(57)【要約】【課題】金型の短期間での破損を防止することができるアルミニウム材の電磁成形方法を提供する。【解決手段】アルミニウム材を電磁力により金型１５に押し付けて成形するアルミニウム材の電磁成形方法であって、金型１５の基材を、焼入れをしていない鋼とする。また、金型１５の基材表面には、３０μｍ以上、２００μｍ以下の樹脂被覆層２１が形成されていることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム材を電磁力により金型に押し付けて成形する電磁成形方法であって、
前記金型の基材を、焼入れをしていない鋼とすることを特徴とするアルミニウム材の電磁成形方法。
【請求項２】
前記金型の基材表面に、３０μｍ以上、２００μｍ以下の樹脂被覆層が形成されている請求項１に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
【請求項３】
前記金型は複数に分割された割り型からなり、前記割り型同士の合わせ面に前記樹脂被覆層が形成されている請求項２に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
【請求項４】
前記金型の前記アルミニウム材が押し付けられる基材表面に前記樹脂被覆層が形成されている請求項２又は請求項３に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
【請求項５】
前記焼入れをしていない鋼は、低炭素鋼又は中炭素鋼である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミニウム材の電磁成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、金属板のプレス成形用等の金型には鋼材が使用され、金型の耐摩耗性を確保するために、例えば、焼鈍、切削加工、焼入焼戻し処理等の各工程が施されている。金型用の鋼材としては、例えば、ＪＩＳ  ＳＫＤ１１等の工具鋼が広く用いられる。工具鋼は、焼入焼戻し工程を経ることで、マルテンサイト等の焼入組織に変化して強度を向上させることができる。
特許文献１には、炭素含有量が０．７〜１．６質量％未満であって、一部の炭素が基材中に固溶して強度を付与し、また、一部の炭素が炭化物を形成して耐摩耗性や耐焼付性を付与することで、プレス成形性を向上させたプレス金型が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載のプレス成形用の金型では、被加工材が上型と下型との間で流動して所定の形状に成形される。このようなプレス成形に対して、電磁力を利用した電磁成形がある。電磁成形は、磁場を利用して被成形材を加工する技術であり、磁場は、大容量のコンデンサに充電した高電圧の電流を一挙に電磁インダクタに流すことによって発生させる。
【０００５】
アルミニウム材の電磁成形においては、プレス成形とは異なり、被加工材であるアルミニウム材が高速で金型に衝突する。図８にアルミニウム材１が電磁成形コイル２による電磁成形によって金型３に衝突する様子を示した。同図に示すように、アルミニウム材１が金型３に衝突すると、アルミニウム材１と金型３との界面では、アルミニウム材１のアルミニウム原子が飛び出して金型３の鋼材組織内に拡散する。
【０００６】
図９は図８に示す界面Ａ部においてアルミニウム原子５が金型３内に拡散する様子を段階的に示す模式説明図である。
図９の左側図に示すように、アルミニウム材１が金型３に衝突すると、アルミニウム材１のアルミニウム原子５の一部が、金型３の鋼材組織内に拡散する。また、金型３の基材は炭化物を含有する。炭化物には、サイズの大きな一次炭化物６と、微細な二次炭化物（不図示）が存在する。特に一次炭化物６は、基材が圧延材であれば、圧延組織の長手方向に沿って連鎖状に分布するため、一次炭化物６の分布方向に沿って割れが進展し易くなることが知られている。
【０００７】
電磁成形を繰り返し行うと、アルミニウム原子５の金型３内の鋼材組織内への拡散によって、アルミニウム原子５が金型３の鋼材組織内に蓄積される。その結果、図９の中央図に示すように、鋼材組織内にＡｌ2Ｆｅ5の脆い金属間化合物７が生成される。そして、図９の右側図に示すように、電磁成形の繰り返しによって金属間化合物７の領域が次第に拡大し、金属間化合物７が一次炭化物６に到達する。すると、金型３の内部では一次炭化物６に沿ったクラック８の発生が助長され、割れが発生しやすくなる。このように、金型３は、電磁成形の繰り返しによってクラック８が進展し、早期に破損に至るおそれがあった。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アルミニウム材を繰り返し電磁成形する金型が、短期間で破損を生じることを防止できるアルミニウム材の電磁成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、下記構成からなる。
アルミニウム材を電磁力により金型に押し付けて成形する電磁成形方法であって、
前記金型の基材を、焼入れをしていない鋼とすることを特徴とするアルミニウム材の電磁成形方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電磁成形方法によれば、アルミニウム材の電磁成形に用いる金型が、短期間で破損を生じることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１構成例の電磁成形コイルとアルミニウムパイプと電磁成形用の金型との概略断面図である。
【図２】図１に示すアルミニウムパイプの電磁成形後の状態を示す概略断面図である。
【図３】第２構成例の電磁成形コイルとアルミニウムパイプと電磁成形用の金型との概略断面図である。
【図４】図３に示すアルミニウムパイプの電磁成形後の状態を示す概略断面図である。
【図５】本発明の実施例及び比較例の電磁成形前の状態を示す概略断面図である。
【図６】本発明の実施例及び比較例の電磁成形後の状態を示す概略断面図である。
【図７】比較例の金型の角部にクラックが発生した様子を模式的に示す説明図である。
【図８】アルミニウム材が電磁成形コイルによる電磁成形によって金型に衝突する様子を示した説明図である。
【図９】図８に示す界面Ａ部においてアルミニウム原子が金型内に拡散する様子を段階的に示す模式説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
＜第１構成例＞
図１は第１構成例の電磁成形コイル１１とアルミニウムパイプ１３と電磁成形用の金型１５との概略断面図である。
被加工材であるアルミニウムパイプ１３は、電磁成形コイル１１と金型１５との間に配置される。
【００１３】
電磁成形コイル１１は、棒状の支持部材１７の先端に設けられ、導線を螺旋状に巻き回したソレノイドコイルからなる。電磁成形コイル１１の導線は、不図示の電源部に接続される。電源部は、コンデンサに充電したエネルギーを、スイッチを通じて、数ミリｓｅｃ以内の極めて短い時間でパルス状の大電流として出力する。出力されたパルス電流は電磁成形コイル１１に供給され、電磁成形用の磁場を発生させる。
【００１４】
金型１５は、アルミニウムパイプ１３の外周を覆う空洞を有し、周方向に沿って複数に分割された複数の割り型から構成される。金型１５の基材は、焼入、焼戻し等の熱処理がされていない、いわゆる生材（Unhardened steel）であって、例えば、ＪＩＳ  ＳＳ４００（一般構造用圧延鋼）や、Ｓ５０Ｃ，Ｓ５５Ｃ（機械構造用炭素鋼）等の低炭素鋼、中炭素鋼（Ｃ：０．６％以下）の焼入れをしていない鋼が好適に用いられる。
【００１５】
金型１５の空洞には、アルミニウムパイプ１３の外径よりも大径、又は略等しい径の小径部１５ａと、金型１５の軸方向中間部に設けられ、小径部１５ａよりも大径な大径部１５ｂとを有する。大径部１５ｂは、内径面の軸心を中心とする環状の凹溝である。
【００１６】
金型１５の内径面におけるアルミニウムパイプ１３が押し付けられる基材表面には、樹脂被覆層２１が形成されることがより好ましい。樹脂被覆層２１は、金型１５の小径部１５ａ及び大径部１５ｂにそれぞれ設けられる。また、図示は省略するが、金型１５の周方向に分割される割り型における、割り型同士の対向面にも、同様の樹脂被覆層が形成されることが好ましい。
【００１７】
樹脂被覆層２１は、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂等のいずれかの樹脂からなることが好ましい。この樹脂被覆層２１は、電磁成形の際に、アルミニウムパイプ１３と金型１５との間で生じるスパークを抑制するための電気絶縁層として機能する。
【００１８】
アルミニウムパイプ１３は、例えばＪＩＳ  １０００系〜８０００系のいずれの材質であってもよい。なお、熱処理型合金の場合には、Ｔ１調質して、成形性を向上させておくことが好ましい。
【００１９】
次に、上記構成の電磁成形コイル１１と金型１５により、アルミニウムパイプ１３を電磁成形によって拡管する手順を説明する。
まず、アルミニウムパイプ１３を金型１５の内径面にセットして、セットされたアルミニウムパイプ１３の管内に電磁成形コイル１１を挿入する。また、金型１５と電磁成形コイル１１とを予め固定しておき、アルミニウムパイプ１３を金型１５と電磁成形コイル１１との間に挿入することでもよい。
【００２０】
電磁成形コイル１１、アルミニウムパイプ１３、金型１５のそれぞれの軸方向位置は、固定具によって位置決めされる。本構成では、電磁成形コイル１１を金型１５の軸方向中央に配置する。
【００２１】
次に、不図示の電源部を駆動して、コンデンサに充電された高電圧の電流を、一挙に電磁成形コイル１１に流す。すると、アルミニウムパイプ１３に誘導電流が流れ、これにより発生する大きな電磁力によって、アルミニウムパイプ１３が拡管する。その結果、アルミニウムパイプ１３は、金型１５の内径面に押し当てられて、金型１５の小径部１５ａと大径部１５ｂに沿った形状に成形される。
【００２２】
図２は図１に示すアルミニウムパイプ１３の電磁成形後の状態を示す概略断面図である。
アルミニウムパイプ１３は、電磁成形コイル１１の通電により発生した電磁力で拡管し、外周面が金型１５の小径部１５ａと大径部１５ｂに押し当てられる。その結果、アルミニウムパイプ１３には、金型１５の大径部１５ｂに対応する軸方向位置（軸方向中央）に、大径部１５ｂの形状に沿った環状の突出部１３ａが形成される。
【００２３】
この電磁成形方法によれば、アルミニウムパイプ１３を電磁成形する際に、前述の図９に示す場合と同様に、アルミニウム原子５が金型１５の鋼材組織中に拡散して、Ａｌ2Ｆｅ5の脆い金属間化合物７が形成される。しかし、金型１５が、焼入れをしていない鋼を基材として使用されることで、前述した一次炭化物６の生成が抑制されている。そのため、鋼材組織のマトリックス（粒界内の領域）内にアルミニウム原子５が拡散され、図９に示す金属間化合物が一次炭化物６の粒界に局所的に集まるような状態にはならない。したがって、クラック２３の発生や進展が抑制され、金型１５の早期破損を防止できる。
【００２４】
また、焼入れをしていない鋼を金型１５の基材として使用することで、金型１５の靭性が向上し、アルミニウム材が高速で衝突する電磁成形の金型１５としての耐久性が維持される。
【００２５】
更に、金型１５の基材表面には樹脂被覆層２１が形成されているため、電磁成形時にアルミニウムパイプ１３に生じる誘導電流により、アルミニウムパイプ１３と金型１５との間、及び金型１５の各割り型の合わせ面同士の間で、スパークが発生することを効果的に抑制できる。これによっても、金型１５の耐久性が維持される。また、アルミニウムパイプ１３にスパークによる損傷が及ぶことがない。
【００２６】
樹脂被覆層２１の厚さは、スパークの発生を効果的に抑制するためには、３０μｍ以上とするのが好ましく、５０μｍ以上が更に好ましい。また、成形製品の精度確保の観点からは、樹脂被覆層２１の厚さを２００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とするのがよい。
【００２７】
なお、金型１５の割り型の合わせ面に設ける樹脂被覆層２１の厚さは、アルミニウムパイプ１３に対面する小径部１５ａ，大径部１５ｂに設ける樹脂被覆層２１の厚さより大きくしてもよく、最低でも５０μｍとするのが好ましい。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態の電磁成形方法によれば、Ａｌ2Ｆｅ5の脆い金属間化合物が炭化物（一次炭化物）の粒界に局所的に集まることが抑制され、金型１５の短期間での破損を防止できる。
【００２９】
＜第２構成例＞
次に、図３及び図４を参照して第２構成例の電磁成形方法について説明する。本構成では、成形対象を前述のアルミニウムパイプ１３に代えて、アルミニウム板１４としており、これに伴って、電磁成形コイル及び金型の形状が異なっている。その他の部分は第１構成例と同様であるので、同一部分には同一符号又は相当符号を付して、その説明を簡単化又は省略する。
【００３０】
図３に示すように、本構成の金型１６は、電磁成形コイル１２に対面する側の型面の中央部に、上方へ突出する突起部１６ａを有する。電磁成形コイル１２は、金型１６に対して略平行な面内で導線が巻き回された形状を有する。
【００３１】
金型１６の基材は、金型１５の場合と同様の生材であって、例えば、ＪＩＳ  ＳＳ４００や、Ｓ５０Ｃ，Ｓ５５Ｃ等の低炭素鋼、中炭素鋼の焼入れをしていない鋼である。金型１６の基材表面には、前述の樹脂被覆層２１と同様の樹脂被覆層２２が形成される。樹脂被覆層２２は、金型１５の突起部１６ａを含む型面の全面に、第１構成例の樹脂被覆層２１と同様の厚さで形成される。
【００３２】
アルミニウム板１４は、例えばＪＩＳ  １０００系〜８０００系のいずれ材質であってもよい。なお、熱処理型合金の場合には、Ｔ１調質して、成形性を向上させておくことが好ましい。
【００３３】
電磁成形コイル１２と金型１６は、適宜な固定具によって固定され、成形対象であるアルミニウム板１４が、電磁成形コイル１２と金型１６との間に挿入される。そして、アルミニウム板１４が電磁成形コイル１２と金型１６に対して位置決めされた状態で、不図示の電源部からパルス状の大電流を電磁成形コイル１２に供給する。
【００３４】
すると、アルミニウム板１４に誘導電流が流れ、これにより発生する大きな電磁力によって、アルミニウム板１４が金型１６の対面する型面に押し当てられる。これにより、アルミニウム板１４は、図４に示すように、金型１６の型面に沿って成形され、突起部１６ａの位置では、突起部１６ａの突起形状に沿った凸部１４ａが形成される。その他の構成及び効果は、実施形態と同様であるので説明を省略する。
【実施例】
【００３５】
次に、金型の基材が焼入れをしていない鋼である実施例の構成と、金型の基材が従来通りの工具鋼であり、焼入、焼戻し処理された比較例の構成とで、アルミニウム材の電磁成形を繰り返し行った結果を説明する。用いた金型及び電磁成形コイルは、基本的には前述の第１構成例に準じた構成で、アルミニウムパイプを拡管することとした。
【００３６】
＜金型構成＞
実施例及び比較例ともに、図５に示す直径８０ｍｍの円筒形キャビティ３１を有し、一対の割り型からなる金型３３を使用した。
実施例の金型３３の基材は、ＪＩＳ  ＳＳ４００の生材を使用した。比較例の金型３３の基材は、ＪＩＳ  ＳＫＤ１１であり、焼入、焼戻し処理を施して使用した。実施例及び比較例ともに、金型３３の基材表面にエポキシ樹脂からなる厚さ１００μｍの樹脂被覆層３５を形成した。
【００３７】
＜アルミニウム材＞
実施例及び比較例ともに、ＪＩＳ  Ａ６０６３のアルミニウム材からなる直径８０ｍｍ、板厚３ｍｍのアルミニウムパイプ３７を用意し、アルミニウムパイプ３７にＴ１調質処理を施して使用した。
【００３８】
＜電磁成形条件及びその評価＞
実施例及び比較例ともに、金型３３の軸方向一端部３３ａ（図５に示す左側端部）からアルミニウムパイプ３７を約５０ｍｍ突出させ、アルミニウムパイプ３７の管内にソレノイドコイルである電磁成形コイル３９を配置した。そして、電磁成形コイル３９に、容量４００μＦのコンデンサに充電した電圧１０ｋＶの電流を流した。このときの投入エネルギーＥは、Ｅ＝１／２ＣＶ2＝２０［ｋＪ］（Ｃ：静電容量、Ｖ：電圧）である。
【００３９】
上記条件による電磁成形によって、図６に示す金型３３の軸方向一端部３３ａより外側のアルミニウムパイプ３７に、フランジ部３７ａを形成した。また、金型３３の軸方向他端部３３ｂより外側のアルミニウムパイプ３７に、径方向外側へ突出する膨出部３７ｂを形成した。そして、上記の電磁成形を多数回行った後、金型３３の状態を目視にて確認した。
【００４０】
＜評価結果＞
基材がＪＩＳ  ＳＳ４００である実施例の金型では、１０００回以上の電磁成形後でも金型の割れやその他の欠陥は認められなかった。一方、基材が工具鋼である比較例の金型では、４００〜５００回の電磁成形後に、図７に示すようなフランジ部３７ａの根元部に対向する金型３３の角部４１に、クラック４３の発生が認められた。
【００４１】
金型３３の軸方向一端部３３ａの内径側縁部である角部４１には、アルミニウムパイプ３７のフランジ部３７ａが特に強く押し当てられ、応力集中を生じやすい。この角部４１にアルミニウムパイプ３７のアルミニウム原子が繰り返し拡散して、割れが生じたものと考えられる。
【００４２】
このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせることや、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。
【００４３】
上記例のアルミニウムパイプの電磁成形は、拡管に限らず、金型の配置やサイズ、コイルの配置を変更することで、縮管させることであってもよい。また、上記例のアルミニウム板の電磁成形は、凸部を形成する以外にも、凹部の形成であってもよく、複数の凸部や凹部を形成することであってもよい。
【００４４】
以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１）  アルミニウム材を電磁力により金型に押し付けて成形する電磁成形方法であって、
前記金型の基材を、焼入れをしていない鋼とすることを特徴とするアルミニウム材の電磁成形方法。
この電磁成形方法によれば、金型を用いて繰り返し電磁成形する際に、金型が短期間で破損することを防止できる。
【００４５】
（２）  前記金型の基材表面に、３０μｍ以上、２００μｍ以下の樹脂被覆層が形成されている（１）に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
この電磁成形方法によれば、電磁成形時にアルミニウム材に生じる誘導電流が、他の部材との間でスパークを生じることを防止できる。
【００４６】
（３）  前記金型は複数に分割された割り型からなり、前記割り型同士の合わせ面に前記樹脂被覆層が形成されている（２）に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
この電磁成形方法によれば、割り型同士の合わせ面の隙間に、スパークが生じることを防止できる。
【００４７】
（４）  前記金型の前記アルミニウム材が押し付けられる基材表面に前記樹脂被覆層が形成されている（２）又は（３）に記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
この電磁成形方法によれば、電磁成形後の製品の精度に影響を及ぼすことなく、アルミニウム材と金型との間にスパークを生じることを防止できる。
【００４８】
（５）  前記焼入れをしていない鋼は、低炭素鋼又は中炭素鋼である（１）〜（４）のいずれか一つに記載のアルミニウム材の電磁成形方法。
この電磁成形方法によれば、脆い金属間化合物が炭化物の粒界に局所的に集まることが抑制され、金型の短期間での破損を防止できる。
【符号の説明】
【００４９】
１３  アルミニウムパイプ（アルミニウム材）
１４  アルミニウム板（アルミニウム材）
１５，１６  金型
【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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【図９】
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