熱間押出 し加工 と機械的性質

熱間押出 し加工 と機械的性質

小 林 義 一*

1 . 緒 言

6063

合金の熱問押出 し加工を行な うにあた り問題 となるのは,押出し加工性の改善および 得 られた押出 し材の機械的性質が適当であるか とい うことにあると思われる. この両者すな わち押出 し加工性を向上 させることと押出し材の機械的性質を向上させ ることは相反す る性 質を示 し,た とえば鋳塊を均質化処理後炉中冷却 した り,鋳塊の合金元素の量を少な くす る ことは押出 し加工性の向上 とい う立場か らすれば良い効果を示すが,逆に押出 し材の機械的 性質は著 しく低下す る.そ こで この両者を考えあわせて最適な条件を見出す必要がある.

押出し加工性の良否は押出し可能な荷重を加えた ときに押出 し速度を どれだけ向上させ る ことができるか とい う問題であるが,一般には押出 し可能な最高押出し圧力が低いほ ど押出 し速度が上昇す るので, この最高押出 し圧力の大小を もって押出 し加工性を知 る目安 とす る 場合が多い.熟問押出 し加工の場合には, この最高押出 し圧力におよぼす因子は,押出 し温 皮,加工度,押出 し速度, ダイスの形状,潤滑剤の有無,鋳塊の化学成分 と熱処理な ど非常 に多 くあ り, これを理論的に導 くことは非常に困難である.そこで個々の因子が押出 し圧力 におよぽす影響を実験的に求めて, これ らを総合 して最高押出 し圧力に関す る実験式を導い ている

一方押出 し材の機械的性質は

と

の量, 鋳塊の均質化処理,押出 し条件 および押出 し後の熱処理な どに よって大 き く影響 され るが

合金が多量に使用 されてい るわ りにはこれ らの点に関する報告は少ない( 3 ) .そ こで筆者はこれ らの点に関す る基礎的研 究を進めてお り,すでに押出 し速度が比較的遅い場合に つ い て の結果を報告 した

4

5 ) . しか し押出 し速度が速 くなると材料 の変形抵抗が変化す ることや加工中に発生す る熱が多 くなる ことな どの影響により,押出 し加工性や押出し材の機嫌的性質 も当然変化す ると思われ るの で,今回はカムブラス トメータを利用 して実際現場操業に近い押出 し速度の もとに

と Siの量を種 々変えた

合金の熱問押出 し加工を行ない, そのときの押出 し圧力を調べ, あわせて押出 し材の機械的性質を調べて,低速押出 しの場合 と比較検討 した.

2.

試料の調製 と実験方法

試料の作成

試料 としては化学成分の押出 し加工性および機械的性質におよぼす影響をみ るために

および

, また

･

および

を組み合わせた

産額の合金を作成

した.

*機械工学科

30

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

使用地金は9

を用い, 内面をアル ミナで内張 りした黒鉛るつぼによ り溶解

した.溶湯の温度は7

で鋳込温度は7

,金型温度はほぼ1

とした.なお金型は直 径45

長 さ

のものを使用 した.金型鋳造後5

の均質化処理を行な っての ち,表面の柱状晶の影響を除去す るために鋳塊の表面を丸削 りしてビレッ トを作成 した. ど レッ トの寸法は押出 し装置の関係で,押出 し速度が速い場合のものは直径3

長 さ

, また押出 し速度が遅い場合のものは直径4

m 長 さ

とした. 表

は試料の配合成分 と その分析結果を示す.

表

試料の配合値と化学分析値 ( %)

化 学 分 析 値

Si l

M

過剰

l過剰

0.80 1 0.07

0.2 1 0.38

0

0.35 1 0.8 1 0.35 0.06l 〟

0.06l 〟

0.5 1 0.52 1 0.47 0.0^{7 l 〝}

80

50

9 0.50 1 0.68 1 0.05l 〟

2‑2

鋳塊の均質化処理

鋳塊の顕微鏡組織は,た とえ

小に よって大 きな違いが生 じ, この違いが押出 し加工性や押出し材の壊枕的性質に大 きな影

響をおよぼす と考え られ るので, 9 種類の合金を5

で

加熱後炉冷,空冷および

の水に急冷 した場合の組織を光学顕徴鏡および電子題徴鏡で調べた.

例 として

合金の

標準組成に近い試料

を光学顔徴鏡および電子顔徴鏡で観察 した結果を写真

に示す.なお

組織観察は試料を燐酸6

∝,硫酸1

,水24 c c , クロム酸1

の混合液で電解研摩 し,その

後0.

0 s e cェ ッチソグしてか ら行ない,電顕観察は t /プ リカ法に よった. こ

れ らによると均質化処理後炉冷の場合には粒界近傍の無析出帯

を除けば

が結

晶粒内に均一に全面析出 している. 水冷の場合には粒界にそ ってわずかに

認め られ るものの粒内には析出物は全然認め られず,ほ とん ど全部の

はAl 地に固溶

しているものと思われる.一方空冷の場合には粒界に析出物がわずかに認め られ るほかは粒

内にほとんど析出物が認め られず,本合金は均質化処理後空冷のみで大部分の

はAl

地に固溶するものと考え られ る.そ こで本実験においては均質化処理後空冷 した ものにら い

て熱問押出し加工を行な った.写真

ほ本実験に用いた

種塀の試料を5

加熱後

光学顔徴鏡

l y p ;. 守, { ‥∫

･ :: ' r リ . t . i ‑ うJ ( . . ヽ

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電子顕微鏡

1

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6/I L̲̲̲̲̲.一

(a)

加熱後炉冷 0)) ,/ 空冷 (C)

水冷

写真

空冷したときの原敬鏡組織を示す(写真の番号は試料番号を示す) . また図1にはそのときの 鋳塊の冷却曲線を示す . 冷却曲線は鋳塊の中心部と外周部(表面より

入った位置)に勲 問対をさし込んで測定したが ,中心部と外周部における冷却曲線の遭いは認められなかった.

実験方法 押出し温度および押出し速度が押出し加工性や押出し材の機械的性質におよはす影響をみ るために,押出し温度を

, 押出し速度は押出さ れてでてくる押出し材の速度で

および0

(ラムの移動速度で32mm/mjn) の2種短とした . なおダイス穴の形1封土円形で加工度は

%(押出し比は

と一定にした.

32

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長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

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8 9

写真

ビレットの顕微鏡組織

加熱後空冷)

600 500 a 400

注

300 監

200 100

20 40 60 80 100 120

叫 lin(I/))

図

均質化処理後空冷したときの 鋳塊 の冷 L ･ 1 ) 曲線

1

コソテナー 4

ム

2

ダイ ス

押 板

3

ビレット

熱電対

図

押出し装置

押 出 し装置 としては,押 出 し速度が速い場 合は

熱間 ダイス鋼 で作成 した内径

温 し所定 の温度 に連 してか ら試験機‑移 して押 出 し加工を行な った.なお押 出 し圧力は荷重

‑ ス トロー ク曲線 を

現像 シンクロス コープで

m フ イル ムに記録 して求めた.図

には

この押 JJ . し装際を示す. また押出 し速度が遅 い場 命には5

I )‑ レ型 万能試験激を使用 し,

コソテ. ナ‑の中に ビレッ トを括人後試験機に取 り付け,管状電気炉で コンテナー もろ とも加 熱 し所定の温度に達 してか ら

保持 して押 出 した.なお潤滑剤には黒鉛を使用 した.

押出 し材の機械的性質は押出 し材か ら直径

標点距

の試験片 を切削加工 し,

ソス トロン型引張試験機に よ り引張速度

で引張試験 を行な った. またかた きは 押 出 し材中央部の組織が安定 してい るところか ら切 り出 した試料 の縦断面をェメ リーベーパ と′くフで仕上げてか ら

水溶液に浸漬 して表面 の加工層を除去 して, マイ クロビッ カース硬度計 ( 荷重

で測定 した.

3.

実験結果 とその考察

押 出 し圧力

図

は

種類の試料を押出 し速度

と

で押出 したときの押出 し圧力 と押 出 し温度の関係を半対数方眼紙上に表わ した ものであ る. これに よると押出 し圧力は化学成 分の違 いおよび押 出 し速度の大小に よ り異なるが,いずれ も押出 し温度の上昇につれ て直線 的に減少 しているので,押 出 し圧力および押出 し温度をそれぞれ

とすれば

p‑Ae l T

‑･ ･ ･ ( 1 ) ( A

LL. )

2

(Zヨ＼叫1)trTJJ

..F]. dz

400 440 480 520 押出し温度 (℃)

図

押出し圧力と押出し温度の関係

34

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号 とお くことができる.(

の関係は

および

( T )の示 した関係 と一致す る. そ こで この 1の値 を図 3か ら各試料について計算 した結果を表

に示す. これに よると,押出 し 速度が速い場合には化学成分 と 1倍の間には特 別の関係は認め られずほぼ

の間に あるが,押出し速度が遅い場合には

の革が 増えるにつれて 1値は小さ くなる傾向を示す.

そ して平均値は押出 し速度が速い場合には

とな り, この値は麻田 ら( 8 )が300t

押出し機 を使 って求めた値の

とほぼ一致 した. 普 た押出 し速度が遅い場合の 1倍の平均は

とな り

7 )が

合金で求めた値 の

とほとんど一致 した.

また( 1 ) 式において )の値が小さ くなると P が 大 き くなる.す なわち

は押出 し圧力を高め

表

1 の 値

1 0.0040 l o.0081 2 0.0050 I o.0069.

3 0.0049 0.0054 4 0.0044 1 0.0080 5 0.0045 l o.0061 6 0.0048 l o.0054 7 0.0051 l o.0081 8 0.0049 l o.0061 9 0.0055 卜 0.0054

平

て押 出し加工性 を減ずる傾向を示す と思われ るので, この点を くわ しく調べ るために,押出 し圧力が

とSi の量に よって どのように変化す るかを調べた.その結果を図

に示す. こ れに よると押出 し速度の大小お よび押出 し温度の高低に よって押出 し圧力の値は異なるが,

いずれ もMg の量が増えるにつれて押出 し圧力が上昇 し, とくに押出 し速度が速い場合に こ

‑ ' ‑ 押出 し速度

〃

q押出 し温度

℃

x

, ,

℃

▲ 〃 480

℃

〃 520

℃

(NtutnJB1)常世]召監

㌦ 一･･一

一 ■

I‑

一

▲

15

▲

J

,

ノ 1

0

●

0.2 0.5 0.8

Mg( %)

Si0.35%

/

i ･‑I̲::‑; :

ノ

ー

′

一

′●

▲′ ノ

●一′

0.2 0.5 0.8

Mg( 紘)

45 40 35 30 25

2 0

15 10

0.2 0.5 0.8

Mg( %)

図4 押出し圧力におよはす

の傾向が著 しい. しか し

の量が増えた場合には押 出 し速度 が速 い場合に押 出 し圧力が若干 上昇す るものの,押 出 し速度が遅 い場合にはほ とん ど押 出 し圧力わ上昇は認め られない.

つ ぎに押 出 し速度 と押 出 し圧力 の関係については

r a q ,竹 内

1

, 掘 ら

Dに よ って,押 出 し速度が増加す るにつれて押 出 し圧力 は高 くな り,両者の関係を両対数方眼紙 に か くと直線関係を示す と報告 され てい る. す なわち押 出 し圧 力を P ,押 出 し速度をγ とす る と

は定数) の関係にあ る. そ こで今回の

種類の試料について押 出 し圧力 と 押 出 し速度 の関係を両対数方眼紙 にかい てみた.

例 として図

に試料

の場合を示す. こ れ らの図か らn の値 を計算 し,9 種類の試料の平均値を求め ると

押 出 しの場合は0.

,

押 出 しの場合は0.

そ して52

れ て

値 は高 くな ったが, これ らの値は竹内 ら( 2 )が

求めた値 よ り若干大 き くな った. この理 由は,竹 内 らも指摘 してい るよ うに,押 出 し速度 の 変化に対 して押 出 し圧力の変化は小 さいか ら 〃値 の誤差 が大 き くな りがちであ ることお よび 押 出 し速度 を

種持 しか変えていない こと

な どに よるもの と思われ る.

3‑2

押 出 し材 の機械的性質

図

図

は

種類の試料 を押 出 し速度

お よび5

の押 出 し材 のかた さ, 引張強 さ

力 お よび伸びを調べた結果を示す.図

は

お よび0.

で押 出 した押 出 し材 のかた さにお よぼす

とMg の影響 を

(>)杓rJtGE 5040302

0

(zLuuJJ

B1 )

一 一 一 一 ■ 一 一̲ 一 一 一 一一 一 一 ●▲

+ , ̲‑‑

小

.

. ■ 一

一 一

一

ケ

押出 し

速増(

図

押出し圧力と押出し速度の関係

( 試料‑‑ 6)

̲ ̲ ̲ + ̲ ̲ ̲

80 70 60 50

10 30 20 10

0.2 0.5 0.8 0.2 0.5 0.8

ME!(%) Mg(%)

押

温

℃

℃

℃

℃

80

70 60 50

40

30

20 10

0.2 0.5 0.8 Mg(%)

図 6 押出し材のかたさにおよはす

36

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

示 し

点は

1 0ヶ所 の平均値である.図

は

i

で押出 した押出し材の引張試験の 結果,そ して図

は

で押出した押出 し材の引張試験の結果である.これ らによる と押出し材のかたさは,押出 し速度の速い場合の方が遅い場合 よりも明 らかにかたい.また 引張強さも

および

の量が多い場合には,押出 し速度が速い場合の方が遅い場合に比較 して高 くなっている. しか し押出し速度が速い場合で も押出 し温度が

以下で押出した 場合および押出 し速度が遅い場合には

以下の温度で押出 した場合には

および

の量が増加 して も引張強 さはほ とん ど変化せず値 も一様に低い.一方伸びは押出 し速度が速 い場合の方が遅い場合に比較 して 5% ほ ど大 き くなっているが

および Siの量による変 化はあまり認め られない.このように

と

の量が多い試料において,押出 し温度が高 く なるほど強度が上昇するのは

合金の硬化要素である

が温度が高 くなるほど

地に多 く固溶す るためであ り,逆に

および

の量が少ない試料は

の絶対量が少な いので

の固溶に よる強度の増大はほとん ど期待できず,加工硬化の影響により押出 し温度が低い場合の方が強度は高 くなっている.また押出 し速度が速い方が加工中に発生す る熱が大 きいので

が よ り多 く

地に固溶す るために強度は上昇す るもの と思 わ れ る.

･ ‑‑‑ ‑ ･ 押出

温

℃

x X ,J 440

℃

EL ‑I‑...ヰ rJ 400

℃

W.

(a tutD

W

b .( Ztm

)･

0.2 0.5 0.8 0.2 0.5 0.8

Mg(%) Mg(%)

/ ..言｢ . E ､

0.2 0.5 0.8 Mg(%)

図

押出し材の機械的性質におよはす

j

の影響

( 押出し速度

･一一‑‑･押出し温

℃

ふ‑ I‑

°

℃

x x ,' 440

℃

E‑ ･I‑4 ク 400

℃

gL)･

(l ‑ J

藷 一.(.

'(

m

.n

0.2 0.5 0.8 hlg(%)

052

0.2 0.5 0.8 0.2 0.5 0.8 1Tg(%) h

l

( %) 図

押出し材の校按的性質におよはす

の影響

( 押出し速度 0. 4m/mi n)

以上のように押出 し材の機械的性質は押出 し速度,押 出し温度お よび

と

の量に よっ て大 きく影響 され,良好な機械的性質を得るためには

以上で

以上の合 金を押出 し速度

の場合には

以上の温度で, また押出 し速度

の場合 には

以上の温度で押出す ことが必要であることがわか った.

4.

結 論

Mg

および

の量を変えた

合金を,カムブラス トメータを使用 して,実際現場操業に 近い押出 し速度のもとに

の範囲で熱問押出 し加工を行ない, そのときの押出 し 圧力の変化を調べ,かつ押出 し材のかた さ測定や引張試験を行なって,低速押出 しの場合 と 比較 した ところつ ぎのようなことがわか った.

( 1 ) 押出し圧力

と押出 し温度

の関係

^{l T} において,スの値は押出 し速度が

min

のときは平均値で

であった.また押 出し速度が

のときは平均値で

とな り

量が多 くなるにつれて 1倍は小さ くなる傾向を示 した.

38

長野工業高等専門学校紀要 ･第

号

(2)

押 出し速度 V と押出 し圧力 P の関係 p‑C

において

の平均値は 押 出 し温 度 が

のとき

のとき

そして

のとき

とな り,温度が高 くなるにつれ て n 値はわずかに大 き くなった.

(3)

押出し加工性 と

および

の関係は,Mg の量が増加す ると押出 し圧力が高 くな り押 出 し加工性は著 しく低下 したが,Si は押出し加工性をそれほ ど低下 させなか った.

( 4 ) 押 出し材の琉枕的性質は押出 し速度,押出 し温度および

影響を受 け,良好な横枕的性質はSi

minの場合には440oC以上の温度で,また押出 し速度が0.4m/minの場合には480oC以上の

温度で押出す ことに よって得 られた.そ して押出 し速度が速い場合の方が遅い場合よりもか た さや引張強 さが大 き くな りかつ伸びも大き くな ったが, これは押出し速度が速いほ どMg

Si

が

地に多 く固溶す るためであると考え られる.

終 りに本実験を行な うにあた り,東京工業大学高橋恒夫教授には試料の作成 とその化学分 析等に御援助を賜わ り, また カムブラス トメータの使用については富山大学時沢貢助教授の 御援助を賜わ りましたことを付記 して深 く感謝の意を表 します.

参 考 文 献

(1)

竹内寛司,小林啓行,菊地隆士 :軽金属

竹内寛司,草野拓男 :軽金属

(3)

寺井士郎,馬場義雄 :住友軽金属技報

( 4 ) 小林義一 :長野工業高等専門学校紀要,第

号

( 5 ) 高橋恒夫,小林義一,小島陽 :軽金属

(6) W.P.Schishokin :Zhur.Priklad.Khim

i

,A

(8)

麻田宏,田中英八郎,小池書歳,森本三郎 :日本金属学会誌

γ

(10 A

.

的 堀茂徳,時沢貢,室谷和雄 :軽金属

1