JP2009090367A - アルミ合金等のポートホール押出材 - Google Patents

Abstract

【課題】溶着部の脆弱性をカバーし、バルジ加工時の限界拡管率や変形率を向上させることができるアルミ合金等のポートホール押出材を提供する。
【解決手段】母材部相互間の溶着部界面１１が、中空部中心線１２からの当該溶着部位における放射方向に対して交差していることを特徴とするアルミニウム又はアルミニウム合金のポートホール押出材１で、前記溶着部界面と、当該溶着部界面の前記中空部内周面に表れた内周線１１ａと当該中空部中心線とを結ぶ放射面１３との交差角度θが３０度以上である。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）のポートホール押出材に関するものであり、特に、当該中空材をバルジ成形するのに適するアルミ合金等のポートホール押出材に関するものである。

近年自動車その他の車両用構造材（フレーム）には、エネルギー消費の削減を目的とした軽量化のためアルミ合金等の使用が試みられている。
この種構造部材は設計上複雑な構造を有するので、金属中空材をハイドロフォーミング（冷間で行われる液圧ないし静水圧バルジ成形）又は熱間バルジ成形により、拡管ないし変形させることにより所定の設計形態に加工される。

バルジ加工等に供されるアルミ合金等の中空材の成形方法には、マンドレルを用いたマンドレル押出法と、ブリッジにより分割された複数のポートホールの先端中心部にマンドレル部を有する雄型と、ダイス部とその周りにチャンバーを有する雌型とを組み合わせたポートホールダイスを用いたポートホール押出法とがある。

マンドレル押出法によれば、中空ビレット内にマンドレルを通して金属材料を押し出すので、長さ方向に沿う継ぎ目（溶着部）のない中空材が製造される。したがって、当該中空材には継ぎ目がなく金属組織がより均一であるため、バルジ成形時の限界拡管率（変形量を含む。以下同じ。）を大きくすることができる。
その反面、マンドレル押出法では金属材料の押出し時にマンドレルが振れ易いため、肉厚が不均一となったり偏肉を生じ易く、しかも、多段階の引抜き及び焼鈍工程が必要であるなど、製造コストが嵩む。

他方、ポートホール押出法は、マンドレル押出法に比べて極めて低コストな製造方法であるほか、押出製品の肉厚も均一になり易い反面、ビレットは押出中に雄型のポートホールによって押出方向に沿っていったん分断され、雄型のマンドレル部と雌型のダイス部との隙間から押出される際に溶着一体化される。
そして、押出時における雌型のチャンバー内での金属材料は、押出方向に沿いかつ周方向から押出間隙に向かって押出中心方向へ直進的に流れるため、図２で示すように押出材１ａの各溶着部界面ｂは、押出材ａの中心線から放射方向にほぼ沿った状態に形成される。また、各溶着部界面ｂの両側部では、金属組織が均一でなくなる。
したがって、バルジ成形時に図２の矢印のように押出材ａにおける中空部中心から周方向に向けて流体圧力（内圧）が加わると、その圧力の作用方向が溶着部界面ｂとほぼ沿っているため、溶着部界面ｂの部分で裂け目が生じ易く、拡管率等が相対的に小さいという問題があった。

ポートホール押出材の前記課題を解決するため、ハイドロフォーミング用押出材として、例えば、押出材の溶着部と母材部の平均結晶粒径をいずれも１００μｍ以下とし、かつ、母材部と溶着部の平均結晶粒径の差を１５μｍ以下とすることが提案されている（後記特許文献１）。
しかし、本発明者らの実験によれば、溶着部と母材部の結晶粒径に差がない場合でも、バルジ成形時に溶着部が優先的に変形し、溶着部に割れが生じることが確認された。すなわち、溶着部の平均結晶粒径を前記のように規定するだけでは、ポートホール押出材のバルジ成形時の限界拡管率（拡管成形性）を向上させることは不可能である。
特開２００３−１５４４０７号公報

本発明の課題は、アルミ合金等のポートホール押出材におけるバルジ加工時の限界拡管率の改善にある。
本発明の目的は、溶着部の脆弱性をカバーし、バルジ加工時の限界拡管率を向上させることができるアルミ合金等のポートホール押出材を提供することにある。

本発明に係るアルミ合金等のポートホール押出材は、前記課題を解決するため、母材部相互間の溶着部界面が、中空部中心線からの当該溶着部位における放射方向に対して交差していることを最も主要な特徴としている。

本発明に係るアルミ合金等のポートホール押出材によれば、母材部相互間の溶着部海面は、当該押出材の中空部中心線からの当該溶着部位における放射方向に対して交差しているので、バルジ成形時に当該押出材に加わる流体による内圧の作用方向と前記溶着部界面の方向とが異なり、当該溶着部界面に沿って押出材に割れ目が生じるのを抑制することができる。
したがって、バルジ成形時の限界拡管率が向上する。

図１は本発明に係るアルミ合金等のポートホール押出材の一実施形態を示す端面図であり、例えばＪＩＳ Ａ６０６３合金からなる中空のポートホール押出材１は、長さ方向に沿う溶着部界面ｂを介して接合された四つの各母材部１０によって構成されている。
各母材部１０相互間の溶着部界面１１は、中空部の中心線１２からの当該溶着部位における放射方向に対して一定方向へ所定の交差角度θをなすように形成されている。
より具体的には、各溶着部界面１１と、当該溶着部界面１１の中空部内周面に表れた内周線１１ａと当該中空部の中心線１２とを結ぶ放射面１３とが、所定の交差角度θを形成している。

この実施形態のポートホール押出材１は丸パイプ状であるので、各溶着部界面１１は中空部の中心線１２からの当該溶着部位における放射方向に対して交差していると同時に、押出材１の肉厚方向又は半径方向に対しても同様に交差している。
しかし、押出材１が角パイプその他の断面形状である場合は、肉厚又は半径方向は基準とはならない。

各母材部１０相互間の溶着部界面１１を前記のように形成するには、ポートホール押出時の金属材料が、押出方向へ向かって流れかつ図１のように押出部の周方向から押出中心方向に向かって巻込み状態（全体としてはスクユー状態）に流れるように、メタルフローを形成する。
ポートホール押出時に前記のようなメタルフローを形成する最も簡便な手段は、ポートホールダイスにおける雄型のポートホール（ポート孔）形状を工夫すること、及び、さらに好ましくは前記ポートホール形状とマッチングするように雌型のチャンバー形状を工夫することである。

その一例を以下説明する。
図３及び図４は図１のポートホール押出材１を製造するためのポートホールダイスの一形態であり、図３はその雄型の雌型との対向面図、図４はその雌型の雄型との対向面図である。

２は雄型であり、この雄型２の中心部には円柱状のマンドレル部２０が押出方向に沿って突出しており、このマンドレル部２０は当該マンドレル部２０の外周へ一体に形成された卍状類似の四個のブリッジ２１により保持されている。
マンドレル部２０へ隣接した周囲には、前記各ブリッジ２１により区分された四個のポートホール２２が形成されている。各ポートホール２２の外周縁は全体として円形形態を呈するように形成するのが好ましい。
各ポートホール２２間のブリッジ２１には、押出方向に沿って先上がり傾斜する各急傾斜面２３が形成され、各急傾斜面２３と当該部分のポートホール２２の押出方向後方端部との間には押出方向に沿って先上がり傾斜するガイド用の緩傾斜面２４が形成されている。

３は雌型であり、その中心部には前記マンドレル部２０の外径よりも所定量大きい内径を有するダイス部（孔）３０が形成されており、当該ダイス部３０の周囲には、全体として四個のスクリュー類似の平面形状を有するチャンバー３１が形成されている。
そしてこのチャンパー３１の四箇所には、前記雄型２における四つの緩傾斜面２４と対応して両型２，３を組み合わせたときに同方向へ傾斜するガイド用の傾斜面３２が形成されている。

ポートホールダイスの雄雌各型２，３を前記のように構成すると、雌型３へ雄型２をセットしてビレットを押出すとき、各ポートホール２２により四等分割された金属材料は、チャンバー３１内において押出方向に沿い図４の矢印ｄで示す巻込み方向に沿ってスクリュー状に流れる。
したがって、雌型３のダイス部３０と雄型２のマンドレル部２０との隙間から金属材料が押し出され、図１のように各母材部１０相互が溶着一体化するとき、各溶着部界面１１は、中空部の中心線１２からの当該溶着部位における放射方向に対して一定方向へ所定の交差角度θをなすように形成される。

なお、雄型２を前記のように構成し、雌型３のチャンバー３１を単なる円形座ぐり穴状に形成した場合でも、押出材１の各溶着部界面１１を中空部の中心線１２からの当該溶着部位における放射方向に対して一定方向へある程度の交差角度θをなすように成形することができる。
しかしながら、各溶着部界面１１の交差角度θをより均一にかつ正確に形成するためには、雄型２と雌型３との相対面を前記のように構成することが好ましい。

前記実施形態によるポートホール押出材１を、さらにバルジ成形する要領を説明する。
図５はそのためのバルジ成形金型の一形態であり、当該バルジ成形金型４は、下金型４０とそれと適合する上金型４１とから構成され、両金型４０，４１を重ね合わせた状態で押出材１をセットするセット空間４２と、それに連続して押出材１の一部を所定形状に拡管成形するための成形空間４３とを有する。
成形空間４３は長さ方向の各部断面形状や断面積が異なっていても差し支えない。

例えば３００℃以上に加熱したポートホール押出材１をセット空間４２内へ図示のようにセットし、当該押出材１又は成形金型４の中空部両端部を閉鎖し、当該押出材１の内部へ圧力流体を供給し、その内圧を高める。
内圧の増大により、押出材１は成形空間４３内で拡管ないし変形されてバルジ成形を完了する。

本発明に係るアルミ合金等のポートホール押出材によれば、母材部相互間の溶着部海面は、当該押出材の中空部中心線からの当該溶着部位における放射方向に対して交差しているので、バルジ成形時に当該押出材に加わる流体による内圧の作用方向と前記溶着部界面の方向とが異なり、その結果当該溶着部界面に沿って押出材に割れ目が生じるのを抑制することができる。
したがって、バルジ成形時の限界拡管率が向上する。
また、押出速度は従来の通常のポートホールダイスを用いた場合と変わらないので押出成形コストも変わらない。

この実施形態において、各溶着部界面１１と、当該溶着部界面１１の中空部内周面に表れた内周線１１ａと当該中空部の中心線１２とを結ぶ放射面１３との交差角度θは、３０度以上であるのが好ましい。
前記交差角度θの上限は特に限定されないが、ポートホール押出の限界からもまた作用効果においても８０度以上とする意義は乏しい。
前記交差角度θが３０度未満では、当該交差角度θが零度である場合と比較してバルジ成形時の限界拡管率等の飛躍的な向上が期待できない。
前記交差角度θは５０度以上であるのがさらに好適である。

前記実施形態のポートホール押出材１を熱間バルジ成形する際の温度は、３００〜５５０℃であるのが好ましい。
熱間バルジ成形時の温度が３００未満では十分な拡管率（変形率）が期待できず、５５０℃を超えると成形品に局部融解が生じるおそれがある。

その他の実施形態
前記実施形態では、円筒状のポートホール押出材のみを例示したが、その断面形状は円形に限らず、他の断面形状でも実施することができる。
また、押出材１をバルジ成形する場合の金型は図５の形態のものに限らず、押出材１を他の複雑な形状に拡管ないし変形させる金型を使用することができる。

ＪＩＳ Ａ６０６３合金を用い、図１で示すように、全長５００ｍｍ、外径６０ｍｍ、肉厚３ｍｍであって、各溶着部界面１１と当該溶着部界面１１の中空部内周面に表れた内周線１１ａと当該中空部の中心線１２とを結ぶ放射面１３との交差角度θが、１０〜７５度の範囲で異なる各実施例のポートホール押出材と、前記交差角度θが０度である比較例のポートホール押出材と、他の比較例としてのマンドレル押出材とを製造した。
各例の押出材を、図５のようなバルジ成形金型を用いてバルジ成形し、それぞれについて限界拡管率（{拡管後の最大外径−拡管前の外径}／拡管前の外径×１００を測定し、当該拡管率を超えた場合に成形品に長さ方向の割れの発生発生有無を調べた。
その結果を表１に併せて示した。

表１で示すように、前記交差角度θが３０度未満では当該交差角度θが０度である場合との有為差が小さく、特に前記交差角度θが７５度以上である場合には１００％の拡管率を達成することができ、拡管率１００％を超えても成形品に割れを生じなかった。

表１

本発明に係るポートホール押出材の一実施形態を示す端面図である。 従来のポートホール押出材の一形態を示す端面図である。 図１の実施形態の押出材を押出成形するのに適するポートホールダイス雄型の雌型との対向面図である。 図１の実施形態の押出材を押出成形するのに適するをポートホールダイス雌型の雄型との対向面図である。 ポートホール押出材をバルジ成形するための金型の一形態を示す断面図である。

符号の説明

θ 交差角度
１ 押出材
１０ 母材部
１１ 溶着部界面
１１ａ 溶着部界面の内周線
１２ 中心線
１３ 放射面
２ 雄型
２０ マンドレル部
２１ ブリッジ
２２ ポートホール
２３ 急傾斜面
２４ 緩傾斜面
３ 雌型
３０ ダイス部
３１ チャンバー
３２ ガイド用の傾斜面

Claims (2)

1. 母材部相互間の溶着部界面が、中空部中心線からの当該溶着部位における放射方向に対して交差していることを特徴とする、アルミニウム又はアルミニウム合金（以下「アルミ合金等」と言う。）のポートホール押出材。
2. 前記溶着部界面と、当該溶着部界面の前記中空部内周面に表れた内周線と当該中空部中心線とを結ぶ放射面との交差角度が３０度以上である、請求項１に記載のアルミ合金等のポートホール押出材。