(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ合金シート部品を成形する方法であって、
（ｉ）加熱ステーションにて、Ａｌ合金シートブランクをその溶体化処理温度に加熱し、合金がプレ時効硬化性にない場合には、溶体化処理が完了するまで溶体化処理温度を維持し、
（ｉｉ）シートブランクを１組の冷金型に移送して、シートブランクからの熱損失が最小になるように、加熱ステーションからの除去後１０秒以内に成形を開始し、
（ｉｉｉ）シートブランクを形づくられた部品へと成形するために冷金型を閉鎖し、成形は０．１５秒未満内に行われ、
（ｉｖ）成形部品の冷却の間、成形部品を閉鎖金型内に保持する、ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
成形部品を閉鎖金型内に保持する期間は、成形部品が２５０℃以下の温度になるのに充分な長さであることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
成形部品を閉鎖金型内に保持する期間は４秒未満であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
溶体化処理（ＳＨＴ）の温度は４５０〜６００℃の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
溶体化処理（ＳＨＴ）の温度は５００〜５５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ＳＨＴ温度は２０〜６０分間維持されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
ＳＨＴ温度への加熱の速度は少なくとも２℃／秒であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
シートブランクの冷金型への移送時間は５秒未満であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
成形部品は１０秒未満内に２００℃未満に冷却されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
金型は、１５０℃以下の温度に保たれることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
成形部品を人工時効温度に加熱し、析出硬化を生じさせるために成形部品をその温度に維持する追加の人工時効工程を含むことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
２ＸＸＸ、６ＸＸＸおよび７ＸＸＸシリーズの熱処理Ａｌ合金に対して実行されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
５ＸＸＸシリーズの非熱処理Ａｌ合金に対して実行されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属合金シート部品、より具体的にはＡｌ合金シート部品を成形する改良された方法に関する。本方法は、既知の技術を用いて容易に成形することができない複雑な形状を有する成形部品の成形に特に好適である。
【背景技術】
【０００２】
時効硬化Ａｌ合金シート部品は、通常、Ｔ４条件（溶体化処理され急冷される）およびこれに続く人工時効、または、Ｔ６条件（溶体化処理され急冷され人工時効される）のいずれかで、冷間成形される。どちらの条件も、スプリングバックおよび低成形性などの解決し難い本来的問題を有している。ホットスタンピングは、成形性を向上させ、スプリングバックを低下させることができるが、所望の微細構造を破壊してしまう。したがって、微細構造を回復するためにポスト成形熱処理（ＳＨＴ）が必要であるが、これは、ＳＨＴ後の急冷の間に、成形された部品が歪む結果となる。これらの不都合は、他の材料を使用してエンジニアリング部品を成形する際にも遭遇する。
【０００３】
これらの不都合を克服するために、様々な努力がなされ、特定の種類の部品の成形における特定の問題を克服するための特殊な処理が発明されてきた。これらについて以下に概要を説明する。
【０００４】
方法１：シート金属部品の超塑性成形（ＳＰＦ）
これは、複雑な形状のシート金属部品の生産のための遅い等温ガスブロー成形処理であり、主として航空宇宙産業で使用されている。微細な粒子のシート金属および成形工具が共に加熱される。高い強度を確保するための適切な微細構造を得るために、ポスト成形熱処理（たとえば、ＳＨＴ＋急冷＋熱処理Ａｌ合金の時効化）が、通常必要である。材料の超塑性挙動は、特殊な温度および応力速度で変形する微細な粒子サイズの特殊な材料についてのみ観察可能である（Lin, J., and Dunne, F. P. E., 2001, Modelling grain growth evolution and necking in superplastic blow-forming, Int. J. of Mech. Sciences, Vol. 43, No. 3, pp595-609）。
【０００５】
方法２：Ａｌ合金パネルのクリープ時効成形（ＣＡＦ）
これも、成形と時効硬化処理とを組み合せた、一般に航空機の翼パネル部品を成形するために使用される、遅い処理である。クリープ成形時間は、材料の人工時効の必要性に応じて定められる。少量の塑性変形が処理に通常適用され、克服すべき主たる問題はスプリングバックである。コンピュータを用いるスプリングバック補償用のＣＡＦ工具の設計のために、米国特許第５,１６８,１６９号、米国特許第５,３４１,３０３号および米国特許第５,７２９,４６２号に記載のものなどの、種々の技術が提案されてきた。
【０００６】
方法３：金属合金処理の方法（仏国特許第１ ５５６ ８８７号）が、好ましくは、Ａｌ合金、および、量産プロファイルを目的とした液−固混合状態の合金の押し出し成形へのその応用のために、提案された。この方法においては、液体合金の割合は、デンドリティック相が少なくとも球状に変化し始めるように、４０％未満に５分〜４時間保持される。金型の出口の押し出し成形物に対して、急冷が、パルス化空気で、または水の噴霧、空気と水の混合物つまり霧の噴霧のいずれかによって、実施される。成形部品は、次いで、時効硬化のための特定の温度で、人工的に時効化される。この技術は、シート金属成形への応用には、（ｉ）シートがその温度では取り扱えないほど柔らかくなりすぎる（液体合金は約４０％）こと、および（ｉｉ）上述の急冷方法は成形シート部品には適用し難いこと、の理由で困難である。
【０００７】
方法４：溶体化処理、成形および冷金型急冷（ＨＦＱ）が、本発明者らによって以前の特許出願の国際公報ＷＯ２００８／０５９２４２号に記載されている。この処理においては、Ａｌ合金ブランクが、溶体化処理されて、１組の冷金型に速やかに移送され、冷金型は、形づくられた部品に成形するために直ちに閉じられる。成形部品は、成形部品の冷却の間、冷金型内に保持される。更なる研究がこの処理における欠点を明らかにし、本発明は、ＷＯ２００８／０５９２４２号に記載されている処理の改良を提示する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明によれば、Ａｌ合金シート部品を成形する方法であって、
（ｉ）加熱ステーションにて、Ａｌ合金シートブランクをその溶体化処理温度に加熱し、合金がプレ時効硬化性にない場合には、溶体化処理が完了するまで溶体化処理温度を維持し、
（ｉｉ）シートブランクを１組の冷金型に移送して、シートブランクからの熱損失が最小になるように、加熱ステーションからの除去後１０秒以内に成形を開始し、
（ｉｉｉ）０．１５秒未満内にシートブランクを形づくられた部品へと成形するために冷金型を閉鎖し、
（ｉｖ）成形部品の冷却の間、成形部品を閉鎖金型内に保持する、ことを含む方法が提供される。
【０００９】
請求された方法は、溶体化処理および時効硬化によって役立つように変更され得る微細構造および機械的性質を有する、あらゆる合金に応用可能である。
【００１０】
本発明は、とりわけ、著しく速やかに金型を閉鎖する点で、ＷＯ２００８／０５９２４２号に記載されている発明と異なる。ＷＯ２００８／０５９２４２号では、最も速やかな金型の閉鎖の例は２秒である（すなわち、本発明で意図されている最も遅い時間よりも１桁以上遅い）。以下でより詳細に説明するように、本発明者らは、広範な研究を通じて、このような短い時間が、ＨＦＱ処理の成功に決定的に重要な意味をもつことを発見した。
【００１１】
いくつかの実施形態において、金型の閉鎖は、０．１秒未満またはさらには０．０５秒未満内に生じてよい。
【００１２】
冷金型内で成形部品を保持する期間は、部品の厚さに応じて、４秒未満、２秒未満またはさらには１秒未満でよい。この保持期間は、金型からの除去後に必要な微細構造が維持されるように、成形部品が、たとえば２５０℃以下の温度になるために充分な長さでありさえすればよい。この期間は、薄い材料については、極めて短くなり得ると理解されよう。
【００１３】
本明細書で使用する溶体化処理（ＳＨＴ）温度とは、ＳＨＴが実行される温度である（普通、合金液化温度の約５０℃以内）。ＳＨＴは、アルミニウムマトリクス内に合金元素を可能な限り多く溶解させることを含む。
【００１４】
ステップ（ｉｉ）〜（ｉｖ）における後続の急冷は、析出物の生成を防止し（つまり、合金成分が過飽和溶液中に保たれる）、また、成形部品の変形を防止する。
【００１５】
明らかに、ＳＨＴ温度は合金間で変わるであろう。しかし、一般的な温度は４５０〜６００℃の範囲内となり、特定の合金については５００〜５５０℃の範囲内となるであろう。ＳＨＴを完了することが必要とされる場合、ＳＨＴ温度が、一般に２０〜６０分間、たとえば３０分間維持される。
【００１６】
Ｔ４性の合金などのプレ時効硬化合金の場合、硬化相は固溶体中に保持される。加熱が充分に急速であれば、分散層は加熱の間に大きく衰退せず、ＳＨＴ温度に到達するや否や、硬化相が溶液中に生じる。よって、プレ時効硬化合金の場合、ＳＨＴ温度への加熱の速度は、少なくとも２℃／秒またはさらには３℃／秒でよい。
【００１７】
移送時間（加熱と成形との間）は、可能な限り速やかであるべきで、数秒のオーダー、たとえば５秒未満またはさらには３秒未満である。
【００１８】
いくつかの実施形態において、金型内での成形部品の冷却の速度は、成形部品が１０秒未満内に２００℃未満に冷却されるような程度である。いくつかの実施形態において、金型は１５０℃以下の温度に保たれる。金型を充分に低い温度に保つためには、金型からの自然の熱損失で充分である。ただし、必要であれば、追加の空冷または水冷を適用してもよい。
【００１９】
本方法は、熱処理Ａｌ合金部品のための追加の人工時効工程であって、成形部品を人工時効温度に加熱し、析出硬化を生じさせるためにその温度に維持する工程を含んでよい。一般的な温度は、１５０〜２５０℃の範囲内である。時効時間は、合金の性質に応じてかなり変化し得る。一般的な時効時間は、５〜４０時間の範囲内である。自動車部品については、時効時間は、数分のオーダー、たとえば２０分であり得る。
【００２０】
本発明の処理での使用に適する熱処理Ａｌ合金には、２ＸＸＸ、６ＸＸＸおよび７ＸＸＸシリーズの合金が含まれる。具体的な例には、一般に自動車用途に使用されるＡＡ６０８２および６１１１、ならびに、航空機翼構造に使用されるＡＡ７０７５がある。
【００２１】
本発明の処理での使用に適する非熱処理Ａｌ合金には、５ＸＸＸシリーズの合金が含まれ、たとえば、本処理が耐腐食性を向上させるという点で利益を付与し得る固溶硬化合金のＡＡ５７５４がある。
【００２２】
本発明は、本発明の処理で得られる成形部品にも存在する。その部品は、ドアパネルまたはボディパネルなどの、自動車部品であってよい。 
【００２３】
冷金型急冷を伴うホットスタンピングは、それ自体新しくないことに注意すべきである。そのような処理は、特殊な鋼シートに関して知られている。この処理において、鋼シートは、単一オーステナイト相に変換してより高い延性を達成するために、充分に加熱される。冷金型急冷によって、オーステナイトはマルテンサイトに変換され、成形部品の高強度が達成される。この処理は、マルテンサイト変換温度が高く必要な冷却速度が低い、特殊な種類の鋼のために開発されており、主として自動車産業において安全パネル部品の成形に使用されている（Aranda, LG., Ravier, P., Chastel, Y., (2003). The 6th Int. ESAFORM Conference on Metal Forming, Salerno, Italy, 28-30, 199-202）。
【００２４】
本発明の実施形態を、例示のみを目的として、添付の図面を参照しながらさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に従う方法を実行するときの部品の温度プロファイルの模式図である。
【図２】種々の接触間隔および圧力に付したときの、平坦工具鋼金型間の部品についての、時間に対する温度のプロットである。
【図３ａ】種々の条件についての加工性の評価に使用される、初期状態における金型配置を示す図である。
【図３ｂ】種々の条件についての加工性の評価に使用される、成形後状態における金型配置を示す図である。
【図３ｃ】図３ａの金型配置を使用して、２秒間成形処理した結果を示す図である。
【図３ｄ】図３ａの金型配置を使用して、０．０７秒間成形処理した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
処理の概要を図１に模式的に示す。ブランクは、まず、そのＳＨＴ温度（たとえば、ＡＡ６０８２については５２５℃）にまで加熱され（Ａ）、完全なＳＨＴが必要な場合、材料は次いで、必要とされる時間（たとえば、ＡＡ６０８２については３０分間）この温度に保たれる（Ｂ）。ＳＨＴ後のシートブランクは、次いで、直ちにプレスに移送され、下金型上に置かれる（Ｃ）。この移送は、アルミニウムから周囲環境への熱損失を最小限に確保するために、充分に迅速であるべきである（たとえば、５秒未満）。ブランクが置かれると、部品を成形するために上金型が降下させられる（Ｄ）。成形処理の間の熱損失も最小であるべきであり、処理が迅速であることを確保することによって達成される。完全に成形されると、部品は、充分に冷却されるまで上金型と下金型の間に保持され、これによって冷金型急冷の処理が完了する。その後、完成した部品の強度を高めるために、人工時効（Ｅ）が実行される（すなわち、ＡＡ６０８２については、１９０℃にて９時間）。時効は、後に成形部品の塗装が必要な場合は、ベーキング処理と組み合せることが可能である。
【００２７】
上記処理の変形例では、ＡＡ６０８２合金は、少なくとも２℃／秒の速度で、ＳＨＴ温度に達するまで加熱される。ＳＨＴ（Ｂ）は省略され、ブランクは成形のために直ちにプレスに移送される。
【００２８】
重要なことに、上下両方の金型は、達成すべき効果的な急冷のために充分な低い温度に保たれる。上記の例では、金型は１５０℃未満に保たれた。アルミニウム合金が高い熱伝導係数および低い熱容量を有するため、アルミニウムから冷金型および周囲環境への熱損失は大きく、急冷速度は高い。これは、過飽和固溶体状態が、急冷状態において維持されることを可能にする。
【００２９】
成形処理の成功のための重要なパラメータは、析出物の形成および成長が制御可能であるような、冷金型急冷における充分に高い冷却速度である。したがって、高強度シート金属部品が人工時効の後に得られる。熱処理のこの段階で粒子境界に析出物が形成されるのを避け得るようにするために、高い冷却速度を経済的に達成するには水急冷が通常必要であるので、冷金型急冷は析出硬化合金には従来実施されていなかった。問題の合金は析出硬化することが可能なので、冷金型での急冷は、実際に、時効化されるときに析出し得る最大量の元素を固溶体中に維持して、特性を改善する。冷金型急冷の効果（冷却速度）は、動作中の金型温度、Ａｌ合金シートの厚さおよび接触条件（成形圧、クリアランス表面仕上げ、および潤滑剤など）に直接関連する。熱処理材料の機械的特性を達成するために金型急冷を使用した冷却速度が充分であるかを調べるために、機械的試験を行った。
【００３０】
試験１  −  平坦工具鋼金型間での急冷
この調査では、３通りの冷却方法を使用し、結果を比較した。まず、厚さ１．５ｍｍのＡＡ６０８２シートのサンプルを５２５℃に加熱し、ＳＨＴのために３０分間維持した。次いで、サンプルを（ｉ）水急冷、（ｉｉ）平坦冷鋼金型間での急冷、および（ｉｉｉ）空気による急冷(自然冷却）のいずれかに付した。平坦冷鋼金型間での急冷では、合金シートの円板を、対応する形状の金型間に置いた。温度プローブを、合金シートにその周縁に対して取り付け、その温度プロファイルを監視した。厚さの異なるスペーサをシートと金型との間に適用することによって、または、シートを金型に接触させて上金型に異なる負荷をかけることによって、種々の条件を調べた。サンプルは次いで、１９０℃にて９時間、時効化された。
【００３１】
ＳＨＴに付され種々の方法で急冷されたサンプルについて、引張試験を行った。結果を表１に示す。（金型の重さ以外には）加圧しない冷金型急冷は、一般に最良の硬化応答を与えると考えられている水急冷によって得られる値の、９５％の最終引張応力という結果となった。
【００３２】
【表１】
0005681631.tif 000002
【００３３】
冷金型急冷の間に観察された温度プロファイルを図２に示す。プロットＡ〜Ｃはそれぞれ、１．０５ｍｍ、０．６ｍｍおよび０．０ｍｍの金型間隔での測定である。プロットＤは、０．０ｍｍの間隔で１７０ＭＰａの負荷を上金型に加えた測定である。図２から、合金シートと金型とが良好に接触しているときに、最も速やかな冷却が観察されることが判る。
【００３４】
試験２  −  半球状部品の成形
工具の設定を図３ａに模式的に示す。
５２５℃に加熱しその後４５０℃に冷却したＡＡ６０８２のブランク２が、下ブランクホルダ３に置かれ、下ブランクホルダ３と上ブランクホルダ１との間に、ばね５で力を加えられて、保持された。ブランクはパンチ４によって半球状にパンチされ（パンチの速度は成形時間を規定するよう制御された）、金型組内に１０秒間保持された（図３ｂ）。この調査では、同じＡｌ合金シート材料を成形するのに、２通りの成形時間（つまり、０．０７秒、２秒）が使用された。初期金型温度は２２℃であり、金型の人工冷却は使用しなかった。成形深さは、一般的な工業用途に特徴的な２３ｍｍであった。
【００３５】
２秒で成形された比較例は、図３ｃに示すドームの引裂きによって表されるように、壊れる。高い延性が達成されたが、これは良好な成形性には発展しない。延性は、材料が壊れることなく変形に耐える能力である。成形性は、壊すことなく材料に形状を創出する能力である。今回の場合、成形性は、成形領域全体にわたって均一で延性のある変形を有し得る能力と考えることができる。比較例においては、延性応答は観察されるけれど、変形が速やかに局在化して、早期に壊れる原因となった。
【００３６】
速度を上昇させたときの成形性を改善するのに作用する２つのメカニズムが存在する。
１．均一な温度プロファイルに向けて
これは、シートは領域が冷金型と接触するや否や急速に局所的に冷却し始めるので、成形時間に直接関係する。ＨＦＱ操作で一般的であると想像される条件下では、５００℃にも達する急冷速度が見られるが、これはシートの端から端までに数百度の熱勾配をもたらす。これは、本発明者らがこれまでに実現した熱勾配よりも、はるかに大きい。極めて短い期間で成形することによって、処理の成形部分の間の熱移転は最小化され、加工対象物全体にわたる温度プロファイルは均一に近く保たれる。正確な温度降下は、シートと金型との熱接触およびシートの厚さに依存するであろう。
【００３７】
２．より良好な材料流動応力応答に向けて
一般的なシート金属が室温で変形されるとき、それらは加工硬化を経験する。材料が変形されて、１つの領域に他の領域よりも多くの変形が生じると、変形領域が速やかに再分配するので、材料はより強くなる。材料の良好な延性を良好な成形性へと変えるのは、この加工硬化である。高温では、アルミニウムは、加工硬化をほとんど持たず、したがって、局在化は速やかに生じて、強化材料によって無効にされない。幸運にも、アルミニウムは、高温で粘塑性（速度依存性）流動応力応答を有する。ある領域がその周囲の領域よりもかなり速く変形する場合、相対的な強度は高く、これが変形をある程度再分配するであろう。また、処理の全体速度を高めることによって、材料はより高い流動応力を持ち、これが金型の周りの材料をより効果的に「引き寄せる」。最後に、加工硬化は高い変形速度で最も顕著であり、存在する僅かばかりの加工硬化が最大になる。これが成形速度に関連し、成形速度は成形深さを通じて成形時間に繋がる。
【図１】
0005681631.tif 000003
【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
0005681631.tif 000006
【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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