JP6393931B2

JP6393931B2 - マグネシウム合金の塑性加工方法

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Publication number: JP6393931B2
Application number: JP2014210582A
Authority: JP
Inventors: 加藤　慶訓; 慶訓加藤
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engineering Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Engineering Ltd
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2018-09-26
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: US10898936B2; CN106794548A; GB2545617A; KR20170049582A; US20170266707A1; GB201705851D0; GB2545617B; CN106794548B; JP2016078066A; WO2016059924A1; KR101990224B1

Description

本発明は、マグネシウム合金の塑性加工方法に係る。

高強度、優リサイクル性、資源量の多さ、電磁波シールド性、良好な被削性を有するため、マグネシウム合金が利用されている。
ところが、マグネシウム合金は、稠密六方晶系であることに起因して特に延性・加工性が悪いため、温間成形、強ひずみ加工法によって結晶粒径の微細化による室温強度や延性の向上が必要であったが、塑性加工機に加熱装置および温度整制御装置を設ける必要があり、構成が複雑になっていた。

マグネシウム合金を塑性加工する技術として、摩擦撹拌接合（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ以下「ＦＳＷ」ということがある。）による技術を展開した、合金成形体表面を摩擦攪拌することにより改質するＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＰｒｏｃｅｓｓが提案されている（以下、摩擦攪拌による改質を「ＦＳＰ」ということがある）。が知られている。特許文献１には、摩擦攪拌によるマグネシウム合金成形体やアルミニウム合金成形体の強度や加工性の向上が提案されている。

特開２００４−７４２５５号公報

しかし、難燃化するために、カルシウムを添加したマグネシウム合金は、アルミニウム−カルシウム系の金属間化合物が作られるため、難燃化することで通常のマグネシウム合金よりもさらに塑性加工性が劣化しており、塑性加工において割れなどが発生するという問題があった。
また、摩擦攪拌に伴う入熱によってマグネシウム合金にひずみが発生するといった現象が見られ、これを改善したいという要求があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成しようとするものである。
１．マグネシウム合金に対して室温での塑性加工性を向上すること。
２．マグネシウム合金の塑性加工において、改質時の温度状態を好適に制御して、ひずみの発生を防止すること。
３．マグネシウム合金の塑性加工における割れ発生を防止すること。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、軸線のまわりに回転するツールの先端部分のプローブを、マグネシウム合金の表面部に圧入し、回転するツールとの摩擦によって加熱して軟化させ、プローブが圧入された状態でツールを回転させてプローブ近傍を撹拌しつつ、マグネシウム合金の表面に平行にツールを移動させて改質する摩擦撹拌プロセスを施してマグネシウム合金を塑性加工する方法であって、
マグネシウム合金を塑性加工する領域の第１方向における長さ寸法をＡとし、
前記摩擦撹拌プロセスによる前記第１方向におけるマグネシウム合金の収縮量をαとした場合に、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域の前記第１方向における長さ寸法を、Ａ＋αとして設定し、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記第１方向における摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態に、所定の分布を有するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することにより上記課題を解決した。
本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、マグネシウム合金を塑性加工する全領域に前記摩擦撹拌プロセスが施されることが好ましい。
本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記塑性加工が曲げ加工とされ、前記第１方向における塑性加工する領域の前記長さ寸法Ａが、曲げ部に形成された外側円弧長として設定されることができる。
本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記摩擦撹拌プロセスでは、前記ツールが前記第１方向と直交する方向に所定長さ移動しその後前記第１方向に隣接する列をなすように往復移動して改質をおこなう際に、この列状改質領域が連続しつつ重ならないように前記ツールの移動状態を設定することが好ましい。
本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記塑性加工が曲げ線を形成する曲げ加工とされて、該曲げ線が前記塑性加工する領域における前記第１方向の中央位置に設定されるとともに、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記曲げ線から前記第１方向の中央外側に離間する方向に向かって、前記摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態が減少するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することがある。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、軸線のまわりに回転するツールの先端部分のプローブを、マグネシウム合金の表面部に圧入し、回転するツールとの摩擦によって加熱して軟化させ、プローブが圧入された状態でツールを回転させてプローブ近傍を撹拌しつつ、マグネシウム合金の表面に平行にツールを移動させて改質する摩擦撹拌プロセスを施してマグネシウム合金を塑性加工する方法であって、
マグネシウム合金を塑性加工する領域の第１方向における長さ寸法をＡとし、
前記摩擦撹拌プロセスによる前記第１方向におけるマグネシウム合金の収縮量をαとした場合に、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域の前記第１方向における長さ寸法を、Ａ＋αとして設定することにより、摩擦撹拌プロセスを施した領域において金属間化合物および結晶粒を微細化することで、塑性加工する領域を充分塑性加工可能として、塑性加工によってもマグネシウム合金に割れが発生しないようにすることができるとともに、摩擦撹拌プロセスを施す領域を必要最小限としてマグネシウム合金への入熱を少なくしてひずみの発生を最小に抑えることが可能となる。
なお、表面部とは、マグネシウム合金の表面からプローブが圧入可能な深さ範囲までを意味するものとされる。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、マグネシウム合金を塑性加工する全領域に前記摩擦撹拌プロセスが施されることにより、塑性加工する領域に部分的に摩擦撹拌プロセスが施されていない部分がないため、塑性加工によってもマグネシウム合金に割れが発生しないようにすることができる。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記塑性加工が曲げ加工とされ、前記第１方向における塑性加工する領域の前記長さ寸法Ａが、曲げ部に形成された外側円弧長として設定されることにより、曲げ加工に必要な最小限の領域に摩擦撹拌プロセスを施して、必要な曲げ加工を可能とするとともに、マグネシウム合金への入熱を少なくしてひずみの発生を防止することができる。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記摩擦撹拌プロセスでは、前記ツールが前記第１方向と直交する方向に所定長さ移動しその後前記第１方向に隣接する列をなすように往復移動して改質をおこなう際に、この列状改質領域が連続しつつ重ならないように前記ツールの移動状態を設定することにより、塑性加工する領域に部分的に摩擦撹拌プロセスが施されていない部分がないため、塑性加工によってもマグネシウム合金に割れが発生しないようにすることができるとともに、マグネシウム合金への入熱を少なくしてひずみの発生を防止することができる。
なお、往復移動とは、往路と復路で同じ方向でもよいし反対の方向に進むように設定することもできる。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記第１方向における摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態に、所定の分布を有するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することにより、塑性加工の必要な条件を満たしつつ、この加工領域に隣接する領域に対する摩擦撹拌プロセスでの入熱を少なくして、塑性加工を可能とするとともに、隣接する領域でのひずみの発生を防止することができる。

本発明のマグネシウム合金の塑性加工方法は、前記塑性加工が曲げ線を形成する曲げ加工とされて、該曲げ線が前記塑性加工する領域における前記第１方向の中央位置に設定されるとともに、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記曲げ線から前記第１方向の中央外側に離間する方向に向かって、前記摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態が減少するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することにより、曲げ加工に必要な摩擦撹拌プロセスとして曲げ線付近で最も入熱が多くなるように施すとともに、この部分に比べて塑性加工する領域に隣接する領域に対する入熱を低減して、曲げ加工を可能とするとともに、隣接する領域でのひずみの発生を防止することができる。

本発明によれば、マグネシウム合金において塑性加工を良好におこなうとともに、摩擦撹拌プロセスに起因するひずみの発生を防止することができるという効果を奏することが可能となる。

本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態における塑性加工を示す断面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す平面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す斜視図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す断面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す断面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第２実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す断面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第２実施形態における摩擦撹拌プロセスを示す断面図である。本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第２実施形態における摩擦撹拌プロセスの他の例を示す断面図である。

以下、本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法を示す断面図であり、図２は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法を示す平面図であり、図３は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法における摩擦撹拌プロセスを示す斜視図であり、図４，図５は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法における摩擦撹拌プロセスを示す断面図であり、図において、符号１０は、マグネシウム合金である。

本実施形態に係るマグネシウム合金の塑性加工方法において、適用可能なマグネシウム合金素材としては、その化学成分組成に限定されるものではなく、様々な種類のものを適用できる。適用可能なマグネシウム合金素材の例を示すと、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＣａからなる群より選択される１種又は２種以上の元素を含み、残部Ｍｇ及び不可避不純物からなる組成を有するマグネシウム合金素材が挙げられる。適用可能なマグネシウム合金の例としては、ＡＳＴＭＡＺ９１６９、ＡＺ３１、ＡＺ９１、ＡＺ９２が挙げられる。さらに、ＪＩＳＨ５２０３、Ｈ５３０３に挙げられるマグネシウム合金鋳物、マグネシウム合金ダイカストへの適用もできる。

本実施形態に係るマグネシウム合金の塑性加工方法においては、図１に示すように、適応する加工が曲げ加工とされ、マグネシウム合金素材の形状についても限定されるものではないが、例えば板状として説明する。これ以外にも、マグネシウム合金素材の形状は、棒状又は管状であっても良いが、曲げ角度の設定が可能であればこれら以外の形状であっても良い。また、マグネシウム合金素材の肉厚ｔについても限定されるものではないが、素材の肉厚の望ましい上限値は３０ｍｍ、（特に望ましくは１０ｍｍ）であり、望ましい下限値は１ｍｍ（特に望ましくは３ｍｍ）とすることができる。

本実施形態に係るマグネシウム合金の塑性加工方法は、図１に示すように、例えば板体とされるマグネシウム合金１０を、パンチ２１とダイ２２とからなるダイセットで押しつけるＶ曲げ加工とされる。

パンチ２１は、図１に示すように、曲げ線１１となるＹ方向に延在する先端部２１ａを有し、ダイ２２は、パンチ２１に対応してＹ方向に延在するように形成された溝部２２ａを有し、これらの間にマグネシウム合金１０を挟んで押しつけ曲げ部１２を形成する。
曲げ線１１となるＹ方向と直交するＸ方向（第１方向）において、パンチ２１の先端部２１ａは曲率半径Ｒ１を有し、これに対応して、ダイ２２の溝部２２ａは曲率半径Ｒ２を有する。溝部２２ａのＸ方向における開口幅寸法がＢとして設定される。
曲げ加工されたマグネシウム合金１０の曲げ部１２も、曲率半径Ｒ２とほぼ同等の曲率半径を有する曲面を形成するように加工される。マグネシウム合金１０の曲げ部１２は、その外側表面のＸ方向長さ、つまり、円弧状の長さ寸法がＡとなるように設定されている。

本実施形態に係るマグネシウム合金の塑性加工方法においては、図２に示すように、曲げ加工する前のマグネシウム合金１０において、加工予定領域１３が設定される。
加工予定領域１３は、曲げ加工によって図１に示した曲げ部１２に対応する領域とされる。加工予定領域１３におけるＸ方向（第１方向）の中心には曲げ線１１が位置するとともに、Ｘ方向の両側に所定幅を有するように設定される。この加工予定領域１３は、塑性加工（曲げ加工）がおこなわれる領域であり、曲げ加工工程の前に、摩擦撹拌プロセスによる改質工程がおこなわれる摩擦撹拌領域１３とされる。

摩擦撹拌領域１３は、摩擦撹拌プロセスが施される領域とされる。
摩擦撹拌プロセスは、図３に示すように、平板状のマグネシウム合金１０の法線と略一致する軸線Ｚのまわりに回転するツール３０の先端部分のプローブ３１によって施される。
プローブ３１をマグネシウム合金１０の表面部に圧入し、回転するツール３０との摩擦によって加熱して軟化させ、プローブ３１が圧入された状態でツール３０を回転させてプローブ３１近傍を撹拌しつつ、マグネシウム合金１０の表面に平行にツール３０を移動させて改質する。

ツール３０は、軸線Ｚを中心に回転可能な円柱状とされるショルダー３２と、ショルダー３２の先端側に設けられた回転可能なピン状のプローブ３１とを有している。ショルダー３２の少なくとも先端部の径はプローブ３１の径より大きく設定されている。本実施形態においては、ショルダー３２は図示しない駆動手段によりが軸線Ｚを中心に回転可能とされる。ショルダー３２の端面の回転中心部に、プローブ３１がショルダー３２の軸線Ｚに対して同軸状に突設されている。ショルダー３２とプローブ３１とは一体に軸線Ｚ周りに回転可能なものとなされている。

ツール３０はマグネシウム合金１０より高融点および高硬度の材質からなり、例えば工具鋼、超硬、セラミックス等により形成されることができる。
本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、ツール３０のショルダー３２径寸法、プローブ３１径寸法およびＺ方向長さ寸法、その他形態要素は、改質しようとするマグネシウム合金１０の種類・性質、および、ツール３０の回転数およびＹ方向移動速度などの稼動条件を勘案して適宜選択される。特に、本実施形態のプローブ３１は、図４に示すように、Ｘ方向に径寸法３１ａを有する。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、図３に示すように、ツール３０の先端部分のプローブ３１を、マグネシウム合金１０の表面に圧入し、回転するツール３０のショルダー３２との摩擦によって合金成形体１０を加熱して軟化させ、プローブ３１が圧入された状態でツール３０を引き続き回転させてプローブ３１近傍のマグネシウム合金１０を撹拌しつつ、マグネシウム合金１０の表面と平行であるＹ方向にツール３０を移動させる。ツール３０が移動するとマグネシウム合金１０がＹ方向に連続して次々と攪拌され、ツール３０がＹ方向に移動した後には、ショルダー３２の接触によるほぼ円形に近い極浅い窪みを生じ、それらが次々に断続的にずれて重なるため並んだ弧状の瘢痕が残る。この図においてはツール３０の軌跡及び瘢痕を模式的に記載するものであり、摩擦攪拌プロセスに際して移動したツール３０の軸の軌跡も模式的に示している。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、図３に示すように、ツール３０は時計回りに回転し、マグネシウム合金１０の表面に平行に矢印Ｙ方向に移動している。
本実施形態では先にＹ方向とされる一方向にツール３０を移動して列状改質領域１３ａを形成するように摩擦撹拌した後、図２に示すように、一旦ツール３０を引き上げてプローブ３１の径寸法と等しい長さだけＸ方向に移動させて、既施の列状改質領域１３ａに隙間無く隣接する列状改質領域１３ｂにプローブ３１を圧入して、Ｙ方向とされる一方向で、列状改質領域１３ａのときとは逆方向に、マグネシウム合金１０の表面に平行にツールを移動させる。

列状改質領域１３ｂの処理を完了後に続いて、同様にして一旦ツール３０を引き上げてプローブ３１の径寸法３１ａと等しい長さだけＹ方向に移動させ、図２に示すように、既施の列状改質領域１３ｂに隙間無く隣接する列状改質領域１３ｃを摩擦撹拌する。同様にして、隣接する列状改質領域１３ｄおよび列状改質領域１３ｅを摩擦撹拌する。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、図２に示すように、列状改質領域１３ａ〜１３ｅがいずれも重ならないように隣接して位置設定される。図において、摩擦撹拌領域１３は、５本の列状改質領域１３ａ〜１３ｅとしたが、プローブ３１の径寸法３１ａ等、一回の摩擦撹拌プロセスによって改質できる列状改質領域１３ａ〜１３ｅの幅寸法によって、適時、その本数を設定することが可能である。

具体的には、図５に示すように、図で左側に示したツール３０が先におこなった摩擦撹拌プロセスにおけるＸ方向位置を示すものであり、次に隣接する列状改質領域を処理するツール３０は、図でハッチングを付けて右側に示した位置になるように、Ｘ方向において、先の処理でのプローブ３１位置に対して隣接するように、後処理でのプローブ３１が位置される。図におけるプローブ３１位置が隣り合う列状改質領域１３ａ〜１３ｅのＸ方向位置に対応している。

同時に、本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、すべての摩擦撹拌領域１３、すなわち、すべての加工予定領域１３を網羅するようにツール３０の移動軌跡が設定される。具体的には、図５に示すように、加工予定領域１３のＸ方向の両境界部分にそれぞれプローブ３１の外側が位置するように設定することができる。つまり、すべての摩擦撹拌領域１３が、複数の列状改質領域１３ａ〜１３ｅによって覆われた状態となるように設定される。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、摩擦撹拌プロセスを施す摩擦撹拌領域１３のＸ方向における幅寸法は、図１に示す曲げ部１２の外側円弧の長さ寸法Ａと、摩擦撹拌プロセスによって、マグネシウム合金１０がＸ方向に収縮する収縮量αとの和Ａ＋αとなるように設定されている。

ここで、αは、摩擦撹拌プロセスにおけるプロセス条件、マグネシウム合金１０組成等によって変化するが、概ね０．１〜０．９ｍｍの範囲、好ましくは、０．３〜０．７ｍｍの範囲、より好ましくは、０．４〜０．６ｍｍの範囲として０．５ｍｍ程度になるように設定される。

つまり、摩擦撹拌領域１３のＸ方向における幅寸法は、マグネシウム合金１０の厚さ寸法ｔ、パンチ２１先端の曲率半径Ｒ１、曲げ角度θに対して、
α＋２π（Ｒ１＋ｔ）×θ／３６０
とすることができる。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、プローブ３０でマグネシウム合金１０の表面が塑性変形自在となる温度まで加熱されると共に攪拌され、マグネシウム合金１０が冷却後に摩擦攪拌領域１３の結晶粒が微細化されるとともに、金属間化合物が微細化されて、改質部１５が形成される。

摩擦攪拌による改質領域１５のＸ方向における幅寸法は、ツール３０のショルダー３２径寸法、プローブ３１径寸法およびＺ方向長さ寸法、マグネシウム合金１０の材質、ツール３０の回転数およびＹ方向移動速度などの摩擦攪拌条件に左右される。特に、ショルダー３２の径寸法と比較してプローブ３１の径寸法３１ａが大きければ、改質領域１５はショルダー３２の下部深くまでショルダー３２径寸法に近い幅寸法となり、ショルダー３２径寸法と比較してプローブ径３１ａが小さければ改質領域１５の幅寸法は狭くなる。またプローブ３１長さ寸法が短ければ、マグネシウム合金１０の深部における改質領域１５の幅寸法は狭くなる。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、ツール３０の回転数を５００〜１５００ｒｐｍの範囲、より好ましくは、８００〜１０００ｒｐｍの範囲に設定することができ、これにより、マグネシウム合金１０の加工性を確実に向上させることができる。
また、本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、ツール３０のマグネシウム合金１０に対するＹ方向への相対的な移動速度を１００〜８００ｍｍ／ｍｉｎの範囲、より好ましくは、２００〜５００ｍｍ／ｍｉｎの範囲とすることができ、これによりマグネシウム合金１０の加工性を確実に向上させることができる。
また、摩擦撹拌領域１３では、その結晶粒の平均粒径が常温値で２０μｍ〜０．０１μｍの範囲、より好ましくは、３μｍ〜０．１μｍの範囲に形成されることができ、これによりマグネシウム合金１０の加工性を確実に向上させることができる。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、ツール３０の回転数およびＹ方向移動速度などの摩擦攪拌条件を設定することで、摩擦撹拌領域１３内部において、改質状態に分布を形成する。

摩擦撹拌プロセスにおいては、ツール３０の回転数およびＹ方向移動速度などの摩擦攪拌条件を設定することで、マグネシウム合金１０への入熱を制御することができる。具体的には、同じ移動速度において、ツール３０の回転数を速く（大きく）すれば、マグネシウム合金１０への入熱は多くなり、ツール３０の回転数を小さくすれば、マグネシウム合金１０への入熱は少なくなる。また、同じ回転数として、ツール３０のＹ方向への移動速度を速くすることで、マグネシウム合金１０への入熱は少なくなり、ツール３０のＹ方向への移動速度を遅くすることで、マグネシウム合金１０への入熱は多くなる。

本実施形態の摩擦撹拌プロセスにおいては、摩擦撹拌領域１３において、最も曲げ加工での塑性変形がおこなわれて欲しい部分において、マグネシウム合金１０への入熱を多くして、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化をより進めた改質状態とする。また、摩擦撹拌領域１３の周辺部分など、改質をおこなわない領域に隣接する部分では、マグネシウム合金１０への入熱を少なくして、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化があまり進んでいない改質状態とする。

具体的には、摩擦撹拌領域１３において、図２に示すように、曲げ線１１が位置する摩擦撹拌領域１３におけるＸ方向の中心に位置する列状領域１３ｃでは、ツール３０の回転数を速く（大きく）するか、ツール３０のＹ方向への移動速度を遅くなるように設定して、マグネシウム合金１０への入熱を多くして、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化をより進めた改質状態とする。

列状改質領域１３ｃのＸ方向両側に隣接して位置する列状改質領域１３ｂおよび列状改質領域１３ｄでは、列状改質領域１３ｃにおける摩擦攪拌条件に比べて抑制した条件、つまりツール３０の回転数をより小さくするか、ツール３０のＹ方向への移動速度をより速くする条件として設定し、列状改質領域１３ｃでのマグネシウム合金１０への入熱に比べて、マグネシウム合金１０への入熱を低減して、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化が比較的進んでいない改質状態とする。

さらに、列状改質領域１３ｂおよび列状改質領域１３ｄに対して、Ｘ方向両外側に隣接して曲げ線１１からより離間する位置として配置される列状改質領域１３ａおよび列状改質領域１３ｅでは、列状改質領域１３ｂおよび列状改質領域１３ｄでの摩擦攪拌条件に比べて抑制した条件、つまりツール３０の回転数をより小さくするか、ツール３０のＹ方向への移動速度をより速くする条件として設定し、列状改質領域１３ｂおよび列状改質領域１３ｄでのマグネシウム合金１０への入熱に比べて、マグネシウム合金１０への入熱をより一層低減して、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化を抑制した改質状態とする。

摩擦撹拌領域１３内部において形成する改質状態の分布は、上述した条件に限るものではなく、例えば、ツール３０からの入熱が逃げやすい摩擦撹拌領域１３の周縁位置において、マグネシウム合金１０への入熱をより一層増大して、マグネシウム合金１０における結晶粒および金属間化合物の微細化を、摩擦撹拌領域１３全体で均一化した形質状態とすることも可能である。

また、摩擦撹拌領域１３内部において形成する改質状態の分布の他の例としては、列状改質領域１３ｃでは上述した条件と同様の条件として摩擦攪拌するが、列状改質領域１３ｂおよび列状改質領域１３ｄおよび列状改質領域１３ａおよび列状改質領域１３ｅでは、冷却しながら摩擦攪拌して、マグネシウム合金１０への入熱を低減することができる。この場合、列状改質領域１３ｂ，１３ｄ，１３ａ，１３ｅでは、摩擦攪拌しながら、マグネシウム合金１０に冷風、冷水をかけることで、冷却し、入熱を制御することができる。
または、列状改質領域１３ｂ，１３ｄ，１３ａ，１３ｅでは、列状改質領域１３ｃに比べて、入熱の低い同一の摩擦攪拌条件とされることができ、これにより、中心の列状改質領域１３ｃが改質状態が高く、それ以外の列状改質領域１３ｂ，１３ｄ，１３ａ，１３ｅは均一に改質状態を低くすることができる。

本実施形態のマグネシウム合金の塑性加工方法は、摩擦撹拌プロセスを施した摩擦撹拌領域１３において金属間化合物および結晶粒を微細化することで、塑性加工する加工予定領域１３を充分塑性加工可能として、曲げ加工によってもマグネシウム合金１０に割れが発生しないなど、加工性を向上することができるとともに、摩擦撹拌領域１３の大きさを必要最小限とし、かつ、摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金１０への入熱を必要最小限となるように設定することで、マグネシウム合金１０におけるひずみの発生を充分抑制ことが可能となる。

本実施形態のマグネシウム合金の塑性加工方法においては、摩擦撹拌プロセスを施した摩擦撹拌領域１３において、摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金１０への入熱を所定の分布を有するように設定することで、塑性加工する加工予定領域１３を充分塑性加工可能として、曲げ加工によってもマグネシウム合金１０に割れが発生しないなど、加工性を向上することができるとともに、マグネシウム合金１０における金属間化合物および結晶粒を微細化する改質状態に分布を有するように設定することが可能となる。

以下、本発明に係るマグネシウム合金の塑性加工方法の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
図６は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法の摩擦撹拌プロセスを示す断面図、図７は、本実施形態におけるマグネシウム合金の塑性加工方法の摩擦撹拌プロセスを示す断面図である。
本実施形態において上述した第１実施形態と異なるのはプローブ３５に関する点であり、これ以外の対応する構成要素に関しては、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態においては、図６に示すように、ツール３０において、プローブ３５が偏心した位置に設けられている。
プローブ３５は、ツール３０の回転にともなって、径寸法３５ａとなる円柱状の部分を回転することになる。これにより、図８に示したように、径寸法３６ａが大きく設定されたプローブ３６を有するツール３０と同様に、摩擦撹拌プロセスにおける列状改質領域１３ａ〜１３ｅの幅寸法を、図２に示した３１ａと比べて大きな寸法３５ａとして設定することができる。

さらに、プローブ３５が偏心した位置に設けられていることにより、同一回転数、同一移動速度とした第１実施形態のプローブ３１に比べて、改質状態を進めることが可能となる。さらに、プローブ３５が偏心した位置に設けられていることにより、プローブの周速が大きくなり、塑性流動が大きくなる。また、入熱も大きくなる。これにより、結晶粒や金属間化合物が微細化されてマグネシウム合金の加工性を向上させることができる。

本実施形態においては、図７に示すように、図で左側に示したツール３０が先におこなった摩擦撹拌プロセスにおけるＸ方向位置を示すものであり、次に隣接する列状改質領域を処理するツール３０は、図でハッチングを付けて右側に示した位置になるように、Ｘ方向において、先の処理でのプローブ３５位置に対して隣接するように、後処理でのプローブ３５が位置される。このとき、Ｘ方向の幅寸法を３５ａとして、列状改質領域１３ａ〜１３ｅに対応する列の数を削減して、摩擦撹拌プロセスの回数を少なくし、処理時間の合計を削減することが可能となる。

なお、上記の実施形態において、摩擦撹拌領域１３の幅寸法をＡ＋αとして改質領域が最小となるように設定したが、図４，図６に示すように、ダイ２２の開口幅寸法Ｂに対して、Ｂ＋αとすること、または、ツール３０において、図４，図６に示すように、ショルダー３１の内側どうしの距離ＣがＡ＋αと等しくなるように、ツール３０の移動軌跡を設定して、加工性をより一層寄り向上させることも可能である。

また、上記の実施形態において、曲げ部１２の外側表面長さＡに対して、摩擦撹拌領域１３の幅寸法Ａ＋αとして設定したが、曲げ部１２の外側表面長さＡに変えて、マグネシウム合金１０の厚さｔの中間位置における曲げ部１２の長さＡ’を用いて、摩擦撹拌領域１３の幅寸法Ａ’＋αとして設定することもできる。

１０…マグネシウム合金
１１…曲げ線
１２…曲げ部
１３…摩擦撹拌領域（加工予定領域）
１３ａ〜１３ｅ…列状改質領域
２１…パンチ
２２…ダイ
３０…ツール
３１，３５，３６…プローブ
３１ａ，３５ａ，３６ａ…径寸法（幅寸法）
３２…ショルダー
Ａ…外側表面長さＡ
α…収縮量

Claims

軸線のまわりに回転するツールの先端部分のプローブを、マグネシウム合金の表面部に圧入し、回転するツールとの摩擦によって加熱して軟化させ、プローブが圧入された状態でツールを回転させてプローブ近傍を撹拌しつつ、マグネシウム合金の表面に平行にツールを移動させて改質する摩擦撹拌プロセスを施してマグネシウム合金を塑性加工する方法であって、
マグネシウム合金を塑性加工する領域の第１方向における長さ寸法をＡとし、
前記摩擦撹拌プロセスによる前記第１方向におけるマグネシウム合金の収縮量をαとした場合に、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域の前記第１方向における長さ寸法を、Ａ＋αとして設定し、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記第１方向における摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態に、所定の分布を有するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することを特徴とするマグネシウム合金の塑性加工方法。
マグネシウム合金を塑性加工する全領域に前記摩擦撹拌プロセスが施されることを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金の塑性加工方法。
前記塑性加工が曲げ加工とされ、前記第１方向における塑性加工する領域の前記長さ寸法Ａが、曲げ部に形成された外側円弧長として設定されることを特徴とする請求項１または２記載のマグネシウム合金の塑性加工方法。
前記摩擦撹拌プロセスでは、前記ツールが前記第１方向と直交する方向に所定長さ移動しその後前記第１方向に隣接する列をなすように往復移動して改質をおこなう際に、この列状改質領域が連続しつつ重ならないように前記ツールの移動状態を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか記載のマグネシウム合金の塑性加工方法。
前記塑性加工が曲げ線を形成する曲げ加工とされて、該曲げ線が前記塑性加工する領域における前記第１方向の中央位置に設定されるとともに、
前記摩擦撹拌プロセスを施す領域において、前記曲げ線から前記第１方向の中央外側に離間する方向に向かって、前記摩擦撹拌プロセスによるマグネシウム合金の入熱状態が減少するように摩擦撹拌プロセス条件を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマグネシウム合金の塑性加工方法。