(57)【要約】【課題】アルミニウム合金材の高強度化と、工数の減少および製造時間の短縮とに寄与する、アルミニウム合金材のダイクエンチ方法およびダイクエンチ装置を提供すること。【解決手段】アルミニウム合金材を加熱して溶体化処理温度範囲に維持する溶体化処理工程と、前記溶体化処理工程によって溶体化処理温度範囲に維持されている前記アルミニウム合金材をダイクエンチするダイクエンチ工程と、前記ダイクエンチ工程でダイクエンチされた前記アルミニウム合金材を人工時効処理する人工時効処理工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金材を加熱して溶体化処理温度範囲に維持する溶体化処理工程と、
前記溶体化処理工程によって溶体化処理温度範囲に維持されている前記アルミニウム合金材をダイクエンチするダイクエンチ工程と、
前記ダイクエンチ工程でダイクエンチされた前記アルミニウム合金材を人工時効処理する人工時効処理工程と、
を含む、ことを特徴とするアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項２】
前記ダイクエンチ工程における成形は、前記アルミニウム合金材が溶体化処理温度範囲に維持されている状態で開始される、ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項３】
前記人工時効処理工程は、前記ダイクエンチ工程後、５分以内に開始されることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項４】
前記人工時効処理工程は、前記ダイクエンチ工程における冷却終了後に開始されることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項５】
前記人工時効処理工程は、前記ダイクエンチ工程における冷却の途中で開始されることを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項６】
前記人工時効処理工程後、前記アルミニウム合金材を時効処理温度範囲に加熱して表面処理を行う表面処理工程と、
を含む、ことを特徴とする請求項１記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ方法。
【請求項７】
アルミニウム合金材を溶体化処理温度範囲に加熱する第１の加熱炉と、
前記第１の加熱炉に隣接して配置され、前記第１の加熱炉により加熱されて溶体化処理温度範囲に維持されている前記アルミニウム合金材をダイクエンチする成形機と、
前記成形機および前記第１の加熱炉に隣接して配置され、ダイクエンチされた前記アルミニウム合金材を人工時効処理する第２の加熱炉と、
を備える、ことを特徴とするアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
【請求項８】
前記第２の加熱炉は、前記第１の加熱炉の廃熱を利用することを特徴とする請求項７記載のアルミニウム合金材のダイクエンチ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金材のダイクエンチ方法およびダイクエンチ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用のプレス成形品には、自動車の燃費向上を図るため、高強度化と軽量化の両立が強く求められている。最近、自動車用のプレス成形品の材料として、超ハイテン鋼材やアルミニウム合金材が使用されている。
【０００３】
アルミニウム合金材は、鋼材に比べて延性が低いため成形性が悪いという短所がある。そこで、アルミニウム合金材を自動車用のプレス成形品の素材として用いる場合、一般的には、下記のような成形方法が採用される：
アルミニウム合金からなる圧延材（Ｈ材）を溶体化処理温度に加熱した後、冷却する溶体化処理工程；
溶体化処理されたアルミニウム合金材（Ｔ４材）を、多段階の冷間プレスによって成形する工程；
成形されたアルミニウム合金材を自動車のボディなどに組み付ける工程；
組み付けられたアルミニウム合金材を塗装焼付けする工程。
【０００４】
上記成形方法において、冷間プレスを多段階で行う理由は、溶体化処理完了後の冷却されたアルミニウム合金材は、高強度化されているため、一回の冷間プレスで成形を完了することが困難であるからである。
【０００５】
また、特許文献１には、加熱ステーションでアルミニウム合金材を溶体化処理温度に加熱する工程、加熱されたアルミニウム合金材を加熱ステーションから成形型に移送する工程、加熱ステーションから成形型への移送および１５０℃以下の温度に保たれた成形型によって、少なくとも溶体化処理温度範囲未満に冷却されたアルミニウム合金材をダイクエンチする工程と、からなるアルミニウム合金材の成形方法が提案されている。
【０００６】
特許文献２には、加熱炉でアルミニウム合金材を４７０℃に加熱し、この加熱されたアルミニウム合金材を成形型へ移送してダイクエンチし、ダイクエンチ後、常温で７日間ほど放置する、すなわち、長期間に亘って自然時効する、アルミニウム合金材の成形方法が提案されている。なお、ダイクエンチ開始時のアルミニウム合金材の温度は不明である。
【０００７】
特許文献３には、一次的な熱間プレスを行った後、二次的なダイクエンチ成形を行うアルミニウム合金材の多段階成形方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２０１２−５１０５６５号公報（段落００３４参照）
【特許文献２】特開２０１１−６３８６８号公報（段落００３４参照）
【特許文献３】ＷＯ２０１１−５８３３２Ａ１（図１参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
【００１０】
上述した、多段階の冷間プレスを行うアルミニウム合金材の成形方法によれば、成形に費やす工数が多いため、生産性が低下し、コストアップを招いている。
【００１１】
特許文献１の成形方法によれば、溶体化処理工程と成形工程の間で、アルミニウム合金材を冷却しているため、ＢＨ性（塗装焼付け硬化性）が低下するという問題がある。その理由は、溶体化処理後の冷却によって、アルミニウム合金材の組織中に、強度向上に寄与するβ''相に遷移しない安定なクラスタが形成されてしまい、後工程の塗装焼付け工程において、β''相の析出速度が小さくなり、強度の向上が抑制されるからである。
【００１２】
特許文献２の成形方法によれば、成形後の自然時効処理に長時間を要するという問題がある。また、特許文献２の成形方法によれば、加熱されたアルミニウム合金材を加熱炉から成形型へ移送する際の冷却によって、および、成形直前、成形型による加熱されたアルミニウム合金材の冷却によって、ダイクエンチの整形開始時、アルミニウム合金材は、相当程度、冷却され、溶体化処理温度範囲の下限温度よりも低温になり、成形性の低下を招来していると想定される。
【００１３】
特許文献３の成形方法によれば、工数が多く、又、熱間プレス装置とダイクエンチ成形装置という二種類の成形装置が必要になるという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、アルミニウム合金材の高強度化と、工数の減少および製造時間の短縮に寄与する、アルミニウム合金材のダイクエンチ方法およびダイクエンチ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、第１の視点において、下記の工程を含むアルミニウム合金材のダイクエンチ方法を提供する：
アルミニウム合金材を加熱して溶体化処理温度範囲に維持する溶体化処理工程；
前記溶体化処理工程により溶体化処理温度範囲に維持されている前記アルミニウム合金材をダイクエンチするダイクエンチ工程；
前記ダイクエンチ工程によりダイクエンチされた前記アルミニウム合金材を人工時効処理する人工時効処理工程。
【００１６】
本発明は、第２の視点において、下記の構成を備えるアルミニウム合金材のダイクエンチ装置を提供する：
アルミニウム合金材を溶体化処理温度範囲に加熱する第１の加熱炉；
前記加熱炉に隣接して配置され、前記溶体化処理により溶体化処理温度範囲に維持されている前記アルミニウム合金材をダイクエンチする成形機；
前記成形機および前記第１の加熱炉に隣接して配置され、ダイクエンチされた前記アルミニウム合金材を人工時効処理する第２の加熱炉。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、第１ないし第２の視点において、下記の効果に寄与する：
ダイクエンチ直後の人工時効処理によって、ＢＨ性が確保され、十分な強度をもったアルミニウム合金材の成形品が提供される；
ダイクエンチ後、直ちに人工時効処理を行うため、ダイクエンチされたアルミニウム合金材を、長期間にわたって放置する必要がなくなる；
アルミニウム合金材の温度が溶体化処理温度範囲にある時点から、ダイクエンチを開始するため、成形性がよい。したがって、冷間プレスの場合のように、成形を多段階で実行しなくてもよく、工数を削減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例１に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法の工程図である。
【図２】本発明の実施例２に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法の工程図である。
【図３】本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置の模式図である。
【図４】本発明の実施例１および２に係る実験結果と、比較例１および２に係る実験結果を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明によれば、ダイクエンチ工程の直前に、ダイクエンチのための加熱処理と一体化されて溶体化処理のための加熱が実行されるため、素材として、溶体化処理されたアルミニウム合金材を用いる必要がなくなり、安価で少ない投入エネルギで製造される圧延材（Ｈ材）、又は、人工時効処理されていないＴ４材を用いることができる。これによって、省エネルギおよび低コストが達成できる。
【００２０】
本発明によれば、ダイクエンチ工程における成形は、アルミニウム合金材が溶体化処理温度範囲に維持されている状態で開始されるため、すなわち、溶体化処理されて高温状態にあるアルミニウム合金材を成形するため、アルミニウム合金材をダイクエンチのために再加熱する必要がなく、省エネルギである。溶体化処理温度は、アルミニウム合金材を溶体化処理工程からダイクエンチ工程へ移送する際の温度低下や、ダイクエンチ工程における成形直前の温度低下を考慮すると、４７５℃以上の溶体化処理温度範囲、中でも、５００℃以上の溶体化処理温度範囲に設定することが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、ダイクエンチ直前においても、アルミニウム合金材の温度は、溶体化処理温度範囲に維持されているため、その後の成形型による急冷によって、アルミニウム合金材は十分に焼入れされる。
【００２２】
本発明の好ましい一実施形態によれば、ダイクエンチ工程後、人工時効処理工程を可及的に速やかに、例えば、５分以内に実行することが好ましい。これによって、強度向上に寄与しない相の生成を抑制することができる。
【００２３】
本発明の好ましい一実施形態によれば、人工時効処理工程は、ダイクエンチ工程における冷却の途中で開始される。これによって、製造時間がさらに短縮される。
【００２４】
本発明の好ましい一実施形態によれば、人工時効処理工程は、ダイクエンチ工程における冷却終了後に開始される。人工時効処理工程は、ダイクエンチ工程終了後、可及的に速やかに開始されることが好ましい。
【００２５】
本発明の好ましい一実施形態によれば、人工時効処理工程後、アルミニウム合金材を時効処理温度範囲に加熱して表面処理を行う表面処理工程が実行される。この表面処理工程は、人工時効処理工程完了後、アルミニウム合金材の組み付けを行った後、実行してもよい。人工時効処理によって、既に、強度向上に寄与しない相の生成が抑制されているからである。表面処理としては、特に、焼付け塗装が挙げられるが、所定温度への加熱を伴う、その他の表面処理方法を採用することもできる。
【００２６】
本発明によれば、溶体化処理工程の廃熱を、人工時効処理工程における加熱に利用することができる。これによって、省エネルギおよび設備の省スペース化が達成できる。
【００２７】
本発明の一実施形態によれば、アルミニウム合金材として、２０００系、６０００系および７０００系のように、熱処理によって高強度が得られる材料を選択することが好ましい。製品の要求される強度に応じて、その他の材料を選択することもできる。
【００２８】
本発明の一実施形態において、推奨される熱処理条件および成形条件の目安を下記に例示する。
（ａ）溶体化処理温度の範囲：４５０〜６００℃、好ましくは４７５℃〜５８０℃の範囲、さらに好ましくは５００℃〜５６０℃；
（ｂ）溶体化処理温度範囲に維持する時間：数十秒〜５分、５分以上でもよい；
（ｃ）ダイクエンチにおける急冷速度：１０℃／ｓ以上、好ましくは５０℃／ｓ以上、さらに好ましくは１００℃／ｓ以上；
（ｄ）ダイクエンチ工程終了と人工時効処理工程開始の間隔：５分以下；
（ｅ）人工時効処理の時効温度：７０〜２５０℃、好ましくは２００℃以下、特に、１００〜２００℃；
（ｆ）人工時効処理時間：５分以上；
（ｇ）人工時効処理時の冷却：大気中での放冷でよい。
【実施例】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。なお、図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。
【００３０】
図１は、本発明の実施例１に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法の工程図である。図１を参照すると、本発明の実施例１に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法は、少なくとも、下記の工程（１）〜（３）を含み、さらに、工程（４）を含むことができる：
（１）アルミニウム合金材を加熱して溶体化処理温度範囲に維持する溶体化処理工程；
（２）溶体化処理工程により溶体化処理温度範囲に維持されているアルミニウム合金材をダイクエンチするダイクエンチ工程；
（３）ダイクエンチ工程によりダイクエンチされたアルミニウム合金材を人工時効処理する人工時効処理工程；
（４）人工時効処理工程後、アルミニウム合金材を時効処理温度範囲に加熱して表面処理を行う表面処理工程。
【００３１】
次に、各工程について詳細に説明する。
【００３２】
（１）溶体化処理工程
切断されて所定形状にされたアルミニウム合金材（ブランク材）を高温に加熱することによって、アルミニウム合金中に含まれる各種元素が均一に固溶する状態にする。
【００３３】
（２）ダイクエンチ工程
前工程で加熱されたアルミニウム合金を、成形型で成形と急速冷却を同時に実行し、過飽和固溶体を形成する。
【００３４】
（３）人工時効処理工程（予備時効処理工程）
前工程で形成された過飽和固溶体を時効処理温度に加熱して、固溶している元素を中間体として析出させる。この中間体は、後工程で、β”相に遷移して、転位の動きを止めることができ、最終的な製品の強度を高めることができる。この人工時効処理を実行しない場合には、β”相の形成を阻害する安定なクラスタが形成されるため、後工程で、例えば、塗装焼付け工程で、高温時効処理をしても、十分な強度の向上を達成することができない。ダイクエンチ工程の終了から人工時効処理工程の開始までの時間は、短いほうがよく、５分以下が好ましい。
【００３５】
（４）表面処理工程（塗装焼付け工程）
前工程で予備時効処理されたアルミニウム合金材を、加熱を伴って表面処理する、例えば、塗装した後、焼付けをする。塗装焼付け時の加熱によって、前工程で形成された中間体が核となってβ”相が形成され、最終的な製品の強度が向上される。
【００３６】
以上説明した実施例１に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法の利点を例示する。
【００３７】
（成形性の向上）
加熱されたアルミニウム合金材（ブランク材、素材）を成形するため、成形性がよく、多段成形を行わなくとも、一回の成形で複雑な形状を形成することができる。
【００３８】
（工数削減、製造時間短縮、低コスト化）
溶体化処理のための加熱と、ダイクエンチのための加熱が同時に実行されるため、工数削減、製造時間短縮および省エネルギが達成され、低コスト化にも大きく貢献する。
（品質管理の簡易化）
ダイクエンチ工程直後の人工時効処理工程において、最終製品の強度向上に寄与するβ”相の核となる中間体を形成しているため、その後、この人工時効処理を受けたアルミニウム合金材を室温で長時間放置しても、強度向上を阻害するクラスタの形成が抑制されるから、品質管理が容易である。
【００３９】
次に、本発明の実施例２を説明する。なお、本実施例２の説明においては、主として、前記実施例１との相違点について説明し、両実施例の共通点については、適宜、前記実施例１の記載を参照することができるものとする。
【００４０】
図２は、本発明の実施例２に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法の工程図である。図２を参照すると、本実施例２では、（３）人工時効処理工程は、（４）ダイクエンチ工程における冷却の途中、すなわち、アルミニウム合金材が室温まで冷却される前に、開始される。例えば、ダイクエンチにおける冷却途中、１００℃から人工時効処理開始が開始される。これによって、製造時間がさらに短縮される。
【００４１】
次に、以上説明した本発明の実施例らに係るアルミニウム合金材のダイクエンチ方法を好適に実施可能な、ダイクエンチ装置の一例を説明する。図３は、本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置の模式図である。
【００４２】
図３を参照すると、本発明の一実施例に係るアルミニウム合金材のダイクエンチ装置１は、アルミニウム合金材２を溶体化処理温度範囲に加熱する第１の加熱炉３と、第１の加熱炉３に隣接して配置され、第１の加熱炉３により加熱されて溶体化処理温度範囲に維持されているアルミニウム合金材２をダイクエンチする成形機４と、成形機４および第１の加熱炉３に隣接して配置され、ダイクエンチされたアルミニウム合金材２を人工時効処理する第２の加熱炉５と、を備えている。なお、アルミニウム合金材２は、所定形状に切断されたブランク材２である。
【００４３】
第１の加熱炉３と、第２の加熱炉５は、二階建ての加熱炉を構成している。１階に配置された第１の加熱炉３は、溶体化処理用であって、その加熱温度は４５０〜６００℃に設定される。二階に配置された第２の加熱炉５は、人工時効処理用（予備時効処理用）であって、第１の加熱炉３の廃熱を利用して、その加熱温度は７０〜２００℃に設定される。第２の加熱炉５における人工時効処理が完了したアルミニウム合金材２は、工程（４）：表面処理工程（ＢＨ（ベークハード）工程）に送られる。この工程（４）、特に、塗装焼付け工程は、ダイクエンチ装置１に隣接した地点で速やかに実行してもよいが、ダイクエンチ装置１から離間した別の地点、例えば、組み付け工場において、実行してもよい。
【００４４】
また、成形機４においては、溶体化処理温度範囲に加熱された状態のアルミニウム合金材２の温度が、成形開始時点で溶体化処理温度範囲未満に低下しないよう、アルミニウム合金材２が保持される。例えば、アルミニウム合金材２が、それに比べて熱容量が大きく冷たい成形型などによって冷却されないよう、アルミニウム合金材を保持することが好ましい。
【００４５】
次に、本発明の実施例１又は実施例２に係るダイクエンチ方法による実験結果を説明する。この実験においては、実施例１（図１参照）および実施例２（図２参照）に係る方法によって得られたアルミニウム合金材の引張強度と、後述する比較例１および２に係る方法によって得られたアルミニウム合金材の引張強度と、を比較した。各種実験条件は下記のとおりである。
【００４６】
実施例１に係るダイクエンチ方法（図１参照）：
（０）素材：６０００系のＨ材（圧延材）およびＴ４材；
（ａ）溶体化処理温度の範囲：５５０〜５６０℃；
（ｂ）溶体化処理温度範囲に維持する時間：５分；
（ｃ）ダイクエンチにおける急冷速度：１５０℃／ｓ；
（ｄ）ダイクエンチ工程終了と人工時効処理工程開始の間隔：１分以下；
（ｅ）人工時効処理の時効温度：１００℃又は１７０℃；
（ｆ）人工時効処理時間：１００℃の場合は５分、１７０℃の場合は１２０分；
（ｇ）人工時効処理時の冷却：大気中で放冷。
【００４７】
実施例２に係るダイクエンチ方法（図２参照）：
（ｄ）ダイクエンチ工程終了と人工時効処理工程開始の間隔：ダイクエンチの冷却中、１００℃から人工時効処理開始；
（ｅ）人工時効処理の時効温度：１００℃；
（ｆ）人工時効処理時間：５分；
その他の条件は、実施例１と同じ。
【００４８】
比較例１および比較例２の実験条件：
比較例１においては、素材として、実施例らで用いたＨ材（圧延材）およびＴ４材に代えて、溶体化処理および人工時効処理済みのＴ６材を用い、かつ、実施例らのダイクエンチに代えて冷間プレスを行った。比較例２においては、実施例らの人工時効処理を実行しなかった。
【００４９】
図４は、本発明の実施例１および２に係る実験結果と、比較例１および２に係る実験結果を説明するグラフである。
【００５０】
図４を参照すると、実施例１および２に係る方法によれば、比較例１および２に係る方法と比べて、明らかに引張強度が向上され、３００Ｍｐａ以上、特に、３２０Ｍｐａ以上の引張強度が得られた。この引張強度値は、自動車部品用として、十分な値である。また、実施例１および２によれば、素材として、安価であるＨ材（圧延材）およびＴ４材を用いて、高い引張強度を得ることができる。このようなＨ材（圧延材）およびＴ４材の利用は、省エネルギにも寄与する。
【００５１】
以上、本発明の一実施形態等を説明したが、本発明は、上記した一実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形・置換・調整を加えることができる。
【００５２】
なお、上記の特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明により得られたアルミニウム合金材は、車両用のボディパネル、ピラー又はビームとして、好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  アルミニウム合金材のダイクエンチ装置
２  アルミニウム合金材（ブランク材）
３  第１の加熱炉
４  成形機
５  第２の加熱炉
ａ  溶体化処理温度の範囲
ｂ  溶体化処理温度範囲に維持する時間
ｃ  ダイクエンチにおける急冷速度
ｄ  ダイクエンチ工程終了と人工時効処理工程開始の間隔
ｅ  人工時効処理の時効温度
ｆ  人工時効処理時間
ｇ  人工時効処理時の冷却
工程（１）  溶体化処理工程
工程（２）  ダイクエンチ工程
工程（３）  人工時効処理工程（予備時効処理工程）
工程（４）  表面処理工程（塗装焼付け工程）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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