(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、軽金属材の結晶粒を確実に微細化することができる。【解決手段】コンテナ２にマグネシウム合金１００を収容し、押出パンチ７によってマグネシウム合金１００を複数の押出孔３に向かって押し出し、これら複数の押出孔３から出てきたマグネシウム合金１００をチャンバ部５で合流させて高強度化された１つのマグネシウム合金１００を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
軽金属材が収容されるコンテナと、該コンテナの断面よりも小さな断面積の押出孔が複数並んだポート部及び該複数の押出孔に連通し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材が合流するチャンバ部を有するダイスと、上記コンテナ内を往復移動可能な押出パンチとを準備する準備工程と、
上記コンテナに上記軽金属材を収容する収容工程と、
上記押出パンチによって上記軽金属材を上記複数の押出孔に向かって押し出し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材を上記チャンバ部で合流させて高強度化された１つの軽金属材を形成する押出工程とを含む
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、
上記押出工程の後に、上記チャンバ部から取り出した上記軽金属材を上記コンテナに再び収容し、上記押出工程を１回又は複数回繰り返す反復押出工程を含む
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、
上記反復押出工程における上記軽金属材の温度は、上記押出工程における上記軽金属材の温度よりも低く、上記反復押出工程を繰り返す毎にさらに低くなる
ことを特徴とする高強度軽金属材の製造方法。
【請求項５】
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、
軽金属材が収容されるコンテナと、
上記コンテナの断面よりも小さな断面積の押出孔が複数並んだポート部及び該複数の押出孔に連通し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材が合流するチャンバ部を有するダイスと、
上記コンテナ内を往復移動可能な押出パンチと、
上記押出パンチによって上記軽金属材を上記複数の押出孔に向かって押し出すように制御し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材を合流させて高強度化された１つの軽金属材を形成する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６】
請求項５に記載の高強度軽金属材製造装置において、
上記チャンバ部の出口の断面形状は、上記コンテナの断面と同じ断面形状である
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、
上記複数の押出孔は、周方向に並び、上記チャンバ部に向かって徐々に内径が拡大し、かつ半径方向外側の壁面が上記チャンバ部に向かって広がるように傾斜している
ことを特徴とする高強度軽金属材製造装置。
【請求項８】
請求項７に記載の高強度軽金属材製造装置において、
上記チャンバ部は、上記複数の押出孔の最外縁を覆う内面を有する
ことを特徴とする高強度軽金属材製造装置。
【請求項９】
請求項５乃至８のいずれか１つに記載の高強度軽金属材製造装置において、
上記コンテナは、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を繰り返す毎に上記コンテナ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、軽金属材を複数の押出孔から押し出して分割させた後、チャンバ部で再び合流させて１つにするようにした。
【００１０】
具体的には、第１の発明では、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し、この上記製造方法は、
軽金属材が収容されるコンテナと、該コンテナの断面よりも小さな断面積の押出孔が複数並んだポート部及び該複数の押出孔に連通し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材が合流するチャンバ部を有するダイスと、上記コンテナ内を往復移動可能な押出パンチとを準備する準備工程と、
上記コンテナに上記軽金属材を収容する収容工程と、
上記押出パンチによって上記軽金属材を上記複数の押出孔に向かって押し出し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材を上記チャンバ部で合流させて高強度化された１つの軽金属材を形成する押出工程とを含む構成とする。
【００１１】
上記の構成によると、コンテナに収容された軽金属材を複数のより断面積の小さな押出孔へ押し出す際に、急激に断面積が減少して強歪みが施される。そして、複数の押出孔から出てきた軽金属材が合流して再びチャンバ部で合流して元通り１つの軽金属材となる。合流した軽金属材を押し出し前とほぼ同じ外径にすれば、繰り返しコンテナに収容して押し出すことができる。このように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。
【００１２】
第２の発明では、第１の発明において、
上記押出工程の後に、上記チャンバ部から取り出した上記軽金属材を上記コンテナに再び収容し、上記押出工程を１回又は複数回繰り返す反復押出工程を含む。
【００１３】
上記の構成によると、反復して押出工程により強歪み加工を行うことで、歪み導入効果をさらに確実に加えることができる。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
第４の発明では、第２又は第３の発明において、
上記反復押出工程における上記軽金属材の温度は、上記押出工程における上記軽金属材の温度よりも低く、上記反復押出工程を繰り返す毎にさらに低くなる。
【００１７】
上記の構成によると、徐々に軽金属材の温度を下げることで、急激に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。
【００１８】
第５の発明では、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を対象とし、この製造装置は、
軽金属材が収容されるコンテナと、
上記コンテナの断面よりも小さな断面積の押出孔が複数並んだポート部及び該複数の押出孔に連通し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材が合流するチャンバ部を有するダイスと、
上記コンテナ内を往復移動可能な押出パンチと、
上記押出パンチによって上記軽金属材を上記複数の押出孔に向かって押し出すように制御し、該複数の押出孔から出てきた上記軽金属材を合流させて高強度化された１つの軽金属材を形成する制御装置とを備えている。
【００１９】
上記の構成によると、コンテナに収容された軽金属材を複数のより断面積の小さな押出孔へ押し出す際に、急激に断面積が減少して強歪みが施される。そして、複数の押出孔から出てきた軽金属材が合流して再びチャンバ部で合流して元通り１つの軽金属材となる。合流した軽金属材を押し出し前とほぼ同じ外径にすれば、繰り返しコンテナに収容して押し出すことができる。このように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高強度軽金属材の製造装置が得られる。
【００２０】
第６の発明では、第５の発明において、
上記チャンバ部の出口の断面形状は、上記コンテナの断面と同じ断面形状である。
【００２１】
上記の構成によると、押出が終了した軽金属材を再びコンテナに収容して容易に押出を繰り返すことができる。
【００２２】
第７の発明では、第６の発明において、
上記複数の押出孔は、周方向に並び、上記チャンバ部に向かって徐々に内径が拡大し、かつ半径方向外側の壁面が上記チャンバ部に向かって広がるように傾斜している。
【００２３】
上記の構成によると、押出孔の入口で断面積が急激に減少して強歪みを受けた軽金属材を徐々に断面積を増やしてチャンバ内で互いに合流させることができるので、必要以上に押出圧力が高くならない。
【００２４】
第８の発明では、第７の発明において、
上記チャンバ部は、上記複数の押出孔の最外縁を覆う内面を有する。
【００２５】
上記の構成によると、複数の押出孔から出てきた軽金属材がチャンバ部でスムーズに合流する。なお、チャンバ部は、断面円形でも断面正多角形でもよく、いずれの場合も、少なくともチャンバ部の内面が複数の押出孔の最外縁に対し、押出方向中心から同じ位置又はそれよりも外側に配置されていればよい。
【００２６】
第９の発明では、第５乃至第８のいずれか１つの発明において、
上記コンテナは、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を繰り返す毎に上記コンテナの温度を下げるように構成されている。
【００２７】
上記の構成によると、徐々に温度を下げることで、押出圧力を急激に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】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、コンテナ内の軽金属材をポート部の複数の押出孔に向かって押し出し、チャンバ部で再び合流させ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】
【００２９】
【図１】高強度軽金属材の製造装置を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】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】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３１】
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、軽金属材としてのマグネシウム合金１００が収容されるコンテナ２を備えている。このコンテナ２は、例えば、円筒形状を有し、ダイス６に連結されている。
【００３２】
ダイス６は、コンテナ２の断面よりも小さな断面積の押出孔３が複数並んだポート部４を有し、さらにこのポート部４には、複数の押出孔３に連通し、これら複数の押出孔３から出てきたマグネシウム合金１００が合流するチャンバ部５が連設されている。例えば、これらポート部４及びチャンバ部５がボルト等で連結されて円筒状のダイス６が構成されている。例えば、これらコンテナ２とダイス６とがボルト等で連結されて円筒状の金型２０が構成されている。なお、コンテナ２、ポート部４及びチャンバ部５を一体成形してもよい。
【００３３】
図２に示すように、複数の押出孔３は、例えば４つの貫通孔よりなり、これらが周方向に均等に並んでいる。押出孔３は、チャンバ部５に向かって徐々に内径が拡大している。しかも、その半径方向外側の壁面がチャンバ部５に向かって広がるように傾斜している。なお、本実施形態では、半径方向内側の壁面もチャンバ部５に向かって広がるように傾斜している。つまり、マグネシウム合金１００は、最も小さな断面に押し込まれ、徐々に断面積を広げながら押し出されるようになっている。
【００３４】
チャンバ部５は、断面円形であり、４つの押出孔３の最外縁を覆う内径を有する。つまり、すべての押出孔３から出てきたマグネシウム合金１００がチャンバ部５内に押し出され、このチャンバ部５内で合流するようになっている。また、チャンバ部５の出口の断面形状は、コンテナ２の断面形状とほぼ同じとなっている。これにより、押出前と押出後の断面形状が同じとなり、再び加工後のマグネシウム合金１００をコンテナ２に収容して繰り返し押出可能となっている。なお、チャンバ部５は、断面正多角形でもよく、いずれの場合も、少なくともチャンバ部５の内面が４つの押出孔３の最外縁に対し、押出方向中心から同じ位置又はそれよりも外側に配置されていればよい。
【００３５】
そして、コンテナ２内には、このコンテナ２内を往復移動可能な、当接面が円形の押出パンチ７が設けられている。この押出パンチ７は、例えば油圧シリンダ８を伸縮させることで往復移動するように構成されている。金型２０内には、加熱手段としてのヒータ９が設けられ、金型２０全体を適切な温度に加熱できるようになっている。ヒータ９の構成は特に限定されず、金型２０内に内蔵してもよいし、金型２０の外周を覆うようにして設けてもよい。例えば、図１に示すように、コンテナ２の内部とダイス６の内部とにそれぞれヒータ９を配置してもよい。ヒータ９を２分割することで、コンテナ２内の材料（ビレット）とダイス６とをそれぞれ温度制御できる。
【００３６】
高強度軽金属材製造装置１は、さらに制御装置１０を備え、この制御装置１０は、油圧シリンダ８及びヒータ９を含む高強度軽金属材製造装置１の全体を制御可能に構成されている。具体的には、制御装置１０は、油圧シリンダ８を制御して押出パンチ７を適度な力で伸縮させ、また、ヒータ９を制御して１つのマグネシウム合金１００に対して押出を繰り返す毎にコンテナ２の温度を下げるようになっている。
【００３７】
−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。
【００３８】
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。
【００３９】
次いで、収容工程において、図１に示すように、コンテナ２にマグネシウム合金１００を収容する。出発材料としては、コンテナ２と同程度の外径を持つ円柱状ビレットが望ましい。
【００４０】
次いで、押出工程において、押出パンチ７によってマグネシウム合金１００を４つの押出孔３に向かって押し出す。押出孔３の入口の断面積は、コンテナ２の断面積に対して小さいので、マグネシウム合金１００は、押出孔３の入口に押し込まれる際に急激に断面積が減少して強歪みを受ける。マグネシウム合金１００は、押出孔３を進むにつれてその断面積が大きくなり、最終的に４つの押出孔３から出てきた後に断面円形のチャンバ部５で合流する。断面円形のチャンバ部５の内径を４つの押出孔３の最外縁を覆う大きさにしているので、複数の押出孔３から出てきたマグネシウム合金１００がチャンバ部５でスムーズに合流する。そして、再び１つのマグネシウム合金１００となる。
【００４１】
押出工程の後に、チャンバ部５から取り出したマグネシウム合金１００をコンテナ２に再び収容する。このとき、チャンバ部５内のマグネシウム合金１００は、押出前とほぼ同じ外径であるので、繰り返しコンテナ２に容易に収容することができる。
【００４２】
そして、反復押出工程において、押出工程を１回又はさらに複数回繰り返す。１回目の反復押出工程におけるマグネシウム合金１００の温度は、押出工程におけるマグネシウム合金１００の温度よりも低く、反復押出工程を繰り返す毎にさらに低くするのが望ましい。このように、反復押出工程により強歪み加工を繰り返し行うことで、歪み導入効果をさらに確実に加えることができる。しかも、徐々に金型２０の温度を低下させてマグネシウム合金１００の温度を下げることで、押出圧力を急激に上げることなく歪み導入効果を高めることができる。
【００４３】
以上説明したように、本発明によれば、コンテナ２内のマグネシウム合金１００を複数の押出孔３に向かって押し出し、チャンバ部５で再び合流させ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。
【００４４】
−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９０ｍｍ、長さ９０ｍｍ）を使用した。押出孔３の傾斜角度は、約１５°程度とする。ダイス６の外径は、１５０ｍｍで、コンテナ２及びチャンバ部５の出口の内径は９０ｍｍとする。出発材料のビレットに対し、押出工程と反復押出工程を一回行った。
【００４５】
（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。
【００４６】
（出発材料）
測定結果を図３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。
【００４７】
（実施例１回目）
実施例の１回目は、押出工程であり、金型２０の温度は４２０℃、マグネシウム合金１００の予熱温度は４００℃とした。油圧シリンダ８の油圧は９．４ＭＰａで加わる応力が４８８ＭＰａとなった。平均結晶粒径が２７．７μmで、硬さは５６．７Ｈｖとなった。結晶粒径は急激に小さくなり、硬さも向上した。このように押出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。
【００４８】
（実施例２回目）
実施例の２回目は、反復押出工程の１回目であり、金型２０の温度は４００℃、マグネシウム合金１００の予熱温度は３８０℃とし、１回目よりも約２０°低下させた。その分、油圧シリンダ８の油圧は９．９ＭＰａで加わる応力が５１４ＭＰａと若干上昇した。平均結晶粒径が１７．７μmで、硬さは５６．６Ｈｖとなった。結晶粒径は１回目に比べてさらに小さくなり、硬さも若干向上した。このように反復押出工程を加えることで、さらにマグネシウム合金１００の結晶粒を微細化することができることがわかった。また、低下させる温度幅を小さくすることで、プレスの能力の範囲内で押出可能であることもわかった。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
上記実施形態では、金型２０、押出パンチ７等の断面を円形としているが、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。
【００５２】
上記実施形態では、複数の押出孔３は、４つの貫通孔としたが、押出孔３の個数は、これに限定されず、２つでも４つ以上でもよい。複数の押出孔３は、ダイス６の中心軸に対して対称に配置すると、荷重バランスがよくて望ましい。
【００５３】
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ダイスの温度、押出圧力等を設定すればよい。
【００５４】
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】
【００５５】
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】
【００５６】
１      高強度軽金属材製造装置
２      コンテナ
３      押出孔
４      ポート部
５      チャンバ部
６      ダイス
７      押出パンチ
８      油圧シリンダ
９      ヒータ
１０      制御装置
１００      マグネシウム合金（軽金属材）
【図１】
2013184214.tif 000003
【図２】
2013184214.tif 000004
【図３】
2013184214.tif 000005