(57)【要約】      （修正有）【課題】アルミニウム棒材の押出成形において、ピックアップ（焼き付き）等の表面欠陥の発生を低減して、これにより押出生産性（歩留まり）を向上させる。【解決手段】従来のものよりベアリング長さＬの大きい押出ダイスを用いてアルミニウム棒材を押出成形する。具体的には、ダイスベアリングの水力直径をΦ、ベアリング長さをＬとしたとき、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０である押出ダイスを用いる。１．３≦Ｌ／Φ≦１．８がより望ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイスベアリングの水力直径をΦ、長さをＬとしたとき、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０である押出ダイスを用いてアルミニウム棒材を押出成形することを特徴とするアルミニウム棒材の押出方法。
【請求項２】
アルミニウム棒材を押出成形するためのダイスにおいて、ダイスベアリングの水力直径をΦ、長さをＬとしたとき、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０であることを特徴とするアルミニウム棒材用押出ダイス。     
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム棒材の押出方法及びその方法に用いる押出ダイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、アルミニウム合金ビレットをアルミニウム棒材に押出加工することが記載されている。アルミニウム棒材は、同文献に記載されているように、所定の寸法に切断され、必要に応じて鍛造成形された後、切削加工を行って最終製品に仕上げられる。このようなアルミニウム棒材の押出成形において、押出ダイスのベアリング部は棒材の断面を形成させる重要な部分である。
【０００３】
一方、押出ダイスのベアリング部は、メタルの流れの抵抗となり、押出中のベアリング部とメタル間に摩擦が生じ、それに伴って熱が発生し、この摩擦及び発熱が、アルミニウム棒材表面でのピックアップ（焼き付き）などの表面欠陥の原因になるとされている。このため、従来のダイス設計では、メタルとの摩擦及び発熱を低減し、その結果として表面欠陥を低減するため、ベアリング部の長さをアルミニウム棒材の寸法精度が維持できる範囲で、できるだけ短く設定するのが常識的とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４１１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このようなベアリング部の長さの短い押出ダイスを用いてアルミニウム棒材を押出成形しても、やはりピックアップなどの表面欠陥が発生し、これにより押出生産性（歩留まり）が低下している。
本発明は押出材表面にこのような表面欠陥が発生するのを防止し、押出生産性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るアルミニウム棒材の押出方法は、ダイスベアリングの水力直径をΦ、長さをＬとしたとき、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０である押出ダイスを用いてアルミニウム棒材を押出成形することを特徴とする。
また、本発明に係るアルミニウム棒材用押出ダイスは、ダイスベアリングの水力直径をΦ、長さをＬとしたとき、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０であることを特徴とする。
【０００７】
本発明において、アルミニウム棒材とは、ＪＩＳＨ４０４０に規定された断面円形、楕円形、正方形、長方形、正三角形又は正多角形のほか、ほぼこれに近い断面の異形棒材を含む。むろん中実材であり、コーナー部は丸くてもよい。また、アルミニウムとは純アルミニウム及びアルミニウム合金を含む。
押出方向に垂直な面におけるダイスベアリングの穴の断面積をＡｃ、穴の周長をＰとしたとき、水力直径Φは、Φ＝４Ａｃ／Ｐで表される。丸棒の押し出しの場合、Φはダイスベアリングの穴の直径Ｄに等しい。特許文献１のようにダイスベアリングにチョーク角が付いている場合、ダイスベアリング出口開口の値で計算すればよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ベアリング長さが従来のものより長いダイスを用いてアルミニウム棒材を押出成形することにより、ピックアップなどの表面欠陥の発生を低減して、これにより押出生産性（歩留まり）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】広い空間から狭い管内に入る流体の流動モードと、管の壁面でのせん断応力の変化を示す図である。
【図２】ベアリング長さＬ及びベアリング直径と、焼き付きの程度の関係を示すグラフである。
【図３】（ベアリング長さＬ／ベアリング直径Φ）と押出材の表面温度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
従来は、押出ダイスのベアリング長さが長くなると、メタルとベアリング部の摩擦発熱によりメタルが加熱され、押出棒の表面にピックアップ等の表面欠陥が生じやすいと一般に考えられている。このため、ベアリング長さは押出棒の断面形状が維持できる限り、短く設定されている。
アルミニウム棒の押し出しにおいて、τｆをメタルとベアリング部の平均摩擦応力、ベアリングの水力直径をΦ、Ｌをベアリング長さとしたとき、摩擦仕事量と摩擦発熱量の関係から、ベアリング部を通るメタルの温度上昇ΔＴは次の式で表現できる。
ΔＴ∝τｆ・（Ｌ／Φ）・・・・（１）
【００１１】
上記（１）式によれば、ベアリング長さＬが長いほど、ベアリング内でメタルの温度が上昇し、その結果として押出材表面にピックアップ等の表面欠陥が生じやすくなる。ベアリング長さをできるだけ短く設定していた従来のダイス設計の考え方は、上記（１）式により、一応、それなりに理由があるものと説明できる。しかし、現状でベアリング長さはほぼ限界まで短く設定されているから、このダイス設計の考え方を踏襲する限り、現在以上に表面欠陥を低減することは困難である。
【００１２】
一方、広い空間から狭い管内に入る流体の流動モードは、図１に示すように、管の入口領域では流体の流速分布が変化し（非定常流）、ある長さ（臨界長さＬｃ）以降で一定な流速分布を示す（定常流）。これに伴い、流体と管壁間の摩擦応力τｆは、管の入口領域で高く、管内を通るうちに減少し、臨界長さＬｃを超えたところで一定となる。
本発明者は、アルミニウム棒の押し出しにおいて、メタルが前記流体、コンテナが広い空間、ダイスベアリングが管に相当すると仮定し、かつ、ダイスベアリング内におけるメタルの流動モードが、前記流体モデルと同様のモードで実現されると仮定し、前記（１）式を前提に次のような推測を行った。
【００１３】
ベアリング長さＬが短い領域（Ｌ／Φが小さい領域）では、メタルの流れは非定常流となって不安定であり、高い摩擦応力τｆが生じる。この領域では、高い摩擦応力τｆの影響でメタルの温度上昇が大きくなり、押出材（アルミニウム棒）の表面欠陥が増加する。
ベアリング長さＬが長くなると（Ｌ／Φが大きくなると）、摩擦応力τｆが減少し、メタルの流れが安定化に向かう。このためメタルの温度上昇が小さくなり、表面欠陥が減少する。
ベアリング長さＬがさらに長い領域（Ｌ／Φが大きい領域）では、摩擦応力τｆが一定となり、メタルの流れが安定化するが、この領域ではベアリング長さＬ（Ｌ／Φ）の影響が強く、メタルの温度上昇が再び大きくなり、アルミニウム棒の表面欠陥が増加する。
【００１４】
このように、ダイスベアリングとメタルの間の摩擦応力τｆが、前記流体モデルからの類推で、ベアリング長さＬによって大きく変化すると仮定すれば、ベアリング長さＬが短い（Ｌ／Φが小さい）ときは、メタルの温度上昇に対し摩擦応力τｆの大きさが支配的であり、ベアリング長さＬが長い（Ｌ／Φが大きい）ときは、メタルの温度上昇に対しベアリング長さＬの長さが支配的であり、その中間（摩擦応力τｆが比較的小さく、かつＬ／Φが中間の大きさ）において、メタルの流れが比較的安定し温度上昇が比較的低く、表面欠陥の発生が比較的少なくなる可能性がある、という推測が成り立ち得る。
【００１５】
本発明者は、この推測を実証するため、表１に示す試験条件でアルミニウム合金の押出試験を行った。押出材は断面円形のアルミニウム棒材である。アルミニウム棒材の表面を目視観察し、ピックアップレベルを３段階で相対評価し、その結果をベアリング長さＬを横軸として図２にプロット（◎：ピックアップなし、○：ピックアップ程度低、□：ピックアップ程度高）した。
また、押出中のアルミニウム棒材の表面温度（ダイス出口で測定）を測定し、その結果をＬ／Φを横軸として図３にプロットした。なお、この試験におけるベアリング穴の水力直径Φは、ベアリング穴の実際の直径Ｄに等しい。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
図２ではピックアップレベルが同等と評価されたプロットをラインで結んだ。図２に示すように、ベアリング長さＬ＝２０〜４０ｍｍの範囲（０．７≦Ｌ／Φ≦２．０）において、ベアリングの水力直径Φが比較的小さく、ベアリング長さＬが比較的長い場合（例えばΦ＝３０，Ｌ＝３０）でも、ベアリングの水力直径Φが比較的大きく、ベアリング長さＬが比較的短い場合（例えばΦ＝３５，Ｌ＝１０）と同等のピックアップレベルとなっている。すなわち、この範囲では、ベアリング長さＬがより短い場合（Ｌ／Φ＜０．７）やより長い場合（Ｌ／Φ＞２．０）に比べ、押出比が大きくても（押出比が大きいと加工発熱量が多くなる）、ピックアップが生じにくいという傾向が読み取れる。
【００１８】
また、図３をみると、アルミニウム棒材の表面温度は、Ｌ／Φが大きくなるにつれて低下し、続いて反転上昇する傾向を示しており、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０の範囲の辺りで最も低くなっている。
図２，３に示された結果は、先の推測（Ｌ／Φが中間の領域において、メタルの流れが比較的安定してメタルの温度上昇が比較的低く、表面欠陥の発生が比較的少なくなる）と一致する。
【００１９】
本発明では、ダイスベアリングのベアリング長さＬは、０．７≦Ｌ／Φ≦２．０の範囲内で設定される。Ｌ／Φは、望ましくは１．０≦Ｌ／Φ≦２．０、より望ましくは１．３≦Ｌ／Φ≦１．８である。本発明者の知見では、Ｌ／Φ＝１．５近傍のこの範囲において、メタルの温度上昇が小さく（メタルの流れが安定し摩擦応力が低い）、表面欠陥の発生の低減が最も期待できる。
なお、アルミニウム棒材の押出成形において、従来のダイス設計では、概ねＬ／Φ≦０．６の範囲内でベアリング長さが設定されていた。例えば特許文献１のダイスベアリングは、穴の断面形状が９０ｍｍ×４０ｍｍの長方形で、Φ≒５５ｍｍ、Ｌ＝２５ｍｍであるから、Ｌ／Φ≒０．４５であり、本発明の範囲外である。
【実施例】
【００２０】
表２に示す条件でアルミニウム合金の押出試験を行った。押出材（アルミニウム棒材）は切削部材用であり、長方形に近い異形断面を有する。押出ダイスとして、ベアリング長さＬ＝２５ｍｍの従来ダイスと、Ｌ＝６３ｍｍの本発明ダイスの２種を用意した。前者はＬ／Φ＝０．５６、後者はＬ／Φ＝１．４１である。なお、このアルミニウム合金はＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系アルミニウム合金のＳｉ富化材（Ｓｉ：４質量％)であり、ピックアップが発生しやすい傾向がある。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
同じダイスで、ビレットの１本目と６本目、及び１２本目の押出材（アルミニウム棒材）について、上下左右４面の表面粗さ（最大断面高さＰｔ）を、押出方向に対して垂直な方向に、ＪＩＳＢ０６０１の規定に基づいて測定した。その結果を表３に示す。
表３に示すように、本発明ダイス（ Ｌ／Φ＝１．４１）による押出材は、従来ダイス（ Ｌ／Φ＝０．５６）による押出材に比べて、表面粗さが改善している。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
また、本発明ダイス（ Ｌ／Φ＝１．４１）と、従来ダイス（ Ｌ／Φ＝０．５６）による押出材について、ピックアップの発生の有無を検査し、ピックアップ不良率（ピックアップ発生個数／検査個数）を測定した。その結果、個々の切削素材に切断後の個数ベースで、従来ダイス（ Ｌ／Φ＝０．５６）による押出材の焼付不良率は、２９７，７３１個中１．５３％であったのに対し、本発明ダイス（ Ｌ／Φ＝１．４１）による押出材の焼付不良率は、１７，３３４個中０．１２％と、本発明ダイスにおいて不良率は１．４１％減少した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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