JP2019127622A - アルミニウム合金の熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】引張強度が強く、かつ、変形の小さいアルミニウム合金製のワークを得ることのできるアルミニウム合金の熱処理方法を提供する。【解決手段】７０００系アルミニウム合金製の管状のワーク材を用いて加熱炉で溶体化処理を行い、次いで、水、又は、水とエアーとを混合させた水ミスト、又は、エアーを、ノズルからワーク材にスプレーして焼入れ処理を行う構成とすることにより、ワークの変形を低減してワーク全体の強度を均一にするとともに従来よりも強い強度を得られるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金製のワークの熱処理方法に関し、特に、管状のワークの熱処理方法に関する。

従来より、高圧容器等に用いられるアルミニウム合金材としては、加工性に優れ、加熱炉で溶体化処理した後に焼入れ処理することにより、時効硬化で強度を高めることができるＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金である６０００系アルミニウム合金材（以下、「６０００系アルミ合金」ともいう）が多用されている。また、次世代のエネルギーの１つとして注目されている水素ステーションでは、水素を貯蔵するための軽量で耐圧性能の高い容器が求められており、６０００系アルミ合金製の金属ライナの外側に繊維強化プラスチック層（ＦＲＰ層とも称する）が形成された圧力容器が利用されている。この圧力容器の製造には、管状のワーク材が用いられ、円筒状の胴部の両端に、胴部よりも径が小さくなる湾曲面を有する口金取付部等が加工され、その長さが例えば５ｍとなっている（図３参照）。

そして、６０００系アルミ合金製の金属ライナ（ワーク）の機械的特性を改善するために、熱処理を施すことが広く知られている。例えば、６０００系アルミ合金製のワークを溶体化処理した後に、そのワークを焼入れ処理する熱処理方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。なお、溶体化処理とは、時効硬化反応を引き起こすために必要な固溶体を得るための熱処理（例えば５００℃〜５９０℃×５秒以上）である。また、焼入れ処理とは、溶体化処理によって溶質原子が固溶した状態を急冷によって強制的に凍結させて過飽和固溶体を得るための熱処理（１２０℃以下に冷却）である。このとき、焼入れ処理では、溶質原子の粒界析出が起こらないように、冷却速度が充分であって焼入れ遅れのないように実施する必要がある。

また、例えば高さ５ｍの金属ライナを急冷する焼入れ処理として、６０００系アルミ合金製の金属ライナを１０℃〜９０℃の水温中に浸漬させて冷却する浸漬焼入れ処理（水没焼入れ処理）が実施されている。この場合、浸漬により生じる応力によって金属ライナに生じる変形（歪）を抑えるように、周方向に均一に金属ライナを冷却させていくための設備や大きな冷却水槽（深さ１０ｍ以上）等が使用されている。

しかしながら、上述したような浸漬焼入れ処理では、周方向に均一に金属ライナを冷却水槽に浸漬させても、金属ライナの長手方向に冷却の不均一が生じることから、金属ライナ全体の引張強度を均一に処理することが困難であった。また、溶体化温度（例えば５００℃〜５９０℃）から急冷されるため、非常に大きな熱応力が発生し、これにより金属ライナが大きく変形するという問題点があった。さらに、縦型の設備や大きな冷却水槽等の設備費用が高くなる上に、多数の金属ライナを短時間で熱処理することができないという問題点もあった。

上述した熱応力によるワークの変形を抑制し、また、浸漬のための大きな冷却水槽を不要とするために、アルミ合金材のワークに対し、水滴を含有した水ミストを冷媒としてスプレーノズルでスプレーする焼入れ方法も提案されている（特許文献２）。これによれば、冷媒のスプレーにより、ワークに歪が生じることを抑制しつつ、ワークを急速に冷却して良好な機械的特性を得るようにしている。

特開２００２−１８０２２０号公報 特許第４３２９４１８号公報

６０００系アルミ合金を用いた浸漬焼入れ処理（水没焼入れ処理）を行うことにより、目下、約２６０ＭＰａ程度まで引張強度を高めたワークを得ることが可能となっている。
ここで、ワークに生じる変形（歪）を抑えるために、浸漬焼入れ処理ではなく、空気や水ミストをスプレー（噴霧）して焼入れする方法を採用した場合は、冷却の不均一性が改善されて変形を抑制できるようになるが、浸漬焼入れ処理に比べると、充分な冷却速度で焼入れすることができないため、浸漬焼入れ処理で得られる引張強度を超える機械的特性（引張強度）を得ることが困難であった。

一方、高圧容器等に用いられるアルミ合金材では、従来よりもさらに強い機械的特性（引張強度）を有し、しかも熱応力による変形が生じていないアルミ合金を得ることが求められている。
そこで本発明は、引張強度はこれまで以上に強く、具体的には、設計圧力３５ＭＰａ以上の高圧容器で必要とされる従来の１．４倍以上、すなわち目標引張強度が３６５ＭＰａ以上であり、かつ、変形（歪）の小さいアルミ合金製のワークが得られる熱処理方法を提供することを目的とする。このような品質を有するアルミ合金は、具体的には、例えば圧力容器用管材として望まれている。

上記課題を解決するためになされた本発明の熱処理方法は、アルミニウム合金製のワークの熱処理方法であって、７０００系アルミニウム合金製の管状のワーク材を用いて加熱炉で溶体化処理を行い、次いで、水、又は、水とエアーとを混合させた水ミスト、又は、エアーを、ノズルから前記ワーク材にスプレーして焼入れ処理を行うようにしている。
ここで、７０００系アルミニウム合金（以下、「７０００系アルミ合金」ともいう）とは、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ（−Ｃｕ）系合金をいう。

本発明の熱処理方法によれば、ワークの変形（歪）を低減でき、ワーク全体の引張強度を均一にすることができ、しかもこれまでよりも強い引張強度、具体的には４００ＭＰａを超える強い引張強度を得ることができる。さらに、縦型の設備や大きな冷却水槽等が不要になる。

上記発明において、前記焼入れ処理では、４５０℃から２５０℃の間の冷却速度を２０℃／分以上３０００℃／分以下としてもよい。

上記発明において、前記ワーク材が、７０００系アルミニウム合金のうち、材料記号がＡ７１７５、Ａ７０７９、Ａ７４７５、Ａ７０７５、Ａ７０１０、ＡＡ７０４６、Ａ７０５０、Ａ７１７８を含む高Ｚｎ＋Ｍｇ型７０００系アルミニウム合金のいずれかとしてもよい。
ここで、「高Ｚｎ＋Ｍｇ型７０００系アルミニウム合金」とは、７０００系アルミニウム合金のうち、ＺｎとＭｇの合計含有量が比較的多い材料であり、このグループに含まれる範囲については、後述する図２により定義される。

また、上記発明において、前記ノズルは、前記管状のワークの軸線に対し互いに回転対称となる位置で当該ワークの外側に複数個が配置されるようにしてもよい。
これにより、筒状のワークの外周面に液体を噴射するときのワーク内部へ液体の侵入がなくなり、筒状のワーク内を汚さず、かつ、均等に焼入れすることができる。

また、上記発明において、前記焼入れ処理は、前記ノズルからの噴射流量を制御する流量制御及び／又は前記ノズルからの噴射流体の温度制御が行われるようにしてもよい。
これにより、ノズルから噴射する冷媒の流量、温度の少なくともいずれかを制御することで、所望の冷却速度に調整しながら焼入れすることができる。

また、上記発明において、前記ワークは、当該ワークの軸線方向に沿って搬送されるとともに、当該軸線を中心に回転しながら搬送されるようにしてもよい。
これにより、加熱炉から搬送された管状のワークはその軸線に沿って回転しながら冷媒がスプレーされるので、ワーク外周面全面がむらなく冷却され、均質な焼入れが行えるようになる。

焼入れ処理による７０００系アルミ合金の引張強度と冷却速度の関係を示すグラフ。 ７０００系アルミ合金をＺｎとＭｇとの含有成分量に基づいてグループ分けしたグラフ。 本発明の加工対象となる圧力容器の一例を示す図。 本発明の熱処理方法を実施するための熱処理装置の一例を示す図。 図４に示すＡ−Ａ線断面図。 熱処理方法の一例について説明するためのフローチャート。

発明者らは、焼入れ処理時の引張強度と冷却速度との関係を７０００系アルミ合金について検討した。図１は、焼入れ処理による７０００系アルミ合金の引張強度と冷却速度の関係を示すグラフである。なお、比較のため６０００系アルミ合金（具体的には材料記号Ａ６０６１のアルミ合金）の引張強度と冷却速度の関係についても示している。

図２は、７０００系アルミ合金を、ＺｎとＭｇとの含有成分量に基づいて、「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」と、「低Ｚｎ＋Ｍｇ型」とにグループ分けしたときの境界と、それぞれのグループに含まれる市販のアルミ合金の材料記号を示したグラフである。
ここでは、ＭｇとＺｎのｗｔ％が、
２Ｍｇ＋Ｚｎ＜８ｗｔ％であるとき「低Ｚｎ＋Ｍｇ型」
２Ｍｇ＋Ｚｎ＞８ｗｔ％であるとき「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」
と分類している。
すなわち、図２において、左上（Ｍｇ４．０ｗｔ％でＺｎ０．０ｗｔ％の点）と右下（Ｍｇ０．０ｗｔ％でＺｎ８．０ｗｔ％の点）とを結ぶ線分で二分したときの右上側を「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」とし、左下側を「低Ｚｎ＋Ｍｇ型」として７０００系アルミ合金をグループ分けしている。

図１での冷却速度は４５０℃〜２５０℃の間での冷却速度であり、冷却速度を１０℃／分〜３０００℃／分の範囲で制御するため、水をスプレー（水スプレー冷却）、水とエアーとの混合媒体であるミストをスプレー（水ミストスプレー冷却）、エアーをスプレー（エアー冷却）のいずれかの冷媒スプレーを採用し、冷媒温度や冷媒噴射量を制御することにより所望の冷却速度を得るようにした。なお、１０００℃／分以上の冷却速度での焼入れ処理を行う場合は、通常は浸漬焼入れ処理（水や油を媒体として浸漬）を採用するが、１０００℃／分〜３０００℃／分の範囲であれば、冷媒温度や冷媒噴射量を制御することによりノズルからの冷媒スプレーでも実現可能であったので、ここでは冷媒スプレーによる冷却で焼入れ処理を行った。

従来から金属ライナに使用されている６０００系アルミ合金（Ａ６０６１）に、冷却速度１０００℃／分、３０００℃／分で冷媒スプレーによる焼入れ処理を行ったものでは、引張強度２６０ＭＰａが得られた。しかも冷媒スプレーを採用しているため、熱応力による変形量（歪）は小さく、高圧容器として使用可能な変形量であった。
なお、参考のため、浸漬焼入れ処理（水没焼入れ処理）を採用して１０００℃／分〜３０００℃／分の冷却速度にすると、冷媒スプレーに比べて変形量が大きくなる。さらに、浸漬焼入れ処理では３０００℃／分以上の冷却速度にすることができるが、その場合は、変形量がさらに増大するものの、引張強度については１０００℃／分以上では冷媒スプレー焼入れ、浸漬焼入れのいずれも２６０ＭＰａからほとんど上昇しなかった。
よって、６０００系アルミ合金での熱処理では、冷媒スプレーによる焼入れ処理を行えば、変形を抑制することは可能であるが、引張強度については焼入れ処理の冷却速度を大きくしても２６０ＭＰａよりはるかに大きく改善することはできないことが判明した。

一方、７０００系アルミ合金に、冷却速度１０００℃／分、３０００℃／分で冷媒スプレーによる焼入れ処理を行ったものでは、「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」では引張強度５００ＭＰａを超え、「低Ｚｎ＋Ｍｇ型」でも引張強度は４８０ＭＰａを超えるものが得られた。熱応力による変形量についても、冷却速度１０００℃／分、３０００℃／分のいずれであっても小さく、高圧容器として使用可能な変形量であった。
なお、参考のため、浸漬焼入れ処理（水没焼入れ処理）を採用して３０００℃／分以上の冷却速度にすると、変形量が増大するが、６０００系アルミ合金の場合と同様に、引張強度については１０００℃／分以上ではほとんど上昇しなかった。

また、７０００系アルミ合金を、水スプレー、あるいは水とエアーを混合させた水ミストスプレー、あるいはエアースプレーにより、冷却速度を１００℃／分以下にして、熱応力による変形の発生を抑えつつ、焼入れ処理を行った。この場合、冷却速度を小さくするほど、引張強度が急激に小さくなるが、それでも、冷却速度が３０℃／分以上であれば、「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」、「低Ｚｎ＋Ｍｇ型」のいずれについても、引張強度を４００ＭＰａ以上という高い値にすることができた。また、「高Ｚｎ＋Ｍｇ型」にあっては、さらに冷却速度が小さい２０℃／分以上であっても引張強度４００ＭＰａ以上にすることができた。

したがって、７０００系アルミ合金を用いて、水、又は、水とエアーとを混合させた水ミスト、又は、エアーを、ノズルからワーク材にスプレーして２０℃／分（３０℃／分）〜３０００℃／分の冷却速度で焼入れ処理を行うことで、これまで得られなかった３６５（４００）ＭＰａ以上の引張強度を有し、しかも熱応力による変形の少ないアルミ合金を得ることができる熱処理方法が得られた。

さらに、水スプレー（水スプレー冷却）、ミストスプレー（水ミストスプレー冷却）、エアースプレー（エアー冷却）のいずれも、冷却水槽を必要とせず、加熱炉から搬送されてくるワークの周囲にノズルを複数個配置しておくだけでよいので、設備が簡易で設備費用を抑えることができ、加熱炉とスプレーによる焼入れ機構をインライン化することで、多数の金属ライナを短時間で熱処理することができようになった。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

＜ワーク＞
まず、本発明に係る熱処理方法が採用される管状のワークの一例としての圧力容器（金属ライナ）について説明する。図３は、本発明の熱処理方法が採用される圧力容器を示す図である。
圧力容器１００は、予め設定された外径及び内径を有する円筒状の胴部１Ａと、胴部１Ａの上側に形成された容器上部（口金取付部）１Ｂと、胴部１Ａの下側に形成された容器底部（口金取付部）１Ｃとを有する。なお、このような容器上部１Ｂや容器底部１Ｃは、予め設定された外径及び内径を有する円筒状体において、円筒状体の一方の開口端部が、スピニング加工装置の成形ローラ等によって胴部１Ａよりも縮径（口絞りスピニング）するように加工されることにより得られる。そして、容器上部１Ｂや容器底部１Ｃには、本発明の熱処理がなされた後に、内容物の封入や放出に利用されるバルブ等（図示せず）が取り付けられることになる。

上記の圧力容器の材質としては、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ（−Ｃｕ）系合金である７０００系アルミ合金が用いられる。
なお、胴部１Ａと容器上部１Ｂと容器底部１Ｃとは一体的に形成されており、機械的特性を調質するための後述する熱処理が実施されることになる。

＜熱処理装置＞
次に、本発明の熱処理方法を実現するための熱処理装置について説明する。図４は、熱処理装置１を示す斜視図であり、図５は、図４に示すＡ−Ａ線の断面図である。なお、地面に水平でワークＷ（圧力容器１００）の進行方向をＸ方向とし、地面に水平でＸ方向と垂直な方向をＹ方向とし、Ｘ方向とＹ方向とに垂直な方向をＺ方向とする。
熱処理装置１は、ワークＷを溶体化処理する加熱炉２０と、ワークＷを焼入れ処理する焼入れ機構３０と、ワークＷを移動させていく搬送機構１０とを備える。

搬送機構１０は、Ｙ方向に対して斜めに配置された複数個のガイドローラが回動自在に取り付けられたコンベアである。そして、円筒状のワークＷの軸方向がＸ方向（水平方向）となるように、ワークＷの外周面が複数個のガイドローラの上面に載置され、ガイドローラが回転することにより、ワークＷはＸ方向に所望の速度（例えば１ｍ／１０分）で移動させられる。このとき、搬送機構１０により、ワークＷの軸方向（中心軸）を回転軸としてワークＷは回転しながら移動するようになる。これにより、ワークＷは加熱炉２０内を所望速度で回転しながら移動した後、加熱炉２０に続いて配置されている焼入れ機構３０内を回転しながら移動していくことになる。

加熱炉２０は、筒状の筐体２１と、筐体２１内に固定された加熱コイル（図示せず）とを有する。そして、搬送機構１０が筐体２１内の空洞部に設置されており、ワークＷは、溶体化処理に要する温度（例えば５００℃〜５９０℃）の加熱炉２１内を回転しながら、溶体化に要する時間（例えば９０分以上）をかけて移動することで、溶体化処理されるようになっている。

焼入れ機構３０は、周方向に均等にスプレーされるように、互いに回転対称の位置に配置された４個のスプレーノズル３１と、噴射する流量を制御する流量制御機構３２と、噴射する水温を制御する液温制御機構３３とを有する。４個のスプレーノズル３１は、図５に示すように、Ｘ軸上で回転対称位置に配置されており、各スプレーノズル３１は、中心軸に向かって所定形状、所定流量、所定温度の水（冷媒）をスプレーする。スプレーノズル３１から噴射される水の所定形状としては、円錐形や扇形等が挙げられるが、特に限定されるものではない。なお、水スプレーに代えて、水にエアーを混合させたミスト（水ミスト）をスプレーさせてもよいし、エアーをスプレーさせてもよい。冷媒を変えることにより冷却速度を大きく調整することができる。すなわち、水スプレーが最も冷却速度を大きくすることができ、ミストスプレー、エアースプレーの順で冷却速度が小さくなる。

そして、流量制御機構３２と液温制御機構３３とにより、スプレー３１には、所定の時間帯毎にそれぞれ異なる量や温度に制御された水が導入される等の各種態様の制御を行うこともできるようになっている。また、各スプレーノズル３１には、それぞれ互いに異なる量や温度に制御された水が導入されることもあれば、互いに同じ量や温度に制御された水が導入されることもある等、各種態様の制御がなされるようにしてもよい。また、噴射される液体は水の他にグライコール水溶液を用いてもよい。

これにより、ワークＷは、軸方向（ワークＷの中心軸）が中心軸方向（焼入れ機構３０の中心軸方向）と一致して焼入れ機構３０内を回転しながら移動することにより、ワークＷの外周面に水が吹き付けられることで、焼入れ処理される。このとき、水はワークＷに吹き付けられるとすぐに蒸発するため、水に浸漬させた場合のように、蒸気の泡がワークＷの外周面に存在したり滞留したりすることがない。このため、蒸気の泡による不均一な断熱状態が形成されることがない。

＜熱処理方法＞
次に、上述した熱処理装置１を用いて、７０００系アルミ合金製の圧力容器１００を製造する熱処理方法について説明する。図６は、本発明の熱処理方法の一例を説明するためのフローチャートである。
熱処理方法は、７０００系アルミ合金製のワークＷを配置する配置工程（Ａ）と、ワークＷを溶体化処理する溶体化処理工程（Ｂ）と、溶体化処理工程（Ｂ）後のワークＷを焼入れ処理する焼入れ工程（Ｃ）とを含む。

（Ａ）配置工程
まず、ステップＳ１０１の処理において、管状のワークＷの軸方向がＸ方向となるように、ワークＷの胴部１Ａの外周面を複数個のガイドローラの上面に載置する。そして、所定のガイドローラを回転させることにより、ワークＷを回転させながらＸ方向に所定速度で移動させていく。

（Ｂ）溶体化処理工程
次に、ステップＳ１０２の処理において、加熱炉２１内に到達したワークＷは、所定温度（例えば４００℃〜５００℃）の加熱炉２１内を回転しながら所定時間（例えば９０分以上）で移動することで、溶体化処理される。

（Ｃ）焼入れ工程
次に、ステップＳ１０３の処理において、焼入れ機構３０内に到達したワークＷは、軸方向が中心軸方向と一致して焼入れ機構３０内を回転しながら移動することにより、ワークＷの外周面に水が吹き付けられることで、スプレーによる焼入れ処理がなされる。
このとき、図１、図２を参照し、使用する７０００系アルミ合金のＺｎとＭｇの含有成分量によって、目標引張強度以上である４００ＭＰａ以上の強度が得られる冷却速度となるように、冷媒スプレーを制御する。すなわち、高Ｚｎ＋Ｍｇ型の７０００系アルミ合金の場合の焼入れ処理では、４５０℃から２５０℃の間の冷却速度を２０℃／分以上３０００℃／分以下になるように、流量制御機構３２と液温制御機構３３とにより調整する。また、低Ｚｎ＋Ｍｇ型の７０００系アルミ合金の場合の焼入れ処理では、４５０℃から２５０℃の間の冷却速度を３０℃／分以上３０００℃／分以下になるように、流量制御機構３２、液温制御機構３３のいずれかあるいは両方により調整する。
さらに、径や肉厚が異なる容器上部１Ｂと胴部１Ａとを有する容器１００を焼入れ処理する場合、流量制御機構３２と液温制御機構３３とによって、例えば肉厚の薄い胴部１Ａや液温の低い場合は流量を少なく、肉厚の厚い容器上部１Ｂや液温の高い場合は流量を多くすることにより、さらに細かく焼入れ強度の均一化を図るようにしてもよい。
また、各スプレーノズル３１は、Ｘ軸方向に複数配置してもよい。

（Ｄ）人工時効工程
次に、ステップＳ１０４の処理において、ワークＷは熱処理炉内で所定温度（例えば１００℃〜２００℃）、所定時間（例えば１時間以上）加熱し、人工時効処理される。但し、この処理は熱処理装置１とは別の熱処理炉（図示せず）にて実施される。
そして、ステップＳ１０４の処理が終了したときには、本フローチャートを終了する。

以上のように、本発明の熱処理装置１によれば、異なる径や肉厚を有するワークＷであっても全ての部位が均一に冷却され、ワークＷの変形がほとんど生じることなく、引張強度を均一にすることができる。また、筒状のワークＷ内への水の侵入もないので、筒状のワークＷ内を汚さずに加工することができる。

本発明は、水素ガスや天然ガス等が充填される圧力容器を製造するときの熱処理方法として好適に利用することができる。

１ 熱処理装置
１０ 搬送機構
２０ 加熱炉
３０ 焼入れ機構
３１ スプレーノズル
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. アルミニウム合金製のワークの熱処理方法であって、７０００系アルミニウム合金製の管状のワーク材を用いて加熱炉で溶体化処理を行い、
   次いで、水、又は、水とエアーとを混合させた水ミスト、又は、エアーを、ノズルから前記ワーク材にスプレーして焼入れ処理を行うアルミニウム合金の熱処理方法。
2. 前記焼入れ処理では、４５０℃から２５０℃の間の冷却速度を２０℃／分以上３０００℃／分以下とする請求項１に記載のアルミニウム合金の熱処理方法。
3. 前記ノズルは、前記管状のワークの軸線に対し互いに回転対称となる位置で当該ワークの外側に複数個が配置される請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアルミニウム合金の熱処理方法。
4. 前記焼入れ処理は、前記ノズルからの噴射流量を制御する流量制御及び／又は前記ノズルからの噴射流体の温度制御が行われる請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム合金の熱処理方法。
5. 前記ワークは、当該ワークの軸線方向に沿って搬送されるとともに、当該軸線を中心に回転しながら搬送される請求項１〜４のいずれかに記載のアルミニウム合金の熱処理方法。

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