由铝合金挤压材形成的汽车的车门防撞梁的制作方法

本发明涉及由7000系铝合金挤压材形成的汽车的车门防撞梁。

背景技术

汽车的车门防撞梁，为了保护乘客免受来自车身侧面碰撞而沿前后方向被装配在车门内部。对于该车门防撞梁要求有抗冲击吸收性能，例如FMVSS(美国联邦汽车安全标准)等法规中，对于车门防撞梁的由三点弯曲试验求得的最大载荷值和能量吸收量设有固定标准。

出于使抗冲击吸收性能的高度化和汽车零部件的轻量化并立的目的，作为车门防撞梁的材料，使用7000系(Al－Zn－Mg系)的高强度铝合金挤压材。

在专利文献1～7中，作为车门防撞梁用材料，提出有一种被认为高强度且具有优异的耐应力腐蚀开裂性的7000系铝合金挤压材。但是，7000系铝合金挤压材，越是高强度化，发生应力腐蚀开裂(以下，SCC)的危险越高。

因此现状是，作为车门防撞梁的原材，使用的是Zn和Mg不太高浓度化，屈服强度为430MPa左右的7000系铝合金挤压材。但是，随着在所述FMVSS等的法规中对于汽车车门的侧面碰撞限制进一步严格化，若使用当前级别强度的7000系铝合金挤压材实现更高度的抗冲击吸收性能，则车门防撞梁的重量增加。

【现有技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】日本特开平9－268342号公报

【专利文献2】日本特开2007－119904号公报

【专利文献3】日本特开2008－274441号公报

【专利文献4】日本特开2011－144396号公报

【专利文献5】日本特开2014－105389号公报

【专利文献6】日本特开2014－145119号公报

【专利文献7】日本特开2018－90839号公报

为了抑制车门防撞梁的重量增加，且使抗冲击吸收性能进一步高度化，作为可实用的车门防撞梁的原材，需要更高强度的7000系铝合金挤压材。

技术实现要素：

本发明的目的在于，作为汽车的车门防撞梁的原材，提供一种7000系铝合金挤压材，其在比以往更高的强度区域具备优异的耐SCC性。

在7000系铝合金中，作为杂质混入有少量的Fe。Fe在铸造时与合金中的其他元素形成金属间化合物，在铸块中生成Fe系晶化物。铸块中生成的Fe系晶化物，在挤压后的材料中也不会消失，仍然存在。

本发明人们对于以负载有应力的状态而在腐蚀环境下保持各种时间的7000系铝合金挤压材的表面进行显微镜观察时，得到了如下发现：在Fe系晶化物周边的Al母材部分发生的点蚀，是SCC发生的要因。Fe系晶化物在晶界也大量存在，随着时间流逝，龟裂从所述点蚀发生，该龟裂沿晶界传播，SCC进展。

根据上述发现，为了改善7000系铝合金挤压材的耐SCC性，需要在Fe系晶化物的周边抑制点蚀的发生。

本发明正是基于这一想法而完成的，其特征在于，车门防撞梁的原材是7000系铝合金挤压材，含有Zn：7.5～9.0质量％、Mg：1.3～2.0质量％、Cu：0.1～0.7质量％、Si：0.15质量％以下、Fe：0.3质量％以下、Ti：0.005～0.2质量％，并且，在Mn：0.3质量％以下、Cr：0.25质量％以下、Zr：0.25质量％以下的范围内，含有Mn、Cr、Zr的1种以上0.1～0.5质量％，余量为Al和杂质，含有Fe系晶化物，其平均Cu含量为5.0质量％以下。

上述7000系铝合金挤压材，由于Zn和Mg被高浓度化，从而在人工时效处理后显示出高强度(460MPa以上的屈服强度)。另外，Fe系晶化物的平均Cu含量为5.0质量％以下，Fe系晶化物与Al母材部分之间的电位差受到抑制，由此，点蚀在Fe系晶化物的周边难以发生，耐SCC性得到改善。因此，由上述7000系铝合金挤压材形成的车门防撞梁，尽管Zn和Mg被高浓度化，具有高强度，但仍具有优异的耐SCC性。由此，能够抑制车门防撞梁的重量增加，并且使抗冲击吸收性能更加高度化，或是说不会使抗冲击吸收性能降低，而能够达成更进一步的轻量化。

具体实施方式

以下，对于本发明的车门防撞梁，更具体地进行说明。

作为车门防撞梁的原材所用的7000系铝合金挤压材的组成如下：含有Zn：7.5～9.0质量％、Mg：1.3～2.0质量％、Cu：0.1～0.7质量％、Si：0.15质量％以下、Fe：0.3质量％以下、Ti：0.005～0.2质量％，并且，还在Mn：0.3质量％以下、Cr：0.25质量％以下、Zr：0.25质量％以下的范围内，含有Mn、Cr、Zr的1种以上0.1～0.5质量％，余量是Al和杂质。该组成本身，除了Zn和Mg被高浓度化这一点以外，与现有的7000系铝合金挤压材相比，没有特别改变。

接着，对于此7000系铝合金挤压材所含的各个元素进行说明。

Zn：

Zn与Mg一起形成MgZn2，使7000系铝合金挤压材的强度提高。在7000系铝合金挤压材中，为了时效处理后得到高屈服强度(0.2％屈服强度)，Zn含量需要为7.5质量％以上。另一方面，若Zn含量高于9.0质量％，则不能抑制耐SCC性的降低。因此，Zn含量为7.5～9.0质量％的范围内。Zn含量的下限值优选为7.7质量％，更优选为8.0质量％，进一步优选为8.1质量％，上限值优选为8.8质量％。

Mg：

Mg与Zn一起形成MgZn2，使7000系铝合金挤压材的强度提高。在7000系铝合金挤压材中，为了时效处理后得到高屈服强度，Mg含量需要为1.3质量％以上。另一方面，若Mg含量高于2.0质量％，则不能抑制耐SCC性的降低，另外由于变形阻力的增加致使可挤压性劣化。因此，Mg含量为1.3～2.0质量％的范围内。Mg含量的下限值优选为1.4质量％，上限值优选为1.8质量％。

构成MgZn2的Mg与Zn的化学计量比(质量比)为1:5.38。若设7000系铝合金挤压材的Zn含量(质量％)为CZn，Mg含量(质量％)为CMg，则Zn与Mg以化学计量比存在时，CZn＝5.38×CMg成立。另一方面，Zn相对于化学计量比而过剩存在时，CZn＞5.38×CMg成立，这时过剩Zn量(EZn)按EZn＝CZn－5.38×CMg计算。另外，Mg相对于化学计量比过剩存在时，CZn＜5.38×CMg成立，这时过剩Mg量(EMg)按EMg＝CMg－0.186×CZn计算。

若过剩Zn量(EZn)多，则不形成MgZn2的Zn将在合金中大量存在，挤压材的耐SCC性降低。另一方面，若过剩Mg量(EMg)多，则不形成MgZn2的Mg将在合金中大量存在，由于变形阻力的增加导致可挤压性降低。从上述的观点出发，在7000系铝合金挤压材中，优选Zn和Mg为接近化学计量比的含量，更具体地说，优选过剩Zn量(EZn)为1.0质量％以下，过剩Mg量(EMg)为0.5质量％以下。过剩Zn量(EZn)更优选为0.5质量％以下，进一步优选为0.3质量％以下。过剩Mg量(EMg)更优选为0.4质量％以下，进一步优选为0.3质量％以下。

Cu：

Cu在晶界析出物(MgZn2)中固溶，从而缩小晶界析出物与PFZ(无析出带)的电位差，在腐蚀环境下抑制晶界析出物的优先溶解，由此改善7000系铝合金挤压材的耐SCC性。另外，Cu使7000系铝合金挤压材的强度提高。但是，Cu含量低于0.1质量％时，上述作用不充分。另一方面，若Cu含量高于0.7质量％，反而使耐SCC性劣化，另外，由于变形阻力的增加致使可挤压性劣化，也使挤压材的焊接裂纹性劣化。因此，Cu含量为0.1～0.7质量％的范围。Cu含量的下限值优选为0.2质量％，上限值优选为0.5质量％。

Ti：

Ti具有在7000系铝合金的铸造时使晶粒微细化的作用。但是，Ti含量低于0.005质量％时，该作用不充分，另一方面，若高于0.2质量％，则该作用饱和，且粗大的金属间化合物结晶出来而使挤压材的成型性降低。因此，Ti含量为0.005～0.2质量％。Ti含量的优选的上限值为0.05质量％。

Mn、Cr、Zr：

Mn、Cr、Zr经均质化处理而在铝中作为微细分散粒子析出，具有抑制再结晶的效果，另外，具有通过抑制再结晶而使耐SCC性提高的效果，可添加1种以上合计0.1质量％以上。作为Mn、Cr、Zr的1种以上，可认为是如下情况：(1)只有3种元素之中的任意1种；(2)3种元素之中使2种组合(Mn与Cr、Mn与Zr、或Cr与Zr)；或(3)使全部3种元素组合，所述(1)～(3)都能够选择。但是，若Mn、Cr、Zr的含量分别高于0.3质量％、0.25质量％、0.25质量％，或1种以上的合计含量高于0.5质量％，则挤压性变差，另外，挤压材的淬火敏感性变得敏锐。因此，Mn、Cr、Zr的1种以上的含量在如下范围内：Mn：0.3质量％以下、Cr：0.25质量％以下、Zr：0.25质量％以下，合计为0.1～0.5质量％的范围内。

其中，Zr与Mn和Cr相比，使7000系铝合金挤压材的淬火敏感性敏锐的作用较小，因此，优选在0.1～0.25质量％的范围优先添加，根据需要补充性地添加Mn和/或Cr。Zr含量的优选的下限值为0.12质量％，更优选的下限值为0.14质量％，优选的上限值为0.23质量％，更优选的上限值为0.20质量％。Cr含量的优选的上限值为0.1质量％，更优选的上限值为0.06质量％。Mn含量的优选的上限值为0.1质量％，更优选的上限值为0.06质量％。

Si：

在7000系铝合金中，混入有少量的Si。Si与Mg一起形成Mg2Si，在晶界析出。若Si含量高于0.15质量％，则Mg2Si过剩地形成而消耗Mg，成为挤压材强度不足的原因。另外，若Si含量高于0.15质量％，则在挤压材的表面容易发生烧蚀，使挤压性劣化。因此，Si含量为0.15质量％以下(下限值为0质量％)。

Fe：

在7000系铝合金中，作为杂质混入有少量的Fe。Fe在铸造时与合金中的其他元素形成金属间化合物，在铸块中生成晶化物(Fe系晶化物)。在本发明中所谓Fe系晶化物，是统称Al－Fe系、Al－Fe－Si系、Al－Mn－Fe系、A1－Fe－Mn－Si系、Al－Cr－Fe系等含Fe的晶化物(金属间化合物)的用语。铸块中生成的Fe系晶化物，在挤压后的材料(挤压材)中也不会消失，而是仍然存在。

若Fe系晶化物大量结晶，则7000系铝合金挤压材的韧性降低。因此，Fe含量为0.3质量％以下。Fe含量优选的上限值为0.15质量％。通过限制Fe含量，Fe系晶化物减少，如后述，也能够期待以Fe系晶化物为原因的点蚀的抑制效果。

其他杂质：

铸造7000系铝合金时，除了作为主要杂质的Si、Fe以外，还会从锭料、添加元素的中间合金等各种途径不可避免地混入杂质。关于这些杂质的混入，也是基于7000系铝合金的JIS规格等，在不妨碍本发明效果的范围内允许，优选各个元素的含量为0.05质量％以下，合计含量为0.15质量％以下。还有，杂质之中关于B，伴随Ti的添加在铝合金中以Ti含量的1/5左右的量混入，但含量优选为0.02质量％以下，更优选为0.01质量％以下。

Fe系晶化物的平均Cu含量：

在此，对赋予本发明的7000系铝合金挤压材最显著特征的Fe系晶化物中的平均Cu含量进行说明。

如前述，若7000系铝合金挤压材被置于腐蚀环境下，则Fe系晶化物的周边的Al母材部分发生点蚀，从所述点蚀发生龟裂，该龟裂沿晶界传播，SCC进展。

以EDX(能量色散型X射线分析装置)分析发生了点蚀的7000系铝合金挤压材的Fe系晶化物，进行元素识别时，作为合金成分的Cu以高浓度包含在Fe系晶化物中。Cu浓缩在Fe系晶化物中，由此Fe系晶化物的电位上升，与Al母材部分之间，电位差扩大，可推测由此成为腐蚀环境下在Fe系晶化物的周边容易发生所述点蚀的状况。

另一方面，认为通过抑制作为SCC根本要因的点蚀发生，结果是能够抑制SCC的发生。因此，在本发明中，将Fe系晶化物中的平均Cu含量抑制在5.0质量％以下。由此，能够缩小Fe系晶化物与Al母材部分之间的电位差，在Fe系晶化物周边抑制点蚀的发生，进而抑制SCC的发生。在本发明中，所谓Fe系晶化物中的Cu含量(CCu/(Fe Cu))，意思是以Fe系晶化物中的Fe含量(CFe)和Cu含量(CCu)的合计为基准(100％)时的Cu含量的100分率，即CCu/(CFe CCu)×100(质量％)。

作为将Fe系晶化物中的平均Cu含量抑制在5.0质量％以下的手段，可列举在高温长时间的条件下进行7000系铝合金铸块的均质化处理。以490～550℃的温度条件进行4小时以上的均质化处理，高浓度存在于Fe系晶化物中的Cu扩散到Al母材中，Fe系晶化物中的Cu含量降低。为了减少Fe系晶化物中的平均Cu含量，均质化处理温度越高越优选。但是，太过高温时，抑制再结晶的元素(Zr，Cr，Mn)对于晶界的钉扎作用降低，挤压材组织有可能发生粗大化。因此，均质化处理的温度优选为500～540℃的范围，更优选为510～530℃的范围。另外，为了降低Fe系晶化物中的平均Cu含量，均质化处理的时间越长越优选，但若太长，则挤压材组织有可能发生粗大化。因此，均质化处理的时间优选为10小时以下。在以往一般进行的均质化处理条件(470℃×6小时)下，Fe系晶化物中的Cu含量无法充分降低。均质化处理后的冷却没有特别限定，例如以100～200℃/h的范围内的冷却速度进行即可。

另外，在本发明中，7000系铝合金自体的Cu含量限制在0.7质量％以下，这一点对于抑制Fe系晶化物中的Cu含量的上升，改善耐SCC性也有效。

本发明的7000系铝合金挤压材，除了如上述这样设定均质化处理的条件以外，均能够以通常的7000系铝合金挤压材的制造方法制造。本发明的7000系铝合金挤压材，尽管在时效处理后呈现高强度，但仍显示出优异的耐SCC性，能够有助于车门防撞梁的高强度化(抗冲击吸收性能的高度化)、轻量化。

【实施例】

对于经半连续铸造而得到的直径155mm的7000系铝合金坯料实施均热处理后，进行再加热，以挤压温度500℃、挤压速度3m/分钟进行挤压成形，紧接挤压之后实施风扇空冷，制造7000系铝合金挤压材(No.1～7)。各挤压材的截面形状为厚3mm×宽110mm的长方形，挤压材的冷却速度约290℃/分钟。将挤压材冷却至室温后，实施90℃×3小时 140℃×8小时的时效处理。

表1中显示No.1～7的挤压材的合金组成、均热条件。还有，No.1～6的挤压材中，Mg相对于化学计量比而过剩存在，其中No.1～4的挤压材是EMg＝0.075(质量％)，No.5、6的挤压材是EMg＝0.203(质量％)。No.7的挤压材中，Zn相对于化学计量比而过剩地存在，EZn＝0.298(质量％)。

使用No.1～7的各挤压材进行以下的测量。其结果显示在表1中。

屈服强度的测量：

从No.1～7的各挤压材的宽度方向中央部，以纵长方向平行于挤压方向的方式，通过机械加工提取JIS13B抗拉试验片。提取的试验片每种挤压材各2个。使用该试验片，依据JISZ2241的规定进行抗拉试验，测量屈服强度(0.2％屈服强度)。十字头速度为5.0mm/分钟直至达到屈服强度值，其后为10.0mm/分钟。表1所述的No.1～7的屈服强度值，为2个试验片所测量的屈服强度值的平均值。屈服强度值为460MPa以上评价为合格。

SCC临界应力的测量：

从No.1～7的各挤压材的宽度方向中央部，以纵长方向垂直于挤压方向的方式，通过机械加工提取宽10mm×长50mm的SCC试验片。提取的试验片为，在以下说明的SCC试验的各荷载应力中各2个。

SCC试验采用板弯曲试验(JISH8711：2001)的3点荷载方式，对No.1～7的试验片的荷载应力为90MPa、100MPa、110MPa、120MPa这4个等级。板弯曲试验时，在拉伸应力最大的试验片的纵长方向中央部凸面粘贴应变计，使杨氏模量为70×10⁹Pa，将所述荷载应力相对应的应变附加于试验片。

用于SCC试验的腐蚀液为Cr酸水溶液(蒸馏水每1升中，NaCl：3g、K2Cr2O7：30g、CrO3：36g)，为了促进SCC，在试验之间，将温度保持在90℃以上。

在负载有荷载应力的状态将试验片(在各荷载应力中各2个)浸渍在腐蚀液中，每2小时取出一次，通过目视观察有无发生裂纹，对于无裂纹发生的试验片进行再浸渍。重复这一步骤直至SCC试验开始后16小时。2个试验片直至试验结束都没有发生裂纹的最大荷载应力，评价为该试验片的耐SCC临界应力。耐SCC临界应力为100MPa以上评价为合格。

Fe系晶化物的Cu含量的测量：

以SEM(Scanning Electron Microscope)观察No.1～7的各挤压材的宽度方向中央附近的相对于挤压方向垂直的截面。在倍率1000倍的SEM像中，从粒径(长径)1μm以上的Fe系晶化物粒子之中，任意选择15个以上，以EDX进行点分析。以EDX点分析的结果为基础，计算每个粒子的Cu含量(CCu/(Fe Cu))，接着求得其平均值(各Fe系晶化物粒子的Cu含量的平均值)。

还有，SEM的观察位置(视野的中心位置)，为距所述截面的表面约100μm的深度。SEM是日本电子公司制的“JSM－IT100”，EDX是搭载于同SEM的装置。

【表1】

表1所示的No.1～6的挤压材，合金组成在本发明的规定范围内。其中No.1、5的挤压材，在坯料的阶段受到的均热处理的条件为传统级别，处理温度低，Fe系晶化物的平均Cu含量高于5.0质量％。因此，No.1、5的挤压材，虽然以高浓度含有Zn和Mg，显示出高强度，但SCC临界应力低。

另一方面，No.2、3、4、6的挤压材，均在坯料的阶段受到高温长时间的均热处理，Fe系晶化物的平均Cu含量减少到5质量％以下。No.2、3、4、6的挤压材，均具有460MPa以上的屈服强度，且具有100MPa以上的SCC临界应力，尽管高浓度含有Zn和Mg为高强度，但与No.1、5的挤压材相比，耐SCC性得到相当改善。

还有，No.4的挤压材虽然Fe系晶化物的Cu含量最低，但SCC临界应力比No.2、3稍低。这被认为是否是由于No.4的均热处理的温度高，抑制再结晶的元素(Zr、Cr、Mn)的作用降低，挤压材组织的粗大化进展。

No.7的挤压材，在坯料的阶段受到高温长时间的均热处理，Fe系晶化物的平均Cu含量减少至5.0质量％以下。但是，因为Zn含量过多，所以，使Fe系晶化物的平均Cu含量降低带来的耐SCC性改善效果无法体现。

以上，对于各种的实施方式进行了说明，但本发明当然不限定于这样的例子。如果是本领域技术人员，可知在专利要求范围所述的范畴内，能够想到各种变更例或修改例，关于这些，当然也理解为属于本发明的技术范围。另外，也可以在不脱离发明的宗旨的范围，任意组合上述实施方式的各构成要素。

还有，本申请基于2019年3月28日申请的日本专利申请(特愿2019－064438)，其内容在本申请之中作为参照援引。