JP2003311360A - マグネシウム合金部品とその製造方法 - Google Patents

マグネシウム合金部品とその製造方法

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松下電器産業株式会社
Kenji Azuma
健司 東
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Abstract

(57)【要約】 突起やくぼみをもつ立体形状を有し、機械的強度及び耐
食性に優れたマグネシウム合金部品を安価に提供するこ
と。 【課題】 【解決手段】 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。ひずみ速度は、1×10-3〜3×10-1-1
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【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11−0772
14号公報、特開平11−277173号公報、特開2
000−135538号公報、特開2000−2107
47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15
0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A
Z31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、A
Z31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1000to
n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、10〜3
00μm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2
0%以上である。本発明によれば、平均板厚が0.5m
m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
×10-1-1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10
00ton、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、20
0〜300℃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10μ
m以下の組織を有する素材が得られる。ECAE(Equa
l 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
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250mm
2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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C22F 1/00 C22F 1/00 694B 1/06 1/06 (72)発明者 宝 晃 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 西川 幸男 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山崎 幸一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4E087 BA03 GA08

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項2】 前記成形を施す工程が、1×10-3〜3
    ×10-1-1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. 【請求項3】 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で
    あって、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。
  4. 【請求項4】 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は平面
    部の平均結晶粒径よりも小さい請求項3記載のマグネシ
    ウム合金部品。
  5. 【請求項5】 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または4記載のマグネシウム合金部
    品。
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