世界各国が省エネと排出削減を重視する中、純電気の新エネルギー車の開発がトレンドとなっている。バッテリー性能に加え、車体の品質も新エネルギー車の航続距離に影響を与える重要な要素である。軽量な車体構造と高品質な接続の開発を推進することで、車両全体の重量を最大限に軽減し、車両の強度と安全性能を確保することで、電気自動車の総合的な航続距離を向上させることができる。自動車の軽量化において、スチールとアルミニウムのハイブリッド車体は、車体の強度と軽量化の両方を考慮しており、車体の軽量化を実現するための重要な手段となっている。
アルミニウム合金の接合における従来の接合方法は、接合性能が悪く、信頼性が低いという問題がありました。新しい接合技術であるセルフピアスリベット接合は、軽合金や複合材料の接合において絶対的な優位性を持つことから、自動車産業や航空宇宙製造産業で広く利用されています。近年、中国国内の学者はセルフピアスリベット接合技術に関する研究を行い、異なる熱処理方法がTA1工業用純チタンセルフピアスリベット接合部の性能に及ぼす影響を研究しました。その結果、焼鈍および焼入れ熱処理法は、TA1工業用純チタンセルフピアスリベット接合部の静的強度を向上させることが分かりました。接合部の形成メカニズムを材料流動の観点から観察・分析し、これに基づいて接合部の品質を評価しました。金属組織学的試験の結果、大きな塑性変形領域が一定の傾向を持つ繊維組織に微細化され、接合部の降伏応力および疲労強度の向上を促進することがわかりました。
上記の研究は、主にアルミニウム合金板のリベット接合後の接合部の機械的特性に焦点を当てています。実際の車体リベット接合生産において、アルミニウム合金押出形材、特に6082アルミニウム合金などの高合金元素含有量の高強度アルミニウム合金のリベット接合部の割れは、このプロセスの車体への適用を制限する重要な要因です。同時に、車体に使用される押出形材の曲げやねじれなどの形状公差や位置公差は、形材の組み立てや使用に直接影響を及ぼし、その後の車体の寸法精度を決定づけます。形材の曲げやねじれを制御し、形材の寸法精度を確保するためには、金型構造に加えて、形材の出口温度とオンライン焼入れ速度が最も重要な影響要因です。出口温度が高く、焼入れ速度が速いほど、形材の曲げやねじれの程度は大きくなります。車体用アルミニウム合金プロファイルの場合、プロファイルの寸法精度を確保し、合金リベット接合部に割れが生じないようにする必要があります。合金の寸法精度とリベット接合部の割れ性能を最適化する最も簡単な方法は、材料組成、金型構造、押出速度、焼入れ速度を一定に保ちながら、押出棒の加熱温度と時効処理を最適化し、割れを抑制することです。6082アルミニウム合金の場合、他のプロセス条件が同じという前提で、押出温度が高いほど粗粒層は浅くなりますが、焼入れ後のプロファイルの変形が大きくなります。
本論文では、研究対象と同一の組成を有する6082アルミニウム合金を用い、異なる押出温度と異なる時効処理を施して異なる状態のサンプルを作製し、リベット試験を通して、押出温度と時効状態がリベット試験に及ぼす影響を評価する。予備的な結果に基づき、最適な時効処理をさらに決定し、今後の6082アルミニウム合金押出形材の製造の指針を提供する。
1 実験材料と方法
表1に示すように、6082アルミニウム合金を溶解し、半連続鋳造により丸インゴットを作製した。その後、均質化熱処理を行った後、インゴットを異なる温度に加熱し、2200トンの押出機でプロファイルに押し出した。プロファイルの壁厚は2.5mm、押出バレル温度は440±10℃、押出ダイス温度は470±10℃、押出速度は2.3±0.2mm/s、プロファイルの急冷方法は強風冷却であった。加熱温度に応じてサンプル1～3の番号が付けられ、サンプル1の加熱温度が最も低く、対応するビレット温度は470±5℃、サンプル2の対応するビレット温度は485±5℃、サンプル3の温度が最も高く、対応するビレット温度は500±5℃であった。
表1 試験合金の測定化学組成（質量分率/％）
材料組成、ダイス構造、押出速度、焼入れ速度などの他のプロセスパラメータが変更されないという条件下で、押出加熱温度を調整して得られた上記1～3番サンプルを箱型抵抗炉で時効処理し、時効システムは180℃/6時間および190℃/6時間である。絶縁後、空冷し、リベット締めして、異なる押出温度と時効状態がリベット締め試験に及ぼす影響を評価した。リベット締め試験では、底板として異なる押出温度および異なる時効システムを有する厚さ2.5mmの6082合金を使用し、上板として厚さ1.4mmの5754-O合金を使用してSPRリベット締め試験を行った。リベットダイスはM260238、リベットはC5.3×6.0 H0である。さらに、最適な時効プロセスをさらに決定するために、押出温度と時効状態がリベット割れに及ぼす影響に応じて、最適な押出温度の板を選択し、異なる温度と異なる時効時間で処理して、時効システムがリベット割れに及ぼす影響を研究し、最終的に最適な時効システムを確認しました。高倍率顕微鏡を使用して、異なる押出温度での材料の微細構造を観察し、MTS-SANS CMT5000シリーズのマイクロコンピュータ制御電子万能試験機を使用して機械的特性を試験し、低倍率顕微鏡を使用して、さまざまな状態でリベット接合部を観察しました。
2実験結果と考察
2.1 押出温度と時効状態がリベット割れに及ぼす影響
押し出し成形品の断面に沿ってサンプルを採取し、粗研磨、精研磨、サンドペーパー研磨を行った後、10％NaOHで8分間腐食させ、黒色の腐食生成物を硝酸で拭き取った。図1に示すように、リベットバックルの外側の予定リベット位置の表面にあるサンプルの粗粒層を高倍率顕微鏡で観察した。サンプルNo.1の平均粗粒層深さは352μm、サンプルNo.2の平均粗粒層深さは135μm、サンプルNo.3の平均粗粒層深さは31μmであった。粗粒層の深さの違いは、主に押出温度の違いによるものである。押出温度が高いほど、6082合金の変形抵抗は低下し、合金と押出ダイス（特にダイスワークベルト）との摩擦によって生じる変形エネルギー蓄積量も小さくなり、再結晶の駆動力も小さくなります。そのため、表面粗粒層は浅くなります。一方、押出温度が低いほど、変形抵抗は大きくなり、変形エネルギー蓄積量も大きくなり、再結晶しやすくなり、粗粒層は深くなります。6082合金の場合、粗粒再結晶のメカニズムは二次再結晶です。
(a) モデル1
(b) モデル2
（c）モデル3
図1 異なるプロセスによる押し出し成形品の粗粒層の厚さ
異なる押出温度で作製されたサンプル1～3は、それぞれ180℃/6時間および190℃/6時間で時効処理された。2つの時効処理後のサンプル2の機械的性質を表2に示す。2つの時効システムでは、180℃/6時間のサンプルの降伏強度と引張強度は190℃/6時間のものよりも大幅に高くなっているのに対し、伸びには大きな差がないため、190℃/6時間は過時効処理であることがわかる。6シリーズアルミニウム合金の機械的性質は、アンダーエージング状態での時効処理の変化によって大きく変動するため、プロファイル製造プロセスの安定性とリベット品質の制御に役立たない。したがって、アンダーエージング状態を使用してボディプロファイルを製造することは適切ではない。
表2 2つの時効システムにおけるサンプルNo.2の機械的特性
リベット締結後の試験片の外観を図2に示す。図2aに示すように、粗粒層が深いNo.1サンプルをピーク時効状態でリベット締結した場合、リベット底面には明らかなオレンジピールと肉眼で見える亀裂が発生した。結晶粒内の配向が不均一であるため、変形中に変形度が不均一になり、凹凸のある表面が形成される。結晶粒が粗いと、表面の凹凸が大きくなり、肉眼で見えるオレンジピール現象が発生する。図2bに示すように、押出温度を高くして粗粒層を浅くしたNo.3サンプルをピーク時効状態でリベット締結した場合、リベット底面は比較的滑らかで、ある程度の亀裂が抑制され、顕微鏡で拡大して初めて確認できた。サンプルNo.3が過時効状態にあったとき、図2cに示すように、顕微鏡の拡大下では亀裂は観察されませんでした。
（a）肉眼で見えるひび割れ
(b) 顕微鏡で見えるわずかな亀裂
（c）ひび割れなし
図2 リベット締結後のひび割れの程度の違い
リベット締結後の表面は、主に3つの状態、すなわち、肉眼で見える亀裂（「×」マーク）、顕微鏡で拡大して見えるわずかな亀裂（「△」マーク）、および亀裂なし（「○」マーク）になります。表3は、2つの時効システムにおける上記3つの状態のサンプルのリベット締結形態の結果を示しています。時効プロセスが一定の場合、押出温度が高く粗粒層が薄い試験片のリベット割れ性能は、粗粒層が深い試験片のリベット割れ性能よりも優れていることがわかります。粗粒層が一定の場合、過時効状態のリベット割れ性能は、ピーク時効状態のリベット割れ性能よりも優れています。
表3 2つのプロセスシステムにおけるサンプル1～3のリベット締結外観
結晶粒形態と時効状態が形材の軸圧縮割れ挙動に及ぼす影響を研究した。軸圧縮時の材料の応力状態は、セルフピアスリベット締結時の応力状態と一致した。研究の結果、割れは粒界から発生することが明らかになり、Al-Mg-Si合金の割れ機構は式によって説明された。
σappは結晶に作用する応力です。割れが発生した場合、σappは引張強度に対応する真の応力値に等しくなります。σa0は結晶内滑り時の析出物の抵抗です。Φは応力集中係数であり、粒径dと滑り幅pに関連します。
再結晶組織と比較して、繊維状結晶粒組織は割れ抑制に有利です。その主な理由は、結晶粒微細化によって粒径dが大幅に減少し、粒界における応力集中係数Φを効果的に低減することで割れを抑制できるためです。繊維状組織と比較して、粗大結晶粒の再結晶合金の応力集中係数Φは、以前の約10倍です。
ピーク時効と比較して、過時効状態は割れ抑制により効果的であり、これは合金内部の析出相の状態の違いによって決まります。ピーク時効中、6082合金には20～50nmのβ（Mg5Si6）相が析出します。これらの相は析出物の数が多く、サイズは小さくなります。合金が過時効状態にある場合、合金中の析出物の数は減少し、サイズは大きくなります。時効過程で生成された析出物は、合金内部の転位の動きを効果的に抑制します。転位に対する析出物のピンニング力は、析出相のサイズと体積率に関連しています。実験式は以下のとおりです。
fは析出相の体積分率、rは相のサイズ、σaは相とマトリックス間の界面エネルギーです。この式は、析出相のサイズが大きく、体積分率が小さいほど、転位に対するピンニング力が小さくなり、合金内の転位が発生しやすくなり、合金のσa0がピーク時効から過時効状態まで低下することを示しています。 σa0が低下しても、合金がピーク時効から過時効状態に移行すると、合金の割れ発生時のσapp値がさらに低下し、粒界有効応力（σapp-σa0）が大幅に低下します。 過時効の粒界有効応力はピーク時よりも約1/5であり、つまり、過時効状態では粒界で割れる可能性が低くなり、合金のリベット性能が向上します。
2.2 押出温度と時効処理システムの最適化
以上の結果から、押出温度を高くすると粗粒層の深さを浅くすることができ、リベット接合工程における材料の割れを抑制できることがわかった。しかし、特定の合金組成、押出ダイス構造および押出工程を前提として、押出温度が高すぎると、一方では、後続の焼入れ工程においてプロファイルの曲がりやねじれが悪化し、プロファイル寸法公差が要件を満たさなくなる。他方では、押出工程において合金が過燃焼しやすくなり、材料のスクラップ発生リスクが高まる。リベット接合状態、プロファイル寸法工程、生産工程ウィンドウなどの要因を考慮すると、この合金にとってより適切な押出温度は485℃以上、すなわちサンプルNo.2である。最適な時効処理システムを確認するために、サンプルNo.2に基づいて時効処理を最適化した。
図3に、180℃、185℃、190℃の異なる時効時間における試験片No.2の機械的特性（降伏強度、引張強度、伸び）を示す。図3aに示すように、180℃では、時効時間が6時間から12時間に増加しても、材料の降伏強度は大幅に低下しない。185℃では、時効時間が4時間から12時間に増加すると、降伏強度は最初に増加してから減少し、最高強度値に対応する時効時間は5〜6時間である。190℃では、時効時間が長くなるにつれて、降伏強度は徐々に低下する。全体的に、3つの時効温度において、時効温度が低いほど、材料のピーク強度は高くなります。図3bの引張強度の特性は、図3aの降伏強度と一致しています。図3cに示す異なる時効温度における伸びは14%から17%の範囲にあり、明確な変化パターンは見られません。この実験はピーク時効から過時効段階までを試験しており、実験間のわずかな差異により、試験誤差によって変化パターンが不明瞭になっています。
図3 異なる時効温度および時効時間における材料の機械的特性
上記の時効処理後、リベット継手の割れを表4にまとめました。表4から、時間の経過とともに、リベット継手の割れがある程度抑制されていることがわかります。180℃の条件下では、時効時間が10時間を超えると、リベット継手の外観は許容できる状態ですが、不安定です。185℃の条件下では、7時間エージングした後、リベット継手の外観に亀裂はなく、状態は比較的安定しています。190℃の条件下では、リベット継手の外観に亀裂はなく、状態は安定しています。リベット試験結果から、合金が過時効状態にある場合、リベット性能がより良好で安定していることがわかります。車体プロファイルの使用と組み合わせると、180℃/10〜12時間のリベット締めは、OEMが管理する生産プロセスの品質安定性に役立ちません。リベット接合部の安定性を確保するには、エージング時間をさらに延長する必要がありますが、エージング時間の検証はプロファイルの生産効率の低下とコストの増加につながります。 190℃の条件下では、すべてのサンプルがリベット割れの要件を満たすことができますが、材料の強度が大幅に低下します。車両設計の要件によると、6082合金の降伏強度は270MPa以上を保証する必要があります。したがって、190℃のエージング温度は材料強度の要件を満たしていません。同時に、材料強度が低すぎると、リベット接合部の底板の残留厚さが小さすぎます。 190℃/8時間で時効処理した後、リベット断面特性は残留厚さが0.26mmであり、図4aに示すように、0.3mm以上の指標要件を満たしていないことを示しています。総合的に考えると、最適な時効温度は185℃です。 7時間エージングした後、材料はリベット要件を安定して満たすことができ、強度は性能要件を満たしています。 溶接工場でのリベット工程の生産安定性を考慮すると、最適なエージング時間を8時間と決定することが提案されています。 このプロセスシステムでの断面特性を図4bに示します。これはインターロッキングインデックス要件を満たしています。 左右のインターロックは0.90mmと0.75mmで、0.4mm以上の指標要件を満たし、底部の残留厚さは0.38mmです。
表4 異なる温度と異なる老化時間におけるサンプルNo.2の割れ
図4 6082底板のリベット接合部の断面特性（経年変化状態による）
3 結論
6082アルミニウム合金プロファイルの押出温度が高いほど、押出後の表面粗粒層は浅くなります。粗粒層の厚さが浅いほど、粒界における応力集中係数を効果的に低減し、リベット割れを抑制できます。実験研究の結果、最適な押出温度は485℃以上であることが判明しました。
6082アルミニウム合金プロファイルの粗粒層の厚さが同じ場合、過時効状態における合金の粒界有効応力はピーク時効状態よりも小さく、リベット締結時の割れリスクが小さく、合金のリベット締結性能は優れています。リベット締結安定性、リベット接合部の噛み合い値、熱処理生産効率、経済性の3つの要素を考慮すると、この合金の最適な時効処理システムは185℃/8時間と決定されます。
投稿日時: 2025年4月5日
