(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ：０．４〜０．８％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｃｕ：０．４超〜０．６５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材であって、結晶組織の全部又は大部分が繊維組織（以下、ファイバー組織という）であり、表面再結晶層の全厚さが形材の肉厚の１２％以下であることを特徴とする曲げ加工及びアーク溶接用自動車フレーム構造材。
【請求項２】
Ｍｇ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｃｕ：０．４超〜０．６５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％、及びＣｒ：０．０５〜０．５％とＭｎ：０．０５〜０．８％のうちいずれか一種又は２種を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材であって、結晶組織の全部又は大部分がファイバー組織であり、表面再結晶層の全厚さが形材の肉厚の１２％以下であることを特徴とする曲げ加工及びアーク溶接用自動車フレーム構造材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材からなり、曲げ加工による成形を受け、かつアーク溶接により組み立てられるのに特に適する自動車フレーム構造材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、高強度が得られる合金の中では比較的耐食性に優れ、サッシ材料などとして市場に多く出回っており、リサイクルの面でも他の系のアルミニウム合金より優れていることから、押出形材として種々の構造部材への適用が注目されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
自動車フレーム構造材は、必要に応じて所望の形状に曲げ加工を行ったり、溶接等による接合を必要とする場合があり、高強度（引張強度、耐力）を備えるとともに延性に優れ、さらにアーク溶接性が優れていることが望ましい。一方、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金において強度及び延性を向上させるために、合金元素としてＣｕを添加することが知られているが、ＣｕはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金のアーク溶接性を阻害するという共通認識があり、アーク溶接構造をとる場合はＣｕの添加量は低く制限されていた。
【０００４】
例えば特開昭６４−４７８３０号公報では、小量のＣｒ及びＺｒを含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材においてＣｕの添加量を０．１％以下に制限し、特開平６−１７９９３５号公報では、小量のＣｒ及びＺｒを含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材においてＣｕの添加量を０．２％以下に制限し、特開平９−４１０６３号公報では、小量のＺｒを含有するＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材においてＣｕの添加量を０．０５％以下に制限し、さらに、特開平９−２５６０９６号公報でも、Ｃｕの添加量を０．４％以下に制限している。
【０００５】
本発明はこのような状況下で、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材からなり、高強度、高延性でかつ曲げ加工性とアーク溶接性に優れた曲げ加工及びアーク溶接用自動車フレーム構造材を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る曲げ加工及びアーク溶接用自動車フレーム構造材は、Ｍｇ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．７〜１．１％、Ｃｕ：０．４超〜０．６５％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．３％を含有し、必要に応じてさらにＣｒ：０．０５〜０．５％とＭｎ：０．０５〜０．８％のうちいずれか一種又は２種を含有し、残部Ａｌ及び不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材であって、結晶組織の全部又は大部分が繊維組織（以下、ファイバー組織という）であることを特徴とする。ここでファイバー組織とは押出材にみられる熱間加工組織で、押出方向に長く伸ばされた結晶粒組織のことであり、本発明においては、押出形材の断面の全てがファイバー組織で構成されるか、断面の肉厚の大部分、つまり肉厚の５０％以上の部分がファイバー組織で占められている（この場合、表面には再結晶組織が形成される）必要がある。
【０００７】
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材の成分組成の限定理由について説明する。
Ｃｕ
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材において、Ｃｕは析出強化により合金の強度を向上させるとともに、材料の延性を向上させるため、高強度、延性及び曲げ加工性を必要とされる構造材にはＣｕを添加したものも多い。しかし、Ｃｕの添加はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の溶接性を阻害する（溶接割れを発生させる）という共通認識のもとで、溶接構造材として用いる押出形材では、Ｃｕの添加量は最大でも０．４％以下に抑えられていた。
【０００９】
ところが、本発明者らは、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材の合金組織をファイバー組織とした場合、０．４％を超えるＣｕが含有されていてもアーク溶接性の低下がないことを見いだした。溶接性が低下しない理由は明らかではないが、ファイバー組織になることで粒界面積が増加するため、粒界に偏析しやすいＣｕが粒界に広く分散して析出し、単位粒界面積あたりのＣｕの濃度が低くなることが影響しているのではないかと推測される。
なお、０．４％を超えるＣｕが含有されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材において、表面に形成される再結晶層が厚くなるとアーク溶接性の低下が著しくなる。従って、先に述べたように、押出形材の断面の全てがファイバー組織で構成されるか、断面の肉厚の５０％以上の部分がファイバー組織で占められている必要がある。望ましくは、表面再結晶層の全厚さ（両面の厚さの合計）が形材の肉厚の３０％以下（ファイバー組織が肉厚の７０％以上）になるように制御する。
【００１０】
本発明のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材において、０．４％超のＣｕは強度を向上させ、延性及び曲げ加工性を向上させる。しかし、過剰のＣｕはプレス焼入れ（押出直後に押出材の保有熱を利用して行う溶体化焼入れ）性を低下させ、また、アーク溶接性を阻害するようになるので、Ｃｕの添加量は０．６５％以下に制限する必要がある。特にＣｕ：０．４５〜０．５５％の範囲が望ましい。
【００１１】
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒ
Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒは均質化熱処理時に鋳塊中に金属間化合物として析出し、熱間加工等における再結晶を抑制し、金属組織を微細にする。押出加工においては組織をファイバー組織とし、等軸再結晶組織に比べアーク溶接性を著しく改善する。それぞれ０．０５％以上の添加で再結晶抑制効果があるが、特に効果の高いのはＺｒであるので、Ｚｒをまず添加し、さらに必要があればＣｒ、Ｍｎを添加するようにすればよい。一方、過剰の添加は鋳造時に粗大な不溶性金属間化合物を生成しやすく、強度、延性の低下の原因となる。
従って、それぞれの添加量はＣｒ：０．０５〜０．５％以下、Ｍｎ：０．０５〜０．８％以下、Ｚｒ：０．０５〜０．３％以下とする。Ｍｎ、Ｚｒの特に望ましい範囲は、Ｍｎ：０．１５〜０．５％、Ｚｒ：０．１〜０．１５％である。
【００１２】
Ｍｇ、Ｓｉ
Ｍｇ及びＳｉは、合金に強度を付与する元素である。Ｍｇ含有量が０．３％未満又はＳｉ含有量が０．２％未満の場合、時効処理による強度向上の効果が得られない。逆に、Ｍｇ含有量が１．６％を越え又はＳｉ含有量が１．６％を越えると延性が阻害され曲げ加工性が低下し、また押出性も低下する。そのなかでも、強度、延性、曲げ加工性、押出性のバランスの面から、特にＭｇ：０．４〜０．８％、Ｓｉ：０．７〜１．１％の範囲が望ましい。
【００１３】
Ｔｉ
Ｔｉは溶解鋳造時に核生成し鋳造組織を微細にする働きがあり、０．００５％以上添加される。しかし、多すぎると粗大な化合物を生成しＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を脆弱にするので０．２％を上限とする。
不純物
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以外の通常の不純物は単体で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。
【００１４】
上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金の押出加工にあたっては、その保有熱を利用して溶体化するのが工業上有利である。このため押出直後の形材温度が極力溶体化温度になるようにし、直ちに急冷（プレス焼入れ）する。この急冷により、同時に形材の再結晶を防止してファイバー組織をもつ押出形材を得る。一方、押出温度を高くしすぎると結晶組織の再結晶化が促進され、ファイバー組織から粗大な等軸再結晶粒へと変化する。再結晶を抑制し、ファイバー組織とするためには、押出工程では押出直後の形材温度を溶体化温度以上、固相線温度以下、すなわち５００℃以上５８０℃以下、望ましくは５１５℃以上、５５０℃以下に制御することが好適である。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
表１に示す組成のアルミニウム合金をＤＣ鋳造にて直径１５５ｍｍの鋳塊に造塊し、５４０℃×４ｈｒの均質化処理後、ビレット温度５００℃に加熱し、押出速度５ｍ／ｍｉｎにて図１に示す板の形状（厚さ２ｍｍ、幅１１０ｍｍ）に押し出し、押出時水冷にてプレス焼入れを行った。その後、１８０℃×６ｈｒの人工時効処理を施し供試材とし、下記要領で各特性を調べた。その結果を表１にあわせて示す。
【００１６】
【表１】
0003562979.tif 000002
【００１７】
機械的性質：押出方向と平行にＪＩＳ５号引張試験片を採取し、引張試験を行った。
結晶組織：押出方向に平行な断面を光学顕微鏡で観察した。（なお、溶着部を有する押出形材の場合は、当該部位近傍では再結晶層厚さがばらつくので、それ以外の部位で測定する。）
溶接性：図２に示すように２枚の供試材の押出方向に垂直なサイドを突き合わせ、表２に示す溶接条件にてＭＩＧ溶接を行ない、溶接部断面（図２（ｂ）に観察部位を示す）を目視又は光学顕微鏡で観察し、５段階で溶接性を評価した。５段階は、１：溶接割れなし、２：割れが１つの結晶粒界面におさまっており、その発生部の数もごく少ないもの、３：割れが１つの結晶粒界面におさまっているが、その発生部が断面に多数存在するもの、４：割れが複数の結晶粒界面にまたがっているもの、５：目視レベルで割れが観察できるもの（割れが少なくとも十数粒界に及ぶ）、とした。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
表１に示すように、成分組成が規定範囲内にあり、結晶組織がファイバー組織のＮｏ．１、２、５は、高強度、高延性を示し、溶接割れ性もＺｒを含まないＮｏ．３、４に比べて一段と優れていた。また、結晶組織がファイバー組織で、表面再結晶層が比較的厚く形成されたＮｏ．６〜８（プレス焼入れの冷却速度を調整）を、同じ組成のＮｏ．１と比べると溶接性がやや低く、かつ表面再結晶層が厚いほど溶接性が低くなっている。
一方、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｚｒを含まないＮｏ．９は機械的特性はまあまあだが、結晶組織が等軸晶でＣｕの含有量が多いため溶接割れ性が劣っている。また、Ｎｏ．１０、１１は等軸晶であるが、Ｃｕの含有量が少ないため溶接割れ性はよい。しかし、強度及び伸びがＮｏ．１〜８に比べて劣る。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出形材により、高強度、高延性でかつ曲げ加工性及びアーク溶接性に優れた曲げ加工及びアーク溶接用自動車フレーム構造材を得ることができる。この押出形材は、高強度を必要とし、曲げ加工による成形を施され、かつアーク溶接により組み付けられる自動車フレーム構造材として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の押出形材の断面形状を示す図である。
【図２】実施例の溶接後の供試材（ａ）及びその断面図（ｂ）である。
【図１】
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【図２】
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