(57)【要約】【課題】溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、前記冷却処理における冷却温度を低温から高温までの任意の温度に設定することを可能として、析出硬化型合金の機械的性質の調整の自由度を高めるとともに、熱処理歪の低減を図る技術を提案する。【解決手段】冷却処理と時効処理とを、同一の流動層を用いて連続して行う。さらに、前記流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体は、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型を構成する鋳物砂と同一組成の砂とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、
前記冷却処理を流動層を用いて行うことを特徴とする、
析出硬化型合金の製造方法。
【請求項２】
溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、
前記冷却処理と前記時効処理とを、同一の流動層を用いて連続して行うことを特徴とする、
析出硬化型合金の製造方法。
【請求項３】
前記流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体は、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型を構成する鋳物砂と同一組成の砂とすることを特徴とする、
請求項１又は請求項２に記載の析出硬化型合金の製造方法。
【請求項４】
溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施すための析出硬化型合金の製造装置において、
前記冷却処理を行うための流動層式処理炉を含んで成ることを特徴とする、
析出硬化型合金の製造装置。
【請求項５】
溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施すための析出硬化型合金の製造装置において、
前記冷却処理と前記時効処理とを連続して行うための流動層式処理炉を含んで成ることを特徴とする、
析出硬化型合金の製造装置。
【請求項６】
前記流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体は、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型を構成する鋳物砂と同一組成の砂とすることを特徴とする、
請求項４又は請求項５に記載の析出硬化型合金の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合金を熱処理して得られる析出硬化型軽合金と、その析出硬化型合金の熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鋳造されたアルミニウム合金やマグネシウム合金等の合金に対して、引張強さ、伸び等の機械的特性を改善させるために、熱処理を施して微細組織変化させた析出硬化型合金が知られている。
【０００３】
従来の析出硬化型合金の製造の流れの一例について説明する。
図８に示すように、鋳造された合金は（鋳造工程Ｓ１１）、鋳造型から離型され（離型工程Ｓ１２）、大きなバリが除去されたのち（バリ除去工程Ｓ１３）、湯口・湯道系方案並びに押湯系方案などの鋳造方案が除去される（方案除去工程Ｓ１４）。
さらに、前記合金に固着しているバリが厳密に除去され（バリ除去工程Ｓ１５）、前記合金に付着している砂が砂焼きにより除去される（砂焼き工程Ｓ１６）。
そして、前記合金が熱処理を通じて析出硬化型合金とされたのち（熱処理工程Ｓ１７）、該析出硬化型合金の製品検査が行われる（検査工程Ｓ１８）。
【０００４】
前記熱処理工程Ｓ１７では、鋳造された合金に対して、昇温して所定の温度を維持する溶体化処理、急冷する冷却処理、及び、再度昇温して所定の温度を維持する時効処理、が順に行われる。この溶体化処理と冷却処理とを併せて焼入れ処理とも称される。また、前記溶体化処理は固溶化熱処理と称されることもある。
前記溶体化処理では、合金を所定の固溶化温度まで加熱して高温にすることで、合金元素を固溶させる。この溶体化処理ののち、合金を急冷することで、常温における合金元素の固溶化を図り、過飽和固溶体を形成させる。さらに、前記過飽和固溶体を比較的低温で保持する時効処理を施すことにて、合金内に均一な析出物が形成された析出硬化型合金となる。
【０００５】
従来、上記のような合金の溶体化処理並びに時効処理は、雰囲気炉を用いて行われていた。これに対し、特許文献１では、昇温時間を早く、温度の振れを小さく、より高い温度で溶体化処理を行うために、雰囲気炉に代えて流動層式処理炉を用いて、溶体化処理と時効処理とを行う技術が提案されている。前記流動層式処理炉とは、所定温度に調整された粒子媒体の流動層に合金であるワークを存在させることにて、該ワークに熱処理を施すものである。
【０００６】
上記特許文献１に記載の技術では、流動層式処理炉を合金の溶体化処理並びに時効処理など、主に、ワークを加熱するために用いており、溶体化処理と時効処理との間の冷却処理には流動層は用いられていない。このため、前記冷却処理では、冷却温度の設定の自由度が低く、例えば、冷却温度が低すぎるために、熱応力による熱処理歪が著しく生じることがあるなどの不具合が生じていた。
【特許文献１】特開２００２−２７５５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明では、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、前記冷却処理における冷却温度を低温から高温までの任意の温度に設定することを可能として、析出硬化型合金の機械的性質の調整の自由度を高めるとともに、熱処理歪の低減を図る技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００９】
即ち、請求項１においては、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、前記冷却処理を流動層を用いて行うものである。
【００１０】
請求項２においては、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施す析出硬化型合金の製造方法において、前記冷却処理と前記時効処理とを、同一の流動層を用いて連続して行うものである。
【００１１】
請求項３においては、前記流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体は、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型を構成する鋳物砂と同一組成の砂とするものである。
【００１２】
請求項４においては、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施すための析出硬化型合金の製造装置において、前記冷却処理を行うための流動層式処理炉を含んで成るものである。
【００１３】
請求項５においては、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理から成る一連の熱処理を合金に施すための析出硬化型合金の製造装置において、前記冷却処理と前記時効処理とを連続して行うための流動層式処理炉を含んで成るものである。
【００１４】
請求項６においては、前記流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体は、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型を構成する鋳物砂と同一組成の砂とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、溶体化処理、冷却処理、及び時効処理を順に行う析出硬化型合金の熱処理において、前記冷却処理における冷却温度を低温から高温までの任意の温度に設定することが可能となる。従って、析出硬化型合金の機械的性質の調整の自由度を高めるとともに、熱処理歪の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の一実施例に係る析出硬化型合金の製造の流れ図、図２は合金の熱処理の流れ図、図３は熱処理における温度スケジュールを示す図である。図４は流動層式処理炉の概略図である。
図５は従来の熱処理と本発明の熱処理との比較実験の熱処理条件並びに比較結果を示す図、図６は比較実験に用いるワークを示す図、図７は比較実験における熱処理歪みの測定結果を示す図である。
図８は従来の析出硬化型合金の製造の流れ図である。
【００１７】
まず、析出硬化型合金の製造の流れについて説明する。
図１に示すように、鋳造された合金は（鋳造工程Ｓ２１）、鋳造型から離型され（離型工程Ｓ２２）、大きなバリが除去されたのち（バリ除去工程Ｓ２３）、湯口・湯道系方案並びに押湯系方案などの鋳造方案が除去され（方案除去工程Ｓ２４）、さらに、前記合金に固着しているバリが厳密に除去される（バリ除去工程Ｓ２５）。
そして、引張強さ、伸び等の機械的特性を変化させるために前記合金に熱処理が施されて析出硬化型合金とされたのち（熱処理工程Ｓ２６）、該析出硬化型合金の製品検査が行われる（検査工程Ｓ２７）。
【００１８】
前記熱処理工程Ｓ２６では、図２に示すように、例えば、図３に示すようなスケジュールで、鋳造された合金に対して、昇温して所定の温度を維持する溶体化処理Ｓ７１、急冷する冷却処理Ｓ７２、及び、再度昇温して所定の温度を維持する時効処理Ｓ７３、が順に行われる。この溶体化処理Ｓ７１と冷却処理Ｓ７２とは併せて焼入れ処理とも呼ばれる処理である。
【００１９】
本発明に係る合金の熱処理では、前記溶体化処理Ｓ７１、冷却処理Ｓ７２、及び、時効処理Ｓ７３の各処理が、何れも流動層を利用して行われる。
つまり、析出硬化型合金の製造装置に第一の流動層式処理炉と、第二の流動式処理炉とを備え、前記第一の流動層式処理炉の流動層にて、合金に溶体化処理Ｓ７１を行い、前記第二の流動層式処理炉の流動層にて、合金に冷却処理Ｓ７２と時効処理Ｓ７３とを同一の流動層を用いて連続して行うのである。
【００２０】
詳細には、溶体化処理Ｓ７１において、第一の流動層式処理炉にて、合金を所定の固溶化温度Ｔ１まで速やかに昇温したのち、所定の固溶化時間ｔ１だけ前記固溶化温度Ｔ１を保持することにて、前記合金の合金元素を固溶させる。
【００２１】
続いて、冷却処理Ｓ７２において、前記溶体化処理Ｓ７１にて合金元素が固溶化された合金を、第二の流動層式処理炉に移して、合金を所定の冷却温度Ｔ２まで急冷したのち、所定の冷却時間ｔ２だけ前記冷却温度Ｔ２を保持する。この冷却処理Ｓ７２では、合金を急冷することで、低温における合金元素の固溶化を図り、過飽和固溶体を形成する。
【００２２】
なお、前記冷却処理Ｓ７２における冷却温度Ｔ２は、下記［式１］を満たす温度が採用される。なお、冷却温度Ｔ２とは、冷却処理Ｓ７２に使用する第二の流動層式処理炉の流動層を構成する粒子媒体の温度である。
［式１  ；  Ｔ２≦（（Ｔｍ＋２７３）／２）−２７３］
但し、［式１］において、Ｔ２は冷却温度（℃）、Ｔｍは被処理物である合金の融点温度（℃）とする。
【００２３】
そして、時効処理Ｓ７３において、前記冷却処理Ｓ７２にて冷却された合金を、そのまま第二の流動層式処理炉にて、所定の時効硬化時間ｔ３だけ、所定の時効硬化温度Ｔ３まで昇温して保持することにて、前記合金を均一な析出物が形成された析出硬化型合金とする。
【００２４】
なお、前記時効処理Ｓ７３における時効硬化温度Ｔ３は、前記冷却温度Ｔ２の０．８倍〜１．２倍の範囲の温度とされる。この条件を満たす冷却温度Ｔ２、並びに時効硬化温度Ｔ３を採用することが、同一の流動層式処理炉で連続して冷却処理Ｓ７２と時効処理Ｓ７３とを行うために好適である。
但し、固溶化温度Ｔ１、固溶化時間ｔ１、冷却温度Ｔ２、冷却時間ｔ２、時効硬化温度Ｔ３、並びに時効硬化時間ｔ３は、合金の種類や、析出硬化型合金に求める機械的性質などから、実験的に或いは理論的に求めるとともに、上記温度条件を加味して定められる。
【００２５】
上述の熱処理工程Ｓ２６では、冷却処理Ｓ７２において、流動層式処理炉を用い、冷媒として流動層を用いるため、該冷却処理Ｓ７２における冷却温度Ｔ２を低温から高温までの任意の温度に設定することが可能となる。従って、析出硬化型合金の機械的性質の調整の自由度を高めることができる。
さらに、従来の冷媒（例えば、水）を利用する方式と比較して、冷却温度を高温（例えば、１００度よりも高い１２０度や１５０度など）に設定することが可能となり、合金に生じる熱応力を低減して、熱処理歪の低減を図ることができる。また、従来の冷媒（例えば、水）を利用する方式と比較して、冷媒の蒸発潜熱が生じないので、エネルギー効率が良好となる。そして、焼入れ液を使用しないので、次工程のために焼入れ液を合金から除去するための作業や時間を省略することができ、効率的であり且つ省エネルギーを実現できる。
【００２６】
また、冷却処理Ｓ７２と時効処理Ｓ７３とを、一つの流動層式処理炉を用い、同一の流動層を用いて連続して行うので、時効遅れ時間を無くすことができる。これにより、時効処理Ｓ７３において、合金元素の析出挙動が安定化し、析出硬化型合金の機械的性質のバラツキを低減することができる。
但し、前記『時効遅れ時間』とは、冷却処理Ｓ７２から時効処理Ｓ７３に移行するまでの時間であって、従来の熱処理方法では、冷却処理を行う恒温槽から時効処理を行う処理炉まで合金を移動させるための時間が時効遅れ時間となる。
【００２７】
さらに、前記第二の流動層式処理炉では、流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体として、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型（中子を用いる場合は中子も含む）を構成する鋳物砂と同一組成の砂が採用される。このように、前記冷却処理Ｓ７２において、恒温槽ではなく流動層式処理炉を用い、さらに、その粒子媒体を鋳物砂とすることで、恒温槽に持ち込まれる鋳物砂の除去処理などの煩雑な処理を廃止することができる。
【００２８】
なお、上記溶体化処理Ｓ７１で用いる第一の流動層式処理炉でも、流動層において層内で熱風により流動化される粒子媒体として、前記合金を鋳造する際に用いる鋳型（中子を用いる場合は中子も含む）を構成する鋳物砂と同一組成の砂が採用される。これによれば、溶体化処理Ｓ７１において、従来、熱処理工程Ｓ２６とは別の工程とされていた砂焼き工程Ｓ１６を同時に行うことができる。
つまり、本発明に係る熱処理工程Ｓ２６を実施することによれば、図８に示す従来の析出硬化型合金の製造工程と比較して、合金に付着している砂を砂焼きにより除去する工程（砂焼き工程Ｓ１６）を省略することができるのである。
【００２９】
ここで、流動層式処理炉の一例について説明する。前記溶体化処理Ｓ７１に用いる第一の流動層式処理炉と、冷却処理Ｓ７２及び時効処理Ｓ７３に用いる第二の流動層式処理炉とは、同様の構成のものとすることができる。但し、本発明は、下記構成の流動層式処理炉の構成に限定されるものではなく、従来使用されている流動層式処理炉を採用することができる。
【００３０】
図４は、本実施例に係る流動層式処理炉１０の一例を示す概略図である。
処理容器３０内において、粒状物である粒子媒体３１がガス分散板３４上に充填され、この粒子媒体３１が、ガス分散板３４の下から多孔パイプ３２を通じて吹き込まれる熱風により流動化され、均一に混合されて流動層３３が形成される。
熱風発生装置２０では、ブロワ２１より送られる空気がバーナー２２の火炎により所定温度の熱風となるまで温められる。この熱風は熱風温度監視装置２３を経て、処理容器３０に吹き込まれる。処理容器３０において、熱風は多孔パイプ３２から流動層３３内へ吹き込まれ、粒子媒体３１を流動化させるとともに粒子媒体３１を加熱する。このようにして流動層３３は、所定温度に加熱される。
【００３１】
上記構成の流動層式処理炉１０を用いた熱処理は、合金Ｗを流動層３３中に存在させることにより行う。流動層３３は、粒子媒体３１が吹き込みガスにより加熱され、且つ、均一に混合されて形成されており、流動層３３内部の温度が概ね均一となるとともに、伝熱効率が良いという特徴を有している。
従って、合金の熱処理のために流動層を用いることで、合金の加熱ムラ又は冷却ムラを低減して均一な品質の析出硬化型合金を製造することが可能となる。また、流動層では、合金の温度を急速に昇温できるので、冷却処理Ｓ７２から時効処理Ｓ７３へ速やかに移行することが可能となる。
【００３２】
続いて、冷却処理Ｓ７２に冷媒として水を用いた恒温槽を利用する従来の熱処理と、冷却処理Ｓ７２に冷媒として砂（鋳物砂）を用いた流動層（流動層式処理炉）を利用する本発明の熱処理との比較実験の結果について説明する。
【００３３】
前記比較実験では、図６に示す６０６１アルミニウム合金で成るワークに対して、溶体化処理Ｓ７１、冷却処理Ｓ７２、時効処理Ｓ７３の流れで熱処理を行い、機械的強度と熱処理歪並びにこれらのバラツキを測定し、測定結果を比較する。
【００３４】
比較実験における熱処理の条件は、図５に示す表の上部に示されている。
従来例と本発明例に共通して、固溶化温度Ｔ１は５２０℃、固溶化時間ｔ１は１２０min、冷却時間ｔ２は６０min、時効硬化温度Ｔ３は１６０℃、時効硬化時間ｔ３は１８hrとする。なお、これらの条件のうち、溶体化処理（溶体化処理）、並びに時効処理の温度及び時間は、６０６１アルミニウム合金の熱処理に一般的に採用されている処理条件である。
【００３５】
そして、冷却処理Ｓ７２において、冷却媒体が水である従来例では冷却温度Ｔ２を６０℃とし、冷却媒体が流動層の砂である本発明例では冷却温度Ｔ２を１６０℃とする。
本発明例の冷却処理Ｓ７２における冷却温度Ｔ２は、６０６１アルミニウム合金の融点温度Ｔｍ（℃）が６５２℃であることから、［式１］を用いて１８９．５℃以下と算出される。さらに、時効硬化温度Ｔ３である１６０℃は、冷却温度Ｔ２の０．８〜１．２倍の範囲の値である。以上を考慮して、本発明例の冷却温度Ｔ２として、１６０℃が設定された。
【００３６】
図６では、ワークの熱処理歪測定部位が示され、図７に示す表では熱処理歪量の測定結果が示され、また、図５に示す表の下部には、硬さの測定結果が示されている。
これらの測定結果から、本発明例の熱処理後のワークは、従来例と比較して、硬さは同等であり、硬さのバラツキ、熱処理歪量、並びに歪のバラツキは低減されていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に係る析出硬化型合金の製造の流れ図。
【図２】合金の熱処理の流れ図。
【図３】熱処理における温度スケジュールを示す図。
【図４】流動層式処理炉の概略図。
【図５】従来の熱処理と本発明の熱処理との比較実験の熱処理条件並びに比較結果を示す図。
【図６】比較実験に用いるワークを示す図。
【図７】比較実験における熱処理歪みの測定結果を示す図。
【図８】従来の析出硬化型合金の製造の流れ図。
【符号の説明】
【００３８】
１０  流動層式処理炉
３０  処理容器
３１  粒子媒体
３２  多孔板
３３  流動層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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