JP6985269B2 - シート材料からコンポーネントを成形する方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンポーネントを成形する、より詳細には合金のシート金属からダイ・プロセスにおいてコンポーネントを成形する改善された方法に関する。本方法は、既知の技法を使っては簡単には成形できない複雑な形状をもつ成形コンポーネントの成形に特に好適である。

自動車の環境性能を改善するために、自動車OEMは、成形されたコンポーネントのために軽量合金に向けて移行しつつある。伝統的に、使用される合金の強度と合金の成形しやすさとの間にはかなりのトレードオフがあった。しかしながら、HFQ（登録商標）のような新たな成形技法は、より複雑な部品が、2xxx、5xxx、6xxxおよび7xxxシリーズのアルミニウム（Al）合金のような高強度軽量合金等級から成形されることを可能にした。

時効硬化するAl合金シート・コンポーネントは通常、T4条件（固溶化熱処理され、急冷される）とそれに続く人工時効による強度向上またはT6条件（固溶化熱処理され、急冷され、人工時効される）のいずれかで冷間成形される。いずれの条件もスプリングバックおよび低い成形性といった、解決が難しいいくつかの内在的な問題を導入する。同様の欠点は、マグネシウムおよびその合金のような他の材料からのコンポーネントの成形の間にも経験されうる。これらの伝統的な冷間成形プロセスでは、成形性が、成形速度に反比例して改善されることがしばしばである。この帰結をもたらしうる二つの機構は：より低い変形速度における改善された材料延性と、より低速での改善された潤滑である。

人工時効が成形プロセス後に実行される通常の技法の欠点は、時効プロセス・パラメータが、部品のすべての位置について同時に最適化できないということである。時効の機構は、加えられる変形の量に関係しており、それは成形されるコンポーネントにわたって一様ではない。その影響で、成形されるコンポーネントの諸領域または諸部分が最適でないことがありうる、ということになる。

これらの欠点を克服しようとする努力において、さまざまな努力がなされ、特定の型のコンポーネントを成形することにおける特定の問題を克服するために特殊なプロセスが発明されてきた。

一つのそのような技法は、本願の発明者の先願である特許文献１によって記述される固溶化熱処理（Solution Heat Treatment）、成形（forming）および冷間ダイ急冷（quenching）（HFQ（登録商標））を利用する。このプロセスでは、Al合金ブランクが固溶化熱処理され、急速に一組の冷金型に移送され、該冷金型がすぐに閉じられて整形されたコンポーネントを成形する。成形されたコンポーネントは、成形されたコンポーネントの冷却の間、冷金型において保持される。

HFQ（登録商標）成形では、伝統的な冷間成形の論理的なプロセスを逆にする必要がある。高温（一般に融点の約0.6倍と考えられる）では、ひずみ硬化は非常に低く、よって変形は局在化する傾向があり、材料の延性は高くても、低い成形性につながる。これに対抗するため、HFQ（登録商標）は、金型を通じた材料の流れを助ける高い変形率での材料の粘塑性硬化を利用する。このようにして、成形速度の上昇とともに成形性が改善される。

望ましくないことに、同じ機構によって、短縮された成形時間のため、成形の間に起こる転位アニーリング（回復）も低減する。これは、部品を通じたばらばらな時効機構につながる。

転位アニーリング（dislocation annealing）の機構は時に、転位の静的な回復（recovery）と称される。所与の金属合金について、静的な回復のレートは、温度および転位密度の関数である。転位回復レートは、温度の上昇および転位密度の上昇とともに高くなる。

初期の高い転位密度をもつ微視的構造は、高い初期の回復レートをもち、転位密度が低下するにつれて、転位回復のレートも低下する。

6082のような6xxx合金については、Al-Si-Mg合金についての析出序列応答はMg2Si析出物に基づき、次の段階によって表わされることが広く受け入れられている：
SSS→GPゾーン→β″→β′→β
ここで、SSSは過飽和固溶体（supersaturated solid solution）を表わし、GPゾーンはギニエ・プレストン・ゾーン（Guinier-Preston zones）であり、β″、β′は準安定相であり、βは平衡相である。

同様のプロセスが7xxx合金において見られるが、7xxxシリーズ内では析出物の化学は合金間で変わる。

例として、7xxx合金についての二つの可能な析出は次のとおり：
SSS→GPゾーン→η′→η
→T′→T
ここで、SSSは過飽和固溶体を表わし、GPゾーンはギニエ・プレストン・ゾーンであり、η′、T′は準安定相であり、η、Tは平衡相である。これらが例であり、他の望ましくないものが析出することがあることは理解されるであろう。

固溶化熱処理からの急冷時には、準安定なプライム付きの析出相や安定な析出相が形成されないことを保証することが望ましい。こうした析出物は、その後の時効硬化の間に最も望ましい硬化した微視的構造を析出するために利用可能な過飽和の合金成分を減らしてしまうからである。

実際上、さまざまな合金についての時間‐温度‐析出（TTP: time-temperature-precipitation）曲線が、作成される、あるいは文献から同定されることができる。これらは、望まれない析出相が形成される点の軌跡を示すような、あるいは最終的な機械的特性が不完全な急冷によって影響される点の軌跡を示すようなフォーマットにされてもよい。いずれの表現も、合金の急冷感度を決定するために使用されうる。後者は、最終的な巨視的な機械的特性に基づき、前者は、微視的構造の試験に基づく。

急冷効率は、達成される機械的特性を、無限に速い急冷の場合と比較した割合として定義されうる。7075合金の典型的なグラフ表現が本願に添付された図面の図１３に示されており、99.5%を超える効果的急冷につながる時間‐温度‐析出エリアとSHTからの急冷の間に浸食される場合に0.5%超の時効効果応答の低下につながる時間‐温度‐析出エリアとの間の分かれ目がどこにあるかを示している。この図はまた、70%を超える急冷効率を達成する場合について分かれ目がどこにあるかも示している。この図は、非特許文献１の文献データから構築されたものであり、単に例示のために使われる。

国際公開第2008/059242

J. Robinson et al, MaterCharact, 65:73-85, 2012

従来技術の問題の少なくとも一つを緩和または軽減する、あるいは有用な代替を提供する、金属コンポーネントを成形するためのプロセスを提供することが本発明のねらいである。

本発明によれば、少なくとも析出する硬化相の固溶相線（Solvus）温度および固相線（Solidus）温度をもつ材料の合金シートからコンポーネントを成形する方法が提供される。本方法は：
ａ．シートをその固溶相線温度より上まで加熱する段階と；
ｂ．ダイ・プレスのマッチした金型の間で加熱されたシートを成形することを開始し、シートの平均温度が第一の所定のレートAで低下することを許容しつつ塑性変形によって最終形状に向けて成形する段階と；
ｃ．前記最終形状を達成する前に、所定の第一の中断期間P1にわたってシートの前記成形を中断し；該中断の間、転位の低減を許容するために、低減された変形でまたは変形なしで材料の前記シートを保持し、シートの平均温度が前記第一の所定のレート以下の第二の所定のレートBで低下することを許容する段階と；
ｄ．シートが前記第二のレートBより大きな第三のレートCで冷却することを許容しつつ、加熱されたシートの前記最終形状への成形を完了する段階とを含む。

段階（ａ）の間に、シート材料はその固溶化熱処理温度範囲内まで加熱されてもよい。

シート材料は、初期の成形段階（ｂ）の間にその最終形状の少なくとも50%まで成形されてもよい。あるいはまた、シート材料は、初期の成形段階（ｂ）の間にその最終形状の少なくとも90%まで成形されてもよい。

本方法は、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含んでいてもよい。あるいはまた、本方法は、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、複数のさらなる中断期間PXを含んでいてもよい。

段階（ｄ）における成形の完了時に、シート金属は、完成コンポーネント４０の温度をさらに下げるために、マッチした金型の間で負荷の下に保持されてもよい。

本方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含むとき、前記一つまたは複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型をその位置に保持する段階を含んでいてもよい。あるいはまた、本方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含むとき、前記一つまたは複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を逆行させる段階を含んでいてもよい。さらなる代替では、本方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含むとき、前記または複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を保持し、逆行させる段階を含んでいてもよい。

本方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含むとき、本方法は、過飽和の固溶体から望ましくない析出物が析出する前に、該中断期間（単数または複数）を終わらせる段階を含んでいてもよい。

シートの温度は、段階（ｂ）の中断の間、350°Cから500°Cの間の温度に維持されてもよい。あるいはまた、シートの温度は、段階（ｂ）の中断の間、250°Cより上に維持されてもよい。

マッチした金型は、中断段階（ｂ）の間、−5°Cから＋120°Cの間の温度に維持されてもよい。

中断段階は、望まれない相の析出を避けつつ、転位密度が低減されることを保証するよう、ある時間にわたって維持されてもよい。

成形される合金は、アルミニウム合金を含んでいてもよい。そのような合金は、2xxx、6xxxまたは7xxx合金からなるまたはそれらを含むリストから選択されてもよい。合金は、たとえばAZ91のようなマグネシウム合金であってもよい。

ある構成では、シートは、中断の間、変形なしに保持される。

本方法は、固溶化熱処理が完了するまで、金属シート・ブランクを固溶化熱処理の温度範囲内に維持する段階を含んでいてもよい。

ある個別的な例では、ブランクは、7075合金について典型的である470°Cから490°Cの間まで加熱されてもよい。もう一つの例では、ブランクは、6082合金に典型的である525°Cから560°Cの間まで加熱されてもよい。

本方法は、段階（ｄ）の完了後に、マッチした金型の間に完成したコンポーネントを保持する段階をも含んでいてもよい。

本発明の実施形態について、これから例として、付属の図面を参照して記述する。
通常のプロセスに基づく動作プロファイルを示す流れ図である。 本発明の実施形態に基づく流れ図である。 Ａ〜Ｄは、本発明の実施形態に基づく動作プロファイルを示す図である。 本発明のある側面の成形プロセスにおいて使われるマッチした金型の可動部分についての典型的な位置対時間プロファイルを示す図である。 熱‐機械結合の有限要素シミュレーション・モデルを示す図である。 本稿でのちに論じるシミュレーション結果を示す図である。 本稿でのちに論じるシミュレーション結果を示す図である。 本稿でのちに論じるシミュレーション結果を示す図である。 温度降下に対するアニーリング・レートのグラフ表現である。 三つの成形条件（一つが本発明に関係）のもとでの材料変形応力の間の差を示す図である。 三つの成形条件（一つが本発明に関係）のもとでの材料変形応力の間の差を示す図である。 本発明によって採用される冷却プロファイルの図的な表現である。Lは、望まれない析出物が発生する時間‐温度‐析出点の軌跡を示す。 7075合金についてのTTP図である。 本発明の方法によって使用されうるプレスの図的な表現であり、開いたポジションおよび閉じたポジションでの該プレスを示している。

図１は、金属シート・ブランクからコンポーネントを成形するための通常のプレス工程を示している。第一段階は、シートを少なくともその固溶相線温度まで、たとえばオーブンまたは加熱ステーションにおいて加熱することを含む。固溶相線温度は、成形される特定の金属または合金の内在的な特性である。シート・ブランクは次いで、液圧プレスのようなプレスに移送される。プレス閉鎖が開始され、マッチした金型がシートをプレスして、コンポーネントをワンステップでその最終形状に成形する。コンポーネントは冷金型において、負荷の下で急冷され、所望のレベルの硬化を得るようオーブンにおいて時効硬化される。最終製品は次いで、冷却され、使用されることができる。この構成は複雑な形状を成形することができるものの、複雑な形状の完全な最終形状が急速に得られるので、冷金型の間でのその後の急冷段階は、所望されるよりも低い転位回復につながることがあり、所望される材料特性が達成されない。

本発明は、図２の工程を採用することにより、図１の従来技術の構成の欠点を軽減し、可能性としては解消することをねらいとする。本願の工程は、従来技術のプロセス段階のいくつかを共有するが、最終コンポーネントの材料特性を向上させるために使われる中断段階を導入する。

ここで特に図２を参照するに、たとえば合金シートの金属シートまたはブランク１０が、その固溶相線温度まで、または固溶相線温度より上まで、好ましくはその固溶化熱処理温度範囲内まで、オーブン２０において加熱され、その後、プレス３０に移され、冷却されたマッチした金型３２、３４の間に挿入される。マッチした金型３２、３４は、図１の通常の工程と同様に、所望されるコンポーネント４０の形状に合うように形作られている。プレスは、本発明によれば、金属シート・ブランク１０の成形を開始するよう第一の所定のレートAでプレス金型どうしを近づけるよう操作されるが、成形段階の完了前に、プレス３０は中断され、マッチした金型３２、３４は、可能性としては初期位置とコンポーネントの成形が完了する最終位置との間の途中で引き戻されて、位置を保持される。この中断段階およびそれに関連する利点は、本稿でのちにより詳細に論じるが、中断が短い期間の間、成形負荷を軽減し、可能性としてはなくすことは理解されるであろう。中断段階完了後、プレス３０は再開され、マッチした金型３２、３４はその最終位置まで閉鎖し、コンポーネントの成形を完了する。通常の工程と同様に、今や完全に成形されたコンポーネント４０は、次いで、今や成形されたコンポーネントを急冷するために、マッチした冷金型３２、３４の間に保持される。その後の時効効果段階は、従来技術と同様にオーブンにおいて実行される。

図１２は、上記のプロセスをより詳細に示しており、それから、シート３０がその固溶相線温度より上まで加熱され、その後、マッチした金型３２、３４の間に置かれて、シートの平均温度が第一の所定のレートAで低下することを惹起または許容しつつ、マッチした金型３２、３４を第一のレートで互いに近づけていくことによって成形が開始されることが理解されるであろう。中断段階は、シート３０の平均温度が所定のレートA以下であってもよい第二の所定のレートBで低下することを許容しつつ、シート３０が保持され、低減した変形が起こるまたは変形が起こらないことを許容する。この中断段階を設けることによって、本発明は、成形されるコンポーネントの最終的な物質特性のある程度の管理を提供できる。ひとたび中断が完了したら、プレス工程が再開され、シートが前記第二のレートBより大きな第三のレートCで冷却することを惹起または許容しつつ、加熱されたシートは最終形状に成形される。

これらの成形段階がシート・ブランクの塑性変形を生じることは理解されるであろう。該塑性変形は、転位の形成によって、微視的構造レベルでほぼ受け入れられる。転位は、塑性ひずみに起因して形成され、動的および静的な回復機構に起因して回復させられる。

転位の静的な回復は、時間依存の機構である。したがって、中断段階の間、材料をほとんどまたは全く変形なしで保持することによって、転位密度が低減できる。しかしながら、静的な回復は温度依存のプロセスでもあり、高温で最も速く進行する。よって、転位の最大の低減を許容するためには、シート・ブランクを合理的に可能である限り高い温度に維持することが望ましい。

上記に鑑み、初期の成形段階（ｂ）においてコンポーネントを、その最終形状の少なくとも50%、好ましくは少なくとも90%まで成形することが好ましい。それにより、シートがいまだ比較的高い平均温度にある間に、中断が生起できる。平均温度は変動しうるので、シートが少なくとも250°Cより上に、好ましくは350°Cから500°Cの間の温度に維持されるべきであることが見出された。ある個別的な例では、ブランクは470°Cから490°Cの間まで加熱される（7075合金）。別の例では、ブランクは525°Cから560°Cの間まで加熱される（6082合金で典型的）。

アルミニウムの温度は固溶相線温度より下に降下する際、微視的構造が、過飽和固溶体として知られる不安定状態にはいる。この条件では、硬化相を形成する原因となる合金元素が析出しはじめる。成形段階の間に析出が起これば、析出物は正しい仕方で形成されず、このことは最終的な材料に悪影響を与える。したがって、転位回復が過飽和固溶体からの望ましくない析出よりも実質的に速く生起することを保証するよう、転位回復の段階（単数または複数）が十分高い温度で行なわれることが有益である。

中断（ｃ）の間の冷却レートを低下させるために、マッチした金型３２、３４の一方または両方がシート１０から遠ざけられてもよい。シート温度が部分的または完全に平衡に達することを許容するためである。これは、成形されているコンポーネントの全体的な冷却レートをも低下させる。相対的に冷たいマッチした金型３２、３４の冷却レートに対する影響が少なくなり、よって、合金元素の析出を最小限にしつつ、転位が低減される最大可能な時間を許すことになる。

成形段階の間、材料は、相対的に冷たいマッチした金型３２、３４と、変化する接触状態にある。これは、シートおよびマッチした金型３２、３４両方においてクールスポットおよびホットスポットがある、シートを通じた熱プロファイルを与えることがある。結果として、シート・ブランクの冷たい部分は、より熱い部分よりも、ゆっくり回復する。この問題も、マッチした金型３２、３４をシートから離すまたは遠ざける、あるいは圧力を減らすことで任意の中断の間の熱的接触を減らすことによって、いくらか克服されうる。

上記の中断は、複数段階で実行されることができる。コンポーネントの諸部分を逐次的に成形し、シート・ブランク１０の平均温度が降下するのが速すぎることなく転位が低減することを許容するためである。ここで、時間（x軸）に対してラム（ram）変位（y軸）を示す一連の動作プロファイルを示す図３のＡ〜Ｄを参照して、いくつかの可能な動作プロファイルを記述する。

図３のＡが示す第一のプロファイルは、マッチした金型３２、３４が近づけられる第一のプレス段階１１０と、金型が位置を保持される第一の中断段階１１２と、金型がその最終位置まで閉じられてコンポーネントが完全に成形される第二のプレス段階１１４をもつ。

図３のＢが示す第二のプロファイルは、第一および第二のプレス段階１１２、１１４と、金型が逆行させられる第二の中断段階１１６とをもつ。中断段階１１６では、金型の一つまたは複数が、もはや成形されているシート・ブランクに接触しなくなるよう、動かされてもよい。

図３のＣが示す第三のプロファイルは、第一および第二のプレス段階１１２、１１４と、第三の中断段階１１８とをもつ。第三の中断段階１１８の間、金型はまず逆行させられ（すなわち、相対的に離される）、次いでその位置に保持されるので、第三の中断段階１１８は、複合中断段階と記述されてもよい。第四のプロファイルが破線で示されている。これは、金型がまずその位置に保持され、逆行させられ、次いで、第二のプレス段階１４が実行される前に再びその位置に保持される第四の中断段階１１９（やはり複合中断段階）を示している。第三および第四の中断段階１１８、１１９は単に例示的実施形態であって、中断が金型の位置を保持することと金型を互いに離れるよう逆行させることとの任意の組み合わせを含みうることが期待される。

図３のＤが示す第五のプロファイルは、第一のプレス段階１１０と；それに続く第一の中断段階１２０および次いで第二のプレス段階１２２と、それに続く第二の中断段階１２４と、次いで最終プレス段階１２６とを有する。第一の中断段階１２０の間、金型は位置を保持されるが、第二の中断段階１２４の間は、金型は逆行させられる。第二のプレス段階１２２は第一または最終プレス段階１１０、１２６よりも、ずっと遅いレートで実行される（すなわち、よりゆるやかな線）。

図３のＡ〜Ｄは、本発明に従ってコンポーネントを成形する潜在的な方法を示す例示的なプロファイルとして意図されている。成形されるコンポーネントの形およびコンポーネントが作られるもとになる金属または合金の特性に依存して、図３のＡ〜Ｄにおける中断段階の多くの組み合わせが可能であり、望ましいことが構想されている。たとえば、プロセスは、複数の中断段階を含んでいてもよく、そのそれぞれが図３のＣに示されるような複合中断段階であってもよい。第一および第二のプレス段階ならびに中断の回数に依存して任意的には任意の追加的なプレス段階は、成形されるコンポーネントについての要件に依存して、みな異なる速度で実行されてもよい。各プレス段階の速度が互いに異なっていてもよいことも理解されるであろう。たとえば、第一または早期のプレス段階は、その後のプレス段階より速くてもよい。さらに、中断は異なる継続時間であってもよく、金型３２、３４は各中断の間に、負荷を除かれたり、あるいは逆行させられたりしてもしなくてもよい。

どの成形プロファイルを使うかは、成形されるコンポーネントおよび使用される金属の特性に依存する。たとえば、シート・ブランクを通じての温度降下がラムの変位に依存して変動するので、成形を複数回中断する（複数の中断段階をもつ）ことが有利であることがありうる。シート・ブランクは冷金型によって、それらが接触しているときに冷却され、よってダイおよびシートの、最も早く接触する部分が最も早く平衡に達する。こうして、コンポーネントの第一の部分を成形し、工程を中断して転位が低減することを許容し、次いで成形を継続してコンポーネントのさらなる部分を成形し、成形動作を完了する前に、新たに成形された部分において転位が低減することを許容するよう第二の中断を設けることが有利であることがある。

導入部で述べたように、工程が、SSSフェーズからの析出物の析出を低減し、好ましくはなくすことが望まれる。そうなることを保証するために、急冷の温度／時間プロファイルが、いかなる中断段階をも、望まれない相が作り出される前に終了させるようなものであることを保証するとともに、全体的な急冷レートが、望ましくない相の形成を回避するのに十分であることを保証する必要がある。該望ましくない相は、SSSから析出物相が形成される点の軌跡から形成されるC曲線によって囲まれる図１２のエリアによって表わされる。材料固有の例が図１３に与えられている。ここでは、C曲線は、機械的特性が、最適に急冷された材料から99.5まで、そして70%まで低減される点の軌跡を考えることによって生成される。

複雑なラム位置対時間のプロットが図４に示されている。ここでは、二つの短いストローク逆行がストロークに加えられている。ここで、合計約0.1sの滞留時間（dwell time）を追加する一方、全成形時間は1sで一定に保たれた。HFQ（登録商標）成形サイクルの間、熱いブランクがまず、マッチする金型の間で変形させられ、次いで、負荷の下に、金型の間で保持される。変形段の間、いくらかの熱がシートから金型に伝達される。保持段階の間、最終形状が金型によって急冷される。

金型がかみ合わされる前に成形サイクルを一時停止することは、転位回復が起こることを許容することができる。最適な結果のために、金型は遠ざけられる（サイクルが反転される）。しかしながら、単に金型を保持しておくことが、回復が起こるための十分な時間を与えることができる。

一時停止（または逆行）は、成形サイクルにおいてできるだけ遅く、一方では最後の完成段階の間に材料に加えられる塑性ひずみの量を最小にするためにはできるだけ高い温度にある間に、行なわれるべきである。この目的に向け、コンポーネントをできるだけ最終形状近くまで成形する第一の成形段階をもつことで、本発明の利点が最大化されることが理解されるであろう。シートの温度がいまだ高く、その一方で、最終的な形まで残っているプレスの量が最小限であるため塑性ひずみが最小になるからである。特に好ましい構成では、コンポーネントは90%よりも多く、好ましくは最終形態の95%から98%の間まで、第一のプレス段階においてプレスされる。しかしながら、第一の成形段階における最終形態の50%超までの成形でも本発明の利点を受けることになることは理解されるであろう。早期の変形において形成された転位の一部が回復され、完成コンポーネント内での転位密度に対する全体的な部分的低減につながるからである。

ブランクのいくらかの冷却が変形の間に起こり、よって、ブランクの温度と残留するひずみとの間のトレードオフがあることも理解されるであろう。

成形プロセスの間に複数の停止をもつことに、いくらかの論理がある。これは、成形の早期に金型に入れられる材料の最も速い回復を許容するからである。

ストローク速度の瞬間的な変化は可能ではなく、速度におけるいかなるステップ状の変化も、プレスの摩耗を増す。よって、なめらかに速度を遅くして停止させることによってプレス・ストロークが中断される可能性がきわめて高い。

図５は、本発明がどのように実装されうるかの例を与えるために作成された熱‐機械結合の有限要素シミュレーション・モデルを示している。このモデルは、熱履歴および等価な塑性ひずみ履歴が追跡されたブランク表面上の三つの位置の最終的な位置をハイライトしている。

三つの例示的な条件が試験された。
Ａ．保持ストローク
ｉ．一定のストローク速度で、完全成形の上5mm以内まで成形
ｉｉ．4sにわたって保持
ｉｉｉ．変形を最終化
Ｂ．逆行ストローク
ｉ．一定のストローク速度で、完全成形の上5mm以内まで成形
ｉｉ．0.5sにわたって保持
ｉｉｉ．金具を離すようストロークを逆行させる
ｉｖ．合計4sの保持後、ストロークを最終化
Ｃ．ベンチマーク
ｉ．完全成形まで一定のストローク速度で成形。

図６、図７、図８は、三つのブランク位置のひずみ（実線）および温度（破線）履歴をプロットしている。

図６、図７、図８は、金型の逆行が、滞留期間の間に温度を維持するために有益であることを明らかにしている。両方の中断された場合において、温度は少なくとも2sにわたって350°Cより上に維持されることができる。

保持時間が長すぎると、材料の遅い冷却のために、粗い析出物の形成につながる。これが、材料が時効硬化する能力を制限する。合金元素の析出が、時効中の細かい析出物ではなく、冷却中の粗い析出物を形成するからである。これは上記の転位アニーリング（回復）とは別個であるが、この軟化効果をアニーリングと称することが一般的である。

図９は、上記効果を概略的に示している。最適であるためには、保持期間は可能な最も熱いブランク温度で、可能な最短時間にわたって生起するべきである。それにより、転位が回復される間、強化する元素が固溶体に留まることが保証される。

上記プロセスを試験設備で証明するために、指標的な試験プログラムが作成された。張力試料が三つの方式のうちの一つを通された。

張力試料は次の三つの方式のうちの一つを通された：
１．転位を向上させた時効機構
ａ．固溶化
ｂ．試験温度まで冷却
ｃ．引っ張ってひずみを導入
ｄ．急冷
ｅ．不足時効されたテンパー（temper）まで高速時効
２．転位なしの時効機構
ａ．固溶化
ｂ．試験温度まで冷却
ｃ．急冷
ｄ．不足時効されたテンパーまで高速時効
３．転位アニーリング（回復）のある時効
ａ．固溶化
ｂ．試験温度まで冷却
ｃ．引っ張ってひずみを導入
ｄ．中断
ｅ．急冷
ｅ．不足時効されたテンパー硬度まで高速時効。

すべての試料は、同じ高速時効効果条件を使って不足時効された。したがって、試料の残りの強さは、時効機構に直接相応する。結果が図１０に示されている。

結果は、引っ張られたが温度において保持されなかった試料について、より高い強さを示している。変形のない試料および変形および保持のある試料は、同一の降伏特性を示している。これは期待通りであり、変形が時効機構を高め、保持期間が向上された時効機構を除去するために十分な回復を提供していることと合っている。

図１１は、保持温度が350°Cまで低下された同様の一連の試験を示している。保持される試料は今や、ベンチマークよりも、有意に弱い。これは、粗い析出物の形成と整合している。考えられている合金については、350°Cでは、4sの保持時間は長すぎるのである。

当業者は理解するであろうが、固溶化熱処理（SHT）温度は、固溶化熱処理が実行される温度である。SHT温度範囲は扱われる合金に依存して変わる。これは、合金を、少なくともその固溶相線温度まで、ただし固相線温度より下まで加熱することを含んでいてもよい。本方法は、固溶化熱処理が完了するまで、金属シート・ブランクを固溶化熱処理温度に維持する段階を含んでいてもよい。

金属は合金であってもよい。金属シート・ブランクは、金属合金シート・ブランクを含んでいてもよい。金属合金はアルミニウム合金を含んでいてもよい。たとえば、合金は、6xxx、7xxxまたは2xxx合金ファミリーからのアルミニウム合金を含んでいてもよい。あるいはまた、合金は、析出硬化されたマグネシウム合金、たとえばAZ91のようなマグネシウム合金を含んでいてもよい。

プレスは、一組のマッチした金型３２、３４を有していてもよい。金型３２、３４は冷金型（cold tools）、加熱された金型（heated tools）または冷却された金型（cooled tools）でありうる。成形を開始することは、金型を近づけること、たとえば金型の間の変位を縮小することを含んでいてもよい。成形を完了することは、コンポーネントがフルに成形される最終位置に達するまで金型を閉じることを含んでいてもよい。ある実施形態では、これは、金型の間の変位が最小になったときであってもよい。「冷」（cold）という語は相対的な用語であることは理解されるであろう。金型は加熱された金属シートよりは低温であるべきだが、それでも手で触れるには温かい、あるいはさらに熱いことがありうる。典型的に、このプロセスは、−5°Cないし＋120°Cの温度範囲内まで加熱または冷却された金型を使用しうる。

プロセスは、シート・ブランクを一組の冷金型に移送することを含んでいてもよい。プロセスは、シート・ブランクからの熱損失が最小化されるよう、加熱ステーションから除去後10s以内に成形を開始することを含んでいてもよい。プロセスは、成形されたコンポーネントの冷却の間、成形されたコンポーネントを金型の中に保持することを含んでいてもよい。

プロセスは、ダウン・ストロークの間に中断されることができる任意のプレスで実行されることができる。プレスは、液圧プレスであってもよい。

プレスおよび／または第一のプレス段階において成形を開始することは、プレス金型を、全変位の少なくとも10%近づけることを含んでいてもよい。あるいはまた、プレスを、全変位の少なくとも20%、少なくとも30%、少なくとも40%、少なくとも50%、少なくとも60%、少なくとも70%、少なくとも80%、少なくとも90%、あるいは実質的に100%近づけることを含んでいてもよい。初期のプレスは、全プレスの95%以内まで、あるいは金型が本質的に閉じられるまで、ただし急冷負荷が適用される前に、金型を近づけてもよい。

コンポーネントの成形を中断することおよび／または中断段階（単数または複数）は、プレス金型を一時停止させるまたはその位置に保持すること；プレスを逆行させること；およびそれらの組み合わせのうちの任意の一つまたは複数を含んでいてもよい。

プレス金型を逆行させることは、金型を相対的に引き離すことを含んでいてもよい。プレスが逆行させられると、金型の一つまたは複数またはその一部がもはやシート・ブランクに接触しなくなってもよい。

たとえば、中断は、プレス金型をその位置に保持し、次いでプレスを逆行させることを含んでいてもよい。あるいはまた、中断は、プレスを逆行させ、次いでプレス金型をその位置に保持することを含んでいてもよい。中断は、プレス金型の位置を一回または複数回一時停止させるまたは保持し、一回または複数回プレスを逆行させることを含んでいてもよい。たとえば、中断は、まずプレス金型をその位置に保持し、次いでプレスを逆行させ、次いでプレス金型を二度目に第二の位置に保持することを含んでいてもよい。

中断段階（たとえば一時停止、保持および／または逆行）は、プレス・モード間、たとえば重力駆動（gravity-driven）（たとえば高速降下（fast descent））モードと動力ラム降下（powered ram descent）モードの間での切り換えと同時になるようプロセスに組み込まれてもよい。全中断時間は、10秒未満であってもよく、5秒未満、たとえば4秒または1秒であってもよい。全中断時間は1秒未満、たとえば0.5秒または0.2秒であってもよい。全中断時間は少なくとも0.1秒または少なくとも0.2、0.5、1、1.5、2、3、4、または5秒であってもよい。

コンポーネントの成形を開始することは、第一の速度で実行されてもよく、コンポーネントの成形を完了することは第一の速度とは異なる第二の速度で実行されてもよい。成形を続けること、すなわち中断と中断の間は、前記第一の速度、前記第二の速度または第三の速度で実行されてもよい。いくつかの実施形態では、成形速度は、成形段階またはプレス段階を通じて、一定または実質的に一定のままであってもよい。

ある系列の実施形態においては、成形速度は、成形段階の一つまたは複数、たとえば成形の開始、成形の継続および／または成形の完了を通じて可変である。たとえば、第一のプレス段階および／または第二のもしくはさらなるプレス段階は可変のプレス速度をもっていてもよい。プレス速度は、その段階の間に増大してもよく、その段階の間に減少してもよく、またはそれらの組み合わせをしてもよい。速度は、成形段階の中間点の間に最大または最小に達してもよい。たとえば、プレス速度は、最大値まで加速し、次いで中断のために0まで低下してもよい。プレス速度プロファイルは、中断または中断段階が始まるまで、プレス段階の終わりに向かってなめらかに減少してもよい。プレス速度プロファイルは、たとえば摩耗を低減するために、速度のステップ状の変化をなくすよう、最適化されてもよい。

プロセスは、固溶化熱処理が完了するまで、金属シート・ブランクを固溶化熱処理温度に維持することを含んでいてもよい。固溶化熱処理は、析出または固溶硬化を担う合金元素（単数または複数）の所望される量が固溶体にはいったときに完了してもよい。たとえば、固溶化熱処理は、合金元素（単数または複数）の少なくとも50%が固溶体にはいったときに完了してもよい。あるいはまた、固溶化熱処理は、合金元素（単数または複数）の少なくとも60%、70%、75%、80%、90%、95%または実質的に100%が固溶体にはいったときに完了してもよい。金属合金シート・ブランクをその固溶化熱処理温度まで加熱することは、シート・ブランクを少なくともその固溶相線温度まで、ただしその固相線温度よりは下まで加熱することを含んでいてもよい。

ある系列の実施形態では、ブランクは少なくとも420°C、440°C、450°C、460°C、470°C、480°C、500°C、520°Cまたは540°Cまで加熱される。ある系列の実施形態では、ブランクは680°C、660°C、640°C、620°C、600°C、580°C、560°Cまたは540°Cより上には加熱されない。ある実施形態では、ブランクは470°Cから490°Cの間まで加熱される（7075合金に典型的）。別の実施形態では、ブランクは525°Cから560°Cの間まで加熱される（6082合金に典型的）。

シートが、そのすべてのコンポーネントが液相になる液相線温度をもち、プロセスはこの液相線温度より下で実施されることは理解されるであろう。

上記のプロセスにより、金属シート・ブランクから、成形段階の間の析出によって悪影響を受けずに転位の量を減らした、改善されたコンポーネントを成形することが可能である。
〔態様１〕
少なくとも析出硬化相の固溶相線（Solvus）温度および固相線（Solidus）温度をもつ材料の合金シートからコンポーネントを成形する方法であって：
ａ．前記シートをその固溶相線温度より上まで加熱する段階と；
ｂ．ダイ・プレスのマッチした金型の間で加熱されたシートを成形することを開始し、前記シートの平均温度が第一の所定のレートAで低下することを許容しつつ塑性変形によって最終形状に向けて成形する段階と；
ｃ．前記最終形状を達成する前に、所定の第一の中断期間P1にわたって前記シートの前記成形を中断し；該中断の間、転位の低減を許容するために、低減された変形でまたは変形なしで材料の前記シートを保持し、前記シートの平均温度が前記第一の所定のレート以下の第二の所定のレートBで低下することを許容する段階と；
ｄ．前記シートが前記第二のレートBより大きな第三のレートCで冷却することを許容しつつ、加熱されたシートの前記最終形状への成形を完了する段階とを含む、
方法。
〔態様２〕
段階（ａ）の間に、前記シートはその固溶化熱処理温度範囲内まで加熱される、態様１記載の方法。
〔態様３〕
前記シートは、初期の成形段階（ｂ）の間にその最終形状の少なくとも50%まで成形される、態様１または２記載の方法。
〔態様４〕
前記シートは、初期の成形段階（ｂ）の間にその最終形状の少なくとも90%まで成形される、態様１または２記載の方法。
〔態様５〕
前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含む、態様１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様６〕
前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、複数のさらなる中断期間PXを含む、態様１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様７〕
当該方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含み、前記一つまたは複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型をその位置に保持する段階を含む、態様１記載の方法。
〔態様８〕
当該方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含み、前記一つまたは複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を逆行させる段階を含む、態様１記載の方法。
〔態様９〕
当該方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含み、前記一つまたは複数の中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を保持し、逆行させる段階を含む、態様１記載の方法。
〔態様１０〕
当該方法が一つまたは複数の中断期間P1、P2、PXを含み、当該方法は、過飽和の固溶体から望ましくない析出物が析出する前に、該一つまたは複数の中断期間を終わらせる段階を含む、態様１記載の方法。
〔態様１１〕
前記シートの温度は、段階（ｂ）の中断の間、350°Cから500°Cの間の温度に維持される、態様１ないし１０のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１２〕
前記シートの温度は、段階（ｂ）の中断の間、2500°Cより上に維持される、態様１ないし１０のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１３〕
マッチした金型を、中断段階（ｂ）の間、−5°Cから＋120°Cの間の温度に維持する段階を含む、態様１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１４〕
中断段階は、望まれない相の析出を避けつつ、転位密度が低減されることを保証するよう、ある時間にわたって維持される、態様１ないし１３のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１５〕
前記合金はアルミニウム合金である、態様１ないし１４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１６〕
前記合金は、2xxx、6xxxまたは7xxx合金からの合金である、態様１ないし１４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１７〕
前記合金はマグネシウム合金である、態様１ないし１４のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様１８〕
前記シートは、前記中断の間、変形なしに保持される、態様１記載の方法。
〔態様１９〕
固溶化熱処理が完了するまで、金属シート・ブランクを固溶化熱処理の温度に維持する段階を含む、態様１ないし１９のうちいずれか一項記載の方法。
〔態様２０〕
段階（ｄ）の完了後に、マッチした金型の間に完成したコンポーネント４０を保持する段階をも含む、態様１ないし１９のうちいずれか一項記載の方法。

Claims (18)

1. 少なくとも析出硬化相の固溶相線（Solvus）温度および固相線（Solidus）温度をもつアルミニウム合金またはマグネシウム合金の合金シートからコンポーネントを成形する方法であって：
   ａ．前記シートをその固溶相線温度より上まで加熱する段階と；
   ｂ．ダイ・プレスのマッチした金型の間で加熱されたシートを成形することを開始し、前記シートの平均温度を第一の所定のレートAで低下させつつ塑性変形によって最終形状に向けて成形する段階であって、前記シートはその最終形状の少なくとも50%まで成形される、段階と；
   ｃ．前記最終形状を達成する前に、所定の第一の中断期間P1にわたって前記シートの前記成形を中断し；該中断の間、転位の低減を許容するために、低減された変形でまたは変形なしで材料の前記シートを保持し、前記シートの平均温度を前記第一の所定のレート以下の第二の所定のレートBで低下させる段階であって、前記平均温度は少なくとも250°Cより上に維持される、段階と；
   ｄ．前記シートを前記第二の所定のレートBより大きな第三のレートCで冷却させつつ、加熱されたシートの前記最終形状への成形を完了する段階とを含む、
   方法。
2. 段階（ａ）の間に、前記シートはその固溶化熱処理温度範囲内まで加熱される、請求項１記載の方法。
3. 前記シートは、初期の成形段階（ｂ）の間にその最終形状の少なくとも90%まで成形される、請求項１または２記載の方法。
4. 前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含む、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の方法。
5. 前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、複数のさらなる中断期間PXを含む、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の方法。
6. （ｉ）前記第一の中断期間P1が、マッチした金型をその位置に保持する段階を含む；（ｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含み、前記第二の中断期間P2は、マッチした金型をその位置に保持する段階を含む；または（ｉｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、複数のさらなる中断期間PXを含み、前記複数のさらなる中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型をその位置に保持する段階を含む、請求項１記載の方法。
7. （ｉ）前記第一の中断期間P1が、マッチした金型を逆行させる段階を含む；（ｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含み、前記第二の中断期間P2は、マッチした金型を逆行させる段階を含む；または（ｉｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、一つまたは複数のさらなる中断期間PXを含み、前記複数のさらなる中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を逆行させる段階を含む、請求項１記載の方法。
8. （ｉ）前記第一の中断期間P1が、マッチした金型を保持し、逆行させる段階を含む；（ｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含み、前記第二の中断期間P2は、マッチした金型を保持し、逆行させる段階を含む；または（ｉｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、一つまたは複数のさらなる中断期間PXを含み、前記複数のさらなる中断期間のうちの一つまたは複数が、マッチした金型を保持し、逆行させる段階を含む、請求項１記載の方法。
9. （ｉ）前記第一の中断期間P1が、析出相の形成前に、該中断期間を終わらせる段階を含む；（ｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、第二の中断期間P2を含み、前記第二の中断期間P2は、析出相の形成前に、該中断期間を終わらせる段階を含む；または（ｉｉｉ）当該方法が、前記第一の中断期間P1後かつ段階（ｄ）における成形の完了前に、一つまたは複数のさらなる中断期間PXを含み、前記複数のさらなる中断期間のうちの一つまたは複数が、析出相の形成前に、該中断期間を終わらせる段階を含む、請求項１記載の方法。
10. 前記シートの温度は、段階（ｃ）の中断の間、350°Cから500°Cの間の温度に維持される、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の方法。
11. 前記シートの温度は、段階（ｃ）の中断の間、250°Cより上に維持される、請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の方法。
12. マッチした金型を、段階（ｃ）の中断の間、−5°Cから＋120°Cの間の温度に維持する段階を含む、請求項１ないし１１のうちいずれか一項記載の方法。
13. 前記合金はアルミニウム合金である、請求項１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法。
14. 前記合金は、2xxx、6xxxまたは7xxx合金からの合金である、請求項１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法。
15. 前記合金はマグネシウム合金である、請求項１ないし１２のうちいずれか一項記載の方法。
16. 前記シートは、段階（ｃ）の中断の間、変形なしに保持される、請求項１記載の方法。
17. 前記の段階（ａ）が完了するまで、前記合金シートを固溶化熱処理の温度に維持する段階を含む、請求項１ないし１６のうちいずれか一項記載の方法。
18. 段階（ｄ）の完了後に、マッチした金型の間に完成したコンポーネントを保持する段階をも含む、請求項１ないし１７のうちいずれか一項記載の方法。

Images