(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で（以下％は質量％を示す）
Ｓｉ：０．５〜１．４％、
Ｍｇ：０．３０〜０．７５％、
Ｆｅ：０．１〜０．４％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｂ：０．０００１〜０．００４％、
を含有し、さらに、ＭｎおよびＶを、
Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、
Ｖ：０．０５〜０．２５％、
０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％、
となるように含有し、残りがＡｌと不可避不純物からなる組成、並びに、
Ｄｌを中空部材の長さ方向の平均結晶粒径、Ｄｔを中空部材の厚さ方向の平均結晶粒径とすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有するＡｌ合金からなることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材。
【請求項２】
Ｓｉ：０．５〜１．４％、
Ｍｇ：０．３０〜０．７５％、
Ｆｅ：０．１〜０．４％、
Ｔｉ：０．００５〜０．１％、
Ｂ：０．０００１〜０．００４％、
Ｃｕ：０．０３〜０．４％、
を含有し、さらに、ＭｎおよびＶを、
Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、
Ｖ：０．０５〜０．２５％、
０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％、
となるように含有し、残りがＡｌと不可避不純物からなる組成、並びに、
Ｄｌを中空部材の長さ方向の平均結晶粒径、Ｄｔを中空部材の厚さ方向の平均結晶粒径とすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有するＡｌ合金からなることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材。
【請求項３】
請求項１または２記載の組成を有するＡｌ合金に、さらにＣｒ：０．０２〜０．０５％、Ｚｒ：０．０２〜０．０５％の内の１種または２種を含有した組成を有するＡｌ合金からなることを特徴とするハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、自動車、車両、あるいは建築部材のフレームや接合部材などの成形に好適なハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球の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いる。車体の軽量化の手法としては、従来主として使用されてきた鋼板をアルミ化する材料置換が最も効果的であるため、アルミニウム合金材、特に、複雑形状の構造体を一体で成形できるアルミニウム合金押出し材または引き抜き材の使用が増加している。例えば、アルミニウム合金インゴットを押出しまたはさらに引抜き加工して得られた中空部材を所定の形状に一体成形し、これらを接合して車体骨格を構成し、それに外板パネルを組み付けるアルミスペースフレーム車体が相次いで商品化されている。
これらアルミニウム合金押出し中空部材を所定の形状に一体成形するための加工技術として、最近、ハイドロフォーミング技術が注目されている。ハイドロフォーミングは管材の型の中での液圧による拡管成形が主体となる加工法で、同一部材の断面形状を自由に変更することができる。この加工法においては、例えば、液圧成形に先立ち、予備成形において管材の可動型を用いた複雑断面形状への成形と曲げ加工を行うことも一般的に成されている。また、液圧成形においては、多くの場合、管軸方向の押し込みによって変形部分への材料流入を助長することが行われている。
【０００３】
かかるハイドロフォーミングを行なうためのアルミニウム合金中空部材として、現在のところ６０６３合金、６Ｎ０１合金、６０６１合金などのＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金を押出し加工することにより得られた中空部材が主に使用されている（例えば、特開平１０−４６２８０号参照）。この中空部材を予備成形により所定の断面形状に加工した後、ハイドロフォーミングが行われている。また、自由な断面形状が成形可能な押出し形材の特徴を生かし、あらかじめ管状以外の所定の断面形状に押出し成形された中空形材を素材として、この形材から直接、または適宜な予備成形を行った後、ハイドロフォーミングが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、例えば、６０６３合金、６Ｎ０１合金、６０６１合金などにおいては、強度の高いＴ５あるいはＴ６材はハイドロフォーミング性に劣っているため、拡管率の高いＯ材を用いる必要があった。
しかしながら、Ｏ材を用いて成形した場合は、部品に必要な強度を得るために、成形後に溶体化・焼入れ、時効からなる熱処理を施さなければならず、熱応力や焼入れ歪みによる変形が避けがたいという問題があった。
また、この精度低下を避けるためにＯ材のまま用いた場合は、強度が低いために板厚を厚くする必要があり、アルミニウム合金による軽量化効果が低くなってしまうという問題点があった。
この発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、部品に必要とされる強度と良好なハイドロフォーミング性とを兼ね備えたアルミニウム合金中空部材を提供することを目的とするものである。
【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、ハイドロフォーミングして得られた成形部品の強度が十分にありかつハイドロフォーミング性に優れた中空部材を得るべく研究を行なった結果、下記の（イ）〜（ハ）記載の成分組成および結晶粒組織を有するＡｌ合金からなる中空部材は、いずれもハイドロフォーミング性に優れ、さらにこれら中空部材を人工時効処理することにより耐力：１６０ＭＰａ以上の機械的特性を有するようになる、という研究結果が得られたのである。
（イ）質量％で（以下％は質量％を示す）、Ｓｉ：０．５〜１．４％、Ｍｇ：０．３０〜０．７５％、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なる組成を有するＡｌ合金に、さらに、ＭｎおよびＶを、Ｍｎ：０．０２〜０．２％、Ｖ：０．０５〜０．２５％（ただし、０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３％）となるように添加した組成、並びに中空部材の長さ方向における平均結晶粒径をＤｌ、中空部材の厚さ方向における平均結晶粒径をＤｔとすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有するＡｌ合金からなる中空部材、
（ロ）前記（イ）記載のＡｌ合金に、さらにＣｕ：０．０３〜０．４％を含有したＡｌ合金からなる中空部材、
（ハ）前記（イ）または（ロ）記載のＡｌ合金に、さらにＣｒ：０．０２〜０．０５％、Ｚｒ：０．０２〜０．０５％の内の１種または２種を含有したＡｌ合金からなる中空部材、
【０００６】
この発明は、上記の研究結果にもとづいてなされたものであって、
（１）Ｓｉ：０．５〜１．４％、Ｍｇ：０．３０〜０．７５％、Ｆｅ：０．１〜０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％を含有し、さらに、ＭｎおよびＶを、Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％となるように含有し、残りがＡｌと不可避不純物からなる組成、並びに、Ｄｌを中空部材の長さ方向の平均結晶粒径、Ｄｔを中空部材の厚さ方向の平均結晶粒径とすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有するするＡｌ合金からなるハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材、
（２）Ｓｉ：０．５〜１．４％、Ｍｇ：０．３０〜０．７５％、Ｆｅ：０．１〜０．４％、Ｔｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％、Ｃｕ：０．０３〜０．４％を含有し、さらに、ＭｎおよびＶを、Ｍｎ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０５〜０．２５％、０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％となるように含有し、残りがＡｌと不可避不純物からなる組成、並びにＤｌを中空部材の長さ方向の平均結晶粒径、Ｄｔを中空部材の厚さ方向の平均結晶粒径とすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有するするＡｌ合金からなるハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材、
（３）前記（１）または（２）記載の組成を有するＡｌ合金に、さらにＣｒ：０．０２〜０．０５％、Ｚｒ：０．０２〜０．０５％の内の１種または２種を含有した組成を有するＡｌ合金からなるハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材、に特徴を有するものである。
【０００７】
前記（１）、（２）または（３）記載のハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材は、（１）、（２）または（３）記載の成分組成を有するビレットをＤＣ鋳造法により作製し、このビレットを均質化熱処理し、均質化熱処理したビレットを温度：４５０〜５５０℃の範囲内の温度で押出した後、ただちに水冷または水冷後さらに引抜き加工することにより作製する。ここで引抜き加工とは、押出材をダイスを通してその断面を減少することにより所定の寸法精度を得るための冷間での加工である。このようにして得られたアルミニウム合金中空部材は、中空部材の長さ方向における平均結晶粒径をＤｌ、中空部材の厚さ方向における平均結晶粒径をＤｔとすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍ、Ｄｌ／Ｄｔ≦２．０の条件を満足する結晶粒組織を有する。
【０００８】
前記（１）〜（３）の内のいずれかに記載の中空部材を温度：１５０〜２１０℃に１〜２４時間保持の条件で人工時効処理すると、耐力：１６０ＭＰａ以上を有するハイドロフォーミング性に優れたアルミニウム合金中空部材が得られる。
【０００９】
中空部材を構成するアルミニウム合金の成分組成および結晶粒径を上記の通りに限定した理由を説明する。
Ａ．成分組成
（ａ）Ｓｉ，Ｍｇ
これら成分には、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：０．５％未満、Ｍｇ：０．３％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、その含有量がＳｉ：１．４％およびＭｇ：０．７５％を越えるとハイドロフォーミング性、曲げ加工性、および押出しまたは引抜き加工性が低下するようになるので好ましくない。したがって、Ｓｉ：０．５〜１．４％、Ｍｇ：０．３０〜０．７５％に定めた。ＳｉおよびＭｇの一層好ましい範囲はＳｉ：０．７〜１．２％、Ｍｇ：０．４０〜０．６０％である。
【００１０】
（ｂ）Ｆｅ
Ｆｅ成分はＡｌと金属間化合物を形成し、これらが再結晶の核生成サイトとなり、押出し組織を微細な等軸粒状の結晶粒組織とし、その結果、ハイドロフォーミング性及び曲げ加工性を向上させる作用を有するが、その含有量が０．１％未満では所望の効果が得られず、一方、０．４％を越えて添加すると押出し時の再結晶化が抑制されて伸長粒や繊維状組織が現れるようになり、ハイドロフォーミング性が劣化するので好ましくない。したがって、Ｆｅの添加量は０．１〜０．４％に定めた。
【００１１】
（ｃ）Ｔｉ、Ｂ
これら成分は、鋳造組織を微細化し、鋳造割れを防止する作用があるので添加するが、ＴｉおよびＢのいずれかの含有量でもＴｉ：０．００５％未満、Ｂ：０．０００１％未満になると所望の効果が得られず、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％を越えると、巨大な金属間化合物が生成するようになって靭性が低下し、またハイドロフォーミング性及び曲げ加工性が低下するので好ましくない。したがって、ＴｉおよびＢの含有量をそれぞれＴｉ：０．００５〜０．１％、Ｂ：０．０００１〜０．００４％に定めた。
【００１２】
（ｄ）Ｍｎ、Ｖ
これら成分は、共にＡｌと金属間化合物を形成し、これらが再結晶の核生成サイトとなって押出し組織を微細な等軸粒状の結晶粒組織とし、それによってハイドロフォーミング性及び曲げ加工性を向上させ、特にこれら成分を複合添加することによりその効果を一層大きくさせるが、ＭｎおよびＶの含有量がＭｎ：０．０２％未満、Ｖ：０．０５％未満では所望の効果が得られず、一方、ＭｎおよびＶの含有量がＭｎ：０．２０％、Ｖ：０．２５％を越えると、押出し時の再結晶化が抑制されて繊維状組織が現れるようになり、ハイドロフォーミング性及び曲げ加工性が劣化するので好ましくない。したがって、ＭｎおよびＶの含有量はそれぞれＭｎ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０５〜０．２５％に定めた。ＭｎおよびＶは複合添加することが必要であり、その時の添加量はＭｎおよびＶの合計が０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％の条件を満たすことが一層好ましい。したがって、ＭｎおよびＶの添加量はＭｎ：０．０２〜０．２０％、Ｖ：０．０５〜０．２５％でかつ０．１２％≦Ｍｎ＋Ｖ≦０．３０％に定めた。
【００１３】
（ｅ）Ｃｕ
Ｃｕは、素地に固溶することにより中空部材の強度を向上させる作用があるので必要に応じて添加するが、その含有量がＣｕ：０．０３％未満では所望の強度向上効果が得られず、一方、その含有量が０．４％を越えると耐食性が低下するので好ましくない。したがって、Ｃｕ：０．０３〜０．４％と定めた。
【００１４】
（ｃ）Ｃｒ、Ｚｒ
これら成分は、共にＡｌと金属間化合物を形成し、これらが再結晶の核生成サイトとなり、押出し組織を微細な等軸粒状の結晶粒組織とし、ハイドロフォーミング性及び曲げ加工性が向上させるので必要に応じて添加するが、Ｃｒ：０．０２％未満、Ｚｒ：０．０２％未満では所望の効果が得られず、一方、Ｃｒ：０．０５％、Ｚｒ：０．０５％をそれぞれ越えると、押出し時の再結晶化が抑制されて伸長粒や繊維状組織が現れるようになり、ハイドロフォーミング性及び曲げ加工性が劣化するので好ましくない。したがって、ＣｒおよびＺｒの含有量はそれぞれＣｒ：０．０２〜０．０５％、Ｚｒ：０．０２〜０．０５％に定めた。
【００１５】
Ｂ．組織
（ｆ）結晶粒の平均粒径および形状
中空部材は押出し加工またはさらに引抜き加工することによって製造するが、得られた中空部材の組織は結晶粒が微細であるほど好ましく、中空部材の長さ方向における平均結晶粒径をＤｌ、中空部材の厚さ方向における平均結晶粒径をＤｔとすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍとする必要があり、さらにハイドロフォーミング性を高めるには繊維状組織の無い比較的球状の結晶粒とすることが好ましい。したがって、この発明の中空部材を構成するＡｌ合金の結晶粒を（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２≦１００μｍかつＤｌ／Ｄｔ≦２．０の範囲内にあるように定めた。
【００１６】
Ｃ．機械的特性
ハイドロフォーミングするためのアルミニウム合金中空部材は、強度を必要とするところから、耐力：１６０ＭＰａ以上あることが必要である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
表１〜２に示される組成を有し、直径：２０４ｍｍの寸法を有するＡｌ合金ビレットを溶製し、これらビレットに温度：５４５℃、４時間保持の均質化処理を施した後、１６５０ｔｏｎの押出し機を用い、押出し温度：５００℃、押出し速度：５ｍ／ｍｉｎで押出し加工を行ない、その後ただちに水冷し、ついで１６０℃、４〜８時間保持の人工時効処理を施すことにより肉厚：２．７ｍｍ、外径：４３ｍｍの寸法を有する本発明Ａｌ合金中空部材（以下、本発明中空部材という）１〜１６、比較Ａｌ合金中空部材（以下、比較中空部材という）１〜４および従来Ａｌ合金中空部材（以下、従来中空部材という）１〜２を作製した。
【００１８】
【表１】
0004296584.tif 000002
【００１９】
【表２】
0004296584.tif 000003
【００２０】
このようにして得られた本発明中空部材１〜１６、比較中空部材１〜４および従来中空部材１〜２の断面のミクロ組織を観察し、中空部材の長さ方向における平均結晶粒径をＤｌ、中空部材の厚さ方向における平均結晶粒径をＤｔとすると、（Ｄｌ＋Ｄｔ）／２およびＤｌ／Ｄｔの値を求め、その結果を表３に示した。
【００２１】
さらに、本発明中空部材１〜１６、比較中空部材１〜４および従来中空部材１〜２から引張り試験片を切り出して作製し、この引張り試験片を用いて耐力を測定し、その結果を表３に示した。
さらに、本発明中空部材１〜１６、比較中空部材１〜４および従来中空部材１〜２に内圧を負荷すると共に軸方向に押し込みを行なうことにより拡管し、破断が生じたときの破断位置での周長を求め、破断までの周長変化率が１８％以上を○、１８％未満が×で示し、ハイドロフォーミング性を評価し、その結果を表３に示した。
【００２２】
【表３】
0004296584.tif 000004
【００２３】
【発明の効果】
表１〜３に示される結果から、本発明中空部材１〜１６は従来中空部材１〜２および比較中空部材１〜４に比べて、拡管率が優れているところから、ハイドロフォーミング性に優れていることが分かる。
【００２４】
前述のように、この発明のアルミニウム合金中空部材は、ハイドロフォーミング性に優れているところから、強度の優れた各種部品を精度よく作製することができ、自動車の軽量化の向上に大いに寄与することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。