JP4510819B2 - マグネシウム及びマグネシウム合金の温間塑性加工方法並びにその加工方法に用いる中間体 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム及びマグネシウム合金（以下、これらを総称してマグネシウム材と略記する）の温間塑性加工方法並びにその加工方法に用いる中間体に関するものである。

マグネシウム材は実用的な金属の中で最も軽量であり、その薄肉品は比強度、電磁シールド性、熱放散性、振動減衰性などに優れており、しかもリサイクルのための再生産エネルギーが少なくて済むなどの利点を有しており、近年、電気機器、通信機器、コンピュータ機器、光学機器、自動車部品、スポーツ用品などの各種分野において多用化されている。
マグネシウム材は冷間塑性加工には適していないが、２００℃〜４００℃程度に加熱してプレス加工する温間塑性加工は可能である。通常、マグネシウム材の圧延材（展伸材）を絞ぼったり曲げたりする場合、金型を使用して、プレス機やベンダー機で成形加工する。このとき摩擦抵抗を下げるために、油脂系の潤滑剤やシリコーン系などの無機系潤滑剤が使用される。
なお、この種の従来技術として、例えば特開２００３−５３４３７号公報、特開２００３−５５７９５号公報、特開２００４−５１８７０号公報などを挙げることができる。

しかし、加工時の温度が２００℃以上であることから、前記潤滑剤が金型に焦げ付いたり、粘度が高くなり、絞りなどの加工がしにくくなる。また、数台から数十台加工毎に付着した潤滑剤や焦げ付いた炭化物を取り除くために金型を磨く必要があり、作業が煩雑で生産効率が悪い。特に順送型の加工装置の場合、数十台ごとに材料を外して、金型を清掃．研磨しないと、帯状になったワークシートを連続的に送りながら加工することができない。
さらに潤滑剤や炭化物が付着した状態で加工を続行すると、全ての加工品にスジ、傷、打痕が発生、また成形品のエッジ部にヒビや亀裂が発生する。
更にまたマグネシウム材の成形品に付着した潤滑剤や炭化物を洗浄することも困難な状況にある。
潤滑剤を使用する代わりにポリテトラフルオロエチレンシートなどの離型シートをワークと金型の間に介挿する方法もあるが、量産には不向きであり、また、絞りなどの加工精度を上げようとすると、離型シートの皺によって成形品の表面にスジや打痕などが発生してしまう。
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、金型への潤滑剤の焦げ付きがなく、金型を清掃研磨する回数が少なくて済み、作業効率の良いマグネシウム材の温間塑性加工方法並びにその加工方法に用いる中間体を提供することにある。
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、マグネシウム叉はマグネシウム合金からなる加工すべきワークの表面に水酸化マグネシウム層を形成する工程と、その水酸化マグネシウム層にマグネシウムセッケン層を形成する工程と、そのマグネシウムセッケン層を形成したワークを所定の形状に温間塑性加工する工程とを含むことを特徴とするものである。
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記水酸化マグネシウム層の形成工程が、亜硝酸イオンを含むアルカリ性溶液と前記ワークを接触してワーク表面に水酸化マグネシウム層を形成する工程であって、前記マグネシウムセッケン層の形成工程が、脂肪族カルボン酸イオン叉は芳香族カルボン酸イオンを含むアルカリ性溶液に前記水酸化マグネシウム層を形成したワークを接触してワーク表面の水酸化マグネシウム層をマグネシウムセッケン層に改質する工程であることを特徴とするものである。
本発明の第３の手段は前記第１または第２の手段において、前記脂肪族カルボン酸が置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が６〜２４の脂肪族カルボン酸から、前記芳香族カルボン酸が置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が７〜２０の芳香族カルボン酸から、選択された有機化合物であることを特徴とするものである。
本発明の第４の手段は前記第３の手段において、前記有機化合物がステアリン酸であることを特徴とするものである。
本発明の第５の手段は前記第１の手段において、前記温間塑性加工工程後に陽極酸化処理工程を有することを特徴とするものである。
本発明の第６の手段は、マグネシウム叉はマグネシウム合金からなる加工すべきワークの表面にマグネシウムセッケン層を形成したことを特徴とするものである。
本発明の第７の手段は前記第６の手段において、前記マグネシウムセッケン層を形成する有機化合物が、置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が６〜２４の脂肪族カルボン酸、または置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が７〜２０の芳香族カルボン酸から選択された有機化合物であることを特徴とするものである。
本発明の第８の手段は前記第７の手段において、前記有機化合物がステアリン酸塩であることを特徴とするものである。
本発明は前述のような構成になっており、金型への潤滑剤の焦げ付きがなく、金型を清掃研磨する回数が少なくて済み、作業効率の良いマグネシウム材の温間塑性加工方法並びにその加工方法に用いる中間体を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係るマグネシウム材の温間塑性加工方法を説明するためのフローチャートである。
図２は、表面に水酸化マグネシウム層を形成したワークの拡大断面図である。
図３は、表面にマグネシウムセッケン層を形成したワークの拡大断面図である。
図４は、本発明の実施形態で用いる連続プレス加工装置の概略構成図である。
図５は、本発明の第２実施形態に係るマグネシウム材の温間塑性加工方法を説明するためのフローチャートである。

次に本発明の実施形態について説明する。本発明において適用されるマグネシウム合金としては、例えばＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系合金、Ｍｇ−Ａｌ系合金、Ｍｇ−希土類元素系合金などがある。
前記Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金としては、具体的にはＡＺ３１Ａ、ＡＺ３１Ｂ、ＡＺ３１Ｃ、ＡＺ６１Ａ、ＡＺ８０Ａなどがある。前記Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系合金としては、具体的にはＺＫ５１Ａ、ＺＫ６１Ａ、ＺＫ６０、Ｍ６、Ｍ５、Ｍ４などがある。前記Ｍｇ−Ａｌ系合金としては、具体的にはＡＭ１００Ａなどがある。前記Ｍｇ−希土類元素系合金としては、具体的にはＥＺ３３Ａ、ＺＥ４１Ａ、ＱＥ２２Ａなどがある。
マグネシウム材の形状としては、例えば板状、管状、棒状、ペレット状などがある。またマグネシウム材に対する塑性加工には、例えば絞り、曲げ、圧縮、引っ張り、せん断など各種の加工方法がある。
本発明に用いられる潤滑剤としては、例えば置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が６〜２４の脂肪族カルボン酸塩、及び置換基を有していない叉は置換基を有している炭素数が７〜２０の芳香族カルボン酸塩のグループから選択された少なくとも１種の有機化合物が使用できる。
前記脂肪族カルボン酸塩において、脂肪族鎖は直鎖であっても分枝鎖であってもよい。また飽和であっても不飽和であってもよい。分子中の炭素数は好ましくは１０〜２４であり、より好ましくは８〜２２である。
脂肪族カルボン酸塩の脂肪族カルボン酸としては、例えばヘキサン酸、４−メチル吉草酸、２−エチル酪酸、２，２−ジメチル酪酸、ヘプタン酸、オクタン酸、ノナン酸、デカン酸、ウンデカン酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ヘプタデカン酸、ステアリン酸、イコサン酸、ベヘニン酸、イソステアリン酸などがある。
また脂肪族カルボン酸塩の塩としては、例えばアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン塩、アンモニウム塩等があり、特にアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩が好適である。
さらに脂肪族カルボン酸塩の置換基としては、例えば水酸基、カルボキシ基、アミノ基、アルコキシ基、アセチル基、ハロゲン原子などがある。置換数は５以下、好ましくは３以下、より好ましくは０または１である。
脂肪族カルボン酸塩の好ましい具体的な有機化合物としては、例えばオレイン酸ナトリウム、ラウリン酸ナトリウム、ミリスチン酸ナトリウム、パルミチン酸ナトリウム、ステアリン酸ナトリウム、ベヘニン酸ナトリウム、１，２−ヒドロキシオクタデカン酸ナトリウム、イソステアリン酸ナトリウム、２−ドデカン酸ナトリウムなどがある。
前記芳香族カルボン酸塩中の炭素数は好ましくは７〜２０であり、より好ましくは７〜１４である。
芳香族カルボン酸塩の芳香族カルボン酸としては、例えば安息香酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ジフタル酸、ベンゼントリカルボン酸、ベンゼンテトラカルボン酸、ナフトエ酸などがある。
芳香族カルボン酸塩の塩としては、例えばアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン塩、アンモニウム塩等があり、特にアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩が好適である。
芳香族カルボン酸塩の置換基としては、例えば水酸基、カルボキシ基、アミノ基、アルコキシ基、アセチル基、ハロゲン原子、炭素数が１〜６のアルキル基などがある。置換数は５以下、好ましくは３以下、より好ましくは０または１である。
芳香族カルボン酸塩の好ましい具体的な有機化合物としては、例えば安息香酸ナトリウム、安息香酸カリウム、イソフタル酸ナトリウム、テレフタル酸ナトリウム、ジフタル酸ナトリウムなどがある。
本発明の潤滑剤には必要に応じて、例えば防錆剤、粘度調整剤、酸化防止剤、消泡剤、ｐＨ調整剤などを添加することができる。
図１は、第１の実施形態に係るマグネシウム材の温間塑性加工方法を説明するためのフローチャートである。
同図に示すようにステップ（以下、Ｓと略記する）１で、加工すべきマグネシウム材（以下、ワークという）の表面に、圧延工程などで付着した炭化物、油脂分、その他の汚れなどを除去するためにワークをシンナーやトリクレンなどの有機溶剤を用いて洗浄する。
次にＳ２で、ワークの全表面に水酸化マグネシウム層を形成する。この水酸化マグネシウム層の形成は、亜硝酸ナトリウム水溶液中に水酸化ナトリウムを適量添加して攪拌することにより、その処理液の温度を１２０℃〜１４０℃の範囲に維持する。前記亜硝酸ナトリウム溶液の濃度は５０ｇ／Ｌ〜１００ｇ／Ｌ、水酸化ナトリウムの添加量は３９５ｇ／Ｌ〜４０５ｇ／Ｌである。この加熱された処理液中に、ワークを０．５分〜５分の間浸漬する。なお、ワークの汚れ度合いに応じて浸漬時間を決めるため、浸漬時間には前述のように幅をもたせてある。
浸漬後、ワークを処理液から取り出して水洗し、ワークの表面が乳白色になって、光沢がなくなるまで前述の前処理を行い、ワークの全表面に緻密な水酸化マグネシウム層を形成する。前述の亜硝酸ナトリウム水溶液中への浸漬により、前記Ｓ１での有機溶剤では除去しきれなかった圧延時に炭化した潤滑剤などが確実に除去でき、ワークの表面がさらに綺麗に洗浄され、その表面に水酸化マグネシウム層が形成される。図２は、全表面に水酸化マグネシウム層１を形成したワーク（アルミ材）２の拡大断面図である。
次にＳ３で、マグネシウムセッケン層の形成が行われる。このマグネシウムセッケン層の形成に先だって、水に前記脂肪族カルボン酸塩の１種であるステアリン酸ナトリウムと、水酸化カリウムを添加して溶解し、この潤滑剤溶液が８０℃〜１００℃の温度範囲になるように加熱維持する。前記ステアリン酸ナトリウム溶液の濃度は３ｇ／Ｌ〜７ｇ／Ｌ、水酸化カリウムの添加量は８ｇ／Ｌ〜１２ｇ／Ｌである。
この潤滑剤溶液中に前述の前処理が済んだワークを浸漬すると、この潤滑剤溶液中で表面の水酸化マグネシウム層が化学反応を起こし、カルボン酸マグネシウムからなるマグネシウムセッケン層を形成する。ワークの浸漬時間は、１分〜５分である。図３は、前記水酸化マグネシウム層１を改質して全表面にマグネシウムセッケン層３を形成したワーク（アルミ材）２の拡大断面図である。
このようにして表面にマグネシウムセッケン層を形成したワーク（中間体）を後述の連続プレス加工装置にセットして所定のプレス加工を行い（Ｓ４）、このプレス加工後に成形品を陽極酸化処理する（Ｓ５）。
この陽極酸化処理は、前処理と酸化処理と後処理との３工程から成っている。前処理は、加工品の表面に付着している潤滑剤などを除去する処理で、具体的にはアルカリ洗浄または酸洗浄である。マグネシウムは耐アルカリ性なので、アルカリ度の高い洗浄剤を使用して高温で効果的な洗浄が可能である。酸洗浄の場合は、加工品の素地を傷めないような酸度の低い洗浄剤を短時間使用すると良い。
前処理を行った加工品を、例えば水酸化ナトリウム、エチレングリコール、シュウ酸ナトリウムの混合水溶液からなり、７５℃〜８０℃に維持された電解浴に浸漬し、所定の通電を行う。次に重クロム酸ナトリウム、酸性フッ化ナトリウムの混合水溶液に所定時間浸漬して酸化処理を終了する。しかる後、加工品の水洗、湯洗、乾燥の後処理を行う。
この陽極酸化処理により加工品の表面に緻密な酸化皮膜が形成される。この酸化皮膜は内部金属の防食皮膜として機能するとともに、塗装の下地膜にもなる。従ってこの陽極酸化処理後、Ｓ６の塗装仕上げを行うことができる。
図４は本実施形態で使用する連続プレス加工装置の概略構成図である。
この連続プレス加工装置は、基台４上に下側加工ステージ５が固定され、その下側加工ステージ５にはワークの搬送方向Ｘに沿って、徐々に深くなった断面形状が凹型の固定側金型６ａ〜６ｅが複数個取り付けられている。
前記基台４の下側加工ステージ５よりも外側に４本のロッド７が立設され、支持部材８を介して上側加工ステージ９が上下動可能に支持されている。上側加工ステージ９の下面側には、前記固定側金型６ａ〜６ｅと対向するように徐々に突出寸法が長くなった断面形状が凸型の可動側金型１０ａ〜１０ｅが複数個取り付けられている。この上側加工ステージ９（可動側金型１０ａ〜１０ｅ）は、天板１１に取り付けられた油圧シリンダ１２によって間欠的に上下動される。
前記固定側金型６ａ〜６ｅならびに可動側金型１０ａ〜１０ｅにはヒータ（図示せず）がそれぞれ内蔵され、金型温度が温間塑性加工に適した２００℃〜３５０℃に温度制御されている。
前述の処理により全面にマグネシウムセッケン層３を形成した例えば前記ＡＺ３１（Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金）からなるワーク２は、帯状に繋がってロール状に巻き取られており、送り機構１３により矢印Ｘ方向に間欠的に送り出され、下側加工ステージ５上に沿って搬送される。
そして前記下側加工ステージ５（固定側金型６ａ〜６ｅ）に対する上側加工ステージ９（可動側金型１０ａ〜１０ｅ）の間欠的な上下動動作と、ワーク２の順送り動作の共働により、ワーク２が温間塑性加工により徐々に絞られて，単品として切り離され、最終的にはシュート１４から成形品１５として取り出される。
本発明の温間塑性加工方法は潤滑剤の焦げ付きなどがないため、特にこの順送り型の連続プレス加工装置に適しており、本発明の効果が確実に発揮できる。
図６、本発明の第２の実施形態に係るワークの温間塑性加工方法を説明するためのフローチャートである。
Ｓ１で加工すべきワークを洗浄し、Ｓ２でワークの全表面に水酸化マグネシウム層を形成する。この水酸化マグネシウム層の形成条件は、前記第１実施形態と同じである。
次にＳ３で、ステアリン酸ナトリウムと水酸化カリウムを溶解した潤滑剤溶液を加熱された金型に塗布し、Ｓ４でその金型でプレス加工する。このとき金型内において、プレス圧力及び金型からの熱によって潤滑剤溶液がワーク表面の水酸化マグネシウム層と反応してマグネシウムセッケン層が形成される。このマグネシウムセッケン層は、プレス加工されてワークが所定の形状に形成される過程で潤滑剤として機能する。
このプレス加工後に加工品を陽極酸化処理して表面に緻密な酸化皮膜を形成し（Ｓ５）、しかる後に塗装仕上げを行う（Ｓ６）。
前記実施形態では水酸化マグネシウム層やマグネシウムセッケン層を形成する際、ワークを溶液中に浸漬したが、溶液をワークにはけ塗りしたりスピンコートで塗布する方法も適用可能である。
本発明に係るマグネシウム材の温間塑性加工方法は、例えばスピーカーコーンやテレビフレームなどの音響機器、パーソナルコンピュータフレームなどのコンピュータ機器、携帯電話機フレームなどの通信機器、デジタルカメラなどの光学機器、ホイールやステアリングカラムなどの自動車部品、各種ケースなど様々な製品に適用可能である。

Claims (1)

1. マグネシウム又はマグネシウム合金からなる加工すべきワークを亜硝酸イオンを含むアルカリ性溶液と接触して前記ワーク表面に水酸化マグネシウム層を形成する工程と、
   前記水酸化マグネシウム層を形成したワークを脂肪族カルボン酸イオン又は芳香族カルボン酸イオンを含むアルカリ性溶液と接触して、前記ワーク表面の水酸化マグネシウム層を改質してマグネシウムセッケン層にするマグネシウムセッケン層を形成する工程と、
   そのマグネシウムセッケン層を形成したワークを所定の形状に温間塑性加工する工程と
   を含むことを特徴とするマグネシウム又はマグネシウム合金の温間塑性加工方法。

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