JPH04187747A - 厚肉・複雑形状の熱処理型アルミニウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、熱処理型アルミニウム合金を素材として、突
出部、陥入部および／または貫通孔部を含む特定形状部
を有する厚肉・複雑形状の軽合金部材を製造するのに適
用される熱処理型アルミニウム合金部材の製造方法に関
する。

［従来技術］ 熱処理型アルミニウム合金としては、例えば昭和５８年
４月２５日に丸善株式会社が発行した「増補版　航空宇
宙工学便覧」の第５１４頁に記載されているように、Ａ
ｆｆ−Ｃｕ−Ｍｇ系（ＪＩＳ　　２０００系）　、　Ａ
Ｑ　−Ｍｇ−５ｉ系（ＪＩＳ　　６０００系）、Ａｌ−
Ｚｎ−Ｍｇ系（ＪＩＳ　　７０００系）などがある。

従来、複雑な形状を有する熱処理型アルミニウム合金部
材を製造するに際しては、上記熱処理型アルミニウム合
金からなる鋳造材を鍛造加工により矩形状の中間素材に
成形し、次いで前記矩形状の中間素材に対して溶体化処
理を施Ｌ７、続いて前記溶体化処理後の残留応力を除去
するために、前記矩形状の中間素材に対して、一方向、
例えば厚さ方向の冷間圧縮を行った後、時効処理を施し
、さらに前記時効処理後の中間素材に対し切削加工を行
うことによって、突出部や陥入部あるいは貫通孔部など
の特定形状部を有する複雑な形状のアルミニウム合金部
材を得ている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このような従来の熱処理型アルミニウム
合金部材の製造方法にあっては、鍛造加工によって成形
する矩形状の中間素材は、後に切削除去される陥入部や
余肉部分をも含んだ厚肉ブロック状に成形されており、
この状態で溶体化処理されるため、溶体化処理時におい
て矩形状中間素材の厚さがかなり大きくなっており、溶
体化処理の効果が十分でなく、高強度、高靭性のものを
得ることが困難である。また、本合金は溶体化処理時に
発生する残留応力を十分除去しておかなければ、切削加
工時に歪や割れか発生するだけでなく、潮風や海水にさ
らされると応力腐食割れを助長することになる。そこで
従来は矩形状の中間素材に対し溶体化処理後に一軸の冷
間圧縮を施こすことにより、残留応力を除去していた。

しかしながら、先に述べたように、このような方法では
、例えば７０７５合金の場合、１００關程度の肉厚にな
ると十分な強度・靭性が確保できなくなるため、また、
−軸のみの圧縮では十分な残留応力除去が難しいため、
新たな方法を開発する必要がある。その一つとして、突
出部や陥入部あるいは貫通孔部などの特定形状部を有す
る中間素材あるいは最終仕上材を溶体化し、圧縮の代り
に一１９６℃の液体窒素中に浸漬し、引き続き蒸気加熱
により、板厚表層および内部で溶体化冷却とは逆の熱サ
イクルを与える“アップヒルクエンチ法″が開発された
。しかし、この方法では冷媒の費用が必要になるのみな
らず、形状に合せた蒸気ノズル配置が必要など設備が極
めて複雑になるため制御が容易でなく、さらに残留応力
除去効果も十分とは言えないことから、はとんど普及す
るには至っていない。

そこで、本願発明者等は先に、特願平１−１７９７２４
＋、：おいて、熱処理型アルミニウム合金よりなる鋳造
材から突出部や陥入部あるいは貫通孔部などの特定形状
部を有する中間素材を形成し、この中間素材に対して溶
体化処理を施した後、当該溶体化処理後の中間素材に対
して圧縮歪が１．５〜５．０％となる冷間圧縮を一方向
に行い、さらに圧縮歪が１．５〜５．０％となる冷間圧
縮を前記一方向に対し直交する他の方向に行う少なくと
も２軸方向の冷間圧縮を行い、その後時効処理を施すこ
とを特徴とする熱処理型アルミニウム合金部材の製造方
法を提案した。この方法によれば十分な強度・靭性が確
保でき、また、十分に残留応力を除去することができる
。しが【７、さらに検討を重ねた結果、部分的に薄肉部
が存在する場合は、上記方法では圧縮時に座屈や割れが
生じる可能性があることが判明した。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであっ
て、溶体化処理による熱処理効果を高めると共に、溶体
化処理によって発生する残留応力の除去効果を十分なも
のとすることによって、強度および靭性を割れや座屈を
生じさせることなく改善することができる熱処理型アル
ミニウム合金部材の製造方法を提供することを目的とす
る。

〔課題を解決するための手段］ 本発明に係る厚肉・複雑形状の熱処理型アルミニウム合
金部材の製造方法は、熱処理型アルミニウム合金よりな
る鋳造材に対し、塑性加工と切削加工を行うことによっ
て、または塑性加工のみを行うことによって、突出部、
陥入部および／または貫通孔部を含む特定形状部を有す
る中間素材を形成し、次いで前記中間素材に対して溶体
化処理を施し、その後当該溶体化処理後の中間素材に対
して７０％以上２００％以下の変形抵抗を有する金属製
ダミーブロックをその陥入部および貫通孔部に挿入した
うえで、当該中間素材に対して、圧縮歪が１．５〜５．
０％となる冷間圧縮を一方向に行うと共に圧縮歪が１，
５〜５，０％となる冷間圧縮を前記一方向に対し直交す
る他の方向に行う少なくとも２軸方向の冷間圧縮を行い
、その後時効処理を施すことを特徴とする。

以下、本発明に係る熱処理型アルミニウム合金部材の製
造方法について詳細に説明する。

本発明において適用される熱処理型アルミニウム合金と
しては、前述のように例えば、ＪＩＳ２０１．４，２０
１７．２０２４に代表される２０００系、６０６］に代
表される６０００系、７ＮＯ１，７０７５に代表される
７０００系等があるか、これらＪＩＳに制定されたもの
だけに限定されないことはいうまでもなく、Ｆｅ、Ｓｎ
。

Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ等の元素を適宜添加し、または上記合金
のこれら添加元素の量を増減したものが用いられる。

このような熱処理型アルミニウム合金を素材とするアル
ミニウム部材を本発明に基いて製造するに際しては、ま
ず、前記熱処理型アルミニウム合金よりなる鋳造材に対
し、鍛造加工などの塑性加工を行うことにより、または
このような塑性加工と切削加工とを併用することにより
、第１図に例示するような中間素材１を成形する。この
中間素材１は、４ケ所の突出部２８１１ケ所の陥入部２
ｂおよび２ケ所の貫通孔部２Ｃを特定形状部として有す
る厚肉で複雑な形状をなすものである。

なお、ここで特定形状部とは突出部、陥入部及び貫通孔
部に代表される加工部分を示すものであるか、必ずしも
これらに限定されるものではなく他の形状部分を含んで
いてもよい。また、このような特定形状部として突出部
、陥入部および貫通孔部か全て存在する必要はなく、陥
入部または貫通孔部のみが存在するものであってもよい
。

次に、上述の中間素材１に対して溶体化処理を施す。こ
の溶体化処理は、例えば２０２４−Ｔ６２材においては
４９０〜５００℃に加熱して溶体化した後水冷する条件
、６０６１−７６２材においては５１５〜５５０℃に加
熱して溶体化した後水冷する条件、７０７５−Ｔ６２材
においては４６０〜５００℃に加熱して溶体化した後水
冷する条件で行う。

次に、溶体化処理後の中間素材１の陥入部および貫通孔
部に、その変形抵抗の７０％以上２００％以下の変形抵
抗を有する金属製ダミーブロックを挿入したうえで、溶
体化処理による残留応力を除去するために、所定条件で
少なくとも２軸方向の冷間圧縮を行う。この冷間圧縮は
、少なくとも、圧縮歪が１．５〜５．０％となる冷間圧
縮を一方向に行い、次いで圧縮歪が１．５〜５．０％と
なる冷間圧縮を前記一方向に対し直交する他の方向に行
うものであり、この場合の２軸方向としては、例えば第
１図に示すような二方向およびＸ方向を選択することか
できる。なお、冷間圧縮の際の順序および方向は特に限
定されず、互いに直交する３軸のうち、加工しやすい少
なくとも２軸方向を選択すればよく、さらには要すれば
３回以上繰り返し行ってもよい。

本発明において、溶体化処理後の中間素材１に対して少
なくとも２軸方向に冷間圧縮するのは、当該中間素材１
の形状が複雑であるため１軸方向のみでは冷間圧縮によ
る残留応力の除去効果が期待できない領域があることに
よるものである。２軸方向に冷間圧縮したときに残留応
力が減少することについて第６図、第７図および第８図
により説明する。

第６図は板厚４０ｍｍの無限平板２０を部分的に示すも
のであって、圧縮方向をＺ、板厚方向をＹ、これら二方
向に対し相互に直交する板面方向をＸとして示している
。

第７図は第６図に示した平板２０に対し、４７０℃に加
熱したあと２０℃の水中に水焼入れする溶体化処理を施
したのち、二方向に圧縮した時（外力負荷状態の時）の
圧縮歪に対する内部応力の変化を熱応力解析によって計
算した結果を示すものであり、圧縮方向（二方向）の内
部応力をσ８、板厚方向（Ｘ方向）の内部応力をσ２、
板面方向（Ｘ方向）の内部応力をσ８で示しである。

第７図より明らかなように、二方向の内部応力σ２は、
圧縮歪が１．５％以上で表面および中心とも同じような
応力レベルとなり、Ｘ方向の内部応力σ、およびＸ方向
の内部応力σ、は、圧縮歪が１．５％以上でＯに収束す
る。なお、この解析結果は、板厚４０ｍｍの無限平板２
０を対象としたものであるので、溶体化処理後において
もＸ方向の内部応力σ、は０となっているが実際の有限
（所定）寸法を有する平板の場合には溶体化処理後にお
いてＸ方向にも内部応力σ、が存在する。従って、圧縮
方向（Ｚ方向）と直交する板厚方向（Ｘ方向）および板
面方向（Ｘ方向）の応力分布は圧縮歪か１．５％以上て
０に収束するものとなっていることから、このＺ方向か
らの冷間圧縮後板厚方向（Ｘ方向）または／および板面
方向（Ｘ方向）より冷間圧縮する２軸方向以上の冷間圧
縮を行うことによって内部応力（σ８．　７．σＫ）は
圧縮歪σ が１．５％以上でＯに向けて収束することとなる。

逆に言えば１軸のみの圧縮では内部応力（σ、。

σ７．σ、）をすべてゼロに近づけることは難しいこと
になる。

第８図は第７図のＺ方向に冷間圧縮を行った際の圧縮歪
による内部応力の変化を示す状態からＺ方向の冷間圧縮
力を解放した後の残留応力分布を示すものである。冷間
圧縮力を解放した状態か最終の残留応力状態となり、例
えば圧縮歪か２．０９゜の冷間圧縮を行った場合には、
第８図に示すように残留応力は著しく小さなものとなる
。

以上のように、本発明においては、冷間圧縮を行う際の
圧縮歪は前述したように内部応力力（０１こ向かって収
束することが可能となる１、５　％以上りこ規定する。

しかし、圧縮歪か大きすぎると中間素材１に対する負荷
が過大なものとなるので、５０％以下に規定する。

また、ダミーブロックについては、その変形抵抗が溶体
化処理後の中間素材に対して７０％より小さいとダミー
ブロックが容易に変形し座屈や卵［れを防ぐための拘束
体としての用を無さす、逆１こ２００％より大きいとダ
ミープロ・ンクカ曵変形せず中間素材の圧縮変形がダミ
ープロ・ツクと接して（する部分では進行しないため残
留応力除去力・達成できない。また、中間素材と同様に
変形するものとしては金属が望ましい。よって、ダミー
プロ・ツクを金属製とし、その変形抵抗を中間素材の変
形抵抗の７０％以上２００％以下に規定した。なお、ダ
ミーブロックの挿入に際してはＭ　ｏ　３２等の潤滑材
を塗布することにより、かじり等を防止し変形をスムー
ズに進行させることが望ましい。また、ダミーブロック
の形状は０．３關以下のクリアランスを考慮したほぼ中
間素材の陥入部および貫通孔部と同じ寸法・形状とする
。なお、ダミープロ・ツクは、特定形状部として陥入部
および貫通孔部を有する場合にはこれらの両方に挿入す
る。

次いで、冷間圧縮を行った中間素材１に対して時効処理
を施し、その後、必要に応じて前記中間素材１の表面に
切削加工や研磨加工などの仕上げ加工を施すことによっ
て所定の寸法に仕上げ、突出部２　ａ　ｓ陥入部２ｂ、
および貫通孔部２Ｃなどの特定形状部２を有する熱処理
型アルミニウム合金部材を得る。なお、前記時効処理は
、例えば、２０２４−Ｔ６２材においては１８５〜１９
５℃で約９時間、６０６１−Ｔ６２材においては１５５
〜１６５℃で約１８時間、７０７５−Ｔ６２材において
は１１５〜］２５℃で約２４時間以上の条件で行うよう
にすることかできる。

なお、参考までに前述した“アップヒルクエンチ法”と
圧縮法による残留応力除去の程度第９図に示す。焼入れ
後肉厚中心と表層での応力差かいずれも５０　ｋｇ　ｆ
／ｗ　２あったのに対し、時効後はアップヒルクエンチ
を施したものては１５ｋｇｆ／ｍｍ２、圧縮を施こした
ものでは５ｋｇｆ／ａｍ２となり、圧縮法の方が残留応
力除去法として優っていることがわかる。

［作用コ 本発明においては、溶体化処理前に、鋳造材に対し、鍛
造加工などの塑性加工を行うことによって、あるいは鍛
造加工などの塑性加工と切削加工とを併用することによ
って、鋳造材を突出部、陥入部および／または貫通孔部
を含む特定形状部を有する最終製品形状に近似した中間
素材に成形し、次いてこの中間素材に対して溶体化処理
を施し、その後の冷間圧縮を少なくとも２軸方向で行う
ようにしているので、溶体化処理時には前記中間素材の
肉厚が薄くなっていて溶体化処理による熱処理効果が十
分なものとなり、かつまた溶体化処理により発生する残
留応力の除去効果か十分なものとなる。このため、高強
度および高靭性を備えた熱処理型アルミニウム合金部材
を得ることかできる。また、圧縮時、中間素材の陥入部
および貫通孔部に特定範囲の変形抵抗を有するダミーブ
ロックを挿入するため、薄肉部でも座屈や割れか生じな
い。

［実施例］ 熱処理型アルミニウム合金であるＪＩＳ７０７５材から
なる鋳造材に対して、塑性加工として鍛造加工を行うこ
とにより、第２図に示すように、３ケ所の陥入部４ａ、
４ｂ、４ｃおよび１ケ所の貫通孔部４ｄを特定形状部４
として備えた、長さり、−６８０關、幅Ｗ２−６６０　
ｍｍ、高さＨ２−２８５ｍｍの中間素材３を作成した。

次いで前記中間素材３に対し、第３図に示すように、４
６８℃に加熱して６時間保持した後水冷する条件の溶体
化処理を施した。

続いて、クリアランス０，３關以下の変形抵抗か種々異
なるダミーブロックを陥入部および貫通孔部にＭ　ｏ　
Ｓ　２を塗布した状態で挿入したうえて、前記溶体化処
理後の中間素材３の残留応力を除去するために、溶体化
後の中間素材に対し２軸方向の冷間圧縮を行った。なお
、比較のためにグミ−ブロックを挿入しないものについ
ても冷間圧縮を行い、また］軸方向の冷間圧縮について
も試験した。この際の種々の試験条件を第１表に示す。

第１表中試験番号］〜３はこの発明の範囲内の実施例で
あり、試験番号４〜９はその範囲から外れる比較例であ
る。なお試験番号４については後述するように特定形状
部を形成しない中間素材を用い、後の加工で特定形状部
を形成する従来の方法を用いたものである。

この際の２軸方向の冷間圧縮は、第５図に示す７０７５
材の圧縮荷重と圧縮歪との間の関係、すなわち、第５図
の直線部分において以下の（１）式で表される関係に従
って以下に示すようにして行った。

Ｆヰ［２４，９＋　３．８　　δＩＸＳ・・・・・・・
・・　（１）［たたし、Ｆはプレス荷重（ｋｇｆ）、δ
は圧縮歪（％）、Ｓはプレス断面積（ｍ１２）、定数の
単位はｋｇｆ／ｍ！１２である。］ すなわち、前記溶体化処理後の中間素材３に対し、まず
、第２図中においてＺ方向の冷間圧縮を一部の試料を除
いて約６７トンの圧縮荷重により行って約２．５％の圧
縮歪が付与されるようにし、続いて、第２図中において
Ｙ方向の冷間圧縮を一部の試料を除いて同じく約６７ト
ンの圧縮荷重により行って約２．５％の圧縮歪が付与さ
れるようにして、Ｚ方向およびＹ方向の２軸方向からの
冷間圧縮を行った。なお、試験番号９についてはＺ方向
のみの一軸圧縮とした。

次いで、前記冷間圧縮後の中間素材３に対して、同じく
第３図に示すように、１０８℃で７時間および］６５℃
で７時間の２段時効処理を施した後、仕上げ加工（切削
加工）を施すことによって、陥入部４ａ、４ｂ、４ｃお
よび貫通孔部４ｄからなる特定形状部４を有する熱処理
型アルミニウム合金部材を得た。

また、試験番号４０部材は、以下のようにして形成した
。

すなわち、まず上述の実施例と同じく熱処理型アルミニ
ウム合金であるＪ　１５７０７５材からなる鋳造材に対
して鍛造加工を行い、第４図に示すように、長さＬ４−
６８０ｍｍ、幅Ｗ４−６６０ｍｍ。

高さＨ４−３１０１１１１の矩形ブロック状の中間素材
１０を作成した。

続いて、前記ブロック状の中間素材］０に対して、上述
の実施例と同じく第３図に示すように４６８℃に加熱し
て６時間保持した後水冷する条件の溶体化処理を施した
。

次に、溶体化処理後の前記ブロック状の中間組材１０に
対し、第４図中においてＺ方向のみの冷間圧縮を約６７
トンの圧縮荷重により行って約２．５％の圧縮歪が付与
されるようにした。

次いで、前記実施例と同様に同じく第３図に示すように
、１０８℃×７時間および１６５℃×７時間の２段時効
処理を施し、その後当該ブロック状中間素材１０に対し
切削加工を施すことによって、第２図に示した前記実施
例と同一形状、同一寸法の陥入部（４ａ、４ｂ、４ｃ）
　、貫通孔部（４ｄ）および突出部（４ｅ）からなる特
定形状部４を有する熱処理型アルミニウム合金部材を得
た。

そしてこのようにして得られたそれぞれのアルミニウム
合金最終仕上部材の表層残留応力（裏面中央、突出部４
ｅの高さ・幅中央）と引張特性、破壊靭性を評価した。

これらの結果を第１表に示す。なお、残留応力は表層の
第２図または第４図の裏面側中央位置と突出部４ｅの高
さ、幅中央についてドリル穿孔法（ＡＳＴＭ　　Ｅ８３
７）により測定し、機械的性質については陥入部４ａと
４ｂとに挾まれる突出部の高さ中央および肉厚中央にて
測定した。

第１表に示した結果から明らかなように、本発明実施例
の試験番号１〜３の場合には座屈や割れが生ずることな
く、２段時効処理後に残留応力がほとんど除去されてい
るとともに、耐力（ＹＳ）および引張強さ（ＴＳ）、破
壊靭性（ＫＩｃ）についても良好な値か得られており本
発明の効果が十分に得られていることか認められた。

これに対し、直方体形状で焼入れした試験番号１は強度
、靭性に劣り、また試験番号５や７のようにダミーブロ
ックを挿入しなかったり、あるいは挿入しても変形抵抗
が低すぎる場合には、座屈および割れが薄肉部で発生す
ることか確認された。

また、試験番号６，８のように圧縮歪量が小さい場合や
、ダミーブロックの変形抵抗が高すぎると十分な残留応
力除去効果が得られず、さらに試験番号６のように一軸
（Ｚ方向）のみ圧縮では残留応力を有効に除去すること
ができないことが確認された。

［発明の効果コ 以上説明したように、この本発明に係る熱処理型アルミ
ニウム合金部材の製造方法によれば、溶体化処理時の肉
厚を薄くすることができるので、溶体化処理による熱処
理効果を十分なものとすることができる。また、圧縮時
に座屈や割れを生ずることなく十分に残留応力を除去す
ることができるので、優れた強度および靭性を備えた熱
処理型アルミニウム合金部材を得ることか可能である。

さらに、このようにアルミニウム合金部材の残留応力を
低減することかできることにより、耐応力腐食割れ性の
向上をも図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る熱処理型アルミニウム合金部材の
製造方法に用いる熱処理前の中間素材の一例を示す斜視
図、第２図は本発明の実施例に用いた熱処理前の中間素
材の形状を示す斜視図、第３図は本発明の実施例および
比較例において適用した熱処理条件を示す説明図、第４
図は比較例に用いた熱処理前の中間素材の形状を示す斜
視図、第５図は７０７５材における圧縮荷重と圧縮歪と
の関係を調べた結果を例示するグラフ、第６図は２軸方
向の冷間圧縮を説明するための無限平板を示す斜視図、
第７図は２軸方向に冷間圧縮したときの応力と圧縮歪と
の関係を例示するグラフ、第８図は冷間圧縮応力を解放
した後の残留応力分布を例示するグラフ、第９図は“ア
ップヒルクエンチ法“と圧縮法の残留応力除去の程度を
比較して説明する図である。 １．３・・・中間素材、２，４・・・特定形状部、２ａ
。 ４　ｅ−・・突出部、２　ｂ　、　４　ａ、　４　ｃ−
陥入部、２ｃ。 ４ｄ・・・貫通孔部。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第３図 第４図 Ｑ１２３４ 圧槁歪（’／、） 第５因 ０．５　　１　１５２２５　３３．５４ｈガｒ１（０ム
） 第７図 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）突出部、陥入部および／または貫通孔部を含む特
   定形状部を有する厚肉・複雑形状の熱処理型アルミニウ
   ム合金部材を製造するにあたり、熱処理型アルミニウム
   合金よりなる鋳造材に対し、塑性加工と切削加工を行う
   ことによって、または塑性加工のみを行うことによって
   、突出部、陥入部および／または貫通孔部を含む特定形
   状部を有する中間素材を形成し、次いで前記中間素材に
   対して溶体化処理を施し、その後当該溶体化処理後の中
   間素材に対して７０％以上２００％以下の変形抵抗を有
   する金属製ダミーブロックをその陥入部および貫通孔部
   に挿入したうえで、当該中間素材に対して圧縮歪が１．
   ５〜５．０％となる冷間圧縮を一方向に行うと共に圧縮
   歪が１．５〜５．０％となる冷間圧縮を前記一方向に対
   し直交する他の方向に行う少なくとも２軸方向の冷間圧
   縮を行い、その後時効処理を施すことを特徴とする厚肉
   ・複雑形状の熱処理型アルミニウム合金部材の製造方法
   。