(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽金属または軽金属合金の溶湯を上下一対のローラ間に注湯し、この溶湯を前記ローラによって圧下荷重を加えつつ圧延方向に板状の連続鋳造圧延材として押出す連続鋳造圧延装置において、
前記圧延方向の上流側に配置された上流側ロールと、
この上流側ロールより下流側に配置された下流側ロールと、
溶湯の下側に配置されると共に前記下流側ロールに対向して位置し、且つ前記下流側ロールと共に溶湯に圧下荷重を加える単一の下側ロールとを備え、
前記上流側ロールが前記下流側ロールよりも熱伝導率の高い材料にて形成され且つ前記下流側ロールと下側ロールが前記上流側ロールよりも強度の高い材料にて形成されたことを特徴とする連続鋳造圧延装置。
【請求項２】
前記下流側ロールの回転中心は前記下側ロールの回転中心を通る略鉛直面上に位置することを特徴とする請求項１に記載の連続鋳造圧延装置。
【請求項３】
前記請求項１に記載の連続鋳造圧延装置を用いて金属部材を製造する方法において、
軽金属または軽金属合金の溶湯を連続鋳造圧延する第１工程と、
この連続鋳造圧延の際、若しくは連続鋳造圧延後、この連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱する熱処理を行う第２工程とを有し、
前記第２工程は、連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱した後、焼入れを行い溶体化処理する工程であって、
前記溶体化処理後の連続鋳造圧延材を塑性加工する第３工程と、
前記塑性加工後に人工時効処理する第４工程と、
を有することを特徴とする金属部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽金属または軽金属合金の連続鋳造圧延装置及びこの連続鋳造圧延装置を用いた金属部材の製造方法に関し、特に、金属部材の金属組織改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、アルミニウムの板材の製造方法として、ＤＣ（Direct Chill）法が良く知られている。これは、図１４に示すように、アルミニウムの原料を溶解することから始まり、スラブ鋳造、均質化処理、面削、加熱、熱間圧延、冷間圧延の各工程を経て、アルミニウムの板材を得るものである。一方、アルミニウムの原料を溶解した溶湯から直接アルミニウム板材を製造する連続鋳造圧延(ＣＣ:Continuous Casting)法も周知である。
【０００３】
ＣＣ法の代表的なものの１つに、双ロール水平式連続鋳造圧延法がある。これは、図１５に示すように、アルミニウムの溶湯をセラミックス製ノズルで上下一対のローラ間に注湯し、アルミニウムの板材を圧延方向に押出すもので、他のＣＣ法に比べて比較的薄い板材を製造できるという特徴がある。
【０００４】
ＣＣ法は、他にも、板材を連続鋳造圧延するベルト式や連結ブロック式、或いは棒状のビレットを連続鋳造圧延する輪・ベルト式等があり、これらのＣＣ法は、ＤＣ法と比較すると、工程が少なく、コストの低減、投入エネルギの削減、急冷凝固による材料特性の向上といった種々の利点を有している。
【０００５】
特許文献１には、Ｃｒ無添加のアルミニウム合金（以下、Ａｌ合金）の双ロール水平式連続鋳造圧延装置が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１３０５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、自動車分野では、車体の軽量化要求に伴って、比重が鋼板の約１／３であるアルミニウム合金（以下、Ａｌ合金）が注目されている。以前より、エンジン等の鋳物部材にＡｌ合金が使われていたが、最近では、ルーフ、トランクリッド及びドア等の自動車ボディ用外板としてＡｌ合金を用いたＤＣ法による成形が行われている。
【０００８】
ところが、ＣＣ法において、Ａｌ合金を用いた車体部品を製造した場合、得られたＡｌ合金部材を面削せずに製造されたままの状態でプレス加工等塑性加工を施すと、曲げ部や角部に著しい割れ、皺、形状凍結性による変形が発生する。Ａｌ合金は、鋼板と比較して材料の伸び、ヤング率が低い等の理由により、一般に成形性は劣っているが、ＣＣ法に適用した場合、その傾向が一層顕著になる。
【０００９】
Ａｌ合金中の遷移元素であるＣｒ及びＭｎは、溶体化処理時の結晶粒径を微細化する機能を有している。しかしながら、ＣＣ法を施した場合には、連続鋳造圧延工程時の圧下荷重によりＡｌ合金部材表面に加工歪が発生し、得られたＡｌ合金部材の表面にはＣｒに起因する表面結晶粒の粗大化が生じていることが判明した。
ＣＣ法は前述した種々の利点を有しているものの、表面結晶粒の粗大化という特有の課題を有しており、この課題が解決されなければ多種部材への採用展開は制限される。
【００１０】
一般的に、ＣＣ材の金属組織の微細化は、冷却速度の高速化による鋳造組織の微細化と鋳造時の圧下荷重の増加による再結晶粒の粗大化抑制とで改善されることが知られている。
しかしながら、冷却速度の高速化を目的として、従来の工具鋼製のロールから熱伝導率の高い銅製のロールに変更することも考えられるが、銅の強度が不足するため、鋳造時に高い圧下荷重を掛けることは困難である。また、従来の鋼製のロールでは冷却速度の上昇範囲は限られている。
特許文献１には、冷却速度の高速化と鋳造時の圧下荷重の増加との両立について、言及されていない。
【００１１】
本発明の目的は、軽金属または軽金属合金の連続鋳造において、冷却速度の高速化による鋳造組織の微細化と鋳造時の圧下荷重の増加による再結晶粒の粗大化抑制とを両立し、再結晶組織の微細化を図ることが可能な連続鋳造圧延装置及び金属部材の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の連続鋳造圧延装置は、軽金属または軽金属合金の溶湯を上下一対のローラ間に注湯し、この溶湯を前記ローラによって圧下荷重を加えつつ圧延方向に板状の連続鋳造圧延材として押出す連続鋳造圧延装置において、前記圧延方向の上流側に配置された上流側ロールと、この上流側ロールより下流側に配置された下流側ロールと、溶湯の下側に配置されると共に前記下流側ロールに対向して位置し、且つ前記下流側ロールと共に溶湯に圧下荷重を加える単一の下側ロールとを備え、前記上流側ロールが前記下流側ロールよりも熱伝導率の高い材料にて形成され且つ前記下流側ロールと下側ロールが前記上流側ロールよりも強度の高い材料にて形成されたことを特徴としている。
【００１３】
【００１４】
請求項２の連続鋳造圧延装置は、請求項１の発明において、下流側ロールの回転中心は前記下側ロールの回転中心を通る略鉛直面上に位置することを特徴としている。
【００１５】
請求項３の金属部材の製造方法は、前記請求項１に記載の連続鋳造圧延装置を用いて金属部材を製造する方法において、軽金属または軽金属合金の溶湯を連続鋳造圧延する第１工程と、この連続鋳造圧延の際、若しくは連続鋳造圧延後、この連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱する熱処理を行う第２工程とを有し、前記第２工程は、連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱した後、焼入れを行い溶体化処理する工程であって、前記溶体化処理後の連続鋳造圧延材を塑性加工する第３工程と、前記塑性加工後に人工時効処理する第４工程と、を有することを特徴としている。
【００１６】
【発明の効果】
【００１７】
請求項１の発明によれば、軽金属または軽金属合金の溶湯を上下一対のローラ間に注湯し、この溶湯を前記ローラによって圧下荷重を加えつつ圧延方向に板状の連続鋳造圧延材として押出す連続鋳造圧延装置において、圧延方向の上流側に配置された上流側ロールと、この上流側ロールより下流側に配置された下流側ロールと、溶湯の下側に配置されると共に下流側ロールに対向して位置し、且つ下流側ロールと共に溶湯に圧下荷重を加える単一の下側ロールとを備え、上流側ロールが下流側ロールよりも熱伝導率の高い材料にて形成され且つ下流側ロールと下側ロールが上流側ロールよりも強度の高い材料にて形成されたため、冷却速度の高速化と鋳造時の圧下荷重の増加との両立が可能となる。
【００１８】
つまり、前記相反する機能を夫々のロールに持たせることによって、熱伝導率の高い材料の上流側ロールによって鋳造組織を微細化し、上流側ロールよりも強度の高い材料にて形成された下流側ロールと下側ロールの高圧下荷重により、素材内部に加工歪を導入でき、再結晶温度以上の加熱を用いて再結晶組織の更なる微細化が可能となる。
【００１９】
しかも、冷却速度の高速化は生産性を向上することができ、また、鋳造時の圧下荷重の増加は部材の薄板化及び板厚の精度向上を図れることから適用部材の領域拡大を図ることができる。
また、溶湯の下側に配置されると共に前記下流側ロールに対向して位置し、且つ前記下流側ロールと共に溶湯に圧下荷重を加える単一の下側ロールを備え、この下側ロールは前記上流側ロールより強度の高い材料にて形成されるため、ロール数を減少することができ、構造の簡略化、及びロール駆動制御の容易化が図ることができる。
【００２０】
【００２１】
請求項２の発明によれば、下流側ロールの回転中心は前記下側ロールの回転中心を通る略鉛直面上に位置するため、連続鋳造圧延材に対して、容易に、且つ安定的に圧下荷重を付与することができる。
【００２２】
請求項３の発明によれば、請求項１に記載の連続鋳造圧延装置を用いて金属部材を製造する方法において、軽金属または軽金属合金の溶湯を連続鋳造圧延する第１工程と、この連続鋳造圧延の際、若しくは連続鋳造圧延後、この連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱する熱処理を行う第２工程と、を有するため、再結晶による機械的性質の向上が見込まれる。しかも、第２工程は、連続鋳造圧延材を再結晶温度以上に加熱した後、焼入れを行い溶体化処理する工程であって、溶体化処理後の連続鋳造圧延材を塑性加工する第３工程と、塑性加工後に人工時効処理する第４工程と、を有するため、溶体化処理に起因する連続鋳造圧延材の熱変形の問題を解決しつつ、塑性加工性と最終製品物性との両立が可能となる。
【００２３】
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施する為の最良の形態について説明する。
【実施例１】
【００２５】
図１（ａ）は本実施形態に係る塑性加工部材である６０００系Ａｌ合金で成形された車体部品１の側面図、（ｂ）は背面図である。この車体部品５０は自動車の車体下部の剛性を高めるため、フロア下に車体前後方向に延びて取付けられるシャシ部品である。車体部品５０の上下縁部は互いに反対向きに水平方向に略直角に折り曲げられている。尚、板厚は３ｍｍ以下とされている。
【００２６】
この車体部品１は、図２に示す各工程を経て製造される。まず、Ａｌの板材を連続鋳造圧延（ＣＣ）する。このＣＣ工程では、双ロール水平式連続鋳造圧延法により、Ａｌ合金を溶解して、３ｍｍ以下の板厚のＡｌ板材を製造する。
その後、図２に示すように、均質化処理、溶体化処理、塑性加工としてプレス成形、人工時効処理を経て最終成形品が形成される。
【００２７】
本車体部品５０で用いるＡｌ合金は、表１に成分組成範囲を示すように、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃｒ、Ｔｉを合金元素とし、これらの合金元素についてはＪＩＳ規格６０６１系合金と同様の組成範囲に設定している。
【００２８】
【表１】
0005212894.tif 000002
【００２９】
図３に示すように、本ＣＣ装置は、下側ロール１と、この下側ロール１の上側に配置される第１ロール２と第１ロール２の直下流に配置される第２ロール３とを有し、第１ロール２と第２ロール３とは下側ロール１とニップ４，５を介して対面している。下側ロール１と第２ロール３とは工具鋼製とされ、第１ロール２は熱伝導率の高い銅製である。
溶融されたＡｌ合金Ｍはるつぼ６からノズル７を介して、下側ロール１上に設置された桶８に移動後、第１ロール２と第２ロール３により圧下荷重を付加され、ガイドローラ９に案内されて次工程に進む。  
【００３０】
鋳造速度、セットバック、ロールギャツプ、溶湯温度及びノズル口高さ等の製造条件については、表２及び表３に示す通りである。  
第１ロール２と第２ロール３とは下側ロール１に対して進退可能に構成されており、この進退動作によって、第１、第２ニップ４，５を通過するＡｌ合金Ｍを圧延するための圧下荷重が制御されている。
第１ロール２による第１ニップ４での圧下荷重は０．１〜０．５ｋＮ／ｍｍ、凝固速度２０００℃／ｓｅｃ以上と設定されている。
【００３１】
【表２】
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【００３２】
また、第２ロール３による第２ニップ５での圧下荷重は１〜１５ｋＮ／ｍｍ、凝固速度１０００℃／ｓｅｃ以下に設定されている。
【００３３】
【表３】
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【００３４】
第１ロール２による第１ニップ４で、溶融されたＡｌ合金Ｍが急冷凝固され鋳造組織微細化が行われる。また、第２ロール３による第２ニップ５での圧延により、凝固したＡｌ合金Ｍ内部に加工歪が導入され、後述する熱処理工程時に再結晶粒の微細化が行われる。尚、前記圧延は初期溶湯温度及び第１ニップ４での鋳造条件、装置構造により熱間、冷間で実施可能であり、板厚の調整も可能である。尚、第１ロール２の材質としては、黄銅等銅合金、アルミ、Ａｌ合金の熱伝導率の高いものであれば適用可能である。また、第２ロール３の材質としては、強度の高いものであれば良く鋳鉄も適用可能である。
【００３５】
図４に示すように、ＣＣ工程を経たＡｌ合金板材に対して均質化処理としての加熱処理を行う。この加熱処理は、前記ＣＣ工程中にＡｌ合金板材に対して加えられた加工歪を低減するため、再結晶温度以上に加熱処理するものである。加熱処理条件は５００〜５６０℃で４〜１０時間である。尚、加工条件によっては、均質化処理処理を省略することも可能である。
【００３６】
加熱処理工程を経たＡｌ合金板材に対して溶体化処理を行う。この溶体化処理条件は、５００〜５５０℃で１時間以上である。その後、温水で焼入れする。尚、図４に示すように、加熱処理工程と溶体化処理工程とは、加熱温度を低下させずに連続して行うことができる。
【００３７】
この溶体化処理を経たＡｌ合金板材に対して、塑性加工としてプレス加工を施す。まず、図５に示すように、Ａｌ合金板材から車体部品１のブランクを打ち抜く。詳しくは、車体部品１の長手方向がＡｌ合金板材の圧延方向に沿うようにブランキングする。ここで、車体部品１の上下縁部の折曲ラインが板材の圧延方向に略沿うように延びることになる。一般に、ブランクを板材の圧延方向に沿う方向に折り曲げると、その曲げ部には割れや皺が発生し難くなる。そして、このように得られたブランクをプレス機にかけて、プレス加工を行う。
【００３８】
この塑性加工工程を経たＡｌ合金板材に対して、人工時効処理を施す。処理条件は、１７０〜２００℃で８〜１８時間程度である。人工時効処理によって、プレス加工前に行った溶体化処理によって強制的にＡｌ合金板材中に溶け込まされて過飽和状態となっている合金元素が本来の安定な状態に戻ることとなる。この結果、合金元素は所々において析出し、この析出によって転位が滑りを起こし難くなって、塑性加工された車体部品１の物性、特に強度が向上することになる。
【００３９】
以上のように、急冷凝固と圧下荷重付加との機能を夫々の第１ロール２と第２ロール３とに分けることによって、熱伝導率の高い材料の第１ロール２によって鋳造組織を微細化し、第１ロール２よりも強度の高い材料にて形成された第２ロール３の高い圧下荷重により、素材内部に加工歪を導入でき、再結晶温度以上の加熱により再結晶組織の更なる微細化が可能となる。しかも、冷却速度の高速化は生産性を向上することができ、また、鋳造時の圧下荷重の増加は部材の薄板化及び板厚の精度向上を図れることができ適用部材の領域拡大を図ることができる。
【００４０】
図７に基づき、参考技術を説明する。
実施例１との相違点は、下側ロール１が第１下側ロール１０と第２下側ロール１１との２つ設けた点である。尚、その他の符号は実施例１と同様である。
【００４１】
このＣＣ装置は、銅製の第１下側ロール１０と、この第１下側ロール１０の鉛直面上側に配置される銅製の第１ロール２と、第１下側ロール１０の直下流に配置される鋼製の第２下側ロール１１と、第２下側ロール１１の鉛直面上側に配置される鋼製の第２ロール３とを備え、るつぼ６、ノズル７、桶８、ガイドローラ９等については実施例１と同様である。
【００４２】
第１ロール２と第２ロール３とは第１下側ロール１０と第２下側ロール１１とに対して進退可能に構成されており、この進退動作によって、第１、第２ニップ４，５を通過するＡｌ合金板材を圧延するための圧下荷重が制御されている。第１ニップ４での圧下荷重は０．１〜０．５ｋＮ／ｍｍ、第２ニップ５での圧下荷重は１〜１５ｋＮ／ｍｍに設定されている。
【００４３】
以上の構成により、供給された溶湯は上下に配置される銅製の第１ロール２と第１下側ロール１０とによって挟み込まれる形になることから、大幅な急冷凝固の結果、鋳造組織の更なる微細化を図ることができる。また、第１下側ロール１０と第２下側ロール１１とは、第１ロール２と第２ロール３とに対して進退可能に構成することも可能である。
【実施例２】
【００４４】
図８に基づき、実施例２を説明する。
実施例１との相違点は、第１ロール２と第２ロール３との位置関係であり、その他の構成は同様である。
【００４５】
鋼製の第２ロール３の回転中心は鋼製の下側ロール１の回転中心を通る略鉛直面上に配置されており、銅製の第１ロール２は第２ロール３の上下方向下方に位置している。
この構成により、鋼製の第２ロール３からＡｌ合金板材に対して、容易に、且つ安定的に圧下荷重を付与することができる
【実施例３】
【００４６】
図９は、実施例３を示している。
実施例１との相違点は、第１ロール２と第２ロール３とを夫々２ロール計４ロール設けた点である。
この構成により、第１ロール２，２によって急冷することが可能となり、凝固特性が向上する。更に、第２ロール３，３によって圧下荷重付与が可能となることから、圧下荷重の増加及び付与形態を細分化することができ、一様で且つ確実な加工歪の導入ができる。
【００４７】
図１０〜図１３に基づいて、各種Ａｌ系合金に適した塑性加工前の熱処理条件について説明する。尚、６０００系Ａｌ合金（Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系）については、既に説明しているため、ここでの説明は省略する。
【００４８】
図１０に基づき、ＪＩＳ規格５０００系Ａｌ合金（Ａｌ−Ｍｇ系）における、塑性加工前の熱処理条件について説明する。
【００４９】
ＣＣ工程後、合金成分を均質化するため、再結晶温度以上に加熱する均質化処理を行う。この均質化処理は、４８０〜５４０℃で４〜１０時間である。その後、必要に応じて熱間乃至冷間で圧延を施し、Ａｌ合金板材全体が３４０℃以上になるまで加熱し、焼なまし後、プレス等塑性加工を行う。本Ａｌ合金板材は、塑性加工性に優れ、且つ３ｍｍ以下の薄板を作成できるため、均質化処理、圧延及び焼き戻しも省略可能である。
【００５０】
図１１に基づき、ＪＩＳ規格３０００系Ａｌ合金（Ａｌ−Ｍｎ系）における、塑性加工前の熱処理条件について説明する。
【００５１】
ＣＣ工程後、合金成分を均質化するため、再結晶温度以上に加熱する均質化処理を行う。この均質化処理は、５３０〜６１０℃で４〜２４時間である。その後、必要に応じて熱間乃至冷間で圧延を施し、Ａｌ合金板材全体が３４０℃以上になるまで加熱し、焼なまし後、プレス等塑性加工を行う。本Ａｌ合金板材は、塑性加工性に優れ、且つ３ｍｍ以下の薄板を作成できるため、均質化処理、圧延及び焼き戻しも省略可能である。
【００５２】
図１２に基づき、ＪＩＳ規格１０００系Ａｌ（純Ａｌ系）における、塑性加工前の熱処理条件について説明する。
【００５３】
ＣＣ工程後、合金成分を均質化するため、再結晶温度以上に加熱する均質化処理を行う。この均質化処理は、５００〜５６０℃で１〜１０時間である。その後、必要に応じて熱間乃至冷間で圧延を施し、Ａｌ板材全体が３４０℃以上になるまで加熱し、焼なまし後、プレス等塑性加工を行う。本Ａｌ合金板材は、塑性加工性に優れ、且つ３ｍｍ以下の薄板を作成できるため、均質化処理、圧延及び焼き戻しも省略可能である。
【００５４】
図１３に基づき、ＪＩＳ規格ＡＺ系Ｍｇ合金（Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系）における、塑性加工前の熱処理条件について説明する。
【００５５】
ＣＣ工程後、必要に応じて熱間で圧延を施し、Ｍｇ合金板材全体が１００〜２００℃以上になるまで加熱し、焼なまし後、プレス等塑性加工を行う。本Ｍｇ合金板材は、塑性加工性に優れ、且つ３ｍｍ以下の薄板を作成できるため、圧延及び焼き戻しも省略可能である。
【００５６】
以上の構成により、金属組織を微細化、及び素材内部に加工歪を導入でき、再結晶温度以上の加熱により再結晶組織の更なる微細化が可能となる。しかも、冷却速度の高速化により生産性を向上することができ、また、鋳造時の圧下荷重の増加により部材の薄板化及び板厚の精度向上を図ることができる。
【００５７】
その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の最良の実施形態における車体部品を示す図であって、（ａ）は側面図、（ｂ）は背面図である。
【図２】前記車体部品の製造方法を示す工程図である。
【図３】実施例１に係る連続鋳造圧延装置を示す図である。
【図４】前記実施形態における溶体化処理条件を示すタイムチャートである。
【図５】前記実施形態における塑性加工工程の説明図である。
【図６】前記実施形態における人工時効処理条件を示すタイムチャートである。
【図７】参考技術に係る連続鋳造圧延装置を示す図である。
【図８】実施例２に係る連続鋳造圧延装置を示す図である。
【図９】実施例３に係る連続鋳造圧延装置を示す図である。
【図１０】５０００系Ａｌ合金における、塑性加工前の製造方法を示す工程図である。
【図１１】３０００系Ａｌ合金における、塑性加工前の製造方法を示す工程図である。
【図１２】１０００系Ａｌにおける、塑性加工前の製造方法を示す工程図である。
【図１３】ＡＺ系Ｍｇ合金における、塑性加工前の製造方法を示す工程図である。
【図１４】ＤＣ法とＣＣ法との違いを説明する概略工程図である。
【図１５】双ロール水平式連続鋳造圧延法の説明図である。
【符号の説明】
【００５９】
Ｍ      Ａｌ合金
１      下側ロール
２      上流側ロール
３      下流側ロール
４      第１ニップ
５      第２ニップ
５０    車体部品
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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