ねじり加工により微細結晶粒化したマグネシウム合金円管材の曲げ加工性に関する研究
富山大学大学院 理工学研究部 ナノ・新機能材料学域
准教授 会田哲夫（平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008028）
キーワード：ねじり加工，マグネシウム合金，曲げ加工
1．研究の目的と背景
近年，地球温暖化抑制のため自動車産業では排気ガス削減に力を注いでおり，特に軽量化が有効的な手段であることから，アルミニ
ウムなどの軽金属がバンパーやスペースフレームに用いられている．また，剛性を保つためにこれらの部品は中空材が適用されており，曲げ加工やハイドロフォーミング等の塑性加工を経て，複雑かつ軽量・高剛性な製品に仕上げられる．この経緯から，実用金属中最軽量なマグネシウム合金を用いた中空材が自動車産業や航空機器産業等に注目されている．そのため，マグネシウム合金を用いた中空形材の，曲げ加工性改善の研究が進められている．
長谷川らは AZ31 合金押出しパイプ材のプレス曲げ加工に及ぼす加工温度の影響を調査した 1)．その結果，室温ではパイプ直径D0に対する曲げ半径 R0 の比（以下曲げ比と表記する）が 2.5 でも曲げ部に割れが生じたが，473K では曲げ比 2.0 でも曲げ部に割れが生じず，良好なプレス曲げ加工を可能であることを報告している．他方，
AZ612)や AM303)に対してもパイプの曲げ加工性に関しての報告例もあるが，90°曲げにおける加工性については，詳細に調べられていない．マグネシウム合金の結晶構造は稠密六方晶を有しており，一般的に温間以上での塑性加工が適用される．しかし，強度とコストの観点を考慮すると，室温での曲げ加工が可能となることが望ましい．
そこで本研究では，室温における変形機構に着目し，AZ 系マグネシウム合金押出し管材にねじり加工を施し，内部の結晶組織を変化させた．そして機械的性質の評価を行い，室温における回転引曲げ加工に及ぼすねじり加工の影響を明らかにすることを目的とした．

2. 実験方法
2・1 供試材
供試材は外直径D0=24mm，肉厚t0=2.2mm の三協マテリアル株式
会社製AZ61マグネシウム合金押出し管材（以下，供試材と呼称する）
を用いた．
2・2 ねじり加工
本実験でのねじり加工は，（株）渡製作所製の片側回転式ねじり戻し加工機を用いた．機械的性質を評価する試験片は標点距離L=200mm，ねじり速度1rpm，室温でねじり加工を施した．ねじり角度は破断するまで施し，供試材は 348°（せん断ひずみ γ=0.36），均質化処理を施した供試材は，362°（γ=0.38）ねじることが可能であった．
回転引曲げ試験を行う試験片については，標点距離 L=550mm，ねじり速度 1rpm，室温でねじり加工を施した．ねじり角度はすべて720°（γ=0.27）まで施した．また，すべてのねじり加工を施す試験片は，扁平変形を防ぐためにパイプ内部に鋳物砂を充填して加工を施した．
2・3 機械的性質
試験片の加工条件を Table 1 に示す．各試験片条件について，引張試験と圧縮試験を行い，ねじり加工が及ぼす機械的性質の評価を行った．引張試験片は押出し方向に対して，平行に採取した JIS14Bの円弧状試験片を用い，平行部幅 W=8mm，標点距離 L=24mm とした．また，圧縮試験片は高さを直径と同じ H=24mm とし，引張試験，圧縮試験を共に室温で行い，互いの耐力を比較した．ひずみ速度は引張試験を 3.47×10-4s-1，圧縮試験を 1.67×10-3s-1 と設定した．
2・4 回転引曲げ試験
試験片の曲げ加工条件を Table 2 に示す．各試験片条件について，協同アルミ株式会社の回転引曲げ試験機を用いて，室温で曲げ比 R0/D0 を 2.8, 3.0 とし，目標曲げ角度を 90°と設定して試験を行い，ねじり加工による回転引曲げ加工性の評価を行った．回転引曲げ加工性の評価方法は試験片外観と肉厚ひずみ，扁平化率を調査した．
肉厚ひずみは初期肉厚から変化した肉厚を引き，その後初期肉厚で除した値とした．また，扁平化率は最大直径から最小直径を引き，それを初期直径で除した値とした．
Table 1 Processing conditions of specimen
Specimen
Homogenization treatment
Torsionnumber(T=400℃, t=20h)
processing①
Without
Without②
Without
With③WithWithout④
WithWith
Table 2 Bending condition of specimen
Dimensions of specimen

φ24×t2.2×550mm

Bending ratio

2.8, 3.0

Bending angle

90°

Bending processing speed

7°/s

Bending temperature

R.T.

3. 実験結果
3・1 機械的性質Fig. 1 に室温での引張試験・圧縮試験の耐力の比較結果を示す．
ねじり加工を行っていない試験片は，圧縮試験での 0.2%耐力(CYS)を引張試験の 0.2%耐力(TYS)で割った値（以下，耐力比と表記）が0.63 となり，引張試験の耐力と比較して，圧縮の耐力が低いことがわ
かる．均質化処理を行った試験片でも耐力比が0.66とあり，同じ結果になった．一方，ねじり加工を施した試験片は耐力比が 1.06 となり，引張試験の耐力と圧縮試験の耐力比が1に近づいた．Fig. 2にひずみが 0.27 以上で耐力比が 1 となり，この要因として，結晶方位がランダム化したことによるものと推察される．
3・2 回転引曲げ試験
Fig. 3 に各曲げ半径における回転引曲げ試験片の外観を示す．
ねじり加工を行っていない供試材は，曲げ比 2.8, 3.0 のどちらでもFig. 3 中に矢印で示した位置にクラックが生じた．また，均質化処理を施しても同様に矢印で示した位置にクラックが生じた．一方，供試材や均質化処理を施した試験片に，ねじり加工を施した場合，曲－ 155 －Nominal stress, σ / MPa

220

Yield strength , y / MPa

Nominal stress, σ / MPa

げ比 2.8, 3.0 ののどちらでも曲げげ部にクラックの発発生が見られず，良好な曲げ加工が可可能であった．

350① CYS/T
TYS = 0.63300
250200150
100

Tensile test
Compression test

50
00.00

3550
3000

0.05

0.100.15

Nomiinal strain, ε200

Tensilee test
Comprression test

180160140120100
80
0.00.20

0.1

00.2

0.3

Shearing
g strain , 0.4

Fig. 2 Comparison off tensile and compr
pression yield stren
ngth by differenceeof shhearing strain.
(a) R0/D0=2.6② CYS/T
TYS = 1.06

2550①②③④2000
1550
1000

Tensile test
Compression test

55000.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Nomin
nal strain, εNominal stress, σ / MPa350(b) R0/D0=2.8③ CYS/T
TYS = 0.66300
250200150100

Tensile test
Compression test

50
00.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Nominal stress, σ / MPa

Nomin
nal strain, ε35503000(c) R0/D0=3.0④ CYS/T
TYS = 1.06

2550
2000
1550
1000

Tensile test
Compression test
t550
00.00

0.05

0.100.15

Nomin
nal strain, ε0.20

Fig. 1 Stress-strrain curve of tenssile test and com
mpression test of AAZ61extruded pipe. ① As extrudeed ② Fracture torsion (γ=0.366) ③
Fracturre torsion after
Homogenizationn treatment ④
homogenizationn treatment (γ=0.388)

Fig. 3 Appearance off bending specimeen of AZ61 extrud
ded pipe. ① Ass
extruded ② Torsion (γ=0.27) ③ Homogenizatiion treatment ④
Torssion after homog
genization treatmement (γ=0.27)－ 156 －Fig. 4 に各曲げ半径における曲げ中央部の肉厚ひずみ分布を示す．ねじり加工を行うことで引張側のひずみのレベルが減少しており，ひずみが 0 となる位置が中立面と考える．この結果からねじり加工を施すことで曲げの中立面が引張側に移動し，圧縮面の肉厚ひずみは減少していることがわかる．この原因として，ねじり加工を施すことで引張りと圧縮の耐力が共に増加したが，特に圧縮側の耐力が著しく増加したために，圧縮側の変形抵抗が増加した．その結果，圧縮側でのひずみが低減し，肉厚の増加が抑制されたためといえる．

Table 3 に各曲げ半径における扁平化率を示す．押出しまま材と均質化処理を施した試験片の扁平化率は，曲げ加工中に試験片が破断したため低い値を示す．一方ねじり加工を施した場合は耐力が増加したために扁平化が進んでも破断せずに曲げ試験が可能である．また，曲げ比が小さいほど扁平化が増加する．
Table 3 Flattening ratio of AZ61 extruded pipe. ① As extruded②Torsion (γ=0.27) ③ Homogenization treatment ④ Torsion
after homogenization treatment (γ=0.27)

R0/D0=2.6
R0/D0=2.8
R0/D0=3.0①0.0440.038
0.045②0.0680.063
0.057③0.0750.044
0.049④0.069
0.068
0.067

4.結言
AZ61 マグネシウム合金押出しパイプ材に室温でねじり加工を施し，その後回転引曲げ加工を行い室温曲げ加工性に及ぼすねじりの影
響を評価した結果，以下の知見を得た．
(1) ねじり加工を施した場合，室温での圧縮と引張りの耐力差が減少し，ほぼ同様な値となった．
(2) ねじり加工しない場合，室温での回転引曲げ加工では曲げ比が2.6，2.8，3.0 のいずれでも曲げ部にクラックが発生したが，ねじり加工を施すことでクラックの発生は認められず，良好な曲げ加工が可能であった．
(3) ねじり加工を施した場合，曲げの中立面は圧縮側に移動した．これは圧縮側の耐力が著しく増加したために，圧縮側でのひずみが減少し，肉厚の増加が抑制されたといえる．

謝 辞
最後に本研究成果を発表するにあたり，財団法人天田金属加工
機械技術振興財団より一般研究開発助成を賜りました．ここに厚く御礼申し上げます．

参考文献
1) 長谷川収・真鍋健一・井上直人・西村 尚：塑性と加工, 48-556,(2007), 422-426.
2) 岩井匡之・河野裕一郎・目良雅裕・本保元次郎・清水 亨：軽金属学会第 113 回秋期大会講概 (2007), 419-420.
3) Wu,W. Zhang,P. Zeng,X. Jin,L. Yao,S. Luo,A.A.: Mat. Sci. Eng. A,
486, (2008), 596-601.

Fig. 4 Thickness strain distribution at bending center of AZ61 extruded
pipe. ① As extruded ② Torsion (γ=0.27) ③ Homogenization
treatment ④Torsion after homogenization treatment (γ=0.27)－ 157 －