JP2017179413A

JP2017179413A - 自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法

Info

Publication number: JP2017179413A
Application number: JP2016064655A
Authority: JP
Inventors: 雅是堀; Masasada Hori
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2017-10-05
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: WO2017170429A1; JP6223492B2

Abstract

【課題】高い強度を付与することのできる自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、原料を溶解して成分を調整し、６０００系アルミニウム合金とする溶解工程と、前記溶解工程後、鋳塊を鋳造する鋳造工程と、前記鋳造工程後、前記鋳塊に対し均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、前記均質化熱処理工程後、前記鋳塊を所定の形状のアルミニウム合金鍛造材に鍛造する鍛造工程と、前記鍛造工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して溶体化熱処理を行う溶体化熱処理工程と、前記溶体化熱処理工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して焼入れを行う焼入れ工程と、前記焼入れ工程後、人工時効処理を行う人工時効処理工程と、を含み、前記焼入れ工程で焼入れ時間が１〜５分である焼入れを行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、サスペンションアームなどの自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法に関する。

サスペンションアームなどの自動車部品の材料としてＪＩＳに規定されている６０００系アルミニウム合金（「Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金」と呼称されることもある。）が好適に用いられている。６０００系アルミニウム合金は熱処理型合金などとも呼ばれており、溶体化熱処理、焼入れ、人工時効処理からなる一連の熱処理（例えば、Ｔ６調質）が施される。

近年、車両や自動車部品といった自動車用アルミニウム合金鍛造材については、車重を軽くして燃費向上を図るなどの理由から、軽量化が強く望まれている。自動車用アルミニウム合金鍛造材の軽量化のためには高強度化が必要であり、そのような素材の開発が強く望まれている。

自動車用アルミニウム合金鍛造材を高強度化するため、前記した熱処理のうち、溶体化熱処理や人工時効処理についてはこれまでにも多くの提案がなされている。しかし、焼入れについてはそのような提案がなされていないのが現状である。

焼入れについては、例えば、非特許文献１の第６５２頁の１０．５．２に、アルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理について、冷却能は冷水が優れているが、焼入れ時の残留応力のために歪が発生し易くなる旨、これを防止するため５０〜６０℃の温水で焼入れしたり、焼入れ剤を添加して焼入れしたりする旨が記載されている。

社団法人軽金属協会アルミニウム技術便覧編集委員会編、「アルミニウム技術便覧」、カロス出版株式会社、１９８５年６月１６日発行

非特許文献１をはじめとして、前記したように、従来、自動車用アルミニウム合金鍛造材のさらなる高強度化を図るにあたって、焼入れは検討事項の対象ではなかった。つまり、自動車用アルミニウム合金鍛造材は、焼入れの条件に関して、さらなる高強度化を図るための改善の余地が残されていた。

本発明は前記状況に鑑みてなされたものであり、高い強度を付与することのできる自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決した本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、原料を溶解して成分を調整し、６０００系アルミニウム合金とする溶解工程と、前記溶解工程後、鋳塊を鋳造する鋳造工程と、前記鋳造工程後、前記鋳塊に対し均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、前記均質化熱処理工程後、前記鋳塊を所定の形状のアルミニウム合金鍛造材に鍛造する鍛造工程と、前記鍛造工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して溶体化熱処理を行う溶体化熱処理工程と、前記溶体化熱処理工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して焼入れを行う焼入れ工程と、前記焼入れ工程後、人工時効処理を行う人工時効処理工程と、を含み、前記焼入れ工程で焼入れ時間が１〜５分である焼入れを行うこととした。
このように、本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、焼入れ時間を従来よりも短くするとともに、予め解析した強度が高くなる所定の範囲としているので、自動車用アルミニウム合金鍛造材の強度を高くすることができる。

本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、前記焼入れ工程において、アルミニウム合金鍛造材の表面積をＳＡとし、前記焼入れを行うための水と平行な断面の断面積をＳＢとした場合に、ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００となる姿勢で焼入れを行うことが好ましい。
このように、本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、ＳＢ／ＳＡで算出される値を所定の範囲となる姿勢で焼入れを行っているので、焼入れ歪を生じ難くすることができる。

本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、焼入れを行うための水の温度が３０〜７０℃であることが好ましい。
このように、本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、焼入れを行う水の温度を所定の範囲としているので、より確実に自動車用アルミニウム合金鍛造材の強度を高くすることができる。

本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法は、自動車用アルミニウム合金鍛造材に高い強度を付与することができる。

自動車用アルミニウム合金鍛造材の表面積をＳＡとし、焼入れを行うための水と平行な断面の断面積をＳＢとした場合におけるＳＢ／ＳＡで算出される値について説明する概念図である。自動車用アルミニウム合金鍛造材の表面積をＳＡとし、焼入れを行うための水と平行な断面の断面積をＳＢとした場合におけるＳＢ／ＳＡで算出される値について説明する概念図である。本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法を適用することのできるサスペンションアームの一例を示す概略図である。本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法を適用することのできるサスペンションアームの一例を示す概略図である。Ｉ型アームの形状と試験部位Ｔ１の位置とを示す概略説明図である。実施例において焼入れ歪が生じているか否かを確認する様子を説明する説明図である。実施例において焼入れ歪が生じているか否かを確認する様子を説明する説明図である。

以下、本発明に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法を実施するための形態について詳細に説明する。
本実施形態に係る自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法（以下、「本方法」と呼称することもある）は、原料を溶解して成分を調整し、６０００系アルミニウム合金とする溶解工程と、溶解工程後、鋳塊を鋳造する鋳造工程と、鋳造工程後、鋳塊に対し均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、均質化熱処理工程後、鋳塊を所定の形状のアルミニウム合金鍛造材（以下、「Ａｌ合金鍛造材」と呼称することもある）に鍛造する鍛造工程と、鍛造工程後、Ａｌ合金鍛造材に対して溶体化熱処理を行う溶体化熱処理工程と、溶体化熱処理工程後、Ａｌ合金鍛造材に対して焼入れを行う焼入れ工程と、焼入れ工程後、人工時効処理を行う人工時効処理工程と、を含み、前記した焼入れ工程で焼入れ時間が１〜５分である焼入れを行うというものである。

このように、本方法は、焼入れ工程における焼入れ時間を１〜５分としているので、Ａｌ合金鍛造材の強度を高くすることができる。
焼入れ時間が１分未満であると、焼入れが十分に行われないので、強度を高くすることができない。他方、焼入れ時間が５分を超えると、焼入れの効果が飽和するだけでなく、強度が若干低下する傾向にある。よって、焼入れ時間は１〜５分とする。強度をより高くする観点から、焼入れ時間は４分以下とするのが好ましく、３分以下とするのがより好ましい。

本方法は、焼入れを行うための水の温度を３０〜７０℃とするのが好ましい。水の温度をこの範囲とすると、より確実にＡｌ合金鍛造材の強度を高くすることができる。なお、水の温度は、前記温度範囲内において、６０００系アルミニウム合金の合金種に適した温度＋５℃以内で行うのが好ましい。例えば、後記する表１に示す化学成分のＡｌ合金の場合、４０〜４５℃で行うのが好ましい。その他の合金種の場合、前記温度範囲内において、適宜実験等することにより、容易に適切な温度を把握することができる。
水の温度は、焼入れを行う焼入れ槽の内部に１個又は複数個の温度計を設置し、コンピュータなどにより管理するのが好ましい。水の温度が７０℃を超える場合、新たに温度の低い水を追加して温度を下げるのが好ましい。また、水の温度が３０℃未満である場合、ヒータなどで温度を上げるのが好ましい。

また、本方法は、焼入れを行うための水をバブリングしていることが好ましい。このように、水をバブリングすると、ソフトスポットを生じ難くすることができる。ここで、「ソフトスポット」とは、Ａｌ合金鍛造材に部分的（局所的）に発生する焼入れ不良部分、未焼入れ部分をいう。ソフトスポットは、Ａｌ合金鍛造材を多数、密に配列したり、段積みしたりした場合に生じ易い。ソフトスポットが生じた部分は、他の正常な焼入れ部分に比して強度が低くなり、Ａｌ合金鍛造材の機械的性質などの均質性を阻害する。

前記したように、ソフトスポットは、Ａｌ合金鍛造材を多数、密に配列したり、段積みしたりした場合に生じ易い。このようになるのは、隣り合うＡｌ合金鍛造材同士の間隔が狭いと、Ａｌ合金鍛造材を冷却して温められた水がその位置から動き難いことが理由であると考えられる。従って、焼入れ時に隣り合うＡｌ合金鍛造材同士の間隔が十分に開いていればバブリングを行う必要はないが、そうでない場合はバブリングを行うことが好ましい。バブリングで生じた気泡は、隣り合うＡｌ合金鍛造材同士の間隔の広狭に関係なく上方に移動する性質を有している。気泡は、上方に移動する際に水を引き連れて移動する。そのため、隣り合うＡｌ合金鍛造材同士の間隔が狭くても水の循環を促すことができる。その結果、前記したようにソフトスポットを生じ難くすることができる。

バブリングは、焼入れ槽内の下部に設置されたエアノズルやスパージャなどの排気部と、排気部と接続されたエア配管と、エア配管と接続されたエアポンプと、で行うことができる。なお、排気部は、焼入れ槽内の水にエアを吹き込み、バブルを発生させる。エア配管は、排気部にエアを供給する。エアポンプは、圧力をかけてエアをエア配管に供給する。これらは従来公知のものを用い、一般的な条件で実施することができる。
バブリングのエア圧力は、例えば、２〜１０ｋｇ／ｃｍ^２とするのが好ましいが、ソフトスポットを生じ難くすることができればよく、これに限定されない。

また、本方法においては、Ａｌ合金鍛造材の表面積をＳＡとし、焼入れを行うための水と平行な断面の断面積をＳＢとした場合に、ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００となる姿勢で焼入れを行うことが好ましい。なお、図１Ａ及び図１Ｂは、Ａｌ合金鍛造材の表面積をＳＡとし、焼入れを行うための水と平行な断面ＣＳの断面積をＳＢとした場合におけるＳＢ／ＳＡで算出される値について説明する概念図である。図１Ａは、ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００となる姿勢、すなわち、Ａｌ合金鍛造材をなるべく立てた状態にしていることを示している。また、図１Ｂは、ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００とならない姿勢、すなわち、Ａｌ合金鍛造材を寝かした状態にしていることを示している。
ＳＢ／ＳＡで算出される値を前記した範囲とすることによって、焼入れ歪を生じ難くすることができる。

Ａｌ合金鍛造材の水への投入角度θは、Ａｌ合金鍛造材の中心軸Ｃを基準にして把握すると簡便である。ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００の場合、中心軸Ｃを基準とした水への投入角度θは０〜４５°の範囲に収まる。
なお、Ａｌ合金鍛造材の一部が所定の角度をもって屈曲している場合は、屈曲しているところを基準にそれぞれの端部を結んだ中心軸Ｃの長さの長い方を基準にするのが好ましい。

Ａｌ合金鍛造材の表面積や、焼入れを行うための水と平行な断面の断面積は、例えば、Ａｌ合金鍛造材の形状を３Ｄスキャナで読み込み、任意のソフトで解析することによって容易に把握することができる。また、例えば、３Ｄ−ＣＡＤ（Computer-Aided Design）などで形状を設計したものであれば、当該３Ｄ−ＣＡＤから容易に把握することができる。

焼入れ槽で焼入れを行う際は、溶体化熱処理したＡｌ合金鍛造材を保持・支持するための保持具を用いたり、篭（金網のケース）に入れたりして行う。そのため、焼入れを行う際は、ＳＢ／ＳＡで算出される値が前記した範囲となるように、用いる保持具の形状を工夫したり、篭の向きを調整したりするとよい。

本方法で用いるアルミニウム合金は、６０００系アルミニウム合金であることが好ましい。このようにすると、例えば、高い強度を有する自動車部品を提供することが可能となる。６０００系アルミニウム合金として、具体的には、６０６１合金、６１１０合金、６１１１合金、６００３合金、６１５１合金、６０６１合金、６Ｎ０１合金、６０６３合金、６０８２合金、６１８２合金などが挙げられる。

また、本方法を好適に適用できるＡｌ合金鍛造材として、例えば、サスペンションアームを挙げることができる。すなわち、本方法は、サスペンションアームとして好適に適用することができる。サスペンションアームとは、車輪と車体をつなぐ部品で、路面からの衝撃や振動が車室に直接伝わるのを防ぐ装置をいう。サスペンションアームには、ストラット式やダブルウィッシュボーン式サスペンションのアッパーアームとロワアームをはじめ、トレーリングアームやスイングアームなど各種の形式や配置に応じたアームがある。本方法は、これらのアームのいずれにも適用することができる。本方法は、特に、Ｉ字形をしたＩ型アーム１（図２Ａ参照）及びＬ字形をしたＬ型アーム２（図２Ｂ参照）と呼ばれるサスペンションアームに好適に適用することができる。なお、図２Ａ及び図２Ｂは、本方法を適用することのできるサスペンションアームの一例を示す概略図である。また、本方法は、Ａ字形をしたＡ型アーム（図示せず）と呼ばれるサスペンションアームに好適に適用することもできる。

本発明においては、焼入れ工程以外の各工程は、すなわち、溶解工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、鍛造工程、溶体化熱処理工程、及び人工時効処理工程の各工程は、Ａｌ合金鍛造材を製造する一般的な設備及び条件で実施することができる。

次に、実施例と比較例とを対比して、本方法についてさらに詳細に説明する。
表１に示す化学成分（質量％）の６０００系アルミニウム合金を用い、溶解工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、及び鍛造工程を順次行って、Ｉ型アームを鍛造した。そして、鍛造したＩ型アームに対して５５０℃×２４０分の溶体化熱処理を行い、表２のＮｏ．１〜８に示す焼入れ時間で焼入れを行った。焼入れ水温は４０℃とし、焼入れ水量は溶体化熱処理を行ったＩ型アームを入れた後、その上昇温度が５℃以内となる十分な量とした。焼入れは、Ｉ型アームの最大肉厚部の中心温度が４０〜４５℃となるようにして行った。中心温度は、Ｉ型アームの最大肉厚部の中心まで穴をあけ、当該穴に熱電対を挿入して確認した（表２には示さず）。

そして、表２のＮｏ．１〜８に示す各焼入れ時間で焼入れを行った後、１７５℃×８時間の人工時効処理を行った。このようにして製造したＮｏ．１〜８に係るＩ型アームの試験部位Ｔ１（図３参照）から、ＪＩＳＺ２２４１：２０１１に準拠して試験片を作製し、金属材料引張試験を行うことにより、引張強度（ＭＰａ）、耐力（ＭＰａ）、伸び（％）を測定した。
引張強度が３９０ＭＰａ以上であるものを高い強度を有していると判断した。
焼入れ時間とともに金属材料引張試験の結果を表２に示す。表２中、下線は本発明の要件を満たしていないことを示す。

表２に示すように、Ｎｏ．２〜５に係るＩ型アームは、焼入れ時間が１０〜３０分であるＮｏ．６〜８と比較して１〜５分と短かったので、引張強度及び耐力が高くなった（いずれも実施例）。特に、Ｎｏ．２〜４に係るＩ型アームは焼入れ時間が適度に短かったので、引張強度及び耐力がより高くなった。

これに対し、Ｎｏ．１、６〜８に係るＩ型アームは、本発明の要件を満たしていなかったので、引張強度及び耐力が高くならなかった（いずれも比較例）。
具体的には、Ｎｏ．１に係るＩ型アームは焼入れ時間が短すぎたため、中心温度が４０〜４５℃まで下がらず、粗大な析出物が出て高強度化できなかった。従って、Ｎｏ．１に係るＩ型アームは引張強度及び耐力が高くならなかった。
Ｎｏ．６〜８に係るＩ型アームは焼入れ時間が長すぎたため、強度に寄与しない析出が起こり、人工時効処理工程での析出量を低下させるため、高強度化しなかった。従って、Ｎｏ．６〜８に係るＩ型アームは引張強度及び耐力が高くならなかった。

また、焼入れを行う際のＩ型アーム及びＬ型アームの姿勢と、焼入れ歪との関係を次のようにして検証した。
表３のＮｏ．９〜３２に示すように、Ａｌ合金鍛造材の表面積の異なる６種類のサスペンションアーム（Ｉ型アーム３種類、Ｌ型アーム３種類）を用意した。
なお、Ｎｏ．９〜３２に係るサスペンションアームは、前記と同様、表１に示す化学成分（質量％）の６０００系アルミニウム合金を用い、溶解工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、及び鍛造工程を順次行って作製した。
次に、Ｎｏ．９〜３２に係るサスペンションアームに対して、前記と同様５５０℃×２４０分の溶体化熱処理を行い、前記した表２のＮｏ．３に示す焼入れ時間で焼入れを行った後（すなわち、２分の焼入れを行った後）、１７５℃×８時間の人工時効処理を行った。なお、焼入れの際、表３に示すように、焼入れを行うための水への投入角度θを０〜４５°に設定して行った。
そして、各サスペンションアームの形状を３Ｄスキャナで読み込んで任意のソフトで解析し、サスペンションアームの表面積ＳＡと、各投入角度θにおける、焼入れを行うための水と平行な断面の断面積ＳＢと、を算出した。また、算出したＳＡとＳＢから各投入角度θにおけるＳＢ／ＳＡを算出した。

次いで、前記したようにして製造したＮｏ．９〜３２に係るサスペンションアームに対して、それぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示す所定の治具３やダイヤルゲージ４を用いて焼入れ歪が生じているか否か確認した。焼入れ歪が公差として許容されている範囲内（公差１．０ｍｍを基準にしている）であるものを“○”とし、許容されている範囲を超えるものを“×”とした。表３にその結果を示す。

表３に示すように、Ｎｏ．１０〜２５、２７〜３０に係るサスペンションアームは、サスペンションアームの表面積ＳＡに対する焼入れを行うための水と平行な断面の断面積ＳＢの比ＳＢ／ＳＡが適切であったので、焼入れ歪は公差として許容できる範囲内であった。
Ｎｏ．９、２６、３１、３２に係るサスペンションアームは、サスペンションアームの表面積ＳＡに対する焼入れを行うための水と平行な断面の断面積ＳＢの比ＳＢ／ＳＡが適切ではなかったので、焼入れ歪が公差として許容できる範囲を超えていた。
なお、Ｎｏ．９〜３２に係るいずれのサスペンションアームの引張強度、耐力、伸びも、表２のＮｏ．３と同じであった。

ＳＡアルミニウム合金鍛造材の表面積
ＳＢ焼入れを行うための水と平行な断面の断面積
ＣＳ焼入れを行うための水と平行な断面

Claims

原料を溶解して成分を調整し、６０００系アルミニウム合金とする溶解工程と、
前記溶解工程後、鋳塊を鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程後、前記鋳塊に対し均質化熱処理を行う均質化熱処理工程と、
前記均質化熱処理工程後、前記鋳塊を所定の形状のアルミニウム合金鍛造材に鍛造する鍛造工程と、
前記鍛造工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して溶体化熱処理を行う溶体化熱処理工程と、
前記溶体化熱処理工程後、前記アルミニウム合金鍛造材に対して焼入れを行う焼入れ工程と、
前記焼入れ工程後、人工時効処理を行う人工時効処理工程と、を含み、
前記焼入れ工程で焼入れ時間が１〜５分である焼入れを行うことを特徴とする自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法。
前記焼入れ工程において、前記アルミニウム合金鍛造材の表面積をＳＡとし、前記焼入れを行うための水と平行な断面の断面積をＳＢとした場合に、ＳＢ／ＳＡで算出される値が０．００４０〜０．０４００となる姿勢で焼入れを行うことを特徴とする請求項１に記載の自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法。
前記焼入れを行うための水の温度が３０〜７０℃であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車用アルミニウム合金鍛造材の製造方法。