JP2022119603A - アルミニウム合金板加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形性および形状の自由度を高めつつ、生産性を向上させるアルミニウム合金板材のホットスタンプ加工技術を提供する。【解決手段】２．０％以上５．０％未満のＭｇ、０．０５％以上０．３％未満のＣｕ、０．５％未満のＦｅ、０．３％未満のＳｉ、０．４％未満のＣｒ、０．５％未満のＭｎを含むアルミニウム合金による切板であるＡｌ－Ｍｇ系合金板を３００℃以上４５０℃未満の温度で１０分未満保持する加熱工程と、前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を所定の金型に供給してプレス加工し、当該プレス加工の下死点で前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を１００℃未満に冷却するプレス加工工程とを含む、アルミニウム合金板加工方法とする。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミニウム合金板加工方法に関する。

アルミ（アルミニウム合金）板材は、鋼板製品等の軽量化代替材として有効である。例えば、アルミニウム合金板材は、１９６９年から、ビール用アルミ缶（ＤＩ缶）として使用されている。２０００年代には、ほぼ１００％のビール缶がアルミ缶となっている。５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系合金）板材は、ビールやジュース等の缶の蓋材として採用されている。例えば、蓋材として、Ａｌ－２．５％Ｍｇ系の５０５２合金、Ａｌ－４．５％Ｍｇ系の５１８２合金の硬質材が使用されている。

特開２００７－２８４７３１号公報 特開平９－７８２１０号公報 特開２００９－２４１１４０号公報 特開２０１８－７３９８５号公報

また、自動車の内部部品である制御用のケース類、機能集約用のケース類には、複雑形状及び一体成型を得意とするアルミダイカスト技術が採用されることが多い。アルミダイカスト技術は、小物を問わず量産性に優れるが、材質（特に、ＡＤＣ１１）と鋳造品であることに起因する課題を有する。ＡＤＣ１１は、強度確保のために多量のＣｕ成分を含有するため、プレス加工の外板製品に比べ耐食性に劣る傾向にある。そのため、例えば、自動車メーカでは脱ＡＤＣ１１のニーズが高まっている。また、鋳造品に関しては、製造過程で、引け巣、ブローホール（穴）が発生し易く、寸法精度にも弱点があるので、他の部品との接合に際しては切削加工が求められる。

また、例えば、自動車業界では、電動車（ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、ＥＶ（Electric Vehicle）等）、各種センサーを使用する自動運転および安全性確
保等の観点から、マルチマテリアル化による車両全体の軽量化が進められている。車体重量の大半を占める鋼板においては、従来の冷間プレス技術に加えて、ホットスタンプ技術の採用が顕著になっている。特に、ホットスタンプ技術は、搭乗者保護向けキャビン用構造部品に適用されつつある。しかしながら、アルミニウム合金のホットスタンプ技術については展示会用の試作品として認められるが、その多くは、冷間プレス技術でも可能な外板パネルやキャビン用構造部品である。

５０００系アルミニウム合金板の冷間プレス製品は、軽量、低コストで、放熱性（熱伝導性）、内部品質（引け巣、ブローホール無）、耐食性等に優れるが、鋼板に比べると成形性・コスト面で大きく劣る。これらに対抗するアルミニウム合金材の加工法として、温間成形法、冷間鍛造法および熱間鍛造法がある。しかし、温間成形法は、形状の自由度を大幅に高められるものの、金型の温度制御時間を要する。また、冷間鍛造法および熱間鍛造法は、形状の自由度を大幅に高められるものの、加工前後に複雑な熱処理工程を必要とする。よって、温間成形法、冷間鍛造法および熱間鍛造法は、冷間プレス製品に比べ高コストで生産性に劣る。

本発明は、成形性および形状の自由度を高めつつ、生産性を向上させるアルミニウム合金板材のホットスタンプ加工技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、第１の態様は、
２．０％以上５．０％未満のＭｇ、０．０５％以上０．３％未満のＣｕ、０．５％未満のＦｅ、０．３％未満のＳｉ、０．４％未満のＣｒ、０．５％未満のＭｎを含むアルミニウム合金による切板であるＡｌ－Ｍｇ系合金板を３００℃以上４５０℃未満の温度で１０分未満保持する加熱工程と、
前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を所定の金型に供給してプレス加工し、当該プレス加工の下死点で前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を１００℃未満に冷却するプレス加工工程とを
含む、
アルミニウム合金板加工方法である。

本発明によれば、成形性および形状の自由度を高めつつ、生産性を向上させるアルミニウム合金板材のホットスタンプ加工技術を提供することができる。

図１は、プレス加工装置の金型の構成例を示す図である。 図２は、アルミニウム合金板のホットスタンプ加工方法の動作フローの例を示す図である。 図３は、５０００系アルミニウム合金板の試験材に対して、プレス加工した際の、加熱の到達温度を変えたときの結果の表を示す図である。

以下、図面を参照して実施形態について説明する。実施形態の構成は例示であり、発明の構成は、開示の実施形態の具体的構成に限定されない。発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。

〔実施形態〕
（構成例）
図１は、プレス加工装置の金型の構成例を示す図である。金型１００は、上型１１０、下型１２０を含む。上型１１０は、上型ダイセット１１１、上型シワ押さえ部１１２、ポンチ１１３を含む。下型１２０は、下型シワ押さえ部１２１、下型ダイセット１２２を含む。上型ダイセット１１１及び下型ダイセット１２２は、プレス成形装置に固定される。上型シワ押さえ部１１２、ポンチ１１３は、上型ダイセット１１１に固定される。ポンチ１１３は、加工対象のアルミニウム合金板２００を所定の形状に変形させる。ポンチ１１３の先端（下型１２０側）の形状は、例えば、錐形状、柱形状である。上型シワ押さえ部１１２、下型シワ押さえ部１２１は、加工対象のアルミニウム合金板２００のしわの発生の抑制をする。下型シワ押さえ部１２１は、下型ダイセットに固定される。下型１２０は、上型１１０に対向して配置される。下型シワ押さえ部１２１の上には、加工対象となるアルミニウム合金板（供試材）２００がセットされる。金型１００の材料は、例えば、鉄またはアルミニウム合金である。金型１００は、上型シワ押さえ部１１２をスプリング等によりアルミニウム合金板２００に押しつける制御をするシワ押さえ制御機構を有する

上型１１０（または下型１２０）が、プレス加工装置の動作により上下方向に上死点と下死点との間を往復運動することで、上型１１０と下型１２０とが近づいたり遠ざかったりする。上型１１０と下型１２０とが近づいた際に、ポンチ１１３がアルミニウム合金に
押し当てられ、アルミニウム合金板２００が変形することによりプレス加工される。また、上型１１０、下型１２０のうちの少なくとも一部は、内部に冷却用の水などの冷媒を流す通路を有している。金型１００は、冷媒を当該通路に循環させることにより、冷却される。

（動作例）
図２は、アルミニウム合金板のホットスタンプ加工方法の動作フローの例を示す図である。アルミニウム合金板は、加工対象のアルミニウム合金の板である。アルミニウム合金板は、圧延処理後の切板である。また、アルミニウム合金板の圧延処理とは、アルミニウム合金の製造工程で熱間圧延処理（及び冷間圧延処理）を意味する。さらに、アルミニウム合金板は、調質焼鈍処理（Ｏ、Ｈ２、Ｈ３タイプ）されたものであってもよい。

ここで、アルミニウム合金は、５０００系アルミニウム合金を含む。アルミニウム合金は、ここに記載したものに限定されるものではなく、他のアルミニウム合金を含んでもよい。５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系合金）は、アルミニウムに主にマグネシウムを添加したアルミニウム合金である。ここで使用される５０００系アルミニウム合金は、例えば、重量比で、２．０％以上５．０％未満のＭｇ、０．０５％以上０．３％未満のＣｕ、０．５％未満のＦｅ、０．３％未満のＳｉ、０．４％未満のＣｒ、０．５％未満のＭｎを含むアルミニウム合金とする。Ｍｇが２．０％未満では固溶強化が不十分であり、Ｍｇが５．０％超ではアルミニウム合金板の製造において圧延負荷が大きくなり高コストに繋がる。Ｍｇは２．０％以上５．０％未満であることが好ましい。Ｃｕが０．０５％未満では同様に固溶強化が不十分であり、Ｃｕが０．３％超では耐食性に劣る傾向にある。Ｃｕは０．０５％以上０．３％未満であることが好ましい。なお、Ｃｕ量の適正化はＭｇとの間でＡｌ－Ｃｕ－Ｍｇの析出硬化を促し強度の向上が期待できる。ここで使用される５０００系アルミニウム合金は、溶解、鋳造、面削、均熱等を施した後、熱間圧延および必要に応じて冷間圧延を行ったものとする。ここで使用される５０００系アルミニウム合金は、圧延後、焼鈍が行われてもよい。５０００系アルミニウム合金は、ここに記載したものに限定されるものではない。５０００系アルミニウム合金（Ａｌ－Ｍｇ系合金）の焼鈍材（Ｏタイプ：軟質材）は、プレス加工時にＳＳマーク（Stretcher-Strain）を発現させることがある。ＳＳマークは、外観不良、加工割れの起点に繋がる。従って、通常、５０００系アルミニウム合金板は、ＳＳマークの抑制のために、２％以上の歪を導入される。また、歪が導入されることで、５０００系アルミニウム合金板の平坦度が向上する。歪は、例えば、５０００系アルミニウム合金板を、ストレッチャーなどにより、所定方向に引っ張ることにより、当該方向の長さが所定割合（例えば、２％以上）長くなるようにすることで導入される。

Ｓ１０１では、電気ヒータ炉（電気炉）、誘導加熱炉、赤外線加熱炉などの加熱炉により、加工対象のアルミニウム合金板２００に対して、３００℃以上４５０℃未満の到達温度で１０分未満の保持時間で加熱を行う。すなわち、加熱炉で、アルミニウム合金板２００に対して、アルミニウム合金板２００の温度を到達温度に上昇させた後、さらに、１０分未満の保持時間、加熱を行う。加熱の際、アルミニウム合金板２００内の各位置の温度の温度差は、最大で４０℃以内になることが望ましい。また、加熱の際、５０℃／分以上の加熱速度であることが望ましい。加熱速度は、材料組織（結晶粒）に影響し、５０℃／分未満では、結晶粒成長による成形性の低下、加工表面の肌荒れを招くほか、生産性の低下につながる。一方、材料内の温度分布の幅が大きいと強度ばらつきが大きくなるので、アルミニウム合金板２００内の各位置の温度の温度差を４０℃以内にすることが望ましい。アルミニウム合金板の厚さは、例えば、１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ未満である。到達温度が３００℃未満では、アルミニウム合金板の延性が不十分であり、成形性の向上度合いが低い。アルミニウム合金板の厚さが薄い（例えば、３．０ｍｍ未満）場合、到達温度での保持時間は１分未満であっても問題なく、できるだけ短くすることが望ましい。また、
アルミニウム合金板２００の厚さが１．５ｍｍ未満では、成形品の搬送時等に変形が生じにくくなる。そのため、アルミニウム合金板２００の厚さが１．５ｍｍ以上であることが望ましい。また、アルミニウム合金板２００の厚さが５ｍｍ以上でも、当該加工は可能であるが、押出し型材など他の方法の方が使い勝手がよい。よって、ここでのアルミニウム合金板２００の厚さは、１．５ｍｍ以上５ｍｍ未満であることが好ましい。

Ｓ１０２では、Ｓ１０１で加熱したアルミニウム合金板２００を、加熱炉から取り出して、速やかに（例えば、２秒以内に）金型１００の下型シワ押さえ部１２１の上にセットする。アルミニウム合金板の加熱炉からの取り出し及び金型１００へのセットは、例えば、周知のロボット等により行われる。当該ロボットは、例えば、アルミニウム合金板２００を把持するアームを有し、所定時間加熱されたアルミニウム合金板２００を加熱炉から取り出し、金型１００に移動させる。また、当該ロボットは、プレス加工されたアルミニウム合金板２００を金型１００から取り出してもよい。

Ｓ１０３では、金型１００の上型１１０を下死点まで移動させて、ポンチ１１３及び上型シワ押さえ部１１２をアルミニウム合金板２００に接触させることで、アルミニウム合金板２００を所定の形状に変形加工（プレス加工）させる。ここで、まず、上部シワ押さえ部１１２は、シワ押さえ制御機構による所定の応力を印加され、アルミニウム合金板２００を押さえ、流れ込みを抑制する。

Ｓ１０４では、金型１００の上型１１０を下死点で維持して、アルミニウム合金板２００を１００℃以下まで冷却する。例えば、上型１１０を下死点で１－６０秒間維持することで、アルミニウム合金板２００が１００℃以下まで冷却される。金型１００は、予め水冷などにより冷却されているため、金型１００の上型１１０と下型１２０との間に挟まれるアルミニウム合金板２００も冷却される。アルミニウム合金板２００の温度が１００℃超では、強度を高める添加元素が析出し高強度を確保できない、成形品の変形が生じ易いといった問題がある。また、アルミニウム合金板２００を１００℃以下まで冷却することで、アルミニウム合金板２００の到達温度と下死点での冷却温度との温度差（熱収縮率）を活用して、成形品の平坦度と金型１００からの離型性を向上させることができる。アルミニウム合金板２００の温度は金型１００に接触することによって低下し、温度差がアルミニウム合金板２００にテンション（張り）を与えて平坦度の向上に寄与する。下死点での温度は低いほどよい。一方、熱収縮はアルミニウム合金板２００がポンチ１１３側に張り付き、離型を困難にさせる。よって、アルミニウム合金板２００の到達温度を適正化してテンションを低減することが好ましい。また、アルミニウム合金板２００の熱収縮対策でも離型の難しい形状が存在する場合、例えば、金型１００の凸側であるポンチ１１３側に数度（例えば、０～５度）の逃げ角を付与すると共に、加工時の変形抵抗の低減化が有効である。変形抵抗は、焼き付きである。変形抵抗は、金型１００へのメッキ（例えば、クロムメッキ、ニッケルメッキ）加工、水溶性クーラント（潤滑剤）の塗布を適宜組合わせることで、低減される。潤滑剤として、周知の離型剤が使用され得る。金型１００へのメッキは、金型１００とアルミニウム合金板２００との間の摩擦係数を低減させることができる。

冷却後、アルミニウム合金板２００は、金型１００から取り出される。その後、アルミニウム合金板２００は、余分な部分を取り除くトリム加工、所定の穴を開ける穴加工等の冷間プレスによる付帯加工を施される。

（実施例）
図３は、５０００系アルミニウム合金板の試験材に対して、プレス加工した際の、加熱の到達温度を変えたときの結果の表を示す図である。ここでは、試験材として、５０００系アルミニウム合金である、５１８２合金（Ａｌ－４．５％Ｍｇ－０．０８％Ｃｕ）の軟
質材が使用された。各試験材は、圧延板２ｍｍ厚、２００ｍｍ角である。プレス加工の際のシワ押さえ力は、２トンとした。ここでは、加熱の到達温度を変化させてプレス加工を行った。試験材＃２、＃３、＃４、＃５では、それぞれ、到達温度の２５０℃、４００℃、４３０℃、５００℃まで加熱した。到達温度での保持時間は、１０分未満である。各試験材に対して、到達温度まで加熱後、金型１００にセットし、５０ｍｍの角筒ポンチで２５ｍｍ深さに成形（油圧プレス）した。下死点での保持時間は５秒とした。また、試験材＃１に対しては、加熱せずに、行った（試験材の温度は室温の２５℃である）。成形性評価は、プレス加工後の成形品が所望の形状になっているか否かの評価である。表面性状は、加工後の試験材の表面の状態である。平坦度は、加工後の試験材を平面に置いた際の試験材の端部の平面からの距離である。ここでは、平坦度が０．５ｍｍ以下であれば、良好とされる。

到達温度４００℃、４３０℃の試験材＃３、＃４では、成形性評価は良であり、表面性状はＳＳマーク、結晶粒粗大などを見られず良であった。また、平坦度は、０．０５ｍｍであり、良好であった。さらに、割れの発生もなかった。到達温度２５℃、２５０℃の試験材＃１、＃２では、成形性評価、平坦度は不良であり、割れ、くびれが見られた。また、試験材＃１では、表面にＳＳマークが見られた。到達温度５００℃の試験材＃５では、成形性評価は良であったが、表面性状は結晶粒粗大が見られ不良であり、平坦度は１．５ｍｍで不良であった。また、試験材＃５の表面には凹凸が発生した。５０００系アルミニウム合金板に対しては３００℃以上４５０℃未満の範囲の到達温度が望ましい。

（実施形態の作用、効果）
本実施形態の５０００系アルミニウム合金板（Ａｌ－Ｍｇ合金板）に対するホットスタンプ加工方法は、アルミニウム合金板２００を、３００℃以上４５０℃未満の到達温度で１０分未満の保持時間、加熱炉で加熱する。さらに、加熱されたアルミニウム合金板２００は、加熱炉から取り出されて、金型１００にセットされ、プレス加工される。プレス加工の際、アルミニウム合金板２００は、金型１００の下死点で１００℃以下に冷却される。本実施形態の５０００系アルミニウム合金板に対するホットスタンプ加工方法によれば、通常の５０００系アルミニウム合金板の冷間プレス加工では難しいとされる形状を実現可能とする。また、本実施形態の５０００系アルミニウム合金板に対するホットスタンプ加工方法は、通常の５０００系アルミニウム合金板の冷間プレス加工に比べて、形状凍結性に優れる。ここでは、加熱の到達温度を３００℃以上４５０℃未満とするので、加熱の到達温度を４５０℃以上とする場合に比べて、到達温度までの加熱時間を短くすることができる。また、５０００系アルミニウム合金板に対するホットスタンプ加工方法は、プレス加工の生産性向上、金型１００への焼付き抑制に寄与する。

以上の各実施形態は、可能な限りこれらを組み合わせて実施され得る。

１００ 金型
１１０ 上型
１１１ 上型ダイセット
１１２ 上型シワ押さえ部
１１３ ポンチ
１２０ 下型
１２１ 下型シワ押さえ部
１２２ 下型ダイセット
２００ アルミニウム合金板

Claims (5)

1. 重量による成分比で、２．０％以上５．０％未満のＭｇ、０．０５％以上０．３％未満のＣｕ、０．５％未満のＦｅ、０．３％未満のＳｉ、０．４％未満のＣｒ、０．５％未満のＭｎを含むＡｌ－Ｍｇ系合金板を３００℃以上４５０℃未満の温度で１０分未満保持する加熱工程と、
   前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を所定の金型に供給してプレス加工し、当該プレス加工の下死点で前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板を１００℃未満に冷却するプレス加工工程とを
   含む、
   アルミニウム合金板加工方法。
2. 前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板の厚さは、１．５ｍｍ以上５．０ｍｍ未満であり、
   請求項１に記載のアルミニウム合金板加工方法。
3. 前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板は、あらかじめ、熱間圧延、または、熱間圧延及び冷間圧延による圧延処理をされている、
   請求項１または２に記載のアルミニウム合金板加工方法。
4. 前記プレス加工工程の後、前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板に、冷間プレスによる付帯加工を行う付帯加工工程を含む、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金板加工方法。
5. 前記加熱工程は、５０℃／分以上の加熱速度で行われ、
   前記加熱工程において、前記Ａｌ－Ｍｇ系合金板内の各位置の温度の温度差は４０℃以内である、
   請求項１から４のいずれか１項に記載のアルミニウム合金板加工方法。

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