JP5266676B2 - 温間成形加工方法と該温間成形加工方法により製造される成形加工品 - Google Patents

Description

本願発明は、Ａｌ合金、特にＡｌ−Ｍｇ合金の温間成形加工方法と該温間成形成形加工方法により製造される成形加工品に関する。

従来、高強度のＡｌ合金の成形加工品を得ようとする場合には、成形加工品の形状を複雑にする、成形加工後に熱処理を施す、又は成形素材にＡｌ−Ｍｇ合金等の強度の高いものを使用する等の成形加工方法がある。

しかしながら、上記成形加工方法において、成形加工品の形状を複雑にして強度を高めようとすると、該成形加工品の外観が制約されるものとなる。
また、成形加工後に熱処理を施すものであっては、成形加工に使用できるＡｌ合金が限定される上、成形加工後の熱処理によって歪みが発生することがある。その結果成形加工品の歩留まりが低下し、熱処理工程の付加により成形加工品の製造コストが上昇する。さらに成形加工品に対する熱処理により得られる強度は調質の半硬程度が限界である。
そして、成形素材にＡｌ−Ｍｇ合金等の高強度のＡｌ合金を使用する場合、冷間成形加工では成形素材の展伸性が期待できず、複雑な形状や深い絞り成形を施すには限界がある。その上、成形加工中に成形加工品や金型が破損し易いものである。

そこで、成形素材にＡｌ−Ｍｇ合金等の高強度のＡｌ合金を使用した上で、成形加工中に成形素材をＯ材に至らない温間温度域で加熱する成形加工方法（特許文献１、２及び３参照）が提案されている。

ところが、例えばダイス、しわ押さえとポンチからなる絞り成形加工では、ダイスとしわ押さえにより成形素材の周縁を挟持しながら加熱するものである。その結果、Ａｌ合金の成形素材は、その大きな線膨張係数に起因して、ダイスとしわ押さえによって挟持される周縁に成形加工品の変形につながる歪みを発生させることがある。

特開平４−１５８９３７号公報 特開平７−３１０１３７号公報 特開２００６−２０５２４４号公報

本願発明は、高強度のＡｌ合金の成形素材を用いて温間成形加工を行うに当たり、強度の低下を最小限とするとともに、成形加工品の変形を防止して、高強度の成形加工品が得られるようにする。

上記課題を解決するため、第１の特徴として、互いに当接自在となりヒーターを内蔵するダイス及びしわ押さえと、ヒーターを内蔵するポンチとを具備する温間成形加工装置において、
各々、その表面をクロムメッキ、窒化処理又はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理の表面処理を施すものであって、
温間成形加工装置の互いに離隔しているダイスとしわ押さえ間において、ダイスとの間に空隙を有しながらしわ押さえ上に、あるいはしわ押さえとの間に空隙を有しながらダイス上にＡｌ−Ｍｇ合金の成形素材を載置する工程と、
該温間成形加工装置内を加熱することでＨ１４、Ｈ１６、Ｈ１８、Ｈ２４、Ｈ２６、Ｈ２８、Ｈ３４、Ｈ３６又はＨ３８に調質されている成形素材をＯ材に至らない１８０〜３５０℃の温度域まで加熱する工程と、
該成形素材をダイスとしわ押さえにより挟持する工程と、
上記ダイスとしわ押さえにより挟持された成形素材をポンチによって成形してなる工程とからなる、１つの成形加工段階からなるものであって、
上記温間成形加工装置内のしわ押さえ上あるいはダイス上に載置し、素材が加熱され始めてから成形加工品の取り出しまでの時間を２〜３０秒とし、
成形加工後の平坦部の耐力の低下が、成形加工前の１０％以内とするものである。

以上のように、線膨張係数の大きい成形素材であるＡｌ−Ｍｇ合金が加熱中に大きく膨張しても、該成形素材の膨張はダイスとしわ押さえとの間に形成される空隙で許容されるので、前記Ａｌ−Ｍｇ合金において成形加工品の歪みの発生を防止できる。

そして、成形素材であるＡｌ−Ｍｇ合金は加熱によってＯ材に至らない１８０〜３５０℃の温度域となるので、Ａｌ−Ｍｇ合金の展伸性は常温と比較して数倍にまで向上する。その結果、成形加工は容易になり、複雑な形状や深い絞り成形が可能になる。更に上記温間温度域であるので成形加工品においてはＯ材に至ることはなく、強度を十分に確保することができる。
ここで、成形素材に対する加熱は、Ａｌ−Ｍｇ合金において、より好ましくは２３０〜３５０℃の温度域とするものである。なお、本願発明はＡｌ−Ｍｇ合金についてのものであるが、該成形素材が１０００系の場合は１８０〜３００℃、３０００系の場合は２００〜３３０℃、また６０００系の場合は１８０〜３３０℃が好ましいものである。

更に、上記温間成形加工装置内のＡｌ−Ｍｇ合金に対する加熱は必要最小限となるので、過剰な加熱により発生する焼き鈍しによって成形加工品の強度が低下することを防止できる。その上、成形加工の作業時間は短くなるので成形素材の温度低下は最小限となって成形加工中での成形素材の展伸性を十分に確保できるので、複雑な形状や深い絞り成形が可能になる。
ここで、温間成形加工装置内のしわ押さえ上あるいはダイス上に載置し、素材が加熱され始めてから成形加工品の取り出しまでの時間が２秒未満であると、特に成形素材の温度分布にムラが生じ易く成形加工に際しての成形素材の全面で十分な展伸性を確保できなくなるおそれがある。一方前記時間が３０秒を超えると、成形加工品が軟化して変形するおそれがある。

ここで、成形素材への加熱は、Ａｌ−Ｍｇ合金がＯ材に至らない温度域に達すれば足りるものである。そのため温間成形加工装置内での加熱だけでなく、誘導加熱やホットプレスを利用することで予め加熱を行うことで、成形加工装置内での加熱時間を短時間とし、成形加工の作業時間を短縮させることができる。

そして、第１の特徴を踏まえて、第２の特徴として、上記成形素材におけるＭｇの含有量を３〜１０ｍａｓｓ％とするものである。

以上のように、成形素材であるＡｌ−Ｍｇ合金中のＭｇの含有量を３〜１０ｍａｓｓ％とすることで、強度を十分に確保した成形加工品を得ることができる。なお、成形素材中に含有するＭｇの含有量が３ｍａｓｓ％未満であると成形加工品の強度を十分に確保することができない。またＭｇの含有量が１０ｍａｓｓ％を超えると、成形素材中でのＭｇの偏析により鋳造割れが発生して造塊が困難となって成形素材とすることができない。

ところで、前記成形素材であるＡｌ−Ｍｇ合金に対する調質も、成形加工品の強度を十分に確保するため、加工硬化の場合ならばＨ１４、Ｈ１６又はＨ１８、加工硬化後に適度に軟化処理する場合ならばＨ２４、Ｈ２６又はＨ２８、及び加工硬化後安定化処理する場合ならばＨ３４、Ｈ３６又はＨ３８とすることが好ましい。

本願発明は、成形素材に高強度のＡｌ合金を使用して、温間成形加工による変形や強度の低下を防止するとともに、複雑な形状や深い絞り成形加工を可能にすることができるとともに、その成形加工品は変形のない高い強度を有するものとすることができる優れた効果を有する。

以下において、本願発明の実施例について説明する。
なお、この実施例は、本願発明の好ましい一実施態様を説明するためのものであって、これにより本願発明が制限されるものでない。

そこで、実施例として本願発明の温間成形加工方法に基づいて成形加工品８の製造を行った。ここで、本願発明の温間成形加工方法を実施する温間成形加工装置１は、図１で示すように、ヒーター５を内蔵するしわ押さえ３の上方にヒーター５を内蔵するダイス２を当接自在に配置するとともに、前記ダイス２としわ押さえ３とが当接して挟持する成形素材であるＡｌ−Ｍｇ合金板６に対して所定形状に成形加工するヒーター５を内蔵するポンチ４をダイス２及びしわ押さえ３の内で下方より上下方向に移動自在に配設してなるものである。ここで、前記温間成形加工装置１ではしわ押さえ３の上方にダイス２を配置するものであるが、ダイス２の上方にしわ押さえ３を配置するものであってもよい。また、ポンチ４は下方から上下方向に移動自在となるように配設されているが、逆に上方から上下方向に移動自在となるものであってもよい。更に、ダイス２及びしわ押さえ３により挟持する成形素材のＡｌ−Ｍｇ合金板６に対してポンチ４が移動自在となるが、逆にポンチ４に対してダイス２及びしわ押さえ３により挟持する成形素材のＡｌ−Ｍｇ合金板６が移動自在となるものであってもよい。

なお、前記成形加工品８の取り出しを円滑かつ確実に行えるようにするためには、温間成形加工装置１のダイス２、しわ押さえ３及びポンチ４の表面を平滑することが必要となる。そのため、該ダイス２、しわ押さえ３及びポンチ４の表面に対して、耐熱性及び潤滑性を有するクロムメッキ、窒化処理又はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理等の表面処理を施すことが好ましい。

そして、上記成形素材のＡｌ−Ｍｇ合金板６には、厚さ０．８ｍｍのＪＩＳ ５１８２−Ｈ１８（Ｍｇ：４．５ｍａｓｓ％）を使用し、高さ５０ｍｍ×幅６０ｍｍ×長さ８０ｍｍの角筒形状の絞り成形加工品８を製造した。

即ち、上記温間成形加工装置１内で、まず、互いに離隔しているダイス２としわ押さえ３間において〔図２（イ）参照〕、該ダイス２との間に空隙７を有しながら上記Ａｌ−Ｍｇ合金板６をしわ押さえ３上に載置した〔図２（ロ）参照〕。
次に、該温間成形加工装置１を構成する該ダイス２、しわ押さえ３、及びポンチ４を内蔵するヒーター５により２００〜３００℃まで加熱するとともに、該Ａｌ−Ｍｇ合金板６は２７０±２０℃の温度域まで加熱した。
その後、前記Ａｌ−Ｍｇ合金板６をダイス２としわ押さえ３により挟持した。その結果ダイス２としわ押さえ３、及び該ダイス２としわ押さえ３により挟持されるＡｌ−Ｍｇ合金板６の温度分布は均一となった。
その上で、上記ダイス２としわ押さえ３により挟持されたＡｌ−Ｍｇ合金板６に対してポンチ４を上方に移動させることで成形し〔図２（ハ）参照〕、変形のない所定形状の成形加工品８が得られた〔図２（ニ）参照〕。
なお、上記温間成形加工方法において、温間成形加工装置１内の加熱開始から成形加工品８の取り出しまでの時間は３０秒以内であった。

そこで、本願発明の温間成形加工方法により得られた上記成形加工品８に対して、ＪＩＳに規定する引張試験を行い平坦部の耐力を測定した。その結果、該成形加工品８の耐力は２５０〜３００Ｎ／ｍｍ２であって、成形加工前のＡｌ−Ｍｇ合金板６の耐力と比較しても耐力の低下は１０％以内に収めることができた。

一方、上記実施例と同形状の絞り成形加工品を、冷間成形加工により製造しようとすると、成形素材であるＡｌ合金の材料、調質は１１００−Ｈ２４或いは５０５２−Ｈ３２が限界となる。
そこで、本願発明の実施例に対する比較例として成形素材のＡｌ合金板に１０５０−Ｈ２４及び５０５２−Ｈ３２を使用して、本願発明の温間成形加工方法に基づいて上記実施例と同形状の絞り高さ５０ｍｍの成形加工品を製造した。その結果、成形加工品の耐力は、１０５０−Ｈ２４では１００Ｎ／ｍｍ２ 、５０５２−Ｈ３２では１５０Ｎ／ｍｍ２となって強度は低く、成形加工前の成形素材との耐力の比較においても著しく低下することが確認された。

従って、本願発明の温間成形加工方法により製造される成形加工品８において、成形素材に１０５０−Ｈ２４及び５０５２−Ｈ３２のＡｌ合金板を使用して温間成形加工して製造した成形加工品と同一の強度を確保できれば足りるとすると、本願発明では成形素材のＡｌ−Ｍｇ合金板６の板厚を２／３〜１／２程度まで薄くすることができる。その結果本願発明の成形加工品８は軽量化が可能になるとともに、製造コストの削減を図ることができるものとなる。

本願発明は、高強度のＡｌ−Ｍｇ合金を使用する温間成形加工において広く適用することができる。

本願発明の温間成形加工方法に供する温間成形加工装置の構成を示す模式図である。 本願発明の温間成形加工方法による成形加工品の製造工程を示した模式図である。

１ 温間成形加工装置
２ ダイス
３ しわ押さえ
４ ポンチ
５ ヒーター
６ Ａｌ−Ｍｇ合金板
７ 空隙
８ 成形加工品

Claims (3)

1. 互いに当接自在となりヒーターを内蔵するダイス及びしわ押さえと、ヒーターを内蔵するポンチとを具備する温間成形加工装置において、
   各々、その表面をクロムメッキ、窒化処理又はＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）処理の表面処理を施すものであって、
   温間成形加工装置の互いに離隔しているダイスとしわ押さえ間において、ダイスとの間に空隙を有しながらしわ押さえ上に、あるいはしわ押さえとの間に空隙を有しながらダイス上にＡｌ−Ｍｇ合金の成形素材を載置する工程と、
   該温間成形加工装置内を加熱することでＨ１４、Ｈ１６、Ｈ１８、Ｈ２４、Ｈ２６、Ｈ２８、Ｈ３４、Ｈ３６又はＨ３８に調質されている成形素材をＯ材（以下、「焼き鈍し」を意味する。）に至らない１８０〜３５０℃の温度域まで加熱する工程と、
   該成形素材をダイスとしわ押さえにより挟持する工程と、
   上記ダイスとしわ押さえにより挟持された成形素材をポンチによって成形してなる工程とからなる、１つの成形加工段階からなるものであって、
   上記温間成形加工装置内のしわ押さえ上あるいはダイス上に載置し、素材が加熱され始めてから成形加工品の取り出しまでの時間を２〜３０秒とし、
   成形加工後の平坦部の耐力の低下が、成形加工前の１０％以内とする
   ことを特徴とする温間成形加工方法。
2. 上記成形素材におけるＭｇの含有量を３〜１０ｍａｓｓ％とすることを特徴とする請求項１記載の温間成形加工方法。
3. 上記請求項１又は２記載の温間成形加工方法により製造されることを特徴とする成形加工品。

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