JP3929033B2 - マグネシウム合金部品とその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家電製品などに用いられるマグネシウム合金製の部品に関するもので、特に薄肉でかつ複雑な立体形状を有する部品とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大量に生産されている家電製品において、地球環境保護対策の一つである部材のリサイクルの観点から、従来の樹脂材料に代えて金属材料を用いることが注目されている。樹脂のリサイクル率が２０％程度であるのに対し、金属は９０％以上リサイクルが可能であるためである。
金属材料の中で、特にマグネシウム合金は、他の金属と比較しても軽量、高強度で、振動減衰性や加工性にも優れ、かつ比較的低融点であることから、リサイクルエネルギーも少なくて済むという特徴を有している。したがって、家電製品、事務機器、通信機器、その他各種機器のキャビネットなどの外装部品やシャーシなどに広く利用されようとしている。
【０００３】
従来、マグネシウム合金を材料とする部品は、一般に完全に溶融した合金を金型内に高速で流し込み、高圧で型内で凝固させるダイカスト法が多く用いられてきた。また、近年は、せん断力を与えた半溶融合金を金型内に射出するチクソモールディング法も実用化され、家電製品や携帯機器などへの適用が進んでいる。これらの鋳造法に替わるマグネシウム合金部品の製造方法として、圧延板材を温間で絞るプレス成形や、立体形状を鍛造するプレスフォージング（特開平１１−０７７２１４号公報、特開平１１−２７７１７３号公報、特開２０００−１３５５３８号公報、特開２０００−２１０７４７号公報、特開２０００−２４６３８６号公報）などの方法もＭＤプレーヤのキャビネットで実用化されている。
【０００４】
しかしながら、ダイカスト法やチクソモールディング法は、生産設備が高価であり、かつ金型内で成形の際に湯道などに満たされる不要部分が大量に発生し材料歩留まりが悪いという問題がある。また、溶融した金属を金型内で凝固させ金型の外へ取り出すまで、冷やすのに時間がかかり、生産タクトの短縮は２０秒ぐらいまでが限界である。さらに、鋳造法は、成形時に気泡の巻き込み等により内部に巣が発生したり、湯流れの合流点で湯境と呼ばれる成形品表面の亀裂が生じたりするなどの欠陥が生じやすい。特に、外装部品などに用いる場合、これらの欠陥を修復する必要があり、製品歩留まりが低いという問題を抱えている。鋳造材は、圧延や押し出し、鍛造のような内部組織を改変するような大きな変形が加えられることがなく、また内部欠陥も多いため、一般に引張強度や降伏応力などの機械的性質が展伸材に比べて劣る。
【０００５】
さらに、鋳造法は、空隙型内に溶融金属を流し込むが、金属の凝固時間がその成形肉厚の２乗に比例するため、薄肉の場合数ミリ秒という短時間に充填を完了しなければならない。そのため、０．５mm以下の薄肉成形は非常に難しい。特に、流動長と肉厚の比が１５０を超えるような流動長比率の大きなものは、安定した成形ができないと考えられる。この比率から考えると、肉厚０．５mmの成形品は長さ７５mm程度が限界である。
以上は、マグネシウム合金部品の鋳造法の問題点について述べたものである。
【０００６】
次に、プレスによる塑性加工法の抱える問題点について述べる。
マグネシウム合金は、一般にアルミニウム合金や鉄系材料に比べて延性に乏しいため、曲げやせん断力をかけると破断してしまう。そのため、マグネシウム合金を素材とする曲げや絞りなどの塑性加工はあまり実用化されていない。金属の延性を示す物性値とされている「伸び」の数値を比較した場合、アルミニウム合金では３５％以上を示すものもあるが、マグネシウム合金では鋳造材（ＡＳＴＭ規格のＡＺ９１合金）で３％、展伸材（ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金）で１０％程度、リチウムを多く含む特殊な材料（ＡＳＴＭ規格のＬＡ１４１合金）で２２％である。
【０００７】
リチウムを多く含むマグネシウム合金は、延性に富み、常温に近い温度で曲げや絞りなどのプレス加工ができる。しかし、素材を真空炉中で製造する必要性から非常に高価である上に、大気雰囲気中でも耐食性に劣り数日で表面が茶褐色に変色してしまう。このような理由から、今日現在ではこの合金を素材とした部品が工業的に生産された例はない。
一方、ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金やＡＺ２１合金などのアルミニウム含有量の少ない展伸用マグネシウム合金は、マグネシウム−リチウム合金に比べて耐食性に優れ、さらにそれぞれの合金に応じた防錆処理により、代表的な鋳造用材料である同系のＡＺ９１合金と同等の耐食性が得られる。
現在、ＡＺ３１合金は、プレスによる温間絞りやプレスフォージングによって家電製品の外装部品の製造で実用化されている。しかしながら、絞り成形では、部品に他の部品との締結や位置決めのためのボスやリブ、製品外観に求められるデザインとしての凹凸などを成形することができないという問題点がある。金属板材の絞りという製造方法は設計の自由度を大きく制約してしまう。
【０００８】
次に、プレスフォージングについて述べる。
プレスフォージングは、材料として比較的伸びの良い展伸材であるＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金などを素材とし、加工温度が３５０〜５５０℃と非常に高温で、かつ鍛造速度が１〜５００ｍｍ／秒と非常に速い条件下で行われる（特開平１１−７７２１４号公報）。そして、おおよそ８０ｍｍ角で高さ５ｍｍ程度のＭＤプレーヤ用キャビネットを成形するのに、製品肉厚が１ｍｍのとき６００ｔｏｎ、肉厚が０．５ｍｍのときは１０００ｔｏｎのプレス荷重が必要であり、非常に大きな能力を持つ生産設備が必要である（特開平１１−７７２１４号公報）。
さらに高精度な形状を有する部品や所定の記号を突出させる場合には、このような熱間鍛造工程を粗鍛造工程と仕上げ鍛造工程の２工程以上に分けなければならない（特開平１１−２７７１７３号公報、特開２０００−２４６３８６号公報）という問題点があった。また、この製造方法で成形された品物の結晶粒径は、１０〜３００μmである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来技術の問題点を鑑み、設計の自由度が高い複雑な立体形状を有するも内部および表面の欠陥が少なく、機械的強度および耐食性に優れたマグネシウム合金部品を提供することを目的とする。
本発明は、また、比較的小さなプレス設備で、比較的低温において実施できる、生産性に優れたマグネシウム合金部品の製造方法を提供することを目的とする
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、１．５〜９．５重量％のアルミニウム、０．５〜１．５重量％の亜鉛、および残部マグネシウムからなるマグネシウム合金を板形状に押出すことにより形成された、平均結晶粒径が１〜１０μｍの等軸晶の組織からなる平均板厚０．３〜２ｍｍのマグネシウム合金板に、２００〜３００℃の温度域における前記合金の超塑性現象を利用して、ほぼ垂直方向に荷重をかける成形を施すことにより、突起またはくぼみを有する立体形状に加工することを特徴とするマグネシウム合金部品の製造方法に関する。
【００１１】
超塑性現象を利用して成形されたマグネシウム合金部品は、立体形状部分の断面を鏡面加工すると、平面板部分から立体部分へ材料が流入した痕跡が見られ、立体部分の平均結晶粒径は平面板部分の平均結晶粒径よりも小さいという特徴も備えている。
また、機械的特性として、引張強度が２８０ＭＰａ以上、伸びが２０％以上である。
本発明によれば、平均板厚が０．５ｍｍ以下の薄肉のマグネシウム合金部品をも実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、微細粒組織を有するマグネシウム合金板を超塑性現象を利用してプレス成形することにより、突起および／またはくぼみをもつ複雑な立体形状を有するマグネシウム合金部品を得るものである。
超塑性とは、微細結晶組織を持つマグネシウム合金がある一定の範囲の温度域でかつある一定の歪速度で歪を与えられたときに、数百パーセントにも及ぶ非常に大きな伸びを示す現象であり、一般に超塑性を示す領域では、流動応力の歪速度感受性が高い。したがって、歪速度すなわち加工速度を少し遅くすることによって、かなり流動応力を下げることができ、より小さな力で塑性変形を起こすことができるようになる。
【００１３】
マグネシウム合金の超塑性現象に関し、流動応力の歪速度感受性を表す以下の構成方程式（１）が知られている。
ｄε／ｄｔ＝ Ａ・（ｂ／ｄ）²・（σ／Ｇ）²・Ｄ （１）
ここで、ｄε／ｄｔはひずみ速度、ｄは平均結晶粒径、ｂはバーガース・ベクトルの大きさ（定数）、σは流動応力、Ｇは剛性率、Ａは定数、Ｄは振動数項である。
構成方程式（１）によれば、流動応力σは粒径ｄの逆数に比例し、歪速度ｄε／ｄｔの平方根に比例する。
図４に、歪速度と２５０℃における流動応力の関係を示す。ａはマグネシウム合金の結晶粒径が１μｍの場合、ｂは結晶粒径が１０μｍの場合である。
結晶粒径１μｍの場合、歪速度が０．１ｓ^-1という比較的高速変形領域であっても超塑性が発現し、歪速度の低下とともに流動応力が小さくなることが予測できる。
【００１４】
本発明は、１．５〜９．５重量％のアルミニウム、０．５〜１．５重量％の亜鉛、および残部マグネシウムからなり、平均結晶粒径が１〜１０μｍの等軸晶の組織からなる平均板厚０．３〜２ｍｍのマグネシウム合金板に、２００〜３００℃の温度域において、ほぼ垂直方向に荷重をかける成形を施すことにより、超塑性現象を利用して、実用的に低いプレス圧力で、かつ高速で、突起またはくぼみを有する立体形状に加工できることを見いだしたことに基づいている。
【００１５】
本発明では、ひずみ速度域１×１０^-3〜３×１０^-1ｓ^-1において、流動応力域は９〜３００ＭＰａとなる。例えば、従来のプレスフォージング法によると、ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金素材を、成形荷重１０００ｔｏｎ、成形温度４００℃で成形加工することにより、突起を有する平均厚み０．９ｍｍ、大きさ８０ｍｍ角のキャビネット部品が得られるとされている。本発明によると、成形荷重２００ｔｏｎ未満、成形温度３００℃において同等品を得ることができる。
本発明は、２００〜３００℃という比較的低温において超塑性を発現させるので、金型の長寿命化を図ることができるとともに、潤滑剤として、安価で洗浄も容易で取り扱いやすいものを用いることができる。したがって、本発明によれば、生産性が高く、安価にマグネシウム合金部品を提供することができる。
【００１６】
本発明に用いるマグネシウム合金素材は、１．５〜９．５重量％のアルミニウム、０．５〜１．５重量％の亜鉛、および残部マグネシウムからなるものであり、不可避的な不純物を含む。例えば、ＡＳＴＭ規格のＡＺ９１合金を用いることができる。ＡＺ９１合金は、従来プレス加工で実用化されているアルミニウム含有量が２．５〜３．５質量％、亜鉛含有量が０．５〜１．５質量％の合金よりもアルミニウム含有量が高く、耐食性に富むので、家電製品の外装部品として有効に利用できる。
【００１７】
上記の合金素材は、通常粒径が２０μｍ以上あり、微細粒の超塑性組織を有しないので、これを平均結晶粒１０μｍ以下の組織を有するように調製する。２０〜５０μｍの平均結晶粒を有するビレットを２００〜２５０℃の温度において押出し比４０以上で押出すと、動的再結晶という現象が起こり、平均結晶粒１０μｍ以下の組織を有する素材が得られる。ＥＣＡＥ（Equal Chamber Angular Extrusion）といわれる特に大きな歪みを与えることができる特殊な押出しを行うと、サブミクロンレベルの微細化が可能である。微細組織を持つ素材を作る最も生産性の高い方法としては、圧延とその後再結晶を伴う熱処理を行う方法があり、５μｍ程度の結晶粒組織をもつ材料が得られている。
【００１８】
【実施例】
以下に、本発明を実施例により詳細に説明する。
素材には、アルミニウム含有量が約９重量％、亜鉛含有量が約１重量％、残部がマグネシウムの市販の鋳造用マグネシウム合金であるＡＺ９１合金の丸棒を用いた。これを溶体化処理した。溶体化処理の適切な条件は、温度４００〜４５０℃、時間２４〜７２時間である。本実施例では、４３０℃、４８時間とした。次いで、温度２５０℃において、押出し比４４、押出し速度０．２ｍｍ／ｓで、幅３０ｍｍ、厚み１．４ｍｍの矩形断面を持つダイスから板形状に押出した。押出した板材の平均結晶粒径は約３μｍであった。
前記の式（１）に素材の平均結晶粒径３μｍと温度２５０℃の条件を代入して各々の歪速度に対する流動応力の変化を求めると、歪速度０．１ｓ^-1のとき応力は１５０ＭＰａ、歪速度０．０１ｓ^-1では５０ＭＰａ、歪速度０．００１ｓ^-1では１８ＭＰａまで低下することがわかった。
【００１９】
この素材を使った実際の立体形状の成形は次のように行った。
図５は、板材にボスを成形する金型と油圧式プレス機の一部を示す。図５において、１１はプレス機のボルスタを表す。このボルスタ１１およびその上方に配置されたプレス機のスライド１２は、それぞれヒータ１３および１４を備えている。下金型１５と上金型１８とは、コンテナ１９内においてマグネシウム合金板１０をその板面に垂直にプレスする。下金型１５には、合金板１０の下面に突出するボスを成形するための孔１６を有する。この孔は、空気抜きのための孔１７に連通している。コンテナ１９には、金型の温度をフィードバック制御するための熱電対２０がセットされている。
【００２０】
金型をあらかじめ２５０℃まで加熱しておいて、そこにマグネシウム合金板１０を挿入し、油圧プレス機で一定圧（被加工材にかかる面圧で７８０ＭＰａ程度）にて加圧していく。板の平面部の面積２５０ｍｍ²に対し直径４ｍｍのボスが立つような加工を施した。成形前の板材の厚みが１．４ｍｍで、板厚が元厚から０．２５ｍｍ薄くなる、すなわち厚み１．１５ｍｍまで、板全体を押し潰すように加圧すると、直径４ｍｍのボスが５ｍｍほどの高さまで成形できた。加工時間はおよそ５秒間であった。これを、ボスの隆起速度を歪速度に換算すると０．０１〜０．１ｓ^-1である。
【００２１】
比較のため、同じ条件で５ｍｍのボスを立てる成形をした場合、結晶粒径が２４μｍのＡＺ９１合金板では約６０秒、粒径１７μｍのＡＺ３１合金板では２０秒近い時間を要した。
【００２２】
次に、超塑性現象を利用した製造方法で作製された成形品の特徴について述べる。
平板部２に突起３を加工した成形品１の断面を鏡面加工し、適切なエッティングをして観察した組織の模式図を図１に示す。図左半分は、倍率１０³程度の光学顕微鏡で観察した金属組織を模式的に表している。右半分は拡大していない。図１に示すように、超塑性を利用して塑性加工された成形品は、等軸晶を保っているのが特徴である。一般に、圧延や引張り加工後の組織は、その力が加わった方向に長くなり、等軸晶ではなくなる。また、ボス部の付け根に平板部からボス部に向かって材料が流れた痕跡（フローマーク）４が見られるのも特徴である。図１において、部位ごとに詳細に平均粒径を求めたものを図２および図３に示す。図２は、加工による歪が大きく生じた部分を表す。加工による歪が大きく生じた部分は、図３に示す歪の小さかった部分に比べて結晶粒径が小さくなっているのが特徴である。
上で示したような方法で、展伸材に塑性加工を施して作製された成形品は、もともと展伸材の機械的強度、例えばＡＺ３１Ｂ−Ｏ合金であれば引張強度２５５ＭＰａよりも高い引張強度を示す。また、伸びについても２０％を超える。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、設計の自由度が高い複雑な立体形状を有し、０．５ｍｍ程度以下の薄肉のマグネシウム合金部品を提供することができる。本発明によるマグネシウム合金部品は、内部および表面の欠陥が少なく、機械的強度および耐食性に優れる。また、本発明の製造方法によると、比較的小さなプレス設備で、２００〜３００℃の比較的低温において加工することができるので、消費エネルギーを抑制するとともに、金型の長寿命化をはかれるなど、安価なマグネシウム合金部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による成形品の突起を有する部分を断面にして示す模式図である。
【図２】図１の成形品の歪みが大きく生じた部分の金属組織を示す写真である。
【図３】図１の成形品の歪みが小さい部分の金属組織を示す写真である。
【図４】超塑性の発現を示す流動応力図である。
【図５】本発明の実施例に用いた成形装置を示す一部を断面にした正面図である。
【符号の説明】
１０ 成形しようとするマグネシウム合金板
１１ プレス機のボルスタ
１２ プレス機のスライド
１３、１４ ヒータ
１５ 下金型
１６ ボス形成用孔
１７ 空気抜き孔
１８ 上金型
１９ コンテナ
２０ 熱電対

Claims (4)

1. １．５〜９．５重量％のアルミニウム、０．５〜１．５重量％の亜鉛、および残部マグネシウムからなるマグネシウム合金を板形状に押出すことにより形成された、平均結晶粒径が１〜１０μｍの等軸晶の組織からなる平均板厚０．３〜２ｍｍのマグネシウム合金板に、２００〜３００℃の温度域における前記合金の超塑性現象を利用して、ほぼ垂直方向に荷重をかける成形を施すことにより、突起またはくぼみを有する立体形状に加工することを特徴とするマグネシウム合金部品の製造方法。
2. 前記成形を施す工程が、１×１０^-3〜３×１０^-1ｓ^-1の歪み速度域において実施される請求項１記載のマグネシウム合金部品の製造方法。
3. 板形状に押出すことにより形成された、アルミニウム含量が１．５〜９．５重量％、亜鉛含量が０．５〜１．５重量％、残部がマグネシウムであり、平均結晶粒径が１０μｍ以下の等軸晶の組織からなる平均板厚２ｍｍ以下のマグネシウム合金板からなり、平面部上に突起またはくぼみをもつ立体形状を有するマグネシウム合金部品であって、平面部から突起またはくぼみ部分へ材料が流入した痕跡が見られ、立体部の平均結晶粒径が平面部の平均結晶粒径よりも小さいマグネシウム合金部品。
4. 前記マグネシウム合金部品が、常温における引張強度が２８０ＭＰａ以上であり、伸びが２０％以上である請求項３記載のマグネシウム合金部品。

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