マグネシウム合金部材の成形方法およびその成形用金型
【課題】潤滑剤やテフロンシート等のシート状部材を用いなくても金型との溶着を起こすことなく、簡易にしかも低コストで成形品を製造でき、耐久性に優れたマグネシウム合金部材の成形方法および成形用金型を提供する。
【解決手段】金型を用いてマグネシウム合金部材を成形する際に、金型におけるマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、その研磨後の金型におけるダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行う。
【解決手段】金型を用いてマグネシウム合金部材を成形する際に、金型におけるマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、その研磨後の金型におけるダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り、曲げ成形等のプレス加工によるマグネシウム合金部材の成形方法およびその成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は比強度が高く軽くて丈夫なことから、近年、自動車等の輸送機器やパーソナルコンピュータ等のモバイル電子機器に採用され、需要の伸びが期待されている。しかしながら、マグネシウム合金はアルミニウム合金に比べて加工性が低いという課題があり、その課題のため、原材料価格の高騰も相まってマグネシウム合金部材の成形品は製造コストが高くなっている。マグネシウム合金の加工性が低いことの原因に室温での展延性の低さがあり、そのため、マグネシウム合金部材のプレス加工は一般に１８０℃以上の温間から熱間域で行われている。
【特許文献１】特開昭６３−２０３２２２号公報
【特許文献２】特開２００３−１５４４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マグネシウムが他の材料と凝着しやすい性質を有していることから、マグネシウム合金部材のプレス加工を潤滑油等の潤滑剤を用いずに行うと、マグネシウム合金部材がたちまち金型に溶着してしまい、動作不良を引き起こす。これを避けるべく潤滑油等の潤滑剤を用いると、金型やマグネシウム合金部材が高温になっているためオイルミストが発生し、作業環境が悪化してしまう。
【０００４】
また、潤滑剤がマグネシウム合金部材や金型の表面に焼き付いてしまうため、成形品の表面性状が悪くなり、しかも成形後に成形品を洗浄する必要が生じ、洗浄しても付着物の除去は極めて困難であり、これらが成形品の製造工程を煩雑にし、成形品の製造コストを高くする要因になっていた。
【０００５】
こうしたことから、マグネシウム合金部材について、プレス加工による成形（プレス成形）を行う場合は、テフロンシート（テフロンは登録商標）等のシート状部材を用いて、マグネシウム合金部材と金型との溶着を防止している。
【０００６】
しかしながら、この成形方法には、テフロンシートの価格が高いため製造コストが高くなるという課題がある。また、シート状部材を用いると、絞り加工の際に１回のプレス加工で絞り込める深さに制限が出てしまい、しかも絞りを繰り返し行えなくなるため、多段で再絞りの必要な成形品を製造するときは、シート状部材を用いることができないといった課題もある。
【０００７】
一方、金属材料と金型との溶着を防止し、耐摩耗性を高めるため、金型にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＣｒＮ等のセラミックスコーティングが施されることがある。この点に関し、例えば特許文献１には、ケイ素、チタン、タングステンおよびIII族元素の中から選ばれる元素の酸化物、窒化物若しくは炭化物若しくはこれらの混合物、または硬質炭素のセラミックスでコーティングされたプレス成形金型が開示されている。
【０００８】
また、マグネシウム合金部材の成形に関しては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、アルミナおよびＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）から選ばれる１または２種類以上の超硬質膜を金型に形成するという技術がある（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
鉄やアルミニウム合金からなる部材は冷間（室温）で成形できるため、特許文献１に開示されているプレス成形金型を用いることによって、金型との溶着を防止することができる。しかしながら、セラミックスコーティングは剥離しやすいため、マグネシウム合金部材の場合は潤滑剤を併用してプレス加工を行わざるを得ず、したがって、セラミックスコーティングを施した金型はマグネシウム合金部材のプレス成形には適していない。
【００１０】
また、特許文献２記載の技術では、マグネシウム合金について、セラミックスのコーティングを施した金型を用いているが、前述のとおり、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）以外のコーティングを施しても、潤滑剤無しでは金型との溶着を防止することはできない。
【００１１】
ＤＬＣはマグネシウム合金に溶着し難いため、ＤＬＣのコーティングを施せば、潤滑剤無しでもマグネシウム合金部材との溶着を防止することは可能である。
【００１２】
しかしながら、ＤＬＣ自体がアモルファスであるため、熱に弱く、剥離しやすいため、ＤＬＣのコーティングを施した金型を用いてプレス加工を繰り返すと、被膜が剥離してしまうおそれがあり、したがって、この金型を用いた成形方法には、耐久性に乏しいという課題がある。
【００１３】
さらに、特許文献１には、金型にダイヤモンドをコーティングすることが開示されている。しかし、ダイヤモンドを成膜したままでは摩擦係数が高いため、ダイヤモンドをコーティングしただけの金型では、マグネシウム合金部材のプレス成形が困難である。しかも、プレス加工を繰り返すうちにダイヤモンドの被膜の凹部にマグネシウムの微粒子がたまって凝着してしまため、潤滑性の低下を招いてしまう。したがって、このような金型はマグネシウム合金部材のプレス成形には適さない。
【００１４】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を用いなくても金型との溶着を起こすことなく、簡易にしかも低コストで成形品を製造でき、かつ耐久性に優れたマグネシウム合金部材の成形方法および成形用金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、金型を用いてマグネシウム合金部材を成形するマグネシウム合金部材の成形方法であって、金型におけるマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、その研磨後の金型におけるダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行うマグネシウム合金部材の成形方法を特徴とする。
【００１６】
この成形方法では、金型にダイヤモンド膜をコーティングした上で、そのダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨しているため、ダイヤモンド膜の表面の凹凸の大きさが小さくなっている。そのため、ダイヤモンド膜の摩擦係数が低下して潤滑性が高まり、また、ダイヤモンド膜の凹部に入り込むマグネシウム合金の微粒子が少なくなるため、マグネシウム合金との溶着を起こし難い。そのため、ダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにすることでダイヤモンド膜の潤滑性を発揮でき、潤滑剤やテフロンシート等のシート状部材がなくても、プレス加工が行える。
【００１７】
また、上記成形方法では、ダイヤモンド膜の表面を研磨するときに、最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨することが好ましい。
【００１８】
この範囲までダイヤモンド膜の表面を研磨すると、展延性の低いマグネシウム合金部材を用いても成形品を製造可能な程度にまで摩擦係数が低下する。
【００１９】
さらに、上記成形方法は、金型に水蒸気または水を供給しながらプレス加工を行うことが好ましい。
【００２０】
こうすることにより、ダイヤモンド膜を構成する炭素が水素終端になるための水素が供給される。
【００２１】
さらにまた、上記成形方法は、温度範囲が１８０℃から３１０℃の範囲に設定された温間から熱間域でプレス加工を行うことが好ましい。この温度範囲では、マグネシウム合金部材の展延性が高まり、成形が容易になる。
【００２２】
そして、本発明はマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜がコーティングされ、かつそのダイヤモンド膜の表面の最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になっているマグネシウム合金部材の成形用金型を提供する。
【００２３】
この成形用金型は、最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、本発明によれば、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を用いなくても金型との溶着を起こすことなく、簡易にしかも低コストで成形品を製造でき、かつ耐久性に優れたマグネシウム合金部材の成形方法および成形用金型が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２６】
現在までに開発されているマグネシウム合金は室温での展延性が低いという本質的かつ不可避的な特性を有している。したがって、マグネシウム合金部材のプレス成形を行うときは１８０℃から３１０℃程度の温間から熱間域でプレス加工を行わざるを得ないと考えられる。また、プレス加工の際に潤滑剤やテフロンシート等のシート状部材を用いると、製造工程が煩雑になったり、成形品の製造コストが高くなるため、本発明者はこれらを用いずにしかも前述の温度領域で行える成形方法について検討を重ねた。その結果、本発明者はマグネシウム合金部材に対する溶着性が低く、かつ耐熱性および耐摩耗性を備え、しかも耐久性に優れた被膜を金型に形成し、その金型を用いてプレス加工を行うことにより、これらの課題が解決できることを見出した。
【００２７】
炭素はマグネシウムとの間で安定炭化物を生成しないので、炭素材料を含む被膜を形成することによってマグネシウム合金部材の金型への溶着を防止することができる。そのような被膜として、ＤＬＣとダイヤモンドとがあるが、ＤＬＣはアモルファスであるため、耐熱特性が良くないし耐久性も芳しくない。これに対し、ダイヤモンドは真空中では１２００℃まで安定であり、大気中でも６００℃を超えてもまだ安定である。また、マグネシウムとの摩擦特性や溶着性もＤＬＣよりは優れている。
【００２８】
このようなことから、本発明者はダイヤモンドからなる被膜（ダイヤモンド膜）を形成した金型を用意し、その金型を用いることにより、潤滑剤やテフロンシートを用いることなくプレス加工が行えるマグネシウム合金部材の成形方法を発明した。なお、本実施の形態では、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないプレス成形を「ドライプレス」という。ドライプレスに用いたプレス加工装置１０は後述するとおりである。また、プレス加工とは、機械により、金型等の工具を用いて金属部材を変形加工することを意味し、剪断、絞り、曲げ、張出し、鍛造、押出し、圧印といった塑性加工全般を意味するものとしている。
【００２９】
なお、詳しくは後述するが、本発明者はプレス加工装置１０を用いて、比較的展延性の高いＡＺ３１からなる板状のマグネシウム合金部材と、ＡＭＣａ６０２からなる板状のマグネシウム合金部材とについてドライプレスを行った。
【００３０】
そして、プレス加工装置１０は図１に示すように、成形用金型としてのダイス１およびブランクホルダ２と、パンチ３およびヒータ４とを有している。プレス加工装置１０はダイス１と、ブランクホルダ２との間に、円形状のマグネシウム合金板１１をダイス１とブランクホルダ２とに直に接するようにして挟みこみ、その片側から図示しない油圧装置でパンチ３をマグネシウム合金板１１に押し付けるプレス加工を行って、マグネシウム合金板１１を所望の成形品に加工することができる。
【００３１】
また、プレス加工装置１０はプレス加工を行う際に、ヒータ４で加熱して、ダイス１やブランクホルダ２と、マグネシウム合金板１１の温度を所望の温度にまで高めて温間から熱間域でプレス加工を行える。ドライプレスを行うときは、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないので、ダイス１やブランクホルダ２がマグネシウム合金板１１と直に接している。
【００３２】
ダイス１とブランクホルダ２とは、その表面の一部分にダイヤモンド膜５が形成されている（図１におけるドットを付した部分にダイヤモンド膜５が形成されている）。ダイヤモンド膜５は通常のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法でダイヤモンドをコーティングし、さらに最大表面粗さ（本実施の形態では、Ｒｚ−ｍａｘともいい、詳しくは後述する）が０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨して形成されている。
【００３３】
ダイヤモンドは通常のＣＶＤ法でコーティングした場合、一般に結晶粒が成長しやすいため、金型にコーティングしたままのダイヤモンド膜１５の表面は図２に示すような大きな凹凸を有している。この金型はダイヤモンド膜１５の最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが約２．０μｍに達することがあるため、摩擦係数が高すぎてマグネシウム合金部材の成形に適した潤滑性が発揮されず、したがってマグネシウム合金板１１のような展延性の低い部材のプレス成形には適さない。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、ダイヤモンド膜１５の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨してダイヤモンド膜５を形成している。
【００３５】
最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍを超えると、プレス加工中におけるダイヤモンド膜の表面とマグネシウム合金板１１との摩擦によってマグネシウム合金の微粒子ができやすくなるため、その微粒子が凹部に入り込みやすく、したがって、プレス加工を繰り返すたびに凹部に入り込む微粒子が増えるため、金型とマグネシウム合金板１１との溶着が起こりやすくなる。そうすると、その金型を用いたプレス加工を行える回数が減少するため、耐久性が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下になるまでダイヤモンド膜１５の表面を研磨して、ダイヤモンド膜５を形成している。
【００３６】
さらに、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下でも、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以上では、ダイヤモンド膜５の表面の摩擦抵抗は比較的高い。そのため、マグネシウム合金板１１が比較的展延性の低いマグネシウム合金（例えば後述するＡＭＣａ６０２）からなるときは、絞り比の高いプレス加工を行うことが困難になる。そのため、マグネシウム合金部材の中でも展延性の低いマグネシウム合金部材のプレス成形を行うときは、ダイヤモンド膜５の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以下になるまで研磨しておくことが好ましい。
【００３７】
ただし、ダイヤモンド膜の研磨はダイヤモンド弾性砥石やダイヤモンドペーパ等を用いた手作業を主体として行われる。そのため、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以下になるまでダイヤモンド膜を研磨することはそれ自体が極めて困難であり、ここまで研磨することは、成形品の製造工程を煩雑にするだけで現実的ではない。
【００３８】
したがって、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまでダイヤモンド膜１５の表面を研磨してダイヤモンド膜５を形成している。
【００３９】
ここで、本実施の形態における最大表面粗さＲｚ−ｍａｘとは、図２，３に示すように、複数の凹部または凸部Ｐ１〜Ｐ１０のうち、最も突出した凸部Ｐ５と、最も凹んだ凹部Ｐ４との高さの差ｈ１、ｈ２（ｈ１は研磨前、ｈ２は研磨後で、ｈ１＞ｈ２）を用いて評価される表面粗さである。すなわち、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍであるとは、ｈ１またはｈ２が１．０μｍであることを意味している。表面粗さとして、複数の凹部または凸部Ｐ１〜Ｐ１０の高さの差の平均をとって評価する手法もあるが、そうすると、高さの差が大きいがために摩擦抵抗に対してより大きな影響を及ぼす箇所に即した評価ができなくなるため、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを採用している。
【００４０】
一方、プレス加工装置１０では、プレス加工に用いる金型のうち、マグネシウム合金部材と接する部分の主たる構成はダイス１、ブランクホルダ２およびパンチ３に分けられる。そのうち、ダイス１についてはダイヤモンド膜５が必須であるが、ブランク抑え力が必要なブランクホルダ２は図１ではダイヤモンド膜５が形成されているものの、ある程度の潤滑性と高温耐久性があればダイヤモンド膜５を要しない。パンチ３は摩擦保持力が必要なため、ダイヤモンド膜５を必要としない。
【００４１】
このようなことから、ダイス１は、図１に示すように、プレス加工開始時点でマグネシウム合金板１１と接する部分およびその周囲にダイヤモンド膜５が形成され、ブランクホルダ２は、プレス加工開始時点でマグネシウム合金板１１と接する部分にダイヤモンド膜５が形成されている。
【００４２】
ところで、ダイヤモンドが他の物質に対して低い摩擦係数を発現する理由として、その表面が水素で終端されていることが挙げられる。ダイヤモンドが摺動すると、終端されている水素が摩耗で除去されてしまい、ダングリングボンドが発生して空気中の酸素等と化合するなどして著しく摩耗するという現象が起きる。ダイヤモンド膜５はそのような状態でも安定炭化物を生成しないマグネシウムのような材料との間では凝着が起こり難く、低摩擦係数が維持される。
【００４３】
ところが、ダイス１の表面に高い面圧がかかる絞り加工では、相手材との摺動で表面が摩耗して終端水素が除去され、負荷がかかった状態では水素終端になるための水素の供給が不十分になるおそれがある。そのため、次第にダイヤモンド膜５における終端水素の除去が進行して表面の分子構造が変化する結果、ダイス１の摩耗量が増えてしまい、少しではあるが表面の粗さが大きくなる。
【００４４】
この点を考慮し、本実施の形態では、プレス加工中にダイヤモンド膜５が水素終端になるための水素を積極的に供給するため、プレス加工装置１０に水蒸気供給部１２を設け、ダイス１やブランクホルダ２にプレス加工中、水蒸気供給部１２から定期的に水蒸気ｗを供給できるようにしている。こうすることにより、ダイス１やブランクホルダ２に水蒸気ｗを供給しながらプレス加工を行えるため、ダイヤモンド膜５の摩耗を防いで表面の粗さが安定し、継続的に安定したプレス加工が行える。なお、水蒸気ｗを供給するかわりに、水蒸気供給部１２から水を供給してもよい。供給される水はダイス１やブランクホルダ２に触れて水蒸気になるからである。
【００４５】
一般に、マグネシウム合金部材のプレス加工は、１８０℃以上の温間から熱間域で行われるが、ダイヤモンド膜５を形成したことにより、マグネシウム合金部材の金型への溶着を考慮しなくてもよくなった。これにより、従来は、溶着防止のための潤滑剤やテフロンシートが必要であったところ、プレス加工装置１０では、これらが不要となるためドライプレスを実現することができる。
【００４６】
続いて、プレス加工装置１０を用いた成形方法の実施例について説明する。この実施例では、ダイス１は内径２５ｍｍ、コーナ半径４ｍｍのもの、ブランクホルダ２は内径２３．５ｍｍのもの、パンチ３は直径２３ｍｍ、コーナ半径４ｍｍのものを用いた。また、ダイス１とブランクホルダ２はダイヤモンドをコーティングするため、素材を超硬合金とした。ダイヤモンドのコーティングは、メタンと水素を原料とした熱フィラメントＣＶＤ法で行った。パンチ３はステンレス鋼ＳＵＳ３０４製であり、内部が管状となって水冷されている。
【００４７】
そして、マグネシウム合金の代表例として、Ａｌ（アルミニウム）を３％と、Ｚｎ（亜鉛）を１％添加したマグネシウム合金ＡＳＴＭ ＡＺ３１（ＪＩＳ ＭＰ−１）、およびＣａ（カルシウム）を添加して難燃性を高めたＡＭＣａ６０２を用いた。前者は機械的強度と展延性に優れており、プレス成形に多く用いられている材料である。また、後者は難燃性が良好であるが、展延性がＡＺ３１より低いという特性を持っている。
【実施例１】
【００４８】
まず、マグネシウム合金ＡＺ３１を圧延後打ち抜き、直径５０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円板を作成してマグネシウム合金板１１を用意した。そして、このマグネシウム合金板１１について、プレス加工装置１０を用いて絞り加工を行った。この条件では、絞り比は２．１７となる。
【００４９】
ダイヤモンドコーティングはダイス１と、ブランクホルダ２について、前述のとおり行い、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下になるまで、表面をダイヤモンド砥石とダイヤモンドペーパを用いた手作業で研磨してダイヤモンド膜５を形成している。絞り加工はプレス加工装置１０を用いたドライプレスのほか、比較例として、マグネシウム合金板１１のダイス１側のみにテフロンシートを置いて行う従来技術によるプレス加工と、ダイス１側とブランクホルダ２側の両方にテフロンシートを置いて行う従来技術によるプレス加工とを行った。なお、プレス加工の条件はいずれも、ヒータ７の加熱によって、金型の温度を１８０℃〜２１０℃の温間域に設定し、成形速度は７．５ｍｍ／ｓとした。
【００５０】
成形品の評価は成形品がダイス１の内面と接触した円筒部における最大表面粗さＲｚ−ｍａｘと裂けの有無とで行った。図４は、実施例１により、マグネシウム合金板１１のドライプレスを行ったときの成形品を示している。図４の左側は成形品の全体を示す斜視図、右側は成形品の平行部、すなわちダイス１とマグネシウム合金板１１との摩擦で生じた摩擦痕部を拡大した図である。
【００５１】
実施例１の結果から、ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１については、ダイス１およびブランクホルダ２にダイヤモンド膜５を形成してドライプレスを行うことにより、従来のテフロンシートを用いる方法と同様な品質で成形品が得られることがわかった。ちなみに、ダイヤモンド膜５を形成していない金型を用いて、テフロンシートを用いずにプレス加工を行うと、１回目でブランクに裂けが生じてしまった。
【実施例２】
【００５２】
次に、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２を圧延後打ち抜き、直径４８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円板を作成してマグネシウム合金板１１を用意した。そして、このマグネシウム合金板１１について、プレス加工装置１０を用いて絞り加工によるドライプレスを行った。この条件では、絞り比２．０９となる。
【００５３】
ダイヤモンドコーティングはダイス１と、ブランクホルダ２について前述のとおり行い、ダイヤモンド膜５を形成している。実施例１で用いたマグネシウム合金ＡＺ３１はＡＭＣａ６０２よりは室温での展延性が高いものの、発火温度が低く（図８に示すように、ＡＺ３１の発火温度は４３０℃から５３０℃程度）燃えやすいという性質がある。そのため、マグネシウム合金ＡＺ３１は耐火性を求めない電子機器などの部品を成形するときに用いることが好ましい。
【００５４】
これに対し、自動車の車体や飛行機の部品（例えば、ケーブルを収容する箱状の部材など）のように、耐火性が求められる部品を成形するときは、Ｃａを添加して発火温度を上げ難燃性を高めたマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２を用いることが好ましい。図８に示すように、Ｃａを２％添加したマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は、発火温度が７７０℃から９７０℃程度である。しかしながら、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は、室温での展延性が低く、成形し難い（図９に示すようにＡＺ３１は伸びが約２５％であるのに対し、ＡＭＣａ６０２は伸びが約８％でしかない）。そのため、ヒータ４により、実施例１の場合よりも高い温度になるまで金型を加熱し、金型の温度を２８０℃〜３１０℃とする温間から熱間域に設定している。
【００５５】
一方、ＡＭＣａ６０２は、３００℃程度の高温になると、ＡＺ３１よりも摩擦係数が高くなる性質がある（図１０参照、図１０について詳しくは後述する）。
【００５６】
そのため、ダイス１やブランクホルダ２にダイヤモンド膜をコーティングしたまま、研磨せずに（すなわち、ダイヤモンド膜１５を形成しただけ）ドライプレスを行っても、ダイヤモンド膜の最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍを超えていて摩擦抵抗が大きいため、成形品を全く成形することができない。
【００５７】
そこで、実施例２では、実施例１の場合よりも、金型の摩擦抵抗を減らして潤滑性を高めるため、ダイヤモンド膜１５の表面を実施例１の場合よりもさらに研磨して、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．５μｍ以下にした。その後、実施例１と同様にして、ドライプレスを行うとともに、２つの比較例についてプレス加工を行った。また、成形速度は０．５ｍｍ／ｓとし、成形方法の評価は実施例１と同様にして行った。この結果を図５に示す。
【００５８】
図５は、実施例２により、マグネシウム合金板１１のドライプレスを行ったときの成形品を示している。図５の左側は成形品の全体を示す斜視図、右側は成形品の平行部を拡大した図である。図５から明らかなとおり、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．５μｍ以下にしたダイヤモンド膜５を形成することにより、ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板１１についてもドライプレスが行えることがわかった。この成形品は、素材よりも表面粗さが若干粗いものの、実用上問題ないレベルになっている。
【００５９】
なお、図１０について付言すれば次のとおりである。一般に、潤滑剤を用いて冷間で金属のプレス加工を行うとき、その金属の表面の摩擦係数は０．１程度まで低下している。したがって、金属（被加工物）の摩擦係数が０．１程度であれば潤滑剤を用いないドライプレスも可能になるものと考えられる。
【００６０】
ここで、図１０（ａ）に示すように、マグネシウム合金ＡＺ３１は、１００℃まで加熱されると、摩擦係数が０．１程度になるため、ドライプレスにより成形品を製造できる可能性があるが、展延性を確保するため、一般的には１８０℃〜２１０℃の温度範囲でドライプレスが行われる。
【００６１】
一方、図１０（ｂ）に示すように、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２については、１００℃を越えると、摩擦係数が０．１程度まで低下するため、マグネシウム合金ＡＺ３１と同様にドライプレスにより成形品を製造できる可能性が出てくる。しかしながら、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は展延性が低いため、マグネシウム合金ＡＺ３１よりも高温の２８０℃〜３１０℃の温度範囲でドライプレスが行われる。なお、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は３００℃になると、摩擦係数の値がやや大きく０．１７程度にまで上昇するが、摺動時間が６０秒を越えると０．１５以下にまで低下するため、３００℃でもドライプレスにより成形品を製造することができる。
【実施例３】
【００６２】
さらに、マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１を用意し、実施例１と同様に絞り加工を行った。実施例３では、プレス加工中、水蒸気供給部１２から少量の水蒸気を噴霧し、ダイス１やブランクホルダ２に水蒸気ｗを供給しながらプレス加工を行った。これにより、実施例１で見られたごく微量のマグネシウム合金の溶着が水蒸気（または水）供給の結果、さらに緩和された。また、水蒸気の供給により、継続的に安定したドライプレスが行え、プレス加工装置１０によるドライプレスの耐久性の向上が確認できた。
【実施例４】
【００６３】
また、マグネシウム合金ＡＺ３１からなる実施例１と同様のマグネシウム合金板１１を用意し、室温下すなわち冷間で絞り加工を行った。実施例４では、ダイス１とブランクホルダ２について実施例１と同様のダイヤモンド膜１５を形成した上で、その表面をダイヤモンドレジン砥石で最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以下になるまで（ただし、０．１μｍ以上ではある）研磨した。
【００６４】
ＡＺ３１からなるマグネシウム合金部材の場合、冷間絞りは限界絞り比が小さいので、従来の技術では、潤滑油やテフロンシートを用いてプレス加工が行われており、それらを用いないドライプレスは極めて困難である。しかしながら、ダイヤモンド膜５を形成したダイス１やブランクホルダ２を用いることにより、ドライプレスが可能であり、かつ潤滑油やテフロンシートを用いたときと同等の成形品を製造できることが確認できた。
【００６５】
図６は直径３７ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金ＡＺ３１からなる円板を冷間で絞り加工した成形品を示す図である。図６から判るように、成形品の側面には絞込みによる筋状の摩擦痕が現れるが、ダイヤモンド膜５を形成したダイス１やブランクホルダ２を用いることで、従来は極めて困難であった冷間域におけるドライプレスでの絞り加工が可能なことが確認できた。
【実施例５】
【００６６】
さらに、ダイヤモンド膜５を形成した曲げ金型を用いて、マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１と、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板１１とについてそれぞれ曲げ加工を室温で行った。試験片として、幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの圧延版を用い、中央部を中心として、９０°の曲げ試験を行った。成形条件は常温（２３℃）、成形速度１０ｍｍ／ｍｉｎとした。また、曲げ加工は潤滑油を塗布しないドライ状態で行った。
【００６７】
図７は曲げ加工後の試験片を側面から見た図を示している。図７における“４Ｒ”とは、ダイヤモンド膜５を形成した曲げ金型で、先端半径が４ｍｍのものを用いた場合、“６Ｒ”とは、先端半径が６ｍｍのものを用いた場合を示している。また、“６Ｒ，４Ｒ”は１回目に先端半径が６ｍｍの曲げ金型を用いて曲げ加工を行い、２回目に先端半径が４ｍｍの曲げ金型を用いて曲げ加工を行ったことを示す。図７からみて、曲げ加工を１回で行うより、先端半径を漸減して２回に分けて曲げ加工を行う方がスプリングバックの少ない加工ができることが確認できた。
【００６８】
以上のように、ダイヤモンドをコーティングしてダイヤモンド膜を形成するとともに、その表面を研磨して最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．１μｍ以上１．０μｍ以下にした金型は摩擦係数が低く、マグネシウム合金部材のプレス加工に適した潤滑性を備え、マグネシウム合金との溶着を起こし難い。そのため、このような金型を用いることにより、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないドライプレスを行うことが可能になり、ドライプレスによって所望の成形品を製造することができる。
【００６９】
また、この成形方法では、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないドライプレスでマグネシウム合金部材の成形品を製造できるので、テフロンシート等のシート状部材のコストがかからなくなる。また、潤滑剤も不要になるから、作業環境が悪化することはなく、プレス加工後に潤滑剤を除去するため成形品を洗浄する必要もないから、製造工程を極めて簡易なものにすることができ、製造コストを低減することも可能になる。
【００７０】
さらに、テフロンシート等のシート状部材を一切用いないでプレス加工が行えるから、この成形方法は、深い絞込みを必要とする成形品の製造にも適用することができる。
【００７１】
金型は、ダイヤモンド膜がコーティングされているから耐摩耗性が高く、また、繰り返し使用できる回数が拡大するため、耐久性に優れたものとなる。特に、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨しておくと、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２のように展延性の低いマグネシウム合金部材を用いても、成形品を製造することができる。
【００７２】
なお、以上の実施形態では、金型を用いたマグネシウム合金部材の絞り加工と、曲げ加工を例にとって説明しているが、本発明は、金型を用いてこれら以外の方法でプレス加工を行う場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態に係るプレス加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】金型の表面に形成した未研磨状態のダイヤモンド膜を模式的に示した図である。
【図３】金型の表面に形成した研磨後のダイヤモンド膜を模式的に示した図である。
【図４】マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板についてのプレス加工装置を用いたドライプレスの結果を示す図である。
【図５】マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板についてのプレス加工装置を用いたドライプレスの結果を示す図である。
【図６】マグネシウム合金ＡＺ３１からなる円板を冷間で絞り加工を行ったときの成形品を示す図である。
【図７】曲げ加工後の試験片を側面から見た図である。
【図８】マグネシウム合金のＣａ添加量ごとの発火温度を示した図である。
【図９】マグネシウム合金ＡＺ３１とマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２の伸びの大きさを示す図である。
【図１０】マグネシウム合金の温度ごとの摩擦係数の変化を示す図で、（ａ）はマグネシウム合金ＡＺ３１、（ｂ）はマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２である。
【符号の説明】
【００７４】
１…ダイス、２…ブランクホルダ、３…パンチ、４…ヒータ、５…ダイヤモンド膜、１０…プレス加工装置、１１…マグネシウム合金板、１２…水蒸気供給部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り、曲げ成形等のプレス加工によるマグネシウム合金部材の成形方法およびその成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は比強度が高く軽くて丈夫なことから、近年、自動車等の輸送機器やパーソナルコンピュータ等のモバイル電子機器に採用され、需要の伸びが期待されている。しかしながら、マグネシウム合金はアルミニウム合金に比べて加工性が低いという課題があり、その課題のため、原材料価格の高騰も相まってマグネシウム合金部材の成形品は製造コストが高くなっている。マグネシウム合金の加工性が低いことの原因に室温での展延性の低さがあり、そのため、マグネシウム合金部材のプレス加工は一般に１８０℃以上の温間から熱間域で行われている。
【特許文献１】特開昭６３−２０３２２２号公報
【特許文献２】特開２００３−１５４４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
マグネシウムが他の材料と凝着しやすい性質を有していることから、マグネシウム合金部材のプレス加工を潤滑油等の潤滑剤を用いずに行うと、マグネシウム合金部材がたちまち金型に溶着してしまい、動作不良を引き起こす。これを避けるべく潤滑油等の潤滑剤を用いると、金型やマグネシウム合金部材が高温になっているためオイルミストが発生し、作業環境が悪化してしまう。
【０００４】
また、潤滑剤がマグネシウム合金部材や金型の表面に焼き付いてしまうため、成形品の表面性状が悪くなり、しかも成形後に成形品を洗浄する必要が生じ、洗浄しても付着物の除去は極めて困難であり、これらが成形品の製造工程を煩雑にし、成形品の製造コストを高くする要因になっていた。
【０００５】
こうしたことから、マグネシウム合金部材について、プレス加工による成形（プレス成形）を行う場合は、テフロンシート（テフロンは登録商標）等のシート状部材を用いて、マグネシウム合金部材と金型との溶着を防止している。
【０００６】
しかしながら、この成形方法には、テフロンシートの価格が高いため製造コストが高くなるという課題がある。また、シート状部材を用いると、絞り加工の際に１回のプレス加工で絞り込める深さに制限が出てしまい、しかも絞りを繰り返し行えなくなるため、多段で再絞りの必要な成形品を製造するときは、シート状部材を用いることができないといった課題もある。
【０００７】
一方、金属材料と金型との溶着を防止し、耐摩耗性を高めるため、金型にＴｉＮ，ＴｉＣＮ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＣｒＮ等のセラミックスコーティングが施されることがある。この点に関し、例えば特許文献１には、ケイ素、チタン、タングステンおよびIII族元素の中から選ばれる元素の酸化物、窒化物若しくは炭化物若しくはこれらの混合物、または硬質炭素のセラミックスでコーティングされたプレス成形金型が開示されている。
【０００８】
また、マグネシウム合金部材の成形に関しては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＣｒＮ、ＴｉＡｌＮ、アルミナおよびＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）から選ばれる１または２種類以上の超硬質膜を金型に形成するという技術がある（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
鉄やアルミニウム合金からなる部材は冷間（室温）で成形できるため、特許文献１に開示されているプレス成形金型を用いることによって、金型との溶着を防止することができる。しかしながら、セラミックスコーティングは剥離しやすいため、マグネシウム合金部材の場合は潤滑剤を併用してプレス加工を行わざるを得ず、したがって、セラミックスコーティングを施した金型はマグネシウム合金部材のプレス成形には適していない。
【００１０】
また、特許文献２記載の技術では、マグネシウム合金について、セラミックスのコーティングを施した金型を用いているが、前述のとおり、ＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）以外のコーティングを施しても、潤滑剤無しでは金型との溶着を防止することはできない。
【００１１】
ＤＬＣはマグネシウム合金に溶着し難いため、ＤＬＣのコーティングを施せば、潤滑剤無しでもマグネシウム合金部材との溶着を防止することは可能である。
【００１２】
しかしながら、ＤＬＣ自体がアモルファスであるため、熱に弱く、剥離しやすいため、ＤＬＣのコーティングを施した金型を用いてプレス加工を繰り返すと、被膜が剥離してしまうおそれがあり、したがって、この金型を用いた成形方法には、耐久性に乏しいという課題がある。
【００１３】
さらに、特許文献１には、金型にダイヤモンドをコーティングすることが開示されている。しかし、ダイヤモンドを成膜したままでは摩擦係数が高いため、ダイヤモンドをコーティングしただけの金型では、マグネシウム合金部材のプレス成形が困難である。しかも、プレス加工を繰り返すうちにダイヤモンドの被膜の凹部にマグネシウムの微粒子がたまって凝着してしまため、潤滑性の低下を招いてしまう。したがって、このような金型はマグネシウム合金部材のプレス成形には適さない。
【００１４】
そこで、本発明は上記課題を解決するためになされたもので、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を用いなくても金型との溶着を起こすことなく、簡易にしかも低コストで成形品を製造でき、かつ耐久性に優れたマグネシウム合金部材の成形方法および成形用金型を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、本発明は、金型を用いてマグネシウム合金部材を成形するマグネシウム合金部材の成形方法であって、金型におけるマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、その研磨後の金型におけるダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行うマグネシウム合金部材の成形方法を特徴とする。
【００１６】
この成形方法では、金型にダイヤモンド膜をコーティングした上で、そのダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨しているため、ダイヤモンド膜の表面の凹凸の大きさが小さくなっている。そのため、ダイヤモンド膜の摩擦係数が低下して潤滑性が高まり、また、ダイヤモンド膜の凹部に入り込むマグネシウム合金の微粒子が少なくなるため、マグネシウム合金との溶着を起こし難い。そのため、ダイヤモンド膜がマグネシウム合金部材と直に接触するようにすることでダイヤモンド膜の潤滑性を発揮でき、潤滑剤やテフロンシート等のシート状部材がなくても、プレス加工が行える。
【００１７】
また、上記成形方法では、ダイヤモンド膜の表面を研磨するときに、最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨することが好ましい。
【００１８】
この範囲までダイヤモンド膜の表面を研磨すると、展延性の低いマグネシウム合金部材を用いても成形品を製造可能な程度にまで摩擦係数が低下する。
【００１９】
さらに、上記成形方法は、金型に水蒸気または水を供給しながらプレス加工を行うことが好ましい。
【００２０】
こうすることにより、ダイヤモンド膜を構成する炭素が水素終端になるための水素が供給される。
【００２１】
さらにまた、上記成形方法は、温度範囲が１８０℃から３１０℃の範囲に設定された温間から熱間域でプレス加工を行うことが好ましい。この温度範囲では、マグネシウム合金部材の展延性が高まり、成形が容易になる。
【００２２】
そして、本発明はマグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜がコーティングされ、かつそのダイヤモンド膜の表面の最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になっているマグネシウム合金部材の成形用金型を提供する。
【００２３】
この成形用金型は、最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になっていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
以上詳述したように、本発明によれば、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を用いなくても金型との溶着を起こすことなく、簡易にしかも低コストで成形品を製造でき、かつ耐久性に優れたマグネシウム合金部材の成形方法および成形用金型が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一要素には同一符号を用い、重複する説明は省略する。
【００２６】
現在までに開発されているマグネシウム合金は室温での展延性が低いという本質的かつ不可避的な特性を有している。したがって、マグネシウム合金部材のプレス成形を行うときは１８０℃から３１０℃程度の温間から熱間域でプレス加工を行わざるを得ないと考えられる。また、プレス加工の際に潤滑剤やテフロンシート等のシート状部材を用いると、製造工程が煩雑になったり、成形品の製造コストが高くなるため、本発明者はこれらを用いずにしかも前述の温度領域で行える成形方法について検討を重ねた。その結果、本発明者はマグネシウム合金部材に対する溶着性が低く、かつ耐熱性および耐摩耗性を備え、しかも耐久性に優れた被膜を金型に形成し、その金型を用いてプレス加工を行うことにより、これらの課題が解決できることを見出した。
【００２７】
炭素はマグネシウムとの間で安定炭化物を生成しないので、炭素材料を含む被膜を形成することによってマグネシウム合金部材の金型への溶着を防止することができる。そのような被膜として、ＤＬＣとダイヤモンドとがあるが、ＤＬＣはアモルファスであるため、耐熱特性が良くないし耐久性も芳しくない。これに対し、ダイヤモンドは真空中では１２００℃まで安定であり、大気中でも６００℃を超えてもまだ安定である。また、マグネシウムとの摩擦特性や溶着性もＤＬＣよりは優れている。
【００２８】
このようなことから、本発明者はダイヤモンドからなる被膜（ダイヤモンド膜）を形成した金型を用意し、その金型を用いることにより、潤滑剤やテフロンシートを用いることなくプレス加工が行えるマグネシウム合金部材の成形方法を発明した。なお、本実施の形態では、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないプレス成形を「ドライプレス」という。ドライプレスに用いたプレス加工装置１０は後述するとおりである。また、プレス加工とは、機械により、金型等の工具を用いて金属部材を変形加工することを意味し、剪断、絞り、曲げ、張出し、鍛造、押出し、圧印といった塑性加工全般を意味するものとしている。
【００２９】
なお、詳しくは後述するが、本発明者はプレス加工装置１０を用いて、比較的展延性の高いＡＺ３１からなる板状のマグネシウム合金部材と、ＡＭＣａ６０２からなる板状のマグネシウム合金部材とについてドライプレスを行った。
【００３０】
そして、プレス加工装置１０は図１に示すように、成形用金型としてのダイス１およびブランクホルダ２と、パンチ３およびヒータ４とを有している。プレス加工装置１０はダイス１と、ブランクホルダ２との間に、円形状のマグネシウム合金板１１をダイス１とブランクホルダ２とに直に接するようにして挟みこみ、その片側から図示しない油圧装置でパンチ３をマグネシウム合金板１１に押し付けるプレス加工を行って、マグネシウム合金板１１を所望の成形品に加工することができる。
【００３１】
また、プレス加工装置１０はプレス加工を行う際に、ヒータ４で加熱して、ダイス１やブランクホルダ２と、マグネシウム合金板１１の温度を所望の温度にまで高めて温間から熱間域でプレス加工を行える。ドライプレスを行うときは、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないので、ダイス１やブランクホルダ２がマグネシウム合金板１１と直に接している。
【００３２】
ダイス１とブランクホルダ２とは、その表面の一部分にダイヤモンド膜５が形成されている（図１におけるドットを付した部分にダイヤモンド膜５が形成されている）。ダイヤモンド膜５は通常のＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法でダイヤモンドをコーティングし、さらに最大表面粗さ（本実施の形態では、Ｒｚ−ｍａｘともいい、詳しくは後述する）が０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨して形成されている。
【００３３】
ダイヤモンドは通常のＣＶＤ法でコーティングした場合、一般に結晶粒が成長しやすいため、金型にコーティングしたままのダイヤモンド膜１５の表面は図２に示すような大きな凹凸を有している。この金型はダイヤモンド膜１５の最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが約２．０μｍに達することがあるため、摩擦係数が高すぎてマグネシウム合金部材の成形に適した潤滑性が発揮されず、したがってマグネシウム合金板１１のような展延性の低い部材のプレス成形には適さない。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、ダイヤモンド膜１５の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨してダイヤモンド膜５を形成している。
【００３５】
最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍを超えると、プレス加工中におけるダイヤモンド膜の表面とマグネシウム合金板１１との摩擦によってマグネシウム合金の微粒子ができやすくなるため、その微粒子が凹部に入り込みやすく、したがって、プレス加工を繰り返すたびに凹部に入り込む微粒子が増えるため、金型とマグネシウム合金板１１との溶着が起こりやすくなる。そうすると、その金型を用いたプレス加工を行える回数が減少するため、耐久性が低下してしまう。そこで、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下になるまでダイヤモンド膜１５の表面を研磨して、ダイヤモンド膜５を形成している。
【００３６】
さらに、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下でも、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以上では、ダイヤモンド膜５の表面の摩擦抵抗は比較的高い。そのため、マグネシウム合金板１１が比較的展延性の低いマグネシウム合金（例えば後述するＡＭＣａ６０２）からなるときは、絞り比の高いプレス加工を行うことが困難になる。そのため、マグネシウム合金部材の中でも展延性の低いマグネシウム合金部材のプレス成形を行うときは、ダイヤモンド膜５の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以下になるまで研磨しておくことが好ましい。
【００３７】
ただし、ダイヤモンド膜の研磨はダイヤモンド弾性砥石やダイヤモンドペーパ等を用いた手作業を主体として行われる。そのため、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以下になるまでダイヤモンド膜を研磨することはそれ自体が極めて困難であり、ここまで研磨することは、成形品の製造工程を煩雑にするだけで現実的ではない。
【００３８】
したがって、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまでダイヤモンド膜１５の表面を研磨してダイヤモンド膜５を形成している。
【００３９】
ここで、本実施の形態における最大表面粗さＲｚ−ｍａｘとは、図２，３に示すように、複数の凹部または凸部Ｐ１〜Ｐ１０のうち、最も突出した凸部Ｐ５と、最も凹んだ凹部Ｐ４との高さの差ｈ１、ｈ２（ｈ１は研磨前、ｈ２は研磨後で、ｈ１＞ｈ２）を用いて評価される表面粗さである。すなわち、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍであるとは、ｈ１またはｈ２が１．０μｍであることを意味している。表面粗さとして、複数の凹部または凸部Ｐ１〜Ｐ１０の高さの差の平均をとって評価する手法もあるが、そうすると、高さの差が大きいがために摩擦抵抗に対してより大きな影響を及ぼす箇所に即した評価ができなくなるため、本実施の形態では、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを採用している。
【００４０】
一方、プレス加工装置１０では、プレス加工に用いる金型のうち、マグネシウム合金部材と接する部分の主たる構成はダイス１、ブランクホルダ２およびパンチ３に分けられる。そのうち、ダイス１についてはダイヤモンド膜５が必須であるが、ブランク抑え力が必要なブランクホルダ２は図１ではダイヤモンド膜５が形成されているものの、ある程度の潤滑性と高温耐久性があればダイヤモンド膜５を要しない。パンチ３は摩擦保持力が必要なため、ダイヤモンド膜５を必要としない。
【００４１】
このようなことから、ダイス１は、図１に示すように、プレス加工開始時点でマグネシウム合金板１１と接する部分およびその周囲にダイヤモンド膜５が形成され、ブランクホルダ２は、プレス加工開始時点でマグネシウム合金板１１と接する部分にダイヤモンド膜５が形成されている。
【００４２】
ところで、ダイヤモンドが他の物質に対して低い摩擦係数を発現する理由として、その表面が水素で終端されていることが挙げられる。ダイヤモンドが摺動すると、終端されている水素が摩耗で除去されてしまい、ダングリングボンドが発生して空気中の酸素等と化合するなどして著しく摩耗するという現象が起きる。ダイヤモンド膜５はそのような状態でも安定炭化物を生成しないマグネシウムのような材料との間では凝着が起こり難く、低摩擦係数が維持される。
【００４３】
ところが、ダイス１の表面に高い面圧がかかる絞り加工では、相手材との摺動で表面が摩耗して終端水素が除去され、負荷がかかった状態では水素終端になるための水素の供給が不十分になるおそれがある。そのため、次第にダイヤモンド膜５における終端水素の除去が進行して表面の分子構造が変化する結果、ダイス１の摩耗量が増えてしまい、少しではあるが表面の粗さが大きくなる。
【００４４】
この点を考慮し、本実施の形態では、プレス加工中にダイヤモンド膜５が水素終端になるための水素を積極的に供給するため、プレス加工装置１０に水蒸気供給部１２を設け、ダイス１やブランクホルダ２にプレス加工中、水蒸気供給部１２から定期的に水蒸気ｗを供給できるようにしている。こうすることにより、ダイス１やブランクホルダ２に水蒸気ｗを供給しながらプレス加工を行えるため、ダイヤモンド膜５の摩耗を防いで表面の粗さが安定し、継続的に安定したプレス加工が行える。なお、水蒸気ｗを供給するかわりに、水蒸気供給部１２から水を供給してもよい。供給される水はダイス１やブランクホルダ２に触れて水蒸気になるからである。
【００４５】
一般に、マグネシウム合金部材のプレス加工は、１８０℃以上の温間から熱間域で行われるが、ダイヤモンド膜５を形成したことにより、マグネシウム合金部材の金型への溶着を考慮しなくてもよくなった。これにより、従来は、溶着防止のための潤滑剤やテフロンシートが必要であったところ、プレス加工装置１０では、これらが不要となるためドライプレスを実現することができる。
【００４６】
続いて、プレス加工装置１０を用いた成形方法の実施例について説明する。この実施例では、ダイス１は内径２５ｍｍ、コーナ半径４ｍｍのもの、ブランクホルダ２は内径２３．５ｍｍのもの、パンチ３は直径２３ｍｍ、コーナ半径４ｍｍのものを用いた。また、ダイス１とブランクホルダ２はダイヤモンドをコーティングするため、素材を超硬合金とした。ダイヤモンドのコーティングは、メタンと水素を原料とした熱フィラメントＣＶＤ法で行った。パンチ３はステンレス鋼ＳＵＳ３０４製であり、内部が管状となって水冷されている。
【００４７】
そして、マグネシウム合金の代表例として、Ａｌ（アルミニウム）を３％と、Ｚｎ（亜鉛）を１％添加したマグネシウム合金ＡＳＴＭ ＡＺ３１（ＪＩＳ ＭＰ−１）、およびＣａ（カルシウム）を添加して難燃性を高めたＡＭＣａ６０２を用いた。前者は機械的強度と展延性に優れており、プレス成形に多く用いられている材料である。また、後者は難燃性が良好であるが、展延性がＡＺ３１より低いという特性を持っている。
【実施例１】
【００４８】
まず、マグネシウム合金ＡＺ３１を圧延後打ち抜き、直径５０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円板を作成してマグネシウム合金板１１を用意した。そして、このマグネシウム合金板１１について、プレス加工装置１０を用いて絞り加工を行った。この条件では、絞り比は２．１７となる。
【００４９】
ダイヤモンドコーティングはダイス１と、ブランクホルダ２について、前述のとおり行い、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍ以下になるまで、表面をダイヤモンド砥石とダイヤモンドペーパを用いた手作業で研磨してダイヤモンド膜５を形成している。絞り加工はプレス加工装置１０を用いたドライプレスのほか、比較例として、マグネシウム合金板１１のダイス１側のみにテフロンシートを置いて行う従来技術によるプレス加工と、ダイス１側とブランクホルダ２側の両方にテフロンシートを置いて行う従来技術によるプレス加工とを行った。なお、プレス加工の条件はいずれも、ヒータ７の加熱によって、金型の温度を１８０℃〜２１０℃の温間域に設定し、成形速度は７．５ｍｍ／ｓとした。
【００５０】
成形品の評価は成形品がダイス１の内面と接触した円筒部における最大表面粗さＲｚ−ｍａｘと裂けの有無とで行った。図４は、実施例１により、マグネシウム合金板１１のドライプレスを行ったときの成形品を示している。図４の左側は成形品の全体を示す斜視図、右側は成形品の平行部、すなわちダイス１とマグネシウム合金板１１との摩擦で生じた摩擦痕部を拡大した図である。
【００５１】
実施例１の結果から、ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１については、ダイス１およびブランクホルダ２にダイヤモンド膜５を形成してドライプレスを行うことにより、従来のテフロンシートを用いる方法と同様な品質で成形品が得られることがわかった。ちなみに、ダイヤモンド膜５を形成していない金型を用いて、テフロンシートを用いずにプレス加工を行うと、１回目でブランクに裂けが生じてしまった。
【実施例２】
【００５２】
次に、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２を圧延後打ち抜き、直径４８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円板を作成してマグネシウム合金板１１を用意した。そして、このマグネシウム合金板１１について、プレス加工装置１０を用いて絞り加工によるドライプレスを行った。この条件では、絞り比２．０９となる。
【００５３】
ダイヤモンドコーティングはダイス１と、ブランクホルダ２について前述のとおり行い、ダイヤモンド膜５を形成している。実施例１で用いたマグネシウム合金ＡＺ３１はＡＭＣａ６０２よりは室温での展延性が高いものの、発火温度が低く（図８に示すように、ＡＺ３１の発火温度は４３０℃から５３０℃程度）燃えやすいという性質がある。そのため、マグネシウム合金ＡＺ３１は耐火性を求めない電子機器などの部品を成形するときに用いることが好ましい。
【００５４】
これに対し、自動車の車体や飛行機の部品（例えば、ケーブルを収容する箱状の部材など）のように、耐火性が求められる部品を成形するときは、Ｃａを添加して発火温度を上げ難燃性を高めたマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２を用いることが好ましい。図８に示すように、Ｃａを２％添加したマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は、発火温度が７７０℃から９７０℃程度である。しかしながら、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は、室温での展延性が低く、成形し難い（図９に示すようにＡＺ３１は伸びが約２５％であるのに対し、ＡＭＣａ６０２は伸びが約８％でしかない）。そのため、ヒータ４により、実施例１の場合よりも高い温度になるまで金型を加熱し、金型の温度を２８０℃〜３１０℃とする温間から熱間域に設定している。
【００５５】
一方、ＡＭＣａ６０２は、３００℃程度の高温になると、ＡＺ３１よりも摩擦係数が高くなる性質がある（図１０参照、図１０について詳しくは後述する）。
【００５６】
そのため、ダイス１やブランクホルダ２にダイヤモンド膜をコーティングしたまま、研磨せずに（すなわち、ダイヤモンド膜１５を形成しただけ）ドライプレスを行っても、ダイヤモンド膜の最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが１．０μｍを超えていて摩擦抵抗が大きいため、成形品を全く成形することができない。
【００５７】
そこで、実施例２では、実施例１の場合よりも、金型の摩擦抵抗を減らして潤滑性を高めるため、ダイヤモンド膜１５の表面を実施例１の場合よりもさらに研磨して、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．５μｍ以下にした。その後、実施例１と同様にして、ドライプレスを行うとともに、２つの比較例についてプレス加工を行った。また、成形速度は０．５ｍｍ／ｓとし、成形方法の評価は実施例１と同様にして行った。この結果を図５に示す。
【００５８】
図５は、実施例２により、マグネシウム合金板１１のドライプレスを行ったときの成形品を示している。図５の左側は成形品の全体を示す斜視図、右側は成形品の平行部を拡大した図である。図５から明らかなとおり、最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．５μｍ以下にしたダイヤモンド膜５を形成することにより、ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板１１についてもドライプレスが行えることがわかった。この成形品は、素材よりも表面粗さが若干粗いものの、実用上問題ないレベルになっている。
【００５９】
なお、図１０について付言すれば次のとおりである。一般に、潤滑剤を用いて冷間で金属のプレス加工を行うとき、その金属の表面の摩擦係数は０．１程度まで低下している。したがって、金属（被加工物）の摩擦係数が０．１程度であれば潤滑剤を用いないドライプレスも可能になるものと考えられる。
【００６０】
ここで、図１０（ａ）に示すように、マグネシウム合金ＡＺ３１は、１００℃まで加熱されると、摩擦係数が０．１程度になるため、ドライプレスにより成形品を製造できる可能性があるが、展延性を確保するため、一般的には１８０℃〜２１０℃の温度範囲でドライプレスが行われる。
【００６１】
一方、図１０（ｂ）に示すように、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２については、１００℃を越えると、摩擦係数が０．１程度まで低下するため、マグネシウム合金ＡＺ３１と同様にドライプレスにより成形品を製造できる可能性が出てくる。しかしながら、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は展延性が低いため、マグネシウム合金ＡＺ３１よりも高温の２８０℃〜３１０℃の温度範囲でドライプレスが行われる。なお、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２は３００℃になると、摩擦係数の値がやや大きく０．１７程度にまで上昇するが、摺動時間が６０秒を越えると０．１５以下にまで低下するため、３００℃でもドライプレスにより成形品を製造することができる。
【実施例３】
【００６２】
さらに、マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１を用意し、実施例１と同様に絞り加工を行った。実施例３では、プレス加工中、水蒸気供給部１２から少量の水蒸気を噴霧し、ダイス１やブランクホルダ２に水蒸気ｗを供給しながらプレス加工を行った。これにより、実施例１で見られたごく微量のマグネシウム合金の溶着が水蒸気（または水）供給の結果、さらに緩和された。また、水蒸気の供給により、継続的に安定したドライプレスが行え、プレス加工装置１０によるドライプレスの耐久性の向上が確認できた。
【実施例４】
【００６３】
また、マグネシウム合金ＡＺ３１からなる実施例１と同様のマグネシウム合金板１１を用意し、室温下すなわち冷間で絞り加工を行った。実施例４では、ダイス１とブランクホルダ２について実施例１と同様のダイヤモンド膜１５を形成した上で、その表面をダイヤモンドレジン砥石で最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．５μｍ以下になるまで（ただし、０．１μｍ以上ではある）研磨した。
【００６４】
ＡＺ３１からなるマグネシウム合金部材の場合、冷間絞りは限界絞り比が小さいので、従来の技術では、潤滑油やテフロンシートを用いてプレス加工が行われており、それらを用いないドライプレスは極めて困難である。しかしながら、ダイヤモンド膜５を形成したダイス１やブランクホルダ２を用いることにより、ドライプレスが可能であり、かつ潤滑油やテフロンシートを用いたときと同等の成形品を製造できることが確認できた。
【００６５】
図６は直径３７ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのマグネシウム合金ＡＺ３１からなる円板を冷間で絞り加工した成形品を示す図である。図６から判るように、成形品の側面には絞込みによる筋状の摩擦痕が現れるが、ダイヤモンド膜５を形成したダイス１やブランクホルダ２を用いることで、従来は極めて困難であった冷間域におけるドライプレスでの絞り加工が可能なことが確認できた。
【実施例５】
【００６６】
さらに、ダイヤモンド膜５を形成した曲げ金型を用いて、マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板１１と、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板１１とについてそれぞれ曲げ加工を室温で行った。試験片として、幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの圧延版を用い、中央部を中心として、９０°の曲げ試験を行った。成形条件は常温（２３℃）、成形速度１０ｍｍ／ｍｉｎとした。また、曲げ加工は潤滑油を塗布しないドライ状態で行った。
【００６７】
図７は曲げ加工後の試験片を側面から見た図を示している。図７における“４Ｒ”とは、ダイヤモンド膜５を形成した曲げ金型で、先端半径が４ｍｍのものを用いた場合、“６Ｒ”とは、先端半径が６ｍｍのものを用いた場合を示している。また、“６Ｒ，４Ｒ”は１回目に先端半径が６ｍｍの曲げ金型を用いて曲げ加工を行い、２回目に先端半径が４ｍｍの曲げ金型を用いて曲げ加工を行ったことを示す。図７からみて、曲げ加工を１回で行うより、先端半径を漸減して２回に分けて曲げ加工を行う方がスプリングバックの少ない加工ができることが確認できた。
【００６８】
以上のように、ダイヤモンドをコーティングしてダイヤモンド膜を形成するとともに、その表面を研磨して最大表面粗さＲｚ−ｍａｘを０．１μｍ以上１．０μｍ以下にした金型は摩擦係数が低く、マグネシウム合金部材のプレス加工に適した潤滑性を備え、マグネシウム合金との溶着を起こし難い。そのため、このような金型を用いることにより、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないドライプレスを行うことが可能になり、ドライプレスによって所望の成形品を製造することができる。
【００６９】
また、この成形方法では、潤滑剤およびテフロンシート等のシート状部材を一切用いないドライプレスでマグネシウム合金部材の成形品を製造できるので、テフロンシート等のシート状部材のコストがかからなくなる。また、潤滑剤も不要になるから、作業環境が悪化することはなく、プレス加工後に潤滑剤を除去するため成形品を洗浄する必要もないから、製造工程を極めて簡易なものにすることができ、製造コストを低減することも可能になる。
【００７０】
さらに、テフロンシート等のシート状部材を一切用いないでプレス加工が行えるから、この成形方法は、深い絞込みを必要とする成形品の製造にも適用することができる。
【００７１】
金型は、ダイヤモンド膜がコーティングされているから耐摩耗性が高く、また、繰り返し使用できる回数が拡大するため、耐久性に優れたものとなる。特に、ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さＲｚ−ｍａｘが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨しておくと、マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２のように展延性の低いマグネシウム合金部材を用いても、成形品を製造することができる。
【００７２】
なお、以上の実施形態では、金型を用いたマグネシウム合金部材の絞り加工と、曲げ加工を例にとって説明しているが、本発明は、金型を用いてこれら以外の方法でプレス加工を行う場合にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施の形態に係るプレス加工装置の概略構成を示す図である。
【図２】金型の表面に形成した未研磨状態のダイヤモンド膜を模式的に示した図である。
【図３】金型の表面に形成した研磨後のダイヤモンド膜を模式的に示した図である。
【図４】マグネシウム合金ＡＺ３１からなるマグネシウム合金板についてのプレス加工装置を用いたドライプレスの結果を示す図である。
【図５】マグネシウム合金ＡＭＣａ６０２からなるマグネシウム合金板についてのプレス加工装置を用いたドライプレスの結果を示す図である。
【図６】マグネシウム合金ＡＺ３１からなる円板を冷間で絞り加工を行ったときの成形品を示す図である。
【図７】曲げ加工後の試験片を側面から見た図である。
【図８】マグネシウム合金のＣａ添加量ごとの発火温度を示した図である。
【図９】マグネシウム合金ＡＺ３１とマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２の伸びの大きさを示す図である。
【図１０】マグネシウム合金の温度ごとの摩擦係数の変化を示す図で、（ａ）はマグネシウム合金ＡＺ３１、（ｂ）はマグネシウム合金ＡＭＣａ６０２である。
【符号の説明】
【００７４】
１…ダイス、２…ブランクホルダ、３…パンチ、４…ヒータ、５…ダイヤモンド膜、１０…プレス加工装置、１１…マグネシウム合金板、１２…水蒸気供給部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型を用いてマグネシウム合金部材を成形するマグネシウム合金部材の成形方法であって、
前記金型における前記マグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、
前記ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、
該研磨後の前記金型における前記ダイヤモンド膜が前記マグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド膜の表面を研磨するときに、前記最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨することを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項３】
前記金型に水蒸気または水を供給しながら前記プレス加工を行う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部材の成形方法。
【請求項４】
温度範囲が１８０℃から３１０℃の範囲に設定された温間から熱間域で前記プレス加工を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項５】
マグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜がコーティングされ、かつ該ダイヤモンド膜の表面の最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になっていることを特徴とするマグネシウム合金部材の成形用金型。
【請求項６】
前記最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になっていることを特徴とする請求項５記載のマグネシウム合金部材の成形用金型。
【請求項１】
金型を用いてマグネシウム合金部材を成形するマグネシウム合金部材の成形方法であって、
前記金型における前記マグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜をコーティングし、
前記ダイヤモンド膜の表面を最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になるまで研磨し、
該研磨後の前記金型における前記ダイヤモンド膜が前記マグネシウム合金部材と直に接触するようにしてプレス加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項２】
前記ダイヤモンド膜の表面を研磨するときに、前記最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になるまで研磨することを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項３】
前記金型に水蒸気または水を供給しながら前記プレス加工を行う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部材の成形方法。
【請求項４】
温度範囲が１８０℃から３１０℃の範囲に設定された温間から熱間域で前記プレス加工を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のマグネシウム合金部材の成形方法。
【請求項５】
マグネシウム合金部材と接する部分の少なくとも一部分にダイヤモンド膜がコーティングされ、かつ該ダイヤモンド膜の表面の最大表面粗さが０．１μｍ以上１．０μｍ以下になっていることを特徴とするマグネシウム合金部材の成形用金型。
【請求項６】
前記最大表面粗さが０．１μｍ以上０．５μｍ以下になっていることを特徴とする請求項５記載のマグネシウム合金部材の成形用金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１７２６４０（Ｐ２００９−１７２６４０Ａ）
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４００５（Ｐ２００８−１４００５）
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【出願人】（５９１２０２１５５）熊本県 (17)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月６日（２００９．８．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【出願人】（５９１２０２１５５）熊本県 (17)
【Ｆターム（参考）】
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