JP2004124151A

JP2004124151A - アルミニウム合金の熱処理方法

Info

Publication number: JP2004124151A
Application number: JP2002288956A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Kanetake; 金武　直幸; Takeshi Nishiwaki; 西脇　武志
Original assignee: Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2002-10-01
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】プレス成形に先立って大きな加工変形を受ける部位を予め軟質化しておくことにより、加工欠陥がなく形状精度の良好な成形品を得る。
【解決手段】アルミニウム合金板から切り出されたブランク１の加工予定部位に高温の金属ブロック２ｕ，２ｄを押し当て、金属ブロック２ｕ，２ｄと接触しているブランク１を局部的に急速加熱し、接触部分を局部軟化する。素材としては、時効硬化型，析出硬化型，加工硬化型等、金属間化合物や第２相の析出によって強度が向上するアルミニウム合金が好ましい。ブランク１を局部的に急速加熱する金属ブロック２ｕ，２ｄには、好ましくは３５０℃以上に高温加熱された銅製ブロックが使用され、１ＭＰａ以上の加圧力でブランクの加工予定部位に押し当てられる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、軽量性を活用し自動車部品，電子機器のケーシング，電気機器のハウジング等、広範な分野で使用されているアルミニウム合金のプレス成形性を改善する熱処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金は、軽量で耐食性にも優れていることから自動車部品，電子機器のケーシング，電気機器のハウジング等の素材に使用され、プレス成形によって製品形状に加工されている。製品によっては、極めて大きな絞り比で加工される場合もある。
プレス成形される素材には、加工中に不均一な変形が生じる。そこで、変形様式に対応した適度の強度差や延性差を予め素材内に与えておくと高い成形限界での加工が可能となる。たとえば、特開２０００−８０４１８号公報では、熱処理により被熱処理部を局部的に軟化させ鋼板の成形性を向上させている。アルミニウム合金でも、ポンチ荷重を受ける中央部を硬く強く、縮みフランジ変形する周辺部を変形しやすい軟化状態に局部的な時効処理で調質することが「塑性と加工」第２７巻第３１１号第１３６３〜１３６８頁に紹介されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム合金の内部に強度差をつける従来の方法は、必要な強度差を得るのに時間がかかり、生産性も低い。しかも、製品形状によっては適用できないこともあり、負担の大きな設備が必要となる。
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、短時間の熱処理で必要強度差をアルミニウム合金につけ、大掛かりな設備投資を必要とせず大量生産に適した方法でアルミニウム合金の加工性を向上することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱処理方法は、その目的を達成するため、ブランクの加工予定部位に高温の金属ブロックを押し当て、金属ブロックからの熱伝達で金属ブロックと接触しているブランクを局部的に急速加熱し、接触部分を局部軟化することを特徴とする。
素材としては、時効硬化型，析出硬化型，加工硬化型等、金属間化合物や第２相の析出によって強度が向上するアルミニウム合金が好ましい。ブランクを切り出す前のアルミニウム合金板に金属ブロックを押し当てて急速加熱する方法，アルミニウム合金板から切り出されたブランクに金属ブロックを押し当てて急速加熱する方法の何れによっても加工予定部位を局部軟化できる。
【０００５】
ブランクを局部的に急速加熱する加圧加熱体には、３５０℃以上に高温加熱された金属ブロックが使用され、１ＭＰａ以上の加圧力でブランクの加工予定部位に押し当てられる。金属ブロックと接触した部位の昇温特性は金属ブロックの加熱温度，加圧力に影響される。金属ブロックとの接触で軟化した軟化領域の強度を非接触部位（硬質領域）の強度の９０％以下、軟化領域と非接触部の硬質領域との間の強度遷移幅を２０ｍｍ以下に規制するとき、絞り比を大きく設定しても割れ，破断，座屈等の加工欠陥がない製品形状にブランクをプレス成形できる。
【０００６】
【作用】
アルミニウム合金板のブランク１をリング状の加圧加熱体２ｕ，２ｄ（図１）で挟み、所定の加圧力Ｐを付与した状態でブランク１を急速加熱すると、加圧加熱体２ｕ，２ｄと接触している部分が急速に昇温し、ブランク１に析出しているＭｇ_２Ｓｉ，Ｓｉ，Ｃｕ等の金属間化合物や第２相（以下、”金属間化合物”で総称する）がマトリックスに固溶する。加圧加熱体２ｕ，２ｄとしてはリング状に限らず、加工形状を考慮して適宜の形状に整形されたブロックの使用が可能なことは勿論である。
【０００７】
金属間化合物の固溶により被加熱部が軟化領域１ｓ（図３）となり、加圧加熱体２ｕ，２ｄによる加熱を受けていない残りの部分（硬質領域１ｈ）は当初の強度を維持する。金属間化合物の固溶の他に、アルミニウム合金板の製造過程で導入されている歪，残留応力が急速加熱で解放されることによってもブランク１が局部的に軟化する。
【０００８】
使用可能なアルミニウム合金は、特に材質に制約を受けるものではないが、急速加熱による局部軟化を活用する上で金属間化合物として析出しやすいＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ，Ｆｅ等を含む組成が好ましく、時効硬化型，析出硬化型，加工硬化型等がある。具体的には、Ｍｇ：０．４〜４．０質量％，Ｓｉ：０．２〜２．０質量％，Ｃｕ：０．２〜６．０質量％の１種又は２種以上を含む時効硬化型又は加工硬化型アルミニウム合金が挙げられる。
加熱到達温度はアルミニウム合金の種類にもよるが、３５０℃以上に設定することにより析出している大半の金属間化合物がマトリックスに固溶し、歪，応力も解放される。
【０００９】
加圧加熱体２ｕ，２ｄとしては、たとえば高温加熱された金属ブロックが使用される。高温の金属ブロック２ｕ，２ｄをブランク１に押し当てると、極めて短時間で金属間化合物がマトリックスに固溶する温度域までブランク１が局部的に昇温する。昇温状態を所定時間維持することにより、金属間化合物が固溶し、歪，応力が解放された軟化領域１ｓに改質される。前掲の時効硬化型アルミニウム合金板を局部軟化後に観察すると、硬質領域１ｈでは析出物の平均粒子間隙が１μｍ以下になっているのに対し、軟化領域１ｓではＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕが合計で０．５質量％以上の割合でマトリックスに固溶している。その結果、金属ブロック２ｕ，２ｄによる加熱を受けていない硬質領域１ｈとの間に強度差が生じる。加工性の向上に有効な強度差は、５秒以内の加熱保持で達成できる。
【００１０】
軟化領域１ｓと硬質領域１ｈとの間に強度差をつけたブランク１は、たとえばダイ３に載置され、周辺部をしわ抑え４で固定される（図２）。この状態でポンチ５をダイ開口に押し込むと、ダイ３，ポンチ５の形状に倣ってブランク１が塑性変形する。ダイ３としわ抑え４に挟まれる被挟持部１ｃが最も大きく塑性変形することから、この部分に軟化領域１ｓが位置するように加圧加熱体２ｕ，２ｄで局部軟化したブランク１を使用する。ダイ３の肩部に当る近傍も塑性変形量が大きいが、この部分の強度を低下させると成形時に割れが生じやすくなるので、ダイ３の肩部を避けて軟化領域１ｓを設定することが好ましい。
【００１１】
軟化領域１ｓは、ポンチ５の押込みに追従して高い精度で目標形状に塑性変形し、成形後に変形領域１ｄとなる。変形領域１ｄは加工硬化により硬質化するが、軟化領域１ｓから形成されたフランジ部は軟質のままである。
ポンチ５の先端が接触する部分（ポンチ当接部１ｐ）は、塑性変形量が小さいため当初の強度を維持していても、割れ，破断等の加工欠陥が生じない。軟化領域１ｓが大きいほどプレス成形性が向上するが、被挟持部１ｃの全域を軟化する必要はなく、被挟持部１ｃの面積比２０％以上を軟化しておくだけでプレス成形性の向上が期待できる。
【００１２】
本発明者等は、局部軟化がプレス成形性に及ぼす影響を更に調査・検討した。その結果、３５０℃以上に加熱された金属ブロック（加圧加熱体２ｕ，２ｄ）をブランク１に押し付けて加熱するとき、金属−金属接触で加圧加熱体２ｕ，２ｄからブランク１への熱伝達が促進され、５秒以内の極めて短時間で軟化領域１ｓが形成されることを解明した。金属ブロックとしては、被加熱体であるブランク１に比較して熱容量が大きく、熱伝導性の良好な銅，銅合金等が好ましい。
【００１３】
金属ブロック２ｕ，２ｄが押圧されたアルミニウム合金のブランク１は、１００℃／秒以上の昇温速度で３５０℃以上の高温に達し、当該高温域に５秒以内保持された後、金属ブロック２ｕ，２ｄを取り外し、直ちに２００℃以下まで冷却される。金属ブロック２ｕ，２ｄの加圧力Ｐは、ブランク１への熱伝達を促進させる上で１ＭＰａ以上に設定することが好ましい。
【００１４】
３５０℃以上に加熱された金属ブロック２ｕ，２ｄを１ＭＰａ以上の加圧力Ｐでブランク１に押し付けることにより、ブランク１が極めて短時間で局部加熱されると共に、被加熱部（硬質領域１ｈ）に対する熱影響も抑制される。しかも、軟化領域１ｓと硬質領域１ｈとの間に生じる強度遷移幅を２０ｍｍ以下に抑えられ、硬質領域１ｈの強度に比較して９０％以下に強度低下した軟化領域１ｓが形成される。
他方、加圧力Ｐが不足すると金属ブロック２ｕ，２ｄ／ブランク１の界面に隙間が生じやすく、３５０℃以上の高温に達するのに時間を要するため、金属ブロック２ｕ，２ｄに接触していない部分も熱影響を受けて軟化する。この場合、軟化領域１ｓと硬質領域１ｈとの間の強度遷移幅が広がり、大きな強度差も得られがたい。
高温の金属ブロック２ｕ，２ｄを押圧することによって局部軟化したブランク１をプレス成形するとき、軟化領域１ｓが優先的に塑性変形し、精度良く製品形状に加工される。加工品を観察すると、破断，割れ，座屈等の加工欠陥が検出されず、肉厚変動のない変形領域１ｄが形成される。
【００１５】
軟化領域１ｓの優先的な塑性変形は、硬質領域１ｈと軟化領域１ｓとの強度差が大きいほど生じやすく、硬質領域１ｈの強度を規準として軟化領域１ｓの強度を９０％以上低下させることが好ましい。強度遷移幅は、加工予定部位の強度を選択的に低下させ、加工予定部位以外の強度低下を引き起こさないように２０ｍｍ以下に抑えることが好ましい。強度遷移幅が大きすぎてポンチ５の肩部に当接する部分までも軟化すると、却ってプレス成形性が低下する傾向を示す。
溶体化処理で局部軟化したブランクから得られたプレス成形品に時効処理等の熱処理を施すと、プレス成形後も残存する軟化領域１ｓの形成によって低下した強度を回復できる。たとえば、２００℃以下の温度に１０分以上加熱する時効処理によって、軟化領域１ｓの強度が硬質領域１ｈと同じレベルまで回復する。
【００１６】
【実施例】
表１に示した組成をもつ板厚１ｍｍのアルミニウム合金冷延板から切り出した半径４５ｍｍの円板状ブランクを試験片に使用した。合金Ｎｏ．１，２は、５００℃で溶体化処理した後、１６０℃×１８時間の時効処理でＭｇ，Ｓｉ，Ｃｕ等を金属間化合物として析出させることにより高強度化した時効硬化型アルミニウム合金である。合金Ｎｏ．３は、Ｍｇ添加により固溶強化したアルミニウム合金を５０％冷間加工して高強度化した加工硬化型アルミニウム合金である。
【００１７】

【００１８】
５００℃に加熱したリング状の銅製ブロック２ｕ，２ｄを加圧力Ｐ：３ＭＰａで各ブランク１に押し当て、ブランク１と接触している部分でブランク１の昇温速度を測定した。熱伝導性の良好な銅製ブロック２ｕ，２ｄを押し当てたとき、金属間化合物の固溶，歪，応力の解放に有効な３５０℃以上の温度域にブランク１が極短時間で昇温した。他方、熱伝導性が低い鉄製ブロックを押し当てた場合、昇温速度が若干小さいものの、５秒以内の短時間で３５０℃以上の温度域に達した。（図４）
【００１９】
内径が４６ｍｍ（例１），５３ｍｍ（例２），６０ｍｍ（例３）と異なる３種類の銅製ブロック２ｕ，２ｄを用意した。各銅製ブロック２ｕ，２ｄを５００℃に加熱し、合金Ｎｏ．１のブランク１に０．６秒押し当てた後、ブランク１を水冷した。冷却後にブランク１の硬さを半径方向に測定し、銅製ブロック２ｕ，２ｄによる局部加熱がブランク１の軟化に及ぼす影響を調査した。何れの場合も銅製ブロック２ｕ，２ｄに接触した部位（軟化領域１ｓ）は、非接触部位（硬質領域１ｈ）のビッカース硬さに比較して大幅に軟化していた。軟化領域１ｓと硬質領域１ｈとの間の強度遷移幅も２０ｍｍ以下に抑えられていた。（図５）
急速加熱による軟化領域１ｓの形成は、合金Ｎｏ．２，３のアルミニウム合金板でも同様な傾向を示した。
【００２０】
局部加熱で軟化領域１ｓを形成した合金Ｎｏ．１のブランク１を直径６０〜８０ｍｍの円板状に切断し、内径３３ｍｍのカップ形状にプレス成形した。プレス成形では、開口直径３６．２ｍｍのダイ３にブランク１をセットし、ブランク１の周縁部をしわ抑え４で抑え、クリアランスを０．６ｍｍに設定してしわ抑え力２ｋＮで直径３３ｍｍ，肩アール５ｍｍのポンチ５をダイ３に押し込んだ。
プレス成形品の加工部位を観察し、破断，割れ等の有無を調査した。ＳＴ材，Ｔ６材，Ｏ材等では限界絞り比が２．０に留まり、２．０を超える絞り比でプレス成形するとポンチ５の肩部に当った個所に破断が生じていた。
【００２１】
他方、銅製ブロック２ｕ，２ｄを用いた急速加熱で軟化領域１ｓを形成したブランク１では、絞り比２．３でも破断，亀裂等の加工欠陥を生じることなくプレス成形できた。なかでも、内径４７ｍｍの銅製ブロック２ｕ，２ｄを用いて適正面積の軟化領域１ｓを形成したブランク１では、絞り比２．４の深絞りによっても加工欠陥が発生しなかった。
この対比から明らかなように、プレス成形時に大きく塑性変形する個所を予め軟化領域１ｓとしておくことにより、絞り比を高く設定した深絞り加工によっても破断，割れ等の加工欠陥を生じることなく、形状精度の良好なプレス成形品が得られることが確認された。局部加熱による軟化領域１ｓの形成が深絞り性の向上に及ぼす影響は、Ｎｏ．２，３のアルミニウム合金板でも同様であった。
【００２２】
【発明の効果】
以上に説明したように、大きな加工変形を受ける部位を予め軟化しておくことにより、高い絞り比でプレス成形した場合でも破断，割れ等の加工欠陥がなく、形状精度の良好な成形品が得られる。高温加熱された金属ブロックをブランクの加工予定部位に極短時間押し付けるだけで深絞り性向上に有効な軟化領域が形成されるため、時効処理による軟質化に比較して処理時間が大幅に短縮され、設備負担も軽減される。このように、簡単な操作でアルミニウム合金の加工性が改善されるので、従来法では困難であった複雑形状の製品も容易に且つ工数の少ないプレス成形で製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ブランクの加工予定部位に軟化領域を形成する説明図
【図２】局部的に軟質化したブランクをプレス成形金型のダイとポンチとの間にセットした状態を示す図
【図３】ブランクがプレス成形品になるまでの材質，形状変化を示す図
【図４】高温加熱された金属ブロックが押し当てられたブランクの昇温特性を示すグラフ
【図５】金属ブロックを用いて局部加熱されたブランクの半径方向に沿った硬さ分布を示すグラフ
【図６】軟化領域の形成が深絞り性の向上に及ぼす影響を従来材と対比したグラフ
【符号の説明】
１：ブランク　　１ｓ：軟化領域　　１ｈ：硬質領域　　１ｄ：変形領域　　１ｃ：被挟持部　　１ｐ：ポンチ当接部　　２ｕ，２ｄ：加圧加熱体（金属ブロック，銅製ブロック）　　３：ダイ　　４：しわ抑え　　５：ポンチ

Claims

ブランクの加工予定部位に高温の金属ブロックを押し当て、金属ブロックからの熱伝達で金属ブロックと接触しているブランクを局部的に急速加熱し、接触部分を局部軟化することを特徴とするアルミニウム合金の熱処理方法。
ブランクを切り出す前のアルミニウム合金板又はアルミニウム合金板から切り出されたブランクに金属ブロックを押し当てて加工予定部位を急速加熱する請求項１記載の熱処理方法。
３５０℃以上に高温加熱された金属ブロックを１ＭＰａ以上の加圧力でアルミニウム合金のブランクに押し当てる請求項１又は２記載の熱処理方法。
金属ブロックとの接触で局部軟化した軟化領域と非接触部の硬質領域との間の強度遷移幅を２０ｍｍ以下に規制する請求項１又は２記載の熱処理方法。
硬質領域の強度を基準として軟化領域の強度を１０％以上低下させる請求項１又は２記載の熱処理方法。
時効硬化型又は加工硬化型アルミニウム合金を素材に使用する請求項１〜５何れかに記載の熱処理方法。
高温加熱された金属ブロックの押圧によって軟化された軟化領域の強度が金属ブロックに接触しなかった硬質領域の強度の９０％以下であり、軟化領域と硬質領域との間の強度遷移幅が２０ｍｍ以下に調整されているプレス加工用アルミニウム合金板。