自動車用ボルト向け6056 アルミニウム合金線

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くうしょうこうい
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自動車自動車用ボルト向け 6 0 5 6 アルミニウム合金線岩山功 * 桑原鉄也中井由弘高木義幸北村真一斉藤英敏 6056 Aluminum Alloy Wire for Automotive Fasteners by Isao Iwayama, Tetsuya Kuwabara, Yoshihiro Nakai, Yoshiyuki Takaki,

1 自動車自動車用ボルト向けアルミニウム合金線岩山功 * 桑原鉄也中井由弘高木義幸北村真一斉藤英敏 6056 Aluminum Alloy Wire for Automotive Fasteners by Isao Iwayama, Tetsuya Kuwabara, Yoshihiro Nakai, Yoshiyuki Takaki, Shin-ichi Kitamura and Hidetoshi Saito The need for high-strength aluminum fasteners is growing quickly with the aim of reducing the weight of automobiles. Sumitomo Electric Toyama Co., Ltd. has developed 6056 aluminum alloy wire suitable for these fasteners. Owing to its homogeneous microstructures, the wire achieved a high tensile strength of 420 MPa and yield strength of 375 MPa, as well as a maximum reduction ratio of 85% without surface cracks in a compressive test at room temperature. These features will enable fastener manufacturers to improve their productivity. Keywords: aluminum, aluminum alloy, fastener, 6056, forging 1. 緒言軽量かつ高強度で導電率や耐食性にも優れるアルミニウムは送電線等のインフラから自動車白物家電までの幅広い分野で使用されており社会基盤を支える重要な金属となっている当社グループの富山住友電工では大規模送電線自動車部品用アルミニウム合金線電子機器用アルミニウム配線など多様な高品質アルミニウム線材を製造販売しているこのたび富山住友電工と住友電気工業は自動車業界における軽量化ニーズに応えるためアルミニウム製のボルトに適した機械的強度と加工性を有するアルミニウム合金線を開発した本報告ではその優れた特性や組織について紹介する 2. 富山住友電工のアルミニウム線材富山住友電工のアルミニウム線材のラインナップを表 1 に示す富山住友電工のアルミニウム合金線はプロペルチ法に基づいた連続鋳造圧延法 ( 図 1) で製造している (1) 本方式はアルミニウムを鋳造する際の凝固速度が速くまた圧延加工時における再加熱を行わないことが特長であるよって生産性に優れるだけでなく溶質元素が固溶しやすくまた晶出物を微細に分散できるため強度や加工性に優れた合金線を製造することができるこのようなプロペルチ法の特長を活かした例が当社が世界に先駆けて製品化した自動車向けのアルミニウムハーネス (2) 2 である 3 アルミニウムハーネスに使用する電線には導電率と強度のほか細径まで線引きするための伸線加工性が求めら表 1 富山住友電工のアルミニウム線材合金系統番号特長純 Al 系 Al-Cu 系 Al-Mn 系 3003 Al-Si 系 4043 Al-Mg 系 Al-Mg-Si 系 Al-Zn 系 7072 不純物が 1 % 以下の純アルミニウム線である電気を良く通し加工性耐食性溶接性が良い Al に Cu を加えた合金でジュラルミンの名称で知られる強度と硬さに優れる切削性がよいことから快削合金とも言われる純アルミニウムに Mn(1.5 %) を加え純アルミニウムより強度を約 20 % 向上させた合金である耐食性と加工性に優れる純アルミニウムに Si(4 ~ 12 %) を加えた合金で融点が下がるために湯流れ性が良く溶接線やロウ材として使用される暗灰色の自然発色被膜が形成され熱膨張係数が小さい純アルミニウムに Mg(0.3 ~ 5 %) を加えた合金で強度が高く耐海水性に優れている溶接構造用などアルミニウム合金の中でもっとも広範囲に使用される陽極酸化処理性と染色性が良い熱処理型合金で強度がある加工性耐食性が良い陽極酸化処理性と染色性が良い溶接性耐食性が比較的良い高強度な時効性合金であるれる当社が開発したアルミニウムハーネスに採用している合金は固溶量が極めて少ない Fe を 1.05wt % と多量に添加することで固溶による導電率の低下を抑制しつつ Al-Fe 化合物の分散によって強度の向上を狙い引張強さ 120MPa と導電率 60 %IACS を両立した画期的な合金である ( 78 ) 自動車用ボルト向け 6056 アルミニウム合金線

2 図 1 富山住友電工の連続鋳造圧延プロセスの模式図本合金の線材を一般的な製法であるビレット鋳造 + 押出で製造した場合 Al-Fe 化合物が粗大に晶出してしまうために伸線加工性が低下してしまいハーネスに適用することができないこれに対して富山住友電工が採用している連続鋳造圧延法で本合金線を製造した場合には鋳造時の高速な冷却によって Al-Fe 化合物が微細に分散するため伸線加工性の低下が起こらずハーネスに適用することが可能である 3. 自動車用ボルト 3 1 ボルトのアルミニウム化ニーズの高まり地球温暖化防止のため全世界的な CO2 排出量規制が自動車に対して課せられており規制値は今後も段階的に強化されることが決定しているこのため自動車メーカー各社は燃費の向上に精力的に取り組んでおり内燃機関の効率向上のほか部材のアルミニウム化マグネシウム化による車体の軽量化を積極的に進めている自動車に採用されているアルミニウム部材は先述のアルミニウムハーネスをはじめボディパネルオイルパンエンジンマウント自動変速機の油圧制御弁等多岐にわたっているアルミニウム製部材やマグネシウム製部材同士の締結には主として鉄のボルトが使用されているしかし鉄ボルトを使用するとアルミニウム製部材やマグネシウム製部材との熱膨張率差による緩みや異種金属接合による腐食が発生しやすいよって十分な信頼性を確保するためには図 2 のように締結対象部材のねじ穴を深く即ち肉厚を厚くする必要がある一方締結にアルミニウム製のボルト ( 以下アルミボルト ) を使用した場合はボルト自体が軽量なうえに締結対象部材を薄肉化できるため車体重量のさらなる軽量化が可能であるこのようにアルミニウム製部材やマグネシウム製部材を使用する際には鉄ボルトよりもアルミボルトを用いて締結した方が軽量化の効果が高いため欧州を中心としてアルミボルトの採用が広がっている図ボルト向けアルミニウム合金線の要求特性と材質ボルト用のアルミニウム合金線にはボルトに加工された後に締結に必要な強度を有し 150 という高温下においてもこれを維持する耐熱性が求められるまた応力腐食割れ 4 を起こさない耐食性も求められるさらにボルトの製造を可能とするための加工性も求められる図 3 にアルミボルトの一般的な製造工程を示す材料であるアルミニウム合金線は富山住友電工のような線材メーカーで製造され加工硬化材や軟化材で出荷される合金線はボルトメーカーで所望の長さに切断された後ボルトヘッド部を複数回の鍛造加工にて成形されるそして溶体化時効処理によって T6 材 5 にされた後最後に転造加工 6 によってねじ溝部を形成されアルミボルトとなるボルト製造工程に於いて最も厳しい加工はボルトヘッド部の鍛造加工であるヘッドの形状にもよるがこの鍛造における変形量を圧縮率に直すとおよそ 70 % に相当するアルミボルト用の合金線にはこのような変形をしても割れたり表面に皺を生じさせたりしない鍛造加工性が求められるボルトの素材と必要な肉厚の関係左 : アルミボルト使用右 : 鉄ボルト使用表 2 に構造用アルミニウム合金の一般的な性質を示す自動車用ボルトには強度耐熱性耐食性加工性という 4 つの要求を比較的高い次元で兼ね揃える 6000 系図 3 アルミボルトの一般的な製法年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 18 3 号 ( 79 )

表 2 (Al-Mg-Si 系 ) 合金が適している近年欧州では国際合金記号の 6056 に相当する 6000 系の高強度アルミニウム合金が自動車用のボルトに使用されている 6056 アルミニウム合金の組成を表 3 に示すまた 6056 アルミニウム合金を使用した自動車用ボルトの代表的な機械的特性を表 4 に示す 4.

ルトヘッド部の鍛造加工は可能であるが筆者らは 6056 アルミニウム合金の鍛造加工性を改善することによりボルトメーカーにおける歩留まり向上に貢献できると考え検討を開始したアルミニウム合金の一般的性質分類強度加工性耐熱性耐食性 2000 系 (Al-Cu 系 ) 5000 系 (Al-Mg) 6000 系汎用 (Al-Mg-Si 系 ) 高強度 7000 系

3 表 2 (Al-Mg-Si 系 ) 合金が適している近年欧州では国際合金記号の 6056 に相当する 6000 系の高強度アルミニウム合金が自動車用のボルトに使用されている 6056 アルミニウム合金の組成を表 3 に示すまた 6056 アルミニウム合金を使用した自動車用ボルトの代表的な機械的特性を表 4 に示す 4. 自動車ボルト向け 6056 アルミニウム合金線の開発 4 1 開発方針先述の通りボルト向けのアルミニウム合金線には加工硬化材や軟化材の状態でボルトヘッドの冷間鍛造に耐える鍛造加工性を有することが求められるしかし 6056 アルミニウム合金は機械的強度や耐熱性耐食性に優れる一方で理由は後述するが一般的には鍛造が比較的難しい合金に分類される現状でもボルトヘッド部の鍛造加工は可能であるが筆者らは 6056 アルミニウム合金の鍛造加工性を改善することによりボルトメーカーにおける歩留まり向上に貢献できると考え検討を開始したアルミニウム合金の一般的性質分類強度加工性耐熱性耐食性 2000 系 (Al-Cu 系 ) 5000 系 (Al-Mg) 6000 系汎用 (Al-Mg-Si 系 ) 高強度 7000 系 (Al-Zn 系 ) 表アルミニウム合金の組成 (wt %) Si Mg Fe Cu Mn Cr Zn Ti+Zr 0.7 ~ 1.3 表 ~ 以下 0.5 ~ ~ 1.0 ~ ~ 0.7 合計 ~ アルミニウム合金を使用した自動車用ボルトの機械的特性引張り強さ 400MPa 0.2 % 耐力 360MPa 伸び 8 % 4 2 鍛造加工性低下のメカニズムと対策方針鍛造加工のような塑性変形を行う際素材に不均質性があると相対的に弱い部分が優先的に変形して表面に皺が生じたり応力が局部に集中して割れが生じたりといった不良が発生しやすい上述の不均質性には (1) 粗大な晶出物 (2) 結晶粒経のバラツキがあり鍛造加工性の向上にはこれらを両方とも抑制する必要があるこのうち (1) 粗大な晶出物は主に鋳造工程で生じ (2) 結晶粒径のバラツキは主に圧延 ~ 伸線工程で生じるボルト向けのアルミニウム合金線として欧州を中心に使用されている 6056 アルミニウム合金は 6000 系合金の中で特に添加元素の濃度が高い合金であるこのような高濃度合金は鋳造時に成分が偏析しやすく晶出物の粗大化が生じやすいことが鍛造加工性が低下する主たる原因だと考えられるそこで筆者らは 6056 アルミニウム合金のような高濃度合金であっても粗大な晶出物を生じさせないよう鋳造工程を改良し加えて圧延 ~ 伸線条件を最適化することで結晶粒径のバラツキを抑制すれば 6056 アルミニウム合金の鍛造加工性を向上させることが可能だと考えた 4 3 鋳造工程の改良一般に粗大な晶出物は鋳造時の冷却速度が速いほど生じにくいそこで筆者らは鋳造におけるモールドの冷却効率を改善しよりいっそう冷却速度を速めることによって粗大な晶出物の低減を狙ったそしてシミュレーションを駆使しながらモールド形状や鋳造条件を最適化しさらにホットスポットが生じないように冷却方向も精密に制御した結果 6056 アルミニウム合金のような高濃度合金であっても粗大な晶出物をほとんど生じさせずに鋳造することに成功した 4 4 圧延 ~ 伸線工程の改良次にこの鋳物に対し微細組織制御技術を駆使して圧延伸線条件を最適化したその結果結晶粒径のバラツキを低減することに成功した以上により不均質性即ち粗大な晶出物や結晶粒径のバラツキが少ない 6056 アルミニウム合金線を作製することに成功した 4 5 開発材の微細組織図 4 に改良前の工程で作製した 6056 アルミニウム合金線 ( 以下不均質材 ) ならびに改良後の工程で作製した 6056 アルミニウム合金線 ( 以下開発材 ) の加工硬化材での EBSD 7 像を示す同図 4 開発材の EBSD 像左 : 不均質材 ( 改良前 ) 右 : 開発材 100 µm ( 80 ) 自動車用ボルト向け 6056 アルミニウム合金線

じ色で塗りつぶされた部分が一つの結晶粒であるが不均質材と比較して開発材の粒径は非常に均質であることが分かる 4 6 開発材の鍛造加工性ボルトヘッドへの鍛造加工を模擬するため開発材ならびに不均質材の加工硬化材から線径 : 高さ= 1 : 2 となるように試験片を切り出し圧縮率 85 % まで段階的に圧縮変形させたその外観を表 5 に示す圧縮率 85 %

4 じ色で塗りつぶされた部分が一つの結晶粒であるが不均質材と比較して開発材の粒径は非常に均質であることが分かる 4 6 開発材の鍛造加工性ボルトヘッドへの鍛造加工を模擬するため開発材ならびに不均質材の加工硬化材から線径 : 高さ= 1 : 2 となるように試験片を切り出し圧縮率 85 % まで段階的に圧縮変形させたその外観を表 5 に示す圧縮率 85 % で加工したサンプルの外観を比較すると不均質材では割れが発生していたのに対し開発材では割れが生じていなかった開発材の限界圧縮率は 85 % 以上と非常に高いことが確認されたまた割れを生じていない圧縮率 75 % で加工したサンプルの外観を比較すると不均質材には表面に深い皺が認められたのに対し開発材は非常に滑らかであった以上から開発材は非常に良好な鍛造加工性を有していることが確認された 85 % 以上という限界圧縮率はボルトヘッド部の鍛造加工における圧縮率 70 % に対して十分なマージンを有する値と考えられる 90 % 以上保っており良好な耐熱性を有していることが確認された 5. 結言表 6 開発材 (T6 材 ) の機械的特性開発材 6056 市販材 ( 代表値 ) ( 代表値 ) ( 最小値 ) 引張り強さ [MPa] % 耐力 [MPa] 伸び [%] 表 7 開発材 (T6 材 ) の耐熱性熱処理前 150 熱処理後引張り強さ [MPa] % 耐力 [MPa] SEI グループの富山住友電工と住友電気工業は自動車表 5 開発材の圧縮試験結果用のボルト向けとしてニーズが高まっている 6056 アルミニウム合金線を開発したこの合金線は晶出物が微細に結晶粒径が均質に制御されており引張り強さ 420MPa 耐力 375MPa という高い機械的特性と 85 % という高い限界圧縮率を併せ持つこの高い鍛造加工性はボルトメーカーにおける歩留まり向上などに貢献できると期待される今後は合金成分の最適化を進め 6056 アルミニウム合金規格を越えた SEI グループ独自の新規合金を創成しより高強度な 6000 系合金の開発を進めていく 4 7 開発材の機械的特性アルミボルトへの加工後の特性に近い T6 材の機械的特性を表 6 に示す開発材は引張り強さ耐力伸びの全ての項目で 6056 の市販材と同等の特性を示した開発材は高い鍛造加工性に加え 6056 アルミニウム合金線として標準的な高い機械的強度を併せ持っていることが確認された以上から開発材を材料として作製したボルトは自動車向けアルミボルトの要求する特性値を十分に満たすと推測されるまた T6 後に 150 の長時間熱処理を加えた後の機械的特性を表 7 に示す開発材は熱処理後も機械的強度を用語集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーアルミニウム合金の名称 6056 は国際合金記号に基づく合金番号で Al-Mg-Si を主成分とする組成の合金である 2 アルミニウムハーネスアルミニウム合金を電線の素材として使用し電源供給や信号通信に用いられる複数の電線を束にした車載用の集合部品 3 導電率電気の流れやすさを示す指標電気抵抗率 µΩm の軟銅を 100 とした時の比率で示され単位は % IACS 年 7 月 S E I テクニカルレビュー第 18 3 号 ( 81 )

4 応力腐食割れ腐食性の環境におかれた金属材料に引張応力が作用して生ずる亀裂状の割れ材料応力環境の 3 要因が重なった場合に発生する執筆者

材溶体化処理後積極的に冷間加工を行わないで人工時効硬化処理した状態の材料桑原鉄也 : エレクトロニクス材料研究所グループ長博士 ( 工学 ) 6 転造加工棒状の素材を回転させながら転造ダイスと呼ばれる工具に挟み込んでねじ部を成形する塑性加工の一種中井由弘 : エレクトロニクス材料研究所部長 7

(1991) (2) 村上陽太郎他編アルミニウム材料の基礎と工業技術軽金属協会 441p.(1985) (3) 山野能章他アルミハーネスの開発 SEI テクニカルレビュー第 179 号 81-88p.(2011) (4) 馬場義雄他編アルミニウム技術便覧新版カロス出版 1322p.

5 4 応力腐食割れ腐食性の環境におかれた金属材料に引張応力が作用して生ずる亀裂状の割れ材料応力環境の 3 要因が重なった場合に発生する執筆者岩山功 * : エレクトロニクス材料研究所 5 T6 材溶体化処理後積極的に冷間加工を行わないで人工時効硬化処理した状態の材料桑原鉄也 : エレクトロニクス材料研究所グループ長博士 ( 工学 ) 6 転造加工棒状の素材を回転させながら転造ダイスと呼ばれる工具に挟み込んでねじ部を成形する塑性加工の一種中井由弘 : エレクトロニクス材料研究所部長 7 EBSD 後方散乱電子回折を利用して試料の結晶粒の方位を解析する分析方法高木義幸 : 富山住友電工技術部主査北村真一 : 富山住友電工技術部課長参考文献 (1) 花木康真他連続鋳造圧延法によるアルミ合金の開発住友電気第 139 号 83-87p.(1991) (2) 村上陽太郎他編アルミニウム材料の基礎と工業技術軽金属協会 441p.(1985) (3) 山野能章他アルミハーネスの開発 SEI テクニカルレビュー第 179 号 81-88p.(2011) (4) 馬場義雄他編アルミニウム技術便覧新版カロス出版 1322p.(1996) (5) 雄谷重夫監修アルミニウム技術鋳鍛造技術便覧カロス出版 1410p.(1991) (6) 林央他編アルミニウムハンドブック第七版日本アルミニウム協会 324p.(2007) 斉藤英敏 : 富山住友電工技術部部長 * 主執筆者 ( 82 ) 自動車用ボルト向け 6056 アルミニウム合金線

古河電工時報第137号（2018年2月）

古河電工時報第137号（2018年2月）特集 OneF 自動車 Development of High Strength Aluminum Alloy Wire 吉田祥 * Sho Yoshida 関谷茂樹 * Shigeki Sekiya 水戸瀬賢悟 * Kengo Mitose 概要産業電線用のを行った Al-Mg-Si 系合金において,Mg 及び Si の添加量が, 導電率, 引張り強さ及び伸びに与える影響を調査し, 比較的細い径の電線においても実用に耐えうる特性を得ることを目的にMg