熱間成形焼入れ

ホットフォームクエンチ（HFQ®）は、アルミニウム熱間成形軽量化技術であり、 深絞りされた精密で複雑な形状の超高強度アルミニウムシート部品を製造するための工業用スタンピングプロセスです。^{[1] [2] [3]}これは、シートの時効硬化グレードのためのアルミニウムホットスタンピング（「アルミニウムホットフォーミング」と呼ばれることもある）プロセスであり、超高強度鋼のプレス硬化と類似点があります。 HFQは、元のアルミニウムホットスタンピングプロセスであり、高温でのアルミニウムの粘塑性を利用して軽量構造の製造を容易にし、多くの場合、鋼、複合材、鋳造、押し出し、または複数の冷間成形プレスに取って代わります。^{[4] [5]}

ホットフォームクエンチ（HFQ）は、高強度シート（通常2xxx、6xxx、7xxxシリーズ合金）用のアルミニウムホットスタンピングプロセスであり、^[6] 2000年代初頭に英国バーミンガム大学のJianguo Lin教授とTrevor Dean教授によって開発され、その後、英国 インペリアルカレッジロンドンで開発されました。

英国コベントリーに拠点を置く材料技術会社、Impression Technologies Limited (ITL)は、HFQアルミニウム熱間成形の独占的商業化権を有し、それ以来、この分野で独自のノウハウと権利を開発してきました。2016年に最初のHFQアプリケーションが自動車用途（アストンマーティンDB11 ^[7]）に採用されたのと同時に、軽量化エコシステムの他の組織が、HFQテクノロジーを大量生産向けに導入することを目的として、LoCoMaTech ^{[8]と呼ばれる}Horizo​​n 2020プログラムでImpression Technologiesに加わりました。ITLは、コベントリーのライオンズパークにある旧ジャガーの施設に世界初のHFQラインを設置し、 ^[9]ドイツのフィッシャーグループ、米国のEMIエアロスペース、中国のジェットワゴンなどのメーカーにHFQテクノロジーのライセンスを世界中で開始し、^{[10] [11] [12]}自動車および航空宇宙部門に供給しています。

アルミニウム合金の熱間成形は、カスタム形状のシートブランクに対して実行される4つの主なステップ、すなわち加熱および溶体化（450 ℃以上）、ブランクの転送、急冷（周囲温度近くまで）および成形、人工時効から構成されます。溶体化ステップでは、ブランクは炉内で材料内の沈殿物が溶解する温度まで加熱されます。溶体化オーブンは、強制対流設計の場合に最も効果的であり、これはプレス硬化鋼ラインに使用されるものと異なります。^{[13]この熱間成形プロセスは、300} ℃未満で実行され、成形性と完成部品の強度が低下する温間成形と呼ばれるものとは異なることに注意することが重要です。 ^[14]

プレス操作は高速油圧式、サーボ油圧式、またはサーボプレスで行われ、成形ツールは冷却され、合金元素を固溶体に保つために必要な焼入れが行われる。その後の老化プロセスにより析出が可能になり、部品の強度が必要なレベルまで増加します。通常、使用されるアルミニウム合金に応じて、300～500MPaの降伏強度になります。腐食性能や下流の接合特性を最適化するために、カスタマイズされた独自の老化プロセスが開発されています^[15]

HFQ プロセスに続いて、生産量に応じて、プレス硬化鋼部品の一般的な方法と同様に、部品を金型内でトリミングするか、レーザー トリミングすることができます。年間 10,000 個未満の生産量の場合は、トリム ツールのコストが高いため、レーザー トリミングが一般的です。また、穴の位置など、将来の設計変更に柔軟に対応する必要がある場合は、生産量が多い場合にレーザー トリミングが行われます。

HFQ プロセスの主な利点は、複雑な深絞りプレスを 1 回の成形操作で製造できることですが、必要に応じて HFQ 段階の後に二次冷間プレス操作を実行することも可能です。

HFQは、軽量化と高度な部品統合が求められる場合に使用され、アルミニウム板が技術的にも経済的にも適切であると考えられています。HFQは、年間数百から数百万の部品を扱うアプリケーションにソリューションを提供できます。^[17] HFQに最適なアルミニウム板の厚さは0.8mmから5.0mmです。

HFQ の一般的な用途は、 A ピラーと B ピラー、ドア リング、クロス メンバー、敷居、ダッシュ パネル、リア クォーター インナー、ドア インナー、テールゲート インナー、アンダー シールドなどのホワイト ボディ(BIW) 構造とクロージャを対象としています。最近では、電気自動車のバッテリー リッドとケースに HFQ を使用することに大きな関心が寄せられています。これらの用途に使用される合金には、6111、6082、6016、7075などの 6x シリーズと7xシリーズがあります。

航空宇宙分野では、リップスキン、ナセル、フェアリング、翼リブ、シートなどの用途が開発されている。^{[18]その他の輸送分野での用途には、電動}自転車のフレーム、オートバイ、鉄道構造物 などがある。

他の分野では、軽量化や材料利用が重要な要素となる、現在アルミニウムで作られている重い鋳物や機械加工部品をHFQで置き換えることが検討されている。また、先端侵食の影響を受けるタービンの先端にHFQを使用することにも関心が寄せられている。 ^[19]

HFQ部品の設計において重要な考慮事項は、成形シミュレーションが正確であることを保証することです。これは、各合金の成形材料カードの品質と使用される潤滑剤の種類に大きく影響されます。同じ仕様で製造されたアルミニウム合金であっても、サプライヤーと使用されるシート処理ラインに応じて、成形性と最終特性が異なる場合があります。したがって、サプライヤーによる各グレードのアルミニウムは、共通の高忠実度レベルで特性評価される必要があります。^[20]

HFQ の主な利点は、従来の冷間成形では割れてしまう超高強度アルミニウム合金の優れた成形性です。これにより、非常に深い絞り部品 (>300 mm の場合もあります)、鋭い半径 (r/t 0.8 が実証されています)、冷間成形プレスに比べて部品の統合度が高くなります。さらに、HFQ では高強度および超高強度アルミニウムから部品を製造することができるため、強度を重視する用途では、強度の低い冷間成形アルミニウム合金に比べて約 20% の大幅な軽量化が可能です。さらに、冷間成形につきもののスプリングバックの問題は事実上発生せず、許容誤差は +/- 0.5 mm 以内です。定評のある超塑性成形^[21]と比較すると、HFQ では生産速度が大幅に速く (最大 5 個/分)、アルミニウムのグレードの範囲も広がります。HFQの二次的な利点としては、材料利用率の高さ（ブランクホルダーが不要なため）、低コストでより入手しやすいFテンパー（シート製造業者による追加の熱処理工程なしで製造される）合金原料の使用、さらにはリサイクル率の高い合金の使用などが挙げられます。^[22]

アルミニウムの冷間成形と比較した HFQ の主な欠点は、サイクル タイムが長いことと、炉への投資と高速プレスが必要であることですが、この技術は採用が広まるにつれて、中量/大量生産の用途にも利用されるようになりました。大量生産されるアルミニウム部品の場合、部品の 60 ～ 80% が原材料となることを考慮すると、HFQ プロセスのサイクル タイムが 30 秒未満になると、増分コストは成形の利点に比べて比較的低くなります。