(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、Ｍｇ：０．７５〜１．０％を、−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍｇ／１．７３）≦０．２０となる関係を満たすように含有し、かつＭｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒを０．０２％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：０．０５〜０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純物から成る組成並びに結晶粒の押出方向の長さと厚さ方向の長さとの比が２以下である結晶粒組織を有する押出形材からなり、耐力と引張強さの比が０．８５以上であるとともに、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にある機械的性質を有することを特徴とする自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材。
【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るエネルギー吸収部材に係り、特に、自動車のフレーム構造におけるサイドメンバーなどに用いて好適なエネルギー吸収部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のサイドメンバーは、自動車の前方のエンジン部分と、後方のトランク部において、衝突時にアコーディオン状に座屈変形することにより衝突時の衝撃エネルギーを吸収することにより、乗員の安全を確保する機能を有する部材である。この部材としては、従来冷延鋼板をプレス成形し、スポット溶接により組み立てたものが用いられている。しかし、近年、地球温暖化などの環境問題から、排ガス低減や燃費向上などのために自動車の軽量化が強く要請されており、この軽量化の一環として鋼板の代わりに軽量でかつ複雑形状の構造材を一体で製造することができるアルミニウム合金押出形材の使用が検討されている。
このような用途に対しては、現在は主として押出加工性、機械的性質、および耐食性などのバランスが良い６０６３合金などのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材が使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、例えば代表的な６０６３合金は耐力が２１５ＭＰａ程度と低いため、軸方向に圧縮荷重を受けた際に変形が進む平均荷重が低く、したがってエネルギー吸収効率が低いので板厚を厚くする必要がある。一方、６０６１合金などの耐力の大きい合金は衝突時の変形で割れが発生しやすく、一旦割れが発生するとそれ以降の衝撃は吸収されないので、エネルギー吸収効率は極めて低いものとなるいう問題があった。
また、Ａｌ合金押出形材を構成する内部組織を主として繊維状組織としたものが特開２０００−５４０５０号公報に開示されている。しかしながら、この主として繊維状組織からなるＡｌ合金押出形材は圧潰特性に優れるものの、その製造において押出加工を行う際の押出速度を大きくすることができないために、生産性が課題となっていた。
【０００４】
本発明は、係る問題点に鑑みてなされたものであって、衝突時の圧縮変形を受けた際に割れが発生することがなく、エネルギー吸収効率が高い自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述のような観点から、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金押出形材の圧潰特性に及ぼす合金組成および材料特性の影響を明らかにすべく種々の実験を行った結果、微量のＭｎとＺｒを複合添加することにより結晶粒のサイズと形状を制御するとともに、該押出形材の耐力と引張強さの比および耐力値をある範囲に制御することによって圧潰特性が向上するという実験結果を得たものである。すなわち、本発明の自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材は、重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、Ｍｇ：０．７５〜１．０％を−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍｇ／１．７３）≦０．２０となる関係を満たすように含有し、かつＭｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒを０．０２％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：０．０５〜０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純物から成る組成並びに結晶粒の押出方向の長さと厚さ方向の長さとの比が２以下である結晶粒組織を有する押出形材からなり、耐力と引張強さの比が０．８５以上であるとともに、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にある機械的性質を有することを特徴とする。
【０００６】
また、上記のエネルギー吸収部材において、重量％で０．０１％以下のＣｒを含有することを特徴とする。
【０００７】
以下に、本発明における合金組成並びに組織を上記の通りに限定した理由を説明する。
まず、本発明のＡｌ合金中空材を構成するＡｌ合金の成分組成を請求項に記載の通りに限定した理由を説明する。
（ａ）ＳｉおよびＭｇ：これらの成分には、微細なＭｇ2Ｓｉ化合物として析出して強度を向上させる作用があるが、ＳｉおよびＭｇのいずれかの含有量でもＳｉ：０．５０％未満、およびＭｇ：０．７５％未満になると生成する析出物の量が少なくなって所望の強度を確保することができず、一方これらの含有量がＳｉ：０．７５％およびＭｇ：１．０％を超えると押出加工性が低下するとともに、衝突時の変形による割れが発生しやすくなる。さらに、−０．０５≦（（Ｓｉ含有量）−（Ｍｇ含有量）／１．７３）≦０．２０となるように含有させると、押出加工性をそれほど阻害せず強度が増加する。しかしながら、Ｓｉの含有量が−０．０５≦（（Ｓｉ含有量）−（Ｍｇ含有量）／１．７３）なる関係を満足する量未満ではその効果が十分得られず、一方（（Ｓｉ含有量）−（Ｍｇ含有量）／１．７３）≦０．２０なる関係を満足する量を超えると押出加工後の冷却過程および時効処理時にＳｉ粒子が結晶粒界に析出するようになって圧潰特性が劣化する。したがって、Ｓｉ含有量は重量％で０．５％以上０．７５％以下、Ｍｇ含有量は重量％で０．７５％以上１．０％以下とされる。
【０００８】
（ｂ）Ｃｕ：Ｃｕは地に固溶することによって強度を向上させるが、０．０５％未満ではその効果が十分ではなく、一方０．４％を超えるとＡｌ合金の耐食性が低下する。したがって、Ｃｕ含有量は重量％で０．０５％以上０．４％とされる。
【０００９】
（ｃ）Ｍｎ、Ｚｒ：これらの成分にはＡｌと金属間化合物を形成して、この金属間化合物が再結晶の核生成サイトとなり、Ａｌ合金押出形材の金属組織を微細な粒状の結晶粒からなる組織とする効果があり、その結果圧潰特性が向上する。しかしながら、ＭｎとＺｒがそれぞれの下限値（０．０２％）未満では上記の効果が十分に得られず、一方、上限値を超えると結晶組織に部分的に押出方向に長く伸びた伸長粒組織や繊維状組織が現れるようになり、衝突時の変形による割れが発生しやすくなる。従って、ＭｎおよびＺｒの含有量は、重量％で０．０２％以上０．０５％未満とされる。
【００１０】
（ｄ）Ｔｉ、Ｂ：これらの成分には鋳造組織を微細化し、鋳造割れを防止する作用があるが、ＴｉおよびＢのいずれの含有量でもＴｉ：０．００５％未満、およびＢ：０．０００１％未満の場合には所望の効果を得ることができず、一方、ＴｉおよびＢのいずれかの含有量でも、Ｔｉ：０．１％およびＢ：０．００４％を超えると、巨大な金属間化合物が生成するために靱性が低下し、衝突時の変形による割れが発生しやすくなる。従って、Ｔｉ含有量は重量％で０．００５％以上０．１％以下とされ、Ｂ含有量は重量％で０．０００１％以上０．００４％以下とされる。
【００１１】
（ｅ）その他、成分組成としてＣｒの含有量が、重量％で０．０１％以下であることが好ましい。Ｃｒ含有量が０．０１％を超えると、結晶組織の一部に上記伸長粒組織や繊維状組織が現れるためである。
【００１２】
次に、本発明に係る材料特性の限定理由について説明する。
（ａ）耐力と引張強さの比
耐力と引張強さの比は合金成分および熱処理により変化する。耐力と引張強さの比が０．８５よりも小さいと、衝突時の圧縮変形を受けた際に、座屈変形を起こすことなく加工硬化し、割れが発生しやすくなる。したがって、耐力と引張強さの比は０．８５以上であることが必要である。
（ｂ）耐力値
耐力も合金成分および熱処理により変化する。耐力が２５０ＭＰａ未満では十分なエネルギー吸収効率が得られず、一方、２９０ＭＰａを超えると衝突時の変形による割れが発生しやすくなる。
（ｃ）結晶粒のアスペクト比
本発明のエネルギー吸収部材の要件として結晶組織を構成する結晶粒の長さ方向の長さと、厚さ方向の長さとの比（アスペクト比）は２以下とされる。結晶粒をこのような形状とすることにより、圧潰特性に優れるエネルギー吸収部材とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。図１は、本発明に係る押出機の押出ダイスを含む部分の構成を模式的に示す部分断面構成図である。この図において、押出機１に投入されて加工されるＡｌ合金ビレット２は、押出ダイス３を通過して押出加工されることにより所定の形状へと加工される。また、押出ダイス３の出口側（図示右側）には、押出ダイス３から吐出されたＡｌ合金材を冷却するための冷却手段４が設けられている。
【００１４】
本発明のエネルギー吸収部材は、前記の化学組成を有するアルミニウム合金ビレットを均質化処理し、次いで４６０〜５６０℃に加熱した後、図１に示す押出機１を用いて押出加工し、この押出機１の押出ダイス３の出口側に設けられた冷却手段４によって押出ダイス３通過直後に水冷して急速冷却することによりＡｌ合金押出形材を作製し、この押出形材を曲げ加工後時効処理を行う方法、あるいは時効処理後曲げ加工を行う方法により時効処理および曲げ加工処理を施されて作製される。尚、この時効処理はいずれの場合も１５０〜２５０℃の温度範囲で１〜２４時間行う。また、上記冷却手段４は、水冷に限定されるものではなく、液体窒素噴射などの急冷法も適用可能である。
【００１５】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
表１に示す組成の２０４ｍｍ径の合金ビレットを常法により溶製し、これらのビレットを温度：５４５℃にて４時間保持して均質化処理を施した後、１６５０トンの押出機を用い、押出温度：５００℃、押出速度：５ｍ／分、冷却：液体窒素吹き付け後水冷の条件で押出加工を行い、引き続いてこれらに温度：２０５℃にて４時間保持の条件で時効処理を施すことにより肉厚２ｍｍ、断面５４ｍｍ×７０ｍｍの寸法の角パイプ状の本発明Ａｌ合金押出形材（実施例１〜３）および比較Ａｌ合金押出形材（比較例１〜７）をそれぞれ製造した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
次いで、上記にて得られた本発明押出形材および比較押出形材について、引張試験による機械的性質の測定および静的圧縮試験による圧潰特性評価を行った。
これらの結果を表２に示す。
表２に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜３の押出形材は割れが発生することなくアコーディオン状に圧縮変形し、吸収エネルギーも４０００Ｊ超と圧潰特性に優れるものであった。
これに対し、本発明の要件を満たさない比較例１〜７の押出形材では、Ｓｉ含有量が多いもの（比較例１）、Ｍｇ含有量が多いもの（比較例２）、ＭｎおよびＺｒの含有量が少ないもの（比較例４）、ＭｎおよびＺｒの含有量が多いもの（比較例５）の押出形材においては割れが発生した。また、Ｓｉ含有量が少ないもの（比較例３）およびＭｇ含有量が多いもの（比較例４）の押出形材においては、割れの発生はないものの、吸収エネルギーが４０００Ｊ未満と低く、圧潰特性に劣るものであった。また、Ｃｒ含有量が多いもの（比較例７）の押出形材は割れが発生した。
【００１８】
【表２】
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【００１９】
（実施例４、５、比較例８、９）
次に、実施例４、５および比較例８、９により、本発明のＡｌ合金押出形材の製造方法による生産性の向上効果を明らかにする。
まず、実施例４として表１に示す実施例１と同一の組成の合金ビレットを用いて、押出速度を１０ｍ／分とした以外は上記実施例１と同一の条件にてＡｌ合金押出形材を作製した。次に、実施例５として、押出速度を１５ｍ／分とした以外は上記実施例４と同一の条件でＡｌ合金押出形材を作製した。
次に、比較例８として表１に示す組成の合金ビレットを用いて、上記実施例１と同一の条件にてＡｌ合金押出形材を作製した。次に、比較例９として上記比較例８と同一の組成の合金ビレットを用いて、押出速度を１０ｍ／分とした以外は上記比較例８と同一の条件にてＡｌ合金押出形材を作製した。
【００２０】
上記で得られた実施例４、５および比較例８、９のＡｌ合金押出形材について、ミクロ組織観察、引張試験による耐力測定を行った。その結果を実施例１の評価結果とともに以下の表３に示す。
表３に示すように、実施例４および実施例５のＡｌ合金押出形材は、押出速度を速めているにもかかわらず上記実施例１と同等の圧潰特性を示した。また、比較例８のＡｌ合金押出形材の結晶組織は繊維状組織となり、その圧潰特性は上記実施例１と同等であった。しかし、比較例８と同等の組成とし、押出速度を速くした比較例９のＡｌ合金押出形材は、圧潰特性に劣るものであった。
【００２１】
【表３】
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【００２２】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、重量％でＳｉ：０．５０〜０．７５％、Ｍｇ：０．７５〜１．０％を−０．０５≦（Ｓｉ−Ｍｇ／１．７３）≦０．２０となる関係を満たすように含有し、かつＭｎを０．０２％以上０．０５％未満、Ｚｒを０．０２％以上０．０５％未満含有し、かつＣｕ：０．０５〜０．４％を含有し、さらにＦｅ：０．１〜０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％を含有し、残りがＡｌと不可避不純物から成る組成並びに結晶粒の押出方向断面における結晶粒の押出方向の長さと厚さ方向の長さとの比が２以下である結晶粒組織を有し、耐力と引張強さの比が０．８５以上であるとともに、耐力が２５０〜２９０ＭＰａの範囲にある機械的性質を有する構造とすることにより、圧潰特性に優れた自動車のフレーム構造におけるエネルギー吸収部材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明に係る押出機の部分断面構成図である。
【符号の説明】
１  押出機
２  Ａｌ合金ビレット
３  押出ダイス
４  冷却手段
【図１】
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