JP2009161818A - 制振マグネシウム合金シートおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックの導入により、大幅に強度低下させることなく、制振性を高めたマグネシウム合金シートおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】長さ１ｍｍ以下で方向の異なる複数のクラックが内部にのみ存在する制振マグネシウム合金シート。その製造方法は、マグネシウム合金のインゴットを圧延することによってクラックを有する圧延シートを得る工程、上記圧延シートの表面酸化膜を除去する工程、酸化膜除去後の圧延シートを上記マグネシウム合金と同組成のマグネシウム合金で鋳包んで鋳包みシートを得る工程、鋳包みシートを、新たなクラックを発生させない範囲の温度および圧下率で圧延することによって、最終的な合金シートに成形する工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、制振マグネシウム合金シートおよびその製造方法に関する。

マグネシウム合金シートは、他の実用金属と比べて軽量で比強度が高いことに加え、制振性が優れているため、駆動部品を含む構造体のケーシング等として有用である。

その制振性を更に高めることができれば、実用金属としての優位性を一層高めることができる。

制振性を高める１つの手段として、材料にクラックを導入することが考えられる。クラックは材料の振動をクーロン摩擦により減衰させる作用がある。

鋼材については、制振性を高めるためにミクロクラックを導入することが提案されている（特許文献１、２）。

しかし、クラックは応力集中源として作用するため、材料固有の強度に対して大幅な強度低下が避けられず、実用上問題となっていた。

これは、マグネシウム合金の場合も同様であり、クラック導入による制振性向上を実現するには、クラックによる大幅な強度低下を防止することが必須であった。

特開平４−１８０５２４号公報 特開２０００−２３９７９８号公報

本発明は、クラックの導入により、大幅に強度低下させることなく、制振性を高めたマグネシウム合金シートおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的は、本発明によれば、長さ１ｍｍ以下で方向の異なる複数のクラックが内部にのみ存在することを特徴とする制振マグネシウム合金シートによって達成される。

更に、本発明によれば、下記の工程：
マグネシウム合金のインゴットを圧延することによってクラックを有する圧延シートを得る工程、
上記圧延シートの表面酸化膜を除去する工程、
酸化膜除去後の圧延シートを上記マグネシウム合金と同組成のマグネシウム合金で鋳包んで鋳包みシートを得る工程、
鋳包みシートを、新たなクラックを発生させない範囲の温度および圧下率で圧延することによって、最終的な合金シートに成形する工程
を含むことを特徴とする制振マグネシウム合金シートの製造方法が提供される。

本発明の制振マグネシウム合金シートは、長さ１ｍｍ以下で方向の異なる複数のクラックが内部にのみ存在することにより、大幅な強度低下を回避しつつ制振性を高めることができる。

本発明の制振マグネシウム合金シートの製造方法は、クラックを有する圧延シートを鋳包むことによりクラックをシート内部にのみ存在させることができ、大幅な強度低下を回避しつつ制振性を高めることができる制振マグネシウム合金シートを得ることができる。

図１（４）に示すように、本発明の制振マグネシウム合金シート１０は、マグネシウム合金マトリクス１２中に方向の異なる複数のクラック１４が存在する。クラック１４はシート１０の内部にのみ存在し、表面に開口するクラックは存在しない。シート１０の表面は一般に酸化膜１６が被覆している。この酸化膜１６は、耐食性向上に寄与し、強度や減衰性能に悪影響を及ぼさないので、除去する必要はなく、むしろ存在したままにしておくことが望ましい。

シートに外力が作用すると、シート表面の開口クラックを起点として極端に低応力で破壊が発生する。そのため従来は、クラックを導入した場合に大幅な強度低下が不可避的に生じていた。

これに対して本発明では、クラック１４が内部にのみ存在し、表面の開口クラックが存在しないので、上記のような極端な低応力破壊が発生しないため、大幅な強度低下が回避できる。

クラック１４は、異なる方向に複数個存在させる。これにより種々の向きの振動に対してクラックの減衰作用が効果的に働く。典型的にはクロス圧延により、少なくとも２種類の向きで圧延を行なうことにより、異なる向きのクラックを発生させることができる。

クラック１４の長さは１ｍｍ以下とする。クラック１４の長さが１ｍｍを超えると、強度低下が大きくなる。

本発明の制振マグネシウム合金シートは、インゴットの圧延、酸化膜の除去、鋳包み、仕上げ圧延により製造する。

図１（１）に示すように、インゴットの圧延で得られたシート１０Ａは、マグネシウム合金マトリクス１２中に種々の向きの複数のクラック１４が生成しており、表面には一般に酸化膜１８が生成している。

図１（２）に示すように（シート１０Ｂ）、表面酸化膜１８を除去することにより、次工程で行なう鋳包みにより金属同士が直接（酸化膜を介さずに）接合され、安定して高い強度が確保できる。シート表面に酸化膜が存在すると、シート金属と鋳包み金属との界面強度が低下し、破壊の起点となって強度を低下させる。

図１（３）に示すように（シート１０Ｃ）、酸化膜除去後に、シートのマトリクス１２と同一組成のマグネシウム合金溶湯１２’で鋳包む。これにより、シート表面をマグネシウム合金１２’で覆い、表面に開口するクラックが存在しない状態とする。

鋳包みの条件は、溶湯温度６５０〜７５０℃程度、シート厚さ（ｔ１）と鋳包み後の厚さ（ｔ２）との比ｔ１／ｔ２は１／２〜１／１０程度が望ましい。溶湯温度が６５０℃未満では溶湯の流動性が悪いため鋳造欠陥が発生し易く、逆に７５０℃を超えると不活性雰囲気中でも溶湯の燃焼が起き易い。鋳包み部の厚さがシート厚さより薄い（ｔ１／ｔ２＞１／２）と、シート表面のマグネシウムが溶けず、シートと鋳包み部とが接合しない。鋳包み厚さがシート厚さの１０倍を超える（ｔ１／ｔ２＜１／１０）と、鋳包み溶湯の熱によりシートが溶解してしまい、シート内に導入したクラックが消失してしまう。

仕上げ圧延として、鋳包みシート１０Ｃを、新たなクラックを発生させない範囲の温度および圧下率で圧延することによって、最終的な合金シート１０に成形する。仕上げ圧延の圧延条件については実施例において具体的に説明する。

本発明により制振マグネシウム合金シートを以下の手順および条件にて製造した。

ＪＩＳ ＡＺ３１Ｂマグネシウム合金を溶製し、鋳造してインゴットを得た。このインゴットから必要個数の試験片（３０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍ）をワイヤーカットで切り出した
〔予備実験〕
予備実験として、上記の試験片に種々の温度および圧下率にて圧延を行ない、クラックの発生状況を調べた。結果を表１および図２にまとめて示す。

表１および図２において、「最小圧下率」「最大圧下率」とは下記の意味である。

（Ａ）最小圧下率：圧延温度においてクラックが全く発生しない最大の圧下率
（Ｂ）最大圧下率：圧延温度において長さ１ｍｍを超えるクラックが発生する最小の圧下率
本発明により長さ１ｍｍ以下のクラックを発生させるには、最小圧下率を超え最大圧下率以下の圧下率でインゴットの圧延を行なう。すなわち、図２の斜線を施した領域内の温度・圧下率で圧延を行なう。

クラックは塑性変形後に現れる微小破断であり、弾性域を超えたら直ちにクラックが発生するものではない。最小圧下率以下の圧延でも塑性変形は起きているが、クラックは生じない。

クラック発生の判定は、圧延後のシート断面の光学顕微鏡観察によって行なう。一例として、図３に示した顕微鏡写真のうち（１）はクラックなしの判定例、（２）は１ｍｍを超えるクラックありの判定例である。

〔圧延〕
インゴットから切り出した上記の試験片に、下記のように２パスのクロス圧延を行なった。クロス圧延を行なうことにより、種々の向きのクラックを発生させることができる。

先ず、１パス目として、上述した試験片を３５０℃に加熱後、圧下率３０％（厚さｔ：２ｍｍ→１．４ｍｍ）の圧延を行なった。

次いで、２パス目として、再度３５０℃に加熱後、圧延方向が１パス目とは直角になる向きで圧下率３０％（厚さｔ：１．４ｍｍ→１ｍｍ）の圧延を行なった。

〔表面酸化膜の除去〕
圧延後の試験片の表面をエメリー紙（＃６００）で研磨して両面を０．０５ｍｍ除去した（厚さｔ：０．９ｍｍ）。

〔鋳包み〕
研磨後の試験片を７００℃のＡＺ３１Ｄマグネシウム合金溶湯で鋳包んだ（厚さｔ：０．９ｍｍ→３ｍｍ）。

〔仕上げ圧延〕
鋳包んだ試験片に下記の３パスの仕上げ圧延を行なった。

１パス目：加熱温度５００℃、圧下率３０％（ｔ：３ｍｍ→２．１ｍｍ）
２パス目：加熱温度５００℃、圧下率３０％（ｔ：２．１ｍｍ→１．５ｍｍ）
３パス目：加熱温度５００℃、圧下率３０％（ｔ：１．５ｍｍ→１ｍｍ）
この仕上げ圧延の圧延条件は、温度と圧下率の関係が図２のＡ：最小圧下率曲線より下の領域内にあり、クラックが全く発生しない。

圧延後の試験片を評価用サイズ（３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）にワイヤーカットで切り出した。

比較用として、下記３種類の試験片を用意した。

（１）鋳造品：インゴットから試験片（３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）をワイヤーカットで切り出した。クラックは導入されていない。

（２）表面腐食品：インゴットから試験片（３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）をワイヤーカットで切り出し、腐食液（濃硝酸１５ｍｌ＋蒸留水８５ｍｌ）に３０秒浸漬し、温水中で洗浄後、乾燥した。試験片の表面には粒界腐食によるミクロクラックが開口している。

（３）塑性加工品：インゴットから試験片（３０ｍｍ×１０ｍｍ×２ｍｍ）をワイヤーカットで切り出し、３５０℃に加熱後、圧下率５０％（厚さｔ：２ｍｍ→１ｍｍ）の圧延を行なった。圧下率５０％は温度３５０℃における最大圧下率を超えており（図１参照）、これにより長さ１ｍｍを超えるクラックが導入された。試験片表面に開口するクラックが観察された。圧延後、評価用サイズ（３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ）にワイヤーカットで切り出した。

得られた各試験片について下記条件にて減衰率および引張強度を測定した。

＜減衰率の測定条件＞
試験片形状：３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ
測定装置：ＤＭＡ（Dynamic Mechanical Analyzer）
測定条件：温度＝室温、周波数＝１０Ｈｚ、歪振幅＝５×１０^−４
変形モード＝両端固定曲げ
＜引張強度の測定条件＞
試験片形状：３０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍ
測定装置：インストロン型引張試験機
試験条件：温度＝室温、引張速度＝１ｍｍ／分
得られた測定結果を図４および図５に示す。図の横軸の各試験片名の下にクラック平均長さを併記した。

図４に示すように減衰率は、鋳造品に比べて、表面腐食品、塑性加工品、発明品はいずれも極めて高い減衰率を示している。クラック平均長さが３ｍｍと最も大きい塑性加工品は、８０％と最も高い減衰率を示しており、表面腐食品（クラック平均長さ０．２ｍｍ）と発明品（クラック平均長さ０．５ｍｍ）はどちらも５０％と同等の減衰率を示している。

図５に示すように引張強度は、鋳造品の２００ＭＰａに対して、クラック平均長さが３ｍｍと最も大きい塑性加工品は２０ＭＰａ（鋳造品の１／１０）と極端に低下しており、クラック平均長さ０．２ｍｍの表面腐食品も５０ＭＰａ（鋳造品の１／４）と大幅に低下している。これに対して発明品は、１６０ＭＰａであり、鋳造品の８０％の強度が確保されている。

このように、本発明によれば、長さを１ｍｍ以下に限定し、存在部位を材料内部のみに限定したクラックを導入したことにより、クラックを導入しない状態に対して、大幅な強度低下を招くことなく、著しく高い減衰性能を実現することができる。

本発明によれば、限定した長さのクラックを材料内部のみに導入したことにより、大幅に強度低下させることなく、制振性を高めたマグネシウム合金シートおよびその製造方法が提供される。

本発明の制振マグネシウム合金シートおよびその製造工程を模式的に示す断面図。 本発明によりクラックを導入する圧延条件の適正範囲を示すグラフ。 圧延条件によるクラックの発生の判定例を示す圧延後の断面を示す光学顕微鏡写真。 本発明の実施例で得られた減衰率を比較例と対比して示すグラフ。 本発明の実施例で得られた引張強度を比較例と対比して示すグラフ。

符号の説明

１０ 制振マグネシウム合金シート
１２ マグネシウム合金マトリクス
１４ クラック
１６ 表面酸化膜

Claims (2)

1. 長さ１ｍｍ以下で方向の異なる複数のクラックが内部にのみ存在することを特徴とする制振マグネシウム合金シート。
2. 下記の工程：
   マグネシウム合金のインゴットを圧延することによってクラックを有する圧延シートを得る工程、
   上記圧延シートの表面酸化膜を除去する工程、
   酸化膜除去後の圧延シートを上記マグネシウム合金と同組成のマグネシウム合金で鋳包んで鋳包みシートを得る工程、
   鋳包みシートを、新たなクラックを発生させない範囲の温度および圧下率で圧延することによって、最終的な合金シートに成形する工程
   を含むことを特徴とする制振マグネシウム合金シートの製造方法。