JP2004351486A

JP2004351486A - マグネシウム合金板材の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2004351486A
Application number: JP2003153197A
Authority: JP
Inventors: Yukio Nishikawa; 幸男西川; Akira Takara; 晃宝; Koichi Yamazaki; 幸一山崎; Kenji Azuma; 健司東
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】塑性加工における成形性が良いマグネシウム合金板材を従来得られない大面積で生産性良く製造できるマグネシウム合金板材の製造方法を提供する。
【解決手段】マグネシウム合金板材２を折り曲げ装置内に誘導して、入口側から押圧を加えるとともに出口側から引張りを与えて、入口と出口を同速度で連続的に通過させて、板厚を変化させずに内角０°以上９０°以下の角度で板厚方向に折り曲げ加工をする工程と、次に前記の加工をされた板材に、前記と同じ折り曲げ加工を板厚の逆方向に施す工程とを、その順にそれぞれ１回以上同数回ずつ行うマグネシウム合金板材の製造方法。こうして板材にせん断変形を与えることで、成形性の良いマグネシウム合金板材を大面積で生産性良く製造することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性加工に用いられるマグネシウム合金板材の製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料の中でマグネシウム合金は、他の金属と比較して軽量で、高強度であり、振動減衰性や加工性にも優れ、比較的低融点であることから、リサイクルに要するエネルギーも少なくて済むという特徴を有している。マグネシウム合金の成形品は、ダイカストや射出成形など鋳造法でほとんどが製造されている。これらの成形品は、表面や内部に鋳造欠陥を有するため、特に外装部品において塗装歩留りを高くするのに困難を要する。
【０００３】
一方、プレスなどによる成形品では、そのような表面欠陥は非常に少なくなる。しかし、マグネシウム合金は、稠密六方晶を有することから、変形のすべり面が少なく、圧延、曲げなどの塑性加工性に難がある。そのため、マグネシウム合金を素材とするプレス加工は、実用化例が少ない。最近になって、一部で展伸材（ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金）や特殊材料（ＡＳＴＭ規格のＬＡ１４１合金）のようなマグネシウム合金について、鍛造やプレス加工による成形事例がある。材料面に関して、結晶粒径や方位などの金属組織の差異によって延性に違いが現れ、改善できることが報告されている（山野井らの非特許文献１参照）。
【０００４】
例えば、結晶粒を小さくするか、Ｘ線回折パターンにおいて、（１００）面の存在に基づく回折強度が弱く、（１０１）面などの存在に基づく回折強度が強くなるようにすることである。すなわち、引張り軸と４５°傾いた方向に結晶の底面（０００１）面（Ｘ線回折パターンでは（００１）面と等価な面として現れる）を並べることで、底面のすべり方向と最大せん断すべり方向を一致させ、変形能を向上させるという考え方である。Ｘ線回折パターンで（１００）面の回折強度が強い板材に比べ（１０１）面の回折強度が強い材料であると、すべり方向の自由度が増し、室温での塑性加工性が向上することが知られている。さらに、結晶粒径が小さくなると、延性は一層向上する。これを具体的に実現する手段として、ＥＣＡＥ（Ｅｑｕａｌ−Ｃｈａｎｎｎｅｌ−Ａｎｇｕｌａｒ−Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）法がある。ＥＣＡＥ法で作製したマグネシウム合金板材については、例えば、向井らの非特許文献２に詳細に述べられている。アルミニウム３重量％と亜鉛重量１％を含むＡＺ３１合金において、ＥＣＡＥ法により２００℃で９０°の折り曲げを行うことで、上記した（１０１）面の回折強度が、他の面のそれに比べて大きくなるようにし、かつ通常板材の結晶粒径が１０μｍ以上であるのに対し１μｍ程度の微細結晶組織を形成できることが示されている。
【０００５】
図４は、従来のアルミニウム合金に対する側方押出法、すなわちＥＣＡＥ法を実施するための装置の構成を示す（特許文献１参照）。図４において、一方のコンテナ２１にアルミニウム合金材料２４を挿入し、ラム２３によって次のコンテナまたはダイ２２に向けて押出しすることによって、アルミニウム合金材料２４に側方方向のせん断変形を加えることができる。これにより、非常に単純な工程で結晶粒を微細化することができる。また、加工用材料にマグネシウム合金を用いた場合には、上記したように加工性にとって好ましい（１０１）面の回折強度を強くすることもできる。
また、マグネシウム合金を液体もしくは固液共存状態から板状に成形すると同時に板厚方向に圧縮しながら凝固させると、加工性にとって好ましい（１０１）面の比率が高い板材を得ることができる（特許文献２参照）。
【０００６】
【非特許文献１】
日本金属学会２０００年秋季講演概要４９５頁
【非特許文献２】
ＳｃｒｉｐｔａＭａｔｅｒｉａｌｉａ，ｖｏｌ．４５（２００１），ｐ．８９−９４
【特許文献１】
特開平１０−２５８３３４号公報（第６頁、図１）
【特許文献２】
特開２００３−０２７１７３号公報（第７頁、図９）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すような方法では、現実的に加工できる材料の大きさや形状が、直径２０ｍｍ、長さ１００ｍｍ程度の丸棒状に限定される。そのため実用上必要性の高い大きな面積の板状で供給することができず、また生産性も低いため製造原価が高価になる。
また、特許文献２の方法では、凝固時に板材内部に微小な空隙が導入されると、板材の延性が低下し易く、また、装置も燃焼防止の部分が高価になるという問題を有している。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、塑性加工における成形性が良いマグネシウム合金板材を、従来得られない大面積で、生産性良く製造できるマグネシウム合金板材の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、またそのようなマグネシウム合金板材の製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、マグネシウム合金板材に成形性を付与するものであって、マグネシウム合金板材を折り曲げに適した温度に加熱し、前記板材を折り曲げ装置内に誘導して、入口側から押圧を加えるとともに出口側から引張りを与えて、入口と出口を同速度で連続的に通過させて、板厚を変化させずに内角０°以上９０°以下の角度で板厚方向に折り曲げ加工をする工程と、次に前記の加工をされた板材に、前記と同じ折り曲げ加工を板厚の逆方向に施す工程とを、その順にそれぞれ１回以上同数回ずつ行うことを特徴とするマグネシウム合金板材の製造方法に関する。
本発明によれば、成形性の良いマグネシウム合金板材を大面積で生産性良く製造することができる。
【００１０】
ここに用いるマグネシウム合金板材は、アルミニウムを２〜１０重量％、亜鉛を０．５〜１．０重量％含むＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金からなり、折り曲げ加工をする温度は１８０〜３００℃が適している。
上記の折り曲げ加工の施された板材に焼鈍処理をする工程をさらに有することが好ましい。この焼鈍処理により、マグネシウム合金板材の内部歪を開放し、一層成形性を向上させることができる。
焼鈍処理の温度は、前記の加工温度を超え、再結晶終了温度３６０℃以下が好ましい。
【００１１】
本発明は、マグネシウム合金板材を連続的に供給する装置と、前記板材を加熱する装置と、入口側および出口側にそれぞれ押圧機構および引張機構を有し板材を板厚方向に折り曲げる折り曲げ部からなる第１の折り曲げ機構と、入口側および出口側にそれぞれ押圧機構および引張機構を有し第１の折り曲げ機構とは反対方向に折り曲げる折り曲げ部からなる第２の折り曲げ機構と、板材を連続的に回収する装置とを具備し、前記加熱装置により加熱されたマグネシウム合金板材を板厚方向に連続的な折り曲げを施し、次いで逆の板厚方向に折り曲げ加工を施した後回収することを特徴とするマグネシウム合金板材の製造装置を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
実施の形態１
図１は、本実施の形態におけるマグネシウム合金板材の製造装置の概略構成を示す。図１において、１はマグネシウム合金板材２を巻き付けたロールで構成された、マグネシウム合金板材の供給装置であり、マグネシウム合金板材２を連続的に供給する。供給装置１から繰り出されるマグネシウム合金板材２の移動経路には、加熱装置３ａ、折り曲げ用金型４ａ、金型４ａの前後に設けられた押圧機構５ａおよび引張機構６ａ、加熱装置３ｂ、折り曲げ用金型４ｂ、金型４ｂの前後に設けられた押圧機構５ｂおよび引張機構６ｂ、加熱装置３ｃ、並びに板材を巻き付けるロールで構成された板材の回収装置７が設けられている。８ａおよび８ｂはそれぞれ金型４ａおよび４ｂを加熱するヒータである。
【００１３】
ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金からなる板厚１ｍｍのマグネシウム合金板材２は、まず加熱装置３ａを通過させながら２００℃に加熱する。
ＡＺ３１は展伸材と呼ばれ，プレス加工に良く用いられる材料である。加工の原理は、従来の棒材におけるＥＣＡＥ法と同じで、これを板材に適用したものである。加工温度としては、本合金の場合、加工性の良くなる１８０℃以上が必要であるが、あまり温度が高すぎると導入したせん断歪みが拡散により消えてしまうので３００℃以下が望ましい。
【００１４】
加熱装置３ａは、例えばヒータによる輻射加熱のような方式でも、他の方式でも良い。加熱温度を保ったままで、板材２を一対のロールから構成された押圧機構５ａにより、折り曲げ用金型４ａの内部に送り込む。折り曲げ用金型４ａは、内部に板材２の板厚に等しい隙間の流路を有している。この流路は、内部でほぼ直角に折れ曲がっている。板材２の厚みが１ｍｍの場合、流路の長さは１０ｍｍ程度あればよい。あまり長すぎると、途中の摩擦抵抗が多くなり、送りが困難となる。この流路に板材２を押し込むと同時に、同じく一対のロールから構成された引張機構６ａにより、押し込み速度と同じ速度で引張り出す。
【００１５】
折り曲げ金型への押し込みの最適速度は加工温度によって変化するが、本実施例では２０ｍｍ／秒で行った。条件幅としては３〜１００ｍｍ／秒が望ましい。加工速度が小さすぎるとせん断変形を十分に起こすことができない。また、加工速度が大きすぎると板材が破断する。押し込み速度と引張り速度を同じにすることで、板材２は板圧を一定に保ち引張り方向の変形が生じることを防ぎ、せん断変形のみを起こすことができる。この場合、引張り速度の方を速めにし、引張り出される板材に加工温度での降伏応力以下、例えば０〜５ｋｇ／ｍｍ^２の引張り応力がかかるように制御すれば、板材内に引張り変形が起こらず、せん断変形のみを与えることができる。曲り角ですべりがないという状態において、４５°のせん断変形を起こすには内角９０°で折り曲げれば良い。
【００１６】
曲り角でのすべりがある場合や、大きな歪を付与したい場合には、折り曲げ角度をより小さくすれば良い。しかし、内角をあまり小さくして板材どうしが干渉すると、板材２の連続的引張り出しにとって、板材２自身が障害となる。また、金型４ａは、内部の板材２が冷却されないように、例えば金型用ヒータ８ａなどの手段で加熱することが望ましい。
【００１７】
次に、同じような手順で加熱機構３ｂにより板材２を２００℃の温度を保ち、押圧機構５ｂのロールで金型４ｂ内に押し込み、金型４ａとは板厚の逆方向に折り曲げると同時に引張機構６ｂで引張り出す。速度は同じく１００ｍｍ／秒である。
このように一対の板厚方向の折り曲げを複数回行うと、板材２にせん断変形がより一層確実に付与される。引張り出された板材２は、再度、加熱機構３ｃで３００℃に加熱する焼鈍処理が施される。この処理により内部歪みだけが取り除かれる。せん断変形によって生じた方位は維持される。調質された後、ロール状の巻き取り装置である回収装置７に巻き取られる。
【００１８】
ＡＺ３１合金のＸ線回折パターンにおいては、（１００）面、（００２）面および（１０１）面に主回折ピークを有し、（１０２）面、（１１０）面、（１０３）面および（１１２）面に弱い回折ピークを有する。
上記の加工をした板材２のＸ線回折パターンにおいては、（１０１）面の回折ピークと（１１０）面の回折ピークとの和が、すべての面の回折ピークの総和に占める割合は約４６％である。この割合は、（１００）面の回折ピークと（００２）面の回折ピークとの和が占める割合の３９％よりも高い。これは従来の通常圧延で作製した板材が（１００）面を主とするのに対し、結晶方位としてはより好ましい。現実には、それぞれの面方位は完全にそろわず、±０．５°以下の幅を有していた。また、平均粒径は５μｍで、通常の圧延材で１０μｍ以上であるのに対し小さくできている。
【００１９】
調質工程の温度が高く、時間が長いほど板材２の結晶粒径は大きくなる。この調質工程は、本システムとは別の工程で行っても良い。また、金型４ａ内部に板材２を通すには、図２に示すように、最初金型４ａを４１と４２に開いた状態にしておき、板材２を通した後、両金型を閉じれば良い。図２は、金型４１は金型４２の端部を係合する段部４３を有し、金型４１と４２との間に板材２の流路４４が形成されることを示している。
本実施の形態では、ＡＳＴＭ規格のＡＺ３１合金からなる板材を用いたが、他のマグネシウム合金組成の板材、例えばアルミニウム含量が９％と多いＡＺ９１合金などに対しても適用できることはいうまでもない。このＡＺ９１合金はＡＺ３１合金より変形性は劣るが、耐食性に優れている。
【００２０】
実施の形態２
本実施の形態の製造装置について、図３を参照して説明する。
図３は、本実施の形態のマグネシウム合金板材の製造装置のロール式折り曲げ機構部を拡大した図である。本実施の形態の実施の形態１と異なる点は、折り曲げ機構としてロール式機構を用いた点である。図３において、内周ロール９は固定されており、複数の外周駆動ロール１０で板材２を走行させるものである。板材２は、固定された内周ロール９の摩擦があるため、小さな速度でしか進行しないのに対し、外周側は駆動ロール１０で前方に押し出されるため、内周と外周の速度差によって、板材２はせん断変形を受ける。加工温度、板材２の送り速度などの加工条件は実施の形態１に準ずる。
【００２１】
本実施の形態では、外周駆動ロール１０で板材２を前方に押し出すことができるため、折り曲げ機構の内周ロール９と外周駆動ロール１０の間隔を広げずとも板材２の挿入が可能であるという特有の効果がある。
また、本実施の形態は、通常圧延材が製造されている幅３００ｍｍ程度の板材に対しても、装置構成が近いため適用が可能であり、一層広幅の加工性に優れた板材を製造することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、塑性加工における成形性が良いマグネシウム合金板材を、従来得られない大面積で、生産性良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるマグネシウム合金板材の製造装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１における板材の設定方法を示す金型の縦断面略図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるロール式折り曲げ機構部の構成を示す図である。
【図４】従来のＥＣＡＥ法を実施するための装置の構成を示す縦断面略図である。
【符号の説明】
１連続供給機構
２マグネシウム合金板材
３加熱機構
４折り曲げ用金型
５押圧機構
６引張機構
７連続回収機構
８金型用ヒータ
９内周ロール
１０外周駆動ロール

Claims

２〜１０重量％のアルミニウムおよび０．１〜１．０重量％の亜鉛を含むＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金からなり、１８０〜３００℃に加熱された板材を折り曲げ装置内に誘導して、入口側から押圧を加えるとともに出口側から引張りを与えて、入口と出口を同速度で連続的に通過させて、板厚を変化させずに内角０°以上９０°以下の角度で板厚方向に折り曲げ加工をする工程と、次に前記の加工をされた板材に、前記と同じ折り曲げ加工を板厚の逆方向に施す工程とを、その順にそれぞれ１回以上同数回ずつ行うことを特徴とするマグネシウム合金板材の製造方法。
前記折り曲げ加工の施された板材に、焼鈍処理する工程をさらに有する請求項１記載のマグネシウム合金板材の製造方法。
マグネシウム合金板材を連続的に供給する装置と、前記板材を加熱する装置と、入口側および出口側にそれぞれ押圧機構および引張機構を有し板材を板厚方向に折り曲げる折り曲げ部からなる第１の折り曲げ機構と、入口側および出口側にそれぞれ押圧機構および引張機構を有し第１の折り曲げ機構とは反対方向に折り曲げる折り曲げ部からなる第２の折り曲げ機構と、板材を連続的に回収する装置とを具備し、前記加熱装置により加熱されたマグネシウム合金板材を板厚方向に連続的な折り曲げを施し、次いで逆の板厚方向に折り曲げ加工を施した後回収することを特徴とするマグネシウム合金板材の製造装置。
前記折り曲げ部の折り曲げ角度が内角０°以上９０°以下で、かつ折り曲げ部内の板厚は一定である請求項３記載のマグネシウム合金板材の製造装置。