JP3320037B2

JP3320037B2 - 鍛造成形品およびその製造方法

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Publication number: JP3320037B2
Application number: JP19688399A
Authority: JP
Inventors: 健松田; 宏之花戸
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-07-12
Filing date: 1999-07-12
Publication date: 2002-09-03
Anticipated expiration: 2019-07-12
Also published as: KR100373817B1; KR20010015273A; JP2001026835A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はマグネシウム合金の
鍛造成形品およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】種々の金属筺体の成形方法には、大きく
分けて、プレス加工、鋳造加工、鍛造加工があり、樹脂
筺体の形成方法には射出加工がある。特に、小型の携帯
型電子機器等の筐体は、アルミニウムなどの金属をプレ
ス加工するか、樹脂を射出加工することにより成形され
ていた。

【０００３】近年、携帯型電子機器の小型軽量化の要望
が強くなるに従い、その筺体としてはボス、リブ等を有
するものが要望されるようになってきた。つまり、これ
らを有しない筐体では、内部構成部品を取り付けたり、
筐体を取り付けるために、別途フレームが必要になり、
また、リブによる部分的な強化ができないため、製品強
度を確保することができず、小型軽量化に対応すること
が難しくなってきたためである。しかしながら、従来用
いられていたプレス成形ではこのようなボス、リブ等を
有する筐体を得ることは困難であった。

【０００４】また、近年、特に実用合金の中で最も軽
く、また、比強度も強いリサイクル容易な金属材料とし
てマグネシウム合金を用いた筐体が使用されるようにな
ってきている。その成形方法としては、鋳造加工である
ダイキャスト法等が採用され、特に、金属を半溶融させ
た状態で鋳造を行ういわゆるチクソキャスト法が採用さ
れている。

【０００５】この一例として、特開平６−２９７１２７
号公報には、塑性加工性の向上および機械的強度を得る
ためのチクソキャスト法による製造方法が開示されてい
る。一般的に使用されているマグネシウム合金は、ｈｃ
ｐ（最密六方）結晶構造のマグネシウムα相（以下α相
と称す）であるため、塑性加工が難しいという問題があ
り、上記公報では、軽合金材料を半溶融状態とした後、
そのまま成型型に注入し、鋳物素材を成形し、その後に
その鋳物素材に塑性加工を施し、成型品を形成して、半
溶融状態でマグネシウム合金を塑性変形させることで、
機械的性質を改善している。

【０００６】また、鍛造加工の一例として、特開平６−
８１０８９号公報には、アルミニウム６〜１０％、Ｚｎ
１％以下、残部がマグネシウムである合金を用い、歪み
速度１〜１００／ｓｅｃ、加工温度が２００〜３５０℃
で７０％以上の高い加工率が得られるマグネシウム合金
の熱間鍛造方法が開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、携帯型
電子機器の筺体をプレス成形しようした場合、内部構成
部品を搭載し、プレス成形した筐体を取り付けるために
筐体とは別のフレームが必要となる。また、リブ等を形
成するのが困難なため、部分的に強度を上げることがで
きず、薄肉、軽量化を進めていくと、必要強度を保てな
くなるといった問題があった。

【０００８】また、ダイキャスト法、チクソキャスト法
などの鋳造の加工方法で厚さ１ｍｍ以下の薄肉の筐体を
成形した場合、湯境、湯皺、引け巣等の鋳造欠陥によ
り、製品強度にバラツキが生じたり、製品外観不良が発
生したりするため、後工程でパテ埋め等の修正加工を行
なわなければならないなどの問題があった。

【０００９】特に、特開平６−２９７１２７号公報に開
示されている方法では、合金を半溶融状態温度（Ｍｇの
場合は５００〜６００℃）に保たなければならず、加工
に相当なエネルギーを要し、その結果、設備も大型にな
らざるを得なかった。

【００１０】また、特開平６−８１０８９号公報に示す
方法で、汎用の展伸性マグネシウム合金（ＡＺ６１、Ａ
Ｚ３１、ＺＫ６０）を用いて種々の条件の鍛造テストを
行なったところ、若干の変形は示すものの薄肉成形や複
雑形状の形成には程遠い結果しか得られなかった。

【００１１】ところで、展伸性マグネシウム合金（ＡＺ
６１、ＡＺ３１、ＺＫ６０）の場合、鍛造加工が困難と
なるのは、塑性変形に伴う加工硬化が著しく、加工中
に変形に必要な応力が増加してしまう、変形による加
圧方向への投影面積が増加（実質加圧面積の増加）する
ため、その結果必要加圧力が増加してしまうといった２
つの要因がある。

【００１２】図４に展伸性汎用マグネシウム合金ＡＺ３
１の引張試験結果を示す。図４に示すように、材料を引
張始めると点Ａまではフックの法則に従う弾性変形領域
であり直線的な変化を示す。点Ａを超えてさらに応力を
加えると、直線性が崩れ、点Ｂで材料が破断するまで塑
性変形領域であり、おおむね右肩上がりの曲線となる。
また、線分ＡＢが右肩上がりとなるのは、塑性変形によ
り材料が加工硬化するためである。

【００１３】次に、鍛造加工時の実質加圧面積の増加に
ついて説明する。試験片を平行な平面金型で押しつぶす
据え込み鍛造について考える。単純化するため材料−金
型面の摩擦を無視した場合、鍛造時の断面積と圧下率の
関係は図５のようになる。据え込み鍛造の場合は、材料
の伸びはすべて加圧方向に直角な方向となるため極端な
例であるが、実際の成形でも特殊な場合を除いて、実質
面積は増える方向となる。

【００１４】そこで、本発明は、携帯型電子機器筺体な
どの、軽量、薄肉で、ボス、リブなどの偏肉形成が容易
で、大量生産が可能な金属成形品を得ることを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題の解
決を目的としてなされたものであって、本発明の第１発
明は、少なくともリチウムβ相組識を有するリチウム含
有含有量が６〜１０．５重量％で残部がマグネシウムか
らなるマグネシウム合金を１００〜２５０℃に熱せられ
た成形金型に装入して鍛造成形して得られることを特徴
とする。

【００１６】

【００１７】また、第２発明は、少なくともリチウムβ
相組識を有するリチウム含有量が６〜１０．５重量％で
且つ、４重量％以下の亜鉛あるいは６重量％以下のアル
ミニウムのうち少なくともいずれかを含有する残部がマ
グネシウムからなるマグネシウム合金を１００〜２５０
℃に熱せられた成形金型に装入して鍛造成形して得られ
ることを特徴とする。

【００１８】また、第３発明は、少なくともリチウムβ
相組識を有するリチウム含有量が６〜１０．５重量％で
あるマグネシウム合金を１００〜２５０℃に熱せられた
成形金型に装入して鍛造成形することを特徴とする鍛造
成形品の製造方法。

【００１９】また、第４発明は、成形金型に装入する前
に、前記マグネシウム合金を３００℃以下に予熱するこ
とを特徴とする。

【００２０】

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図をもとに本発明について
詳細に説明する。

【００２２】まず、所望のマグネシウム合金組成となる
ように各材料を秤量し、真空溶解炉に装入する。この
時、溶解炉内を１．０×１０-5ｔｏｒｒに真空排気後、
アルゴンガスを導入し、ほぼ大気圧のアルゴン雰囲気と
し、材料を加熱溶解する。その後、金型に鋳造し、所望
のマグネシウム合金組成のインゴットを作製する。な
お、溶解には鉄製のルツボを用いた。

【００２３】上記方法にて、リチウムを５重量％含むマ
グネシウム合金（Ｌ５）、リチウムを６重量％含むマグ
ネシウム合金（Ｌ６）、リチウムを９重量％含むマグネ
シウム合金（Ｌ９）、リチウムを１０．５重量％含むマ
グネシウム合金（Ｌ１０．５）、リチウムを１１重量％
含むマグネシウム合金（Ｌ１１）のインゴットをそれぞ
れ作製した。

【００２４】次に、各インゴットを２０ｍｍ×２０ｍｍ
×１０ｍｍｔに切り出して、試験片とした。

【００２５】これらの試験片１を図１（ａ）に示すよう
に鍛造プレス機２（機械装置全体は図示せず）に装入
し、鍛圧９０ｔで鍛造温度を変化させて据え込み鍛造テ
ストを行なった。これにより、試験片１は鍛造物１´と
なる（図１（ｂ））。

【００２６】ここでは、リチウム添加量の違い（Ｌ５、
Ｌ６、Ｌ９、Ｌ１０．５、Ｌ１１）による各温度（室
温、６０℃、１００℃、１５０℃、２００℃、２５０
℃、３００℃）での据え込み鍛造テストの結果を表１〜
７に示す。

【００２７】なお、ここでは、試験片の厚みが厚く予熱
していない試験片では、金型からの伝熱で、金型温度に
試料温度が昇温するのに時間がかかるため、金型温度と
同温度に予熱したが、実際の鍛造では、成形前の試料の
形状により、すぐに金型温度まで昇温するような場合に
は、予熱は必要ない。

【００２８】なお、金型は、金型側面より電気ヒータを
埋設して昇温し、金型裏面より金型中心部に埋設した熱
電対により測定した。また、試験片は、大気雰囲気の電
気炉を用いて予熱した。金型温度と試験片予熱温度が等
しい場合には、その温度を鍛造温度と記すこととする。

【００２９】

【表１】

【００３０】

【表２】

【００３１】

【表３】

【００３２】

【表４】

【００３３】

【表５】

【００３４】

【表６】

【００３５】

【表７】鍛造テストの結果から、鍛造温度が１００℃より低い場
合（表１および２参照）には、リチウム添加量が６重量
％より少ない場合（比較例１、６）は全く塑性加工でき
ない。また、リチウム添加量が６重量％以上の場合でも
（比較例２〜５、７〜１０）の場合では、破綻無く加工
できるが、端部の粗れが生じ、また、鍛造後の厚みも厚
いため、薄肉成形には用いることができない。ただし、
比較的厚肉で、加工率のそれ程大きくない成形には、用
いることができる。

【００３６】次に、鍛造温度が１００〜２５０℃の場合
（表３〜６参照）、リチウム添加量が６重量％より少な
い場合（比較例１１〜１４）には、加工温度の上昇に伴
い、加工時の破綻は無くなり、塑性加工可能となるが、
加工時の端部の粗れが大きいため、薄肉の成形には適さ
ない。また、リチウム添加量が６重量％以上の場合（実
施例１〜１６）には、鍛造後の厚みも薄くなり、また、
加工時の端部粗れも無く良好に成形できる。

【００３７】さらに、鍛造温度が３００℃の場合（表７
参照）には、リチウム添加量が６重量％より少ない場合
（比較例１５）には、端部の粗れが生じることから薄肉
の成形には適さない。また、リチウム添加量が６重量％
以上の場合（比較例１６〜１８）には、成形後の厚みは
薄く良好に成形できるが、部分的に金型と接着（抱き着
き）し、また、材料の軟化が激しいため、離型時に変形
してしまった。さらに、リチウム添加量が１１重量％の
場合（比較例１９）には、材料予熱中に表面が酸化し黒
変してしまった。

【００３８】以上の結果から、６重量％以上のリチウム
を含有し、残部がマグネシウムからなるマグネシウム合
金が薄肉の鍛造成形に適していること、その鍛造温度は
１００〜２５０℃が適していることが分かる。

【００３９】上記結果を踏まえ、６重量％以上のリチウ
ムを含有し、残部がマグネシウムからなるマグネシウム
合金が薄肉の鍛造成形に適していることを以下に考察す
る。

【００４０】マグネシウムにリチウムを添加したマグネ
シウム合金は、その添加量が６重量％より少ないとα相
であり、その添加量が６重量％以上でｂｃｃ（体心立
方）結晶構造のリチウムβ相（以下β相と称す）が晶出
し始め、１０．５重量％まではα相とβ相の共晶組織と
なる。さらに１０．５重量％を超えてリチウムを添加す
るとβ相単相の均一固溶体となることが知られている。

【００４１】ここでは、α相のマグネシウム合金として
Ｌ５を、α＋β相のマグネシウム合金としてＬ９を、β
相のマグネシウム合金としてＬ１１を用いて、各相のマ
グネシウム合金の引張試験を行なった。その結果を図２
に示す。

【００４２】図２から明らかなように、α相単相、α＋
β共相、β相単相のいずれの場合も、材料の引張始めは
フックの法則に従う弾性変形領域であり、直線的な変化
を示す。その後、さらに応力を加えると、直線性が崩
れ、材料が破断するまで塑性変形領域となる。ここで、
α相単相のものは、塑性変形領域で、おおむね右肩上が
りの曲線となる。これは塑性変形により材料が加工硬化
するためである。一方、α＋β共相、β相単相のもの
は、塑性変形領域で、右肩下がりの曲線となる。このこ
とから、α＋β共相、β相単相のものは塑性変形により
材料がほとんど加工硬化を示さないことがわかる。つま
り、加工硬化を示さないということは、加工が進んでも
変形に必要な応力は増加しないため、良好に鍛造加工で
きるということである。

【００４３】上記より、リチウムβ相を含む結晶構造を
有するマグネシウム合金、つまり、６重量％以上のリチ
ウムを含有し、残部がマグネシウムからなるマグネシウ
ム合金が薄肉の鍛造成形に適していることが分かる。

【００４４】次に、各合金組成（Ｌ５、Ｌ６、Ｌ９、Ｌ
１０．５、Ｌ１１）での耐食性を調べるため、それらの
試験片に対して、１重量％の食塩水に２４時間浸漬して
耐食性テストを実施した。各合金組成の耐食性テストの
結果を表８に示す。

【００４５】

【表８】耐食テストの結果から、リチウム添加量が１１重量％を
超えると耐食性が劣化することがわかる。

【００４６】上記表１〜７の据え込み鍛造テストの結果
と、表８の耐食性テストの結果を総合的に判断するた
め、表９にまとめる。

【００４７】

【表９】表９から明らかなように、マグネシウム合金のうち６〜
１０．５重量％のリチウムを含有するものは、薄肉の鍛
造成形に適しているばかりでなく、耐食性に優れるた
め、種々の電子機器の筐体に用いた場合にたいへん有効
であることがわかる。

【００４８】次に、合金強化元素として有効な、亜鉛、
アルミニウムを添加した場合の実験を行った。

【００４９】まず、上記、Ｌ５〜Ｌ１１のマグネシウム
合金と同様の方法で、リチウムを９重量％、亜鉛を３重
量％含むマグネシウム合金（ＬＺ９３）、リチウムを９
重量％、アルミニウムを３重量％含むマグネシウム合金
（ＬＡ９３）のインゴットをそれぞれ作製した。

【００５０】そして、各マグネシウム合金組成での耐食
性を調べるため、それらの試験片に対して、１重量％の
食塩水に２４時間浸漬して耐食性テストを実施した結
果、いずれのマグネシウム合金も良好であった。

【００５１】また、各Ｌ５〜Ｌ１１のマグネシウム合金
と同様の方法で、各マグネシウム合金組成の据え込み鍛
造テストを行った。その結果を表１０に示す。

【００５２】

【表１０】表１０より明らかなように、強化元素として亜鉛３％あ
るいはアルミニウム３％を添加した場合において、リチ
ウムのみを鍛造した場合に比べ、いずれの場合も加工性
の面では若干劣化するが、成形端部の粗れも生じること
なく鍛造成形が可能であった。したがって、亜鉛３％程
度あるいはアルミニウム３％程度の添加でも、鍛造温度
１００〜２５０℃の条件での鍛造成形が可能であること
がわかった。

【００５３】なお、合金強化元素の含有量としては、亜
鉛は４重量％以下、アルミニウムは６重量％以下が最適
である。これについて、引張試験を行って、これらの上
限値以上に含有量が増えると、塑性加工性が劣化するこ
とを確認した。

【００５４】次に、結晶粒微細化剤としてカルシウムを
添加した場合の実験を行った。

【００５５】まず、上記、Ｌ５〜Ｌ１１のマグネシウム
合金と同様の方法で、カルシウムを１重量％含むマグネ
シウム合金（ＬＣ９１）、リチウムを９重量％、亜鉛を
３重量％、カルシウムを１重量％含むマグネシウム合金
（ＬＺＣ９３１）、リチウムを９重量％、アルミニウム
を３重量％、カルシウムを１重量％含むマグネシウム合
金（ＬＡＣ９３１）のインゴットをそれぞれ作製した。

【００５６】そして、各マグネシウム合金組成での耐食
性を調べるため、それらの試験片に対して、１重量％の
食塩水に２４時間浸漬して耐食性テストを実施した結
果、各マグネシウム合金も良好であった。

【００５７】また、各Ｌ５〜Ｌ１１のマグネシウム合金
と同様の方法で、各マグネシウム合金組成の据え込み鍛
造テストを行った。その結果を表１１に示す。

【００５８】

【表１１】表１１より明らかなように、微細化剤を添加した場合に
は、添加しないものに比べて同等あるいはそれ以上の加
工性を示すことが分かる。

【００５９】なお、結晶粒微細化剤の含有量としては、
０．５〜２重量％が最適である。これは、０．５重量％
以下では効果が得られず、２重量％以上では、その効果
が飽和してしまい、また、溶解時に鋳造欠陥を生じるか
らである。

【００６０】また、ここでは、カルシウムを添加した場
合について実施例を記載したが、ジルコニウム、珪素等
他の微細化剤を用いた場合も同様の結果が得られた。

【００６１】次に、リチウムを９重量％、亜鉛を３重量
％含むマグネシウム合金（ＬＺ９３）を用い、１５０℃
の金型温度において、成型時に金型温度以上に材料温度
を保持した場合、すなわち材料予熱の効果について実験
を行った。その結果を、表１２に示す。

【００６２】

【表１２】上記表１２の結果より、以下の３つのことがわかった。

【００６３】鍛造圧力が高い９０ｔの場合、実施例１
９、３７を比較すると、成形後の厚さが薄い時には、材
料温度を上昇させても、成形性向上の効果はほとんど見
られない。これは、成形後の厚みが薄くなった場合に
は、加圧成形中に、金型に温度を奪われ、成形終了時に
は、材料温度が金型温度と同等になってしまうためと、
金型−材料間の摩擦の影響が大きくなるためと考えられ
る。

【００６４】鍛造圧力が低い４０ｔの場合、実施例３
８、３９を比較すると、実施例３９の方が成形後の厚さ
が３．１ｍｍと薄く成形できているため、材料予熱を行
なうことで成形性を向上させることが可能である。これ
は、材料変形に要する時間が短く予熱の効果が残った状
態で成形を終了できたこと、また、金型−材料間の摩擦
の影響がそれ程支配的でない厚みだったことが考えられ
る。

【００６５】比較例２０に示したように、材料予熱温度
を３００℃を超えて行なうと、予熱中に材料表面が酸化
し、かえって成形性は劣化してしまう。加熱雰囲気を不
活性ガス等の防酸化雰囲気とすることで、３００℃を超
えた予熱も可能となることは容易に推測できるが、コス
ト等が上昇するわりに、効果は期待できない。

【００６６】また、今回用いたプレス機は、油圧式のも
ののため、成形速度は比較的低速であったが、メカ式等
高速のプレス機を用いた場合には、より成形性向上効果
が期待できる。

【００６７】次に、ＬＺ９３を用いて、金型温度２５０
℃、材料予熱温度２５０℃、鍛圧１２０ｔにて、図３に
示すような、携帯型電子機器筐体成形品を鍛造した。結
果良好に成形できた。ここでは、ＬＺ９３を用いて、金
型温度２５０℃、材料予熱温度２５０℃の条件で成形し
たが、本発明の合金範囲、成形条件では、何れも良好に
成形できた。

【００６８】

【発明の効果】上述したように、本発明の第１の効果
は、加工硬化をほとんど示さないβ相組識を有するリチ
ウム含有量が６〜１０．５重量％であるマグネシウム合
金を用いた鍛造成形品であるので、軽量、薄肉で、ボ
ス、リブなどの偏肉構造を有することが可能となる。

【００６９】

【００７０】第２の効果は、４重量％以下の亜鉛あるい
は６重量％以下のアルミニウムのうち少なくともいずれ
かを含有したリチウム含有マグネシウム合金を用いた鍛
造成形品であるので、強度向上が可能となる。

【００７１】第３の効果は、加工硬化をほとんど示さな
いβ相組識を有するリチウム含有量が６〜１０．５重量
％であるマグネシウム合金を用いて、１００〜２５０℃
に熱せられた成形金型に装入して鍛造成形するので、軽
量、薄肉で、ボス、リブなどの偏肉構造を有する鍛造成
形品を得ることができる。

【００７２】第４の効果は、成形金型に装入する前に、
前記マグネシウム合金を３００℃以下に予熱するので、
材料装入後すぐに成形できるようになり、また、成形性
の向上も期待できる。

【００７３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による据え込み鍛造テストを示す模式図
である。

【図２】本発明の合金の引張試験結果である。

【図３】本発明の鍛造により成形した鍛造成形品を示す
模式図である。

【図４】汎用展伸性マグネシウム合金の引張試験結果で
ある。

【図５】据え込み鍛造による圧下率と加圧面積の増加を
説明するための図である。

【符号の説明】

１マグネシウム合金鍛造試験片２据え込みテスト用平坦金型

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−176839（ＪＰ，Ａ) 特開平９−41066（ＪＰ，Ａ) 特開平３−236452（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−104641（ＪＰ，Ａ) Ｋａｉｂｙｓｈｅｖ，Ｏ．Ａ．ら，ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＡｌｌｏｙＩＭＶ−２ａｆｔｅｒｓｕｐｅｒｐｌａｓｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，Ｉｚｖ．Ｖｙｓｓｈ．Ｕｃｈｅｂｎ．Ｚａｖｅｄ．，Ｔｓｖｅｔｎ．Ｍｅｔａｌｌ．，ロシア，４，Ｐ．78−82 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 23/00 - 23/06 B21J 5/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともリチウムβ相組識を有するリ
チウム含有量が６〜１０．５重量％で残部がマグネシウ
ムからなるマグネシウム合金を１００〜２５０℃に熱せ
られた成形金型に装入して鍛造成形して得られることを
特徴とする鍛造成形品。
【請求項２】少なくともリチウムβ相組識を有するリ
チウム含有量が６〜１０．５重量％で且つ、４重量％以
下の亜鉛あるいは６重量％以下のアルミニウムのうち少
なくともいずれかを含有する残部がマグネシウムからな
るマグネシウム合金を１００〜２５０℃に熱せられた成
形金型に装入して鍛造成形して得られることを特徴とす
る鍛造成形品。
【請求項３】少なくともリチウムβ相組識を有するリ
チウム含有量が６〜１０．５重量％であるマグネシウム
合金を１００〜２５０℃に熱せられた成形金型に装入し
て鍛造成形することを特徴とする鍛造成形品の製造方
法。
【請求項４】成形金型に装入する前に、前記マグネシ
ウム合金を３００℃以下に予熱することを特徴とする請
求項３記載の鍛造成形品の製造方法。