JP2003183725A - 熱処理方法およびその熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成型時に作業ワーク内部に蓄積した内部応力
を効果的に除去し、寸法安定性を向上させる熱処理技術
を提供する。 【解決手段】 溶体化処理などの本処理する前処理工程
として、ワークＷを焼き鈍し処理するアニール手段１０
０を設け、ワークＷを熱風循環式の高速昇温炉を用いて
高速加熱し、加工時にワークＷ内に蓄積した内部応力を
除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鋳造や鍛造によっ
て成型されたアルミニウム合金などの成型品の熱処理技
術に関し、さらに詳しく言えば、成型時に作業ワーク内
部に蓄積した内部応力を効果的に除去し、寸法安定性を
向上させる熱処理技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車部品の多くは、省エネルギー、省
資源など環境問題を抱え、軽量化やリサイクル化が図ら
れてきている。そこで、最近の自動車用部品には、低比
重かつ高強度なアルミニウム合金やマグネシウム合金と
いった非鉄金属材料がよく用いられている。その代表的
な自動車用部品の１つにホイールがある。

【０００３】ホイールは、大まかに分けてディスク部と
リム部の２部材から構成されている。ディスク部は車軸
に取り付けられ、車重を支える十分な強度が要求され
る、リム部はタイヤを保持するため、真円度や重量バラ
ンスなどが高精度であることが要求される。加えて、車
はバネ下重量をできるだけ小さくした方が操縦安定性な
ど運動性能が向上するため、できるだけ軽量に設計する
ことが好ましい。

【０００４】これらホイールの多くは、今まで鋳造ホイ
ールが主流であったが、最近ではより軽量で強い鍛造ホ
イール、とりわけディスク部とリム部とを一体に鍛造成
型した１ピース型の鍛造ホイールが出回り始めている。
１ピース鍛造ホイールは、ビレットを鍛造でディスク部
とリム部とを粗成型したバルクホイールを一旦焼き鈍し
処理した後、スピニング加工によって一気に成型品に加
工される。

【０００５】ところで、金属材料は鍛造などの塑性変形
を加えることにより、内部の転位密度が高まり、転位同
士が複雑に絡み合うことにより、加工硬化する。換言す
れば、加工硬化の進んだ金属材料は内部応力（加工応
力）が非常に高い状態にある。そこで、内部に蓄積した
加工応力を一旦除去するために熱処理（焼き鈍し：アニ
ーリング）を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、強加工
によって内部応力が高い状態にある金属材料を通常の熱
処理炉を使って熱処理する場合、次のような問題があっ
た。すなわち、例えばホイールに加工されたワークは、
リム部やディスク部などの肉厚の薄い部分と厚い部分と
に部分的に厚さが異なる。

【０００７】したがって、厚さの異なる部分では昇温速
度が異なるため、その質量差に起因する熱膨張応力が不
均一となり、その結果、非定常状態から定常状態に至る
までの時間が、肉厚の薄い部分は早く、厚い部分は遅い
という時間差が生じた。

【０００８】この時間差によって、結晶の回復速度は不
均一となり、さらに弾塑性変形によっても、外的および
内的な寸法誤差を生じてしまう。外的な寸法誤差は、後
加工による削り代を多く取らなくてはならず、コストア
ップにつながる。内的な寸法誤差（応力誤差）は、内部
に残留する応力が不均一に分布するため、温度など使用
状態によって精度が低下する。

【０００９】通常、熱処理は定常状態の熱挙動（拡散係
数など）を理想状態として行われるもので、非定常状態
の熱挙動は考慮されていない。したがって、熱処理はで
きる限り非定常状態を短くして定常状態に近づけること
が望ましい。これはすなわち、ワーク全体をできる限り
高速に定常状態に昇温することである。これにより、非
定常状態が短くなり、寸法誤差をできる限り小さく抑え
ることができる。

【００１０】そこで、本発明は上述した課題を解決する
ためになされたものであって、その目的は、熱風循環式
の高速昇温炉を使って、ワークを急速に昇温して焼き鈍
すことにより、成型時に作業ワーク内部に蓄積した内部
応力を効果的に除去し、寸法安定性を向上させる熱処理
技術を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明は、あらかじめ鋳造もしくは鍛造成型され
た作業ワークを熱風循環式の高速昇温炉にて高速に定常
状態へと昇温する高速昇温工程の前処理工程として、熱
風循環式の高速昇温炉を用いて上記作業ワーク内に蓄積
した内部応力を除去するアニール工程を実施することを
特徴としている。

【００１２】これによれば、作業ワークを熱風循環式の
高速昇温炉を使ってアニール処理（焼き鈍し処理）する
ことにより、ワーク全体を高速かつ短時間で昇温するこ
とが可能で、内部応力を効果的に除去できるため、寸法
誤差を小さくすることができる。

【００１３】なお、より熱処理時間を短縮するために
も、上記アニール工程に使用する上記高速昇温炉は、上
記高速昇温工程とは別の高速昇温炉を使用することが好
ましい。

【００１４】より具体的な態様としては、炉室内に向け
て配置されたバーナなどの加熱手段と、上記加熱手段に
より加熱された上記炉室内の雰囲気を強制的に循環する
循環ファンとを備えた熱風循環式の高速昇温炉からな
り、作業ワークを高速に定常状態へと昇温する高速昇温
手段と、上記高速昇温手段を経て定常状態に保持された
上記作業ワークを溶体化処理温度にて所定時間保持する
溶体化処理手段と、溶体化処理された上記作業ワークを
焼入処理する焼入手段と、焼入処理された上記作業ワー
クを所定の条件下で時効硬化させる時効硬化手段と、上
記回復処理手段、上記高速昇温手段、上記溶体化処理手
段、上記焼入手段および上記時効硬化手段による一連の
作業手段に上記作業ワークを運搬する運搬手段とを備え
る熱処理装置において、上記高速昇温手段の前処理手段
として、上記作業ワーク内部に蓄積した内部応力を除去
するためのアニール手段がさらに設けられている熱処理
装置であることが好ましい。

【００１５】上記アニール手段は、上記高速昇温手段と
は別の上記高速昇温炉と、上記別の高速昇温炉にて昇温
された上記作業ワークを大気放冷するための放冷手段と
からなることが好ましい。

【００１６】本発明の熱処理装置に用いる作業ワーク
は、鍛造品だけでなく、鋳造品を用いてもよい。すなわ
ち、鋳造時に冷却速度の違いによって作業ワーク内に蓄
積した内部応力をも効果的に除去でき、このような鋳造
品でっても寸法安定性を向上させることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の具体的な実施形態
について図面を参照しながら説明する。図１には、本発
明の一実施形態に係る熱処理装置の模式図が示されてい
る。この熱処理装置１０は、ワークＷを焼き鈍し処理す
るアニール手段１００と、アニールされたワークＷを再
び高速に昇温する高速昇温手段２００と、高速昇温手段
２００により昇温されたワークＷを溶体化処理するため
の溶体化処理手段３００と、溶体化処理されたワークＷ
を焼き入れする焼入手段４００と、焼入処理された作業
ワークＷを時効硬化処理する時効硬化処理手段５００お
よび一連の処理に際して、ワークＷを運搬する運搬手段
６００とを備えている。

【００１８】各装置を説明する前に、運搬手段６００は
図示しない保管場所に保管されたワークＷを熱処理装置
１０へと供給する送りコンベアー６１０と、ワークＷを
各処理手段１００〜５００に送り込むロボットアーム６
２０と、処理済みのワークＷを図示しない保管庫へと移
動する戻りコンベアー６３０とから構成されている。

【００１９】この実施形態において、各装置１００〜５
００は、ロボットアーム６２０の回転軌道範囲内に同心
的に配置されており、図１において、各装置１００〜５
００は、時計回りにアニール手段１００、高速昇温手段
２００、溶体化処理手段３００、焼入手段４００および
時効硬化処理手段５００の順に配置されている。

【００２０】アニール手段１００は、上記従来例でも説
明した熱風循環式の高速昇温炉からなるアニール炉１１
０と、アニール済のワークＷを大気放冷するための放冷
棚１２０（放冷手段）とからなり、この実施形態の熱処
理装置１０には、１基のアニール炉１１０と、２基の放
冷棚１２０が設けられている。

【００２１】この実施形態において、アニール炉１１０
はいわゆる熱風循環方式を採用したタイプであれば、そ
の大きさや構造などは特に限定されない。また、放冷棚
１２０は多段式のものを採用しているが、これ以外の構
成であってもよい。

【００２２】ワークＷを高速かつ均一に昇温するための
熱風循環式の高速昇温炉の一例を図３に示す。この高速
昇温炉１は、側面にワーク搬入口２２を有する耐火壁２
１によって囲まれ、下部にバーナなどの加熱手段Ｂが設
けられた炉室２と、炉室２内に同心的に配置された円筒
状のワーク収納室３と、ワーク収納室３の上部開口３３
側に設けられた循環ファン（ラジアルファン）４とから
構成されている。

【００２３】ワーク収納室３内部にはワークＷを載置す
る載置棚３１が設けられており、この載置棚３１と平行
して炉室２のワーク搬送口２２に連通したワーク搬送路
３２が一体的に設けられている。ワーク搬送口２２の外
壁面にはワーク搬送口２２を閉塞するための扉Ｄが開閉
可能に設けられている。

【００２４】循環ファン４を作動させることにより、加
熱手段Ｂにより直接的に加熱されたワーク収納室３内の
熱風は、上部開口３３より吸い上げられ炉室２とワーク
収納室３との間の循環通路５を渦流となって下降した
後、再び加熱手段Ｂのバーナ炎とともにワーク収納室３
の下部開口３４よりワーク収納室３へと導かれる。

【００２５】高速昇温手段２００は、上記アニール炉１
１０と同じ熱風循環式の高速昇温炉２１０，２２０から
なり、この実施形態において高速昇温炉２１０，２２０
は、平行に２基設置されている。

【００２６】溶体化処理手段３００は、ワーク取入口３
０１およびワーク取出口３０２をそれぞれ個別に有する
大型の熱風循環式の溶体化処理炉からなり、炉内には溶
体化処理時間に応じて所定速度で回転するドーナツ状の
載置棚３０３が設けられている。この実施形態において
載置棚３０３には、一度に８ピースのワークＷを載置で
きるようになっている。

【００２７】焼入処理手段４００は、内部に急冷用の水
が貯留された焼入水槽からなり、溶体化処理手段３００
に隣接して配置されている。この実施形態において、焼
入水槽内部には、焼入水を循環する循環手段が設けられ
ており、ワークＷに焼入による冷却ムラが入らないよう
に工夫されている。

【００２８】時効処理手段５００は、上記溶体化処理手
段３００と同じくワーク取入口５０１およびワーク取出
口５０２をそれぞれ個別に有する大型の熱風循環式の熱
処理炉からなり、炉内には時効処理時間に応じて所定速
度で回転するドーナツ状の載置棚５０３が設けられてい
る。この実施形態においても載置棚５０３には、一度に
８ピースのワークＷを載置できるようになっている。

【００２９】次に、図２のヒートパターンを併せて参照
し、本発明の熱処理方法について説明する。なお、この
実施形態において使用するワークＷは、６０００系の代
表的な時効硬化型アルミニウム合金からなる、鍛造１ピ
ースアルミホイールを用いた。

【００３０】まず、送りコンベアー６１０にて送られて
きた加工済ワークＷをロボットアーム６２０を使って、
アニール手段１００にてアニール処理する。この実施形
態において、アニール炉は、炉内雰囲気温度が５３５〜
５５５℃に設定されており、この中にワークＷを約３〜
４分に投入する。

【００３１】アニール炉１１０内に３〜４分投入された
ワークＷは、約３００〜４００℃まで高速昇温される。
このときワークＷ内部に蓄積した内部応力は、均一に解
放され、加工時にワークＷに生じた寸法誤差を小さくす
ることができる。アニール炉１１０から出されたワーク
Ｗは、順番に応じて放冷棚１２０，１３０に載置され、
室温まで大気放冷される。

【００３２】アニール処理されたワークＷは、次に高速
昇温手段２００に供される。まず、放冷棚１２０，１３
０上で放冷されたワークＷをロボットアーム６２０にて
高速昇温炉２１０，２２０に投入する。この実施形態に
おいて、高速昇温炉２１０，２２０は、炉内雰囲気温度
が５４５℃に設定されており、この中にワークＷを約７
分に投入し、設定された溶体化処理温度（定常状態）ま
で高速に昇温する。

【００３３】これによれば、ワークＷが非定常状態にあ
る時間を短くすることができ、熱ムラによって生じる寸
法誤差を最小限に留めたまま、溶体化処理工程にワーク
Ｗを搬送することができる。なお、この実施形態におい
て高速昇温炉２１０，２２０は２基設置されているが、
設置数は規模に応じて任意に設定できる。

【００３４】高速昇温炉２１０，２２０によって昇温さ
れたワークＷは、次にロボットアームによってワーク取
入口３０１から溶体化処理炉内の載置棚３０３上に載せ
られ溶体化処理される。この実施形態において、溶体化
処理炉は、炉内雰囲気温度が５４５±２．５℃に設定さ
れており、この中にワークＷを約９６分間放置した後、
ワーク取出口３０２から取り出し、焼入処理手段４００
にて焼き入れする。

【００３５】溶体化処理によれば、ワークＷ内に固溶す
る固溶元素が、ベースマトリックス内に固溶原子を完全
に溶け込ませた状態から急冷することで過飽和状態を常
温まで保つことができ、強度などの機械的性質が向上す
る。

【００３６】溶体化処理した後、次にワークＷは時効処
理手段５００に投入される。焼入手段４００を出たワー
クＷは、ロボットアーム６２０を介してワーク取入口５
０１から時効処理炉内へと搬送される。この実施形態に
おいて、時効処理炉は、炉内雰囲気温度が１６０±２．
５℃に設定されており、この中に昇温時間も含めて約９
６分間ワークＷを放置する。時効処理後、ワークＷはワ
ーク取出口５０２から取り出され、戻りコンベアー６３
０上を移動しながら冷却され、一連の熱処理工程が終了
する。

【００３７】

【実施例】次に、本発明のより具体的な実施例につい
て、比較例とともに説明する。まず、熱処理用の供試材
として、６０００系アルミニウム合金製の鍛造１ピース
アルミホイールを用意し、それらをアニール処理→大気
放冷→高速昇温処理→溶体化処理→焼入処理→時効処理
の順に熱処理した。なお、各処理時間は、炉内昇温時間
も含めたものである。

【００３８】その後、熱処理によるホイール全体の歪を
測定するためディスク部やリム部などの複数箇所の寸法
を計測し、あらかじめ熱処理前に計測しておいた同部位
の寸法と照らし合わせて、その平均寸法誤差と最大寸法
誤差をそれぞれ算出した。また、比較例としてアニール
処理のせずに通常の熱処理のみ施したものを別途用意
し、その寸法誤差も測定した。以下に、その測定結果を
示す。

【００３９】 《実施例１》 〔アニール処理〕設定温度：５４５℃、処理時間：３．５分 〔溶体化処理〕 設定温度：５５５℃、処理時間：６０分 〔焼入処理〕 設定温度：７２℃ 、処理時間：２分 〔時効処理〕 設定温度：１４５℃、処理時間：６０分 〔寸法誤差〕 〔平均歪〕 ０．１４ｍｍ 〔最大歪〕 ０．３５ｍｍ

【００４０】 《実施例２》 〔アニール処理〕設定温度：５４５℃、処理時間：３．５分 〔溶体化処理〕 設定温度：５５５℃、処理時間：６０分 〔焼入処理〕 設定温度：７２℃ 、処理時間：２分 〔時効処理〕 設定温度：１４５℃、処理時間：６０分 〔寸法誤差〕 〔平均歪〕 ０．０５ｍｍ 〔最大歪〕 ０．２５ｍｍ

【００４１】 〈比較例１〉 〔アニール処理〕設定温度：なし、 処理時間：なし 〔溶体化処理〕 設定温度：５５５℃、処理時間：６０分 〔焼入処理〕 設定温度：２２℃ 、処理時間：２分 〔時効処理〕 設定温度：なし、 処理時間：なし 〔寸法誤差〕 〔平均歪〕 ０．４１ｍｍ 〔最大歪〕 ０．８６ｍｍ

【００４２】以上の結果のまとめを表１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】以上の結果より以下のような知見を得た。
すなわち、アニール処理を実施することにより、平均歪
で０．２７〜０．３６ｍｍ（最大歪で０．５１〜０．６
１ｍｍ）の誤差が小さくなり、熱処理による寸法安定性
が約５０％向上する。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
溶体化処理や時効処理といった本処理の前処理として、
ワークをアニール処理（焼き鈍し処理）する工程をさら
に備えることにより、加工によってワーク内に蓄積した
内部応力を効果的に除去でき、寸法誤差を小さくするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る熱処理装置の模式
図。

【図２】上記熱処理装置のヒートパターンを示した模式
図。

【図３】温風循環式の高速昇温炉の一例を示す模式図。

【符号の説明】

１ 高速昇温炉 １０ 熱処理装置 １００ アニール手段 １１０ アニール炉 １２０，１３０ 放冷棚 ２００ 高速昇温手段 ２１０，２２０ 高速昇温炉 ３００ 溶体化処理手段（溶体化処理炉） ４００ 焼入手段 ５００ 時効処理手段 ６００ 運搬手段 ６１０ 送りコンベアー ６２０ ロボットアーム ６３０ 戻りコンベアー Ｗ ワーク

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 あらかじめ鋳造もしくは鍛造成型された
   作業ワークを熱風循環式の高速昇温炉にて高速に定常状
   態へと昇温する高速昇温工程の前処理工程として、熱風
   循環式の高速昇温炉を用いて上記作業ワーク内に蓄積し
   た内部応力を除去するアニール工程を実施することを特
   徴とする熱処理方法。
2. 【請求項２】 上記アニール工程に使用する上記高速昇
   温炉は、上記高速昇温工程とは別の高速昇温炉を使用す
   る請求項１に記載の熱処理方法。
3. 【請求項３】 炉室内に向けて配置されたバーナなどの
   加熱手段と、上記加熱手段により加熱された上記炉室内
   の雰囲気を強制的に循環する循環ファンとを備えた熱風
   循環式の高速昇温炉からなり、作業ワークを高速に定常
   状態へと昇温する高速昇温手段と、上記高速昇温手段を
   経て定常状態に保持された上記作業ワークを溶体化処理
   温度にて所定時間保持する溶体化処理手段と、溶体化処
   理された上記作業ワークを焼入処理する焼入手段と、焼
   入処理された上記作業ワークを所定の条件下で時効硬化
   させる時効硬化手段と、上記回復処理手段、上記高速昇
   温手段、上記溶体化処理手段、上記焼入手段および上記
   時効硬化手段による一連の作業手段に上記作業ワークを
   運搬する運搬手段とを備える熱処理装置において、 上記高速昇温手段の前処理手段として、上記作業ワーク
   内部に蓄積した内部応力を除去するためのアニール手段
   がさらに設けられていることを特徴とする熱処理装置。
4. 【請求項４】 上記アニール手段は、上記高速昇温手段
   とは別の上記高速昇温炉と、上記別の高速昇温炉にて昇
   温された上記作業ワークを大気放冷するための放冷手段
   とからなる請求項３に記載の熱処理装置。
5. 【請求項５】 上記作業ワークは、鋳造品もしくは鍛造
   品からなる請求項３または４に記載の熱処理装置。