(57)【要約】  【課題】  処理時間の短縮化とエネルギー消費を抑制しつつアルミニウム合金鋳物の十分な硬度を確保できる熱処理方法を提供する。  【解決手段】  アルミニウム合金材を、鋳造機において鋳造する第１工程と、鋳造されたピストン鋳造品を昇温室内で、熱発生機から内部に流入循環した高熱ガスによって、共晶点（５３０℃）近傍の約５２０℃までに急速に加熱する第２工程と、急速高温になったピストン鋳造品を、保持室内で冷却ファン装置によって雰囲気温度が均一になるように制御されながら、約３分間、各ピストン鋳造品がそれぞれ約５２０℃の温度に保持される第３工程とを有している。次に、ピストン鋳造品を、保持室から冷却用水槽内に投入して急速に冷却する第４工程と、その後、急冷却されたピストン鋳造品を、時効化炉内に投入して所定温度、時間で時効化処理を行う第５工程を有し、これによって熱処理を行うようにした。  【選択図】  図２
2005133103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム合金材を鋳造した後に、該鋳造品の温度が３００℃以上の状態から共晶点近傍まで昇温させ、その温度で約３分間以上保持し、その後、鋳造品を急冷することによって溶体化処理を行い、その後、時効処理を行うことを特徴とするアルミニウム合金材の熱処理方法。
【請求項２】
前記共晶点近傍までの昇温時間を、前記鋳造品の内部に含有されたシリコン粒子にエッジが残留している程度の時間内に設定したことを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
【請求項３】
前記アルミニウム合金材を鋳造する鋳造機と溶体化処理をする溶体化炉とを近傍に配置して連続熱処理を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば自動車の部品であるピストンなどのアルミニウム合金材を鋳造した後の機械的性質を変化させる熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種、アルミニウム合金材（Ａｌ−Ｓｉ系）の熱処理方法としては、従来から種々の方法が提供されており、その１つとして以下の特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００３】
この発明は、ＪＩＳ−ＡＣ４ＣＨのＡｌ−Ｓｉ系のアルミニウム合金を鋳造し、この鋳物を共晶点５７７℃直下の５７０℃において急速に昇温し、該共晶点近傍に到達した後に急冷して溶体化処理を行い、その後、１４５℃において各種の時効処理時間だけ時効化処理を行うようになっている。
【０００４】
これによって、短時間で溶体化処理を行うことができ、生産性が高くなると共に、エネルギー消費量も減少する。
【特許文献１】特開平７−３１０１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の熱処理方法にあっては、具体的な熱処理条件などが不明であり、例えば鋳造後の溶体化処理における昇温させるまでの保持温度や昇温の保持時間などが短いものほど良いとしているだけ不明な点が多く、実施例にしたがって熱処理したとしても、アルミニウム合金材がグラフの実験結果に記載されているような十分な硬度が得られないおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は熱処理方法の具体的な条件下の基に、処理時間の短縮化とエネルギー消費を抑制しつつアルミニウム合金鋳造品の十分な硬度を確保できる熱処理方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、前記従来のアルミニウム合金材の熱処理方法の技術的課題に鑑みて案出されたもので、請求項１に記載の発明は、アルミニウム合金材を鋳造した後に、該鋳造品の温度が３００℃以上の状態から共晶点近傍まで昇温させ、その温度で約３分間以上保持し、その後、鋳造品を急冷することによって溶体化処理を行い、その後、時効処理を行うことを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、鋳造した後、３００℃以下になる前に、共晶点近傍まで昇温させるようにしたため、昇温エネルギーの消費を十分に抑制することが可能になる。
【０００９】
しかも、共晶点近傍まで昇温させた後、その温度を約３分間維持させると共に、その後の急冷処理によって、全体の処理時間が短くなるので、アルミニウム合金の鋳造品の生産性が向上すると共に、機械的性質の変化により高硬度化が可能になる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記共晶点近傍までの昇温時間を、前記鋳造品の内部に含有されたシリコン粒子にエッジが残留している程度の時間内に設定したことを特徴としている。
【００１１】
この発明によれば、鋳造品に含有されたシリコン粒子の円形度係数が大きくならずに、エッジが残された状態になることから、アルミニウムに対するシリコンの占める面積が大きくなって、耐摩耗性の向上が図れる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記アルミニウム合金材を鋳造する鋳造機と溶体化処理をする溶体化炉とを近傍に配置して連続熱処理を行うことを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、鋳造機と溶体化炉との間が近接していることから、前記鋳造後から溶体化炉までのアルミニウム合金鋳造品の移動時間が短くなる。したがって、アルミニウム合金鋳造品の３００℃以上の温度を維持したまま前記溶体化炉内に移動させることができる。換言すれば、鋳造機から溶体化炉まで、何らの加熱機を用いずに温度を確保することができるので、処理作業の向上と処理コストの低減化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るアルミニウム合金材の熱処理方法の実施形態及び実施例を図面に基づいて詳述する。なお、各実施形態に供されるアルミニウム合金の鋳造品は、内燃機関のピストンに適用したものである。
【００１５】
まず、熱処理方法を実施する熱処理装置について、図１に基づいて説明する。
【００１６】
この熱処理装置は、アルミニウム合金材の鋳造から溶体化処理及び時効化処理までの一連の処理作業がロボットによって連続して行われ、各ライン設備はロボットアームの届く距離の範囲内に設置されている。
【００１７】
すなわち、鋳造機１の近傍に溶体化炉２が配置され、該溶体化炉２の鋳造機１と反対側の近傍位置に冷却用水槽３が配置されていると共に、この冷却用水槽３の近傍に高速時効化炉１５が配置されている。
【００１８】
前記鋳造機１は、図外の油圧ユニットによって作動し、この油圧ユニットの油圧源などが制御盤によって制御されている。
【００１９】
前記溶体化炉２は、図示のようにボックス状の炉体４の内部が仕切扉４ａ〜４ｃを介して昇温室５と後工程の保持室６とに分離隔成され、前記炉体４内には、鋳造機１によって鋳造されたアルミニウム合金材からなる個々のピストン鋳造品７を前記昇温室５と保持室６内に連続的に案内するコンベア式の搬送機８が水平方向に貫通配置されている。また、炉体４の下部内には、前記昇温室５と保持室６内のピストン鋳造品７を加熱するヒータ９、１０が設けられている。
【００２０】
前記搬送機８は、前端部８ａが鋳造機１の近傍まで延びている一方、後端部８ｂが前記冷却用水槽３の上方位置まで延出している。
【００２１】
また、前記炉体４の前端側には、監視手段である２つの非接触型の放射温度計１１ａ、１１ｂが設けられており、この放射温度計１１ａ、１１ｂは、搬送機８上に載せられた鋳造直後及び昇温室５内のピストン鋳造品７の温度を検出するようになっている。
【００２２】
前記昇温室５は、炉体４の上部に設けられた熱発生機１２からダクト装置１３を介して高温流体である高温ガスが供給されて、内部に案内されたピストン鋳造品７を急速に加熱するようになっている。
【００２３】
前記保持室６は、炉体４の上部に設けられた冷却ファン装置１４のファン１４ａの駆動によって内部に案内された複数のアルミニウム合金材７を所定温度まで加熱及び冷却保持するようになっている。
【００２４】
前記冷却用水槽３には、温度がほぼ４０℃〜９０℃の水Ｗが貯留されており、前記保持室６から排出されて内部に投入されたピストン鋳造品７を急速に冷却するようになっている。
【００２５】
前記高速時効化炉１５は、前記冷却用水槽３内で冷却された多くのピストン鋳造品７を内部にまとめて収容し、約２００℃の温度で約２時間かけて時効化するようになっている。
【実施例】
【００２６】
まず、アルミニウム合金材としては、ＪＩＳ  ＡＣ８Ａ、Ａｌ−Ｓｉ系の合金材を用い、試料の成分組成はＳｉが１１．１重量％、Ｃｕが１．１重量％、Ｎｉが１．２重量％、Ｆｅが０．４重量％。Ｍｎが０．０３重量％、Ｔｉが０．０４重量％、Ｚｎが０．０４重量％にそれぞれ設定した。
【００２７】
このアルミニウム合金材を、図２に示すように、前記鋳造機１において鋳造し（第１工程）、凝固完了後に、金型からピストン鋳造品７をロボットによって取り出し、黒体塗料を塗布した後、前記搬送機８の前端部８ａ上に載置する。このとき、第１放射温度計１１ａによってピストン鋳造品７の温度を検出する。この検出結果、３００℃以上であると判断した場合は、そのまま扉４ａを開いて搬送機８によって昇温室５内に送り出されるが、万一、何等かの原因で、３００℃以下に低下しているものは、ロボットによって搬送機８から取り外される。
【００２８】
次に、搬送機８によって前記昇温室５に搬送されたピストン鋳造品７は、同じく第２放射温度計１１ｂによってその温度が検出されるが、この場合も万一、何等かの理由で、３００℃以下に低下しているものは、ロボットによって昇温室５から取り外される。しかし、通常は、鋳造機１から昇温室５までの距離が短いため、ピストン鋳造品７は、図３の温度変化グラフに示すように、約４２０℃程度の温度が維持されている。
【００２９】
そして、昇温室５内では、ピストン鋳造品７が、熱発生機１２からダクト装置１２ａを介して内部に流入循環した高熱ガスによって、共晶点（Ｐ）近傍の約５２０℃までに急速に加熱される（第２工程）。つまり、ＡＣ８Ａの共晶温度は約５３０℃であるから、その近傍まで加熱した。
【００３０】
その後、急速に約５２０℃の温度に到達すると、搬送機８によって扉４ｂを介して保持室６内に案内される。ここでは、冷却ファン装置１４によって内部の熱気が攪拌されて雰囲気温度が均一になるように制御されながら、約３分間、各ピストン鋳造品７がそれぞれ約５２０℃の温度に保持される（第３工程）。なお、５２０℃までの昇温時間は、前記ピストン鋳造品７の内部に含有されたシリコン粒子Ｓｉにエッジが残留している程度の時間内に設定してある。
【００３１】
続いて、ピストン鋳造品７は、搬送機８によって保持室６から冷却用水槽３内に一定の姿勢で投入されて、ここで、急速に冷却される（第４工程）。
【００３２】
なお、この実施例では、前記第２工程の昇温開始から第４工程までの急冷による温度低下までの溶体化時間は、図３に示すように、約１０〜１５分に設定されている。
【００３３】
その後、急冷却されたピストン鋳造品７を、時効化炉１５内に投入し、ここで、約２００℃の温度で約１．５時間の時効化処理を行った（第５工程）。
【００３４】
図４はピストン鋳造品７の前記溶体化処理における第２工程の昇温開始温度（℃）と溶体化時間とを変化させて、ピストン鋳造品７の硬度（ＨＲＢ）を実験により測定したグラフである。
【００３５】
この実験では、ピストン鋳造品７の成分組成は、前述と同じであり、また第２工程の昇温は約５２０℃に設定した。また、溶体化時間は、従来の技術と同じく０分と、２分、３分、５分、１０分、２０分の時間に分けて測定した。
【００３６】
なお、前記溶体化処理時間は、前記第２工程で約５２０℃の温度に達した時点から第４工程の急速冷却（水焼き入れ）までの時間とした。また、時効条件としては、２００℃の温度で、約６時間に設定した。
【００３７】
この実験によれば、昇温室５内でのピストン鋳造品７の昇温を２００℃付近から加熱すると、殆どの場合、溶体化温度での溶質原子の拡散が遅れることを見出した。
【００３８】
これに対して、３００℃以上の昇温開始温度にすると、溶質原子の拡散速度の低下がなくなることがわかり、また少なくとも５２５℃に昇温された状態を少なくとも３分間保持するとピストン鋳造品７の機械的性質が変わって、硬度が７９〜７９．７の十分な硬度が得られることがわかった。
【００３９】
また、昇温開始温度が１００℃の場合であっても、３００℃と同じ程度の硬度が得られることがわかるが、この冷却温度までに時間か掛かるばかりか、この温度から５２０℃までの昇温時間が長くなる。このため、熱エネルギー損失が大きくなってしまう。
【００４０】
また、前記実施例の場合のように、昇温開始温度が４００℃以上であれば、図４に示すように、従来の０時間以外の溶体化処理時間は硬度が７９．５以上になるばかりか、５２０℃までの昇温時間が短くなることから、熱エネルギーの損失を十分に抑制することが可能になる。
【００４１】
しかも、この実施例では、前述のように、第３工程において、共晶点近傍の５２０℃まで昇温させた後、その温度を約３分間維持させるようになっていることから、機械的性質の変化により高硬度化が可能になることは、図４からも明らかである。
【００４２】
さらに、第３工程での前記５２０℃までの昇温時間を、前記アルミニウム合金材の内部に含有されたシリコン粒子Ｓｉにエッジが残留している程度の時間内に設定してあるので、ピストン鋳造品７に含有されたシリコン粒子の円形度係数が大きくならずに、エッジが残された状態になることから、アルミニウムに対するシリコンの占める面積が大きくなって、耐摩耗性の向上が図れる。
【００４３】
また、前記鋳造機１と溶体化炉２とを近傍に配置して連続的に熱処理を行うようにしたので、前記鋳造後から溶体化炉２までのピストン鋳造品７の移動時間が短くなる。したがって、ピストン鋳造品７を４２０℃以上の温度を維持したまま前記昇温室５内に移動させることができる。換言すれば、鋳造機１から溶体化炉２まで、何らの加熱機を用いずに温度を確保することができるので、処理作業の向上と処理コストの低減化が図れる。
【００４４】
また、と冷却水槽３と時効化炉１５も近傍に連続的に配置したため、溶体化処理の冷却から時効処理を連続して行うことができるので、これらの熱処理時間も十分に短縮化することができる。
【００４５】
さらに、前記昇温室５内では、高温ガスによってピストン鋳造品７を加熱することから、該高熱ガスの流動により、ピストン鋳造品７に対する熱の回り速度が早くなると共に、昇温時間の短縮化が図れる。また冷却ファン装置１４により保持室６内での流体ガスの積極的な攪拌効果によってピストン鋳造品７全体をさらに均一に加熱することが可能になる。
【００４６】
また、前記昇温室５内に搬送される個々のピストン鋳造品７の温度を放射温度計１１ａ、１１ｂによって検出し、３００℃以下のものは昇温室５内あるいはその前で排除するようにしたため、昇温エネルギーの無駄な消費をより確実に抑制することができると共に、処理の短縮化をさらに図ることができる。また、温度監視によりピストン鋳造品７は共晶点温度を越えることがなくなるので、共晶融解が発生せず、十分な硬度を維持することができる。
【００４７】
しかも、多くのピストン鋳造品７の全体温度を監視するのではなく、個々の温度を監視するため、温度管理精度を高めることができる。
【００４８】
前記実施形態から把握される前記請求項に記載した発明以外の技術的思想について以下に説明する。
（１）前記溶体化炉を、急速昇温室と保持室の２つの室から構成し、前記急速昇温室では、アルミニウム合金材を設定温度まで高温流体によって加熱すると共に、前記保持室では、設定温度の高温流体によって温度を保持するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
【００４９】
この発明によれば、高温流体である高温ガスや熱風によって加熱することから、アルミニウム合金材に対する熱の回り速度が早くなるため昇温時間の短縮化が図れると共に、流体の攪拌効果によって全体を均一に加熱することが可能になる。
（２）前記鋳造されて前記溶体化炉に搬送される個々のアルミニウム合金材の温度を監視する監視手段を設け、該監視手段からの温度情報によってアルミニウム合金材が前記急速昇温炉内で共晶点を越えない温度に制御したことを特徴とする請求項（１）に記載のアルミニウム合金材の熱処理方法。
【００５０】
この発明によれば、温度監視によりアルミニウム合金鋳物の共晶点温度を越えることがなくなるので、共晶融解が発生せず、十分な硬度を維持することができる。
【００５１】
しかも、鋳造されたアルミニウム合金鋳物の全体温度を監視するのではなく、個々の温度を監視するため、温度管理精度を高めることができる。
（３）前記溶体化炉内で溶体化したアルミニウム合金材を冷却する冷却水槽と、該冷却処理後に時効処理を行う時効化炉とを連続的に配置したことを特徴とする請求項１〜（２）のアルミニウム合金材の熱処理方法。
【００５２】
この発明によれば、溶体化処理の昇温、冷却、また冷却から時効処理を連続して行うことができるので、これらの熱処理時間を十分に短縮化することができる。
【００５３】
本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば、温度監視手段としては、前記放射温度計１１ａ、１１ｂのように非接触型の他に、接触型のものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係るアルミニウム合金材の熱処理方法に供される熱処理装置を示す概略図である。
【図２】前記熱処理装置による熱処理工程を示すブロックである。
【図３】前記熱処理装置による熱処理方法における処理時間と熱処理温度との関係を示す特性図である。
【図４】実験で行われる昇温開始温度とピストン鋳造品の硬度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１…鋳造機
２…溶体化炉
３…冷却用水槽
４…炉体
５…昇温室
６…保持室
７…ピストン鋳造品
８…搬送機
９・１０…ヒータ
１１ａ、１１ｂ…放射温度計（監視手段）
１２…熱発生装置
１４…冷却ファン装置
１５…時効化炉
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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