JP5424391B2

JP5424391B2 - マグネシウム合金圧延材並びにその製造方法

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Publication number: JP5424391B2
Application number: JP2009227673A
Authority: JP
Inventors: 智之本間; 一樹平井; 健介山本; 重晴鎌土
Original assignee: Nagaoka University of Technology
Current assignee: Nagaoka University of Technology
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011074461A

Description

本発明は、マグネシウム合金圧延材並びにその製造方法に関するものである。

マグネシウムはアルミニウムよりも比重が小さく（構造用金属材料の中では最も軽く）軽量化が容易で、また比剛性が高く、更に天然資源が豊富でリサイクル性にも富むなどの利点を有することから、このマグネシウムを主成分とした種々のマグネシウム合金が提案されている。

ところで、近年のマグネシウム合金の普及及び用途拡大に伴い、更なる機械的性質の向上が要望されている。

そこで、例えば特許文献１，２に開示されるように、アルミニウム，カルシウム及びマンガンを含有するマグネシウム合金材が提案されており、この特許文献１，２においては、アルミニウム及びマンガンを含有させることで強度を向上させ、アルミニウムの増加に伴う難燃性（耐熱性）の低下をカルシウムにより抑制することで、希土類元素を含まずに耐熱性に優れたマグネシウム合金材を安価に製造できるとされている。

特開２００４−１６２０９０号公報特開２００４−２３２０６０号公報

本発明は、マグネシウム合金材の更なる機械的性質の向上を図るべく、種々の実験を行った結果、アルミニウム、カルシウム及びマンガンを夫々所定量含有させると共に、アルミニウム及びカルシウムを略同量含有させたマグネシウム合金に所定の圧延加工を行うことで、極めて機械的性質に優れるマグネシウム合金圧延材を製造可能となることを見出し完成したもので、極めて優れた機械的性質を発揮可能で且つ低コストで製造可能な極めて実用性に優れるマグネシウム合金圧延材並びにその製造方法を提供することを目的としている。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、前記粗圧延加工より低い圧下率で且つ前記粗圧延加工より低い温度で仕上圧延加工して成ることを特徴とするマグネシウム合金圧延材に係るものである。

また、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工して成ることを特徴とするマグネシウム合金圧延材に係るものである。

また、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工して成り、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上であることを特徴とするマグネシウム合金圧延材に係るものである。

また、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて、前記粗圧延加工より低い圧下率で且つ前記粗圧延加工より低い温度で仕上圧延加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法に係るものである。

また、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法に係るものである。

また、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工を行うことで、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上のマグネシウム合金圧延材を製造することを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法に係るものである。

本発明は上述のように構成したから、極めて優れた機械的性質を発揮可能で且つ低コストで製造可能な極めて実用性に優れるマグネシウム合金圧延材並びにその製造方法となる。

本実施例の引張特性を示すグラフである。実験例１の実験結果を示すグラフである。実験例２の実験結果を示すグラフである。実験例３の実験結果を示すグラフである。

好適と考える本発明の実施形態を、図面に基づいて本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明に係るマグネシウム合金圧延材は、０．５〜３．５質量％のアルミニウムと、０．５〜３．５質量％のカルシウムと、０．３０質量％以下のマンガンとを含有し、残部がマグネシウム及び不可避不純物から成り、前記アルミニウムと前記カルシウムとを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を圧延加工して成形する。

具体的には、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、前記粗圧延加工より低い圧下率で且つ前記粗圧延加工より低い温度で仕上圧延加工することで、特許文献１の表１に開示される引張強さ（１０４．８〜１５８．０ＭＰａ）及び伸び（１．７５〜２．５３％）を大幅に超える、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上のマグネシウム合金圧延材を得ることができる。

これは、（１）０．５〜３．５質量％のアルミニウムが含有されることで、引張変形中の双晶の発生が抑制され強度が向上し、また、動的再結晶による結晶粒微細化に伴い延性が向上し、（２）アルミニウムと略同量のカルシウムが含有されることでも上記双晶の発生が抑制され、且つ、粒界及び粒内にＣ１５（Ａｌ_２Ｃａ）型化合物が生成し、このＣ１５型化合物が上記動的再結晶を促進し、大量に生成した微細結晶粒が強い集合組織を形成し、（３）上記量のアルミニウム及びカルシウムに加え、更に０．３０質量％以下のマンガンが含有されることで、微細なＡｌ−Ｍｎ系析出物が析出し、この析出物により上記双晶の発生が抑制され、Ｃ１５型化合物が再結晶粒をピン止めすることで上記動的再結晶による再結晶粒が微細化し、更に強い集合組織も形成され、（４）当該集合組織が形成されることで、引張特性が顕著に向上したためと考えられる。

本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。

本実施例は、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工を行うことで、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上のマグネシウム合金圧延材を製造するものである。

本実施例においては、０．５０質量％のアルミニウムと、０．５０質量％のカルシウムと、０．３０質量％のマンガンとを含有し、残部がマグネシウム及び不可避不純物から成るマグネシウム合金を用いた（アルミニウムとカルシウムとが約１：１の割合で含有）。

尚、各元素の含有量は、アルミニウム及びカルシウムは０．５〜１．０質量％の範囲で、マンガンは０．３０質量％以下の範囲で夫々適宜設定するのが好ましい。アルミニウムの含有量が上記数値を超える、あるいはカルシウムの含有量が上記数値より少ないと、不可避不純物であるＣ３６（（Ｍｇ，Ａｌ）_２Ｃａ）型化合物及びＣ１５（Ａｌ_２Ｃａ）型化合物が晶出し易くなり脆化し易くなるという問題が生じ、カルシウムの含有量が上記数値を超える、あるいはアルミニウムの含有量が上記数値より少ないと、不可避不純物であるＣ３６（（Ｍｇ，Ａｌ）_２Ｃａ）型化合物及びＣ１４（Ｍｇ_２Ｃａ）型化合物が晶出し易くなり脆化し易くなるという問題が生じ、マンガンが上記数値範囲を超えると不可避不純物であるＡｌ−Ｍｎ系の化合物が晶出して脆化してしまうからである。また、アルミニウムとカルシウムの割合は約１：１の割合で含有させるのが好ましいが、多少の誤差を考慮し、アルミニウムとカルシウムの割合は０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の範囲で適宜設定する。Ｃａ／Ａｌ比が１未満であるとカルシウムを含有させることによる耐熱性及び難燃性向上効果が十分でなく、１を超えると耐熱性及び難燃性向上効果が頭打ちとなるからである。

また、本実施例においては、圧下率５０％／パスで且つ３００℃で粗圧延加工を行い、続いて圧下率３０％／パスで且つ２００℃で仕上圧延加工を行うことで製造した。具体的には、厚さ２５ｍｍの板状の上記マグネシウム合金に、試料温度を４００℃としロール温度を３００℃として圧延速度２０ｍ／ｍｉｎ、圧延パス数２パスで粗圧延加工を行い、中間熱処理として２００℃で０．５ｈ保持した後、試料温度を２００℃としロール温度を２００℃として圧延速度２０ｍ／ｍｉｎ、圧延パス数３パスで仕上圧延加工を行うことで、厚さ２．０ｍｍの板状のマグネシウム合金圧延材を得た。また、この際、潤滑剤として黒鉛系潤滑剤（スーパーコロハイト等）を使用した。

尚、粗圧延加工時の圧下率は４０〜６０％の範囲で適宜設定し、加熱温度は３００〜４００℃の範囲で適宜設定する。圧下率が上記数値範囲外となると動的再結晶が十分に生じず、結晶粒微細化が不十分なため組織が不均一となり、加熱温度が上記数値範囲外となると端割れや板自体の割れが生じるからである。また、仕上圧延加工時の圧下率は１５〜３５％の範囲で適宜設定し、加熱温度は２００〜３００℃の範囲で適宜設定する。圧下率が上記数値範囲外となると動的再結晶が十分に生じず、結晶粒微細化が不十分なため組織が不均一となり、加熱温度が上記数値範囲外となると端割れや板自体の割れが生じ、また、結晶粒の粗大化という問題が生じるからである。また、圧延速度は速い方が好ましいが５〜２０ｍ／ｍｉｎの範囲及びそれ以上の速度で適宜設定する。圧延速度が増加すると、ミクロ組織の均一性が向上し、その結果、伸びの増加及び異方性の改善が図れるからである。

以上のマグネシウム合金及び圧延加工により製造されたマグネシウム合金圧延材から、採取方向を圧延方向に対し０°、４５°、９０°として夫々採取したサンプルの各引張強さ、０．２％耐力及び伸びを夫々評価したところ、図１（ＡＸＭ０５０５０３）に図示したように、引張強さは２００ＭＰａ、０．２％耐力は１５０ＭＰａ、伸びは１５％以上であった。また、引張強さ、０．２％耐力及び伸び（引張特性）は、ひずみ速度：１×１０^−３ｓ^−１、試験温度：室温、試験片寸法：ＪＩＳ１４Ｂで、夫々評価した。

また、図１中、ＡＸＭ１０１００３は、１．０質量％のアルミニウムと、１．０質量％のカルシウムと、０．３０質量％のマンガンとを含有し、残部がマグネシウム及び不可避不純物から成り、粗圧延加工前に、５００℃で２４ｈ保持し、その後、空冷する均質化処理を施したマグネシウム合金（均質化材）を用いて上記同様の条件で圧延したサンプルであり、ＡＸＭ０５０５０３に比し伸びは若干下回るものの、引張強さ及び０．２％耐力に優れるものとなる。

これは、上記マグネシウム合金は３００〜４００℃で圧延する際に５０％以上の絞りを示す加工性に優れたものであり、しかも、粗圧延加工時の圧下率を５０％と大きく設定することで、１パス当たりのひずみ量を大きくすることが可能となり、再結晶率の向上を図ることができ、それだけ動的再結晶による結晶微細化が促進され、微細結晶粒の集合組織が形成されることで強度的にも優れたものとなるからと考えられる。

従って、本実施例は、優れた機械的性質を発揮可能で且つ低コストで製造可能な極めて実用性に優れたマグネシウム合金圧延材を得ることが可能なマグネシウム合金圧延材の製造方法となる。

以下、０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を圧延加工して成るマグネシウム合金圧延材が優れた機械的性質を発揮できる裏付けとなる実験例について説明する。

［実験例１］
アルミニウムとカルシウムとが含有されたマグネシウム合金（鋳造まま材）において、アルミニウムとカルシウムの含有量を夫々、０．５質量％ずつ（計１．０質量％）、１．０質量％ずつ（計２．０質量％）、１．５質量％ずつ（計３．０質量％）、２．０質量％ずつ（計４．０質量％）、３．５質量％ずつ（計７．０質量％）とした各サンプルに、ラム速度０．１ｍｍ／ｓｅｃ、押出温度を３５０℃（３５０℃で１０ｍｉｎ保持後に押出、その後、空冷）、押出比を２０に夫々設定した間接押出法により押出加工を行い、引張特性をひずみ速度：１×１０^−３ｓ^−１、試験温度：室温、試験片寸法：ＪＩＳ１４Ａで評価したところ、図２に図示したように、いずれのサンプルにおいても、引張強さ２５０ＭＰａ以上、０．２％耐力２００ＭＰｓ以上、伸び４％以上となることが確認できた。また、含有量を１．０質量％ずつ〜２．０質量％ずつとしたサンプルにおいては、引張強さ及び０．２％耐力が３００ＭＰａ程度若しくはそれ以上となり、且つ、伸びも６％以上となることから、この範囲が特に好ましい範囲であると考えられる。

［実験例２］
アルミニウムとカルシウムとが含有されたマグネシウム合金（鋳造まま材）において、アルミニウムとカルシウムの含有量を夫々２．０質量％ずつとし、マンガンの含有量を夫々、０質量％、０．０５質量％、０．１５質量％、０．３０質量％とした鋳造押出材サンプル、並びに、鋳造まま材の代わりに均質化材を用いた以外は上記鋳造押出材サンプルと同様の均質化押出材サンプルに、上記実験例１と同様の条件で押出加工を行い、上記実験例１と同様に引張特性を評価したところ、図３に図示したように、引張強さ及び０．２％耐力はマンガンの含有量が増えるほど向上することが確認でき、伸びはマンガンを少量含有するサンプルよりもより多く含有する方が向上することが確認できた。これより、マンガンを含有させることで、実験例１に比し引張特性が向上することが確認できた。また、鋳造まま材を用いた鋳造押出材の方がより優れた特性を発揮することが確認できた。

［実験例３］
実験例２と同様のサンプルの圧縮強さ及び引張強さを評価したところ、図４に図示したように、マンガンを含有させることで、圧縮耐力はＡＺ３１押出まま材に比し１００〜１１７ＭＰａ程度向上し、引張耐力は１３０〜１６９ＭＰａ程度向上することが確認できた。図４より、鋳造まま材を用いた鋳造押出材の方がより優れた特性を発揮することが確認できた。

以上から、０．５〜３．５質量％のアルミニウムと、０．５〜３．５質量％のカルシウムと、０．０５〜０．３０質量％のマンガンとを含有し、残部がマグネシウム及び不可避不純物から成り、前記アルミニウムと前記カルシウムとを約１：１の割合で含有するマグネシウム合金を用いることで、極めて優れた機械的性質を有するマグネシウム合金押出材を製造できることが確認でき、押出加工と同様に塑性加工である圧延加工により形成される圧延材おいても同様の結果が推測されることから、上記マグネシウム合金を用いることで優れた機械的性質を発揮するマグネシウム合金圧延材が製造できると考えられる。

Claims

０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、前記粗圧延加工より低い圧下率で且つ前記粗圧延加工より低い温度で仕上圧延加工して成ることを特徴とするマグネシウム合金圧延材。
０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工して成ることを特徴とするマグネシウム合金圧延材。
０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金を、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工し、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工して成り、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上であることを特徴とするマグネシウム合金圧延材。
０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて、前記粗圧延加工より低い圧下率で且つ前記粗圧延加工より低い温度で仕上圧延加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法。
０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて、圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工を行うことを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法。
０．５〜３．５質量％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．５〜３．５質量％のカルシウム（Ｃａ）と、０．３０質量％以下のマンガン（Ｍｎ）とを含有し、残部がマグネシウム（Ｍｇ）及び不可避不純物から成り、前記アルミニウム（Ａｌ）と前記カルシウム（Ｃａ）とを０．９０〜１．１０：１．１０〜０．９０の割合で含有するマグネシウム合金に、圧下率が４０〜６０％の範囲で且つ３００〜４００℃の温度範囲で粗圧延加工を行い、続いて圧下率が１５〜３５％の範囲で且つ２００〜３００℃の温度範囲で仕上圧延加工を行うことで、引張強さが２００ＭＰａ以上、０．２％耐力が１５０ＭＰａ以上且つ伸びが１５％以上のマグネシウム合金圧延材を製造することを特徴とするマグネシウム合金圧延材の製造方法。