多軸プレスによるMg合金のネットシェイプ成形加工
産業技術総合研究所

先進製造プロセス研究部門、難加工成形研究グループ
主任研究員 初鹿野 寛一(平成１５年度研究開発助成 AF-2003012)

キーワード: 側方押出し加工、マグネシウム合金、背圧付き押出し加工

１．はじめに持つオートグラフを使用した｡

マグネシウム合金は構造用金属材料中でもっとも軽い材料であり、自動車等に適用できれば車体の軽量化なら2.2 多軸材料試験機及び金型

びに燃費の向上に寄与すると伴に炭酸ガスの削減に大きマグネシウム合金の側方押出し加工は図１に示す多軸く貢献することが期待できる低環境負荷型の材料として材料試験機 １）を用いて行った｡この試験機は水平方向に、注目されている。現在マグネシウム製品の 95％以上は鋳造により作製されており、わずかに塑性加工を利用したプレスや鍛造による成形が行なわれている。今後、大型の部材への適用やより強度を必要とする部材への応用を行なうためには鋳造法では対応が困難な状況にある。
一方、塑性加工を利用したマグネシウム合金の成形では高強度と延性を有する部材が得られ、大型、複雑部材への応用が可能であり、表面の性状も優れたものが得られる。また、鋳造にくらべ環境負荷の低減の観点からも優れている。しかしながら展伸用マグネシウム合金がコスト的に高いことや室温での加工性が乏しいことを反映して、その応用は限られている。そのため、塑性加工に

図１

多軸材料試験機

おいて鍛造を利用したマグネシウムの加工に関する研究は僅かであり、その加工は 300℃以上の温度で行なわれている。マグネシウムの高強度化ならび表面性状の改善
および加工精度を向上させるために低温でのネットシェイプ成形技術を確立する必要があり、それに伴いマグネシウム合金の応用範囲の拡大が期待できる。
本研究では、マグネシウム部材のネットシェイプ成形を行なうことを目的とし、多軸プレスを用いて展伸用マグネシウム合金の加工を行い、十字形の部品を成形して、健全な成形を行なうための加工温度、速度および背圧の影響を調べた。
図２２枝部品の上下金型及びヒーター

２．実験方法2.1 室温及び高温での圧縮試験
本研究で使用したマグネシウム合金は市販のマグネシ能力 500kN で、変位が±123mm のラムを４基、垂直方向に､能力 2500kN で、変位が 500mm のラムを１基所有

ウム合金、AZ31 と AZ61 である。これらのマグネシウしている｡

ム合金は温度 355℃で押出し加工された直径 28mm の丸ーを示す｡この金型の材質は高速度鋼、SKH51 で、硬度

図２に２枝部品成型用の上下型及びヒータ棒で,これを旋盤で直径 16mm、高さ 24mm の円柱に切は HRC62 である。使用したビレットの寸法は直径 16mm削して圧縮試験片とした。機械的特性を調べるための圧で、長さが 50mm で、ビレットから押出し加工される枝縮試験は平行で平らな平面を持つサブプレスを用いて無の直径は幹の直径と同じ 16mm である。潤滑剤は二硫化拘束で無潤滑で行った｡

室温での圧縮試験は万能試験モリブデンを使用した｡加熱は上下型の側面に取り付け機で、高温での圧縮は、330℃までの加熱が可能な炉をられた合計８個の 100V、300W のスペースヒーターと４温度計なった。温度 180℃でも割れが入ってビレットは破断し測はこの金型の中心近傍位置で、アルメルークロメル熱たが破断時の歪みは 0.21 と室温の 0.1 に比べて大きい。

電対で行った｡

温度 190℃において、歪みが 0.5 以上になってもせん断個の 100v、800W のパイプヒーターを使した｡による破断は起こらず変形した｡

応力は最大値到達後、低下しビレットは軟化の傾向を示した｡

2.3 多軸材料試験機による側方押出し加工

さらに歪みがビレットを中央の溝にセットした金型は多軸材料試験

大きくなると応力は再び上昇した。これは端面が張り出機の中央に据えられ、縦方向ラムによって固定された後､して大きくなり、これに伴って圧縮荷重が大きくなるが、ヒーターによって押出し温度に達するまで加熱された。

応力計算は元の面積で割って計算しているためである｡

加熱温度に達した後、２本あるいは４本のパンチにより

図 6 に AZ61 の圧縮試験結果を示す｡温間側方押出し加工が行われた。

同様な傾向を示し、室温から 1６0℃までビレットはせん

AZ61 も AZ31 と断により破壊し、170℃以上になるとビレットは歪みが0.5 以上になっても破壊せず変形した。また、ピーク後、3.1 圧縮試験における温度の影響軟化の傾向も見られた｡

図３及び図 4 に AZ31 と AZ61 の室温から高温での圧縮試験結果を示す｡

図３において､室温から 180℃までビレットはせん断により割れが生じて破壊した。190℃以上の温度になるとビレットは歪みが 0.5 以上でも割れが起こらず変形した。

Billet,R.temp., 180℃,190℃,200℃,250℃

Nominal compression stress, ( Mpa )3. 結果及び考察

600

T/AZ31400

R.Temp.

190℃
200℃
210℃

200250℃00

図３ AZ31 の圧縮試験結果

180℃

0.20.40.6

Deformation degree
AZ61 では、室温から 160℃まではせん断で破壊した

図５ AZ31 の圧縮試験のおける応力―変位図が 170℃以上の温度では歪み 0.5 以上の変形が得られた。
AZ31, AZ61 のどちらも破壊しないビレットは上端が脹の形状は温度が上昇して 300℃になっても変わらず、樽形には成らなかった。

Billet,R.temp., 160℃,170℃,200℃.

600

Nominal compression stress (MPa)

らんだマッシュルームのような形状の変形となった。こRoom temperature

160℃
170℃

400200℃
250℃

200300℃

250℃

図４ AZ61 の圧縮試験結果

000.2
0.4
Deformation degree

0.6

図 5 に温度を室温から 250℃まで変化させた AZ31 の応力と歪みの関係を示す｡

歪み速度は室温では

図6AZ61 の圧縮試験における応力―変位図0.4mm/min でそれ以外では 0.5mm/min である。図において、室温の応力は始め急激に上昇し、171Mpa 付近で降伏してから再び上昇し、最大値の 382MPa となった。
最大値到達後、割れが入り、応力は急激に減少して零と3.2 側方押出し加工
図 7 に各温度で押出し加工された AZ31 の枝付き部品を示す｡ラムの押出し速度は 75mm/min である。

260℃にすると AZ31 の 260℃と同様の応力−変位図を示し､割れのない完全な製品を作ることが出来た｡
500
A Z31215℃

230℃

260℃

図 7 各温度における押出し加工された AZ31 の製品

Stress (MPa)400

2 1 5℃
2 3 0℃200

2 6 0℃

温度 215℃において製品は図中の左に示すようにせん
断により割れ、枝先端部に分離が見られた｡しかし、温度を 230℃以上にすると中央や右の製品のように割れのな00

い枝付き部品を押出すことが出来た｡
図８に各温度で押出し加工された AZ61 の枝付き製

510D is p lac e m en t, (m m )

15500

品を示す｡温度 220℃の製品はせん断により枝が破断しAZ61た。230℃に温度を上げて押出しを行ったのが中央の製400れた。さらに温度を 260℃に上げて押出しを行って得たのが右の製品である｡この温度では割れのない製品が得られた。

Stress (MPa)品で、この製品の枝にもせん断による大きな割れが見ら

220℃
230℃

200260℃

00510Displacem ent, (m m )

図９
220℃

230℃

15

各温度における応力―変位図

260℃

図８各温度における押出し加工された AZ６1 の製品

3.3 背圧の効果

図９に図７及び 図８で示した製品の各温度におけるAZ31 の製品を示す｡

図 10 に背圧を加えながら押出し加工を行った場合の加工時の応力とラムの変位を示す｡

製品は背圧を 75 MPa にして温度

図９の AZ31 において、215℃の応力は開始から急激に増加し、最大値の375 MPa に達した。最大応力に到達後、ビレットの枝にクラックが発生するため､応力は 221 MPa まで急激に低下した。その後, 割れは起こらないので応力は再び増加し、300 MPa 付近まで上昇して一定となり、加工の終了まで続いた。温度を 230℃で押出し加工したビレットは最大応力の 325 MPa に到達するまで急激に増加した。
しかし、割れの発生がないので応力の急激な低下はなく、

180 ℃/75 MPa

190℃ /75MPa

200℃ /75MPa

279 MPa までゆるやかに低下し、加工終了までこの値をとった。さらに押出し温度を上げた 260℃の加工では、230℃の応力曲線と同様の傾向とるがその値は温度が高いため 30 MPa ほど低い値となった。この押出し加工の最大値は 254 MPa で、枝への材料流動が始まると 210MPa まで緩やかに下がり加工終了までこの値で一定となった。
AZ61 において、220℃及び 230℃では、割れが生じ、健全な製品を作ることが出来なかった｡

しかし、温度を220℃/75MPa
図 10

190℃/150MPa

190℃/200MPa

背圧を加えて押出した AZ31 の製品

を 180℃から 220℃まで変化させて押出し加工したもの

800と温度を 190℃にして背圧の大きさを変えたものである｡

200MPa 190℃

180 ℃/75 MPa の製品は枝に多くの割れによる深い溝が見られるが背圧のため枝先端部は分離することはなかっ150MPa減り、一つとなっている｡ 200℃/75 MPa でもまだ枝に割れが一つ見られるが、190℃/75 MPa より浅い溝である。
220℃/75 MPa では枝に割れは観察されず完全な枝付き製品が得られた。温度を 190℃にして背圧を 150MPa,Stress (MPa)た。190℃/75 MPa では枝に深い溝が見られるがその数は400

75 MPa

190℃
190℃
200℃
220℃

180℃

200MPa に変化した場合どちらの枝にも割れは観察されず完全な製品が得られた。背圧を高めた 200 MPa 場合、枝の端面は 150MPa よりさらに改善された平坦な面となAZ31った。
図 11 に背圧を加えて押出し加工を行った場合の AZ31

00510
Displacem ent, (m m )の応力−変位を示す。190℃で 75MPa の背圧の応力は初めから急激に上昇して 657MPa のピーク値に達し、その直後､割れが入って 303MPa15

図 11 背圧を加えて押出し加工した場合の応力―変位図まで急激に減少するが割れの進行が止まると再び上昇する。応力が 430MPa に達7.5mm/min の加工速度のものは割れが見られず完全なすると第２の割れが入って応力は再び減少し、割れの進製品が得られた｡

行が止まると再び上昇する。その後、第３の割れが起こ

図 13 に加工速度を変えた場合の AZ31 の応力−変位るとまた減少する。このように割れが繰り返し起こるのを示す｡この側方押出し加工は温度、215℃の一定で行っで応力は振動を示す。 同じ背圧で、温度を 190℃、200℃た｡75mm/min の加工速度では、応力は最大応力の 379MPaと温度を上げて加工した場合、応力は最初の割れが発生まで急激に増加し、その後、割れのために応力は 221MPaして一旦減少するが、割れの進行が止まると再び緩やかに上昇する。これらの温度では第２の割れが発生しないので応力の振動はない｡

さらに温度を上げて 220℃にすると、割れの発生はなく、ピーク直後の応力の減少は40 MPa と小さい。ビレットは圧縮力を受けて、ビレッ
ト内の応力が上昇し、ある応力になると枝の方向に材料が流れ出し、応力は減少して一定の値となり、加工終了までこの応力を保つ。これはこの側方押出し加工の特徴である｡

75mm/min

図示はしないがAZ61 においても、180℃/150 MPで加図 123５mm/min

7.5mm/min

加工速度の違いによる枝付き製品

工した製品はその枝に多くの割れが見られたが、温度を上げて 190℃/150MPaで加工した場合、割れのない製品を得 る こ と が 出 来 た ｡ さ ら に 250MPaと 背 圧 を 高 め る と
400

180℃でも割れのない製品を押出し加工することが出来マグネシウム合金の塑性加工は 225℃以上の温度でなければ実現が困難だと言われる ３）が本研究では背圧を加えて加工することにより 200℃以下の温度でマグネシウム合金を加工することが出来た。

Stress (MPa)

た ２）｡

–––
.....
––––

75mm/min
35mm/min
7.5mm/min2003.4 加工速度の影響
加工速度の影響を調べるためラムの押出し速度を215℃

75mm/min、36mm/min. 7.5mm/min に変化させて押出し加工を行った｡この場合の AZ31 の製品を図 12 に示す。
75mm/min の 製 品 は 枝 に 大 き な 割 れ が 見 ら れ る 。

T/AZ310036mm/min の製品でも割れが見られるが 75mm/min のも510Displacement, (mm)15のとは異なり、枝部から分離することはなかった。
図 13

加工速度を変えた場合の AZ31 の応力−変位加工速度を半分の 35mm/min には、背圧が 150 MPa , 温度 190℃で得られた。AZ61して押出しすると割れはないが深いくぼみが観察され、でも、150 MPa、190℃で割れのない製品が得られた。

まで大きく減少した。

最大荷重後の減少は小さく、加工終了まで応力は変動もさらに背圧を増加して 250 MPa にすると 180℃でなく一定であった。加工速度を 1/10 の 7.5mm/min で押も割れのない製品を押出し加工することが出来た｡

出し加工を実施すると最大荷重はさらに減少して 318

５）同じ温度の場合、加工速度を遅くした方が割れのなMPa となり、最大荷重後の応力の低下傾向も小さい。マい製品を押出すのに有利であり､速度を 7.3mm/min

グネシウム合金、AZ31 及び AZ61 の押出しは加工速度にで AZ31 のビレットを押出した場合、215℃で完全依存し、遅い速度で押出し加工を行った方が完全な製品な製品を得ることが出来た｡

を得るのに有利である。

謝辞
４．まとめ
マグネシウム合金、AZ31 及び AZ61 の機械的特性を得るために､室温から 250℃まで温度を変えて圧縮試験を行った｡

本研究の遂行にあたり、（財）天田金属加工機械財団の研究助成金を受けた事を記し、財団及び関係者各位に深く感謝の意を表します。

さらに、多軸プレスによる Mg 合金の温間側

参考文献

方押出し加工を実施して押出し加工性を調べ次の結果を得た｡
１） AZ31 において、室温での破壊時の歪みは 0.11 であ[1] 篠崎吉太郎、 (1987) “ 多ラム機械による冷間複動押出し加工法の研究”. 機械技術研究所報告 148 号.

るが 190℃以上では、歪みが 0.5 でもビレットは破[2] K.Hatsukano et al.(2004) “Branched part forming of

壊することがなかった｡

magnesium wrought alloy

２） AZ61 では、押出し加工温度が 170℃以上になると

using

multi-axes

material

by warm lateral extrusion
testingmachine”

ビレットは 0.5 以上の歪みになっても破壊せず変形

proceeding of 7th international coferenceした。

and surface finishing,３） 割れのないの完全な十字型製品は、AZ31 の場合はthedeburring

pp433-442.

230℃で、AZ61 の場合は 260℃で側方押出し加工が[3] E. Doege and St. Janssen, (1999) ”Magnesium

出来た。

precision４）押出し加工温度を低減するため、背圧を加えた側方押出し加工を行った結果、完全な製品は、AZ31 でforming-experimental

andnumericalapproach for magnesium near net-shape processing”,
Proceedings of 32nd ISATA, pp.171-178.