JP2017160531A - 軽量マグネシウム合金およびその形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属材料は、高い特定強度（材料の強度値は例えば該材料の密度による）が要求される。マグネシウム合金は、その本質上、低密度を有することによってさらに高い特定強度が実現される。従って、さらに密度が低下し、強度が改良されたマグネシウム合金を提供する。【解決手段】Ｍｇと、１〜１２ｗｔ％のＬｉと、１〜１０ｗｔ％のＡｌと、０．２〜３ｗｔ％のＺｎとを含有するマグネシウム合金。Ｌｉ−Ａｌ化合物であるナノスケールの強化相を含むミクロ構造を有し、ナノスケールの強化相が、複数の粒子状構造及び／又は複数のロッド状構造を含むマグネシウム合金。ナノスケールの強化相が存在すれば、降伏強度は約５〜１５０％向上することが可能となり、ナノスケールの強化相が適切なサイズを有すれば、より高いレベルの硬度が達成し得る、マグネシウム合金。【選択図】図２Ｂ
Description
本発明は、合金およびその製造方法に関し、特にマグネシウム合金およびその製造方法に関する。
金属材料は、高い特定強度（材料の強度値は例えば該材料の密度による）が要求される。マグネシウム合金は、その本質上、低密度を有することによってさらに高い特定強度が実現される。従って、さらに密度が低下し、強度が改良されたマグネシウム合金が期待される。
高強度を有するマグネシウム合金を得る手法の１つとして、添加物の種類および量を調整する方法がある。また、マグネシウム合金の密度を低下させ、強度を改良することには、特定の構造も有効である。ここで、特許文献１には、ナノ基質材料からなる実質連続したセル構造のナノ基質を含むことを特徴とする粉状の金属組成物が開示されている。また、その緻密部には、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎまたはこれらの組み合わせからなる粒子コア材料を含み、ナノ基質中に分散された分散粒子が、多数含まれている。そして、該分散粒子のコア材料は、分布した多数のカーボンナノ粒子と、分散粒子間においてナノ基質を通過する結合層とを含む。該ナノ基質に係る粉状の金属組成物は、軽量で高強度のユニークな材料となっている。
本発明は、さらに密度を低下させて強度を改良したマグネシウム合金を提供する。
本発明の一部の実施形態は、マグネシウム合金を提供する。該マグネシウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）と、１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含有する。また、該マグネシウム合金はナノスケールの強化相を含むミクロ構造を有し、該ナノスケールの強化相はＬｉ−Ａｌ化合物である。
また、本発明の一部の実施形態は、マグネシウム合金を製造する方法を提供する。該方法は、マグネシウム（Ｍｇ）と、１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含有するマグネシウム合金を、鋳造によって形成する第１のステップと、該マグネシウム合金に対して一連の熱機械処理を実行し、Ｌｉ−Ａｌ化合物であるナノスケールの強化相を該マグネシウム合金中に形成する第２のステップと、を含む。
以下の詳細な記載においては、説明の目的のために、本発明の態様が明確に理解されるように幾つかの特定の細部構成を述べる。尚、これらの細部構成を用いずに１つ以上の実施形態を実施してもよいことは言うまでもない。また、図面の簡略化のため、周知の構造および構成に関しては概略的に図示する場合がある。
本発明は、マグネシウム合金およびその製造方法に関する。該マグネシウム合金の性質、例えばマグネシウム合金の強度は、ミクロ構造内に存在する強化相によってさらに向上する。該マグネシウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）と、１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含有する。また、該マグネシウム合金におけるミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ化合物であるナノスケールの強化相を含む。
マグネシウムは、マグネシウム合金の主元素である。つまり、本明細書中において別途で成分を指定する場合を除き、マグネシウム合金における残りの部分は、マグネシウムによって規定される。マグネシウム合金は、その主元素としてマグネシウムを用いることにより、軽量になる。また、マグネシウム合金にリチウムを添加することにより、マグネシウム合金の熱処理性を向上させると共に、マグネシウム合金の密度を低下させることができる。また、アルミニウムの添加、特に固溶状況に応じた添加は、マグネシウム合金の室温下での強度を増加させることができる。また、少量の亜鉛の添加は、マグネシウム合金の耐蝕性を高めることができる。一実施形態において、マグネシウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）と、４〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、４〜９ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含んでもよい。また、一実施形態によれば、マグネシウム合金は、他の成分として、例えば、≦０．３ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）、および≦０．２ｗｔ％のケイ素（Ｓｉ）をさらに含んでもよい。マンガンを少量添加することにより、マグネシウム合金の耐蝕性を高めることができる。また、ケイ素を少量添加することにより、マグネシウム合金の強度を高めることができる。
前記マグネシウム合金の性質は、本明細書に記載のナノスケールの強化相の構造を適宜調整することによって改良することができる。例えば、ナノスケールの強化相が存在すれば、降伏強度は約５〜１５０％向上するこが可能となる。加えて、ナノスケールの強化相が適切なサイズを有すれば、より高いレベルの硬度が達成し得る。
ナノスケールの強化相は、具体的には、複数の粒子状構造および／または複数のロッド状構造を含んでもよい。一実施形態において、該粒子状構造は３〜９００ｎｍの直径を有する。また、一実施形態において、該粒子状構造は３〜５００ｎｍの直径を有する。さらに、一実施形態において、該粒子状構造は３〜２０ｎｍの直径を有する。また、一実施形態において、該ロッド状構造は、１５〜７０ｎｍの直径および５００〜２０００ｎｍの長さを有する。また、一実施形態において、該ロッド状構造は、５０〜１５０ｎｍの直径および１５００〜３３００ｎｍの長さを有する。また、一実施形態において、該ロッド状構造は、１００〜７００ｎｍの直径および２５００〜１００００ｎｍの長さを有する。さらに、一実施形態において、該ロッド状構造は、３〜１５ｎｍの直径および６００００〜１５００００ｎｍの長さを有する。
一部の実施形態では、上述したＬｉ−Ａｌ化合物に加え、マグネシウム合金は、さらに、Ｍｇ−Ｌｉ化合物、Ｍｇ−Ａｌ化合物（例えばＭｇ１７Ａｌ１２相）、およびＭｇ−Ｌｉ−Ａｌ化合物（例えばＭｇＬｉ２Ａｌ相）からなる群から選ばれるナノスケールの別の強化相を少なくとも含んでもよい。また、一部の実施形態では、これらの化合物およびＬｉ−Ａｌ化合物中に、少量の他の元素が固溶されていてもよい。尚、本明細書において、「化合物」は「相」とも称される。
以下に、マグネシウム合金の製造方法の実施形態を説明する。但し、当該実施形態は、単に説明および例示を目的とするものであり、本発明の範囲を限定するものではない。図１は、一実施形態に係るマグネシウム合金の製造方法を示すフローチャートである。ステップ１０１では、上述した配合比の何れか１つを有するマグネシウム合金を、鋳造によって形成する。該マグネシウム合金は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）と、１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含有していてもよい。ステップ１０２では、該マグネシウム合金に対して熱機械処理を実行し、前記ナノスケールの強化相を該マグネシウム合金中に形成する。ナノスケールの強化相は、少なくともリチウム−アルミニウム相を含むが、別の種類のナノスケールの強化相、例えばＭｇ−Ｌｉ相、Ｍｇ−Ａｌ相、および／またはＭｇ−Ｌｉ−Ａｌ相を含んでもよい。
前記熱機械処理は、具体的には、固溶化処理、均質化処理、エージング処理、Ｔ５熱処理、Ｔ６熱処理、チクソモールディング（thixomolding）処理、半凝固金属鋳造（semi-solid metal casting）処理、押出処理、鍛造（forging）処理、転圧（rolling）処理から選ばれる少なくとも一種であってもよい。一実施形態において、熱機械処理は、固溶化処理およびエージング処理を含む。また、一実施形態において、熱機械処理は、３０〜３５０℃の下でエージング処理を０．１〜３５０時間実行する工程を含む。また、一実施形態において、熱機械処理は、チクソモールディング処理を含む。
ナノスケールの強化相は、熱機械処理によって形成および／または調整することができる。具体的には、ナノスケールの強化相のサイズを調整することができる。このようにして、マグネシウム合金に良好な性質を与えることができる。一部の実験例では、ステップ１０１から得られたマグネシウム合金は、約１５０ＭＰａの降伏強度を有することができる。そしてステップ１０２（例えば転圧処理、またはチクソモールディング処理）を施した後、降伏強度は、３００ＭＰａを超えた値にさらに増加することが可能である。
以下に、ナノスケールの強化相を有するマグネシウム合金の実験例を幾つか挙げる。代表的なマグネシウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）と、７ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、７ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、１ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含む。以降、このマグネシウム合金をＡＬＺ７７１と称する。
図２Ａ〜２Ｅは、固溶化処理、および、１００℃の下、様々なエージング時間での任意のエージング処理を施したＡＬＺ７７１の分析結果を示している。図２Ａに示されたＸ線回折（ＸＲＤ；Ｄ８；ＢＲＵＫＥＲ社製）の結果によれば、固溶化処理、および、１００℃の下、様々なエージング時間での任意のエージング処理を施したＡＬＺ７７１は、矢印２０１にて示されるように、Ｌｉ−Ａｌ相を含有している。また、矢印２０２にて示されるように、ＡＬＺ７７１は、ＭｇＬｉ２Ａｌ相も含有している。図２Ｂは、固溶化処理を施した後のＡＬＺ７７１におけるミクロ構造を、走査式電子顕微鏡（ＳＥＭ；Inspect F ；ＦＥＩ）を用いて観察した写真である。写真から分かるように、該ミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ相によるロッド状構造を含み、該ロッド状構造は、矢印２０３にて示されるように、１５〜７０ｎｍの直径および５００〜２０００ｎｍの長さを有し、α相中に分布している。図２Ｃは、固溶化処理、および、１００℃の下、１時間でのエージング処理を施した後のＡＬＺ７７１におけるミクロ構造を、ＳＥＭを用いて観察した写真である。写真から分かるように、該ミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ相によるロッド状構造を含み、該ロッド状構造は、矢印２０４にて示されるように、５０〜１５０ｎｍの直径および１５００〜３３００ｎｍの長さを有し、α相中に分布している。図２Ｄは、固溶化処理、および、１００℃の下、４１時間でのエージング処理を施した後のＡＬＺ７７１におけるミクロ構造を、ＳＥＭを用いて観察した写真である。写真から分かるように、該ミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ相によるロッド状構造を含み、該ロッド状構造は、矢印２０５にて示されるように、１００〜７００ｎｍの直径および２５００〜１００００ｎｍの長さを有し、α相中に分布している。図２Ｅは、ビッカース硬さ試験（Ｈｖ硬度；ＨＭ−１００シリーズ；ＭＩＴＵＴＯＹＯ社製）による結果を示している。図２Ｅに示されたように、ＡＬＺ７７１は、適切なエージング処理により、硬度がさらに増加することが分かる。尚、ＡＬＺ７７１に対して１００℃の下、４１時間でのエージング処理を任意で施す最も重要な意義は、ＡＬＺ７７１の硬度の改良にある。
図３Ａ〜３Ｂは、チクソモールディング処理および任意のエージング処理を施したＡＬＺ７７１の分析結果を示している。図３Ａに示されたＸＲＤの結果によれば、チクソモールディング処理および任意のエージング処理を施したＡＬＺ７７１は、矢印３０１にて示されるように、Ｌｉ−Ａｌ相を含有している。また、矢印３０２および３０３にてそれぞれ示されるように、ＡＬＺ７７１は、ＭｇＬｉ２Ａｌ相およびＭｇ１７Ａｌ１２相も含有している。図３Ｂは、チクソモールディング処理を施した後のＡＬＺ７７１におけるミクロ構造を、ＳＥＭを用いて観察した写真である。写真から分かるように、該ミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ相による粒子状構造を含み、該粒子状構造は、矢印３０４にて示されるように、３〜２０ｎｍの直径を有する。また、該ミクロ構造は、Ｌｉ−Ａｌ相によるロッド状構造も含有し、該ロッド状構造は、矢印３０５にて示されるように、３〜１５ｎｍの直径および６００００〜１５００００ｎｍの長さを有する。該粒子状構造および該ロッド状構造は、何れもα相中に分布している。さらに、降伏強度に関して、張力試験を用いたテストを行った。チクソモールディング処理を施したＡＬＺ７７１の降伏強度は、鋳造ステップ後に測定した９９．３ＭＰａから、１２２．２ＭＰａに増加した。また、降伏強度に関して、曲げ試験を用いたテストも行った。チクソモールディング処理を施したＡＬＺ７７１の降伏強度は、鋳造ステップ後に測定した３４１．７ＭＰａから、３６１ＭＰａに増加した。つまり、チクソモールディング処理等の熱機械処理でナノスケールの強化相を形成および／または調整することにより、マグネシウム合金の強度を増加させることができる。
本発明の実施形態に対して様々な変更や変形を行うこともできることは、当業者にとって明白である。また、明細書における記載および実施例は、単なる例示として認識されるべきことが意図されており、本発明の真の範囲は、添付される特許請求の範囲およびそれらの等価な範囲によって示される。
Claims (8)
- マグネシウム（Ｍｇ）と、
１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、
１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、
０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）と、を含有するマグネシウム合金であって、
ナノスケールの強化相を含むミクロ構造を有し、
前記ナノスケールの強化相がＬｉ−Ａｌ化合物である、マグネシウム合金。 - 前記ナノスケールの強化相は、複数の粒子状構造および／または複数のロッド状構造を含む、請求項１に記載のマグネシウム合金。
- 前記ナノスケールの強化相は、
３〜９００ｎｍの直径を有する粒子状構造、
３〜５００ｎｍの直径を有する粒子状構造、
３〜２０ｎｍの直径を有する粒子状構造、
１５〜７０ｎｍの直径および０．５〜２μｍの長さを有するロッド状構造、
５０〜１５０ｎｍの直径および１．５〜３．３μｍの長さを有するロッド状構造、
１００〜７００ｎｍの直径および２．５〜１０μｍの長さを有するロッド状構造、並びに、
３〜１５ｎｍの直径および６０〜１５０μｍの長さを有するロッド状構造、
からなる群から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項１または２に記載のマグネシウム合金。 - さらに、Ｍｇ−Ｌｉ相、Ｍｇ−Ａｌ相、およびＭｇ−Ｌｉ−Ａｌ相からなる群から選ばれるナノスケールの別の強化相を少なくとも含む、請求項１〜３の何れか１項に記載のマグネシウム合金。
- ≦０．３ｗｔ％のマンガン（Ｍｎ）と、≦０．２ｗｔ％のケイ素（Ｓｉ）とをさらに含む、請求項１〜４の何れか１項に記載のマグネシウム合金。
- 請求項１〜５の何れか１項に記載のマグネシウム合金を製造する方法であって、
マグネシウム（Ｍｇ）と、１〜１２ｗｔ％のリチウム（Ｌｉ）と、１〜１０ｗｔ％のアルミニウム（Ａｌ）と、０．２〜３ｗｔ％の亜鉛（Ｚｎ）とを含有するマグネシウム合金を、鋳造法によって形成する工程と、
前記マグネシウム合金に対して熱機械処理を実行し、Ｌｉ−Ａｌ化合物であるナノスケールの強化相を前記マグネシウム合金中に形成する工程と、を含む方法。 - 前記熱機械処理は、固溶化処理、均質化処理、エージング処理、Ｔ５熱処理、Ｔ６熱処理、チクソモールディング処理、半凝固金属鋳造処理、押出処理、鍛造処理、転圧処理から選ばれる少なくとも一種である、請求項６に記載の方法。
- 前記熱機械処理は、３０〜３５０℃の下でエージング処理を０．１〜３５０時間実行する工程を含む、請求項６または７に記載の方法。
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