JP2007125601A - アルミニウム合金板の温間プレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金板の温間成形方法の実用化を目的とし、特に、特殊な潤滑剤を使用せず、汎用の潤滑油を使用し得る温間成形技術を提供する。
【解決手段】加熱手段を設けたダイス及びしわ押さえ金型の温度を１００℃超２００℃以下とし、冷却手段を設けたポンチの温度を１０℃以下とし、ポンチとダイスの温度差を９０℃以上とし、引火点が１００℃超である潤滑油を塗布したアルミニウム合金板をプレス成形することを特徴とするアルミニウム合金板の温間成形方法。アルミニウム合金板は、質量％で、Ｍｇ：２〜８％を含有し、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下の１種または２種を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなることが好ましく、さらに、Ｆｅ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｂ：０．１％以下の１種又は２種以上を含有しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明はアルミニウム合金板の温間プレス成形方法に関するものである。

省エネルギー及び排気ガス規制への対策として自動車車体の軽量化が進められており、アルミニウム合金が自動車用材料に適用されるようになってきた。アルミニウム合金板は、鋼板に比べて軽量ではあるが、プレス成形性に劣るという欠点を有しており、プレス成形性を向上させたアルミニウム合金板の開発や、汎用のアルミニウム合金板を成形性し得る成形方法の開発が進められている。

温間成形はアルミニウム合金板のプレス成形性を改善する方法の一つであり、加熱したダイス及びしわ押さえ金型と、それらよりも温度の低いポンチを用いて深絞りする成形方法である。これにより、アルミニウム合金板のダイスとしわ押さえ金型によって挟持された部分（以下、挟持部ともいう。）は、熱伝導によってダイス及びしわ押さえ金型と同等の温度に加熱され、強度が低下する、即ちフランジ部の変形抵抗は小さくなる。一方、アルミニウム合金板のポンチ肩と接触する部分（以下、ポンチ肩部ともいう。）は、温度が低いため強度を高く保持できる。したがって、ポンチ肩部の強度は高く維持されており、かつフランジ部は変形抵抗が低下して流入し易くなるため、深絞り成形性が向上する。

このような、アルミニウム合金板の温間成形方法は、例えば特許文献１〜６に提案されている。特許文献１〜４には、ダイスを加熱しながらポンチを冷却して温間成形する方法が、特許文献５及び６には、更にポンチの反対側から材料に冷媒を吹き付けて冷却する方法が提案されている。

しかし、特許文献１の方法では、潤滑剤に雲母粉末を混入させており、特許文献２の方法では、潤滑にテフロン（登録商標）シートを使用し、又は、被加工材であるアルミニウム合金板の表面粗度を規定するなど、特殊な潤滑又は被加工材の表面状態の管理が必要である。また、特許文献３の方法は、高速で深絞り加工を行うものであり、金属板を予熱又は予冷している。特許文献５及び６の方法では、ダイスとしわ押さえ金型にも冷媒を吹き付けることになり、温度の管理が困難である。

また、従来、アルミニウム合金板の温間成形には、例えば、二硫化モリブデン、金属塩を含有した水溶液など特殊な潤滑剤が使用されてきた。これらの潤滑剤は、室温でのプレス成形に使用される潤滑油に比べて、塗布、洗浄などの工程に時間と費用を要する。特許文献４には被加工材に温度傾斜を与えて温間成形する方法が提案されているが、実施例はダイス温度を２５０℃としてアルミニウムを対向液圧加工するものであり、特殊な潤滑剤の使用を避けることはできない。

このように、温間成形は、アルミニウム合金板のプレス成形には極めて有効な方法であり、非常に多くの知見があるにも拘らず、工業的には実用化されていない。この理由は、汎用のアルミニウム合金板を温間成形する場合には、コストを要する予熱、予冷、被加工材の表面の管理が必要とされ、特に特殊な潤滑剤の使用が必要になるためである。

特開平２−１６０１２４号公報 特開平４−３５１２２９号公報 特開平１１−３０９５１８号公報 特開平２００３−８８９２２号公報 特開平５−２３７５５８号公報 特開平５−３０９４２５号公報

本発明は、アルミニウム合金板の温間成形方法の工業的な実用化を目的とし、特殊な潤滑剤を使用せず、汎用の潤滑油を使用し得る温間成形技術を提供するものである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１） 加熱手段を設けたダイス及びしわ押さえ金型の温度を１００℃超２００℃以下とし、冷却手段を設けたポンチの温度を１０℃以下とし、ポンチとダイスの温度差を９０℃以上とし、引火点が１００℃超である潤滑油を塗布したアルミニウム合金板をプレス成形することを特徴とするアルミニウム合金板の温間成形方法。
（２） 潤滑油を塗布したアルミニウム合金板をダイス上に設置し、ポンチを前記アルミニウム合金板に接触させ、しわ押さえ金型とダイスで前記アルミニウム合金板を挟持し、ポンチにより前記アルミニウム合金板をプレス成形することを特徴とする上記（１）に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
（３） 冷却手段が冷却装置と該冷却装置に接続された配管からなり、該配管内を循環する冷媒がエチレングリコール水溶液又はアルコール類であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
（４） アルミニウム合金板が、質量％で、Ｍｇ：２〜８％を含有し、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下の１種または２種を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
（５） アルミニウム合金板が、質量％で、Ｆｅ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｂ：０．１％以下の１種又は２種以上を含有することを特徴とする上記（４）に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。

本発明により、アルミニウム合金板の温間成形において、ダイス及びしわ押さえ金型の温度を２００℃以下にしても良好なプレス成形性を得ることができ、汎用の潤滑油の使用が可能になる。その結果、潤滑剤の塗布、洗浄などの取り扱いから生じる成形時のコスト増が解消される。更に、コストを要するアルミニウム合金板の表面粗度の管理、予熱又は予冷が不要になり、汎用のアルミニウム合金板を用いても、温間成形が可能となる。これにより、アルミニウム合金板の温間成形の工業的な実用化が可能になり、産業への貢献が極めて大きい。

本発明者は、室温でのプレス成形に使用される汎用の潤滑油、例えば、金属加工油及び防錆油の使用が可能である２００℃をダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度の上限とし、温間成形を行う方法を検討した。温間成形では、ダイス及びしわ押さえ金型をヒーター等によって加熱し、アルミニウム合金板を挟持するため、ポンチに接する部分の温度も挟持部からの熱伝導によって上昇している可能性がある。したがって、アルミニウム合金板の挟持部とポンチに接する部分との温度差は、ダイス及びしわ押さえ金型の温度とポンチの温度との差よりも小さくなっている可能性がある。

そこで、本発明者は、アルミニウム合金板の加熱からプレス成形直前までの温度変化を測定した。図１は温間成形試験機の概略図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。ダイス１及びしわ押さえ金型２にはヒーター３が埋め込んであり、熱電対４と温度制御装置（図示しない）により、ダイス１及びしわ押さえ金型２の温度を制御している。ポンチ５は、冷却装置（図示しない）に接続されて冷媒を循環させる配管７によって冷却されており、温度を一定に保持することができる。アルミニウム合金板６の温度は室温であり、表面には金属塩含有水溶液の潤滑剤を塗布した。アルミニウム合金板には、図２に示すように、熱電対を４本、角筒ポンチのポンチ肩部Ａ、ポンチ中央部Ｂに接する部分と、ダイス及びしわ押さえ金型に挟持されるフランジの中央部Ｃ及び端部Ｄに埋め込んだ。

図３に示したように、アルミニウム合金板を、ヒーターによって加熱されたダイス上に設置し（図３（ａ））、冷媒の循環により冷却されたポンチを接触させた後（図３（ｂ））、しわ押さえ金型を移動させてアルミニウム合金板を挟持した（図３（ｃ））。なお、ダイス及びしわ押さえ金型の温度は２５０℃とし、ポンチは角筒深絞りに使用する７０ｍｍ角のものを使用し、２５℃の水により冷却した。

図４は、アルミニム合金板に埋め込んだ熱電対の出力、即ち、図３に示した各部分の温度の時間変化である。図４の横軸は時間であり、アルミニウム合金板をダイスに設置した時から測定を開始している。また、図４の縦軸は温度であり、測定の開始から約４０秒後にポンチが接触してポンチ肩部Ａとポンチ中央部Ｂの温度が低下し、開始から約５０秒後にしわ押さえ金型が接触してフランジ中央部Ｃ及びフランジ端部Ｄの温度が上昇している。

図４から、挟持部であるフランジ中央部Ｃ及びフランジ端部Ｄの温度の最大値は２５０℃であり、ポンチ肩部Ｂの温度は１２０℃であることがわかる。温間成形ではアルミニウム合金板のポンチ肩部とフランジ部の強度差によって成形性を向上させるため、ポンチ肩部の温度を低下させて強度を上昇させることが特に重要である。

同様のアルミニウム合金板の温度変化の測定を、ダイス及びしわ押さえ金型の温度を１００℃から２００℃まで変化させて行った。図５は挟持部とポンチ肩部の温度の関係を示したものである。図５に示したように、ポンチ肩部の温度はポンチの温度である２５℃よりも高く、挟持部の温度が約１００℃であっても、ポンチ肩部の温度は約８０℃に上昇している。

次に、本発明者は、代表的な汎用のＡｌ−Ｍｇ系アルミニウム合金である、５１８２合金（Ａｌ−４．５Ｍｇ）板の引張強度の温度変化を測定した。室温から２５０℃までの引張強度は、汎用の引張試験装置を用いて加熱コイルにより試験片の中央近傍を加熱しながら最大荷重を測定し、最大荷重を試験片の断面積で除して求めた。図６に示したように、５１８２合金板の引張強度は温度の上昇とともに低下している。

５１８２合金板を、ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度を２５０℃とし、ポンチを水冷しながら温間成形を行う場合、挟持部の引張強度は２５０℃に相当する約１２５ＭＰａであり、ポンチ肩部の引張強度は１３０℃に相当する約２３０ＭＰａである。そのため、挟持部とポンチ肩部の引張強度の差は約１０５ＭＰａである。

アルミニウム合金板の温間成形において、プレス成形性は挟持部とポンチ肩部の引張強度の差に依存するため、ダイス及びしわ押さえ金型の温度を２００℃にする場合にも、挟持部とポンチ肩部の引張強度の差が約１００ＭＰａ程度であれば、従来の温間成形と同等のプレス成形性が得られると考えられる。挟持部の温度が２００℃である場合、引張強度は約１６０ＭＰａであり、ポンチ肩部の引張強度を約２６０ＭＰａとすれば良い。これに相当するポンチ肩部の温度、即ちポンチ肩に接触する部分のアルミニウム合金の温度は約７０℃である。

しかし、図５から明らかであるように、ポンチ肩部の温度は、ポンチを２５℃の水で水冷しても、２００℃のダイス及びしわ押さえ金型によって挟持された部分からの熱伝導によって約１１０℃に上昇する。本発明者は更なる検討を行い、挟持部の温度が２００℃のときにポンチ温度を１０℃にすれば、ポンチ肩部の温度が約７０℃になることを明らかにした。

本発明はこのような知見に基づいてなされたものであり、以下、詳細を説明する。

ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度は２００℃以下とする。これにより、アルミニウム合金板のプレス成形に汎用的に用いられる潤滑油の使用が可能になる。一方、ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度が１００℃未満では、フランジ部の変形抵抗の低下が不十分であるため、１００℃以上とする。なお、ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度の下限は、１５０℃以上とすることが好ましい。

ポンチの温度は１０℃以下とすることが必要である。また、ポンチの温度は低いほど好ましいが、冷媒の冷却装置及び配管等を考慮すると−５０℃以上が実用的な範囲であり、−３０〜０℃の範囲が最適である。ポンチを冷却するため、冷却手段としてポンチ内に配管を設け、冷却装置に接続し、温度管理された冷媒を循環させれば良い。ポンチを効率良く冷却するには、冷媒をエチレングリコール水溶液とすることが好ましい。また冷媒には、メタノール、エタノール等のアルコール類又は塩化メチレン等の有機ハロゲン化合物を使用しても良い。冷媒を冷却する水冷装置は特に制限されるものではなく、汎用のものを用いれば良い。ポンチ肩部の冷却を促進するためには、ポンチと対向するカウンターポンチを設けても良く、カウンターポンチにも水冷手段を設け、ポンチと同じ温度に冷却することが好ましい。

ダイス及びしわ押さえ金型とポンチとの温度差は９０℃以上とすることが必要である。これにより、アルミニウム合金板のフランジ部とポンチ肩部に相当する部分の強度差を適正な範囲とすることが可能になり、良好なプレス成形性を得ることができる。なお、ダイス及びしわ押さえ金型とポンチとの温度差の上限は、２５０℃とすることが好ましい。これは、ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度の上限である２００℃と、ポンチ温度の好ましい下限である−５０℃の差である。

潤滑油には、鋼板、アルミニウム合金板のプレス加工に用いられる汎用の金属加工油及び防錆油を使用することができる。これらの潤滑油は、鉱油又は合成油を基油とし、これに油性剤、極圧剤、防錆剤などの添加剤を加えたものである。潤滑油は引火点が１００℃超であることが必要であり、引火点が２００℃超であることが好ましい。なお、アルミニウム合金を温間成形する際に、ダイス及びしわ押さえ金型の加熱温度よりも高い引火点の潤滑油を使用することが好ましい。

温間成形に適した材料は、高温になるにしたがい強度が低下する材料であり、一般に鋼、銅、銅合金、チタン、チタン合金など同様な現象を示す。アルミニウム合金の場合は、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｚｎ系合金は、温間成形時の加熱温度域で析出物が生成し、強度変化が生じる可能性がある。そのため、Ｍｇの固溶強化により強度を得るＡｌ−Ｍｇ系のアルミニウム合金は温間成形に適した材料である。

特に、Ｍｇの添加量が、２．５％以上であると高強度が得られるため、好ましい。一方、Ｍｇを８％超添加すると熱間加工性が劣化することがあり、製造コストが高くなる。
また、Ｍｎ及びＣｒは、アルミニウム合金の結晶粒の粗大化を防止する元素であるが、Ｍｎを１．５％超、Ｃｒを０．５％超添加すると、製造時の熱間加工性が劣化する。したがって、Ｍｎ及びＣｒの添加量の上限は、それぞれ、１．５％及び０．５％である。また、アルミニウム合金板の結晶粒が粗大化すると、成形品の美観を損ない、強度が低下することがあるため、Ｍｎを０．０５％以上、Ｃｒを０．０５％以上添加することが好ましい。
上記のＭｇ、Ｍｎ、Ｃｒの残部は、Ａｌ及び不可避的不純物とすれば良いが、質量％で、Ｆｅ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．３％以下、Ｚｎ：０．３％以下、Ｔｉ：０．３％以下、Ｂ：０．１％以下の１種又は２以上を含有しても良い。

供試材として、質量％で、Ｍｇを４．５％、Ｍｎを０．５％、Ｃｒを０．１％含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなるアルミニウム合金板を円形に打ち抜き加工し、角筒深絞り成形を行った。なお、打ち抜き加工後のアルミニウム合金板をブランクといい、その直径をブランクサイズという。温間成形に用いた装置及び成形方法は図１に示した概略図と同様であり、ポンチは７０ｍｍ角である。ブランクを、予熱及び予冷することなく、室温のまま加熱されたダイス上に設置し、ポンチをブランクに接触させ、しわ押さえ金型でブランクを挟持した後、ポンチを更に押し込んで深絞り成形を行った。

図７は、ＬＤＲ（限界深絞り比）とダイス及びしわ押さえ金型の温度との関係を示したものである。ここで、ＬＤＲは、角筒深絞り成形で割れを生じず、ブランク全ての絞り込みが可能なブランクサイズの最大値をポンチ角のサイズ（７０ｍｍ）で除した値である。図中の黒丸は、ダイス及びしわ押さえ金型を１００〜２５０℃に加熱し、ポンチを２５℃の水で水冷しながら温間成形を行って得られた結果である。潤滑剤には、従来の二硫化モリブデンを含有する金属塩含有水溶液を使用した。

一方、図７の白丸は、ダイス及びしわ押さえ金型を１００〜２００℃に加熱し、ポンチの温度を０℃にして得られたＬＤＲである。この場合は、ポンチには熱電対を取り付けて温度を測定し、０℃を保持するように冷却装置によって冷却されたエチレングリコール水溶液をポンチ内の配管を循環させた。また、潤滑油には汎用の金属加工油を用いた。

以上のように、ダイス及びしわ押さえ金型の温度を１００℃超２００℃以下とし、ポンチの温度を１０℃以下、好ましくは０℃以下とし、ダイス及びしわ押さえ金型とポンチとの温度差を９０℃とすることにより、室温にて使用される汎用の潤滑油の使用が可能になり、従来と同等のＬＤＲを得ることができた。

本発明のアルミニウム合金板温間成形装置の模式図であり、（ａ）は立面図、（ｂ）は平面図である。 アルミニウム合金板への熱電対の取付位置の模式図である。 アルミニウム合金板の温度測定方法の模式図である。 加熱からプレス成形直前までのアルミニウム合金板の温度の時間変化を示す図である。 ダイス及びしわ押さえ金型とポンチ肩部の温度の関係を示す図である。 アルミニウム合金の引張強度と温度の関係を示す図である。 ダイス及びしわ押さえ金型の温度とＬＤＲとの関係を示す図である。

Claims (5)

1. 加熱手段を設けたダイス及びしわ押さえ金型の温度を１００℃超２００℃以下とし、冷却手段を設けたポンチの温度を１０℃以下とし、ポンチとダイスの温度差を９０℃以上とし、引火点が１００℃超である潤滑油を塗布したアルミニウム合金板をプレス成形することを特徴とするアルミニウム合金板の温間成形方法。
2. 潤滑油を塗布したアルミニウム合金板をダイス上に設置し、ポンチを前記アルミニウム合金板に接触させ、しわ押さえ金型とダイスで前記アルミニウム合金板を挟持し、ポンチにより前記アルミニウム合金板をプレス成形することを特徴とする請求項１に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
3. 冷却手段が冷却装置と該冷却装置に接続された配管からなり、該配管内を循環する冷媒がエチレングリコール水溶液又はアルコール類であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
4. アルミニウム合金板が、質量％で、Ｍｇ：２〜８％を含有し、Ｍｎ：１．５％以下、Ｃｒ：０．５％以下の１種または２種を含有し、残部Ａｌ及び不可避的不純物からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。
5. アルミニウム合金板が、質量％で、
   Ｆｅ：０．５％以下、
   Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｃｕ：０．３％以下、
   Ｚｎ：０．３％以下、
   Ｔｉ：０．３％以下、
   Ｂ：０．１％以下
   の１種又は２種以上を含有することを特徴とする請求項４に記載のアルミニウム合金板の温間成形方法。

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