JP4457985B2 - 金属鍛造品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、歪みの発生が少ない金属鍛造品の製造方法に関する。

近年、軽量化を目的として自動車などを構成する材料にアルミニウム、アルミニウム合金などが使用されてきている。アルミニウム合金は熱間鍛造によりワークを成形後、Ｔ６処理などの焼き入れを含む熱処理により強靱化して用いており、単位質量当たりの強度に優れている。

ところで、アルミニウム合金からなるワークに熱処理を行うに当たり、歪みや変形が生じることがあった。特に、溶体化処理後の急冷処理時に変形が生じることがあった。Ｔ６処理ではアルミニウム合金の組織変態は生起しないので、変形の原因としては急冷処理時の冷却速度のばらつき、むらが原因であると推察された。

そこで、焼き入れ時の水温を高温化して冷却速度を遅くして温度のばらつきを低減したり、熱処理時の姿勢を最適化することで高温時のクリープ変形を抑制することで、歪みなどの発生を抑制することが行われていた。
特開２００２−２０５２２３号公報 特開平６−２４０２８４号公報 特開２００２−３５６７５６号公報

しかしながら、上述の熱間鍛造による金属鍛造品の製造方法における歪みなどの低減方法は根本的な方法ではなく、満足な歪み低減効果が得られないことがあった。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、歪みなどの発生を効果的に抑制できる金属鍛造品の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する目的で本発明者らは鋭意研究を行った結果、熱間鍛造時に用いる潤滑剤が熱処理時に発生する歪みや変形の原因であることを発見した。すなわち、詳しい試験結果は実施例において後述するが、ワーク表面に付着した潤滑剤が熱処理時の冷却速度のばらつきを生じ、結果として冷却速度の違いによる歪みなどの発生を招いていたことを発見した。

本発明は上記知見に基づき完成されたものであり、潤滑剤を用いて金属材料からなるワークを熱間鍛造する工程と、熱間鍛造後の該ワーク表面に付着した該潤滑剤のムラを改善する工程と、溶体化処理及び急冷処理を含む熱処理工程と、を有することを特徴とする金属鍛造品の製造方法である。

つまり、熱間鍛造時に用いる潤滑剤が熱処理時に表面にむら無く付着していることは期待できず、熱処理工程に含まれる急冷処理における冷却速度のばらつきを生じる結果になっているので、潤滑剤のムラを解消、改善することで、冷却速度のばらつきを抑えることに成功し、歪み、変形の発生を抑制することに成功した。

ここで、前記金属材料としては熱間鍛造が可能で、且つ、前記熱処理工程において材料の変態点を通過させずに材料特性が改善可能な材料が挙げられる。

特に、前記金属材料としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼から選択されることができる。

前記ムラ改善工程は前記ワーク表面に付着する前記潤滑剤を除去する工程を含むことができる。特に、熱間鍛造時の高温により潤滑剤が変質・固着する場合、潤滑剤を除去することで、ムラを改善することができる。例えば、超音波洗浄、ブラシなどによる洗浄などのほか、前記熱間鍛造工程により洗浄液の沸点以上の温度である前記ワークを該洗浄液中に浸漬させる工程を採用し、沸騰する際にワーク表面で生じる蒸気により、固着した潤滑剤をも剥離・除去することが可能になる。ここで、前記金属材料はアルミニウム合金である場合に、前記潤滑剤除去工程における前記ワーク温度は好ましくは４５０℃以下とすることで、急冷による歪みや変形の発生を抑制することができる。特に好ましいワーク温度は２００℃以上４００℃以下である。

また、前記ムラ改善工程は前記ワーク表面に均一に皮膜を形成する工程を含むことができる。ワーク表面に熱間鍛造で形成された潤滑剤のむらが冷却速度のばらつきを生じているので、ワーク表面にそのムラが問題にならない厚さ（熱抵抗）の皮膜を形成することで、冷却速度のばらつきを解消するものである。特にその皮膜は前記潤滑剤を塗布することで形成するものが望ましい。熱間鍛造時に用いている潤滑剤をそのまま使用することで、最終的な金属鍛造品から除去すべき皮膜が潤滑剤だけになって、処理がしやすくなるからである。

また、前記急冷処理は、バブリング乃至撹拌された焼き入れ液中に、前記ワークを浸漬する処理を採用することで、冷却速度が更に均一に近づき、歪みや変形の発生が抑制できる。

以上説明したように、上記構成を有することで、本発明の金属鍛造品の製造方法は、歪みや変形の発生を抑制することができる。特に、熱間鍛造工程後に、ワーク温度を制御した状態で焼き入れ液中に浸漬する工程や、ワーク表面に潤滑剤などによる皮膜を形成する工程によりムラを解消する工程は特に大がかりな設備を必要せず、低コストで最終製品に生ずる不具合を解消することが可能になる。

本発明の金属鍛造品の製造方法は熱間鍛造工程とムラ改善工程と熱処理工程とを有する。本発明の製造方法では金属材料からなるワークを対象としている。ここで、金属材料とは熱間鍛造による加工が可能な材料である。特に、熱処理工程において材料の変態点を通過させずに（つまり、組織変態を経ずに）材料特性が改善可能な材料が挙げられる。変態が起こると、変態に伴う膨張収縮量が支配となり、単に冷却速度ばらつきに伴う膨張収縮を抑制しても、歪み変形の低減効果は明確には認められないからである。

具体的な金属材料としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼が例示できる。ここで、アルミニウム合金、マグネシウム合金とはそれぞれアルミニウム、マグネシウムが主成分である材料である。例えば、アルミニウム合金としては２０１７、６０６１、６０６３、７０７５、マグネシウム合金としてはＺＫ６０Ａが例示できる。

熱間鍛造工程：熱間鍛造工程は熱間鍛造によりワークを成形する工程である。熱間鍛造工程は潤滑剤を用いて鍛造を行う以外、特に限定されるものではなく、通常の熱間鍛造を行う工程が採用できる。例えば、ワークを構成する金属材料や加工の種類・程度に応じて決定される温度（熱間状態）にまで加熱した後、成形型にて型鍛造を行う工程である。アルミニウム合金では４００℃から４８０℃程度で行われ、マグネシウム合金では３００℃から４００℃程度で行われ、オーステナイト系ステンレス鋼では９３０℃から１１３０℃程度で行われる。

潤滑剤も特に限定されるものではなく、通常、熱間鍛造に用いる潤滑剤が採用できる。例えば、バニーハイト、デルタフォージなどの黒色系潤滑剤やホットアクアルブやホワイトルブなどの白色系潤滑剤などである。

ムラ改善工程：ムラ改善工程は熱間鍛造後のワーク表面に付着している潤滑剤のムラを改善する工程である。潤滑剤は熱間鍛造工程時にワークの表面に付着させたものである。潤滑剤は熱間鍛造工程時のワークの姿勢などにより表面における付着量にムラが生じることが考えられる。潤滑剤は熱間鍛造工程時の高温によりワーク表面に強固に付着する場合もある。潤滑剤の熱伝導性はワークとは異なるので、表面に付着する量にムラがあると、ワークの冷却速度が表面の各部位でばらつきを生じることになる。

ムラ改善工程は潤滑剤の付着量のばらつきを平準化する工程（例えばワーク表面の潤滑剤を除去する工程や、新たに潤滑剤の皮膜を付着させる工程など）により実現できるほか、潤滑剤以外の材料で皮膜を形成する工程などで実現できる。ワーク表面に皮膜を形成する場合には冷却速度のばらつきが低減できるとの意味で均一に皮膜を形成する。

潤滑剤は界面活性剤などで表面を洗浄したり、ワーク表面をブラシなどでこすることなどで除去できる。更に、洗浄液中にその洗浄液の沸点以上の表面温度としたワークを浸漬することで、洗浄液を沸騰させて潤滑剤を除去することができる。特に、ワークの表面温度をある程度高くして洗浄液中に浸漬した場合にワーク表面で沸騰が生じるようにすることで、生じた蒸気により表面に強固に付着した潤滑剤も効果的に除去することができる。洗浄液としては水や、界面活性を含む水溶液などが例示できる。

ここで、加熱したワークを洗浄液中に浸漬する場合、熱処理工程における焼き入れ処理に相当する冷却条件となると、潤滑剤のムラが存在したまま焼き入れが行われたことになるので、潤滑剤除去工程において洗浄液中に浸漬する際のワーク温度はこの時の変形をできる限り小さくする目的で選択された温度範囲（アルミニウム合金の場合には望ましくは４５０℃以下、より望ましくは４００℃以下、更に望ましくは３５０℃以下である。マグネシウム合金の場合には望ましくは３００℃以下とする。）を採用することが望ましい。温度の調整は熱間鍛造工程時の温度を調整して行うほか、その後に再加熱することによっても行うことができる。ワーク温度の下限としては、洗浄液の沸点（洗浄液が水、水溶液の場合には１００℃）以上が望ましく、２００℃以上を採用することが更に望ましい。

ワーク表面に皮膜を形成することでムラを改善する方法としては潤滑剤を塗布乃至付着させて皮膜を形成する方法や、潤滑剤以外で皮膜を形成する方法などがある。潤滑剤はワーク表面にスプレーしたり、刷毛などで塗布したり、潤滑剤中にワークを浸漬したりすることでワーク表面に皮膜を形成できる。潤滑剤以外の材料についても潤滑剤と同様にしてワーク表面に皮膜が形成できる。ワーク表面に形成する皮膜は潤滑剤の付着量が少ない部分を補うように形成するほか、全体として皮膜の量を熱間鍛造工程により付着する量よりも多くすることでも、冷却速度のばらつきを低減できる。ここで、ワーク表面に皮膜を形成する場合に、ワークの温度が高い状態で皮膜の原料溶液（潤滑剤などの水溶液）を塗布することで被膜形成のために乾燥工程を設ける必要がなくなり好ましい。

熱処理工程：熱処理工程は溶体化処理及び急冷処理を含む以外は特に限定しない。溶体化処理の処理温度はワークを構成する金属材料の種類に依存する。例えば、アルミニウム合金を例にすると５００℃程度である。

溶体化処理後、ワークに対して急冷処理を行い焼き入れを行うが、急冷処理を行う焼き入れ液に対してバブリング、撹拌（超音波照射も含む）などを行うことで、焼き入れ液をむら無く沸騰可能になり冷却速度のばらつきが低減できるので望ましい。また、プラスチッククエンチ剤などの緩和剤を焼き入れ液中に含有させたり、焼き入れ液の温度を高くする（焼き入れ液が水系溶液の場合、６０℃以上、７０℃以上といった沸点に近い温度など）と、冷却速度のばらつきを低減できるので望ましい。焼き入れ液にはその他の添加剤を含有させることができる。急冷処理後に時効処理などの後処理を行うこともできる。

試験：図１（ａ）に示すような外形をもつワークＷについて変形の発生の大きさを検討した。ワークＷの材質はアルミニウム合金（６０６１）であり、長さ約５００ｍｍのカギ状部材であった。

まず、熱間鍛造により、ワークＷの外形を製造した（熱間鍛造工程）。ここで、熱間鍛造時におけるワークＷの向きは図１（ａ）に記載した通りとした。従って、ワークＷの表面に付着した潤滑剤の厚みは図１（ａ）の下方側が上方側より厚かった。熱間鍛造時のワークＷの温度は３００℃〜５００℃であった。

熱間鍛造工程後、実施例の試験試料はムラ改善工程を行い、比較例の試験試料はムラ改善工程を行わずに熱処理工程を行った。熱処理工程はいわゆるＴ６処理を採用した。すなわち、約１０℃／分で５２０℃まで昇温した後、約６０分間保持することで溶体化処理を行い、その後、焼き入れ液中にワークＷを浸漬することで焼き入れ工程を行った。その後、約５℃／分で１８０℃まで昇温した後、約１２０分間保持することで時効処理を行った。

ここで、ムラ改善工程としての潤滑剤除去工程を行った場合を実施例１の試験とし、被膜付着工程を行った場合を実施例２の試験とした。潤滑剤除去工程としては、熱間鍛造工程直後のワークＷの表面温度が３５０℃程度のときに洗浄液としての水中に浸漬することで行った。水中に浸漬すると、ワークＷの表面温度が３５０℃程度なので、ワークＷの表面にて突沸が生じ、表面に形成された潤滑剤が除去された。被膜付着工程としては、熱間鍛造工程直後のワークＷの表面温度が３５０℃程度のときに潤滑剤の水溶液をスプレーすることで行った。ワークＷの表面温度が高いので、潤滑剤の水溶液が速やかに乾燥した。

ムラ改善工程を行わない比較例としては、熱処理工程における急冷処理時のワークＷの姿勢及び焼き入れ液の温度により、比較例１（姿勢：横向き…図１（ａ）の姿勢、焼き入れ液の温度３０℃）、比較例２（姿勢：横向き、焼き入れ液の温度７０℃）、そして、比較例３（姿勢：縦向き…図１（ａ）の姿勢から反時計回りに９０°回転させた状態、焼き入れ液の温度７０℃）とした。

実施例１及び２はワークＷの姿勢は縦向きとし、焼き入れ液の温度は７０℃とした。また、実施例１−２及び実施例２−２として、それぞれ実施例１及び２の試験条件において焼き入れ液を撹拌しながら急冷処理する試験を行った。

その後、それぞれのワークＷについて図１（ｂ）に示すＡ、Ｂの長さを測定し、Ａ−Ｂを算出することで熱処理による変形の大きさを評価した。各実施例及び比較例の試験をそれぞれ２０回ずつ行い、平均値と分散とを算出した。結果を表１に示す。

結果：比較例１と比較例２との比較から、焼き入れ液の温度は高い方（７０℃）が好ましいことが判った。焼き入れ液の温度が沸点に近い方が容易に沸騰するので、ワークＷの表面における沸騰（すなわち冷却速度）のムラが少なくなるからと考えられる。

比較例２及び３の比較から、焼き入れ時の姿勢は縦方向の方が横方向よりも変形が少なく好ましいことが判った。縦方向の方が、ワークＷの図１（ａ）上下方向それぞれの表面が焼き入れ液と接するタイミングが揃うので、冷却速度のばらつき（ワークＷの図１（ａ）上下方向それぞれの表面の冷却速度がばらつくこと）を小さくできるものと考えられる。

実施例１及び２と比較例３との比較から、ムラ改善工程を有する方が変形が少なく且つ分散の大きさも小さく好ましいことが判った。特に実施例１の方が平均値の大きさ、分散の大きさともに小さく好ましいことが判った。更に、焼き入れ液を噴流によって撹拌している実施例１−２及び実施例２−２の方が変形の平均値及び分散のいずれについても小さく更に望ましいことが判った。

変形原因の確認試験：ここで、比較例１の試験と同じ条件において、焼き入れ液中にワークＷを浸漬した際のワークＷの表面温度を経時的に測定した。結果を図２に示す。ワークＷの表面の初期温度は５５０℃とした。その結果、潤滑剤が厚く付着している側（図１（ａ）の下方側）の方が薄く付着している側（図１（ａ）の上方側）よりも冷却速度が遅く、その結果、ワークＷ全体としても冷却速度にばらつきが生じるので変形が生じることが示唆された。変形が発生する向きについても冷却速度のばらつきで説明可能であった。つまり、ワークＷの表面に付着している潤滑剤にムラがあるために、ワークＷの冷却速度にばらつきが生じる結果、ワークＷに変形が生ずるものと考えられる。

実施例において実際に用いたワークの外形を示した図（ａ）及び変形の大きさの測定部位を示した図（ｂ）である。 実施例における比較例１のワークを焼き入れする際の表面温度の経時変化を示している。

Claims (10)

1. 潤滑剤を用いて金属材料からなるワークを熱間鍛造する工程と、
   熱間鍛造後の該ワーク表面に付着した該潤滑剤のムラを改善する工程と、
   溶体化処理及び急冷処理を含む熱処理工程と、を有することを特徴とする金属鍛造品の製造方法。
2. 前記金属材料は熱間鍛造が可能で、且つ、前記熱処理工程において材料の変態点を通過させずに材料特性が改善可能な材料である請求項１に記載の金属鍛造品の製造方法。
3. 前記金属材料は、アルミニウム合金、マグネシウム合金、オーステナイト系ステンレス鋼から選択される請求項１又は２に記載の金属鍛造品の製造方法。
4. 前記ムラ改善工程は前記ワーク表面に付着する前記潤滑剤を除去する工程を含む請求項１〜３のいずれかに記載の金属鍛造品の製造方法。
5. 前記潤滑剤除去工程は前記熱間鍛造工程により洗浄液の沸点以上の温度である前記ワークを該洗浄液中に浸漬させる工程である請求項４に記載の金属鍛造品の製造方法。
6. 前記金属材料はアルミニウム合金であり、
   前記潤滑剤除去工程における前記ワーク温度は４５０℃以下である請求項５に記載の金属鍛造品の製造方法。
7. 前記潤滑剤除去工程における前記ワーク温度は２００℃以上４００℃以下である請求項６に記載の金属鍛造品の製造方法。
8. 前記ムラ改善工程は前記ワーク表面に均一に皮膜を形成する工程を含む請求項１〜７のいずれかに記載の金属鍛造品の製造方法。
9. 前記皮膜は前記潤滑剤を塗布することで形成する請求項８に記載の金属鍛造品の製造方法。
10. 前記急冷処理はバブリング乃至撹拌された焼き入れ液中に前記ワークを浸漬する処理である請求項１〜９のいずれかに記載の金属鍛造品の製造方法。

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