JP2002275603A - 熱処理型アルミニウム合金押出材のプレス焼入れ方法及びプレス焼入れ用冷却装置 - Google Patents

熱処理型アルミニウム合金押出材のプレス焼入れ方法及びプレス焼入れ用冷却装置

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JP2002275603A
JP2002275603A JP2001077150A JP2001077150A JP2002275603A JP 2002275603 A JP2002275603 A JP 2002275603A JP 2001077150 A JP2001077150 A JP 2001077150A JP 2001077150 A JP2001077150 A JP 2001077150A JP 2002275603 A JP2002275603 A JP 2002275603A
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press
quenching
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Toshinori Meki
利教 目木
Hitoshi Kawai
仁 川井
Toshiyuki Kobayashi
利行 小林
Masakazu Hirano
正和 平野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 押出し直後の熱処理型アルミニウム合金押出
材をプレス焼入れする際、焼入れ不良の発生を防止し、
かつ押出材の断面変形や曲がりの発生を防止する。 【解決手段】 コンプレッサー22と、押出材の周囲及
び押出材の経路に沿って列をなして配置された複数の圧
縮空気増幅器21を備え、最出側の圧縮空気増幅器21
aの圧縮空気導管26に給水用のホース36が設置され
たプレス焼入れ用冷却装置。圧縮空気増幅器21、21
aはコンプレッサー22からある流量の圧縮空気を受け
取り、押出材表面に向かう流量の増幅した冷却空気の流
れを発生させる。圧縮空気は押出材をファン空冷の数倍
の速度で冷却し、さらに最出側では圧縮空気がミストを
含み、押出材を急冷する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、2000系、40
00系、6000系、7000系等の熱処理型アルミニ
ウム合金からなる押出材のプレス焼入れ方法及びそのた
めの冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】熱処理型アルミニウム合金押出材は、一
般にオンラインによるプレス焼入れ又はオフラインによ
る溶体化・焼入れ処理を行った後、時効処理を施してい
る。ここで時効処理を施すのは、押出材の強度を向上さ
せ、かつ組織を安定化し使用中に自然時効が進行して機
械的特性が劣化するのを防止するためである。水冷によ
るプレス焼入れは、押出後再加熱する溶体化・焼入れ処
理とほぼ同等の特性が得られる利点があるが、ミスト冷
却を含めその冷却速度が×10℃/分(数万℃/分)
のレベルであり、押出材の断面形状や肉厚の差等に基づ
いて断面で冷却速度に差が生じやすく、冷却中に温度分
布が不均一となって歪みが発生し、断面変形、曲がりな
どが発生する。
【0003】一方、空冷によるプレス焼入れは、通常の
ファン空冷の場合、冷却速度は最大でも×10℃/分
(数百℃/分)のレベルであり、冷却歪みが発生しない
という利点がある。なお、図7はファン空冷の場合のフ
ァンの配置を示すもので、1はファン、2はステム、3
は押盤、4はコンテナ、5はダイリング、6はダイス、
7はバッカー、8はボルスター、9はサブボルスター、
10はダイスライド、11はプレスプラテン、12はビ
レット、13は押出材である。
【0004】しかし、ファン空冷は冷却速度が小さいた
め、合金組成又は断面形状によっては焼入れ不良とな
り、時効処理後に高い強度(特に耐力)が得られないと
いう問題がある。そのほか、ファン空冷には、次のよう
な問題がある。押出材の冷却ゾーンを長くとる必要が
あるため多数のファンを配置する必要があり、かつその
結果、製品冷却のためのファンの消費電力が増大する。
ファン配置のムラにより、押出材が停止したとき(例
えば次のビレットの装填時)、冷却が完了していない部
分に冷却速度差が発生し、押出方向にスポット的な品質
の低下(機械的性質の変化、焼入れ不良)が起きやす
い。ファン空冷は冷却ゾーンが長いため、前記の品
質が低下する部分が長い。実操業では、最上流側のフ
ァン1をダイス6からある程度離して配置せざるを得
ず、押出材に対する冷却開始が遅れ、これが結果的にさ
らに冷却速度を小さくしている。また、このダイスから
冷却開始地点までの距離は、押出材が停止したときの未
冷却部となり、冷却速度が極端に遅くなるため品質が安
定せず、オフゲージとして廃棄され、歩留り低下の要因
となっている。なお、水冷装置又はミスト冷却装置の場
合も、プレスプラテン11からある程度離して配置され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、プレス焼入
れにおける従来の水冷及びファン空冷の上記問題点に鑑
み、押出材の断面変形や曲がりの発生を抑え、同時に焼
入れ不良を起こさずプレス焼入れを行うことを目的とし
てなされたものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、押出し直後の
熱処理型アルミニウム合金押出材をプレス焼入れする方
法において、押出材の経路に沿って配置された複数個の
圧縮空気増幅器による増幅された冷却空気の流れを押出
材の外表面に当てて冷却を行うことを特徴とする。ある
いは、圧縮空気増幅器による増幅された冷却空気の流れ
を押出材の外表面に当てて冷却し、続いてその下流側に
おいてミスト又は水を媒体とした急冷を行うことを特徴
とする。いずれの場合も、前記圧縮空気増幅器の少なく
とも一部をプレスプラテン内に配置し、プレスプラテン
内で冷却を開始することができる。また、前記下流側の
急冷は、前記圧縮空気増幅器の下流側に水の供給がなさ
れる圧縮空気増幅器を配置し、ミストを含む増幅された
冷却空気の流れを押出材の外表面に当てることで行うこ
とができる。前記の急冷は、急冷した場合に断面変形や
曲がりが発生する限界温度以下で行うことが望ましい。
【0007】また、本発明において、押出し直後の熱処
理型アルミニウム合金押出材をプレス焼入れするための
冷却装置は、圧縮空気源と、押出材の周囲及び押出材の
経路に沿って配置された複数の圧縮空気増幅器を備え、
該圧縮空気増幅器は前記圧縮空気源からある流量の圧縮
空気を受け取り、押出材表面に向かう流量の増幅した冷
却空気の流れを発生させるものであることを特徴とす
る。この空冷部の下流側に、さらにミスト又は水を媒体
とする水冷部を配置することができる。いずれの場合
も、前記圧縮空気増幅器の少なくとも一部をプレスプラ
テン内に配置することができる。
【0008】前記水冷部には、水槽、水スプレー又はミ
スト等、適宜の冷却手段が配置される。あるいは、水冷
部を、前記圧縮空気源と同じか又は異なる圧縮空気源
と、押出材の周囲に配置された圧縮空気増幅器を備え、
さらに前記圧縮空気増幅器に水の供給を行うための給水
手段を設置したもので構成することができる。圧縮空気
増幅機は、前記圧縮空気源からある流量の圧縮空気を受
け取り、水を供給した場合は、ミストを含む流量の増幅
した冷却空気の流れを発生させ、押出材表面に向かわせ
る。
【0009】
【発明の実施の形態】本発明に係る冷却装置の一例を図
1及び図2に示す。この冷却装置は、複数個の圧縮空気
増幅器21を押出材の周囲に、かつその経路に沿って列
をなして配置し、大量の高速空気流を押出材13の表面
に周囲から当てて冷却するものである。なお、図1及び
図2において、22は圧縮空気源としてのコンプレッサ
ー、23は圧縮空気の分配器(中空のボックス)であ
る。圧縮空気増幅器21は、図3に示す例では、円筒体
24と同軸の環状体25からなり、導管26を介して分
配器23に連結されている。円筒体24は内外2層の円
筒形部分27、28を有し、その間に環状チャンバ29
が形成されている。環状体25は外周の一部が円筒形部
分28の内周端部に螺合し、後方に向けて拡大した内周
面30を有する。環状体25の前方側端部の面31は円
筒形部分27の後方端部の面との間に輪状の微小隙間3
2を形成し、該隙間32を除いて環状チャンバ29の後
方側を塞いでいる。
【0010】コンプレッサー22から送り出された圧縮
空気は分配器23及び導管26を介して環状チャンバ2
9内に流れ、隙間32を通って高速で半径方向内方に流
れ、円筒形部分27の後方端部の面から内周面への遷移
領域の面27aを通過する際、コアンダ効果の作用によ
って該遷移領域の面27aに沿って湾曲し、円筒形部分
27の軸方向に平行に流れる(実線矢印)。この高速空
気流により周囲の空気が巻き込まれ(矢印33)、その
結果、大量の空気の流れが軸方向に引き起こされる。こ
れにより、さらに周囲の空気の流れ(矢印34)が生
じ、高速空気流の風量が増幅される。なお、圧縮空気源
からある流量の圧縮空気を受け取り、流量の増幅した高
速空気の流れを発生させるこの種の圧縮空気増幅器は、
それ自体、公知のものである。
【0011】圧縮空気増幅器を用いた冷却装置によれ
ば、高速(流速30〜60m/秒)かつ大量の冷却空気
の噴射を押出材表面に当てることができるので、ファン
空冷(流速〜10m/秒程度)による冷却の最高冷却速
度の5〜10倍、すなわち、対象物の熱容量の大きさ
(具体的には平均肉厚(断面積/外周長))にもよる
が、×10℃/分(数千℃/分)のレベルの冷却速度
を実現できる。実験では、平均肉厚が1mm程度の熱処
理型アルミニウム合金押出形材について3000℃/分
以上、平均肉厚4mm程度でも500〜900℃/分の
冷却速度が達成された。
【0012】なお、圧縮空気増幅器の噴射出口の軸中心
と押出材表面との最短距離(該中心から押出材表面に垂
線を引いたときその長さ)を一定とし、表面の圧縮空気
増幅器の軸線の押出材表面に対する角度を種々変えて実
験したところ、噴射出口を押出方向に向けて傾斜させる
方が押出材に直角に向けるより冷却速度が速くなり、逆
に傾斜させすぎると被冷却面の面積が広くなり冷却速度
が遅くなる。実験的に、噴射出口を押出方向に向けて3
0〜60゜傾斜させるのが、より望ましいことが分かっ
た。
【0013】図4は、この冷却装置の冷却作用について
説明するため、熱処理型アルミニウム合金のTTP(Ti
me Temp. Property)曲線、及び各冷却方法のT−T(T
ime-Temp.)曲線を模式的に示したものである。ある熱
処理型アルミニウム合金のTTP線図が図4の位置にあ
るとき、Aのファン空冷の場合は冷却速度が小さいため
(×10℃/分のレベル)、T−T曲線がTTP曲線
にかかり、冷却途中で析出が起きて焼入れ不良となる。
一方、Bの水冷及びCのミスト冷却の場合は冷却速度が
大きく(×10℃/分のレベル)、焼入れはよく行わ
れるが、冷却速度が大きすぎ、押出材に断面変形、曲が
りなどが発生する。
【0014】圧縮空気増幅器を用いたこの冷却装置によ
れば、T−T曲線はDのようになり、TTP曲線にかか
らない。これは模式図に過ぎないが、実際、×10
/分のレベルの冷却速度であれば、ほとんどの熱処理型
アルミニウム合金についてプレス焼入れを問題なく行う
ことができ、かつ冷却速度が大きい分、冷却ゾーンをフ
ァン空冷に比べればけた違いに短縮することができる。
しかも、この冷却装置は構造が単純で小型化が可能であ
り、熱にも強く、押出材の経路の周囲に配置されるので
ランアウトプラーの邪魔にもならず、従って、図5に示
すように、一部をプレスプラテン11の空洞の中に配置
することができる。その場合、ファン空冷や水冷、ミス
ト冷却等に比べて冷却開始点が早まり、見かけ上の冷却
速度が上がることになる。そのほか、先に挙げたファン
空冷の問題点は、この冷却装置の場合は問題とならな
い。さらに、重要な点として、×10℃/分のレベル
の冷却速度であれば、熱処理型アルミニウム合金のプレ
ス焼入れにおいて、押出材の断面変形、曲がりなどが事
実上発生しない。加えて、押出材が高温で保持されてい
る時間が短くなり、ファン空冷に比べ粗大再結晶の抑制
効果が格段に高い利点がある。
【0015】ところで、上記冷却装置を用い、平均肉厚
(断面積/外周長)が大きい押出材をプレス焼入れする
場合、押出材が冷却装置(冷却ゾーン)を出てから、図
4のEに示すように、復熱による温度上昇又は温度停滞
が起きて、焼入れ不良(析出が生じて固容量が減り、時
効処理後強度が上がらない)となる場合がある。これ
は、多数の圧縮空気増幅器を配列して冷却ゾーンを長め
に設定し、低温域まで十分冷却することで防止できる
(それでもファン空冷に比べるとけた違いに短い冷却ゾ
ーンである)。また、低温域まで冷却した場合は多少復
熱しても問題にならない。しかし、その場合、能力の高
いコンプレッサーの必要性、ランニングコストのアップ
などの問題が出てくる。特に、押出材と空気の温度差が
小さくなる中低温域では冷却効率が低下するため、同じ
温度幅下げるにも圧縮空気増幅器をより多く配列する必
要がある。これは冷却ゾーンが長くなる原因となり、コ
ストアップ要因である。
【0016】次に、冷却ゾーンを短く設定しても押出材
に焼入れ不良を発生させず、むろん断面変形や曲がりの
発生も防止できる冷却装置の一例を図6に示す。この冷
却装置は、押出材13の周囲に配置された最出側の圧縮
空気増幅器21aの導管26の側壁に給水手段としての
ホース36を連結したもので、導管26を通して圧縮空
気増幅器21aに水が供給され、この圧縮空気増幅器2
1aからは増幅された圧縮空気と水のミストが高速で噴
射される。この点だけが、図1、2に示す冷却装置と異
なっている。最出側の圧縮空気増幅器21aによる冷却
はミスト冷却の一種であり、これにより×10℃/分
のレベルの冷却速度を得ることができる。従って、T−
T曲線は図4のFのようになり、押出材はこの圧縮空気
増幅器21aのところで急冷され、十分に低温となる。
【0017】一方、急冷により押出材に断面変形や曲が
りが発生するのは、冷却中の温度分布の不均一により発
生する熱収縮応力が材料の耐力を超える場合であり、熱
処理型アルミニウム合金では、概ね、押出材の表面温度
が250℃〜300℃以上の高温域において、×10
℃/分のレベルで急冷した場合に発生する。いいかえれ
ば、急冷した場合に断面変形や曲がりが発生する限界温
度(下限温度)が存在し、その限界温度以下の中低温域
で急冷しても断面変形や曲がりが発生することはない。
なお、この限界温度は、組成及び断面形状が決まればほ
ぼ一義的に決まる。
【0018】従って、圧縮空気増幅器21及び21a
を、押出材が高温域にあるときは、圧縮空気増幅器21
からの高速の圧縮空気のみによる冷却を行い、限界温度
(図4に直線Lで示す)以下の中低温域にきたところ
で、水を供給した圧縮空気増幅器21aによる急冷を行
うように配置することで、急冷による断面変形や曲がり
の発生を防止することができ、同時に冷却ゾーンのさら
なる短縮化を図ることができる。なお、圧縮空気増幅器
21aに対する給水は、それが必要な場合のみ行えばよ
い。
【0019】また、この焼入れ方法及び冷却装置によれ
ば、平均肉厚が大きい押出材の場合でも、十分低温域ま
で冷却することができるから、復熱があっても焼入れ不
良が起きるほどの温度上昇又は温度停滞を防止すること
は容易である。しかも、それが短い冷却ゾーンで可能と
なる。なお、上記の例では、急冷は最出側の圧縮空気増
幅器21aに水を供給して行ったが、本発明はこれに限
られない。別の圧縮空気増幅器を配置することもできる
し、水槽、水スプレー又はミスト等による従来型の冷却
に代えることもできる。
【0020】本発明は、例えば自動車フレーム等に用い
る口形、日形、田形、その他の断面の中空押出材に特に
好適に適用できるが、中空断面に限定されるわけではな
い。肉厚についても特に限定されるわけではないが、平
均肉厚約1〜5mmのものに対し特に有効に適用され
る。
【0021】
【発明の効果】本発明に係る焼入れ方法及び冷却装置
は、押出材の断面変形、曲がりなどを発生させることな
く、かつ焼入れ不良を発生させることなくプレス焼入れ
をすることが可能であり、これを従来のファン空冷に比
べてきわめて短い冷却ゾーン長さで実現できる。特に空
冷部に続いて水冷部を設けたときは、さらに冷却ゾーン
の短縮及び低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る冷却装置の斜視図である。
【図2】 その平面図(a)、正面図(b)及び側面図
(c)である。
【図3】 圧縮空気増幅器の断面図である。
【図4】 熱処理型アルミニウム合金のTTP曲線、及
び各冷却方法のT−T曲線を模式的に示したものであ
る。
【図5】 本発明に係る冷却装置の配置を説明する図で
ある。
【図6】 本発明に係る他の冷却装置の斜視図である。
【図7】 従来のファン空冷を説明する図である。
【符号の説明】
6 ダイス 11 プレスプラテン 13 押出材 21、21a 圧縮空気増幅機 22 コンプレッサー 23 空気分配器 26 導管 36 ホース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/00 612 C22F 1/00 612 626 626 630 630A 683 683 692 692A (72)発明者 小林 利行 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 平野 正和 山口県下関市長府港町14番1号 株式会社 神戸製鋼所長府製造所内 Fターム(参考) 4E029 SA02 SA05 4K034 AA01 AA10 BA03 FA01 FB00 FB09 GA03

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 押出し直後の熱処理型アルミニウム合金
    押出材をプレス焼入れする方法において、押出材の経路
    に沿って配置された複数個の圧縮空気増幅器による増幅
    された冷却空気の流れを押出材の外表面に当てて冷却を
    行うことを特徴とする熱処理型アルミニウム合金押出材
    のプレス焼入れ方法。
  2. 【請求項2】 前記圧縮空気増幅器の少なくとも一部を
    プレスプラテン内に配置し、プレスプラテン内で冷却を
    開始することを特徴とする請求項1に記載されたプレス
    焼入れ方法。
  3. 【請求項3】 押出し直後の熱処理型アルミニウム合金
    押出材をプレス焼入れする方法において、押出材の経路
    に沿って配置された複数個の圧縮空気増幅器による増幅
    された冷却空気の流れを押出材の外表面に当てて冷却
    し、続いてその下流側においてミスト又は水を媒体とし
    た急冷を行うことを特徴とする熱処理型アルミニウム合
    金押出材のプレス焼入れ方法。
  4. 【請求項4】 前記圧縮空気増幅器の少なくとも一部を
    プラテン内に配置し、プレスプラテン内で冷却を開始す
    ることを特徴とする請求項3に記載されたプレス焼入れ
    方法。
  5. 【請求項5】 前記圧縮空気増幅器の下流側に水の供給
    がなされる圧縮空気増幅器が配置され、これによりミス
    トを含む増幅された冷却空気の流れを押出材の外表面に
    当てて急冷を行うことを特徴とする請求項3又は4に記
    載されたプレス焼入れ方法。
  6. 【請求項6】 前記の急冷は、急冷した場合に断面変形
    や曲がりが発生する限界温度以下で行うことを特徴とす
    る請求項3〜5のいずれかに記載されたプレス焼入れ方
    法。
  7. 【請求項7】 熱処理型アルミニウム合金を押出成形し
    た後、請求項1〜6に記載されたいずれかの方法でプレ
    ス焼入れすることを特徴とする熱処理型アルミニウム合
    金押出材の製造方法。
  8. 【請求項8】 請求項1〜7のいずれかに記載された方
    法によってプレス焼入れされた熱処理型アルミニウム合
    金押出材。
  9. 【請求項9】 押出し直後の熱処理型アルミニウム合金
    押出材をプレス焼入れするための冷却装置において、圧
    縮空気源と、押出材の周囲及び押出材の経路に沿って配
    置された複数の圧縮空気増幅器を備え、該圧縮空気増幅
    器は前記圧縮空気源からある流量の圧縮空気を受け取
    り、押出材表面に向かう流量の増幅した冷却空気の流れ
    を発生させるものであることを特徴とする熱処理型アル
    ミニウム合金押出材のプレス焼入れ用冷却装置。
  10. 【請求項10】 押出し直後の熱処理型アルミニウム合
    金押出材をプレス焼入れするための冷却装置において、
    空冷部とその下流側に配置されたミスト又は水を媒体と
    する水冷部からなり、前記空冷部は、圧縮空気源と、押
    出材の周囲及び押出材の経路に沿って配置された複数の
    圧縮空気増幅器を備え、該圧縮空気増幅器は前記圧縮空
    気源からある流量の圧縮空気を受け取り、押出材表面に
    向かう流量の増幅した冷却空気の流れを発生させるもの
    であることを特徴とする熱処理型アルミニウム合金押出
    材のプレス焼入れ用冷却装置。
  11. 【請求項11】 前記圧縮空気増幅器の少なくとも一部
    をプレスプラテン内に配置したことを特徴とする請求項
    9又は10に記載された熱処理型アルミニウム合金押出
    材のプレス焼入れ用冷却装置。
  12. 【請求項12】 前記水冷部は、前記圧縮空気源と同じ
    か又は異なる圧縮空気源と、押出材の周囲に配置された
    圧縮空気増幅器を備え、該圧縮空気増幅器は前記圧縮空
    気源からある流量の圧縮空気を受け取り、押出材表面に
    向かう流量の増幅した冷却空気の流れを発生させるもの
    であり、さらに前記圧縮空気増幅器に水の供給を行うた
    めの給水手段が設置されていることを特徴とする請求項
    10又は11に記載された熱処理型アルミニウム合金押
    出材のプレス焼入れ用冷却装置。
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