(57)【要約】【課題】高強度なアルミ成形部品およびこれを含む金属構造体を優れた成形性で効率よく製造する。【解決手段】本発明のアルミ成形部品１の製造方法には、析出硬化型のアルミニウム合金からなる板材１Ａを４５０℃以上の温度に加熱する加熱工程と、上記加熱された板材１Ａを金型３内でプレスして所定の形状に成形するプレス工程と、上記金型３内でプレスされた状態で上記板材１Ａを１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する冷却工程とが含まれる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金製の板材を成形して部品を製造する方法であって、
析出硬化型のアルミニウム合金からなる板材を４５０℃以上の温度に加熱する加熱工程と、
上記加熱された板材を金型内でプレスして所定の形状に成形するプレス工程と、
上記金型内でプレスされた状態で上記板材を１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する冷却工程とを含むことを特徴とするアルミ成形部品の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のアルミ成形部品の製造方法において、
上記加熱工程では、４５０℃以上５５０℃以下の温度範囲まで上記板材を加熱することを特徴とするアルミ成形部品の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載のアルミ成形部品の製造方法において、
上記冷却工程では、上記板材が少なくとも１５０℃以下になるまで１０℃／秒以上の冷却を継続することを特徴とするアルミ成形部品の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のアルミ成形部品の製造方法において、
上記板材として、ＪＩＳ規格に規定の２０００系、６０００系、または７０００系のアルミニウム合金板材を用いることを特徴とするアルミ成形部品の製造方法。
【請求項５】
アルミ成形部品を含む金属構造体を製造する方法であって、
上記請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法で製造されたアルミ成形部品を、他部品と組付けした後、塗装、乾燥し、室温で自然時効させることを特徴とする金属構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム合金製の板材を成形して部品を製造する方法、およびその成形品を含む金属構造体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体をはじめとした板金製品は、強度の向上と軽量化を同時に求められることが多い。特に、自動車の車体についてはその要求が高く、最近では、超ハイテン材と称される、大幅に高強度化された薄鋼板が採用され始めている。
【０００３】
一方、アルミニウム合金製の板材は、鋼板と比べてかなり軽量であるが、強度の点で劣り、その改良が求められてきた。そうした中、高強度なアルミニウム合金の研究が進められ、例えば、超超ジュラルミンと称されるＪＩＳ７０００系の合金が開発されている。
【０００４】
しかしながら、上記７０００系合金のような高強度なアルミニウム合金材は、成形性に劣るという欠点があるため、例えば、プレス成形する際の形状の自由度が制限され、あるいは分割成形が必要になる等の問題があった。また、このような理由から、製品の限られた部位にしか高強度アルミニウム合金材を採用することができず、要所において別途補強部材が必要になるというケースもあった。このように、たとえアルミニウム合金材の強度が向上しても、成形性との両立を図らなければ、生産性が低下し、コストアップを招くという問題がある。
【０００５】
上記のような高強度アルミニウム合金に関し、例えば下記特許文献１には、７０００系に代表されるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金材の製造方法が開示されている。具体的に、この特許文献１では、上記組成を有するアルミニウム合金の連続鋳造材を均質化処理した後、熱間加工または冷間加工、あるいは両加工を併用して加工し、加工したものを溶体化処理し、１５０℃〜３５０℃の範囲の所定温度に焼入れし、該所定温度に１秒〜３０分の時間保持してから水冷し、その後に自然時効または人口時効処理をするという工程を経てアルミニウム合金材を製造している。このような方法によれば、耐応力腐食割れ性に優れた高強度アルミニウム合金材を製造できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１３４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１に開示された方法は、冷間加工または熱間加工の後に、溶体化処理や、焼入れおよび温度保持等の工程を経るものであるため、トータルとしてより多くの生産時間を要するという問題がある。また、例えば材料の加工を冷間加工で行った場合には、成形性が悪く、形状の自由度が大きく制限されるという問題もある。
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、高強度なアルミ成形部品およびこれを含む金属構造体を優れた成形性で効率よく製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、アルミニウム合金製の板材を成形して部品を製造する方法であって、析出硬化型のアルミニウム合金からなる板材を４５０℃以上の温度に加熱する加熱工程と、上記加熱された板材を金型内でプレスして所定の形状に成形するプレス工程と、上記金型内でプレスされた状態で上記板材を１０℃／秒以上の冷却速度で冷却する冷却工程とを含むことを特徴とするものである（請求項１）。
【００１０】
本発明では、析出硬化型のアルミニウム合金からなる板材を４５０℃以上に加熱することで、材料を軟化させるとともに、合金中の析出硬化元素をアルミニウムの母相中に固溶させる。そして、この状態で金型によりプレスし、その後、同金型内で１０℃／秒という比較的急激な冷却速度で冷却する。この方法によれば、高強度なアルミ成形部品を優れた成形性で効率よく製造することができる。
【００１１】
すなわち、加熱後に板材をプレスするため、成形性に優れ、部品形状の自由度が高いという利点がある。また、同じ理由により、冷間プレスのときに起き易いスプリングバック（形状の戻り現象）が起きる心配がなく、しかも、金型内で冷却を行うため、熱歪みを最小限に抑えることができ、寸法精度をより向上させることができる。さらには、固溶化後の急冷により、冷却完了直後においては固溶状態が維持されるものの、時間経過とともに固溶した合金元素が析出して結晶が硬化し、強度が高まる。このため、常温で放置するだけで部品の強度アップを図ることができ、優れた生産効率でより高強度な部品を製造することができる。
【００１２】
上記加熱工程での加熱温度は、より好ましくは、４５０℃以上５５０℃以下の温度範囲に設定するとよい（請求項２）。
【００１３】
また、上記冷却工程では、上記板材が少なくとも１５０℃以下になるまで１０℃／秒以上の冷却を継続するのがよい（請求項３）。なお、より好ましくは、１００℃以下になるまで１０℃／秒以上の冷却を継続する。
【００１４】
また、上記板材の材質は、析出硬化型のアルミニウム合金であればその種類は特に問わないが、好適例として、ＪＩＳ規格に規定の２０００系、６０００系、または７０００系のアルミニウム合金を挙げることができる（請求項４）。
【００１５】
また、本発明は、アルミ成形部品を含む金属構造体を製造する方法であって、上述した方法で製造されたアルミ成形部品を、他部品と組付けした後、塗装、乾燥し、室温で自然時効させることを特徴とするものである（請求項５）。
【００１６】
この方法によれば、アルミ成形部品を使用して金属構造体を製造した後、保管や輸送などの過程で強度が自然に高まるため、生産効率を悪化させることなく製品の強度アップを図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、高強度なアルミ成形部品およびこれを含む金属構造体を優れた成形性で効率よく製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】加熱工程の手順を説明するための図である。
【図２】プレス工程の手順を説明するための図である。
【図３】冷却工程の手順を説明するための図である。
【図４】アルミ成形部品を金型から取り出す様子を説明するための図である。
【図５】実施例および比較例の製造条件と引張り強度の測定結果を示す表である。
【図６】実施例５，６の引張り強度の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（１）アルミ成形部品の製造
図１〜図４は、本発明の一実施形態にかかるアルミ成形部品の製造方法を説明するための図である。当実施形態の製造方法には、以下に示す加熱工程、プレス工程、冷却工程が含まれる。
【００２０】
（１−１）加熱工程
アルミ成形部品１（図４）を製造するには、まず、図１に示すように、素材としてのアルミニウム合金製の板材１Ａを加熱する加熱工程を行う。具体的には、上記板材１Ａを、例えば電気炉もしくはガス炉等からなる加熱炉２の内部に投入し、４５０℃以上の温度（好ましくは４５０℃以上５５０℃以下の温度域）に加熱する。上記板材１Ａの材質は、析出硬化型のアルミニウム合金であり、その好適例として、ＪＩＳ規格に規定された２０００系（Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系）、６０００系（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）、または７０００系（Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系）の合金を挙げることができる。
【００２１】
上記板材１Ａは析出硬化型のアルミニウム合金であるため、上記のような温度域（４５０℃以上）に加熱されることにより、上記板材１Ａでは、析出硬化元素がアルミニウムの母相中に固溶する。また、上記温度域への加熱により、上記板材１Ａは、常温時よりも軟化し、後述するプレス成形を容易に行える状態となる。すなわち、上記加熱工程は、析出硬化元素を固溶させること（溶体化処理）と、材料の軟化による成形性の向上とを目的として行われる。
【００２２】
（１−２）プレス工程
次に、図２に示すように、加熱後の上記板材１Ａをプレス成形するプレス工程を行う。具体的には、キャビティ型４およびコア型５を有するプレス用金型３に上記板材１Ａをセットした状態で、上記コア型５を図外の型締め装置によりキャビティ型４の挿入方向に押し付けることにより、上記板材１Ａを、上記キャビティ型４とコア型５との隙間（成形空間）に対応した形状に変形させる（図３参照）。
【００２３】
上記キャビティ型４およびコア型５には、ウォータジャケット部４ａ，５ａがそれぞれ設けられている。上記板材１Ａをプレス成形する際には、上記ウォータジャケット部４ａ，５ａに冷却水が導入され、この冷却水の作用により上記金型３が冷却されてほぼ一定の温度に維持されるようになっている。
【００２４】
上記金型３でのプレス成形は、先の加熱工程で板材１Ａを軟化させた状態で行われるため、上記板材１Ａは比較的容易に変形する。したがって、例えば冷間プレスのときに問題となるスプリングバック（形状の戻り現象）が後で起きることがなく、プレス成形後の寸法精度は十分に確保される。
【００２５】
（１−３）冷却工程
次に、プレス後の板材１Ａを冷却する冷却工程を行う。具体的には、図３に示すように、金型３によりプレスされた板材１Ａを金型内で所定時間に亘り保持することにより、板材１Ａを冷却する。すなわち、内部に冷却水が導入された上記金型３は、比較的低い温度に維持されるため、このような金型３の内部に上記板材１Ａを保持して所定時間放置することにより、比較的急激な冷却速度で上記板材１Ａを冷却する。なお、金型３がかなり大型で十分な熱容量を有する場合には、冷却水により強制冷却しなくても温度を安定化できるため、上記のような冷却水による冷却は必ずしも必要ではない。
【００２６】
上記冷却工程は、上記板材１Ａが少なくとも１５０℃以下、好ましくは１００℃以下に低下するまで継続する。この間の板材１Ａの冷却速度は、少なくとも１０℃／秒以上とする。
【００２７】
このように、冷却工程では、金型３によりプレスしたまま冷却を行うため、金型３から取り出して冷却を行った場合と比較して、熱歪みを最小限に抑えることができる。
【００２８】
以上のような冷却工程が終了すると、図４に示すように、金型３を型離れさせ、アルミ成形部品１（つまり上記各工程を経て板材１Ａを所望の形状に成形したもの）を取り出す。以上の工程により、アルミ成形部品１が完成する。
【００２９】
（２）アルミ成形部品を使用した金属構造体の製造
次に、上記（１）の方法で製造されたアルミ成形部品１を使用して、例えば自動車の車体といった金属構造体を製造する方法について簡単に説明する。
【００３０】
上記金属構造体を製造するには、まず、上記アルミ成形部品１を溶接やボルト締結等の手段により他部品と組み付けた後、必要な塗装を施して乾燥させる。なお、ここでいう「他部品」とは、上記金属構造体を構成する種々の部品のうち、上記アルミ成形部品１を除いたものという意味であり、その材質はアルミニウム合金に限られない。例えば、鋼板等からなるアルミニウム合金以外の金属部品であってもよいし、樹脂製の部品であってもよい。
【００３１】
上記のようにして製造されたアルミ成形部品１を含む金属構造体は、その後、工場で一時的に保管されたり、所定の納入場所へと輸送されたりすることになるが、上記アルミ成形部品１においては、上記保管や輸送の最中に時効硬化が起き、その強度が高まることになる。
【００３２】
すなわち、上記（１）で説明したように、アルミ成形部品１は、４５０℃以上の加熱により溶体化された後、金型３でプレスされ、さらに１０℃／秒以上の冷却速度で冷却されて製造される。このように、溶体化後に急冷するというプロセスを経ることにより、アルミ成形部品１は、金型３から取り出されてすぐの時点で、析出硬化元素がアルミニウムの母相中に固溶したままの状態となっている。
【００３３】
しかしながら、析出硬化元素が固溶した状態というのは、常温では安定できない。このため、アルミ成形部品１を常温で放置すると、固溶した合金元素が集まって化合物（金属間化合物）をつくり、徐々に母相から析出してくる。この析出物は、長時間をかけて比較的均一に析出し、金属粒子を分散強化する。すなわち、析出によって金属の結晶が各所で歪みことで、結晶のすべり（転位）が起きにくくなり、結晶がより硬くなる。
【００３４】
以上のように、上記アルミ成形部品１においては、常温での時間経過とともにその強度が高まるという現象が起きる。したがって、上記アルミ成形部品１を金属構造体の部品として使用した場合には、製造後の保管や移送の最中、あるいはユーザに納品した後でも、アルミ成形部品１の強度が高まり、ひいては金属構造体全体の強度が高まることになる。また、常温に放置するだけでよいため、何ら特別な処理を行う必要がなく、生産効率を悪化させることなく強度アップを図れるという利点がある。
【００３５】
（３）実施例
次に、以上のような製造方法による効果を確認するために行った実験の結果について説明する。具体的に、この実験では、上記（１）で説明した方法によって実際にアルミ成形部品１を製造し、その引張り強度を測定、比較した。
【００３６】
（３−１）実験条件
図５は、材質および冷却速度が異なる複数の条件下でアルミ成形部品１の試料を作製し、その引張り強度を完成前後の段階別において測定した結果を示す表である。本図に示される各ケースのうち、実施例１〜６は、本発明の製造方法（上記（１）に示した手順）に沿ってアルミ成形部品１を製造したケースであり、比較例は、本発明とは異なる方法で製造したケースである。以下に、各実施例および比較例の条件について説明する。
【００３７】
・実施例１，２
実施例１，２では、ともにＪＩＳ２０００系の合金を使用してアルミ成形品１を製造した。ただし、上記両実施例では冷却工程時の冷却速度が相違しており、実施例１では１０℃／秒、実施例２では４０℃／秒である。元の加熱温度（加熱工程での炉の温度）は同じであり、ともに４７０℃とした。なお、上記各冷却速度（１０℃／秒、４０℃／秒）は、少なくとも温度が１００℃以下になるまでの冷却速度である。すなわち、１００℃以下に冷却されるまでの最低限の冷却速度が、実施例１では１０℃／秒、実施例２では４０℃／秒ということである（このことは他の実施例および比較例でも同じ）。
【００３８】
・実施例３，４
実施例３，４では、ともにＪＩＳ６０００系の合金を使用してアルミ成形品１を製造した。冷却速度は、実施例３が１０℃／秒、実施例４が４０℃／秒であり、加熱温度はともに４７０℃である。
【００３９】
・実施例５，６
実施例５，６では、ともにＪＩＳ７０００系の合金を使用してアルミ成形品１を製造した。冷却速度は、実施例５が１０℃／秒、実施例６が４０℃／秒であり、加熱温度はともに４７０℃である。
【００４０】
・比較例
比較例では、ＪＩＳ７０００系の合金を使用してアルミ成形品１を製造した。冷却速度は２℃／秒、加熱温度は４７０℃である。
【００４１】
なお、上記各実施例および比較例で使用したＪＩＳ２０００系、６０００系、７０００系の合金は、アルミニウム以外の成分として、以下の成分を含有したものである（数値は質量％）。
【００４２】
２０００系…Ｃｕ：2.0〜5.0、Ｍｇ：0.2〜2.0、Ｓｉ：0.01〜1.2、Ｍｎ：0.01〜1.2
６０００系…Ｍｇ：0.4〜1.5、Ｓｉ：0.2〜1.0、Ｃｕ：0.01〜0.4、その他：Ｍｎ、Ｃｒ
７０００系…Ｚｎ：4.0〜9.0、Ｍｇ：0.5〜4.0、Ｃｕ：0.01〜3.0、その他：Ｍｎ、Ｃｒ
【００４３】
（３−２）実験結果
上記実施例１〜６および比較例によるアルミ成形品１の試料を用いて、加熱前、常温保持１日後、常温保持７日後といった各段階で引張り強度を測定した結果が同じく図５に示されている。なお、加熱前とは、加熱工程で加熱される前の状態、常温保持１日後とは、加熱工程、プレス工程、冷却工程を経て完成した試料を常温で１日放置した状態、常温保持７日後とは、さらに放置時間を延ばして完成後７日経った状態である。
【００４４】
図５を見ると明らかなように、実施例１〜６のいずれのケースでも、加熱前の引張り強度よりも、完成後に常温で１日経過したときの方が強度が増しており、７日経過したときにはさらに強度が増していることが分かる。
【００４５】
例えば、ＪＩＳ７０００系の合金を使用して冷却速度１０℃／秒の条件で製造した実施例５では、加熱前の引張り強度が４２８ＭＰａであるのに対し、常温保持１日後には強度が４３５ＭＰａまで高まっており、常温保持７日後には、さらに４９２ＭＰａまで高まっている。また、同じくＪＩＳ７０００系の合金を使用ながら、冷却速度を４０℃／秒まで速くした実施例６では、加熱前の引張り強度４２８ＭＰａに対し、常温保持１日後には強度が４５８ＭＰａまで高まっており、常温保持７日後には５２５ＭＰａまで高まっている。
【００４６】
図６は、上記実施例５，６の引張り強度の時間変化を示すグラフである。このグラフからも明らかなように、冷却速度が１０℃／秒である実施例５よりも、冷却速度が４０℃／秒である実施例６の方が、時間経過による強度アップ（時効硬化）の程度が大きいことが分かる。このことは、他の材料（２０００系、６０００系）を使用した実施例１，２、または実施例３，４のケースでも同様に見られている。以上のことから、冷却速度が速い方が、時効硬化による増強効果がより高まることが分かる。
【００４７】
一方、冷却速度が２℃／秒と遅い比較例では、常温保持７日後でも強度は４５２ＭＰａまでしかアップしておらず、材質が同じでかつ冷却速度が１０℃／秒と速い上記実施例５，６と比較して、強度の上昇幅がかなり小さいことが分かる。
【００４８】
なお、上記実施例１〜６では、加熱工程での加熱温度をいずれも４７０℃に設定したが、析出硬化型のアルミニウム合金の固溶化温度等を考慮すれば、４５０℃〜５５０℃程度の範囲に加熱温度を設定すれば、上記実施例と大差のない効果が得られるものと考えられる。
【符号の説明】
【００４９】
１  アルミ成形部品
１Ａ  板材
３  金型
【図１】
2011063868.tif 000003
【図２】
2011063868.tif 000004
【図３】
2011063868.tif 000005
【図４】
2011063868.tif 000006
【図５】
2011063868.tif 000007
【図６】
2011063868.tif 000008