JP2014040621A - 鏡板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡板の高強度化を達成できるとともに、製造コストを低減可能な鏡板の製造方法を提供する。
【解決手段】析出型合金からなる板状のブランク材に溶体化処理を施す溶体化処理工程Ｓ１２と、該溶体化処理工程を経た前記ブランク材に対して、スピニング加工を施して成形品を得る成形工程Ｓ１３と、前記成形品に時効硬化処理を施す時効硬化処理工程Ｓ１４と、を施すことにより鏡板を製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鏡板の製造方法に関するものである。

一般に、ロケットの燃料タンクなどは、析出型合金を用いて製造されている。この燃料タンクは、円筒形状の側壁と、この側壁の両端に接合されたドーム状の鏡板とを備えている。

このような鏡板は、例えば特許文献１に示すようにして製造される。その製造方法では、まず、析出型のアルミニウム合金の板材（ブランク材）に対して予備成形を行い、予備成形品を得る。次に、この予備成形品に対して溶体化処理を行う。次いで、溶体化処理後の予備成形品に対してスピニング加工を施してドーム状（最終成形品の形状）に成形する。最後に、時効処理を行い、所定の強度を有する鏡板が得られる。この鏡板の製造においては、上述のように予備成形を行うことが通例となっている。

特開２００６−１２４７７９号公報

ところで、近年、燃料タンクには高い信頼性が求められており、鏡板においては高強度化が要望されている。この要望に対して、析出型合金で構成された成形品に、単に溶体化後に時効処理を施して製造した鏡板では、材料強度が不足してしまう。

特許文献１に記載のように、溶体化後にスピニング加工を施し、その後時効処理を行う場合は、材料強度の向上が認められるものの、材料強度が十分ではなく更なる向上が求められている。また、製造プロセスの工程が多いため、製造コストが高くなる問題が生じていた。

この発明は前述した事情に鑑みてなされたものであって、鏡板の高強度化を達成できるとともに、製造コストを低減可能な鏡板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上述したような課題を解決すべく、高強度化を達成するための鏡板の製造方法について検討した。その結果、予備成形を行うことによってスピニング加工時の加工量が減少するため、スピニング加工時に導入される歪み（相当塑性歪み）が減少して、時効後の材料強度が低くなっていることを見出した。本発明は、上記の知見に基づき完成させたものであって、その要旨は以下の通りである。

すなわち、本発明の鏡板の製造方法は、析出型合金からなる板状のブランク材に溶体化処理を施す溶体化処理工程と、該溶体化処理工程を経た前記ブランク材に対して、スピニング加工を施して成形品を得る成形工程と、前記成形品に時効硬化処理を施す時効硬化処理工程と、を備えていることを特徴としている。

本発明の鏡板の製造方法によれば、溶体化処理工程の後に、スピニング加工による成形工程を行い、その後時効硬化処理工程を行う構成とされており、従来行われていた予備成形工程が省略されているので、スピニング加工時に加工量を十分に確保し、スピニング加工時に成形品に導入される歪みを大きくすることができ、時効強度を向上させることが可能となる。また、上記のように簡易な製造工程とされており、予備成形工程が省略されているので、鏡板の製造コストを大幅に低減することが可能である。

また、前記成型工程において、前記ブランク材に対して複数パスで前記スピニング加工を行う構成としても良い。

このような構成にすることによって、スピニング加工によってブランク材に導入される歪み（相当塑性歪み）を、より均一にすることができ、鏡板全体の時効後の強度をより一定に近づけることができる。したがって、局所的に鏡板の材料強度が目標値を下回ることを抑制できるので、鏡板の信頼性を向上させることができる。
また、１パスでスピニング加工を行った場合には、鏡板の周縁部（外周付近）における歪みが大きくなりすぎて、時効強度が低下することがある。このような場合に、複数パスでスピニング加工を行うことによって、鏡板の周縁部（外周付近）における強度の低下を抑制することが可能となる。

さらに、前記析出型合金は、アルミニウム合金で構成されても良い。
このような構成にすることによって、例えば、ロケット用の燃料タンクを構成する鏡板として用いることができる。アルミニウム合金として、具体的には、例えばＡ２２１９合金が挙げられる。

本発明によれば、鏡板の高強度化を達成できるとともに、製造コストを低減可能な鏡板の製造方法を提供することができる。

本発明の第一の実施形態に係る鏡板の製造方法示すフロー図である。 一実施形態に係る鏡板の製造方法を説明するための図である。（ａ）は板材の平面図、（ｂ）はブランク材の平面図、（ｃ）はスピニング加工の方法を説明するための概略説明図、（ｄ）は鏡板の断面図である。 実施例１の実験結果を示す図であり、耐力、引張強さ、及び伸びと、相当塑性歪みの関係を示す図である。 実施例２の実験結果を示す図であり、相当塑性歪みと成形品の半径方向位置の関係を示す図である。

（第一の実施形態）
以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係る鏡板は、燃料タンクの側壁の両端部に接合されるものである。本実施形態では、析出型合金の板材を用いてドーム状の鏡板を製造する例について説明する。本実施形態に係る鏡板の製造方法は、例えば、図１に示すように、ブランク材作製工程Ｓ１１と、ブランク材を溶体化処理する溶体化処理工程Ｓ１２と、ブランク材に対してスピニング加工を施す成形工程Ｓ１３と、時効硬化処理工程Ｓ１４と、仕上げ処理工程Ｓ１５を備えている。以下に、その各工程の詳細について説明する。

＜ブランク材作製工程＞（Ｓ１１）
まず、図２（ａ）に示すように、例えば、一辺が数ｍ、板厚数１０ｍｍの析出型合金製の板材１０を用意する。そして、板材１０から、図２（ｂ）に示すように、直径数ｍの円形のブランク材２０を切り出す。こうして、ブランク材２０が得られる。
ここで、板材１０としては、例えば２０００系（好ましくはＡ２２１９合金やＡ２１９５合金）、６０００系、７０００系、８０００系のアルミニウム合金板が用いられる。本実施形態では、板材１０として、Ａ２２１９合金を用いている。また、板材１０としては、一枚板を用いてもよく、摩擦攪拌接合等によって複数の板材を接合したものを用いてもよい。

＜溶体化処理工程＞（Ｓ１２）
次に、ブランク材２０に対して溶体化処理を施す。具体的には、電気炉などを用いて、５００数十℃±数℃、概ね２時間以上の範囲内で保持した後、十数℃／秒以上の冷却速度で冷却する。
この溶体化処理工程Ｓ１２は、析出型合金に対して固溶温度以上に加熱して、合金中の添加元素を母相に十分に固溶させるための工程である。この溶体化処理工程において、十分に添加元素が母相に固溶しない場合、時効処理後の時効強度が低下することになる。したがって、溶体化処理条件は、上記の範囲に設定されている。

＜成形工程＞（Ｓ１３）
次いで、溶体化処理工程を経たブランク材に、図２（ｃ）に示すように、スピニング加工を施す。そして、図２（ｄ）に示すように、直径数ｍ、板厚数１０ｍｍのドーム状の成形品３０を得る。
本実施形態では、しごきスピニング加工を施すことで成形品３０が製造されている。具体的には、ブランク材２０をマンドレル４１に対して同軸に取り付ける。そして、マンドレル４１とともに軸線Ｏ軸線回りに回転させながら、ローラ４２によってマンドレル４１の表面に押し付けることで、ブランク材２０をマンドレル４１の表面形状に沿った形状に成形し、成形品３０が得られるようになっている。
なお、このスピニング加工では、成形品３０の中央部の板厚が厚く、周縁部（外周付近）の板厚が薄くなるようになっている。

この成形工程Ｓ１３においては、スピニング加工によって成形品３０の内部に歪み（相当塑性歪み）が導入される。このように成形品３０の内部に導入された歪みは、析出の駆動力となり、時効処理時に、より多くの析出物を析出させる効果を有する。
なお、本実施形態においては、成形工程Ｓ１３で導入される相当塑性歪みは、好ましくは０．０２以上０．８以下の範囲内、より好ましくは０．０４以上０．４以下の範囲内とされているので、高強度かつより均一な強度を有する鏡板を確実に得ることが可能となる。また、スピニング加工時のパス数は特に限定されるものではないが、複数パスで行われることが好ましい。

＜時効硬化処理工程＞（Ｓ１４）
上述のようにして得られた成形品３０に対して時効硬化処理を行う。具体的には、電気炉などを用いて、概ね１５０℃以上２００℃以下、数時間以上数十時間以下の範囲内で保持した後、常温まで冷却する。
この時効硬化処理工程においては、Ａ２２１９合金の母相中に微細な析出物が多数析出し、成形品３０が高強度化される。

＜仕上げ処理工程＞（Ｓ１５）
本実施形態においては、時効硬化処理を終えた成形品３０に機械加工やケミカルミーリングを施し、周縁部に、燃料タンクの側壁との接続部をなすＴ 型フランジ（図示なし）を溶接したのち、表面に耐食処理を施して、図２（ｄ）に示すように、鏡板５０を得る。
上述のようにして、本実施形態に係る鏡板５０が製出される。

本発明の実施形態に係る鏡板の製造方法によれば、溶体化処理工程Ｓ１２の後に、スピニング加工による成形工程Ｓ１３を行い、その後時効硬化処理工程Ｓ１４を行う構成とされており、従来行われていた予備成形工程が省略されているので、スピニング加工時に加工量を十分に確保し、スピニング加工時に成形品３０に導入される歪みを大きくすることができ、時効強度を向上させることが可能となる。
また、上記のように簡易な製造工程とされており、予備成形工程が省略されているので、鏡板の製造コストを大幅に低減することが可能である。

また、本実施形態においては、スピニング加工は、好ましくは複数パスで行われる構成とされており、スピニング加工によって成形品３０に導入される歪み（相当塑性歪み）を、より均一にすることができ、鏡板全体の時効後の強度をより一定に近づけることが可能となる。したがって、鏡板５０の局所的な領域において材料強度が目標値を下回ることを抑制できるので、鏡板５０の信頼性を向上させることができる。
また、１パスでスピニング加工を行った場合には、鏡板５０の周縁部（外周付近）における歪みが大きくなりすぎて、時効強度が低下することがある。このような場合に、複数パスでスピニング加工を行うことによって、鏡板５０の周縁部（外周付近）における強度の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施形態においては、鏡板はＡ２２１９合金で構成されており、高強度かつ軽量であるので、例えば、ロケット用の燃料タンクを構成する鏡板として用いることができる。

以上、本発明の実施形態に係る鏡板の製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

なお、上記の実施形態においては、仕上げ処理工程を行う場合について説明したが、仕上げ処理工程は省略されても良い。

また、ブランク材、成形品、鏡板の大きさ（直径、板厚）については、上述した大きさのものに限定されるわけではなく、所望の大きさに設定すれば良い。

また、溶体化処理工程において冷却する際には、窒素ガスなどのガスを噴出させて急冷しても良いし、水冷によって急冷しても良く、冷却中に析出型合金の母相に析出が生じることを抑制できる条件及び方法を適宜選択して行えば良い。

（実施例１）
以下に、本発明の効果を確認するために行った実験結果について説明する。
図１に示すフロー図に従ってＡ２２１９合金で構成された鏡板を製造した。具体的な製造条件について、以下に説明する。

まず、Ａ２２１９合金で構成されたブランク材に対して溶体化処理を５００数十℃で数時間の条件で実施した。溶体化後のブランク材に対して、スピニング加工を行い、成形品に導入される相当塑性歪みが０〜０．８０の範囲となるように設定した。
そして、時効温度１６３℃で１５時間の条件で時効硬化処理を行い、鏡板を得た。このようにして得られた鏡板に対して、所定の相当塑性歪みの位置から試験片を採取し、引張試験を行って引張強さ、耐力、伸びを測定した。引張試験は、ＪＩＳ４号試験片を用いてＪＩＳの規格に準拠して実施した。

図３に、相当塑性歪み０〜０．８０の範囲の試験片の引張試験の結果を示す。相当塑性歪みが０付近では、耐力が３００ＭＰａ未満、引張強さが約４３０ＭＰａ程度であった。一方、相当塑性歪みが０．０４以上の試験片では、耐力が約４００ＭＰａ、引張強さが約４７０ＭＰａ〜５００ＭＰａとなっており、溶体化後に歪み（相当塑性歪み）を導入し、その後に時効処理をした場合に、材料強度が大きく向上することが確認された。
また、相当塑性歪みが０．７３の試験片については、相当塑性歪みが０．０４〜０．３６の試験片に比較して、引張強さがわずかに低下することが確認された。

（実施例２）
次に、スピニング加工を複数パスで施したときの効果を確認するために行った実験結果について説明する。
図１に示すフロー図に従って、Ａ２２１９合金で構成された鏡板を以下のようにして製造した。
まず、Ａ２２１９合金で構成されたブランク材（例えば、直径０．５ｍ程度、板厚２ｍｍ程度）に対して溶体化処理を５００数十℃で概ね２時間の条件で実施した。そして、溶体化後のブランク材に対して、スピニング加工を行った。この時のスピニング加工は、２種類の条件で行った。

１つ目の条件（１パス成形）では、スピニング加工を１パスで行い、成形品が直径０．４ｍ、板厚１ｍｍ〜２ｍｍの形状となるようにした。
２つ目の条件（２パス成形）では、スピニング加工を２パスで行い、１パス目に成形品が直径０．４ｍ、板厚１．５ｍｍ〜２ｍｍの形状となるようにした。そして、２パス目に成形品が直径０．４ｍ、板厚１ｍｍ〜２ｍｍとなるようにした。
なお、１つ目の条件と２つ目の条件で作製された鏡板の形状は、同一の形状とされている。

このようにしてスピニング加工を行って得た成形品に対して、成形品の中心からの距離（半径方向位置）と、対応する箇所における相当塑性歪みを測定した。相当塑性歪みは、半径方向位置における板厚及び半径方向の伸びを測定し算出した。

図４に、上記のようにして得た成形品の相当塑性歪みと半径方向位置との関係について示す。図４では、１パスで成形した成形品と、２パスで成形した成形品の１パス目と２パス目の半径方向位置と相当塑性歪みの関係について示している。

図４より、１パスで成形した場合、成形品の相当塑性歪みが、成形品の周縁部（外周付近）では０．６以上となり、大きな相当塑性歪みとなることがわかる。一方、２パスで成形した場合は、鏡板の周縁部（外周付近）においても相当塑性歪みが０．２未満とされている。したがって、スピニング加工を２パス（複数パス）にすることによって局所的に相当塑性歪みが高い領域が生じることを抑制できることが確認された。
このように、スピニング加工を複数パスで行った場合、成形品の周縁部（外周付近）の相当塑性歪みが局所的に大きくなることを抑制できるので、鏡板の時効強度をより均一にすることが可能となる。

２０ ブランク材
３０ 成形品
５０ 鏡板

Claims (3)

1. 析出型合金からなる板状のブランク材に溶体化処理を施す溶体化処理工程と、
   該溶体化処理工程を経た前記ブランク材に対して、スピニング加工を施して成形品を得る成形工程と、
   前記成形品に時効硬化処理を施す時効硬化処理工程と、を備えていることを特徴とする鏡板の製造方法。
2. 前記成型工程において、前記ブランク材に対して複数パスで前記スピニング加工を行うことを特徴とする請求項１に記載の鏡板の製造方法。
3. 前記析出型合金は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の鏡板の製造方法。

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