(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％を含み、さらにＣｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含み、残部がＡｌ及び不純物からなる組成を有し、人工時効処理材でありその加工硬化指数（以下、ｎ値という）が０．０５〜０．１７であるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出形材からなり、圧縮側フランジと引張側フランジ及びそれらを連結するウエブからなることを特徴とするドアビーム。
【請求項２】
ｎ値が０．０５〜０．１７、かつシャルピー衝撃値が２０〜４５Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１に記載されたドアビーム。
【請求項３】
Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含み、さらにＣｕ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％から選択された１種又は２種以上を含み、残部がＡｌ及び不純物からなる組成を有し、人工時効処理材でありそのｎ値が０．０７〜０．２０であるＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金押出形材からなり、圧縮側フランジと引張側フランジ及びそれらを連結するウエブからなることを特徴とするドアビーム。
【請求項４】
ｎ値が０．０７〜０．２０、かつシャルピー衝撃値が２５〜５０Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３に記載されたドアビーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車のドア補強部材として使用されるアルミニウム合金製ドアビームに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１に示すように、アルミニウム合金製ドアビームの両端部を支持した状態で、中央部に圧縮側から荷重（Ｐ）を付加していく（３点曲げ試験という）と、ドアビームの中央部は押し込まれて曲げ変形を起こし、引張側（乗員側）フランジに引張力が作用する。さらに変位量（δ）が増大し、この引張力が材料の破断限界値を超えると、引張側フランジに破断（亀裂）が生じる。
ドアビームの性能は実験室レベルではこの３点曲げ試験の結果で評価され、測定された曲げ荷重（Ｐ）−変形量（δ）曲線において、最大荷重が大きく、破断するまでの変位が大きくエネルギー吸収量が大きい方が望ましいとされている。
【０００３】
破断までの変位（破断変位）を増大させるため、特開平５−２４６２４２号公報では、曲げの中立軸の位置を引張側に必要量だけ偏らせることが開示されており、また特開平６−１７１３６２号公報では、中立軸を偏らせるのに加え、最大曲げ強度を達成した後に圧縮側に局部座屈を誘発し、引張側フランジにかかる応力を急激に下げることが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、近年の安全対策の高まりの中で、最近ではドアビームの適用車種が小型車へも広がる傾向にあり、その場合、ビーム長が短くなり、従来のビーム長の長いドアビームに比べ小さい変位量で破断が生じてしまう。そのとき特にドアビームの２つ折れ、引張フランジ側の亀裂、そのほか乗員側に向けて先が飛び出すような割れが発生すると、実車においてドアビームにより乗員に危害が及ぶ恐れがある。また、重量を増やすことなしに初期剛性を稼ぐためには、ビーム高さを大きくして断面二次モーメントを大きくすることが有効であり、そうしたドアビームも設計されるようになったが、その場合、従来のものに比べ小さい変位量で引張側フランジの破断が生じ、乗員に危険が及ぶ可能性がある。
【０００５】
本発明は、このようなアルミニウム合金製ドアビームの現状に鑑みてなされたもので、ドアビームの耐破断性を向上させ、乗員の一層の安全を確保することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、特に人工時効処理したＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系及びＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の押出形材からなるドアビームについて、耐破断性を向上させるための検討を重ねる過程で、ドアビームが曲げを受けたときの変形形態と当該合金の加工硬化指数（ｎ値）及びシャルピー衝撃値に相関があることを見いだした。本発明はその知見に基づいてなされたものである。
すなわち、本発明に係るＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金製ドアビームは、ｎ値が０．０５〜０．１７であり、あるいは同時にシャルピー衝撃値が２０〜４５Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする。また、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金製ドアビーム材は、ｎ値が０．０７〜０．２０であり、あるいは同時にシャルピー衝撃値が２５〜５０Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ドアビームの耐破断性がｎ値あるいはさらにシャルピー衝撃値に依存するのは次のように考えられる。例えばドアビームが特定箇所に曲げ荷重を受け、そこが塑性変形を始めると、変形した箇所が加工硬化してそれ以上の変形が起こりにくくなるため、まだ加工硬化していない両側に変形が伝搬し、そこがさらに加工硬化するというように、変形が次々と左右に伝搬していく。ｎ値が大きいほどこの加工硬化と変形の伝搬が起こりやすく、結果的に広い範囲が均一に変形して一箇所に歪みが集中することがないが、ｎ値が小さくなると加工硬化と変形の伝搬が起こりにくく、一箇所に歪みが集中しやすくなる。いずれの場合も加えられた歪みが材料の限界点を超えたとき破断が発生するが、同じ変位量（δ）であればｎ値が大きい場合は歪みが分散されて破断しにくく、ｎ値が小さいと歪みが集中して破断しやすい。一方、シャルピー衝撃値は脆性破壊に対する抵抗力を示すものであり、上記の歪みの限界点に関係すると考えられる。つまり、これが大きいと材料の歪みの限界点が大きく破断しにくくなり、小さいと歪みの限界点が小さく破断しやすくなる。
【０００８】
このように、耐破断性にのみ着目すれば、ｎ値が大きく、シャルピー衝撃値が大きいほどドアビームとして望ましい特性ということができる。しかし、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金において、ｎ値が余り大きいと一般に材料強度が低下し、初期の曲げ強度が低くなってドアビームの基本性能である最大荷重を確保できなくなり、エネルギー吸収量も減少する。さらに、シャルピー衝撃値が余り大きいと同じく材料強度が低下し、ドアビームとして必要な最大荷重及びエネルギー吸収量が得られない。
従って、ドアビーム材のｎ値及びシャルピー衝撃値には、耐破断性に優れ、しかも最大荷重及びエネルギー吸収量を犠牲にしない範囲が存在する。それが前記の数値である。より望ましい範囲は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系が、ｎ値：０．０５〜０．１１、シャルピー衝撃値：２３〜３４Ｊ／ｃｍ２、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系が、ｎ値：０．０７〜０．１５、シャルピー衝撃値：３１〜４９Ｊ／ｃｍ２、さらに、シャルピー衝撃値の最適値はＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系が２３〜３０Ｊ／ｃｍ２、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系が３１〜３５Ｊ／ｃｍ２である。
【０００９】
なお、ドアビーム材としては押出形材が用いられるが、特に中空断面など、断面の形状によっては部位により冷却（焼入れ）速度が多少異なり、機械的性質は断面全体で均一とは限らない。その場合でも、耐破断性に最も大きく影響する引張側フランジのｎ値及びシャルピー値が上記の範囲内にあれば、実用上問題がない。
本発明において、ｎ値は、引張側フランジから採取したＪＩＳ５号試験片を用い、室温（２０℃）においてＪＩＳ  Ｚ  ２２４１に規定された引張試験を行い、その真応力−真歪み関係における２〜７％の歪み領域で２点法により求めた。なお、この領域は、塑性変形が大きく、かつ変形が均一に起こる領域として選んだものである。またシャルピー衝撃値は、引張側フランジから押出材の長さ方向が試験片の長さ方向になるように採取したＪＩＳ  Ｚ  ２２０２のＪＩＳ３号試験片（幅はもとの厚さのまま）を用い、室温（２０℃）において、ＪＩＳ  Ｚ  ２２４２に規定されたシャルピー衝撃試験を行って求めるものとする。
【００１０】
次に、本発明のドアビームに使用するＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金とＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金の組成について、以下説明する。
（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系）
望ましいＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％を含有する。そのほか、適宜他の成分を含み得るが、好ましい組成として、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％、Ｔｉ：０．００５〜０．３％と、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不純物を挙げることができる。各成分の添加理由は次の通りである。
【００１１】
Ｚｎ、Ｍｇ
Ｚｎ、Ｍｇはアルミニウム合金の強度を維持するために必要な元素である。Ｚｎが４重量％未満、Ｍｇが０．８％未満では所望の強度が得られない。また、Ｚｎが７％、Ｍｇが１．５％を超えるとアルミニウム合金の押出性が低下するとともに伸びも低下し、所要の特性値が得られなくなる。従って、Ｚｎ：４〜７％、Ｍｇ：０．８〜１．５％とする。
Ｔｉ
Ｔｉは、鋳塊組織の微細化のために必須の元素である。Ｔｉが０．００５％より少ないと、微細化の効果が十分でなく、０．３％より多いと飽和して巨大化合物が発生してしまう。従って、Ｔｉの含有量は０．００５〜０．３％とする。
【００１２】
Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ
これらの元素はアルミニウム合金の強度を高める。また、Ｃｕはアルミニウム合金の耐応力腐食割れ性を改善し、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒは押出材に繊維状組織を形成して合金を強化する作用があり、これらの中から１種又は２種以上が適宜添加される。好適な範囲は、Ｃｕ：０．０５〜０．６％、Ｍｎ：０．２〜０．７％、Ｃｒ：０．０５〜０．３％、Ｚｒ：０．０５〜０．２５％である。それぞれ下限未満では上記の作用が不十分であり、また、上限を超えると、押出性が悪くなり、Ｃｕの場合は一般耐食性が悪くなる。
【００１３】
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】
（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）
望ましいＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系アルミニウム合金は、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％を含有する。そのほか、適宜他の成分を含み得るが、好ましい組成として、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％と、Ｃｕ：０．１〜０．７％、Ｍｎ：０．０５〜０．６％、Ｃｒ：０．０５〜０．２％、Ｚｒ：０．０５〜０．２％から選択された１種又は２種以上を含有し、残部がＡｌ及び不純物を挙げることができる。各成分の添加理由は次の通りである。
【００１５】
Ｓｉ、Ｍｇ
Ｓｉ、Ｍｇはアルミニウム合金の強度を維持するために必要な元素である。Ｓｉが０．５％未満、Ｍｇが０．５重量％未満では所望の強度が得られない。一方、Ｓｉが１．５％、Ｍｇが１．３％を超えるとアルミニウム合金の押出性が低下するとともに伸びも低下し、所要の特性値が得られなくなる。従って、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｇ：０．５〜１．３％とする。
一方、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｚｒ、及び不純物については、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系と同様の理由で、前記の範囲内に限定される。
【００１６】
なお、本発明のドアビームはアルミニウム合金の押出形材からなり、大きい最大荷重及びエネルギー吸収量を得るためには、結晶組織は繊維状組織をなすことが望ましい。なお、繊維状組織とは、押出材にみられる熱間加工組織で、押し出し方向に長く伸ばされた結晶粒組織のことである。また、ドアビームの断面形状は特に限定されるものではないが、典型的には、上フランジ（圧縮側フランジ）と下フランジ（引張側フランジ）及びそれらを連結するウエブからなる。
【００１７】
【実施例】
表１のＡに示す成分組成のアルミニウム合金を、常法により溶解し、直径２００ｍｍの鋳塊に鋳造した。この鋳塊を均質化処理した後、図２に示す断面形状に押し出し、押出加工時の高温状態（約４６０〜５００℃）から空冷により焼入れした。その直後、長尺の押出材（約２５ｍ）の両端を把持し、種々の歪み量で引張矯正を行った。その後、短尺に切断した押出材に対し人工時効処理を行って供試材とした。なお、各供試材Ｎｏ．１〜４の引張矯正歪み量と人工時効条件を表２に示す。
【００１８】
また、表１のＢに示す成分組成のアルミニウム合金を、同様に直径２００ｍｍの鋳塊に鋳造し、この鋳塊を均質化処理した後、押出温度５２０℃、押出速度４ｍ／分で図２に示す断面形状に押し出し、押出加工時の高温状態（約５４０℃）から水冷により焼入れした。その直度、同様に種々の歪み量で引張矯正を行い、短尺に切断した押出材に対し人工時効処理を行って供試材とした。なお、供試材Ｎｏ．５〜８の引張矯正歪み量及び人工時効条件を表２に示す。
【００１９】
【表１】
0004086404.tif 000002
【００２０】
続いて、この押出材の材料特性を前記要領で測定した。また、この押出材に対し、スパン１０００ｍｍで３００ｍｍ押し込む３点曲げ加工試験を行った。
その結果を表２にあわせて示す。
表２に示すように、ｎ値及びシャルピー衝撃値が本発明の規定範囲内のＮｏ．１及びＮｏ．５は耐破断性に優れ、最大荷重も大きい。一方、ｎ値又はシャルピー衝撃値が本発明の規定を満たさないＮｏ．２〜４、６〜８は、耐破断性が劣るか最大荷重が小さく、いずれにしても本発明例より特性が劣る。
【００２１】
【表２】
0004086404.tif 000003
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、耐破断性に優れ、必要な最大荷重及びエネルギー吸収量をもつドアビームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ドアビーム材の３点曲げ試験について説明する図である。
【図２】  実施例に用いたドアビーム材の断面形状を示す図である。
【図１】
0004086404.tif 000004
【図２】
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