壓加工中變得容易發生龜裂。因此Fe含量較佳為限制在0.7質量%以下。
[Zr：0.05~0.15質量%]
Zr的作用效果在於，可抑制鋁合金輥軋材的再結晶而提高強度，並使所製造的曲柄零組件之氧皮鋁處理後的外觀均一且良好，能夠按照必要來添加。然而，當Zr含量未達0.05質量%的情況，其作用效果無法充分地發揮。另一方面，若Zr含量超過0.15質量%，容易生成Al3Zr等之粗大的金屬間化合物。若在鋁合金輥軋材中存在這種粗大的金屬間化合物，在成形時成為龜裂的起點，在沖壓加工中變得容易發生龜裂。此外，溶體化處理時的淬火敏感性增強，造成時效處理後的強度降低。因此，在添加Zr的情況，較佳為將其含量設定在0.05~0.15質量%的範圍。
[其他添加元素]
再者，在本實施形態的鋁合金輥軋材中，可含有Ti：0.005~0.2質量%的範圍，藉此能使鑄塊微細化。通常，在添加Ti的情況，會以Ti：B=5：1的比例將鑄塊細化劑(Al-Ti-B)添加於熔融液中。因此，對應於所含比例之B也必然會被添加。
[剩餘部分：Al及不可避免的雜質]
前述各成分以外的成分、亦即剩餘部分，是Al及不可避免的雜質。作為本實施形態的鋁合金輥軋材中之不可 避免的雜質，例如可列舉Zn、V、Ga、In、Sn、Sc、Ni、C、Na、Ca、Bi及Sr等。該等不可避免的雜質，如果分別以0.05質量%以下的範圍來含有的話，不致阻礙本發明的效果而能被容許。
[分散粒子：600個/1μm3以上]
本實施形態的鋁合金輥軋材較佳為，尺寸為10~300nm的分散粒子在每1μm3含有600個以上，更佳為含有700個以上。如前述般，在曲柄零組件的製造中，在氧皮鋁處理後發生斑狀外觀不良的原因之一，乃是當溶體化處理時於局部部位發生結晶粒組織的粗化。該結晶粒組織的粗化，在藉由沖壓加工所導入的應變較小的部位容易發生，為了抑制此粗化現象，利用微細的分散粒子來抑制粒界移動、所謂釘扎作用是有效的。此外，前述分散粒子的上限較佳為2000個/1μm3。
在此，作為鋁合金輥軋材中的分散粒子，例如為Al-Fe-Cu-Si-Mn-Cr、Al-Cu-Si-Mn-Cr、及Al-Cu-Si-Mn等，各粒子的尺寸為10~300nm。而且，這種微細的分散粒子，若在每1μm3分布600個以上，可抑制在氧皮鋁處理後的曲柄零組件上之斑狀外觀不良的發生。
[製造方法]
本實施形態的鋁合金輥軋材，例如可依以下所示的方法製造。首先，將前述成分組成的鋁合金熔化，進行鑄造 而製作成鑄塊。接著，將該鑄塊實施平面切削後，以500℃以上且未達鋁合金熔點的溫度進行均質化熱處理。然後，將均質化熱處理後的鑄塊實施熱軋而成為輥軋材。
在熱軋後，亦可進一步實施冷軋而使板厚變薄。此外，也能將輥軋板加熱到300~450℃並保持0.5小時以上而實施退火，使其成為0材。
如以上所詳述般，本實施形態的鋁合金輥軋材，由於將過渡元素添加特定量，可抑制溶體化處理所造成之結晶粒組織的粗化，能夠抑制斑狀外觀不良的發生。此外，本實施形態的鋁合金輥軋材的強度及沖壓加工性優異，適於作為自行車曲柄用零組件。
自行車曲柄用零組件等的自行車用零組件，由本實施形態的鋁合金輥軋材所構成者，例如可藉由實施沖壓加工等來製造出。
此外，對於所獲得的自行車用零組件，可藉由實施陽極氧化處理來製造出陽極氧化自行車零組件。陽極氧化處理沒有特別的限定，例如可採用硫酸法氧皮鋁處理。
[實施例]
以下，列舉本發明的實施例及比較例來具體地說明本發明的效果。在本實施例中，是製作出成分組成不同的實施例及比較例的鋁合金輥軋板，並評價其性能。
<鋁合金輥軋板的製作>
首先，將下述表1所示組成的鋁合金熔化，進行鑄造而成為鑄塊。接著，對該鑄塊實施平面切削後，於520℃實施4小時的均質化熱處理。然後，對均質化後的鑄塊實施熱軋，進一步實施冷軋，成為板厚2.0mm的鋁合金板。此外，將冷軋後的輥軋板加熱到380℃並在該溫度保持4小時而實施退火，成為評價用的板材(O材)。
<O材之機械性質的評價>
從實施例及比較例的各評價用板材(O材)，以輥軋 方向成為垂直方向的方式裁切出JIS 5號試片。對於該試片，依JIS Z2241(2011)，使用株式會社島津製作所(SHIMADZU CORPORATION)製的落地式萬能拉力試驗機AG-I進行拉伸試驗，測定抗張強度(MPa)、0.2%保證應力(MPa)以及伸長率(%)。這時，將十字頭速度設定為5mm/分，以一定的速度進行直到試片斷裂為止。
<沖壓加工性的評價>
對於實施例及比較例的各評價用板材(O材)，使用自行車用曲柄零組件的沖壓加工設備進行加工試驗，評價其加工性。結果，將能夠無龜裂地成形，例如在加工品之角部的部位未發生表面粗糙等的加工異常者視為「加工性優異」而評價為合格(○)，將發生龜裂或表面粗糙、頸縮者視為「加工性不良」而評價為不合格(×)。
<溶體化暨時效處理後之強度評價>
在製造自行車用曲柄零組件時，為了提高強度，將沖壓加工成既定形狀者實施溶體化處理後，進行人工時效硬化處理。於是，在本實施例，將在沖壓加工性評價中所製作的沖壓成形品，加熱到520℃的溫度，在此狀態下保持1小時後，實施強制氣冷，進一步於170℃實施8小時的人工時效處理。從時效處理後的成形品之儘量平坦的部位，以輥軋垂直方向成為長度方向的方式裁切出JIS 5號的拉伸試片。
對於該試片，依JIS Z2241(2011)，使用株式會社島津製作所(SHIMADZU CORPORATION)製的落地式萬能拉力試驗機AG-I進行拉伸試驗，測定抗張強度(MPa)。這時，將十字頭速度設定為5mm/分，以一定的速度進行直到試片斷裂為止，測定3次而算出平均值。結果，當抗張強度為300MPa以上時，判定其是優異的。
<氧皮鋁處理後的外觀評價>
對於在前述沖壓加工性評價中所製作的沖壓加工品，依前述溶體化暨時效處理後的強度評價中所述的條件實施溶體化處理及時效處理，而使用經處理後的加工品。將該加工品的表面實施研磨精加工，進一步實施硫酸法氧皮鋁處理，成為最終製品(曲柄零組件)的外觀。關於評價，當氧皮鋁表面外觀均一且良好的情況評價為合格(○)，當在表面到處都產生斑點、無法形成均一的氧皮鋁皮膜而成為缺陷的情況評價為不合格(×)。
<分散粒子分布的評價>
在退火後成為O材之鋁合金輥軋材中，對於所存在的Al-Fe-Cu-Si-Mn-Cr、Al-Cu-Si-Mn-Cr、及Al-Cu-Si-Mn等的分散粒子之分布，使用穿透式電子顯微鏡(TEM)進行觀察、測定。這時，將測定試樣之薄膜的厚度調整為400nm，以觀察倍率5萬倍進行攝影。而且，使用所獲得的分散粒子的相片，求出每1μm3的分散粒子數。
將以上結果彙整於下述表2中。
如上述表2所示般，在本發明的範圍內所製作之實施例1~17的鋁合金輥軋板，O材的機械性質(抗張強度、耐力以及伸長率)、沖壓加工性、及溶體化暨時效處理後的強度(抗張強度)全都良好。此外，實施例1~17的鋁合金輥軋板，在分散粒子分布的評價中，尺寸為10~300nm的分散粒子在每1μm3含有600個以上，其氧皮鋁處理後的外觀也是良好的。
相對於此，比較例1的鋁合金輥軋板，因為Mg含量未達本發明範圍的下限，其O材的抗張強度以及耐力、及溶體化暨時效處理後的抗張強度都比實施例的鋁合金輥軋板差。另一方面，比較例2的鋁合金輥軋板，因為Mg含量超出本發明範圍的上限，其O材的伸長率小，沖壓加工性不良。
比較例3的鋁合金輥軋板，因為Si含量未達本發明範圍的下限，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。另一方面，比較例4的鋁合金輥軋板，因為Si含量超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良。
比較例5的鋁合金輥軋板，因為Cu含量未達本發明範圍的下限，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。另一方面，比較例6的鋁合金輥軋板，因為Cu含量超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良。
比較例7的鋁合金輥軋板，因為Cr含量未達 本發明範圍的下限，氧皮鋁處理後的外觀評價結果不合格。另一方面，比較例8的鋁合金輥軋板，因為Cr含量超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良，而且，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。
比較例9的鋁合金輥軋板，因為Mn含量未達本發明範圍的下限，氧皮鋁處理後的外觀評價結果不合格。另一方面，比較例10的鋁合金輥軋板，因為Mn含量超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良，而且，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。
比較例11的鋁合金輥軋板，因為Fe含量不僅是雜質的程度而超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良。比較例12的鋁合金輥軋板，因為Zr含量不僅是雜質的程度而超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良，此外，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。
比較例13的鋁合金輥軋板，因為Mg含量及Si含量都超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良。另一方面，比較例14及比較例16的鋁合金輥軋板，因為Mg含量及Si含量都未達本發明範圍的下限，且Cu含量及Zr含量超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良，而且，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。
比較例15的鋁合金輥軋板，因為Cr含量及Mn含量都超出本發明範圍的上限，O材的伸長率小，沖壓加工性不良，而且，溶體化暨時效處理後的抗張強度比實施例的鋁合金輥軋板差。
基於以上的結果可確認，本發明的鋁合金輥軋材，其O材及溶體化暨時效處理後的強度均良好，具有優異的沖壓加工性，且能抑制斑狀的外觀不良的發生。
因此，本發明的鋁合金輥軋材適用於作為自行車曲柄用零組件，在此情況，可維持作為自行車曲柄用零組件之優異的強度及沖壓加工性，且能抑制斑狀外觀不良的發生。
以上是針對本發明的實施形態作說明，但本發明並不限定於上述實施形態，在申請專利範圍所記載的範圍內可進行各種變更而實施。
本申請案是根據2014年6月27日申請的日本特許出願(特願2014-133014)，將其內容以參照的方式併入。

Claims (9)

  1. 一種鋁合金輥軋材，是在自行車的曲柄零組件所使用之鋁合金輥軋材，其含有Mg：0.6~1.4質量%、Si：0.3~1.0質量%、Cu：0.1~0.5質量%、Cr：0.02~0.4質量%、Mn：0.1~0.6質量%，剩餘部分為Al及不可避免的雜質所構成，其在每1μm3含有600個以上之尺寸為10~300nm的分散粒子。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金輥軋材，其中，將Fe含量限定為0.7質量%以下。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之鋁合金輥軋材，其中，進一步含有Zr：0.05~0.15質量%。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鋁合金輥軋材，其中，在每1μm3含有700個以上之尺寸為10~300nm的分散粒子。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之鋁合金輥軋材，其中，在每1μm3含有700個以上之尺寸為10~300nm的分 散粒子。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之鋁合金輥軋材，其中，在每1μm3含有700個以上之尺寸為10~300nm的分散粒子。
  7. 一種自行車零組件，其特徵在於，是由申請專利範圍第1至6項中任一項所述之鋁合金輥軋材所構成。
  8. 一種陽極氧化自行車零組件，其特徵在於，對於由申請專利範圍第1至6項中任一項所述之鋁合金輥軋材所構成的自行車零組件，進一步實施陽極氧化處理。
  9. 一種鋁合金輥軋材作為自行車的曲柄零組件之用途，其特徵在於，是使用申請專利範圍第1至6項中任一項所述之鋁合金輥軋材。
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