JP5892212B2 - マグネシウム合金板、マグネシウム合金部材、及びマグネシウム合金板の製造方法 - Google Patents
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Description
鋳造工程:AlとMnとを含有するマグネシウム合金を板状に鋳造する工程。
圧延工程:上記鋳造工程により得られた鋳造板を圧延する工程。
特に、上記鋳造は、双ロール連続鋳造法により行う。また、この鋳造は、ロール温度を100℃以下とし、この鋳造により得られる鋳造板の厚さが5mm以下となるように行う。
《組成》
本発明マグネシウム合金板及び本発明マグネシウム合金部材を構成するマグネシウム合金は、添加元素に少なくともAlとMnとを含有する種々の組成のもの(残部:Mg及び不純物)が挙げられる。Al及びMn以外の添加元素としては、Zn,Si,Ca,Sr,Y,Cu,Ag,Ce,Zr及び希土類元素(Yを除く)から選択された1種以上の元素が挙げられる。特に、Alを5質量%以上12質量%以下、Mnを0.1質量%以上2.0質量%以下含有することが好ましい。Al及びMnを上記範囲で含有することで、強度や伸びといった機械的特性に優れる上に、耐食性にも優れる。但し、上記元素の含有量が多過ぎると、塑性加工性の低下などを招く。Al,Mn以外の添加元素の含有量は、Zn:0.2〜7.0質量%、Si:0.2〜1.0質量%、Ca:0.2〜6.0質量%、Sr:0.2〜7.0質量%、Y:1.0〜6.0質量%、Cu:0.2〜3.0質量%、Ag:0.5〜3.0質量%、Ce:0.05〜1.0質量%、Zr:0.1〜1.0質量%、RE(希土類元素(Yを除く)):1.0〜3.5質量%が挙げられる。Al及びMnに加えて、これらの元素を含有することで、機械的特性を更に高められる。Al及びMnと、これらの元素の1種以上とを上記範囲で含有する合金の組成として、例えば、ASTM規格におけるAZ系合金(Mg-Al-Zn系合金、Zn:0.2〜1.5質量%)、AM系合金(Mg-Al-Mn系合金、Mn:0.15〜0.5質量%)などが挙げられる。特に、Alの含有量(以下、Al量と呼ぶ)が多いほど、機械的特性や耐食性に優れて好ましく、Al量が5.8質量%以上10質量%以下がより好ましい。Al量が5.8〜10質量%のマグネシウム合金として、例えば、Mg-Al-Zn系合金では、AZ61合金、AZ80合金、AZ81合金、AZ91合金、Mg-Al-Mn系合金では、AM60合金、AM100合金などが好適な組成である。とりわけAl量が8.3〜9.5質量%であるAZ91合金は、他のMg-Al系合金と比較して、耐食性や強度、耐塑性変形性といった機械的特性に更に優れる。
本発明合金板は、対向する一対の一面及び他面を具え、これらの二面は、代表的には、平行関係にあり、通常、使用場面において表裏の関係にある。これら一面及び他面は、平面でも曲面でもよい。これら一面と他面との間の距離がマグネシウム合金板の厚さとなる。本発明合金板は、上述のように厚さ5mm以下の鋳造板に圧延を施して得られることから、本発明合金板の厚さは、5mm未満である。特に、本発明合金板は、プレス加工といった塑性加工が施されて、薄く軽量な筐体や各種の部材の素材に利用されることから、当該合金板の厚さは、0.3mm〜3mm程度、特に0.5mm以上2.0mm以下が好ましく、当該範囲において厚いほど、強度に優れ、薄いほど、薄型、軽量な筐体などに適する。所望の用途に応じて鋳造条件や圧延条件を調整して、最終的に得られるマグネシウム合金板の厚さを選択するとよい。
本発明合金板や本発明合金部材は、上述のように低温環境下であっても強度や伸びといった機械的特性に優れ、落下などの衝撃を受けた際にも凹み難い。例えば、-30℃における引張試験において、本発明合金板や本発明合金部材においてプレス加工などの塑性加工に伴う変形(例えば、絞り加工による変形など)が実質的に施されていない平坦な箇所(素材の板とほぼ同様な箇所)は、引張強さ:350MPa以上、0.2%耐力:280MPa以上、伸び2%以上を有する。
<晶出物>
本発明合金板は、その表面側の領域から任意の小領域をとって組織観察を行った場合、粗大な晶出物が実質的に存在せず、微細な晶出物が僅かに存在する組織を有する。より具体的には、上記合金板の厚さ方向において、当該合金板の表面から当該合金板の厚さの30%までの領域を表面領域とし、この表面領域から任意に選択された50μm2の小領域をとり、一つの小領域に存在する全ての晶出物の粒径を測定する。そして、各晶出物の最大径を測定したとき、一つの小領域に対して、最大径が0.1μm以上1μm以下である微細な晶出物が15個以下である。最大径が0.5μm以下の晶出物しか存在しないことがより好ましい。1μm超の粗大な晶出物が存在すると、落下などの衝撃を受けたとき、この粗大な晶出物が割れなどの起点となり得るため、割れや亀裂が生じ易く、耐衝撃性が低い。また、最大径が1μm以下の晶出物であっても、50μm2に対して15個超存在すると、割れや亀裂の起点が多くなることで、強度の低下を招き、耐衝撃性が低くなる。最大径が0.1〜1μmの晶出物の粒子が少ないほど耐衝撃性に優れる傾向にあり、10個以下がより好ましく、理想的には0個が望ましい。上記晶出物は、AlとMnの双方を含むものとする。最大径の測定方法の詳細は、後述する。なお、本発明では、割れの起因になり難いと考えられる極微細な晶出物、即ち、最大径が0.1μm未満の晶出物の存在を許容するが、上述のように晶出物は存在しない方が好ましい。
本発明合金板として、平均結晶粒径が小さく、20μm以下といった微細組織を有するものが挙げられる。上述のように特定の条件の連続鋳造を行うことで微細組織を有する鋳造板が得られ、このような鋳造板に圧延を施すことで、上記微細組織を有する圧延板とすることができる。このような微細組織を有する本発明合金板は、強度や伸びといった機械的特性にも優れ、低温環境下であっても耐衝撃性を高められる。また、上記微細組織を有するマグネシウム合金板や、この圧延板にレベラー処理などの矯正処理を行った処理板により得られた本発明合金部材も、平均結晶粒径が20μm以下の微細組織を有することができ、耐衝撃性に優れる。より好ましい平均結晶粒径は、0.1μm以上10μm以下である。
《鋳造》
本発明製造方法では、双ロール連続鋳造法を利用する。この鋳造において鋳型に利用するロールの温度を100℃以下、得られる鋳造板の厚さを5mm以下とする。このように鋳造板の厚さを薄く、かつロール温度を低くすることで、急冷凝固により上述のように晶出物の生成を抑制し、晶出物が小さくかつ少ない鋳造板とすることができる。ロール温度を100℃以下とするには、水冷などの強制冷却が可能なロールを利用することが挙げられる。ロール温度が低いほど、また、鋳造板の厚さが薄いほど、冷却速度を速めて晶出物の生成を抑制することができる。そのため、ロール温度は60℃以下、鋳造板の厚さは4.0mm以下がより好ましい。この鋳造工程(冷却工程も含む)は、マグネシウム合金の酸化などを防止するために、不活性ガス雰囲気で行うことが好ましい。
圧延条件は、例えば、素材の加熱温度:200〜400℃、圧延ロールの加熱温度:150〜300℃、1パスあたりの圧下率:5〜50%が挙げられ、所望の厚さとなるように複数パス行うとよい。特許文献1に記載される制御圧延を利用してもよい。上記鋳造材に圧延を行うことで、鋳造の金属組織ではなく圧延組織などとすることができる。また、圧延を行うことで、平均結晶粒径が20μm以下の微細組織が得られ易く、かつ鋳造時の偏析や引け巣や空隙(ポア)といった内部欠陥、表面欠陥などを低減して、表面性状に優れた圧延板が得られる。最終の圧延後に最終熱処理を施して平均結晶粒径が20μm以下の微細な再結晶組織とすると、得られた圧延板の強度や耐食性を更に高め易い。
本発明合金部材は、上記圧延板(熱処理などを施したものも含む)に、所望の形状となるようにプレス加工(打ち抜きも含む)、深絞り加工、鍛造加工、ブロー加工、曲げ加工といった塑性加工を施すことで得られる。この塑性加工は、200〜280℃の温間で行うと、圧延板の組織が粗大な再結晶組織となることを低減して、機械的特性や耐食性が劣化することを低減できる。上記塑性加工後に熱処理や防食処理を施したり、塗装層を形成してもよい。
[試験例1]
表1に示すマグネシウム合金からなるインゴット(いずれも市販)を用いて種々の条件でマグネシウム合金板やマグネシウム合金部材(筐体)を作製し、得られたマグネシウム合金板やマグネシウム合金部材の組織観察、引張試験(低温)、衝撃試験(低温)を行った。作製条件は以下の通りである。
マグネシウム合金のインゴットを不活性雰囲気中で700℃に加熱して溶湯を作製し、この溶湯を用いて上記不活性雰囲気中で双ロール連続鋳造法により、厚さ4.0mm(<5mm)の鋳造板を複数作製する。この鋳造は、ロール温度が60℃(<100℃)となるようにロールを冷却しながら行う。得られた各鋳造板を素材とし、素材の加熱温度:200〜400℃、圧延ロールの加熱温度:150〜300℃、1パスあたりの圧下率:5〜50%の条件で、素材の厚さが0.6mmになるまで複数回圧延を施し、圧延板を作製する。得られた圧延板(マグネシウム合金板)を試料(板)とする。また、得られた圧延板に、加熱温度:250℃で角絞り加工を施して、断面[状の箱状体を作製し、この箱状体(マグネシウム合金部材)を試料(筐体)とする。
市販のダイキャスト品(断面[状の箱状体、底面部分の厚さ:0.6mm)である。
(条件C:市販板)
市販のAZ31合金からなる板(厚さ:0.6mm)である。
(条件D:市販筐体)
AZ31合金からなる板(厚さ:0.6mm)に角絞り加工が施された、断面[状の箱状体(底面部分の厚さ:0.6mm)である(市販品)。
得られた各試料について、以下のように金属組織を観察し、晶出物を調べた。試料(板)では、試料を板厚方向に切断し、その断面を透過型電子顕微鏡(20,000倍)で観察する。この観察撮像において、試料(板)の厚さ方向に、当該試料(板)の表面から当該試料(板)の厚さの30%(0.6mm×30%=0.18mm)までの領域を表面領域とする。この表面領域から、任意の50μm2の小領域を5箇所選択し、各小領域中に存在する全ての晶出物の大きさを測定する。晶出物の判定は、組成により行う。上記断面を鏡面研磨した後、例えば、EDXなどに代表される定性分析と半定量分析とを用いて断面に存在する粒子の組成が求められ、Al及びMnを含む粒子を晶出物とする。なお、Al及びMnを含む各晶出物の粒子についてAlの質量とMnの質量との比Al/Mnを測定したところ、試料No.1-1,1-2のいずれもAl/Mn=2〜5であった。そして、上記断面における各晶出物の粒子について当該断面に平行な直線を引き、各粒子におけるこの直線を横断する長さの最大値をその粒子の最大径とし、最大径が0.1μm以上1μm以下の大きさの晶出物の数をその小領域の晶出物の数とし、5箇所の小領域の平均をこの試料の晶出物の数/50μm2とする。試料(筐体)では、試料において絞り変形を伴わない平坦な部分である底面部を板厚方向に切断して、その断面を上記試料(板)と同様に観察して、晶出物の数/50μm2を測定する。但し、上記観察撮像において最大径が5μm以上を超えるような粗大な晶出物が見られる場合、小領域の面積を200μm2とし、この200μm2内に存在する晶出物の最大径、及び晶出物の数/200μm2を測定する。なお、上記各小領域は、上述の各面積を満たせば、特に形状は問わないが、矩形状(代表的には正方形)などが利用し易い。測定結果を表1に示す。
各試料(厚さ:0.6mm)からJIS 13B号の板状試験片(JIS Z 2201(1998))を作製して、JIS Z 2241(1998)の金属材料引張試験方法に基づいて引張試験を行った。ここでは、試料(板)では、標点距離GL=50mmとし、試料(筐体)では、標点距離GL=15mmとし、いずれの試料も試験温度:-30℃、引張速度:5mm/minとして引張試験を行い、引張強さ(MPa)、0.2%耐力(MPa)、伸び(%)を測定した(評価数:いずれもn=1)。その結果を表1に示す。なお、試料(筐体)では、試料において絞り変形を伴わない平坦な部分である底面部から切り出して上記引張試験の試験片、及び後述する衝撃試験の試験片を作製している。
各試料から30mm×30mmの板片を切り出し、この切り出した板片を試験片とする。この試験では、図1に示すように、水平な面に直径d=20mmの円穴21を有する支持台20を用意した。円穴21の深さは後述する円柱棒10が十分に挿入可能な大きさとした。この円穴21を塞ぐように試験片1を配置し、この状態で、試験片1から高さ200mmの地点に、重量100g、先端r=5mm、セラミックス製の円柱棒10を、その中心軸と、円穴21の中心軸とが同軸となるように配置した。そして、試験片1に向けて、上記配置地点(高さ200mm)から円柱棒10を自由落下させた後、試験片1の凹み量を測定する。凹み量(mm)は、試験片1の対向する両辺を結ぶ直線をとり、この直線から最も凹んだ部分までの距離をポイントマイクロメータを用いて測定した。この衝撃試験は、-30℃の低温環境で行った。その結果を表1に示す。凹み量が0.5mm以下を○、0.5mm超を×と示し、割れが生じて凹み量を測定できなかった場合は、「割れ」と示し、クラック(亀裂)が生じた場合は、「クラック」と示す。なお、試料(筐体)において作製した上記30mm×30mmの試験片について、任意の4箇所の厚さを測定したところ、いずれの箇所も、素材の板の厚さ(厚さ0.6mm)に等しかった(試験片の厚さ:0.6mm)。
表2に示すマグネシウム合金からなるインゴット(いずれも市販)を用いて種々の条件でマグネシウム合金板やマグネシウム合金部材(筐体)を作製し、得られたマグネシウム合金板やマグネシウム合金部材の組織観察、衝撃試験(低温)を試験例1と同様に行った。その結果を表2に示す。
Claims (3)
- AlとMnとを含有するマグネシウム合金からなるマグネシウム合金板であって、
前記マグネシウム合金は、AZ91合金であり、
前記マグネシウム合金板の厚さ方向において、当該マグネシウム合金板の表面から当該マグネシウム合金板の厚さの30%までの領域を表面領域とし、この表面領域から任意の50μm2の小領域をとったとき、AlとMnとの双方を含む晶出物が存在しており、前記晶出物の最大径が0.1μm以上1μm以下の粒子が15個以下であり、かつ最大径が1μm超の粒子が存在しておらず、
前記晶出物の粒子は、Mnに対するAlの質量比:Al/Mnが2以上5以下であるマグネシウム合金板。 - 請求項1に記載のマグネシウム合金板に塑性加工を施してなるマグネシウム合金部材。
- AZ91合金のマグネシウム合金を板状に鋳造する鋳造工程と、
前記鋳造工程により得られた鋳造板を圧延する圧延工程とを具え、
前記鋳造は、双ロール連続鋳造法により行い、ロール温度を100℃以下、前記鋳造板の厚さを5mm以下として行い、
前記圧延は、素材の加熱温度を200〜400℃、圧延ロールの加熱温度を150〜300℃、1パスあたりの圧下率を5〜50%として行って、請求項1に記載のマグネシウム合金板を製造するマグネシウム合金板の製造方法。
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