JP3580195B2 - 断面形状が安定し機械的性質が良好なアルミニウムの略中空材の製造方法 - Google Patents
断面形状が安定し機械的性質が良好なアルミニウムの略中空材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、断面形状が安定し機械的性質に優れた中空材，セミ中空材等の押出形材を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム合金は、機械的性質を調整するため、押出後に熱処理されることが多い。熱処理としては、押出後に別工程で溶体化処理した後、水焼入れを経て時効処理するＴ６処理，押出直後放冷することなく強制冷却して焼き入れ、すなわちダイス端焼入れし、次いで時効処理するＴ５処理等がある。Ｔ５処理は、押出直後の押出形材が保有している熱量を溶体化処理に利用しているので、Ｔ６処理に比較すると改めて溶体化処理の必要がなく、コスト的に有利な熱処理といえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｔ５処理における押出直後の焼入れ、換言すればダイス端焼入れは、押出形材の形状，合金成分・組成，押出速度を始めとする押出条件，設備的な制約等の影響を受け、不充分な焼入れ，押出形材の歪みによる断面形状の変形等の欠陥を発生させ易い。押出形材の変形を防止し且つ十分な焼きを入れるためには、それぞれの状態に応じて熱処理条件をきめ細かく管理することが必要になる。しかし、押出形材の形状，合金成分・組成，押出速度を始めとする押出条件，設備的な制約等は多岐にわたり、それに応じた多様の熱処理条件を個々の製品についてトライアンドエラーで実施している現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、押出直後の焼き入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域における冷却条件を適正化することにより、断面形状が安定化し、しかも良好な機械的性質をもつ押出形材を提供することを目的とする。
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、６０００系又は７０００系の析出硬化型アルミニウム合金の略中空材を押し出した直後、押し出された略中空材の焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：要求される引張り強度に応じて定まる冷却速度（℃／分），λ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような条件下で外表面からのみ略中空材を冷却し、その後に時効処理を施すことを特徴とする。
【０００５】
６０００系アルミニウム合金の一例としては、表１のＮｏ．３に示すようなＳｉ：０．６〜０．９質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％，Ｃｕ：０．１〜０．４質量％，Ｃｒ：０．０４〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．３質量％，Ｍｎ：０．１質量％以下，Ｚｒ：０．１質量％以下，Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０１質量％，Ｚｎ：０．０５質量％以下，残部が実質的にＡｌの組成をもつ６０００系アルミニウム合金が使用され、５００℃以上の焼入れ温度からダイス端焼入れされる。この場合、冷却速度２００℃／分以上で且つ５５０００×ｔ≦α≦１６／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような冷却条件を採用し、焼入れ後の略中空材を１７０〜２１０℃×１〜１２時間で時効処理すると、Ｍｇ2Ｓｉ，Ａｌ2Ｃｕ等の析出により３１０ＭＰａ以上の強度が付与される。
製造された略中空材は、高欄の手摺材，パワーブリッジの桁材，構造用大型角パイプ材等として使用される。なお、請求項２では、６０００系のアルミニウム合金について表１のＮｏ．３の合金例を示したが、合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８がそれぞれ請求項の合金組成に適用できることは言うまでもない。
【０００６】
７０００系アルミニウム合金の一例としては、表１のＮｏ．１に示すようなＺｎ：５．５〜６．５質量％，Ｍｇ：０．６〜１．０質量％，Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．４質量％，Ｓｉ：０．０５〜０．２質量％，Ｚｒ：０．１〜０．２質量％，Ｍｎ：０〜０．３質量％，Ｃｒ：０〜０．２質量％，Ｔｉ：０．０１〜０．１質量％，Ｂ：０．００１〜０．０１質量％，残部が実質的にＡｌの組成をもつアルミニウム合金が使用される。この場合、略中空材に押し出した直後、４３０℃以上の焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域を冷却速度５０℃／分以上で且つ１３７５０×ｔ≦α≦１５／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような冷却条件下で略中空材を冷却し、その後に１１０〜１３０℃×１２〜３６時間又は８０〜１１０℃×３〜１２時間＋１４０〜１７０℃×５〜１６時間で時効処理を施す。
製造された略中空材は、鉄道車両用構造材を始めとして強度及び軽量性が要求される各種構造体として使用される。なお、請求項３では、７０００系のアルミニウム合金について表１のＮｏ．１の合金例を示したが、合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３がそれぞれ請求項の合金組成に適用できることは言うまでもない。
【０００７】
【作用】
押出後の冷却過程で押出形材に発生する形状変形歪みは、冷媒が直接作用する形材表面と熱伝導により冷却される裏面，内部等との間に生じる温度差が原因である。具体的には、図１に示すように押出形材Ｍの押出方向に垂直な断面において表面Ｓに冷媒Ｃを吹き付けると、冷却初期は冷却面側が収縮する。このとき、非冷却面側に拘束されて冷却面側が自由に収縮できない。その結果、冷却面近傍に引張り応力が作用する。引張り応力のレベルが耐力を超えると、冷却面は降伏して伸びきった状態になる。その後の冷却過程における温度差の減少に伴って歪み分布は小さくなるものの、冷却面側に生じた塑性変形は面外変形量ｈとして残存する。
断面内の温度差が大きいほど、面外変形が発生し易く、面外変形量ｈが増加する傾向にある。そこで、押出直後の冷却過程で、押出形材Ｍの表面Ｓと中空部内部の裏面Ｂとの温度差を可能な限り小さくして冷却することが歪み防止に重要な要因となる。
【０００８】
他方、押出形材に機械的強度を付与するためには、焼入れ時にＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ等を多量に固溶させ、後工程の時効処理で強度向上に有効な析出物量を確保することが必要である。Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｕ等の固溶量を大きくし、且つ固溶状態を維持するためには、高温状態の押出形材を速い冷却速度で焼き入れることが要求される。
機械的強度向上のためには焼き入れ直後から強力に冷却することが要求されるが、強力な冷却は、押出形材Ｍの表面Ｓと裏面Ｂとの間の温度差を大きくして形状変形歪みを大きくする方向に作用する。本発明は、断面形状精度と機械的強度の向上との間で相矛盾する冷却条件を適正化することにより、断面形状が安定化し、しかも良好な機械的性質をもつ押出形材の製造を可能にした。
【０００９】
本発明が対象とする析出硬化型アルミニウム合金には、２０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム合金がある。これらのアルミニウム合金は、組成によって焼きが入る冷却速度が異なるため、本発明者等による実験結果から表１に示すように命名した合金種別の組成群に分類した。各組成群のアルミニウム合金は、表２に示す飽和冷却速度及び熱伝導率を示し、それぞれに適した条件下で人工時効処理される。なお、飽和冷却速度は、所定の冷却速度で焼入れした後、各時効条件で焼き戻したとき、材料のもつ最大引張強さの９０〜９５％を示したときの冷却速度で表した。
【００１０】
【００１１】
【００１２】
製造される押出形材としては、形材の表面と裏面との間に温度差が生じ易い形状、具体的には形材表面は冷媒で直接冷却されるが裏面や内部が冷却され難い中空材やセミ中空材を対象としている。中空材には、目の字型や日の字型の断面形状をもつもの，部分的にリブが外面又は内面から突出したもの等がある。セミ中空材には、断面が完全にクローズされていないが内部に冷媒が入りづらく、表面と裏面との冷却条件が異なる断面構造をもつものがある。本件明細書では、これらを総称して「略中空材」という。
押出形材のサイズとしては、図１に示す押出方向に垂直な断面の幅Ｗが５０〜６００ｍｍに範囲にあるものを対象として冷却条件と幅Ｗとの関係を調査した。肉厚に関しては、制限を設けなかった。
【００１３】
本発明者等は、組成及び形状が種々異なる押出形材の機械的強度及び発生した歪みに関して得られた多量の実験データ及び解析結果から、次の経験則を導き出した。
（１）歪み発生の防止
２０００系，６０００系又は７０００系材料をダイス端焼入れする際に発生する歪みは、組成に応じて定まる熱伝導率及び押出形材の断面において温度差の大きな部分、換言すれば肉厚の如何に依存していることが判った。図１で押出形材Ｍの幅Ｗに対する面外変形量ｈの比、すなわちｈ／Ｗとして表わされる平らさｈ／Ｗが０．１％以下を一つの目安とした場合、奪熱量に関係する押出形材Ｍと冷媒Ｃとの界面の熱伝達係数αｓを熱伝導率λ及び最大肉厚ｔとの関数ｆ（ｔ）として表示するとき、次式（１）を満足する値のとき平らさｈ／Ｗが０．１％以下の製品が得られることが判った。
αｓ≦ｆ（ｔ，λ） ・・・・（１）
【００１４】
（２）焼きが入る条件
焼きが入る条件は、押出形材Ｍの組成ｃ，焼きが入りにくい厚肉部の最大肉厚ｔ及び奪熱時の冷却速度Ｒに依存していることが判った。そして、本発明者等の調査・研究によるとき、奪熱量に関する熱伝達係数αｑが次式（２）を満足しているとき、押出形材Ｍに焼きが入ることが判った。
αｑ≧ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ） ・・・・（２）
前掲した式（１）及び（２）は、何れも押出形材Ｍの温度が焼入れ温度〜２００℃の温度域にあるときに成立していることが条件となる。図２は、式（１）及び（２）の関係を定性的に示したグラフである。
【００１５】
図２は、焼入れ温度〜２００℃の温度域で押出形材を冷却するとき、押出形材Ｍの最大肉厚ｔとの関係で定まる領域Ａに熱伝達係数αがあれば、歪み発生がなく焼きの入った材料が得られることを意味する。すなわち、αｓ＝ｆ（ｔ，λ）とαｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）との交点ｔｅよりも最大肉厚ｔが薄いとき、略中空材を外表面からのみ熱伝達係数に合うように冷却すると、歪み発生が抑えられ且つ焼きが入ることを意味する。しかし、略中空材の最大肉厚ｔが交点ｔｅを超えると、歪みを発生させない条件で外表面だけの冷却では焼きが入らず、要求特性を満足する製品を得るためには略中空材の内部からも冷媒を用いた冷却が必要になる。
歪みに関しては肉厚ｔに依存した曲線αｓ＝ｆ（ｔ，λ）が定まるが、焼入れに関しては組成ｃ，冷却速度Ｒ及び肉厚ｔに依存しているため曲線αｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）が変数に連動して変動する。
【００１６】
（３）曲線αｓ＝ｆ（ｔ，λ）の確定
押出形材を焼入れ温度から形材温度が２００℃まで冷却するに当たり、製品としての平らさｈ／Ｗを０．１％以下に設定すると、その限界の式は、多数の実験データを用いてαｓ＝ｆ（ｔ，λ）を定量化した結果、式（１）は式（３）に書き換えられる。ただし、αｓは熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃）、λは熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）、ｔは温度勾配が大きな部分の肉厚，すなわち最大肉厚（ｍ）を示す。
αｓ≦０．１×λ／ｔ ・・・・（３）
したがって、冷却時の歪み発生は熱伝達係数αｓ，熱伝導率λ及び最大肉厚ｔで定まることになり、式（３）が満足される条件下では冷媒を用いた冷却により平らさｈ／Ｗが０．１％を超える歪みが発生せず、製品の平らさｈ／Ｗが０．１％以下になる。
【００１７】
（４）曲線αｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）の確定
押出形材に焼きが入る冷却速度を成分・組成との関係で調査したところ、焼入れ温度（２０００系では４５０℃以上，６０００系では５００℃以上，７０００系では４３０℃以上）から２００℃までを冷却するときの飽和冷却速度ＲＳは、表１に示すように６０００系，２０００系，７０００系合金の組成ｃによって異なる。なお、飽和冷却速度ＲＳは、ある組成のアルミニウム合金をある冷却速度で焼き入れた後、表２に示す各条件下で時効処理する、いわゆるＴ５処理により、当該材料のもつ最大引張強さの９０〜９５％を示すときの冷却速度と定義した。
【００１８】
本発明者等による実験結果の一例として、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金を５４０℃から焼き入れたときの冷却速度（℃／分）とＴ５処理（１８０℃×６時間の時効処理）後の引張強さ（ＭＰａ）との関係を図３に示す。多数の６０００系合金を用いた実験データから式（２）を定量化すると、αｑ≧２７５×ｔ×Ｒが導き出される。表１に示した６０００系のＮｏ．３合金において、図３に示すように引張強さが飽和してくる飽和冷却速度Ｒ＝２００℃／分をＲに代入すると、式（２）は式（４）に書き換えられる。
αｑ≧５５０００×ｔ ・・・・（４）
ただし、αｑ：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃）
ｔ：押出形材の最大肉厚（ｍ）
【００１９】
同様に表１に示した７０００系のＮｏ．１合金を４７０℃から焼き入れたときの冷却速度（℃／分）とＴ５処理（１８０℃×６時間の時効処理）後の引張強さ（ＭＰａ）との関係を図４に示す。多数の７０００系合金を用いた実験データから式（２）を定量化すると、αｑ≧２７５×ｔ×Ｒが導き出される。表１に示した７０００系のＮｏ．１合金において、図４に示すように引張強さが飽和してくる飽和冷却速度Ｒ＝５０℃／分をＲに代入すると、式（２）は式（５）に書き換えられる。
αｑ≧１３７５０×ｔ ・・・・（５）
【００２０】
冷却速度を２００℃／分にして式（４）を満足する限り、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金ではＴ５処理後の引張強さが３１０ＭＰａ以上になる。すなわち、最も焼きが入りにくい最大肉厚ｔの関数を基準とし、最大肉厚ｔの値で定まる熱伝達係数αｑ以上が得られる冷却方法を採用するとき、最大肉厚部においても焼きが入ることになる。なお、図３から判るように当該合金種において要求される引張強さに応じて冷却速度Ｒを変えることができるので、式（４）は要求引張強さに応じて変動する。
図５は、６０００系のＮｏ．３合金の略中空材を冷却速度２００℃／分で冷却した場合を例にとって式（３）及び（４）を具体化したグラフである。図５において、αｓ＝１６／ｔとαｑ＝５５０００×ｔの交点ｔｅは約２０ｍｍである。したがって、６０００系のＮｏ．３合金の略中空材については、肉厚が２０ｍｍ以上になる領域Ｂでは、中空部内側も冷媒を用いて冷却する必要があることが判る。他方、肉厚が２０ｍｍ以下になると、外部からだけの冷却で良い。そして、そのときの奪熱量がＡ領域に入るような熱伝達係数で冷却すると、変形歪みが小さく平らさｈ／Ｗが０．１％以下になって焼きも入るため、Ｔ５処理だけで要求特性をもつ製品が得られる。
【００２１】
他方、７０００系のＮｏ．１合金の略中空材を冷却速度５０℃／分で冷却した場合、式（３）及び（４）は図６にグラフ化される。図６において、αｓ＝１５／ｔとαｑ＝１３７５０×ｔの交点ｔｅは約３２ｍｍである。したがって、７０００系のＮｏ．１合金の略中空材については、肉厚が３２ｍｍ以上になる領域Ｂでは、中空部内側も冷媒を用いて冷却する必要があることが判る。他方、肉厚が３２ｍｍ以下になると、外部からだけの冷却で良い。そして、そのときの奪熱量がＡ領域に入るような熱伝達係数で冷却すると、変形歪みが小さく平らさｈ／Ｗが０．１％以下になって焼きも入るため、Ｔ５処理だけで要求特性をもつ製品が得られる。
【００２２】
式（３）は肉厚ｔを変数とする関数であるため合金組成ｃや冷却条件の影響を受けないが、式（４）は合金組成ｃ及び冷却速度Ｒで変化する。たとえば、同じ６０００系のＮｏ．３合金であっても要求特性が引張強さ３００ＭＰａであると、図３にみられるように１００℃／分の冷却速度で良い。そのとき、式（４）はαｑ＝２７５００×ｔになり、図５の場合よりも下方に移動し、交点ｔｅに当たる肉厚ｔの値が２０ｍｍより大きい方向にずれ、熱伝達係数αｑの許容範囲も広がる。このように、式（４）及び（５）は、押出形材に要求される機械的性質によって定まる冷却速度（本発明における冷却速度を計算するに当たっての形材温度の測定方法は、先端が尖った熱電対を形材表面に押し当て、表面から約１ｍｍ深さの温度を測定する）の数値に依存して変化する。
Ｂ領域の冷却方法は、略中空材の冷却では設備的に複雑になる。すなわち、略中空材外部表面の冷却はＡ領域と同様に実施されるが、中空材内部の冷却は、中空材内部に冷媒を供給し、且つ冷却後に冷媒を除去する工夫が必要になる。また、中空材内部が均一に冷却されるように冷媒を中空材内部に撒布する必要がある。
【００２３】
次いで、本発明が対象の一つとする６０００系のＮｏ．３合金に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｓｉ：０．６〜０．９質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％
ダイス端焼入れでＳｉ，Ｍｇをマトリックスに固溶させ、後工程の時効処理でＭｇ２Ｓｉを析出させることにより強度向上に働く合金成分である。必要強度を得るために、本発明ではＳｉ含有量を０．６〜０．９質量％，Ｍｇ含有量を０．８〜１．２質量％の範囲に設定した。０．６質量％未満のＳｉや０．８質量％未満のＭｇでは、必要とする強度が時効処理後に得られない。逆に、０．９質量％を超えるＳｉや１．２質量％を超えるＭｇでは、押出性が低下し、生産性が悪くなる。
Ｃｕ：０．１〜０．４質量％
マトリックスを固溶強化すると共に、ダイス端焼入れで固溶したＣｕが後工程の時効処理でＡｌ２Ｃｕとなって析出し、強度を付与する合金成分である。Ｃｕの作用は０．１質量％以上で顕著になるが、０．４質量％を超えるＣｕ含有量では全面腐食が発生し易くなり、耐食性が低下する。
【００２４】
Ｃｒ：０．０４〜０．２質量％
再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し、押出直後の押出材表面に生じがちな再結晶粒層を抑制し、耐食性を向上させる。このような作用は０．０４質量％以上のＣｒ添加で顕著になるが、０．２質量％を超える過剰量のＣｒでは押出性が劣化し、腐食の起点になる粗大な金属間化合物が発生し易くなる。
Ｆｅ：０．１〜０．３質量％
Ｃｒと同様に押出直後の押出形材表面における再結晶粒の生成・成長を抑制するが、多量に含まれると腐食の起点になる粗大な金属間化合物が生じ易くなる。本発明の合金系ではＦｅを添加成分としている。しかし、過度にＦｅ含有量を少なくすることは原料配合のコストが高くなるので、本発明においてはＦｅ含有量の下限を０．１質量％に設定した。
【００２５】
Ｍｎ：０．１質量％以下， Ｚｒ：０．１質量％以下
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、Ｃｒと同様に再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈する。しかし、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金においては、分類上不純物扱いとしたが、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５等ではＭｎを添加元素とした。
Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％， Ｂ：０．０００１〜０．０１質量％
鋳造結晶粒を微細化し、材質の均質化に有効な合金成分である。このような作用は、０．００５質量％以上のＴｉ及び０．０００１質量％以上のＢで顕著になる。しかし、０．１質量％を超えるＴｉや０．０１質量％を超えるＢでは、粗大なＴｉ−Ｂ系金属間化合物が発生し易くなり、耐食性が劣化する。
Ｚｎ：０．０５質量％以下
全面腐食を発生させる成分であり、押出形材の外観を悪化させることになるので、本発明においては６０００系合金の全てに対しＺｎ含有量を０．０５質量％以下に規制した。
【００２６】
押出直後の冷却条件：
６０００系のアルミニウム合金では、押出直後の略中空材を焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：冷却速度（℃／分），λ：熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）］が満足される条件下で冷却する。この冷却により、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｕがマトリックスに十分固溶し、後工程の時効処理で必要な強度付与に有効な析出量が確保される。また、断面形状の変形量も、平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられる。
６０００系のＮｏ．３合金の押出形材を２００℃／分の冷却速度で冷却する場合、熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２・℃）と中空材の最大肉厚ｔ（ｍ）との間に５５０００×ｔ≦α≦１６／ｔの関係が満足される熱伝達係数αが得られるように冷却条件を設定する。このように冷却条件を設定するとき、外面部の平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられた良好な断面形状をもつ中空材となり、しかも時効処理後に３１０ＭＰａ以上の引張強さが得られる。これに対し、α＞１６／ｔでは平らさｈ／Ｗが０．１％を超え、α＜５５０００×ｔでは時効処理後に３１０ＭＰａ以上の引張強さが得られないことがある。要求される時効処理後の強度と肉厚が決まれば、６０００系のＮｏ．３合金では、図３に基づいて冷却速度を参酌して熱伝達係数αの範囲が計算で定まるので、その熱伝達係数αが得られるように冷却水量等の条件を設定する。
【００２７】
時効処理：
ダイス端焼入れされた６０００系のＮｏ．３合金の略中空材を１７０〜２１０℃×１〜１２時間で時効処理すると、Ｍｇ２Ｓｉ，Ａｌ２Ｃｕ等が析出し、所定の機械的強度が付与される。強度付与に有効な析出を行わせるためには、１７０℃以上，１時間以上の時効処理が必要である。しかし、２１０℃を超える温度や１２時間をこえる長時間加熱では、高温・長時間に見合った強度向上効果が得られず、却ってエネルギ損失や生産性低下の傾向がみられる。そして、図３のようなＴ５処理後の引張強さと冷却速度との関係は、表１の合金種種別ごとに別途求められているので、合金組成，最大肉厚及び要求強度が決まれば冷却速度が定まり、それに基づいて熱伝達係数αの範囲が計算できる。計算された熱伝達係数αを満足するような冷却方法を選定すると、歪みが少なく且つ時効処理後に要求強度を満足する略中空材が製造できる。
【００２８】
７０００系のアルミニウム合金では，次のように合金成分，含有量，熱処理条件等を規定する。
Ｚｎ：５．５〜６．５質量％，Ｍｇ：０．６〜１．０質量％
ダイス端焼入れでＺｎ，Ｍｇをマトリックスに固溶させ、後工程の時効処理でＭｇ−Ｚｎ系化合物を析出させることにより強度向上に働く合金成分である。必要強度を得るために、７０００系合金ではＺｎ含有量を５．５〜６．５質量％，Ｍｇ含有量を０．６〜１．０質量％の範囲に設定した。５．５質量％未満のＺｎや０．６質量％未満のＭｇでは、必要とする強度が時効処理後に得られない。逆に、６．５質量％を超えるＺｎや１．０質量％を超えるＭｇでは、押出性が低下し、生産性が悪くなる。
Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％
マトリックスを固溶強化すると共に、ダイス端焼入れで固溶したＣｕが後工程の時効処理でＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物となって析出し、強度を付与する合金成分である。Ｃｕの作用は０．０５質量％以上で顕著になるが、０．２質量％を超えるＣｕ含有量では押出性が低下する。
【００２９】
Ｆｅ：０．１〜０．４質量％，Ｓｉ：０．００５〜０．２質量％
鋳造中にＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物となって晶出し，押出加工で分散されることにより，押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し、耐応力腐食割れ性や機械的特性の向上に有効な合金成分である。再結晶粒の生成・成長抑制効果は、０．１質量％以上のＦｅ及び０．００５質量％以上のＳｉで顕著になる。また、Ｆｅ含有量を０．１質量％未満，Ｓｉ含有量を０．００５質量％未満に規制することは，原料配合のコストを上げることからも好ましくない。逆に、０．４質量％を超えるＦｅや０．２質量％を超えるＳｉでは、粗大な晶出物が生成し、押出性が低下しやすくなる。
Ｚｒ：０．１〜０．２質量％
鋳造時にマトリックスに固溶し，均質化処理でＡｌ−Ｚｒ系化合物となって析出することにより押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し，耐応力腐食割れ性や機械的性質の向上に有効な合金成分である。再結晶粒の生成・成長抑制効果は、０．１質量％以上のＺｒで顕著になる。しかし、０．２質量％を超える過剰量のＺｒが含まれると、鋳造中に粗大な晶出物が生成し，押出材が低下する傾向がみられる。
【００３０】
Ｍｎ：０．３質量％以下，Ｃｒ：０．２質量％以下
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、均質化処理でＡｌ−Ｍｎ系，Ａｌ−Ｃｒ系等の化合物となって析出し、押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制し、耐応力腐食割れ性や機械的性質を向上させる。表１に掲げた７０００系のＮｏ．１合金ではＭｎ，Ｃｒを不純物扱いとしたが、Ｎｏ．２合金ではＭｎを、Ｎｏ．３合金ではＣｒを必須成分とした。
Ｔｉ：０．０１〜０．１質量％，Ｂ：０．００１〜０．０１質量％
鋳造結晶粒を微細化し、鋳造われを防止すると共に，後工程で均質化処理の効果を高める作用を呈する合金成分である。このような作用は、０．０１質量％以上のＴｉ及び０．００１質量％以上のＢで顕著になる。しかし、０．１質量％を超えるＴｉや０．０１質量％を超えるＢでは、粗大なＴｉ−Ｂ系金属間化合物が発生し易くなり、耐食性が劣化する。
【００３１】
押出直後の冷却条件：
７０００系のアルミニウム合金では、押出直後の略中空材を焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：冷却速度（℃／分），λ：熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）］が満足される条件下で冷却する。この冷却により、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｕがマトリックスに十分固溶し、後工程の時効処理で必要な強度付与に有効な析出量が確保される。また、断面形状の変形量も、平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられる。
７０００系のＮｏ．１合金の押出形材を５０℃／分の冷却速度で冷却する場合、熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２・℃）と中空材の最大肉厚ｔ（ｍ）との間に１３７５０×ｔ≦α≦１５／ｔの関係が満足される熱伝達係数αが得られるように冷却条件を設定する。このように冷却条件を設定するとき、外面部の平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられた良好な断面形状をもつ中空材となり、しかも時効処理後に４００ＭＰａ以上の引張強さが得られる。これに対し、α＞１５／ｔでは平らさｈ／Ｗが０．１％を超え、α＜１３７５０×ｔでは時効処理後に４００ＭＰａ以上の引張強さが得られないことがある。要求される時効処理後の強度と肉厚が決まれば、７０００系のＮｏ．１合金では、図４に基づいて冷却速度を参酌して熱伝達係数αの範囲が計算で定まるので、その熱伝達係数αが得られるように冷却水量等の条件を設定する。
【００３２】
時効処理：
ダイス端で急冷された７０００系のＮｏ．１合金の略中空材を１１５〜１２５℃×１２〜３６時間又は８０〜１１０℃×３〜１２時間＋１４０〜１６０℃×５〜１６時間で時効処理すると、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物，Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系化合物等が析出し、所定の機械的強度が付与される。設定範囲を下回る温度や時間の時効処理条件では、所定の機械的強度が得られない。逆に温度や時間が設定範囲を上回る時効処理条件では、温度上昇や長時間化に見合った強度向上効果がみられず、却ってエネルギ損失や生産性低下の原因になる。
【００３３】
【実施例１】
本実施例は、高欄の手摺材を製造した例である。
表１に示した６０００系のＮｏ．３合金を所定組成に溶製したアルミニウム合金溶湯に脱ガス処理，微細化処理，脱滓処理を施した後、ＤＣ鋳造で直径３５５ｍｍの鋳塊に鋳込んだ。得られた鋳塊の分析結果は、次の通りであった。
Ｓｉ：０．６７質量％，Ｆｅ：０．１８質量％，Ｃｕ：０．３５質量％，Ｍｎ：０．０３質量％，Ｚｒ：０．０１質量％，Ｍｇ：１．００質量％，Ｃｒ：０．０８質量％，Ｚｎ：０．０２質量％，Ｔｉ：０．０１質量％，Ｂ：０．００２質量％
マトリックスにＣｒを細かく分散させるため昇温速度５０℃／時で鋳塊を昇温し、５６０℃×２時間の均質化処理でＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕをマトリックスに固溶させると共にＡｌ−Ｃｒ系化合物を細かく分散させた。次いで、Ｍｇ２Ｓｉ，Ａｌ２Ｃｕがマトリックスに析出しないように冷却速度２５０℃／時で常温までファンを用いて強制空冷した。冷却後の鋳塊を押出用ビレットに切断した後、４８０℃に加熱し、上面幅２００ｍｍ，高さ１５０ｍｍ，肉厚４ｍｍで図７に示す断面形状をもつ中空状の高欄用手摺材を押し出した。
【００３４】
このとき使用した押出装置は、図８に概略を示すように、ダイス１に接するエンドプラテン２の出側に第１〜５冷却リング３１〜３５を配置している。第１冷却リング３１はエンドプラテン２の出側から１．５ｍ離し、各冷却リング３１〜３５の間に０．４５ｍの間隔をおいた。
各冷却リング３１〜３５は、何れも押出方向に垂直な面内で同じ八角形状（図９）をもち、押出ラインの中心から八角形の各辺Ｌ１〜Ｌ８までの距離を４５ｃｍとした。辺Ｌ１，Ｌ２，Ｌ８にはそれぞれ等間隔で２個、辺Ｌ３〜Ｌ７にはそれぞれ等間隔で３個、合計で２１個の噴霧ノズル４を各冷却リング３１〜３５に取り付けた。噴霧ノズル４の個数及び取付け位置は、押出形材Ｍの断面形状（図７）に対応した冷却効率を考慮し、押出形材Ｍに対する冷却水噴霧量が上面：一側側面：下面＝４：５．５：６となるように設定した。
【００３５】
各噴霧ノズル４は、押出形材Ｍに対する冷却水の噴霧角度θが３０度となるように押出方向下流側に傾斜させた。噴霧角度θで冷却水を吹き付けるとき、押出形材Ｍの表面で跳ね返った冷却水が押出方向下流側に送られ、上流側のダイス１側への飛散が防止される。そのため、飛散した冷却水による局部的な冷却がなく、押出形材Ｍが均一に冷却され、機械的性質が均一になると共に、アルマイト処理される用途ではアルマイト処理後の色調が均一になる。
各冷却リング３１〜３５から、流量５５リットル／分・リングで１８℃の工業用水を噴霧しながら押出速度７ｍ／分で押出形材Ｍを押し出した。押出中に押出形材Ｍの温度を測定したところ、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５２０℃であり、押出方向下流側に第１冷却リング３１から約２０ｃｍ離れた位置の押出形材Ｍ表面に冷却水が吹き付けられていた。また、押出方向下流側に第５冷却リング３５から４０ｃｍ離れた位置Ｐ２では押出形材Ｍが１９５℃に降温しており、この位置で冷却が完了していた。なお、押出形材Ｍの温度は、押出形材Ｍの表面に約１ｍｍの深さまで尖った熱電対の先端を打ち込んで測定した。
【００３６】
入口位置Ｐ１から冷却完了位置Ｐ２までの距離Ｌは２．２ｍであり、押出速度が７ｍ／分であるから、押出形材Ｍが冷却されている時間は１９秒となる。この間に押出形材Ｍが５２０℃から１９５℃に降温しているので、冷却速度は（５２０℃−１９５℃）×６０／１９＝１０２６℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ２８℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約５００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝４ｍｍにおける領域Ａに入っており、外面変形量が平らさｈ／Ｗが０．１％以下の範囲にあることが判る。
【００３７】
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。この場合、押出形材は、図７に断面形状を示すように上側及び側面が湾曲しているので、底面で平らさｈ／Ｗを測定した。平らさｈ／Ｗは０．０５％であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２２ＭＰａ，０．２％耐力２８９ＭＰａ，伸び１４．５％であり、高欄の手摺材に要求される特性を十分に満足していた。
【００３８】
【比較例１】
実施例１と同じビレットを４９０℃に加熱した後、実施例１と同じ断面形状の高欄用手摺材を押出速度３ｍ／分で押し出した。冷却装置としては実施例１と同じ２１個の噴霧ノズル４を取り付けた第１〜４冷却リング３１〜３４を使用し、第１冷却リング３１を同様にエンドプラテン２から押出方向下流側に１．５ｍ離れた位置に配置したが、各第１〜４冷却リング３１〜３４の間隔をそれぞれ８０ｃｍに広げた。押出形材に噴霧する冷却水の水量を、実施例１よりも少ない４０リットル／分・リングに設定した。押出形材に熱電対を打ち込み、形材温度を連続的に測定した結果を図１０に示す。
押出形材Ｍの温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第４冷却リング３４から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で２００℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．８ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が５６秒，冷却速度が（５１０℃−２００℃）×６０／５６＝３３２℃／分と計算される。
【００３９】
押出形材Ｍは、第４冷却リング３４から下流方向に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２において２００℃まで冷却された後で、図１０に示すように再び２５０℃まで昇温した。すなわち、比較例１では、第１〜４冷却リング３１〜３４からの冷却水噴霧で押出形材Ｍが一旦冷却されて降温するものの、第１〜４冷却リング３１〜３４の間隔が広すぎたこと，冷却水量が少ないこと，押出速度が遅いこと等が原因し、押出形材Ｍが各冷却リング３１〜３４を通過した後で復熱し、４回も温度が上昇している。
このような冷却方法では、押出形材Ｍに十分な焼きが入らず、歪みに関しても悪影響の虞れがある。実際、０．２％の引張り張力をかけて整直した後、底面の平らさｈ／Ｗを測定したところ０．１５％であり、０．１％を超えていた。また、押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後の機械的性質は、引張強さ３０８ＭＰａ，０．２％耐力２７７ＭＰａ，伸び１２％であり、強度が若干低下していた。そのため、高欄材の手摺材としては好ましい製品でなかった。すなわち、計算上は焼きが入っても、３５０℃以上に復熱するような冷却方法はその度合いによって不適であることが判る。
【００４０】
【実施例２】
本実施例は、パワーブリッジの桁材を製造した例である。
実施例１と同じビレットを使用し、実施例１と同じ押出・冷却装置を用い、幅２７５ｍｍ，高さ１８０ｍｍ，肉厚５〜８ｍｍで、コーナーにリブを付けた断面形状（図１１）をもつパワーブリッジの桁材を押し出した。
押出に際しては、ビレットを５００℃に加熱し、押出速度を４ｍ／分に設定した。第１〜５冷却リング３１〜３５から流量８３リットル／分・リングで１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５０５℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で１０７℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が４ｍ／分であることから、冷却されている時間が３３秒，冷却速度が（５０５℃−１０７℃）×６０／３３＝７２４℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４１】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ３８℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約７５０Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝８ｍｍにおける領域Ａに入っており、外面歪みが合格範囲にあることが判る。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚８ｍｍの短辺側（図１１）で若干外側に凸であったが、平らさｈ／Ｗは０．０７％であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２０ＭＰａ，０．２％耐力２８６ＭＰａ，伸び１１．０％であり、パワーブリッジの桁材に要求される特性を十分に満足していた。
【００４２】
【実施例３】
本実施例は、構造用大型角パイプ材を製造した例である。
実施例１と同じビレットを使用し、実施例１と同じ押出・冷却装置を用い、幅２８０ｍｍ，高さ２００ｍｍ，肉厚１０ｍｍで、図１２に示す断面形状をもつ構造用大型角パイプ材を押し出した。
押出に際しては、ビレットを５００℃に加熱し、押出速度を３ｍ／分に設定した。第１〜５冷却リング３１〜３５から流量１１０リットル／分・リングで１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で９５℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が４４秒，冷却速度が（５１０℃−９５℃）×６０／４４＝５６５℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４３】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ３３℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約１１００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝１０ｍｍにおける領域Ａに入っており、平らさｈ／Ｗが０．１％以下の範囲にあることが判る。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚１０ｍｍの長辺側（図１２）で若干内側に凹んでいたが、平らさｈ／Ｗは０．０１％であり、製品形状は良好であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２４ＭＰａ，０．２％耐力２９０ＭＰａ，伸び１１．３％であり、構造用大型角パイプ材に要求される特性を十分に満足していた。
【００４４】
【比較例２】
冷却条件以外は、実施例３と同じ条件下で構造用大型角パイプ材を製造した。第１〜５冷却リング３１〜３５として１リング当りのノズル数を実施例３の２１個から倍の４２個に増やした冷却リングを使用し、各冷却リング３１〜３５から流量３３０リットル／分・リングで温度１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で２２℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が４４秒，冷却速度が（５１０℃−２２℃）×６０／４４＝６６５℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４５】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ２０℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約３０００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝１０ｍｍにおける熱伝達係数が領域Ａから外れ、曲線αｓ＝２０／ｔの上側に位置する。すなわち、過度に冷却されたことを意味し、得られた押出形材にも外面変形が発生していた。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚１０ｍｍの長辺側（図１２）で若干内側に凹んでおり、凹み量は長辺中央部で約２ｍｍであった。この値から平らさｈ／Ｗは０．７％と計算され、製品としては好ましくない。図５において１０ｍｍの位置で熱伝達係数が３０００Ｗ／ｍ２・℃の点は領域Ａから外れており、外面変形が発生することが判る。
【００４６】
【実施例４】
本実施例は、鉄道車両用の構造材を製造した例である。
表１に示した７０００系のＮｏ．３合金を所定組成に溶製したアルミニウム合金溶湯に脱ガス処理，微細化処理，脱滓処理を施した後、ＤＣ鋳造で直径２７３ｍｍの鋳塊に鋳込んだ。得られた鋳塊の分析結果は、次の通りであった。
Ｓｉ：０．１２質量％，Ｆｅ：０．１８質量％，Ｃｕ：０．１７質量％，Ｍｎ：０．００２質量％，Ｚｒ：０．１５質量％，Ｍｇ：１．００質量％，Ｃｒ：０．００２質量％，Ｚｎ：５．９０質量％，Ｔｉ：０．０３質量％，Ｂ：０．００１質量％
【００４７】
マトリックスにＺｒを細かく分散させるため昇温速度８０℃／時で鋳塊を昇温し、４７０℃×６時間の均質化処理でＭｇ，Ｚｎ，Ｃｕをマトリックスに固溶させると共にＡｌ−Ｚｒ系化合物を細かく分散させた。次いで、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物，Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系化合物がマトリックスに粗大に析出しないように冷却速度２００℃／時で常温までファンを用いて強制空冷した。冷却後の鋳塊を押出用ビレットに切断した後、４８０℃に加熱し、全幅２３０ｍｍ，高さ１００ｍｍ，肉厚６ｍｍで図１３に示す断面形状をもつ中空状の鉄道車両用構造材を押し出した。
【００４８】
このとき使用した押出装置は、ダイスに接するエンドプラテンの出口から２ｍ離れた位置を基準として、１．３ｍ間隔で合計７台の上部ファンをエンドプラテンの出側上部に設け、隣接する上部ファンの中間点に合計６台の下部ファンを配置した。上下で合計１３台のファンを稼動し、形材表面部での風速が２０ｍ／秒で冷気が形材全周にほぼ均等に当たるように冷却した。冷却帯の入口から出口までの距離が９．１ｍ，押出速度が７ｍ／分であることから、押出形材が冷却されている時間は７８秒となる。この間に押出形材が４８０℃から２１０℃に降温しているので、冷却速度は２０８℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。このときの熱伝達係数は、約１８０Ｗ／ｍ２・℃であった。
【００４９】
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定したところ、平らさｈ／Ｗは０．０２％であり、製品形状は良好であった。
押出形材に９０℃×８時間＋１５０℃×８時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ４４１ＭＰａ，０．２％耐力３９７ＭＰａ，伸び１６．４％であり、鉄道車両用構造材に要求される特性を十分に満足していた。
【００５０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、押出直後に６０００系，７０００系等の析出硬化型アルミニウム合金をダイス端焼入れする際、焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域における冷却条件のうち、形材の要求強度に応じた冷却速度を設定するとともに、その冷却速度において熱伝達係数を適正範囲内に制御することにより、急冷による変形を抑え、しかもＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ等を十分にマトリックスに固溶させている。そのため、得られた押出形材を時効処理するときＭｇ2Ｓｉ，Ａｌ2Ｃｕ等の析出により必要強度が付与され、断面形状が安定した中空材やセミ中空材が得られる。しかも、溶体化処理が必要なＴ６処理を施さなくても、同等な強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイス端焼入れで押出形材の押出方向に垂直な断面に発生しがちな変形を説明する図
【図２】熱伝達係数に及ぼす肉厚の影響を表わしたグラフ
【図３】Ｔ５処理（ダイス端焼入れ後時効処理）された表１に示した６０００系のＮｏ．３合金の機械的性質に及ぼすダイス端焼入れ時の冷却速度の影響を表わしたグラフ
【図４】Ｔ５処理（ダイス端焼入れ後時効処理）された表１に示した７０００系のＮｏ．１合金の機械的性質に及ぼすダイス端焼入れ時の冷却速度の影響を表わしたグラフ
【図５】熱伝達係数と肉厚との関係を６０００系のＮｏ．３合金中空材で定量的に表わしたグラフ
【図６】熱伝達係数と肉厚との関係を７０００系のＮｏ．１合金中空材で定量的に表わしたグラフ
【図７】実施例１で製造した高欄用手摺材の断面図
【図８】実施例で使用した冷却リングを備えた押出装置の概略図
【図９】冷却リングに取り付けたノズルの位置関係を示す図
【図１０】比較例における押出直後の押出形材の温度変化を示すグラフ
【図１１】実施例２で製造したパワーブリッジ用桁材の断面図
【図１２】実施例３で製造した構造用大型角パイプ材の断面図
【図１３】７０００系のアルミニウム合金を用いて実施例４で製造した鉄道車両用の構造材の断面図
【符号の説明】
１：ダイス ２：エンドプラテン ３１〜３５：第１〜５冷却リング ４：ノズル
Ｍ：押出形材 Ｃ：冷媒 Ｐ１：第１冷却リングの入口位置 Ｐ２：冷却完了位置 Ｌ：入口位置Ｐ１から冷却完了位置Ｐ２までの距離（冷却帯の長さ）
【産業上の利用分野】
本発明は、断面形状が安定し機械的性質に優れた中空材，セミ中空材等の押出形材を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
２０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム合金は、機械的性質を調整するため、押出後に熱処理されることが多い。熱処理としては、押出後に別工程で溶体化処理した後、水焼入れを経て時効処理するＴ６処理，押出直後放冷することなく強制冷却して焼き入れ、すなわちダイス端焼入れし、次いで時効処理するＴ５処理等がある。Ｔ５処理は、押出直後の押出形材が保有している熱量を溶体化処理に利用しているので、Ｔ６処理に比較すると改めて溶体化処理の必要がなく、コスト的に有利な熱処理といえる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
Ｔ５処理における押出直後の焼入れ、換言すればダイス端焼入れは、押出形材の形状，合金成分・組成，押出速度を始めとする押出条件，設備的な制約等の影響を受け、不充分な焼入れ，押出形材の歪みによる断面形状の変形等の欠陥を発生させ易い。押出形材の変形を防止し且つ十分な焼きを入れるためには、それぞれの状態に応じて熱処理条件をきめ細かく管理することが必要になる。しかし、押出形材の形状，合金成分・組成，押出速度を始めとする押出条件，設備的な制約等は多岐にわたり、それに応じた多様の熱処理条件を個々の製品についてトライアンドエラーで実施している現状である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、押出直後の焼き入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域における冷却条件を適正化することにより、断面形状が安定化し、しかも良好な機械的性質をもつ押出形材を提供することを目的とする。
本発明の製造方法は、その目的を達成するため、６０００系又は７０００系の析出硬化型アルミニウム合金の略中空材を押し出した直後、押し出された略中空材の焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：要求される引張り強度に応じて定まる冷却速度（℃／分），λ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような条件下で外表面からのみ略中空材を冷却し、その後に時効処理を施すことを特徴とする。
【０００５】
６０００系アルミニウム合金の一例としては、表１のＮｏ．３に示すようなＳｉ：０．６〜０．９質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％，Ｃｕ：０．１〜０．４質量％，Ｃｒ：０．０４〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．３質量％，Ｍｎ：０．１質量％以下，Ｚｒ：０．１質量％以下，Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０１質量％，Ｚｎ：０．０５質量％以下，残部が実質的にＡｌの組成をもつ６０００系アルミニウム合金が使用され、５００℃以上の焼入れ温度からダイス端焼入れされる。この場合、冷却速度２００℃／分以上で且つ５５０００×ｔ≦α≦１６／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような冷却条件を採用し、焼入れ後の略中空材を１７０〜２１０℃×１〜１２時間で時効処理すると、Ｍｇ2Ｓｉ，Ａｌ2Ｃｕ等の析出により３１０ＭＰａ以上の強度が付与される。
製造された略中空材は、高欄の手摺材，パワーブリッジの桁材，構造用大型角パイプ材等として使用される。なお、請求項２では、６０００系のアルミニウム合金について表１のＮｏ．３の合金例を示したが、合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８がそれぞれ請求項の合金組成に適用できることは言うまでもない。
【０００６】
７０００系アルミニウム合金の一例としては、表１のＮｏ．１に示すようなＺｎ：５．５〜６．５質量％，Ｍｇ：０．６〜１．０質量％，Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．４質量％，Ｓｉ：０．０５〜０．２質量％，Ｚｒ：０．１〜０．２質量％，Ｍｎ：０〜０．３質量％，Ｃｒ：０〜０．２質量％，Ｔｉ：０．０１〜０．１質量％，Ｂ：０．００１〜０．０１質量％，残部が実質的にＡｌの組成をもつアルミニウム合金が使用される。この場合、略中空材に押し出した直後、４３０℃以上の焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域を冷却速度５０℃／分以上で且つ１３７５０×ｔ≦α≦１５／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような冷却条件下で略中空材を冷却し、その後に１１０〜１３０℃×１２〜３６時間又は８０〜１１０℃×３〜１２時間＋１４０〜１７０℃×５〜１６時間で時効処理を施す。
製造された略中空材は、鉄道車両用構造材を始めとして強度及び軽量性が要求される各種構造体として使用される。なお、請求項３では、７０００系のアルミニウム合金について表１のＮｏ．１の合金例を示したが、合金Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３がそれぞれ請求項の合金組成に適用できることは言うまでもない。
【０００７】
【作用】
押出後の冷却過程で押出形材に発生する形状変形歪みは、冷媒が直接作用する形材表面と熱伝導により冷却される裏面，内部等との間に生じる温度差が原因である。具体的には、図１に示すように押出形材Ｍの押出方向に垂直な断面において表面Ｓに冷媒Ｃを吹き付けると、冷却初期は冷却面側が収縮する。このとき、非冷却面側に拘束されて冷却面側が自由に収縮できない。その結果、冷却面近傍に引張り応力が作用する。引張り応力のレベルが耐力を超えると、冷却面は降伏して伸びきった状態になる。その後の冷却過程における温度差の減少に伴って歪み分布は小さくなるものの、冷却面側に生じた塑性変形は面外変形量ｈとして残存する。
断面内の温度差が大きいほど、面外変形が発生し易く、面外変形量ｈが増加する傾向にある。そこで、押出直後の冷却過程で、押出形材Ｍの表面Ｓと中空部内部の裏面Ｂとの温度差を可能な限り小さくして冷却することが歪み防止に重要な要因となる。
【０００８】
他方、押出形材に機械的強度を付与するためには、焼入れ時にＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ等を多量に固溶させ、後工程の時効処理で強度向上に有効な析出物量を確保することが必要である。Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｕ等の固溶量を大きくし、且つ固溶状態を維持するためには、高温状態の押出形材を速い冷却速度で焼き入れることが要求される。
機械的強度向上のためには焼き入れ直後から強力に冷却することが要求されるが、強力な冷却は、押出形材Ｍの表面Ｓと裏面Ｂとの間の温度差を大きくして形状変形歪みを大きくする方向に作用する。本発明は、断面形状精度と機械的強度の向上との間で相矛盾する冷却条件を適正化することにより、断面形状が安定化し、しかも良好な機械的性質をもつ押出形材の製造を可能にした。
【０００９】
本発明が対象とする析出硬化型アルミニウム合金には、２０００系，６０００系，７０００系等のアルミニウム合金がある。これらのアルミニウム合金は、組成によって焼きが入る冷却速度が異なるため、本発明者等による実験結果から表１に示すように命名した合金種別の組成群に分類した。各組成群のアルミニウム合金は、表２に示す飽和冷却速度及び熱伝導率を示し、それぞれに適した条件下で人工時効処理される。なお、飽和冷却速度は、所定の冷却速度で焼入れした後、各時効条件で焼き戻したとき、材料のもつ最大引張強さの９０〜９５％を示したときの冷却速度で表した。
【００１０】
製造される押出形材としては、形材の表面と裏面との間に温度差が生じ易い形状、具体的には形材表面は冷媒で直接冷却されるが裏面や内部が冷却され難い中空材やセミ中空材を対象としている。中空材には、目の字型や日の字型の断面形状をもつもの，部分的にリブが外面又は内面から突出したもの等がある。セミ中空材には、断面が完全にクローズされていないが内部に冷媒が入りづらく、表面と裏面との冷却条件が異なる断面構造をもつものがある。本件明細書では、これらを総称して「略中空材」という。
押出形材のサイズとしては、図１に示す押出方向に垂直な断面の幅Ｗが５０〜６００ｍｍに範囲にあるものを対象として冷却条件と幅Ｗとの関係を調査した。肉厚に関しては、制限を設けなかった。
【００１３】
本発明者等は、組成及び形状が種々異なる押出形材の機械的強度及び発生した歪みに関して得られた多量の実験データ及び解析結果から、次の経験則を導き出した。
（１）歪み発生の防止
２０００系，６０００系又は７０００系材料をダイス端焼入れする際に発生する歪みは、組成に応じて定まる熱伝導率及び押出形材の断面において温度差の大きな部分、換言すれば肉厚の如何に依存していることが判った。図１で押出形材Ｍの幅Ｗに対する面外変形量ｈの比、すなわちｈ／Ｗとして表わされる平らさｈ／Ｗが０．１％以下を一つの目安とした場合、奪熱量に関係する押出形材Ｍと冷媒Ｃとの界面の熱伝達係数αｓを熱伝導率λ及び最大肉厚ｔとの関数ｆ（ｔ）として表示するとき、次式（１）を満足する値のとき平らさｈ／Ｗが０．１％以下の製品が得られることが判った。
αｓ≦ｆ（ｔ，λ） ・・・・（１）
【００１４】
（２）焼きが入る条件
焼きが入る条件は、押出形材Ｍの組成ｃ，焼きが入りにくい厚肉部の最大肉厚ｔ及び奪熱時の冷却速度Ｒに依存していることが判った。そして、本発明者等の調査・研究によるとき、奪熱量に関する熱伝達係数αｑが次式（２）を満足しているとき、押出形材Ｍに焼きが入ることが判った。
αｑ≧ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ） ・・・・（２）
前掲した式（１）及び（２）は、何れも押出形材Ｍの温度が焼入れ温度〜２００℃の温度域にあるときに成立していることが条件となる。図２は、式（１）及び（２）の関係を定性的に示したグラフである。
【００１５】
図２は、焼入れ温度〜２００℃の温度域で押出形材を冷却するとき、押出形材Ｍの最大肉厚ｔとの関係で定まる領域Ａに熱伝達係数αがあれば、歪み発生がなく焼きの入った材料が得られることを意味する。すなわち、αｓ＝ｆ（ｔ，λ）とαｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）との交点ｔｅよりも最大肉厚ｔが薄いとき、略中空材を外表面からのみ熱伝達係数に合うように冷却すると、歪み発生が抑えられ且つ焼きが入ることを意味する。しかし、略中空材の最大肉厚ｔが交点ｔｅを超えると、歪みを発生させない条件で外表面だけの冷却では焼きが入らず、要求特性を満足する製品を得るためには略中空材の内部からも冷媒を用いた冷却が必要になる。
歪みに関しては肉厚ｔに依存した曲線αｓ＝ｆ（ｔ，λ）が定まるが、焼入れに関しては組成ｃ，冷却速度Ｒ及び肉厚ｔに依存しているため曲線αｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）が変数に連動して変動する。
【００１６】
（３）曲線αｓ＝ｆ（ｔ，λ）の確定
押出形材を焼入れ温度から形材温度が２００℃まで冷却するに当たり、製品としての平らさｈ／Ｗを０．１％以下に設定すると、その限界の式は、多数の実験データを用いてαｓ＝ｆ（ｔ，λ）を定量化した結果、式（１）は式（３）に書き換えられる。ただし、αｓは熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃）、λは熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）、ｔは温度勾配が大きな部分の肉厚，すなわち最大肉厚（ｍ）を示す。
αｓ≦０．１×λ／ｔ ・・・・（３）
したがって、冷却時の歪み発生は熱伝達係数αｓ，熱伝導率λ及び最大肉厚ｔで定まることになり、式（３）が満足される条件下では冷媒を用いた冷却により平らさｈ／Ｗが０．１％を超える歪みが発生せず、製品の平らさｈ／Ｗが０．１％以下になる。
【００１７】
（４）曲線αｑ＝ｆ（ｃ，ｔ，Ｒ）の確定
押出形材に焼きが入る冷却速度を成分・組成との関係で調査したところ、焼入れ温度（２０００系では４５０℃以上，６０００系では５００℃以上，７０００系では４３０℃以上）から２００℃までを冷却するときの飽和冷却速度ＲＳは、表１に示すように６０００系，２０００系，７０００系合金の組成ｃによって異なる。なお、飽和冷却速度ＲＳは、ある組成のアルミニウム合金をある冷却速度で焼き入れた後、表２に示す各条件下で時効処理する、いわゆるＴ５処理により、当該材料のもつ最大引張強さの９０〜９５％を示すときの冷却速度と定義した。
【００１８】
本発明者等による実験結果の一例として、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金を５４０℃から焼き入れたときの冷却速度（℃／分）とＴ５処理（１８０℃×６時間の時効処理）後の引張強さ（ＭＰａ）との関係を図３に示す。多数の６０００系合金を用いた実験データから式（２）を定量化すると、αｑ≧２７５×ｔ×Ｒが導き出される。表１に示した６０００系のＮｏ．３合金において、図３に示すように引張強さが飽和してくる飽和冷却速度Ｒ＝２００℃／分をＲに代入すると、式（２）は式（４）に書き換えられる。
αｑ≧５５０００×ｔ ・・・・（４）
ただし、αｑ：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃）
ｔ：押出形材の最大肉厚（ｍ）
【００１９】
同様に表１に示した７０００系のＮｏ．１合金を４７０℃から焼き入れたときの冷却速度（℃／分）とＴ５処理（１８０℃×６時間の時効処理）後の引張強さ（ＭＰａ）との関係を図４に示す。多数の７０００系合金を用いた実験データから式（２）を定量化すると、αｑ≧２７５×ｔ×Ｒが導き出される。表１に示した７０００系のＮｏ．１合金において、図４に示すように引張強さが飽和してくる飽和冷却速度Ｒ＝５０℃／分をＲに代入すると、式（２）は式（５）に書き換えられる。
αｑ≧１３７５０×ｔ ・・・・（５）
【００２０】
冷却速度を２００℃／分にして式（４）を満足する限り、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金ではＴ５処理後の引張強さが３１０ＭＰａ以上になる。すなわち、最も焼きが入りにくい最大肉厚ｔの関数を基準とし、最大肉厚ｔの値で定まる熱伝達係数αｑ以上が得られる冷却方法を採用するとき、最大肉厚部においても焼きが入ることになる。なお、図３から判るように当該合金種において要求される引張強さに応じて冷却速度Ｒを変えることができるので、式（４）は要求引張強さに応じて変動する。
図５は、６０００系のＮｏ．３合金の略中空材を冷却速度２００℃／分で冷却した場合を例にとって式（３）及び（４）を具体化したグラフである。図５において、αｓ＝１６／ｔとαｑ＝５５０００×ｔの交点ｔｅは約２０ｍｍである。したがって、６０００系のＮｏ．３合金の略中空材については、肉厚が２０ｍｍ以上になる領域Ｂでは、中空部内側も冷媒を用いて冷却する必要があることが判る。他方、肉厚が２０ｍｍ以下になると、外部からだけの冷却で良い。そして、そのときの奪熱量がＡ領域に入るような熱伝達係数で冷却すると、変形歪みが小さく平らさｈ／Ｗが０．１％以下になって焼きも入るため、Ｔ５処理だけで要求特性をもつ製品が得られる。
【００２１】
他方、７０００系のＮｏ．１合金の略中空材を冷却速度５０℃／分で冷却した場合、式（３）及び（４）は図６にグラフ化される。図６において、αｓ＝１５／ｔとαｑ＝１３７５０×ｔの交点ｔｅは約３２ｍｍである。したがって、７０００系のＮｏ．１合金の略中空材については、肉厚が３２ｍｍ以上になる領域Ｂでは、中空部内側も冷媒を用いて冷却する必要があることが判る。他方、肉厚が３２ｍｍ以下になると、外部からだけの冷却で良い。そして、そのときの奪熱量がＡ領域に入るような熱伝達係数で冷却すると、変形歪みが小さく平らさｈ／Ｗが０．１％以下になって焼きも入るため、Ｔ５処理だけで要求特性をもつ製品が得られる。
【００２２】
式（３）は肉厚ｔを変数とする関数であるため合金組成ｃや冷却条件の影響を受けないが、式（４）は合金組成ｃ及び冷却速度Ｒで変化する。たとえば、同じ６０００系のＮｏ．３合金であっても要求特性が引張強さ３００ＭＰａであると、図３にみられるように１００℃／分の冷却速度で良い。そのとき、式（４）はαｑ＝２７５００×ｔになり、図５の場合よりも下方に移動し、交点ｔｅに当たる肉厚ｔの値が２０ｍｍより大きい方向にずれ、熱伝達係数αｑの許容範囲も広がる。このように、式（４）及び（５）は、押出形材に要求される機械的性質によって定まる冷却速度（本発明における冷却速度を計算するに当たっての形材温度の測定方法は、先端が尖った熱電対を形材表面に押し当て、表面から約１ｍｍ深さの温度を測定する）の数値に依存して変化する。
Ｂ領域の冷却方法は、略中空材の冷却では設備的に複雑になる。すなわち、略中空材外部表面の冷却はＡ領域と同様に実施されるが、中空材内部の冷却は、中空材内部に冷媒を供給し、且つ冷却後に冷媒を除去する工夫が必要になる。また、中空材内部が均一に冷却されるように冷媒を中空材内部に撒布する必要がある。
【００２３】
次いで、本発明が対象の一つとする６０００系のＮｏ．３合金に含まれる合金成分，含有量等を説明する。
Ｓｉ：０．６〜０．９質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％
ダイス端焼入れでＳｉ，Ｍｇをマトリックスに固溶させ、後工程の時効処理でＭｇ２Ｓｉを析出させることにより強度向上に働く合金成分である。必要強度を得るために、本発明ではＳｉ含有量を０．６〜０．９質量％，Ｍｇ含有量を０．８〜１．２質量％の範囲に設定した。０．６質量％未満のＳｉや０．８質量％未満のＭｇでは、必要とする強度が時効処理後に得られない。逆に、０．９質量％を超えるＳｉや１．２質量％を超えるＭｇでは、押出性が低下し、生産性が悪くなる。
Ｃｕ：０．１〜０．４質量％
マトリックスを固溶強化すると共に、ダイス端焼入れで固溶したＣｕが後工程の時効処理でＡｌ２Ｃｕとなって析出し、強度を付与する合金成分である。Ｃｕの作用は０．１質量％以上で顕著になるが、０．４質量％を超えるＣｕ含有量では全面腐食が発生し易くなり、耐食性が低下する。
【００２４】
Ｃｒ：０．０４〜０．２質量％
再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し、押出直後の押出材表面に生じがちな再結晶粒層を抑制し、耐食性を向上させる。このような作用は０．０４質量％以上のＣｒ添加で顕著になるが、０．２質量％を超える過剰量のＣｒでは押出性が劣化し、腐食の起点になる粗大な金属間化合物が発生し易くなる。
Ｆｅ：０．１〜０．３質量％
Ｃｒと同様に押出直後の押出形材表面における再結晶粒の生成・成長を抑制するが、多量に含まれると腐食の起点になる粗大な金属間化合物が生じ易くなる。本発明の合金系ではＦｅを添加成分としている。しかし、過度にＦｅ含有量を少なくすることは原料配合のコストが高くなるので、本発明においてはＦｅ含有量の下限を０．１質量％に設定した。
【００２５】
Ｍｎ：０．１質量％以下， Ｚｒ：０．１質量％以下
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、Ｃｒと同様に再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈する。しかし、表１に示した６０００系のＮｏ．３合金においては、分類上不純物扱いとしたが、Ｎｏ．４，Ｎｏ．５等ではＭｎを添加元素とした。
Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％， Ｂ：０．０００１〜０．０１質量％
鋳造結晶粒を微細化し、材質の均質化に有効な合金成分である。このような作用は、０．００５質量％以上のＴｉ及び０．０００１質量％以上のＢで顕著になる。しかし、０．１質量％を超えるＴｉや０．０１質量％を超えるＢでは、粗大なＴｉ−Ｂ系金属間化合物が発生し易くなり、耐食性が劣化する。
Ｚｎ：０．０５質量％以下
全面腐食を発生させる成分であり、押出形材の外観を悪化させることになるので、本発明においては６０００系合金の全てに対しＺｎ含有量を０．０５質量％以下に規制した。
【００２６】
押出直後の冷却条件：
６０００系のアルミニウム合金では、押出直後の略中空材を焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：冷却速度（℃／分），λ：熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）］が満足される条件下で冷却する。この冷却により、Ｍｇ，Ｓｉ，Ｃｕがマトリックスに十分固溶し、後工程の時効処理で必要な強度付与に有効な析出量が確保される。また、断面形状の変形量も、平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられる。
６０００系のＮｏ．３合金の押出形材を２００℃／分の冷却速度で冷却する場合、熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２・℃）と中空材の最大肉厚ｔ（ｍ）との間に５５０００×ｔ≦α≦１６／ｔの関係が満足される熱伝達係数αが得られるように冷却条件を設定する。このように冷却条件を設定するとき、外面部の平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられた良好な断面形状をもつ中空材となり、しかも時効処理後に３１０ＭＰａ以上の引張強さが得られる。これに対し、α＞１６／ｔでは平らさｈ／Ｗが０．１％を超え、α＜５５０００×ｔでは時効処理後に３１０ＭＰａ以上の引張強さが得られないことがある。要求される時効処理後の強度と肉厚が決まれば、６０００系のＮｏ．３合金では、図３に基づいて冷却速度を参酌して熱伝達係数αの範囲が計算で定まるので、その熱伝達係数αが得られるように冷却水量等の条件を設定する。
【００２７】
時効処理：
ダイス端焼入れされた６０００系のＮｏ．３合金の略中空材を１７０〜２１０℃×１〜１２時間で時効処理すると、Ｍｇ２Ｓｉ，Ａｌ２Ｃｕ等が析出し、所定の機械的強度が付与される。強度付与に有効な析出を行わせるためには、１７０℃以上，１時間以上の時効処理が必要である。しかし、２１０℃を超える温度や１２時間をこえる長時間加熱では、高温・長時間に見合った強度向上効果が得られず、却ってエネルギ損失や生産性低下の傾向がみられる。そして、図３のようなＴ５処理後の引張強さと冷却速度との関係は、表１の合金種種別ごとに別途求められているので、合金組成，最大肉厚及び要求強度が決まれば冷却速度が定まり、それに基づいて熱伝達係数αの範囲が計算できる。計算された熱伝達係数αを満足するような冷却方法を選定すると、歪みが少なく且つ時効処理後に要求強度を満足する略中空材が製造できる。
【００２８】
７０００系のアルミニウム合金では，次のように合金成分，含有量，熱処理条件等を規定する。
Ｚｎ：５．５〜６．５質量％，Ｍｇ：０．６〜１．０質量％
ダイス端焼入れでＺｎ，Ｍｇをマトリックスに固溶させ、後工程の時効処理でＭｇ−Ｚｎ系化合物を析出させることにより強度向上に働く合金成分である。必要強度を得るために、７０００系合金ではＺｎ含有量を５．５〜６．５質量％，Ｍｇ含有量を０．６〜１．０質量％の範囲に設定した。５．５質量％未満のＺｎや０．６質量％未満のＭｇでは、必要とする強度が時効処理後に得られない。逆に、６．５質量％を超えるＺｎや１．０質量％を超えるＭｇでは、押出性が低下し、生産性が悪くなる。
Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％
マトリックスを固溶強化すると共に、ダイス端焼入れで固溶したＣｕが後工程の時効処理でＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系化合物となって析出し、強度を付与する合金成分である。Ｃｕの作用は０．０５質量％以上で顕著になるが、０．２質量％を超えるＣｕ含有量では押出性が低下する。
【００２９】
Ｆｅ：０．１〜０．４質量％，Ｓｉ：０．００５〜０．２質量％
鋳造中にＡｌ−Ｆｅ−Ｓｉ系化合物となって晶出し，押出加工で分散されることにより，押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し、耐応力腐食割れ性や機械的特性の向上に有効な合金成分である。再結晶粒の生成・成長抑制効果は、０．１質量％以上のＦｅ及び０．００５質量％以上のＳｉで顕著になる。また、Ｆｅ含有量を０．１質量％未満，Ｓｉ含有量を０．００５質量％未満に規制することは，原料配合のコストを上げることからも好ましくない。逆に、０．４質量％を超えるＦｅや０．２質量％を超えるＳｉでは、粗大な晶出物が生成し、押出性が低下しやすくなる。
Ｚｒ：０．１〜０．２質量％
鋳造時にマトリックスに固溶し，均質化処理でＡｌ−Ｚｒ系化合物となって析出することにより押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制する作用を呈し，耐応力腐食割れ性や機械的性質の向上に有効な合金成分である。再結晶粒の生成・成長抑制効果は、０．１質量％以上のＺｒで顕著になる。しかし、０．２質量％を超える過剰量のＺｒが含まれると、鋳造中に粗大な晶出物が生成し，押出材が低下する傾向がみられる。
【００３０】
Ｍｎ：０．３質量％以下，Ｃｒ：０．２質量％以下
何れも必要に応じて添加される合金成分であり、均質化処理でＡｌ−Ｍｎ系，Ａｌ−Ｃｒ系等の化合物となって析出し、押出材の再結晶粒の生成・成長を抑制し、耐応力腐食割れ性や機械的性質を向上させる。表１に掲げた７０００系のＮｏ．１合金ではＭｎ，Ｃｒを不純物扱いとしたが、Ｎｏ．２合金ではＭｎを、Ｎｏ．３合金ではＣｒを必須成分とした。
Ｔｉ：０．０１〜０．１質量％，Ｂ：０．００１〜０．０１質量％
鋳造結晶粒を微細化し、鋳造われを防止すると共に，後工程で均質化処理の効果を高める作用を呈する合金成分である。このような作用は、０．０１質量％以上のＴｉ及び０．００１質量％以上のＢで顕著になる。しかし、０．１質量％を超えるＴｉや０．０１質量％を超えるＢでは、粗大なＴｉ−Ｂ系金属間化合物が発生し易くなり、耐食性が劣化する。
【００３１】
押出直後の冷却条件：
７０００系のアルミニウム合金では、押出直後の略中空材を焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ２・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：冷却速度（℃／分），λ：熱伝導度（Ｗ／ｍ・℃）］が満足される条件下で冷却する。この冷却により、Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｕがマトリックスに十分固溶し、後工程の時効処理で必要な強度付与に有効な析出量が確保される。また、断面形状の変形量も、平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられる。
７０００系のＮｏ．１合金の押出形材を５０℃／分の冷却速度で冷却する場合、熱伝達係数α（Ｗ／ｍ２・℃）と中空材の最大肉厚ｔ（ｍ）との間に１３７５０×ｔ≦α≦１５／ｔの関係が満足される熱伝達係数αが得られるように冷却条件を設定する。このように冷却条件を設定するとき、外面部の平らさｈ／Ｗが０．１％以下に抑えられた良好な断面形状をもつ中空材となり、しかも時効処理後に４００ＭＰａ以上の引張強さが得られる。これに対し、α＞１５／ｔでは平らさｈ／Ｗが０．１％を超え、α＜１３７５０×ｔでは時効処理後に４００ＭＰａ以上の引張強さが得られないことがある。要求される時効処理後の強度と肉厚が決まれば、７０００系のＮｏ．１合金では、図４に基づいて冷却速度を参酌して熱伝達係数αの範囲が計算で定まるので、その熱伝達係数αが得られるように冷却水量等の条件を設定する。
【００３２】
時効処理：
ダイス端で急冷された７０００系のＮｏ．１合金の略中空材を１１５〜１２５℃×１２〜３６時間又は８０〜１１０℃×３〜１２時間＋１４０〜１６０℃×５〜１６時間で時効処理すると、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物，Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系化合物等が析出し、所定の機械的強度が付与される。設定範囲を下回る温度や時間の時効処理条件では、所定の機械的強度が得られない。逆に温度や時間が設定範囲を上回る時効処理条件では、温度上昇や長時間化に見合った強度向上効果がみられず、却ってエネルギ損失や生産性低下の原因になる。
【００３３】
【実施例１】
本実施例は、高欄の手摺材を製造した例である。
表１に示した６０００系のＮｏ．３合金を所定組成に溶製したアルミニウム合金溶湯に脱ガス処理，微細化処理，脱滓処理を施した後、ＤＣ鋳造で直径３５５ｍｍの鋳塊に鋳込んだ。得られた鋳塊の分析結果は、次の通りであった。
Ｓｉ：０．６７質量％，Ｆｅ：０．１８質量％，Ｃｕ：０．３５質量％，Ｍｎ：０．０３質量％，Ｚｒ：０．０１質量％，Ｍｇ：１．００質量％，Ｃｒ：０．０８質量％，Ｚｎ：０．０２質量％，Ｔｉ：０．０１質量％，Ｂ：０．００２質量％
マトリックスにＣｒを細かく分散させるため昇温速度５０℃／時で鋳塊を昇温し、５６０℃×２時間の均質化処理でＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕをマトリックスに固溶させると共にＡｌ−Ｃｒ系化合物を細かく分散させた。次いで、Ｍｇ２Ｓｉ，Ａｌ２Ｃｕがマトリックスに析出しないように冷却速度２５０℃／時で常温までファンを用いて強制空冷した。冷却後の鋳塊を押出用ビレットに切断した後、４８０℃に加熱し、上面幅２００ｍｍ，高さ１５０ｍｍ，肉厚４ｍｍで図７に示す断面形状をもつ中空状の高欄用手摺材を押し出した。
【００３４】
このとき使用した押出装置は、図８に概略を示すように、ダイス１に接するエンドプラテン２の出側に第１〜５冷却リング３１〜３５を配置している。第１冷却リング３１はエンドプラテン２の出側から１．５ｍ離し、各冷却リング３１〜３５の間に０．４５ｍの間隔をおいた。
各冷却リング３１〜３５は、何れも押出方向に垂直な面内で同じ八角形状（図９）をもち、押出ラインの中心から八角形の各辺Ｌ１〜Ｌ８までの距離を４５ｃｍとした。辺Ｌ１，Ｌ２，Ｌ８にはそれぞれ等間隔で２個、辺Ｌ３〜Ｌ７にはそれぞれ等間隔で３個、合計で２１個の噴霧ノズル４を各冷却リング３１〜３５に取り付けた。噴霧ノズル４の個数及び取付け位置は、押出形材Ｍの断面形状（図７）に対応した冷却効率を考慮し、押出形材Ｍに対する冷却水噴霧量が上面：一側側面：下面＝４：５．５：６となるように設定した。
【００３５】
各噴霧ノズル４は、押出形材Ｍに対する冷却水の噴霧角度θが３０度となるように押出方向下流側に傾斜させた。噴霧角度θで冷却水を吹き付けるとき、押出形材Ｍの表面で跳ね返った冷却水が押出方向下流側に送られ、上流側のダイス１側への飛散が防止される。そのため、飛散した冷却水による局部的な冷却がなく、押出形材Ｍが均一に冷却され、機械的性質が均一になると共に、アルマイト処理される用途ではアルマイト処理後の色調が均一になる。
各冷却リング３１〜３５から、流量５５リットル／分・リングで１８℃の工業用水を噴霧しながら押出速度７ｍ／分で押出形材Ｍを押し出した。押出中に押出形材Ｍの温度を測定したところ、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５２０℃であり、押出方向下流側に第１冷却リング３１から約２０ｃｍ離れた位置の押出形材Ｍ表面に冷却水が吹き付けられていた。また、押出方向下流側に第５冷却リング３５から４０ｃｍ離れた位置Ｐ２では押出形材Ｍが１９５℃に降温しており、この位置で冷却が完了していた。なお、押出形材Ｍの温度は、押出形材Ｍの表面に約１ｍｍの深さまで尖った熱電対の先端を打ち込んで測定した。
【００３６】
入口位置Ｐ１から冷却完了位置Ｐ２までの距離Ｌは２．２ｍであり、押出速度が７ｍ／分であるから、押出形材Ｍが冷却されている時間は１９秒となる。この間に押出形材Ｍが５２０℃から１９５℃に降温しているので、冷却速度は（５２０℃−１９５℃）×６０／１９＝１０２６℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ２８℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約５００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝４ｍｍにおける領域Ａに入っており、外面変形量が平らさｈ／Ｗが０．１％以下の範囲にあることが判る。
【００３７】
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。この場合、押出形材は、図７に断面形状を示すように上側及び側面が湾曲しているので、底面で平らさｈ／Ｗを測定した。平らさｈ／Ｗは０．０５％であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２２ＭＰａ，０．２％耐力２８９ＭＰａ，伸び１４．５％であり、高欄の手摺材に要求される特性を十分に満足していた。
【００３８】
【比較例１】
実施例１と同じビレットを４９０℃に加熱した後、実施例１と同じ断面形状の高欄用手摺材を押出速度３ｍ／分で押し出した。冷却装置としては実施例１と同じ２１個の噴霧ノズル４を取り付けた第１〜４冷却リング３１〜３４を使用し、第１冷却リング３１を同様にエンドプラテン２から押出方向下流側に１．５ｍ離れた位置に配置したが、各第１〜４冷却リング３１〜３４の間隔をそれぞれ８０ｃｍに広げた。押出形材に噴霧する冷却水の水量を、実施例１よりも少ない４０リットル／分・リングに設定した。押出形材に熱電対を打ち込み、形材温度を連続的に測定した結果を図１０に示す。
押出形材Ｍの温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第４冷却リング３４から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で２００℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．８ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が５６秒，冷却速度が（５１０℃−２００℃）×６０／５６＝３３２℃／分と計算される。
【００３９】
押出形材Ｍは、第４冷却リング３４から下流方向に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２において２００℃まで冷却された後で、図１０に示すように再び２５０℃まで昇温した。すなわち、比較例１では、第１〜４冷却リング３１〜３４からの冷却水噴霧で押出形材Ｍが一旦冷却されて降温するものの、第１〜４冷却リング３１〜３４の間隔が広すぎたこと，冷却水量が少ないこと，押出速度が遅いこと等が原因し、押出形材Ｍが各冷却リング３１〜３４を通過した後で復熱し、４回も温度が上昇している。
このような冷却方法では、押出形材Ｍに十分な焼きが入らず、歪みに関しても悪影響の虞れがある。実際、０．２％の引張り張力をかけて整直した後、底面の平らさｈ／Ｗを測定したところ０．１５％であり、０．１％を超えていた。また、押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後の機械的性質は、引張強さ３０８ＭＰａ，０．２％耐力２７７ＭＰａ，伸び１２％であり、強度が若干低下していた。そのため、高欄材の手摺材としては好ましい製品でなかった。すなわち、計算上は焼きが入っても、３５０℃以上に復熱するような冷却方法はその度合いによって不適であることが判る。
【００４０】
【実施例２】
本実施例は、パワーブリッジの桁材を製造した例である。
実施例１と同じビレットを使用し、実施例１と同じ押出・冷却装置を用い、幅２７５ｍｍ，高さ１８０ｍｍ，肉厚５〜８ｍｍで、コーナーにリブを付けた断面形状（図１１）をもつパワーブリッジの桁材を押し出した。
押出に際しては、ビレットを５００℃に加熱し、押出速度を４ｍ／分に設定した。第１〜５冷却リング３１〜３５から流量８３リットル／分・リングで１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５０５℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で１０７℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が４ｍ／分であることから、冷却されている時間が３３秒，冷却速度が（５０５℃−１０７℃）×６０／３３＝７２４℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４１】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ３８℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約７５０Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝８ｍｍにおける領域Ａに入っており、外面歪みが合格範囲にあることが判る。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚８ｍｍの短辺側（図１１）で若干外側に凸であったが、平らさｈ／Ｗは０．０７％であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２０ＭＰａ，０．２％耐力２８６ＭＰａ，伸び１１．０％であり、パワーブリッジの桁材に要求される特性を十分に満足していた。
【００４２】
【実施例３】
本実施例は、構造用大型角パイプ材を製造した例である。
実施例１と同じビレットを使用し、実施例１と同じ押出・冷却装置を用い、幅２８０ｍｍ，高さ２００ｍｍ，肉厚１０ｍｍで、図１２に示す断面形状をもつ構造用大型角パイプ材を押し出した。
押出に際しては、ビレットを５００℃に加熱し、押出速度を３ｍ／分に設定した。第１〜５冷却リング３１〜３５から流量１１０リットル／分・リングで１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で９５℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が４４秒，冷却速度が（５１０℃−９５℃）×６０／４４＝５６５℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４３】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ３３℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約１１００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝１０ｍｍにおける領域Ａに入っており、平らさｈ／Ｗが０．１％以下の範囲にあることが判る。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚１０ｍｍの長辺側（図１２）で若干内側に凹んでいたが、平らさｈ／Ｗは０．０１％であり、製品形状は良好であった。
押出形材に１８０℃×４時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ３２４ＭＰａ，０．２％耐力２９０ＭＰａ，伸び１１．３％であり、構造用大型角パイプ材に要求される特性を十分に満足していた。
【００４４】
【比較例２】
冷却条件以外は、実施例３と同じ条件下で構造用大型角パイプ材を製造した。第１〜５冷却リング３１〜３５として１リング当りのノズル数を実施例３の２１個から倍の４２個に増やした冷却リングを使用し、各冷却リング３１〜３５から流量３３０リットル／分・リングで温度１８℃の工業用水を押出形材に噴霧した。押出形材の温度は、第１冷却リング３１の入口位置Ｐ１で５１０℃，第５冷却リング３５から押出方向下流側に４０ｃｍ離れた位置Ｐ２で２２℃と測定された。入口位置Ｐ１から下流側の位置Ｐ２までの距離Ｌが２．２ｍ，押出速度が３ｍ／分であることから、冷却されている時間が４４秒，冷却速度が（５１０℃−２２℃）×６０／４４＝６６５℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。
【００４５】
冷却に使用された当初１８℃の工業用水は、オーバフローする位置で温度を測定したところ２０℃であった。冷却装置全体からの奪熱量の測定結果から熱伝達係数を計算すると約３０００Ｗ／ｍ２・℃となっていた。これらの結果を図５に当てはめてみると、ｔ＝１０ｍｍにおける熱伝達係数が領域Ａから外れ、曲線αｓ＝２０／ｔの上側に位置する。すなわち、過度に冷却されたことを意味し、得られた押出形材にも外面変形が発生していた。
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定した。肉厚１０ｍｍの長辺側（図１２）で若干内側に凹んでおり、凹み量は長辺中央部で約２ｍｍであった。この値から平らさｈ／Ｗは０．７％と計算され、製品としては好ましくない。図５において１０ｍｍの位置で熱伝達係数が３０００Ｗ／ｍ２・℃の点は領域Ａから外れており、外面変形が発生することが判る。
【００４６】
【実施例４】
本実施例は、鉄道車両用の構造材を製造した例である。
表１に示した７０００系のＮｏ．３合金を所定組成に溶製したアルミニウム合金溶湯に脱ガス処理，微細化処理，脱滓処理を施した後、ＤＣ鋳造で直径２７３ｍｍの鋳塊に鋳込んだ。得られた鋳塊の分析結果は、次の通りであった。
Ｓｉ：０．１２質量％，Ｆｅ：０．１８質量％，Ｃｕ：０．１７質量％，Ｍｎ：０．００２質量％，Ｚｒ：０．１５質量％，Ｍｇ：１．００質量％，Ｃｒ：０．００２質量％，Ｚｎ：５．９０質量％，Ｔｉ：０．０３質量％，Ｂ：０．００１質量％
【００４７】
マトリックスにＺｒを細かく分散させるため昇温速度８０℃／時で鋳塊を昇温し、４７０℃×６時間の均質化処理でＭｇ，Ｚｎ，Ｃｕをマトリックスに固溶させると共にＡｌ−Ｚｒ系化合物を細かく分散させた。次いで、Ｍｇ−Ｚｎ系化合物，Ａｌ−Ｍｇ−Ｚｎ系化合物がマトリックスに粗大に析出しないように冷却速度２００℃／時で常温までファンを用いて強制空冷した。冷却後の鋳塊を押出用ビレットに切断した後、４８０℃に加熱し、全幅２３０ｍｍ，高さ１００ｍｍ，肉厚６ｍｍで図１３に示す断面形状をもつ中空状の鉄道車両用構造材を押し出した。
【００４８】
このとき使用した押出装置は、ダイスに接するエンドプラテンの出口から２ｍ離れた位置を基準として、１．３ｍ間隔で合計７台の上部ファンをエンドプラテンの出側上部に設け、隣接する上部ファンの中間点に合計６台の下部ファンを配置した。上下で合計１３台のファンを稼動し、形材表面部での風速が２０ｍ／秒で冷気が形材全周にほぼ均等に当たるように冷却した。冷却帯の入口から出口までの距離が９．１ｍ，押出速度が７ｍ／分であることから、押出形材が冷却されている時間は７８秒となる。この間に押出形材が４８０℃から２１０℃に降温しているので、冷却速度は２０８℃／分と計算される。この値は、焼きが入る冷却速度条件を十分に満足している。このときの熱伝達係数は、約１８０Ｗ／ｍ２・℃であった。
【００４９】
得られた押出形材に長さ方向に０．２％の引張り応力をかけて整直した後、平らさｈ／Ｗを測定したところ、平らさｈ／Ｗは０．０２％であり、製品形状は良好であった。
押出形材に９０℃×８時間＋１５０℃×８時間の時効処理を施した後で機械的性質を測定したところ、引張強さ４４１ＭＰａ，０．２％耐力３９７ＭＰａ，伸び１６．４％であり、鉄道車両用構造材に要求される特性を十分に満足していた。
【００５０】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、押出直後に６０００系，７０００系等の析出硬化型アルミニウム合金をダイス端焼入れする際、焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域における冷却条件のうち、形材の要求強度に応じた冷却速度を設定するとともに、その冷却速度において熱伝達係数を適正範囲内に制御することにより、急冷による変形を抑え、しかもＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｚｎ等を十分にマトリックスに固溶させている。そのため、得られた押出形材を時効処理するときＭｇ2Ｓｉ，Ａｌ2Ｃｕ等の析出により必要強度が付与され、断面形状が安定した中空材やセミ中空材が得られる。しかも、溶体化処理が必要なＴ６処理を施さなくても、同等な強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイス端焼入れで押出形材の押出方向に垂直な断面に発生しがちな変形を説明する図
【図２】熱伝達係数に及ぼす肉厚の影響を表わしたグラフ
【図３】Ｔ５処理（ダイス端焼入れ後時効処理）された表１に示した６０００系のＮｏ．３合金の機械的性質に及ぼすダイス端焼入れ時の冷却速度の影響を表わしたグラフ
【図４】Ｔ５処理（ダイス端焼入れ後時効処理）された表１に示した７０００系のＮｏ．１合金の機械的性質に及ぼすダイス端焼入れ時の冷却速度の影響を表わしたグラフ
【図５】熱伝達係数と肉厚との関係を６０００系のＮｏ．３合金中空材で定量的に表わしたグラフ
【図６】熱伝達係数と肉厚との関係を７０００系のＮｏ．１合金中空材で定量的に表わしたグラフ
【図７】実施例１で製造した高欄用手摺材の断面図
【図８】実施例で使用した冷却リングを備えた押出装置の概略図
【図９】冷却リングに取り付けたノズルの位置関係を示す図
【図１０】比較例における押出直後の押出形材の温度変化を示すグラフ
【図１１】実施例２で製造したパワーブリッジ用桁材の断面図
【図１２】実施例３で製造した構造用大型角パイプ材の断面図
【図１３】７０００系のアルミニウム合金を用いて実施例４で製造した鉄道車両用の構造材の断面図
【符号の説明】
１：ダイス ２：エンドプラテン ３１〜３５：第１〜５冷却リング ４：ノズル
Ｍ：押出形材 Ｃ：冷媒 Ｐ１：第１冷却リングの入口位置 Ｐ２：冷却完了位置 Ｌ：入口位置Ｐ１から冷却完了位置Ｐ２までの距離（冷却帯の長さ）
Claims (3)
- ６０００系又は７０００系の析出硬化型アルミニウム合金の略中空材を押し出した直後、押し出された略中空材の焼入れ温度から形材温度が２００℃までの温度域において２７５×ｔ×Ｒ≦α≦０．１×λ／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ2・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ），Ｒ：要求される引張り強度に応じて定まる冷却速度（℃／分），λ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・℃）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような条件下で略中空材の外表面からのみ略中空材を冷却し、その後に時効処理を施すことを特徴とする断面形状が安定し機械的性質が良好なアルミニウムの略中空材の製造方法。
- Ｓｉ：０．６〜０．９質量％，Ｍｇ：０．８〜１．２質量％，Ｃｕ：０．１〜０．４質量％，Ｃｒ：０．０４〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．３質量％，Ｍｎ：０．１質量％以下，Ｚｒ：０．１質量％以下，Ｔｉ：０．００５〜０．１質量％，Ｂ：０．０００１〜０．０１質量％，Ｚｎ：０．０５質量％以下，残部が実質的にＡｌの組成をもつアルミニウム合金を略中空材に押し出した直後、５００℃以上の焼入れ温度から形材温度２００℃までの温度域を冷却速度２００℃／分以上で且つ５５０００×ｔ≦α≦１６／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ 2 ・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような条件下で略中空材の外表面からのみ略中空材を冷却し、その後に１７０〜２１０℃×１〜１２時間で時効処理を施すことを特徴とする断面形状が安定し機械的性質が良好なアルミニウムの略中空材の製造方法。
- Ｚｎ：５．５〜６．５質量％，Ｍｇ：０．６〜１．０質量％，Ｃｕ：０．０５〜０．２質量％，Ｆｅ：０．１〜０．４質量％，Ｓｉ：０．０５〜０．２質量％，Ｚｒ：０．１〜０．２質量％，Ｍｎ：０〜０．３質量％，Ｃｒ：０〜０．２質量％，Ｔｉ：０．０１〜０．１質量％，Ｂ：０．００１〜０．０１質量％，残部が実質的にＡｌの組成をもつアルミニウム合金を略中空材に押し出した直後、４３０℃以上の焼入れ温度から形材温度２００℃までの温度域を冷却速度５０℃／分以上で且つ１３７５０×ｔ≦α≦１５／ｔ［ただし、α：熱伝達係数（Ｗ／ｍ 2 ・℃），ｔ：中空部の最大肉厚（ｍ）］を満足する熱伝達係数αを予め計算しておき、熱伝達係数αがその範囲内になるような条件下で略中空材の外表面からのみ略中空材を冷却し、その後に１１０〜１３０℃×１２〜３６時間又は８０〜１１０℃×３〜１２時間＋１４０〜１７０℃×５〜１６時間で時効処理を施すことを特徴とする断面形状が安定し機械的性質が良好なアルミニウムの略中空材の製造方法。
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