JP2010095741A - マグネシウム合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた引張強度と良好な延性を有するマグネシウム合金を得ることができ、かつ、実生産に充分に対応することが可能であるマグネシウム合金の製造方法を提供する。
【解決手段】必須成分としてＺｎとＹとを含有し、残部がＭｇと不可避的不純物とからなるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金を鋳造して、ＬＰＳＯとαＭｇ相とを含む鋳造材を形成し、鋳造材に押出加工等の塑性加工を施す。その後、３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内での熱処理を施す。
【選択図】図５

Description

本発明はマグネシウム合金の製造方法に関する。詳しくは、高強度であると共に高延性であるマグネシウム合金の製造方法に係るものである。

一般に、マグネシウム合金は、実用化されている合金の中で最も密度が低く軽量で強度も高いため、電気製品の筐体や、自動車のホイール、足回り部品、エンジン回り部品等への適用が進められている。
特に、自動車に関連する用途の部品においては、高い機械的性質が要求されるため、ＧｄやＺｎ等の元素を添加したマグネシウム合金として、片ロール法、急速凝固法により特定の形態の材料を製造することが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

しかし、上記したマグネシウム合金は、特定の製造方法においては高い機械的性質が得られるものの、特定の製造方法を実現するためには特殊な設備が必要であり、しかも、生産性が低いといった問題があり、更には、適用できる部材も限られるといった問題があった。

そこで、従来、マグネシウム合金を製造する場合、上記した特許文献１及び特許文献２に記載の様な特殊な設備あるいはプロセスを用いずに、生産性の高い通常の溶解鋳造から塑性加工（押出）を実施しても、実用上有用な機械的性質が得られる技術が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。なお、特許文献３に開示されているマグネシウム合金は、高強度が得られることが知られている。

特開平６−４１７０１号公報 特開２００２−２５６３７０号公報 特開２００６−９７０３７号公報

しかしながら、従来の高強度を示すマグネシウム合金（例えば、特許文献３に記載のマグネシウム合金）は高延性を得ることが難しかった。例えば、従来の長周期積層構造相を有するマグネシウム合金では、３００ＭＰａ程度の引張強度を有しているものの、伸びは１０％未満であった。

また、市販のＡＺ系マグネシウム合金では３００℃で１時間程度の焼きなましを施すことによって１５％程度の伸びを実現することができるものの、引張強度は１５０ＭＰａ程度であった。

ここで、加工条件や加工方法を厳選することによって、塑性加工のみで高強度及び高延性を満足するマグネシウム合金を実現することがあるいは可能であるかもしれない。しかし、限定された加工条件や加工方法によって高強度及び高延性を満足するマグネシウム合金が実現したとしても、こうした限定された製造方法では、実生産に供するマグネシウム合金の製造方法としては充分であるとは言い難いものである。

本発明は以上の点に鑑みて創案されたものであって、優れた引張強度と良好な延性を有するマグネシウム合金を得ることができ、実生産に充分に対応することが可能なマグネシウム合金の製造方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、本発明のマグネシウム合金の製造方法では、必須成分としてＺｎとＹを含有し、残部がＭｇと不可避的不純物とからなるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金を鋳造して、長周期積層構造相とαＭｇ相とを含む鋳造材を形成する鋳造工程と、前記鋳造材に塑性加工を行う塑性加工工程と、該塑性加工工程により塑性加工を施した前記鋳造材に熱処理を施す熱処理工程とを備えるマグネシウム合金の製造方法であって、前記熱処理工程は、３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で行う。

ここで、熱処理工程を３５０℃以上の温度で行うのは、概ね１０％以上の伸びを得るためである。図５（ａ）にＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金を１時間焼きなました場合における熱処理温度と機械的特性（引張強度、０．２％耐力及び伸び）との関係を示し、図５（ｂ）にＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金を１時間焼きなました場合における熱処理温度と機械的特性（引張強度、０．２％耐力及び伸び）との関係を示す。これら図５（ａ）及び図５（ｂ）から明らかな様に、熱処理温度が３５０℃以上で概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現しつつ概ね１０％以上の伸びを得ることができるため、熱処理工程を３５０℃以上の温度で行うこととしている。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）中符号ａは引張強度を示し、符号ｂは０．２％耐力を示し、符号ｃは伸びを示している。

また、熱処理工程を５００℃以下の温度で行うのは、５００℃を超えるとマグネシウム合金の融点に近づいてしまうためであり、実生産を考慮して熱処理温度を５００℃以下に限定している。

なお、熱処理温度を４００℃以上の温度で行った場合には、長周期積層構造相中に含まれている２Ｈ構造を有するマグネシウム相が消失して安定組織である長周期積層構造相が現出し、３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１２％以上の伸びをも実現することができる。従って、熱処理工程は４００℃以上の温度、詳しくは、４００℃以上５００℃以下の温度範囲内で行うのが好ましい。

更に、熱処理温度を４５０℃以上の温度で行った場合には、針状若しくは板状の長周期積層構造相が現出し、３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１８％以上の伸びをも実現することができる。従って、熱処理工程は４５０℃以上の温度、詳しくは、４５０℃以上５００以下の温度範囲内で行うのがより一層好ましい。

また、熱処理時間を０．５時間以上としているのは、所望の機械的性質を得るためであり、具体的には、３００ＭＰａ以上の引張強度と１０％以上の伸びを実現するためである。

また、熱処理時間を１０時間以下としているのは、１０時間を超えて熱処理を行ったとしても、機械的性質や組織がそれほど大きな違いを生じないためである。

本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法では、優れた引張強度と良好な延性を有するマグネシウム合金を得ることができる。また、塑性加工と熱処理による組織制御を組み合わせることによって、塑性加工のみによる組織制御と比較すると加工条件や加工方法の制限が緩和され、実生産に充分に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参酌しながら説明し、本発明の理解に供する。
図１は本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法を説明するためのフローチャートである。図１に示す様に、本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法では、先ず、鋳造工程Ｓ１により鋳造される。ここで、鋳造工程では、必須成分としてＺｎとＹを含有し、残部がＭｇと不可避的不純物とからなるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金を鋳造して、長周期積層構造相（以下、「ＬＰＳＯ：Ｌｏｎｇ Ｐｅｒｉｏｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｏｒｄｅｒ」と称する。）とαＭｇ相とを含む鋳造材を形成する。なお、本実施例では、鋳造工程によって形成される鋳造材が、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金である場合とＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金である場合を例に挙げて説明を行う。

次に、鋳造された鋳造材に、塑性加工工程Ｓ２を行う。この塑性加工工程の塑性加工は、例えば、押出加工、鍛造加工、圧延加工あるいは引抜加工等であり、鋳造材を塑性加工することによって得られる塑性加工物は、引張強度、伸び、０．２％耐力が著しく向上することとなる。

続いて、塑性加工された塑性加工物を３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で熱処理を施す熱処理工程Ｓ３を行う。

＜Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の場合＞
鋳造工程によって形成される鋳造材がＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の場合には、熱処理工程によってαＭｇ相の結晶粒径が７μｍ〜１５μｍとなる様に組織制御する。具体的には、３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で熱処理を施すことによって、αＭｇ相の結晶粒径が７μｍ〜１５μｍとなる様に組織制御する。一例としては、４００℃で１時間の熱処理を行うことで７μｍの結晶粒径を得ることができ、５００℃で１時間の熱処理を行うことで１０μｍの結晶粒径を得ることができ、５００℃で１０時間の熱処理を行うことで１５μｍの結晶粒径を得ることができる。

なお、αＭｇ相の結晶粒径を７μｍ〜１５μｍに組織制御しているのは、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の場合には、こうした範囲内に組織制御することによって、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度と概ね１０％以上の伸びの双方を実現することができるからである（図５（ａ）参照。）。

ここで、図２（ａ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の押出材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｂ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の３００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｃ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の４００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｄ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の５００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真である。図２（ａ）〜図２（ｄ）の中で、本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法によって得られたマグネシウム合金は、図２（ｃ）及び図２（ｄ）であるが、これらマグネシウム合金１は、その合金組織中に、ＬＰＳＯ２とαＭｇ相３とを有している。なお、図２（ａ）〜図２（ｄ）で示す顕微鏡写真において、黒色で表されている箇所がＬＰＳＯであり、粒状に見える箇所がαＭｇ相である。

［ＬＰＳＯについて］
本発明のマグネシウム合金の製造方法で得られるマグネシウム合金は、ＬＰＳＯを有している。
ここで、ＬＰＳＯとは、マグネシウム合金の粒内及び粒界に析出する析出物であって、ＨＣＰ構造における底面原子層の並びが底面法線方向に長周期規則をもって繰り返される構造、即ち、長周期積層構造をいう。このＬＰＳＯの析出によって、マグネシウム合金の機械的特性（引張強さ並びに０．２％耐力）が向上することとなる。

＜Ｍｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の場合＞
鋳造工程によって形成される鋳造材がＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の場合には、熱処理工程によってαＭｇ相の結晶粒径が３μｍ〜８μｍとなる様に組織制御する。具体的には、３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で熱処理を施すことによって、αＭｇ相の結晶粒径が３μｍ〜８μｍとなる様に組織制御する。一例としては、４００℃で１時間の熱処理を行うことで３μｍの結晶粒径を得ることができ、５００℃で１時間の熱処理を行うことで８μｍの結晶粒径を得ることができる。

なお、αＭｇ相の結晶粒径を３μｍ〜８μｍに組織制御しているのは、Ｍｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の場合には、こうした範囲内に組織制御することによって、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度と概ね１０％以上の伸びの双方を実現することができるからである（図５（ｂ）参照。）。

ここで、図２（ｅ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の押出材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｆ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の３００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｇ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の４００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図２（ｈ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の５００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真である。図２（ｅ）〜図２（ｈ）の中で、本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法によって得られたマグネシウム合金は、図２（ｇ）及び図２（ｈ）であるが、これらマグネシウム合金１は、その合金組織中に、ＬＰＳＯ２とαＭｇ相３とを有している。なお、図２（ｅ）〜図２（ｈ）で示す顕微鏡写真において、黒色で表されている箇所がＬＰＳＯであり、粒状に見える箇所がαＭｇ相である。

ところで、図５（ａ）及び図５（ｂ）のグラフからも明らかな様に、鋳造工程によって形成される鋳造材がＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の場合、Ｍｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の場合の双方において、４００℃以上の温度で熱処理を施した場合には、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現しつつ、概ね１２％以上の伸びを実現することができるマグネシウム合金を得ることができる。また、４５０℃以上の温度で熱処理を施した場合には、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現しつつ、概ね１８％以上の伸びを実現することができるマグネシウム合金を得ることができる。

ここで、図３（ａ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の４００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図３（ａ）で示す顕微鏡写真からＬＰＳＯがαＭｇ相粒内に析出していることが分かる。また、図３（ｂ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の４２５℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図３（ｂ）で示す顕微鏡写真からＬＰＳＯがαＭｇ相粒内に析出していることが図３（ａ）よりも明確に分かる。次に、図３（ｃ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の４５０℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図３（ｃ）で示す顕微鏡写真から針状若しくは板状のＬＰＳＯがαＭｇ相の粒界及び粒内に析出し始めていることが分かる。続いて、図３（ｄ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の４７５℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図３（ｄ）で示す顕微鏡写真からαＭｇ相の粒界及び粒内で針状若しくは板状のＬＰＳＯが成長し、また、針状若しくは板状のＬＰＳＯ同士が合体していることが分かる。更に、図３（ｅ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の５００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図３（ｅ）で示す顕微鏡写真からαＭｇ相の粒界及び粒内で針状若しくは板状のＬＰＳＯが更に成長していることが分かる。なお、図３（ａ）〜図３（ｅ）で示す顕微鏡写真において、黒色で表されている箇所がＬＰＳＯであり、粒状に見える箇所がαＭｇ相である。

この様に、４００℃以上の温度で熱処理を施すことにより、ＬＰＳＯ内に含まれていた２Ｈ構造を有するマグネシウム相が消失して安定組織であるＬＰＳＯが現出する結果となる。従って、上述の様に、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現しつつ、概ね１２％以上の伸びを実現することができるマグネシウム合金を得ることができるのである。

更に、４５０℃以上の温度で熱処理を施すことにより、現出したＬＰＳＯが針状組織若しくは板状組織を呈するために、押出加工材に比べてキンク帯の先鋭化が生じると共にＬＰＳＯが微細分散する結果となる。従って、上述の様に、概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現しつつ、概ね１８％以上の伸びを実現することができるマグネシウム合金を得ることができるのである。

なお、図４（ａ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の５００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図４（ｂ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の５００℃、５時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図４（ｃ）はＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金の５００℃、１０時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図４（ａ）で示す結晶組織も図４（ｃ）で示す結晶組織も、結晶粒径において大差はなく、本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金は熱的安定性に優れていることが分かる。なお、マグネシウム合金の再結晶温度が３００℃であることに鑑みると、通常のマグネシウム合金の場合には、高温で長時間の熱処理を施した場合には、結晶粒径が成長することで伸びは改善するものの、引張強度が極端に低下してしまう。なお、図４（ａ）〜図４（ｃ）で示す顕微鏡写真において、黒色で表されている箇所がＬＰＳＯであり、粒状に見える箇所がαＭｇ相である。

同様に、図４（ｄ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の５００℃、１時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図４（ｅ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の５００℃、５時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であり、図４（ｆ）はＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金の５００℃、１０時間の焼きなまし材の結晶組織を示す顕微鏡写真であるが、図４（ｄ）で示す結晶組織も図４（ｆ）で示す結晶組織も、結晶粒径において大差はなく、本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金は熱的安定性に優れていることが分かる。なお、図４（ｄ）〜図４（ｆ）で示す顕微鏡写真において、黒色で表されている箇所がＬＰＳＯであり、粒状に見える箇所がαＭｇ相である。

以下、本発明の実施例について説明する。なお、ここで示す実施例は一例であり本発明を限定するものではない。

［実施例（１）］
先ず、本発明の実施例（１）のマグネシウム合金の製造方法として、Ｚｎを１原子％、Ｙを２原子％とし、残部をＭｇと不可避的不純物のＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金をアルゴンガス雰囲気中の高周波溶解炉内で溶解を行った。次に、加熱溶解した材料を金型で鋳造し、φ２９ｍｍ×Ｌ６０ｍｍのインゴット（鋳造材）を作成した。続いて、押出温度３５０℃、押出比１０、押出速度２．５ｍｍ／ｓの条件で塑性加工（押出加工）を行い、その後１００℃〜５００℃の熱処理温度にて１時間の熱処理（焼きなまし）を行ったものを作成した。

この様にして得られたそれぞれのマグネシウム合金を室温にて引張試験を行い、機械的特性を評価した結果を図５（ａ）に示す。

図５（ａ）から明らかな様に、本発明の実施例（１）のマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金は、３５０℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１０％以上の伸びを実現することができる。更に、図５（ａ）から明らかな様に、本発明の実施例（１）のマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金は、４００℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１２％以上の伸びを実現し、４５０℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１８％以上の伸びを実現することができる。

［実施例（２）］
また、本発明の実施例（２）のマグネシウム合金の製造方法として、Ｚｎを２原子％、Ｙを２原子％とし、残部をＭｇと不可避的不純物のＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金をアルゴンガス雰囲気中の高周波溶解炉内で溶解を行った。次に、加熱溶解した材料を金型で鋳造し、φ２９ｍｍ×Ｌ６０ｍｍのインゴット（鋳造材）を作成した。続いて、押出温度３５０℃、押出比１０、押出速度２．５ｍｍ／ｓの条件で塑性加工（押出加工）を行い、その後１００℃〜５００℃の熱処理温度にて１時間の熱処理（焼きなまし）を行ったものを作成した。

この様にして得られたそれぞれのマグネシウム合金を室温にて引張試験を行い、機械的特性を評価した結果を図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）から明らかな様に、本発明の実施例（２）のマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金は、３５０℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１０％以上の伸びを実現することができる。更に、図５（ｂ）から明らかな様に、本発明の実施例（２）のマグネシウム合金の製造方法で得られるＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金は、４００℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１２％以上の伸びを実現し、４５０℃以上の温度で焼きなました場合には概ね３００ＭＰａ以上の引張強度を実現すると共に概ね１８％以上の伸びを実現することができる。

本発明を適用したマグネシウム合金の製造方法を説明するためのフローチャートである。 結晶組織を示す顕微鏡写真（１）である。 結晶組織を示す顕微鏡写真（２）である。 結晶組織を示す顕微鏡写真（３）である。 焼きなまし温度と、引張強度、０．２％耐力及び伸びとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ マグネシウム合金
２ ＬＰＳＯ
３ αＭｇ相

Claims (6)

1. 必須成分としてＺｎとＹを含有し、残部がＭｇと不可避的不純物とからなるＭｇ−Ｚｎ−Ｙ系合金を鋳造して、長周期積層構造相とαＭｇ相とを含む鋳造材を形成する鋳造工程と、
   前記鋳造材に塑性加工を行う塑性加工工程と、
   該塑性加工工程により塑性加工を施した前記鋳造材に熱処理を施す熱処理工程とを備えるマグネシウム合金の製造方法であって、
   前記熱処理工程は、３５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で行う
   マグネシウム合金の製造方法。
2. 前記熱処理工程は、４００℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で行う
   請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。
3. 前記熱処理工程は、４５０℃以上５００℃以下の温度範囲内で、かつ、０．５時間以上１０時間以下の時間範囲内で行う
   請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。
4. 前記鋳造工程によりＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金よりなる鋳造材を形成すると共に、
   前記熱処理工程によりαＭｇ相の結晶粒径を７μｍ以上１５μｍ以下に制御する
   請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。
5. 前記鋳造工程によりＭｇ_９６Ｚｎ_２Ｙ_２合金よりなる鋳造材を形成すると共に、
   前記熱処理工程によりαＭｇ相の結晶粒径を３μｍ以上８μｍ以下に制御する
   請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。
6. 前記熱処理工程により針状若しくは板状の長周期積層構造相を現出せしめる
   請求項３に記載のマグネシウム合金の製造方法。

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