JP3750449B2

JP3750449B2 - 高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法および高圧ガス容器の製造方法

Info

Publication number: JP3750449B2
Application number: JP34545199A
Authority: JP
Inventors: 寛史井下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-07
Filing date: 1999-12-03
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: JP2000233245A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧ガス容器のアルミニウム（アルミニウム合金を含む）製ライナーの製造方法および高圧ガス容器の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧ガス容器として、たとえば自動車用天然ガスガスボンベがある。高圧ガス容器は鉄製のもの、アルミニウム製ライナーの外面に強化用繊維を巻き付けたもの（フィラメントワインディング）など、種々のものがある。
特開平６−６３６８１号は、高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法を開示している。そこでは、アルミニウム合金抽出材に抽伸加工を施し、この抽伸加工材を溶体化処理し、その後インパクト加工を施すことにより有底円筒体に成形し、その後冷間型鍛造によりガス取出口を形成し、時効処理して、小型高圧ガス容器が製造される。溶体化処理は、インパクト加工性の向上を目的として施され、容器の強度（耐力）アップを目的としたものではない。
一般に、高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法は、従来、図８に示すように、アルミニウムシームレスパイプからなる素材１を、端口部を閉じ成形してライナー形状に成形し、溶体化処理（たとえば、５２０℃×２Ｈｒ）を施し、さらに時効処理（たとえば、１８０℃×６Ｈｒ）を施す、工程により製造される。溶体化処理では耐力（０．２％耐力）が約１４５ＭＰａしかないが時効処理で約２８０ＭＰａに上がる。そのため、従来法では、耐力向上のために、溶体化処理後の時効処理は必須である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来方法では、つぎの問題がある。
１）時効処理で耐力を上げても約２８０ＭＰａに過ぎない。
２）時効処理は、他工程に比べて多大の時間と作業を要する。たとえば、アルミニウム素材の溶体化処理には約２時間を要するが、時効処理には約６時間を要する。したがって、時効処理があることによって、作業時間の増大、工程増、製造の複雑化を招く。
３）製造の複雑化により素材板厚を最適化することが困難であること、および時効で出る耐力が約２８０ＭＰａに過ぎないこと、などにより、板厚が厚くなり、重量増、コストアップを招いている。
４）溶体化処理による変形が容器の最終形状に残ってしまう。
本発明の目的は、耐力を向上でき、時効処理を廃止でき、溶体化処理による容器の変形を残さずに高精度に加工できる、高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法および高圧ガス容器の製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、つぎの通りである。
（１）析出硬化型アルミニウム合金からなるアルミニウム素材に溶体化処理を施し、しかる後円筒部と該円筒部の両端の半球部からなる形状をもつ素材の前記円筒部または全部をしごき加工して塑性ひずみを付与し、その後端口部をスピニング加工により成形してライナー形状にし、溶体化処理後における時効処理を除去した高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
（２）前記塑性ひずみは、常温かそれ以上の温度で５０％以上の板厚減少率にてしごき加工することで付与する（１）記載の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
（３）前記塑性ひずみは、１２５°Ｃ以上の温度でしごき加工することで付与する（１）記載の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
（４）アルミニウム素材に溶体化処理を施した後しごき加工して塑性ひずみを付与し、溶体化処理後における時効処理を除去してアルミニウム製ライナーを製造し、その後の工程で前記アルミニウム製ライナーにＦＲＰ用強化繊維を巻き該ＦＲＰ用強化繊維に樹脂を含浸させ該樹脂を加熱・硬化させて高圧ガス容器とする高圧ガス容器の製造方法であって、前記アルミニウム素材を析出硬化型アルミニウム合金から構成し、後工程の樹脂硬化時の供給熱量を制御し加えることによりアルミニウム製ライナーのアルミニウム材料中に析出硬化を生じさせる、高圧ガス容器の製造方法。
【０００５】
上記（１）の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法では、溶体化処理後、塑性ひずみを付与することにより、従来の溶体化処理後時効処理で得られた耐力に比べて耐力を向上させることができ、溶体化処理後の時効が不要となる。時効廃止により、作業時間、作業量が減少され、工程減、製造方法が単純化される。また、製造方法の単純化により塑性ひずみ付与工程で余分の厚みをつけることなく最終形状に仕上げることができること、および塑性ひずみ付与工程で従来の時効による耐力向上以上に耐力を出すことができること、により、板厚の最適化、低減をはかることができ、重量低減、コストダウンをはかることができる。また、溶体化処理により生じる容器の変形が、塑性ひずみ付与により矯正されることにより容器の最終形状まで残らず、高精度に加工できる。
上記（２）、（３）の方法により、塑性ひずみ付与工程で約３２０ＭＰａ以上の耐力を達成できる。
上記（４）の高圧ガス容器の製造方法は、上記（１）の方法によるアルミニウム製ライナーの製造後に、後工程の樹脂硬化時の供給熱量を制御し加えることによりアルミニウム素材中に析出硬化を生じさせる方法であり、この析出硬化により、塑性ひずみ付与で得られた耐力（上記（１）の方法で得られた耐力）に比べて、耐力をさらに向上させることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法を工程順に示しており、図２は本発明の第２実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法を工程順に示しており、図３は本発明の第３実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法を工程順に示しており、図４は、本発明の第１〜第３実施例の方法における板厚減少率、加工温度と耐力との関係を示しており、図５は本発明の第４実施例の高圧ガス容器の製造方法を工程順に示しており、図６、図７は本発明の第４実施例によりアルミニウム材料の耐力がさらに向上されることをグラフで示している。
図中、本発明の何れの実施例にも共通または類似する部分には、本発明のすべての実施例にわたって同じ符合を付してある。
【０００７】
まず、本発明の何れの実施例にも共通または類似する部分を、たとえば、図１、図４、図５を参照して、説明する。
高圧ガス容器のアルミニウム製ライナー１１は、たとえば自動車用天然ガスボンベのアルミニウム製ライナーである。アルミニウム製ライナー１１の形状は、たとえば円筒部１２とその両端部の半球状部１３とからなる継目無しライナーである。高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーは、作製後、円筒部または全外周にＦＲＰ用強化繊維１５を巻かれ、該繊維に樹脂（熱硬化性樹脂）を含浸させ、加熱し硬化させて高圧ガス容器とされる。
【０００８】
本発明実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナー１１の製造方法は、アルミニウム素材１０に溶体化処理を施す工程１０１と、しかる後塑性ひずみを付与する工程１０２と、その後端口部１４を成形（口閉じ成形）してライナー形状にする工程１０３と、を有する。本発明実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナー１１の製造方法は、溶体化処理を施した後塑性ひずみを付与して製造したアルミニウム製ライナー１１に、ＦＲＰ用強化繊維（フィラメント）１５を巻き（ワインディング）する工程１０４と、該繊維１５に樹脂（熱硬化性樹脂、たとえば、エポキシ樹脂）１６を含浸させ加熱・硬化させる樹脂硬化時の供給熱量をアルミニウム製ライナー１１に制御し加えてアルミニウム材料中に析出硬化を生じさせアルミニウム材料強度を向上させる工程１０５を、有していてもよい。
【０００９】
本発明実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法は、溶体化工程１０１の前にアルミニウム素材１０の提供工程１００を有する。アルミニウム素材１０は、パイプ状、または一端が閉じられたパイプ状の形態で溶体化処理工程１０１に供給される。
アルミニウム製ライナー１１のアルミニウム材料は、望ましくはＪＩＳ６０００系のような析出硬化型の材料組成（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ合金）であり、たとえばＡ６０６１である。また、アルミニウム素材１０は、継目なし素材でり、たとえばシームレスパイプである。
溶体化処理は、たとえば、アルミニウム素材１０を５２０℃〜５３０℃×２Ｈｒ加熱しついで急冷することにより行う。溶体化処理後のアルミニウム材料の耐力は約１４５ＭＰａである。
【００１０】
塑性ひずみの付与は、たとえば、素材の一部分（図示例では円筒部１２）または全部の、素材板厚まで変化させる、しごき加工（素材の板厚の変化を伴う塑性加工）である。塑性ひずみの付与工程において、塑性ひずみの付与条件によっては、３２０ＭＰａ以上の０．２％耐力が得られる。３２０ＭＰａは、従来の溶体化処理後時効処理による２８０ＭＰａの耐力に比べて、１４％アップである。
強度（耐力）向上に適する塑性ひずみの付与条件を求めるために、加工温度、ひずみ量を種々に変えて、耐力（０．２％耐力）を求める試験を行った。加工温度は、常温（冷間加工）、１００〜１２５°Ｃ、１２５〜１５０°Ｃ、１５０〜１７５°Ｃに変化させた。また、板厚減少率は１５％、３５％、５５％、７５％に変化させた。結果を図４に示す。
【００１１】
図４からわかるように、温間での加工の方が冷間加工に比べて大きな耐力の向上が見られ、しかも小さな塑性ひずみでも耐力の向上が見られる。また、塑性ひずみを板厚減少率にして５０％以上にすると、冷間でも大きな耐力向上が見られる。
耐力向上が得られる理由は、加工硬化による他、加工時の素材中の熱発生により時効に近い現象が生じているからであると考えられる。
【００１２】
図４からわかるように、３２０ＭＰａ以上の０．２％耐力を得るために、塑性ひずみ付与は、常温かそれ以上の温度で５０％以上の板厚減少率で塑性ひずみを付与するか、あるいは１２５°Ｃ以上の温度で塑性ひずみを付与することにより行われることが望ましい。ここで、板厚減少率は、（（減少前の板厚−減少後の板厚）／減少前の板厚）×１００％として定義される。また、通常の、溶体化処理（たとえば、５００℃×２Ｈｒ）後に時効処理（たとえば、１８０℃×６Ｈｒ）を行った場合に得られる耐力は約２８０ＭＰａ（処理条件により若干異なる）であり、図４にそれを合わせ示してある。
なお、図４は、１００℃〜１２５℃の温度で３３％の板厚減少率で３２５ＭＰａの０．２％耐力が得られ、１２５°Ｃ以上の温度で１４％の板厚減少率で３４０ＭＰａの０．２％耐力が得られることを示しており、このことから、常温かそれ以上の温度で５０％以上の板厚減少率で塑性ひずみを付与するかあるいは１２５°Ｃ以上の温度で塑性ひずみを付与すること以外の条件でも３２０ＭＰａ以上の０．２％耐力を得ることがわかる。
【００１３】
端口部１４を成形（口閉じ成形）工程１０４は、しごき加工後に行われ、たとえば、スピニング加工による。しごき加工後には、時効処理は施されない。したがって、容器の製造工程から、従来必要であった時効処理工程が除去されている。
【００１４】
溶体化処理を施した後塑性ひずみを付与して製造したアルミニウム製ライナー１１に、工程１０４でＦＲＰ用強化繊維（フィラメントで、たとえばカーボン、ガラス、アラミド等の繊維）１５を巻き、工程１０５で繊維１５に熱硬化性樹脂１６（たとえば、エポキシ樹脂）を含浸、加熱・硬化させる場合は、樹脂硬化時の供給熱量を制御し加え、樹脂硬化のための熱を利用して、アルミニウム材料中に析出硬化を生じさせることにより、たとえばＭｇ、Ｓｉ、Ｚｎ等の化合物（たとえば、Ｍｇ₂Ｓｉ、またはそれへの中間化合物）を析出させることにより、材料強度を高める。
樹脂硬化時の加熱を利用してアルミニウム材料に熱量を供給する場合の、アルミニウム材料に供給される熱量（温度×時間）とアルミニウム材料強度（０．２％耐力）との関係は図６に示す通りである。温度が１８０℃の場合は時間は約２〜４時間とし（それ以上だと、過時効により材料耐力が低下する場合がある）、温度が１５０℃の場合は時間は約４時間以上、たとえば６時間とする。温度が１２０℃より低いと熱量供給時間が長くなり過ぎて生産に適しなくなる。したがって、樹脂硬化時の供給熱量を制御し加える場合、温度は１２０℃〜２００℃とし、望ましくは温度を１５０℃〜１８０℃とし、時間は２〜８Ｈｒとし、温度が高いほど熱量供給時間を少なくする。
【００１５】
つぎに、本発明の何れの実施例にも共通または類似する上記部分の作用を説明する。
上記の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナー１１の製造方法では、アルミニウム素材１０を溶体化処理後、塑性ひずみを付与することにより、塑性ひずみの付与の仕方によっては、従来の溶体化処理後時効処理で得られた耐力（２８０ＭＰａ）に比べて耐力を３２０ＭＰａ以上に向上させることができ、溶体化処理後の時効を廃止できる。塑性ひずみ付与後に時効処理を施すと逆に耐力が従来の時効処理で得られる耐力並みに低下してしまうことがある。時効廃止により、作業時間、作業量が減少され、工程減、製造方法が単純化される。また、製造方法の単純化により塑性ひずみ付与工程で余分の厚みをつけることなく最終形状に仕上げることができること、および塑性ひずみ付与工程で従来の時効による耐力向上以上に耐力を出すことができること、により、板厚の最適化、低減をはかることができ、重量低減、コストダウンをはかることができる。
【００１６】
市販タンクを購入して自動車用天然ガスボンベを製造した場合と、本発明実施例方法により自動車用天然ガスボンベを製造した場合の物理的特性を比較すると、表１に示すようになる。
【００１７】
【表１】

【００１８】
表１からわかるように、溶体化処理後塑性ひずみを付与することにより、材料強度が向上できること、製品形状での熱処理が不要となるため製品の精度が良好となりしごき工程で最終板厚に成形することが許されること（余分の板厚とする必要がない）により、発生応力が最も大きくなる容器胴部が８．４ｍｍから３．０ｍｍに減少でき、−６１％もの重量軽減、材料コスト低減をはかることができる。
また、長時間が必要である時効処理が不要となるため、製作時間が短縮でき、かつコスト低減をはかることができる。
【００１９】
また、溶体化処理を施した後塑性ひずみを付与して製造したアルミニウム製ライナー１１に、樹脂硬化時の供給熱量を制御し加え、析出硬化を生じさせて材料強度を高める場合は、図６、図７に示すように、０．２％耐力が３５０ＭＰａ以上に向上させることが可能であり、本発明の第１〜第３実施例の３２０ＭＰａ以上の０．２％耐力に比べて、さらに耐力が向上された。これを、従来の溶体化処理後時効処理を施した０．２％耐力の２８０ＭＰａと比較すると、溶体化処理後しごき加工の３２０ＭＰａで１４％以上の耐力アップが得られ、溶体化処理後しごき加工およびその後の樹脂硬化時の加熱利用による析出硬化による３５０ＭＰａで２５％の耐力アップが得られた。
【００２０】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
本発明の第１実施例は、パイプ材を用いた高強度容器製造方法である。本発明の第１実施例においては、図１に示すように、素材供給工程１００が、アルミニウムシームレスパイプのアルミニウム素材１０を供給する工程からなり、この状態で工程１０１で溶体化処理を施し、工程１０２でしごき加工を施し、成形工程１０３で一端にスピニング加工により口閉じ加工を施し、ついで他端にスピニング加工により口閉じ加工を施す。
本発明の第１実施例では、パイプ材を利用するので、素材の入手が容易であり、かつ容易に継目なし素材を提供できる。
【００２１】
本発明の第２実施例は、板材を用いた高強度容器製造方法である。本発明の第２実施例においては、図２に示すように、素材供給工程１００が、アルミニウム板材をスピニング加工またはプレス加工により継目なしのおわん型に絞り成形してアルミニウム素材１０を供給する工程からなり、この状態で工程１０１で溶体化処理を施し、工程１０２でしごき加工を施し、成形工程１０３で開放端にスピニング加工により口閉じ加工を施す。
本発明の第２実施例では、板材を利用するので、素材が安価で入手が容易であり、かつ成形を施して容易に継目なし素材を提供できる。
【００２２】
本発明の第３実施例は、棒材を用いた高強度容器製造方法である。本発明の第３実施例においては、図３に示すように、素材供給工程１００が、アルミニウム棒材を後方押出成形（型内に棒材を入れ、棒材にポンチを押し入れることによりパンチと型との隙間に後方に素材を押し出しておわん側に成形すること）により継目なしのおわん型に成形してアルミニウム素材１０を供給する工程からなり、この状態で工程１０１で溶体化処理を施し、工程１０２でしごき加工を施し、成形工程１０３で開放端にスピニング加工により口閉じ加工を施す。
本発明の第３実施例では、棒材を利用するので、素材が安価で入手が容易であり、かつ成形を施して容易に継目なし素材を提供できる。
【００２３】
本発明の第４実施例は、本発明の第１〜第３実施例で製造したアルミニウム製ライナー１１に、図５に示すように工程１０４でフィラメントを巻き、工程１０５で樹脂を含浸させ加熱・硬化させるとともに樹脂硬化の加熱時の熱を利用して、アルミニウム材料を加熱しアルミニウム材料中にＭｇ、Ｓｉ、Ｚｎ等の化合物を析出させることにより材料強度を高める、高強度容器製造方法である。工程１０５でのアルミニウム加熱の熱量は、たとえば、１８０℃×２〜４Ｈｒ、または１５０℃×６〜８Ｈｒである。これによって、図６、図７に示すように、析出硬化により３５０ＭＰａ程度の材料耐力が得られ、従来の溶体化処理後時効処理の場合の２８０ＭＰａに比べて２５％の耐力向上が可能となった。
【００２４】
【発明の効果】
請求項１の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法によれば、溶体化処理後、塑性ひずみを付与することにより、従来の時効処理で得られた耐力に比べて耐力を向上させることができ、溶体化処理後の時効が不要となる。時効廃止により、作業時間、作業量が減少され、工程減、製造方法が単純化される。また、製造方法の単純化により塑性ひずみ付与工程で余分の厚みをつけることなく最終形状に仕上げることができること、および塑性ひずみ付与工程で従来の時効による耐力向上以上に耐力を出すことができること、により、板厚の最適化、低減をはかることができ、重量低減、コストダウンをはかることができる。また、溶体化処理により生じる容器の変形が、塑性ひずみ付与により矯正されることにより容器の最終形状まで残らず、高精度に加工できる。
請求項２の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法によれば、塑性ひずみを、常温かそれ以上の温度で５０％以上の板厚減少をしごき加工で付与するので、塑性ひずみ付与工程で約３２０ＭＰａ以上の耐力を得ることができる。
請求項３の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法によれば、塑性ひずみを、１２５°Ｃ以上の温度でしごき加工することで付与するので、塑性ひずみ付与工程で約３２０ＭＰａ以上の耐力を得ることができる。
請求項４の高圧ガス容器の製造方法によれば、後工程の樹脂硬化時の供給熱量を制御し加えるので、アルミニウム材料中に析出硬化を生じさせ、この析出硬化により、塑性ひずみ付与で得られた耐力（請求項１の方法で得られた耐力）に比べて、アルミニウム材料の耐力をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法の工程図である。
【図２】本発明の第２実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法の工程図である。
【図３】本発明の第３実施例の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法の工程図である。
【図４】加工温度、ひずみ量（板厚減少率）と０．２％耐力との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の第４実施例の高圧ガス容器の製造方法の工程図である。
【図６】本発明の第４実施例の高圧ガス容器の製造方法におけるアルミニウム材料の０．２％耐力とそれぞれの温度の保持時間との関係を示す試験結果のグラフである。
【図７】本発明の第４実施例の高圧ガス容器の製造方法で得られる材料耐力を、ひずみ付与で得られる材料耐力および溶体化処理で得られる材料耐力と比較して示すグラフである。
【図８】従来の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法の工程図である。
【符号の説明】
１０アルミニウム素材
１１アルミニウム製ライナー
１２円筒部
１３半球状部
１４端口部
１５強化繊維（フィラメント）
１６樹脂
１００アルミニウム素材の提供工程
１０１溶体化工程
１０２塑性ひずみ付与工程
１０３容器成形工程
１０４フィラメントワインディング工程
１０５樹脂加熱・硬化工程（アルミニウム材料の析出硬化がある工程）

Claims

析出硬化型アルミニウム合金からなるアルミニウム素材に溶体化処理を施し、しかる後円筒部と該円筒部の両端の半球部からなる形状をもつ素材の前記円筒部または全部をしごき加工して塑性ひずみを付与し、その後端口部をスピニング加工により成形してライナー形状にし、溶体化処理後における時効処理を除去した高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
前記塑性ひずみは、常温かそれ以上の温度で５０％以上の板厚減少率にてしごき加工することで付与する請求項１記載の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
前記塑性ひずみは、１２５°Ｃ以上の温度でしごき加工することで付与する請求項１記載の高圧ガス容器のアルミニウム製ライナーの製造方法。
アルミニウム素材に溶体化処理を施した後しごき加工して塑性ひずみを付与し、溶体化処理後における時効処理を除去してアルミニウム製ライナーを製造し、その後の工程で前記アルミニウム製ライナーにＦＲＰ用強化繊維を巻き該ＦＲＰ用強化繊維に樹脂を含浸させ該樹脂を加熱・硬化させて高圧ガス容器とする高圧ガス容器の製造方法であって、前記アルミニウム素材を析出硬化型アルミニウム合金から構成し、後工程の樹脂硬化時の供給熱量を制御し加えることによりアルミニウム製ライナーのアルミニウム材料中に析出硬化を生じさせる、高圧ガス容器の製造方法。