JP5961766B2 - アルミニウム複合材料および成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＡＡ５ｘｘｘ系またはＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム芯合金、および片面または両面に設けられた少なくとも１つの外側アルミニウム合金層を有するアルミニウム複合材料から作られた金属シートを成形するための方法であって、アルミニウム複合材料は成形工具で成形され、片面または両面に設けられた外側アルミニウム合金層は、軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態で２５ＭＰａ〜６０ＭＰａの降伏強度Ｒ_p0.2を有する方法に関する。さらに、本発明は、対応する成形方法におけるアルミニウム複合材料の使用ほか、このアルミニウム複合材料からなる成形された板金部品に関する。

ＡＡ６ｘｘｘアルミニウム合金から作られた板金材料は、自動車の本体に、および本体装着部品（ドア、テールゲート、ボンネット等）用に使用される。通常使用される、たとえば、ＡＡ６０１６またはＡＡ６０１４などの合金は、納品状態（Ｔ４）での優れた成形性と、たとえばカソード浸漬塗装の場合、塗装焼付けサイクル後に強度の著しい増加との両方を示す。板金材料は、Ｔ４状態で溶体化焼鈍される。目に見える領域の要素、いわゆる外皮部品の場合、優れた外観、すなわちローピングがほとんどないかあるいはまったくない品質が、アルミニウム合金が使用されるさらなる要件となる。

成形性に対して高い要求がある要素には、成形性に関して最適化されており、同時に外皮部品に使用できるアルミニウム材料が市販されている。しかしながら、成形性に関して最適化されたそうした金属シートでも、成形性に対する新たな要求を解決することはできない。現在、アルミニウムの軽量化可能性に伴い、従来アルミニウムから製造できなかった外皮要素用のアルミニウムの解決策が求められている。たとえば、自動車の大型表面側壁部は、１つのアルミニウム合金金属シートから単一部要素として製造される。こうした大型表面要素は、アルミニウム材料の成形性が限定されているため従来製造できなかった。アルミニウムの解決策がないため、これらの大型表面本体要素は、鋼から製造されるか、あるいはこうした要素は、追加の連結ステップにより製造時の作業の増加につながる多部アルミニウム要素として設計されるかの何れかである。

本出願人は、成形性に対する非常に高い要求を満たし、Ｔ４状態における高い歪み値を特徴とする材料を開発した。このアルミニウム複合材料は、特許文献１に既に言及されている。

国際公開第２０１３／０３７９１８（Ａ１）号

この材料の製造方法は確かに、材料最大の成形性を目標にするものであるが、しかしながら、実際には製造に起因するローピングの影響が見られた。

本発明の目的は、アルミニウム合金の成形限界を広げること、特に自動車の建造で注目されるＡＡ６ｘｘｘおよびＡＡ５ｘｘｘアルミニウム合金の成形限界を広げること、および大型表面の厳しく成形されたアルミニウム合金の板金部品の製造を特に外皮品質においても可能にする成形方法を提供することである。さらに、アルミニウム複合材料の使用を提案し、それに従い製造された板金部品も提供する。

本発明の第１の教示によれば、前述の目的は、軟化焼鈍または溶体化焼鈍状態で芯のアルミニウム合金と少なくとも１つの外層との流動応力の比に
ｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．５、好ましくはｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．４
が適用され、接触面における工具とアルミニウム複合材料との間の摩擦剪断応力τ_Rが、アルミニウム複合材料の成形中の成形工具の少なくとも１つの局所的な位置で外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenに達することで、アルミニウム複合材料から作られた金属シートを成形するための方法により解決される。

クーロンの摩擦則により、成形工具とアルミニウム複合材料の外側アルミニウム層との接触面の摩擦剪断応力には、
｜τ_R｜＝ｍｉｎ（ｋ，μ・｜ｐ_N｜） …（１）
が適用され、式中、τ_Rは摩擦剪断応力、μは摩擦係数、およびｐ_Nは基準接触圧、すなわち摩擦を発生させる表面圧力、およびｋはアルミニウム複合材料のより軟質な外層の剪断流動応力を表す。

上記の関数（１）により、摩擦剪断応力の絶対値に下記の２つの範囲が得られる。
［１］ τ_R＝μ・｜ｐ_N｜ この場合、μ・｜ｐ_N｜＜ｋ
［２］ τ_R＝ｋ この場合、μ・｜ｐ_N｜≧ｋ
最も単純な場合、μは成形を通じて一定のままであるため、表面圧力が増加する場合、摩擦剪断応力τ_Rも直線的に増加する。しかしながら、成形工具と接触している材料の剪断流動応力ｋにτ_Rが達する場合、摩擦剪断応力は剪断流動応力ｋまでに限られる。

さらにフォン・ミーゼス（von Mises）の理論によれば、成形対象の材料の剪断流動応力ｋおよび流動応力ｋ_fには、
ｋ＝ｋ_f／√３
が適用され、式中、ｋ_fは０．２％塑性歪み時の引張試験において決定された降伏強度Ｒ_p0.2に対応する。

流動応力ｋ_f,Aussenが、したがって剪断流動応力ｋ_Aussenも、アルミニウム芯合金ｋ_f,Kernのそれよりかなり低い外側の軟質アルミニウム合金層は、成形工具に接触している。このため、少なくとも１つの局所的な位置で、成形中に接触している成形工具とアルミニウム複合材料との間の摩擦剪断応力には、
τ_R＝ｋ_Aussen
が適用される。

これから、外側アルミニウム合金層の流動応力ｋ_f,Aussenに対して剪断流動応力の値ｋ_Aussenが小さくなるほど、工具における材料の移動方向と反対の摩擦力は小さくなることは明らかである。その結果、この場合、アルミニウム複合材料から作られた板金を深絞り加工工具に挿入しやすくすることができる。これは、片面に外側アルミニウム合金層を設けたアルミニウム複合材料にも言える。ただし、より軟質な外側アルミニウム合金層は、成形工具と実質的に接触しているものとする。

芯合金用のＡＡ５ｘｘｘ系またはＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム合金と、芯合金に対する流動応力の比が０．５より小さい、好ましくは０．４より小さい、片面または両面に設けられた軟質アルミニウム合金層とからなる、特許請求の範囲に記載された材料の組み合わせを用いると、アルミニウム複合材料の摩擦剪断応力τ_Rが、アルミニウム複合材料の成形中の少なくとも１つの局所的な位置で外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenに達し、そこで剪断流動応力までに限られることが発見された。これにより、芯合金から作られた一体金属シートと比較してアルミニウム複合材料の成形性のかなりの改善が達成される。

出願人自身の出願である特許文献１と異なり、本発明は、技術的教示において成形度を達成するため成形中の摩擦剪断応力の影響を含むので、完全に新しい方針が採られている。これまでのアプローチに反して、ここでは、より軟質な外側アルミニウム合金層の剪断流動応力により摩擦剪断応力が限定されるという作用が使用される。

実験室規模の十字工具を用いた成形試験では、関連するアルミニウム合金の流動応力の上記の比ｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kernに従う条件で、同一の工具形状で同様の潤滑条件の場合に、押し付けクランプ力が少なくとも２．６倍増加し得ることが示された。十字工具試験における押し付けクランプ力が高まる可能性があることから、特に深絞り加工プロセスにおいて対応するアルミニウム複合材料の成形性がかなり完全することが示唆される。より軟質な外層の剪断流動応力は、アルミニウム芯合金の剪断流動応力と比較して相対的に低いので、成形中の摩擦剪断応力が著しく減少し、プロセスウィンドウを拡大することができる。これにより、たとえばＡＡ６ｘｘｘアルミニウム合金を用いて外皮品質のアルミニウムから自動車の単一部側壁を製造できる可能性が広がり、それによって多部アルミニウムの解決策と比較してコスト削減の可能性が大きくなる。

内部部品および構造部品に実質的に使用されるＡＡ５ｘｘｘ系のＡｌＭｇアルミニウム芯合金にも同じことが言えるため、高度の成形が求められる大型表面の内部部品および構造部品でさえも製造することができる。

本方法のさらなる実施形態によれば、成形は深絞り加工プロセスおよび／または張出し成形プロセスを含む。これらの成形プロセスでは、摩擦剪断応力τ_Rが板金材料と成形工具との間の相対移動を複雑にする。既に記載したように、摩擦剪断応力τ_Rがより軟質な外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenの低値に限られると、深絞り加工または張出し成形の性能が改善される。このため、成形用の成形工具の力を低くして材料を絞ることができるので、かなりより高度の成形を達成することができる。

本発明による方法のさらなる実施形態によれば、少なくとも１つの外側アルミニウム合金層が、好ましくはアルミニウム複合材料全体の厚さの５％〜１５％を有する場合、外層、およびアルミニウム複合材料の全厚さに対する外層の割合によりアルミニウム複合材料の強度をあまり低下させることなく、本発明による方法の技術的効果を使用することができる。

好ましくは、摩擦剪断応力τ_Rは、成形工具内の少なくとも１つの局所的な位置で外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenに達するまで表面圧力の増加により成形中に増大する。表面圧力が工具内でしわが生じないほど大きくなるように選択される以前の成形方法に反して、たとえば、成形限界の拡大に関してアルミニウム複合材料の有利な作用を達成することを目的として、表面圧力を増大させることができる。さらに、それでも摩擦値がより高く、よりコスト効率の高い表面トポグラフィを有する複合材料の成形に成功できることも考えられる。よりコスト効率の高い表面トポグラフィは、たとえば、板金の「ミル仕上げ」表面トポグラフィにより得ることができ、通常成形度の大きい場合に設けられる潤滑剤ポケットを有するトポグラフィと比較して、特定のトポグラフィを利用するための追加の圧延ステップ形態の作業ステップが省かれる。

本方法のさらなる実施形態により、溶体化焼鈍状態のＡＡ６ｘｘｘ系または軟化状態のＡＡ５ｘｘｘのアルミニウム合金が少なくとも２０％、好ましくは少なくとも２２％の均一歪みＡ_ｇを有することで、特に優れた成形結果が達成された。この例には、Ｔ４状態のＡＡ６０１６系のアルミニウム合金またはＯ状態のアルミニウム合金ＡＡ５１８２がある。

さらに、圧延方向と直角方向に少なくとも２４％、好ましくは少なくとも２６％の破断伸びＡ_８０ｍｍを有するＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム合金もアルミニウム芯合金の材料として好適である。これらは、特に外観に視感度要求がある自動車の外皮要素用のローピングを含まないまたはローピングが少ない一実施形態においても好適である。

さらに、少なくとも２１％、好ましくは少なくとも２２％の均一歪みＡ_ｇのほか、圧延方向と直角方向に少なくとも２５％、好ましくは少なくとも２６％の破断伸びＡ_８０ｍｍを有するＡＡ５ｘｘｘ系のＡｌＭｇアルミニウム芯合金も、自動車の目に見える要素を形成しない構造部品、したがって、たとえば、フレーム構造部品、内部ドア部品、ツイストビームアクスル等として好適である。

上記に言及したアルミニウム芯合金は、本発明による方法を用いてさらに一段と相当増強し得るこれまでの非常に優れた成形能力と、非常に高い強度を組み合わせたものである。

ＡＡ６ｘｘｘ系の合金をアルミニウム芯合金として使用し、ＡＡ８ｘｘｘ系のアルミニウム合金を少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用する場合、またはＡＡ５ｘｘｘ系の合金をアルミニウム芯合金として使用し、ＡＡ８ｘｘｘ系、ＡＡ１ｘｘｘ系、ＡＡ５００５系、ＡＡ５００５Ａ系のアルミニウム合金を少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用する場合、アルミニウム複合材料は、極めて優れた成形特性を有する確立された合金を用いて製造することができる。

特に好ましい実施形態では、アルミニウム芯合金はＡＡ６０１６系の合金であり、少なくとも１つの外側合金層はＡＡ８０７９系の合金である。この組み合わせであれば、上記に言及した十字工具試験において、一体のＡＡ６０１６変形例を１０倍超上回る押し付けクランプ力が可能になる。これらの成形特性の改善は、押し付けクランプ力の増加の場合だけでなく、円形ブランク直径の拡大の場合にも十字工具において達成される。

０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは０．８ｍｍ〜１．５ｍｍの厚さを有するＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム芯合金を有するアルミニウム複合材料が、本方法のさらなる実施形態により成形される場合、自動車の建造において起こる外皮部品の強度要求は、成形性に対して高まる要求と共に満たすことができる。

ＡｌＭｇ６系のアルミニウム芯合金およびＡＡ１０５０系またはＡＡ５００５系もしくはＡＡ５００５Ａ系の少なくとも１つの外側アルミニウム合金層にも同じことが言える。言及した合金の組み合わせはすべて、流動応力の比がｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．５である。

本方法のさらなる実施形態により、０．５ｍｍ〜３．５ｍｍ、好ましくは１．０ｍｍ〜２．５ｍｍの厚さを有するＡＡ５ｘｘｘ系、特にＡｌＭｇ６の芯合金を有するアルミニウム複合材料を成形する場合、成形性の改善と同時に構造要素に対する強度要求を満たすことができる。

アルミニウム合金複合材料の製造には、圧延クラッドおよび同時鋳造の両方を使用することができる。圧延クラッドにおいては、最初にアルミニウム芯合金材料から圧延インゴットを鋳造し、均質化する。次いで芯合金と共にコーティング（単数または複数）をパケットにして、熱間圧延温度に加熱する。あるいは、パケットの作製後にさらに均質化を行ってもよい。その後、加熱したパケットを熱間圧延し、次いで最終厚さに冷間圧延する。

ＡＡ６ｘｘｘ材料では、５００℃〜６００℃、好ましくは５５０℃〜５８０℃の温度で１時間超圧延インゴットの均質化を行う。熱間圧延は、出願人自身の出願である特許文献１と異なり、熱ストリップの焼入れを行うことなく、３００℃〜４００℃の巻き取り温度および５〜１０ｍｍの典型的な厚さで行う。外皮部品の場合、次いで３〜４ｍｍに第１の冷間圧延を行い、その後たとえば室炉にて３７０℃〜４５０℃の金属温度で少なくとも１時間中間焼鈍を行う。約５００℃〜５７０℃の典型的な温度で最終厚さに最終溶体化焼鈍し、その後焼入れし、ほぼ室温で少なくとも３日間自然時効することにより、ストリップをＴ４状態で提供することができる。任意に、カソード浸漬塗装における硬化性を促進するため、焼入れ直後にストリップに加熱処理を行う。

ＡＡ５ｘｘｘを用いたアルミニウム複合材料では、３００℃〜５００℃の中間焼鈍温度および軟化焼鈍温度を使用する。加えて、ＡＡ５ｘｘｘ材料は焼入れ手順を経ずに、最終軟化焼鈍を室炉または連続炉で行うようにしてもよい。あるいは、ＡＡ５ｘｘｘを用いたアルミニウム複合材料は熱ストリップとして直接使用してもよい。

アルミニウム合金ＡＡ５１８２、ＡＡ５０１９、ＡｌＭｇ６、ＡＡ６０１６、ＡＡ６０１４、ＡＡ６０２２、ＡＡ６４５１およびＡＡ６１１１は、たとえば芯合金層の材料として好適である。ＡＡ１ｘｘｘ系またはＡＡ８ｘｘｘ系のアルミニウム合金、たとえばＡＡ１０５０、ＡＡ１１００、ＡＡ１２００、ＡＡ８０１１、ＡＡ８０１４、ＡＡ８０２１、特にＡＡ８０７９は外側アルミニウム合金層として好ましい。

本発明の第２の教示によれば、上記の目的は、ＡＡ５ｘｘｘ系またはＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム合金から作られた芯合金層、および片面または両面に設けられ、軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態で２５ＭＰａ〜６０ＭＰａの降伏強度Ｒ_p0.2を有する少なくとも１つの外側アルミニウム合金層を有するアルミニウム複合材料の使用であって、本発明による成形方法において使用される軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態での流動応力の比が
ｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．５、好ましくはｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．４
である使用により解決される。こうした成形方法におけるアルミニウム複合材料の使用により、ＡＡ６ｘｘｘ芯合金を有する外皮部品としてあるいはＡＡ５ｘｘｘ芯合金を有する目に見ない構造部品としてとりわけ高度の成形が要求される、特に自動車の建造用の大型表面の単一部板金部品の提供が可能になる。

最後に、上記の目的は、本発明の第３の教示に従い、本発明による方法を用いて成形された、特に深絞りされたまたは張出し成形された板金部品により解決される。既に記載したように、本発明による方法により大型表面の板金部品を提供すること、およびさらなる作業ステップ、たとえば、１つのユニットに組み付けることができるより小さな要素の連結ステップを回避することが可能になる。したがって、かなり大型でより複雑に成形された要素を利用可能なものにすることができる。

さらなる実施形態によれば、板金部品は、好ましくは自動車の構造部品または外皮部品である。たとえば、板金部品は、たとえばＡＡ５ｘｘｘ系のアルミニウム芯を使用する場合、フロアアセンブリの複雑なフロアパンまたはサイドドア内部部品であってもよい。外皮部品、たとえば泥よけ、ボンネット、特に側壁またはフレームには、ＡＡ６ｘｘｘ芯合金を有するアルミニウム複合材料を用いてもよい。言及した板金部品はすべて、本発明による成形方法を特定のアルミニウム複合材料と組み合わせて達成される非常に高い成形度が必要とされる。したがって、こうした材料ではこれまで達成されていなかった成形性能が利用可能になるため、自動車においてアルミニウム材料の考えられる用途が拡大し得る。

以下、図面と共に例示的な実施形態によって本発明をより詳細に説明する。

深絞り加工試験を実施するための十字工具を模式的な斜視断面図で示す。 図１の十字工具の型、押し付けクランプおよび母型を簡略化した分解図で示す。 ＡＡ６０１６系の一体の変形例について図１の十字工具の型の変位に応じた打抜き力を図線で示す。 本発明による成形方法の例示的実施形態の実施に対応する図３の図線を示す。 材料ＡＡ６０１６、ＡＡ５００５、ＡＡ６４６３Ａ、ＡＡ８０７９、ＡＡ１０５０の歪みに応じた、引張試験から判定された流動応力ｋ_fを図線で示す。 アルミニウム合金ＡＡ６０１６の流動応力に対するアルミニウム材料ＡＡ１０５０、ＡＡ８０７９、ＡＡ６４６３Ａ、ＡＡ５００５の流動応力を示す。 歪みに応じた、ＡＡ６ｘｘｘ系の考えられる様々な芯合金の流動応力に対する材料ＡＡ８０７９の流動応力を図線で示す。 材料ＡｌＭｇ６、ＡＡ１０５０、ＡＡ５００５の歪みに応じた流動応力ｋ_fを図線で示す。 アルミニウム材料ＡｌＭｇ６の流動応力に対する、歪みに応じた材料ＡＡ１０５０、ＡＡ５００５の流動応力を図線で示す。 本発明による板金部品の例示的な実施形態を示す。 本発明による板金部品の例示的な実施形態を示す。

図１では最初に十字工具の構造を斜視断面図で示す。図では十字工具は、型１、押し付けクランプ２および母型３を含む。クラッド変形例の場合に両面にクラッドされたシート４は、たとえば、１．５ｍｍの厚さを有した。これは、クラッド変形例および非クラッド変形例の両方に適用された。円形ブランクとして用意される板金は、打抜き力Ｆ_Stにより深絞りされるが、この場合、押し付けクランプ２および母型３を力Ｆ_Nでシートブランクに加圧した。

十字型１は、十字の各軸に沿って１２６ｍｍの幅を有したのに対し、母型は１２９．４ｍｍの開口幅を有した。アルミニウム材料から作られたシートブランクは、異なる直径を有した。１９５ｍｍの円形ブランク直径から開始した。

図２では、分解図で下から型１、押し付けクランプ２のほか、母型３およびシート４を再度図示する。工業用深絞り加工試験における材料の応力は十字工具でコピーすることが可能であり、したがって試験対象の材料の成形性能を確認することができる。この場合、型１を金属シートの方向に毎秒１．５ｍｍの速度で下げて、金属シート４を型の形状に従い深絞りした。サンプルの引裂までの打抜き力および型の変位を測定および記録した。

図３では、ＡＡ６０１６系のアルミニウム合金材料を有する非クラッド変形例の荷重−変位線図を図示する。押し付けクランプ力を３０〜３００ｋＮに増加させた場合、２３ｍｍの型の変位で得られる打抜き力が１２０ｋＮを超える値まで増加することが分かる。押し付けクランプ力が高くなるほど、打抜き力は増加が早くなる。２６ｍｍの型の変位および３００ｋＮの押し付けクランプ力で、非クラッド変形例の成形能力を限定する、材料の引裂が起こる。押し付けクランプ力が減少すれば、材料の引裂までの型の変位は、７５ｋＮの押し付けクランプ力で約３５ｍｍまで増加する。３０ｋＮでは材料の引裂が起こらない。

押し付けクランプ力を調整し、したがって深絞り加工プロセスの摩擦を調整する従来の方法は、図３によって確認することができる。当業者であれば、材料の引裂が起こらないように押し付けクランプ力を可能な限り低く維持しようと試みるであろう。一方、当業者は、しわが生じないように押し付けクランプ力を調整するように努めるであろう。しかしながら、成形プロセスは、一定の押し付けクランプ力による引裂の発生により限定される。

次に図４は、本発明による成形方法の１つの例示的実施形態による打抜き力の荷重−変位線図を示し、板金材料は、両面にクラッドされたＡ２−Ｋ１−Ａ２タイプの変形例である。図３に図示したＡＡ６０１６系の非クラッド変形例、および図４の線図の両面にクラッドされた対応する変形例の組成を共に表１に示す。

図４では、打抜き力Ｆ_Stが、３００〜４５０ｋＮまでの幅があったそれぞれの押し付けクランプ力Ｆ_Nと無関係に最大でも１００ｋＮに限定されることが分かる。本発明による成形方法の場合、引裂は示されなかった。本材料はさらに、型の変位が３５ｍｍ超となる３００ｋＮを超える押し付けクランプ力で引裂を起こさずに深絞りすることもできた。これは、成形中に打抜き力Ｆ_Stに対して作用する材料の摩擦剪断応力が限定され、実際、外側アルミニウム合金層の剪断流動応力の値に限定されることを意味する。４５０ｋＮの最大打抜き力でも、Ａ２−Ｋ１−Ａ２変形例のアルミニウム複合材料の引裂は起こらない。

試験したアルミニウム複合材料は、以下の通り製造した。

表１に示した組成を有するＡＡ６０１６系のアルミニウム合金からなる圧延インゴットを鋳造し、５８０℃で２時間超均質化し、両面を合金Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４のクラッド材で被覆し、その後圧延クラッドした。そこで、１２ｍｍの厚さおよび少なくとも３００℃の熱間圧延最終温度を有する熱ストリップを製造した。続いて熱ストリップを３５０℃のストリップ温度で２時間超焼鈍し、４ｍｍに冷間圧延した。外皮品質を達成するため、すなわちいわゆるローピングを回避するため、この厚さでストリップの温度を２時間約３５０℃として中間焼鈍を行った。その後、アルミニウム複合材料から作られたストリップを１．５ｍｍの最終厚さに冷間圧延し、５００℃〜５７０℃で溶体化焼鈍を行い、焼入れを行い、芯合金Ｋ１を有するアルミニウム合金ストリップが、室温で約２週間の自然時効後のその後の試験のためＴ４状態で存在するようにした。

ＡｌＭｇ６アルミニウム芯に基づくアルミニウム複合材料は、以下の通り製造した。
ＡｌＭｇ６合金から作られたインゴットを５００℃〜５５０℃で２時間超均質化し、クラッド材を両面に被覆することによりクラッド圧延インゴットを作製し、その後１２ｍｍの厚さに圧延クラッドし、熱ストリップの焼鈍を３５０℃で２時間超実施し、４ｍｍの厚さに冷間圧延し、冷ストリップを３５０℃で２時間超中間焼鈍し、続いて１．５ｍｍの最終厚さに冷間圧延した。溶体化焼鈍の代わりに、製造プロセスの終了時に室炉にて３５０℃で２時間軟化焼鈍を行う。

表１は、実質的な合金成分の個々の合金含有量を質量％で示す。６種の合金はすべて、アルミニウムに加えて記載した合金成分Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、ＭｇおよびＴｉ、個別に最大０．０５質量％、合計で０．１５質量％になる不純物を有する。表１のすべての情報は言うまでもなく、同様に質量％単位であることが理解されよう。

表２では、使用した合金種の機械的特性の測定値を示す。情報はすべて、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８９２−１：２００９に従い軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態で判定した。

別の試験では、異なる円形ブランク直径を有する様々な合金の組み合わせに対する最大押し付けクランプ力を判定した。特に、両面にＡＡ８０７９系のアルミニウム合金層をクラッドしたＡＡ６０１６系のアルミニウム合金であるＡ２−Ｋ１−Ａ２変形例では、円形ブランク直径をさらに拡大でき、２０５ｍｍの円形ブランク直径および１０５ｋＮ超の最大押し付けクランプ力でしか引裂が起こらないことが示された。１９５ｍｍまたは２００ｍｍの円形ブランク直径では、成形試験における６００ｋＮの最大限の押し付けクランプ力でも引裂が発生し得なかった。一体の変形例は１９５ｍｍの円形ブランク直径および５０ｋＮの最大押し付けクランプ力で既に引裂を有するので、これは、本発明による成形方法のクラッド変形例の成形性が優れていることを証明する。十字工具試験の結果を表３にまとめてある。

Ｒ_p0.2は、０．２％塑性歪みでのｋ_f値に対応し、引張試験で測定可能である。表３では、さらにそれぞれの材料の組み合わせについて図５〜９から集めた約０．０２５の真歪みのｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern比も示す。

クラッドアルミニウム合金変形例Ａ１−Ｋ１−Ａ１およびＡ３−Ｋ１−Ａ３も同様に、１９５ｍｍの円形ブランク直径で最大押し付けクランプ力に関して明らかな増加を示した。非クラッドＫ１変形例と比較して、非クラッドＫ１変形例で５０ｋＮとなった最大押し付けクランプ力は、２．６倍（Ａ３−Ｋ１−Ａ３変形例）または３．１８倍（Ａ３−Ｋ１−Ａ３変形例）増加した。一方、Ａ４−Ｋ１−Ａ４変形例は、非クラッドＫ１変形例と比較して最大押し付けクランプ力を著しく増加させることはできなかった。

図５〜９に図示した測定値は、ＤＩＮ ＥＮ ＩＳＯ ６８９２−１：２００９に従い圧延方向と直角方向の引張試験により判定した。流動応力ｋ_fは真歪みに応じて図示し、真歪みは、以下の通り得られる。
φ＝ｌｎ（１＋ε）
式中、φは真歪み、εは技術的歪みを示す。

説明のため、図５は様々な材料の応力歪み曲線を示し、流動応力ｋ_fは真応力φと比較して適用してある。図５では、芯材Ｋ１が、外側のクラッド層Ａ１、Ａ２、Ａ３およびＡ４よりかなり高い流動応力を有することが分かる。

図６では、芯合金層Ｋ１の流動応力に対する外側アルミニウム合金層の流動応力比を図示する。変形例Ａ１、Ａ２およびＡ３はすべて０．５未満のｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern比を有する。ＡＡ５００５系の外側アルミニウム合金層変形例Ａ４のみ、ＡＡ６０１６系のアルミニウム合金に対する流動応力の比が０．５より大きい。

測定した１９５ｍｍの円形ブランク直径の最大保持力から、外側アルミニウム合金層が軟質になるほど、一定の円形直径に対する最大押し付けクランプ力が大きくなることが示される。しかしながら、深絞り試験は塑性変形であるため、外側アルミニウム合金層の凝固も一定の役割を果たす。

Ａ１−Ｋ１−Ａ１変形例とＡ２−Ｋ１−Ａ２変形例との比較において、最大押し付けクランプ力の拡大に関する特徴的な作用を観察することができる。ＡＡ８０７９系のアルミニウム合金から、この合金は塑性歪みの場合に凝固性が比較的低いことが知られる。この作用は、十字工具試験において達成可能な最大の結果に都合がよいように思われる。アルミニウム合金ＡＡ８０７９とＡＡ６０１６系のアルミニウム合金層の組み合わせ、つまりＡ２−Ｋ１−Ａ２変形例は、Ａ１−Ｋ１−Ａ１変形例と比較して流動応力の比が大きくなっているにもかかわらず、円形ブランク直径が２００ｍｍに拡大した場合でも、６００ｋＮ超までの押し付けクランプ力の大きな増加を示した。この時点でのこの結果の説明は、塑性変形におけるＡＡ８０７９系の外側アルミニウム合金層の凝固性は芯材のそれより低いこと、およびそれにより成形手順において材料の流動に都合がよいことで理解される。

図７は、ＡＡ６ｘｘｘ系の考えられる様々な芯合金の流動応力に対するＡＡ８０７９系の外側アルミニウム合金層の流動応力ｋ_f,Aussenの比を示す。変形例はすべて、０．５未満のｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern比を有する。このため、ＡＡ８０７９系の外側アルミニウム合金層を有する自動車産業で確立されたＡＡ６ｘｘｘ芯合金のこうした組み合わせも、上記に言及した成形性の特徴的な改善を有することが予想され得る。

同様の結果は、ＡｌＭｇ６系の別の芯合金でも達成することができ、その応力歪み曲線を図８にＡ１およびＡ４変形例と比較して線図で図示する。次に図９は、Ｋ２系の芯アルミニウム合金層に対する外側アルミニウム合金層Ａ１およびＡ４の流動応力の比を示す。アルミニウム複合材料はどちらも、１９５ｍｍの円形ブランク直径で６００ｋＮより大きな最大押し付けクランプ力を示したのに対し、非クラッド比較材料Ｋ２は既に、１９５ｍｍの円形ブランク直径、および７５ｋＮの最大押し付けクランプ力で引裂を示した。

これらの結果から、アルミニウム芯合金および外側アルミニウム合金層をうまく選択することにより成形性能のかなりの増加が可能であることは明らかである。本発明による成形方法と同時にアルミニウム複合材料の選択を併用して成形性能が増大すると、大型板金部品、たとえば、例として図１０に図示した自動車の側壁部、または図１１に図示した自動車のフロアパンも、本発明による方法を用いて成形されるアルミニウム複合材料からなる金属シートから一体で成形することができる。

好ましくは、本発明による方法に従い製造される要素は、たとえば、自動車の本体の目に見える外皮部品、特にＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム芯合金で製造された、自動車の側壁部、外側ドア部品および外部テールゲート部品のほか、ボンネット等である。さらに、好ましくは他のすべての構造部品およびシャーシ部品、たとえば目に見えないが、同様に経済的生産のため非常に高度の成形が求められる内側ドア部品、フロアパン等が、ＡＡ５ｘｘｘ系のアルミニウム芯合金で、たとえばＡＡ５１８２アルミニウム芯合金で製造される。

Claims (8)

1. ＡＡ５ｘｘｘ系またはＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム合金から作られた芯合金、および片面または両面に設けられた、少なくとも１つの外側アルミニウム合金層、を有するアルミニウム複合材料を成形するための方法であって、前記アルミニウム複合材料は成形工具で成形され、片面または両面に設けられた前記外側アルミニウム合金層は軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態で２５ＭＰａ〜６０ＭＰａの降伏強度Ｒ_p0.2を有する方法において、
   前記軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態の前記芯および前記少なくとも１つの外層の前記アルミニウム合金の流動応力は
   ｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．５
   が適用され、接触面における前記工具と前記アルミニウム複合材料との間の摩擦剪断応力τ_Rが、前記アルミニウム複合材料の前記成形中の前記成形工具の少なくとも１つの局所的な位置で前記外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenに達し、前記成形は深絞り加工および／または張出し成形の手順を含み、ＡＡ６ｘｘｘ系の合金がアルミニウム芯合金として使用され、ＡＡ８ｘｘｘ系のアルミニウム合金が少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用されること、またはＡｌＭｇ６系の合金がアルミニウム芯合金として使用され、ＡＡ８０７９系、ＡＡ１０５０系、ＡＡ５００５系、ＡＡ５００５Ａ系のアルミニウム合金が少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用されること
   を特徴とする方法。
2. 前記アルミニウム複合材料全体の５％〜１５％の厚さを有する少なくとも１つの外側アルミニウム合金層が成形されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記摩擦剪断応力τ_Rは前記アルミニウム複合材料と前記押し付けクランプとの間の表面圧力の増加により前記成形中に増大することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記溶体化焼鈍状態または軟化状態で少なくとも２０％の均一歪みＡ_ｇを有する、ＡＡ６ｘｘｘ系またはＡｌＭｇ６系のアルミニウム芯合金が成形されることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. ＡＡ６０１６系のアルミニウム芯合金およびＡＡ８０７９系の少なくとも１つの外側アルミニウム合金層が使用されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. ０．５ｍｍ〜２．０ｍｍの厚さを有するＡＡ６ｘｘｘアルミニウム芯合金を有するアルミニウム複合材料、または０．５ｍｍ〜３．５ｍｍの厚さを有するＡｌＭｇ６アルミニウム芯合金を有するアルミニウム複合材料が成形されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
7. 自動車の深絞りまたは張出し成形された構造部品または外皮部品が成形されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
8. ＡｌＭｇ６系またはＡＡ６ｘｘｘ系のアルミニウム合金から作られた芯合金、および片面または両面に設けられた、少なくとも１つの外側アルミニウム合金層、を有するアルミニウム複合材料の使用であって、成形プロセスにおいて片面または両面の前記外側アルミニウム合金層は軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態で２５ＭＰａ〜６０ＭＰａの降伏強度Ｒ_p0.2を有し、前記軟化焼鈍状態または溶体化焼鈍状態の前記芯および前記少なくとも１つの外層の前記アルミニウム合金の流動応力の比に
   ｋ_f,Aussen／ｋ_f,Kern＜０．５
   が適用され、接触面における前記工具と前記アルミニウム複合材料との間の摩擦剪断応力τ_Rは、前記アルミニウム複合材料の前記成形中の前記成形工具の少なくとも１つの局所的な位置で前記外側アルミニウム合金層の剪断流動応力ｋ_Aussenに達し、前記成形は深絞り加工および／または張出し成形の手順を含み、ＡＡ６ｘｘｘ系の合金がアルミニウム芯合金として使用され、ＡＡ８ｘｘｘ系のアルミニウム合金が少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用されるか、またはＡｌＭｇ６系の合金がアルミニウム芯合金として使用され、ＡＡ８０７９系、ＡＡ１０５０系、ＡＡ５００５系、ＡＡ５００５Ａ系のアルミニウム合金が少なくとも１つの外側アルミニウム合金層として使用される使用。
   

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