JP4540209B2

JP4540209B2 - セルフピアスリベット接合される自動車フレーム用アルミニウム合金押出材

Info

Publication number: JP4540209B2
Application number: JP2000314883A
Authority: JP
Inventors: 仁川井; 正和平野; 雅路青野
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2020-10-16
Also published as: JP2002121635A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車フレーム材としてＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を用い、これをセルフピアスリベットを使用して接合する技術に関し、特にセルフピアスリベットによる接合性に優れたアルミニウム合金押出材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車のフレーム構造において、軽量化のためアルミニウム合金押出材の適用が検討され、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系のアルミニウム合金より優れているＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系（ＪＩＳ６０００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を自動車フレーム材として用いる場合、中〜高強度（２００Ｎ／ｍｍ^２）を有することが求められる。そのため、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、時効処理を施し強度を向上させる必要がある。
【０００３】
一方、自動車フレームを接合するには、従来スポット溶接等が用いられてきたが、アルミニウム合金材の場合、表面に形成された酸化膜やプレス油等の付着による電極の汚損等により接合品質が不安定になる等の問題点があるため、スポット溶接に代わり、簡便にアルミニウム合金材を接合できるセルフピアスリベットによる接合が注目されている（特許第２９５８２７２号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セルフピアスリベットによる接合は、図１に示すように、広がったヘッド１ａと中心部が下端から円柱状にくり抜かれた軸部１ｂを有するセルフピアスリベット１を用い、接合すべき押出材２、３を重ね、押出材３の下面に受け金型４を配置し、押出材２の上方からポンチ５によりセルフピアスリベット１を打ち込む。セルフピアスリベット１は、その軸部１ｂが押出材２を打ち抜いた後、前記受け金型４の凸部４ａにより押し広げられ、これにより押出材２、３が係止される。このとき、受け金型４側の押出材３はセルフピアスリベット１の拡開に合わせて流動し、特に凸部４ａの肩部に接する箇所はセルフピアスリベット１との間に挟まれて大きく変形し薄肉化する。
しかし、時効処理を行って強度を上げたＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の接合をこのセルフピアスリベット１を用いて行うと、受け金型４側のアルミニウム合金押出材３の薄肉化した箇所に割れが発生するという問題がある。
【０００５】
ところで、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を自動車フレーム材として用いる場合、プレス焼入れを水冷で行うと、押出後再加熱する溶体化・焼入れ処理とほぼ同等の特性が比較的低コストで得られる利点があるが、押出材の断面形状や肉厚の差等に基づいて断面で冷却速度に差が生じ、冷却中に温度分布が不均一となって歪みが発生し、寸法精度が悪くかつ断面形状の薄肉化が難しくなり、また、そのような歪みの発生を防止しようとすれば、断面形状の自由度が小さくなる。一方、空冷によるプレス焼入れは、水冷によるプレス焼入れに比べさらに低コストであり、寸法精度、薄肉化及び断面形状の自由度の面でも優れている。しかし、冷却速度に限りがあるため合金組成によっては自動車フレームに要求される高い強度（特に耐力）が得られない。
【０００６】
以上の点に鑑み、本発明は、寸法精度やコスト面で有利な空冷によるプレス焼入れを前提とし、時効処理後、自動車フレーム用として必要な強度（耐力）が得られ、かつセルフピアスリベット接合性に優れた、セルフピアスリベット接合用のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るセルフピアスリベット接合される自動車フレーム用アルミニウム合金押出材は、Ｍｇ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：０．４０〜０．８０％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．０５〜０．３０％、Ｚｒ：０．０５〜０．２０％を含み、残部Ａｌ及び不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材からなり、空冷によるプレス焼入れ後時効処理が行われ、２００Ｎ／ｍｍ^２以上の耐力を有し、３．５％以上の局部伸びを有することを特徴とし、セルフピアスリベット接合性に優れている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金には、一般にＣｕやＭｎ、Ｃｒ、Ｚｒなどの遷移元素が添加されているが、これらの元素を添加すると合金の焼入れ感受性が鋭くなる。また、Ｍｇ及びＳｉの量が多くなると合金の強度が向上するが、やはり焼入れ感受性が鋭くなる。水冷によるプレス焼入れや溶体化・焼入れ処理を行う場合は、多少焼入れ感受性が鋭くても問題なく焼きが入り、その後の時効処理により高い強度を得ることができる。しかし、空冷によるプレス焼入れでは、焼入れ感受性が鋭くなるとその後の時効処理を行っても高い強度が得られなくなる。つまり、強度向上を目的として合金元素を添加しても、それが逆に強度を低下させることにもなりかねない。
従って、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材について、空冷によるプレス焼入れを行った後、時効処理により高い強度を得るには、上記各元素を添加することによるプラスの作用効果は必要であるが、同時に焼入れ感受性を鋭くさせないことが必須である。
【０００９】
一方、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材をセルフピアスリベット１により接合する場合、受け金型４側の押出材３は凸部４ａとセルフピアスリベット１の間に挟まれて大きく変形し薄肉化する。本発明者らは、この箇所での変形が局部伸びの領域で行われ、局部伸びが小さい材料の場合に局部的変形能が不足して割れが発生すると考えた。なお、局部伸びとは、引張試験において最大荷重から破断までの伸びを意味する。
本発明に係るＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の組成及び局部伸びの値は上記の観点から実験的に定められたもので、以下個別に説明する。
【００１０】
Ｍｇ、Ｓｉ
ＭｇとＳｉは結合してＭｇ_２Ｓｉを形成し、合金強度を向上させる。自動車フレーム材として必要な強度を得るためには、Ｍｇは０．３０％以上の添加が必要である。しかし、０．７０％を越えて添加されると焼入れ感受性が鋭くなり、空冷によるプレス焼入れで焼きが入らず、必要な強度が出なくなる。従って、Ｍｇ含有量は０．３０〜０．７０％とする。また、Ｓｉが０．４０％より少ないと必要な強度が得られず、０．８０％を越えると焼入れ感受性が鋭くなり、空冷によるプレス焼入れで焼きが入らず、必要な強度が出なくなる。従って、Ｓｉ含有量は０．４０〜０．８０％とする。このＭｇ量及びＳｉ量の範囲内で、高い強度が得られ焼入れ感受性が余り鋭くならない範囲として、Ｍｇ量は０．４〜０．６％、Ｓｉ量は０．５〜０．７％が望ましい。
【００１１】
Ｃｕ
ＣｕはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の強度を高め、耐応力腐食割れ性を改善する作用がある。しかし、０．０５％未満では上記作用が不十分であり、０．４０％を越えると焼入れ感受性が鋭くなり、空冷によるプレス焼入れで焼きが入らず、必要な強度が出なくなる。従って、Ｃｕ含有量は０．０５〜０．４０％とする。より望ましい範囲は０．１〜０．３％である。
【００１２】
Ｍｎ、Ｚｒ
Ｍｎ及びＺｒはＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の局部伸びを向上させる作用があり、同時に添加される。しかし、いずれかの含有量が０．０５％未満では上記作用が不十分であり、必要な局部伸びを得ることができない。一方、Ｍｎ：０．３０％、Ｚｒ：０．２０％を越えると焼入れ感受性が鋭くなり、空冷によるプレス焼入れで焼きが入らず、必要な強度が出なくなる。従って、Ｍｎ、Ｚｒの含有量はそれぞれ０．０５〜０．３０％、０．０５〜０．２０％とする。より望ましい範囲はＭｎ：０．０７〜０．２５％、Ｚｒ：０．０７〜０．１８％である。
【００１３】
Ｔｉ
Ｔｉは、鋳塊組織を微細化する作用があり、適宜添加される。しかし、０．００５％より少ないと微細化の効果が十分でなく、０．２％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０．００５〜０．２％とする。
【００１４】
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。
【００１５】
本発明では、上記の組成を有する押出材について、空冷によるプレス焼入れ後時効処理を行う。時効処理後の強度（耐力）は自動車フレーム構造材として必要な強度である２００Ｎ／ｍｍ^２以上である。この強度は、上記組成の押出材であれば空冷によるプレス焼入れ後時効処理を行って出せる強度であり、そのとき同時に局部伸び３．５％以上を得ることができる。しかし、上記組成を外れるとその強度が出なくなるか、局部伸びが低下する。耐力の望ましい範囲は２２０Ｎ／ｍｍ^２以上である。
【００１６】
本発明においてＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材の局部伸びを３．５％以上としたことで、局部的変形能が向上し優れたセルフピアスリベット接合性を示すようになる。セルフピアスリベットによる接合においては、一般に被接合材の厚さが決まればリベットの径や長さが一義的に決まり、それに従い受け金型の形状も決まる。つまり、被接合材の肉厚が決まれば変形の形態がほぼ決まり、接合時に必要とされる局部伸びもほぼ決まる。Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材を自動車フレーム材とした場合に一般的に必要とされる肉厚（約１〜５ｍｍ）であれば、３．５％以上の局部伸びで優れたセルフピアスリベット接合性を示す。
なお、本発明においてセルフピアスリベット接合性とは、被接合材が貫通割れ等を発生することなくセルフピアスリベット接合され得る能力をいい、本発明では、セルフピアスリベット接合後の受け金型側の被接合材に表裏を貫通する割れが発生しないとき、その被接合材をセルフピアスリベット接合性に優れると評価する。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
ＤＣ鋳造により、表１に示す成分組成のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金ビレットを溶製し、４７０℃×４ｈｒの均熱処理を行った。続いて、押出温度５００℃、押出速度５ｍ／分の条件で押出加工を行い、押出直後位置でファン空冷によるプレス焼入れ（冷却速度：約２００℃／ｍｉｎ）を行い、中空断面の押出材（長辺７０ｍｍ、短辺５４ｍｍ、肉厚２ｍｍ）を得た。ついで、この押出材に対し１９０℃×３時間の時効処理を施し、供試材とした。
【００１８】
供試材よりＪＩＳ５号試験片を採取し、ＪＩＳＺ２２４１に準拠して引張試験を行った。局部伸びはこの引張試験における最大荷重から破断までの伸びである。
また、供試材の短辺同士を重ね合わせ、セルフピアスリベットを打ち込み、接合した。装置はヘンロブ社製セルフピアッシングリベットシステムを使用し、リベット材質は鋼製、リベット長さは５ｍｍ、リベット径はφ５ｍｍとした。接合後、受け金型側の押出材に貫通割れが発生しているか否か目視で判定し、貫通割れが発生したものを×、発生しなかったものを○と評価した。
合金組成及び試験結果を図１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
表１に示すように、本発明の規定を満たす組成のＮｏ．１、２は、自動車フレームに必要とされる耐力を備え、局部伸びが大きくセルフピアスリベット接合性も優れている。一方、組成が本発明の規定を満たさないＮｏ．３は耐力が劣り、同じくＮｏ．４は全体の伸びは大きいが局部伸びが小さく、セルフピアスリベット接合性が劣る。
【００２１】
【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材について、寸法精度やコスト面で有利な空冷によるプレス焼入れ後、時効処理を行うことにより、自動車フレーム用として必要な強度（耐力）とセルフピアスリベット接合性に優れたセルフピアスリベット接合用のアルミニウム合金押出材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セルフピアスリベットによる接合方法（ａ）及び接合部の構造を示す断面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１セルフピアスリベット
２ポンチ側の押出材
３受け金型側の押出材
４受け金型
５ポンチ

Claims

Ｍｇ：０．４０〜０．６０％（ｍａｓｓ％、以下同じ）、Ｓｉ：０．５０〜０．７０％、Ｃｕ：０．０５〜０．４０％、Ｍｎ：０．０５〜０．３０％、Ｚｒ：０．０５〜０．２０％、Ｔｉ：０．００５〜０．２％を含み、残部Ａｌ及び不可避不純物からなるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金押出材からなり、空冷によるプレス焼入れ後時効処理が行われ、２００Ｎ／ｍｍ^２以上の耐力を有し、３．５％以上の局部伸びを有することを特徴とするセルフピアスリベット接合される自動車フレーム用アルミニウム合金押出材。