(57)【要約】【課題】半溶融成形材の曲げ応力に対する塑性変形能を向上せしめ、重要保安部材の構造材として好適な半溶融成形材の製造方法を提供する。【解決手段】金属の液相線より低く固相線より高い温度範囲において該金属の固相と液相が混合した金属スラリーを作製し、これを所望形状に成形して素形材を得る成形工程の後に、前記素形材の外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して成形材を得る後処理工程を行うことを特徴とする半溶融金属の成形加工方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の液相線より低く固相線より高い温度範囲において該金属の固相と液相が混合した金属スラリーを作製し、これを所望形状に成形して素形材を得る成形工程の後に、前記素形材の外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して成形材を得る後処理工程を行うことを特徴とする半溶融金属の成形加工方法。
【請求項２】
前記金属がアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１記載の成形加工方法。
【請求項３】
前記機械的研磨処理がショットブラスト処理とショットピーニング処理とのいずれか一方または両方であることを特徴とする請求項１又は２記載の半溶融金属の成形加工方法。
【請求項４】
前記エッチング処理が水酸化ナトリウム溶液によるエッチング処理であることを特徴とする請求項１又は２記載の半溶融金属の成形加工方法。
【請求項５】
前記後処理工程が、前記素形材の液相が凝固した外表皮層をショットブラスト処理で除去した後、外表面に現れた固相をショットピーニング処理で変形させることを含むことを特徴とする請求項３記載の半溶融金属の成形加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半溶融金属の成形加工方法に関し、特にアルミニウム合金製部品の製造に好適な成形加工法に関する。アルミニウム合金製部品は自動車、船舶、航空機、線路走行車両、一般建築構造材、事務機器、家具構造材、各種電気製品などの構造材やエンジン、モータ等の各種機器の部品などとして広く使用されており、例えば自動車においてはタイヤホイール、ロアアーム、フレームアウトリガー、エンジンマウントブラケット等の構造材やブレーキマスターシリンダー、フューエルパイプ、ブレーキキャリパー、アンチロックブレーキシステムバルブボディ等の高圧部品などとして使用されている。
【０００２】
【従来の技術】
アルミニウム合金の半溶融・半凝固（以下、半溶融と記す）成形法は、アルミニウム合金の液相線より低く、固相線より高い温度範囲において、固相と液相が混合し、柔らかなバター又はアイスクリーム程度の固さの金属スラリーとし、これを成形する方法である。
半溶融状態の金属スラリーを作る方法としては、ビレット鋳造時に電磁撹拌により粒状の固相をつくり、これを凝固し、その後必要に応じてこのビレットを切断し、液相線より低く、固相線より高い温度範囲に加熱して半溶融状態の柔らかなバター又はアイスクリーム程度の固さの金属スラリーとする方法がある。この方法はチクソ法、半溶融法あるいはＳＳＦ（Semi Solid Forming）と呼ばれている（例えば、非特許文献１参照。）。
また、一度鋳造したアルミ塊を鍛造や圧延してひずみを与えて、液相線より低く、固相線より高い温度範囲に加熱して金属スラリーを得る方法がある。この方法はＳＩＭＡ法と呼ばれている（例えば、非特許文献２，３参照。）。
この他、溶湯を冷却板に触れさせて結晶核を作り、その後温度制御により金属スラリーを作る方法、溶湯を温度コントロールされたケースの中で電磁撹拌して金属スラリーを作る方法、溶融を温度コントロールされたカップに落とし込み、カップ壁と接触により結晶核を発生させその後温度制御により金属スラリーを作る方法（例えば、特許文献５〜９参照）等が提案されている（例えば、特許文献１〜１０参照。）。
【０００３】
得られた金属スラリーは、横鋳込みや縦鋳込みのダイカストマシン及び高圧鋳造機、鍛造等の方法により加工され、ニアネット素形材とされる。このような金属スラリーを用いて成形した素形材は、溶湯から鋳造したダイカスト品や高圧鋳造品に比べて、鋳巣や酸化膜、ガスも少なく、機械的性質の引張り強度が大きく、伸びも大きくかつ安定し、疲労強度も高く、寸法精度が良く、金型寿命も長い等の特徴がある。すなわち前記素形材は一般の鋳造材よりも鍛造材に近い特性を有している。
【０００４】
【非特許文献１】
（アルマックスのＳＳＦ法）Semi-Solid Forging at Alumax:Light Metal Age,Oct,(1994),p.32
【非特許文献２】
H.E.Pitts and H.V.Atokinson:ibid.,p.97
【非特許文献３】
鎌土、関原、大西、小島：軽金属、46(1996)2,p.77
【特許文献１】
特開平１０−２７２５４８号公報
【特許文献２】
特開平１１−２３９８５８号公報
【特許文献３】
特開２０００−３５５２０６号公報
【特許文献４】
特開２００１−１１３３５１号公報
【特許文献５】
特開２００２−６６７０７号公報
【特許文献６】
特許第３２４６２７３号公報
【特許文献７】
特許第３２４６２９６号公報
【特許文献８】
特許第３２４６３１９号公報
【特許文献９】
特許第３２１１７５４号公報
【特許文献１０】
特許第３２４６３６３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば自動車のブレーキマスターシリンダー、フューエルパイプ、ブレーキキャリパー、アンチロックブレーキシステムバルブボディなどの重要保安部材の構造材は、曲げ応力に対し破断せずに塑性変形することが必要である。半溶融成形法で鋳造された素形材は前記の如く優れた特性を有している他、曲げ応力に対する塑性変形能は、ダイカストや高圧鋳造材より優れている。しかしながら、半溶融成形法で鋳造された素形材の曲げ応力に対する塑性変形能は、鍛造材に比べると劣っていた。従って、半溶融成形法で作製された該素形材の利用範囲を広げるため、その塑性変形能をより向上する技術が求められていた。
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、半溶融成形法で作製された素形材の曲げ応力に対する塑性変形能を向上せしめ、重要保安部材等の部品としても好適に使用し得る成形材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】
前記目的を達成するために、本発明は、金属の液相線より低く固相線より高い温度範囲において該金属の固相と液相とが混合した金属スラリーを作製し、これを所望形状に成形して素形材を得る成形工程の後に、前記素形材の外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して成形材を得る後処理工程を行うことを特徴とする半溶融金属の成形加工方法を提供する。
本発明の半溶融金属の成形加工方法において、前記金属はアルミニウム合金が好ましい。
また前記機械的研磨処理はショットブラスト処理とショットピーニング処理とのいずれか一方または両方であることが好ましい。
さらに前記エッチング処理は水酸化ナトリウム溶液によるエッチング処理であることが好ましい。
また前記後処理工程は、前記後処理工程が、前記素形材の液相が凝固した外表皮層をショットブラスト処理で除去した後、外表面に現れた固相をショットピーニング処理で変形させることを含むことが好ましい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、金属の液相線より低く固相線より高い温度範囲において該金属の固相と液相が混合した金属スラリーを作製し、これを成形型のキャビティ内に充填し、冷却固化後に成形型から素形材を取り出す成形工程の後に、この素形材の外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して外表面を減肉して塑性変形能を向上させた成形材を得る後処理工程を行うことを特徴とする。
【０００９】
本発明の半溶融金属の成形加工方法において、前記金属はアルミニウム合金、マグネシウム合金、銅合金などの各種金属材料を用いることができる。特に、本発明では、金属の固相と液相が均一に混合された金属スラリーにおいて、液相中の合金組成と固相中の合金組成が異なり、金属スラリーを成形型に充填して凝固させた素形材の外表皮に、液相に基づく合金組成の外表皮層が形成され、この外表皮層によって素形材の塑性変形能が減じられるような合金材料、例えばＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金において顕著な塑性変形能改善効果が得られる。
【００１０】
前記金属スラリーでは、金属の固相と液相がほぼ均一に分布しているが、ダイカストや高圧鋳造および型鍛造等で素形材に成形加工すると、その外表皮に液相の多い層（外表皮層）が形成される。この外表皮層の厚さは一定ではないが、厚い場合には５０〜１００μｍに達する。
【００１１】
半溶融鋳造法に使用される鋳造用合金、例えばＡｌ-Ｓｉ系、Ａｌ-Ｍｇ系、Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ系、Ａｌ-Ｃｕ-Ｓｉ系、Ａｌ-Ｃｕ-Ｍｇ-Ｓｉ系などでは、液相はＡｌとＳｉの共晶として凝固し、一方固相はＡｌのα相として凝固する。
α相はＡｌ、Ｓｉ及びＭｇを含むがＳｉ含有量は最大１．２％であるので、共晶中のＳｉは添加成分比より大幅に多くなる。その結果、素形材に曲げ応力がかかる場合、Ａｌに比べると脆い共晶中のＳｉが最初に破断され、素形材の塑性変形能が低下する原因となる。
【００１２】
本発明では、素形材の外表皮に存在する共晶を含む外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して外表面を減肉する後処理を施すことによって、素形材の塑性変形能を向上させた。
前記機械的研磨処理としては、ショットブラスト処理とショットピーニング処理とのいずれか一方または両方が好ましい。後処理工程において、素形材のＡｌ−Ｓｉ共晶を含む外表皮層をショットブラスト処理で除去した後、外表面に現れた固相をショットピーニング処理で変形させることを含むことが好ましい。
さらに、前記エッチング処理は、水酸化ナトリウム溶液によるエッチング処理であることが好ましい。
【００１３】
本発明において、金属スラリーを作製し、この金属スラリーを成形して素形材を作製する方法は特に限定されない。金属スラリーを作製する方法は、従来公知の半溶融法、ＳＩＭＡ法、その他の金属スラリー製造法を用いることができる。また、得られた金属スラリーから所望形状の素形材を得る方法としては、横鋳込みや縦鋳込みのダイカストマシン及び高圧鋳造機を用いた鋳造法を用いることができる。
【００１４】
得られた素形材の外表皮層を減肉するための後処理工程において使用する（ａ）ショットブラスト処理、（ｂ）ショットピーニング処理、および（ｃ）エッチング処理は、それぞれ単独で実施しても良いし、複数の処理を組み合わせて行っても良い。
【００１５】
（ａ）ショットブラスト処理は、素形材の外表皮層を比較的迅速に機械研磨するための金属表面処理であり、ＨＶ７９０〜９５０程度の硬質のスチールグリッド（鋼グリッド）を高速で素形材に投射して衝突させ、外表皮層を研磨する方法である。このショットブラスト処理は、従来より種々の金属表面加工において用いられている市販のショットブラスト処理装置を用いて行うことができる。このショットブラスト処理における外表皮層の減肉は、外表皮層の一部を研磨してもよいし、外表皮層の全体を研磨除去してもよい。この処理による減肉量は、素形材における共晶を含む外表皮層の厚み等により決定され、通常は５μｍ／片面以上、１００μｍ／片面以下程度とされる。
【００１６】
（ｂ）ショットピーニング処理は、ＨＶ３５０〜４７０程度のスチールショットを素形材に衝突させ、素形材の外表面に多数の微細な打痕を形成し、表面の改質を図る処理であり、ショットピーニング処理により素形材の外表皮層は徐々に研磨される。このショットピーニング処理は、単独で行っても素形材の塑性変形能向上効果が得られるものの、（ａ）ショットブラスト処理後の成形材に二次的な表面改質処理として施すことが望ましい。
【００１７】
（ｃ）エッチング処理は、素形材の外表皮層をエッチングできるエッチング溶液中に素形材を浸漬することによって行われ、エッチング溶液は素形材の材質によって適宜選択される。例えば素形材がアルミニウム合金である場合、エッチング溶液としては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ性エッチング溶液が使用され、好ましくは水酸化ナトリウム溶液が用いられる。水酸化ナトリウム溶液を用いる場合、水酸化ナトリウムの濃度は８〜１２質量％程度、処理温度５０〜５５℃、処理時間１７〜２３分程度が好ましい。エッチング処理及びその後の洗浄処理は、従来公知のエッチング処理法に準じて行うことができる。
【００１８】
この後処理において、前記（ａ）〜（ｃ）の処理の前後、または各処理の間に、適当な熱処理を施すことができる。例えば素形材がアルミニウム合金である場合、素形材または減肉処理後の成形材に、Ｈ１ｎ処理やＨ２ｎ処理などのＨ系処理、Ｔ１〜Ｔ９処理などのＴ系熱処理を施すことができる。アルミニウム合金として、前記Ａ３５６やＡ３５７等のＡｌ-Ｓｉ-Ｍｇ系合金を用いる場合、素形材または減肉処理後の成形材に、Ｔ５処理やＴ６処理などの焼き入れ後に人工時効硬化処理を施す熱処理を行うことが望ましい。
【００１９】
さらにこの後処理において、表面仕上げ等を目的として、成形材に減肉作用のないＳＵＳブラスト処理等の適当な仕上げ処理を施しても良い。
【００２０】
本発明の方法は、金属の液相線より低く固相線より高い温度範囲において該金属の固相と液相が混合した金属スラリーを作製し、これを成形型のキャビティ内に充填し、冷却固化後に成形型から素形材を取り出す成形工程の後に、前記素形材の外表皮層を機械的研磨処理またはエッチング処理によって除去して成形材を得る後処理工程を行うことによって、得られる成形材の塑性変形能を素形材よりも向上させることができ、重要保安部材の構造材として好適な成形材を製造することができる。
以下の実施例により、本発明の効果を実証する。
【００２１】
【実施例】
ＡＡ規格（Ａ３５６、ＪＩＳ  ＡＣ４ＣＨ相当）のアルミニウム合金を、宇部興産方式ニューレオキャスト法によって金属スラリーとし、これを成形型に充填して放冷し、断面Ｉ字形状の素形材を製造した。該素形材の寸法は高さ２１ｍｍ、フランジ部の幅１６ｍｍ、肉厚６ｍｍ、長さ１２３ｍｍとした。
この素形材に、以下の条件でショットブラスト（鋼グリッド）処理、ショットピーニング（鋼球）処理の一方または両方を施した（例１〜６）。また外表面の減肉のないＳＵＳブラスト処理を以下の条件で施した（例１，２，５，６）。
さらに別な例において、素形材に以下の条件でＮａＯＨエッチングを施した（例７）。
【００２２】
・ショットブラスト条件：スチールグリッドＧ５０（０．５ｍｍ径の鋭角粒子、ＨＶ７９０〜９５０）、投射速度６２ｍ／秒、表面切削あり。
・ショットピーニング条件：スチールショットＮＢ１４０（１．４ｍｍ径の粒状粒子、ＨＶ３５０〜４７０）、投射速度６５ｍ／秒、表面切削あり。
・ＳＵＳブラスト条件：ＳＵＳワイヤカットビット１．４ｇ、投射速度ｍ／秒、投射量２００ｋｇ／分、公転速度１．２５ｒｐｍ、自転速度８ｒｐｍ、表面の減肉なし。
・ＮａＯＨエッチング条件：１０％のＮａＯＨ水溶液中に温度５０〜５５℃で素形材を２０分間浸漬した後、流水で洗浄し、３０％の硝酸水溶液中に温度２０℃で素形材を１分間浸漬した後、流水で洗浄した。
【００２３】
（例１）
前記素形材にショットブラスト処理を施した。表面研削量（以下、減肉量と記す）は１２．５μｍ／片面であった。
次いで、素形材をショットブラスト処理して得られた成形材にＴ６処理を施した。このＴ６処理は、成形材を５２５℃で６時間加熱し、水冷焼入れし、その後１６０℃で６時間加熱して人工時効硬化処理した。
Ｔ６処理後、成形材にＳＵＳブラスト処理を２０分間施した。
【００２４】
（例２）
前記素形材にショットブラスト処理を施した。減肉量は５０μｍ／片面であった。次いで、ショットブラスト処理後の成形材にＴ６処理を施した。Ｔ６処理後、成形材にＳＵＳブラスト処理を２０分間施した。
【００２５】
（例３）
前記素形材にショットブラスト処理を施した。減肉量は７０μｍ／片面であった。次いで、ショットブラスト処理後の成形材にＴ６処理を施した。
【００２６】
（例４）
前記素形材にショットブラスト処理を施した。減肉量は３５μｍ／片面であった。次いで、ショットブラスト処理後の成形材にＴ６処理を施した。Ｔ６処理後、成形材にショットピーニング処理を１２５秒間施した。
【００２７】
（例５）
前記素形材にショットブラスト処理を施した。減肉量は３５μｍ／片面であった。次いで、ショットブラスト処理後の成形材にＴ６処理を施した。Ｔ６処理後、成形材にショットピーニング処理を７５秒間施した。次いで、ショットピーニング処理後の成形材にＳＵＳブラスト処理を２０分間施した。
【００２８】
（例６）
前記素形材にＴ６処理を施した。次いで、Ｔ６処理後の素形材にショットピーニング処理を１２５秒間施した。次いで、ショットピーニング処理後の成形材にＳＵＳブラスト処理を２０分間施した。
【００２９】
（例７）
前記素形材にＴ６処理を施した。次いで、Ｔ６処理後の素形材にＮａＯＨエッチングを施した。このＮａＯＨエッチングによる減肉量は７５μｍ／片面であった。
【００３０】
（例８）
前記例１〜７との比較のため、前記素形材にＴ６処理を施しただけの成形材を用意した。
【００３１】
例１〜８の各成形材について３点曲げ試験を行い、曲げ変位、曲げ荷重を比較した。この曲げ試験は、島津製作所社製の万能試験機（一般名称：アムスラー試験機）を用い、成形材を支点間距離１２３ｍｍの固定台に載せ、その支点間の中心に上方から所定圧力で押圧部材を降下させ、各成形材の曲げ特性を測定した。
曲げ変位は歪ゲージ変位計により求めた（単位：ｍｍ）。曲げ荷重は押圧部材上とクロスヘッド間に取り付けたロードセルにより求めた（単位：ｋｇ）。
例１〜８の各成形材で行った曲げ試験の結果を表１にまとめて記す。
【００３２】
【表１】
2004202540.tif 000002
【００３３】
表１に記した結果から、素形材の外表皮層を減肉しない表８に比べ、素形材に機械的研磨処理またはエッチング処理を施した例１〜７の成形材は、曲げ変位が大きくなり、曲げ応力に対する塑性変形能を素形材よりも向上させることができた。特にショットブラスト加工による減肉量が大きかった例３、ショットブラスト加工後にショットピーニング処理を行った例４及びＮａＯＨエッチング処理を行った例７において、顕著な塑性変形能向上効果が認められた。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、半溶融成形で得られる素形材にその外表皮層を除去する後処理を施すことにより、該成形材の曲げ応力に対する塑性変形能を素形材よりも向上させることができ、重要保安部材の構造材として好適な成形材を製造することができる。