JP2016169431A

JP2016169431A - マグネシウム合金

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Publication number: JP2016169431A
Application number: JP2015051435A
Authority: JP
Inventors: 清水　和紀; Kazunori Shimizu; 和紀清水; 泰誠松本; Yasumasa Matsumoto; 博昭岩川; Hiroaki Iwakawa; 悟花木; Satoru Hanaki; 重晴鎌土; Shigeharu Kamatsuchi; 大貴中田; Taiki Nakata; 泰祐佐々木; Yasuhiro Sasaki; 和博宝野; Kazuhiro Hono
Original assignee: National Institute for Materials Science; Nagaoka University of Technology NUC; Sankyo Tateyama Inc
Current assignee: National Institute for Materials Science; Nagaoka University of Technology NUC; Sankyo Tateyama Inc
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-23
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: JP6452042B2

Abstract

【課題】押出速度の高速化が可能であると共に押出荷重を低減できる押出性の良好なマグネシウム合金の提供。
【解決手段】Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、高速押出が可能なマグネシウム合金に関する。

マグネシウム合金は軽量で比強度が高いことから、携帯機器や輸送機器等の様々な分野への適用が拡大している。しかし、マグネシウム合金は、例えばアルミサッシ等に使用される６０００系アルミニウム合金と比較して塑性加工性が乏しいため、アルミニウム合金と同等の速度で押出加工ができなかった。６０００系アルミニウム合金は、出口速度にして通常２０〜３０ｍ／ｍｉｎで押出加工が可能であるが、最も汎用的なマグネシウム合金であるＡＺ３１合金は、通常、それよりも遅い５ｍ／ｍｉｎ程度の出口速度でしか押出加工が出来ず、難燃合金としてＣａを添加したＡＺＸ６１１合金にいたっては、押出速度は１．５ｍ／ｍｉｎとさらに押出速度が制限される。

本発明は以上に述べた実情に鑑み、押出速度の高速化が可能であると共に押出荷重を低減できる押出性の良好なマグネシウム合金の提供を目的とする。

本発明のマグネシウム合金は、Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とする。

本発明のマグネシウム合金は、Ａｌを０．１〜０．３４ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％、Ｚｎを０．１５ｗｔ％以下含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とする。

Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施した本発明のマグネシウム合金は、１５ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能で、且つ押出荷重を低減できる。

Ａｌを０．１〜０．３４ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％、Ｚｎを０．１５ｗｔ％以下含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施した本発明のマグネシウム合金は、１５ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能で、且つ押出荷重を低減できる。

実施例１〜９の押出した形材の外観写真である。比較例１〜４の押出した形材の外観写真である。Ｍｎの量を変化させた押出しまま材の外観写真である。Ｍｎの量を変化させた押出しまま材のＥＢＳＤ逆極点図マップである。鋳造ままの状態、および種々の条件で均質化処理を施した後に押出した形材の外観写真である。押出荷重に及ぼす均質化処理条件の影響を示すグラフである。ＡｌとＣａの含有量と押出達成速度及び押出荷重との関係を示す図である。（ａ）は５００℃×１時間の均質化処理を施したビレットのミクロ組織写真であり、（ｂ）は５００℃×６４時間の均質化処理を施したビレットのミクロ組織写真であり、（ｃ）は３５０℃×１時間の均質化処理を施したビレットのミクロ組織写真であり、（ｄ）は鋳造まま材のビレットのミクロ組織写真である。均質化処理の温度及び時間と押出材の結晶粒度との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明に係るマグネシウム合金は、Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
Ａｌは、合金の引張強度等の機械的性質を向上させる効果があるが、過剰に添加すると押出性が低下する。よって、良好な機械的性質が得られ且つ押出性が良好となるように、Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％とした。
Ｃａは、溶解・鋳造の際にマグネシウムの発火を抑制する働きがあるが、過剰に添加すると押出性が低下する。よって、難燃性が得られ且つ押出性が良好となるように、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％とした。
Ｍｎは、再結晶粒の粗大化を抑制し、押出性を向上させる働きがある。Ｍｎが０．１５ｗｔ％より少ないとこの効果が発揮されないため、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％とした。なお、上限値の１．２ｗｔ％は、操業上、これ以上添加できないという値である。

本発明に係るマグネシウム合金は、Ｚｎを０．１５ｗｔ％以下含むものとすることもできる。この場合、Ａｌを０．１〜０．３４ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％とすることで、Ｚｎを含まない場合と同様に、１０ｍ／ｍｉｎ以上の高速押出が可能となる。

本発明に係るマグネシウム合金は、所定の組成となるように配合された原料を熔解し、鋳造することにより得られる。鋳造方法は、特に限定されるものではないが、金型鋳造法や連続鋳造法を用いることができる。

本発明に係るマグネシウム合金は、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とする。これにより押出性がさらに向上し、１５ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能となる。また、押出荷重を低減することができる。
Ｍｇ−Ａｌ系マグネシウム合金を押出加工に供すると、押出加工時のビレット加熱や加工発熱によって低融点化合物（Ｍｇ−Ａｌ系金属間化合物）が溶融し、押出し材表面に割れ等の欠陥が発生することがある。また、パイプ形状のような中空形材を押出す際には、押出し材に溶着不良が発生し、健全な押出し材を得ることが困難な場合がある。そのため、押出加工時における上述の不良を防止する目的で、従来、押出加工前のビレットに対して当該低融点化合物をマグネシウム母相中に固溶させる均質化処理を行っており、その条件は約４１０℃×２４時間が一般的となっている。
本発明においては、均質化処理を高温短時間で行う点に特徴があり、この条件で均質化処理を行うことで、マグネシウム母相中に固溶しているＡｌ，ＭｎがＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物として析出し、マグネシウム母相中のＡｌやＭｎの固溶量が減少するため、加工時の変形抵抗が低下し、押出荷重が低減するものである。析出する化合物の量が多いほど、押出性が向上する。
また、４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことで、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物が微細且つ高密度に分散するため、押出材の再結晶粒界をピン止めし、結晶粒の粗大化を抑制することができる。そのため、押出材の強度特性が向上する。
均質化処理の時間は１時間で押出性向上に十分効果があり、それ以上行っても効果にあまり差がないため、約１時間行うのが好ましい。なお、均質化処理の時間が４時間以上であると、３５０℃で均質化処理した場合と効果が変わらない。また、均質化処理を４時間より長い時間行うと、押出材の再結晶粒が粗大化し、強度特性が低下するから、均質化処理の時間は最長で４時間とした。
均質化処理後の冷却は、炉冷、空冷、水冷等、いかなる条件であってもよいが、冷却速度が遅いと粗大な化合物が析出し、冷却速度が速いと細かい化合物が析出する。

均質化処理を施したビレットは、押出加工を行って種々の断面形状の形材に加工することができる。押出方法は、特に限定されるものではなく、例えば直接押出法、間接押出法を用いることができる。

表１に示す組成のマグネシウム合金のビレットを鋳造し、鋳造まま材と均質化処理を施したビレットについて、割れ等の欠陥を生じることなく押出せる最も速い押出速度（押出達成速度）を求める実験を行った。実施例１〜７及び９は、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｎの含有量が請求項１の範囲内のものであり、実施例８は、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｎ，Ｚｎの含有量が請求項２の範囲内のものである。比較例１，４は、Ａｌ、Ｚｎ及びＣａの含有量が請求項２の範囲を超えるものであり、比較例２，３は、Ｃａの含有量が請求項１の範囲を超えるものである。表中に示した主要成分以外の成分は、Ｍｇ及び不可避的不純物である。ビレットは、断熱鋳型を用いた連続鋳造法にて鋳造した。ビレットの直径は７６ｍｍであった。均質化処理は、５００℃で１時間行った。均質化処理後の冷却は、ビレットを炉から出してファン空冷にて行った。このときの冷却速度は、３００℃／ｈであった。押出しは、直接押出法にて行い、ビレット温度３５０℃、金型温度３５０℃、押出形状は幅３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの板状であり、押出比は４７である。
表１には、各ビレットの組成、および、押出達成速度と押出荷重（最大荷重）を示した。図１は、実施例１〜９の押出した形材の外観写真であり、図２は、比較例１〜４の押出した形材の外観写真である。

表１と図１，２より明らかなように、実施例１〜９は鋳造ままの状態で押出加工を行っても１０ｍ／ｍｉｎ以上で押出しが可能であり、均質化処理を施したものについては、実施例５，６，９を除いて、２８ｍ／ｍｉｎの高速での押出しが可能であった。また均質化処理を施すと、押出速度をより速くできると同時に、押出荷重が低減することを確認した。均質化処理を施すことで、押出荷重は概ね１０〜２０％低減し、Ａｌの含有量が２．６９ｗｔ％と多い実施例７は、荷重低減割合が２３％と大きくなった。
Ａｌの含有量が０．４ｗｔ％以下で且つＭｎの含有量が０．４ｗｔ％以上の実施例２，３は、鋳造ままでも２８ｍ／ｍｉｎで押出すことができた。
一方、Ｚｎを０．１５ｗｔ％より多く含有する比較例１、Ｃａを０．４３ｗｔ％より多く含有する比較例２〜４は、いずれも１５ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化は不可能であった。

図７は、ＡｌとＣａの含有量と押出達成速度及び押出荷重との関係を示す図である。同図より明らかなように、Ｃａが０．４ｗｔ％以上では明らかに押出性が低下する。Ｃａが０．３５ｗｔ％以下で且つＡｌが０．３５ｗｔ％以下の領域では、鋳造ままでも２０ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能である。Ｃａが０．３５ｗｔ％以下で且つＡｌが０．３５〜０．６３ｗｔ％の領域では、均質化処理を施すことで２０ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能である。Ｃａが０．３５ｗｔ％以下で且つＡｌが０．６３〜２．６ｗｔ％の領域では、均質化処理を施すことで１５ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能である。

実施例１，２，３，４，６，７の押出した形材をＴ５処理したものについて引張試験を行い、機械的性質を測定した。また、それらの形材のミクロ組織を観察し、結晶粒度を測定した。測定結果を表２に示す。

Ｍｎの含有量が０．２ｗｔ％と少ない実施例１は、結晶粒度が５０μｍ程度と粗大であるが、Ｍｎを０．４ｗｔ％以上含有する実施例２，３，４，６，７は、結晶粒の粗大化が抑制され、且つ機械的性質も向上している。Ａｌの含有量が増加するにつれて、引張強さは向上する。

表３に示すように、Ｍｎの含有量の異なる３種類のマグネシウム合金ビレットを鋳造し、各ビレットに４５０℃×１時間の均質化処理を施し、そのビレットを押出加工し、押出し材の外観及びミクロ組織を観察した。押出しは、間接押出法にて行い、押出温度は４００℃、押出速度は６０ｍ／ｍｉｎとした。

図３は、上記の各マグネシウム合金の押出しまま材の外観写真である。同図より明らかなように、Ｍｎの含有量が増加するにつれて、押出し材の表面性状が改善する。
図４は、各押出し材のミクロ組織の写真である。同図より明らかなように、Ｍｎの含有量が増加するにつれて、結晶粒径は微細化し集合組織も強くなる傾向がある。

表３中の０．４Ｍｎマグネシウム合金について、鋳造ままのビレット、および、５００℃×１時間、４５０℃×１時間、４００℃×１時間の各条件で均質化処理を施したものについて、間接押出による押出加工を行い、各材の押出性の評価を行った。押出速度は、６０ｍ／ｍｉｎとした。

図５は、押出し材の外観の写真である。同図に示すとおり、鋳造まま材の場合は表面に割れが大きく発生し、４００℃×１時間の均質化処理を施した場合は、鋳造まま材ほどではないが表面に割れが発生した。５００℃×１時間、４５０℃×１時間の均質化処理を施した場合では、表面に割れ等の欠陥のまったくない、良好な外観の押出し材を得た。

下記表４に示す組成のマグネシウム合金ビレットを鋳造し、鋳造まま材、および、３５０℃，４００℃，４５０℃，５００℃で１，４，１６，６４時間それぞれ均質化処理したビレットについて押出加工を行い、均質化処理条件の押出性に及ぼす影響を調べた。均質化処理後の冷却は水冷で行った。押出加工は、間接押出にて行い、押出温度は３５０℃、押出速度は６０ｍ／ｍｉｎ、押出比は２０とした。

図６は、この実験の結果をグラフ化したものである。同図より明らかなように、４５０℃×１時間、５００℃×１時間の均質化処理を施すことで、押出荷重が大きく低減すると共に、押出性も飛躍的に向上する。

図８は、５００℃×１時間の均質化処理をしたもの、５００℃×６４時間の均質化処理をしたもの、３５０℃×１時間の均質化処理をしたもの、鋳造ままの各ビレットのミクロ組織写真である。図８（ａ）に示す５００℃×１時間の均質化処理をしたものの写真（下の写真）に見られる約６０ｎｍ以下の白色を呈した球状化合物は、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物が析出したものであり、この金属間化合物が１％以上の体積率で高密度に分散して析出していることが分かる。この特徴は、５００℃×１時間の均質化処理をしたものだけに見られ、他の条件で均質化処理をしたものや、鋳造ままのものには見られない。このようにＡｌ−Ｍｎ系金属間化合物が高密度に析出したことで、マグネシウム母相中のＡｌやＭｎの固溶量が減少するため、加工時の変形抵抗が低下し、押出荷重が低減するものと考えられる。

図９は、均質化処理の温度及び時間と押出材の結晶粒度との関係を示すグラフである。同図より明らかなように、４５０℃や５００℃で均質化処理すると、処理時間が長くなるにつれて押出材の結晶粒が大きくなるが、短時間であれば、Ａｌ−Ｍｎ系金属間化合物のピン止め効果によって、結晶粒の粗大化が抑制されており、４時間以内なら鋳造まま材を押出した押出材の結晶粒の１５０％以内に抑えられる。

以上に述べたように、Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含むマグネシウム合金は、１０ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能である。また、Ａｌを０．１〜０．３４ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％、Ｚｎを０．１５ｗｔ％以下含有するマグネシウム合金も、１０ｍ／ｍｉｎ以上の押出速度の高速化が可能である。鋳造したビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことで、さらに高速（１５ｍ／ｍｉｎ以上）での押出しが可能となり、且つ押出荷重を低減することができる。Ａｌを所定量含有することで、一般的な展伸用アルミニウム合金６０６３合金と同等以上の機械的性質を得ることができる。また、Ｃａを所定量含有することで、難燃性を付与できる。

本発明は以上に述べた実施形態に限定されない。本発明のマグネシウム合金は、押出加工用のものに限定されるものではなく、圧延、プレス成型、鍛造に用いることもできる。

Claims

Ａｌを０．１〜３．０ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．４３ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とするマグネシウム合金。
Ａｌを０．１〜０．３４ｗｔ％、Ｃａを０．１〜０．３５ｗｔ％、Ｍｎを０．１５〜１．２ｗｔ％、Ｚｎを０．１５ｗｔ％以下含み、残部がＭｇ及び不可避的不純物からなり、鋳造後のビレットに４５０〜５００℃×１〜４時間の均質化処理を施すことを特徴とするマグネシウム合金。