WO2024089989A1 - 成形装置、及び金属部材 - Google Patents

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WO2024089989A1
WO2024089989A1 PCT/JP2023/030327 JP2023030327W WO2024089989A1 WO 2024089989 A1 WO2024089989 A1 WO 2024089989A1 JP 2023030327 W JP2023030327 W JP 2023030327W WO 2024089989 A1 WO2024089989 A1 WO 2024089989A1
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metal pipe
aluminum alloy
pipe material
strength
region
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公宏 野際
雅史 川上
遼平 池田
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住友重機械工業株式会社
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    • B21D22/20—Deep-drawing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
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    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • This disclosure relates to a molding device and a metal member.
  • Patent Document 1 discloses a forming device that includes a die having a pair of lower and upper dies, a gas supply unit that supplies gas into the metal pipe material held between the dies, and a heating unit that heats the metal pipe material by electrical heating.
  • This forming device includes a cooling unit that flows water through a flow path formed in the die to cool the heated metal pipe during forming. In this way, the forming device can perform quench forming by bringing the cooled die into contact with the metal pipe material.
  • aluminum alloys have sometimes been used as the metal material from the perspective of weight reduction.
  • heat aging treatment is carried out after the solution treatment that accompanies the forming. This process produces high-strength aluminum alloy metal parts, but there is also a demand for creating strength differences within the metal parts.
  • the present disclosure therefore aims to provide a forming device and a metal component that can create a strength difference within an aluminum alloy metal component after forming.
  • the forming device is a forming device for forming an aluminum alloy metal material, and controls the cooling rate of the aluminum alloy during solution treatment to create a difference in strength of the aluminum alloy after aging treatment.
  • the forming device forms an aluminum alloy metal material.
  • thermal aging treatment is performed.
  • the forming device controls the cooling rate of the aluminum alloy during solution treatment.
  • the strength obtained after aging treatment varies depending on the cooling rate of the solution treatment. Therefore, the forming device can provide areas in the aluminum alloy with a fast cooling rate and areas with a slow cooling rate. In this way, by providing areas in the aluminum alloy with different cooling rates, it is possible to obtain areas with different strengths after aging treatment. As described above, it is possible to provide a difference in strength within the aluminum alloy metal component after forming.
  • the cooling rate can be controlled by partially heating the mold. In this case, when the heated part of the mold comes into contact with the aluminum alloy, the cooling rate of that part slows down. This makes it easy to control the cooling rate.
  • the metal component after forming may have a first region in which the number density of alloy element precipitates is high, and a second region in which the number density of alloy element precipitates is lower than that of the first region.
  • the first region has a high number density of precipitates and is therefore strong.
  • the second region has a low number density of precipitates and is therefore weak. In this way, a difference in strength can be created between the first region and the second region.
  • a heating hold time may be set during heating for solution treatment. In this case, time can be ensured for the aluminum to melt during solution treatment. This makes it easier to create differences in strength by controlling the cooling rate.
  • the metal component has a first region in which the number density of alloy element precipitates is high, and a second region in which the number density of alloy element precipitates is low relative to the first region.
  • the first portion has a high number density of precipitates and is therefore strong.
  • the second portion has a low number density of precipitates and is therefore weak. In this way, a difference in strength can be created between the first portion and the second portion.
  • the present disclosure provides a forming device and a metal component that can create a difference in strength within an aluminum alloy metal component after forming.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a molding device according to an embodiment of the present disclosure.
  • Fig. 2(a) is a schematic side view showing the thermal expansion unit
  • Fig. 2(b) is a cross-sectional view showing the state when the nozzle seals the metal pipe material.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a temperature adjustment mechanism of the molding die.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the metal pipe after forming.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the state of aluminum. The image shows the atomic arrangement in the precipitated state.
  • FIG. 7(a) is a graph showing the change in temperature of an aluminum alloy during solution treatment and aging treatment
  • FIG. 7(b) is a graph showing various properties of the aluminum alloy.
  • FIG. 1 is a graph showing changes in temperature of an aluminum alloy during solution treatment and aging treatment.
  • FIG. 1 is a diagram showing the precipitation states at each time in a high strength region that has been rapidly cooled and a low strength region that has been slowly cooled.
  • the molding device 1 is a device that molds a metal pipe having a hollow shape by blow molding.
  • the molding device 1 is installed on a horizontal surface.
  • the molding device 1 includes a molding die 2, a drive mechanism 3, a holding unit 4, a heating unit 5, a fluid supply unit 6, a temperature adjustment unit 7, and a control unit 8.
  • the metal pipe material 40 (metal material) refers to a hollow article before molding is completed in the molding device 1.
  • the metal pipe material 40 is a pipe material of a steel type that can be hardened.
  • the direction in which the metal pipe material 40 extends during molding may be referred to as the "longitudinal direction”
  • the direction perpendicular to the longitudinal direction may be referred to as the "width direction”.
  • the molding die 2 is a die for forming a metal pipe 140 (see FIG. 4) from a metal pipe material 40, and includes a lower die 11 and an upper die 12 that face each other in the vertical direction.
  • the lower die 11 and the upper die 12 are made of steel blocks.
  • the lower die 11 and the upper die 12 each have a recess for accommodating the metal pipe material 40.
  • each recess forms a space of the target shape in which the metal pipe material is to be formed. Therefore, the surface of each recess becomes the molding surface of the molding die 2.
  • the lower die 11 is fixed to the base 13 via a die holder or the like.
  • the upper die 12 is fixed to the slide of the drive mechanism 3 via a die holder or the like.
  • the metal pipe material 40 is an aluminum alloy metal material.
  • the metal pipe material 40 has a high strength region E1 with high strength and a low strength region E2 with low strength. Therefore, the molding die 2 performs quenching to increase the cooling rate in the high strength region E1 of the metal pipe material 40, and performs slow cooling to slow the cooling rate in the low strength region E2 of the metal pipe material 40.
  • the upper die 12 and the lower die 11 have quenching sections 12A, 11A that perform quenching on the high strength region E1, and slow cooling sections 12B, 11B that prevent quenching from being performed on the low strength region E2.
  • the low strength region E2 is provided at approximately the center position of the metal pipe 140 (metal pipe material 40), and the high strength region E1 is provided so as to sandwich the low strength region E2 in the longitudinal direction. Therefore, the upper die 12 and the lower die 11 are provided with a cooling section 12B, 11B at the center and a rapid cooling section 12A, 11A that sandwiches the low-strength region E2 in the longitudinal direction. As a result, as shown in FIG. 4, the low-strength region E2 (hatched portion) of the formed metal pipe 140 becomes a part with low strength, and the high-strength region E1 becomes a part with high strength.
  • the drive mechanism 3 is a mechanism that moves at least one of the lower die 11 and the upper die 12. In FIG. 1, the drive mechanism 3 is configured to move only the upper die 12.
  • the drive mechanism 3 includes a slide 21 that moves the upper die 12 so that the lower die 11 and the upper die 12 are aligned, a pullback cylinder 22 as an actuator that generates a force to pull the slide 21 upward, a main cylinder 23 as a drive source that pressurizes the slide 21 downward, and a drive source 24 that applies a drive force to the main cylinder 23.
  • the holding unit 4 is a mechanism for holding the metal pipe material 40 disposed between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the holding unit 4 includes a lower electrode 26 and an upper electrode 27 for holding the metal pipe material 40 at one end in the longitudinal direction of the molding die 2, and a lower electrode 26 and an upper electrode 27 for holding the metal pipe material 40 at the other end in the longitudinal direction of the molding die 2.
  • the lower electrode 26 and the upper electrode 27 on both sides in the longitudinal direction hold the metal pipe material 40 by sandwiching the end of the metal pipe material 40 from above and below.
  • a groove having a shape corresponding to the outer peripheral surface of the metal pipe material 40 is formed on the upper surface of the lower electrode 26 and the lower surface of the upper electrode 27.
  • the lower electrode 26 and the upper electrode 27 are provided with a drive mechanism (not shown) and can move independently in the vertical direction.
  • the heating unit 5 heats the metal pipe material 40.
  • the heating unit 5 is a mechanism that heats the metal pipe material 40 by passing electricity through the metal pipe material 40.
  • the heating unit 5 heats the metal pipe material 40 between the lower mold 11 and the upper mold 12 while the metal pipe material 40 is separated from the lower mold 11 and the upper mold 12.
  • the heating unit 5 includes a lower electrode 26 and an upper electrode 27 on both sides of the longitudinal direction as described above, and a power source 28 that passes current through these electrodes 26, 27 to the metal pipe material 40.
  • the heating unit may be disposed in a process preceding the molding device 1 and may be heated externally.
  • the fluid supply unit 6 is a mechanism for supplying high-pressure fluid into the metal pipe material 40 held between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the fluid supply unit 6 supplies high-pressure fluid to the metal pipe material 40, which has been heated by the heating unit 5 to a high temperature, to expand the metal pipe material 40.
  • the fluid supply unit 6 is provided on both ends of the longitudinal direction of the molding die 2.
  • the fluid supply unit 6 includes a nozzle 31 that supplies fluid to the inside of the metal pipe material 40 from the opening at the end of the metal pipe material 40, a drive mechanism 32 that moves the nozzle 31 back and forth relative to the opening of the metal pipe material 40, and a supply source 33 that supplies high-pressure fluid into the metal pipe material 40 through the nozzle 31.
  • the drive mechanism 32 brings the nozzle 31 into close contact with the end of the metal pipe material 40 while ensuring sealing when supplying and discharging fluid, and separates the nozzle 31 from the end of the metal pipe material 40 at other times.
  • the fluid supply unit 6 may supply gas such as high-pressure air or inert gas as the fluid.
  • the fluid supply unit 6 may be integrated into the same device as the holding unit 4, which has a mechanism for moving the metal pipe material 40 in the vertical direction, and the heating unit 5.
  • FIG. 2(a) is a schematic side view showing the thermal expansion unit 150.
  • FIG. 2(b) is a cross-sectional view showing the state when the nozzle 31 seals the metal pipe material 40.
  • the thermal expansion unit 150 includes the lower electrode 26 and upper electrode 27, the electrode mounting unit 151 mounting the electrodes 26 and 27, the nozzle 31 and drive mechanism 32, the lifting unit 152, and the unit base 153.
  • the electrode mounting unit 151 includes a lifting frame 154 and electrode frames 156 and 157.
  • the electrode frames 156 and 157 function as part of the drive mechanism 60 that supports and moves the electrodes 26 and 27.
  • the drive mechanism 32 drives the nozzle 31 and lifts and lowers together with the electrode mounting unit 151.
  • the drive mechanism 32 includes a piston 61 that holds the nozzle 31 and a cylinder 62 that drives the piston.
  • the lifting unit 152 includes a lifting frame base 64 attached to the upper surface of the unit base 153, and a lifting actuator 66 that applies a lifting motion to the lifting frame 154 of the electrode mounting unit 151 by means of the lifting frame base 64.
  • the lifting frame base 64 has guide parts 64a and 64b that guide the lifting and lowering operation of the lifting frame 154 relative to the unit base 153.
  • the lifting unit 152 functions as part of the drive mechanism 60 of the holding unit 4.
  • the thermal expansion unit 150 has multiple unit bases 153 with different inclination angles of the upper surface, and by replacing these, it is possible to change and adjust the inclination angles of the lower electrode 26, upper electrode 27, nozzle 31, electrode mounting unit 151, drive mechanism 32, and lifting unit 152 all at once.
  • the nozzle 31 is a cylindrical member into which the end of the metal pipe material 40 can be inserted.
  • the nozzle 31 is supported by the drive mechanism 32 so that the center line of the nozzle 31 coincides with the reference line SL1.
  • the inner diameter of the supply port 31a at the end of the nozzle 31 on the metal pipe material 40 side approximately coincides with the outer diameter of the metal pipe material 40 after expansion molding.
  • the nozzle 31 supplies high-pressure fluid from the internal flow path 63 to the metal pipe material 40.
  • An example of a high-pressure fluid is gas.
  • the temperature adjustment unit 7 is a mechanism for adjusting the temperature of the molding die 2.
  • the temperature adjustment unit 7 adjusts the temperature of the molding die 2 so as to reduce warping in the low strength region E2.
  • the temperature adjustment unit 7 cools the molding die 2 in the quenching units 12A and 11A, so that when the expanded metal pipe material 40 comes into contact with the molding surface of the molding die 2, the metal pipe material 40 can be rapidly cooled and quenched.
  • the temperature adjustment unit 7 also adjusts the temperature of the molding die 2 in the decooling units 12B and 11B, so that when the expanded metal pipe material 40 comes into contact with the molding surface of the molding die 2, the metal pipe material 40 can be adjusted to a temperature at which quenching does not occur.
  • the temperature adjustment unit 7 includes a flow path formed inside the lower die 11 and the upper die 12, a supply mechanism 37 that supplies a temperature adjustment medium to the flow path and circulates it, and a control unit 8 that controls the supply mechanism 37.
  • the control unit 8 is a device that controls the entire molding device 1.
  • the control unit 8 controls the drive mechanism 3, the holding unit 4, the heating unit 5, the fluid supply unit 6, and the supply mechanism 37.
  • the control unit 8 repeatedly performs the operation of molding the metal pipe material 40 in the molding die 2.
  • control unit 8 controls the timing of conveyance from a conveying device such as a robot arm, and places the metal pipe material 40 between the lower die 11 and the upper die 12 in the open state.
  • the control unit 8 may have an operator manually place the metal pipe material 40 between the lower die 11 and the upper die 12.
  • the control unit 8 also controls the actuator of the holding unit 4 to support the metal pipe material 40 with the lower electrodes 26 on both sides in the longitudinal direction, and then lower the upper electrode 27 to sandwich the metal pipe material 40.
  • the control unit 8 also controls the heating unit 5 to electrically heat the metal pipe material 40. As a result, an axial current flows through the metal pipe material 40, and the metal pipe material 40 itself generates heat due to Joule heat due to the electrical resistance of the metal pipe material 40 itself.
  • the control unit 8 controls the drive mechanism 3 to lower the upper die 12 and bring it close to the lower die 11, and closes the molding die 2. Meanwhile, the control unit 8 controls the fluid supply unit 6 to seal the openings at both ends of the metal pipe material 40 with the nozzle 31 and supply fluid. As a result, the metal pipe material 40 softened by heating expands and comes into contact with the molding surface of the molding die 2. The metal pipe material 40 is then molded to conform to the shape of the molding surface of the molding die 2. When a metal pipe with a flange is formed, a part of the metal pipe material 40 is inserted into the gap between the lower die 11 and the upper die 12, and then the mold is closed to crush the inserted part and form a flange part. When the high-strength region E1 of the metal pipe material 40 comes into contact with the molding surface, the metal pipe material 40 is quenched by the molding die 2 cooled by the temperature adjustment unit 7, and the metal pipe material 40 is quenched.
  • the forming device 1 controls the cooling rate of the aluminum alloy during the solution treatment, and provides a difference in strength of the aluminum alloy after the aging treatment.
  • the solution treatment is a process in which the heated metal pipe material 40 is formed using the dies 11 and 12.
  • the aging treatment is a process in which artificial aging (paint baking) is performed after the metal pipe 140 is formed by the forming device 1.
  • the forming device 1 brings the quenching parts 11A and 12A into contact with each other to increase the cooling rate of the high strength region E1 of the aluminum alloy metal pipe material 40, thereby quenching it.
  • the forming device 1 brings the cooling gradual parts 11B and 12B into contact with each other to decrease the cooling rate of the low strength region E2 of the aluminum alloy metal pipe material 40, thereby gradual cooling it.
  • the forming device 1 provides a difference in strength to the aluminum alloy metal pipe 140 after the aging treatment.
  • the high strength region E1 after the aging treatment has a lower strength than the low strength region E2.
  • the cooling rate is controlled by partially heating the dies 11 and 12. Specifically, the cooling sections 11B and 12B of the molds 11 and 12 are partially heated.
  • the temperature adjustment unit 7 includes temperature adjustment mechanisms 70, 80 that adjust the temperature of the molding die 2.
  • the temperature adjustment mechanism 70 is provided inside the upper die 12 and adjusts the temperature of the molding surface of the die 12.
  • the temperature adjustment mechanism 80 is provided inside the lower die 11 and adjusts the temperature of the molding surface of the die 11.
  • the temperature adjustment mechanism 70 has flow paths 71 provided in the quenching section 12A on both sides of the die 12.
  • the flow paths 71 cool the molding surface of the quenching section 12A by flowing cooling water from the supply mechanism 37.
  • the temperature adjustment mechanism 80 also has flow paths 81 provided in the quenching section 11A on both sides of the die 11.
  • the flow paths 81 cool the molding surface of the quenching section 11A by flowing cooling water from the supply mechanism 37.
  • the cooling section 12B, 11B comprises a heated mold block 12Ba, 11Ba on the molding surface side and a normal mold block 12Bb, 11Bb on the opposite side.
  • the normal mold block 12Bb, 11Bb is a block that connects the quenching sections 12A, 11A on both sides.
  • the temperature control mechanism 70, 80 has flow paths 72, 82 provided in the normal mold block 12Bb, 11Bb.
  • the flow paths 72, 82 are supplied with cooling water similar to the flow paths 71, 81 of the quenching sections 12A, 11A.
  • the heated mold block 12Ba, 11Ba is a block that has a higher temperature than the quenching sections 12A, 11A.
  • An insulating member 75 (or an air gap) is provided between the quenching section 12A, 11A and the heated mold block 12Ba, 11Ba.
  • the temperature adjustment mechanisms 70, 80 have flow paths 73, 83 provided in the heated mold blocks 12Ba, 11Ba.
  • the flow paths 73, 83 pass a fluid with a higher temperature than the flow paths 71, 81, thereby making the molding surface of the cooling section 12B, 11B at a higher temperature than the molding surface of the quenching section 12A, 11A.
  • the temperature adjustment mechanisms 70, 80 may have a heater or the like instead of the flow paths 73, 83. As a result, the temperature adjustment mechanisms 70, 80 can control the cooling rate of the aluminum alloy during the solution treatment (forming) to be slow by partially heating the cooling section 11B, 12B.
  • Figure 5 is a diagram for explaining the state of alloy elements in aluminum.
  • the graph shown in Figure 5 shows the relationship between the concentration ratio of aluminum and alloy elements in the aluminum alloy and temperature.
  • the conceptual diagram shown on the right side of the graph shows the state of the metal structure of the aluminum alloy in each state.
  • “1” shows the state when the aluminum alloy (metal pipe 140) is subjected to solution treatment.
  • the aluminum alloy is in a "solid solution state", where the alloy elements are completely dissolved in solid solution.
  • “2” shows the state when the aluminum alloy is quenched.
  • the aluminum alloy is in a "supersaturated solid solution state", where the precipitated phase is originally more stable, but by quenching in a solid solution state, the alloy elements are in solid solution.
  • “3” shows the state when the aluminum alloy is subjected to aging treatment at a relatively low temperature after quenching. In “3”, the aluminum alloy is in a state where a “metastable precipitation phase” has precipitated.
  • "4" indicates the state when the aluminum alloy is aged at a relatively high temperature after quenching. In “4", the aluminum alloy is in a state where a “stable precipitation phase” has precipitated.
  • "5" indicates the state when the aluminum alloy is slowly cooled.
  • the “stable precipitation phase” precipitates during cooling due to slow cooling. In this case, precipitation occurs not only within the crystal grains but also at the crystal grain boundaries. In order to strengthen the aluminum alloy, it is effective for the precipitates to precipitate densely within the crystal grains. Precipitates are more densely precipitated within the crystal grains in state "4" than in state "5".
  • Figure 6 shows an image of the atomic arrangement in a precipitated state.
  • Figure 6(a) shows an image of the atomic arrangement in a solid solution.
  • Figure 6(b) shows an image of the atomic arrangement in an intermediate phase.
  • Figure 6(c) shows an image of the atomic arrangement in a stable precipitated phase (parallel phase).
  • Figure 7 (a) is a graph showing the change in temperature of an aluminum alloy during solution treatment and aging treatment.
  • time t1 is the time immediately before the aging treatment begins.
  • Time t2 is a time during the aging treatment.
  • Time t3 is the heating end time of the aging treatment when the aging treatment time is set appropriately.
  • Time t4 is the heating end time of the aging treatment when the aging treatment time is set improperly.
  • Graph G1 in FIG. 7(b) is a graph showing the precipitate size of alloying elements in an aluminum alloy.
  • Graph G2 is a graph showing the strength of the aluminum alloy.
  • Graph G3 is a graph showing the number density of precipitates of alloying elements in an aluminum alloy. As shown in graph G1, the size of the precipitates increases with time. On the other hand, as shown in graph G2, the strength of the aluminum alloy peaks at time t3 and then decreases. As shown in graph G3, the number density of precipitates peaks earlier than time t3 and then decreases.
  • FIG. 8 shows the precipitation state at each of times t1, t2, t3, and t4. At time t1, a supersaturated solid solution state is reached.
  • a metastable precipitation phase precipitates.
  • a high-density stable precipitation phase precipitates.
  • a low-density stable precipitation phase precipitates.
  • FIG. 9 is a graph showing the temperature transition of the aluminum alloy during solution treatment and aging treatment.
  • the solid line graph A of the solution treatment shows the temperature of the high strength region E1 where quenching is performed
  • the dashed line graph B shows the temperature of the low strength region E2 where slow cooling is performed.
  • a heating holding time T is set. When heating for solution treatment is started and the temperature is raised to a predetermined temperature, the temperature is held for the heating holding time T.
  • the heating temperature of the aluminum alloy is below the melting point of aluminum and above the solution temperature (around 500°C).
  • Time t5 is the time when cooling is started by contacting the aluminum alloy with the molds 11 and 12. The temperature transition until time t5 is the same for both regions E1 and E2. The temperature transition during the aging treatment is the same for both regions E1 and E2.
  • Time t6 is the time when cooling in the low strength region E2 is completed.
  • Time t7 is the time when the heating temperature during the aging treatment is reached.
  • Time t8 is the time after the aging treatment is completed.
  • Figure 10 shows the precipitation states at times t5, t6, t7, and t8 in the high-strength region E1 where rapid cooling was performed and the low-strength region E2 where slow cooling was performed.
  • a supersaturated solid solution state is maintained until time t6.
  • a metastable precipitate phase precipitates at time t7 when aging treatment is performed.
  • a high-density stable precipitate phase precipitates at time t8 after aging treatment is completed.
  • the low-strength region E2 where slow cooling was performed, precipitates have already precipitated at time t6, which is after solution treatment but before aging treatment.
  • the formed metal pipe 140 has a high-strength region E1 (first portion) where the number density of the alloy element precipitates is high, and a low-strength region E2 (second portion) where the number density of the alloy element precipitates is lower than that of the high-strength region E1.
  • This forming device 1 forms an aluminum alloy metal pipe material 40.
  • thermal aging treatment is performed.
  • the forming device 1 controls the cooling rate of the aluminum alloy during solution treatment.
  • the strength obtained after aging treatment varies depending on the cooling rate of the solution treatment. Therefore, the forming device 1 can provide areas in the aluminum alloy with a fast cooling rate and areas with a slow cooling rate. In this way, by providing areas in the aluminum alloy with different cooling rates, it is possible to obtain areas with different strengths after aging treatment. As described above, a difference in strength can be provided in the aluminum alloy metal pipe 140 after forming.
  • the cooling rate can be controlled by partially heating the molds 11 and 12. In this case, when the heated parts of the molds 11 and 12 (cooling-reducing parts 11B and 12B) come into contact with the aluminum alloy, the cooling rate of those parts slows down. This makes it easy to control the cooling rate.
  • the formed metal pipe 140 may have a high-strength region E1 (first region) where the number density of alloy element precipitates is high, and a low-strength region E2 (second region) where the number density of alloy element precipitates is lower than that of the high-strength region E1.
  • the high-strength region E1 has a high number density of precipitates and is high in strength.
  • the low-strength region E2 has a low number density of precipitates and is low in strength. In this way, a difference in strength can be created between the high-strength region E1 and the low-strength region E2.
  • a heating hold time may be set during heating for solution treatment. In this case, time can be ensured for the alloying elements to form a solid solution during solution treatment. This makes it easier to create differences in strength by controlling the cooling rate.
  • the shape of the metal pipe after molding is not particularly limited, and it may be a metal pipe with a flange or a metal pipe without a flange.
  • the forming device may be any device that heats and hardens the metal material, and a forming device using a hot stamping method may be used. In this case, the metal material becomes a plate material. Other forming devices may also be used.
  • a forming apparatus for forming an aluminum alloy metal material comprising: By controlling the cooling rate of the aluminum alloy during solution treatment, A forming device that creates differences in the strength of aluminum alloys after aging treatment.
  • [Form 2] 2. The molding apparatus according to claim 1, wherein the cooling rate is controlled by partially heating the mold.
  • a heating holding time is provided during the heating for the solution treatment.
  • a metallic member having a first region in which the number density of precipitates of an alloying element is high, and a second region in which the number density of precipitates of an alloying element is low relative to the first region.
  • 1...molding device 2...molding die, 11, 12...dies, 40...metal pipe material (metal material), 140...metal pipe (metal member), E1...high strength region (first portion), E2...low strength region (second portion).

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Abstract

成形装置は、アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールし、時効処理後のアルミニウム合金の強度に差を設ける。

Description

成形装置、及び金属部材
　本開示は、成形装置、及び金属部材に関する。
　従来、加熱された金属材料を成形する成形装置が知られている。例えば、下記特許文献１には、互いに対になる下型及び上型を有する金型と、金型の間に保持された金属パイプ材料内に気体を供給する気体供給部と、通電加熱によって当該金属パイプ材料を加熱する加熱部と、を備える成形装置が開示されている。このような成形装置は、加熱された金属パイプを成形時に冷却するために、金型に形成された流路に水を流す冷却部を備える。これにより、成形装置は、冷却された金型を金属パイプ材料に接触させることで、焼き入れ成形を行うことができる。
特開２００９－２２０１４１号公報
　ここで、金属材料として、軽量化の観点からアルミニウム合金が用いられる場合があった。アルミニウム合金の成形においては、成形に伴う溶体化処理の後に、熱による時効処理が行われる。このプロセスによって高強度のアルミ合金の金属部材が得られるが、更に、金属部材内で強度差を設けることが求められていた。
　そこで、本開示は、成形後のアルミニウム合金の金属部材内で強度の差を設けることができる成形装置、及び金属部材を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る成形装置は、アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールし、時効処理後のアルミニウム合金の強度に差を設ける。
　この成形装置において、成形装置は、アルミニウム合金の金属材料を成形する。このようなアルミニウム合金に対しては、成形装置による溶体化処理の後に、熱による時効処理が行われる。成形装置は、溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールする。アルミニウム合金においては、溶体化処理の冷却速度によって、時効処理後に得られる強度が変化する。従って、成形装置は、アルミニウム合金内で冷却速度が速い部位と、冷却速度が遅い部位を設けることができる。このように、アルミニウム合金内で冷却速度が異なる部位を設けておくと、時効処理後に異なる強度の部位を得ることができる。以上より、成形後のアルミニウム合金の金属部材内で強度の差を設けることができる。
　冷却速度のコントロールは、金型を部分的に加熱することによってなされてよい。この場合、金型において加熱した部分と、アルミニウム合金とが接触したら、当該部分の冷却速度が遅くなる。これにより、冷却速度を容易にコントロールすることができる。
　成形後の金属部材は、合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に比して低い第２の部位と、を有してよい。第１の部位は、析出物の数密度が高く強度が高い。第２の部位は、析出物の数密度が低く強度が低い。このように、第１の部位と第２の部位とで強度の差を設けることができる。
　溶体化処理の加熱時に加熱保持時間を設けてよい。この場合、溶体化処理において、アルミニウムが溶けるための時間を確保することができる。これにより、冷却速度をコントロールすることによる強度の差を設けやすくなる。
　金属部材は、合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に対して低い第２の部位とを有する。
　この金属部材において第１の部位は、析出物の数密度が高く強度が高い。第２の部位は、析出物の数密度が低く強度が低い。このように、第１の部位と第２の部位とで強度の差を設けることができる。
　本開示によれば、成形後のアルミニウム合金の金属部材内で強度の差を設けることができる成形装置、及び金属部材を提供できる。
本開示の実施形態に係る成形装置を示す概略構成図である。 図２（ａ）は、加熱膨張ユニットを示す概略側面図である。図２（ｂ）は、ノズルが金属パイプ材料をシールした時の様子を示す断面図である。 成形金型の温度調整機構を示す概略断面図である。 成形後の金属パイプを示す概略図である。 アルミニウムの状態を説明するための図である。 析出状態における原子配置のイメージを示す。 図７（ａ）は、溶体化処理時と時効処理時におけるアルミニウム合金の温度の推移を示すグラフであり、図７（ｂ）は、アルミニウム合金の各種特性を示すグラフである。 図７（ａ）に示す各時刻における析出状態を示す。 溶体化処理時と時効処理時におけるアルミニウム合金の温度の推移を示すグラフである。 急冷を行った高強度領域及び除冷を行った低強度領域の各時刻における析出状態を示す図である。
　以下、本開示による成形装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　図１は、本実施形態に係る成形装置１の概略構成図である。図１に示すように、成形装置１は、ブロー成形によって中空形状を有する金属パイプを成形する装置である。本実施形態では、成形装置１は、水平面上に設置される。成形装置１は、成形金型２と、駆動機構３と、保持部４と、加熱部５と、流体供給部６と、温度調整部７と、制御部８と、を備える。なお、本明細書において、金属パイプ材料４０（金属材料）は、成形装置１での成形完了前の中空物品を指す。金属パイプ材料４０は、焼入れ可能な鋼種のパイプ材料である。また、水平方向のうち、成形時において金属パイプ材料４０が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向と直交する方向を「幅方向」と称する場合がある。
　成形金型２は、金属パイプ材料４０から金属パイプ１４０（図４参照）を成形する型であり、上下方向に互いに対向する下側の金型１１及び上側の金型１２を備える。下側の金型１１及び上側の金型１２は、鋼鉄製ブロックで構成される。下側の金型１１及び上側の金型１２のそれぞれには、金属パイプ材料４０が収容される凹部が設けられる。下側の金型１１と上側の金型１２は、互いに密接した状態（型閉状態）で、各々の凹部が金属パイプ材料を成形すべき目標形状の空間を形成する。従って、各々の凹部の表面が成形金型２の成形面となる。下側の金型１１は、ダイホルダ等を介して基台１３に固定される。上側の金型１２は、ダイホルダ等を介して駆動機構３のスライドに固定される。
　ここで、本実施形態では、金属パイプ材料４０はアルミニウム合金の金属材料である。金属パイプ材料４０は、強度が高い高強度領域Ｅ１と、強度が低い低強度領域Ｅ２と、を有する。従って、成形金型２は、金属パイプ材料４０の高強度領域Ｅ１における冷却速度を早くする急冷を行い、金属パイプ材料４０の低強度領域Ｅ２における冷却速度を遅くする除冷を行う。上側の金型１２及び下側の金型１１は、高強度領域Ｅ１へ焼き入れを行う急冷部１２Ａ，１１Ａと、低強度領域Ｅ２に焼き入れが行われないようにする除冷部１２Ｂ，１１Ｂと、を有する。本実施形態では、金属パイプ１４０（金属パイプ材料４０）の略中央位置に低強度領域Ｅ２が設けられ、当該低強度領域Ｅ２を長手方向に挟むように高強度領域Ｅ１が設けられる。そのため、上側の金型１２及び下側の金型１１は、中央位置に除冷部１２Ｂ，１１Ｂと、当該低強度領域Ｅ２を長手方向に挟む急冷部１２Ａ，１１Ａと、を備える。これにより、図４に示すように、成形後の金属パイプ１４０の低強度領域Ｅ２（ハッチングを付した部分）は部分的に強度が低い部位となり、高強度領域Ｅ１は強度が高い部位となる。
　駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２の少なくとも一方を移動させる機構である。図１では、駆動機構３は、上側の金型１２のみを移動させる構成を有する。駆動機構３は、下側の金型１１及び上側の金型１２同士が合わさるように上側の金型１２を移動させるスライド２１と、上記スライド２１を上側へ引き上げる力を発生させるアクチュエータとしての引き戻しシリンダ２２と、スライド２１を下降加圧する駆動源としてのメインシリンダ２３と、メインシリンダ２３に駆動力を付与する駆動源２４と、を備えている。
　保持部４は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に配置される金属パイプ材料４０を保持する機構である。保持部４は、成形金型２の長手方向における一端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、成形金型２の長手方向における他端側にて金属パイプ材料４０を保持する下側電極２６及び上側電極２７と、を備える。長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７は、金属パイプ材料４０の端部付近を上下方向から挟み込むことによって、当該金属パイプ材料４０を保持する。なお、下側電極２６の上面及び上側電極２７の下面には、金属パイプ材料４０の外周面に対応する形状を有する溝部が形成される。下側電極２６及び上側電極２７には、図示されない駆動機構が設けられており、それぞれ独立して上下方向へ移動することができる。
　加熱部５は、金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、金属パイプ材料４０へ通電することで当該金属パイプ材料４０を加熱する機構である。加熱部５は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間にて、下側の金型１１及び上側の金型１２から金属パイプ材料４０が離間した状態にて、当該金属パイプ材料４０を加熱する。加熱部５は、上述の長手方向の両側の下側電極２６及び上側電極２７と、これらの電極２６，２７を介して金属パイプ材料４０へ電流を流す電源２８と、を備える。なお、加熱部は、成形装置１の前工程に配置し、外部で加熱をするものであっても良い。
　流体供給部６は、下側の金型１１及び上側の金型１２の間に保持された金属パイプ材料４０内に高圧の流体を供給するための機構である。流体供給部６は、加熱部５で加熱されることで高温状態となった金属パイプ材料４０に高圧の流体を供給して、金属パイプ材料４０を膨張させる。流体供給部６は、成形金型２の長手方向の両端側に設けられる。流体供給部６は、金属パイプ材料４０の端部の開口部から当該金属パイプ材料４０の内部へ流体を供給するノズル３１と、ノズル３１を金属パイプ材料４０の開口部に対して進退移動させる駆動機構３２と、ノズル３１を介して金属パイプ材料４０内へ高圧の流体を供給する供給源３３と、を備える。駆動機構３２は、流体供給時及び排気時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部にシール性を確保した状態で密着させ、その他の時にはノズル３１を金属パイプ材料４０の端部から離間させる。なお、流体供給部６は、流体として、高圧の空気や不活性ガスなどの気体を供給してよい。また、流体供給部６は、金属パイプ材料４０を上下方向へ移動する機構を有する保持部４とともに、加熱部５を含めて同一装置としても良い。
　保持部４、加熱部５、及び流体供給部６の構成要素は、ユニット化された加熱膨張ユニット１５０として構成されてよい。図２（ａ）は、加熱膨張ユニット１５０を示す概略側面図である。図２（ｂ）は、ノズル３１が金属パイプ材料４０をシールした時の様子を示す断面図である。
　図２（ａ）に示すように、加熱膨張ユニット１５０は、上述の下側電極２６及び上側電極２７と、各電極２６，２７を搭載した電極搭載ユニット１５１、上述のノズル３１及び駆動機構３２と、昇降ユニット１５２と、ユニットベース１５３と、を備える。電極搭載ユニット１５１は、昇降フレーム１５４と、電極フレーム１５６，１５７と、を備える。電極フレーム１５６，１５７は、各電極２６，２７を支持して移動させる駆動機構６０の一部として機能する。駆動機構３２は、ノズル３１を駆動させ、電極搭載ユニット１５１と共に昇降する。駆動機構３２は、ノズル３１を保持するピストン６１と、ピストンを駆動させるシリンダ６２とを備えている。昇降ユニット１５２は、ユニットベース１５３の上面に取り付けられる昇降フレームベース６４と、これらの昇降フレームベース６４によって、電極搭載ユニット１５１の昇降フレーム１５４に対して昇降動作を付与する昇降用アクチュエータ６６とを備えている。昇降フレームベース６４は、ユニットベース１５３に対する昇降フレーム１５４の昇降動作をガイドするガイド部６４ａ，６４ｂを有する。昇降ユニット１５２は、保持部４の駆動機構６０の一部として機能する。加熱膨張ユニット１５０は、上面の傾斜角度が異なる複数のユニットベース１５３を有し、これらを交換することにより、下側電極２６及び上側電極２７、ノズル３１、電極搭載ユニット１５１、駆動機構３２、昇降ユニット１５２の傾斜角度を一括的に変更調節することを可能としている。
　ノズル３１は、金属パイプ材料４０の端部を挿入可能な円筒部材である。ノズル３１は、当該ノズル３１の中心線が基準線ＳＬ１と一致するように、駆動機構３２に支持されている。金属パイプ材料４０側のノズル３１の端部の供給口３１ａの内径は、膨張成形後の金属パイプ材料４０の外径に略一致している。この状態で、ノズル３１は、内部の流路６３から高圧の流体を金属パイプ材料４０に供給する。なお、高圧流体の一例としては、ガスなどが挙げられる。
　図１に戻り、温度調整部７は、成形金型２の温度を調整する機構である。温度調整部７は、低強度領域Ｅ２における反りを低減するように、成形金型２の温度を調整する。温度調整部７は、急冷部１２Ａ，１１Ａにおいて、成形金型２を冷却することで、膨張した金属パイプ材料４０が成形金型２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を急速に冷却して焼き入れすることができる。また、温度調整部７は、除冷部１２Ｂ，１１Ｂにおいて、成形金型２の温度調整を行うことで、膨張した金属パイプ材料４０が成形金型２の成形面と接触したときに、金属パイプ材料４０を焼き入れが起きない温度に調整することができる。温度調整部７は、下側の金型１１及び上側の金型１２の内部に形成された流路と、流路へ温度調整媒体を供給して循環させる供給機構３７と、供給機構３７を制御する制御部８を備える。
　制御部８は、成形装置１全体を制御する装置である。制御部８は、駆動機構３、保持部４、加熱部５、流体供給部６、及び供給機構３７を制御する。制御部８は、金属パイプ材料４０を成形金型２で成形する動作を繰り返し行う。
　具体的に、制御部８は、例えば、ロボットアーム等の搬送装置からの搬送タイミングを制御して、開いた状態の下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置する。あるいは、制御部８は、作業者が手動で下側の金型１１及び上側の金型１２の間に金属パイプ材料４０を配置してよい。また、制御部８は、長手方向の両側の下側電極２６で金属パイプ材料４０を支持し、その後に上側電極２７を降ろして当該金属パイプ材料４０を挟むように、保持部４のアクチュエータ等を制御する。また、制御部８は、加熱部５を制御して、金属パイプ材料４０を通電加熱する。これにより、金属パイプ材料４０に軸方向の電流が流れ、金属パイプ材料４０自身の電気抵抗により、金属パイプ材料４０自体がジュール熱によって発熱する。
　制御部８は、駆動機構３を制御して上側の金型１２を降ろして下側の金型１１に近接させ、成形金型２の型閉を行う。その一方、制御部８は、流体供給部６を制御して、ノズル３１で金属パイプ材料４０の両端の開口部をシールすると共に、流体を供給する。これにより、加熱により軟化した金属パイプ材料４０が膨張して成形金型２の成形面と接触する。そして、金属パイプ材料４０は、成形金型２の成形面の形状に沿うように成形される。なお、フランジ付きの金属パイプを形成する場合、下側の金型１１と上側の金型１２との間の隙間に金属パイプ材料４０の一部を進入させた後、更に型閉を行って、当該進入部を押しつぶしてフランジ部とする。金属パイプ材料４０の高強度領域Ｅ１が成形面に接触すると、温度調整部７で冷却された成形金型２で急冷されることによって、金属パイプ材料４０が急冷される。
　成形装置１は、溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールし、時効処理後のアルミニウム合金の強度に差を設ける。溶体化処理とは、加熱した金属パイプ材料４０を金型１１，１２を用いて成形する処理である。時効処理とは、成形装置１による金属パイプ１４０の成形後に、人工時効（塗装焼付）を行う処理である。成形装置１は、急冷部１１Ａ，１２Ａを接触させることで、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０の高強度領域Ｅ１の冷却速度を速くして急冷する。成形装置１は、除冷部１１Ｂ，１２Ｂを接触させることで、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０の低強度領域Ｅ２の冷却速度を低くして除冷する。これにより、成形装置１は、時効処理後のアルミニウム合金の金属パイプ１４０に強度に差を設ける。時効処理後の高強度領域Ｅ１は、低強度領域Ｅ２よりも強度が低い。冷却速度のコントロールは、金型１１，１２を部分的に加熱することによってなされる。具体的に、金型１１，１２の除冷部１１Ｂ，１２Ｂを部分的に加熱する。
　図３を参照して、温度調整部７について更に詳細に説明する。温度調整部７は、成形金型２の温度を調整する温度調整機構７０，８０を備える。温度調整機構７０は、上側の金型１２の内部に設けられ、金型１２の成形面の温度を調整する。温度調整機構８０は、下側の金型１１の内部に設けられ、金型１１の成形面の温度を調整する。温度調整機構７０は、金型１２の両側の急冷部１２Ａ内に設けられた流路７１を有する。流路７１は、供給機構３７からの冷却水を流すことによって、急冷部１２Ａの成形面を冷却する。また、温度調整機構８０は、金型１１の両側の急冷部１１Ａ内に設けられた流路８１を有する。流路８１は、供給機構３７からの冷却水を流すことによって、急冷部１１Ａの成形面を冷却する。
　ここで、除冷部１２Ｂ，１１Ｂは、成形面側の加熱金型ブロック１２Ｂａ，１１Ｂａと、反対側の通常金型ブロック１２Ｂｂ，１１Ｂｂと、を備える。通常金型ブロック１２Ｂｂ，１１Ｂｂは、両側の急冷部１２Ａ，１１Ａ同士を接続するブロックである。温度調整機構７０，８０は、通常金型ブロック１２Ｂｂ，１１Ｂｂ内に設けられる流路７２，８２を有する。流路７２，８２には、急冷部１２Ａ，１１Ａの流路７１，８１と同様な冷却水が供給される。加熱金型ブロック１２Ｂａ，１１Ｂａは、急冷部１２Ａ，１１Ａよりも温度が高くなるブロックである。急冷部１２Ａ，１１Ａと加熱金型ブロック１２Ｂａ，１１Ｂａとの間には断熱部材７５（または空隙）が設けられる。温度調整機構７０，８０は、加熱金型ブロック１２Ｂａ，１１Ｂａ内に設けられる流路７３，８３を有する。流路７３，８３は、流路７１，８１よりも温度が高い流体を流すことによって、除冷部１２Ｂ，１１Ｂの成形面を、急冷部１２Ａ，１１Ａの成形面よりも高い温度とする。なお、温度調整機構７０，８０は、流路７３，８３に代えてヒータなどを有していてもよい。これにより、温度調整機構７０，８０は、除冷部１１Ｂ，１２Ｂを部分的に加熱することによって、当該溶体化処理時（成形時）におけるアルミニウム合金の冷却速度が遅くなるようにコントロールできる。
　次に、図５～図１０を参照して、アルミニウム合金の強度に差が設けられる理由、及びそのためのアルミニウム合金の冷却速度のコントロールについて説明する。まず、図５及び図６を参照して、アルミニウム中の合金元素の析出について説明する。図５は、アルミニウム中の合金元素の状態を説明するための図である。図５に示すグラフは、アルミニウム合金中のアルミニウムおよび合金元素の濃度比と、温度との関係を示す。また、グラフの右側に示す概念図は、各状態におけるアルミニウム合金の金属組織の様子を示す。グラフ中の「１」は、アルミニウム合金（金属パイプ１４０）の溶体化処理を行ったときの状態を示す。「１」ではアルミニウム合金は「固溶体状態」にあり、合金元素が完全に固溶した状態である。「２」はアルミニウム合金の焼き入れを行ったときの状態を示す。「２」ではアルミニウム合金は「過飽和固溶体状態」にあり、本来は析出相の方が安定だが、固溶した状態で急冷することにより、合金元素が固溶している状態である。「３」は、焼き入れ後に、比較的低い温度でアルミニウム合金の時効処理をおこなったときの状態を示す。「３」ではアルミニウム合金は「準安定析出相」が析出した状態にある。「４」は、焼き入れ後に、比較的高い温度でアルミニウム合金の時効処理をおこなったときの状態を示す。「４」ではアルミニウム合金は「安定析出相」が析出した状態にある。「５」は、アルミニウム合金の除冷を行ったときの状態を示す。「５」では、除冷により冷却中に「安定析出相」が析出する。この場合は、結晶粒内の他、結晶粒界での析出が起こる。アルミニウム合金の強化には、析出物が結晶粒内で緻密に析出することが有効である。「５」の状態よりも「４」の状態の方が結晶粒内に析出物が緻密に析出する。
　なお、図６は、析出状態における原子配置のイメージを示す。図６（ａ）は、固溶体おける原子配置のイメージを示す。図６（ｂ）は、中間相における原子配置のイメージを示す。図６（ｃ）は、安定析出相（平行相）における原子配置のイメージを示す。
　次に、図７及び図８を参照して、時効処理の処理時間について説明する。図７（ａ）は、溶体化処理時と時効処理時におけるアルミニウム合金の温度の推移を示すグラフである。図７（ａ）に示すように、時刻ｔ１は、時効処理が始まる直前の時刻である。時刻ｔ２は、時効処理中の時刻である。時刻ｔ３は、時効処理時間が適切に設定されている場合の時効処理の加熱終了時刻である。時刻ｔ４は、時効処理時間が不適切に設定されている場合の時効処理の加熱終了時刻である。
　図７（ｂ）のグラフＧ１は、アルミニウム合金中の合金元素の析出物サイズを示すグラフである。グラフＧ２は、アルミニウム合金の強度を示すグラフである。グラフＧ３は、アルミニウム合金中の合金元素の析出物の数密度を示すグラフである。グラフＧ１に示すように、析出物のサイズは時間と共に大きくなる。一方、グラフＧ２に示すように、アルミニウム合金の強度は時刻ｔ３で強度ピークとなり、その後は低下する。グラフＧ３に示すように、析出物の数密度は、時刻ｔ３よりも早くピークとなり、その後は低下する。図８は、各時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４における析出状態を示す。時刻ｔ１では、過飽和固溶体状態となっている。時刻ｔ２では、準安定析出相が析出する。時刻ｔ３では、高密度の安定析出相が析出する。時刻ｔ４では、低密度の安定析出相が析出する。このように、時刻ｔ４まで時効処理を行うと過時効となって、安定析出相の密度が低くなり、アルミニウム合金の強度も低下することが分かる。従って、適切な時効処理時間である時刻ｔ３で時効処理の加熱を終了すると、安定析出相の密度が高くなり、アルミニウム合金の強度が高くなる。
　次に、図９及び図１０を参照して、アルミニウム合金のうち、急冷部１１Ａ，１２Ａで急冷を行う高強度領域Ｅ１、及び除冷部１１Ｂ，１２Ｂで除冷を行う低強度領域Ｅ２（図３参照）における析出状態について説明する。図９は、溶体化処理時と時効処理時におけるアルミニウム合金の温度の推移を示すグラフである。溶体化処理の実線のグラフＡは急冷を行う高強度領域Ｅ１の温度を示し、破線のグラフＢは除冷を行う低強度領域Ｅ２の温度を示す。溶体化処理の加熱時には、加熱保持時間Ｔが設けられる。溶体化処理の加熱が開始されて所定温度まで上昇したら、当該温度が加熱保持時間Ｔだけ保持される。アルミニウム合金の加熱温度は、アルミニウムの融点以下であって、溶体化温度以上（５００℃前後）であることが好ましい。時刻ｔ５は、アルミニウム合金に金型１１，１２が接触することで冷却が開始される時刻である。時刻ｔ５までの温度の推移は、いずれの領域Ｅ１，Ｅ２も同様である。また、時効処理における温度の推移は何れの領域Ｅ１，Ｅ２も同様である。時刻ｔ６は、低強度領域Ｅ２での冷却が終了した時間である。時刻ｔ７は、時効処理における加熱温度に達した時刻である。時刻ｔ８は、時効処理が終了した後の時刻である。
　図１０は、急冷を行った高強度領域Ｅ１及び除冷を行った低強度領域Ｅ２の各時刻ｔ５，ｔ６，ｔ７，ｔ８における析出状態を示す。急冷を行った高強度領域Ｅ１では、時刻ｔ６まで過飽和固溶体状態となっている。時効処理が行われている時刻ｔ７で準安定析出相が析出する。時効処理が終了した後の時刻ｔ８で高密度な安定析出相が析出する。一方、除冷を行った低強度領域Ｅ２では、溶体化処理後であって、時効処理前の段階である時刻ｔ６の段階において、析出物が既に析出している。また、結晶粒内だけではなく、結晶粒界にも析出物が析出する。そのため、低強度領域Ｅ２においては、最終的な時効処理後の時刻ｔ８における結晶粒内の析出物の数密度が低くなり、強度が低下する。以上より、成形後の金属パイプ１４０は、合金元素の析出物の数密度が高い高強度領域Ｅ１（第１の部位）と、合金元素の析出物の数密度が高強度領域Ｅ１に比して低い低強度領域Ｅ２（第２の部位）と、を有する。
　次に、本実施形態に係る成形装置１の作用・効果について説明する。
　この成形装置１は、アルミニウム合金の金属パイプ材料４０を成形する。このようなアルミニウム合金に対しては、成形装置１による溶体化処理の後に、熱による時効処理が行われる。成形装置１は、溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールする。アルミニウム合金においては、溶体化処理の冷却速度によって、時効処理後に得られる強度が変化する。従って、成形装置１は、アルミニウム合金内で冷却速度が速い部位と、冷却速度が遅い部位を設けることができる。このように、アルミニウム合金内で冷却速度が異なる部位を設けておくと、時効処理後に異なる強度の部位を得ることができる。以上より、成形後のアルミニウム合金の金属パイプ１４０内で強度の差を設けることができる。
　冷却速度のコントロールは、金型１１，１２を部分的に加熱することによってなされてよい。この場合、金型１１，１２において加熱した部分（除冷部１１Ｂ，１２Ｂ）と、アルミニウム合金とが接触したら、当該部分の冷却速度が遅くなる。これにより、冷却速度を容易にコントロールすることができる。
　成形後の金属パイプ１４０は、合金元素の析出物の数密度が高い高強度領域Ｅ１（第１の部位）と、合金元素の析出物の数密度が高強度領域Ｅ１に比して低い低強度領域Ｅ２（第２の部位）と、を有してよい。高強度領域Ｅ１は、析出物の数密度が高く強度が高い。低強度領域Ｅ２は、析出物の数密度が低く強度が低い。このように、高強度領域Ｅ１と低強度領域Ｅ２とで強度の差を設けることができる。
　溶体化処理の加熱時に加熱保持時間を設けてよい。この場合、溶体化処理において、合金元素が固溶するための時間を確保することができる。これにより、冷却速度をコントロールすることによる強度の差を設けやすくなる。
　本開示は、上述の実施形態に限定されない。
　例えば、成形後の金属パイプの形状は特に限定されず、フランジ付きの金属パイプであっても、フランジを有さない金属パイプであってもよい。
　また、成形装置は、金属材料を加熱し、焼き入れを行う成形装置であればよく、ホットスタンピング法の成形装置が採用されてもよい。この場合、金属材料は板材となる。その他の成形装置が採用されてもよい。
［形態１］
　アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、
　溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールし、
　時効処理後のアルミニウム合金の強度に差を設ける、成形装置。
［形態２］
　前記冷却速度のコントロールは、金型を部分的に加熱することによってなされる形態１に記載の成形装置。
［形態３］
　前記成形後の金属部材は、合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に比して低い第２の部位と、を有する、形態１又は２に記載の成形装置。
［形態４］
　前記溶体化処理の加熱時に加熱保持時間を設ける、形態１～３の何れか一項に記載の成形装置。
［形態５］
　合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に対して低い第２の部位とを有する、金属部材。
　１…成形装置、２…成形金型、１１，１２…金型、４０…金属パイプ材料（金属材料）、１４０…金属パイプ（金属部材）、Ｅ１…高強度領域（第１の部位）、Ｅ２…低強度領域（第２の部位）。

Claims (5)

  1. 　アルミニウム合金の金属材料を成形する成形装置であって、
    　溶体化処理時にアルミニウム合金の冷却速度をコントロールし、
    　時効処理後のアルミニウム合金の強度に差を設ける、成形装置。
  2. 　前記冷却速度のコントロールは、金型を部分的に加熱することによってなされる請求項１に記載の成形装置。
  3. 　前記成形後の金属部材は、合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に比して低い第２の部位と、を有する、請求項１に記載の成形装置。
  4. 　前記溶体化処理の加熱時に加熱保持時間を設ける、請求項１に記載の成形装置。
  5. 　合金元素の析出物の数密度が高い第１の部位と、合金元素の析出物の数密度が第１の部位に対して低い第２の部位とを有する、金属部材。
     
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