JP2007146204A - アルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却歪みを抑制可能なアルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法を提供する。
【解決手段】Ａｌ−Ｓｉ系アルミニウム合金からなる薄肉鋳造品Ｗを共晶点近傍まで昇温させ、その温度で所定時間保持し、その後、複数のノズル５から鋳造品Ｗに対して冷却媒体を吹付けて急冷することにより溶体化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理方法または熱処理装置であり、ワークＷに対面させてワークＷに冷却媒体を吹付ける複数のノズル５を設け、各ノズル５から吹付け供給する冷却媒体の冷却能力を、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、ワークＷの当該冷却部位の肉厚に応じたものとした。
【選択図】図４

Description

本発明は、アルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法に関し、特に、薄肉部品に好適なアルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法に関するものである。

従来からＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金の鋳造鋳物を共晶点直下の温度まで急速に昇温し、該共晶点近傍に到達した後に急冷することで溶体化処理を行い、その後、各種の時効化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理方法が知られている（特許文献１参照）。

これは、アルミニウム合金材を、鋳造機において鋳造する第１工程と、鋳造されたピストン鋳造品を昇温室内で、熱発生機から内部に流入循環した高熱ガスによって、共晶点（５３０℃）近傍の約５２０℃までに急速に加熱する第２工程と、急速高温になったピストン鋳造品を、保持室内で冷却ファン装置によって雰囲気温度が均一になるように制御しながら、約３分間、各ピストン鋳造品がそれぞれ約５２０℃の温度に保持される第３工程とを備える。そして、ピストン鋳造品を、保持室から冷却用水槽内に投入して急速に冷却する第４工程と、その後に、急冷却したピストン鋳造品を、時効化炉内に投入して所定温度、時間で時効化処理を行う第５工程を備え、これによって熱処理を行うようにして、処理時間の短縮化とエネルギー消費を抑制しつつアルミニウム合金鋳物の十分な硬度を確保するようにしている。
特開２００５−１３３１０３号公報

ところで、上記従来例の熱処理方法を薄肉のアルミニウム合金材に適用した場合、第４工程において保持室から冷却用水槽内に投入して急速に冷却するものであるため、急速冷却に伴いワークに冷却歪みを生じ、特に、部品形状が複雑な場合には部品の部位の質量差により冷却速度に差が生じ、前記冷却歪みが顕著となることが懸念される。この冷却歪みは、冷却手段として冷却用水槽に代えて、冷却エアの吹付けにより急速冷却する場合においても、部品形状が複雑な場合には、同様に発生すると予想される。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、冷却歪みを抑制可能なアルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とする。

本発明は、アルミニウム合金からなる薄肉鋳造品を共晶点近傍まで昇温させ、その温度で所定時間保持し、その後、複数のノズルから鋳造品に対して冷却媒体を吹付けて急冷することにより溶体化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理方法または熱処理装置であり、ノズルから吹付け供給する冷却媒体の冷却能力を、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、ワークの当該冷却部位の肉厚に応じたものとする。

したがって、本発明では、ノズルから吹付け供給する冷却媒体の冷却能力を、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、ワークの当該冷却部位の肉厚に応じたものとするアルミニウム合金材の熱処理方法または熱処理装置とすることにより、均一な冷却効果を発揮させることができ、ワークの歪変形の発生を抑制することができる。

以下、本発明のアルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法を一実施形態に基づいて説明する。図１〜図６は、本発明を適用したアルミニウム合金材の熱処理装置および熱処理方法の第１実施形態を示し、図１は本実施形態の熱処理工程を示す工程図、図２は熱処理工程の急冷工程を示す平面図、図３はワークとしての自動車のドアビームの断面図および側面図、図４は急冷工程における第１実施例の冷却ブースの断面図、図５は急冷工程における第２実施例の冷却ブースの断面図、図６は冷却ノズルの概略断面図である。

図１において、アルミニウム合金材の熱処理方法は、アルミニウム合金材を鋳造機において鋳造し（Ｓ１）、凝固完了後に鋳造金型から薄肉鋳造品を取出し、湯口やバリを取り除いて仕上げ（Ｓ２）後に、加熱炉に投入し、内部に循環している高熱ガスによって共晶点近傍の例えば、約５２０℃まで加熱し、その状態で保温室において、例えば、６０〜９０分間保持される（Ｓ３）。

続いて、薄肉鋳造品は、搬送機によって保温室から冷却ブース内に一定の姿勢で投入されて、ここで、急速に冷却される（Ｓ４）。その後、急冷却された薄肉鋳造品を、時効化炉内に投入し、ここで、例えば、約２００℃の温度で約１．５時間の時効化処理が行なわれる（Ｓ５）。これらの溶体化処理および時効処理よりなるアルミニウム合金材の熱処理方法は、一般的に実施されている工程である。

本実施形態の熱処理方法においては、前記急速冷却工程（Ｓ４）において、図２および図４に示す冷却ブース１により３００〜４００℃／ｍｉｎの冷却速度によりワークである薄肉鋳造品Ｗを冷却媒体である冷却空気により冷却することを特徴とする。

ここで、ワークである薄肉鋳造品Ｗについて、図３により説明する。図３に示す薄肉鋳造品Ｗは、車両の側面からの衝突時にドアパネルの室内侵入を抑えて乗員の生存空間を確保するために、自動車のドア内部に装備するドアビーム（ガードバー）を示している。このドアビームは、通常高張力鋼のパイプが使用されていたが、車両の軽量化および断面形状の自由度の高さからアルミニウム合金による薄肉鋳造品が用いられる場合もある。図３に示すドアビームにおいては、前端Ｆから後端Ｒまで一様な断面形状に形成された厚さ２ｍｍ前後の薄板（平面部Ｗ１）により形成され、上下方向中央部において車両外方に向かって薄板がやや湾曲させて突出され、その突出先端部分に形成した中央厚肉部Ｗ２と、上下方向下部側において厚板から車両の内外方向に形成した下部厚肉部Ｗ３とを備えるよう構成している。これらの厚肉部Ｗ２、Ｗ３および厚板に形成した湾曲部Ｗ４は、ドアビームの曲げ剛性を向上させるためのものである。

図２および図４に示す冷却ブース１は、前記加熱炉２および保温室３に連ねてその下流に配置されており、ブース１の中央を縦断させて配置したワーク搬送手段４と、搬送されるワークＷに対して両側から冷却媒体としての冷却空気を吹付ける複数のノズル５と、各ノズル５に冷却空気をダクト６を介して供給するブロア７と、ノズル５から噴射する冷却空気量を調整する調整弁８と、ワークＷの温度を測定する複数の温度センサ９と、温度センサ９よりの温度信号に基づき調整弁８の開度およびブロア７の送風量を調整するコントローラ１０とを備える。なお、前記複数の温度センサ９は、代表的に一部のみを図示しているが、ワークＷの搬送方向の全範囲にわたり且つ搬送されるワークＷの各部の温度を測定可能に配置されているものである。

前記複数のノズル５は、複数本を冷却ブース１の上流域から下流域に沿って配列すると共に、冷却ブース１の上側領域から下側領域においても領域毎に配列している。そして、冷却ブース１の中央に搬送されるワークＷの両側からワークＷに対面しているノズル５群から冷却空気を一斉に吹付け、ワークＷが搬送手段４により下流に移動するに連れて、即ち、ワーク搬送位置に応じた目標温度となるよう、温度低下させる。ワークＷ自体の温度は、その領域毎に配置されている温度センサ９により検出してコントローラ１０にフィードバックされる。

前記上下領域に配置されたノズル５間では、図４に示すように、ワークＷの厚肉部（中央厚肉部Ｗ２、下部厚肉部Ｗ３）に冷却空気を吹付ける流量および／または流速は、平面部Ｗ１に冷却空気を吹付ける流量および／または流速（ノズルの口径）より大きくなるよう、コントローラ１０により各領域におけるノズル５の調整弁８の開度を調整する。具体的には、厚肉部Ｗ２、Ｗ３へ冷却空気を吹付けるノズル５（Ｃ〜Ｆ）の調整弁の開度を、平面部Ｗ１（薄肉部）へ冷却空気を吹付けるノズル５（Ａ、Ｂ）の調整弁の開度より大きくするよう調整する。前記ノズル５（Ｄ）より吹出される冷却空気は、中央厚肉部Ｗ２の背面を冷却するとともに、中央厚肉部Ｗ２に連なる斜面部Ｗ４も冷却するよう作用する。

このようにワークＷの厚肉部Ｗ２、Ｗ３と平面部Ｗ１とに吹付ける冷却空気の流量および／または流速を相違させることにより、平面部Ｗ１に対して質量が大きく温度降下が比較的緩慢となる厚肉部Ｗ２、Ｗ３および厚肉部Ｗ２、Ｗ３に連なる平面部Ｗ１の温度降下速度を増加させるようにしている。このため、厚肉部Ｗ２、Ｗ３（周辺の平面部Ｗ１も含めて）と平面部Ｗ１との温度およびその降下速度を均一化させ、ワークＷ全体を均一に冷却するようにしている。

なお、ワークＷの厚肉部Ｗ２、Ｗ３へ冷却空気を吹付けるノズル５の口径を、ワークＷの平面部Ｗ１に冷却空気を吹付けるノズル５の口径より大きく設定しておけば、調整弁８の開度に対する吹付け量特性を、厚肉部Ｗ２、Ｗ３側で平面部Ｗ１側より大きくすることができる。

以上の構成のアルミニウム合金材の熱処理装置による熱処理方法では、鋳造機において鋳造（Ｓ１）され、凝固完了後に鋳造金型から取出され、仕上げ（Ｓ２）により湯口やバリを取り除いた薄肉鋳造品Ｗのアルミニウム合金材が、図示しないロボットハンドにより加熱炉２に投入され、内部に循環している高熱ガスによって共晶点近傍の例えば、約５２０℃まで急速加熱され、その状態で保温室３において、例えば、６０〜９０分間保持された（Ｓ３）後、搬送手段４によって保温室３から冷却ブース１内に一定の姿勢で搬送されて投入される。

前記冷却ブース１では、投入側の所定領域に配置したノズル群Ｓからの冷却空気の吹出しが一時的に停止されており、後段領域に配置したノズル群Ｌからの冷却空気の吹出しが行われた状態としている。搬送手段４により投入されるワークＷが部分的に冷却ブース１に入り込んだ状態では、投入側領域のノズル群Ｓからの冷却空気の吹出しは停止された状態を維持させ、ワークＷの全体が冷却ブース１に入り込んだ時点から投入側領域のノズル群Ｓからの冷却空気の吹出しが再開される。この投入側領域のノズル群Ｓからの冷却空気の吹出しの一時停止は、ワークＷが冷却ブース１へ投入される毎に実行され、冷却空気の吹出しによる冷却が、ワークＷの一部（搬送方向先端側）から開始されることなく、ワークＷ全体から同時に開始されるようにしている。

ここでは、ブース１の上側領域に配置したノズル５（Ａ、Ｂ）から吹出される冷却空気の流量および／または流速より、中央領域および下側領域に配置したノズル５（Ｃ〜Ｆ）より吹出される冷却空気の流量および／または流速を大きく設定されている。このため、ワークＷの上部平面部Ｗ１の温度と中央肉厚部Ｗ２および下部肉厚部Ｗ３の温度とは略均一な温度状態に維持される。

搬送手段４によるワークＷの下流への搬送に連れて、ワークＷに冷却空気を吹出すノズル５が下流側のノズル５へと次々と更新され、ワークＷの温度が降下され、温度センサ９によりその温度が検出される。そして、搬送位置に対応した温度となるよう温度降下されているかどうかコントローラ１０により判定され、設定した温度より更に温度低下されている場合には、ブロア７よりの送風量を低下させるか、若しくは、各調整弁８の開度を絞り、設定した温度より温度低下が少ない場合には、ブロア７よりの送風量を増加させるか、若しくは、各調整弁８の開度を開き、ワークＷの温度が目標降下温度となるよう制御する。

そして、ワークＷが冷却ブース１の出口に至り、ワークＷが冷却ブース１から搬出される。この時の温度としては、５０℃程度に低下されていれば、溶体化処理が完了しており、ワークＷは後工程の時効処理が開始される。

図５に示す第２実施例のアルミニウム合金材の熱処理装置においては、ワークＷの平面部Ｗ１へ冷却空気を吹付けるノズルＡ１〜Ａ３への冷却空気供給系統１１と、ワークＷの厚肉部Ｗ２、Ｗ３へ冷却空気を吹付けるノズルＢ１〜Ｂ３への冷却空気供給系統１２と、ワークＷの斜面部Ｗ４へ冷却空気を吹付けるノズルＣ１〜Ｃ４への冷却空気供給系統１３と、を夫々独立させたものである。

即ち、図５において、ワークＷの平面部Ｗ１への冷却空気供給系統１１は、ワークＷの上部平面部Ｗ１の両側に配置したノズルＡ１、Ａ２とワークの下部平面部に対向させて配置したノズルＡ３へ冷却空気を供給するよう構成している。また、ワークＷの厚肉部Ｗ２、Ｗ３への冷却空気供給系統１２は、ワークＷ中央厚肉部Ｗ２に対向させて配置したノズルＢ１とワーク下部厚肉部Ｗ３に夫々対向させて配置したノズルＢ２、Ｂ３へ冷却空気を供給するよう構成している。更に、ワークＷの斜面部Ｗ４への冷却空気供給系統１３は、ワークＷの上部平面部Ｗ１と中央厚肉部Ｗ２を繋ぐ斜面部Ｗ４を挟んで配置したノズルＣ１、Ｃ２とワークＷの下部平面部Ｗ３と中央厚肉部Ｗ２を繋ぐ斜面部Ｗ４を挟んで配置したノズルＣ３、Ｃ４とへ冷却空気を供給するよう構成している。

前記夫々の冷却空気供給系統１１〜１３が独立していることにより、供給する冷却空気の温度・圧力・流量を個々に設定することができる。例えば、厚肉部Ｗ２、Ｗ３に供給する冷却空気は、最も低い温度であり、高い圧力（高い流速）と流量の冷却空気を使用し、平面部Ｗ１に供給する冷却空気は、若干高い温度であり、低い圧力（低い流速）と流量の冷却空気を使用し、斜面部Ｗ４に供給する冷却空気は、厚肉部Ｗ２、Ｗ３への冷却空気と平面部Ｗ１への冷却空気との中間の温度・圧力・流量の冷却空気を使用するようにしている。

即ち、ワークＷの肉厚部Ｗ２、Ｗ３へは、温度が低く、流速・流量の大きい空気を供給することにより、厚肉部Ｗ２、Ｗ３の質量に見合った冷却能力を発揮させ、ワークＷの斜面部Ｗ４へは、肉厚は平面部Ｗ１と同等でも平面部Ｗ１に比べ冷却空気の吹付け効率が低下（斜面下流側へのエア逃げが発生）するので、流速、流量を平面部Ｗ１の冷却能力に対し大きい冷却能力を付与して、ワークＷに対する冷却能力が夫々その部位に見合ったものとして、ワークＷ全体が一様に冷却される（冷却条件が同じとなる）ようにしたものである。このように、各ノズル５にて吹付け冷却媒体の性状を変えて、ワークＷ全体を均一に冷却することでワークＷの歪変形が抑制できる。

図５において、ワークＷの斜面部Ｗ４を冷却するノズル５（Ｃ１〜Ｃ４）は、図６に示すように、吹出し口１５をノズル本体１６に対して手動若しくは自動的に変更可能に構成して、冷却空気の吹付け方向を変更可能としている。斜面部Ｗ４では、吹付ける冷却空気をワークＷの斜面部Ｗ４に斜め方向から吹付けてワークＷ表面で吹付けられた冷却空気が斜面の下流方向に逃げることにより冷却効率が低下する。このような場合に、冷却空気の吹付け方向を斜面に対面するよう変更することにより、吹付けた冷却空気が斜面に正面から吹付けられ、斜面部Ｗ４の冷却効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態において、冷却ブース１として、ワークＷを搬送手段４により搬送しつつブース１側壁に配列したノズル５より吹付けた冷却空気により連続的に冷却するものについて説明したが、図示はしないが、搬送手段を冷却ブース内で停止させて冷却ブースの側壁に配列したノズルから冷却空気を予め設定した時間だけ吹付けて、ワークを冷却するものであってもよい。

また、上記実施形態において、熱処理する薄肉鋳造部品Ｗとして、ドアビームに対するものについて説明したが、図示はしないが、自動車のアルミニウム合金材よりなる各種補強部材（レインフォース）や構造部材、例えば、サスペンションメンバを対象とするものであってもよい。

さらに、上記実施形態において、冷却空気を吹付ける各ノズル５として、冷却ブース１の壁面に固定したものについて説明したが、図示はしないが、複数の薄肉部品を混流させて生産する混流ラインにおいて、搬送されてくる薄肉部品に対応して、ノズルを冷却ブースの壁面内で自動的に最適位置にシフト移動させて、冷却すべきワークに対して冷却空気を吹付けるものであってもよい。

また、ワークＷとして、図示するように、一様な断面形状を備えるものに限られず、例えば、取付ボスのように、部分的に厚肉となっている部分が必要に応じてワーク面に対して散在させて配置されているものであっても、それら厚肉部に向けて冷却性状の高い冷却空気を供給するものであってもよい。この場合には、ワークは搬送装置により冷却位置で停止されているか、各ノズルが搬送手段と共に移動することが望ましい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）アルミニウム合金からなる薄肉鋳造品Ｗを共晶点近傍まで昇温させ、その温度で所定時間保持し、その後、複数のノズル５から鋳造品Ｗに対して冷却媒体を吹付けて急冷することにより溶体化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理方法または熱処理装置であり、ワークＷに対面させてワークＷに冷却媒体を吹付ける複数のノズル５を設け、各ノズル５から吹付け供給する冷却媒体の冷却能力を、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、ワークＷの当該冷却部位の肉厚に応じたものとしている。このことにより、均一な冷却効果を発揮させることができ、ワークＷの歪変形の発生を抑制することができる。

（イ）複数のノズル５に供給する冷却媒体を、複数の温度毎に異なる供給系統１１〜１３から該当する冷却媒体温度のノズル５へ供給するものとし、各ノズル５から供給する冷却媒体の流量および／または流量を、ノズル５の上流に配置した調整弁８により調整することにより、冷却媒体の冷却能力の調整幅を大きくでき、複雑な形状のワークＷに対しても均一に冷却でき、熱処理による歪変形の発生を抑制できる。

（ウ）冷却部位の肉厚が同等であっても、吹付けた冷却媒体がワーク面に対して斜め方向となるノズル５から吹出す冷却媒体の冷却能力は、吹出す冷却媒体がワーク面に対して直交するノズル５よりの冷却媒体の冷却能力より大きく設定することにより、冷却媒体の斜面Ｗ４下流側への逃げを補って、平面部Ｗ１と同等に冷却することができる。

（エ）ワークＷに正対して冷却媒体を吹付けるようノズル本体１６に対してノズル５の吹出し口１５の吹付け方向を変更可能な揺動機構を設け、ワークＷへのノズル５からの冷却媒体の吹付けをワークＷの平面に直交する方向から吹付けることにより、斜面部Ｗ４であっても冷却効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すアルミニウム合金材の熱処理方法の概略工程図。 同じく熱処理工程の急冷工程を示す平面図。 ワークとしての自動車のドアビームの断面図および側面図。 急冷工程における第１実施例の冷却ブースの断面図。 急冷工程における第２実施例の冷却ブースの断面図。 冷却ノズルの概略断面図。

符号の説明

１ 冷却ブース
２ 加熱炉
３ 保温室
４ 搬送手段
５ ノズル
６ ダクト
７ ブロア
８ 調整弁
９ 温度センサ
１０ コントローラ

Claims (7)

1. アルミニウム合金からなる薄肉鋳造品を共晶点近傍まで昇温させ、その温度で所定時間保持し、その後、複数のノズルから鋳造品に対して冷却媒体を吹付けて急冷することにより溶体化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理方法であり、
   前記ノズルから吹付け供給する冷却媒体の冷却能力を、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、ワークの当該冷却部位の肉厚に応じたものとすることを特徴とするアルミニウム合金材の熱処理方法。
2. 前記冷却部位の肉厚が同等であっても、吹付けた冷却媒体がワーク面に対して斜め方向となるノズルから吹出す冷却媒体の冷却能力は、吹出す冷却媒体がワーク面に対して直交するノズルよりの冷却媒体の冷却能力より大きく設定していることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
3. 前記ワークへのノズルからの冷却媒体の吹付けは、ワークの平面に直交する方向から吹付けることを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
4. アルミニウム合金からなる薄肉鋳造品を共晶点近傍まで昇温させ、その温度で所定時間保持し、その後、複数のノズルから鋳造品に対して冷却媒体を吹付けて急冷することにより溶体化処理を行うアルミニウム合金材の熱処理装置であり、
   前記ワークに対面させてワークに冷却媒体を吹付ける複数のノズルを備え、
   これら複数のノズルに供給する冷却媒体は、その流量、流速、温度の少なくともいずれか一つを変化させて、当該ノズルで吹付けるワークの当該冷却部位の肉厚に応じてその冷却能力を相違させていることを特徴とするアルミニウム合金材の熱処理装置。
5. 前記複数のノズルに供給する冷却媒体は、複数の温度毎に異なる供給系統から該当する冷却媒体温度のノズルへ供給するものであり、
   前期各ノズルから供給する冷却媒体の流量および／または流量は、ノズルの上流に配置した調整弁により調整するものであることを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金材の熱処理装置。
6. 前記冷却部位の肉厚が同等であっても、吹付けた冷却媒体がワーク面に対して斜め方向となるノズルから吹出す冷却媒体の冷却能力を、吹出す冷却媒体がワーク面に対して直交するノズルよりの冷却媒体の冷却能力より大きくしたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のアルミニウム合金材の熱処理装置。
7. 前記ノズルは、ワークに正対して冷却媒体を吹付けるようノズル本体に対して吹付け方向を変更可能な揺動機構を備えることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のアルミニウム合金材の熱処理装置。

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