JPH06179996A

JPH06179996A - プレス成形性に優れたアルミニウム材料

Info

Publication number: JPH06179996A
Application number: JP33290892A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kanamaru; 辰也金丸; Katsutoshi Arai; 勝利新井; Kaoru Mizuno; 薫水野; Masao Kikuchi; 正夫菊池
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-12-14
Filing date: 1992-12-14
Publication date: 1994-06-28

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、プレス成形性に優れたアルミニウ
ム材料を提供する。【構成】アルミニウム材料表面に、Ｚｎが５〜３０原
子％、Ｍｇが５〜３０原子％、Ｚｎ＋Ｍｇが２０〜６０
原子％、残Ａｌからなる合金層を形成し、その下層に該
金属層より低濃度のＺｎ，ＭｇからなるＡｌ−Ｍｇ−Ｚ
ｎ合金層を形成したプレス成形性に優れたアルミニウム
材料。更に、上記表面の合金層厚みが０．０５〜３μｍ
であり、この下層の合金層の厚みが１〜３００μｍであ
ることを特徴とする上記のプレス成形性に優れたアルミ
ニウム材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自動車、建材などの分野
で、プレス成形などの加工を施して使用されるアルミニ
ウム材料、いわゆるアルミニウム板およびアルミニウム
合金板に関するもので、特にプレス成形における潤滑性
と耐傷付き性といったプレス成形性に優れたアルミニウ
ム材料に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】アルミニウム材料は、軽いという特徴を
生かして自動車ボディパネルへの適用が近年検討されて
いるが、以下に述べる不利益があり、その改善が強く要
望されている。すなわち、アルミニウム材料はプレス成
形において、表面の摺動抵抗が高く、かつ塑性変形しや
すいため割れやすく、極めて成形の困難な材料である。
表面に固体潤滑剤などを塗布してある程度の改善は可能
であるが、接着や塗装に悪影響を及ぼす難点がある。ま
たプレス成形およびその後の組み付け取り扱い中に表面
傷が付きやすい欠点があり、特に美観を重視する自動車
ボディなどにあっては、強くその改善が求められてい
る。耐傷付き性は陽極酸化処理やクロムめっきを施して
改善する方法もあるが、自動車ボディは一般に塗装され
るので、該方法を行なうとリン酸塩皮膜が形成されず、
その結果塗膜の密着性が不十分となり、また耐糸錆性が
悪化する不利益を伴う。

【０００３】このようなリン酸処理性を向上するため特
開昭６１−１５７６９３号公報、特開平４−１７６７７
号公報等のごとく、アルミニウム材料表面にＺｎ系めっ
きを施すことが開示されているが、プレス成形性を向上
することはほとんど期待できない。更に、Ａｌ−Ｚｎ−
Ｍｇ合金は時効硬化性合金として知られており、強度が
高く、硬さも比較的高いことが特徴であるが、プレス加
工性が極めて劣り、自動車ボディなどの複雑な形状を有
する成形品には適用できない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】自動車ボディパネルな
どへのアルミニウム材料の適用を図るには、プレス成形
における潤滑性（以下「プレス成形性」と称する）と耐
傷付き性を改善することが重要な課題である。本発明は
アルミニウム材料の表面部に潤滑性と耐傷付き性を具備
する層を付与することによりこれらの課題を解決するプ
レス成形性に優れたアルミニウム材料を提供する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴とするとこ
ろは、（１）アルミニウム材料表面に、Ｚｎが５〜３０
原子％、Ｍｇが５〜３０原子％、Ｍｇ＋Ｚｎが２０〜６
０原子％、残部がＡｌからなる合金層を形成し、その下
層に該金属層より低濃度のＺｎ，ＭｇからなるＡｌ−Ｍ
ｇ−Ｚｎ合金層を形成したプレス成形性に優れたアルミ
ニウム材料。（２）上記表面の合金層の厚みが０．０５
〜１０μｍであり、この下の合金層の厚みが１〜３００
μｍであることを特徴とする上記（１）のプレス成形性
に優れたアルミニウム材料である。

【０００６】例えば、Ａｌ−Ｍｇ系合金板にＺｎ系めっ
きを施し、２００℃、１０時間から５５０℃、１秒間程
度の条件で熱拡散処理すると、Ｚｎ系めっき層中にＡｌ
およびＭｇが拡散し、同時にＡｌ−Ｍｇ系合金板中にＺ
ｎが拡散する。熱処理条件によっては、めっきしたＺｎ
の過半がＡｌ−Ｍｇ系合金板中に拡散し、Ｚｎの浸透深
さは数１０μｍにも及ぶ。またＭｇはＺｎ系めっき層中
にＡｌよりも優先的に拡散し、表面に濃化層が形成され
る。深さ方向のＺｎ，ＭｇおよびＡｌの分布状態の一例
を図１に示す。このように本発明の特徴は材料表面にＡ
ｌ−Ｍｇ−ＺｎからなるＺｎ，Ｍｇの濃化層を形成さ
せ、その下層に、表面層より低濃度のＺｎ，Ｍｇからな
るＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金層を形成せしめるものである。
アルミニウム板または、Ｍｇの含有量が１０％を超えな
いアルミニウム合金板にＺｎ−Ｍｇ系蒸着めっきを施
し、２００℃、１０時間から５５０℃、１秒間程度の条
件で熱拡散処理をすることによっても、表面に、Ａｌ−
Ｍｇ−ＺｎからなるＺｎとＭｇの濃化層を形成させ、そ
の下層に、表面層より低濃度のＺｎ，ＭｇからなるＡｌ
−Ｍｇ−Ｚｎ合金層を形成せしめる。

【０００７】

【作用】次にプレス成形性に及ぼす本発明の作用につい
て述べる。アルミニウム材料は柔らかくて塑性変形を受
けやすいため金型内へ材料を流入させるには、面圧のか
かるダイス肩やビード部での摩擦抵抗を低減させること
が極めて重要となる。Ｚｎめっき層を付与しても、Ｚｎ
自体も柔らかい金属なので効果がない。比較的硬いＺｎ
−Ｍｇ合金めっき層を付与しても摩擦係数を低減させる
効果は微少である。これは、アルミニウム材料が柔らか
いので、薄い表面だけを硬くしても効果が現れないため
である。本発明では、表面はＡｌ−Ｍｇ−Ｚｎ硬化合金
層であり、加えて、Ｚｎ，Ｍｇの濃化層になっておりプ
レス時に最大応力のかかる表面層が十分に硬いので、金
型との凝着を効果的に抑制することができる。更に、該
表面層の下層は、表面層に比べてＺｎ，Ｍｇ濃度が低い
が、アルミニウム材料の母材に比べれば、Ｚｎ，Ｍｇ濃
度は高いので、該金属濃度に応じて時効硬化性を有し、
表面層を支持する。また、下層のＺｎ，Ｍｇ濃度は、深
さ方向に漸次減少しており、これにともない漸次加工性
が向上している。しかして、プレス加工時の摩擦係数を
低減させると同時に剥離片や剥離粉の発生を防止でき
る。

【０００８】図２はビッカース硬さを測定する際の圧子
荷重を変えて表面から圧入したときの深さ方向の硬さ変
化を調べた結果であるが、単にＺｎめっきしたアルミニ
ウム材料に比較して、本発明のアルミニウム材料は硬化
層が板深くまで達していることが明白である。したがっ
て、例えば平板引抜き試験のようなアルミニウム材料が
塑性変形を受ける加工条件においても摩擦係数が十分に
低下するのである。かくして、プレス成形においてアル
ミニウム材料が破断せずに金型内に流入する面圧範囲が
拡がり、パネル設計の自由度が拡大し、またプレス作業
の安定性が高まる効果が享受できる。

【０００９】アルミニウム材料をブランキング、プレス
成形、組み付けする工程における異物による押し傷や工
具接触による擦過傷の防止にも本発明は効果が大きい。
このような表面傷は工具などによる材料表面の掘り起こ
しによるものであるが、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ合金層が表面
層とその下層の２層からなり表面層で最も硬く、その下
層も十分に硬いので、掘り起こし抵抗が高く傷が付きに
くいのである。

【００１０】本発明の表面層は表面硬さを高め、また電
気抵抗を高めるので、スポット溶接時の連続打点性を向
上させる効果をもち、またＺｎを深く浸透させることに
よって塗装後の耐糸錆性を向上させる効果も具備させる
ことができる。表面層のＺｎおよびＭｇの濃度をそれぞ
れ５〜３０原子％と限定した理由は、該金属の濃度が５
原子％未満では硬さが不十分で、その下層が更に軟質に
なるので、プレス成形における潤滑性および耐傷付き性
を改善する実質的な効果が十分ではない。表面層での該
金属の濃度が３０原子％を超えると、Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ
合金層が脆くなり、プレス成形において剥離片や剥離粉
の発生が顕著となり、かえって傷の発生頻度を増大させ
るので好ましくない。硬さは、ＺｎとＭｇの濃化により
上昇するので、Ｚｎ＋Ｍｇが２０原子％未満では、金型
との凝着抑制効果が不十分であり、逆に６０原子％を超
えると表面の加工性が著しく低下し脆くなって上述のよ
うに剥離片や剥離粉が発生し傷の発生頻度を増大させ
る。

【００１１】なお、上記の表面層および下層のＡｌ，Ｍ
ｇ，Ｚｎの濃度変化は、例えば、グロー放電分光分析な
どの測定により、図１のようになっている。表面の合金
層の厚みは０．０５μｍ以上１０μｍ以下がよい。０．
０５μｍ未満では硬さが十分でも薄すぎて金型との凝着
抑制が不十分であり、１０μｍ超とすることは、経済的
でない。その下層は、表面層にかかる応力の支持と表面
層の剥離防止が目的でありそのためには、下層の厚さは
１μｍ以上であることが好ましく、３００μｍまでの深
さに達しても支障はない。但し、３００μｍ超では、剥
離防止効果が飽和するが、熱処理時間が長くなる等経済
的でない。

【００１２】また、材料製造時に、材料表面に、０．１
μｍ以下の酸化膜が形成され、材料表面に残存する場合
があるが、この酸化膜は、本発明に悪影響を及ぼさな
い。すなわち、仮に、最表面に酸化膜が存在しても表面
層及び下層が本発明を満足していれば良好なプレス成形
における潤滑性および耐傷付き性が得られる。Ｚｎ−Ｍ
ｇ系蒸着めっきを施す場合には、本発明が適用できるア
ルミニウム材料としては純アルミニウムのほか、Ｃｕ，
Ｓｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｃｒ，Ｚｎ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｇ
ａ，Ｖなどの合金添加材でもよい。これらの合金元素は
熱拡散処理に際して多かれ少なかれ拡散するが、その影
響は付随的であり、本発明の基本的作用効果は保全され
る。ただし、材料中のＭｇ含有量は、次に述べるように
１０重量％以下である。

【００１３】Ｚｎ系めっきを施す場合には、Ａｌ−Ｍｇ
系合金板が原板として適用される。該合金板のＭｇは
０．５重量％以上含有しておれば熱処理後の表面層のＭ
ｇ濃度が５原子％以上を確保できる。一方、該合金板の
Ｍｇ含有量が１０重量％を超えると熱処理後の表面層の
Ｍｇ濃度が３０原子％を超えるので好ましくない。該原
板中にはＡｌ，Ｍｇの他、Ｃｕ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ｚ
ｎ，Ｆｅ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｇａ，Ｖなどの合金が添加され
てもよい。

【００１４】ＺｎあるいはＺｎ−Ｍｇめっき量は１〜１
０ｇ／ｍ²が好適である。１ｇ／ｍ ²未満ではＺｎとＭ
ｇの表面層の濃度が熱処理後５原子％に達しない。また
１０ｇ／ｍ²を超える厚めっきは熱処理時間を長くとれ
ば該金属の濃度を３０原子％以下に制御することは可能
であるが、経済的ではない。Ｚｎ系めっき層は純Ｚｎの
ほか、Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｒ，Ａｌ，Ｎｉなどの金属が２０
重量％以下、Ｐ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｏなどと該金属との化合
物が１重量％以下、アルミナ、シリカなどの分散質が５
重量％以下含有しても、本発明の作用効果は保全され
る。

【００１５】純アルミニウム板あるいはＡｌ−Ｍｇ系合
金板あるいは前記以外のアルミニウム合金板をアルカリ
洗浄および／または酸洗浄し、Ｚｎ系めっきを置換めっ
き、電気めっき、蒸着めっき法で、あるいはＺｎ−Ｍｇ
めっきを蒸着めっき法でめっき量が１〜１０ｇ／ｍ²の
範囲付着させることが好ましい。１ｇ／ｍ²未満では熱
拡散処理後の本発明の効果が事実上不十分となる。１０
ｇ／ｍ²を超えても本発明の作用効果は発揮されるが、
経済的ではない。次いで熱拡散処理を２００℃、１０時
間から５５０℃、１秒間程度の均熱保定条件で行なう。
還元性または非酸化性雰囲気で処理することが好ましい
が、空気中で処理することも可能である。後者の場合に
は熱処理後酸化膜をアルカリまたは酸で除去することが
好ましい。

【００１６】上述した熱拡散処理はアルミニウム材料の
製造工程の中に組み込んで行なうことが合理的である。
すなわち、冷間圧延後アルミニウム母材の機械的特性を
向上させるために行なわれる歪み取り焼鈍あるいは溶体
化処理を利用して熱拡散を行なわせるのである。それに
は次の方法がある。第１は、冷間圧延後、前述しためっ
き前のアルカリ洗浄および／または酸洗浄をし、Ｚｎ系
めっきあるいはＺｎ−Ｍｇめっきを施し、次いで連続焼
鈍炉に導き、５００〜５５０℃まで昇温後空冷して歪み
取り焼鈍する間に、前述のＺｎ，Ｍｇ、残りＡｌからな
る表面金属層と、その下層に該金属層より低濃度のＺ
ｎ，ＭｇからなるＺｎ−Ｍｇ−Ａｌ合金層を形成させる
方法である。連続焼鈍後、若し必要であればレベリング
加工、洗浄、次いで２００℃未満の仕上げ焼鈍を通常実
施されているごとく付加することは差し支えない。第２
は溶体化処理を利用するもので、連続焼鈍炉中５００〜
５５０℃で１〜２０秒保定する以外は前述の条件と同様
の方法である。第３は、冷間圧延後、めっき前のアルカ
リ洗浄および／または酸洗浄をし、Ｚｎ系めっきあるい
はＺｎ−Ｍｇめっきを施し、次いでバッチ焼鈍炉におい
て３００〜４５０℃の温度で３０分〜５時間保持して歪
み取り焼鈍あるいは溶体化処理を施す間に、前述の表面
金属層と、その下層に合金層を形成させる方法である。
バッチ焼鈍炉においては還元性雰囲気あるいは非酸化性
雰囲気に調整することも推奨できる。

【００１７】第４は、冷間圧延後、連続焼鈍炉で歪み取
り焼鈍あるいは溶体化処理を行なってアルミニウム母材
の機械的特性を造り込んだ後、若し必要ならレベリング
加工をし、次いでめっき前のアルカリ洗浄および／また
は酸洗浄をした後、Ｚｎ系めっきあるいはＺｎ−Ｍｇめ
っきを施し、次ぎに仕上げ焼鈍を利用して前述の表面金
属層と、その下層に合金層を形成させる方法である。こ
の場合、仕上げ焼鈍はバッチ焼鈍炉において２００〜３
００℃の温度に１〜１０時間保持することが好ましい。
第５は、前方法において連続焼鈍炉の代わりにバッチ焼
鈍炉を利用する態様で、その他は第４と同様な方法であ
る。

【００１８】

【実施例】実施例と比較例にもとずいて本発明の実施態
様と効果を詳述する。表１にはアルミニウム材料の製造
工程と熱処理条件を示し、表２にはめっき条件と表面金
属層およびその下の合金層の構成を示し、表３にはその
品質性能試験結果を示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】

【表３】

【００２２】アルミニウム材料を冷間圧延で板厚１mmと
した後、表１の製造工程でめっきと熱拡散処理を施し
た。Ｚｎ系めっきについては通常の方法でアルカリ洗浄
と酸洗浄を行ない、次の方法によった。置換めっきはＮ
ａＯＨ７５ｇ／ｌ，ＺｎＯ１５ｇ／ｌ、ロッシェル塩５
０ｇ／ｌを添加した溶液から析出させた。電気めっきは
ＺｎＳＯ₄１５０ｇ／ｌ、必要なら他金属イオンあるい
はコロイドを含む硫酸酸性浴から電流密度２０Ａ／dm²
で電着させた。蒸着めっきは１０^-3Torrの真空容器内で
ＺｎとＭｇを加熱蒸発させ、アルミニウム材料に蒸着さ
せた。

【００２３】表面金属層およびその下の合金層の構成は
グロー放電分光分析で測定し、表面金属層内のＺｎとＭ
ｇの濃度と、その下の合金層の厚さを求めた。平板引抜き試験：試験片寸法１mm厚 × ３０mm巾のア
ルミニウム材料に洗浄油（杉村化学製プレトンＲ３０３
Ｐ）を塗布し、接触面積３０mm×３０mmの工具で両面を
４５０kgf の荷重（Ｎ）で押えつけながら、２００mm／
分の速度で引き抜いた。引抜き荷重をＦとすれば、摩擦
係数μは、Ｆ＝２μＮから求められる。

【００２４】耐傷付き性評価：圧子荷重２５ｇのビッカ
ース硬さによって評価した。連続スポット溶接試験：先端径６mm、４０ＲのＣｕ−Ｃ
ｒ電極を用いて、溶接電流２７kA、加圧力２９５０Ｎ、
溶接時間８サイクルの条件で連続スポット溶接を行な
い、ナゲット径が５mm以上を維持する打点数で評価し
た。耐糸錆性試験：７０mm×１５０mmの試験片をフッ化物添
加リン酸塩処理浴でリン酸塩皮膜を形成させ、カチオン
電着塗装２００μｍ、中塗り、上塗り塗装を施して総合
塗膜厚８０μｍとした。アルミニウム材料素地に達する
ナイフカットを付けた後、塩水噴霧（５％ＮａＣｌ、３
５℃）１日、湿潤（８５％相対湿度、４０℃）５日、室
内放置１日から構成されるサイクル環境試験に８週間暴
露した後のナイフカットからの糸錆最大長さをもって評
価した。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、アルミニウム材料の欠
点とされたプレス成形時の潤滑性、耐傷付き性、スポッ
ト溶接時の連続打点性および塗装後の耐糸錆性を顕著に
改善し、自動車ボディパネルのごとき成形加工、接合組
立、塗装して用いられる用途に有利に適用できるアルミ
ニウム材料が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明（実施例１）の、アルミニウム材料のグ
ロー放電分光分析による表面からの深さ方向のＺｎ，Ｍ
ｇとＡｌの分布状態を示す図である。

【図２】実施例１、比較例１および比較例２のアルミニ
ウム材料においてビッカース硬さ試験の圧子荷重を変え
て表面から圧入したときの硬さ変化を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菊池正夫千葉県富津市新富20−１新日本製鐵株式会社技術開発本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム材料表面に、Ｚｎが５〜３
０原子％、Ｍｇが５〜３０原子％、Ｚｎ＋Ｍｇが２０〜
６０原子％、残部がＡｌからなる合金層を形成し、その
下層に該金属層より低濃度のＺｎ，ＭｇからなるＡｌ−
Ｍｇ−Ｚｎ合金層を形成することを特徴とするプレス成
形性に優れたアルミニウム材料。
【請求項２】上記表面の合金層厚みが０．０５〜１０
μｍであり、この下層の合金層の厚みが１〜３００μｍ
である請求項１記載のプレス成形性に優れたアルミニウ
ム材料。