JP7249321B2 - アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents
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Description
加えて、特許文献10に記載されているように、復元処理の急冷終了後から1時間以内に成形するような方法では、短時間の間で成形しないと、機械的特性が急速に変化することで、最適成形条件がずれてしまうと恐れがある。
[1]熱処理型アルミニウム合金からなる素材に、440~580℃の溶体化処理を施した後に、前記溶体化処理の温度から少なくとも100℃までの温度範囲を10℃/s以上の冷却速度で冷却する焼入れ処理を施し、次いで、前記素材を-196℃以上40℃以下の保持温度で保持することで自然時効を抑制し、その後、成形加工処理を施す製造方法であって、成形加工処理前の前記素材の試験片に対して20℃で引張試験を行った際の、引張強さが465MPa以下、耐力が295MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金部材の製造方法。
[2]前記焼入れ処理の終了時点から成形加工処理を開始するまでの前記保持温度での保持期間中に、0℃以下で保管することにより、自然時効を抑制することを特徴とする上記[1]に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
[3]前記保持温度での保持期間が、下記式(1)に代入して計算されるCu添加量で補正した20℃での換算時間t20℃にして、50時間以内であることを特徴とする上記[1]または[2]に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
記
t20℃=1.4÷exp(0.7/[Cu])×∫D0×exp{-(Q/2)/[R(T+273)]}dt・・(1)
但し、式中、[Cu]はCu添加量、D0はAlの振動数因子、QはAlの拡散の活性化エネルギー、Tは素材の温度(℃)、そして、Rは気体定数である。
[4]前記焼入れ処理における前記冷却速度が、10℃/s以上150℃/s未満であるとき、前記20℃での換算時間が8時間以内であることを特徴とする上記[1]~[3]のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
[5]前記焼入れ処理における前記冷却速度が、150℃/s以上であるとき、前記20℃での換算時間が30時間以内であることを特徴とする[1]~[3]のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
[6]前記素材は、質量%で、6~9%のZn、1~3%のMgおよび0.1~2.5%のCuを含有し、さらに0.05~0.2%のZr、0.1~0.4%のMnおよび0.05~0.2%のCrの群から選択される少なくとも1種を含有するとともに、SiおよびFeをともに0.2%以下に抑制し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物からなる[1]~[5]のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
[7]前記焼入れ処理後の前記素材に、潤滑剤を塗布する表面潤滑処理をさらに施し、
前記成形加工は、前記素材を0℃以下の温度にし、前記表面潤滑処理にて前記素材表面に塗布した前記潤滑剤の粘度を高めた状態で行うことを特徴とする上記[1]~[6]のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
また、本発明では、溶体化処理および焼入れ処理のような熱処理と成形加工処理との間で、これらの処理とは別個独立に長期間にわたって冷却状態で保持(保管)して自然時効を抑制することが可能であるので、例えば、熱処理を行うための装置と、成形加工処理を行うための装置とは別の場所で自然時効を抑制するための装置を設けることが可能となる。
さらに、本発明では、成形加工処理で問題が生じた場合であっても、熱処理と成形加工処理を時間的に切り分けることが可能であるため、いずれかの処理(工程)の状況で遅延等の問題が生じたとしても、その問題の影響が他の処理には及びにくくなる。
本発明に係るアルミニウム合金部材の製造方法に用いる素材の合金組成としては、特に限定はしないが、例えば、Al-Cu(-Mg)系、Al-Mg-Si系、Al-Zn-Mg(-Cu)系の熱処理型アルミニウム合金を挙げることができる。特に高強度用途としてAl-Zn-Mg-Cu系合金を素材として用いる場合、具体的な合金組成の好適例を示すと以下のとおりである。すなわち、質量%で、6~9%のZn、1~3%のMgおよび0.1~2.5%のCuを含有し、さらに0.05~0.2%のZr、0.1~0.4%のMnおよび0.05~0.2%のCrの群から選択される少なくとも1種を含有するとともに、SiおよびFeをともに0.2%以下に抑制し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物からなる。以下、合金組成の各成分元素について、その作用と共に成分量を限定した理由について説明する。なお、以下で各成分元素の成分量を表す「%」は、特に断らない限り「質量%」を意味する。
Zn(亜鉛)は、本発明のアルミニウム合金部材に用いられる素材において基本となる必須の含有成分元素の一つであって、MgおよびCuとともに協働して強度向上に寄与する。しかしながら、Zn含有量が6.0%未満では、高強度アルミニウム部材として十分な強度が得られず、また、Zn含有量が9.0%よりも多いと、強度が高くなりすぎるか、あるいは粗大な化合物が形成しやすくなって、十分な成形性が得られない。このため、Zn含有量は6.0~9.0%であることが好ましい。
Mg(マグネシウム)は、本発明のアルミニウム合金部材に用いられる素材において基本となる必須の含有成分元素の一つであって、ZnおよびCuとともに協働して強度向上に寄与する元素である。しかしながら、Mg含有量が1.0%未満では、高強度アルミニウム部材として十分な強度が得られず、また、Mg含有量が3.0%よりも多いと、強度が高くなりすぎるか、あるいは粗大な化合物が形成しやすくなって、十分な成形性が得られない。このため、Mg含有量は1.0~3.0%であることが好ましい。
Cu(銅)は、本発明のアルミニウム合金部材に用いられる素材において基本となる必須の含有成分元素の一つであって、ZnおよびMgとともに協働して強度向上に寄与する元素である。しかしながら、Cu含有量が0.1%未満では、Al-Zn-Mg-Cu系合金として、Cuを含有させたことによる十分な強度向上効果が得られず、また、Cu含有量が2.5%よりも多いと、強度が高くなりすぎるか、あるいは粗大な化合物が形成しやすくなって、十分な成形性が得られない。このため、Cu含有量が0.1~2.5%であることが好ましい。
Zr(ジルコニウム)、Mn(マンガン)およびCr(クロム)は、ともに微細な金属間化合物を形成させ、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有する成分元素であって、本発明では、0.05~0.2%のZr、0.1~0.4%のMnおよび0.05~0.2%のCrの群から選択される少なくとも1種を含有する。しかしながら、Zr、MnおよびCrの含有量は、それぞれの上記適正範囲の下限値未満では、十分な結晶粒粗大化抑制効果が得られず、また、それぞれの上記適正範囲の上限値超えでは、粗大な金属間化合物が形成しやすくなって、成形性が阻害されるおそれがある。このため、Zr、MnおよびCrの群から選択される少なくとも1種を含有する場合には、Zr含有量が0.05~0.2%、Mn含有量が0.1~0.4%、そして、Cr含有量が0.05~0.2%の範囲であることが好ましい。なお、Zrと同様の作用を有する成分元素であって、Zrの代替の成分元素として、0.05~0.2%のSc(スカンジウム)を使用することも可能である。
Si(ケイ素)およびFe(鉄)は、素材の溶解原料として、純アルミニウム地金以外に、アルミニウム合金スクラップを使用することによって、素材中に、不純物として混入などが想定(許容)される成分元素であって、SiおよびFeの含有量がそれぞれ0.2%よりも多いと、粗大な化合物が形成しやすくなって、成形性が阻害されるおそれがある。このため、本発明では、SiおよびFeは、アルミニウム合金圧延板の特性に悪影響を及ぼさない含有範囲として、ともに0.2%以下に抑制する。
<鋳造>
まず、上記成分組成を有するアルミニウム合金を常法に従って溶製し、連続鋳造法、半連続鋳造法(DC鋳造法)等の通常の鋳造法を適宜選択して鋳造する。
次に、得られた鋳塊(素材)に対し均質化処理を施す。均質化処理を行う場合の加熱・保持条件は、特に限定されないが、通常は、加熱温度が400~580℃の範囲であればよい。
その後、均質化処理を施した素材を冷却して熱間圧延する。熱間圧延は、常法に従って行えばよい。熱間圧延時の温度としては、例えば300~550℃の範囲内の温度に設定し、熱間圧延後の巻き取り温度は250~450℃とすればよい。
熱間圧延後は冷間圧延を行い、製品板厚またはそれに近い板厚まで圧延する。総冷間圧延率は、40~80%程度とするのが通常であるが、特に限定されるものではない。
以上のようにして所定の板厚としたアルミニウム合金板を、切断工程で成形加工に適した形状、大きさのシート材に切断する。なお、この切断工程は、溶体化処理後に行っても良い。すなわち、冷延コイルを連続焼鈍炉により、溶体化処理、焼入れを行い、その後、成形加工前に切断工程を施しても良い。
シート材(素材)に溶体化処理を施す。この溶体化処理における処理温度は、素材の温度(溶体化温度)が440℃以上580℃以下となるように設定する。溶体化温度での保持は、特に行わなくてもよいが、溶体化温度で10分以内の保持を行うことが好ましい。
シート材(素材)に溶体化処理を施した後に焼入れ処理を行う。焼入れ(冷却)処理は、水冷、ミスト冷却および空冷のいずれであっても良いが、焼入れ処理における冷却速度は、成形時の強度に対する良好な曲げ加工性を得るため、溶体化処理の温度(溶体化温度)から少なくとも100℃までの温度範囲を10℃/s以上の冷却速度で冷却することが必要である。焼入れ処理後に、通常の成形加工処理を行う場合には、前記温度範囲での冷却速度は、10℃/s以上150℃/s未満とすることが好ましいが、曲げ加工性をより一層向上させる必要がある場合には、前記温度範囲での冷却速度は、150℃/s以上とすることが、冷却時の結晶粒界への添加元素の析出を抑制し、粒界近傍の強度を低下させない点で特に好ましい。なお、焼入れ処理における冷却速度は、素材に使用するアルミニウム合金の化学成分や、目的とする強度および成形性の組み合わせを考慮することによって適切に選択されるべきである。
次に、前記焼入れ処理後でかつ前記成形加工処理前に、素材を-196℃以上40℃以下の保持温度、好ましくは0℃以下で保持(保管)する自然時効を抑制するための処理を施す。この処理は、焼入れ処理の終了時点から成形加工処理を開始するまでの期間中に、素材が自然時効等によって強度等の材料特性が変化するのを抑制することを目的として行うものであって、本発明の製造方法において重要な処理である。前記保持温度での保持時間の下限値は特に制限されるものではないが、4時間未満だと、焼入れ処理と成形加工処理の間のバッファ時間が短くなって、量産時に成形工程でトラブルがあった際に焼入れ処理にも影響し、溶体化処理温度での過剰な保持や焼入れ速度の低下など、材料特性に影響する可能性が出てくるおそれがあることから、4時間以上であることが好ましい。
記
t20℃=1.4÷exp(0.7/[Cu])×∫D0×exp{-(Q/2)/[R(T+273)]}dt・・(1)
但し、式中、[Cu]はCu添加量、D0はAlの振動数因子、QはAlの拡散の活性化エネルギー、Tは素材の温度(℃)、そして、Rは気体定数である。
t20℃=∫(D0×exp{-Q/[R(T+273)]})/(D0×exp{-Q/[R(20+273)]})dt・・(2)
t20℃=∫exp{Q/R[(1/(20+273))-(1/(T+273))]}dt・・(3)
t20℃=∫exp{Q/2R[(1/(20+273))-(1/(T+273))]}dt・・(4)
焼入れ処理を行った後、あるいはさらに自然時効を抑制するための処理を行った後に、素材に成形加工処理を施す。成形加工処理の開始時における素材の成形温度は、40℃以下の温度にすることが好ましい。前記素材の成形温度が40℃を超えると、時効が進行しやすくなりやすく、短時間で時効により強度の上昇が生じやすくなるからである。成形加工処理時の素材温度の下限値は、特に限定はしないが、冷却媒体が液体窒素である場合には、-196℃である。
本発明では、焼入れ処理後、表面の酸化皮膜を除去するために、必要に応じて酸洗処理を行っても良い。また、耐食性の向上や接着剤の密着性を向上させることを目的とした化成処理を行っても良い。
成形加工処理が施される前記素材の機械的特性は、20℃で測定したときの、引張強さが465MPa以下であり、かつ耐力が295MPa以下であることが、十分な成型加工性や曲げ加工性を得る上で必要である。
表1に示す組成を有する3種類の合金A(7050)、合金B(7046)および合金Cのアルミニウム合金をDC鋳造により造塊した。得られた鋳塊に、常法に従って均質化処理を行った後、熱間圧延、冷間圧延を行い、合金Aと合金Cの鋳塊から板厚1mm、合金Bの鋳塊から板厚2mmの冷延板を得た。得られた各冷延板(素材)から、圧延方向に対し90°をなす方向に沿って長さ:200mm、評価部の幅:25mmのサイズの試験片に切り出し、470℃の塩浴炉に5分間浸漬して溶体化処理を行った後に、強制空冷もしくは水冷による焼入れ処理を行った。その後、表2に示す温度と時間の組み合わせで、自然時効を抑制するための処理を行ったのち、成形加工処理(曲げ加工)を行い、アルミニウム合金部材を作製した。表2に、溶体化処理条件、焼入れ処理における冷却速度、自然時効を抑制するための処理条件、成形加工処理(曲げ加工)が施される際の、素材の温度、(素材の)引張強さおよび(素材の)耐力を示す。
表1に示す組成を有する合金B(7046合金)のアルミニウム合金をDC鋳造により造塊した。得られた鋳塊に、常法に従って均質化処理を行った後、熱間圧延、冷間圧延を行い、板厚2mmの冷延板を得た。得られた各冷延板(素材)から、120mm角のサイズの試験片に切り出し、470℃の塩浴炉に5分間浸漬して溶体化処理を行った後に、強制空冷による焼入れ処理を行った。次いで、試験片を25℃の室温で2時間保持し、表3に示す表面潤滑条件になるよう表面潤滑処理を行った後に、エリクセン試験機により、直径60mmの球頭ポンチで張出試験を行った。表3に、溶体化処理条件、焼入れ処理における冷却速度、自然時効を抑制するための処理条件、成形加工処理前に素材が位置する雰囲気条件、成形加工処理(曲げ加工)が施される際の、素材およびポンチの温度ならびに表面潤滑条件を示す。
Claims (6)
- Al-Cu(-Mg)系、Al-Mg-Si系またはAl-Zn-Mg(-Cu)系の熱処理型アルミニウム合金からなる素材に、440~580℃の溶体化処理を施した後に、前記溶体化処理の温度から少なくとも100℃までの温度範囲を10℃/s以上の冷却速度で冷却する焼入れ処理を施し、次いで、前記素材を-196℃以上0℃以下の保持温度で保持することで自然時効を抑制し、その後、成形加工処理を施す製造方法であって、
前記保持温度での保持期間が、下記式(1)に代入して計算されるCu添加量で補正した20℃での換算時間t 20℃ にして、50時間以内であり、
前記成形加工処理を施す前の前記素材の試験片に対して20℃で引張試験を行った際の、引張強さが465MPa以下、耐力が295MPa以下であることを特徴とするアルミニウム合金部材の製造方法。
記
t 20℃ =1.4÷exp(0.7/[Cu])×∫D 0 ×exp{-(Q/2)/[R(T+273)]}dt・・(1)
但し、式中、[Cu]はCu添加量、D 0 はAlの振動数因子、QはAlの拡散の活性化エネルギー、Tは素材の温度(℃)、そして、Rは気体定数である。 - 前記焼入れ処理の終了時点から成形加工処理を開始するまでの前記保持温度での保持期間中に、0℃以下で保管することにより、自然時効を抑制することを特徴とする請求項1に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記焼入れ処理における前記冷却速度が、10℃/s以上150℃/s未満であるとき、前記20℃での換算時間t 20℃ が8時間以内であることを特徴とする請求項1または2に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記焼入れ処理における前記冷却速度が、150℃/s以上であるとき、前記20℃での換算時間t 20℃ が30時間以内であることを特徴とする請求項1または2に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記素材は、質量%で、6~9%のZn、1~3%のMgおよび0.1~2.5%のCuを含有し、さらに0.05~0.2%のZr、0.1~0.4%のMnおよび0.05~0.2%のCrの群から選択される少なくとも1種を含有するとともに、SiおよびFeをともに0.2%以下に抑制し、残部がアルミニウムおよび不可避的不純物からなる請求項1~4のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
- 前記焼入れ処理後の前記素材に、潤滑剤を塗布する表面潤滑処理をさらに施し、
前記成形加工処理は、前記素材を0℃以下の温度にし、前記表面潤滑処理にて前記素材表面に塗布した前記潤滑剤の粘度を高めた状態で行うことを特徴とする請求項1~5のいずれか1項に記載のアルミニウム合金部材の製造方法。
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