JP3784363B2 - Ａｌ合金鋳造品の改質法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ合金鋳造品、殊に析出硬化型Ａｌ合金鋳造品を加熱・加圧処理して機械的特性を改質する方法に関し、より詳細には、高温・高圧のガス圧力による改質法（以下、ＨＩＰ法という）と、大気圧下での熱処理（溶体化処理、クエンチ、時効処理）をうまく組み合わせることにより、鋳造品の機械的特性を効率よく且つ経済的に改質し得る様に改善された方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車産業を始めとする様々の分野では、省エネルギー化および低公害化の増進を期して車体の軽量化が大きな課題となっており、従来の鉄鋼材料に代わる軽量金属材として比重が約１／３であるＡｌ合金などを利用する傾向が増大してきている。そして複雑形状のＡｌ合金部品を成形する方法としては、異形成形性と量産性を含めた経済性の観点から鋳造法が汎用されている。
【０００３】
但し、成形に鋳造法を採用できるＡｌ合金の種類には制限があり、例えばダイキャスト法では、成形時に空気の巻込みが起こると再加熱時にブリスターと呼ばれる気孔欠陥が発生するので、熱処理や溶接をせずとも必要な強度を確保することのできるＡｌ合金が選択される。また砂型鋳造法では、高圧鋳込みを採用することができず、空気の巻込みが起こらないように緩速で鋳込まねばならないので、湯流れの良好なＡｌ合金であって、且つ、熱処理により強度特性を確保することのできるＡｌ合金が選択される。
【０００４】
しかし何れにしても、様々の制約から、強度的に保証されている鋳造用Ａｌ合金の引張強度は高々２００〜２５０ＭＰａ程度までであり、鉄鋼材料に較べると約半分以下に過ぎず、強度不足は否めない。また鋳造品の場合、金属溶湯内に含まれるガスに起因する気孔欠陥や、凝固収縮によって生じる引け巣の発生が避けられず、これらが鋳造品の機械的特性、特に疲労強度や延性を低下させる大きな要因になっている。
【０００５】
これらの問題を解消するため、以下に説明する如く様々の改善法が提案されているが、いずれも工業的規模での実用性を考えると満足し得るものとは言えず、解決すべき課題が山積している。
【０００６】
例えば気孔欠陥の防止対策については、鋳造後、高温・高圧ガス雰囲気下で処理して気孔欠陥を潰すＨＩＰ処理法が知られているが、高圧設備の使用に伴う処理コストの問題があるため、量産製品に汎用されるまでには至っていない。尚この場合も、強度の確保に熱処理を必要とするＡｌ合金の場合は、ＨＩＰ処理の後に再加熱してから、溶体化処理、水クエンチ、時効処理を順次行って目標レベルの強度特性を確保するのが通例となっている。
【０００７】
例えば図１は、ＨＩＰ法を採用する場合の公知の温度・圧力操作条件を示す説明図であり、Ａｌ合金鋳造品を処理する場合の一般的なＨＩＰ処理条件は、温度が５００〜５３０℃、圧力が１００ＭＰａ前後、時間が１〜３時間程度である。この場合、被処理品をＨＩＰ装置へ装入してから取り出すまでの時間は、被処理品装入後のＨＩＰ装置内の真空引きとガス置換に要する時間や、所定の高温・高圧保持前後の加熱・加圧や降温・降圧に要する時間的制約があり、実際の高温・高圧保持時間に対して４時間程度は余分に必要となるため、全体としての所要時間は６〜８時間程度となる。
【０００８】
また通常の設備では、熱処理装置とＨＩＰ装置がかなり離れた場所にあることも多く、ＨＩＰ処理後の処理品は一旦大気中で放置し、熱処理装置のある場所まで移送した後、再加熱して熱処理を行っている。ＨＩＰ処理後に行われる熱処理は、図１に示した様に、溶体化処理（６〜１０時間）→水クエンチ→時効処理（８〜１２時間）の３工程を含む「Ｔ６処理」が一般的であり、トータルとして２１〜３０時間を要する。
【０００９】
この様な熱処理を必要とする合金鋳造品をＨＩＰ処理するに当っては、通常はＨＩＰ処理温度が溶体化処理温度とほぼ同等か若しくはやや低温側であることから、ＨＩＰ処理と並行して溶体化処理を行うことができれば、処理工程を簡略化できると共に所要時間も短縮し得ると考えられ、古くから検討がなされてきた。しかし実際には、高圧ガスの使用に由来する種々の問題から、ＨＩＰ処理工程で並行して溶体化処理を行う処理技術は実用化されていない。
【００１０】
この点に関する技術上最大の課題は、ＨＩＰ処理における高温・高圧保持後の冷却速度が遅いため、冷却過程で合金成分の一部が析出することである。そこで、冷却速度を高めることによって合金成分の析出を防止する方法が検討され、例えば、１２００℃前後の温度でＨＩＰ処理が行われるＮｉ基やＦｅ基の鋳造品については、ＨＩＰ処理装置内で冷却する際の冷却速度を３０〜１００℃／分に高めることによってこの問題を解決すべく、ＨＩＰ装置内で高圧ガスを強制対流させる急冷ＨＩＰ装置が開発されている（特許文献１など）。これらの合金鋳造品では、ＨＩＰ処理温度である１０００〜１２００℃の高温域から４００℃程度までの温度域を急冷すればよく、また３０〜１００℃／分程度の冷却速度でも、合金の種類によっては効果があると言われている。
【００１１】
しかしＡｌ合金鋳造品の場合は、ＨＩＰ処理温度が５００〜５５０℃程度と低温であるため、ＨＩＰ処理と並行して溶体化処理を実施しようとすると、１５０℃以下の温度域までを１００℃／分程度以上、好ましくは１０００℃／分以上の速度で急冷しなければならず、前掲の急冷ＨＩＰ装置ではこの様な急冷速度を実現することができない。こうした理由もあってＡｌ合金鋳造品については、ＨＩＰ装置の高圧容器内で水クエンチに相当する急冷速度を実現することは困難とされている。
【００１２】
他方、ガス圧ＨＩＰ処理では、加圧・減圧に長時間を要するという問題が短サイクル化を妨げる要因の一つであることから、ガス以外の圧力媒体を使用する加圧法も検討されている。たとえば、Ａｌ合金などの軽合金鋳物については、溶体化処理と急冷と時効処理の３つの処理を組み合わせて実施する際に、溶体化処理を少なくとも部分的な熱間等方圧プレス（ＨＩＰ法と同義）によって行い、或いは、溶体化処理そのものに熱間等方圧プレスを採用することが開示されている（特許文献２など）。
【００１３】
熱間等方圧プレス（ＨＩＰ法）は溶体化処理と同等の温度で行われるので、ＨＩＰ処理のための高温保持後に急冷することができれば、ＨＩＰ処理と溶体化処理を並行して実施し得ると考えられ、こうした着想自体は前述した如くＨＩＰ法の分野ではよく知られている。問題は、高圧ガスを用いるＨＩＰ法では、上記の如く保持後の冷却工程で、熱処理に必要な急冷を実現できなかったことにある。ところがこの従来技術では、圧力媒体として溶融塩、すなわち液体を使用することで高圧保持後の減圧を短時間で実施可能とし、減圧時の温度低下を最小限に抑えると共に、処理品を収納したバスケットを溶融塩から素早く取り出して急冷工程へ移送することで、熱処理に必要な急冷を実現可能としている。
【００１４】
この従来技術における温度・圧力の変化は図２に示す通りである。この文献にはガス圧も含めた記載がなされているが、ガス圧でＨＩＰ処理を行うことによる利点と課題については全く記載されておらず、また、溶融塩を用いた液圧ＨＩＰで圧力７００〜１２００ｂａｒ、保持時間1分以下が好ましいと記載されていることからも、溶融塩を用いた熱間等方圧プレスを使用することを前提としているものと理解される（非特許文献１など）。
【００１５】
なお溶融塩を用いたこの種のＨＩＰ処理法についても、Ａｌ合金の如き軽合金以外の材料を含めて古くから検討されている。しかし、溶融塩の使用に伴うハンドリング性の問題、すなわち装置周辺にこぼれた溶融塩による金属製機械・機具類の腐食などの設備環境汚染や、処理後の製品の水洗に要する工程数の増大、洗浄に用いた水からの塩の回収と系外への排出を防止するための排水処理などの問題を有していることもあって、この方法も現在のところ実用化されるまでには至っていない。しかも、今後ますます要望が高まってくることの明らかな環境への配慮を考えると、この方法は好ましい方法とは言い難い。
【００１６】
上記の様な状況も含めて、Ａｌ合金鋳造品の改質技術に求められる課題としては、▲１▼対象とする金属材の熱処理を含めた素材本来の機械的特性を十分に満足する製品への改質を、▲２▼高歩留りで、▲３▼生産性良く、且つ▲４▼安価に、▲５▼環境にやさしく、▲６▼省エネルギー的方法で実現し得ること、が挙げられる、こうした観点からすると、前掲の従来技術には以下に示す様な点で更なる改善が求められる。
【００１８】
また前記非特許文献１に見られるような従来技術では、溶体化処理の最終工程でＨＩＰ処理を組み合わせて実施するので、前記▲１▼、▲２▼、▲３▼の課題に対応し得る他、▲４▼および▲６▼の課題にもある程度対応できる。しかし、前記▲５▼として掲げた環境汚染の問題は極めて重大であり、今後の社会情勢を考えると将来性を欠く。
【００１９】
【特許文献１】
特公昭61-47901号公報、第４図など。
【特許文献２】
特開2001−262295号の請求項１，９など。
【非特許文献１】
Meta11urgical Science and Techno1ogy，Vo1.19,No.1,June 2001のFig.6-b。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、前掲の解決課題を全て達成し得る様な改質法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明にかかるＡｌ合金鋳造品の改質法とは、Ａｌ合金鋳造品に温度および圧力を作用させて機械的特性を改質するに当り、該Ａｌ合金鋳造品に高温・高圧処理（ＨＩＰ処理）を施した後、当該処理品の温度を保持した状態で減圧し、引き続いて溶体化処理、クエンチおよび時効処理を順次実施するところに要旨が存在する。
【００２２】
本発明の方法を実施するに当っては、上記ＨＩＰ処理に先立って、被処理品を予め当該処理温度近傍に予熱し、次いで加圧して所定時間保持した後、処理品の温度を保った状態で減圧し、引き続いて溶体化処理、クエンチおよび時効処理を順次実施する方法は、効率のよい方法として推奨される。この際、前記高温・高圧処理に先立って行われる予熱を、当該高温・高圧処理に用いる断熱構造体の内部で行い、或いは前記溶体化処理を、高温・高圧処理に用いる断熱構造体の内部で行う様にすれば、熱効率を高めることができるので好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明していく。
【００２４】
図３は、本発明の代表的な実施例を示す工程説明図である。本図において温度は、本来的には処理品（Ａｌ鋳造品）の温度自体が図示する温度になる様に制御することが望ましいが、実際には炉内温度を基準にして操業される。
【００２５】
この処理法を実施する際の態様は、大きく２つに分類される。１つは、ＨＩＰ処理に通常のＨＩＰ装置を使用し、熱処理には既存の溶体化処理、水クエンチ装置、時効処理炉を用いる方法であり、もう１つは、ＨＩＰ処理と熱処理を連続的に行うことのできる専用のシステム化された設備を用いる方法である。以下、それぞれについて説明していく。
【００２６】
まず、通常のＨＩＰ装置を使用する場合について説明する。
【００２７】
この種の装置を用いて改質処理を行うに当っては、被処理品を、セラミックス繊維の如く耐熱性を有し且つ気孔率が大きくて断熱性に富んだ材料（以下、耐熱気孔断熱材ということがある）で被包した状態でＨＩＰ装置内へ装入する。次いで、ＨＩＰ装置内を真空引きし、非酸化性ガス（窒素やアルゴンなど）で置換した後、ＨＩＰ処理条件まで昇温・昇圧する。昇圧のための圧媒ガスとしては同様に窒素やアルゴン等が使用されるが、これら高圧の圧媒ガスは高密度・低粘性で激しい熱対流を生じるので、大気圧下で加熱する場合に較べると加熱効率が高く、処理品は短時間で速やかに所定温度まで昇温できる。特に高圧ガス雰囲気中では、上述した如く耐熱気孔断熱材で被処理品を被包した状態でも、高圧ガスの対流はそれほど抑制されないので、被処理品の加熱昇温に及ぼす影響は少ない。従って、ガス加圧しつつ若しくは高圧ガス圧力下で加熱すれば、被処理品を内部まで、短時間の加熱で雰囲気温度と同等の温度にまで上昇させることができる。ＨＩＰ処理のための最終的な温度・圧力保持の条件は、Ａｌ合金鋳造品の種類によって若干異なるが、一般的な温度は溶体化処理温度とほぼ同じ５００〜５４０℃、圧力は５０〜２００ＭＰａ程度である。
【００２８】
圧力保持の時間については、加圧の目的が、被処理品の内部に存在する気孔や引け巣の圧潰による真密度化のみである場合は、被処理品の温度が内部まで上記温度に到達しておれば、１０〜３０分程度で十分である。但し加圧には、上記目的に加えて合金元素の固溶量を増加させる効果があり、この効果をも有効に発揮させるためには、適切な温度・圧力で１〜３時間保持することが推奨される。
【００２９】
具体的には、Ａｌ−Ｓｉ系合金の場合、大気圧下では、共晶点（５７８℃）におけるＳｉの最大固溶量は約１．５原子％に過ぎないが、１００ＭＰａでは約１．９原子％に、また２００ＭＰａでは約２．４原子％にまで固溶量が増大する。この様に、析出Ｓｉの母相への拡散は加圧条件下で著しく促進されるので、大気圧下で溶体化処理する場合に較べて溶体化処理時間を大幅に短縮できる。例えば、大気圧下では８時間程度は必要とされる溶体化処理時間を、加圧下では２〜３時間程度に短縮した場合でもほぼ同等の効果を確保できる。
【００３０】
所定の温度・圧力で所定時間保持した後は、当該温度を保持したままで高圧ガスをＨＩＰ装置内部から抜き出して放圧する。このとき、放圧速度にもよるが、装置内の温度はガスの膨張に伴って降下するので、放圧時には、ＨＩＰ装置に設けられたヒーター等の加熱手段によって加熱し所定温度を維持するのがよい。大気圧まで放圧した後は、耐熱気孔断熱材で被包された処理品をＨＩＰ装置から取り出し、溶体化処理炉へ移送する。
【００３１】
従来技術では、前にも指摘した通り室温の大気中を搬送する際の処理品の温度低下が大きな問題となるが、上記の様に被処理品を耐熱気孔断熱材で被包しておけば、大気圧下では該断熱材の被包作用によって温度降下が抑制される。しかし、この移送時間を極力短縮することが好ましいことはいうまでもない。それ以降の熱処理は、通常の熱処理炉などを用いて通常の手順で行われる。
【００３２】
溶体化処理温度は、大抵の場合ＨＩＰ処理温度と同等であり、前述した如く耐熱気孔断熱材で被包した状態でも、問題となるような温度の変動は生じない。前述の如く高温・高圧での保持時間を例えば２〜３時間程度に設定し、高圧で溶体化処理を終えた後は、当該温度を保持したまま放圧し、その後直ちに水クエンチを行う。水クエンチは、急冷効果を確保するため、５００〜５４０℃程度の溶体化処理温度から好ましくは１５０〜２００℃までを１００℃／分程度以下、より好ましくは１０００℃／分以下で行われる。
【００３３】
該水クエンチまでの工程は、被処理品を耐熱気孔断熱材で被包した状態で処理される。しかし、水クエンチによって処理品が一旦降温した後は、それ以降の断熱被覆の必要はないので、この時点で耐熱気孔断熱材を取り外してから時効処理を行う。時効処理は常法に従って行えばよく、一般的には１５０〜２００℃、２０〜４時間程度で行われる。
【００３４】
なお図３では、熱処理の初期に溶体化処理を兼ねてＨＩＰ処理する場合を示しており、ＨＩＰ処理後は必要により更に短時間の溶体化処理を行った後、水クエンチおよび時効処理する例を示している。また図４の例では、溶体化処理のため被処理品を溶体化処理温度近傍にまで予熱した後、昇圧してＨＩＰ処理を行い、更に必要により短時間の溶体化処理を行ってから水クエンチおよび時効処理を行う例を示している。
【００３５】
いずれにしてもこの手法を採用すれば、ＨＩＰ処理の際に溶体化処理を兼ねて実施することで、結果的に高圧条件下で溶体化処理を進めることになり、トータルの処理時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００３６】
次に、ＨＩＰ処理と熱処理を連続的に行えるシステム化された専用設備を用いる場合は、例えば図５，６に例示する様な設備を用いて実施される。
【００３７】
この装置はＡｌ合金鋳物専用に設計されており、ＨＩＰ装置本体も専用装置として設計製作されるため、ＨＩＰ処理のための通常の高温・高圧保持時間に対し、その前後の昇温・昇圧および放圧に要する時間は合計で１〜２時間程度とされる。従って高温・高圧保持時間が１時間である場合、その前後の昇温・昇圧、放圧を含めたＨＩＰ処理の総所要時間（ＨＩＰ装置の占有時間）は２〜３時間となる。
【００３８】
図５は設備の配置例を示したもので、図中、１はＨＩＰ装置本体、２は溶体化処理用加熱装置、３は水クエンチ水槽、４はトンネル型時効処理炉、５は搬送台車、６は搬送レールを夫々示している。図示する如くＨＩＰ装置１が１台である場合、ＨＩＰ処理時間に対して溶体化処理および時効処理に要する時間は長いので、一連の処理を効率よく実施するには、図示する如く複数台（図示例では３台）の溶体化処理用加熱装置２を設けるのがよい。
【００３９】
水クエンチは短時間で実施できるので、水クエンチ水槽３は１槽だけで十分である。時効処理炉４は、１バッチ毎に処理する形態のものでもよいが、時効処理は水クエンチ後に行われるので、処理品が室温近傍の温度でハンドリングが容易であること、また時効処理温度は１５０〜２００℃程度と比較的低温であることから、時効処理炉４としては、後述する如く処理品を収納したバスケット毎に装入して処理するトンネル型の炉を使用する方が、設備コストや占有スペースを節約するためにも有利である。
【００４０】
そして、例えば後記図６に示す如く被処理品を、好ましくは耐熱気孔断熱材で被包した状態で例えば断熱容器内に装入し、ＨＩＰ処理装置１でＨＩＰ処理を行った後、搬送台車５で溶体化用加熱装置２へ送って溶体化処理を行い、次いで搬送台車５で水クエンチ水槽３の上方へ移送してから該水槽３へ浸漬することによって水クエンチを行った後、水槽３から引き出して逐次トンネル型時効処理４へ送って時効処理を行う。
【００４１】
実際の処理においては、たとえば図６に例示する様な構造の断熱構造体７を有する電気炉を組み込んだＨＩＰ装置や溶体化処理炉（後述の予熱にも使用）が用いられる。すなわち、図示するＨＩＰ装置１は、冷却水用ジャケットを備えた高圧円筒１ａとＨＩＰ容器上蓋１ｂ、ＨＩＰ容器下蓋１ｃを一体として構成され、ＨＩＰ容器下蓋１ｃには、加熱ヒーターＨ、ファンＦおよびファン駆動用モータＭを一体とする強制対流型加熱装置が設けられている。なお該ＨＩＰ装置１の具体的な構成はもちろん図示した構造のものに限定される理由はなく、要は、内部を所定温度・圧力に加熱・加圧状態で維持し得る機能を備えたものであれば、図示例以外にも様々の形状、構造のものを使用できる。図中８は、吊下げ用ワイヤを示している。
【００４２】
ＨＩＰ処理を行うに当っては、被処理品Ａを前述した如く断熱気孔断熱材で被包した状態で、多孔金属板や金属網等からなる通気・通液性バスケットＢ内へ装入し、これらを断熱構造体７内へ入れ、高圧円筒１ａ、ＨＩＰ容器上蓋１ｂ、ＨＩＰ容器下蓋１ｃを密篏させてから加熱・加圧し、ＨＩＰ処理を行う。この様に、被処理品Ａを断熱構造体７内に入れた状態でＨＩＰ処理や溶体化処理を行う様にしておけば、加熱のための昇温を効率よく遂行できると共に、大気中を搬送する際の降温も最小限に抑えることができるので好ましい。
【００４３】
この断熱構造体７は、高圧ガス雰囲気下での自然対流による放熱を効果的に抑制できるよう、好ましくは２〜３層の金属コップとセラミックス系断熱材で構成されており、大気圧下では更に優れた断熱性を発揮するので、ＨＩＰ処理後、ＨＩＰ装置から断熱構造体７に収納された状態で処理品Ａを大気搬送しても、搬送過程で放熱による温度低下をほとんど生じることなく、次工程の溶体化処理に移行させることができる。
【００４４】
溶体化処理位置で所定の溶体化処理を終えた後は、図示する如く、断熱構造体７内に収納した状態で水槽９の上方へ移送し、処理品ＡをバスケットＢ（他の収納具でももちろん可能）と共に水槽９内へ浸漬して水クエンチを行う。この間、処理品Ａは断熱構造体９で保温されているので、移送時の温度効果も可及的に抑えられるが、溶体化処理位置から処理品Ａを取り出し大気中で水クエンチするまでの時間は、この間の降温を更に抑えるため、１５秒以内に行うことが望ましい。
【００４５】
尚、前述した如く、「ＨＩＰ処理に先立って、処理品ＡをＨＩＰ処理温度近傍まで予熱し、次いで加圧して所定時間保持した後、処理品Ａの温度を保持したまま減圧し、そのまま溶体化処理、クエンチ、時効処理を順次行う方法」を実施し、気孔除去による真密度化のみを目的としてＨＩＰ処理を行う場合は、ＨＩＰ処理時の保持時間を１０〜１５分程度まで短縮することが可能となる。すなわち一般的に行われるＨＩＰ処理時の保持工程は、処理品の内部温度を炉内雰囲気温度まで高めガス圧力によって気孔を圧潰する現象と、圧潰後に元の気孔の内表面を互いに拡散接合させ、更には、析出物を拡散させて均質化する現象を進行させる工程を含んでおり、工業的に実施されている保持時間は１〜３時間程度が通例であるが、この内の大半は前者、即ち処理品Ａを炉内雰囲気温度まで昇温させるための時間として費やされる。従って、ＨＩＰ処理の前の予熱操作で温度を十分に高めておけば、この間の時間を短縮することができる。
【００４６】
一方、気孔欠陥の密着や析出物の拡散については、気孔欠陥や析出物の大きさにもよるが、大抵の場合は１０〜１５分程度で十分な密着と拡散効果を得ることができる。
【００４７】
結論として、ＨＩＰ処理時の圧力保持時間をこの程度まで短縮することが可能となる。前掲の図４は、この様な予熱操作を行った場合における温度・圧力の操作工程を例示したもので、この様な操作を行うことで、ＨＩＰ処理工程のみとしては１〜２時間で処理を終えることが可能となる。このＨＩＰ処理時間に見合う様に溶体化処理炉や時効処理炉の台数を選定し、より好ましくは少なくとも時効処理炉については、図示する如くトンネル型の連続式時効処理炉を使用すれば、１〜２時間サイクルでＨＩＰ処理と熱処理を行うことができ、しかも、気孔欠陥がなく機械的特性に優れ、且つ信頼性の高い製品を高歩留りで生産性よく製造することが可能となる。
【００４８】
なお本発明の方法は、前述した特徴を活かして種々のＡｌ合金鋳造品、具体的には、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｃｕ−ＭｇなどのＡｌ合金鋳造品の改質に有効に活用できる。中でも、砂型鋳造された単重５ｋｇ以上の比較的大きな析出硬化型Ａｌ合金鋳造品に適用すると、これらは結晶粒が大きく気孔状欠陥や析出物も大きいので、該気孔状欠陥をなくすと共に析出物を微細分散させて改質するための技術として、本発明の特徴を一層有効に活かすことができる。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。
【００５０】
ＪＩＳ ＡＣ４ＣＨ合金（Ａｌ−７％Ｓｉ−0.35％Ｍｇ）を用いて舟形のテストピース（台形断面で底辺が４０ｍｍおよび２０ｍｍ、高さが４０ｍｍ、長さが約２００ｍｍ）を砂型鋳造し、従来技術および本発明に従って改質処理することにより、機械的特性、生産性および加熱電力の消費量の評価を行った。基本的な処理温度等は、ＨＩＰ処理；５２０℃×１００ＭＰａ、溶体化処理；５３０℃、水クエンチ；水温６０℃、時効処理温度；１７０℃とした。
【００５１】
比較例１
図１に示した温度・圧力操作条件に従って処理を行った。ＨＩＰ処理には、最高到達温度・圧力が１４００℃×１５０ＭＰａであるモリブデンヒーター使用の大型ＨＩＰ装置を使用した。被処理品をＨＩＰ装置内へ装入し、約１時間かけてＨＩＰ装置内を真空引きしてガス置換を行った後、同時に昇温、昇圧した。この間、圧縮機の性能の関係で１００ＭＰａまで昇圧するのに２時間３０分を要した。温度・圧力を５１５℃×１００ＭＰａで２時間保持した後、加熱電力を遮断して２５０℃まで自然放冷し、ガスを回収しつつ放圧した。放圧後の処理品の温度は、放圧によるガスの断熱膨張によって降下し約５０℃となった。この状態で処理品を取り出した。この間の処理品装入から取り出しまでの時間は８時間であった。
【００５２】
処理品を熱処理設備のある工場へ移送した後、熱処理用のバスケットに収納して溶体化処理炉へ装入し８時間の溶体化処理を行い、その後水クエンチを行った。次いで室温に３時間放置した後、時効処理炉へ装入して１０時間の時効処理を行った。この間の一連の熱処理（Ｔ６処理）に要した時間は２２時間であり、ＨＩＰ処理から熱処理終了までの時間は、ＨＩＰ処理から熱処理設備までの移送時間を除外しても３０時間強を要した。
【００５３】
処理品の機械的特性を、回転曲げ疲労試験による疲労強度測定によって調べたところ、１０7サイクルでの疲労強度は約１１８ＭＰａであった。
【００５４】
なお加熱に消費した電力は、ＨＩＰ装置で１５０ｋｗｈ、溶体化処理炉で２００ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈであり、全体で約４５０ｋｗｈであった。
【００５５】
実施例１
図３に示した温度・圧力条件に従って改質処理を行った。なお被処理品は、ムライト系のセラミックス繊維からなる厚さ３ｍｍのブランケットで被包した状態で処理に供した。ＨＩＰ処理には、最高到達温度が１２００℃、最高到達圧力が１００ＭＰａである、Ｆｅ−Ａｌ合金ヒーターを用いた高温開放可能なＨＩＰ装置を使用した。
【００５６】
被処理品を前記ブランケットで被包した状態でＨＩＰ装置内へ装入した後、約３０分かけて真空引きとガス置換を行い、その後約２時間で同時に昇温・昇圧して５２０℃×１００ＭＰａとし、同条件で２時間保持した。保持後、温度を５３０℃に昇温しつつ、ガスを回収しながら放圧することにより、約４５分で大気圧間まで降圧した。温度を５３０℃に保った状態でＨＩＰ装置を開放し、ブランケットで被包された状態の処理品を大気中へ取り出し、溶体化処理位置まで移送した。ＨＩＰ装置での占有時間は約５時間３０分であった。
【００５７】
溶体化処理炉では５３０℃で５時間保持した後、ブランケットで包まれた状態の処理品を大気中へ取り出し、３０秒以内に温度６０℃の水クエンチ用水槽内に浸漬した。その後、水槽から取り出し被包したセラミックス繊維ブランケットを取り除いてから室温で３時間放置し、その後、時効処理炉へ装入して１０時間の時効処理を行った。ＨＩＰ処理から熱処理終了までに要した時間は２４時間であり、前記比較例１に比べると６時間（約２０％）の時間短縮ができた。
【００５８】
得られた改質処理品について、前記比較例１と同様にして疲労試験を行ったところ、１０7サイクルでほぼ同じ疲労強度を有していることが確認された。
【００５９】
なおこの間の加熱に要した電力は、ＨＩＰ装置で１５０ｋｗｈ、溶体化処理炉で１２５ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈの総計３７５ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて約７５ｋｗｈ（約１７％）の省エネルギー効果が得られた。
【００６０】
実施例２
前記実施例１と同様の装置を使用し、ＨＩＰ処理時の保持条件を５３０℃×１００ＭＰａ、保持時間を３時間として改質処理を行い、その後、温度を５３０℃に保持したまま放圧してから処理品を水クエンチした。次いで、前記実施例１と同様の時効処理を行ってから疲労強度の評価を行った。この間のＨＩＰ処理から熱処理終了までの所要時間は約１９時間３０分であり、前記比較例１に比べて約２／３の時間で処理できた。また、同様にして行った疲労強度の評価結果は、１０7サイクルで１２０ＭＰａであり、比較例１で得たものと同等以上であった。また加熱に消費した電力は、ＨＩＰ装置で２００ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈ、総計は３００ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて１５０ｋｗｈ（約３３％）の省エネルギー効果が得られた。
【００６１】
実施例３
図５，６に示した構造のＨＩＰ装置と水クエンチ水槽を使用し、図４に示した温度・圧力条件で改質処理を行った。
【００６２】
被処理品を、ステンレス製のワイヤで製作されたバスケットに裸のまま装入してＨＩＰ装置の断熱構造体内へ収納し、専用の予熱用加熱装置により２時間かけて５３０℃まで昇温した後、同温度で３時間の保持した。内部を５３０℃に保持したまま、断熱構造体をＨＩＰ装置の下蓋に載置して処理品をＨＩＰ装置内へ装入した。次いで、約１５分で窒素ガス置換した後、圧縮機を用いて３０分で１００ＭＰａまで昇圧し、５３０℃で１時間保持した。保持後、温度を５３０℃に保持したまま、ガスを回収しつつ放圧して大気圧に戻した後、断熱構造体の内部温度を５３０℃に保持したまま予熱用加熱装置へ再度移送し、３時間保持した。
【００６３】
次いで、処理品の収納された断熱構造体を水クエンチ用水槽の上方へ移送し、処理品とバスケットを降下させ水（４０℃）に浸漬させて水クエンチを行った。その後、処理品を大気中に取り出し、室温で３時間放置して乾燥させた後、処理品を時効処理炉内へ装入して前記実施例１と同様の時効処理を行った。予熱開始から熱処理終了までに要した時間は約２３時間であり、比較例１に比べて約7時間の時間短縮ができた。得られた処理品の疲労強度特性は、比較例１で得た処理品の特性とほぼ同等であった。
【００６４】
また加熱に要した電力は、ＨＩＰ装置の断熱構造体の放熱量が少ないことから、ＨＩＰ装置で１００ｋｗｈ、予熱および溶体化処理装置で７２ｋｗｈ、時効処理で１００ｋｗｈの総計２７２ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて１７８ｋｗｈ（約４０％）の省エネルギー効果が確認された。なお、ＨＩＰ装置における高圧容器の占有時間は約２時間３０分であり、複数の断熱構造体を準備することにより、比較例１の場合に比べてＨＩＰ処理品の生産性を少なくとも３倍以上に高め得ることが判明した。また、保持時間を１５分程度まで短縮すれば、コスト高につくＨＩＰ装置の占有時間を１時間程度まで短縮可能であり、ＨＩＰ処理部分の処理コストもこれに伴って大幅に低減できることが明白である。
【００６５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、Ａｌ鋳造品のＨＩＰ処理を所謂Ｔ６処理（溶体化処理＋クエンチ＋時効処理）と組み合わせて極めて容易に効率よく行うことができ、ＨＩＰ処理後に再加熱してから溶体化処理していた従来例に比較して再加熱による溶体化処理が不要となり、生産性を大幅に高めることができる。
【００６６】
また技術的には、ＨＩＰ処理によって当然に期待される気孔欠陥の消滅による延性や疲労寿命の改善はもちろんのこと、針状析出物の影響とされる疲労寿命の低下を回避することができ、極めて信頼性の高い鋳造製品を得ることができる。また処理工程の簡素化に伴って、製造時間の短縮、ひいては製造コストの低減により多大な経済的利益を享受できる。
【００６７】
更に本発明と、本出願人が先に提案したＡｌ合金鋳造品専用のＨＩＰ装置（特願2002-140767号）を組み合わせて実施すれば、予熱や溶体化処理をより効率よく実施することができ、ＨＩＰ処理コストを従来のＨＩＰ処理の1/10程度以下にまで激減できる。その結果、従来は処理コストの制約からＨＩＰ処理の適用が困難とされてきた自動車部品用Ａｌ鋳造部品への実用化にも道が開けることとなった。更に加えて、前述した機械的特性の改質効果により、鋳造部品の設計面での部品の薄肉化も容易となり、自動車部品などの軽量化やそれに伴う省エネルギー効果と排気ガス低減等の効果も享受し得るなど、自動車分野を始めとする様々の分野で幅広く有効に活用できる。
【００６８】
しかも本発明の方法は、溶融塩の如き環境汚染の原因となる圧力媒体を使用しないクリーンなプロセスであるから、今後の環境問題への要請にも十分に応えることのできる有用な方法として普及が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳造品の改質に従来から採用されているＨＩＰ処理→溶体化処理→時効処理からなる一連の処理法を例示する説明図である。
【図２】鋳造品の改質に従来から採用されている他の処理法を例示する説明図である。
【図３】本発明で鋳造品の改質に採用されているＨＩＰ処理→溶体化処理→時効処理からなる代表的な処理法を例示する説明図である。
【図４】本発明で鋳造品の改質に採用されている溶体化処理（＋ＨＩＰ処理）→時効処理からなる他の処理法を例示する説明図である。
【図５】本発明を実施する際に使用されるＨＩＰ処理から時効処理に亘る一連の処理ステーションの具体例を示す概略説明図である。
【図６】本発明を実施する際に好ましく採用されるＨＩＰ装置と水クエンチ水槽を組み合わせた専用の処理設備を例示する概略断面説明図である。
【符号の説明】
１ ＨＩＰ装置本体
２ 溶体化処理用加熱装置
３，９ 水クエンチ水槽
４ トンネル型時効処理炉
５ 搬送台車
６ 搬送レール
７ 断熱構造体
８ 吊下げ用ワイヤ
１ａ 高圧円筒
１ｂ ＨＩＰ容器上蓋
１ｃ ＨＩＰ容器下蓋
Ａ （被）処理品
Ｂ 通気・通液性バスケット
Ｆ ファン
Ｈ ヒーター
Ｍ モータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ合金鋳造品、殊に析出硬化型Ａｌ合金鋳造品を加熱・加圧処理して機械的特性を改質する方法に関し、より詳細には、高温・高圧のガス圧力による改質法（以下、ＨＩＰ法という）と、大気圧下での熱処理（溶体化処理、クエンチ、時効処理）をうまく組み合わせることにより、鋳造品の機械的特性を効率よく且つ経済的に改質し得る様に改善された方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車産業を始めとする様々の分野では、省エネルギー化および低公害化の増進を期して車体の軽量化が大きな課題となっており、従来の鉄鋼材料に代わる軽量金属材として比重が約１／３であるＡｌ合金などを利用する傾向が増大してきている。そして複雑形状のＡｌ合金部品を成形する方法としては、異形成形性と量産性を含めた経済性の観点から鋳造法が汎用されている。
【０００３】
但し、成形に鋳造法を採用できるＡｌ合金の種類には制限があり、例えばダイキャスト法では、成形時に空気の巻込みが起こると再加熱時にブリスターと呼ばれる気孔欠陥が発生するので、熱処理や溶接をせずとも必要な強度を確保することのできるＡｌ合金が選択される。また砂型鋳造法では、高圧鋳込みを採用することができず、空気の巻込みが起こらないように緩速で鋳込まねばならないので、湯流れの良好なＡｌ合金であって、且つ、熱処理により強度特性を確保することのできるＡｌ合金が選択される。
【０００４】
しかし何れにしても、様々の制約から、強度的に保証されている鋳造用Ａｌ合金の引張強度は高々２００〜２５０ＭＰａ程度までであり、鉄鋼材料に較べると約半分以下に過ぎず、強度不足は否めない。また鋳造品の場合、金属溶湯内に含まれるガスに起因する気孔欠陥や、凝固収縮によって生じる引け巣の発生が避けられず、これらが鋳造品の機械的特性、特に疲労強度や延性を低下させる大きな要因になっている。
【０００５】
これらの問題を解消するため、以下に説明する如く様々の改善法が提案されているが、いずれも工業的規模での実用性を考えると満足し得るものとは言えず、解決すべき課題が山積している。
【０００６】
例えば気孔欠陥の防止対策については、鋳造後、高温・高圧ガス雰囲気下で処理して気孔欠陥を潰すＨＩＰ処理法が知られているが、高圧設備の使用に伴う処理コストの問題があるため、量産製品に汎用されるまでには至っていない。尚この場合も、強度の確保に熱処理を必要とするＡｌ合金の場合は、ＨＩＰ処理の後に再加熱してから、溶体化処理、水クエンチ、時効処理を順次行って目標レベルの強度特性を確保するのが通例となっている。
【０００７】
例えば図１は、ＨＩＰ法を採用する場合の公知の温度・圧力操作条件を示す説明図であり、Ａｌ合金鋳造品を処理する場合の一般的なＨＩＰ処理条件は、温度が５００〜５３０℃、圧力が１００ＭＰａ前後、時間が１〜３時間程度である。この場合、被処理品をＨＩＰ装置へ装入してから取り出すまでの時間は、被処理品装入後のＨＩＰ装置内の真空引きとガス置換に要する時間や、所定の高温・高圧保持前後の加熱・加圧や降温・降圧に要する時間的制約があり、実際の高温・高圧保持時間に対して４時間程度は余分に必要となるため、全体としての所要時間は６〜８時間程度となる。
【０００８】
また通常の設備では、熱処理装置とＨＩＰ装置がかなり離れた場所にあることも多く、ＨＩＰ処理後の処理品は一旦大気中で放置し、熱処理装置のある場所まで移送した後、再加熱して熱処理を行っている。ＨＩＰ処理後に行われる熱処理は、図１に示した様に、溶体化処理（６〜１０時間）→水クエンチ→時効処理（８〜１２時間）の３工程を含む「Ｔ６処理」が一般的であり、トータルとして２１〜３０時間を要する。
【０００９】
この様な熱処理を必要とする合金鋳造品をＨＩＰ処理するに当っては、通常はＨＩＰ処理温度が溶体化処理温度とほぼ同等か若しくはやや低温側であることから、ＨＩＰ処理と並行して溶体化処理を行うことができれば、処理工程を簡略化できると共に所要時間も短縮し得ると考えられ、古くから検討がなされてきた。しかし実際には、高圧ガスの使用に由来する種々の問題から、ＨＩＰ処理工程で並行して溶体化処理を行う処理技術は実用化されていない。
【００１０】
この点に関する技術上最大の課題は、ＨＩＰ処理における高温・高圧保持後の冷却速度が遅いため、冷却過程で合金成分の一部が析出することである。そこで、冷却速度を高めることによって合金成分の析出を防止する方法が検討され、例えば、１２００℃前後の温度でＨＩＰ処理が行われるＮｉ基やＦｅ基の鋳造品については、ＨＩＰ処理装置内で冷却する際の冷却速度を３０〜１００℃／分に高めることによってこの問題を解決すべく、ＨＩＰ装置内で高圧ガスを強制対流させる急冷ＨＩＰ装置が開発されている（特許文献１など）。これらの合金鋳造品では、ＨＩＰ処理温度である１０００〜１２００℃の高温域から４００℃程度までの温度域を急冷すればよく、また３０〜１００℃／分程度の冷却速度でも、合金の種類によっては効果があると言われている。
【００１１】
しかしＡｌ合金鋳造品の場合は、ＨＩＰ処理温度が５００〜５５０℃程度と低温であるため、ＨＩＰ処理と並行して溶体化処理を実施しようとすると、１５０℃以下の温度域までを１００℃／分程度以上、好ましくは１０００℃／分以上の速度で急冷しなければならず、前掲の急冷ＨＩＰ装置ではこの様な急冷速度を実現することができない。こうした理由もあってＡｌ合金鋳造品については、ＨＩＰ装置の高圧容器内で水クエンチに相当する急冷速度を実現することは困難とされている。
【００１２】
他方、ガス圧ＨＩＰ処理では、加圧・減圧に長時間を要するという問題が短サイクル化を妨げる要因の一つであることから、ガス以外の圧力媒体を使用する加圧法も検討されている。たとえば、Ａｌ合金などの軽合金鋳物については、溶体化処理と急冷と時効処理の３つの処理を組み合わせて実施する際に、溶体化処理を少なくとも部分的な熱間等方圧プレス（ＨＩＰ法と同義）によって行い、或いは、溶体化処理そのものに熱間等方圧プレスを採用することが開示されている（特許文献２など）。
【００１３】
熱間等方圧プレス（ＨＩＰ法）は溶体化処理と同等の温度で行われるので、ＨＩＰ処理のための高温保持後に急冷することができれば、ＨＩＰ処理と溶体化処理を並行して実施し得ると考えられ、こうした着想自体は前述した如くＨＩＰ法の分野ではよく知られている。問題は、高圧ガスを用いるＨＩＰ法では、上記の如く保持後の冷却工程で、熱処理に必要な急冷を実現できなかったことにある。ところがこの従来技術では、圧力媒体として溶融塩、すなわち液体を使用することで高圧保持後の減圧を短時間で実施可能とし、減圧時の温度低下を最小限に抑えると共に、処理品を収納したバスケットを溶融塩から素早く取り出して急冷工程へ移送することで、熱処理に必要な急冷を実現可能としている。
【００１４】
この従来技術における温度・圧力の変化は図２に示す通りである。この文献にはガス圧も含めた記載がなされているが、ガス圧でＨＩＰ処理を行うことによる利点と課題については全く記載されておらず、また、溶融塩を用いた液圧ＨＩＰで圧力７００〜１２００ｂａｒ、保持時間1分以下が好ましいと記載されていることからも、溶融塩を用いた熱間等方圧プレスを使用することを前提としているものと理解される（非特許文献１など）。
【００１５】
なお溶融塩を用いたこの種のＨＩＰ処理法についても、Ａｌ合金の如き軽合金以外の材料を含めて古くから検討されている。しかし、溶融塩の使用に伴うハンドリング性の問題、すなわち装置周辺にこぼれた溶融塩による金属製機械・機具類の腐食などの設備環境汚染や、処理後の製品の水洗に要する工程数の増大、洗浄に用いた水からの塩の回収と系外への排出を防止するための排水処理などの問題を有していることもあって、この方法も現在のところ実用化されるまでには至っていない。しかも、今後ますます要望が高まってくることの明らかな環境への配慮を考えると、この方法は好ましい方法とは言い難い。
【００１６】
上記の様な状況も含めて、Ａｌ合金鋳造品の改質技術に求められる課題としては、▲１▼対象とする金属材の熱処理を含めた素材本来の機械的特性を十分に満足する製品への改質を、▲２▼高歩留りで、▲３▼生産性良く、且つ▲４▼安価に、▲５▼環境にやさしく、▲６▼省エネルギー的方法で実現し得ること、が挙げられる、こうした観点からすると、前掲の従来技術には以下に示す様な点で更なる改善が求められる。
【００１８】
また前記非特許文献１に見られるような従来技術では、溶体化処理の最終工程でＨＩＰ処理を組み合わせて実施するので、前記▲１▼、▲２▼、▲３▼の課題に対応し得る他、▲４▼および▲６▼の課題にもある程度対応できる。しかし、前記▲５▼として掲げた環境汚染の問題は極めて重大であり、今後の社会情勢を考えると将来性を欠く。
【００１９】
【特許文献１】
特公昭61-47901号公報、第４図など。
【特許文献２】
特開2001−262295号の請求項１，９など。
【非特許文献１】
Meta11urgical Science and Techno1ogy，Vo1.19,No.1,June 2001のFig.6-b。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであって、その目的は、前掲の解決課題を全て達成し得る様な改質法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明にかかるＡｌ合金鋳造品の改質法とは、Ａｌ合金鋳造品に温度および圧力を作用させて機械的特性を改質するに当り、該Ａｌ合金鋳造品に高温・高圧処理（ＨＩＰ処理）を施した後、当該処理品の温度を保持した状態で減圧し、引き続いて溶体化処理、クエンチおよび時効処理を順次実施するところに要旨が存在する。
【００２２】
本発明の方法を実施するに当っては、上記ＨＩＰ処理に先立って、被処理品を予め当該処理温度近傍に予熱し、次いで加圧して所定時間保持した後、処理品の温度を保った状態で減圧し、引き続いて溶体化処理、クエンチおよび時効処理を順次実施する方法は、効率のよい方法として推奨される。この際、前記高温・高圧処理に先立って行われる予熱を、当該高温・高圧処理に用いる断熱構造体の内部で行い、或いは前記溶体化処理を、高温・高圧処理に用いる断熱構造体の内部で行う様にすれば、熱効率を高めることができるので好ましい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しつつ詳細に説明していく。
【００２４】
図３は、本発明の代表的な実施例を示す工程説明図である。本図において温度は、本来的には処理品（Ａｌ鋳造品）の温度自体が図示する温度になる様に制御することが望ましいが、実際には炉内温度を基準にして操業される。
【００２５】
この処理法を実施する際の態様は、大きく２つに分類される。１つは、ＨＩＰ処理に通常のＨＩＰ装置を使用し、熱処理には既存の溶体化処理、水クエンチ装置、時効処理炉を用いる方法であり、もう１つは、ＨＩＰ処理と熱処理を連続的に行うことのできる専用のシステム化された設備を用いる方法である。以下、それぞれについて説明していく。
【００２６】
まず、通常のＨＩＰ装置を使用する場合について説明する。
【００２７】
この種の装置を用いて改質処理を行うに当っては、被処理品を、セラミックス繊維の如く耐熱性を有し且つ気孔率が大きくて断熱性に富んだ材料（以下、耐熱気孔断熱材ということがある）で被包した状態でＨＩＰ装置内へ装入する。次いで、ＨＩＰ装置内を真空引きし、非酸化性ガス（窒素やアルゴンなど）で置換した後、ＨＩＰ処理条件まで昇温・昇圧する。昇圧のための圧媒ガスとしては同様に窒素やアルゴン等が使用されるが、これら高圧の圧媒ガスは高密度・低粘性で激しい熱対流を生じるので、大気圧下で加熱する場合に較べると加熱効率が高く、処理品は短時間で速やかに所定温度まで昇温できる。特に高圧ガス雰囲気中では、上述した如く耐熱気孔断熱材で被処理品を被包した状態でも、高圧ガスの対流はそれほど抑制されないので、被処理品の加熱昇温に及ぼす影響は少ない。従って、ガス加圧しつつ若しくは高圧ガス圧力下で加熱すれば、被処理品を内部まで、短時間の加熱で雰囲気温度と同等の温度にまで上昇させることができる。ＨＩＰ処理のための最終的な温度・圧力保持の条件は、Ａｌ合金鋳造品の種類によって若干異なるが、一般的な温度は溶体化処理温度とほぼ同じ５００〜５４０℃、圧力は５０〜２００ＭＰａ程度である。
【００２８】
圧力保持の時間については、加圧の目的が、被処理品の内部に存在する気孔や引け巣の圧潰による真密度化のみである場合は、被処理品の温度が内部まで上記温度に到達しておれば、１０〜３０分程度で十分である。但し加圧には、上記目的に加えて合金元素の固溶量を増加させる効果があり、この効果をも有効に発揮させるためには、適切な温度・圧力で１〜３時間保持することが推奨される。
【００２９】
具体的には、Ａｌ−Ｓｉ系合金の場合、大気圧下では、共晶点（５７８℃）におけるＳｉの最大固溶量は約１．５原子％に過ぎないが、１００ＭＰａでは約１．９原子％に、また２００ＭＰａでは約２．４原子％にまで固溶量が増大する。この様に、析出Ｓｉの母相への拡散は加圧条件下で著しく促進されるので、大気圧下で溶体化処理する場合に較べて溶体化処理時間を大幅に短縮できる。例えば、大気圧下では８時間程度は必要とされる溶体化処理時間を、加圧下では２〜３時間程度に短縮した場合でもほぼ同等の効果を確保できる。
【００３０】
所定の温度・圧力で所定時間保持した後は、当該温度を保持したままで高圧ガスをＨＩＰ装置内部から抜き出して放圧する。このとき、放圧速度にもよるが、装置内の温度はガスの膨張に伴って降下するので、放圧時には、ＨＩＰ装置に設けられたヒーター等の加熱手段によって加熱し所定温度を維持するのがよい。大気圧まで放圧した後は、耐熱気孔断熱材で被包された処理品をＨＩＰ装置から取り出し、溶体化処理炉へ移送する。
【００３１】
従来技術では、前にも指摘した通り室温の大気中を搬送する際の処理品の温度低下が大きな問題となるが、上記の様に被処理品を耐熱気孔断熱材で被包しておけば、大気圧下では該断熱材の被包作用によって温度降下が抑制される。しかし、この移送時間を極力短縮することが好ましいことはいうまでもない。それ以降の熱処理は、通常の熱処理炉などを用いて通常の手順で行われる。
【００３２】
溶体化処理温度は、大抵の場合ＨＩＰ処理温度と同等であり、前述した如く耐熱気孔断熱材で被包した状態でも、問題となるような温度の変動は生じない。前述の如く高温・高圧での保持時間を例えば２〜３時間程度に設定し、高圧で溶体化処理を終えた後は、当該温度を保持したまま放圧し、その後直ちに水クエンチを行う。水クエンチは、急冷効果を確保するため、５００〜５４０℃程度の溶体化処理温度から好ましくは１５０〜２００℃までを１００℃／分程度以下、より好ましくは１０００℃／分以下で行われる。
【００３３】
該水クエンチまでの工程は、被処理品を耐熱気孔断熱材で被包した状態で処理される。しかし、水クエンチによって処理品が一旦降温した後は、それ以降の断熱被覆の必要はないので、この時点で耐熱気孔断熱材を取り外してから時効処理を行う。時効処理は常法に従って行えばよく、一般的には１５０〜２００℃、２０〜４時間程度で行われる。
【００３４】
なお図３では、熱処理の初期に溶体化処理を兼ねてＨＩＰ処理する場合を示しており、ＨＩＰ処理後は必要により更に短時間の溶体化処理を行った後、水クエンチおよび時効処理する例を示している。また図４の例では、溶体化処理のため被処理品を溶体化処理温度近傍にまで予熱した後、昇圧してＨＩＰ処理を行い、更に必要により短時間の溶体化処理を行ってから水クエンチおよび時効処理を行う例を示している。
【００３５】
いずれにしてもこの手法を採用すれば、ＨＩＰ処理の際に溶体化処理を兼ねて実施することで、結果的に高圧条件下で溶体化処理を進めることになり、トータルの処理時間を大幅に短縮することが可能となる。
【００３６】
次に、ＨＩＰ処理と熱処理を連続的に行えるシステム化された専用設備を用いる場合は、例えば図５，６に例示する様な設備を用いて実施される。
【００３７】
この装置はＡｌ合金鋳物専用に設計されており、ＨＩＰ装置本体も専用装置として設計製作されるため、ＨＩＰ処理のための通常の高温・高圧保持時間に対し、その前後の昇温・昇圧および放圧に要する時間は合計で１〜２時間程度とされる。従って高温・高圧保持時間が１時間である場合、その前後の昇温・昇圧、放圧を含めたＨＩＰ処理の総所要時間（ＨＩＰ装置の占有時間）は２〜３時間となる。
【００３８】
図５は設備の配置例を示したもので、図中、１はＨＩＰ装置本体、２は溶体化処理用加熱装置、３は水クエンチ水槽、４はトンネル型時効処理炉、５は搬送台車、６は搬送レールを夫々示している。図示する如くＨＩＰ装置１が１台である場合、ＨＩＰ処理時間に対して溶体化処理および時効処理に要する時間は長いので、一連の処理を効率よく実施するには、図示する如く複数台（図示例では３台）の溶体化処理用加熱装置２を設けるのがよい。
【００３９】
水クエンチは短時間で実施できるので、水クエンチ水槽３は１槽だけで十分である。時効処理炉４は、１バッチ毎に処理する形態のものでもよいが、時効処理は水クエンチ後に行われるので、処理品が室温近傍の温度でハンドリングが容易であること、また時効処理温度は１５０〜２００℃程度と比較的低温であることから、時効処理炉４としては、後述する如く処理品を収納したバスケット毎に装入して処理するトンネル型の炉を使用する方が、設備コストや占有スペースを節約するためにも有利である。
【００４０】
そして、例えば後記図６に示す如く被処理品を、好ましくは耐熱気孔断熱材で被包した状態で例えば断熱容器内に装入し、ＨＩＰ処理装置１でＨＩＰ処理を行った後、搬送台車５で溶体化用加熱装置２へ送って溶体化処理を行い、次いで搬送台車５で水クエンチ水槽３の上方へ移送してから該水槽３へ浸漬することによって水クエンチを行った後、水槽３から引き出して逐次トンネル型時効処理４へ送って時効処理を行う。
【００４１】
実際の処理においては、たとえば図６に例示する様な構造の断熱構造体７を有する電気炉を組み込んだＨＩＰ装置や溶体化処理炉（後述の予熱にも使用）が用いられる。すなわち、図示するＨＩＰ装置１は、冷却水用ジャケットを備えた高圧円筒１ａとＨＩＰ容器上蓋１ｂ、ＨＩＰ容器下蓋１ｃを一体として構成され、ＨＩＰ容器下蓋１ｃには、加熱ヒーターＨ、ファンＦおよびファン駆動用モータＭを一体とする強制対流型加熱装置が設けられている。なお該ＨＩＰ装置１の具体的な構成はもちろん図示した構造のものに限定される理由はなく、要は、内部を所定温度・圧力に加熱・加圧状態で維持し得る機能を備えたものであれば、図示例以外にも様々の形状、構造のものを使用できる。図中８は、吊下げ用ワイヤを示している。
【００４２】
ＨＩＰ処理を行うに当っては、被処理品Ａを前述した如く断熱気孔断熱材で被包した状態で、多孔金属板や金属網等からなる通気・通液性バスケットＢ内へ装入し、これらを断熱構造体７内へ入れ、高圧円筒１ａ、ＨＩＰ容器上蓋１ｂ、ＨＩＰ容器下蓋１ｃを密篏させてから加熱・加圧し、ＨＩＰ処理を行う。この様に、被処理品Ａを断熱構造体７内に入れた状態でＨＩＰ処理や溶体化処理を行う様にしておけば、加熱のための昇温を効率よく遂行できると共に、大気中を搬送する際の降温も最小限に抑えることができるので好ましい。
【００４３】
この断熱構造体７は、高圧ガス雰囲気下での自然対流による放熱を効果的に抑制できるよう、好ましくは２〜３層の金属コップとセラミックス系断熱材で構成されており、大気圧下では更に優れた断熱性を発揮するので、ＨＩＰ処理後、ＨＩＰ装置から断熱構造体７に収納された状態で処理品Ａを大気搬送しても、搬送過程で放熱による温度低下をほとんど生じることなく、次工程の溶体化処理に移行させることができる。
【００４４】
溶体化処理位置で所定の溶体化処理を終えた後は、図示する如く、断熱構造体７内に収納した状態で水槽９の上方へ移送し、処理品ＡをバスケットＢ（他の収納具でももちろん可能）と共に水槽９内へ浸漬して水クエンチを行う。この間、処理品Ａは断熱構造体９で保温されているので、移送時の温度効果も可及的に抑えられるが、溶体化処理位置から処理品Ａを取り出し大気中で水クエンチするまでの時間は、この間の降温を更に抑えるため、１５秒以内に行うことが望ましい。
【００４５】
尚、前述した如く、「ＨＩＰ処理に先立って、処理品ＡをＨＩＰ処理温度近傍まで予熱し、次いで加圧して所定時間保持した後、処理品Ａの温度を保持したまま減圧し、そのまま溶体化処理、クエンチ、時効処理を順次行う方法」を実施し、気孔除去による真密度化のみを目的としてＨＩＰ処理を行う場合は、ＨＩＰ処理時の保持時間を１０〜１５分程度まで短縮することが可能となる。すなわち一般的に行われるＨＩＰ処理時の保持工程は、処理品の内部温度を炉内雰囲気温度まで高めガス圧力によって気孔を圧潰する現象と、圧潰後に元の気孔の内表面を互いに拡散接合させ、更には、析出物を拡散させて均質化する現象を進行させる工程を含んでおり、工業的に実施されている保持時間は１〜３時間程度が通例であるが、この内の大半は前者、即ち処理品Ａを炉内雰囲気温度まで昇温させるための時間として費やされる。従って、ＨＩＰ処理の前の予熱操作で温度を十分に高めておけば、この間の時間を短縮することができる。
【００４６】
一方、気孔欠陥の密着や析出物の拡散については、気孔欠陥や析出物の大きさにもよるが、大抵の場合は１０〜１５分程度で十分な密着と拡散効果を得ることができる。
【００４７】
結論として、ＨＩＰ処理時の圧力保持時間をこの程度まで短縮することが可能となる。前掲の図４は、この様な予熱操作を行った場合における温度・圧力の操作工程を例示したもので、この様な操作を行うことで、ＨＩＰ処理工程のみとしては１〜２時間で処理を終えることが可能となる。このＨＩＰ処理時間に見合う様に溶体化処理炉や時効処理炉の台数を選定し、より好ましくは少なくとも時効処理炉については、図示する如くトンネル型の連続式時効処理炉を使用すれば、１〜２時間サイクルでＨＩＰ処理と熱処理を行うことができ、しかも、気孔欠陥がなく機械的特性に優れ、且つ信頼性の高い製品を高歩留りで生産性よく製造することが可能となる。
【００４８】
なお本発明の方法は、前述した特徴を活かして種々のＡｌ合金鋳造品、具体的には、Ａｌ−Ｓｉ，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｍｇ，Ａｌ−Ｃｕ−ＭｇなどのＡｌ合金鋳造品の改質に有効に活用できる。中でも、砂型鋳造された単重５ｋｇ以上の比較的大きな析出硬化型Ａｌ合金鋳造品に適用すると、これらは結晶粒が大きく気孔状欠陥や析出物も大きいので、該気孔状欠陥をなくすと共に析出物を微細分散させて改質するための技術として、本発明の特徴を一層有効に活かすことができる。
【００４９】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも可能であり、それらは何れも本発明の技術的範囲に包含される。
【００５０】
ＪＩＳ ＡＣ４ＣＨ合金（Ａｌ−７％Ｓｉ−0.35％Ｍｇ）を用いて舟形のテストピース（台形断面で底辺が４０ｍｍおよび２０ｍｍ、高さが４０ｍｍ、長さが約２００ｍｍ）を砂型鋳造し、従来技術および本発明に従って改質処理することにより、機械的特性、生産性および加熱電力の消費量の評価を行った。基本的な処理温度等は、ＨＩＰ処理；５２０℃×１００ＭＰａ、溶体化処理；５３０℃、水クエンチ；水温６０℃、時効処理温度；１７０℃とした。
【００５１】
比較例１
図１に示した温度・圧力操作条件に従って処理を行った。ＨＩＰ処理には、最高到達温度・圧力が１４００℃×１５０ＭＰａであるモリブデンヒーター使用の大型ＨＩＰ装置を使用した。被処理品をＨＩＰ装置内へ装入し、約１時間かけてＨＩＰ装置内を真空引きしてガス置換を行った後、同時に昇温、昇圧した。この間、圧縮機の性能の関係で１００ＭＰａまで昇圧するのに２時間３０分を要した。温度・圧力を５１５℃×１００ＭＰａで２時間保持した後、加熱電力を遮断して２５０℃まで自然放冷し、ガスを回収しつつ放圧した。放圧後の処理品の温度は、放圧によるガスの断熱膨張によって降下し約５０℃となった。この状態で処理品を取り出した。この間の処理品装入から取り出しまでの時間は８時間であった。
【００５２】
処理品を熱処理設備のある工場へ移送した後、熱処理用のバスケットに収納して溶体化処理炉へ装入し８時間の溶体化処理を行い、その後水クエンチを行った。次いで室温に３時間放置した後、時効処理炉へ装入して１０時間の時効処理を行った。この間の一連の熱処理（Ｔ６処理）に要した時間は２２時間であり、ＨＩＰ処理から熱処理終了までの時間は、ＨＩＰ処理から熱処理設備までの移送時間を除外しても３０時間強を要した。
【００５３】
処理品の機械的特性を、回転曲げ疲労試験による疲労強度測定によって調べたところ、１０7サイクルでの疲労強度は約１１８ＭＰａであった。
【００５４】
なお加熱に消費した電力は、ＨＩＰ装置で１５０ｋｗｈ、溶体化処理炉で２００ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈであり、全体で約４５０ｋｗｈであった。
【００５５】
実施例１
図３に示した温度・圧力条件に従って改質処理を行った。なお被処理品は、ムライト系のセラミックス繊維からなる厚さ３ｍｍのブランケットで被包した状態で処理に供した。ＨＩＰ処理には、最高到達温度が１２００℃、最高到達圧力が１００ＭＰａである、Ｆｅ−Ａｌ合金ヒーターを用いた高温開放可能なＨＩＰ装置を使用した。
【００５６】
被処理品を前記ブランケットで被包した状態でＨＩＰ装置内へ装入した後、約３０分かけて真空引きとガス置換を行い、その後約２時間で同時に昇温・昇圧して５２０℃×１００ＭＰａとし、同条件で２時間保持した。保持後、温度を５３０℃に昇温しつつ、ガスを回収しながら放圧することにより、約４５分で大気圧間まで降圧した。温度を５３０℃に保った状態でＨＩＰ装置を開放し、ブランケットで被包された状態の処理品を大気中へ取り出し、溶体化処理位置まで移送した。ＨＩＰ装置での占有時間は約５時間３０分であった。
【００５７】
溶体化処理炉では５３０℃で５時間保持した後、ブランケットで包まれた状態の処理品を大気中へ取り出し、３０秒以内に温度６０℃の水クエンチ用水槽内に浸漬した。その後、水槽から取り出し被包したセラミックス繊維ブランケットを取り除いてから室温で３時間放置し、その後、時効処理炉へ装入して１０時間の時効処理を行った。ＨＩＰ処理から熱処理終了までに要した時間は２４時間であり、前記比較例１に比べると６時間（約２０％）の時間短縮ができた。
【００５８】
得られた改質処理品について、前記比較例１と同様にして疲労試験を行ったところ、１０7サイクルでほぼ同じ疲労強度を有していることが確認された。
【００５９】
なおこの間の加熱に要した電力は、ＨＩＰ装置で１５０ｋｗｈ、溶体化処理炉で１２５ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈの総計３７５ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて約７５ｋｗｈ（約１７％）の省エネルギー効果が得られた。
【００６０】
実施例２
前記実施例１と同様の装置を使用し、ＨＩＰ処理時の保持条件を５３０℃×１００ＭＰａ、保持時間を３時間として改質処理を行い、その後、温度を５３０℃に保持したまま放圧してから処理品を水クエンチした。次いで、前記実施例１と同様の時効処理を行ってから疲労強度の評価を行った。この間のＨＩＰ処理から熱処理終了までの所要時間は約１９時間３０分であり、前記比較例１に比べて約２／３の時間で処理できた。また、同様にして行った疲労強度の評価結果は、１０7サイクルで１２０ＭＰａであり、比較例１で得たものと同等以上であった。また加熱に消費した電力は、ＨＩＰ装置で２００ｋｗｈ、時効処理炉で１００ｋｗｈ、総計は３００ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて１５０ｋｗｈ（約３３％）の省エネルギー効果が得られた。
【００６１】
実施例３
図５，６に示した構造のＨＩＰ装置と水クエンチ水槽を使用し、図４に示した温度・圧力条件で改質処理を行った。
【００６２】
被処理品を、ステンレス製のワイヤで製作されたバスケットに裸のまま装入してＨＩＰ装置の断熱構造体内へ収納し、専用の予熱用加熱装置により２時間かけて５３０℃まで昇温した後、同温度で３時間の保持した。内部を５３０℃に保持したまま、断熱構造体をＨＩＰ装置の下蓋に載置して処理品をＨＩＰ装置内へ装入した。次いで、約１５分で窒素ガス置換した後、圧縮機を用いて３０分で１００ＭＰａまで昇圧し、５３０℃で１時間保持した。保持後、温度を５３０℃に保持したまま、ガスを回収しつつ放圧して大気圧に戻した後、断熱構造体の内部温度を５３０℃に保持したまま予熱用加熱装置へ再度移送し、３時間保持した。
【００６３】
次いで、処理品の収納された断熱構造体を水クエンチ用水槽の上方へ移送し、処理品とバスケットを降下させ水（４０℃）に浸漬させて水クエンチを行った。その後、処理品を大気中に取り出し、室温で３時間放置して乾燥させた後、処理品を時効処理炉内へ装入して前記実施例１と同様の時効処理を行った。予熱開始から熱処理終了までに要した時間は約２３時間であり、比較例１に比べて約7時間の時間短縮ができた。得られた処理品の疲労強度特性は、比較例１で得た処理品の特性とほぼ同等であった。
【００６４】
また加熱に要した電力は、ＨＩＰ装置の断熱構造体の放熱量が少ないことから、ＨＩＰ装置で１００ｋｗｈ、予熱および溶体化処理装置で７２ｋｗｈ、時効処理で１００ｋｗｈの総計２７２ｋｗｈであり、前記比較例１に比べて１７８ｋｗｈ（約４０％）の省エネルギー効果が確認された。なお、ＨＩＰ装置における高圧容器の占有時間は約２時間３０分であり、複数の断熱構造体を準備することにより、比較例１の場合に比べてＨＩＰ処理品の生産性を少なくとも３倍以上に高め得ることが判明した。また、保持時間を１５分程度まで短縮すれば、コスト高につくＨＩＰ装置の占有時間を１時間程度まで短縮可能であり、ＨＩＰ処理部分の処理コストもこれに伴って大幅に低減できることが明白である。
【００６５】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、Ａｌ鋳造品のＨＩＰ処理を所謂Ｔ６処理（溶体化処理＋クエンチ＋時効処理）と組み合わせて極めて容易に効率よく行うことができ、ＨＩＰ処理後に再加熱してから溶体化処理していた従来例に比較して再加熱による溶体化処理が不要となり、生産性を大幅に高めることができる。
【００６６】
また技術的には、ＨＩＰ処理によって当然に期待される気孔欠陥の消滅による延性や疲労寿命の改善はもちろんのこと、針状析出物の影響とされる疲労寿命の低下を回避することができ、極めて信頼性の高い鋳造製品を得ることができる。また処理工程の簡素化に伴って、製造時間の短縮、ひいては製造コストの低減により多大な経済的利益を享受できる。
【００６７】
更に本発明と、本出願人が先に提案したＡｌ合金鋳造品専用のＨＩＰ装置（特願2002-140767号）を組み合わせて実施すれば、予熱や溶体化処理をより効率よく実施することができ、ＨＩＰ処理コストを従来のＨＩＰ処理の1/10程度以下にまで激減できる。その結果、従来は処理コストの制約からＨＩＰ処理の適用が困難とされてきた自動車部品用Ａｌ鋳造部品への実用化にも道が開けることとなった。更に加えて、前述した機械的特性の改質効果により、鋳造部品の設計面での部品の薄肉化も容易となり、自動車部品などの軽量化やそれに伴う省エネルギー効果と排気ガス低減等の効果も享受し得るなど、自動車分野を始めとする様々の分野で幅広く有効に活用できる。
【００６８】
しかも本発明の方法は、溶融塩の如き環境汚染の原因となる圧力媒体を使用しないクリーンなプロセスであるから、今後の環境問題への要請にも十分に応えることのできる有用な方法として普及が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】鋳造品の改質に従来から採用されているＨＩＰ処理→溶体化処理→時効処理からなる一連の処理法を例示する説明図である。
【図２】鋳造品の改質に従来から採用されている他の処理法を例示する説明図である。
【図３】本発明で鋳造品の改質に採用されているＨＩＰ処理→溶体化処理→時効処理からなる代表的な処理法を例示する説明図である。
【図４】本発明で鋳造品の改質に採用されている溶体化処理（＋ＨＩＰ処理）→時効処理からなる他の処理法を例示する説明図である。
【図５】本発明を実施する際に使用されるＨＩＰ処理から時効処理に亘る一連の処理ステーションの具体例を示す概略説明図である。
【図６】本発明を実施する際に好ましく採用されるＨＩＰ装置と水クエンチ水槽を組み合わせた専用の処理設備を例示する概略断面説明図である。
【符号の説明】
１ ＨＩＰ装置本体
２ 溶体化処理用加熱装置
３，９ 水クエンチ水槽
４ トンネル型時効処理炉
５ 搬送台車
６ 搬送レール
７ 断熱構造体
８ 吊下げ用ワイヤ
１ａ 高圧円筒
１ｂ ＨＩＰ容器上蓋
１ｃ ＨＩＰ容器下蓋
Ａ （被）処理品
Ｂ 通気・通液性バスケット
Ｆ ファン
Ｈ ヒーター
Ｍ モータ
Claims (2)
- Ａｌ合金鋳造品に温度および圧力を作用させて機械的特性を改質するに当り、
該Ａｌ合金鋳造品を断熱構造体内に入れた状態で高温・高圧ガス雰囲気下で処理する工程と、
該処理品を該断熱構造体内に入れた状態で、該処理品の温度を溶体化処理温度に保持した状態で減圧し、溶体化処理を行う工程と、
クエンチおよび時効処理を行う工程と
を順次実施することを特徴とするＡｌ合金鋳造品の改質法。 - 前記高温・高圧ガス雰囲気下で処理する工程に先立って、前記Ａｌ合金鍛造品を予め該処理温度近傍に予熱する工程を更に含み、該予熱は、該Ａｌ合金鍛造品を前記断熱構造体内に入れた状態で行われる請求項１に記載の改質法。
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