衝撃水圧を用いた高ひずみ速度域におけるマグネシウム合金の塑性に関する研究
鹿児島工業高等専門学校 機械工学科准教授 徳永 仁夫（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017026）
キーワード：水中衝撃波，マグネシウム合金，高ひずみ速度１．研究の目的と背景

本研究の目的は，高ひずみ速度域での Mg 合金の塑性加マグネシウム（以下，Mg）合金は，実用金属中最軽量で，工性を詳細・定量的に分析する実験手法を構築し，Mg 合

比強度やリサイクル性に優れ，電磁波シールド性，振動吸金を対象とした新しい塑性加工技術を提案することであ

収性など優れた機能を有する 1)～4)．一方で，Mg 合金の課り，基礎的知見を集積する．具体的には，空気圧による水題はその塑性加工性にある 5),6) ．すなわち，Mg は冷間加中衝撃波の強度制御法確立および衝撃水圧成形法による工が困難で製造コストが依然として高い．切削加工は，歩Mg 合金の高ひずみ速度域での塑性加工の可能性の検討に留まりが悪く本質的な製造コストの低減にはつながらな取り組む．

いため，生産性向上や製造コスト低減を実現するには塑性加工に関する知見の集積と Mg 合金に適した加工プロセス２．実験方法の構築が必須である．また，これまでの Mg 合金の塑性に2・1関する研究は，低ひずみ速度域の評価にとどまっており，本研究で使用する衝撃水圧装置の概要を図 1 に示す．深高ひずみ速度域の塑性に関する知見は未だ不明な点が多絞り加工を例とした衝撃水圧成形の手順は以下の通りでい．さらに，高ひずみ速度域での Mg 合金の塑性の評価にある．

適した実験手法は確立されていない 7）．

①貯気槽に高圧空気を充填する．

本研究では上記を解決する可能性を有する手法として，実験装置の概要②貯気槽内圧力が所定の圧力（打ち出し圧力）に達した後，極めて短時間に大きなエネルギーを素材に与え，高ひずみ電磁弁を開放し高圧空気を装填室に送る．

速度で塑性加工を施す“高エネルギー速度加工 8)～10) ”に着③高圧空気によって，装填室に設置した弾丸が走行管内に目する．さらに，高エネルギー速度加工の中でも高圧液体発射される．

利用する“空気圧により発生させた水中衝撃波による衝撃④発射された弾丸は走行管内を通り水圧室内の水を打撃

水圧成形法11)12)”を Mg 合金の塑性加工に適用する．このし，圧力波（衝撃波）が発生する．

手法は，火薬や大電流など危険を包含する要素を使用せず，⑤水圧室内には，図 1(b)に示すように水と試験片，受け機械的に生じさせた高水圧を金属ポンチの代わりとしてダイスを配置する．発生した衝撃波が深絞り加工におけるプレス成形などを行う手法であり，通常のプレス成形ではポンチの役割を果し，塑性加工を施す．

加工困難な形状，材質の部品を簡易，安全，クリーン，低コストに生産できる．

圧力計

電磁弁
装填室

走行管

貯気槽

水圧室
(a) 装置の構成
水圧室

走行管
衝撃弾

受けダイス

水試験片
受けダイス

(b)水圧室の構成
図 1 実験装置概要

2・2

水中衝撃波強度の測定

圧力測定
フィルム

弾丸速度（入力エネルギー）および発生する水中衝撃波
ピーク圧力に及ぼす打ち出し圧力の影響を調べた．弾丸速度を測定するために，図 2 に示すように走行管に発光素子発光素子（赤色発光ダイオード）と受光素子（TPS601A(F)）を配置する．弾丸が通過する間，受光素子は光を検出しないため，この弾丸過時間をオシロスコープで測定する．弾丸長さ lp

走行管を通過時間で除すことで，水圧室に突入する直前の弾丸速

水弾丸度を求める．また，水中衝撃波ピーク圧力を測定するために圧力測定フィルム（富士フィルム, HS-PS,MS-PS)を用いた．図 2 に示すように水圧室端面に圧力測定フィルムを設置する．実験装置の仕様として，走行管長さ l1 = 3780[mm],水圧室内径1 = 27[mm]，水圧室深さ l2 = 103[mm]，弾丸材質はナイロン樹脂で弾丸直径p = 27[mm]，弾丸長さ lp =受光素子
図 2 弾丸速度と衝撃波ピーク圧力の測定

83 [mm]とした．打ち出し圧力を 120～250[kPa]の範囲に設定し，弾丸速度と衝撃波ピーク圧力の測定を行った．
2・3

衝撃水圧成形法による Mg 合金の塑性加工

Mg 合金の成形加工実験を行った．供試材として市販のAZ31 合金を用いた．この材料から直径 30[mm]，厚さ0.6[mm]の円盤試験片をワイヤ放電加工により作製した．
さらに，一部の試験片に対しては，焼なまし処理（500[℃]で 1[hour]加熱保持後に炉冷）を施した．ここでは，焼な弾丸速度 [m/s]140

ましを施さない試験片を未処理材，施した試験片を焼なま

120
100806040200し材と称する．未処理材，焼なまし材それぞれの試験片を，100150

図 1(b)に示す水圧室に設置し成形加工実験を行った．打200250

打ち出し圧力 [kPa]

ち出し圧力は 120～250[kPa]の範囲に設定し，衝撃水圧成形による Mg 合金の冷間塑性加工の可能性について検討を

図 3 弾丸速度と打ち出し圧力の関係行った．

打出圧力［kPa］
120(a)

160(b)

250200(c)HS‐PS(d)

27(e)

MS‐PS

図 4 圧力測定フィルムによる衝撃波ピーク圧力の測定

300

３．実験結果
3・1

3・2

衝撃水圧成形法による Mg 合金の塑性加工衝撃水圧成形法を AZ31 合金の塑性加工に適用した．加水中衝撃波強度と打ち出し圧力の関係

弾丸速度の測定結果を図 3 に示す．弾丸速度は，打ち出工後の AZ31 合金を図 6 に示す．まず図 6 より，AZ31 合金

し圧力とともに増加していることが確認された．また，図の変形形状は，中央部が張り出した曲線状の形状であり，4 は圧力測定フィルムを用いた衝撃波ピーク圧力測定結巨視的にはほぼ左右対称であることが分かる．この傾向は，果である．図 4(b)~(e)の圧力測定フィルム中心部の発色未処理材，焼なまし材いずれも同様であった．また，未処部（直径 27[mm]）は，衝撃波が作用した痕跡であり発色理材では，打ち出し圧力 120[kPa]の条件では試験片の破濃度からピーク圧力を推定することができる．推定したピ壊が生じていないが，打ち出し圧力が 130[kPa]を超えるーク圧を図 5 に示しており，ピーク圧力が打ち出し圧力のと試験片が破壊する．一方で，焼なまし材では打ち出し圧増加に伴い増加していることが分かった．以上に述べたよ力 130[kPa]の条件でも試験片の破壊は生じていない．さうに，本実験によって，打ち出し圧力によって弾丸速度とらに，加工深さを比較すると，打ち出し圧力 120[kPa]の発生する衝撃波ピーク圧力を制御できることを確認した．

条件において，未処理材では 2.4[mm]，焼なまし材ではピーク圧力 [MPa]3.1[mm]と焼きなまし材のほうが大きな値を示す．さらに，
100

焼きなまし材においては，打ち出し圧力の増加によって加80工深さが増加する．以上の傾向から，打ち出し圧力によって AZ31 合金の塑性加工の程度が変化することが確認され60た. また，衝撃水圧成形を AZ31 合金に適用する場合，焼40なましが塑性変形能の向上に寄与することが分かった．
一方で，打ち出し圧力が 140[kPa]に達すると，いずれの20試験片でも破壊が生じており，本実験での加工限度を超えていることが分かる．

0100150200250

打ち出し圧力 [kPa]300

図 5 ピーク圧力と打ち出し圧力の関係

打出圧力
Projectilespeed
120
126.1 m/s
kPa

No未処理材annealingAnnealing
焼なまし材

2.4 mmProjectilespeed
130kPam/s
144.7

3.1 mm

4.6 mmProjectile
speed

140
157.8 m/skPa
図 6 衝撃水圧成形による AZ31 合金の塑性加工

打ち出し圧力，130[kPa]

次に，加工後の AZ31 合金の板厚変化率とビッカース硬度を調べた．具体的には，エポキシ樹脂に埋め込んだ試験について試験片断面の板厚を測定した．また，図 7(b)に示す測定点 5 か所（a～e）についてビッカース硬度を測定した．まず，板厚変化率については，図 8 に示すように未処理材，焼なまし材いずれにおいても板厚が減少することが分かった．この結果は，塑性変形の過程で試験片には主ビッカース硬度片を中央部で切断し，図 7(a)に示す測定点 9 カ所（1～9）
打ち出し圧力，120[kPa]

焼なまし材の硬さとして引張力が作用していることを示している．したがって，本研究で実施した衝撃水圧成形を AZ31 合金に適用した場合，自由張り出し成形が成されることがわかった．ま測定点

た，ビッカース硬度は図 9 に示すように，未処理材，焼なまし材いずれも加工前硬度（HV55 程度）よりも高硬度で

図 9 AZ31 合金（焼なまし材）のビッカース硬度あることが分かった．硬度上昇の主因は塑性変形による加４．まとめ工硬化であると考えられる．

本研究では，高ひずみ速度域での Mg 合金を対象とした新しい塑性加工技術を提案するための基礎的知見の集積に取り組んだ．得られた結果を以下にまとめる．
(1)空気圧（打ち出し圧力）により，水中衝撃波強度ピーク圧力を制御できることを確認した．また，打ち出し圧力120～250 [kPa]の範囲では，打ち出し圧力とピーク圧力は(a) 板厚変化率の測定点（9 カ所）線形関係にあることが分かった．
(2)衝撃水圧成形法で AZ31 合金の自由張り出し成形加工が可能である．

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成(b)ビッカース硬度の測定点（5 か所）

図 7 板厚変化率とビッカース硬度の測定（AF-2017026）により実施されたものであり，心より深く感謝の意を表します．

参考文献
1) 相田収平・田辺寛・須貝裕之・高野格・大貫秀樹・小板厚変化率 ［％］打ち出し圧力，120[kPa]
打ち出し圧力，130[kPa]

林勝：軽金属，50-9（2000），4562) 真鍋健一・下村修：軽金属，56-10(2006),521
3) 高津正秀：軽金属，54-11（2004），493
4) 金子純一・菅又信・沼政弘・西川泰久・高田秀男：日本金属学会誌，64-2（2000），1415) 森謙一郎・辻浩和：塑性と加工，48-552（2007），416）大年和徳・永山知史・勝田基嗣：軽金属，53-6（2003）
，
239

測定点

図 8 AZ31 合金（焼なまし材）の板厚変化率

7) 長谷貴之・川智明・池尾直子・向井敏二：軽金属，66-5（2016），258
8) 高松正誠：高圧力, 9-6 (1971), 29.
9) 西山卯二郎・井上卓・田中示：精密機械，ⅩⅩⅪ，11（1960），669
10) 西山卯二郎・井上卓・田中示：精密機械，27-4（1960），
19911） 高松正誠：圧力技術,13-1 (1975), 2112) 山田敏郎・可児弘毅：日本複合材料学会誌，4-3(1987)，
93