JP2010149136A

JP2010149136A - マグネシウム合金鍛造部材の製造方法

Info

Publication number: JP2010149136A
Application number: JP2008328556A
Authority: JP
Inventors: Takeyoshi Nakamura; 武義中村; Kazuo Kanbara; 和夫神原; Yoshiaki Yoshida; 義明吉田
Original assignee: MIYAMOTO KOGYO KK; Honda Motor Co Ltd
Current assignee: MIYAMOTO KOGYO KK; Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08

Abstract

【課題】通常の鍛造方法でデッドメタルとなる部位を含め、鍛造部材全体に均質な強度を発現できるマグネシウム合金鍛造部材の製造方法を提供する。
【解決手段】長周期構造を示す金属間化合物を含むマグネシウム合金素材１２を鍛造して鍛造部材１を製造する。デッドメタルとなる部位５を予め特定し、マグネシウム合金素材１２を密閉型１１内に収容して鍛造し、デッドメタルとなる部位５に１．０以上の相当歪みを導入する予備成形を行い、予備成形されたマグネシウム合金素材１８を鍛造して鍛造部材１を得る。マグネシウム合金素材１２は、ＭｇとＺｎとＹとを含むマグネシウム合金からなり、前記長周期構造を示す金属間化合物はＭｇ_１２ＺｎＹ相である。予備成形は、デッドメタルとなる部位５に、加圧パンチ１７に形成された凸部１６を圧接する。凸部１６の大きさは、マグネシウム合金素材１２について予め求められた強度−歪み曲線に基づいて決定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、マグネシウム合金からなり内燃機関のピストン等に用いられる鍛造部材の製造方法に関する。

マグネシウムは、鉄、アルミニウムに比べて軽量であるため、鉄鋼材料、アルミニウム合金材料からなる部材に代わる軽量代替材として、マグネシウム合金を用いることが検討されている。ところが、一般のマグネシウム合金は、鉄鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の他の金属構造材料に比較して強度が低く、比較的高強度とされるダイキャスト用のＡＺ９１材ですら１６０ＭＰａ程度である。また、ピストン等の産業用部品の可動部では少なくとも４〜５％の伸びが必要とされるが、一般のマグネシウム合金は延性についても十分とは言えず、前記ＡＺ９１材で３％程度である。

そこで、従来、高強度と高延性とを備えるマグネシウム合金部材の製造方法が種々提案されている。

例えば、本発明者らは、先に、ＭｇとＺｎとＹ等の希土類元素とを溶解してなる溶湯を用いて得られた鋳造体を押出加工し、得られた押出加工材を３５０〜５００℃の温度に加熱して鍛造するマグネシウム合金鍛造部材の製造方法を提案している（特許文献１参照）。前記製造方法によれば、マグネシウム合金に長周期構造を示す金属間化合物であるＭｇ_１２ＺｎＹ相が含まれると共に、前記押出加工により該Ｍｇ_１２ＺｎＹ相にキンクを発生させることができるので、前記マグネシウム合金鍛造部材の強度を著しく向上させることができる。

しかし、前記製造方法では、前記鋳造体の押出加工の際に、押出用のビレットの切削加工分、押出時の押し残し分、押出先端の不均質分等の無駄が生じるために歩留まりが低くなりコストが増大するという問題がある。

そこで、本発明者らは、前記問題を解決するために、先に、ＭｇとＺｎとＹと、０．１〜０．７重量％のＺｒとを溶解してなる溶湯を所定の形状の鋳型に連続的に供給し、該鋳型内で冷却して取り出すことにより得られた連続鋳造棒を、３５０〜５００℃の温度に加熱して鍛造するマグネシウム合金部材の製造方法を特許出願している（特願２００８−３６６９１明細書等参照）。

前記連続鋳造棒を構成するマグネシウム合金は、長周期構造を示す金属間化合物であるＭｇ_１２ＺｎＹ相を含んでいるので、該連続鋳造棒として得られたマグネシウム合金素材を前記範囲の温度に加熱して鍛造すると、該Ｍｇ_１２ＺｎＹ相にキンクが発生する。従って、前記連続鋳造棒として得られたマグネシウム合金素材を用いることにより、押出加工によることなく、優れた強度を備えるマグネシウム合金鍛造部材を得ることができる。

しかしながら、前記押出加工材または前記連続鋳造棒を鍛造して得られたマグネシウム合金鍛造部材は鍛造時の歪みにより強度が発現するので、鍛造時にマグネシウム合金が実質的に流動しないデッドメタルとなる部位では、優れた強度が得られないという不都合がある。
特開２００８−２３１５３６号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、通常の鍛造方法ではデッドメタルとなる部位にも優れた強度を付与して、鍛造部材全体に均質な強度を発現させることができるマグネシウム合金鍛造部材の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法は、長周期構造を示す金属間化合物を含むマグネシウム合金素材を鍛造して所定の形状を備える鍛造部材を製造する方法において、前記鍛造部材を直接鍛造したときにデッドメタルとなる部位を予め特定する工程と、該マグネシウム合金素材を密閉型内に収容した状態で鍛造して該デッドメタルとなる部位に１．０以上の相当歪みを導入する予備成形を行う工程と、該予備成形が施されたマグネシウム合金素材を鍛造して所定の形状を備える鍛造部材を得る工程とを備えることを特徴とする。

本発明の製造方法では、前記マグネシウム合金素材から前記鍛造部材を直接鍛造したときにデッドメタルとなる部位を予め特定しておき、該マグネシウム合金素材の該デッドメタルとなる部位に前記相当歪みを導入する予備成形を行う。前記予備成形は、前記マグネシウム合金素材を前記密閉型内に収容した状態で鍛造することにより、該予備成形により変形する部位に鍛造割れが発生することを防止することができる。

そして、前記予備成形が施されたマグネシウム合金素材を鍛造して所定の形状を備える前記鍛造部材を得る。このようにして得られた前記鍛造部材は、前記デッドメタルとなる部位に前記相当歪みが導入されており、その他の部位には前記所定の形状を付与することにより相当歪みが導入されるので、該鍛造部材全体に均質な強度を発現させることができる。

本発明のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法に用いる前記マグネシウム合金素材としては、例えば、ＭｇとＺｎとＹとを含むマグネシウム合金からなり、前記長周期構造を示す金属間化合物はＭｇ_１２ＺｎＹ相であるものを用いることができる。前記マグネシウム合金は、さらにＺｒを含むことが好ましい。前記マグネシウム合金はＺｒを含むことにより結晶粒子径が微細化され、優れた延性を得ることができる。

前記予備成形は、例えば、前記密閉型内に収容した前記マグネシウム合金素材の前記デッドメタルとなる部位に、加圧パンチに形成された凸部を圧接することにより行うことができる。このとき、前記凸部は前記デッドメタルとなる部位に所定の歪みを与える大きさを備えることが好ましく、該凸部の大きさは、例えば、前記マグネシウム合金素材について予め求められた強度−歪み曲線に基づいて決定される。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の製造方法により製造されるマグネシウム合金鍛造部材の一例である内燃機関用ピストンの正面図であり、図２は図１に示す内燃機関用ピストンの従来の製造方法を示す説明的断面図であり、図３は図１に示す内燃機関用ピストンの本実施形態の製造方法を示す説明的断面図である。また、図４は本実施形態の製造方法で得られた内燃機関用ピストンにおけるピストンヘッドならびにスカート部の相当歪み及び２５０℃における耐力とを示すグラフであり、図５は従来の製造方法で得られた内燃機関用ピストンにおけるピストンヘッドならびにスカート部の相当歪み及び２５０℃における耐力とを示すグラフである。

本実施形態のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法は、例えば、図１に示す内燃機関用ピストン１の製造に適用することができる。内燃機関用ピストン１は、円柱状のピストンヘッド部２と、ピストンヘッド部２の下方に連なる筒状のスカート部３とからなり、ピストンヘッド部２は外周面に形成された複数のリング溝４と、頂部に形成された平坦なピストンヘッド５とを備えている。また、スカート部３は、図示しないピストンピンが連結されるピン孔６を備えている。

前記内燃機関用ピストン１を鍛造する際には、例えば、まず図２（ａ）に示すように、円筒状の金型１１に円柱状のマグネシウム合金素材１２を配設し、上方から加圧パンチ１３で押圧することにより、据え込み鍛造を行う。次に、図２（ｂ）に示すように、前記据え込み鍛造により得られたマグネシウム合金素材１２ａを、内燃機関用ピストン１の外形を備える金型１４に配設し、上方から加圧パンチ１５で押圧することにより、内燃機関用ピストン１を製造する。ところが、図２（ａ）及び（ｂ）に示すようにして、マグネシウム合金素材１２から内燃機関用ピストン１を直接鍛造すると、ピストンヘッド５はマグネシウム合金が実質的に流動しないデッドメタルとなるため、相当歪みが導入されず所要の強度が得られない。

そこで、本実施形態の製造方法では、まず、図３（ａ）に示すように、円筒状の金型１１に円柱状のマグネシウム合金素材１２を配設し、上方から緩やかな曲面からなる凸部１６を備える加圧パンチ１７で押圧することにより、予備成形を行う。このとき、加圧パンチ１７が、マグネシウム合金素材１２のピストンヘッド５となる部分（前記デッドメタルとなる部位）に凸部１６を圧接することにより、ピストンヘッド５となる部分に凹部１８が形成され、１．０以上の相当歪みが導入されたマグネシウム合金予備成形体１９が得られる。

前記金型１１は、加圧パンチ１７より密閉される密閉型であるので、凹部１８の周囲の隆起部が金型１１及び加圧パンチ１７に巻き込まれることがなく、鍛造割れを防止することができる。

次に、金型１４にマグネシウム合金予備成形体１９を配設し、図３（ｂ）に示すように、上方から加圧パンチ１５で押圧することにより、内燃機関用ピストン１を製造する。このようにすることにより、ピストンヘッド５を含むピストンヘッド部２及びスカート部３に均質な相当歪みを導入することができ、内燃機関用ピストン１全体に均質な強度を発現させることができる。

前記マグネシウム合金素材１２としては、長周期構造を示す金属間化合物であるＭｇ_１２ＺｎＹ相を含むものが用いられる。このようなマグネシウム合金素材１２は、例えば、ＭｇとＺｎとＹ等の希土類元素とを溶解してなる溶湯を用いて得られた鋳造体を押出加工して得られた押出加工材であってもよく、ＭｇとＺｎとＹと、０．１〜０．７重量％のＺｒとを溶解してなる溶湯を所定の形状の鋳型に連続的に供給し、該鋳型内で冷却して取り出すことにより得られた連続鋳造棒であってもよい。

前記加圧パンチ１７の凸部１６は、マグネシウム合金素材１２のピストンヘッド５となる部分（前記デッドメタルとなる部位）に１．０以上の相当歪みを導入する大きさを備えていればよいが、具体的にはピストンヘッド５となる部分に要求される強度が発現される相当歪みを導入することができるように、その大きさが決定される。

前記強度と相当歪みとの関係は、マグネシウム合金素材１２について、予め強度−歪み曲線を作成することにより知ることができる。図２（ａ）に示すように、金型１１にマグネシウム合金素材１２を配設して加圧パンチ１３で押圧することにより据え込み鍛造を行う際に加工率を変量し、各加工率に対応する歪み量と、該据え込み鍛造後の強度とを求めることにより、前記強度−歪み曲線を作成することができる。前記強度−歪み曲線の一例を図４に示す。

次に、本発明の実施例及び比較例を示す。

本実施例では、マグネシウム合金素材１２として、４．９重量％のＺｎと、６．５重量％のＹと、０．４重量％のＺｒとを含み残部Ｍｇと不可避的不純物とからなるマグネシウム合金の溶湯を所定の形状の鋳型に連続的に供給し、該鋳型内で冷却して取り出すことにより得られた連続鋳造棒を用いた。

次に、マグネシウム合金素材１２を、図３（ａ）に示す金型１１に配設し、鍛造温度４００℃、鍛造速度１５ｍｍ／秒、金型温度３５０℃の条件で、上方から凸部１６を備える加圧パンチ１７で押圧することにより予備成形を行い、マグネシウム合金予備成形体１８を得た。このとき、凸部１６の大きさは、図４に示す強度−歪み曲線Ａにより、マグネシウム合金素材１２のピストンヘッド５となる部分（前記デッドメタルとなる部位）に１７０〜２００ＭＰａの耐力が２５０℃において発現するように、１．１３〜２．２６の相当歪みを導入できるように調整した。

次に、マグネシウム合金予備成形体１８を、図３（ｂ）に示す金型１４に配設し、鍛造温度４００℃、鍛造速度１５ｍｍ／秒、金型温度３５０℃の条件で、上方から加圧パンチ１５で押圧することにより、内燃機関用ピストン１を製造した。

凸部１６により、マグネシウム合金素材１２のピストンヘッド５となる部分（前記デッドメタルとなる部位）に１．５の相当歪みを導入した場合について、得られた内燃機関用ピストン１におけるピストンヘッド５の相当歪み及び耐力ａと、スカート部３の相当歪み及び耐力ｂとを図４に示す。この場合、ピストンヘッド５には結果的に２．４の相当歪みが導入され、２５０℃における耐力は２００ＭＰａであった。また、スカート部３には２．１の相当歪みが導入され、２５０℃における耐力は１９５ＭＰａであった。

従って、本実施例で得られた内燃機関用ピストン１では、ピストンヘッド５及びスカート部３において、略均質な相当歪み及び耐力となっていることが明らかである。
〔比較例〕
本比較例では、マグネシウム合金素材１２として、前記実施例で用いたものと全く同一の連続鋳造棒を用い、マグネシウム合金素材１２を、図２（ａ）に示す金型１１に配設し、鍛造温度４００℃、鍛造速度１５ｍｍ／秒、金型温度３５０℃の条件で、加圧パンチ１３で押圧することにより、据え込み鍛造を行った。

次に、前記据え込み鍛造により得られたマグネシウム合金素材１２を、図２（ｂ）に示す金型１４に配設し、鍛造温度４００℃、鍛造速度１５ｍｍ／秒、金型温度３５０℃の条件で、加圧パンチ１５で押圧することにより、内燃機関用ピストン１を製造した。

本比較例で得られた内燃機関用ピストン１におけるピストンヘッド５の相当歪み及び耐力ａと、スカート部３の相当歪み及び耐力ｂとを図５に示す。この場合、ピストンヘッド５は結果的に０．８７の相当歪みが導入されたに過ぎず、デッドメタルとなっており、２５０℃における耐力は１５０ＭＰａ程度であった。一方、スカート部３には２．４の相当歪みが導入され、２５０℃における耐力は２００ＭＰａ程度であった。

従って、本比較例で得られた内燃機関用ピストン１では、ピストンヘッド５及びスカート部３において、相当歪み及び耐力が不均質であり、ピストンヘッド５において所要の強度が得られないことが明らかである。

本発明の製造方法により製造されるマグネシウム合金鍛造部材の一例としての内燃機関用ピストンの正面図。図１に示す内燃機関用ピストンの従来の製造方法を示す説明的断面図。図１に示す内燃機関用ピストンの本発明の製造方法を示す説明的断面図。本発明の製造方法で得られた内燃機関用ピストンにおけるピストンヘッドならびにスカート部の相当歪み及び２５０℃における耐力とを示すグラフ。従来の製造方法で得られた内燃機関用ピストンにおけるピストンヘッドならびにスカート部の相当歪み及び２５０℃における耐力とを示すグラフ。

符号の説明

１…内燃機関用ピストン、５…ピストンヘッド（デッドメタルとなる部位）、１１密閉型、１６…凸部、１７…加圧パンチ。

Claims

長周期構造を示す金属間化合物を含むマグネシウム合金素材を鍛造して所定の形状を備える鍛造部材を製造する方法において、
前記鍛造部材を直接鍛造したときにデッドメタルとなる部位を予め特定する工程と、
該マグネシウム合金素材を密閉型内に収容した状態で鍛造して該デッドメタルとなる部位に１．０以上の相当歪みを導入する予備成形を行う工程と、
該予備成形が施されたマグネシウム合金素材を鍛造して所定の形状を備える鍛造部材を得る工程とを備えることを特徴とするマグネシウム合金鍛造部材の製造方法。
前記マグネシウム合金素材は、ＭｇとＺｎとＹとを含むマグネシウム合金からなり、前記長周期構造を示す金属間化合物はＭｇ_１２ＺｎＹ相であることを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法。
前記マグネシウム合金は、Ｚｒを含むことを特徴とする請求項２記載のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法。
前記予備成形は、前記密閉型内に収容した前記マグネシウム合金素材の前記デッドメタルとなる部位に、加圧パンチに形成された凸部を圧接することにより行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法。
前記予備成形は、前記マグネシウム合金素材について予め求められた強度−歪み曲線に基づいて、前記デッドメタルとなる部位に所定の歪みを与える大きさを備え前記凸部を、前記密閉型内に収容した前記マグネシウム合金素材の該デッドメタルとなる部位に押圧することにより行うことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のマグネシウム合金鍛造部材の製造方法。