JP5209892B2

JP5209892B2 - アルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法

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Publication number: JP5209892B2
Application number: JP2007088796A
Authority: JP
Inventors: 繁信安永; 佳也稲垣; 昌亮西畑; 千尋北本; 学中井
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008248283A

Description

本発明は、ソフトスポットおよび歪みが発生するのを抑制しつつ、効率的な焼入れ処理を行うことが可能なアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法に関するものである（以下、アルミニウムをＡｌとも記載する）。

近年、自動車の燃費向上の観点からの車体軽量化のために、自動車の足回り部品には、ロアーアームあるいはアッパーアームなどのサスペンションアームに代表される、アルミニウム合金製鍛造部品が用いられるようになっている。このようなサスペンションアームなどの足回り部品は、アルミニウム合金を溶製した鋳造棒を熱間鍛造して製造される。

これらアルミニウム合金製足回り部品の採用拡大に伴い、鋳造棒を熱間鍛造してアルミニウム合金鍛造材（以下、単に鍛造材とも言う）を生産するラインでは、月産数十万本にものぼるサスペンションアームを大量生産する。このような大量生産ラインは、例えば特許文献１（図１、図２）などに開示されている。即ち、サスペンションアームに合わせた比較的小径のアルミニウム合金の鋳造棒を連続的に鋳造し、均質化熱処理を経て、メカニカル鍛造、油圧鍛造などの熱間鍛造（型鍛造）するまでの多くの工程を自動化して、高効率化している。

生産されるＡｌ合金サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）１は、図２に全体形状を例示する通り、略三角形の全体形状からなる。そして、各三角形の頂点部分に、サブメンバなどの車体側に係合される車体側係合部として、ボールジョイントやブッシュの圧入部などのジョイント部５ａ、５ｂ、5 ｃを有しており、これらをアーム部２ａ、２ｂ、２ｃで各々繋いだ全体形状を共通して有している。ただ、このＡｌ合金サスペンションアームの具体的な形状は、車種に応じて、種々異なるものが使用されている。

また、サスペンションアームには、ＡＡ乃至ＪＩＳの規格で言う６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）などの高強度で高靱性のＡｌ合金鍛造材が使用されている。６０００系Ａｌ合金は、高強度で高靱性で、耐食性にも比較的優れている。また、合金元素量が少なく、スクラップを再び６０００系Ａｌ合金溶解原料として再利用しやすい点で、リサイクル性にも優れている。

前記ラインにて熱間鍛造されたＡｌ合金サスペンションアームは、その後、溶体化および焼入れ処理と人工時効硬化処理との所謂調質処理が施されて製品とされる。Ａｌ合金サスペンションアームでは、要求される高強度、高靭性を実現するために、６０００系Ａｌ合金組成や鍛造におけるミクロ組織の制御とともに、上記溶体化および焼入れ処理と人工時効硬化処理との調質処理が重要となる。

また、前記した通り、Ａｌ合金サスペンションアームの生産ラインでは、月産数十万本にものぼる大量生産を行うために、この調質処理工程の効率化も重要である。このため、サスペンションアームなどの比較的小型の鍛造材を効率よく調質処理するために、これら溶体化および焼入れ処理と人工時効硬化処理とは、これら比較的小型の鍛造材をケース内に多数配列収容して行われる。具体的には、鍛造材を収容したケースを、ケース内の鍛造材を移し替えることなく、ケースのまま、あるいはケースごと、溶体化処理炉、焼入れ処理水槽、人工時効硬化処理炉に入れて、各々処理する。

また、この内の焼入れ処理では、効率化のために、これら鍛造材を多数配列したケースを、１個ずつではなく、これらケース同士を、更に上下方向に段積みした状態で水槽の上方から水槽内に沈降させて焼入れ処理を行う。言い換えると、これら多数配列および段積みされた多数のアルミニウム合金鍛造材を、同時に焼入れ処理する。

しかし、このように、比較的小型の鍛造材を多数配列および段積みした場合、鍛造材に、部分的にソフトスポットが発生する問題がある。これは、上記効率化のための多数配列および段積みにより、ケース内の鍛造材は比較的密に配列されているためである。即ち、ケース内の配列および段積みのうちの、上段側や中央部側に位置する鍛造材には、新鮮な（低温の）冷却水が供給されるための十分な互いの空間（隙間、間隔）が確保されなくなる。このため、勿論、焼入れ水槽側の装置、設備条件にもよるが、下段側や周囲部側に位置する鍛造材などを冷却して一旦高温となった冷却水しか、これら鍛造材に接触しなくなる状態が起こりうる。

このソフトスポットは、図２に斜視図で一例を示す鍛造材１において、模式的に黒点６で示すように、表面が黒ずんでいるために、周りの部分とは区別して目視観察でき、文字通り、アルミニウム合金鍛造材に、部分的（局部的）に発生する焼入れ不良部分、未焼入れ部分である。このソフトスポット部分（部位）では、他の正常な焼入れ部分に比して、強度が低くなり、アルミニウム合金鍛造材の機械的性質などの均質性を阻害する。

このソフトスポットの問題は、鍛造材の０．２％耐力が３５０ＭＰａ以上の高強度なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金の場合など、より高強度なアルミニウム合金鍛造材の場合により影響が大きい。更に、鍛造材の用途が自動車サスペンションアームのような保安部品である場合に、このソフトスポットの問題は、製品化できるか否かの岐路となりうる。

なお、このソフトスポットの問題は、前記した高効率の焼入れ処理操業においてのみ起こり得る問題であり、また、このソフトスポットの問題が起こり得る、前記した高効率の焼入れ処理操業が実施されたのもごく最近である。例えば、同じ形状の鍛造材を、多数配列あるいは段積みなどせずに、鍛造材の互いの空間（隙間、間隔）が十分に確保されている状態で、同時に焼入れ処理を行った場合には、このようなソフトスポットの問題は起こりにくい。したがって、このソフトスポットの問題に対する対策の提案は、これまではあまり無い。

これに対して、焼入れ処理時のアルミニウム合金鍛造材のおよび焼入れ歪み発生に対しては、従来から種々提案されている。高強度で高靱性のＡｌ合金鍛造材になるほど焼入れ感受性は高く、あるいは焼入れ感受性を高く合金設計しており、焼入れ歪み発生に対する抑制策が必要となる。

例えば、焼入れ処理時のアルミニウム合金鍛造材を個々に拘束して歪みを抑制する、治具を用いることが提案されている（特許文献２、３参照) 。また、この特許文献２、３には、従来の方法として、エチレングリコールなどの添加剤を水に添加する焼入れ歪み防止対策も記載されている。
特開２００３−１９５３３号公報特開２００５−１４６４１５号公報特開２００５−１７７８６１号公報

特許文献２、３の焼入れ歪み防止治具は、鍛造材が円筒状形状など単純形状であり、この真円度を保持するためには有効である。ただ、この治具方式は、Ａｌ合金サスペンションアームなどの複雑形状で、しかも多量に生産され、更に、この形状が設計上種々変わるような鍛造材に対して、これらに応じた形状の治具を多量に用意すること自体が現実的ではない。また、鍛造材の拘束治具との接触部分では、冷却水との接触が絶たれ、前記ソフトスポットが発生してしまう可能性が高い。

また、前記エチレングリコールなどの添加剤を水に添加する焼入れ歪み防止対策では、特許文献２、３に記載されている通り、鍛造品に付着して新たな汚れとなる他、緩和はするが限界があり、歪みを完全には防止できない。

更に、通常では、焼入れ感受性が高い高強度なＡｌ合金鍛造材に対しては、特に、焼入れ処理槽の水温を高くして、焼入れ歪みを防止する。しかし、水温を高くすると、前記した、ケース内に鍛造材を密に配列して充填率を上げた高効率な焼入れ処理工程では、逆に、前記ソフトスポットの発生が著しくなる。即ち、特に焼入れ感受性が高い高強度なＡｌ合金鍛造材では、焼入れ歪み発生の防止とソフトスポットの発生防止とが、相矛盾する課題となる。

このため、実際問題としては、焼入れ処理工程においては、前記ケース内の鍛造材の充填率を下げて操業しているのが実情である。前記したように、鍛造材のケース内の鍛造材の充填率を下げ、鍛造材の互いの空間（隙間、間隔）が十分に確保されている状態で焼入れ処理を行った場合には、このようなソフトスポットの問題は起こりにくい。しかし、ケース内の鍛造材の充填率を下げた場合には、後工程である調質処理工程の処理能力自体が低下する。このため、Ａｌ合金サスペンションアームの大量生産で、多くが自動化されたラインにとっては、全体の生産体制や生産効率に与える影響が大きい。

即ち、これら従来の技術では、前記した高効率の焼入れ処理操業における、ソフトスポットの問題、焼入れ歪みの問題を、生産効率（焼入れ処理効率）を低下させずに、両方合わせて解決することができない。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたものであり、前記した高効率の焼入れ処理操業における、ソフトスポットおよび焼入れ歪みの発生を、生産効率を低下させずに、防止乃至抑制することが可能なアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法を提供することを目的とする。本発明は、ソフトスポットの問題が起こる、多数のアルミニウム合金鍛造材を同時に焼入れ処理する高効率の焼入れ処理を対象とし、このようなソフトスポットの問題が起こり得ない焼入れ処理を対象としない。

この目的を達成するため、本発明の要旨は、比較的小型のアルミニウム合金鍛造材を多数配列および上下方向に段積みした状態で水槽の上方から水槽内に沈降させて、これら多数のアルミニウム合金鍛造材を同時に焼入れ処理するに際し、水槽内の冷却水を強制的に給排する循環によって水温を３０〜７０℃に保持する他、水槽内のアルミニウム合金鍛造材に向けて水槽下方より供給するエアーの圧力を２〜１０ｋｇ／ｃｍ ² の範囲としたエアーバブリングを行い、気泡を水槽の上方に向けて上昇させて、前記多数のアルミニウム合金鍛造材の各々に対して接触せしめ、水槽内のアルミニウム合金鍛造材にソフトスポットおよび歪みが発生するのを抑制しつつ、焼入れ処理を行うことである。

前記アルミニウム合金鍛造材としては、ソフトスポットの問題が起こり得る高効率の焼入れ処理が施される、０．２％耐力が３５０ＭＰａ以上の高強度なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金であることが好ましい。そして、前記アルミニウム合金鍛造材用途としても、ソフトスポットの問題が起こり得る高効率の焼入れ処理が施される、自動車サスペンションアームであることが好ましい。

焼入れ処理に限らず、洗浄や表面処理などにおいて、洗浄や表面処理の促進や効率化のために、槽内の処理液を槽下方よりエアーバブリングして攪拌すること自体は、従来から周知である。即ち、従来のエアーバブリングの目的は、回転羽根（スクリュウ）などの機械的な攪拌手段と同様に、槽内の処理液の攪拌、循環である。

本発明においても、槽下方よりのエアーバブリングにより、結果的に、焼入れ水槽内の冷却水を攪拌、循環する効果があることは否定しない。但し、本発明では、エアーバブリングとは別のシステムによって、水槽内の冷却水を強制的に供給、排出する攪拌、循環を行い、水温を３０〜７０℃に保持する。これによって、前記高効率の焼入れ処理であっても、同時に処理される（配列された）全てのアルミニウム合金鍛造材の、冷却（焼入れ）速度を確保すると同時に、歪み発生を抑制する。

また、後述する実施例にて裏付ける通り、冷却水のみによる強制攪拌や強制循環だけでは、その強制攪拌や強制循環された冷却水が幾ら鍛造材に向かおうとも、前記した、ケース内に密な状態で配列され、高強度で焼入れ感受性が高い鍛造材では、ソフトスポットの発生を抑制できない。本発明の槽下方よりのエアーバブリングは、これまでの周知のエアーバブリングの目的にはない、アルミニウム合金鍛造材のソフトスポットの発生抑制、防止を目的とするものである。

このために、本発明の槽下方よりのエアーバブリングは、水槽内の鍛造材に向けて気泡を水槽の上方に向けて上昇させて、前記多数の鍛造材、より具体的には、前記ケース内に密に配列された状態の鍛造材に対して各々接触せしめる。

エアーバブリングによって、水槽の上方に向けて上昇する気泡は、周知の通り、上昇する上方に存在する障害物によらず、上方に向けて上昇しようとする性質がある。この気泡の性質によって、気泡は、前記高効率な焼入れ処理において、ケース内に密に配列された状態の鍛造材であって、配列された鍛造材同士の隙間（間隔）が狭くなった場合でも、その隙間空間を通過して、上方に向けて上昇しようとする。

これに対して、水（冷却水）は、鍛造材同士の隙間空間が狭くなった場合、その隙間空間を避けて、より広い隙間空間を通過しようとする性質がある。このため、エアーバブリングがない従来の冷却方式では、例え、冷却水を強制的に攪拌、循環させたとしても、やはり、冷却水は、鍛造材同士の狭い隙間空間を避けて循環することとなる。

この結果、前記高効率な焼入れ処理においては、焼入れ水槽側の装置、設備条件にもよるが、下段側や周囲部側に位置する鍛造材などを一旦冷却して、温度が高くなった冷却水しか、上段側や中央部側に位置する鍛造材には、供給されない状態が起こりうる。これが、前記高効率な焼入れ処理において、上段側や中央部側に位置する鍛造材に、新鮮な（低温の）冷却水が供給されず、ソフトスポットが発生する主因であると推考される。

ここで、エアーバブリングによる気泡には、気泡自身だけではなく、冷却水を連れて（同伴して）上方に向けて上昇する性質もある。このエアーバブリングによる気泡の作用によって、前記高効率な焼入れ処理において、密に配列された鍛造材同士の狭い隙間（間隔）にも、あるいは上段側や中央部側に位置する鍛造材にも、気泡とともに、常に新鮮な（低温の）冷却水が供給され、接触することとなる。即ち、上段側や中央部側に位置する鍛造材周囲に、温度が高くなった冷却水が滞留することなく、排出され、循環されることとなる。

これによって、前記高効率な焼入れ処理であっても、同時に処理される（配列された）全ての鍛造材の冷却（焼入れ）速度が確保されて焼きが入るとともに、個々の鍛造材においても、その配列位置によらず、部分的なソフトスポットの発生が抑制乃至防止される。

しかも、この高効率の焼入れ処理方法では、焼入れ処理がされる時間、言い換えると、このソフトスポットが発生するか否かの時間は、水槽内にアルミニウム合金鍛造材が投入された後、１秒間から、長くても２秒間である。このため、長くても２秒間の間に、同時に処理される（配列された）全ての鍛造材部位全般に亙って、冷却（焼入れ）速度が確保される必要がある。

本発明によれば、このような高効率な焼入れ処理であっても、水槽内の冷却水を強制的に供給、排出する循環によって水温を２０〜７０℃に保持する手段と、水槽内の鍛造材に向けて水槽下方よりエアーバブリングを行い、鍛造材の各々に対して接触せしめる手段によって、水槽内の鍛造材にソフトスポットおよび歪みが発生するのを抑制しつつ、焼入れ処理を行うことを可能とする。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（Ａｌ合金鍛造材）
先ず、本発明が対象とするＡｌ合金鍛造材の内、用途の代表例であるサスペンションアームの一般的な軽量化形状の一例を図２に斜視図で示す。このＡｌ合金サスペンションアーム１は、車種に応じて、種々異なるものが使用されるが、共通して、略三角形の全体形状からなる。各三角形の頂点部分には、ボールジョイントやブッシュの圧入部などのジョイント部５ａ、５ｂ、5 ｃを有しており、これらをアーム部２ａ、２ｂ、２ｃで各々繋いでいる。

アーム部２ａ、２ｂ、２ｃは、その幅方向の各周縁部 (両側端部) に、アーム部の各長手方向に亙って延在するリブ３ａ、３ｂ、３ｃと、その幅方向の中央部にウエブ４ａ、４ｂ、４ｃを有する。各リブ３ａ、３ｂ、３ｃは、自動車サスペンションアームでは、共通して、比較的幅狭で、肉厚が厚く、強度、靱性を確保する主部位となる。これに比して、各ウエブ４ａ、４ｂ、４ｃは、自動車サスペンションアームでは、共通して、各リブ３ａ、３ｂ、３ｃよりも薄肉で、例えば肉厚が１０ｍｍ以下の比較的広幅の部位であり、軽量化に寄与する。このため、アーム部２ａ、２ｂ、２ｃは、その幅方向の断面では、共通して、略Ｈ型の断面形状を有している。

以上のような全体構造や形状を前提として、自動車サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）では、焼入れ時の歪みはアーム部２ａ、２ｂ、２ｃに発生しやすく、焼入れ時のソフトスポットは、図２に６で示す通り、肉厚が厚く、強度、靱性を確保する各リブ３ａ、３ｂ、３ｃに発生しやすい。

(調質処理)
Ａｌ合金鍛造材の調質処理は、サスペンションアームなどとして、必要強度を保障できる強度、および、必要な靱性、耐食性を得るために、Ｔ６( 溶体化、焼入れ処理後、最大強さを得る人工時効硬化処理) 、Ｔ７ (溶体化、焼入れ処理後最大強さを得る人工時効硬化処理条件を超えて過剰時効硬化処理) 等の調質処理と処理条件 (温度、時間) を適宜選択して行う。

（焼入れ処理方法）
本発明の焼入れ処理方法の実施形態について、図１を用いて詳細に説明する。図１は、本発明アルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法の一態様を示す説明図である。図１において、前記図２で説明した自動車サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）１は、図の左側方向に位置する図示しない溶体化処理炉から移送（搬送）されて、焼入れ処理水槽１２において、溶体化処理後の焼入れ処理が行われ、次に、図の右側の方向に位置する図示しない人工時効硬化処理炉へと移送される。

この際に、比較的小形のＡｌ合金鍛造材１は、高効率化のために、ケース１０に多数（数本〜数十本×数列〜十数列）配列されて収容される（図示しているのは３本配列のみ）。ｔは、配列された鍛造材同士の横方向の狭い隙間（間隔）、あるいは段積みされた上下方向の狭い隙間（間隔）を示す。

そして、各上記処理毎にこのケース１０内の鍛造材１を移し替えることなく、ケース１０のまま、あるいはケース１０ごと、溶体化処理炉、焼入れ処理水槽１２、人工時効硬化処理炉に入れて、各々処理する。これによって、前記した、サスペンションアームの生産ラインにおける調質ラインとして、月産数十万本にも昇るＡｌ合金サスペンションアームの大量生産の効率を確保する。

図１において、１２は搬送用ローラ、１１はケース１０の台乃至台車である。なお、ケース１０は、水や気泡の給排（出入り）が自由であれば形状構造は自由であり、枠、金網あるいは多孔体など、熱処理操作にも耐えるような強度を有する、公知の金属製ケースからなる。

また、図１の焼入れ処理では、効率化のために、これら鍛造材１を多数配列したケース１０ａ、１０ｂを、１個ずつではなく、これらケース同士を、更に上下方向に段積みした状態で、水槽１２の上方から水槽内に沈降させて焼入れ処理を行う。即ち、これら多数配列および段積みされ、密に配列された多数の鍛造材１を同時に焼入れ処理する。

これらケース１０ａ、１０ｂは上下方向に段積みされた状態で、搬送（移送用）ローラー２０付きのリフター（昇降装置）１９に載置され、上方から水槽１２内に沈降され、水槽内の冷却水１３によって焼入れ処理される。また、焼入れ処理後は、そのままリフター１９を上昇させ、ケース１０ａ、１０ｂを水槽１２から取り出す。

ここで、このような高効率の焼入れ処理では、焼入れ処理がされる時間（ソフトスポットが発生するか否かの時間）は、前記した通り、鍛造材１の水槽１２投入後、長くても２秒間の非常に短時間で、浸漬する速度が非常に速い。

（水温）
図１の焼入れ処理水槽１２において、水槽底部には、上向きの循環水ノズル１８を先端に設けた（配列した）冷却水配管１７を設けている。これらに、図示しない系外のポンプや冷却槽などを加えて構成する、水槽内の冷却水を強制的に供給、排出する循環システムによって、水槽内の冷却水の水温を３０〜７０℃に保持する。

冷却水配管１７は、水槽１２の大きさと鍛造材の処理量（ケースへの充填量）に応じて、各鍛造材に均等に冷却水が回るように、水槽の下方乃至底部に水平方向に、複数本配列して良い。

水温が低すぎると、浸漬速度が非常に速い、このような高効率の焼入れ処理では、自動車サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）１のアーム部２ａ、２ｂ、２ｃに焼入れ時の歪みが発生しやすくなる。また、水温が高すぎると、浸漬速度が非常に速い、このような高効率の焼入れ処理では、逆に、自動車サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）１の肉厚が厚く、強度、靱性を確保する各リブ３ａ、３ｂ、３ｃに焼きが入りにくくなる。このため、上記冷却水の循環システムを用いて、水槽１２内の冷却水の水温を３０〜７０℃に保持する。

（エアーバブリング）
図１の焼入れ処理水槽１２において、水槽の下方乃至底部には、上向きの開口ノズル１６を先端に設けた（配列した）エアー配管１５を設けている。これらに、図示しない系外のコンプレッサなどを加えて構成する、エアーバブリング装置によって、水槽内の鍛造材１に向けて、水槽下方よりエアーバブリングし、多数の気泡１４を、水槽１２の水面が全面的に大きく泡立つ程度に、勢い良く上昇させる。

エアー配管１５は、水槽１２の大きさと鍛造材の処理量（ケースへの充填量）に応じて、各鍛造材に均等に気泡１４が当たるように、水槽の下方乃至底部に水平方向に、複数本配列して良い。

前記したエアーバブリングによる気泡１４の作用効果を発揮するためには、前記した通り、水槽１２の水面が全面的に大きく泡立つ程度に、勢い良く上昇させる必要がある。このためには、浸漬速度が非常に速い、このような高効率の焼入れ処理では、水槽１２の大きさにもよるが、供給するエアーの圧力を２〜１０ｋｇ／ｃｍ²の範囲とすることが好ましい。

供給するエアーの圧力が小さ過ぎると、焼入れ処理がされる時間（ソフトスポットが発生するか否かの時間）が、鍛造材１の水槽１２投入後、長くても２秒間の短時間である、前記鍛造材が密に配列された高効率の焼入れ処理方法では、このエアーバブリングによる気泡の作用を十分に発揮できない。即ち、浸漬速度が非常に速い中で、配列された鍛造材同士の狭い隙間（間隔）ｔにも、あるいは上段側や中央部側に位置する鍛造材にも、気泡１４とともに、常に新鮮な（低温の）冷却水が供給される効果が不十分となる。即ち、自動車サスペンションアーム（Ａｌ合金鍛造材）１の肉厚が厚く、強度、靱性を確保する各リブ３ａ、３ｂ、３ｃにソフトスポット６が発生しやすくなる。

一方で供給するエアーの圧力を高くしすぎると、水槽１２の泡立ちや波立ち現象が大きくなりすぎ、安定操業や操作ができなくなる。したがって、供給するエアーの圧力は前記２〜１０ｋｇ／ｃｍ²の範囲とすることが好ましい。

これによって、前記鍛造材が密に配列された高効率な焼入れ処理であっても、同時に処理される（配列された）全ての鍛造材１の冷却（焼入れ）速度が確保されて焼きが入るとともに、個々の鍛造材１においても、その配列位置によらず、ソフトスポット６の発生が抑制乃至防止される。

(アルミニウム合金)
本発明が対象とする自動車サスペンションアーム乃至アルミニウム合金鍛造材は、ＡＡ乃至ＪＩＳの規格で言う６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系) アルミニウム合金からなることが好ましい。

サスペンションアームは、軽量化の上で、ブッシュなどの他の鉄鋼部材などとの接合や、引張応力が負荷されて使用されるような、高強度や高耐久性、あるいは耐食性が必要である。例えば、０．２％耐力でいうと３５０ＭＰａ以上の高強度なものが要求されている。これに対して、６０００系Ａｌ合金は、これらの要求特性を兼備できるものである。また、６０００系Ａｌ合金自体も、合金元素量が少なく、スクラップを再び６０００系Ａｌ合金溶解原料として再利用しやすい点で、リサイクル性にも優れている。

この６０００系アルミニウム合金の中でも、６０００系Ａｌ合金の成分規格（ＪＩＳ６１０１、６１１１、６００３、６１５１、６０６１、６Ｎ０１、６０６３など) に相当、あるいは近似する組成のＡｌ合金が好ましい。

図２に示す形状の６０００系アルミニウム合金鍛造材（１本当たり、平均重量４５０ｇ、平均最大長さ１３５ｍｍ）を、図１に示した焼入れ処理装置を用いて、焼入れ処理条件を変えながら、高効率な焼入れ処理を行い、ソフトスポットおよび歪みの発生状況、焼きの入り具合を調査、評価した。これらの結果を表1 に示す。

試験した鍛造材のアルミニウム合金は、高強度で焼入れ感受性の高い６０００系アルミニウム合金とし、合金組成は、各例とも共通して、質量% で、Ｍｇ：０．９０％、Ｓｉ：０．８％の他、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉの若干量を各々含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物からなる６０６３系アルミニウム合金とした。

各例とも共通して、上記アルミニウム合金鍛造材１を、高効率化のために、ケース１０に１５本×３列＝合計４５本／ケース配列、収容した。配列、収容されたアルミニウム合金鍛造材１同士の横方向の平均隙間ｔは約４ｍｍであった。また、段積みされた上下方向の平均隙間ｔは約３３ｍｍであった。

そして、このケース１０内のアルミニウム合金鍛造材１を移し替えることなく、ケース１０ごと、溶体化処理炉、焼入れ処理水槽１２、人工時効硬化処理炉に入れて、各々処理した。焼入れ処理前後の調質は、各例とも共通して、Ｔ６処理として、溶体化処理は５６０℃×４時間行い、焼入れ処理後の人工時効処理は１９０℃×５時間行った。

図１の焼入れ処理では、高効率化のために、アルミニウム合金鍛造材１を上記のように４５個配列収容したケース１０ａ、１０ｂ同士を上下方向に段積みした状態で、水槽１２の上方から水槽内に沈降させた。即ち、これら４５本×２ケース＝９０本のアルミニウム合金鍛造材１を同時に焼入れ処理した。

この焼入れ処理の際に、各例とも共通して、図１のリフター１９は、ケース１０ａ、１０ｂ（９０本のアルミニウム合金鍛造材１）が完全に水槽１２内に浸漬する深さ１８００ｍｍまで、浸漬速度０．５ｍ／ｓで下降させた。なお、水槽１２の間口は一辺が１８８０ｍｍの四角形とした。

この焼入れ処理の際に、図１で各々説明した、エアーバブリングの有無、エアーバブリングの際の供給するエアーの圧力（ｋｇ／ｃｍ²）、冷却水強制循環（６ｍ³／ｍｉｎ）の有無、槽内冷却水平均温度（℃）を、表１に示すように、種々変えて試験した。この際、エアーバブリングの際の供給エアー圧力が２ｋｇ／ｃｍ²以上の発明例では、水槽１２の水面が全面的に大きく泡立った。これに対して、エアーバブリングの際の供給エアー圧力が１ｋｇ／ｃｍ²の比較例５では、水槽１２の水面中央部しか部分的に泡立たなかった。

なお、表１の比較例９は、上記冷却水の強制循環を行いつつ、エアーバブリングの代わりに、ケース１０ａ、１０ｂの一側方から、ケース１０ａ、１０ｂに向けて、冷却水を４ｍ³／ｍｉｎの割合でノズルにより注入した。

このＴ６処理後（人工時効処理後）の鍛造材の任意に選択した１０本（各ケースから５本ずつ）の平均０．２％耐力をＪＩＳ規定の引張試験方法に準じて測定し、４００ＭＰａ以上を○、４００ＭＰａ未満、３５０ＭＰａ以上を△、３５０ＭＰａ未満を×として評価した。なお、各ケース内（同じロット内）の鍛造材にホワイトスポットが発生するか、焼入れ歪みが生じたものは、人工時効処理および引張試験しなかった。

また、焼入れ処理した全ての９０本の鍛造材を目視観察して、特にリブ３ａ、３ｂ、３ｃなどにホワイトスポットの発生状態、アーム部２ａ、２ｂ、２ｃなどに焼入れ歪み発生状態を調査した。これらの結果も表１に示す。

表１から明らかな通り、発明例１〜４は、水槽内の冷却水の強制的循環、水温、エアーバブリングの条件が本発明範囲を満たしている。このため、ケース内に密な状態で配列され、高強度で焼入れ感受性が高い鍛造材であっても、リブ３ａ、３ｂ、３ｃを含めて、ソフトスポットおよび焼入れ歪みとも一切発生しておらず、高耐力な焼入れ性も得られていた。

これに対して、比較例５〜９は、水槽内の冷却水の強制的循環、水温、エアーバブリングのいずれかの本発明条件を満たしていない。このため、ケース内に密な状態で配列され、高強度で焼入れ感受性が高い鍛造材では、リブ３ａ、３ｂ、３ｃのソフトスポットか、焼入れ歪みのいずれかが発生していた。また、ソフトスポットが発生しない場合でも、高耐力な焼入れ性が犠牲となっている。

例えば、エアーバブリングを行っていても、供給エアー圧力が１ｋｇ／ｃｍ²と低い比較例５では、上記した水槽１２の水面中央部のみの部分的な泡立しか生じていない。このことから、比較例５では、本発明のエアーバブリング要件である、密に配列されたアルミニウム合金鍛造材の各々に対して気泡を同等には接触できていないことが分かる。

また、エアーバブリングの代わりに冷却水を注入した比較例９の結果から、例えば、ケース１０ａ、１０ｂの横に回転羽根（スクリュウ式攪拌機）などの機械的な攪拌手段を入れて冷却水を攪拌しても、比較例９と同様の結果にしかならないことが予想される。即ち、冷却水のみによる強制攪拌や強制循環だけでは、その強制攪拌や強制循環された冷却水が幾ら鍛造材に向かおうとも、ケース内に密な状態で配列され、高強度で焼入れ感受性が高い鍛造材では、ソフトスポットの発生を抑制できないことが分かる。

言い換えると、これらの結果から、この冷却水による強制攪拌や強制循環に加えてエアーバブリングを行う、本発明の効果が裏付けられる。また、本発明の各要件の、高効率の焼入れ処理操業における、ソフトスポットおよび焼入れ歪みの発生を、生産効率を低下させずに、防止乃至抑制する意義が裏付けられる。

本発明によれば、高効率の焼入れ処理操業における、ソフトスポットおよび焼入れ歪みの発生を、生産効率を低下させずに、防止乃至抑制することが可能なアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法を提供できる。このため、アルミニウム合金自動車サスペンションアームなどのアルミニウム合金鍛造材を、品質よく、効率よく生産することができる。

本発明焼入れ方法の実施態様を示す説明図である。サスペンションアームの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１: サスペンションアーム、２: アーム部、３: ジョイント部、４: ウエブ、
５: リブ、６: ソフトスポット、１０: ケース、１１: 台、１２：焼入れ水槽、１３：冷却水、１４：気泡、１５: エアー配管、１６: エアーノズル、１７：冷却水配管、１８：冷却水ノズル、１９：リフター、２０：搬送ローラ、

Claims

比較的小型のアルミニウム合金鍛造材を多数配列および上下方向に段積みした状態で水槽の上方から水槽内に沈降させて、これら多数のアルミニウム合金鍛造材を同時に焼入れ処理するに際し、水槽内の冷却水を強制的に給排する循環によって水温を３０〜７０℃に保持する他、水槽内のアルミニウム合金鍛造材に向けて水槽下方より供給するエアーの圧力を２〜１０ｋｇ／ｃｍ ² の範囲としたエアーバブリングを行い、気泡を水槽の上方に向けて上昇させて、前記多数のアルミニウム合金鍛造材の各々に対して接触せしめ、水槽内のアルミニウム合金鍛造材にソフトスポットおよび歪みが発生するのを抑制しつつ、焼入れ処理を行うことを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法。
前記アルミニウム合金鍛造材が、０．２％耐力が３５０ＭＰａ以上の高強度なＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金である請求項１に記載のアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法。
前記アルミニウム合金鍛造材が自動車サスペンションアームである請求項１または２に記載のアルミニウム合金鍛造材の焼入れ処理方法。