(57)【要約】塑性加工部材の製造方法は、固相と液層とが混在する溶湯を成形型内に導入する半溶融成形法により塑性加工用素材を成形する工程と、その塑性加工用素材に対し、該塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させる塑性加工前熱処理を施す工程と、その熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して塑性加工部材を成形する工程と、を備える。塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、塑性加工用素材の引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように塑性加工用素材の塑性加工を行う。【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性加工用素材を塑性加工する塑性加工部材の製造方法であって、
固相と液層とが混在する溶湯を成形型内に導入する半溶融成形法により塑性加工用素材を成形する工程と、
上記塑性加工用素材に対し、該塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させる塑性加工前熱処理を施す工程と、
上記熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して塑性加工部材を成形する工程と、を備え、
上記塑性加工用素材の塑性加工を、上記塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、該塑性加工用素材の該引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように行うことを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工前熱処理の処理温度を３００℃以上５５０℃以下とすることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工前熱処理の処理時間を１時間以上とすることをを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工前熱処理の処理温度を３５０℃以上４５０℃以下とし、且つ処理時間を２０時間以下とすることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工前熱処理の処理時間を１０時間以上２０時間以下とすることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項６】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工により成形された塑性加工成形材に対し、処理温度が２５０℃以上４００℃以下であって且つ処理時間が２０分以上１０時間以下である塑性加工後熱処理を施す工程をさらに備えることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項７】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工用素材をシリンダ及びスクリューを備えた射出成形装置を用いた半溶融成形法により成形することを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項８】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工用素材の上記引張応力負荷部位に対応する部位に余肉部を設けておき、塑性加工により該塑性加工用素材が所定形状の塑性加工部材に成形されるように該余肉部を上記引張応力負荷方向に略一致する方向に流動させることを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工部材はロードホイールであり、
上記塑性加工用素材の塑性加工を、上記ロードホイールのホイールディスクのスポーク延設方向に略沿った方向と、該塑性加工用素材の該ホイールディスクに対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように行うことを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【請求項１０】
請求項１に記載された塑性加工部材の製造方法において、
上記塑性加工部材はロードホイールであり、
上記塑性加工用素材の塑性加工を、上記ロードホイールのホイールリムの幅方向に略沿った方向と、該塑性加工用素材の該ホイールリムに対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように行うことを特徴とする塑性加工部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、半溶融成形法により成形した塑性加工用素材に塑性加工前熱処理を施し、その塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させた後、その熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して塑性加工部材を成形する塑性加工部材の製造方法に関する。
【０００２】
［従来の技術］
鋳造で成形したニアネット形状の鍛造用素材を鍛造することにより最終製品たる鍛造部材に仕上げる鋳造鍛造法は、鍛造法と同等の機械的性質を有する鍛造部材を比較的安価に得ることができるプロセスである。一方、一般的に鍛造部材には、Ｔ６処理（溶体化処理の後に時効硬化処理）が施され、その機械的性質の向上が図られる。しかし、このＴ６処理を鋳造鍛造法で得られた鍛造部材に適用した場合、鋳造時に導入された内部欠陥である気孔部に起因したブリスターがその表面に生起し、機械的性質の低下や外観品質の悪化を招くこととなる。
【０００３】
これに対し、特開平２０００−１９７９５６号公報には、軽金属溶湯を成形型のキャビティに充填して鍛造用素材を成形した後、その鍛造用素材に内部ガスの膨脹に起因するブリスターを生じさせる熱処理を施し、その熱処理を施した鍛造用素材を鍛造することが開示されており、このように素材段階でブリスターを発生させておくことにより、そのブリスターを鍛造で潰すことができ、最終的に得られる鍛造部材にブリスターが発生するのを確実に防止することができる、との内容が記載されている。
【０００４】
しかしながら、特開平２０００−１９７９５６号公報に開示されているような鍛造前の熱処理を行うと、最終的に得られる鍛造部材に機械的性質の異方性が生じ、塑性流動方向の方が鍛造方向よりも引張強度が高くなる。これは、半溶融成形法により製造された鍛造用素材では、液相が固化した液相固化部のマトリックスに半溶融時に固相状態であった固相部が散在したミクロ組織が形成されるが、鍛造前の熱処理後も液相固化部と固相部との界面が残存し、それが鍛造されると固相部が鍛造方向に圧縮されると共にその鍛造方向と略垂直な塑性流動方向に伸張されることとなり、これによって鍛造方向の方が塑性流動方向よりも液相固化部と固相部との界面剥離が生じ易くなるためであると考えられる。
【０００５】
［発明が解決しようとする課題］
本発明の目的は、半溶融成形法により成形され塑性加工前に熱処理された塑性加工用素材を塑性加工して製造される塑性加工部材に機械的性質の異方性が生じることを考慮した塑性加工部材の製造方法を提供することである。
【０００６】
［課題を解決するための手段］
そして、その目的を達成すべく、塑性加工部材に発現する機械的性質の異方性を考慮し、塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、塑性加工用素材の引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように塑性加工用素材の塑性加工を行うようにした。
【０００７】
具体的には、本発明は、塑性加工用素材を塑性加工する塑性加工部材の製造方法であって、
固相と液層とが混在する溶湯を成形型内に導入する半溶融成形法により塑性加工用素材を成形する工程と、
上記塑性加工用素材に対し、該塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させる塑性加工前熱処理を施す工程と、
上記熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して塑性加工部材を成形する工程と、を備え、
上記塑性加工用素材の塑性加工を、上記塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、該塑性加工用素材の該引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように行うことを特徴とする。
【０００８】
このような製造方法によれば、塑性加工前熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して得られる塑性加工部材に機械的性質の異方性が発現しても、塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、塑性加工用素材の引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように塑性加工用素材の塑性加工を行うようにしているので、製造される塑性加工部材では塑性加工による強化効果が有効に活用されることとなる。また、塑性加工部材をより薄肉に構成しても必要引張強度を確保することができることとなるので、それによってコストの削減を図ることができる。
【０００９】
ここで、上記塑性加工としては、特に限定されるものではなく、例えば、鍛造やスピニング加工等を挙げることができる。
【００１０】
引張応力負荷部位とは塑性加工部材の実使用下で引張応力が主に負荷される部位であるが、具体的には引張応力の積分値が相対的に高い部位を意味する。
【００１１】
また、半溶融成形法とは、材料金属の固相と液相とが混在した半溶融状態の溶湯を成形型内に導入して成形する方法をいい、この半溶融状態は、通常、金属材料を融点未満に加熱することによって得られる。成形された塑性加工用素材には、液相が固化した液相固化部のマトリックスに半溶融時に固相状態であった固相部が散在したミクロ組織が形成される。
【００１２】
上記塑性加工前熱処理は、塑性加工用素材の表面付近に内包されたガス欠陥等の内部欠陥たる気孔部の膨張によるブリスターをその表面及び／又はその表面近傍に生起させた後、そのブリスターを塑性加工によって潰し、それによって塑性加工部材に内包される気孔部を減少させ、塑性加工部材の機械的性質を向上させるために行われるものである。従って、シリンダ及びスクリューを備えた射出成形装置を用いた半溶融成形法のように気孔部がより発生し易い成形法で成形された塑性加工用素材を用いた場合、塑性加工部材の機械的性質を向上させるという効果を特に顕著に得ることができる。
【００１３】
上記塑性加工前熱処理の処理温度を３００℃以上５５０℃以下とすることが好ましい。このようにすれば、熱処理による酸化劣化を防止しつつ、塑性加工用素材表面及び／又はその表面近傍にブリスターを確実に生起させることができる。すなわち、塑性加工前熱処理の処理温度を３００℃より低くすると、塑性加工用素材表面及び／又はその表面近傍へのブリスターの生起が不十分となる虞がある。また、５５０℃を越える温度で熱処理すると、表面の酸化が著しくなったり、部分的に共晶融解する虞がある。かかる観点から、この処理温度を３５０℃以上４５０℃以下とするのがより好ましい。
【００１４】
また、上記塑性加工前熱処理の処理時間を１時間以上とすることが好ましい。このようにすれば、塑性加工用素材表面にブリスターを有効に生起させることができると共に、Ｔ６処理における溶体化処理と同様、液相固化部と固相部とからなるミクロ組織の均質化が進行し、塑性加工により生じる機械的性質の異方性を縮小することができる。上記塑性加工前熱処理の処理温度を３５０℃以上４５０℃以下とする場合においては、処理時間を２０時間以下とすることが好ましく、より好適には１０時間以上２０時間以下とするのがよい。
【００１５】
上記塑性加工前熱処理を比較的高温で且つ長時間施し、塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させることにより、塑性加工後熱処理を施す場合に、その処理条件を比較的低温で且つ短時間のものとすることができ、それによって塑性加工後熱処理時にブリスターが生起するのを抑止することができる。
【００１６】
そして、かかる塑性加工後熱処理としては、その処理温度を２５０℃以上４００℃以下とし、且つその処理時間を２０分以上１０時間以下とすることが好ましい。このようにすれば、塑性加工後にＴ６処理の時効硬化処理よりも高温で且つ短時間の塑性加工後熱処理が施されるので、後に実施例で明らかにするように、塑性加工部材の引張強度及び耐力を確保しつつ、延性を有効に向上させることができる。処理温度を２５０℃以上４００℃以下としたのは、処理温度が２５０℃より低いと十分な延性の向上効果が得られず、４００℃より高いと耐力が大きく低下するからである。また、処理時間を２０分以上１０時間以下としたのは、処理時間が２０分より短いと十分な延性の向上効果を得られないからであり、１０時間より長いと熱処理しない場合よりも延性が低下する場合があるからである。従って、処理時間としては５時間以下とするのがよく、１時間とするのが最もよい。
【００１７】
以上の様して製造される上記塑性加工部材としては、特に限定されるものではなく、例えば、ロードホイールやエンジンブラケット等を挙げることができる。
【００１８】
そして、上記塑性加工部材をロードホイールとする場合、引張応力負荷部位であるロードホイールのホイールディスクの引張応力負荷方向であるスポーク延設方向に略沿った方向と、塑性加工用素材のホイールディスクに対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように塑性加工用素材の塑性加工を行うことにより、ホイールディスクのスポーク延設方向の強化を有効に図ることができる。また、引張応力負荷部位であるロードホイールのホイールリムの引張応力負荷方向であるその幅方向に略沿った方向と、塑性加工用素材のホイールリムに対応する部位での塑性流動方向と、が略一致するように塑性加工用素材の塑性加工を行うことにより、ホイールリムの幅方向の強化を有効に図ることができる。
【００１９】
このような塑性加工の具体的な態様としては、引張応力負荷部位に対応する塑性加工用素材の部位に余肉部を設けておき、塑性加工により塑性加工用素材が所定形状の塑性加工部材に成形されるようにその余肉部を引張応力負荷方向に略一致する方向に流動させることが挙げられる。
【００２０】
［発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態に係る鍛造部材の製造方法について説明する。
【００２１】
（鋳造工程−射出成形工程）
＜射出成形装置＞
図１は、本実施形態に係る軽合金製の鍛造用素材（塑性加工用素材）を成形する射出成形装置１を示す。
【００２２】
この射出成形装置１は、本体部２と、本体部２に回転可能に支持されたスクリュー３と、本体部２の背部に配置されたスクリュー３を回転駆動するための回転駆動部４と、スクリュー３を囲うようにして本体部２に固定されたシリンダ５と、シリンダ５の外周に長手方向に所定ピッチで間隔をおいて配設されたヒータ６と、軽金属合金原材料が投入され貯えられるホッパ７と、ホッパ７内の原料を計量して射出成形装置１内に供給するフィーダ８と、シリンダ５の先端に装着された金型９とを備えている。
【００２３】
本体部２には、スクリュー３をシリンダ５内の長手方向に前進させる射出機構が設けられている。この射出機構は、前方に送られる軽合金溶湯の圧力により後退するスクリュー３の後退距離が予め設定されたものとなった際に、それを検知してスクリュー３の回転及び後退動作を停止させ、所定のタイミングでスクリュー３を前進させて溶湯を射出するように構成されている。スクリュー３の前進速度は制御可能とされており、金型９のキャビティ１２への溶湯の流入速度が制御されるようになっている。
【００２４】
シリンダ５には、先端部にノズル１０が設けられており、シリンダ５内で攪拌・混練された溶湯がこのノズル１０を通してキャビティ１２に射出されるようになっている。このキャビティ１２への溶湯の射出は、シリンダ５前方部に所定量の溶湯が溜まったときに行われるので、それまでの間は、溶湯のノズル１０からの流出を防止する必要がある。そこで、溶湯をシリンダ５前方部に溜めている間は、溶湯が凝固して形成されるコールドプラグによりノズル１０を塞ぎ、溶湯を射出する際は、溶湯の射出と共にそれが容易に金型９側に押し出されて外れるようにノズル１０の温度制御がなされている。
【００２５】
シリンダ５の外周に設けられたヒータ６は、シリンダ５が長手方向に沿って前方に行くほど高温となるように、複数のゾーンに分割されて温度制御が行われ、軽合金原料がスクリュー３によってシリンダ５内を前方に搬送されながら昇温し、シリンダ５前方部において融点未満の半溶融状態の溶湯となるように制御されている。
【００２６】
ホッパ７、フィーダ８及びシリンダ５並びにこれらを連結する通路には、軽合金の酸化を防止するために不活性ガス（例えばＡｒガス）が充填されている。
【００２７】
金型９は、ノズル１０から射出された溶湯を導くランナー部１１を有している。そのランナー部１１は、シリンダ５のノズル１０から真っ直ぐに延びた後、垂直に立ち上がるＬ字状に形成されており、その角部にはノズル１０から外れたコールドプラグを受けるためのプラグ受け部１１ａが設けられている。また、金型９は、ランナー部１１と連通したキャビティ１２と、キャビティ１２とランナー部１１との境界をなすゲート部１３と、キャビティ１２のゲート部１３から離間した位置に設けられ、溶湯により置換されたキャビティ１２内のガスを収容するためのオーバーフロー部１４とを備えている。
【００２８】
＜射出成形方法＞
次に、軽合金製の鍛造用素材の射出成形方法について説明する。
【００２９】
まず、チップ状の軽合金（例えばＭｇ−Ａｌ合金等）を原材料として射出成形装置１のホッパ７に投入する。投入された軽合金チップは、フィーダ８で所定量が計量されて射出成形装置１内に供給される。
【００３０】
次いで、軽合金チップは、スクリュー３の回転によって加熱状態のシリンダ５内に送給されると共に、シリンダ５内部でスクリュー３の回転により十分に攪拌・混練されながら所定温度に加熱される。このとき、軽合金チップは、融点未満の半溶融状態の軽合金溶湯となる。
【００３１】
このようにして得られた溶湯は、スクリュー３によって前方に押し出されてシリンダ５前方部に溜められると共に、溜まった溶湯の圧力によりスクリュー３が後退する。ここで、シリンダ５に設けられたノズル１０の温度を下げ、溶湯の一部が凝固して形成されたコールドプラグによってノズル１０が塞がれるようにして、溶湯がノズル１０を通ってシリンダ５外に流出するのを防ぐ。
【００３２】
スクリュー３が予め設定された距離だけ後退すると、本体部２の射出機構がそれを検知してスクリュー３の回転及び後退動作を停止させる。このとき、シリンダ５前方部にはワンショット分の溶湯が溜まった状態となる。
【００３３】
そして、射出機構によってスクリュー３を前進させて溶湯に圧力を作用させることにより、コールドプラグを金型９側に押し出して外し、ノズル１０から射出された溶湯をキャビティ１２に流入させる。このとき、半溶融状態の軽合金溶湯は、層流又は層流に近い状態でキャビティに流入することとなり、エア等を巻き込み難く、ガス欠陥や引け巣等の気孔部が少ない鍛造用素材が成形される。なお、外れたコールドプラグはランナー部１１のプラグ受け部１１ａに保持される。
【００３４】
最後に、溶湯が凝固した後、金型９を開き、成形された射出成形材たる鍛造用素材を取り出す。
【００３５】
以上のようにして製造された鍛造用素材は、液相が固化した液相固化部のマトリックスに半溶融時に固相であった固相部が散在したミクロ組織を有する。
【００３６】
（鍛造前熱処理工程）
上記のようにして射出成形した鍛造用素材に、処理温度が３００℃以上５５０℃以下、処理時間が１時間以上である鍛造前熱処理（塑性加工前熱処理）を施す（好ましくは、処理温度：３５０℃以上４５０℃以下  処理時間：１時間以上２０時間以下、さらに好ましくは、処理温度：３５０℃以上４５０℃以下  処理時間：１０時間以上２０時間以下とする）。このとき、この鍛造前熱処理によって液相固化部と固相部との界面の識別が困難となる程度に鍛造用素材のミクロ組織の均質化が進行する（完全均質化ではない）と共に、鍛造用素材の表面付近の内部欠陥たる気孔部が膨張して鍛造用素材表面及び表面近傍にブリスターが生起する。
【００３７】
（鍛造工程）
鍛造前熱処理を施した鍛造用素材に、形成される鍛造成型空間が完全に閉塞された鍛造型で行う閉塞鍛造（閉塞塑性加工）、又は形成される鍛造成型空間が完全には閉塞されておらず、鍛造用素材の少なくとも一部が拘束されずにフリーに塑性変形し得るようになった鍛造型で行う非閉塞鍛造（非閉塞塑性加工）を施す。このとき、鍛造部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、鍛造用素材の引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向とが略一致するように鍛造用素材の鍛造を行う。
【００３８】
ロードホイールの場合について具体的に説明する。図２Ａ及びＢに示すように、ロードホイール１５のホイールディスク１６は、実使用下においてスポーク１６ａ，１６ａ、…に図中の矢印方向（スポーク延設方向に略沿った方向）の引張応力が主に負荷された状態となる。すなわち、スポーク１６ａ，１６ａ，…が引張応力負荷部位となる。そこで、図３Ａに示すように、スポーク対応部１７ａの裏面側に一箇所以上の余肉部が設けられた鍛造用素材１７を鋳造により成形し、図３Ｂに示すように、塑性流動方向とスポーク１６ａ，１６ａ、…の実使用下における引張応力負荷方向、すなわち、スポーク延設方向に略沿った方向とが略一致するように、鍛造によりスポーク対応部１７ａの余肉部を図中の矢印の方向に塑性流動させる。なお、厳密には、スポーク１６ａの表面側に引張応力が負荷される一方、裏面側に圧縮応力が負荷されることから、本来はスポーク１６ａ表面側に鍛造を多く付与することが望まれるところ、表面側に強鍛造を施すと鍛造後の表面性状が劣悪となるので、裏面側から鍛造を施しても表面側にその強化効果が及ぶように、素材の選定、鍛造用素材１７の寸法形状及びロードホイール１５の仕上がり寸法形状の設定がなされる。具体的な例を図４Ａ〜Ｃに示す。図４Ａは、図３Ａ及びＢと同様に裏面側の半径方向の中央部に隆起した余肉部を有する鍛造用素材１７に鍛造を施すことにより等厚さのスポーク１６ａを成形する第１の例を、図４Ｂは、裏面側の半径方向に波形の凹凸が形成され凸部が余肉部となった鍛造用素材１７に鍛造を施すことにより等厚さのスポーク１６ａを成形する第２の例を、図４Ｃは、図４Ａと同様の裏面側の半径方向の中央部に隆起した余肉部を有する鍛造用素材１７に鍛造を施すことにより両端が厚肉で中央部が薄肉のスポーク１６ａを成形する第３の例をそれぞれ示す。いずれの例においても、各例の鍛造用素材１７及びスポーク１６ａのそれぞれの寸法形状の設定がなされていることにより、図中に矢印で示すように、裏面側から鍛造を施しても成形されるスポーク１６ａの厚さ方向の中心線よりも表面側に鍛造が入り、表面側にその強化効果が及ぶこととなる。
【００３９】
そして、このとき、鍛造前熱処理によって鍛造用素材表面及び表面近傍に生起したブリスターの一部は鍛造により潰され、内部欠陥の数は射出成形後の鍛造用素材のものよりも少なくなる。
【００４０】
（鍛造後熱処理工程）
鍛造されて成形された鍛造成形材に、処理温度が２５０℃以上４００℃以下で、且つ処理時間が２０分以上１０時間以下である鍛造後熱処理（塑性加工後熱処理）を施した後冷却して鍛造部材とする。このとき、鍛造前熱処理が比較的高温で且つ長時間施されていることにより、鍛造後熱処理条件が比較的低温で且つ短時間のものとされ、しかも、鍛造により内部欠陥の数が減じられるため、鍛造後熱処理時におけるブリスターの生起が抑止される。
【００４１】
上記のような鍛造部材の製造方法によれば、鍛造前熱処理した鍛造用素材を鍛造して製造される鍛造部材に機械的性質の異方性が発現しても、鍛造部材の実使用下で引張応力が主に負荷される引張応力負荷部位での引張応力負荷方向と、鍛造用素材の引張応力負荷部位に対応する部位での塑性流動方向とが略一致するように鍛造用素材の鍛造が行われるようにしているので、製造される鍛造部材に鍛造による強化効果を有効に活用することができる。また、鍛造部材をより薄肉に形成しても必要引張強度を確保することができるので、それによってコストの削減を図ることができる。
【００４２】
また、鍛造前熱処理の処理温度を３００℃以上５５０℃以下とし（好ましくは、処理温度：３５０℃以上４５０℃以下）、処理時間を１時間以上としている（好ましくは、処理時間：１時間以上２０時間以下、さらに好ましくは１０時間以上２０時間以下）ので、鍛造用素材の表面及び表面近傍に内包された気孔部の膨張によるブリスターを確実に生起させることができ、そのブリスターを鍛造によって潰すことにより、鍛造部材に内包される気孔部を減少させ、鍛造部材の機械的性質の向上を図ることができる。加えて、液相固化部と固相部とからなるミクロ組織の均質化が進行し、鍛造用素材の機械的性質の異方性を縮小することができる。
【００４３】
さらに、鍛造後にＴ６処理の時効硬化処理よりも高温で且つ短時間の鍛造後熱処理が施されるので、鍛造部材の引張強度及び耐力を確保しつつ、延性を有効に向上させることができる。
【００４４】
−その他の実施形態−
本実施形態では、鍛造用素材を射出成形法で成形したが、特にこれに限定されるものではなく、ダイキャスト法等の他の成形方法によって成形するようにしてもよい。
【００４５】
また、本実施形態では、鍛造用素材を軽金属（Ｍｇ−Ａｌ合金）で形成したが、特にこれに限定されるものではなく、その他の金属材料であってもよい。
【００４６】
また、上記実施形態では、鍛造により塑性加工を行ったが、特にこれに限定されるものではなく、スピニング加工等であってもよい。
【００４７】
また、上記実施形態の鍛造部材の具体例をロードホイール１６としたが、特にこれに限定されるものではなく、エンジンブラケット等であってもよい。
【００４８】
また、上記実施形態では、ホイールディスク１６を鍛造により塑性加工するものとしたが、以下のように、ホイールリム１８をスピニング加工により塑性加工するものであってもよい。ロードホイール１５のホイールリム１８は、図５に示すように、実使用下においてホイールリム１８に図中の矢印方向（ホイールリム１８の幅方向に略沿った方向）の引張応力が主に負荷された状態となる。すなわち、ホイールリム１８が引張応力負荷部位となる。そこで、図６Ａに示すような鍛造用素材１９のリム対応部１９ａをスピニング加工することにより、塑性流動方向とホイールリム１８の実使用下における引張応力負荷方向、すなわち、ホイールリム１８の幅方向に略沿った方向とが略一致するように図中の矢印の方向に塑性流動させる。その結果、ホイールリム１８をより薄肉に形成しても必要引張強度を確保することができる。
【００４９】
（実験１）
＜実験方法＞
射出成形装置を用い、表１に組成を示す合金Ａにより、金属塊状の鍛造用素材を２つ成形した。
【００５０】
一方の鍛造用素材には、表２に示す条件Ａの鍛造及び熱処理を施した。すなわち、４００℃で１０時間の鍛造前熱処理を施した後に冷却し、その熱処理した鍛造用素材に非閉塞鍛造を行って板状の鍛造成形材とした後、その鍛造成形材に３５０℃で１時間の鍛造後熱処理を施した後に冷却して鍛造部材とした。このとき、非閉塞鍛造は、鍛造加工率が５０％となるように行った。すなわち、図７に示すように、鍛造方向の初期厚さをｈ０とし且つ鍛造後厚さをｈ１としたとき、（ｈ０−ｈ１）／ｈ０×１００＝５０（鍛造加工率）となるようにした。
【００５１】
また、他方の鍛造用素材には、表２に示す条件Ｂの鍛造及び熱処理を施した。すなわち、非閉塞鍛造を行って鍛造成形材とし、その鍛造成形材に４００℃で１０時間の溶体化処理を施した後に空冷し、続いて、１７５℃で１６時間の時効硬化処理を施した後に空冷して（すなわち、Ｔ６処理）板状の鍛造部材とした（条件Ｂ）。このとき、非閉塞鍛造は、鍛造加工率が５０％となるように行った。
【００５２】
両鍛造部材の各々から、図７Ｂに示すように、引張方向と鍛造方向とが一致する引張試験片２１と、引張方向と鍛造方向に垂直な塑性流動方向とが一致する引張試験片２２とをそれぞれ切り出した。
【００５３】
そして、各鍛造部材から切り出した引張方向と鍛造方向とが一致する引張試験片２１及び引張方向と塑性流動方向２２とが一致する引張試験片について引張試験を実施した。
【００５４】
また、各鍛造部材の表面のミクロ組織を顕微鏡観察した。
【００５５】
【表１】
2004519333.tif 000002
【００５６】
【表２】
2004519333.tif 000003
【００５７】
＜実験結果＞
図８は、条件Ａで製造した鍛造部材の各引張試験片の引張試験結果（０．２％耐力、引張強度及び破断伸び）を示す。図９は、条件Ｂで製造した鍛造部材の各引張試験片における図８に相当する関係を示す。これらを比較すると、前者は、引張方向と鍛造方向とが一致する引張試験片よりも引張方向と塑性流動方向とが一致する引張試験片の方が、０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのいずれの機械的性質も高いことが分かる。これに対し、後者は、引張方向と鍛造方向とが一致する引張試験片も引張方向と塑性流動方向とが一致する引張試験片も、０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのいずれの機械的性質も同等であることが分かる。
【００５８】
図１０Ａ及びＢは、条件Ａで製造した鍛造部材及び条件Ｂで製造した鍛造部材のそれぞれの表面のミクロ組織を示す。これらの図によれば、条件Ａで製造した鍛造部材では、液相固化部のマトリックスに固相部が散在し、しかも固相部が塑性流動方向に配向したミクロ組織の形態をしているのに対し、条件Ｂで製造した鍛造部材では、ミクロ組織が均質であることが分かる。両鍛造部材の機械的性質の異方性の有無はこのミクロ組織の差に起因するものであると考えられる。また、条件Ａで製造した鍛造成形材について、鍛造方向よりも塑性流動方向の方が機械的性質が高いのは、前者の方が後者よりも液相固化部と固相部との界面剥離が生じ易いためであると推測される。
【００５９】
（実験２）
＜実験方法＞
射出成形装置を用い、表１に組成を示す合金Ｂにより、金属板状の射出成形材を成形した。このとき、成形した射出成形材の固相率が５％となるように溶湯の温度制御を行い、固相率は成形した射出成形材表面を画像解析することにより確認した。ここで、合金Ｂは、ＡＳＴＭ規格におけるＡＺ９１Ｄである。同様にして、表１に組成を示す合金Ｃにより金属板状の射出成形材を成形した。このとき、成形した射出成形材の固相率が１０％となるように溶湯の温度制御を行った。
【００６０】
合金Ｂ及びＣのそれぞれの金属板状の射出成形材から、幅１０ｍｍ、長さ３５ｍｍ及び厚さ２１ｍｍのブロック状の鍛造用素材を数個ずつ切り出し、それらに、合金Ｂのものについては４１０℃で１６時間の、合金Ｃのものについては４００℃で１０時間の鍛造前熱処理を施して冷却した。
【００６１】
次いで、鍛造前熱処理した鍛造用素材のそれぞれについて、その幅方向を拘束して厚さが２１ｍｍから半分の１０．５ｍｍとなるまで鍛造し、鍛造成形材とした（鍛造加工率５０％）。
【００６２】
次いで、合金Ｂ及びＣの鍛造成形材に、１７０℃、２５０℃、３００℃、３５０℃及び４００℃のそれぞれの温度で４時間の鍛造後熱処理を施した後に冷却して鍛造部材とした。比較参考のために、鍛造後熱処理を施さない鍛造成形材も残しておいた。
【００６３】
そして、鍛造後熱処理を施した鍛造部材及び熱処理を施さない鍛造成形材のそれぞれについて引張試験を実施した。
【００６４】
また、合金Ｂ及びＣのそれぞれについて、３００℃、３５０℃及び４００℃で鍛造後熱処理を施したものの引張試験後における表面のミクロ組織を顕微鏡観察した。このとき、比較参考のために、鍛造前後の熱処理ではなく、鍛造成形材にＴ６処理（合金Ｂ：溶体化処理が４１０℃で１６時間、時効硬化処理が１７０℃で１６時間  合金Ｃ：溶体化処理が４００℃で１０時間、時効硬化処理が１７５℃で１６時間）を施したものの観察をも行った。
【００６５】
＜実験結果＞
図１１は、合金Ｂにおける鍛造後熱処理温度と、鍛造材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びとの関係を示し、図１２は、合金Ｃにおける図１１に相当する関係を示す。図１１及び１２によれば、合金Ｂ及びＣのいずれの場合も、処理温度が高くなるに従って、０．２％耐力は低下傾向を、引張強度は緩やかな向上傾向を、破断伸びは向上傾向をそれぞれ示すことが分かる。また、破断伸びについては、Ｔ６処理の時効硬化処理温度（１７０℃以上２３０℃以下）と同等の処理温度で熱処理した場合には、熱処理しない場合よりも破断伸びが小さくなるが、処理温度を２５０℃以上とすれば、０．２％耐力及び引張強度を大幅に低下させることなく、しかも破断伸びを大幅に向上させることができることが分かる。
【００６６】
図１３Ａ〜Ｄは、合金Ｂの鍛造部材のミクロ組織を示し（図１３Ａ：Ｔ６処理、図１３Ｂ：３００℃処理、図１３Ｃ：３５０℃処理及び図１３Ｄ：４００℃処理）、図１４Ａ〜Ｄは合金Ｃにおける図１３Ａ〜Ｄに相当するミクロ組織を示す。図１３Ａ〜Ｄ及び１３Ａ〜Ｄによれば、Ｔ６処理を施したものでは（図１３Ａ及び図１４Ａ）、結晶粒の粗大化が確認でき、合金Ｂでは化合物（Ｍｇ１７Ａｌ１２）の偏析（図中の黒色部）が起こっているのも確認できる。これに対し、Ｔ６処理よりも高温で短時間の鍛造後熱処理を施したものについて、処理温度が３００℃では（図１３Ｂ及び図１４Ｂ）、明確な結晶粒界が認められず、化合物の析出は均質である。処理温度が３５０℃では（図１３Ｃ及び図１４Ｃ）、細かい結晶粒界が認められ、化合物の析出は均質である。処理温度が４００℃では（図１３Ｄ及び図１４Ｄ）、結晶粒が粗大化するのが認められ、化合物の析出は均質である。
【００６７】
以上の引張試験結果とミクロ組織観察結果より、鍛造後熱処理の後における鍛造部材を構成するミクロ組織が延性に関与しているものと考えられる。すなわち、再結晶していないような組織では、変形し難いために引張強度は高いものの延性に乏しいものとなり、そして、再結晶による結晶粒の変形により延性が付与されることとなり、しかしながら、結晶粒の大きさが大きくなりすぎると、結晶粒の変形が困難となり、脆化して引張強度及び延性が低下するようになるのではないかと考えられる。
【００６８】
従って、高引張強度の鍛造部材を得るためには、結晶粒が確認できないようなミクロ組織となる処理温度を選択し、高延性の鍛造部材を得るためには、細かな結晶粒が確認できるようなミクロ組織となる処理温度を選択して鍛造後熱処理を施すようにすればよい。
【００６９】
（実験３）
＜実験方法＞
実験２と同様にして、合金Ｂ及びＣのそれぞれについて、幅１０ｍｍ、長さ３５ｍｍ及び厚さ２１ｍｍのブロック状の鍛造用素材を数個ずつ準備し、それらに、合金Ｂのものについては４１０℃で１６時間の、合金Ｃのものについては４００℃で１０時間の鍛造前熱処理を施した。
【００７０】
次いで、鍛造前熱処理を施した鍛造用素材のそれぞれについて、幅方向に拘束して厚さが２１ｍｍから半分の１０．５ｍｍとなるまで鍛造し、鍛造成形材とした（鍛造加工率５０％）。
【００７１】
鍛造した鍛造成形材に、合金Ｂについては３００℃で、合金Ｃについては３５０℃でそれぞれ１時間、４時間、１０時間及び１５時間の鍛造後熱処理を施し、鍛造部材とした。
【００７２】
そして、各鍛造部材について引張試験を実施した。
【００７３】
＜実験結果＞
図１５は、合金Ｂにおける鍛造後熱処理時間と、鍛造材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びとの関係を示し、図１６は、合金Ｃにおける図１５に相当する関係を示す。なお、処理時間０のデータは、実験２における鍛造後熱処理を施さなかった鍛造成形材についてのデータである。図１５及び１６によれば、合金Ｂ及びＣのいずれの場合も、０．２％耐力は処理時間が１時間までは比較的大きく低下するが、処理時間がそれよりも長くなると緩やかな低下傾向に変わるのが分かる。また、引張強度は処理時間が１時間まではわずかに向上するが、処理時間がそれよりも長くなると緩やかな低下傾向を示すのが分かる。一方、破断伸びは、合金Ｂの場合、処理時間が１時間までは大幅な向上を示すが、処理時間がそれより長くなってもほぼ一定水準を示すのに対し、合金Ｃの場合、処理時間が１時間の時にピークを示し、処理時間がそれより長くなると低下する傾向を示すのが分かる。以上より、合金Ｂ及びＣのいずれの場合も、熱処理開始からの最初の１時間で大幅な破断伸びの向上効果を得ることができ、また、合金Ｃでは、処理時間を１０時間以下（好ましくは５時間以下）とすることにより、破断伸びが大幅に改善された鍛造部材を得ることができるといえる。
【００７４】
以上のように、本発明は、半溶融成形法により成形した塑性加工用素材に塑性加工前熱処理を施し、塑性加工用素材に内包された気孔部を膨脹させてブリスターを生起させた後、その熱処理した塑性加工用素材を塑性加工して塑性加工部材を成形する塑性加工部材の製造方法に対して有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態の射出成形装置の部分断面図である。
【図２】
Ａは、本発明の実施形態の鍛造部材であるロードホイールにおけるホイールディスクの正面図であり、Ｂは、ＡにおけるＩＩＢ−ＩＩＢ断面図である。
【図３】
Ａは、本発明の実施形態の鍛造部材であるロードホイールを成形するための鍛造用素材のスポーク対応部の縦断面図であり、Ｂは、その鍛造用素材の鍛造後のロードホイールのスポークの縦断面図である。
【図４Ａ】
第１の例の鍛造用素材のスポーク対応部及び鍛造後のスポークのそれぞれの縦断面図である。
【図４Ｂ】
第２の例の鍛造用素材のスポーク対応部及び鍛造後のスポークのそれぞれの縦断面図である。
【図４Ｃ】
第３の例の鍛造用素材のスポーク対応部及び鍛造後のスポークのそれぞれの縦断面図である。
【図５】
本発明の他の実施形態の鍛造部材であるロードホイールの縦断面図である。
【図６】
Ａは、本発明の実施形態の鍛造部材であるロードホイールを成形するための鍛造用素材の縦断面図であり、Ｂは、その鍛造用素材の鍛造後のロードホイールの縦断面図である。
【図７】
Ａ及びＢは、実験１における鍛造前後の状態をそれぞれ示す説明図である。
【図８】
実験１における条件Ａで製造した鍛造部材の各引張試験片の０．２％耐力、引張強度及び伸びを示すグラフである。
【図９】
実験１における条件Ｂで製造した鍛造部材の各引張試験片の０．２％耐力、引張強度及び伸びを示すグラフである。
【図１０】
Ａ及びＢは、実験１における条件Ａ及び条件Ｂにより製造された鍛造部材のそれぞれの表面のミクロ組織を示す図である。
【図１１】
実験２における合金Ｂの鍛造後熱処理温度と鍛造部材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのそれぞれとの関係を示すグラフである。
【図１２】
実験２における合金Ｃの鍛造後熱処理温度と鍛造部材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのそれぞれとの関係を示すグラフである。
【図１３】
Ａ〜Ｄは、実験２における種々の熱処理条件で鍛造後熱処理した合金Ｂの鍛造部材表面のミクロ組織を示す図である。
【図１４】
Ａ〜Ｄは、実験２における種々の熱処理条件で鍛造後熱処理した合金Ｃの鍛造部材表面のミクロ組織を示す図である。
【図１５】
実験３における合金Ｂの鍛造後熱処理時間と鍛造部材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのそれぞれとの関係を示すグラフである。
【図１６】
実験３における合金Ｃの鍛造後熱処理時間と鍛造材の０．２％耐力、引張強度及び破断伸びのそれぞれとの関係を示すグラフである。
【図１】
2004519333.tif 000004
【図２】
2004519333.tif 000005
【図３】
2004519333.tif 000006
【図４Ａ】
2004519333.tif 000007
【図４Ｂ】
2004519333.tif 000008
【図４Ｃ】
2004519333.tif 000009
【図５】
2004519333.tif 000010
【図６】
2004519333.tif 000011
【図７】
2004519333.tif 000012
【図８】
2004519333.tif 000013
【図９】
2004519333.tif 000014
【図１０】
2004519333.tif 000015
【図１１】
2004519333.tif 000016
【図１２】
2004519333.tif 000017
【図１３】
2004519333.tif 000018
【図１４】
2004519333.tif 000019
【図１５】
2004519333.tif 000020
【図１６】
2004519333.tif 000021
【国際公開パンフレット】
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2004519333.tif 000023
2004519333.tif 000024
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2004519333.tif 000071
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004519333.tif 000072
【国際調査報告】
2004519333.tif 000073
2004519333.tif 000074