(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高剪断歪みとして、０．０５以上の相当歪み（εＮ）を０℃以上で溶融温度以下のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、しかも該高剪断歪みは、１回目の剪断角度（Φ）の延長線上に対し、５°以上１８０°未満傾いた剪断角度（Ｘ）で更に付与するものとし、その後、共晶温度又は固相線温度以上に昇温して保持することを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項２】
高剪断歪みの付与は、側方押出しによる素材挿入口からの加圧法若しくは出口からの引き抜き法、又は素材断面積の断面減少率が３０％未満の絞り工程を含んだ素材挿入口からの加圧法若しくは出口からの引き抜き法とし、しかもその成形速度は１０，０００ｍｍ／秒以下の範囲としたことを特徴とする請求項１に記載の半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項３】
高剪断歪みとして、０．０５以上の相当歪み（εＮ）を０℃以上で溶融温度以下のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、高剪断歪みを付与するに際して高剪断歪み付与荷重よりも小さい荷重を材料の進行方向に対して反対方向より付与し、その後、共晶温度又は固相線温度以上に昇温して保持することを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項４】
高剪断歪み付与後に、更に再結晶温度未満の冷間加工を行うことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項５】
高剪断歪み付与後に、更に再結晶温度以上の熱間加工を行うことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アルミニウム合金又はマグネシウム合金の半溶融成形品の製造に適した素材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半溶融成形品の製造としては、素材を半溶融温度域まで昇温し成形するチクソキャスト法が一般的に知られている。この製法の製品は、金型鋳造の製品と比較し、鋳造偏析や内部欠陥が少なく、ニアネットシェイプ化や熱処理が可能なことから、軽量で薄肉製品が製造できる製造法として最近注目されている技術である。
半溶融成形品の素材であるビレットの鋳造方法としては、ペシネやアルマックス方式として知られているビレット製造時の半溶融温度域で電磁的に溶湯の撹拌を行い、ビレット製造段階で初晶αを粉砕し球状化させる方法「方式Ａ」が一般的である。
また、鋳造時に従来添加されている量よりも多量のＡｌ−Ｔｉ−Ｂを添加することで、溶湯凝固までの初晶αの成長を抑え、微細化したビレットを鋳造し、その後そのビレットを半溶融温度域まで昇温し初晶αを球状化させる方法「方式Ｂ」も報告されている。
その他、特開２０００−１３４８４５号公報には、ビレットを冷間型枠鍛造にて加工歪みを導入し、その後半溶融温度域まで昇温し初晶αを球状化させる方法「方式Ｃ」もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の「方式Ａ」では、電磁的撹拌を必要とするために非常に莫大な設備投資が必要となる。また、素材品種毎に細かな製造条件の設定が必要で作業工程も非常に煩雑となる他、製造コストも非常に高くなる難点がある。
また「方式Ｂ」では、多量のＡｌ−Ｔｉ−Ｂを添加するために、溶解炉内でのＴｉＢ２沈降による品質不安定が発生するという問題がある。
また「方式Ｃ」では、冷間型枠鍛造で加工歪みを導入するが、鍛造に非常に大きなプレス圧を必要とするため、製造コストが高くなる。また、素材に均一な加工歪みの導入が難しく、鍛造後の素材形状の均一化も難しい。その他、素材直径が１００ｍｍ以下のように小さいものを製造する場合、ビレット素材としては更に小さなものが要求されるため、素材径が限定される。また、鍛造用プレス機は、鍛造ストロークが５００ｍｍ以下が一般的であるため、５００ｍｍを越える素材長さを製造する場合、特殊なプレス機の導入が必要となり、莫大な設備投資が必要となる問題がある。
【０００４】
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、煩雑な方法を採ることや、素材品種毎の設定や、素材形状の制約がなく、簡便容易に半溶融成形用の素材を製造する方法を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本願の第１発明は、高剪断歪みとして、０．１５以上の相当歪み（εＮ）を実体温度が０℃以上で溶融温度以下のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、その後アルミニウム合金材又はマグネシウム合金材を共晶温度又は固相線温度以上に昇温し、保持時間、保持温度の選択により、初晶αが均一微細な球状化となる如くなすことを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法を採用する。
なお相当歪み（εＮ）は次式で定義した。即ち、
εＮ＝２Ｎ／√３（１／ｔａｎ（Φ／２＋Ψ／２）＋Ψ／２（１／ｓｉｎ（Φ／２＋Ψ／２））
ここでNは挿入回数を示し、ΦとΨは図１中の角度を示す。
【０００６】
また、本願の第２発明は、高剪断歪みとして、０．０５以上の相当歪み（εＮ）を実体温度が０℃以上で溶融温度以下の結晶粒平均サイズが５００μｍ以下であるアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、その後アルミニウム合金材又はマグネシウム合金材を共晶温度又は固相線温度以上に昇温し、保持時間、保持温度の選択により、初晶αが均一微細な球状化となる如くなすことを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法を採用する。
【０００７】
また、本願の第３発明は、高剪断歪みとして、０．０５以上の相当歪み（εＮ）を実体温度が０℃以上で溶融温度以下のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、しかも該高剪断歪みは、１回目の剪断角度（Φ）の延長線上に対し、５°以上１８０°未満傾いた剪断角度（Ｘ）で更に付与するものとし、その後アルミニウム合金材又はマグネシウム合金材を共晶温度又は固相線温度以上に昇温し、保持時間、保持温度の選択により、初晶αが均一微細な球状化となる如くなすことを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法を採用する。
【０００８】
また、本願の第４発明は、高剪断歪みの付与は、側方押出しによる素材挿入口からの加圧法若しくは出口からの引き抜き法、又は素材断面積の断面減少率が３０％未満の絞り工程を含んだ素材挿入口からの加圧法若しくは出口からの引き抜き法とし、しかもその成形速度は１０，０００ｍｍ／秒以下の範囲としたことを特徴とする方法を採用する。
【０００９】
また、本願の第５発明は、高剪断歪みとして、０．０５以上の相当歪み（εＮ）を実体温度が０℃以上で溶融温度以下のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に付与し、高剪断歪みを付与するに際して高剪断歪み付与荷重よりも小さい荷重を材料の進行方向に対して反対方向より付与する。その後アルミニウム合金材又はマグネシウム合金材を共晶温度又は固相線温度以上に昇温し、保持時間、保持温度の選択により、初晶αが均一微細な球状化となる如くなすことを特徴とする半溶融成形に優れたアルミニウム合金材又はマグネシウム合金材の製造方法を採用する。
【００１０】
また、本願の第６発明は、高剪断歪み付与後に、更に再結晶温度未満の冷間加工や、再結晶温度以上の熱間加工を行う方法を採用する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を説明し、本発明の理解に供する。
【００１２】
アルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に高剪断歪みを付与すると、その後の再結晶温度以上の領域で一つの結晶粒内に幾つかの亜粒界が発生し、更に共晶温度又は固相線温度以上に昇温させると、この亜粒界へ液体が流れ込み、次に適正な保持温度、保持時間によって、均一で微細な初晶αの球状化組織が得られることが判明した。その初晶αのサイズが１００μmを越えると、半溶融成形品に空隙などの欠陥や大幅な成分偏析が発生するため、初晶αは均一微細な球状化が必要で、特に１００μm以下が好ましいことを確認した。
また、これらの効果は高剪断歪みの付与によって得られるものであるから、アルミニウム又はマグネシウムの合金組成や不純物の種類に関わらず上記効果を得ることができる。なお、アルミニウムの場合は、主要添加元素又は微量添加元素、不純物は、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｆｅ、Ｎ、Ｆ、Ｎａ、Ｐ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｉｎ、Ｓｈ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉ等である。
【００１３】
アルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に対し高剪断歪みを付与することによって、半溶融温度域へ昇温時に初晶αの均一で微細な球状組織化を確実なものとすることができる。高剪断歪みの付与で、実体温度を０℃以上溶融温度以下とした理由は、実体温度が０℃未満とするには冷却炉などの設備や高剪断歪み導入による発熱を防ぐ設備などが必要となるため、作業工程が煩雑となるし、また、溶融温度を越えると、高剪断歪みを付与することが難しいためであり、特に再結晶温度以下が好ましい。
【００１４】
高剪断歪み付与前のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊の結晶粒の平均サイズが大きくなると、０．１５未満の相当歪み（εＮ）の場合、高剪断歪み付与後に半溶融温度域へ加熱しても初晶αが粗大となり、更に高剪断歪み付与後の素材断面中にも初晶αの不均一な部位が発生し、半溶融成形品素材としては適さないものとなるため、相当歪み（εＮ）は０．１５以上とし、特に０．４５以上で１以下の範囲が好ましい。
【００１５】
高剪断歪み付与前のアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊の結晶粒の平均サイズが５００μｍ以下とすると、０．０５以上０．１５未満の相当歪み（εＮ）の場合でも、高剪断歪み付与後に半溶融温度域へ加熱しても初晶αのサイズは均一球状化となるため、鋳塊の結晶粒の平均サイズは５００μｍ以下とし、特に２００μｍ以下が好ましい。
【００１６】
次に、１回目の剪断角度（Φ）の延長線上に対し、５°以上１８０°未満傾いた剪断角度（Ｘ）を更に付与すると、アルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊の結晶粒の平均サイズに関わらず、０．０５以上０．１５未満の相当歪み（εＮ）の場合でも、素材断面中に均等に高剪断歪みが付与され、初晶αは均一で微細球状化となる。
しかし、剪断角度（Ｘ）が５°未満の場合は素材断面に均一な高剪断歪みが付与されず、１８０°以上の場合では、素材への内部割れや破断が発生するため、剪断角度（Ｘ）は５°以上１８０°未満とする。
【００１７】
上述の高剪断歪みを付与する方法として、側方押出しによる素材挿入口からの加圧法又は若しくは出口からの引き抜き法、又は素材断面積の断面減少率が３０％未満の絞り工程を含んだ素材挿入口からの加圧法若しくは出口からの引き抜き法としたが、３０％未満の絞り工程を含むと、低い相当歪み（εＮ）の場合でも素材断面中へ均等に高剪断歪みが付与される。しかし断面減少率が３０％以上となると、高剪断歪み付与時に、加圧法では非常に大きなプレス荷重が必要となり、高剪断歪み付与後の素材の表面品質も粗悪なものとなる。また引き抜き法では材料中に破断が起こることもある。そのため断面減少率は３０％未満が好ましい。
なお、ここでの断面減少率は、「１−（高剪断歪み付与後の断面積÷鋳塊断面積）×１００」で定義した。
また、その成形速度が１０，０００ｍｍ／秒を越えると、高剪断歪みの付与が不均一となる場合や、素材への内部割れや破断が発生するため、成形速度は１０，０００ｍｍ／秒以下とした。
【００１８】
アルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊に、高剪断歪みを付与するに際して高剪断歪み付与荷重よりも小さい荷重を材料の進行方向に対して反対方向より付与する方法の場合、高剪断歪み付与の開放部がなくなる。そのため、材料の断面中で均一に高剪断歪みが付与される。更に圧縮工程の作用も加わることとなり、相当歪み（εＮ）が０．０５以上０．１５未満の低領域でも、初晶αは均一球状微細化する。その他、高剪断歪み付与後の素材も望ましい形状を得ることができる。
高剪断歪み付与後に冷間、熱間加工を施しても、半溶融温度域への加熱後の初晶αの球状化が損なわれることはない。
【００１９】
【実施例】
以下本発明の実施例を図面を参酌しながら詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではないことはもとよりである。
【００２０】
図１は本発明で用いた高剪断歪み付与の模式図であり、図中符号１は金型、２は金型ポンチ、３はアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊を示す。
図２は比較例として使用した冷間型枠鍛造の模式図であり、図中符号１は金型、２は金型ポンチ、３はアルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊を示す。
【００２１】
各元素をそれぞれ表１に示される組成となるように溶湯を調整し、連続鋳造にてアルミニウム合金鋳塊を製造した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
各元素をそれぞれ表２に示される組成となるように溶湯を調整し、マグネシウム合金鋳塊を製造した。
【００２４】
【表２】
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【００２５】
上記表１と表２に示すアルミニウム合金鋳塊とマグネシウム合金鋳塊を、図１と図２に示す金型を使用し表３に示す条件でアルミニウム合金材及びマグネシウム合金材を製造し、高剪断歪み付与後の表面状態、半溶融成形品の成形性、半溶融成形後の初晶αの形状を評価し、同時にアルミニウム合金材を成形するためのプレス圧を測定した結果も表３に併記した。
【００２６】
【表３】
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【００２７】
表３に示した試験内容の比は比較例で本発明の特許請求の範囲から外れる条件を示し、発は発明例で本発明の特許請求の範囲内の条件を示す。高剪断歪み付与後の表面状態は、表３で示す成形条件で成形した際に表面凹凸が良好なものを○とし、表面凹凸が大きくムシレ発生が認められたものを×で判定した。
半溶融成形品の成形性は、成形品の内部に空隙などの欠陥や成分偏析がないものを○とし、欠陥や成分偏析があるものを×とした。半溶融成形後の初晶αの形状は、球状化が認められているものを○とし、球状化が不十分であるものを×と判定した。初晶αの微細均一は、初晶αのサイズが１００μｍ以下のものを○とし、１００μｍを越えるものを×と判定した。プレス荷重は、成形時のプレス荷重が５ｔ／ｃｍ２未満のものを○とし、５ｔ／ｃｍ２以上のものを×とした。
【００２８】
図３はアルミニウム合金の場合の初晶α（Ａｌ）の均一微細化が○評価の代表例の光学顕微鏡組織写真を示し、図４は球状化が×評価の代表例の光学顕微鏡写真を示している。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明して来た如く、本発明によれば、従来の半溶融成形用の素材製造法よりも低コストや工程の簡素化が大幅に図れ、素材の品質安定性均一性も格段に向上する。また、素材成形時のプレス圧も格段に減少することが可能であるから、金型寿命の向上や省エネ化にも寄与する。更に、得られる組織は合金組成に関わらず、均一球状化した初晶αとなり、半溶融成形用の優れた素材として使用が可能であるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】高剪断歪み付与の模式図である。
【図２】冷間型枠鍛造の模式図である。
【図３】アルミニウム合金の初晶α（Ａｌ）の微細均一化が○評価の代表例の光学顕微鏡写真である。
【図４】アルミニウム合金の初晶α（Ａｌ）の微細均一化が×評価の代表例の光学顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１  金型
２  金型ポンチ
３  アルミニウム合金鋳塊又はマグネシウム合金鋳塊
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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