JP2011236497A

JP2011236497A - 耐衝撃部材

Info

Publication number: JP2011236497A
Application number: JP2011033946A
Authority: JP
Inventors: Koji Mori; 宏治森; Yukihiro Oishi; 幸広大石; Nobuyuki Okuda; 伸之奥田; Masasada Numano; 正禎沼野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-02-18
Publication date: 2011-11-24
Also published as: KR20130061133A; EP2559780A1; EP2559780A4; WO2011129221A1; TW201207123A; US20130031951A1; CN102844453A

Abstract

【課題】軽量、高強度で衝撃エネルギーの吸収性に優れる耐衝撃部材を提供する。
【解決手段】この耐衝撃部材は、A1を7.3質量％超12質量％以下含有するマグネシウム合金により構成されている。この耐衝撃部材から長方形状の試験板片を作製し、この試験板片の両端部を支持台21,22で保持した状態で、試験板片の中央部に向かって質量225gの鉄球30を自由落下させ、鉄球30を落下させる地点から試験板片10までの距離を落下高さとし、鉄球30により試験板片10に凹みが生じない落下高さHを測定したとき、この耐衝撃部材は、落下高さHが340mm超である。本発明耐衝撃部材は、このように凹みが生じない落下高さが大きく、衝撃を受けても凹まない、或いは凹み難く、耐衝撃性に非常に優れる。
【選択図】図1

Description

本発明は、衝突時の衝撃エネルギーの緩和に寄与する耐衝撃部材に関するものである。特に、軽量、高強度で、衝撃エネルギーの吸収性に優れる耐衝撃部材に関するものである。

種々の構造部材に求められる特性の一つとして、動的な荷重の衝撃エネルギーを緩和できること、即ち、耐衝撃性に優れることが挙げられる。このような耐衝撃性が求められる部材(耐衝撃部材)として、例えば、バンパーモジュールなどの自動車部品が挙げられる。

一般に、自動車の車体の前部や後部には、自動車が他の物体などに衝突したときの衝撃エネルギーを緩和して、自動車内の乗員を保護するためのバンパーモジュールが設けられている。バンパーモジュールは、車体の幅方向に亘って配置されるレインフォースメント(代表的には鋼板のプレス材やアルミニウムの押出材)と、レインフォースメントに支持されると共に、衝突時に変形して衝突エネルギーを吸収する吸収部材(代表的には発泡スチロール)と、レインフォースメント及び吸収部材を覆ってモジュールの外観を構成するバンパーフェース(代表的には合成樹脂)とを具える。

一方、軽量で比強度、比剛性に優れるマグネシウム合金が種々の分野の素材に利用されてきている。例えば、自動車部品では、ホィールカバーやパドルシフトなどが挙げられる。マグネシウム合金は、一般に室温での塑性加工性に劣ることから、マグネシウム合金からなる部材は、ダイカスト法やチクソモールド法による鋳造材(ASTM規格のAZ91合金からなるもの)が主流であり、上記自動車部品もダイカスト材などの鋳造材である。近年、携帯用の電気・電子機器類の筐体といった小型な部材に、ASTM規格のAZ31合金に代表される展伸用マグネシウム合金からなる板材にプレス加工を施した部材が使用されつつある。特許文献1は、ASTM規格のAZ91合金相当の合金からなり、プレス加工性に優れるマグネシウム合金板を提案している。

特開2007-098470号公報

耐衝撃部材の耐衝撃性を更に向上することが望まれる。
例えば、上記バンパーモジュールでは、乗員の保護の確実性及び安全性の向上を図るため、衝撃エネルギーの吸収量がより大きく、耐衝撃性に更に優れることが望まれる。また、自動車部品は、燃費を向上するために軽量であることも望ましい。

上記の要求から、構造用金属の中でも、軽量で高強度なマグネシウム合金は、耐衝撃部材の構成材料に適すると考えられる。しかし、本発明者らが調べたところ、AZ91合金の鋳造材やAZ31合金の圧延材では、耐衝撃性を十分に有するとは言えなかった。

そこで、本発明の目的の一つは、マグネシウム合金からなり、耐衝撃性に優れる耐衝撃部材を提供することにある。

本発明の耐衝撃部材は、Alを7.3質量％超12質量％以下含有するマグネシウム合金からなり、耐衝撃試験を行って以下の落下高さを測定したとき、凹みが生じない落下高さが340mm超である。
(耐衝撃試験)
耐衝撃部材から厚さ0.6mm×長さ100mm×幅70mmの試験板片を作製し、この試験板片の両端部を保持した状態で、当該試験板片の中央部に向かって質量225gの鉄球を自由落下させる。鉄球を落下させる地点から試験板片までの距離を落下高さ(mm)とし、鉄球により試験板片に凹みが生じない落下高さを測定する。

本発明では、耐衝撃性を定量的に規定する指標として、上述のように特定の大きさの薄肉の試験板片を作製し、この試験板片に対して上記特定の耐衝撃試験を行ったときの落下高さを提案する。そして、上記試験板片に凹みが生じない落下高さが高い場合、具体的には340mm超である場合を耐衝撃性に優れる、と評価する。

本発明者らは、後述する試験例に示すように種々の材質の金属板から上記特定の大きさの試験板片を作製し、試験板片に向かって種々の高さから特定の質量の鉄球を自由落下させたところ、試験板片に凹みが生じない落下高さが異なっていた。特に、特定量のAlを含有するマグネシウム合金の板材から作製した試験板片は、上記落下高さが非常に高かった。そこで、耐衝撃性の評価の指標として、上記落下高さを利用する。

本発明耐衝撃部材は、上述のような薄肉の試験板片に動的な荷重の衝撃(上記鉄球の自由落下)を与えた場合でも、凹まない、或いは凹みが生じ難い。また、後述する試験例に示すように凹み難いだけでなく、衝撃により破断もし難い。このように本発明耐衝撃部材は、耐衝撃性に非常に優れる。上記落下高さが340mm以下では、耐衝撃性を十分に有しておらず、大きな衝撃に耐え得ることが困難であると考えられる。落下高さが高いほど衝撃エネルギーの吸収性に優れ、耐衝撃性が高いと言えるため、上記凹みが生じない落下高さの上限は設けない。

本発明の一形態として、上記マグネシウム合金中にAl及びMgの少なくとも一方を含む金属間化合物の粒子が分散して存在し、上記金属間化合物の粒子の平均粒径が0.5μm以下であり、上記耐衝撃部材の断面において、前記金属間化合物の粒子の合計面積の割合が0％超11％以下である形態が挙げられる。

本発明者らは、Alを特定量含有し、かつ特定の組織を有するマグネシウム合金は、耐衝撃性に非常に優れる、との知見を得た。上記形態は、微細な金属間化合物の粒子が分散して存在することで、上記粒子の分散強化によりマグネシウム合金からなる耐衝撃部材自体の剛性を向上できる。そのため、上述のように薄肉の試験板片であっても剛性に優れ、凹み難い。かつ、上記形態は、Alを多めに含有すると共に、上記金属間化合物が特定の範囲(面積割合)で存在することで、マトリクス相中にもAlが十分に固溶した状態を維持できるため、Alの固溶強化による高強度化を図ることができる。また、上記形態は、衝突時に割れの起点となるような粗大な金属間化合物や粗大な巣などの欠陥が実質的に存在しない。従って、上記形態の本発明耐衝撃部材は、衝撃を受けても凹み難い上に割れ難く、剛性や耐衝撃性に非常に優れる。

更に、上記特定の組織を有するマグネシウム合金からなる上記形態の耐衝撃部材は、マグネシウム合金の母材(マトリクス相)よりも耐食性に優れる金属間化合物からなる微細な粒子が本発明耐衝撃部材の少なくとも表面領域(耐衝撃部材の厚さ方向に当該耐衝撃部材の表面から厚さの30％までの領域。例えば、耐衝撃部材が板材に塑性加工を施して成形された成形部材である場合、当該板材の厚さ方向に当該板材の表面から板厚の30％までの領域)に存在することで、耐食性に優れる。特に、上記金属間化合物が特定の範囲(面積割合)で存在することで、マトリクス相中にもAlが十分に固溶した状態とできるため、Alが金属間化合物になったことによる当該マトリクス相自体の耐食性の劣化を抑制できる。この点からも上記形態の耐衝撃部材は、耐食性に優れる。

上記特定の組織を有する本発明耐衝撃部材の代表的な形態として、その表面の実質的に全面に亘って均一的な厚さの酸化膜が形成された形態が挙げられる。このような酸化膜を有する形態では、大気や水などの腐食要因がマグネシウム合金自体に接触することを効果的に抑制できるため、耐食性に優れる。従って、この形態は、一般に耐食性に劣るとされるマグネシウム合金で構成されていながらも耐食性に優れることから、自動車部品の外装部材などように風雨といった腐食環境に曝される場合でも十分に使用できると期待される。また、この形態は、腐食による耐衝撃性の劣化を低減することができるため、優れた耐衝撃性を長期に亘り維持することができると期待される。

上記特定の組織を有する形態において、当該耐衝撃部材の断面をとったとき、上記金属間化合物の粒子の個数が0.1個/μm²以上である形態が挙げられる。

上記形態では、上述の微細な金属間化合物の粒子が多数存在して、マトリクス相中に均一的に分散しており、当該粒子の分散強化により更に優れた耐衝撃性を有することができる上に、耐食性の向上も期待できる。上記個数は、0.3個/μm²以上がより好ましい。但し、大きな金属間化合物の粒子が多過ぎると、上述のようにマトリクス相のAl濃度が低下して強度や耐食性の低下を招くことから、上述のように金属間化合物の粒子は小さいことが望ましい。

本発明の一形態として、上記耐衝撃部材が上記マグネシウム合金からなる板材に塑性加工を施して成形された成形部材であり、絞り変形を伴わない平坦な部分を有する形態が挙げられる。この形態では、上記試験板片は上記平坦な部分から切り出して作製する。

上記形態は、プレス加工といった塑性加工により成形可能であるため、大量生産に適する。特に、上記板材が上述した微細な金属間化合物が分散した特定の組織を有するマグネシウム合金から構成されている場合、プレス加工といった塑性加工性にも非常に優れる、との知見を得た。従って、このような板材にプレス加工といった塑性加工を施すことで軽量で高強度であり、かつ耐衝撃性に優れる耐衝撃部材を生産性良く製造できると期待される。

なお、絞り変形を伴わない平坦な部分とは、上記試験板片を採取可能な面積を有する部分を耐衝撃部材から切り出して水平台に配置し、当該切出片において水平台に接触させた面のうち、水平台から最も離れた箇所と水平台までの垂直方向の距離を測定したとき、当該距離が1mm以下である部分とする。上記試験板片をこの平坦な部分から作製することで、当該試験板片も同様に平坦である(上記距離が1mm以下を満たす)。また、耐衝撃部材が上記平坦な部分を有する場合、上記金属間化合物の粒子の面積及び個数の測定、後述する巣の最大径の測定は、当該平坦な部分の断面をとって行うものとする。

本発明の一形態として、上記耐衝撃部材の断面において、巣の最大径が5μm以下である形態が挙げられる。

ダイカスト材などの鋳造材では、巣(ポア)と呼ばれる鋳造欠陥が存在し易い。上記巣を有する鋳造材に圧延などの塑性加工を行うことで、上記巣を消滅したり小さくしたりすることができるが、鋳造材のままでは、巣が消滅などすることなく存在する。最大径が5μm超といった粗大な巣が存在し、特に、マグネシウム合金部材(耐衝撃部材)の表面に露出している場合、割れの起点となり、衝撃エネルギーの吸収を十分に行うことが難しい。また、上記粗大な巣は、腐食の起点となり易く、耐食性の低下を招く。これに対し、上記形態は、上記粗大な巣が少なく、或いは実質的に存在せず、上記粗大な巣の存在による割れが生じ難いことから、耐衝撃性に優れる。また、上記形態は、上記粗大な巣による耐食性の低下も生じ難く、耐食性に優れる。巣は、小さいほど好ましく、存在しないことが最も好ましいため、巣の数及び最大径の下限は設けない。このような粗大な巣が少ない、或いは実質的に存在しない耐衝撃部材は、例えば、後述するように鋳造板(好ましくは連続鋳造板)に圧延を施した圧延板を素材に利用することで得られる。

本発明の一形態として、上記マグネシウム合金は、Alを8.3質量％以上9.5質量％以下、Znを0.5質量％以上1.5質量％以下含有する形態が挙げられる。

Alを8.3質量％〜9.5質量％、Znを0.5質量％〜1.5質量％含有するMg-Al系合金は、特に強度に優れることから、高強度であることが望まれる耐衝撃部材の材質に好ましい。上記Mg-Al系合金の代表的な組成として、ASTM規格のAZ91合金が挙げられる。

本発明の一形態として、上記耐衝撃部材がバンパー部材である形態が挙げられる。

本発明耐衝撃部材は、衝撃エネルギーを十分に緩和できるため、耐衝撃性を特に求められる自動車のバンパー部材、具体的にはレインフォースメントやバンパーフェースなどに好適に利用することができる。

本発明耐衝撃部材は、耐衝撃性に優れる。

図1(I)は、耐衝撃試験の試験方法を説明する説明図、図1(II)は、破断試験に用いた試験板片の平面図である。

以下、本発明をより詳細に説明する。
[耐衝撃部材]
(組成)
本発明耐衝撃部材を構成するマグネシウム合金は、Mgに添加元素を含有した種々の組成のもの(Mg:50質量％以上と添加元素と残部:不純物)が挙げられる。特に、本発明では、添加元素に少なくともAlを7.3質量％超12質量％以下含有するMg-Al系合金とする。Alの含有量が多いほど、強度、耐塑性変形性(剛性)といった機械的特性に優れる上に、耐食性にも優れる傾向にある。但し、Alの含有量が12質量％を超えると塑性加工性の低下を招くことから、上限は12質量％、更に11質量％が好ましい。

Al以外の添加元素は、Zn,Mn,Si,Ca,Sr,Y,Cu,Ag,Zr,Ce,Be,Sn,Li,Ni,Au及び希土類元素(Y,Ceを除く)から選択された1種以上の元素が挙げられる。これらの元素を含む場合、その含有量は、合計で好ましくは10質量％以下、より好ましくは5質量％以下、各元素の含有量は好ましくは0.01質量％以上10質量％以下、より好ましくは0.1質量％以上5質量％以下が挙げられる。より具体的なMg-Al系合金は、例えば、ASTM規格におけるAZ系合金(Mg-Al-Zn系合金、Zn:0.2質量％〜1.5質量％)、AM系合金(Mg-Al-Mn系合金、Mn:0.15質量％〜0.5質量％)、Mg-Al-RE(希土類元素)系合金、AX系合金(Mg-Al-Ca系合金、Ca:0.2質量％〜6.0質量％)、AJ系合金(Mg-Al-Sr系合金、Sr:0.2質量％〜7.0質量％)などが挙げられる。不純物は、例えば、Feなどが挙げられる。その他、Y,Ce,Ca,及び希土類元素(Y,Ceを除く)から選択される少なくとも1種の元素を合計0.001質量％以上、好ましくは合計0.1質量％以上5質量％以下含有すると、耐熱性、難燃性に優れる。

(組織)
≪組成≫
本発明耐衝撃部材を構成するマグネシウム合金の代表的な組織として、マトリクス相中に微細な析出物の粒子が特定の範囲で分散した組織が挙げられる。析出物は、主として金属間化合物が挙げられる。金属間化合物は、例えば、Mg₁₇Al₁₂といったMg及びAlを含有する化合物、Al(MnFe)といったAlを含有する化合物が挙げられる。

≪平均粒径、面積割合≫
上記「微細」とは、平均粒径が0.5μm以下を満たすことを言い、「分散した組織」とは、本発明耐衝撃部材の断面を100面積％とするとき、上記金属間化合物の粒子が合計で11面積％以下存在することを言う。上記面積割合が0面積％超であることで、マグネシウム合金中に上記金属間化合物が十分に存在し、かつ、平均粒径が0.5μm以下であることで、微細な金属間化合物が分散していることによる分散強化の効果を十分に得られる。上記平均粒径が大き過ぎたり、上記面積割合が大き過ぎると、マグネシウム合金中に金属間化合物が過剰に存在したり、5μm以上といった粗大な粒子が存在することで、マトリクス相中のAlの固溶量(Al濃度)が低減されて強度の低下を招く。更に、上述のような粗大な粒子は、衝突時などで割れなどの起点となって、耐衝撃性の低下を招く。加えて、金属間化合物の粒子が粗大で、マトリクス相中に疎らに存在していると、当該粗大な粒子とマトリクス相との間で局部電池を形成し、孔食などの腐食が生じ易くなる。従って、金属間化合物はできるだけ小さい粒子が均一的に分散していることが好ましく、上記平均粒径は、0.3μm以下がより好ましい。上記面積割合は、8面積％以下がより好ましいと考えられる。

(酸化膜)
マグネシウム合金は活性であるため、一般に、防食処理や塗装を施さないと、その表面に酸化膜が形成される。ダイカスト材などの鋳造材では、上記酸化膜が不均一な厚さで生成されており、このような鋳造材は、耐食性に劣る。これに対し、本発明において表面の実質的に全面に亘って均一的な厚さの酸化膜を具える形態では、耐食性にも優れる。表面の実質的に全面とは、検査装置の測定限界などにより酸化膜を精度よく確認できない箇所を除いた領域であり、表面積の90％以上、特に95％以上を言う。また、酸化膜は、実質的にマグネシウム酸化物で形成されるが(90質量％以上)、Alなどの不純物を含むことを許容する。

(厚さ)
本発明耐衝撃部材が素材板(代表的には圧延が施された板材)にプレス加工といった塑性加工が施されて、所定の形状に成形された成形部材である場合、代表的には素材板の厚さが実質的に維持されることから、耐衝撃部材の全体に亘って実質的に均一な厚さである。耐衝撃部材の厚さが厚いほど、衝撃エネルギーの吸収量を増大できるものの軽量化を阻害し、薄過ぎると衝撃エネルギーの吸収を十分に行えない。そのため、耐衝撃部材の平均厚さは、0.6mm以上3.0mm以下が好ましい。平均厚さは、耐衝撃部材の任意の5箇所の厚さの平均とする。本発明耐衝撃部材は、上述のように全体に亘って実質的に均一的な厚さである形態の他、リブや貫通孔を有して、局所的に厚さが異なる箇所を有する形態を許容する。

(表面処理)
本発明の一形態として、耐衝撃部材の表裏面(例えば、板材に塑性加工が施された成形部材の場合、板材の両面)の双方に防食処理が施されていない形態とすることができる。この形態は、従来必須とされていた防食処理を削減でき、耐衝撃部材の生産性を高められる。或いは、本発明の一形態として、耐衝撃部材の表裏面の双方に防食処理が施されておらず、かつ、上記表裏面のいずれか一方の面にのみ塗装層を具える形態とすることができる。この形態は、一方の面に塗装層を具えることで、耐衝撃部材の耐食性を補強できる上に、着色や模様の付与などが可能となるため、装飾性や商品価値をも高められる。

その他、本発明の一形態として、耐衝撃部材の表裏面の双方に化成処理や陽極酸化といった防食処理が施された形態(防食層を具える形態)、更に、防食層に加えて塗装層を具える形態とすることができる。これらの形態は、耐衝撃部材を構成するマグネシウム合金自体の耐食性に加えて、防食処理により耐食性を高められて、耐食性に極めて優れた耐衝撃部材となる。

[製造方法]
本発明耐衝撃部材を、板材に塑性加工を施した成形部材とする場合、例えば、以下の鋳造工程、溶体化工程、圧延工程、及びプレス工程を具える製造方法により、製造することができる。
鋳造工程:Alを7.3質量％超12質量％以下含有するマグネシウム合金からなり、連続鋳造法により鋳造板を製造する工程。
溶体化工程:上記鋳造板に350℃以上の温度で溶体化処理を施して、固溶板を製造する工程。
圧延工程:上記固溶板に温間圧延を施し、圧延板を製造する工程。
プレス工程:上記圧延板にプレス加工を施し、耐衝撃部材を製造する工程。
特に、溶体化工程以降の製造工程において、加工対象である素材板(代表的には圧延板)を150℃以上300℃以下の温度域に保持する総合計時間を0.5時間以上12時間以内とすると共に、300℃超の温度に加熱しないように、上記素材板の熱履歴を制御する。

上記製造方法は、更に、上記圧延板に矯正を施す矯正工程を具えることができる。この矯正は、例えば、上記圧延板を100℃以上300℃以下に加熱した状態で矯正を行う温間矯正が挙げられる。上記温間矯正を行う場合、この矯正工程における圧延板を150℃以上300℃以下の温度域に保持する時間が、上記総合計時間に含まれるようにする。その他、上記製造方法は、更に、上記圧延板又は上記矯正工程を経た矯正板に研磨を施す研削工程を具えることができる。

上述のように、鋳造以降、特に溶体化処理以降、最終製品となるまでの製造工程において、マグネシウム合金からなる素材を、金属間化合物が析出され易い温度域(150℃〜300℃)に保持する時間を特定の範囲内とすると共に、当該素材を溶体化処理以降に300℃超の温度に加熱しないことで、金属間化合物などの析出物を析出させつつ、その量を特定の範囲内とすることができる。また、上記特定の温度域に保持する時間を制御することで、金属間化合物などの析出物の過度な成長を抑制して、微細な析出物が分散した組織とすることができる。

以下、工程ごとにより詳細に説明する。
(鋳造工程)
上記鋳造板は、双ロール法といった連続鋳造法、特に、WO/2006/003899に記載の鋳造方法で製造した鋳造板を利用することが好ましい。連続鋳造法は、急冷凝固が可能であるため、酸化物や偏析などを低減できる上に、割れの起点になり得る10μm超といった粗大な晶析出物が生成されることを抑制できる。従って、圧延加工性に優れる鋳造板が得られる。鋳造板の厚さは特に問わないが、厚過ぎると偏析が生じ易く、この偏析が圧延時などで割れの原因となるため、10mm以下、特に5mm以下が好ましい。鋳造板の幅は、適宜選択することができる。

(溶体化工程)
上記鋳造板に溶体化処理を施して、組成を均質化すると共に、Alといった添加元素を固溶させた固溶板を製造する。溶体化処理は、保持温度を350℃以上、特に、保持温度:380℃〜420℃、保持時間:60分〜2400分(1時間〜40時間)とすることが好ましい。保持時間は、Alの含有量が多いほど長くすることが好ましい。また、上記保持温度からの冷却工程において、水冷や衝風といった強制冷却などを利用して冷却速度を速めると(例えば、50℃/min以上)、粗大な析出物の析出を抑制できて好ましい。上述のように溶体化処理を行うことでマグネシウム合金中にAlを十分に固溶させられる。

(圧延工程)
上記固溶板に圧延を施すにあたり、素材(固溶板や最終圧延が施されるまでの圧延途中の板)を加熱することで塑性加工性(圧延加工性)を高められる。従って、少なくとも1パスは温間圧延とする。特に、上記素材を300℃超に加熱すると塑性加工性を十分に高められて圧延を行い易い。しかし、上述のように金属間化合物(析出物)の過剰な生成や粗大化による耐衝撃性の低下や耐食性の低下を招いたり、素材の焼き付きが発生したり、素材の結晶粒が粗大化して圧延後に得られた板材の機械的特性が低下したりする。そのため、圧延工程において素材の加熱温度も300℃以下とする。特に、素材の加熱温度は150℃以上280℃以下が好ましい。複数回(多パス)の圧延を施すことで、所望の板厚(例えば、0.6mm〜3.0mm)にできると共に、素材の平均結晶粒径を小さくしたり(例えば、10μm以下、好ましくは5μm以下)、圧延やプレス加工といった塑性加工性を高められる。圧延は、公知の条件、例えば、素材だけでなく圧延ロールも加熱したり、特許文献1に開示される制御圧延などを組み合わせて利用してもよい。また、仕上げ圧延などで圧下率が小さい圧延を行う場合、冷間圧延としてもよい。その他、圧延にあたり、潤滑剤を適宜利用すると、圧延時の摩擦抵抗を低減でき、素材の焼き付きなどを防止して、圧延を施し易い。

多パスの圧延を行う場合、上述した150℃〜300℃の温度域の保持時間が上記総合計時間に含まれる範囲で、パス間に中間熱処理を行ってもよい。この中間熱処理により、当該中間熱処理までの塑性加工(主として圧延)により加工対象である素材に導入された歪みや残留応力、集合組織などを除去、軽減することができ、当該中間熱処理後の圧延で不用意な割れや歪み、変形を防止して、より円滑に圧延を行える。中間熱処理を行う場合も、素材の加熱温度を300℃以下とする。好ましい加熱温度は、250℃以上280℃以下である。

(矯正工程)
上記圧延工程により得られた圧延板に、特許文献1に記載されるように最終熱処理(最終焼鈍)を施してもよいが、この最終熱処理を施さず、或いは最終熱処理後に上述のように矯正を施すと、プレス加工といった塑性加工性に優れて好ましい。矯正は、WO/2009/001516に記載されるような複数のロールが千鳥状に配置されたロールレベラなどを用い、圧延板を100℃〜300℃、好ましくは150℃以上280℃以下に加熱して行う温間圧延が挙げられる。このような温間矯正を行った矯正板にプレス加工といった塑性加工を施すと、塑性加工時に動的再結晶化が生じることで、塑性加工性に優れる。なお、温間矯正加工を施す素材の厚さにもよるが、薄いものでは、当該温間矯正工程における上記温度域の保持時間を数分程度、更に1分以内と非常に短くすることができる。

上記最終熱処理を行った場合、圧延に伴う歪みを除去することができる。最終熱処理の条件は、例えば、素材の加熱温度:100℃以上300℃以下、加熱時間:5分以上60分以下が挙げられる。特許文献1で記載されるように加熱温度を300℃〜340℃とすることもできるが、上述のように金属間化合物の成長をできるだけ抑制するために、加熱温度を高める場合には加熱時間を短くすること、例えば30分未満とすることが望ましい。

(素材を特定の温度域に保持する総合計時間)
上述のように金属間化合物が生成され易かったり成長し易かったりする上記温度域(150℃〜300℃)の保持時間を特定の範囲に制御することで、特定量の微細な金属間化合物が分散して存在する組織とすることができる。

上記150℃〜300℃の温度域に保持する総合計時間が0.5時間未満では、金属間化合物が十分に析出されず、12時間を超えたり、素材を300℃超に加熱して圧延などすると、平均粒径が1μm以上の粗大な金属間化合物が存在した組織や11面積％超といった過剰に金属間化合物が存在した組織が得られる。好ましくは、温度域:150℃以上280℃以下、総合計時間:1時間以上6時間以下となるように、圧延工程における各パスの加工度や圧延工程の総加工度、中間・最終熱処理時の条件、矯正時の条件などを制御する。また、Alの含有量が多いほど、金属間化合物が析出し易いため、上記総合計時間は、Alの含有量に応じても調整することが好ましい。

(プレス工程)
上記圧延板や、上記圧延板に上記最終熱処理を施した熱処理板、上記圧延板に上記矯正を施した矯正板、上記圧延板・熱処理板・矯正板のいずれかに研磨(好ましくは湿式研磨)を施した研磨板にプレス加工といった塑性加工を施すことで、本発明耐衝撃部材(成形部材)が得られる。上記塑性加工は、200℃以上300℃以下の温間加工とすると、素材の塑性加工性を高められて塑性加工を行い易い。なお、この塑性加工時において素材を200℃〜300℃に保持する時間は非常に短く、例えば、プレス加工によっては60秒以内の場合がある。従って、このプレス工程では、上述したような金属間化合物の粗大化などの不具合は実質的に生じないと考えられる。

上記塑性加工後に熱処理を施して、塑性加工により導入された歪みや残留応力の除去、機械的特性の向上を図ることができる。この熱処理条件は、加熱温度:100℃〜300℃、加熱時間:5分〜60分程度が挙げられる。但し、この熱処理においても150℃〜300℃の温度域の保持時間が上記総合計時間に含まれるようにすることが望ましい。

更に、上記塑性加工後、防食処理を施したり、耐食性の向上や機械的保護、装飾(商品価値の向上)などを目的として、上述のように塗装層を設けたりすることができる。

(素材の形態)
上記成形部材である形態の本発明耐衝撃部材の製造にあたり、その素材にコイル材を利用すると、プレス成形装置に素材を連続的に供給できるため、大量生産が可能であり、工業的な意義が高い。このコイル材は、例えば、上述のように連続鋳造法により連続的に製造した長尺な鋳造板をコイル状に巻き取って鋳造コイル材を作製し、この鋳造コイル材に溶体化処理(バッチ処理又は連続処理)を施した後、巻き戻して圧延や矯正などの加工を施して巻き取ることで、製造できる。特に、鋳造コイル材の製造にあたり、鋳造材において巻き取り直前の箇所を例えば150℃以上に加熱した状態で巻き取ることで、巻き取り径が小さい場合でも、割れなどを生じることなく巻き取れる。巻き取り径が大きい場合は、冷間で巻き取ってもよい。

以下、本発明の具体的な実施の形態を試験例に基づき説明する。
[試験例]
種々の金属板について、耐衝撃性及び組織を調べた。

この試験では、以下のようにして作製したマグネシウム合金からなる板材(試料No.1)と、比較として市販のアルミニウム合金板(5052、試料No.100、厚さ0.6mm)、市販のステンレス鋼板(SUS304、試料No.110、厚さ0.6mm)、市販の展伸板(AZ31合金、試料No.120、厚さ0.6mm)、市販の鋳造板(AZ91合金)を用意した。上記鋳造板(AZ91合金)には、試料No.1に施した後述の研磨処理と同様の条件で湿式研磨を施して研磨板を作製し、この研磨板(厚さ0.6mm)を試料No.130とした。

試料No.1の板材は、以下のように作製した。AZ91合金相当の組成(9.0％Al-1.0％Zn-0.15％〜0.5％Mn(全て質量％)、残部Mg)を有するマグネシウム合金の溶湯を用いて、双ロール連続鋳造法により長尺な鋳造板(厚さ4mm)を作製してコイル状に巻き取り、鋳造コイル材を作製した。この鋳造コイル材をバッチ炉に装入して400℃×24時間の溶体化処理を施した。得られた固溶コイル材を巻き戻して、以下の条件で複数パスの圧延を施して巻き取り、厚さ約0.6mmの圧延コイル材を作製した。
(圧延条件)
圧下率:5％/パス〜40％/パス
素材の加熱温度:250℃〜280℃
ロール温度:100℃〜250℃

得られた圧延コイル材を巻き戻して、素材板を200℃に加熱した状態で温間矯正を施して巻き取り、矯正コイル材を作製した。温間矯正は、素材板(圧延板)を加熱可能な加熱炉と、加熱された素材板に連続的に曲げ(歪)を付与する複数のロールを有するロール部とを具えるロールレベラ装置を用いて行う。上記ロール部は、上下に対向して千鳥状に配置された複数のロールを具える。上記ロールレベラ装置により、素材板は、上記加熱炉内で加熱されながら上記ロール部に送られ、ロール部の上下のロール間を通過するごとに、これらのロールにより順次曲げが付与される。

得られた矯正コイル材を巻き戻して、素材(矯正板)の表面に、＃600の研磨ベルトを用いて湿式ベルト式研磨を施して平滑にして巻き取り、研磨コイル材を作製した(厚さ0.6mm)。この研磨コイル材を試料No.1とする。なお、試料No.1は、溶体化処理以降の製造工程において、150℃〜300℃の温度域に保持する総合計時間を0.5時間〜12時間とすると共に、300℃超の加熱を行わないようにした。

＜耐衝撃性＞
[凹み試験]
用意した各板材から厚さ0.6mm×長さl:100mm×幅w:70mmの長方形状の試験板片を作製し、以下の耐衝撃試験を行い、耐衝撃性を評価した。

試験板片は、各板材から上記長方形状の小片を切り出して作製した。切り出した小片の両端部側にそれぞれ固定孔を設ける。そして、離間して配置された一対の支持台の間に(間隔W:76mm)、両支持台間に渡すように試験板片を配置して固定孔にボルトをねじ込んで試験板片を両支持台に固定して、試験板片の両端部を支持台で保持する。この状態で、試験板片の中央部に鉄球が接触するように、試験板片の表面に対して垂直方向の上方から鉄球(質量:225g、直径D:38mm)を自由落下させる。上記鉄球を落下させる地点から試験板片の表面までの距離を落下高さHとし、試験板片に凹みが生じない落下高さHを測定する。その結果を表1に示す。なお、凹みの有無は目視にて確認する。

表1に示すように、A1の含有量が高濃度であるマグネシウム合金からなる圧延コイル材(圧延板)を用いて試験板片を作製した試料No.1は、上記耐衝撃試験における落下高さがステンレス鋼板である試料No.110よりも高いことが分かる。また、試料No.1は、同様な組成であっても鋳造板からなる試料No.130よりも落下高さが高いことが分かる。このように試料No.1は、多少の衝撃では凹まず、耐衝撃性に非常に優れることが分かる。

[破断試験]
更に、図1(II)に示す試験板片10を作製し、破断試験を行った。具体的には、試験板片10は、厚さ0.6mm×長さl:100mm×幅w:70mmの長方形状であり、各長辺縁11のそれぞれについて、長手方向の中心部に半円弧状の切欠12(直径d:7.5mm)を設けたもの、かつ、両端部側にそれぞれ固定孔13を設けたものを用意した。そして、図1(I)に示すように離間して配置された一対の支持台21,22の間に(間隔W:76mm)、両支持台21,22間に渡すように試験板片10を配置して固定孔13にボルト23をねじ込んで試験板片10を両支持台21,22に固定し、試験片10の両端部を支持台21,22で保持した。この状態で、上記切欠12が設けられた試験板片10の中央部に鉄球30が接触するように、試験片10の表面に対して垂直方向の上方から鉄球30(質量:225g、直径D:38mm)を自由落下させた。そして、鉄球30の衝突により試験板片10が破断するときの落下高さH(鉄球30を落下させる地点から試験板片10の表面までの距離)を測定した。その結果、落下高さHが900mmのとき、試料No.130は破断したが、試料No.1は、割れなかった。このことからも、試料No.1は、耐衝撃性に非常に優れることが分かる。

＜組織観察＞
次に、用意したマグネシウム合金の板材について組織観察を行った。
試料No.1の研磨コイル材、及び比較の試料No.130の研磨した鋳造板について、各板材の表層領域(板材の表面から板厚方向に板厚の30％までの領域)の断面を任意にとり、その断面を走査電子顕微鏡:SEMで観察し、金属間化合物の粒子の平均粒径(μm)、金属間化合物の粒子の合計面積の割合(％)、金属間化合物の粒子の個数(個/μm²)、巣の最大径(μm)を測定した。その結果を表2に示す。また、隣り合う金属間化合物の粒子間の平均間隔(μm)、金属間化合物の粒子の円形度係数を測定した。その結果も表2に示す。更に、試料No.1、No.130に対して、塩水腐食試験を行い、当該試験による腐食減量(μg/cm²)を測定した。その結果も表2に示す。

金属間化合物の粒子の平均粒径は、以下のようにして測定した。各試料に対してそれぞれ、板厚方向に5つの断面(上述のように表層領域の断面)をとり、各断面の観察像から任意に3つの視野(ここでは22.7μm×17μmの領域)をそれぞれとる。観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する各粒子の円相当径(各粒子の面積の等価面積円の直径)をそれぞれ求め、上記円相当径の総和を一つの観察視野内に存在する粒子数で除した値:(円相当径の合計)/(粒子の合計数)を当該観察視野の粒子の平均粒径とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の粒子の平均粒径の平均を表2に示す。

金属間化合物の粒子の合計面積の割合は、以下のようにして測定した。上述のように観察視野をとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する全ての粒子の面積をそれぞれ調べて合計面積を算出し、この合計面積を一つの観察視野の面積(ここでは385.9μm²)で除した値:(粒子の合計面積)/(観察視野の面積)を当該観察視野の粒子の面積割合とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の粒子の面積割合の平均を表2に示す。

金属間化合物の粒子の個数は、以下のようにして測定した。上述のように観察視野をとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する全ての粒子の数をそれぞれ調べて合計数を算出し、この合計数を一つの観察視野の面積(ここでは385.9μm²)で除した値:(粒子の合計数)/(観察視野の面積)を当該観察視野の粒子の個数とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の粒子の個数の平均を表2に示す。

金属間化合物の粒子の平均間隔は、以下のように測定した。上述のように観察視野をとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する全ての粒子の合計面積及び粒子の合計数から、一つの粒子の平均面積:(粒子の合計面積)/(粒子の合計数)を求め、全ての粒子の合計面積を上記平均面積で除した値を当該観察視野の粒子数とする。この観察視野の粒子数を当該観察視野の面積(ここでは385.9μm²)で除して、単位面積あたりの粒子数を求め、この単位面積あたりの粒子数の平方根を単位距離あたりの粒子数とし、単位距離あたりの粒子数の逆数を当該観察視野の粒子の平均間隔とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の粒子の平均間隔の平均を表2に示す。

金属間化合物の粒子の円形度係数は、以下のように測定した。上述のように観察視野をとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する各粒子の面積及び周囲長を測定し、各粒子について円形度係数＝4π×面積/(周囲長)²を算出して、当該粒子の円形度係数とし、全ての粒子の円形度係数の平均を当該観察視野の粒子の円形度係数とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の粒子の円形度係数の平均を表2に示す。

巣の最大径は、以下のように測定した。上述のように観察視野をとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する巣を目視により確認し、巣が存在した場合、各巣の最大径長さ(巣の任意の二点を結ぶ線分の最大長さ)をそれぞれ求め、これらの最大値を当該観察視野の巣の最大径とする。そして、各試料のそれぞれについて、15個の観察視野の巣の最大径の平均を表2に示す。

上記平均粒径などの金属間化合物の粒子に関する各パラメータや巣の最大径は、市販の画像処理装置を利用することで、容易に算出できる。また、上記粒子は、EDS(エネルギー分散型X線分析装置:Energy Dispersive X-ray Spectrometer)により組成を調べられ、Mg₁₇Al₁₂やAl(MnFe)といったAlやMgを含む金属間化合物であった。当該金属間化合物の存在は、X線回折などを利用して組成及び構造を調べることでも判別できる。また、試料の断面に対してEDS分析などを利用することで、マグネシウム合金板の表面に存在する物質の組成が調べられ、試料No.1、No.130は、マグネシウム合金からなる板材の表面に酸化膜が存在し、この酸化膜は、主としてマグネシウム酸化物で形成されていることが確認できた。また、試料No.1の酸化膜は、厚さが均一的であった。

腐食減量は、塩水腐食試験として、JIS H 8502(1999)に準拠して塩水噴霧試験を行い、以下のように測定した。上述のように研磨を施した板材により、腐食試験用の試験片を別途作製し、この試験片の質量(初期値)を測定した後、試験片において予め設定した大きさの試験面が露出するように、試験片の不要な箇所にマスキングを施す。マスキングした試験片を腐食試験装置内に装入し、当該装置底面に対して所定の角度に傾斜するように立て掛けて配置する(ここでは装置底面と試験片とがつくる角:70°〜80°)。試験液(5質量％のNaCl水溶液、温度:35±2℃)を霧状にして試験片に吹き掛けた状態で所定時間保持する(ここでは96時間)。所定時間経過後、試験片を腐食試験装置から取り出して、マスキングを除去した後、JIS Z 2371(2000)の参考表1に記載の方法に準拠して、試験片に生成された腐食生成物をクロム酸溶解により除去する。腐食生成物を除去した後の試験片の質量を測定し、この質量と上記初期値との差分を試験片の試験面の面積で除した値を腐食減量(μg/cm²)とする。

表2に示すように、試料No.1は、丸みを帯びた微細な金属間化合物の粒子が分散した組織を有しており、鋳造板の試料No.130は、異形で大きな粒子がまばらに存在しており、全く異なる組織であることが分かる。また、試料No.1は、巣が実質的に観察されないのに対し、鋳造板の試料No.130は、大きな巣が多数存在していた。

このようにAlを特定の範囲で高濃度に含有し、かつ微細な金属間化合物が均一的に分散し、その面積割合が11面積％以下である組織を有するマグネシウム合金からなる板材は、耐衝撃性に優れることが分かる。また、この特定の組織を有する上記板材は、耐食性にも優れることが分かる。

更に、試料No.1の研磨コイル材に温間プレス加工を施し(素材の加熱温度:250℃)、断面]状のプレス部材(成形部材)を作製したところ、割れなどが生じることなく、プレス加工を施すことができた。このプレス部材において絞り変形を伴わない平坦な部分について、上記研磨コイル材と同様にして組織観察を行ったところ、当該研磨コイル材を構成する板材の組織を実質的に維持していることを確認した。即ち、このプレス部材は、微細な金属間化合物が均一的に分散し、粗大な巣が存在しない組織からなるマグネシウム合金から構成されていた。また、得られたプレス部材は、塑性硬化により、板材よりも更に強度に優れる。従って、このプレス部材の上記平坦な部分から上述の試験板片を作製して、上述のように耐衝撃試験を行うと、凹みが生じない落下高さHがより高く、耐衝撃性に更に優れる。このように上記特定の組成及び組織を有するマグネシウム合金からなる板材に温間プレス加工を施して形成されたレインフォースメントやバンパーフェースといった耐衝撃部材は耐衝撃性に優れ、エネルギー吸収量を向上することができると期待される。

なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、マグネシウム合金の組成(特にAlの含有量)、素材となるマグネシウム合金の板材の厚さ・大きさ、製造条件などを適宜変更することができる。

本発明耐衝撃部材は、耐衝撃性が求められる種々の分野の構成部材、例えば、バンパー部材などの自動車部品、筐体やカバーなどの外装部材、骨格部材、カバンや消火器などの使用時に落下が予想される製品の外装部材などに好適に利用することができる。

10 試験板片 11 長辺縁 12 切欠 13 固定孔
21,22 支持台 23 ボルト 30 鉄球

Claims

Alを7.3質量％超12質量％以下含有するマグネシウム合金からなり、
耐衝撃試験を行って以下の落下高さを測定したとき、凹みが生じない落下高さが340mm超であることを特徴とする耐衝撃部材。
(耐衝撃試験)
耐衝撃部材から厚さ0.6mm×長さ100mm×幅70mmの試験板片を作製し、この試験板片の両端部を保持した状態で、当該試験板片の中央部に向かって質量225gの鉄球を自由落下させる。鉄球を落下させる地点から試験板片までの距離を落下高さ(mm)とし、鉄球により試験板片に凹みが生じない落下高さを測定する。
前記マグネシウム合金中にAl及びMgの少なくとも一方を含む金属間化合物の粒子が分散して存在し、
前記金属間化合物の粒子の平均粒径が0.5μm以下であり、
前記耐衝撃部材の断面において、前記金属間化合物の粒子の合計面積の割合が0％超11％以下であることを特徴とする請求項1に記載の耐衝撃部材。
前記耐衝撃部材の断面において、前記金属間化合物の粒子の個数が0.1個/μm²以上であることを特徴とする請求項2に記載の耐衝撃部材。
前記耐衝撃部材は、前記マグネシウム合金からなる板材に塑性加工を施して成形された成形部材であり、絞り変形を伴わない平坦な部分を有しており、
前記試験板片は、前記平坦な部分から切り出して作製することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の耐衝撃部材。
前記耐衝撃部材の断面において、巣の最大径が5μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の耐衝撃部材。
前記マグネシウム合金は、Alを8.3質量％以上9.5質量％以下、Znを0.5質量％以上1.5質量％以下含有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の耐衝撃部材。
前記耐衝撃部材は、バンパー部材であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の耐衝撃部材。