JP2013510723A - シート材料から複雑な形状の部品を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】アルミニウム合金シートまたはマグネシウム合金シートから複雑な形状の部品を形成する方法。この方法は、ａ）合金の固溶化熱処理温度（ＳＨＴ）未満の温度にシートを加熱するステップと、ｂ）加熱されたダイの間で、加熱されたシートを複雑な形状に向けて形成するステップと、ｃ）少なくともＳＨＴ温度にシートを加熱し、ＳＨＴが完了するまでその温度を実質的に維持するステップと、ｄ）固溶化熱処理されたシートをコールドダイの間で急冷し、同時に、複雑な形状への形成を完了するかまたはその形状を維持するステップと、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金シートから複雑な形状の部品を形成することに関する。本発明はまた、マグネシウム合金からそのような部品を形成することに関する。

自動車および航空宇宙用途で使用される部品は、できるだけ軽量に作られることが一般的に望ましい。軽量な材料は自動車または航空機の全体重量の軽量化に貢献し、燃費の改善に役立つ。軽量部品を使用すると、自動車用途では、ハンドリング性能の改善などの他の利点、航空宇宙用途では、より重い貨物が搬送可能になるという他の利点を得ることができる。これらの理由のために、このような用途の部品をアルミニウム合金（Ａｌ合金）などの軽量合金で作成することが望ましい。

しかしながら、アルミニウム合金は例えば鉄合金よりも延性が低い。その結果、アルミニウム合金から複雑な形状の部品を形成することは少なくとも困難であり、不可能である場合もある。代わりに、熱処理されたアルミニウム合金の固体ブロックから複雑な形状の部品を圧延することもある。これは、アルミニウム合金の高い割合が廃棄されることになるので製造コストが高くなる。マグネシウム合金（Ｍｇ合金）から部品を形成するときにも同様のことが当てはまる。

ＷＯ２００８／０５９２４２は、アルミニウム合金（Ａｌ合金）シートを複雑な形状の部品に形成する方法を開示する。ＷＯ２００８／０５９２４２に開示された方法は、以下の一般的なステップを含む。
（ｉ）アルミニウム合金シートブランクを固溶化熱処理（ＳＨＴ）温度に加熱し、ＳＨＴが完了するまでその温度を維持し、
（ｉｉ）シートブランクからの熱損失が最小になるように、シートブランクを一組のコールドダイへと迅速に移動し、
（ｉｉｉ）直ちにコールドダイを閉じてシートブランクを部品に形成し、
（ｉｖ）形成部品を冷却する間、閉じられたダイの中に形成部品を保持する。

この方法は、以前の方法に対して特定の利点を有しているが、特定の欠点も有している。例えば、この方法を成功させるためには、シートが冷却する前に形成を実行する必要がある。シートは急速に冷えやすい（シートは薄く、固有熱容量が小さく、熱伝導率が大きい）ので、非常に迅速に形成を実行しなければならない。これは、高い成形力による非常に迅速なプレスが形成に必要になるという点で問題がある。このようなプレス機は高価であり、成形力を高くすると工具寿命が短くなる傾向がある。また、複雑な部品の形成は困難である。つまり、複雑な部品が完全に形成される前に、シートが冷えてしまいやすい。

したがって、この欠点に対処することが望ましい。

本発明の第１態様によると、アルミニウム合金シートから複雑な形状の部品を形成する方法が提供される。この方法は、
ａ）合金の固溶化熱処理温度（ＳＨＴ）未満の温度にシートを加熱するステップと、
ｂ）加熱されたダイの間で、前記加熱されたシートを前記複雑な形状に向けて形成するステップと、
ｃ）少なくともＳＨＴ温度に前記シートを加熱し、ＳＨＴが完了するまでその温度を実質的に維持するステップと、
ｄ）固溶化熱処理されたシートをコールドダイの間で急冷し、同時に、前記複雑な形状への形成を完了するかまたはその形状を維持するステップと、
を含む。

アルミニウム合金は、ＳＨＴ温度での成形性よりも、ＳＨＴ温度を下回る温度での成形性の方が高いことが分かっている。この理由は、合金内の介在物がＳＨＴ温度で液体になることがあり、形成が始まる前に材料内で微細な空洞を生成してしまうからである。結果として、ＳＨＴ後のＳＨＴ温度での成形性が低下する。

したがって、成形性がより高い、ＳＨＴ温度を下回る温度でシートを少なくとも部分的に形成することによって、複雑な部分の形成がより容易になる。これは、本方法において、最初にＳＨＴ温度を下回る温度にシートを加熱し、続いてホットダイの間でシートを少なくとも部分的に複雑な形状へと形成することによって達成される。加えて、少なくとも部分的に形成されたシートをコールドダイの間に配置してシートを急冷することによって、急冷処理中に形成を終了する（または既に完全に形成されている場合には、形成を維持する）ことができ、これによって所望の形状の部品が得られる。

ステップ（ａ）が、合金内の介在物が溶解する温度よりも小さい温度にシートを加熱することを含んでもよい。ステップ（ａ）が、ＳＨＴ温度での成形性よりも合金の成形性が高くなる温度に前記シートを加熱することを含んでもよい。ステップ（ａ）が、合金の成形性が実質的に最大になる温度に前記シートを加熱することを含んでもよい。

ステップ（ｂ）が、シートからの熱損失を最小化するように構成されたホットダイ内で前記シートを形成することを含んでもよい。ステップ（ｂ）において、ダイが合金のＳＨＴ温度を下回る温度であってもよい。ステップ（ｂ）において、前記ダイが、ステップ（ａ）において前記シートが加熱される温度と実質的に同一の温度であってもよい。ステップ（ｂ）の間、前記ダイの温度が実質的に一定に保持されてもよい。ステップ（ｂ）の前記ダイが一つ以上の加熱素子を備えてもよい。

ステップ（ｄ）が、シート内に穴および／または切り欠きを形成するステップを含んでもよい。ステップ（ｄ）の前記ダイが、ステップ（ｂ）の前記ダイと実質的に同一の形状であってもよい。ステップ（ｂ）のダイが、中にあるシートから熱を逃がすように構成されていてもよい。ステップ（ｄ）の前記ダイが冷却されてもよく、一つ以上の冷却素子および／または冷却流路を備えてもよい。

上記方法が、（ｅ）得られた複雑な形状の部品に人工時効を施す後続ステップを含んでもよい。

アルミニウム合金は、ＡＡ２０２４などの２ＸＸＸ系のアルミニウム合金であってもよい。ステップ（ａ）において、シートが４９３°Ｃ未満に加熱されてもよいし、シートが４７０°Ｃ未満に加熱されてもよいし、シートが４３０°Ｃ〜４７０°Ｃに加熱されてもよいし、シートが４４０°Ｃ〜４６０°Ｃに加熱されてもよい。ステップ（ａ）は、ステップ（ｂ）の開始前に、この温度に１〜１０分間、またはさらに長くシートを加熱することを含んでもよいし、シートをこの温度に５分間だけ加熱することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、シートを４９０°Ｃ〜４９５°Ｃに加熱することを含んでもよく、シートを４９３°Ｃに加熱することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、ステップ（ｄ）の開始前に、シートをこの温度に加熱し、１０〜２０分間または１５〜２０分間この温度を実質的に維持することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、シートをこの温度に加熱し、１５〜２０分間（例えば、１５分間のみなど）この温度を実質的に維持することを含んでもよい。

第１態様の本方法の原理は、マグネシウム合金でも使用できることが分かっている。

本発明の第２態様によると、アルミニウム合金シートまたはマグネシウム合金シートから複雑な形状の部品を形成する方法が提供される。この方法は、
ａ）合金の固溶化熱処理温度（ＳＨＴ）未満の温度にシートを加熱するステップと、
ｂ）加熱されたダイの間で、前記加熱されたシートを前記複雑な形状に向けて形成するステップと、
ｃ）少なくともＳＨＴ温度に前記シートを加熱し、ＳＨＴが完了するまでその温度を実質的に維持するステップと、
ｄ）固溶化熱処理されたシートをコールドダイの間で急冷し、同時に、前記複雑な形状への形成を完了するかまたはその形状を維持するステップと、
を含む。

第１態様の選択的な特徴が、この第２の態様の選択的な特徴であってもよい。

上記方法がマグネシウム合金からの形成である場合、マグネシウム合金はＡＺ３１またはＡＺ９１などの合金であってもよい。ステップ（ａ）において、シートが４８０°Ｃ未満に加熱されてもよいし、シートが４７０°Ｃ未満に加熱されてもよいし、シートが４００°Ｃ〜４２０°Ｃに加熱されてもよいし、シートが約４１３°Ｃに加熱されてもよい。ステップ（ａ）は、ステップ（ｂ）の開始前に、この温度に１〜１０分間、またはさらに長くシートを加熱することを含んでもよいし、シートをこの温度に５分間だけまたは３分間だけ加熱することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、シートを４００°Ｃ〜５２５°Ｃに加熱することを含んでもよく、シートを４８０°Ｃに加熱することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、ステップ（ｄ）の開始前に、シートをこの温度に加熱し、１０〜２０分間この温度を実質的に維持することを含んでもよい。ステップ（ｃ）は、シートをこの温度に加熱し、１５〜２０分間（例えば、１５分間のみなど）この温度を実質的に維持することを含んでもよい。

コールドダイの温度が５０°Ｃ未満であってもよい。

添付の図面を参照して、例示のみを目的として本発明の特定の実施形態を以下で説明する。

本発明を具現化する方法の実施中のアルミニウム合金シート温度の変化を示す図である。

図１を参照して、アルミニウム合金シートから複雑な形状の部品を形成する方法の一実施形態について以下で説明する。

ＡＡ２０２４アルミニウム合金のシートが、最初に炉内で４５０°Ｃの温度に加熱される。初期加熱のこの温度は、ＡＡ２０２４の典型的な固溶化熱処理（ＳＨＴ）温度である４９３°Ｃよりも低い。続いて、シートが４５０°Ｃで５分間維持される。本方法のこの部分は、図１に線Ｂで示されている。

続いて、シートが一組のホットダイに移される。本実施形態では、ダイの内部および周りに配置された加熱素子の動作によって、ダイが４００°Ｃ未満の温度、より詳細には本実施形態では３５０°Ｃに維持される。この移動中のシートの冷却を最小にするために、遅延なしでシートがホットダイに移される。続いて、ホットダイが組み合わせられ、形成すべき複雑な部品の形状へとシートを形成する。本方法のこの部分は、図１に線Ｃで示されている。他の実施形態では、ホットダイは、複雑な部品の形状に向けてシートを形成するようなものでもよく、その部品を最終的に実現するために何回かの後続の変形が必要になる。これについては以下でさらに詳細に説明する。

本実施形態に戻り、加熱されたダイの間で一旦シートが形成されると、別の炉内でＳＨＴ温度である４９３°Ｃにシートが加熱され、形成されたシートのＳＨＴが完了するようにその温度で１５分間維持される。本方法のこの部分は、図１に線Ｄで示されている。

ＳＨＴが完了した直後に、シートがコールドダイに移される。本実施形態では、コールドダイはホットダイと全く同一の形状をしている（後述するように、他の実施形態では相違していてもよい）。続いてコールドダイが組み合わせられ、形成されたシートが部品の形状で維持されるか、ＳＨＴ中に歪みが生じた場合には形状が復元され、同時にシートが急冷される。この実施形態では、コールドダイが１５０°Ｃ未満の温度で維持される。これは、コールドダイの内部および周囲にクーラント流路を設けてコールドダイを通してクーラントを流すことによって行われる。一旦シートが急冷されると、コールドダイからシートが取り外される。本方法のこの部分は、図１に線Ｅで示されている。

最後に、複雑な形状の部品に形成されたシートに、従来の方法で人工時効が施される。本方法のこの部分は、図１に線Ｆで示されている。

ＳＨＴ温度４９３°ＣでのＡＡ２０２４の成形性は、室温での成形性よりもさらに低いことが分かっている。さらなる研究によると、この合金は、加熱速度に応じて４７０°Ｃ〜４８０°Ｃ（すなわち、ＳＨＴ温度より小さい）で溶解するＡｌ_２０Ｃｕ_２Ｍｎ_３の大きな介在物を含むことが明らかになっている。その結果、これらの介在物がＳＨＴ温度で液体になり、シートの微細構造に空洞を形成する。これにより、成形性が低下する。この理由のために、方法の第１段階で、シートがＳＨＴ温度を下回る温度に加熱される。ＡＡ２０２４は４５０°Ｃで成形性が最大になることが分かっており、そのためこの温度が使用される。同様の特性は他のアルミニウム合金でも見つかっている。特に、本方法の実施形態を使用して、温度および持続時間に適切な変更を加えて、ＡＡ５ＸＸＸおよびＡＡ６ＸＸＸ系の合金から複雑な形状を形成することが想定される。

ホットダイの間で加熱されたシートを形成すると、シートからの熱損失が最小化されるので、等温状態でまたはその近傍でシートを形成することができる。したがって、ＷＯ２００８／０５９２４２のように迅速にまたは大きな形成力を用いて形成プロセスを実行する必要がなくなる。こうして、より安価な形成設備を使用することができ、工具寿命の長期化が期待できる。

本方法の残りの部分は、コールドダイ間での急冷中にシートの変形が実行されないことを除き、ＷＯ２００８／０５９２４２に記載されていることと同様である（しかし、他の実施形態では、小さな変形のようないくらかの変形が生じてもよい）。本方法のこの部分の主要目的は、ＳＨＴ後に合金を急冷し、急速冷却中の形成部品の歪みを最小化することである。本方法のこの部分でさらなる形成が実行される実施形態では、部品形状が仕上げ形状へとさらに精緻化され、部品のさらなる特徴が追加されてもよい。

既に説明したように、他の実施形態では、ホットダイの間でシートを所望の部品に完全に形成してもよい。実際、コールドダイの間でいくらかの追加の形成がなされてもよい。このような実施形態では、ホットダイとコールドダイが完全に同一の形状でないことも想定される。

上述したように、本方法はマグネシウム合金でも良好に機能することが分かっている。さらなる実施形態では、この方法を使用して、この実施形態ではＡＺ３１であるマグネシウム合金から複雑な形状の部品を形成する。図１を参照して説明し図示した方法の上記説明は、原理的に、本実施形態にも等しく当てはまる。しかしながら、合金の違いを考慮に入れて、特定の温度および持続時間は変化する。これらの差異について以下で説明する。

ＡＺ３１のシートが最初に４１３°Ｃに加熱され、この温度で約３分間維持される。再び、本方法のこの部分は図１に線Ｂで示されている。線Ｃで示す本方法の部分は上記の通りである。線Ｄで示す本方法の部分では、シートがＳＨＴ温度である４８０°Ｃに加熱され、上記のように１５分間維持される。線Ｅで示す本方法の部分は上記と同じであるが、コールドダイが５０°Ｃ未満に維持される。最後に、線Ｆで示す人工時効が、従来の方法で上記と同様に行われる。

Claims (13)

1. アルミニウム合金シートまたはマグネシウム合金シートから複雑な形状の部品を形成する方法であって、
   ａ）合金の固溶化熱処理温度（ＳＨＴ）未満の温度にシートを加熱するステップと、
   ｂ）加熱されたダイの間で、前記加熱されたシートを前記複雑な形状に向けて形成するステップと、
   ｃ）少なくともＳＨＴ温度に前記シートを加熱し、ＳＨＴが完了するまでその温度を実質的に維持するステップと、
   ｄ）固溶化熱処理されたシートをコールドダイの間で急冷し、同時に、前記複雑な形状への形成を完了するかまたはその形状を維持するステップと、
   を含む方法。
2. ステップ（ａ）が、合金内の介在物が溶解する温度よりも小さい温度にシートを加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
3. ステップ（ａ）が、ＳＨＴ温度での成形性よりも合金の成形性が高くなる温度に前記シートを加熱することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. ステップ（ａ）が、合金の成形性が実質的に最大になる温度に前記シートを加熱することを含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. ステップ（ｂ）が、シートからの熱損失を最小化するように構成されたホットダイ内で前記シートを形成することを含む、請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. ステップ（ｂ）において、前記ダイが、ステップ（ａ）において前記シートが加熱される温度と実質的に同一の温度であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. ステップ（ｂ）の間、前記ダイの温度が実質的に一定に保持されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の方法。
8. ステップ（ｂ）の前記ダイが一つ以上の加熱素子を備えることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の方法。
9. ステップ（ｄ）の前記ダイが、ステップ（ｂ）の前記ダイと実質的に同一の形状であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の方法。
10. ステップ（ｄ）の前記ダイが冷却され、一つ以上の冷却素子および／または冷却流路を選択的に備えることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. （ｅ）得られた複雑な形状の部品に人工時効を施す後続ステップを含むことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記アルミニウム合金がＡＡ２０２４などの２ＸＸＸ系のアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記マグネシウム合金がＡＺ３１またはＡＺ９１であることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。

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