JP4224676B2 - アルミニウム合金の鍛造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用サスペンション部品のように大きな反りがある三次元的に複雑な形状の部品を製造するに適したアルミニウム合金の鍛造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車体軽量化の観点から自動車部品のアルミニウム合金化が推し進められており、例えば自動車用のサスペンション部品であるアッパア−ム，ロアアーム，ナックル等についてもアルミニウム合金の熱間型鍛造品が用いられるようになっている。これらは昨今の自動車の高性能化とともに形状が複雑化しており、場合によっては、図１に示すように、他部品との干渉を防ぐために反りの大きい部品が設計されている。それらの部品は、強度を保つために外縁部は厚肉になっているが、軽量化のために中央部の肉厚は薄くなっている場合が多い。
丸棒状の鍛造素材から複雑な形状の製品を鍛造により製造しようとすると、多くの鍛造工程をこなす必要がでてくる。そのため、近年、製品投影形状に近いスライス断面形状が取れる鋳造棒（以下、「異形連鋳棒」と称す。）を鋳造し、それを切断したスライス材を鍛造することにより最終鍛造品を製造する手法が採用されるようになった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
連鋳棒には、その表皮部に逆偏析層と一体になった表面欠陥を含んだ外皮（以下、「黒皮」と称す。）が存在する。黒皮が製品部に巻き込まれた場合、伸びが低下しやすいことが知られている。特に反りがある三次元的に複雑な形状の製品を製造する場合は、鍛造の進行とともに図２に示すように素材端部が跳ね上がるので、製品内部に黒皮が巻き込まれやすい。この巻き込みを避けるため、通常丸棒などの鍛造素材は予め鍛造前に黒皮が切削除去されている。しかしながら、異形連鋳棒は断面形状が複雑であるために、黒皮の切削が難しく、コストがかかる。
【０００４】
黒皮が製品の内部に巻き込まれないようにするためには、鍛造の際に黒皮がバリとして製品の外に押し出されるように、スライス材断面形状を製品投影形状よりも大きくすることが考えられるが、スライス材の断面形状を大きくすると鍛造時のバリ量が多くなって材料歩留まりが悪くなる。なお、本明細書中に記載している「歩留まり」とは、投入材料の重量に対する鍛造完成品重量の割合である。
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、反りが大きく三次元的に複雑な形状のアルミニウム合金鍛造製品を、黒皮を巻き込むことなく、しかも歩留まりよく製造する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム合金の鍛造方法は、その目的を達成するため、アルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造し、その鋳造棒を鋳造進行方向とほぼ垂直方向に切断したスライス材を素材とし、製品の平均板厚よりも大きい反りを有する製品を鍛造法で製造する際に、鋳造棒の鋳造進行方向とほぼ垂直な断面での断面形状を、最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状に近似するように設計し、鍛造の第１工程で、素材の側端に反りの変形を加えることなく素材中央部のみに、鍛造の第１工程で、鍛造プレスの作用方向が鍛造後に形成される反りの方向と略平行で、しかも素材端部のスライス面方向と略垂直となるような方向で鍛造し、素材の側端に反りの変形を加えることなく素材中央部のみに、最終製品の反りの３０％以上に相当する反りの変形を与えることを特徴とする。
反りを与える鍛造工程もしくはその前工程において、鍛造後の中間素材をそれの鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状が最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状より大きくなるように鍛造することが好ましい。
さらに、スライス材の断面形状を大きくする鍛造において、スライス材板厚よりも最終製品の板厚が薄くなる部分を、当該鍛造工程後の厚肉部の肉厚をＡ，当該鍛造工程後の薄肉部の肉厚をＢ，最終製品の厚肉部の肉厚をＣ，最終製品の薄肉部の肉厚をＤとしたとき、次式に示されるような関係になるように圧下を与える鍛造を行うと、鍛造欠陥がなく材料歩留まりのよい製品を得ることができる。
０．３（Ｃ−Ｄ）≦（Ａ−Ｂ）≦０．７（Ｃ−Ｄ）
【０００６】
【実施の態様】
以下、本発明の実施の態様について説明する。
本発明では、次の表１中（ａ）の態様に示すように、先ず鍛造最終製品の製品投影形状に近似したスライス断面形状をもつ異形連鋳棒を製造する。
図３に、異形連鋳棒と、その連鋳棒を鋳造進行方向とほぼ垂直方向に切断したスライス材を示す。異形連鋳棒断面形状としては、最終製品の投影形状よりも大きな形状とすることも可能であるが、鍛造の際の素材となるスライス材の断面形状が最終製品の投影形状よりも大きいと、歩留まりを良くするために連鋳材をスライスする際の切断板厚を薄くする必要がある。しかし、肉厚をあまり薄くすると製品の厚肉部が欠けてしまういわゆる欠肉が生じやすくなるので、スライス材の板厚を極端に薄くすることはできない。すなわち、スライス材の板厚下限は、最終製品の最大厚肉部に欠肉が発生しないことが基準となる。
【０００７】
また、異形連鋳棒の断面形状が大きくなるほど、鋳造割れ等の欠陥が発生しやすくなるので、鋳造が困難となる。そこで、表１中（ｂ）の態様に示すように、最終製品の投影形状と同形かあるいはわずかに小さい断面形状で異形連鋳棒を製造し、さらに黒皮をバリとして排出するための鍛造第１工程ですえ込み加工により素材投影形状を最終製品投影形状より大きくする方がコスト的にも好ましい。なお、表１中（ｃ）の態様に示すように、拡大させる鍛造は、反りを与える鍛造の前に行っても良い。
なお、製品形状に仕上げる鍛造は、通常荒地鍛造でほとんど製品形状に近い形状に鍛造し、その後の仕上げ鍛造で形状を整えている。
【０００８】

【０００９】
本発明では、鍛造工程での材料歩留まりの改善効果だけでなく、切断工程の材料歩留まりが改善される効果もある。すなわち、異形連鋳棒を切断してスライス材を得るとき、通常バンドソー等で切断しているが、発生する切り粉による損失を考慮すると、スライス材の板厚を厚くして切断回数を少なくした方が切削屑による歩留まり低下を少なくすることができる。ただし、スライス材の板厚が厚くなりすぎると、鋳肌面が多くなり黒皮量が増加する。そのため、黒皮をバリとして出すのが難しくなるので、異形鋳造棒の断面積は最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状の面積の０．９倍以上にすることが好ましい。
【００１０】
以上のように、スライス材の板厚を大きくとり、鍛造第１工程ですえ込むとき厚肉部はすえ込まずに厚みを残すようにして製品厚肉部の欠肉を回避する。なお、製品形状とする鍛造でさらに広がるので鍛造第１工程でのすえ込みは、幅を広げる部分の鍛造第１工程後の素材投影形状が最終製品投影形状よりも大きくなる程度で十分である。
図１に示されるように外縁部が厚肉で中心部が薄肉の形状品の場合、図４に示すように鍛造第１工程で中心部を予め薄く加工することにより、その肉を利用してさらに幅を広げるスライス材のすなわち異形連鋳棒の断面形状をさらに小さくすることができ、歩留まりはさらに向上する。この効果は、最終製品における〔（厚肉部の板厚）−（薄肉部の板厚）〕すなわち（Ｃ−Ｄ）を１００としたとき、鍛造第１工程後の〔（厚肉部の板厚）−（薄肉部の板厚）〕すなわち（Ａ−Ｂ）が３０以上であると効果的である。
【００１１】
ところで、外縁部が厚肉で中心部が薄肉の形状品を２段階で鍛造しようとする場合、第２段階目の鍛造時に、端部の圧下量に対して中心肉薄部の圧下量をある程度以上になるように設定しないと、変形とメタルフローの関係をコントロールできず、鍛造欠陥を生じることがある。その例を図５に示す。（ａ）のように端部の圧下量に対して中心肉薄部の圧下量がある程度以上あると、変形と図中矢印で示す外側へのメタルフローが調和し、欠陥を発生させることなく鍛造できるのに対して、（ｂ）のように圧下量がすくないと変形とメタルフローが調和せず、端部から中心部に向かうメタルフローが起こり、中心部に向かうメタルフロー同士がぶつかり合い、挫屈が起こって鍛造欠陥を生じることがある。
【００１２】
本発明者等が、鍛造第１工程での〔圧下量〕と上記のような鍛造欠陥の関係について予備的な実験を種々行って検討したところ、鍛造第１工程での薄肉部板厚減少量が所定量を超えると、図５（ｂ）のように、製品形状とする鍛造において、端部の圧下量に比べて中央部の圧下量が少ないので、端部から中心部に向かうメタルフローが起こり、中心部に向かうメタルフロー同士がぶつかり合い、挫屈が起こって鍛造欠陥を生じやすくなることを確認した。この圧下量に関して、図４中の符号を用いて説明すると、鍛造第１工程後の肉厚部の肉厚をＡ，鍛造第１工程後の薄肉部の肉厚をＢ，最終製品の肉厚部の肉厚をＣ，最終製品の薄肉部の肉厚をＤとしたとき、次式に示されるような関係とすることが好ましいことを見出した。
０．３（Ｃ−Ｄ）≦（Ａ−Ｂ）≦０．７（Ｃ−Ｄ）
なお、スライス幅を拡大する鍛造は、反りを与える鍛造途中で行っても良いし、反りを与える鍛造の前に行っても良い。
【００１３】
次に、本発明の最大の特徴である鍛造第１工程での反りの導入について説明する。
本発明の課題の項にも記載したように、反りがあり三次元的に複雑な形状の製品を鍛造する際、素材端部が跳ね上がり製品内部に黒皮が巻き込まれやすい。
そこで、本発明では、最終製品形状とする鍛造の前の鍛造の第１工程で、素材中央部のみに製品形状の反りの３０％以上に相当する反りを与えておき、素材の両端には反りを与えておかないことで、製品内部への黒皮の巻き込みを抑制できたものである。
【００１４】
その態様について詳しく説明する。
鍛造第１工程で、製品反りの３０％以上に相当するうねりまたは反りの変形を与え、中間の工程で最終製品形状に近づけておくと、その後の仕上げ鍛造工程での変形が行い易くなる。
図２の従来例で示すように、平板の状態から反りがある形状品を鍛造しようとすると素材端が跳ね上がる。跳ね上がった素材端を鍛造しようとすると、鍛造プレス作動方向はスライス材のスライス面に垂直な方向ではなく、素材端面を含んだ方向になる。このため、素材端面の黒皮が製品部に巻き込まれるようになる。しかしながら、図７の（ａ），（ｂ）に示すように、素材中央部に反りを加える工程を予め追加しておくことにより、荒地鍛造で最終製品と同じ反り量を与える鍛造を行う場合（図２の（Ｃ））と比べて図７の（ｄ）に示すように素材端の跳ね返りが小さくなって、素材のスライス面が鍛造プレス作動方向に対して大きく傾斜することがないために、黒皮のある素材端面の鋳肌面が鍛造金型の製品の形状形成部内に入らないので、製品の素材端面の黒皮を巻き込むことがなくなる。上記スライス材の断面形状を小さくできる効果と相俟って歩留まりを向上することができる。
この歩留まり向上効果は、鍛造第１工程で付加する反りが製品の反り（図６中、Ｆ／Ｅ）が３０％以上となったときに顕著となる。
【００１５】
本発明の実施の態様を再度説明すると、図７に示すように、鋳造棒の鋳造進行方向とほぼ垂直な断面での断面形状を、最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状に近似するように設計した連続鋳造棒から切り出したスライス材（ａ）を、鍛造の第１工程で最終製品の反りの３０％以上に相当する反りの変形を与えるように鍛造（ｂ）した後、最終製品形状の金型を用いて鍛造成形（ｃ）、（ｄ）し、最終製品の鍛造品を得る（ｅ）。
【００１６】
【実施例】
実施例１：
ＪＩＳ ６０６１のアルミニウム合金を、図３に示した形状（断面積３７０００ｍｍ²）に半連続鋳造した。得られた鋳塊を均質化処理した後、それぞれ３０ｍｍの厚さに切断した。
得られた素材について、３工程の熱間鍛造［鍛造第１工程（反りを与える工程）→荒地鍛造（最終製品に近い形状にする工程）→仕上げ鍛造］を行い、図１に示す形状（投影断面積３７０００ｍｍ²，反り６０ｍｍ，中央肉薄部肉厚８ｍｍ，外縁厚肉部肉厚３５ｍｍ）の鍛造品を得た。
その際、鍛造第１工程で与える反りの量を各種変更して行った。なお、最終製品で反り量が６０ｍｍになるように荒地鍛造の際に残りの反り量を与えた。そして、鍛造品の外観を目視観察し、鍛造第１工程での反りの量に応じて得られて黒皮の巻き込みの有無を確認した。
その結果を表２に示す。
【００１７】

【００１８】
表２に見られるようように、鍛造第１工程で３０％以上の反りを与えた鍛造材では、最終製品において黒皮が見つからなかったのに対して、比較例である０％，２０％の鍛造品では、黒皮が確認された。
これは、鍛造第１工程で与えた反り量が小さいために、最終製品と同じ反り量を与える荒地鍛造において端部の跳ね上がりが大きく、そのため黒皮のある端部の一部が、荒地鍛造金型の製品形状形成部の中に入ってしまったためである。
【００１９】
実施例２：
ＪＩＳ ６０６１のアルミニウム合金を、図３に示した形状（断面積３３６００ｍｍ²）に半連続鋳造した。得られた鋳塊を均質化処理した後、それぞれ３３ｍｍの厚さに切断した。
得られた素材について、３工程の熱間鍛造［鍛造第１工程（反りを与える工程）→荒地鍛造（最終製品に近い形状にする工程）→仕上げ鍛造］を行い、図１に示す形状（投影断面積３７０００ｍｍ²，反り６０ｍｍ，中央肉薄部肉厚８ｍｍ，外縁厚肉部肉厚３５ｍｍ）の鍛造品を得た。
その際、鍛造第１工程で反り（反り量６０％、鍛造第１工程後の素材端部のスライス面方向と鍛造プラス作動方向の角度９０度）を与えるとともに、最終製品の中央薄肉部に相当する部分を圧下し、その圧下量［＝（鍛造後の厚肉部板厚−鍛造後の薄肉部板厚）／（最終製品の厚肉部板厚−最終製品の薄肉部板厚）］を各種変化させ、投影断面積を拡げることを図った。なお、その後、最終製品の反り量が６０ｍｍで所望の肉厚になるように荒地鍛造を行った。そして、鍛造品の外観を目視観察し、鍛造欠陥の有無を確認した。
その結果を表３に示す。
【００２０】

【００２１】
表３に見られるように、鍛造第１工程で圧下量が３０％，５０％，７０％の鍛造材では、最終製品において鍛造欠陥は観察されなかったのに対して、比較例である圧下量８０％，９０％の鍛造品では、鍛造欠陥が確認された。
これは、鍛造第１工程で与えた圧下量が大きすぎたために、最終製品と同じ形状にする荒地鍛造において圧下量が少なくなったために中心部に向かうメタルフローが生じたためである。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明により、半連続鋳造法により鋳造したアルミニウム合金を素材として、反りがあるような三次元的に複雑な形状品を鍛造法で製造する場合、その鋳造体の断面を最終製品の鍛造プレス作動方向へ投影した形状に近似した形状に設計し、その鋳造体の最終製品に近似した断面にスライスしたものを素材とし、鍛造の第１工程で最終製品の反りの３０％以上に相当する反りの変形を与えるように鍛造した後、最終製品形状の金型を用いて鍛造成形し、最終製品の鍛造品を得るようにしたので、スライス材端面に残る黒皮が最終製品中に巻き込まれることが防止され、歩留まりが格段に向上する。
さらに、素材の厚さよりも薄肉部を有する製品を鍛造する際に、鍛造の第１工程での圧下量を調整することで鍛造欠陥を回避することができ、歩留まりの向上と製品の信頼性向上に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 アルミニウム合金製鍛造製品の形状を説明する図
【図２】 従来の鍛造工程を説明する図
【図３】 本発明で使用する異形連鋳棒およびそれをスライスしたスライス材の形状を例示した図
【図４】 本発明の第１工程で薄肉部を鍛造した後、最終鍛造するときの厚さの変化を説明する図
【図５】 異常メタルフローによる鍛造欠陥の発生状況を説明する図
【図６】 最終製品の反りと、鍛造の第１工程で付与する反りを説明する図
【図７】 本発明の鍛造工程を説明する図

Claims (3)

1. アルミニウム合金を半連続鋳造法により鋳造し、その鋳造棒を鋳造進行方向とほぼ垂直方向に切断したスライス材を素材とし、製品の平均板厚よりも大きい反りを有する製品を鍛造法で製造する際に、鋳造棒の鋳造進行方向とほぼ垂直な断面での断面形状を、最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状に近似するように設計し、鍛造の第１工程で、鍛造プレスの作用方向が鍛造後に形成される反りの方向と略平行で、しかも素材端部のスライス面方向と略垂直となるような方向で鍛造し、素材の側端に反りの変形を加えることなく素材中央部のみに、最終製品の反りの３０％以上に相当する反りの変形を与えることを特徴とするアルミニウム合金の鍛造方法。
2. 請求項１に記載の鍛造工程もしくはその前工程で、鍛造後の中間素材をそれの鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状が最終製品を鍛造時の鍛造プレス作動方向へ投影した形状より大きくなるように鍛造する請求項１に記載のアルミニウム合金の鍛造方法。
3. スライス材板厚よりも最終製品の板厚が薄くなる部分を、スライス材の断面形状を大きくする鍛造工程で、当該鍛造工程後の厚肉部の肉厚をＡ，当該鍛造工程後の薄肉部の肉厚をＢ，最終製品の厚肉部の肉厚をＣ，最終製品の薄肉部の肉厚をＤとしたとき、次式に示されるような関係になるように圧下を与える鍛造を行う請求項２に記載のアルミニウム合金の鍛造方法。
   ０．３（Ｃ−Ｄ）≦（Ａ−Ｂ）≦０．７（Ｃ−Ｄ）

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