JP2009024187A

JP2009024187A - 塑性加工部材の製造方法

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Publication number: JP2009024187A
Application number: JP2007185363A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kimura; 貴広木村; Nobuyuki Oda; 信行小田; Yukihiro Sugimoto; 幸弘杉本
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-02-05

Abstract

【課題】連続鋳造圧延法で製造したアルミニウム合金材にプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施したときの表面の割れや皺の発生を抑制する。
【解決手段】アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材１０を製造する方法は、クロム無添加のアルミニウム合金材を連続鋳造圧延する連続鋳造圧延工程と、この連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材を再結晶温度以上に溶体化処理する溶体化処理工程と、この溶体化処理工程を経たアルミニウム合金材に塑性加工を施す塑性加工工程と、この塑性加工工程を経たアルミニウム合金材に時効処理を施す時効処理工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、塑性加工部材の製造方法、特に、アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する方法に関する。

従来、アルミニウムの板材の製造方法として、ＤＣ（Direct Chill）法がよく知られている。これは、図１７に示すように、アルミニウムの原料を溶解することから始まり、スラブ鋳造、均質化処理、面削、加熱、熱間圧延、冷間圧延の各工程を経て、アルミニウムの板材を得るものである。一方、アルミニウムの原料を溶解した溶湯から直接アルミニウムの板材を製造する連続鋳造圧延法（ＣＣ法：Continuous Casting 法）も周知である。

ＣＣ法の代表的なものの１つに、双ロール水平式連続鋳造圧延法がある。これは、図１８に示すように、アルミニウムの溶湯をセラミックス製ノズルで上下一対のローラ間に注湯し、アルミニウムの板材を圧延方向に押し出すもので、比較的薄い板材を製造できるという特徴がある。ＣＣ法には、他にも、板材を連続鋳造圧延するベルト式や連結ブロック式、あるいは棒状のビレットを連続鋳造圧延する輪・ベルト式等があり、これらのＣＣ法は、一般に、ＤＣ法と比較すると、工程が少なく、コストの低減、投入エネルギの削減、急冷凝固による材料特性の向上といった種々の利点を有している。ただし、ＣＣ法では、方式や製造品の形状を問わず、得られた製造品は圧下荷重を受けながら鋳造されているので、その表面には加工歪が加わっている。

なお、特許文献１には、クロム非添加の低炭素低合金鋼の軽圧下連続鋳造スラブを調製し、熱間圧延し、Ａｒ_３変態点以下の温度で圧下し、６５０℃以上で熱間圧延を終了する技術が開示されている。
特開平８−７３９３４号公報（段落００１３）

ところで、ＤＣ法においては、例えばＪＩＳ６０６１規格のアルミニウム合金が広く用いられている。この規格のアルミニウム合金は、Ａｌの他に、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｔｉを含んでいるものである。そこで、ＣＣ法においても、類似の規格のアルミニウム合金を用いて板材やビレットを製造することが多く行われている。ところが、得られたアルミニウム板材あるいはアルミニウムビレットを面削せずに製造されたままの状態でプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施すと、曲げ部や角部に著しい割れや皺が発生することが見出された。そして、この原因の１つとして、前記規格のアルミニウム合金を原料としてＣＣ法で板材やビレットを製造すると、その最表面の再結晶粒が著しく粗大化していることが判った。

一般に、アルミニウム合金にクロム（Ｃｒ）が含まれていると、クロムの化合物が形成され、ピンニングにより再結晶粒の粗大化が防止されること、つまりアルミニウム合金中のクロムには結晶粒を微細化する機能があることが知られている。ところが、ＪＩＳ６０６１規格のようにクロムを含有するアルミニウム合金を原料としているのに、ＣＣ法で板材やビレットを製造すると、逆に、表面結晶粒の粗大化が起こっているのである。このことから、前記不具合は、ＣＣ法を用いてアルミニウム合金材を製造する場合に特有の問題であると考えられる。

本発明者等は、連続鋳造圧延法で製造したアルミニウム合金材にプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施したときの表面の割れや皺の発生を抑制することを課題として鋭意研究検討を重ねたところ、ＣＣ法では、得られたアルミニウム合金材が圧下荷重を受けながら鋳造されている点に着目し、得られた塑性加工部材の表面の加工度合いが中心部の加工度合いに比べて高いことを見出して、本発明を完成するに至ったものである。

前記課題を解決するため、本発明では、次のような手段を用いる。

すなわち、本願の請求項１に記載の発明は、アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する方法であって、クロム無添加のアルミニウム合金材を連続鋳造圧延する連続鋳造圧延工程と、この連続鋳造圧延工程を経た前記アルミニウム合金材を再結晶温度以上に加熱処理する加熱処理工程と、この加熱処理工程を経た前記アルミニウム合金材に塑性加工を施す塑性加工工程とを備えていることを特徴とする。

次に、本願の請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の塑性加工部材の製造方法であって、前記加熱処理工程における加熱処理は、溶体化処理であり、前記塑性加工工程を経た前記アルミニウム合金材に時効処理を施す時効処理工程を備えていることを特徴とする。

次に、本願の請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は２に記載の塑性加工部材の製造方法であって、前記連続鋳造圧延工程では、前記アルミニウム合金材を板状に連続鋳造圧延し、前記塑性加工工程では、前記アルミニウム合金材にプレス加工を施すことを特徴とする。

次に、本願の請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載の塑性加工部材の製造方法であって、前記塑性加工工程では、折曲ラインが前記連続鋳造圧延時のアルミニウム合金材の圧延方向にほぼ沿った方向となるように、前記アルミニウム合金材にプレス加工を施すことを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する方法において、従来汎用されているＪＩＳ６０６１規格のアルミニウム合金のようにクロムを含有するアルミニウム合金ではなく、クロムを含有しないアルミニウム合金を原料としてアルミニウム合金材を連続鋳造圧延するので、アルミニウム合金材の加工度と溶体化処理後の再結晶粒径との相関関係が変化し、たとえＣＣ法で圧下荷重を受けながらアルミニウム合金材を鋳造しても、該アルミニウム合金材の最表面における再結晶粒径が小さくなって、その後の工程でプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施しても、曲げ部や角部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる。また、塑性加工を施す前に、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材に、再結晶温度以上の加熱処理を施すから、ＣＣ法での鋳造中に受けた表面加工によって変形した結晶が細粒に分割結晶し、結晶粒が内部歪を持たない安定したものとなって、アルミニウム合金材から表面加工歪が除去されることとなる。

次に、請求項２に記載の発明によれば、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材に塑性加工を施す前に、加熱処理として、溶体化処理を行うから、換言すれば、溶体化処理を行った後に、塑性加工を施すから、一般に、溶体化処理時に冷却速度の不均一に起因して発生する熱処理変形の問題がその後の塑性加工によって低減されることとなる。

一方、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材に塑性加工を施した後に、時効処理を行うから、塑性加工前に行った溶体化処理によって強制的に合金材中に溶け込まされて過飽和な状態となっている合金元素が本来の安定な状態に戻ることとなる。この結果、合金元素は所々において析出し、この析出により転位が滑りを起こし難くなって、塑性加工された製品である塑性加工部材の物性、特に硬度が向上することとなる。

次に、請求項３に記載の発明によれば、連続鋳造圧延工程では、アルミニウム合金材を板状に連続鋳造圧延し、塑性加工工程では、アルミニウム合金材にプレス加工を施すから、塑性加工が板金プレス加工である場合において、曲げ部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる。

次に、請求項４に記載の発明によれば、塑性加工工程では、折曲ラインが連続鋳造圧延時のアルミニウム合金材の圧延方向にほぼ沿った方向となるようにアルミニウム合金材にプレス加工を施すから、板金プレス加工において割れや皺が発生し難い状況下で、より一層確実に曲げ部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる。以下、発明の最良の実施形態及び実施例を通して、本発明をさらに詳しく説明する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る塑性加工部材１０である車体部品の側面図、図１（ｂ）は、背面図である。この車体部品１０は、自動車の車体下部の剛性を高めるため、フロア下に車体前後方向に延びて取り付けられるものである。車体部品１０の上下の縁部は、互いに反対向きに水平方向に略直角に折り曲げられている。

この車体部品１０は、図２に示す各工程を経て製造される。まず、アルミニウムの板材を連続鋳造圧延する。この連続鋳造圧延工程では、例えば、双ロール水平式連続鋳造圧延法により、２０ｔのアルミニウム合金を溶解して、７ｍｍの板厚のアルミニウム板材を製造する。

本発明で用いるアルミ合金はクロムを含有しないものである。図３に本発明で好ましく採用可能なクロム無添加のアルミニウム合金の組成を示す。組成は、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉを合金元素とし、基本元素のアルミニウムに対して図示した量が含有されている。比較のため、ＪＩＳ６０６１規格のアルミニウム合金の組成を併せて図示した。ＪＩＳ６０６１規格品にはＣｒが０．０４〜０．３５重量％含有されている。その他の合金元素の種類及び含有量は同じである。

次いで、この連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材を再結晶温度以上に加熱処理する加熱処理として、溶体化処理を行う。溶体化処理条件は、図４に示すように、５１５℃〜５５０℃で１時間以上であるが、好ましくは５３０℃で２時間である。その後、８０℃の温水に焼入れする。

次いで、この加熱処理工程を経たアルミニウム合金材に対して、塑性加工として、プレス成形を施す。まず、図５に示すように、アルミニウム合金材であるアルミニウム板材から車体部品１０のブランクを打ち抜く。詳しくは、車体部品１０の長手方向がアルミニウム板材の圧延方向に沿うようにブランキングする。ここで、車体部品１０の上下縁部の折曲ラインが板材の圧延方向にほぼ沿うように延びることとなる。一般に、ブランクを板材の圧延方向に沿う方向に折り曲げると、その曲げ部には割れや皺が発生し難くなる。そして、このように得られたブランクをプレス機にかけて、プレス加工を３工程行い、ピアス加工をする。

次いで、この塑性加工工程を経たアルミニウム合金材に対して人工時効処理を施す。処理条件は、図６に示すように、１５５℃〜１８０℃で８時間〜１８時間程度であるが、好ましくは１６５℃で１８時間程度である。

図２に示した各条件で、連続鋳造圧延工程、溶体化処理（加熱処理）工程、プレス成形（塑性加工）工程、及び時効処理工程を経て製造したアルミニウム合金製の塑性加工部材（車体部品）１０の表面状態を観察すると、図３に示すクロム無添加のアルミニウム合金（本発明採用品）を原料とした場合は、図７に示すように、曲げ部において割れや皺の少ない良好な状態であった。ＪＩＳＢ０６５１に準じて触針式表面粗さ測定器により求めた表面粗さの最大値（Ｒｍａｘ）は４２．３であった。一方、クロムが含有されているＪＩＳ６０６１規格品を原料として同条件で同仕様の車体部品１０を製造すると、図８に示すように、曲げ部において著しい割れや皺が発生していた。表面粗さの最大値（Ｒｍａｘ）は１１３．３であった。

クロムを含有するアルミ合金材と、クロムを含有しないアルミ合金材とで、このような差が出るのは、およそ次のような理由によるものと考えられる。すなわち、一般に、ある焼きなまし温度で、アルミニウムの圧延による加工度と溶体化処理後の再結晶粒径との関係は、図９に示すように、ある加工度において再結晶粒径が最大ピーク（粗大化）を示すようになる（例えば「アルミニウム材料の基礎と工業技術」１３５ページ参照）。その場合に、クロムが添加されると、粒界移動の活性化エネルギーが増大し、前記ピークがクロム無添加のときよりも高加工度側にシフトする。そして、連続鋳造圧延工程中の圧下荷重によりアルミニウム板材の表面が受けた加工度の範囲が、この高加工度側にシフトしたピークの周辺範囲に該当する加工度に入り、その結果、本来であれば結晶粒の微細化機能を有しているクロムを含むアルミ合金材のほうで、アルミニウム合金材表面の再結晶粒が粗大化し、塑性加工性が低下したものと考察される。したがって、ＪＩＳ６０６１規格品からクロムを除去したアルミニウム合金を用いて、連続鋳造圧延法でアルミニウム合金材を製造することにより、前記ピークが連続鋳造圧延工程中の圧下荷重による加工度の範囲からずれて、アルミニウム合金材表面の再結晶粒が微細化し、割れや皺の少ない良好な塑性加工性が得られたものである。

なお、以上は、アルミニウム合金材が板材で、塑性加工がプレス成形の場合であったが、本発明は、アルミニウム合金材が棒状のビレットで、塑性加工が鍛造成形（完成品は例えばボルト等）の場合にも好ましく適用可能である。その場合は、双ロール式やベルト式あるいは連結ブロック式ではなく、溝付鋳造輪とベルトとの組合せでなるモールドを用いる輪・ベルト式の連続鋳造圧延法でアルミニウムのビレットを製造する。

このように、本実施形態では、アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する方法において、従来汎用されているＪＩＳ６０６１規格のアルミニウム合金のようにクロムを含有するアルミニウム合金ではなく、クロムを含有しないアルミニウム合金（図３参照）を原料としてアルミニウム合金材を連続鋳造圧延するので（図２参照）、アルミニウム合金材の加工度と溶体化処理後の再結晶粒径との相関関係が変化し（図９参照）、たとえＣＣ法で圧下荷重を受けながらアルミニウム合金材を鋳造しても、該アルミニウム合金材の最表面における再結晶粒径が小さくなって、その後の工程でプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施しても（図２参照）、曲げ部や角部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる（図７参照）。また、塑性加工を施す前に、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材を再結晶温度以上に加熱処理するから（図４参照）、ＣＣ法での鋳造中に受けた表面加工によって変形した結晶が細粒に分割結晶し、結晶粒が内部歪を持たない安定したものとなって、アルミニウム合金材から表面加工歪が除去されることとなる。

また、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材に塑性加工を施す前に、加熱処理として、溶体化処理を行うから、換言すれば、溶体化処理を行った後に、塑性加工を施すから（図２参照）、一般に、溶体化処理時に冷却速度の不均一に起因して発生する熱処理変形の問題がその後の塑性加工によって低減されることとなる。

一方、連続鋳造圧延工程を経たアルミニウム合金材に塑性加工を施した後に、時効処理を行うから（図２参照）、塑性加工前に行った溶体化処理によって強制的に合金材中に溶け込まされて過飽和な状態となっている合金元素が本来の安定な状態に戻ることとなる。この結果、合金元素は所々において析出し、この析出により転位が滑りを起こし難くなって、塑性加工された製品である塑性加工部材の物性、特に硬度が向上することとなる。

また、連続鋳造圧延工程では、アルミニウム合金材を板状に連続鋳造圧延し、塑性加工工程では、アルミニウム合金材にプレス加工を施すから（図２参照）、塑性加工が板金プレス加工である場合において、曲げ部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる。

そして、塑性加工工程では、折曲ラインが連続鋳造圧延時のアルミニウム合金材の圧延方向にほぼ沿った方向となるようにアルミニウム合金材にプレス加工を施すから（図５参照）、板金プレス加工において割れや皺が発生し難い状況下で、より一層確実に曲げ部に割れや皺が発生するのを抑制できるようになる。

なお、その他にも、アルミニウム合金材をクロム無添加とすることによって、リサイクルが容易となり、リサイクルコストの削減が図られる。また、図９から明らかなように、クロム無添加の場合、合金材の表面の結晶粒（加工度大側）が細かく、合金材の中心部の結晶粒（加工度小側）がピークに近くなって粗くなるため、合金材の耐力が低くなって、成形し易くなる（製品強度は同等である）。また、得られたアルミニウム合金材を面削せずに製造されたままの状態でプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施すことができるから、製造コスト削減及び製造エネルギーの低減に寄与する、という利点もある。

図３に示したクロム無添加のアルミニウム合金（本発明採用品）を用いて、双ロール水平式連続鋳造圧延法で、板厚が７ｍｍのアルミニウム板材を製造し、図２に示した条件で溶体化処理を行った。得られたアルミニウム板材の中心部及び表面の結晶構造を顕微鏡で観察した。また、得られたアルミニウム板材をＵ字状に折り曲げ、その曲げ部の表面状態を目視で観察した（簡易曲げ試験）。結果を、図１０（実施例１）、図１１（実施例２）、及び図１２（実施例３）に示す。なお、実施例１は、加工度が小のもの（圧延率０％）、実施例２は、加工度が中のもの（圧延率１４％）、及び実施例３は、加工度が大のもの（圧延率２８％）である。加工度が大きい側で表面の結晶粒が微細化し、曲げ部の割れや皺の発生が少なく、曲げ試験の結果が良好であることが判る。

比較のため、図３に示したクロム添加のアルミニウム合金（ＪＩＳ６０６１規格品）を用いて、前記実施例と同条件でアルミニウム板材を製造し、その結晶構造の観察及び曲げ試験を行った。結果を、図１３（比較例１）、図１４（比較例２）、図１５（比較例３）、図１６（比較例４）に示す。なお、比較例１〜３は、それぞれ実施例１〜３に対応する。比較例４は、加工度が特大のもの（圧延率４２％）である。実施例に比べて、総じて、表面の結晶粒が粗大化し、曲げ部の割れや皺の発生が多く、曲げ試験の結果が低調であることが判る。

以上、具体例を挙げて詳しく説明したように、本発明は、連続鋳造圧延法で製造したアルミニウム合金材にプレス加工や鍛造加工等の塑性加工を施したときの表面の割れや皺の発生を抑制することが可能な技術であるから、塑性加工部材の製造、特に、アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する技術分野において広範な産業上の利用可能性が期待される。

本発明の最良の実施形態における塑性加工部材を示す、（ａ）側面図、（ｂ）背面図である。前記塑性加工部材の製造方法を示す工程図である。前記実施形態におけるアルミニウム合金の組成を示す表である。前記実施形態における溶体化処理条件を示すタイムチャートである。前記実施形態におけるプレス成形の説明図である。前記実施形態における時効処理条件を示すタイムチャートである。前記実施形態で製造される塑性加工部材の表面状態を示す図面代用写真である。参考品の表面状態を示す図面代用写真である。本発明の原理を説明するための加工度と再結晶粒径との相関図である。実施例１の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。実施例２の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。実施例３の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。比較例１の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。比較例２の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。比較例３の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。比較例４の結晶構造及び曲げ試験結果を示す図面代用写真である。ＤＣ法とＣＣ法との違いを説明する概略工程図である。双ロール水平式連続鋳造圧延法の説明図である。

符号の説明

１０塑性加工部材（車体部品）

Claims

アルミニウム合金材を用いて塑性加工部材を製造する方法であって、
クロム無添加のアルミニウム合金材を連続鋳造圧延する連続鋳造圧延工程と、
この連続鋳造圧延工程を経た前記アルミニウム合金材を再結晶温度以上に加熱処理する加熱処理工程と、
この加熱処理工程を経た前記アルミニウム合金材に塑性加工を施す塑性加工工程とを備えていることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
前記請求項１に記載の塑性加工部材の製造方法であって、
前記加熱処理工程における加熱処理は、溶体化処理であり、
前記塑性加工工程を経た前記アルミニウム合金材に時効処理を施す時効処理工程を備えていることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
前記請求項１又は２に記載の塑性加工部材の製造方法であって、
前記連続鋳造圧延工程では、前記アルミニウム合金材を板状に連続鋳造圧延し、
前記塑性加工工程では、前記アルミニウム合金材にプレス加工を施すことを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
前記請求項３に記載の塑性加工部材の製造方法であって、
前記塑性加工工程では、折曲ラインが前記連続鋳造圧延時のアルミニウム合金材の圧延方向にほぼ沿った方向となるように、前記アルミニウム合金材にプレス加工を施すことを特徴とする塑性加工部材の製造方法。