JP2005281824A - マグネシウム合金とアルミニウムとのクラッド板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム合金の特長である軽量性および高い比強度と、優れた加工性および耐食性とを兼備するクラッド板、およびその製造方法の提供。
【解決手段】質量％で５．５％から１１．０％までのリチウムを含有し、残部がマグネシウムおよび不純物であるマグネシウム合金板の両側表面を、アルミニウム板またはアルミニウム合金板で挟んだことを特徴とする冷間加工性に優れたクラッド板。このクラッド板は、各構成素材板を室温のまま重ね合わせるか、それぞれを２５０℃以下の温度に加熱して重ね合わせるか、または重ね合わせた後２５０℃以下の温度に加熱して、１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行うことによって製造できる。接合圧延の後、冷間圧延および熱処理を施してもよい。
【選択図】なし

Description

本発明は、冷間加工性と耐食性とを併せ持つマグネシウム合金とアルミニウム（アルミニウム合金を含む）とから成るクラッド板、およびその製造方法に関する。

マグネシウムは実用金属中で最も軽く、またその合金は比強度および比剛性にも優れることから、各種部材の軽量化および省エネルギー化を目的とした利用が広まりつつある。

マグネシウム合金は、上記の特長を有するが、結晶構造が最密六方晶であるために、一般には室温における加工性が乏しい。従って、塑性加工においては特殊な加工設備を用いて、加熱しながら加工を行なう必要がある。そのため圧延材や押出材など展伸材の製造や形状付与のための加工工程においても、室温での加工が可能な他の金属と比較すると製造性が大幅に劣るという問題がある。

また、マグネシウム合金はアルミニウム合金や鋼に比べて、特に塩水環境下での耐食性に乏しい。従って、使用にあたっては暴露表面への化成処理や塗装などの表面処理が必須となるため、製品の製造コストの増大が避けられず、マグネシウム合金の耐食性改善あるいは表面処理方法の改善が望まれている。

上記のように、マグネシウム合金の実用上の大きな問題として、室温における加工性と耐食性の２点が存在し、これがマグネシウム合金の普及の障害となっていた。これらの問題点を改善するために、これまでにも種々の検討がなされてきた。

非特許文献１には、Ｍｇ−Ｌｉ合金の特性についての記述がある。そこにはＭｇにＬｉを合金化させていくと、６％以上では結晶構造が体心立方晶のβ相が生成し、さらに１１％以上ではβ相単相となり、この変化に対応して室温における成形性が向上することが記載されている。しかし、Ｌｉ添加Ｍｇ合金は、耐食性に乏しく、大気中で腐食を受けて表面が灰色になることが記載されている。そのためＭｇ−Ｌｉ合金の実用化には表面処理技術の開発が必須であった。

特許文献１には、マグネシウム合金の耐食性を改善する手段の一つとして、マグネシウム材もしくはマグネシウム合金材の一面または複数面に、当該マグネシウム材もしくはマグネシウム合金材の垂直方向厚さの0.1〜10％の厚さで純アルミニウム材もしくはアルミニウム合金材を被覆したアルミニウム被覆マグネシウム合金材とその製造方法に関する技術が開示されている。しかし、この製造方法においては必ず１５０〜４５０℃の高温下での加工が必要とされるために、特殊な製造設備が必要となるのに加えて、材料表面の酸化を抑止する必要があるなど、製造工程が複雑になるという問題がある。

また、特許文献１の技術では、得られたアルミニウム被覆マグネシウム合金材を二次加工する場合にも１５０〜４５０℃の温度で加工することが必要となるが、特に２５０℃を超える高温度域では、マグネシウムもしくはその合金とアルミニウムもしくはその合金との接合界面に脆い金属間化合物層が形成されて強固な接合状態とならず、実質的に再加工が不能となる。従って、接合工程と同時に所望の形状に造り込む成形も行う必要があり、著しく生産性に劣る。

マグネシウム技術便覧、カロス出版株式会社、2000年５月17日発行、75頁、235〜237頁

特開２００３−１８１９７５号公報

本発明は、マグネシウム合金の特長である軽量性と高い比強度を維持しながら、その欠点である室温での成形加工性と耐食性とを同時に改善することを課題とする。具体的にはマグネシウム合金とアルミニウムとのクラッド板により、上記の諸特性を兼備させること、およびそのクラッド板を簡便に製造する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、特定の範囲でリチウム（Ｌｉ）を含有したマグネシウム合金が室温でも優れた加工性を示すことに注目した。さらに、この合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金とのクラッド板を製造するにあたっての加工条件や熱処理条件について種々検討を重ねて最適化することにより発明を完成した。

本発明は、下記（１）のクラッド板、ならびに（２）および（３）のクラッド板の製造方法を要旨とする。

（１）質量％で５．５％から１１．０％までのリチウムを含有し、残部がマグネシウムおよび不純物であるマグネシウム合金板の両側表面を、アルミニウム板またはアルミニウム合金板で挟んだことを特徴とするクラッド板。

（２）各構成素材板を室温のまま重ね合わせるか、それぞれを２５０℃以下の温度に加熱して重ね合わせるか、または重ね合わせた後２５０℃以下の温度に加熱して、１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行うことを特長とする上記（１）のクラッド板の製造方法。

（３）各構成素材板を室温のまま重ね合わせるか、それぞれを２５０℃以下の温度に加熱して重ね合わせるか、または重ね合わせた後２５０℃以下の温度に加熱して、１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行い、次いで、総圧延率を９５％以下とする１パス以上の冷間圧延と、１５０℃から２５０℃未満の温度域で行う熱処理を１回以上繰り返して行うことを特長とする上記（１）のクラッド板の製造方法。
ただし、１回目の冷間圧延の総圧延率は、接合圧延の圧延率を含む圧延率である。

本発明で用いるアルミニウム合金とは、例えば、JISの1100、3003、5N01、5052、6061、7075等のアルミニウムまたはアルミニウム合金である。以下、アルミニウムおよびアルミニウム合金をまとめて「アルミニウム」と記すことがある。

本発明のクラッド板は、マグネシウム合金の特長である軽量性と高い比強度を維持しながら、冷間加工性と耐食性も改善されている。また、本発明方法ではマグネシウム合金とアルミニウムとのクラッド板を低コストで製造することができる。

上述したように、マグネシウムおよび一般的なマグネシウム合金は、特に室温での加工性に劣る。その主な原因は、マグネシウムの結晶構造が最密六方構造であり、室温において塑性変形に寄与する「すべり面」が底面だけしか存在しないことにある。特に圧延板においては、最密六方構造のＣ軸が板面に垂直な方向に集積した集合組織を示すので、加工性が著しく劣ることとなる。

一方、マグネシウムとリチウムとの合金においては、リチウム含有量が５．５〜１１．０％（以下において含有量の％は、質量％を意味する）の範囲で最密六方構造のα相と体心立方構造のβ相との共晶組織となり、さらにリチウム含有量が１１．０％を超える範囲ではβ相の単相組織となる。体心立方構造のβ相はすべり面を多く持つので、β相を含む合金の室温での加工性は、飛躍的に改善される。従って、この合金は高温下での加工を必要としないため、特殊な加工設備を必要とせず、簡便な方法で製品に加工することができる。

しかしながら、β単相組織のマグネシウム合金では、その後の熱処理工程で結晶粒が粗大化して粒界割れの原因となる場合がある。一方、α＋β共晶組織の合金では、結晶構造の異なる結晶粒が隣り合うことで互いの粗大化を抑止する効果が働き、結晶粒を微細に保つことができる。従って、マグネシウム−リチウム合金におけるリチウム含有量は５．５〜１１．０％の範囲としなければならない。

マグネシウム−リチウム合金には、前述のように一般的なマグネシウム合金よりもさらに耐食性が劣るという欠点がある。そこでマグネシウム−リチウム合金の表面をアルミニウムまたはアルミニウム合金で被覆する方法について検討を行なった。

アルミニウムは、マグネシウムに次いで軽量な実用金属であるから、クラッド材にしてもマグネシウムの軽量性を大きく損なうことがない。また安定なＡｌ_２Ｏ_３皮膜による優れた耐食性を有するから、マグネシウム合金の耐食性を補完する材料として最適である。さらにアルミニウムやその合金については、既に様々な表面処理技術が工業的に実用化されており、これらの既存技術をそのまま流用できる利点もある。

耐食性に劣る金属の両側表面を耐食性に優れる金属で挟み込んで３層クラッド板とする技術は、例えば高強度のアルミニウム合金を耐食性に優れたアルミニウム合金で挟み込んだアルミニウム合金クラッド板や、鋼板の表面をステンレス鋼で挟み込んだステンレスクラッド鋼板などのように、よく知られた技術である。しかし、特に接合圧延によって製造するマグネシウム−リチウム合金とアルミニウムまたはアルミニウム合金とのクラッド板に関しては、その接合条件や接合後の熱処理条件などについての解明はなされていなかった。

そこで、最初にマグネシウム−リチウム合金とアルミニウムとのクラッド接合性について検討したところ、各素材接合面の表面酸化皮膜をワイヤーブラッシングなどで除去して重ね合わせた後、室温において１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行うことによって強固な接合が得られた。ここで「圧延率」というのは、いわゆる減肉率であり、各素材の合計板厚をＡ、圧延後のクラッド板の板厚をＢとすれば、［（Ａ−Ｂ）／Ａ］×100で表される。

１パス当たりの圧延率が２０％未満の場合には未接合部が生じて健全なクラッド板が得られない。一方、８０％を超える圧延率では、材料が圧延ロール近傍で板面外に座屈して正常な圧延形状が得られない場合がある。なお、接合圧延は、通常、１パスで行う。

各接合素材を予め加熱してから接合圧延を行う場合には、２５０℃以上で加熱すると、接合界面に脆い金属間化合物が生成して強固な接合が得られない場合がある。そのため各接合素材を予め加熱する場合には、加熱温度を２５０℃未満とする必要がある。なお、前記のとおり、各素材の事前の加熱を行わずに、室温で圧延して接合することも可能である。

上記の接合条件は、使用するマグネシウム−リチウム合金のリチウム含有量を５．５〜１１．０％の範囲で変化させた場合、およびアルミニウムをアルミニウム合金に変更した場合にも適用可能である。

得られたクラッド板に対してさらに一連の冷間圧延と軟化熱処理とを施すことによって、クラッド板の板厚をさらに減少させ、所望の板厚に調整することが可能である。ここで、「一連の冷間圧延」というのは、１パスまたは数パス（パス間の軟化熱処理は含まない）の冷間圧延である。この途中に軟化熱処理を含まない一連の冷間圧延であっても、総圧延率として９５％までの冷間加工が可能である。この場合も、最後の冷間圧延の後には、軟化熱処理を施す。

一連の冷間圧延の総圧延率が９５％を超えると、加工硬化によって特に板エッジ部に割れを生じたり、平坦な圧延形状が得られないなどの問題が生じる場合がある。従って、95％を超える総圧延率の冷間圧延は好ましくない。

一連の冷間圧延と次の一連の冷間圧延との間に軟化熱処理を行うにあたっては、高温での熱処理による脆い金属間化合物の生成に注意を払う必要がある。マグネシウム−リチウム合金とアルミニウムとのクラッド板を接合圧延した後に、総圧延率として８０％の冷間圧延を行ってサンプルを採取し、これを種々の温度で熱処理した後に、その断面についてＳＥＭ観察およびＸ線回折装置による化合物同定を行なったところ、２５０℃以上の熱処理温度では接合界面のマグネシウム−リチウム合金側にＭｇの濃化層が生成し、アルミニウム側にＬｉを多く含有したＡｌ_３Ｍｇ_２の金属間化合物層が生成していた。特に、Ａｌ_３Ｍｇ_２金属間化合物には、その後の冷間加工によって容易に割れを生じて、接合界面に剥離が生じた。

一方、軟化熱処理の温度が１５０℃未満の場合には、マグネシウム−リチウム合金とアルミニウムの双方で軟化が充分でなく、その後の冷間加工によって延性破断する場合があった。以上の理由から、軟化熱処理温度は１５０℃以上で２５０℃未満であることが必要である。なお、最後の冷間圧延の後に行う熱処理も同じ温度域で行う。

接合素材として使用するマグネシウム合金板は、表１に示すとおり、リチウム含有量を変化させたマグネシウム合金板である。これらは、真空溶解炉で溶製して３ｋｇのインゴットに鋳込み、これを２５０℃に加熱して熱間圧延することによって製造した。板厚は５ｍｍである。

接合素材として使用するアルミニウム板およびアルミニウム合金板は、表１に示すとおりのＪＩＳ規格材で、板厚が１ｍｍの市販品である。

上記の各接合素材について表面を脱脂洗浄した後、マグネシウム合金板の両側表面と、アルミニウム板またはアルミニウム合金板の片側表面とをステンレス製ワイヤーにてブラッシング処理した。

接合条件は、表１に示すとおりである。いくつかの試験では各接合素材を表１に記載の温度に加熱したうえで、マグネシウム合金板を２枚のアルミニウム板またはアルミニウム合金板で挟み込む状態で重ね合わせ接合圧延した。さらに得られたクラッド板のいくつかに対して、複数パスの冷間圧延と大気中で１時間行う熱処理とを繰り返すことによって所定の板厚とし、最終的な熱処理によって試作工程を終えた。

最終的に得られたクラッド板から２５ｍｍ巾で５０ｍｍ長さの試験片を採取し、室温でJIS Z 2248に従って曲げ角度180度，曲げ半径０度の曲げ試験を行った後、曲げ頂部の断面を埋め込み研磨してＳＥＭで観察することにより、冷間圧延性の評価とクラッド材としての評価を行った。

表１には上記の方法で作製した製品の製造条件および評価試験として行った曲げ試験の結果を示す。ここで１回目の一連の冷間圧延の総圧延率は、接合圧延時の圧延率を含めたものとして表記した。

表１において試験番号１から７までは、本発明例（本発明の方法で製造したもの）である。いずれも良好な結果が得られている。

試験番号８は，マグネシウム合金に含まれるリチウムの含有量が本発明で規定するよりも少なく、結晶構造が最密六方構造であったために室温での加工性が乏しく、接合圧延時の加工によって破断した。また試験番号９は，マグネシウム合金に含まれるリチウムの含有量が本発明で規定するよりも多く、結晶構造が体心立方構造のβ相単相組織であったために、曲げ試験においてマグネシウム合金に粒界割れを生じた。

試験番号１０では、接合圧延に先立つ事前加熱温度が本発明で規定するよりも高かったために接合界面に脆い金属間化合物が生成して、引き続く冷間圧延で剥離が生じた。試験番号１１では、接合圧延時の圧延率が本発明で規定するよりも小さかったため、充分な接合が得られていない。試験番号１２では、１回目に行った冷間圧延の後の熱処理温度が本発明で規定するよりも低かったために材料の軟化が充分でなく、引き続く２回目の冷間圧延において破断した。これらの試験では曲げ試験は実施していない。

試験番号１３では、１回目に行った冷間圧延の後の熱処理温度が本発明で規定するよりも高かったために接合界面に脆い金属間化合物が生成し、曲げ試験において剥離を生じた。試験番号１４では、２回目に行った冷間圧延の後の熱処理温度が本発明で規定するよりも低かったために材料の軟化が充分でなく、曲げ試験において外面側の材料が延性破断した。

本発明により、軽量で比強度が高いというマグネシウム合金の特長と、アルミニウムの優れた耐食性とを兼備したクラッド板が得られる。このクラッドは、冷間加工性にも優れるので、種々の製品に加工することも容易である。

Claims (3)

1. 質量％で５．５％から１１．０％までのリチウムを含有し、残部がマグネシウムおよび不純物であるマグネシウム合金板の両側表面を、アルミニウム板またはアルミニウム合金板で挟んだことを特徴とするクラッド板。
2. 各構成素材板を室温のまま重ね合わせるか、それぞれを２５０℃以下の温度に加熱して重ね合わせるか、または重ね合わせた後２５０℃以下の温度に加熱して、１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行うことを特長とする請求項１に記載のクラッド板の製造方法。
3. 各構成素材板を室温のまま重ね合わせるか、それぞれを２５０℃以下の温度に加熱して重ね合わせるか、または重ね合わせた後２５０℃以下の温度に加熱して、１パス当たり２０〜８０％の圧延率で接合圧延を行い、次いで、総圧延率を９５％以下とする１パス以上の冷間圧延と、１５０℃から２５０℃未満の温度域で行う熱処理を１回以上繰り返して行うことを特長とする請求項１に記載のクラッド板の製造方法。
   ただし、１回目の冷間圧延の総圧延率は、接合圧延の圧延率を含む圧延率である。