(57)【要約】【課題】簡単な方法で短時間に十分な塑性変形を加え、マグネシウム合金の結晶粒を確実に微細化する。【解決手段】第１及び第２キャビティ２，３並びに、これら第１及び第２キャビティ２，３間を連通させる第１及び第２キャビティ２，３よりも断面積の小さいポート部４を有する金型５を用意する。次いで、第１キャビティ２に出発材料としてのマグネシウム合金１００を収容し、第１キャビティ２内のマグネシウム合金１００をポート部４に向かって押し出しながら、ポート部４を通過したマグネシウム合金１００を第２キャビティ３内で据え込みする。【選択図】図１
2013184183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内で押出及び据込を行って軽金属材に強歪み加工を行って高強度化する高強度軽金属材の製造方法であって、
第１及び第２キャビティ並びに第１及び第２キャビティ間を連通させる該第１及び第２キャビティよりも断面積の小さいポート部を有する金型を用意する準備工程と、
上記第１キャビティに出発材料としての軽金属材を収容する収容工程と、
上記第１キャビティ内の軽金属材を上記ポート部に向かって押し出しながら、該ポート部を通過した上記軽金属材を上記第２キャビティ内で据え込みする第１押出据込工程とを含む
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の高強度軽金属材の製造方法において、
上記第１押出据込工程の後に
上記第２キャビティ内の軽金属材を上記ポート部に向かって押し出しながら、該ポート部を通過した上記軽金属材を上記第１キャビティ内で据え込みする第２押出据込工程をさらに含む
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高強度軽金属材の製造方法において、
上記出発材料に予熱を加える工程をさらに含む
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の高強度軽金属材の製造方法において、
上記第２押出据込工程における上記軽金属材の温度は、上記第１押出据込工程における上記軽金属材の温度よりも低い
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項５】
請求項１に記載の高強度軽金属材の製造方法において、
上記第１押出据込工程の後に
上記第１押出据込工程又は上記第２押出据込工程を繰り返す繰り返し押出据込工程を含み、
上記繰り返し押出据込工程において、押出据込を繰り返す毎に上記金型の温度を下げる
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項６】
金型内で押出及び据込を行って軽金属材に強歪み加工を行って高強度化する高強度軽金属材の製造装置であって、
第１及び第２キャビティ並びに第１及び第２キャビティ間を連通させる該第１及び第２キャビティよりも断面積の小さいポート部を有する金型と、
上記第１キャビティ内に配置された第１パンチと、
上記第２キャビティ内に配置された第２パンチと、
上記第１パンチと上記第２パンチとを同期させながら、上記第１キャビティ及び第２キャビティのいずれか一方にある軽金属材を上記第１及び第２パンチで両側から押さえ込み、上記ポート部を通過させて他方のキャビティへ移動させることにより、押出及び据込を同時に行う制御装置とを備えている
ことを特徴とする高強度軽金属材製造装置。
【請求項７】
請求項６に記載の高強度軽金属材製造装置において、
上記金型は、加熱手段を備え、
上記制御装置は、上記加熱手段を制御して１つの上記軽金属材に対して上記押出及び据込を繰り返す毎に上記金型の温度を下げるように構成されている
ことを特徴とする高強度軽金属材製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度軽金属材の製造方法及びその製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マグネシウム合金に代表される軽金属材は、軽量という利点を有することで知られているが、強度が低く、また室温での加工性が劣っているので、その実用範囲が限定されている。この機械的性質を改善するために、軽金属材に極めて大きな塑性変形を加えて結晶粒を微細化する方法が行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１のように、型内で、マグネシウム合金に押出と据込とを１回又は２回以上繰り返し行って、マグネシウム合金に強歪みを加えて高強度化する製造方法が知られている。
【０００４】
また、特許文献２のように、温間で合金に塑性加工を与える際、押出方向を内角１８０°未満で側方に変化させるときの剪断変形によって、結晶粒を微細化させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９５９８４号公報
【特許文献２】特開２００３−０９６５４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１の製造方法では、押出孔を開いて押出を行い、その後押出孔を閉じて据込を行う、というように押出と据込とを１つの金型で交互に行っているので、押出孔の開閉及び材料の出し入れに非常に手間がかかる。
【０００７】
一方、上記特許文献２の製造方法では、屈曲した押出孔を通過させているため、大きな圧縮力が必要となり、大規模な設備が必要となる、という問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡単な方法で短時間に十分な塑性変形を加え、軽金属材の結晶粒を確実に微細化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、この発明では、１つの金型で押出及び据込を同時に行うようにした。
【００１０】
具体的には、第１の発明では、金型内で押出及び据込を行って軽金属材に強歪み加工を行って高強度化する高強度軽金属材の製造方法を対象とする。
【００１１】
第１及び第２キャビティ並びに第１及び第２キャビティ間を連通させる該第１及び第２キャビティよりも断面積の小さいポート部を有する金型を用意する準備工程と、
上記第１キャビティに出発材料としての軽金属材を収容する収容工程と、
上記第１キャビティ内の軽金属材を上記ポート部に向かって押し出しながら、該ポート部を通過した上記軽金属材を上記第２キャビティ内で据え込みする第１押出据込工程とを含む構成とする。
【００１２】
上記の構成によると、第１キャビティから、より断面積の小さいポート部に押し出されるときに断面積の急激な変化により、軽金属材に対し強歪みが加えられる。そして、ポート部から出てきて断面積が小さくなった軽金属材は、第２キャビティ内で据え込みされて再び大きな断面積に戻る。このときも、断面積の急激な変化により、軽金属材に対し強歪みが加えられる。このように、１つの金型内で同時に押出と据込とを同時に行って軽金属材に強歪み加工を極めて容易に施すことができる。
【００１３】
第２の発明では、第１の発明において、
上記第１押出据込工程の後に、上記第２キャビティ内の軽金属材を上記ポート部に向かって押し出しながら、該ポート部を通過した上記軽金属材を上記第１キャビティ内で据え込みする第２押出据込工程をさらに含む。
【００１４】
上記の構成によると、１回目の押出据込工程を終えて第２キャビティ内にある軽金属材を取り出すことなく、繰り返し強歪み加工して結晶粒を微細化できる。また、一度に大きな押出比で押出を行うよりも小規模の設備で実施が可能である。
【００１５】
第３の発明では、第１又は第２の発明において、
上記出発材料に予熱を加える工程をさらに含む構成とする。
【００１６】
上記の構成によると、予熱を加えることで、適度に出発材料が軟化して押出圧力を小さくすることができる。
【００１７】
第４の発明では、第２又は第３の発明において、
上記第２押出据込工程における上記軽金属材の温度は、上記第１押出据込工程における上記軽金属材の温度よりも低い。
【００１８】
上記の構成によると、徐々に温度を下げることで、押出圧力を上げることなく歪み導入効果を高めることができる。
【００１９】
第５の発明では、第４の発明において、
上記第２押出据込工程の後に
上記第１押出据込工程又は上記第２押出据込工程を繰り返す繰り返し押出据込工程を含み、
上記繰り返し押出据込工程において、押出据込を繰り返す毎に上記金型の温度を下げる構成とする。
【００２０】
上記の構成によると、温度を下げながら押出据込工程を繰り返すことで、さらに結晶粒の微細化を行うことができる。
【００２１】
第６の発明では、金型内で押出及び据込を行って軽金属材に強歪み加工を行って高強度化する高強度軽金属材製造装置を対象とする。
【００２２】
第１及び第２キャビティ並びに第１及び第２キャビティ間を連通させる該第１及び第２キャビティよりも断面積の小さいポート部を有する金型と、
上記第１キャビティ内に配置された第１パンチと、
上記第２キャビティ内に配置された第２パンチと、
上記第１パンチと上記第２パンチとを同期させながら、上記第１キャビティ及び第２キャビティのいずれか一方にある軽金属材を上記第１及び第２パンチで両側から押さえ込み、上記ポート部を通過させて他方のキャビティへ移動させることにより、押出及び据込を同時に行う制御装置とを備えている。
【００２３】
上記の構成によると、簡単な構成で、軽金属材に対し、１つの金型内で同時に押出と据込とを同時に行って極めて容易に軽金属材に強歪み加工を施すことができる。
【００２４】
第７の発明では、第６の発明において、
上記金型は、加熱手段を備え、
上記制御装置は、上記加熱手段を制御して１つの上記軽金属材に対して上記押出及び据込を繰り返す毎に上記金型の温度を下げるように構成されている。
【００２５】
上記の構成によると、徐々に温度を下げることで、押出圧力を上げることなく歪み導入効果を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上説明したように、本発明によれば、一方のキャビティ内の軽金属材をポート部に向かって押し出しながら、ポート部を通過した軽金属材を他方のキャビティ内で据え込みするようにしたことにより、簡単な方法で短時間に十分な塑性変形を加え、軽金属材の結晶粒を確実に微細化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】高強度軽金属材の製造方法における収容工程の概略を示す断面図である。
【図２】高強度軽金属材の製造方法における第１押出据込工程の概略を示す断面図である。
【図３】高強度軽金属材の製造方法における第１押出据込工程の概略を示す断面図である。
【図４】高強度軽金属材の製造方法における第２押出据込工程の概略を示す断面図である。
【図５】高強度軽金属材の製造方法における第２押出据込工程の概略を示す断面図である。
【図６】実施例の試験結果を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１に示すように、本発明の実施形態に係る高強度軽金属材製造装置１は、第１及び第２キャビティ２，３並びに、これら第１及び第２キャビティ２，３間を連通させるポート部４を有する金型５を備えている。例えば、第１及び第２キャビティ２，３は、断面円形であり、両者はほぼ同一の断面積を有している。ポート部４は、第１及び第２キャビティ２，３よりも断面積の小さい押出孔４ａを備えている。第１キャビティ２内には、この第１キャビティ２内を往復移動可能な断面円形の第１パンチ６が配置されている。第１パンチ６の断面積は、第１キャビティ２内でスライド移動可能なように第１キャビティ２の断面積より若干小さくなっている。同様に第２キャビティ３内には、この第２キャビティ３内を往復移動可能な断面円形の第２パンチ７が配置されている。同様に第２パンチ７の断面積は、第２キャビティ３の断面積よりも若干小さくなっている。押出孔４ａの大きさは、第１及び第２キャビティ２，３に対して小さくする必要があるが、その断面積比は、プレス機械の能力に合わせて選定するとよい。
【００３０】
詳しくは説明しないが、第１パンチ６は、第１油圧シリンダ８により第１キャビティ２内を往復移動可能に構成され、第２パンチ７は、第２油圧シリンダ９により第２キャビティ３内を往復移動可能に構成されている。この構成は特に限定されず、押出方向は、水平方向でも鉛直方向でもよく、アクチュエータも特に限定されない。
【００３１】
また、金型５内には、加熱手段としてのヒータ１０を備え、このヒータ１０により、金型５全体を加熱可能となっている。このヒータ１０の温度調整や、第１及び第２油圧シリンダ８，９の伸縮作動は、制御装置１１で制御されるようになっている。この制御装置１１により、第１パンチ６と第２パンチ７とを同期させながら、第１及び第２キャビティ２，３のいずれか一方にある軽金属材としてのマグネシウム合金１００を第１及び第２パンチ６，７で両側から押さえ込み、ポート部４を通過させて他方のキャビティ２，３へ移動させることにより、押出及び据込を同時に行うように構成されている。また、制御装置１１は、ヒータ１０を制御して１つのマグネシウム合金１００に対して押出及び据込を繰り返す毎に金型５の温度を下げるように構成されている。
【００３２】
−高強度軽金属材の製造方法−
次に、本実施形態に係る高強度軽金属材製造装置１を用いた高強度軽金属材の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、予熱工程において、出発材料となるマグネシウム合金１００に予熱を加える。予熱温度は、１００〜４００℃程度が望ましい。予熱温度は、１００℃よりも低いと押出圧力が高くなるので大規模設備で行う必要があり、不経済となる。４００℃よりも高いと結晶粒が粗大化して逆効果となり、また、簡単に塑性変形してしまって歪導入効果が少なくなる。１００〜４００℃程度の適度な温度で予熱を加えることで、適度に出発材料が軟化して押出圧力を小さくすることができる。
【００３４】
次いで、図１に示すように、収容工程において、第１キャビティ２にマグネシウム合金１００を収容する。出発材料としては、第１キャビティ２と同程度の外径を持つ円柱状ビレットが望ましい。なお、最初に第２キャビティ３側に収容してもよい。
【００３５】
次いで、図２に示すように、第１押出据込工程において、第１キャビティ２内のマグネシウム合金１００を第１パンチ６でポート部４に向かって押し出すと同時にポート部４を通過したマグネシウム合金１００を第２キャビティ３内で据え込みする。押出孔４ａの断面積を適度に小さくすることで、プレス機械の能力範囲内での押出が可能となる。押出孔４ａに押し出されるときに、マグネシウム合金１００は、急激に断面積が小さくなることで強歪みを受ける。押出孔４ａを出たマグネシウム合金１００は、断面積が小さくなっているが、第２パンチ７で受け止められ、キャビティ径に達するまで据え込みされる。このとき再び強歪みを受ける。据込側の第２パンチ７は押出方向とは反対側に加圧しておく（第２油圧シリンダ９の背圧でもよい）。このときの第１油圧シリンダ８の押圧力は、第２油圧シリンダ９の押出力よりも大きい。
【００３６】
さらに、第１パンチ６を進めて図３に示すように、マグネシウム合金１００を第１キャビティ２から第２キャビティ３へ移動させながら塑性変形させる。そして、全てのマグネシウム合金１００を第２キャビティ３及びポート部４側へ押し出す。このように、マグネシウム合金１００に対し、１つの金型５内で同時に押出と据込とを同時に行ってマグネシウム合金１００に極めて容易に強歪み加工を施すことができる。
【００３７】
次いで、図４に示すように、第２押出据込工程において、今度は逆方向に第２キャビティ３内のマグネシウム合金１００をポート部４に向かって押し出しながら、ポート部４を通過したマグネシウム合金１００を第１キャビティ２内で据え込みする。このとき、ヒータ１０を調整して金型５の温度を第１押出据込工程のときよりも低くする。温度差は、特に限定されないが、急激に冷やして押出圧力が高くなりすぎないように、５０℃程度が望ましい。これにより、第２押出据込工程におけるマグネシウム合金１００の温度は、第１押出据込工程におけるマグネシウム合金１００の温度よりも低くなる。このように、徐々に温度を下げることで、押出圧力を上げることなく歪み導入効果を高めることができる。第２油圧シリンダ９の押圧力は、第１油圧シリンダ８の押出力（その背圧でもよい）よりも大きい。このように、１回目の押出据込工程を終えて第２キャビティ内にあるマグネシウム合金１００を取り出すことなく、繰り返し強歪み加工して結晶粒を微細化できる。また、一度に大きな押出比で押出を行うよりも小規模の設備で実施が可能である。
【００３８】
さらに、第２押出据込工程の後に、上記第１押出据込工程と同じ方向へ図２及び図３に示すように、第１キャビティ２内のマグネシウム合金１００をポート部４に向かって押し出しながら、ポート部４を通過したマグネシウム合金１００を第２キャビティ３内で据え込みする繰り返し押出据込工程としての第３押出据込工程を行ってもよい。第３押出据込工程におけるマグネシウム合金１００の温度は、第２押出据込工程におけるマグネシウム合金１００の温度よりも低くなるように、金型５の温度を５０℃程度低くするのが望ましい。このように、温度を下げながら３度押出据込工程を繰り返すことで、さらに結晶粒の微細化を行うことができる。
【００３９】
なお、第１押出据込工程のみ行ってもよく、第２押出据込工程で終了したり、第３押出据込工程で終了したりしてもよく、繰り返し押出据込工程としてさらに第１押出据込工程、第２押出据込工程と順に適宜繰り返してもよい。特に繰り返す毎に金型５の温度を下げるのが望ましい。
【００４０】
適度に押出据込工程を繰り返し後、金型５からマグネシウム合金１００を抜き出すと、出発材料と同径の高強度化されたマグネシウム合金１００のビレットが得られる。
【００４１】
したがって、本実施形態に係る高強度軽金属材の製造方法によると、一方のキャビティ２，３内のマグネシウム合金１００をポート部４に向かって押し出しながら、ポート部４を通過したマグネシウム合金１００を他方のキャビティ２，３内で据え込みするようにしたことにより、簡単な方法で短時間に十分な塑性変形を加え、マグネシウム合金１００の結晶粒を確実に微細化することができる。
【００４２】
−実施例−
次いで、上記高強度軽金属材製造装置１を用いて高強度のマグネシウム合金を製造した実施例の一例を示す。出発材料として、マグネシウム合金（ＡＺ３１）のビレット（直径４８ｍｍ、長さ１５０ｍｍ）を使用した。第１及び第２キャビティ２，３の内径は、５０ｍｍとし、押出孔は内径２０ｍｍで長さ１０ｍｍとした。出発材料のビレットに対し、押出据込工程を所定回数繰り返し行った。押出圧力は、６００〜１１００ＭＰａ程度とし、据込圧は、５０〜１００ＭＰａ程度として第１又は第２油圧シリンダ８，９の背圧を利用した。
【００４３】
（試験方法）
素材より切断した試験片をエメリー紙及びバフを用いて研磨し、ピクリン酸にて微細組織を現出させ、光学式金属顕微鏡にて微細組織を撮影した。光学顕微鏡に付属のソフトウェアを用いて、観察したミクロ組織写真の結晶粒径の測定を行い、試料の平均結晶粒径を算出した。硬さ試験としては、マイクロビッカース硬度計を用いて、ＪＳＺ２２０４の方法で硬度を測定した。
【００４４】
（出発材料）
測定結果を図６に示す。出発材料は、平均結晶粒径が１９９μmで、硬さは５３．４Ｈｖであり、組織写真を見てもわかるように、結晶粒径が大きい。
【００４５】
（実施例１）
実施例１では、金型５の温度は４００℃、マグネシウム合金１００の予熱温度も４００℃とした。第１油圧シリンダ８の油圧は６．７ＭＰａで加わる応力が７２６ＭＰａとなり、第２油圧シリンダ９の油圧は１．５ＭＰａで加わる応力が８０ＭＰａとなった。平均結晶粒径が４．５８μmで、硬さは５８．２Ｈｖとなった。結晶粒径は急激に小さくなり、硬さも向上した。このように第１押出据込工程のみでもマグネシウム合金１００の結晶粒を確実に微細化することができることがわかった。
【００４６】
（実施例２）
実施例２では、第１押出据込工程において、金型５の第１温度は４００℃、マグネシウム合金１００の予熱温度も４００℃とした。第１油圧シリンダ８の油圧は６．６ＭＰａで加わる応力が７１６ＭＰａとなり、第２油圧シリンダ９の油圧は１．５ＭＰａで加わる応力が８０ＭＰａとなった。
【００４７】
第２押出据込工程において、金型５の第２温度は５０℃低下させて３５０℃とした。第２油圧シリンダ９の油圧は、温度が低下しているので、大きくなって１５．２ＭＰａとなり、加わる応力も８３２ＭＰａとなった。なお、第１油圧シリンダ９側は計測できていない。
【００４８】
平均結晶粒径は、４．０８μmで、硬さは５８．６Ｈｖとなった。結晶粒径は実施例１に比べてさらに小さくなり、硬さも若干向上した。このように第２押出据込工程を加えることで、マグネシウム合金１００の結晶粒をさらに微細化することができることがわかった。
【００４９】
（実施例３）
実施例３では、第１押出据込工程において、金型５の第１温度は４００℃、マグネシウム合金１００の予熱温度も４００℃とした。第１油圧シリンダ８の油圧は５．９ＭＰａで加わる応力が６４１ＭＰａとなり、第２油圧シリンダ９の油圧は１．５ＭＰａで加わる応力が８０ＭＰａとなった。
【００５０】
第２押出据込工程において、金型５の第２温度は５０℃低下させて３５０℃とした。第２油圧シリンダ９の油圧は、１１．８ＭＰａとなり、加わる応力は６４４ＭＰａとなった。同様に第１油圧シリンダ９側は計測できていない。
【００５１】
さらに、第３押出据込工程において、金型５の第２温度はさらに５０℃低下させて３００℃とした。第１油圧シリンダ８の油圧は、８．１ＭＰａとなり、加わる応力は８８７ＭＰａとなった。第２油圧シリンダ９の油圧は１．５ＭＰａで加わる応力が８０ＭＰａとなった。
【００５２】
平均結晶粒径は、３．７１μmで、硬さは６２．２Ｈｖとなった。結晶粒径は実施例２に比べてもさらに小さくなり、硬さも若干向上した。このように第３押出据込工程を加えることで、マグネシウム合金１００の結晶粒をさらに微細化することができることがわかった。つまり、金型５の温度を約５０℃ずつ下げながら押出据込工程を繰り返すことで、結晶粒をさらに微細化することができることがわかった。
【００５３】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００５４】
すなわち、上記実施形態では、軽金属材は、マグネシウム合金１００としたが、それに限定されず、強歪み加工により結晶粒を微細化することができる軽金属材であればよい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等でもよい。
【００５５】
上記実施形態では、第１及び第２キャビティ２，３、出発材料等全て断面円形としているが、その断面形状は、入手可能な出発材料や、必要な高強度軽金属材の形状に合わせて変更すればよい。
【００５６】
実施例で示した寸法例もあくまで一例であり、装置の能力等に合わせて金型温度、押出圧力等を設定すればよい。
【００５７】
なお、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物や用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上説明したように、本発明は、マグネシウム合金などの高強度軽金属材の製造方法及びその製造装置について有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１      高強度軽金属材製造装置
２      第１キャビティ
３      第２キャビティ
４      ポート部
４ａ    押出孔
５      金型
６      第１パンチ
７      第２パンチ
８      第１油圧シリンダ
９      第２油圧シリンダ
１０      ヒータ（加熱手段）
１１      制御装置
１００      マグネシウム合金（軽金属材）
【図１】
2013184183.tif 000003
【図２】
2013184183.tif 000004
【図３】
2013184183.tif 000005
【図４】
2013184183.tif 000006
【図５】
2013184183.tif 000007
【図６】
2013184183.tif 000008