JP2007284731A - アルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い寸法精度のアルミニウム合金鍛造品を比較的低い鍛造荷重で比較的安価に製造することができる新規な方法を提供する。
【解決手段】アルミニウム合金素材を４８０〜５８０℃に加熱し且つこの温度に０．５〜５時間保持して溶体化（Ｓ３−１）させた後、室温〜７０℃の水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液に浸漬・急冷することにより焼き入れ（Ｓ３−２）し、溶体化処理と同時に潤滑処理を行うこと。焼き入れ後なるべく早く（好ましくは２時間以内、より好ましくは１０分以内）冷間鍛造を行って時効硬化を抑制し、鍛造荷重の増大を抑える。この方法によれば鍛造直後でも十分な機械的性質が得られるので、鍛造後の時効処理は短時間化または省略することができ、鍛造ラインの連続化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法に関する。

従来一般に行われているアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法は、所定形状・寸法に切断したアルミニウム合金冷間鍛造品素材を焼鈍し、バレル研磨によるバリ取りを行い、潤滑処理を施した後に冷間鍛造して所定形状に成形し、さらに溶体化処理・時効処理・酸洗処理などの工程を経て行われている。なお、溶体化とは、アルミニウム合金素材を所定温度（たとえば４８０〜５８０℃）に加熱保持して該合金素材中の硬化要素を基質中に十分に固溶させ、その後、該固溶相が容易には析出しないような速度で急冷（焼き入れ）して常温においても過飽和固溶状態を維持するために行う処理を言う。

この方法によると、焼鈍後の柔らかい状態でアルミニウム合金素材を鍛造することができるため、比較的小さな荷重で済むことから小型のプレス機を使用することができ、型寿命も長いというメリットが発揮される。

しかしながら、反面、冷間鍛造後に行われる溶体化処理における焼き入れ時に急冷されることによって鍛造品に歪みや残留応力が発生しやすく、製品に要求される寸法精度を確保することが困難である。特に薄肉品の鍛造加工においてその傾向が顕著となる。

この欠点を解消するには、焼鈍→冷間鍛造→溶体化処理（焼き入れ）という処理工程順に代えて、溶体化処理（焼き入れ）→冷間鍛造という処理工程順を採用することが考えられる。このようにすれば、焼き入れによる歪や残留応力の問題を回避することができるので、薄肉品であっても高い寸法精度を有する製品に加工することが可能となる。また、焼鈍が不要となることから熱処理設備やコストを低減し、素材の状態で溶体化処理を行うことができることからバラ積みで良く、手間が省ける上ロット当たりの処理量を増大することができるなどの利点を伴う。

ところが、このように焼き入れしたアルミニウム合金素材を冷間鍛造する方法を採用した場合、焼き入れ後の室温時効が進行中の状態、いわゆるＷ状態で冷間鍛造されることになる。

また、焼き入れしたアルミニウム合金素材を鍛造する場合、鍛造する前に潤滑処理を行う必要がある。潤滑処理は、摩擦を軽減し、鍛造荷重の低減と変形の均一化を図ると共に、鍛造に用いる金型との焼き付きを防止するために行われる。この潤滑処理には、６０〜１００℃程度に加熱された処理液（潤滑液）への浸漬工程およびその後の乾燥工程などが含まれる。

このため、Ｗ状態のアルミニウム合金素材は急速に時効硬化が進行する。時効硬化の進行の程度は、焼き入れから潤滑処理や鍛造までの放置時間によって変わるが、いずれにしても焼鈍により軟化状態とされたＯ材を鍛造する従来法に比べると鍛造荷重が大幅に増大し、より大きなプレス能力が要求される。また、これに伴って素材の変形抵抗が増大するため、金型寿命の低下、偏芯、曲がりなどの寸法精度にも悪影響を及ぼすおそれがある。

さらには、従来のアルミニウム合金冷間鍛造において使用されている鍛造潤滑剤には作業環境上好ましくない成分を含んでいるものが多く、表面洗浄にも手間がかかるものが多い。このため、その後の表面洗浄の廃液を処理するために大がかりな排水処理設備が必要となる。

したがって、本発明の課題は、高い寸法精度のアルミニウム合金鍛造品を比較的低い鍛造荷重で比較的安価に製造することができる新規な方法を提供することにある。

この課題を解決するため、本発明によるアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法は、アルミニウム合金素材を溶体化処理において焼き入れした後に冷間鍛造して所定形状に成形する方法であって、水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液を使用して焼き入れを行い、溶体化処理と同時に潤滑処理を行うことを特徴とする。

また、本発明によるアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法は、アルミニウム合金素材を４８０〜５８０℃に加熱し且つこの温度に０．５〜５時間保持して溶体化させた後、室温〜７０℃の水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液に浸漬・急冷することにより焼き入れし、溶体化処理と同時に潤滑処理を行うことを特徴とする。

本発明方法において、焼き入れから冷間鍛造までの時間はできるだけ短くして時効硬化を抑制し、小さな鍛造荷重で冷間鍛造加工することができるよう配慮することが好ましい。この観点より、焼き入れ後冷間鍛造までの時間を２時間以内、より好ましくは１０分以内に冷間鍛造する。

また、本発明方法によれば、冷間鍛造直後でもＴ６処理材に近い機械的性質が得られるので、冷間鍛造後、時効処理することなく直ちに表面仕上処理を行うよう実施することができる。

本発明によれば、溶体化処理の直後に冷間鍛造を行うので、溶体化処理の一環として行われる焼き入れによる歪や残留応力の問題を回避することができ、薄肉品であっても高い寸法精度を有する製品として製造することが可能となる。また、焼鈍が不要となることから熱処理設備やコストを低減し、素材の状態で溶体化処理を行うことができることからバラ積みで良く、手間が省ける上ロット当たりの処理量を増大することができるなどの利点を伴う。

加えて、本発明では、溶体化処理における焼き入れを水性潤滑剤を含む焼き入れ液を使用して行うことにより溶体化処理と同時に潤滑処理を行うので、鍛造前の潤滑処理が不要となるだけでなく、潤滑処理を経ることによる急速な時効硬化の進行を回避して、鍛造荷重を低く抑えることができる。したがって、比較的小型のプレス機で鍛造することができ、設備投資の低減に寄与すると共に、型を長寿命化することができる。

さらに、本発明では、冷間鍛造後の時効処理を短時間化あるいは省略しても十分な機械的性質が得られるので、鍛造ラインを連続化して製造効率を飛躍的に高めることができる。

図１は、本発明によるアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法を示すフロー図である。

Ａ６０６１ＢＥ（押出丸棒、ＪＩＳ Ｈ ４０４０）などのアルミニウム合金素材を、所定の形状・寸法に切断し（Ｓ１）、バレル研磨によりバリを取る（Ｓ２）。これらの工程は常法により行う。

次いで、切断およびバレル研磨を経たアルミニウム合金素材を溶体化処理する（Ｓ３）。すなわち、４８０〜５８０℃の溶体化処理温度に０．５〜５時間程度保持することにより、アルミニウム合金素材の硬化要素を基質中に固溶させて過飽和固溶状態とした（Ｓ３−１）後、これを直ちに焼き入れ槽に投入して常温〜７０℃の焼き入れ液に５〜３００秒間浸漬して急冷・焼き入れし（Ｓ３−２）、過飽和固溶状態を維持する。焼き入れ液には水性鍛造潤滑剤が含まれているので、溶体化処理と同時に潤滑処理が行われる。好ましくは、水性鍛造潤滑剤を入れた焼き入れ液槽が付設された連続溶体化処理炉を使用して上記溶体化処理および焼き入れを連続的に行う。

本発明方法において焼き入れ液として用いる水性鍛造潤滑剤は、たとえばアルキル基を主成分としており、従来のアルミニウム合金冷間鍛造において多用されている化成被膜タイプの潤滑剤とは異なり、リンやフッ化物を含まない作業環境にやさしい潤滑剤である。このような水性鍛造潤滑剤は、近年では鋼の冷間鍛造において使用が拡大する傾向にあるが、アルミニウム合金の冷間鍛造においてはほとんど使用されておらず、ましてやこれを焼き入れ液に使用した例は出願人の知る限りでは存在しない。

焼き入れ液に水性鍛造潤滑剤を使用した場合、通常の水（湯）を焼き入れ液とした場合に比べて冷却速度が低下する傾向にある。水性鍛造潤滑剤の濃度を０％（水１００％）、３５％、７０％および１００％（水性鍛造潤滑剤の原液）の４通りに変化させて冷却速度との関係を調べたところ、図２のグラフに示す結果が得られた。使用した試験材は３０ｍｍ径×２５ｍｍ長のＡ６０６１ＢＥであり、これを５３０℃×１．５時間で溶体化処理した後、５０℃の焼き入れ液で焼き入れした。水性鍛造潤滑剤には大同化学株式会社のアクアブルＡ−３を使用した。この結果から、水焼き入れの場合の冷却速度から水性鍛造潤滑剤の濃度を高めて行くにつれて冷却速度がほぼ比例的に低下することが分かった。

次に、アルミニウム合金押出棒（Ａ６０６１ＢＥ、外径２０ｍｍ×長さ２００ｍｍ）を用い、水性鍛造潤滑剤を焼き入れ液に用いることによる冷却速度の低下が機械的性質に及ぼす影響について調べたところ、表１に示す結果が得られた。すなわち、焼き入れ液中の水性鍛造潤滑剤の濃度を上げていっても機械的性質にはほとんど差異が認められず、いずれもＪＩＳ Ｈ ４０４０に定めるＡ６０６１ＢＥの規格値（引張強さ２６５Ｎ／ｍｍ^２、耐力値２４５Ｎ／ｍｍ^２、伸び率８％）を十分に満足できることが分かった。

水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液で焼き入れを行った後に焼き入れ槽から取り出したときに、アルミニウム合金素材の表面には、均一で乾燥した潤滑被膜が形成されるようにする。このためには、焼き入れ液温を４０〜７０℃程度、特に好ましくは５０℃前後とする。上記したように、焼き入れ液における水性鍛造潤滑剤の濃度が製品の機械的性質に与える影響は無視できる程度であるが、濃度は浸漬時間と共にアルミニウム合金素材表面に形成される潤滑被膜の付着量に影響を与え、濃度が高いほど、また浸漬時間が長いほど潤滑被膜の付着量が増大する。潤滑被膜の付着量は３〜１２ｇ／ｍ^２程度が好ましいため、この観点より、濃度を２５〜７５％、浸漬時間を１〜６分とすることが好ましい。

溶体化・焼き入れを行った後、プレス機に投入して所定形状に鍛造加工する（Ｓ４）。焼き入れ液槽から取り出した直後から時効硬化が進行するので、焼き入れ完了後できるだけ短時間内に鍛造を行って、小さな鍛造荷重での鍛造を可能にすることが好ましい。

これを実証するために、前述の処理条件で溶体化・焼き入れ（焼き入れ液の水性鍛造潤滑剤は３５％濃度とした）を行ったＡ６０６１ＢＥについて焼き入れ後に室温放置したもの（本発明実施例）と、焼き入れ液を水１００％とした他は同様の条件で処理したＡ６０６１ＢＥを焼き入れの３時間後に潤滑処理（燐酸亜鉛系潤滑剤を使用。９０〜９５℃の加熱を含む）したもの（比較例）について硬さ変化を調べたところ、図４および表２に示す結果が得られた。これらの結果から明らかなように、比較例では焼き入れの３時間後に実施した潤滑処理を完了した時点で既に９０を超えるＨＲＨ硬さを有しており、その後の室温時効による硬さ変化はほとんど見られないのに対し、本発明実施例では焼き入れ液に潤滑剤を使用しているため潤滑処理を別工程で行う必要がなく、焼き入れ直後には７６とＨＲＨ硬さが小さく、その後の室温放置により急激に増大していくが焼き入れ後２時間以内であれば７０台のＨＲＨ硬さに止まっている。

図５のグラフは、本発明実施例および比較例について、上記と同様の試験材を上記と同様の条件で溶体化および焼き入れした後、後方押出法により図３に示すような底付き円筒形状品（外径Ｄ＝６１ｍｍ、内径ｄ＝５２ｍｍ、長さＬ＝２００ｍｍ）に冷間鍛造加工したときのＨＲＨ硬さと冷間鍛造時の押出圧力との関係を示す。このグラフから分かるように、上記比較例のように９０を超えるＨＲＨ硬さを有するものは約１２０ｋｇｆ／ｍｍ^２またはそれ以上の押出圧力を必要とするのに対し、７０台のＨＲＨ硬さに止まる本発明実施例は７０〜８０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の押出圧力であった。なお、焼鈍後の柔らかい状態で鍛造する従来技術品（Ｏ処理鍛造材）はＨＲＨ硬さが６０〜６５であり、６０ｋｇｆ／ｍｍ^２程度の押出圧力で済むが、本発明によればこの従来技術品とそれ程大差がなく比較的小さな押出圧力で鍛造加工可能であることが実証された。

また、図６のグラフおよび表３は、本発明実施例および比較例について、焼き入れ完了から鍛造開始までの時間経過と鍛造荷重との関係を示す。このグラフから分かるように、燐酸亜鉛系の潤滑剤を用いて潤滑処理を行った後に鍛造した比較例の平均鍛造荷重が２４３２ＫＮであったのに対し、本発明により焼き入れの３０秒後に鍛造した場合の平均鍛造荷重は１３６３ＫＮであって鍛造荷重がほぼ半減した。また、８分を経過した場合であっても平均鍛造荷重は１６３８ＫＮであり、比較例に比べて鍛造荷重を大幅に減少させることができた。

図１のフローに戻り、Ｓ５は、冷間鍛造（Ｓ４）後に行う時効処理を示す。冷間鍛造成形時に発生する加工熱により時効硬化が促進され、１５０〜２００℃程度の温度で数時間程度時効処理することによって製品の機械的性質（特に強度）を向上させることができる。本発明によれば、鍛造直後の状態でもＴ６処理材に近い機械的性質を確保することができるので、時効処理（Ｓ５）は必ずしも必須ではない。

図１のフロー中、Ｓ６は酸洗などを含む製品化のための表面仕上げ処理であり、常法に従って行うことができる。時効処理（Ｓ５）を省略する場合は、冷間鍛造（Ｓ４）後直ちにこの表面仕上げ処理（Ｓ６）を行うことができ、時効処理のための保持時間を必要としないので、鍛造ラインを連続化して製造効率を高めることができる。

本発明によるアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法を示すフロー図である。 焼き入れ液としての水性鍛造潤滑剤の濃度と冷却速度との関係を示すグラフである。 本発明実施例および比較例による冷間鍛造加工品の形状および寸法を示す図である。 焼き入れ後の室温放置時間とＨＲＨ硬さとの関係を示す時効曲線グラフである。 ＨＲＨ硬さと冷間鍛造時の押出圧力との関係を示すグラフである。 焼き入れ後鍛造開始までの経過時間と鍛造荷重との関係を示すグラフである。

Claims (5)

1. アルミニウム合金素材を溶体化処理において焼き入れした後に冷間鍛造して所定形状に成形する方法であって、水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液を使用して焼き入れを行い、溶体化処理と同時に潤滑処理を行うことを特徴とする、アルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法。
2. アルミニウム合金素材を４８０〜５８０℃に加熱し且つこの温度に０．５〜５時間保持して溶体化させた後、室温〜７０℃の水性鍛造潤滑剤を含む焼き入れ液に浸漬・急冷することにより焼き入れし、溶体化処理と同時に潤滑処理を行うことを特徴とする、アルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法。
3. 焼き入れ後冷間鍛造までの時間を２時間以内とすることを特徴とする、請求項１または２記載のアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法。
4. 焼き入れ後冷間鍛造までの時間を１０分以内とすることを特徴とする、請求項１または２記載のアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法。
5. 冷間鍛造後、時効処理することなく直ちに表面仕上処理を行う、請求項１ないし４のいずれか記載のアルミニウム合金冷間鍛造品の製造方法。

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