JP2011195868A - マグネシウム合金 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度でありながら、十分な加工性を有するマグネシウム合金を提供する。
【解決手段】マグネシウムを主成分とする高強度（もしくは、高引張強度・高圧縮強度）のマグネシウム合金であって、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成され、添加元素としてＡｌが３．５質量％超１１質量％以下含有されている、あるいは、Ａｌが２．５質量％未満０．１質量％以上含有されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、マグネシウムを主成分とする、加工性が良好であって、しかも高強度（もしくは、高引張強度・高圧縮強度）のマグネシウム合金に関するものである。

マグネシウム合金は、高強度のものが近年開発され、アルミニウム合金に変わる新素材として、自動車、航空機などの構成材料として注目されている。
しかし、これら工業用材料として使用するには、加工性が悪く、これを改善するために各種の開発がなされているが未だ十分なものは得られていない。
たとえば延性を向上させるための方策として押出し加工材とすることも検討されているが、この場合には圧縮強度を向上させることが難しく、また圧縮降伏応力と引張降伏応力の比である変形異方性が強くなり、軽量構造材料としての利用が困難であるという問題がある。
これに対して、特許文献１に示すように、その結晶構造を制御することで、高強度でありながら、十分な加工性を有する新しいマグネシウム合金を提供できることを明らかにした。
このような結晶構造を持つ合金の一つとしてＡｌを添加したものが知られているが、当該発明の出願当時の知見では、その添加量は制限されたものであった。
この為、その特性の調整に自由度が少なく、用途による要求される特性の違いに対応するのが困難とされていた。

本発明は、このような実情に鑑み、高強度で十分な加工性を有しながら、その他の特性も調整可能なマグネシウム合金を提供することを課題としている。

発明１のマグネシウム合金は、マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてＡｌが３．５質量％超１１質量％以下含有されていることを特徴とする。
発明２のマグネシウム合金は、マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてＡｌが２．５質量％未満０．１質量％以上含有されていることを特徴とする。
発明３は、発明１又は２のマグネシウム合金において、その結晶粒の平均結晶粒径が５μｍ以下で、前記亜結晶粒の平均粒径として１．５μｍ以下であることを特徴とする。
発明４は、発明３のマグネシウム合金において、その結晶粒径が５μｍ以下の結晶粒が全体の７割以上を占めることを特徴とする。

上記構成により、亜結晶粒の存在により、結晶粒自体の変形が可能になるが、結晶粒間の滑りは阻止されると推測され、良好な延性と高強度との特性の両立が図られた結晶構造を持ちながら、以下のような利点をも兼ねそなえることが可能になった。
アルミニウム含有量が少ない発明２では、上記の微細組織を広い温度域にて作製することが可能である。
また、アルミニウム含有量が多い発明１では、素材の二次加工性が優れることや耐食性が改善することなどの特徴が挙げられる。

実施例１のマグネシウム合金の透過型電子顕微鏡による微細組織観察（明視野像） 実施例１のマグネシウム合金の透過型電子顕微鏡による微細組織観察（暗視野像） 各実施例の室温引張試験により得られた公称応力−公称ひずみ曲線 実施例３の透過型電子顕微鏡による微細組織観察例 比較例１の透過型電子顕微鏡による微細組織観察例

本発明のマグネシウム合金はその結晶構造に特徴を有しており、この結晶構造は、
１）大傾角粒界を有し、
２）この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒である構成を有している。
ここで「大傾角粒界」とは方位差角が１５度以上の粒界と定義される。このような大傾角粒界については、ＳＥＭ／ＥＢＳＤ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：走査型電子顕微鏡／Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂａｃｋ−Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：電子線後方散乱回折）による結晶方位マッピングや透過型電子顕微鏡による方位差計測の手段によって具体的に確認されるものである。
また、「亜結晶粒」とは方位差角が５度以下の粒界を有するものと定義されるものである。
本発明のマグネシウム合金においては、その特性のレベルは、従来に比べて優れたものであって、前記１）２）の結晶構造を有するのみならず、Ａｌを３．５質量％超１１質量％以下、又は２．５質量％未満０．１質量％以上とすることで、表１に以下のような特性を有するものとなった。

さらに、アルミニウム含有量が３．５〜１１％の場合、亜結晶粒内部に微細な粒子が存在し、更なる高強度化が期待できる。ただし、１１％より多量に加えた場合、マグネシウムに固溶できないアルミニウムが粗大な金属間化合物を形成し、延性・靭性の低下をもたらすことが推測される。一方、アルミニウム含有量が０．１〜２．５％場合、粒界すべりを阻害する割合が小さいため、延性改善が期待できる。ただし、アルミニウム含有量が０．１％未満であると、マグネシウムに固溶するアルミニウムが少なく、強度・延性改善の効果が望めない。
なお、ここでの「加工ひずみ」とは、所定の温度で荷重を加えて永久変形させることと定義される。このような加工ひずみの導入は、たとえば実施例においても例示している溝ロール圧延や、あるいは高押出比での押出加工、高圧下率での圧延、ＥＣＡＥ（Ｅｑｕａｌ−ｃｈａｎｎｅｌ−ａｎｇｕｌａｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；等断面積側方押出加工）のような高ひずみせん断加工等の手段の適用として考慮される。
溝ロール圧延は、たとえば非特許文献１にも示されているものであるが、圧延ロール表面に三角形等の断面形状の溝を設けたもので、三角形の断面形状の場合では上下のロールを接触させたときに、ダイヤモンド形状の穴が形成されるという特徴を有している。本発明のマグネシウム合金の製造においては、このような溝ロール圧延は好ましい手段であって、この場合の溝形状については、前記のダイヤモンド形状をはじめ、六角形形状、楕円形状の穴が形成させるものが好ましく考慮され、ロール周速度は、１〜５０ｍ／分の範囲が好ましく考慮される。また、溝ロール圧延に際しては、あらかじめ１００〜５００℃の範囲で、５〜１２０分の範囲の時間、熱処理しておくことが好ましい。
以上のような溝ロール圧延をはじめとする各種手段での「加工ひずみの導入」においては、たとえば、好適には、材料が割れることなく通過できる温度にて、材料全体が均一になるように加熱保持し、その後、繰り返しひずみを導入する。その際の断面減少率については、加工ひずみ導入のための諸条件との関係において適宜に設定することができる。つまり、本発明合金における前記１）２）としての特徴のある結晶構造を形成できる条件として断面減少率が設定されればよい。たとえば断面減少率は、実施例にも例示したように、９２％、９５％等として設定される。

本発明のマグネシウム合金においては、たとえば、実施例でも示したように、断面減少率９０％以上の加工ひずみ導入により、良好な延性を低下させずに強度を増加させることが顕著に可能となる。
上記のひずみ導入に際し、複数パスのひずみ導入工程を連続して行うのが好ましく、この場合の単パスで導入するひずみは、たとえば、断面減少率１０〜２０％でよい。
大傾角粒界に囲まれた結晶粒の平均結晶粒径が５μｍ以下の結晶粒の割合は加工ひずみ導入（減面率）を大きくするほど増大するが、たとえば減面率９０％以上とする場合にはこの割合を９０％以上とし、しかも、この結晶粒内の亜結晶粒の平均粒径を１．５μｍ以下とする結晶構造を全体の７割以上とすることができる。
たとえば以上のような加工ひずみの導入によって前記のような特有の結晶構造を有するものとされた本発明のマグネシウム合金の特性は引張降伏応力（Ａ）２８０ＭＰａ以上、圧縮降伏応力（Ｂ）２２０ＭＰａ以上、降伏応力異方性比（Ａ／Ｂ）０．７以上のように極めて優れたレベルのものとなる。

さらには、断面積の大きなものや複雑形状の長尺材料にも適用が可能であり、素材の大型化にも対応が可能であるため、実用化が見込まれる。

商用純マグネシウム（純度９９．９５％）に、０．３５質量％アルミニウムを溶解鋳造し、母合金を作製した。母合金を溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ ｍｍの圧延用ビレットを準備した。圧延用ビレットを３００℃に昇温した炉内にて１時間保持した後、溝ロール圧延を実施した。ここで、ロール表面温度は室温とし、ロール周速度は３０ｍ／分とした。また、溝ロール圧延による断面積減を１パスあたり１８％とし、総減面率が９２％となるように、１５回繰り返し圧延を行った。
圧延材の微細組織観察は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いて実施した。観察部位は、圧延方向に対して平行断面である。図１と２に、同領域を観察した明視野像と暗視野像を示す。図１から、結晶粒界が鮮明ではなく、方位差角が小さい亜結晶粒からなる微細組織を示すことが分かる。図中の表記：Ｓは亜結晶粒の例を示し、同様の模様とコントラストで示された領域も亜結晶粒である。図２は、図１と同一観察視野における暗視野像で、亜結晶粒の平均サイズが約０．５μｍであることが分かる。
圧延材から平行部直径３ ｍｍ、長さ１５ ｍｍを示す引張試験片、直径４ｍｍ、高さ８ｍｍを示す圧縮試験片をそれぞれ採取した。試験片採取方向は、圧延方向に対して平行方向で、初期引張・圧縮ひずみ速度は、１ × １０^−３ ｓ^−１である。図３に、室温引張により得られた公称応力−公称ひずみ曲線を示す。また、機械的特性のまとめを表２に示す。なお、降伏応力は、０．２％ひずみのオフセット値を使用した。比較例１と比べると、ほぼ同じ減面率でひずみ付与を行っているが、引張強度は２１％高い値を示し、亜結晶粒化が強度の向上に寄与することが分かる。

商用純マグネシウム（純度９９．９５％）に、１．１質量％アルミニウムを溶解鋳造し、母合金を作製した。母合金を溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ ｍｍの圧延用ビレットを準備した。その後の加工は実施例１と同じである。実施例１と同条件にて引張・圧縮試験を行った。得られた結果を図３と表２に示す。比較例２と比べて、３３％高い引張強度を示し、亜結晶粒化が強度の向上に寄与することが分かる。

商用純マグネシウム（純度９９．９５％）に、６．４質量％アルミニウムを溶解鋳造し、母合金を作製した。母合金を溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ ｍｍの圧延用ビレットを準備した。その後の加工温度を４００℃にしたこと以外は全て実施例１と同じである。図４にＴＥＭを用いた微細組織観察例を示す。実施例１と同様の微細組織、すなわち亜結晶粒から構成されていることが分かる。その平均サイズは、約０．５μｍである。実施例１と同条件にて引張・圧縮試験を行った。得られた結果を図３と表２に示す。

比較例１

商用純マグネシウム（純度９９．９５％）に、０．３５質量％アルミニウムを溶解鋳造し、母合金を作製した。母合金を溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ ｍｍの押出ビレットを準備した。押出ビレットを約２００℃に昇温した押出コンテナに投入し、３０分程度保持した後、減面率が９４％である押出比２５：１で温間押出加工を施し、直径８ ｍｍの押出材を得た。押出速度は０．０１２ｍ／分とした。図５にＴＥＭを用いた微細組織観察例を示す。粒界が鮮明に確認できることから、マグネシウム母相は、大傾角粒界から構成されていることが確認できる。また、その平均サイズは、約１．５μｍである。実施例１と同条件にて引張試験を行い、得られた結果を図３と表２に示す。

比較例２

商用純マグネシウム（純度９９．９５％）に、１．１質量％アルミニウムを溶解鋳造し、母合金を作製した。その後の加工は比較例１と同じである。また、実施例１と同条件にて引張試験を行い、得られた結果を図３と表２に示す。

以下の表２には、前記実施例１から比較例２にて得られたマグネシウム合金組成と特性を示す。

ＷＯ２００９／０４４８２９Ａ１

井上ほか、日本金属学会誌、６９（２００５）９４３：Ｔ．ＩＮＯＵＥ ｅｔ． ａｌ．， Ｍａｔｅｒ． Ｓｃｉ． Ｅｎｇ．， Ａ４６６（２００７）１１４；Ｙ．Ｋｉｍｕｒａ ｅｔ． ａｌ．， Ｓｃｒｉｐｔａ Ｍａｔｅｒ．， ５７（２００７）４６５

Ｇ：結晶粒（大傾角粒界（方位差角１５°以上）で囲まれた粒界。）
Ｓ：亜結晶粒（方位差角５°以下の粒界。）

Claims (4)

1. マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてＡｌが３．５質量％超１１質量％以下含有されていることを特徴とするマグネシウム合金。
2. マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてＡｌが２．５質量％未満０．１質量％以上、含有されていることを特徴とするマグネシウム合金。
3. 前記結晶粒の平均結晶粒径が５μｍ以下で、前記亜結晶粒の平均粒径として１．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネシウム合金。
4. 前記結晶粒径が５μｍ以下の結晶粒が全体の７割以上を占めることを特徴とする請求項３に記載のマグネシウム合金。