JP7322556B2 - 高圧ガス容器の口金およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ガス容器の端部に取り付けられる金属製の口金およびその製造方法に関する。

水素ガス等の高圧ガス容器として、有底容器の開口部または円筒体の端部に口金を形成したものが用いられている（特許文献１，２参照）。

特許文献１の高圧ガス容器は、金属板をカップ成形した中間成形品にネッキング加工により口金を一体形成したものである。特許文献２の高圧ガス容器は、円筒形のタンク本体１０の両端に口金部１１、１２を取り付けたものである。

特開２００２－１０６７８７号公報 特許第４５５２１５９号公報

高い圧力がかかる口金には高い強度が要求されることはもとより、生産性の向上も求められる。

特許文献１に記載された口金は、[００２７]、[００２８]および図３に示されているように、カップ型中間成形品にネッキング加工により口金を成形しているので生産性が悪い。また、特許文献２の口金１１、１２はタンク本体１０とは別の部材であるから、ダイキャストや切削加工によって所期する形状に成形することができる。しかし、これらの方法によって材料強度を高めることは難しい。さらに切削加工は生産性が悪く、材料歩留まりも低いという難点がある。

本発明は、上述した背景技術に鑑み、強度の高い高圧ガス容器の口金およびその製造方法を提供するものである。

即ち、本発明は下記［１］～［４］に記載の構成を有する。

［１］アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、円盤状のフランジ部の中央に、該フランジ部の少なくとも一方の面から垂直に突出する突出部を有する鍛造成形品であり、
マクロ結晶粒の長軸Ｑの方向をマクロ結晶粒の長軸Ｑと前記突出部の中心軸Ｐに垂直な平面αとがなす角度で表すものとし、
前記フランジ部の厚み方向の中心で、かつ前記突出部の側面から張り出している部分の半径方向の中心における前記角度Ｒ１が１０°以下であり、
前記突出部の根元の、前記フランジ部の表面の延長上で突出部の半径方向の中心における前記角度Ｒ２が０°～２０°であるか、または前記位置において結晶組織が異方性を持たないことを特徴とする高圧ガス容器の口金。

［２］下型と上型を備えた鍛造用金型を用い、鍛造用素材から円盤状のフランジ部の中央に該フランジ部の少なくとも一方の面から垂直に突出する円柱形の突出部を有する高圧ガス容器の口金を製造する方法であり、
前記鍛造用金型は、少なくとも下型の上面に前記口金の突出部の直径に対応する突出部成形用凹部が形成され、要すればさらに、上型の下面に突出部成形用凹部が形成され、
前記鍛造用素材が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、直径が前記口金の突出部の直径に対応する円柱体であり、
前記下型の突出部成形用凹部に鍛造用素材を入れ、下型内の鍛造用素材を前記上型で押圧することにより、鍛造用素材の中心軸方向の寸法を減少させながら半径方向の外側に素材を流動させてフランジ部を形成する、
ことを特徴とする高圧ガス容器の口金の製造方法。

［３］前記下金型の上面に前記口金のフランジ部の直径に対応するフランジ部成形用凹部が形成され、このフランジ部成形凹部の底面に前記突出部成形用凹部が形成され、
前記鍛造用素材を押すことにより、鍛造用素材の中心軸方向の寸法を減少させながら下型のフランジ部成形用凹部に素材を流入させる項前２に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法。

［４］前記鍛造用素材の温度が４５０℃～５７０℃である前項２または３に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法。

上記［１］に記載の高圧ガス容器の口金は、フランジ部におけるマクロ結晶粒の長軸Ｑの方向を表す角度Ｒ１が１０°以下であり、かつ突出部の根元における角度Ｒ２が０°～２０°であるか、あるいは結晶組織が異方性を持たないから、半径方向の強度が高く、ガスの給排によって繰り返し生じる半径方向の応力に対して疲労強度が高い。

上記［２］に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法によれば、鍛造用素材は、金型に拘束されている部分は殆ど流動せず、金型に拘束されていない部分が半径方向の外側に流動してフランジ部が形成される。素材は突出部の根元で押圧方向である中心軸方向から急激に方向を変えて半径方向の外側に向かってほぼ水平に流動する。このようにして作製した鍛造成形品において、マクロ結晶粒の長軸と中心軸に垂直な平面とのなす角度は、急激に流動方向が変化する突出部の根元において小さく、フランジ部においても小さい。このため、フランジ部は半径方向の強度が高く、突出部の根元においても半径方向の強度が高くなる。そして、突出部の根元において半径方向に高い強度を有することにより、ガスの給排によって繰り返し生じる半径方向の応力に対する疲労強度を高めることができる。

また、鍛造成形品の形状に対して特定形状の鍛造用素材を用いることによって強度を高めることができるので、高強度の口金を効率よく製造できる。

上記［３］に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法によれば、フランジ部の寸法精度を高めることができる。

上記［４］に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法によれば、熱間鍛造であるから成形性が優れている。

本発明の口金の一実施形態の斜視図である。 図１の口金を製造する鍛造用金型および製造工程の一部を示す断面図である。 図２の製造工程が進行した状態を示す断面図である。 鍛造成形品の断面におけるマクロ結晶粒の長軸および素材の流れ方向を示す図である。 マクロ結晶粒の長軸と中心軸に垂直な平面とのなす角度を示す説明図である。 フランジ部および突出部の根元におけるマクロ結晶粒の長軸の方向を規定する位置を示す説明図である。 他の形状の口金を製造する鍛造用金型および製造工程の一部を示す断面図である。 図７の製造工程が進行した状態を示す断面図である。 さらに他の形状の口金を製造する鍛造用金型および製造工程の一部を示す断面図である。 図９の製造工程が進行した状態を示す断面図である。

図１は口金１の斜視図であり、図２および図３は前記口金１の製造に用いる鍛造用金型２および鍛造の工程を示す断面図である。

［口金］
口金１はアルミニウムまたはアルミニウム合金製の鍛造成形品であり、円盤状のフランジ部１１の両面に円柱形の突出部１２、１３がフランジ部１１に対して垂直に突出している。これらの突出部１２、１３の直径は等しく、前記フランジ部１１と２つの突出部１２、１３は同心であり、図１においてフランジ部１１および突出部１２、１３の中心軸がＰで示されている。換言すると、前記口金１は、突出部１２、１３からなりＰを中心軸とする円柱形の本体部の周面に円形のフランジ部１１が張り出している。

前記口金１は、水素ガス等の高圧ガス容器において円筒形本体の両端または一端に取り付けて密閉空間を形成する部材である。前記口金１をガスの給排口として使用する場合は、鍛造成形品に機械加工により突出部１２の中心に貫通孔１４が形成される。本発明において、口金は前記貫通孔１４を穿設する前の鍛造成形品および穿設後の加工品の両方を含むものとし、穿設後の加工品も鍛造成形品と称する。

［鍛造用金型］
鍛造用金型２は下型２０と上型３０とで構成された密閉鍛造用の金型である。

前記下型２０の上面に平面視円形のフランジ部成形用凹部２１が形成され、フランジ部成形用凹部２１の底面２１ａの中心部を凹ませて断面円形の突出部成形用凹部２２が形成されている。前記フランジ部成形用凹部２１の底面２１ａと側面２１ｂの間のコーナー部２１ｃ、およびフランジ部成形用凹部２１の底面２１ａと突出部成形用凹部２２の側面２２ａの間のコーナー部２２ｂに、素材の流動を促すための丸みが付けられている。

前記上型３０は下面中央に下型２０のフランジ部成形用凹部２１に嵌合する断面円形の成形部３１を有し、成形部３１の先端面３１ａに断面円形の突出部成形用凹部３２が形成されている。従って、成形部３１の先端面３１ａは環状である。また、前記成形部３１の先端面３１ａと突出部成形用凹部３２の側面３２ａのコーナー部３２ｂに素材の流動を促すための丸みが付けられている。

［鍛造用素材］
鍛造用素材４０は円柱体であり、その直径は下型２０の突出部成形用凹部２２の直径および上型３０の突出部成形用凹部３２の直径に対応し、その高さは前記口金１の中心軸Ｐ方向の寸法よりも大きい。また、前記鍛造用素材４０の直径は下型２０および上型３０の突出部成形用凹部２２、３２の直径に対応しているので、鍛造用素材４０の中心軸は口金１の中心軸Ｐと一致している。前記鍛造用素材４０は鋳造や押出加工により適宜作製することができる。

また、前記鍛造用素材４０はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる。素材の化学組成は限定されないが、強度、鍛造成形性の観点から６０００系アルミニウム合金を推奨できる。

［鍛造方法］
図２に示すように、下型２０の突出部成形用凹部２２に鍛造用素材４０を嵌め入れ、図３に示すように上型３０で押圧する。上型３０を下降させると、鍛造用素材４０先端部が上型３０の突出部成形用凹部３２に嵌合される。さらに上型３０を下降させると、鍛造用素材４０が中心軸方向に押圧されて、上下の突出部成形用凹部２２、３２に拘束されていない鍛造用素材４０の中央部分が側方に流動して下型２０のフランジ部成形用凹部２１に流入していく。そして、さらに上型３０が下降すると、上型３０の成形部３１が下型２０のフランジ部成形用凹部２１に嵌合し、成形部３１の先端面３１ａがフランジ部成形用凹部２１内の素材を押圧し、フランジ部１１が形成される。下型２０のフランジ部成形用凹部２１および突出部成形用凹部２２と上型３０の成形部３１の先端面３１ａおよび突出部成形凹部３２の間に形成される密閉空間に素材が充満して鍛造成形が完了する（図３）。

鍛造成形品１（口金）は、下型２０のフランジ部成形用凹部２１の底面２１ａと上型３０の成形部３１の先端面３１ａと間の距離を厚みとする円盤状のフランジ部１１と、このフランジ部１１の一方の面に下型２０の突出部成形凹部２２の形状に倣った突出部１２が、他方の面に上型３０の突出部成形凹部３２の形状に倣った突出部１３が、それぞれフランジ部１１から垂直に突出した形状となる。

鍛造条件は限定されないが、成形性が優れていることから熱間で鍛造することが好ましい。鍛造用素材４０の好ましい温度は４５０℃～５７０℃であり、特に５００℃～５５０℃が好ましい。鍛造用素材４０の加熱方法は限定されず、燃焼式加熱や電気式加熱で適宜加熱する。

また、熱間鍛造では鍛造用金型２も１００℃～３００℃に加熱しておくことが好ましい。鍛造用金型２の加熱方法は限定されず、カートリッジヒーター、誘導加熱装置、バーナーなどの周知手段を用いる。鍛造用金型２には潤滑剤を塗布しておくが、潤滑剤の種類は限定されず、黒鉛系潤滑剤、非黒鉛系潤滑剤、水溶性潤滑剤、油性潤滑剤等を適時使用する。

鍛造装置における押圧手段はメカニカルプレスでも油圧プレスでもよい。

作製した鍛造成形品１は、要すれば切削加工による仕上げ加工を行い、貫通孔１４を穿設する。また、前記鍛造成形品１に、熱処理を施して強度を高めることもできる。強度向上のための熱処理としてＴ６処理がある。

［鍛造成形品の強度］
図４は鍛造成形品１（口金１）の縦断面におけるマクロ結晶粒の長軸Ｑを線で示している。上述した製造工程において、鍛造用素材４０の両端部は下型２０および３０上型の突出部成形用凹部２２、２３で拘束されているので素材は殆ど流動せず、拘束されていない中間部分の素材が半径方向の外側に流動してフランジ部１１が形成される。素材は、矢印で示すように、突出部１２、１３の根元で押圧方向である中心軸方向から急激に方向を変えて半径方向の外側に向かってほぼ水平に流動する。

本発明においては、マクロ結晶粒の長軸Ｑの方向を、図５に示すように、マクロ結晶粒の長軸Ｑと中心軸Ｐに垂直な平面αとがなす角度Ｒで表す。マクロ結晶粒の長軸Ｑは素材が流動する方向に沿って形成されるので、長軸Ｑと平面αとのなす角度Ｒは、急激に流動方向が変化する突出部１２、１３の根元において小さく、フランジ部１１においても小さい。フランジ部１１は前記角度Ｒが小さく平面αと平行に近くなるので、径方向の強度が高くなる。また、突出部１２、１３の根元の角度Ｒはフランジ部１１よりも大きいが、それでも十分に小さいので、半径方向の強度が高くなる。突出部１２、１３に貫通孔１４を穿設した口金１（図１参照）において、ガスが口金１を通過するときに貫通孔１４を拡径する方向の力が加わる。しかも、ガスの給排の度に圧力がかかり、繰り返し加圧される。口金１の突出部１２、１３の根元は半径方向に高い強度を有しているので、ガスの給排によって生じる応力に対して高い疲労強度が得られる。

高圧ガス容器の口金として、前記角度Ｒの好ましい範囲は以下のとおりである。

図６に示すように、フランジ部１１における前記角度Ｒは、フランジ部１１の厚み方向の中心で、かつ突出部１２、１３の側面から張り出している部分の半径方向の中心Ａ１における角度Ｒ１を基準とする。前記フランジ部１１において高い強度を得るには前記角度Ｒ１が１０°以下であることが好ましい。特に好ましい角度Ｒ１は５°以下である。

突出部１２、１３の根元における前記角度Ｒは、フランジ部１１の表面の延長上で突出部１２、１３の半径方向の中心Ａ２おける角度Ｒ２を基準とする。前記角度Ｒ２が０°～２０°であることが好ましい。特に好ましい角度Ｒ２は０°～１０°である。フランジ角度および成形部３１の先端面３１ａと突出部成形用凹部３２の側面３２ａのコーナー部３２ｂに素材の流動を促すために設けられた丸みの形状によっては前記Ａ２において各結晶の長軸方向に一定の法則性が見られない（異方性が無い）場合もある。この場合においても、フランジ部においては前記角度Ｒの小さい組織が得られるため、口金１全体としては半径方向に高い強度が得られる。

上述したように、鍛造成形品の形状に対して特定形状の鍛造用素材を用いることによって強度を高めることができる。また、鍛造による成形であるから、高強度の口金を効率良く製造できる。

なお、本発明の口金は上述した製造方法によって作製されたものには限定されない。

［口金の他の形状］
本発明の口金はフランジ部の一方の面にのみに突出部を有するものであってもよい。また、フランジ部成形用凹部のない金型でも所定形状の鍛造用素材からフランジ部を形成することができる。

図７および図８は、フランジ部成形用凹部のない鍛造用金型３を用いてフランジ部１５の一方の面にのみに突出部１６を有する口金４の製造工程を示している。下型５０は上面５０ａに突出部成形用凹部５１が形成され、上型５５の下面５５ａはフラットである。前記下型５０の突出部成形用凹部５１に鍛造用素材４０を入れ、上型５５を降下させて鍛造用素材４０を押圧する。すると、突出部成形用凹部５１に拘束されていない部分の素材が半径方向の外側に流動して下型５０の上面５０ａと上型５５の下面５５ａの間にフランジ部１５が形成され、フランジ部１５の一方の面のみが突出部１６を有する口金４が作製される。

図９および図１０は、フランジ部成形用凹部のない鍛造用金型５を用いてフランジ部１７の両面に突出部１８、１９を有する口金６の製造工程を示している。下型５０は図７、８の下型５０同一である。上型６０は、下面６０ａに突出部成形凹部６１が形成されている。前記下型５０の突出部成形用凹部５１に鍛造用素材４０を入れて上型６０を降下させると、鍛造用素材４０の端部が上型６０の突出部成形用凹部６１に嵌合され、鍛造用素材４０の両端部が上下の突出部成形用凹部５１、６１で拘束された状態で押圧される。すると、突出部成形用凹部５１、６１に拘束されていない中間部分の素材が半径方向の外側に流動して下型５０の上面５０ａと上型６０の下面６０ａの間にフランジ部１７が形成され、フランジ部１７の両面に突出部１８、１９を有する口金４が作製される。

上述したように、フランジ部成形用凹部のない下型５０を用いてもフランジ部を形成することができ、金型形状も単純であるから金型製作費を抑えることができる。一方、図１、２の下型２０はフランジ部成形用凹部２１によって寸法精度の高いフランジ部を形成することができる。

また、フランジ部の両面の突出部を有する口金（図１、１０参照）において、両面の突出部の高さおよび直径が同一であることに限定されない。

図１の鍛造成形品１を図２および図３の鍛造用金型２を用いて作製した。

鍛造用素材４０は、６０００系アルミニウム合金からなり、直径７９ｍｍ、高さ２５９ｍｍの細長い円柱体である。

前記鍛造用金型２の下型２０および上型３０を１５０℃に加熱し、下型２０の突出部成形用凹部２２に５００℃に加熱した鍛造素材４０を置き、上型３０を下降させて鍛造用素材４０を押圧した。作製した鍛造成形品１の寸法は、フランジ１１部の直径が１８０ｍｍ、厚さが３０ｍｍであり、突出部１２、１３の直径が８０ｍｍ、フランジ部１１の表面からの突出高さは５０ｍｍである。

前記鍛造成形品１におけるマクロ結晶粒の長軸Ｑと中心軸Ｐに垂直な平面αとのなす角度Ｒを調べた。その結果、フランジ部１１のＡ１（図６参照）における角度Ｒ１は６．３°であった。また、突出部１２、１３の根元Ａ２（図６参照）における角度Ｒ２は、突出部１２側が８．４°、突出部１３側には異方性が見られなかった。

本発明の口金は高圧ガス容器の口金として利用できる。

１、４、６…口金（鍛造成形品）
２、３、５…鍛造用金型
１１、１５、１７…フランジ部
１２、１３、１６、１８、１９…突出部
１４…貫通孔
２０、５０…下型
２１…フランジ部成形用凹部
２２、５１…突出部成形用凹部
３０、５５、６０…上型
３２、６１…突出部成形用凹部
４０…鍛造用素材
Ｐ…突出部の中心軸
α…Ｐに垂直な平面
Ｑ…マクロ結晶粒の長軸

Claims (4)

1. アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、円盤状のフランジ部の中央に、該フランジ部の少なくとも一方の面から垂直に突出する突出部を有する鍛造成形品であり、
   マクロ結晶粒の長軸Ｑの方向をマクロ結晶粒の長軸Ｑと前記突出部の中心軸Ｐに垂直な平面αとがなす角度で表すものとし、
   前記フランジ部の厚み方向の中心で、かつ前記突出部の側面から張り出している部分の半径方向の中心における前記角度Ｒ１が１０°以下であり、
   前記突出部の根元の、前記フランジ部の表面の延長上で突出部の半径方向の中心における前記角度Ｒ２が０°～２０°であるか、または前記中心の位置において結晶組織が異方性を持たないことを特徴とする高圧ガス容器の口金。
2. 下型と上型を備えた鍛造用金型を用い、鍛造用素材から円盤状のフランジ部の中央に該フランジ部の少なくとも一方の面から垂直に突出する円柱形の突出部を有する高圧ガス容器の口金を製造する方法であり、
   前記鍛造用金型は、少なくとも下型の上面に前記口金の突出部の直径に対応する突出部成形用凹部が形成され、要すればさらに、上型の下面に突出部成形用凹部が形成され、
   前記鍛造用素材が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、直径が前記口金の突出部の直径に対応する円柱体であり、
   前記下型の突出部成形用凹部に鍛造用素材を入れ、下型内の鍛造用素材を前記上型で押圧することにより、鍛造用素材の中心軸方向の寸法を減少させながら半径方向の外側に素材を流動させてフランジ部を形成する、
   ことを特徴とする高圧ガス容器の口金の製造方法。
3. 前記下型の上面に前記口金のフランジ部の直径に対応するフランジ部成形用凹部が形成され、このフランジ部成形用凹部の底面に前記突出部成形用凹部が形成され、
   前記鍛造用素材を押すことにより、鍛造用素材の中心軸方向の寸法を減少させながら下型のフランジ部成形用凹部に素材を流入させる請求項２に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法。
4. 前記鍛造用素材の温度が４５０℃～５７０℃である請求項２または３に記載の高圧ガス容器の口金の製造方法。

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