(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-04
(45)【発行日】2023-12-12
(54)【発明の名称】アルミニウム合金鍛造材の製造方法
(51)【国際特許分類】
C22F 1/05 20060101AFI20231205BHJP
C22C 21/02 20060101ALN20231205BHJP
C22C 21/06 20060101ALN20231205BHJP
C22F 1/00 20060101ALN20231205BHJP
【FI】
C22F1/05
C22C21/02
C22C21/06
C22F1/00 602
C22F1/00 630A
C22F1/00 630Z
C22F1/00 631A
C22F1/00 683
C22F1/00 684B
C22F1/00 684C
C22F1/00 684Z
C22F1/00 691B
C22F1/00 691C
C22F1/00 692A
C22F1/00 692Z
C22F1/00 694B
(21)【出願番号】P 2020026348
(22)【出願日】2020-02-19
【審査請求日】2022-11-17
(73)【特許権者】
【識別番号】000004455
【氏名又は名称】株式会社レゾナック
(74)【代理人】
【識別番号】100109911
【氏名又は名称】清水 義仁
(74)【代理人】
【識別番号】100071168
【氏名又は名称】清水 久義
(74)【代理人】
【識別番号】100099885
【氏名又は名称】高田 健市
(72)【発明者】
【氏名】丸山 匠
【審査官】鈴木 毅
(56)【参考文献】
【文献】特開2017-179413(JP,A)
【文献】特開平10-081946(JP,A)
【文献】特開2010-196152(JP,A)
【文献】特開2012-001756(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
C22C 21/00 - 21/18
C22F 1/04 - 1/057
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
熱処理工程として焼入れ処理工程を含むアルミニウム合金鍛造材の製造方法であって、
前記焼入れ処理工程は、前記鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させるとともに、接触時の角速度が10°/sec以上180°/sec以下であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【請求項2】
アルミニウム合金がAl-Mg-Si系合金である請求項1に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【請求項3】
溶体化処理工程が熱間鍛造工程での昇温を併用したものである請求項1または2に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【請求項4】
前記焼入れ処理工程における水の温度が40℃~90℃である請求項1~3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、例えば、4輪自動車に代表される輸送機の車体を支持する足回り部材として好適なアルミニウム6000系合金鍛造材に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、自動車業界における燃費向上の要求から、自動車に使用される各種部材、例えば車体を支持する足回り部材、特にサスペンションアーム、アッパーアーム、ロアーアーム、タイロッドエンドなどに用いる自動車用足回り部材として、高強度かつ高靭性かつ耐食性に優れたアルミニウム6000系合金(Al-Mg-Si系)が使用されており、その中で、より一層の自動車の軽量化が要求されている。
【0003】
この要求を満足させるためにJIS規格6000系合金から強度をより向上させる必要が出てきた。つまりは高強度化することで、部材の薄肉化をする必要がある。加えて足回り部材として強度以外に、応力腐食割れ等の耐食性においても更なる品質向上が求められている。
【0004】
このような要求に応えるため、自動車足回り部材用の高強度アルミニウム6000系合金として、その組成および製造プロセスを制御することで所要の金属組織を得て課題解決を図る提案がされてきた。(下記特許文献1参照)
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、その製造プロセスにおいて、焼き入れ時の製品の角速度に関しては議論されてきていない。この角速度が適切でないと、焼き入れ時に空気を巻き込み、要望の焼入れ速度が得られないため、自動車用足回り部材として必要特性である機械的特性、すなわち硬度が十分に得られないという問題があった。
【0007】
本発明は、かかる技術的背景に鑑みてなされたものであって、焼き入れ時の製品の角速度を制御することで、十分な焼入れ速度を与えることができ、優れた機械的特性を有するアルミニウム合金鍛造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】
【0008】
前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
【0009】
[1]熱処理工程として焼入れ処理工程を含むアルミニウム合金鍛造材の製造方法であって、
前記焼入れ処理工程は、前記鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させるとともに、接触時の角速度が10°/sec以上180°/sec以下であることを特徴とするアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【0010】
[2]アルミニウム合金がAl-Mg-Si系合金である前項1に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【0011】
[3]溶体化処理工程が熱間鍛造工程での昇温を併用したものである前項1または2に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【0012】
[4]前記焼入れ処理工程における水の温度が40℃~90℃である前項1~3のいずれか1項に記載のアルミニウム合金鍛造材の製造方法。
【発明の効果】
【0013】
[1]の発明によれば、焼入れ処理工程は、アルミニウム合金鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させるとともに、接触時の角速度が10°/sec以上180°/sec以下であることで、焼き入れ時に空気の巻き込みを抑制することができるので、焼入れ水と十分に接触させて焼入れを施すことができるため、アルミニウム合金鍛造材に十分な焼入れ速度を与えることができ、優れた機械的特性を得ることができる。このため、自動車用足回り部材等として好適な高強度アルミニウム合金鍛造材を提供することができる。
【0014】
[2]の発明によれば、アルミニウム合金としてAl-Mg-Si系合金を用いることで、自動車用足回り部材等として好適な高強度Al-Mg-Si系合金鍛造材を提供することができる。
【0015】
[3]の発明によれば、溶体化処理工程が熱間鍛造工程での昇温を併用するため、自動車用足回り部材等として好適な高強度アルミニウム合金鍛造材を安価で提供することができる。
【0016】
[4]の発明によれば、焼入れ処理工程における水の温度を40℃~90℃とすることで、より高品質かつ高強度な自動車用足回り部材等として好適なアルミニウム合金鍛造材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【
図1】
図1は本実施形態で製造されるアルミニウム合金鍛造材の一例であるL型アームを示す平面図である。
【
図2】
図2は本実施形態で製造されるアルミニウム合金鍛造材の一例であるA型アームを示す平面図である。
【
図3】
図3は本実施形態で製造されるアルミニウム合金鍛造材の一例である直線アームを示す平面図である。
【
図4】
図4は
図1のL型アームにおけるビッカース硬度の測定箇所を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
本発明のアルミニウム合金鍛造材の製造方法について説明する。
【0019】
なお、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明はこれらの例示した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。
【0020】
本実施形態は溶湯形成工程、鋳造工程、均質化熱処理工程、熱間鍛造工程、溶体化処理工程、焼入れ処理工程および人工時効硬化処理工程をこの順に行うことで、アルミニウム合金鍛造品を製造するものである。以下、これらの各工程について説明する。
【0021】
(溶湯形成工程)
溶湯形成工程は、原料を溶解して組成を調製したアルミニウム合金溶湯を得る工程である。
【0022】
本実施形態では、Si:0.80質量%~1.40質量%、Fe:0.15質量%~0.50質量%、Cu:0.20質量%~0.60質量%、Mn:0.30質量%~0.60質量%、Mg:0.50質量%~1.20質量%、Cr:0.05質量%~0.25質量%、残部がAl及び不可避不純物からなる組成に溶解調製したAl-Mg-Si系合金溶湯を得る。
【0023】
(鋳造工程)
鋳造工程は、溶湯形成工程で得られたアルミニウム合金溶湯を鋳造加工することによって鋳造材(鍛造用ビレット)を得る工程である。
【0024】
鋳造加工する方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の方法が用いられ、例えば、連続鋳造圧延法あるいは半連続鋳造法(DC鋳造法)等が挙げられる。
【0025】
また、鋳造材の直径は、特に限定されるものではないが、例えば、直径30mm~80mmに設定される。さらに、鋳造材を押出機で押出して鍛造用ビレットを得てもよく、この場合も、例えば、直径30mm~80mmに設定される。
【0026】
また、鋳造加工では鋳造材の冷却速度を10℃/分~50℃/分に設定することが好ましい。このようにすることで、室温における引張強さが十分に大きいアルミニウム合金製品を製造できるからである。特に鋳造材の冷却速度は15℃/分~30℃/分に設定することが好ましい。
【0027】
(均質化熱処理工程)
均質化熱処理工程は、鋳造工程で得られた鋳造材に対して均質化熱処理を行うことによって、凝固によって生じたミクロ偏析の均質化、過飽和固溶元素の析出および準安定相の平衡相への変化を行う工程である。
【0028】
この均質化熱処理を行うことにより、金属間化合物を小さくすることができ、金属間化合物を起点とする破壊が抑制され、引張強さをさらに向上させることができる。
【0029】
また、均質化熱処理を行うことにより、金属間化合物中に含有される各元素が母材中へ均一に拡散され、固溶強化及び析出化による更なる引張強さの向上が可能となる。
【0030】
また、均質化熱処理における処理温度は450℃~570℃の範囲に設定することが好ましい。450℃以上の温度で熱処理することで鋳造材の晶出物等の金属間化合物が固溶し十分に均質化を行うことができ、570℃以下の温度で熱処理することでバーニングを防止できるからである。
【0031】
このような均質化熱処理工程を施した後、鋳造材を所定の長さに切断することで、鍛造用ビレットが得られる。
【0032】
(熱間鍛造工程)
熱間鍛造工程は、均質化熱処理工程後に得られた鍛造用ビレットを加熱し、プレス機で圧力をかけて金型成型する工程である。
【0033】
熱間鍛造工程の温度条件は、アルミニウム合金の特性をより再現性良く発現させる点で関係性を有している。すなわち、後述する溶体化処理工程後のアルミニウム合金のミクロ組織を等軸結晶粒とすることが可能となる。特に、熱間鍛造工程は、金型温度を100℃~250℃に設定し、素材温度を400℃~550℃に設定して行うことが好ましい。このような条件で熱間鍛造を行うことによって、アルミニウム合金鍛造材の引張強さをより向上させることができるためである。
【0034】
本実施形態の熱間鍛造工程では、L型アーム(
図1)、A型アーム(
図2)または直線アーム(
図3)のいずれかのアルミニウム合金鍛造材が得られる。
【0035】
次に溶体化処理工程、焼入れ処理工程および人工時効硬化処理工程について説明する。
【0036】
(溶体化処理工程)
溶体化処理工程は、熱間鍛造工程で得られたアルミニウム合金鍛造材を高温で保持した後に急冷し、過飽和固溶体を形成する熱処理である。
【0037】
溶体化処理工程では、加熱温度を500℃~560℃、保持時間を0.5時間~6時間に設定して行うことが好ましく、このような条件とすることでコストと特性とのバランスをより良好にすることができるからである。
【0038】
また、溶体化処理工程は熱間鍛造工程での昇温を併用した工程としてもよい。すなわち、熱間鍛造工程が溶体化処理を兼ねた工程とすることで、熱間鍛造工程直後の高温に保持されたアルミニウム合金鍛造材に、そのまま後述する焼入れ処理工程を施すことで、急冷し過飽和固溶体を形成してもよい。
【0039】
熱間鍛造工程における昇温を併用した工程では、熱間鍛造工程直後の温度を500℃~560℃、熱間鍛造工程直後から焼入れまでの時間を1秒~30秒に設定することが好ましい。このような条件とすることで、溶体化処理工程と同様に、この昇温を併用した工程においても、コストと特性とのバランスをより良好にすることができるからである。
【0040】
このように熱間鍛造工程における昇温を併用することで、従来の熱間鍛造工程後に一度徐冷し、連続加熱炉ないし単体炉で再度加熱し溶体化処理工程を施す場合と比較して、同一品質のアルミニウム合金が得られ、さらに再加熱に要するエネルギーを節約できるだけでなく、製造時間を大幅に改善することも可能となる。
【0041】
さらに、自動車用足回り部材等として好適な高強度アルミニウム合金鍛造材を安価で提供することができる。
【0042】
(焼入れ処理工程)
次に、本発明の特徴である焼入れ処理工程は溶体化処理工程によって得られた固溶状態を急速に冷却せしめて過飽和固溶体を形成する熱処理である。
【0043】
本発明の焼入れ処理工程は溶体化処理工程後あるいは溶体化処理を兼ねた熱間鍛造工程後に、アルミニウム合金鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させるとともに、接触時の角速度が10°/sec以上180°/sec以下となるように焼入れを行うものである。
【0044】
アルミニウム合金鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させることで、アルミニウム合金鍛造材の全表面をアルミニウム合金鍛造材により温められていない焼入れ水に接触させることができる。
【0045】
また、アルミニウム合金鍛造材の回転方向については、特に限定されるものではなく、縦回転(回転軸が水平方向)であっても横回転(回転軸が垂直方向)であってもよいが、縦回転であることがより好ましい。縦回転の方が、アルミニウム合金鍛造材の表面と水との界面の速度が大きくなるからである。
【0046】
角速度が10°/sec未満であると、水没した際にアルミニウム合金鍛造材の冷却速度に部位差が生じ、アルミニウム合金鍛造材の部位により機械的特性に差異が生じる。
【0047】
角速度が180°/secより大きいと、水没する際に空気(気泡)が巻き込まれて、この気泡がアルミニウム合金鍛造材の表面に存在することで、アルミニウム合金鍛造材の表面と焼入れ水との接触面積が小さくなり冷却速度が低下する。
【0048】
本実施形態では、アルミニウム合金鍛造材をロボットで掴み、焼入れ水との接触時に角速度が10°/sec以上180°/sec以下となるように回転を与えて自由落下させ、焼入れ水に水没させることで焼入れを行っている。
【0049】
また、ロボットを用いる方法に限らず、アルミニウム合金鍛造材をベルトコンベアーに載せて移動させ、その端で回転落下させることで角速度を与え、焼入れ水に水没させることで焼入れを行ってもよい。
【0050】
また、本実施形態の焼入れ処理工程では、40℃~90℃の水で急冷(水焼入れ処理)することが好ましい。
【0051】
このように、40℃~90℃の水で急冷することで、より高品質かつ高強度な自動車用足回り部材等として好適なアルミニウム合金鍛造材を提供することができるためである。
【0052】
このように、本発明の焼入れ処理工程はアルミニウム合金鍛造材を回転させながら焼入れ水に接触させるとともに、接触時の角速度が10°/sec以上180°/sec以下であることで、焼き入れ時に空気の巻き込みを抑制することができるので、焼入れ水と十分に接触させて焼入れを施すことができるため、アルミニウム合金鍛造材に十分な焼入れ速度を与えることができ、優れた機械的特性を得ることができる。このため、自動車用足回り部材等として好適な高強度アルミニウム合金鍛造材を提供することができる。
【0053】
(人工時効硬化処理工程)
人工時効硬化処理工程は、アルミニウム合金鍛造品を比較的低温で加熱保持し過飽和に固溶した元素を析出させて、適度な硬さを付与するための熱処理である。
【0054】
本実施形態では、加熱温度を160℃~250℃、保持時間を10分間~8時間に設定して行うことが好ましい。このような条件とすることで、コストと特性とのバランスがより良好になるからである。
【0055】
本実施形態では、上記熱処理(溶体化処理工程、焼入れ処理工程および人工時効硬化処理工程)を行うことによって、微細な析出物が均一に分散し、強度、延性および靱性が高度にバランスしたアルミニウム合金鍛造材を得ることができる。
【0056】
このようにして製造されたアルミニウム合金製品(鋳造品および鍛造品等)は、常温における機械的特性に優れた特徴を有しているため、例えば、自動車用足回り部品(サスペンションアーム、アッパーアーム、ロアーアーム、タイロッドエンド等)の材料として好適に用いられる。
【実施例】
【0057】
次に、本発明の具体的実施例について説明するが、本発明はこれら実施例のものに特に限定されるものではない。
【0058】
<実施例1>
Si:1.10質量%、Fe:0.25質量%、Cu:0.40質量%、Mn:0.50質量%、Mg:0.85質量%、Cr:0.15質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を加熱してアルミニウム合金溶湯を得た後、該アルミニウム合金溶湯を用いて連続鋳造を行うことによって連続鋳造材を得た。得られた連続鋳造材に対して均質化加熱処理を行った後、空冷した。
【0059】
次いで、空冷後の連続鋳造材を、材料温度530℃、金型温度180℃で熱間鍛造を行った。得られた鍛造材を530℃で溶体化処理を施し、50℃の水中に入れて水焼き入れを行った後、180℃で6時間加熱して人工時効硬化処理を施し、鍛造品1を得た。
【0060】
この水焼き入れを行う際、ロボットを用いて15°/secの角速度を与え、焼き入れを行った。
【0061】
<実施例2>
Si:1.10質量%、Fe:0.25質量%、Cu:0.40質量%、Mn:0.50質量%、Mg:0.85質量%、Cr:0.15質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を加熱してアルミニウム合金溶湯を得た後、該アルミニウム合金溶湯を用いて連続鋳造を行うことによって連続鋳造材を得た。得られた連続鋳造材に対して均質化加熱処理を行った後、空冷した。
【0062】
次いで、空冷後の連続鋳造材を、材料温度530℃、金型温度180℃で熱間鍛造を行い、鍛造直後に50℃の水中に入れて水焼き入れを行った後、180℃で6時間加熱して人工時効硬化処理を施し、鍛造品1を得た。
【0063】
この水焼き入れを行う際、ロボットを用いて15°/secの角速度を与え、焼き入れを行った。
【0064】
<実施例3>
角速度を50°/secとした以外は実施例1と同様にして鍛造品1を得た。
【0065】
<実施例4>
角速度を50°/secとした以外は実施例2と同様にして鍛造品1を得た。
【0066】
<実施例5>
角速度を100°/secとした以外は実施例1と同様にして鍛造品1を得た。
【0067】
<実施例6>
角速度を100°/secとした以外は実施例2と同様にして鍛造品1を得た。
【0068】
<実施例7>
角速度を150°/secとした以外は実施例1と同様にして鍛造品1を得た。
【0069】
<実施例8>
角速度を150°/secとした以外は実施例2と同様にして鍛造品1を得た。
【0070】
<比較例1>
Si:1.10質量%、Fe:0.25質量%、Cu:0.40質量%、Mn:0.50質量%、Mg:0.85質量%、Cr:0.15質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を加熱してアルミニウム合金溶湯を得た後、該アルミニウム合金溶湯を用いて連続鋳造を行うことによって連続鋳造材を得た。得られた連続鋳造材に対して均質化加熱処理を行った後、空冷した。
【0071】
次いで、空冷後の連続鋳造材を、材料温度530℃、金型温度180℃で熱間鍛造を行った。得られた鍛造材を530℃で溶体化処理を施し、50℃の水中に入れて水焼き入れを行った後、180℃で6時間加熱して人工時効硬化処理を施し、鍛造品を得た。
【0072】
この水焼き入れを行う際、ロボットを用いて0°/secの角速度を与え、焼き入れを行った。
【0073】
<比較例2>
角速度を5°/secとした以外は比較例1と同様にして鍛造品を得た。
【0074】
<比較例3>
角速度を190°/secとした以外は比較例1と同様にして鍛造品を得た。
【0075】
<比較例4>
角速度を200°/secとした以外は比較例1と同様にして鍛造品を得た。
【0076】
<比較例5>
Si:1.10質量%、Fe:0.25質量%、Cu:0.40質量%、Mn:0.50質量%、Mg:0.85質量%、Cr:0.15質量%を含有し、残部がAl及び不可避不純物からなるアルミニウム合金を加熱してアルミニウム合金溶湯を得た後、該アルミニウム合金溶湯を用いて連続鋳造を行うことによって連続鋳造材を得た。得られた連続鋳造材に対して均質化加熱処理を行った後、空冷した。
【0077】
次いで、空冷後の連続鋳造材を、材料温度530℃、金型温度180℃で熱間鍛造を行い、鍛造直後に50℃の水中に入れて水焼き入れを行った後、180℃で6時間加熱して人工時効硬化処理を施し、鍛造品を得た。
【0078】
この水焼き入れを行う際、ロボットを用いて0°/secの角速度を与え、焼き入れを行った。
【0079】
<比較例6>
角速度を5°/secとした以外は比較例5と同様にして鍛造品を得た。
【0080】
<比較例7>
角速度を190°/secとした以外は比較例5と同様にして鍛造品を得た。
【0081】
<比較例8>
角速度を200°/secとした以外は比較例5と同様にして鍛造品を得た。
【0082】
【0083】
上記のようにして得られた各鍛造品について下記評価法に基づいて各種評価を行った。
【0084】
<角速度の測定>
角速度の測定はジャイロセンサを用いて行った。具体的には、鍛造材をロボットで掴み回転を与えて落下させた際の角速度をジャイロセンサにより測定した。
【0085】
<硬度測定>
実施例1~8および比較例1~8の各鍛造品において硬度測定を行った。具体的には、鍛造品を10mm角に切り出し樹脂埋めを行い、対象面をエメリー紙で#2000まで研磨を行ったのち、ビッカース硬度計を用いてビッカース硬度を測定した。ビッカース硬度測定の際の荷重は10gで1試料に対し10点測定し平均のビッカース硬度を算出した。
【0086】
また、ビッカース硬度の測定ではL型アームを用い、
図4に示す測定箇所P1~P5で実施した。ビッカース硬度の測定結果を表1に示す。表1における判定基準は5カ所の測定結果の誤差(硬度差)が4HV以下の場合を〇、5HV以上の場合を×とした。
【0087】
表1より、実施例1~8では誤差(硬度差)が3HVまたは4HV以下であり、十分な機械的特性が得られていることが分かる。
【0088】
一方、比較例1~8では誤差(硬度差)が5HV以上であり、十分な機械的特性が得られていないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【0089】
本発明の製造方法で得られた足回り用鍛造品は高強度であるため、例えば、自動車用足回りのサスペンションアーム、アッパーアーム、ロアーアーム、タイロッドエンド等の材料として好適に用いられるが、特にこのような用途に限定されるものではない。
【符号の説明】
【0090】
1:アルミニウム合金鍛造材