(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流動粒子加熱型の高速熱処理炉を用いて、鋳造した鋳物の溶体化処理及び、人工時効処理を行うＪＩＳ−ＡＣ４Ｃに相当するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金の熱処理方法において、
前記溶体化処理は、溶体化処理温度を５２０℃〜５５０℃に設定し、
溶体化処理時間は、前記溶体化処理温度が５２０℃〜５３０℃では３５分〜６０分間、前記溶体化処理温度が５３０℃〜５５０℃では２５分〜６０分間に設定し、
前記人工時効処理は、人工時効処理温度を２００℃〜２３０℃に設定し、人工時効処理時間は、前記人工時効処理温度が２００℃〜２１０℃では２０分〜６０分間、
前記人工時効処理温度が２１０℃〜２２０℃では１０分〜４０分間、前記人工時効処理温度が２２０℃〜２３０℃では１０分〜１５分間に設定することを特徴とするアルミニウム合金の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系（ＪＩＳ規格のＡＣ４Ｃ等）のアルミニウム合金のＴ６熱処理に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金製の鋳造品は、鋳造後に機械的性質（引っ張り強度、０．２％耐力等）を改善するために、熱処理を行うことが望ましい。例えば、Ａｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金では、共晶点より５７℃低い温度、すなわち５２０℃程度で５〜６時間以上保持した後に急冷する溶体化処理を行い、次いで２００℃以下で４〜１０時間保持する人工時効処理を行うＴ６熱処理を行っている。
【０００３】
しかし、この方法では、溶体化処理、人工時効処理ともに長時間を必要とするから、生産性が低いとともに、エネルギー消費量が大きいという問題点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記問題を解決するために、特開平７―３１０１５０には、溶体化処理を簡素化する技術が記載されている。すなわち、溶体化処理温度をＡｌ―Ｓｉ系合金の共晶点５７７℃近傍の５５７℃〜５７０℃程度に急速に昇温した後に急冷することで、約１時間以内で溶体化処理が可能になるというものである。しかし、実用面を考慮すると、溶体化処理温度は、５５０℃以下にしておかないと鋳物のバーニング（局部溶解）が起きる可能性がある。また、人工時効処理については、上述の従来技術と変わらないので、Ｔ６処理全体で考えると、５時間程度必要であり、やはり生産性は低い。
【０００５】
また、特開平９―２２８０１０には、溶体化処理を省くために鋳物を型から取り出した直後（鋳物温度が４００℃〜４７０℃のとき）に直接焼入れをしてから人工時効処理を行う熱処理方法が記載されている。この方法によれば、最短２時間程度で熱処理を行うことができるので、生産性についてはかなり高いといえるが、焼入れ直前の鋳物温度がばらつくと、機械的性質もばらつくという工程管理上の問題がある。
【０００６】
本発明は、上記不具合を解決したものであり、アルミニウム合金製の鋳造品の機械的性質を向上させるための熱処理において、機械的性質の安定性を確保しつつ熱処理時間を大幅に短縮し、生産性の向上、エネルギー消費量削減を図り、製品のコストダウンを可能にする熱処理方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、流動粒子加熱型の高速熱処理炉を用いて、鋳造した鋳物の溶体化処理及び、人工時効処理を行うＪＩＳ−ＡＣ４Ｃに相当するＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系のアルミニウム合金の熱処理方法において、前記溶体化処理は、溶体化処理温度を５２０℃〜５５０℃に設定し、溶体化処理時間は、前記溶体化処理温度が５２０℃〜５３０℃では３５分〜６０分間、前記溶体化処理温度が５３０℃〜５５０℃では２５分〜６０分間に設定し、前記人工時効処理は、人工時効処理温度を２００℃〜２３０℃に設定し、人工時効処理時間は、前記人工時効処理温度が２００℃〜２１０℃では２０分〜６０分間、前記人工時効処理温度が２１０℃〜２２０℃では１０分〜４０分間、前記人工時効処理温度が２２０℃〜２３０℃では１０分〜１５分間に設定することを特徴とする。
【０００８】
熱処理炉を、従来の雰囲気加熱型のものに比して、鋳物の昇温速度が５〜１０倍である流動粒子加熱型等の高速熱処理炉のものに変更することで、鋳物の昇温にかかる時間を短縮することができるとともに、溶体化処理時間及び人工時効処理時間を大幅に短縮しても、従来の熱処理条件を行った場合と同等の機械的性質を有するアルミニウム合金鋳物を製造することができるものである。
【００１０】
このような熱処理条件にて、流動粒子加熱型等の高速熱処理炉を用いて、溶体化処理及び、人工時効処理を行うことにより、さらに確実に、安定した機械的性質を有するアルミニウム合金鋳物を短時間にて製造することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【００１２】
ＪＩＳ規格ＡＣ４Ｃ合金に近い組成のＡｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金を鋳造し、試料を切り出し、各種の温度と時間にて溶体化処理をした後、水焼入れを実施し、その後、各種の温度と時間にて人工時効処理を行った。このように熱処理を行った後、試料の硬度を測定した。
【００１３】
図５は、今回試験を行った熱処理条件の一覧である。ここで、溶体化処理時間は、試料を炉内に挿入した直後から、試料を炉から取り出し水焼入れを行うまでの時間とする（すなわち、試料の昇温時間も溶体化処理時間に含まれることになる。）。同様に、人工時効処理時間も、試料を炉内に挿入した直後から、炉から取り出すまでの時間とする（試料の昇温時間を含む。）。尚、本試験に使用した試料の化学組成は、図６に示す通りであった。
【００１４】
図１は、図５において、試験条件１〜４において処理時間を横軸に取った場合の試料の硬度を測定した結果である。図５に示すように、試験条件１〜４は、溶体化処理の温度の影響のみを把握するため、人工時効処理は、従来の処理条件（雰囲気加熱型の炉にて１７０℃×３００分）に固定して行った。溶体化処理は、本発明に係る流動粒子加熱型の炉を用いて行い、処理温度の影響を把握するため処理温度を５２０℃〜５５０℃まで１０℃きざみで変化させている。
【００１５】
図１の結果より、条件１、すなわち溶体化処理温度が５２０℃のときは２５分以上、条件２〜条件４、すなわち溶体化処理温度が５３０℃〜５５０℃のときは１５分以上処理を行えば、従来条件（条件１３）にて処理した場合と同等以上の硬度が得られることが分かる。ただし、試料内部の昇温時間も考慮すると、さらに１０分の余裕をとり、５２０℃では、３５分以上、５３０℃〜５５０℃では、２５分以上処理を行うことが望ましい。
【００１６】
以上の結果は、Ａｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金の析出硬化相であるＭｇ２Ｓｉが、温度が高い方が早く固溶するため、溶体化温度を高くすることで短時間で鋳物の溶体化を完了させることができる事を示している。これらの実験結果より、昇温速度の速い流動粒子加熱型の炉を用い、処理温度を５２０℃以上にすることにより、溶体化処理時間（昇温時間を含む）を、従来の５〜６時間から最短で２５分にまで短縮可能であることが分かる。
【００１７】
次に、図２は、図５において、試験条件５〜１２において処理時間を横軸に取った場合の試料の硬度を測定した結果である。図５に示すように、試験条件５〜１２は、人工時効処理の温度の影響のみを把握するため、溶体化処理は、図１の結果良好であった一条件（流動粒子加熱型の炉にて５４０℃×２５分）に固定して行った。人工時効処理は、本発明に係る流動粒子加熱型の炉を用いて行い、処理温度の影響を把握するため処理温度を１７０℃〜２４０℃まで１０℃きざみで変化させている。
【００１８】
図２の結果より、条件８〜条件９、すなわち人工時効処理温度が２００℃〜２１０℃のときは２０〜６０分、条件１０、すなわち人工時効処理温度が２２０℃のときは１０〜４０分、条件１１、すなわち人工時効処理温度が２３０℃のときは１０〜１５分の間処理を行えば、従来条件（条件１３）にて処理した場合と同等の硬度が得られることが分かる。
【００１９】
以上の結果によると、低温側にて処理すると硬度の最大値は高くなるが、最大値に到達するまでの時間は長くなり、逆に、高温側にて処理すると硬度の最大値に到達するまでの時間は短くなるが、硬度の最大値が低くなってしまうという傾向がある。この傾向は、一般的に知られている傾向を一致するものである。これらの実験結果より、昇温速度の速い流動粒子加熱型等の炉を用い、処理温度を２２０℃〜２３０℃にすることにより、人工時効処理時間（昇温時間を含む）を、従来の４〜１０時間から最短で１０分にまで短縮可能であることが分かる。
【００２０】
図３及び図４は、以上の結果を踏まえて、結果が良好であった一条件（溶体化処理が５４０℃×２５分、人工時効処理が２２０℃×２５分に固定）にて、流動粒子加熱型の炉を用いて熱処理を行った鋳物において、引っ張り強度と０．２％耐力を測定し、従来条件（条件１３）にて処理した場合のものとの比較を行った結果（ｎ＝５づつ）を示す。
【００２１】
この結果より、本発明に係る流動粒子加熱型等の炉にて所定条件下にて処理した鋳物は、従来条件にて処理した鋳物に比して、引っ張り強度、０．２耐力及びこれらのばらつき共に、同等であると判断することができる。尚、試料の化学組成は、図７に示す通りであった。
【００２２】
以上をまとめると、本発明の高速熱処理条件における最適範囲は、図８に示す通りである。
【００２３】
まず、溶体化処理の処理条件について説明する。処理温度を５２０℃以上としたのは、以下の理由による。すなわち、本発明は生産性向上等が目的であり、処理時間をあまり長時間とすると本発明の優位性を喪失してしまうので、本発明においては、溶体化処理時間及び人工時効処理時間共に、６０分以内を想定しているところ、溶体化処理は、５２０℃未満では時効硬化反応（Ａｌ―Ｓｉ―Ｍｇ系合金においてはＭｇ２Ｓｉの析出反応）を起こすために必要な過飽和固溶体が６０分以内では得られず、従来条件にて処理したものに比して機械的性質が劣ってしまうからである。また、処理温度を５５０℃以下としたのは、前述したように、５５０℃以上では、鋳物のバーニングが発生する可能性があるからである。処理時間については、５２０℃では３５分以上、５３０℃〜５５０℃では２５分以上としたのは、それ未満の処理時間では、十分な過飽和固溶体が得られない場合があり、試料ごと、あるいは試料の部位ごとで機械的性質のばらつきが大きくなってしまうからである。処理時間を６０分以内としたのは、上述した生産性の観点からである。
【００２４】
次に、人工時効処理の処理条件について説明する。人工時効処理中の時効析出過程は、過飽和固溶体→中間相→安定相となっており、このうち、合金の強度向上に最も寄与する硬化析出相は中間相であり、中間相の析出形態は微細で均一な方が強度は高くなるものである。図８において、人工時効処理温度を２００℃〜２３０℃としたのは、２００℃未満では、６０分以内では時効硬化反応（Ｍｇ２Ｓｉの析出反応）が十分に進行しない、すなわち中間相の析出が十分ではないので、従来条件にて処理した場合と同等の機械的性質が得られないからであり、また、２３０℃を超えると、中間相が粗大化したり、安定相が析出して（いわゆる過時効状態）強度が低下するためである。また、処理時間について図８に示す範囲に設定したのは、各処理温度において図８に示す最短時間未満では、中間相の析出が不十分になったり、不均一になる場合があるからであり、また、各処理温度において図８に示す最長時間を超えると、高温側（２２０℃及び２３０℃）では前述の過時効状態となるからであり、低温側（２００℃及び２１０℃）では前述のように生産性（処理時間６０分以下を想定）を考慮したからである。
【００２５】
このように、本発明によれば、溶体化処理については昇温も含めて最短で２５分、人工時効処理は昇温も含めて最短で１０分という短時間にて、従来の熱処理条件を行った場合と同等の機械的性質を有するアルミニウム合金鋳物を製造することができる。すなわち、鋳物の熱処理に要する時間が、従来の１０時間程度から最短で約４０分にまで短縮することができる。また、鋳造後直接焼入れるのではなく溶体化処理を行うので、鋳物の取り出し温度がばらついても、熱処理後の機械的性質は安定したものになるのである。
【００２６】
以上、本発明を上記実施の態様に即して説明したが、本発明は上記態様に限定されるものではなく、本発明の原理に準ずる各種態様を含むものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、アルミニウム合金製の鋳造品の機械的性質を向上させるための熱処理において、機械的性質の安定性を確保しつつ熱処理時間を大幅に短縮し、生産性の向上、エネルギー消費量削減を図り、製品のコストダウンを可能にする熱処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における溶体化処理条件と鋳物の硬度との関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態における人工時効処理条件と鋳物の硬度との関係を示す図である。
【図３】本発明条件と従来条件にて熱処理した場合の鋳物の引っ張り強度を示す図である。
【図４】本発明条件と従来条件にて熱処理した場合の鋳物の０．２％耐力を示す図である。
【図５】試験を行った熱処理条件の一覧表である。
【図６】図１及び図２に示す試験を行った際の試料の化学組成を示す表である。
【図７】図３及び図４に示す試験を行った際の試料の化学組成を示す表である。
【図８】本発明の高速熱処理条件における最適範囲を示す表である。
【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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