(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｍｇ：０．４〜１．２％（質量％、以下同じ）、Ｓｉ：０．３〜１．２％、及びＴｉ：０．００５〜０．２％を含有し、残部Ａｌ及び不可避不純物からなり、焼入れ及び人工時効処理を行ったＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金中空押出材において、押出方向に平行方向に採取したＪＩＳ５号試験片を用いて引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０％以上であることを特徴とするプレス加工性に優れたつぶし加工用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。
【請求項２】
さらにＣｕ：０．０５〜０．７％を含有することを特徴とする請求項１に記載されたプレス加工性に優れたつぶし加工用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。
【請求項３】
さらにＭｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％の１種又は２種以上を含有し、自動車用構造部材（ドアビームを除く）に用いられる請求項１又は２に記載されたプレス加工性に優れたつぶし加工用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。
【請求項４】
Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの１種又は２種以上の含有量が合計で０．１０〜０．４０％であり、繊維状組織を有し、空冷によるプレス焼入れ後人工時効処理を行ったことを特徴とする請求項３に記載されたプレス加工性に優れたつぶし加工用Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載されたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材からなり、長さ方向の一部につぶし加工を施された自動車用構造部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレーム等の成形に好適なプレス加工性に優れたアルミニウム合金押出材に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、地球の温暖化及びオゾン層の破壊など環境問題の観点から、大気中の炭酸ガス等の増加を抑制するために、自動車の軽量化及び電気自動車の導入などが本格的に検討されている。
この軽量化の一貫として、素材の置換、すなわち従来自動車用構造材に主として使用されてきた鋼板の代わりにアルミニウム合金材の使用が増加している。また、電気自動車においても電池を積載するための重量増加を補償するために車体を軽量化する必要が強く求められている。さらに、長手方向に一定ではあるが自由な断面形状が得られる押出材は設計の自由度を広げ、最終形状に近い断面形状を得ることで成形性を向上できるなど、アルミニウム合金材の使用が注目されている。【０００３】  自動車用フレーム材として利用できるアルミニウム合金押出材としては、少なくとも１５０ＭＰａ、望ましくは２００ＭＰａ以上の耐力を有することが要求され、高強度アルミニウム合金の中では比較的耐食性に優れ、リサイクル性の面でも他のアルミニウム合金より優れているＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材が多く検討されている。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材においてこの強度を出すためには、一般にオンラインによるプレス焼入れ又はオフラインによる溶体化・焼入れ処理を行った後、人工時効処理を施している。ここで、人工時効処理を施すのは、押出材の強度を向上させ、かつ組織を安定化し経時的に自然時効が進行して強度が変化するのを防止するためである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  一方、アルミニウム合金押出材を自動車用フレーム材として用いる場合、限られた空間のスペースの取り合いのために中空押出材の長さ方向の一部につぶし加工を施して幅や高さを減らしたり、ボルト・ナットによる取付けに際して中空押出材の端部につぶし加工を施し板状とすることが考えられる。そのほか、サイドメンバやバンパーステイなどに用いる中空押出材の板面に軸圧壊の蛇腹ピッチをコントロールするリブを形成したり、押出材の板面に補強リブを形成する目的で、エンボス加工を施すことも考えられる。なお、このようなプレス加工を施すとその部位に残留応力が発生するため、これらの用途にはＳＣＣ（応力腐食割れ）の発生の懸念の少ないＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材が適している。
【０００５】  このプレス加工はコスト面から先に述べた時効処理後に実施されるのが望ましいが、時効処理により高強度化したＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は比較的成形性が劣り、プレス加工時に割れ等の不具合を発生させやすい。もし割れが発生していると、フレーム材の疲労強度が低下し、あるいはサイドメンバ等においては衝突時に割れ部が起点となり蛇腹状の座屈を妨げるなど、それぞれ必要な所期の性能を発揮することができない。
【０００６】  本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、焼入れ及び人工時効処理後においてつぶし加工やエンボス加工などのプレス加工性に優れ、自動車や鉄道車両又は建築部材のフレーム等の成形に好適なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明者らは、焼入れ及び人工時効処理後においてプレス加工性に優れるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を開発すべく種々実験研究を行う過程で、引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が、押出材のプレス加工性と密接な関係にあることを見いだし、それをもとに本発明を得ることができた。
【０００８】  すなわち、本発明は、Ｍｇ：０．４〜１．２％及びＳｉ：０．３〜１．２％を含有し、焼入れ及び人工時効処理を行ったＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、引張試験を実施したときの破断面の肉厚減少率が２０％以上であることを特徴とし、つぶし加工やエンボス加工等のプレス加工性に優れる。
ここで、破断面の肉厚減少率（以下、絞りという）とは、引張試験片の破断面を正面からみたときの当該破断面の中央部の肉厚（試験片の板面に対し垂直に測定した肉厚）をａ（図１参照）とし、引張試験片の元の肉厚をａ０としたとき、（１−ａ／ａ０）×１００で表されるものとする。この引張試験片は押出材からＪＩＳの規定に準じて採取する。なお、押出材から種類の異なる引張試験片（ＪＩＳ準拠）を採取して試験しても、絞りの値は変わらない。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  上記Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金は、上記以外の添加元素として必要に応じて、例えば▲１▼Ｃｕ、▲２▼Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの１種又は２種以上、▲３▼Ｔｉを含み（▲１▼〜▲３▼を単独で又はこれらの２組（▲１▼＋▲２▼、▲１▼＋▲３▼、▲２▼＋▲３▼）又は３組（▲１▼＋▲２▼＋▲３▼）を組み合わせて）、さらに不可避不純物としてＦｅ、その他の元素を含むことができる。
以下、本発明に係るアルミニウム合金押出材における各成分の添加理由について説明する。
【００１０】  Ｍｇ、Ｓｉ
ＭｇとＳｉは結合してＭｇ２Ｓｉを形成し、合金強度を向上させる。自動車用フレーム材等の構造部材として必要な強度を得るためには、Ｍｇは０．４％以上の添加が必要である。しかし、１．２％を越えて添加されると粒界析出物が多くなり過ぎ、２０％以上の絞りを得ることが難しくなり、優れたプレス加工性が得られなくなる。従って、Ｍｇ含有量は０．４〜１．２％とする。より望ましい範囲は０．４〜０．７％、さらに望ましくは０．４５〜０．６％である。
【００１１】  一方、Ｓｉ量が０．３％より少ないと必要な強度が得られず、１．２％を越えて添加されると、同じく粒界析出物が多くなり、２０％以上の絞りを得ることが難しく、優れたプレス加工性が得られなくなる。従って、Ｓｉ含有量は０．３〜１．２％とする。より望ましい範囲は、０．３〜１．０％、さらに望ましくは０．５〜０．７％である。
なお、焼入れ感受性が鋭くなるのを抑え、空冷によるプレス焼入れでも焼きが入り必要な強度が得られるようにするには、Ｍｇ：０．７％以下、Ｓｉ：１．０％以下、過剰Ｓｉ（Ｍｇ２Ｓｉのバランス組成よりも過剰のＳｉ、「総Ｓｉ量−０．５７８×Ｍｇ量」で定義される）：０．１〜０．５％とするのが望ましい。
【００１２】
Ｃｕ
Ｃｕは微細な金属間化合物として析出してＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の組織を微細化し、強度を高め絞りを大きくする効果がある。しかし、０．０５％未満ではその効果が十分でなく、一方、０．７％を越えると耐食性及び溶接性を低下させる。従って、Ｃｕの含有量は０．０５〜０．７％とし、望ましくは０．１〜０．６％、さらに望ましくは０．１〜０．４％とする。
【００１３】  Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ
Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの遷移元素は、それぞれビレットの均熱処理の際、微細な金属間化合物として析出して押出材の結晶粒を微細化し、強度を高め絞りを大きくする効果がある。しかし、それぞれ０．０５％、０．００１％、０．０５％未満では前記効果が発揮されず、一方、それぞれ０．６％、０．２％、０．２％を越えると前記効果が飽和してしまう。従って、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの含有量は、Ｍｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．００１〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％とし、これらの１種又は２種以上が適宜添加される。より望ましくは、Ｍｎ：０．１〜０．２％、Ｃｒ：０．００１〜０．１％、Ｚｒ：０．１〜０．１５％の１種又は２種以上である。
【００１４】  ところで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、押出材に繊維状組織が形成されると強度及び絞りが向上する。この繊維状組織は押出材断面全体に形成されているのが望ましく、表面再結晶層が形成された場合でも、押出材断面厚さの１／２程度以上の厚さで形成されていることが望ましい。なお、この繊維状組織とは、熱間押出による繊維状組織が押出工程以降の熱処理工程の間においても再結晶せずに残った状態の組織のことである。この繊維状組織を得るには、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを合計で０．１％以上含有させる必要がある。
【００１５】  一方、製造コストの低減及び焼入れ後の寸法精度の向上のため、必要な強度を空冷によるプレス焼入れで得ることが望まれている。しかし、冷却速度の比較的遅い（通常、１００〜４００℃／ｍｉｎ）空冷の場合、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを添加すると、これらの元素はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の焼入れ感受性を鋭くするため、合計含有量が０．４％を越えると十分に焼きが入らず高い強度が得難くなる。特に耐力２００ＭＰａ以上を目標にするのであれば、合計含有量が０．４％を超えるべきではない。従って、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒを添加して繊維状組織を得る場合、特に空冷によるプレス焼入れを行うときは、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒの合計含有量は０．１〜０．４％とする。ただし、通常のファン空冷（２００℃／ｍｉｎ程度）において繊維状組織を得るには、０．１８％以上の含有量が望ましい。
【００１６】  Ｔｉ
Ｔｉは鋳造時における結晶粒を微細化することにより合金強度を向上させる。この効果を発揮させるには、Ｔｉ添加量は０．００５％以上とすることが必要である。また、０．００５％より少ないと、結晶粒が粗大化して絞りが小さくなる。一方、Ｔｉ添加量が０．２％を超えると前記効果が飽和してしまい、また粗大な金属間化合物が晶出し所定の合金強度が得られない。また、２０％以上の絞りを得るのが難しくなる。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．２％とし、より望ましくは０．０１〜０．１％、さらに望ましくは０．０１〜０．０５％とする。
【００１７】  不可避不純物
不可避不純物のうち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。望ましくは０．３０％以下であり、さらに０．２５％以下が望ましい。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。なお、不純物のうちＢについてはＴｉの添加に伴い合金中にＴｉ含有量の１／５程度の量で混入するが、より望ましい範囲は０．０２％以下、さらに０．０１％以下が望ましい。
【００１８】  また、前記組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、本発明で定義された絞りの値が２０％以上のとき、つぶし加工やエンボス加工等のプレス加工性に優れる理由については、絞りの値は材料の局部的な変形能を示す１つの指標であり、一方、押出材がつぶし加工やエンボス加工等を受ける場合、被加工部の表面に発生する伸びは２０％程度に達し、このような領域では材料は絞りのような局部的な変形をしていると考えられることから、絞りの値が所定値以上の場合に割れの発生が抑制されたものと推測される。この絞りの値は、２５％以上であることが望ましい。
【００１９】  絞りの値を大きくするには、繊維状組織の割合を大きくすること、粒界析出物を少なくする（例えば焼入れは空冷より水冷、Ｍｇ２Ｓｉの化学量論的Ｓｉ量より過剰のＳｉを少なくする）こと、より時効の進んだ状態とする（時効温度、時効時間）ことが有効であり、これらを適宜組み合わせることで、実施例に示す通り２０％以上の絞りを得ることができる。
なお、後述する実施例に示されるように、破断伸び（全伸び）の大きさと絞りの値の間に一定の関係は見いだせない。
【実施例】
【００２０】  以下、本発明の実施例について説明する。
先ず、下記表１に示す組成のアルミニウム合金鋳塊を通常の方法により溶製し、これらの鋳塊に対し５００℃×４ｈｒの均質化処理を施し、その後押出温度が５００℃、押出速度が４ｍ／ｍｉｎの条件で押出加工を行い、４０×４０×２ｔの口型中空押出材（図２参照）を得た。なお、押出直後に材料を強制ファン空冷（冷却速度２００℃／ｍｉｎ程度）又は水冷（冷却速度１００００℃／ｍｉｎ以上）で冷却し焼入れた。これを表１の焼入方法の欄に示す。続いて表１に示す条件で人工時効処理を施し、供試材とした。【００２１】
【表１】
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【００２２】  この供試材を用いて、以下の測定を行った。その結果を表２に示す。
繊維状組織；
光学顕微鏡により外側表面及び内側表面からの再結晶層厚を測定し、残部を繊維状組織層としてその厚さの割合を求めた。
機械的特性；
押出方向に平行方向にＪＩＳ５号試験片を採取し、引張強さσB、耐力σ0.2、破断伸びδをＪＩＳＺ２２４１に規定する金属材料引張試験方法に準じて測定した。【００２３】絞り；
引張試験後の試験片について、先に説明した方法で破断面の中央部の肉厚を測定し、先に定義した絞りの値を求めた。元の肉厚は２ｍｍである。
プレス加工性；
供試材を長さ２００ｍｍに切断し、３０Ｔｏｎ万能試験機を用い、図３に示すように、供試材を左右の辺が鉛直、上下の辺が水平になるように置き、上方から５０×５０ｍｍ角の治具１を鉛直に２０ｍｍ押し込んでつぶし試験を行い、供試材の表面状態及び割れの有無を目視にて観察し、◎：割れ、肌荒れなし、○：割れなし、微小な肌荒れあり、×：割れ発生、と評価した。【００２４】
【表２】
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【００２５】  成分組成及び絞りの値が本発明の規定を満たす発明例Ｎｏ．１〜５はいずれもつぶし加工性が良好であり、特に絞りの値が２５％以上であるＮｏ．１、２、４、５は加工部に割れも表面の肌荒れも生じなかった。また、Ｍｎ、Ｃｒ及びＺｒの１種又は２種以上が適量添加され、繊維状組織とされたＮｏ．１、４、５は絞りの値が大きく、そのうちＮｏ．１は空冷であるが、耐力値をみると焼きが入っていることが分かる。
一方、絞りの値が小さい比較例Ｎｏ．６〜９、１１、１２は開口割れが発生し、つぶし加工性が劣る。また比較例Ｎｏ．１０は絞りの値が大きくつぶし加工性は比較的よいがＳｉ及びＭｇ含有量が少なく、耐力値が小さくなっている。
【発明の効果】
【００２６】  以上説明したように、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材において、焼入れ及び人工時効処理後の破断面の肉厚減少率（絞り）の値を２０％以上とすることにより、優れたプレス加工性が得られる。このＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材は、つぶし加工やエンボス加工を伴う自動車フレーム（サイドメンバー、クロスメンバー、バンパーステイ、サイドフレーム、ピラー）、バンパー、ドアビーム、インパクトビーム（ドア内に前後方向に配置され軸方向の衝撃荷重を受け止める安全部材）等の自動車用構造部材、鉄道車両、船舶又は建築部材のフレーム等の構造部材として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  破断面の肉厚減少率（絞り）の測定方法を説明する図である。
【図２】  実施例の供試材の断面形状を示す図である。
【図３】  つぶし試験方法を説明する図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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