(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｌ重量比１．０〜１２．０％、Ｚｎ重量比０．３〜２．５％、Ｍｎ重量比０．２〜０．３％、残部Ｍｇ及び不可避の不純物からなり、結晶粒径が１００μｍ以下の微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金の素材を超塑性現象が発現する２５０℃〜４００℃に加熱すると共に、成形用ダイスを２５０℃以上の昇温状態に保持して、温間鍛造により成形することを特徴とするねじ部品の製造方法。
【請求項２】
Ｚｎ重量比２．０〜８．０％、Ｚｒ重量比０．１〜１．０％、残部Ｍｇ及び不可避の不純物からなり、結晶粒径が１００μｍ以下の微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金の素材を超塑性現象が発現する２５０℃〜４００℃に加熱すると共に、成形用ダイスを２５０℃以上の昇温状態に保持して、温間鍛造により成形することを特徴とするねじ部品の製造方法。
【請求項３】
前記成形用ダイスに対応するパンチも２５０℃以上の昇温状態に保持するように加熱することを特徴とする請求項１又は２に記載のねじ部品の製造方法。
【請求項４】
前記マグネシウム合金の素材に、強化材として炭素繊維、ガラス繊維、ウィスカー、酸化物、炭化物、窒化物を添加することを特徴とする請求項１、２又は３記載のねじ部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量で、生産性に優れ、製造工程を削減して製造コストの低減が図れるねじ部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車、家電、ＯＡ機器など各種製品について軽量化の要求が高まってきている。このような製品の軽量化に適合する素材として、軽量で、かつ比強度にも優れているマグネシウム合金が注目されている。一方、製品の軽量化に伴って、その組み立てに使用されるボルト・ナットなどのねじ部品も軽量化が求められている。
【０００３】
しかし、マグネシウム合金は、鋳造性、切削性に優れているが、化学的に活性であり、切削加工による切り粉等は燃えやすいため管理が大変であるといった問題がある。また、マグネシウムの結晶構造が最密立方構造（ｈｃｐ構造）であるため、常温での塑性加工性が悪いという難点がある。
【０００４】
一方、展伸用マグネシウム合金として、合金記号ＡＺ３１，ＡＺ６１，ＡＺ８０あるいはＺＫ６０などがＪＩＳ規格により規定されているけれども、上記のような理由によって、ねじ部分にはマグネシウム合金が使用されていなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、特定の温度条件下において超塑性現象を発現する微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金に着目し、種々実験研究を重ねた結果、化学組成、結晶粒径を特定し、超塑性現象を発現する条件下での温間鍛造によりねじ部品の鍛造成形及び転造加工が可能であることを見出した。
【０００６】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、軽量で、生産性に優れ、製造工程を削減して製造コストの低減が図れるねじ部品の製造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に、本発明のねじ部品の製造方法は、Ａｌ重量比１．０〜１２．０％、Ｚｎ重量比０．３〜２．５％、Ｍｎ重量比０．２〜０．３％、残部Ｍｇ及び不可避の不純物からなり、結晶粒径が１００μｍ以下の微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金の素材を超塑性現象が発現する２５０℃〜４００℃に加熱すると共に、成形用ダイスを２５０℃以上の昇温状態に保持して、温間鍛造により成形することを特徴とする。また、前記成形用ダイスに対応するパンチも２５０℃以上の昇温状態に保持するように加熱することが好ましい。
【０００８】
前記微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金の素材は、Ｚｎ重量比２．０〜８．０％、Ｚｒ重量比０．１〜１．０％、残部Ｍｇ及び不可避の不純物からなる超塑性材料であってもよい。
【０００９】
また、前記マグネシウム合金の素材に、強化材として炭素繊維、ガラス繊維、ウィスカー、酸化物、炭化物、窒化物を添加した複合材料であってもよい。
【００１０】
以下に、本発明に用いるマグネシウム合金の化学組成を上記のように限定した理由について説明する。軽量だけの目的なら工業用純マグネシウムでもよいが、用途によってさらに強度などを必要とする場合には上記のマグネシウム合金、あるいは該マグネシウム合金を母相（マトリックス）とする上記の複合材料が好ましい。
【００１１】
さらに、マグネシウム合金について述べると、合金組成は概ねＭｇ＋固溶元素＋高融点元素からなっている。固溶元素としてはＺｎ、Ａｌなどがあり、材料の最終ミクロ組織の微細化に必要な下部組織（共晶セル）の微細化のため必要であり、固溶範囲内で多いほど好ましい。しかし、多くなると延性、靭性などを低下させるので上述の範囲が好ましい。次に、高融点元素としてはＭｎ、Ｚｒなどがあり、ピンニング粒子として高温での結晶粒の安定化のため必要であり、ピンニング粒子の大きさは通常１μｍ以下である。添加量は多いほど効果があるが多すぎるとピンニング粒子の粗大化を招き、常温での延性、靭性を低下させるので上述の範囲が好ましい。
【００１２】
また、ねじ素材である前記のマグネシウム合金、又はこれを母相（マトリックス）とする複合材料の前記微細粒超塑性組織の結晶粒径は微細なほど好ましいけれども、結晶粒径が１００μｍ以下であれば、２５０℃〜４００℃の昇温状態で超塑性現象を発現する。好ましくは８０μｍ以下とする。
【００１３】
マグネシウムは熱伝導率が高い（鉄の約２倍）ので、前記素材（線材又は棒材）を上記の温度範囲に加熱し、成形用パンチ・ダイスでボルト頭部などを鍛造成形すると、成形用パンチ・ダイスによって素材が冷却され、１段成形後に１００℃以下まで下がるおそれがある。したがって、１段成形後、素材を再加熱し、２段目の鍛造成形をする必要がある。この場合、素材を２５０℃〜４００℃の昇温状態に加熱すると共に、成形用ダイスを最終段の鍛造成形まで２５０℃以上の昇温状態に保持して温間鍛造を行なうと、連続鍛造成形が可能となる。この場合、前記成形用ダイスに対応するパンチも同様の温度域に加熱しておくことが好ましい。また、ねじ山の転造加工工程でも前記素材と同様の温度域に加熱することが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による好適な実施の形態について説明する。
【００１５】
図１は、Ａｌ重量比３．１％、Ｚｎ重量比１．１％、Ｍｎ重量比０．２１％、残部実質的にＭｇから成り、結晶粒径が１０μｍ未満の微細粒超塑性組織を有するマグネシウム合金について、３００℃〜３５０℃におけるひずみ速度と伸びの関係を示しており、図２は、３００℃〜３５０℃におけるひずみ速度と応力の関係を示している。
【００１６】
図１のグラフから分かるように、ひずみ速度が大きくなるにつれて伸びは低下しているが、ひずみ速度１０−２ｓ−１においても１００〜２００％を示しており、優れた加工性を示している。図２からは、温度の上昇と共に各ひずみ速度においても変形応力が低下し、加工性が向上していることが分かる。
【００１７】
また、図３はＡ１重量比２．９％、Ｚｎ重量比０．９％、Ｍｎ重量比０．２０％、残部実質的にＭｇから成り、かつ結晶粒径が１００μｍのマグネシウム合金について、３２５℃〜４００℃におけるひずみ速度と伸びの関係を示しており、図４は、３２５℃〜４００℃におけるひずみ速度と応力の関係を示している。
【００１８】
図３のグラフから分かるように、ひずみ速度が大きくなるにつれて伸びは低下しているが、たとえば、ひずみ速度１０−４ｓ−１において、３５０℃〜４００℃で１３０〜１７０％を示しており、優れた加工性を示している。図４からは、温度の上昇と共に各ひずみ速度においても変形応力が低下し、加工性が向上していることが分かる。
【００１９】
以下、実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２０】
実施例１．
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化学組成：Ａｌ重量比３．１％、Ｚｎ重量比１．１％、Ｍｎ重量比０．２１％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が１０μｍの微細粒超塑性組織を有する線径８φのマグネシウム合金を素材として、３００℃〜３５０℃で３段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。得られたボルトの重量はステンレス鋼ボルト（材質：ＸＭ７）の約１／４であった。通常ダイス、パンチの寿命は２〜３万程度であるが、２倍以上鍛造成形しても異常がなかった。
【００２１】
実施例２．
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化学組成：Ｚｎ重量比５．２％、Ｚｒ重量比０．５％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が１００μｍの微細粒超塑性組織を有する線径１０φのマグネシウム合金を素材として、３５０℃〜４００℃で３段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２２】
実施例３．
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化学組成：Ａｌ重量比６．５％、Ｚｎ重量比０．９％、Ｍｎ重量比０．２５％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が５０μｍの微細粒超塑性組織を有する線径２０φのマグネシウム合金を素材として、２５０℃〜３００℃で４段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。得られたボルトの重量はステンレス鋼ボルト（材質：ＳＵＳ３０４）の約１／４であった。通常ダイス寿命は２〜３万程度であるが、２倍以上鍛造しても異常がなかった。
【００２３】
実施例４．
結晶粒径が１００μｍの微細粒超塑性組織を有する工業用純マグネシウムから成る６φの線材を素材として、十字穴付き小ねじＭ６×１０を３５０℃〜４００℃で３段成形にて鍛造し、さらに同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２４】
実施例５．
工業用純マグネシウムを母相（マトリックス）とし、強化材としてガラス繊維を３０ｗｔ％含有する複合材料で結晶粒径が１０μｍの微細粒超塑性組織を有する６φのプリフォームワイヤを素材として、十字穴付き小ねじＭ６×１０を２５０℃〜３００℃で３段成形にて鍛造し、さらに同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２５】
実施例６．
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化学組成：Ｚｎ重量比６．０％、Ｚｒ重量比０．７％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が５０μｍの微細粒超塑性組織を有する線径８φのマグネシウム合金を素材として、３００℃〜３５０℃で３段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２６】
実施例７．
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化学組成：Ｚｎ重量比５．０％、Ｚｒ重量比０．７５％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が５０μｍの微細粒超塑性組織を有する線径８φのマグネシウム合金を素材として、３００℃〜３５０℃で２段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２７】
実施例８．
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化学組成：Ａｌ重量比９．０％、Ｚｎ重量比０．６％、Ｍｎ重量比０．３０％、残部実質的にＭｇから成り、かつ、結晶粒径が３０μｍの微細粒超塑性組織を有する線径１０φのマグネシウム合金を素材として、２５０℃〜３００℃で２段成形にて温間鍛造を行なった。さらに、同様の温度域で転造によりねじ加工を行ない、製品とした。
【００２８】
上記の各実施例では、ボルトと小ねじについて説明したが、本発明はナットにも適用できるものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、軽量で、かつ比強度にも優れているマグネシウム合金製ねじ部品が容易に得られる。しかも、素材の鍛造成形性が良いので、製造工程の段数を削減して製造コストの低減が図れるだけではなく、成形用パンチ・ダイスの寿命が大幅に延びるというすぐれた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いるマグネシウム合金のひずみ速度と伸びの関係を示すグラフである。
【図２】本発明に用いるマグネシウム合金のひずみ速度と応力の関係を示すグラフである。
【図３】本発明に用いる別のマグネシウム合金のひずみ速度と伸びの関係を示すグラフである。
【図４】同上マグネシウム合金のひずみ速度と応力の関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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