JP2006509107A - アルミニウム厚板のエッジ・オン応力緩和 - Google Patents

Abstract

本発明によると、残留応力レベルの低いアルミニウム合金プレートの製造方法であって、かつ溶体化熱処理および焼入れを施した、厚さが少なくとも５インチのアルミニウム合金プレートを供給すると共に、該プレートの最長端部または二番目に長い端部に沿って全体で０．５〜５％の割合の永久凝固を伴う少なくとも一回の圧縮過程を施すことにより、該プレートの応力を緩和することからなる製造方法が提供される。本方法によると、圧縮過程を施すプレートの寸法は、該プレートの最長端部または二番目に長い端部に沿って、該プレートの厚さの二倍を超え、かつ八倍未満であることが望ましい。さらに本発明によると、Ｗ_tot特性が優れ、また残留応力および異質性の値が小さい、応力緩和された合金およびプレートが提供される。

Description

本発明は、一般的に、高い機械的特性を示すアルミニウム合金厚板の応力緩和法に関するもので、それによるとプレートの厚さに沿った残留応力レベルが低減でき、その結果、機械加工後のひずみが減少する。

厚板は、通常、高い機械的特性を持たせるために熱処理する。従来の方法には、高温下での溶体化処理、それに続く冷却過程、および応力緩和過程というプロセスが含まれる。溶体化熱処理および焼入れ処理を施したアルミニウムプレートを最長方向に沿って引き伸ばすと、前記プレートの残留応力を低減し得ることがあることが知られている。

Ｊ．Ｃ．ＢｏｙｅｒおよびＭ．Ｂｏｉｖｉｎの論文「焼入れしたプレートの残留応力緩和に関する数値計算（”Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ−ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ｐｌａｔｅｓ”）」（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｏｃｔｏｂｅｒ １９８５、ｖｏｌ １、ｐ．７８６−７５３）には、理論的計算が含まれているが、それによると、ＡＡ７０７５合金による焼入れしたプレートを厚さ方向に圧縮した場合、残留応力を低減し得ることが示唆されている。
このことは、以下の論文で確認されており、すなわち、ＡＡ７０１０合金による試験シリンダで得た実験結果をもとにした、Ｐ．Ｊｅａｎｍａｒｔ、Ｂ．Ｄｕｂｏｓｔ、Ｊ．ＢｏｕｖａｉｓｔおよびＭ．Ｐ．Ｃｈａｒｕｅの論文「焼入れおよび圧縮応力緩和後の高強度アルミニウム合金鍛造品における残留応力の有限要素計算（”Ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｆｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｖｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒｇｉｎｇｓ”）」（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｄｉｓｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．２，ｐ．５８７−５９４（ＤＧＭ １９８７）に発表されたもの）、および
もう一つの論文、厚さ方向に圧縮した試験片における測定をもとにした、Ｙ．Ａｌｔｓｃｈｕｌｅｒ、Ｔ．ＫａａｔｚおよびＢ．Ｃｉｎａの論文「高強度アルミニウム合金の冷間加工による残留応力緩和（”Ｒｅｌｉｅｆ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ａ ｈｉｇｈ−ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｂｙ ｃｏｌｄ ｗｏｒｋｉｎｇ”）」（”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ”、ＡＳＴＭ ＳＴＰ ９９３、Ｌ．Ｍｏｒｄｆｉｎ、Ｅｄ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、１９８８、ｐ．１９−２９）に発表されたもの）とによって確認されている。

１９９０年代中ごろ以降、厚さ方向に圧縮することによって応力緩和を行い（続いて時効によりＴ７４５２焼戻しした）焼入れを施した７ｘｘｘ合金によるプレートが、航空機のいくつかの構造構成要素の製造に使用されてきている（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１０−１２ Ｍａｒｃｈ １９９７、Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ｐ．２３３−２３６）に発表されたＴ．Ｂａｉｎｓの論文「７０５０アルミニウム合金による改鋳鍛造ブロックにおける残留応力（”Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ７０５０ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｒｅｓｔｒｕｃｋ ｆｏｒｇｅｄ ｂｌｏｃｋ”）」を参照のこと）。厚さ方向に圧縮するこの方法は、特に後続のＴ７５４２焼戻しのための時効処理との関係において徹底的に研究された。
ＡＡ７０５０プレートの時効応答に与える圧縮の影響については、Ｋ．Ｅｓｃｏｂａｒ、Ｂ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ、Ｊ．Ｏｒｔｉｚ、Ｐ．Ｎｇｕｙｅｎ、Ｄ．Ｂｏｗｄｅｎ、Ｊ．Ｆｏｙｏｓ、Ｊ．Ｏｇｒｅｎ、Ｅ．Ｗ．ＬｅｅおよびＯ．Ｓ．Ｅｓ−Ｓａｉｄの「アルミニウム合金７０５０における残留応力の管理について（”Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ７０５０”）」という標題付きの最近の出版物（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ、Ｖｏｌｓ．３９６−４０２、ｐ．１２３５−１２４０（２００２））において分析されている。
Ｎ．ＹｏｓｈｉｈａｒａおよびＹ．Ｈｉｎｏの計算および実験的証拠（「７０７５アルミニウム合金における残留応力の除去技術」（”Ｒｅｍｏｖａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ７０７５ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ”）、ＩＣＲＳ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ＩＩＩ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｖｏｌ．２、ｐ．１１４０−１１４５（１９９２））によると、小型の７０７５合金ブロックの場合、いわゆるアップヒル焼入れ方法（Ｔ７３５３と称する）に比して、圧縮（Ｔ７３５３）のほうが残留応力の緩和に対してより効果的であるとされている。

米国特許第６，１５９，３１５号明細書および米国特許第６，４０６，５６７Ｂ１号明細書（共に、Ｃｏｒｕｓ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｗａｌｚｐｒｏｄｕｋｔｅ ＧｍｂＨに譲渡されている）には、溶体化熱処理および焼入れを施したアルミニウム合金プレートの応力緩和法が開示されているが、この方法には、応力緩和冷間機械的引き伸ばしと応力緩和冷間圧縮の組合わせが含まれており、冷間引き伸ばしは長手方向に、また冷間圧縮は厚さ方向に施される。
米国特許第６，１５９，３１５号明細書 米国特許第６，４０６，５６７Ｂ１号明細書 Ｊ．Ｃ．ＢｏｙｅｒおよびＭ．Ｂｏｉｖｉｎ著「焼入れしたプレートの残留応力緩和に関する数値計算（"Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ−ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｉｎ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ｐｌａｔｅｓ"）」（Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｏｃｔｏｂｅｒ １９８５、ｖｏｌ １、ｐ．７８６−７５３） Ｐ．Ｊｅａｎｍａｒｔ、Ｂ．Ｄｕｂｏｓｔ、Ｊ．ＢｏｕｖａｉｓｔおよびＭ．Ｐ．Ｃｈａｒｕｅ著「焼入れおよび圧縮応力緩和後の高強度アルミニウム合金鍛造品における残留応力の有限要素計算（"Ａ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｆｔｅｒ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｒｅｌｉｅｖｉｎｇ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙｓ ｆｏｒｇｉｎｇｓ"）」（Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｄｉｓｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｉｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、ｖｏｌ．２，ｐ．５８７−５９４（ＤＧＭ １９８７）） Ｙ．Ａｌｔｓｃｈｕｌｅｒ、Ｔ．ＫａａｔｚおよびＢ．Ｃｉｎａ著「高強度アルミニウム合金の冷間加工による残留応力緩和（"Ｒｅｌｉｅｆ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ａ ｈｉｇｈ−ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｂｙ ｃｏｌｄ ｗｏｒｋｉｎｇ"）」（"Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ"、ＡＳＴＭ ＳＴＰ ９９３、Ｌ．Ｍｏｒｄｆｉｎ、Ｅｄ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ、１９８８、ｐ．１９−２９） Ｔ．Ｂａｉｎｓ 著、「７０５０アルミニウム合金による改鋳鍛造ブロックにおける残留応力（"Ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ７０５０ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｒｅｓｔｒｕｃｋ ｆｏｒｇｅｄ ｂｌｏｃｋ"）」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、１０−１２ Ｍａｒｃｈ １９９７、Ｓｔ．Ｌｏｕｉｓ、ｐ．２３３−２３６） Ｋ．Ｅｓｃｏｂａｒ、Ｂ．Ｇｏｎｚａｌｅｚ、Ｊ．Ｏｒｔｉｚ、Ｐ．Ｎｇｕｙｅｎ、Ｄ．Ｂｏｗｄｅｎ、Ｊ．Ｆｏｙｏｓ、Ｊ．Ｏｇｒｅｎ、Ｅ．Ｗ．ＬｅｅおよびＯ．Ｓ．Ｅｓ−Ｓａｉｄ著「アルミニウム合金７０５０における残留応力の管理について（"Ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ７０５０"）」（Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ、Ｖｏｌｓ．３９６−４０２、ｐ．１２３５−１２４０（２００２）） Ｎ．Ｙｏｓｈｉｈａｒａ、Ｙ．Ｈｉｎｏ著、（「７０７５アルミニウム合金における残留応力の除去技術」（"Ｒｅｍｏｖａｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｉｎ ７０７５ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ"）、ＩＣＲＳ Ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｔｒｅｓｓ ＩＩＩ、Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｖｏｌ．２、ｐ．１１４０−１１４５（１９９２））

本発明によると、残留応力レベルの低いアルミニウム合金プレートの製造方法であって、かつ厚さが少なくとも５インチあり、さらに最長端部および選択自由に二番目に長い端部を有する、溶体化熱処理および焼入れを施したアルミニウム合金プレートを供給すると共に、該プレートの最長端部または二番目に長い端部に沿って全体で０．５〜５％の割合の永久ひずみを伴う少なくとも一回の圧縮過程を施すことにより、該プレートの応力を緩和することからなる製造方法が提供される。本方法によると、圧縮過程を施すプレートの寸法は、該プレートの最長端部または二番目に長い端部に沿って、該プレートの厚さの二倍を超え、かつ八倍未満であることが好ましい。

さらに本発明によると、Ｗ_tot特性が優れ、また残留応力および異質性の値が小さい、応力緩和された合金およびプレートが提供される。

本発明のさらなる目的、特徴および利点については以下の説明の中で述べるが、その一部はその説明から明らかであろうし、また本発明を実施することによっても知ることができよう。本発明の目的、特徴および利点は、特に添付の各請求の範囲で指摘した手段および組み合わせによって実現することができ、また得ることができる。

本発明細書の中に盛り込まれ、その一部となっている添付図面は、本発明に関する現在の好ましい実施形態を説明したもので、上述した一般的な説明および以下に述べる好ましい実施形態と共に、本発明の原理の説明に供するものである。

図１は、Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することによる応力緩和の概略図である。左側は透視図で、右側は食いつきを示す断面図である。
図２は、Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することにより応力緩和した後の典型的な残留応力状態（ＭＰａで表したσ_T）を示したものである（ここに示したモデルは、ＳおよびＴ方向に対称であるため、実際のプレートの四分の一になっている）。
図３は、Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することにより応力緩和した後のプレートの幅の中央におけるＴ方向の厚さに沿った予想応力プロファイルを示したものである。
図４は、Ｓ方向に圧縮することにより応力緩和した後に測定し、ここで述べる方法によって評価した、Ｔ方向の厚さに沿った実験的予想応力プロファイルを示したものである。
図５は、バーの各側面に接着した各ストレインゲージの状態を示したものである。
図６は、バーを半分真二つに切断して、各ストレインゲージの歪を測定する状態を示したものである。
図７は、１／２のバーを二つ並置して機械加工する状態を示したものである。
図８は、エッジ・オン応力緩和の概要を示したものである。
図９は、Ｓ−Ｌ平面をＴ方向に圧縮することにより応力緩和した後の典型的な残留応力状態（ＭＰａで表したσ_T）を示したものである（ここに示したモデルは、ＳおよびＴ方向に対称であるため、実際のプレートの四分の一になっている）。
図１０は、Ｓ−Ｌ平面をＴ方向に圧縮することにより応力緩和した後のプレートの幅の中央における、Ｔ方向の厚さに沿った予想応力プロファイルを示したものである。
図１１は、圧縮によりエッジ・オン応力緩和した後に測定した、Ｔ方向の厚さに沿った実験的応力プロファイルを示したものである。
図１２は、本明細書を通じて使用した表記システムを示したものである。
図１３は、ミーリング加工後の歪データを採取するための適切な手順を概略的に示したものである。

本発明の詳細な説明

（導入および課題）
熱処理可能なアルミニウム合金の厚板、特に２ｘｘｘ、６ｘｘｘおよび７ｘｘｘシリーズの厚板を機械加工する場合、それらの厚板は可能な限り低い残留応力レベルを呈することが望ましい。さもなければ、機械加工の過程において加工中の製品に変形が起こることになる。引き伸ばしや圧縮は、こうしたプレートにおける残留応力を低減するための手段である。

従来技術の方法による圧縮は、工業的には、図１に示すように最短寸法（すなわちＳ方向）に沿って押圧する一組のダイスを用いて、大型プレス上で行うことができる。しかしパワー上の制限により、プレートの全面積に比して圧縮表面を比較的小さくする必要があるため、連続した多数の圧縮過程が要求されることになる。そこで最大限の応力緩和を確保するためには、プレート／ブロック全体を通じて塑性変形を保証すべく、各圧縮過程ごとに重なりを含めることになる。

この種の従来技術の方法における主要な欠点の一つは、その結果が非一様で、かつ一般的には残留（あるいは内部）応力のレベルが高くなることにある。図２および図３は、７ｘｘｘシリーズアルミニウム合金による１２”×４７” ×１１８”のプレートをＳ方向に２．５％圧縮した後、数値シミュレーションによって得られた「典型的な」残留応力状態を示したものである。この従来技術の方法では、プレートの重なり部分および中央部に高い残留応力のレベルが認められる。

図４は、Ｓ方向に応力緩和した７０１０アルミニウム合金製の１６”×５５”×６４”のプレートにおける残留応力状態の実験的証拠を示したものである。厚さに沿った応力プロファイルは、以下に述べる残留応力測定法によって得られたものである。このプロファイルは、それぞれプレートの長手方法のさまざまな場所において採取されたものである。これらのプロファイルは、応力状態の異質性が確認される。

こうした残留応力があると、冷間圧縮自体の期間中、あるいはそれに続く時効または仕上げのような処理過程において亀裂が発生し、伝搬することがある。さらに残留応力のレベルがこのように高いと高レベルのひずみが起こり、さらにプレート／ブロックの機械加工時に亀裂が発生する恐れがある。

（厚板における残留応力評価法の説明）
厚板における残留応力は、たとえば以下の論文に記載されている方法を用いて評価される。
Ｆ．Ｈｅｙｍｅｓ、Ｂ．Ｃｏｍｍｅｔ、Ｂ．Ｄｕｂｏｓｔ、Ｐ．Ｌａｓｓｉｎｃｅ、Ｐ．Ｌｅｑｕｅｕ、およびＧ．Ｍ．Ｒａｙｎａｕｄ著、「航空機用無ひずみ機械加工アルミニウム構成要素のための新合金の開発（”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｅｗ Ａｌｌｏｙ ｆｏｒ Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ Ｆｒｅｅ Ｍａｃｈｉｎｅｄ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ”）」、１ｓｔ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｎｏｎ−Ｆｅｒｒｏｕｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、 １０−１２ Ｍａｒｃｈ １９９７−Ａｄａｍｓ’ｓ Ｍａｒｋ Ｈｏｔｅｌ、Ｓｔ Ｌｏｕｉｓ、Ｍｉｓｓｏｕｒｉ、に述べられている方法を用いて評価することができるものであり、なおこの論文は、本明細書の中で参照として援用する。

多くの場合、この方法は、引き伸ばしたプレートに適用されるが、その残留応力状態は、ＬおよびＴの方向を二つの主要な成分とする二軸であり（すなわちＳ方向には残留応力は存在しない）、そのため残留応力のレベルはＳ方向にのみ変化すると合理的に考えることができる。この方法は、プレートをＬ方向およびＴ方向に沿って切断した全厚の矩形バーにおいて測定した、これら二方向における残留応力の評価に基づいたものである。これらのバーについてはＳ方向に沿ってステップ・バイ・ステップに機械加工し、次いで各ステップにおいて該機械加工したバーの歪および／またはたわみ、ならびに厚さを測定する。最も好ましい方法は、バーの半分の長さの所にある機械加工した面の反対側の面に固定したストレインゲージを用いて歪を測定する方法である。こうして、ＬおよびＴ方向における二つの残留応力プロファイルを計算することができる。

冷間圧縮によって応力緩和した厚板（すなわち、厚さが５インチを超える厚板、特に５〜４０インチの厚板）を取り扱う場合にはこの方法を修正する必要があるが、その理由は、こうした厚板の残留応力のレベルがＬ方向に周期的に変動するのが一般的だからである。実際従来技術によると、圧縮方向はＬ−Ｔ平面に垂直であるため、プレート全体にわたる応力を緩和するためには一連の重なり圧縮過程が必要とされる。そのため、上述した方法では、こうしたプレートからＬ方向に切り取ったバーにおいて応力レベルを評価することは不可能となる。しかし、サンプルバーの幅が十分小さくて、ＬおよびＳ方向の応力を緩和することができれば、Ｔ方向に切り取ったバーのサンプルの応力レベルを評価することは可能となる。

したがって、プレートのＴ方向に切断した全厚のバーにおける応力レベルを測定することによって、鍛造プレートにおける残留応力のレベルを評価することができる。Ｔ方向に切り取るバーは可能な限り薄く切断するが、同時に機械加工の容易さを損なうことがないよう十分に厚く、すなわち０．５〜２．５インチ、より好ましくは０．９〜１．５インチの厚さににする。良い妥協策としては、幅が約１．２”のバーを使用することである。なおこのバーは十分に長くして、測定にエッジ効果が及ばないようにすべきである。最も好ましいのは、プレートの厚さの三倍未満の長さにしないことである。

厚さが１２”を超えるプレート／ブロックの場合、全厚のバーの機械加工によって生じる歪の変動はきわめて小さくなるであろうから、そのため、ストレインゲージによって感知することはできないことになる。この問題を解決するため、機械加工する前に最初の全厚のバーを半分真二つに切断する方法が考案された。こうするとバーの取扱いが容易になり、また機械加工の時間も短縮される。本発明の有益な方法の一つによると、熱膨張平衡をとった二つの単一方向ストレインゲージをバーの半分の長さの所で、かつバーの反対側の各面に接着する（図５を参照）。これらのストレインゲージをストレインゲージの供給者の取扱説明書に従って表面に固定した後、絶縁ワニスを塗布する。そして各ストレインゲージの読みをゼロに設定する。

次いでこのバーを半分真二つに切断して、二つのストレインゲージで測定した各歪を平均することにより平均緩和歪ε_mを計算する。次いで二つのハーフバーを並行にして次々に機械加工する（図６および図７を参照）。

測定は、機械加工の各パスの後に行うことが有利である。応力計算の基礎として十分な数の点を得るためには、パス回数を必要なレベルに、たとえば１０回と４０回の間に、一般的には１８回と２５回の間に設定することがある。機械加工の良好な品質を確保するためには、ミーリングパスの深さは０．０４”未満でないことが望ましく、また０．８”までとすることが有利となる場合がある。

機械加工の各パスの後、１／２の各バーを万力から外し、機械加工後のバーにおける温度分布が均一になるよう、歪測定を行う前に安定化する時間をおくことができる。

各ステップｉ毎に、ミーリング加工した後、ストレインゲージから得られる１／２の各バーの厚さｈ（ｉ）および１／２の各バーの歪ε（ｉ）を収集する。図１３は、これらのデータを採取するための適切な手順を概略的に示したものである。

これらのデータを用いると、ステップｉの期間中に除去された層における平均残留応力に対応した、次式で与えられるσ_1/2bar（ｉ）_Tの形によるバーの残留応力のプロファイルを計算することができる。
ｉ＝１からＮ−１までの値に対して、

ここにＥは金属プレートのヤング率である。

フル・バーにおける残留応力は、１／２の各バーにおける残留応力をもとに次式を用いて容易に求めることができる。

σ_Tbar（ｉ）＝σ_1/2bar（ｉ）_T − σ_fl（ｉ）
ここにσ_fl（ｉ）は、機械的平衡によって生じる１／２の各バーにおける曲げ応力である。

このσｆｌ（ｉ）については、１／２の各バーにおける切断前の残留応力の厚さに沿った合計はゼロであるという仮定を設けることにより、古典的な梁の計算原理を用いて求めることができる。そこで次式を得ることは簡単である。

σ_fl（ｉ）＝Ｅε_m［１−４（ｈ（ｉ）/ｈ）］

最後に、バーにおける蓄積弾性エネルギーについては、残留応力値をもとに次式を用いて計算することができる。

ｋＪ／ｍ³で表した全平均蓄積弾性エネルギーＷ_totは、次のように定義される。

ここにσ_ijは応力テンソルであり、ε_ijは歪テンソルである。

ここに、残留応力のレベルの大幅な低減を確保する、プレートおよび／またはブロックの圧縮応力緩和に関する新しい方法を提案する。なおここで「プレート」および「ブロック」という用語は、ともに互換可能に使用されており、本発明による方法に従って圧縮処理することができる製品を指すものとする。本方法は、とりわけ、アルミニウム合金のプレートまたはブロックのＬまたはＴ方向に沿った０．５〜５％の永久ひずみを伴う好ましくは圧縮、すなわち図８に示すように、プレートまたはブロックの最長端部または二番目に長い端部に沿った押圧に関係したものである。この方法は、ここでエッジ・オン応力緩和と称し、この方法が適用可能なのは、厚さが５”と４０”の間で、また圧縮（荷重）方向の長さがその厚さの二倍を超え、かつ八倍未満であることが望ましいプレートまたはブロックに対してである。圧縮すべきプレート／ブロックの表面積を上述したＳ方向における応力緩和に比して著しく低減することにより、圧縮過程の数、したがって重なりの数が大幅に低減する（２０，０００トンプレスの場合で、通常２回ないし３回）。全蓄積弾性エネルギーＷ_totで測定した応力緩和効率が非常に高いため、圧縮後のＷ_totのレベルは、同様の圧縮負荷をかけて行う標準の短横断方向の応力緩和に比して、５０％あるいはそれ未満となることが多い。圧縮は８０℃未満の温度で行うことが有利であり、さらに４０℃未満の温度で行うことが望ましい。好ましい実施形態では、前記圧縮は、圧縮領域が少なくとも部分的に重なるようにして最大三過程で行う。

図９および図１０は、７ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金による１２”×４７”×１１８”のプレートに対して２．５％のエッジ・オン圧縮を施した後の数値シミュレーションによって得られた「典型的な」残留応力状態を示したものである。図５および図６に比して、残留応力状態の異質性および平均値のレベルが共に大幅に低減していることが分かる。

数値シミュレーションによって予測し、ｋＪ／ｍ³で表した全平均蓄積弾性エネルギー（Ｗ_tot）を用いると、残留応力のレベルのさらなる比較を行うことができる。７ｘｘｘシリーズのアルミニウム合金による厚さ１２”の同一プレートに対して、同一の圧縮率２．５％のもとでＳ方向に沿って圧縮した場合のＷ_totは６５ｋＪ／ｍ³となったが、一方エッジ・オン圧縮を施した場合のＷ_totは１４ｋＪ／ｍ³であった。したがって、残留応力のレベルは４の因数で低減したことになる。

図１１は、本発明による方法に従って、圧縮方向がブロックの最長端部に平行になるように応力緩和した７０１０アルミニウム合金製の１６”×４５”×４６”のブロックにおける残留応力状態の実験的証拠を示したものである。厚さに沿った残留応力プロファイルは、少なくとも部分的に重なった圧縮過程を少なくとも四回行う標準の方法によって応力緩和したブロックで観測されたもの（図７を参照）に比して著しく低減しており、また場所による依存度も減少する傾向を示した。特性の方向における蓄積弾性エネルギーＷ_Tbarを用いることにより、さらなる比較を行うことができる（これは、全弾性エネルギーの一部を表しているに過ぎないが、比較目的としては有益な指標である）。図７に示した二つの実験的応力プロファイルに対して得られたＷ_Tbarの値は、重なり領域の内側および外側に対してそれぞれ３．５ｋＪ／ｍ³および０．３７ｋＪ／ｍ³であった。

ブロックの最長寸法に沿った一つの圧縮過程により応力緩和した同一ブロックに対して実験的に得られたＷ_Tbarの値を、二つの異なった試験バーについて比較すると、それぞれ０．０６ｋＪ／ｍ³および０．１４ｋＪ／ｍ³であった（図１１に示すプロファイルを参照）。この結果は、本発明による方法によって得られた残留応力のレベルが大幅に低減していることを確認するものである。

本発明による好ましい製品は、厚さが５インチと４０インチの間のアルミニウム合金による展伸プレート製品であって、かつ前記プレートは溶体化熱処理して焼入れし、次いで全体で０．５〜５％の割合の永久ひずみを伴う圧縮によって応力緩和されるが、その場合、Ｔ方向の蓄積弾性エネルギーＷ_Tbarは０．５ｋＪ／ｍ³未満、好ましくは０．３ｋＪ／ｍ³未満である。

本発明による製品は、プラスチックやゴム用の型のような射出成形の型の製造、吹き型やロトモールド用型の製造、機械加工した機械部品、および翼桁のような航空機用構造部材の製造に使用することができる。

本発明は、長さＬと幅ＷがＬ×Ｗ＞１ｍ²、さらにはＬ×Ｗ＞２ｍ²となるような厚板にとって特に有利である。好ましい実施形態によると、前記厚板の厚さは４０インチ未満、好ましくは１０インチと３０インチの間である。本発明による方法は、シリーズ２ｘｘｘ、６ｘｘｘまたは７ｘｘｘによる合金製プレートに適用すると有利である。溶体化熱処理および焼入れを施す前の前記プレートは、圧延および／または鍛造を含むプロセスによって丹念に仕上げられているということもある。

当業者にとって、さらなる利点、特徴および変形形態は容易に思いつくであろう。したがって幅広い観点から見た場合、本発明は、ここに示しまた説明した特定の詳細や代表的装置に限定されるものではない。それ故、添付の請求の範囲およびその等価物によって定義した発明の一般的概念の精神または範囲を逸脱することなく、さまざまな変形形態を生成することができる。

ここで、そして以下の請求の範囲において使用している「ｔｈｅ」、「ａ」および「ａｎ」のような冠詞は単数または複数を暗示することがある。

ここに参照した全ての文書については、その全文を本明細書中で参考として援用する。

Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することによる応力緩和の概略図である。左側は透視図で、右側はバイトを示す断面図である。 Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することにより応力緩和した後の典型的な残留応力状態（ＭＰａで表したσＴ）を示したものである（ここに示したモデルは、ＳおよびＴ方向に対称であるため、実際のプレートの四分の一になっている）。 Ｌ−Ｔ平面をＳ方向に圧縮することにより応力緩和した後のプレートの幅の中央におけるＴ方向の厚さに沿った予想応力プロファイルを示したものである。 Ｓ方向に圧縮することにより応力緩和した後に測定し、ここで述べる方法によって評価した、Ｔ方向の厚さに沿った試験的予想応力プロファイルを示したものである。 バーの各側面に接着した各ストレインゲージの状態を示したものである。 バーを半分に切断して、各ストレインゲージの歪を測定する状態を示したものである。 １／２のバーを二つ並置して機械加工する状態を示したものである。 エッジ・オン応力緩和の概要を示したものである。 Ｓ−Ｌ平面をＴ方向に圧縮することにより応力緩和した後の典型的な残留応力状態（ＭＰａで表したσＴ）を示したものである（ここに示したモデルは、ＳおよびＴ方向に対称であるため、実際のプレートの四分の一になっている）。 Ｓ−Ｌ平面をＴ方向に圧縮することにより応力緩和した後のプレートの幅の中央における、Ｔ方向の厚さに沿った予想応力プロファイルを示したものである。 圧縮によりエッジ・オン応力緩和した後に測定した、Ｔ方向の厚さに沿った試験的応力プロファイルを示したものである。 本明細書を通じて使用した表記システムを示したものである。 ミーリング加工後の歪データを採取するための適切な手順を概略的に示したものである。

Claims (17)

1. 残留応力のレベルの低いアルミニウム合金プレートの製造方法であって、
   かつ前記製造方法が、
   ａ）最長端部および選択自由に二番目に長い端部を有し、さらに厚さが少なくとも５インチある、溶体化熱処理および焼入れを施したアルミニウム合金プレートを供給すると共に、
   ｂ）該プレートの最長端部または二番目に長い端部に沿って、全体で０．５〜５％の割合の永久ひずみを伴う圧縮によって該プレートの応力を緩和することからなる方法であって、
   さらに圧縮するプレート端部が、該プレートの厚さの二倍を超え、かつ八倍未満である製造方法。
2. 前記プレートがシリーズ２ｘｘｘ、６ｘｘｘまたは７ｘｘｘの合金からなる、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記プレートの厚さが４０インチ未満である、請求項１または請求項２に記載の製造方法。
4. 前記プレートの厚さが１０インチと３０インチの間である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の製造方法。
5. 溶体化熱処理および焼入れを施す前の前記プレートが、圧延および／または鍛造を含むプロセスによって丹念に仕上げられている、請求項１〜４のいずれか一つに記載の製造方法。
6. 前記圧縮が、圧縮領域が少なくとも部分的に重なるようにして最大三過程で行われる、請求項１〜５のいずれか一つに記載の製造方法。
7. 前記圧縮が８０℃未満の温度で行われる、請求項１〜６のいずれか一つに記載の製造方法。
8. 前記圧縮が４０℃未満の温度で行われる、請求項１〜７のいずれか一つに記載の製造方法。
9. 厚さが５インチと４０インチの間のアルミニウム合金による展伸プレート製品であって、かつ前記プレートが溶体化熱処理して焼入れし、次いで全体で０．５〜５％の割合の永久ひずみを伴う圧縮によって応力緩和されるが、その場合、Ｔ方向の蓄積弾性エネルギーＷ_Tbarが０．５ｋＪ／ｍ³未満である展伸プレート製品。
10. 前記展伸プレート製品において長さＬと幅ＷがＬ×Ｗ＞１ｍ²であるような、請求項９に記載のアルミニウム合金による展伸プレート製品。
11. 前記展伸プレート製品において長さＬと幅ＷがＬ×Ｗ＞２ｍ²であるような、請求項９または請求項１０に記載のアルミニウム合金による展伸プレート製品。
12. Ｗ_Tbarが０．３ｋＪ／ｍ³未満である、請求項９〜１１のいずれか一つに記載のアルミニウム合金による展伸プレート製品。
13. アルミニウム合金プレートを事前決定した方向に圧縮することからなる前記プレートの応力緩和方法であって、かつ全蓄積エネルギーＷ_totで表した前記圧縮後の前記応力緩和効率が、標準の短横断方向の応力緩和に比して、５０％あるいはそれ未満である応力緩和方法。
14. 機械加工製品の製造のための、請求項９〜１２のいずれか一つに記載のアルミニウム合金による展伸プレートの使用。
15. 射出成形鋳型の製造のための、請求項９〜１２のいずれか一つに記載のアルミニウム合金による展伸プレートの使用。
16. 航空機用構造部材の製造のための、請求項９〜１２のいずれか一つに記載のアルミニウム合金による展伸プレートの使用。
17. 航空機用翼桁の製造のための、請求項９〜１２のいずれか一つに記載のアルミニウム合金による展伸プレートの使用。
    
    

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