JP2020056082A - アルミニウム合金の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金をより低コストで成形できるようにする。
【解決手段】ステップＳ１０１で、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされ、この後、人工時効処理をすることなく析出硬化している板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱し、ステップＳ１０２で、溶体化処理がなされた状態を維持して板材をプレス加工して成形体とし、ステップＳ１０３で、プレス加工した成形体を人工時効処理する。ステップＳ１０１では、板材をプレス加工可能な温度に加熱する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アルミニウム合金からなる板材を成形加工するアルミニウム合金の成形方法に関する。

現在、自動車の燃費向上のために軽量化が重要となっている。超高張力鋼板による薄肉化を中心に軽量化が進んでいるが、剛性に対して指数的に影響するため、板厚を薄くすることは、部品剛性の確保が難しく限界がある。これに対し、アルミニウム合金は、強度が高いだけでなく比重も軽いため、板厚を確保して軽量化ができる。特に、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金（７０００系アルミニウム合金）は、強度が高く有効である。

特開２０１０−１５９４８９号公報

伊藤 吾朗 他、「Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金」、軽金属、Vol. 38、No. 12、８１８−８３９頁、１９８８年。

ところで、一般に、溶体化処理および人工時効処理をして時効硬化しているアルミニウム合金の板材を納入し、この板材をプレス加工して自動車の部品としている。しかしながら、７０００系などの高強度のアルミニウム合金は、時効硬化している板材の室温における延性が約１０％と低く、冷間プレス成形が困難である。このため、従来では、納入（購入）した板材を溶体化処理し、この後、焼きなましの状態でプレスして成形するようにしている（特許文献１参照）。この方法は、高い温度に加熱する必要あるなど、コストが高いため、例えば、自動車部品などのコスト低減が要求される場合には適用が困難である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、アルミニウム合金をより低コストで成形できるようにすることを目的とする。

本発明に係るアルミニウム合金の成形方法は、アルミニウム合金からなる溶体化処理の後、人工時効処理をすることなく析出硬化している板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱する第１工程と、溶体化処理がなされた状態を維持して板材をプレス加工して成形体とする第２工程と、プレス加工した成形体を人工時効処理する第３工程とを備え、第１工程では、板材をプレス加工可能な温度に加熱する。

上記アルミニウム合金の成形方法の一構成例において、第１工程では、板材を１５０℃〜２５０℃の範囲のいずれかの温度に加熱する。

上記アルミニウム合金の成形方法の一構成例において、第１工程では、板材を接触加熱により加熱する。

上記アルミニウム合金の成形方法の一構成例において、アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金である。

以上説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱し、溶体化処理がなされた状態を維持してプレス加工するので、アルミニウム合金がより低コストで成形できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるアルミニウム合金の成形方法を説明するためのフローチャートである。 図２は、第１工程における加熱温度と硬さとの関係について調査した結果を示す特性図である。 図３は、本発明の実施の形態におけるアルミニウム合金の成形方法によるプレス加工（Ｖ曲げ）試験の結果を示す特性図である。 図４は、第１工程における加熱時間と硬さとの関係について調査した結果を示す特性図である。 図５は、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材の溶体化処理をした後の自然放置の期間と、硬度との関係を示す特性図である。 図６は、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材の溶体化処理をした後の自然放置の期間と、電気伝導率との関係を示す特性図である。 図７は、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材の溶体化処理をした後の自然放置の期間と、人工時効処理後の電気伝導率との関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態おけるアルミニウム合金の成形方法について図１を参照して説明する。

まず、ステップＳ１０１で、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材を、溶体化処理（非特許文献１参照）がなされ、この後、人工時効処理をすることなく析出硬化している板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱する（第１工程）。ステップＳ１０１における板材の加熱は、例えば、よく知られたホットプレートなどを用いた接触加熱により実施する。

次に、ステップＳ１０２で、溶体化処理がなされた板材をプレス加工して成形体とする（第２工程）。例えば、ステップＳ１０１における加熱を実施した直後に、ステップＳ１０２のプレス加工を実施する。次に、ステップＳ１０３で、プレス加工した成形体を人工時効処理する（第３工程）。

板材は、例えば、Ａ７０７５（ＪＩＳ）などのＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金である。ステップＳ１０１（第１工程）では、板材をプレス加工可能な温度に加熱する。例えば、板材がＡ７０７５の場合、まず、温度条件を２００℃とし、加熱時間を最大でも１００秒として短時間で処理すれば、溶体化処理がなされて析出硬化した状態が維持され、かつプレス加工可能な状態となる。上記処理条件は、対象とする材料に合わせ、溶体化処理がなされた状態が維持される範囲で適宜に設定する。例えば、温度は、２５０℃より低い条件とすることが可能である。

上述した実施の形態におけるアルミニウム合金の成形方法によれば、溶体化処理がなされた状態を維持してプレス加工しているので、成形後も溶体化処理がなされた状態となっており、プレス加工した後で溶体化処理をする必要がない。また、プレス加工の後で人工時効処理をすることで、十分な硬度が得られるものとなる。このように、実施の形態によれば、従来に比較して、低コストで成形できる。

次に、第１工程における加熱温度と硬さとの関係について調査した結果を図２に示す。調査は、溶体化処理をし、人工時効処理はしていないＡ７０７５からなる板厚２ｍｍの板材に対して実施した。接触加熱により加熱し、加熱時間は１０秒とした。また、この処理をした後に、人工時効処理をした後の硬さについても調査した。図２において、人工時効処理前の結果を白三角で示し、人工時効処理をした後の結果を白丸で示す。いずれも、冷却した後に硬さ測定を実施した。

図２に示すように、加熱温度の条件が２００℃であれば、人工時効処理（時効硬化処理）をした後で、析出硬化している状態の硬さが得られている。また、加熱温度が２３０℃を超えると、人工時効処理をしても、硬度が低下している。これは、加熱温度が２３０℃を超えると、溶体化処理がなされた状態が維持されなくなるためと考えられる。また、関連する技術と同様の溶体化処理温度を超える温度条件では、人工時効処理をすることで、所定の十分な硬度が得られている。

次に、プレス加工（Ｖ曲げ）試験の結果について説明する。この試験により、第１工程における加熱温度がスプリングバックに及ぼす影響を検討した。プレス加工試験では、先端半径２ｍｍのパンチ（型）を用いてＶ曲げを実施した。成形速度は、１２０ｍｍ／ｓとし、下死点保持時間は５秒とした。プレス加工試験の結果を図３に示す。図３において、縦軸は、型におけるＶ曲げの角度と、成形した試験片におけるＶ曲げの角度との差（スプリングバック）を示している。また、図３において、人工時効処理前の結果を白三角で示し、人工時効処理をした後の結果を白丸で示す。

図３に示すように、第１工程における加熱温度条件が１６０℃以上で、ほとんどスプリングバックが生じていない。図３から明らかなように、スプリングバックに関しては、第１工程における温度条件が１６０〜２００℃程度であれば、溶体化処理温度を超える温度条件でプレス加工をした場合と遜色のない結果が得られている。このように、実施の形態によれば、より低温条件で、ほとんどスプリングバックの発生しない状態とすることができる。

次に、加熱時間について調査した結果について図４に示す。なお、この調査は、溶体化処理をした後のＡ７０７５からなる板厚２ｍｍの板材に対して実施し、１６０℃および１８０℃に加熱処理をして冷却した後で、硬さの測定および電気伝導率の測定を実施している。調査の結果、加熱時間を１秒と短くしても、析出硬化状態の硬さが得られていることが判明した。また、加熱時間が１００秒を超えると、硬さの低下がみられた。また、電気伝導率にも変化が確認されている。これらの結果より、加熱時間は、プレス加工可能な状態となる温度となる範囲で、短い方がよいことがわかる。

次に、溶体化処理をした後の自然放置（自然時効処理）の期間と、硬度との関係を調査した結果について図５に示す。この調査では、溶体化処理をしたＡ７０７５からなる板厚２ｍｍの板材に対し、接触加熱により１５０〜５００℃の範囲の加熱処理を実施し、水冷した後の硬さ、およびこの後で人工時効処理をした後の硬さを測定した。人工時効処理は、１２０℃・２４時間とした。

図５において、破線は人工時効処理前の結果を示し、実線は、人工時効処理後の結果を示している。また、白四角は、自然放置期間が１日であり、黒三角は、自然放置期間が１週間日であり、黒四角は、自然放置期間が２週間日であり、黒丸は、自然放置期間が３週間日である。

次に、溶体化処理をした後の自然放置（自然時効処理）の期間と、電気伝導率との関係を調査した結果について図６，図７に示す。この調査では、溶体化処理をしたＡ７０７５からなる板厚２ｍｍの板材に対し、接触加熱により１５０〜５００℃の範囲の加熱処理を実施し、水冷した後の電気伝導率、およびこの後で人工時効処理をした後の電気伝導度を測定した。人工時効処理は、１２０℃・２４時間とした。

図６は、人工時効処理前の結果を示し、図７は、人工時効処理後の結果を示している。また、白四角は、自然放置期間が１日であり、黒三角は、自然放置期間が１週間日であり、黒丸は、自然放置期間が３週間日である。

以上の結果より、溶体化処理をした後で１週間以上経過することで、実施の形態におけるアルミニウム合金の成形方法により、人工時効処理後に十分な高度が得られていることが分かる。また、第１工程における加熱温度は、２５０℃が上限と考えられる。これを超えた温度で加熱すると、硬度の低下が確認された。なお、図２に示す結果より明らかなように、第１工程における加熱温度は、１５０℃以上であればよい。

なお、本発明のアルミニウム合金の成形方法によれば、プレス加工時の下死点保持時間を短くしても、プレス加工後の硬さの低下に大きな変化は見られないことが判明している。従って、本発明によれば、従来のように、下死点の保持を所定の時間かける必要がなく、処理時間を短縮することが可能になる。

また、本発明によれば、２００℃程度の温度でプレス加工するため、潤滑剤および金型表面処理を用いることなく、焼き付きの発生が抑制できるという利点がある。

以上に説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金からなる溶体化処理がされている板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱し、溶体化処理がなされた状態を維持してプレス加工するので、アルミニウム合金が、より低コストで成形できるようになるという優れた効果が得られる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述した実施の形態では、７０００系アルミニウム合金を例に説明したが、これに限るものではなく、２０００系、６０００系のアルミニウム合金であっても、同様の効果が得られる。

Claims (4)

1. アルミニウム合金からなる溶体化処理の後、人工時効処理をすることなく析出硬化している板材を、溶体化処理がなされた状態が維持された状態で加熱する第１工程と、
   溶体化処理がなされた状態を維持して前記板材をプレス加工して成形体とする第２工程と、
   プレス加工した成形体を人工時効処理する第３工程と
   を備え、
   前記第１工程では、前記板材をプレス加工可能な温度に加熱することを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。
2. 請求項１記載のアルミニウム合金の成形方法において、
   前記第１工程では、前記板材を１５０℃〜２５０℃の範囲のいずれかの温度に加熱することを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。
3. 請求項１または２記載のアルミニウム合金の成形方法において、
   前記第１工程では、前記板材を接触加熱により加熱することを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミニウム合金の成形方法において、
   前記アルミニウム合金は、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金またはＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金であることを特徴とするアルミニウム合金の成形方法。

Images