JPH0681089A

JPH0681089A - マグネシウム合金の熱間加工方法

Info

Publication number: JPH0681089A
Application number: JP23481792A
Authority: JP
Inventors: Jun Shimotori; 潤霜鳥; Wataru Takahashi; 渉高橋
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1992-09-02
Publication date: 1994-03-22

Abstract

(57)【要約】【目的】 70 ％という高い加工率しかも高歪み速度で
のマグネシウム合金の熱間加工法の確立。【構成】合金組成: 重量％で、Al: 6.0 〜10.0％、Z
n: 1.0 ％以下および／またはMn: 0.3 ％以下、残部が
実質的にMg、加工条件: 歪速度10⁰〜10²sec^-1、加工温度 200〜350
℃、加工前に 380〜420 ℃、５hr以上の溶体化処理を行
ってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強度、耐食性に優れた
複雑形状のマグネシウム鍛造品 (例えば、航空機部品お
よび自動車用ホィール、電気製品ケースなど) を製造す
るマグネシウム合金の熱間加工方法、特に、全体あるい
は部分的に高歪速度となるような加工条件においても、
割れのない、表面性状に優れた製品を製造できるマグネ
シウム合金の熱間加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】実用金属中で、最も軽いマグネシウムを
主成分とする合金は、高い比強度を持ち、振動吸収性、
切削性等に優れていることから、航空機部品あるいは自
動車用部品として、また電気、コンピュータ機器を始め
とする様々な機器の構造材料として用いられている。特
に自動車用ホイールの場合、その軽量化は自動車の燃
費、操縦性の改善に効果的であって、その量産性のある
生産技術の確立が求められている。

【０００３】ところで、マグネシウム合金の鍛造品は鋳
造品に比較して強度が高いことから、鋳造品を用いてい
た部分を鍛造品に置き換えることができれば、さらに軽
量化が期待できる。比較的複雑な形状の成形が可能な鋳
造品に、鍛造品が対抗するためには、大きな加工率を実
現するための優れた加工技術が必要であるが、マグネシ
ウムの結晶構造が最密六方晶であることから、常温での
塑性加工は極めて困難であり、専ら熱間塑性加工が行わ
れており、その熱間塑性加工においても特別な配慮が必
要である。

【０００４】ここに、熱間加工用マグネシウム合金に
は、Mg−Al系、Mg−Zn系、Mg−Al−Zn系などがあり、中
でも高強度、高耐食性に主眼を置いたAl含有合金である
Mg−Al系もしくはMg−Al−Zn系にMnを添加した合金は、
鋳造、鍛造製品ともに用途が拡大している。

【０００５】しかし、そのようにAlの含有量が大きい合
金ほど熱間加工性が悪く、高歪速度では、割れや外表面
の肌荒れが生じている。これらを防止する対策として
は、歪速度をできるだけ小さく、かつ加工中に温度低下
が起こらないような配慮がなされている。つまり、「低
速」、「高温」加工である。表１に代表的なマグネシウ
ム合金の押出条件を示す。

【０００６】

【表１】

【０００７】このように、従来にあっては、ビレットの
熱間押出、熱間自由鍛造加工などでは、例えば10^-2sec
^-1というように歪速度を設備の上で可能なまでに低く抑
えることで、例えば70％という高加工率を達成できる。
これを利用して、一般的に、複雑形状の製品にまで熱間
加工する場合は、鋳造材を一旦、熱間鍛造、熱間押出あ
るいは熱間圧延することによって組織を改善し、粗加工
する工程においては、温度と加工率を制御して、続く仕
上加工工程である熱間加工時の割れを防止し、かくして
良好な機械的性質の製品を得ることができる。特開平３
−294036号公報参照。

【０００８】また、鋳造材から直接、熱間成形加工が行
えるようにする手段としては、鋳造時の冷却速度を制御
し、鋳造材の結晶粒、第２相粒子を微細化して熱間加工
性を向上させる方法が考えられ (特開昭63−282232号公
報参照) 、それによればビレット径５〜100 mmの細径素
材を、大径素材から熱間押出で得なくとも鋳造のまま
で、加工性、強度ともに健全な製品とすることができる
とされている。しかし、鋳造されたビレットの径が100
mmを超え、冷却速度を制御できない場合には、この効果
は薄いとされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、マグネシ
ウム合金の成形加工に際して割れのない健全な加工を行
う試みは種々なされているが、加工速度を大きくする場
合には、当然に割れが発生するものとして敬遠されてお
り、そのような場合における加工温度条件などは知られ
ていない。よって、本発明の目的は、熱間加工を迅速に
行うことによって生産性を高めようとする場合、あるい
はスピニング加工を行うときのように、歪速度が大きく
なる場合におけるマグシウム合金の加工技術を確立する
ことである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
すべく、本発明者らは、Mg−Al−Zn (および／またはM
n) 系の合金で高加工率 (60％以上) を要求する熱間加
工法について種々検討を重ねた結果、次のような知見を
得た。

【００１１】(1) Mg−Al−Zn (および／またはMn) 系の
合金は、温度が350 ℃を越えると粒界すべり量が増大
し、これが粒界破壊の原因となる。従来、このような温
度でも60％以上という高加工率の熱間加工が可能であっ
たのは、歪速度が極めて低かったためである。

【００１２】(2) 歪み速度が低いと粒界には微細な再結
晶粒が生成し、破壊を抑止して、加工性を高める効果が
あった。しかし、歪速度が高い場合は、粒界破壊を抑制
するだけの十分な再結晶微細化が起こらないことによっ
て極端な脆化を示す。

【００１３】(3) したがって、Mg−Al−Zn (および／ま
たはMn) 系の合金にあっては、高温では、粒界すべり
が起こる、粒界すべりが起これば、破壊が起こりやす
い、そして破壊を起こさないためには、つまり粒界す
べりを起こさないためには、温度を下げればよいことが
判明した。

【００１４】ここに、本発明の要旨とするところは、重
量％で、Al: 6.0 〜10.0％、Zn: 1.0 ％以下および／ま
たはMn: 0.3 ％以下、残部が実質的にMgである組成を有
する合金を熱間加工する方法であって、歪速度10⁰〜10
²sec^-1、加工温度 200〜350℃で熱間加工を行うことを
特徴とするマグネシウム合金の熱間加工方法である。

【００１５】本発明の好適態様によれば、マグネシウム
合金の熱間加工に先立って、素材を、380 〜420 ℃、５
hr以上で溶体化処理してもよい。

【００１６】このように、本発明にかかる熱間加工方法
は、高温、高歪速度の範囲を回避するものとなってい
る。

【００１７】したがって、本発明によって加工条件を設
定すれば、従来のように鋳造材が不健全であったがため
に直接加工できなかった場合や、熱間加工の高速化が求
められる場合にも効率的に対応できるのである。

【００１８】

【作用】次に、本発明のマグネシウム合金の熱間加工方
法における加工条件を、前述のように設定した理由とと
もに、これに供する合金の特徴ならびに溶体化処理の効
果、その他の加工条件の作用について説明する。

【００１９】(1) 熱間加工方法についてマグネシウムに、AlおよびZnおよび／またはMnを合金元
素として加えて高強度を付与できるのは、固溶強化と析
出強化が行われるためであるが、これらの作用は時とし
て健全な熱間加工の妨げとなる。固溶強化によって、結
晶粒内よりも結晶粒界により多くの歪が集中する場合、
粒界すべりが生じる。この挙動は体積拡散律速であるの
で、粒界すべりは温度が高いほど顕著となる。粒界すべ
りは粒界破壊を助長し、熱間加工性の低下を招く。

【００２０】ここに、加工温度の「高温」、「低温」、
歪み速度の「高速」、「低速」の意味を定義する。「高温」とは、粒界すべり、動的な粒界再結晶が活発な
温度範囲であり、350℃超とする。「低温」とは、粒界すべり、動的な粒界再結晶が不活発
な温度範囲であり、350 ℃以下とする。

【００２１】「高速」とは、動的な粒界再結晶粒生成
が、変形に追従不可能な歪速度範囲であり、10⁰sec^-1以
上とする。具体的には回転しごき加工することにより、
あるいはしごきスピニング加工することにより10¹sec^-1
程度の歪み速度となる。「低速」とは、動的な粒界再結晶粒生成が、変形に追従
不可能な歪速度範囲であり、10⁰sec^-1未満とする。その
ような歪み速度は、据え込み、押出、圧延の状態でのMg
合金の加工を行うときに一般的に見られる。

【００２２】つまり、加工が「高速」となる場合は、
「高温」では粒界すべりが発生し、粒界破壊となるの
で、例えば60％以上の高加工率は達成されない。この場
合、高加工率を確保するためには、「低温」とすること
で粒界破壊を回避せねばならない。ところが、加工が
「低速」となる場合は、「高温」で粒界すべりが発生し
ても、粒界破壊となる前に、粒界で微細な再結晶粒の生
成が活発に起こり、粒界の歪集中が緩和されるので、結
果的には、粒界再結晶が不活発な「低温」よりも熱間加
工性はよくなり、高加工率 (60％以上) が達成されるこ
とになる。

【００２３】このように、最も加工性がよい条件は、従
来の技術通り、「低速」「高温」の場合であるが、「高
温」のままで「高速」にすることができないために、
「高速」加工の実現には、粒界すべりの不活発な「低
温」が必要条件であることになる。

【００２４】本発明における熱間加工としては、熱間鍛
造( 自由鍛造、型鍛造) はもちろん、熱間圧延、熱間押
出等も包含される。換言すれば、本発明で規定する条件
で行われる塑性加工全般を指称するのである。本発明に
かかる方法において (例えば、回転しごき加工、しごき
スピニング加工) 、歪速度下限を10⁰sec^-1、加工温度上
限を350 ℃とした理由は、上述のような「高速」、「低
温」加工領域で加工を行うためである。

【００２５】また、歪速度上限を10²sec^-1としたのは、
これを越えた歪速度では結晶粒内のすべり変形が追従不
可能となるからであり、加工温度下限を200 ℃としたの
は、これ以下の温度では、六方晶の底面すべり以外のす
べり系が不活発となるからである。これらの条件を外れ
た場合、ともに加工性は劣悪なものとなる。また、加工
が「高速」となれば、加工中に温度が増加することにな
り、加工前には「低温」であったものが「高温」となる
ことが考えられる。この場合は、事前に加熱温度を低下
させておく、加工の進行に合わせて温度を調節する、な
どの工夫が必要である。

【００２６】温度の設定方法としては、加工しようとす
る材料をあらかじめ所定の温度に加熱するとしてもよい
し、加工中に加熱、抜熱するとしてもよいが、歪速度に
対して、加熱すべきか、抜熱すべきかを判断する。熱源
としては、ガスバーナなどの直火を用いてもよいし、他
の物体を接触させて加熱、抜熱してもよい。

【００２７】(2) 合金の組成についてマグネシウムに高強度、高耐食性を付与するためにAl、
Zn、Mnを合金化しているが、これらの添加量の限定理由
は以下の通りである。Al、Znについては、本発明の範囲
の含有量 (Al:6.0％) を下回ると、固溶強化も低下する
ので本発明の加工方法を用いる必要がない。すなわち、
AlやZnが低くすぎると、高歪速度下において、低温で加
工性がよくなるという現象は起こらない。本発明の範囲
の含有量 (Al: 10.0％、Zn:1.0％) を上回ると鋳造材を
溶体化処理することによっても均質な組織とならないほ
ど多量な金属間化合物が生成し、均一な変形を妨げ、加
工が困難になる。さらに、これらの化合物は低融点であ
るため、加熱時に局所的な融解が起こってしまう。

【００２８】Mnについては、前出の含有量 (0.3 ％) を
上回ると、高融点のMn化合物が多量に析出して変形を妨
げる。本発明は、基本的にMg−Al−Zn (および／または
Mn) 系の合金に関するものであるが、その他Zr、Be、R
E、Li、Ag、Fe、Ni、Cu、Na、Ca、K などを微量 (１％
以下) 含むものであってもよい。また、Mg−Al系のよう
な合金にも本発明のような高速、低温加工は効果的と思
われる。

【００２９】(3) 溶体化処理について本発明の好適態様によれば、熱間加工に先立って溶体化
処理を行うが、かかる溶体化処理は、第２相の共晶化合
物を母相に溶け込ませるために行われる。これによっ
て、母相の変形が第２相の妨害を受けないので、熱間加
工性がより向上する。溶体化処理後、徐冷すると、再び
第２相が析出してくるので、この場合には水冷などの急
速な冷却が必要となる。溶体化処理は、380 ℃未満にな
るとマグネシウム中のアルミニウムの拡散速度が極端に
低下することから、高温で行うことが望ましいが、420
℃を超えると、急速に酸化し、発火する恐れがある。42
0 ℃であれば５hrで十分な溶体化が達成される。

【００３０】(4) その他一般に、素材の結晶粒径が小さいほど (望ましくは250
μm 以下) 加工性はよい。本発明は、結晶粒径の大きさ
によらず適用可能であるが、望ましくは素材鋳造時に結
晶粒微細化のための過熱処理、接種処理などを行う。ま
た、熱間加工時には、適当な潤滑剤を用いて加工性を向
上させるべきである。そのような潤滑剤としては例え
ば、黒鉛を油あるいはアルコール中に分散させたものを
用いるのがよい。

【００３１】このように、本発明によれば、従来のマグ
ネシウム合金加工技術では考えられなかった高歪速度下
で、高加工率 (60％以上) の熱間加工を達成し、製品の
歩留りなどの生産コスト低減を実現できる。なお、加工
率とは、減面率で求める値を言う。次に、本発明の作用
について実施例に基づいて具体的に説明する。

【００３２】

【実施例】本例では、熱間加工として、熱間圧縮加工を
行った。表２に示す組成をそれぞれ有する半連続鋳造材
から、中心軸が鋳造方向に平行になるように、試験片を
採取した。試験片は８mmφ×12mmであって、高周波コイ
ルによって加熱した。試験片の温度は、そこに溶接され
た熱電対によって測定された。所定の試験温度に十分保
持した後、所定の歪速度で熱間圧縮加工を行った。な
お、限界圧縮率の算出は次式によっている。

【００３３】限界圧縮率 (％) ＝[(ｈ₀−ｈ)/ｈ₀]×100 ここで、ｈ₀は試験前の試験片高さ、ｈは割れが発生し
たときの試験片高さである。本発明例および比較例の加
工条件および結果を同じく表２にまとめて示す。

【００３４】表２からも分かるように、本発明例では、
限界圧縮率の値はすべて、60％以上となっている。ま
た、本発明例の中でもAlの含有量が少ない (本発明例N
o.3、４) ほど熱間加工性は良いし、同じ組成でも、溶
体化処理を行うことによって (本発明例No.11 、12) 加
工性は向上している。

【００３５】一方、比較例では限界圧縮率が60％以上の
ものはない。比較例No.1〜12は、加工条件以外は本発明
例No.1〜12と同じである。比較例No.13 〜24は、合金組
成が本発明の範囲から外れている場合である。

【００３６】図１に、本発明例No.1、２、比較例No.1、
２の組成をもった合金に対して、加工温度400 ℃と300
℃における歪速度と限界圧縮率の関係を示す。「低
速」、「高速」のどちらにおいても、本発明例は比較例
よりも大きな限界圧縮率を示しているのが分かる。この
ように、本発明を実施することによって、マグネシウム
合金の熱間加工性は著しく改善される。

【００３７】

【表２】

【００３８】

【発明の効果】本発明のマグネシウム合金の熱間加工方
法によれば、強度、耐食性に優れたMg−Al−Zn系のマグ
ネシウム合金製品 (航空機部品、自動車用ホィール、電
気製品ケースなど) を製造する場合に、高歪速度におい
ても、高い加工率 (60％以上)の熱間加工を達成するこ
とができ、今後ますます複雑化する形状の製品に対応で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加工温度と歪速度とに対する限界圧縮率の関係
を示すグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％で、Al: 6.0 〜10.0％、Zn: 1.0
％以下、残部が実質的にMgである組成を有する合金を熱
間加工する方法であって、歪速度10⁰〜10²sec^-1、加工
温度 200〜350 ℃で熱間加工を行うことを特徴とするマ
グネシウム合金の熱間加工方法。
【請求項２】重量％で、Al: 6.0 〜10.0％、Mn: 0.3
％以下、残部が実質的にMgである組成を有する合金を熱
間加工する方法であって、歪速度10⁰〜10²sec^-1、加工
温度 200〜350 ℃で熱間加工を行うことを特徴とするマ
グネシウム合金の熱間加工方法。
【請求項３】重量％で、Al: 6.0 〜10.0％、Zn: 1.0
％以下、Mn: 0.3 ％以下、残部が実質的にMgである組成
を有する合金を熱間加工する方法であって、歪速度10⁰
〜10²sec^-1、加工温度 200〜350 ℃で熱間加工を行うこ
とを特徴とするマグネシウム合金の熱間加工方法。
【請求項４】熱間加工前に 380〜420 ℃、５hr以上で
溶体化処理を行うことを特徴とする請求項１〜３のいず
れかに記載のマグネシウム合金の熱間加工方法。