JP3253737B2 - マグネシウム合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、マグネシウム合金部
材を素材から最終形状に加工する際の鍛造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】一般に金属部品等の加工用素材として使
用されるインゴットは、溶融状態の金属を鋳型に注入し
て凝固させる鋳造法によって製造されるようになってい
るが、近年においては、例えば特公昭６２−２５４６４
号公報に開示されているように、半溶融状態に加熱した
金属材料を所定形状に成形する半溶融成形法が実用化さ
れている。これは、金属材料を、固相と液相とが共存す
る半溶融状態に加熱しながら撹拌すると共に、撹拌後の
金属スラリーを半溶融状態のまま金型等に注入するよう
にしたもので、上記スラリーが凝固した後には、母相の
結晶間に異なる組成を有する微小な結晶粒が介在するこ
とから、組織的に強化されたインゴットが得られること
になる。

【０００３】一方、金属部材を最終形状に仕上げる過程
においては鍛造加工が施されることがあるが、丸棒等の
インゴットを素材として複雑形状に鍛造成形する場合に
は多くの工程を必要とする。これに対しては、例えば特
開昭５１−１２０９５３号公報に開示されているよう
に、製品形状に近い素形材を鋳造成形して、この素形材
を最終形状に鍛造成形するようにしたものがある。これ
によれば、金属部材を素材から最終形状に仕上げるまで
の工程が少なくなる。

【０００４】ところで、自動車の足回り部品等の素材に
は軽量化を図るために、実用合金中最も軽いマグネシウ
ム合金が使われる場合がある。このマグネシウム合金
は、六方最密格子結晶構造であるために、アルミニウム
合金等と比較すると低温塑性加工性に劣る。従って、マ
グネシウム合金を塑性加工する場合には、熱間状態で行
われるのが通例である。そして、製品形状が複雑形状で
ある場合には、鍛造加工によって最終形状に加工され
る。その場合に、鍛造用の素材として、連続鋳造により
作られたマグネシウム合金のインゴットが用いられる場
合がある。

【０００５】ここで、鍛造等の据込加工における成形性
の指標として用いられる限界据込率について説明する。
この限界据込率をαとすると、例えば次のようにして求
められる。例えば高さ２４ｍｍ、直径１６ｍｍの円柱状
の試験材料を用意し、この試験材料を所定温度に加熱し
た上で上面から荷重をかけて圧縮する。この時上記試験
材料に割れが生じた時の高さＨを求めて、次の関係式
（１）に代入すると左辺の値が限界据込率αとなる。

【０００６】 α＝（２４−Ｈ）／２４×１００（％） ……（１） すなわち、限界据込率αが大きい素材ほど、据込率を大
きくして鍛造できるため成形性がよくなる。例えばこの
種のマグネシウム合金として代表的なＡＳＴＭ規格ＡＺ
８０Ａ合金については、図７に示すようにその限界据込
率αは、結晶の平均粒径が大きくなるほど小さくなって
いく。この場合、連続鋳造により作られるインゴットの
結晶の粒径は２５０μｍ以上であるから、１回あたりの
据込率は６０％以下に制約されることとなる。

【０００７】したがって、例えば連続鋳造成形したマグ
ネシウム合金のインゴットを用いてアッパアームを製造
する場合には、従来においては次に示すような工程に従
って最終製品に加工するようになっていた。

【０００８】図８（ａ）に示すように丸棒の素材Ａを用
意し、この素材Ａを例えば３５０℃に加熱した上で第１
段階の曲げ加工を行い、同図（ｂ）に示すように弓形の
中間素材Ｂを得る。次いで、この中間素材Ｂを同じく３
５０℃に過熱した上で第２段階の曲げ加工を施し、同図
（ｃ）に示すような最終形状に対応するほぼＶ字形の鍛
造素材Ｃを得る。

【０００９】そして、この鍛造素材Ｃを上記と同様に３
５０℃に加熱した上でバスター鍛造を施し、図９（ａ）
に示すように第１中間鍛造品Ｄを得る。この第１中間鍛
造品Ｄを冷却後に再び加熱した上で、金型を交換してブ
ロッカー鍛造を施す。そうすると、同図（ｂ）に示すよ
うに、より最終形状に近い第２中間鍛造品Ｅが得られ
る。そして、この第２中間鍛造品Ｅを再び加熱した後、
金型を再度交換してフィニッッシャー鍛造を施すと、同
図（ｃ）に示すように最終形状に極めて近い最終鍛造品
Ｆが得られる。この最終鍛造品Ｆをトリミングした後、
ボール盤加工等の機械加工を施せば、図９（ｄ）に示す
ような最終製品Ｇが得られることになる。

【００１０】このように、マグネシウム合金を固相状態
で鍛造成形しようとすると、上記したように据込率を大
きくできないことから、従来においては、例えばバスタ
ー鍛造、ブロッカー鍛造、フィニッッシャー鍛造という
ように、複数段の鍛造加工を施さなければならないので
ある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にマグネシウム合金を最終形状に仕上げる過程で複数段
階の鍛造加工を行うと、その都度加熱、冷却を繰り返す
ため、早い段階で最終形状に仕上がってしまう部分で結
晶粒径が粗大化する可能性があるばかりでなく、複数の
金型を必要とすることから製造コストが高くつくという
問題がある。

【００１２】これに対しては、上記特開昭５１−１２０
９５３号公報に記載された従来技術のように、最終形状
に近い素形材に形成した鋳造材を鍛造素材として使用す
ることが考えられるが、マグネシウム合金の鋳造材は前
述のように結晶粒径が粗大であることから、鍛造不足に
より所望の強度が得られない可能性がある。

【００１３】そこで、マグネシウム合金を固相と液相と
が共存する半溶融状態に加熱して、この半溶融状態で鍛
造加工を施すことが考えられているが、マグネシウムは
酸化活性度が極めて高いことから、液相のマグネシウム
が周辺の酸素と激しく反応して酸化するおそれがある。

【００１４】この発明は、マグネシウム合金の素材を複
雑形状に仕上げる過程で鍛造加工を施す場合における上
記の問題に対処するもので、所望の強度を確保しつつマ
グネシウム合金部材の製造工程を簡略化することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】すなわち、本願の請求項
１の発明（以下第１発明という）に係るマグネシウム合
金部材の製造方法は、マグネシウム合金の鍛造素材の表
面に酸化阻止材を塗布し、次に該素材を半溶融状態に加
熱処理した後、鍛造成形することを特徴とする。

【００１６】また、本願の請求項２の発明（以下第２発
明という）に係るマグネシウム合金部材の製造方法は、
マグネシウム合金を半溶融状態で撹拌した後、最終形状
に対応した鍛造素材に成形すると共に、上記鍛造素材の
表面に酸化阻止材を塗布し、次に該素材を半溶融状態に
加熱処理した後、鍛造成形することを特徴とする。

【００１７】そして、本願の請求項３の発明（以下第３
発明という）に係るマグネシウム合金部材の製造方法
は、第１発明もしくは第２発明の方法において、酸化阻
止材として黒鉛を用いることを特徴とする。

【００１８】

【作用】上記の発明によれば次のような作用が得られ
る。

【００１９】第１発明から第３発明のいずれにおいて
も、マグネシウム合金の鍛造素材の表面に酸化阻止材を
塗布しているので、液相のマグネシウム合金が周辺の酸
素と反応して酸化されることがなく、これによりマグネ
シウム合金の鍛造素材を半溶融状態に加熱して鍛造成形
することが可能となり、据込率を大きくして鍛造工程数
を削減することができ、その結果製造工程が簡略化され
る。

【００２０】また、第２発明によれば、マグネシウム合
金を半溶融状態で撹拌した後、最終形状に対応した鍛造
素材に成形するようにしているので、丸棒等のインゴッ
トから最終形状に仕上げる場合に比べて更に製造工程が
簡略化されることになる。

【００２１】そして、第３発明によれば、酸化阻止材と
して摩擦抵抗の少ない黒鉛を用いているので、この黒鉛
が鍛造時に潤滑剤として機能することになる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、実施例においては、次の表１に示すように、ＡＳＴ
Ｍ規格ＡＺ８０Ａに相当する組成のマグネシウム合金を
材料として用いた。

【００２３】

【表１】 まず、本発明の第１実施例について説明する。この第１
実施例においては、図１（ａ）に示すように、連続鋳造
成形されたマグネシウム合金のインゴットをＶ字形に曲
げ加工したものを鍛造素材１として用いる。なお、上記
インゴットを鍛造素材１に加工するまでの工程について
は、従来と同様なので省略する。

【００２４】この鍛造素材１を１００℃まで加熱した上
で、図１（ａ）に示すように、水溶性鱗片状黒鉛の水溶
液２をスプレー３を用いて塗布し、黒鉛の被膜１ａを形
成する。その際、被膜１ａの厚さが２０〜５０μｍにな
るように上記水溶液２の吹付量を調整する。鍛造素材１
の全面にわたって黒鉛の被膜１ａが形成されると、上記
水溶液２の塗布を終了して乾燥させる。乾燥後、図１
（ｂ）に示すように、鍛造素材１を電気炉４に入れて、
ヒーター５に通電することにより半溶融状態に加熱す
る。その際の加熱温度は、次のようにして設定する。つ
まり、マグネシウムーアルミニウム合金系においては、
図２に示すように、固相と液相との間に両者が共存する
半溶融相が存在する。例えばＡＺ８０Ａ合金の場合、ア
ルミニウムが重量比で約８％含まれるので、図２の横軸
の８重量％のところを縦方向にみていくと、概ね５３０
〜６３０℃の範囲で半溶融状態となる。この場合、温度
が上昇するほど液相の比率が増加して自立性が悪化する
ことになるので、図の黒点で示すように半溶融相でも固
相に近い温度（例えば５３５℃）を加熱温度として設定
する。この時、該素材１は、固体状態の中にほんの少し
液相が現れている状態となる。

【００２５】次に、上記のようにして半溶融状態に加熱
された鍛造素材１は、図３に示すような鍛造装置８に入
れられ、上型９と下型１０との間にセットされると共
に、ラムを上下動させることにより鍛造成形される。そ
の際、鍛造素材１の表面に摩擦抵抗の少ない黒鉛を塗布
しているので特別な潤滑剤を必要としない。この場合、
鍛造装置８における上型９と下型１０との間に形成され
るキャビティの形状を製品形状に近似した形状とするこ
とにより、１回の鍛造成形によって鍛造工程は終了し、
図１（ｃ）に示すような最終形状に近い鍛造品６が得ら
れる。この鍛造品６をトリミングした後、ボール盤加工
等の機械加工を施せば、図１（ｄ）に示すような最終製
品７が得られることになる。

【００２６】上記の方法によれば、鍛造素材１を鍛造加
工する前に、その表面に黒鉛を塗布しているので、該素
材１が直に周辺の酸素と接触するのが妨げられることに
なる。従ってマグネシウム合金の鍛造素材１を、液相が
現れる温度域である５３５℃にまで加熱して半溶融状態
で鍛造することが可能となり、据込率を大きくすること
ができる。その結果、１回の鍛造での成形性がよくな
り、鍛造回数が削減され、また鍛造荷重も削減される。

【００２７】次に、図４から図６までを参照して、第２
実施例に係るマグネシウム合金部材の製造方法について
説明する。

【００２８】この第２実施例においては、図４（ａ）に
示すように最終形状に近い形状の鍛造素材１１が用いら
れる。この鍛造素材１１は、図５に示すような半溶融射
出成形機２０によって製造される。

【００２９】この半溶融射出成形機２０は、水平状態に
設置された中空状のシリンダ２１と、該シリンダ２１を
取り囲んで配置されたヒータ２２と、シリンダ２１内に
軸方向進退自在として内装されたスクリュー２３とを有
する。なお、このスクリュー２３は、適宜の手段によ
り、螺子部２３ａの進行方向に回転した状態で、図面上
の左方に位置するシリンダ２１の基端側に向けて後退す
るように構成されている。

【００３０】また、上記シリンダ２１の基端側から突出
するスクリュー２３の軸端には、適宜の手段により前後
動自在に駆動される高速射出機構２４が対面配置されて
いると共に、シリンダ２１の先端側には上型２５ａと下
型２５ｂとの間に所定形状のキャビティ２６が形成され
た金型２５が取付部材２７を介して着脱自在に取り付け
られるようになっている。

【００３１】そして、上記シリンダ２１の基端側にはホ
ッパ２８が接続されており、このホッパ２８に所定形状
の成形原料２９が貯留されるようになっている。

【００３２】ここで、上記半溶融射出成形機２０の作動
を説明すると、ホッパ２８を介してシリンダ２１内に供
給された成形原料２９は、ヒータ２２により液相と固相
とが共存する半溶融状態に加熱される。この半溶融状態
の成形原料２９は、スクリュー２３の回転により撹拌さ
れると共に、該スクリュー２３の後退動作に伴って前方
へ移動させられる。その過程で、成形原料２９は最終的
に液相中に結晶粒子などの固体が分散した金属スラリー
３０となる。

【００３３】そして、スクリュー２３が更に後退して、
その端部が上記高速射出機構２４に当接すると、図６に
示すように、高速射出機構２４が高速度で前方へ移動
し、それに伴ってスクリュー２３も高速度で前方へ移動
して、その際の圧力で金属スラリー３０が上記金型２５
のキャビティ２６内に射出されることになる。

【００３４】このようにして得られた鍛造素材１１は、
図４に示すような工程を経て最終形状に仕上げられる。

【００３５】まず、鍛造素材１１を１００℃まで加熱す
る。そして、図４（ｂ）に示すように、第１実施例と同
様に水溶性鱗片状黒鉛の水溶液２をスプレー３を用いて
上記鍛造素材１１に塗布し、黒鉛の被膜１１ａを形成す
る。鍛造素材１１の全面にわたって黒鉛の被膜１１ａが
形成されると、上記水溶液２の塗布を終了して乾燥させ
る。このようにして黒鉛の被膜１１ａが形成された鍛造
素材１１は、上記第１実施例と同様に、半溶融状態に加
熱された後、鍛造成形される。したがって、この場合に
おいても、鍛造終了後には、図４（ｃ）に示すように最
終形状に近い鍛造品１２が得られる。この鍛造品１２を
トリミングした後、ボール盤加工等の機械加工を施せ
ば、図１（ｄ）示すような形状の最終製品が得られる。

【００３６】この第２実施例によれば、半溶融射出成形
によって最終形状に近い形に仕上がった鍛造素材１１を
使っているので、第１実施例よりも更に鍛造回数を削減
することができる。

【００３７】なお、以上の実施例においては、酸化阻止
材として鱗片状黒鉛を使用したが、他のセラミック系の
材料、例えば、ＢＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、潤滑剤のＭｏＳ₂及び
これらの混合物を使用してもよい。

【００３８】

【発明の効果】第１発明から第３発明のいずれにおいて
も、マグネシウム合金の鍛造素材の表面に酸化阻止材を
塗布しているので、液相のマグネシウム合金が周辺の酸
素と反応して酸化されることがなく、これによりマグネ
シウム合金の鍛造素材を半溶融状態に加熱して鍛造成形
することが可能となり、据込率を大きくして鍛造工程数
の削減することができると共に、半溶融状態では変形抵
抗が少ないことから鍛造荷重を低減することもできる。
また、鍛造工程数が削減されることから、金型が少なく
なって製造コストが低減されると共に、鍛造素材を何度
も加熱する必要がないから、製造コストが更に低減され
ることになる。

【００３９】また、第２発明によれば、マグネシウム合
金を半溶融状態で撹拌した後、最終形状に対応した鍛造
素材に成形するようにしているので、丸棒等のインゴッ
トから最終形状に仕上げる場合に比べて更に製造工程が
簡略化されることになる。

【００４０】そして、第３発明によれば、酸化阻止材と
して摩擦抵抗の少ない黒鉛を用いているので、この黒鉛
が鍛造時に潤滑剤として機能し、特に潤滑剤を必要とし
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例に係るマグネシウム合金
部材の鍛造工程の一部を示す工程図である。

【図２】 アルミニウム−マグネシウム合金の二元状態
図である。

【図３】 第１実施例における鍛造作業を示す模式図で
ある。

【図４】 本発明の第２実施例に係るマグネシウム合金
部材の一部を示す工程図である。

【図５】 半溶融射出成形機における金属スラリーの撹
拌工程を示す模式図である。

【図６】 同じく半溶融射出成形機における金属スラリ
ーの射出工程を示す模式図である。

【図７】 ＡＺ８０Ａ合金の平均結晶粒径と据込率との
関係を示すグラフである。

【図８】 従来におけるマグネシウム合金製ロッカアー
ムの製造工程の前半部分を示す工程図である。

【図９】 従来におけるマグネシウム合金製ロッカアー
ムの製造工程の後半部分を示す工程図である。

【符号の説明】 １ 鍛造素材 ２ 鱗片状黒鉛の水溶液

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平原 庄司 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 平２−151343（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−228569（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−76976（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−294036（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−221142（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−40640（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−228602（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B21J 1/00 - 13/14 B21J 17/00 - 19/04 B21K 1/00 - 31/00 B22D 17/00 B22D 21/04 C23F 11/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マグネシウム合金の鍛造素材の表面に酸
   化阻止材を塗布し、次に該素材を半溶融状態に加熱処理
   した後、鍛造成形することを特徴とするマグネシウム合
   金部材の製造方法。
2. 【請求項２】 マグネシウム合金を半溶融状態で撹拌し
   た後、最終形状に対応した鍛造素材に成形すると共に、
   上記鍛造素材の表面に酸化阻止材を塗布し、次に該素材
   を半溶融状態に加熱処理した後、鍛造成形することを特
   徴とするマグネシウム合金部材の製造方法。
3. 【請求項３】 酸化阻止材は、黒鉛であることを特徴と
   する請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載のマグ
   ネシウム合金部材の製造方法。