JP4294947B2 - マグネシウム合金素形材の鋳造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金材料からマグネシウム合金部品を製造するために、塑性加工用に鋳造されるマグネシウム合金素形材の鋳造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大量生産される家電製品に対しては、リサイクル処理や環境問題等の対策の１つとして、家電製品の外装部品等を従来の樹脂材料に代えて金属材料から製造することが注目されている。樹脂材料のリサイクル率が２０％であるのに対し、金属材料は９０％がリサイクル可能である。
【０００３】
金属材料中で特にマグネシウム合金は他の金属合金と比較して、軽量、高強度であり、振動減衰性にも優れているため、携帯型の電子機器や自動車部品等で実用化されている。またマグネシウム合金は、比較的低融点であることからリサイクルエネルギーも少なくて済むという特徴もある。
【０００４】
図８は、マグネシウム合金材料からマグネシウム合金部品を製造する工程を示す概略図である。まず、マグネシウム合金材料からマグネシウム合金成形品を得るには、一般的にダイカストやチクソモールドといった鋳造と、プレス、曲げ加工、鍛造といった塑性加工とに大きく分類される。鋳造は、成形の自由度が高い反面、鋳造品の表面欠陥や内部への気泡の巻き込みといった問題のために歩留まりが悪く、コストが高いという問題を抱えている。そこで、比較的形状が簡単な家電製品の筐体等においては、部品の最終形状に近似した素形材を予め鋳造した後に、この素形材を直接塑性加工する、あるいは、押出し・圧延等の１次加工を施して薄板にし、その薄板に２次加工を施してマグネシウム合金成形品にし、その後、塗装・乾燥工程を経てマグネシウム合金部品を製造するという方法も実用化されている。このように鋳造と塑性加工を組み合わせた方法は、鋳造単独の方法に比べて加工時のタクトの短縮化や表面欠陥の低減、設備投資の抑制の面から優位であると考えられている。
【０００５】
この製造方法に用いられる一般的な塑性加工用の素形材の金属組織の状態を図１０に模式的に示す。この素形材４は、マグネシウムの他にアルミニウム、亜鉛、マンガンを主たる合金元素とするＡＺ３１のマグネシウム合金である。ＡＺ系のマグネシウム合金は他のマグネシウム合金に比べて強度が強く耐食性に優れているので、汗や水にさらされやすい家電製品の筐体に適した合金である。また、マグネシウムの他にアルミニウムとマンガンを主たる合金元素とするＡＭ系のマグネシウム合金は、高延性で衝撃抵抗力が大きいため、内部機構部品などに適した合金である。
【０００６】
マグネシウム合金はその結晶構造が六方晶でありすべり面が少なく、他の金属と比べて塑性加工性に劣る。そこで従来では塑性加工性を向上させるために、マグネシウム合金の冷却速度制御や結晶微細化剤の添加によって、結晶粒径の微細化を行う方法が提案されている。しかし、結晶粒径の微細化は、押出し・圧延等の１次加工時の加工歪量と加工温度の操作で、ある程度制御できることが分かってきている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、素形材の段階で鋳造欠陥や介在物の偏析が多い場合は、１次加工時にそれらの欠陥を改善することは容易ではない。つまり、図１０に示すマグネシウム合金素形材がそれであり、この素形材４は、マグネシウム合金結晶相５の結晶粒界に析出物領域６が偏析して存在し鋳造時に発生する内部空隙７が結晶粒界に析出している。
【０００８】
一般的に、溶融したＡＺ系マグネシウム合金が凝固する場合、マグネシウムの種結晶が成長するにつれて、マグネシウムに固溶しにくい成分（金属や酸化物）は結晶粒界に偏析してゆき、粒界近傍において金属間化合物等の状態で析出することが多い。また、マグネシウムに固溶しにくい気体成分は、凝固時にマグネシウム結晶粒界に集積し、それが空隙７となって素形材４内部に残る。
【０００９】
鋳造欠陥や介在物が偏析している個所は、素形材４から薄板、そして薄板から成形品へと塑性加工するときにクラックの起点になりやすいため、このような素形材４は加工性に乏しい。特にすべり系が少なく延性に乏しいマグネシウム合金は、材料の品質が加工性を大きく左右する。このようなマグネシウム合金の加工性を向上させるためには、薄板の元材となる素形材の鋳造欠陥及び介在物を低減し、かつその偏析を防ぐことが望ましい。
【００１０】
そこで本発明は上記実情に鑑みて、金属組織の鋳造欠陥、介在物の低減及び偏析防止によって、薄板に押出し・圧延等の１次加工する際あるいは加工された薄板をさらに鍛造等の２次加工する際の塑性加工性を向上させることのできるマグネシウム合金素形材の鋳造方法を提供することを目的とするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明のマグネシウム合金素形材の鋳造方法は上記目的を達成するために、ＡＳＴＭ規格で定めるＡＺ３１マグネシウム合金材料であるマグネシウム合金材料を溶解装置である坩堝内に投入し、酸素遮断した状態で坩堝内のマグネシウム合金材料を溶解してから冷却鋳型に供給した後、溶融状態のマグネシウム合金を冷却速度１〜２０K/secで冷却して凝固させ、この凝固したマグネシウム合金を鋳塊が連続するようにして冷却鋳型から引き抜くことによって、マグネシウム合金素形材を鋳造することを特徴とするものである。
【００２４】
溶融状態の前記マグネシウム合金が冷却鋳型内で凝固する際、凝固したマグネシウム合金部分の引抜時間と停止時間とを交互に行うことで時間的に断続的に引き抜くことにより、慣性力及び振動によって凝固が進行する固液界面に存在する気体成分や介在物を、液体部分に押し出すこととなり、素形材内部に包含される気体成分や介在物を低減することができる。
【００２５】
この鋳造方法では、冷却鋳型での冷却速度を３〜８K/secとする方法を採用できる。この、３〜８K/secの冷却速度は、冷却によってマグネシウムのデンドライト相が成長しつつ凝固するも、素形材内部の熱伝導によって部分的に焼鈍が行われてデンドライト相がゴースト化するのに望ましい冷却速度である。先述のように、ゴースト化したデンドライト相の枠組みに析出物領域が取り残され、結晶粒内に析出物領域が分散した状態で存在すると、介在物が分散して存在するため、塑性加工性に優位な素形材を得ることが出来る。
【００２６】
この鋳造方法では、マグネシウム合金材料が酸素遮断した状態で溶解されて酸素と接触して燃焼するのを防ぐが、酸素遮断するためには、坩堝を不活性ガス雰囲気下におくことや溶融状態のマグネシウム合金にフラックスを入れて液面に酸素が接触しないようにする方法を採用できる。不活性ガスとしてはアルゴンガスやヘリウムガス及びＳＦ６を混ぜた空気等が用いられる。フラックスとしては塩化カリウムや塩化マグネシウムを主体とする防燃フラックスを用いることができる。フラックスを材料に入れる場合は、溶融状態のマグネシウム合金表面からの金属の蒸発を防止する効果もある。
【００２７】
上記方法において、溶解装置に投入するマグネシウム合金材料を粒子状の固体とし、溶解装置周辺雰囲気を不活性雰囲気に保った状態で材料投入を行うことによれば、マグネシウム合金を溶解する坩堝に保持炉が具備されていなくとも、粒子状の固体材料を連続的または断続的に投入することで、材料投入が途切れることなく連続鋳造を行うことができる。特に、酸素遮断のために坩堝内のマグネシウム合金表面に保護雰囲気を作り出しているときは、材料投入のために不活性雰囲気を開放してしまうと、再度不活性雰囲気を作るのにタクトを消費するが、この方法によれば開放せずとも材料の投入ができるので、タクトの短縮を達成することができる。
【００２８】
上記方法において、冷却鋳型の内壁断面形状を矩形状とし、その短辺の長さが坩堝側と引抜手段側とで異なるように、前記内壁の少なくとも一部にテーパが形成されるようにすれば、引き抜き時のマグネシウム合金にかかる応力を増減させることができ、材料特性の改質を行うことや、鋳塊と鋳型との摩擦を少なくすることによる鋳塊切れの防止を図ることができる。
【００２９】
上記方法において、溶解装置である坩堝の合金収容部分及び／または冷却鋳型の材質を黒鉛にすれば、熱伝導性に優れ、材料の加熱・冷却をスムーズに実施することができ、好適であるが、その他、マグネシウム合金と反応しにくい材質であれば良く、素形材に混入すると耐食性を著しく阻害する銅、ニッケル、鉄を含まない材質が望ましい。なお、黒鉛がマグネシウム合金に混入すると結晶粒が微細化する事実も報告されている。
【００３０】
上記方法において、溶解装置内で溶融されたマグネシウム合金の表面または溶解装置の周辺部を酸素遮断できる構造、例えば真空引きや不活性ガス置換ができるように、例えば溶解装置の外側にチャンバを設け、溶解装置の置かれている雰囲気を制御できる構造にすることが望ましい。また、溶融状態のマグネシウム合金からは気化が頻繁に起こるため、金属蒸気が大気中に放出されないようにするためにもチャンバを設けることが好ましい。
【００３１】
上記方法において、溶解装置に開閉可能な蓋を備えることによれば、溶解装置外部への金属蒸気の拡散を抑え、拡散した金属蒸気が前記チャンバ内壁等に付着し凝固した粉末金属の発生を低減し、粉末金属の蓄積により材料歩留まりの低下と、自然発火の危険性を防止することができる。なお、上記方法で述べたように、坩堝内のマグネシウム合金材料を酸素遮断する手段としてフラックスを材料に混ぜて溶融状態のマグネシウム合金表面からの蒸発を制御することも可能ではあるが、その場合は素形材にフラックス成分が混入するおそれがあるため、溶解装置に蓋をつけるという装置の改善で対応することが望ましい。
【００３２】
上記方法において、溶解装置の側面に横型の冷却鋳型が接続され、水平方向にマグネシウム合金を引き抜く鋳造方法であれば、溶融状態のマグネシウム合金液面に浮く不純物、及び坩堝の底面に蓄積する不純物の巻き込みを防ぎ、延性に富んだ良好な組織のマグネシウム合金素形材を製造することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態について、図１〜図８を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は本発明を具現化した１例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００３４】
図１は本実施形態に係るマグネシウム合金素形材１の金属組織の状態を模式的に示した断面図である。このマグネシウム合金素形材１は、アルミニウム含有量が３％程度、亜鉛含有量が１％程度のマグネシウム合金ＡＺ３１を、後述する鋳造方法により、板状に成形したものであり、マグネシウム結晶粒内にマグネシウム合金結晶相２と、複数の析出物領域（マグネシウム以外のアルミニウムや亜鉛、マンガンのいずれか１つ以上を含む）３が離れて存在する。この状態は、マグネシウムのデンドライト相の枠組によって分断された析出物領域３の成分が、デンドライト相がゴースト化して結晶粒界が現れた状態であっても、結晶粒内に分散した状態のまま保たれている状態と考えられる。
【００３５】
以下の表１に、ＡＺ３１マグネシウム合金のＡＳＴＭ（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ・米国材料試験協会）規格及び、本実施形態に係るマグネシウム合金素形材1の成分比率を示す。単位は重量％である。なお、本実施形態では、ＩＣＰ発光分光分析によって成分測定を行った。
【００３６】
【表１】

また、図２に本実施形態に係るマグネシウム合金素形材１の金属組織の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面写真を示す。図中に示す、３１〜３４は走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型特定Ｘ線検出装置（ＳＥＭ−ＥＤＳ）測定の測定点を示しており、以下の表２にその各測定点における元素構成比率（重量％）を示す。
【００３７】
【表２】

本実施形態の素形材全体としての成分比率は、表１に示す通り、ＡＳＴＭ規格内に収まっている。しかし、本実施形態の「析出物領域」すなわち「マグネシウム以外のアルミニウムや亜鉛、マンガンのいずれか１つ以上を含む領域」は、図２の測定点３２〜３４に示されるような点であるが、表２に示すようにＡｌ、ＺｎといったＭｇ以外の元素のうち少なくとも一つ以上の元素の比率がＡＳＴＭ規格の規格上限値より大きくなっている。なお、測定点３２では、ＡＳＴＭ規格には規定されていないＣやＯの比率が高くなっているが、これは、この析出物領域に炭化物や酸化物が包含されている可能性を示している。
【００３８】
次に、上記析出物領域が、結晶粒に対しどのように分布しているかを、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）により示す。図３（ａ）は上記実施形態に係る、板厚１０ｍｍに成形した板状のマグネシウム合金素形材1ａの一部分における光学顕微鏡断面写真を示している。結晶粒界８が見られ、平均結晶粒径は約２００μm前後であるが、結晶粒の内部に面積相当円直径に換算して数μm〜３０μm程度の複数の析出物領域３が離れて存在している。この断面組織においてこの析出物領域３の面積は、多くは２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下となっていて、図３（ａ）の断面写真では、析出物領域３が１個の結晶粒内部に約３０〜４０個見られる。個々の析出物領域３は、最短で概ね２〜３０μm程度離れた状態で点在しており、１個のマグネシウム合金の結晶粒内においては最大約２００μm離れた２個の析出物領域３が存在する。
【００３９】
また、図３（ｂ）は、板厚５ｍｍに成形した板状のマグネシウム合金素形材1ｂの一部分における光学顕微鏡断面写真を示す。結晶粒界８が見られ、平均結晶粒径は約８０μmである。この断面組織においては、面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下となる析出物領域３は、１個の結晶粒内の約３〜２０個見られる。個々の析出物領域３は、最短で概ね１〜４０μm程度離れた状態で点在しており、１個のマグネシウム合金の結晶粒内においては最大約１８０μm離れた２個の析出物領域３が存在する。
【００４０】
さらに、図３（ｃ）は、板厚３ｍｍに成形した板状のマグネシウム合金素形材１ｃの一部分における光学顕微鏡断面写真を示す。結晶粒界８が見られ、平均結晶粒径は約２５０μmである。この断面組織においては、面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下となる析出物領域３は、１個の結晶粒内に約６０〜１６０個見られる。個々の析出物領域３は、最短で概ね１〜３０μm程度離れた状態で点在しており、１個のマグネシウム合金の結晶粒内においては最大約４００μm離れた２個の析出物領域３が存在する。
【００４１】
このように、本実施形態のマグネシウム合金素形材１は、図１０で示した従来の一般的な素形材４のように、マグネシウム合金結晶相５の結晶粒界に析出物領域６が偏析して存在しておらず、鋳造時に発生する空隙７も結晶粒界に析出しておらず、析出物領域３が比較的小さなサイズで結晶粒内に約３〜１６０個分散している状態であるため、介在物も分散して存在することとなり、マグネシウム合金素形材１を薄板にするための押出し・圧延時に破断を生じにくく、延性に富む。そして薄板に加工した場合も、その薄板は延性に富み、プレス、鍛造等の２次加工を施した場合に加工性に優れたものとなる。なお、析出物領域３が、１個の結晶粒内に３個未満である場合は、析出物領域が分散することによる介在物の分散効果が得られず、この素形材及びこの素形材を１次加工して得られる薄板の塑性加工性が悪くなる。また、１６０個より多い場合は、個々の析出物領域の距離が短くなり、析出物領域が連結し、比較的大きな介在物が偏って存在しうる状態となり、塑性加工性が悪くなる。
【００４２】
表３に本実施形態のマグネシウム合金素形材１から無作為に切り出した試験片の理論的密度に対する比率を測定した結果を示す。なお、本試験片の体積は、外形を機械加工した後寸法測定して計算したものである。
【００４３】
【表３】

上記の試験片以外においても、本実施形態におけるマグネシウム合金素形材１の、その合金組成から計算される理論的密度１．７８ｇ／ｃｍ³に対する比率は９８〜１００％の範囲内となっている。一方、マグネシウム合金素形材１と同一組成の図１０に示す素形材４では、内部に空隙７が多数存在するために、前記理論的密度１．７８ｇ／ｃｍ³ に対し９８％未満の比率（密度が１．７４４ｇ／ｃｍ³以下）となってしまう部分が多い。本実施形態のマグネシウム合金素形材１は、組織が密で内部空隙が少なく、その結果、後工程の押し出しや圧延、及びその後の２次加工において破断しにくく、かつ塗装・乾燥工程（図８）においても、内部気泡の破裂による表面欠陥の問題を回避することができる。
【００４４】
本実施形態では、板厚３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍとなるように、後述する鋳造方法によってマグネシウム合金素形材１を成形した。この３種の板厚の違いによって、上述の断面組織の特徴及び比率に際立った差異は見られなかった。
【００４６】
本実施形態の素形材１の表面をＸ線回折分析したところ、図４に示すように（０００２）面の結晶方位が優先的に現れたパターンとなっている。これは、材料が凝固する際に材料表面から鉛直方向に圧力が加えられたと考えられる。
【００４７】
図５に、本実施形態のマグネシウム合金素形材１を作製するための鋳造装置２１の構成を示す。
【００４８】
この鋳造装置２１は、マグネシウム合金材料１３を収容してヒータ（加熱手段）１２によりマグネシウム合金材料１３を溶解する溶解装置としての坩堝１１と、この坩堝１１に接続され、水冷パイプ（冷却手段）２０により溶融状態のマグネシウム合金１３ａを冷却して所望の形状に凝固させる冷却鋳型１５と、凝固したマグネシウム合金１３ｂを冷却鋳型１５内から鋳塊が連続するようにして引き抜く引抜手段であるダミーバー１６とピンチロール１７とから構成される。
【００４９】
この鋳造装置２１において、坩堝１１に投入されたマグネシウム合金材料１３はヒータ１２によって加熱され、溶融状態のマグネシウム合金１３ａとなる。マグネシウム合金は溶融状態で酸素に接触すると激しく燃焼してしまうため、溶融時は酸素遮断することが望ましい。本実施形態では、酸素遮断する方法として坩堝１１をチャンバ１４内に設置し、図示はしないが真空引き及び不活性ガスの投入ができる構成になっている。
【００５０】
溶融状態のマグネシウム合金１３ａは坩堝１１に溜められているが、坩堝１１に直結した冷却鋳型１５内にも流入するため、ダミーバー１６を冷却鋳型１５内部にチャンバ１４の下部側方からピンチロール１７により、出し入れできる構成になっている。なお、鋳造工程途中はダミーバー１６に代わり、先に引き抜かれて凝固したマグネシウム合金１３ｂが溶融状態のマグネシウム合金１３ａの流出を抑制する構成となる。
【００５１】
冷却鋳型１５は溶融状態のマグネシウム合金１３ａからの熱を吸収し周辺部に放出するが、本実施形態においては冷却鋳型１５の周辺に水冷パイプ２０等の冷却手段を配置して前記放出する熱を奪う構成としている。その際、水の流量及び温度を調節できる構成とする。このような冷却手段としては水冷以外に空冷を用いて構成することも可能である。
【００５２】
冷却鋳型１５の内壁の断面形状は、その内壁内で凝固したマグネシウム合金１３ｂつまりマグネシウム合金素形材１の断面形状となるが、本実施形態においては、このマグネシウム合金素形材１の断面形状が幅５０ｍｍ×厚さ３または５または１０ｍｍの矩形状となるように、冷却鋳型１５の内壁断面形状を定めている。また、冷却鋳型１５の冷却部分の長さは１７０ｍｍであるが、冷却鋳型１５内で鋳造するマグネシウム合金素形材の形状及び冷却水量等を勘案して、別の長さに設定することも可能である。
【００５３】
なお、上記のように構成される鋳造装置を用いてマグネシウム合金素形材１を鋳造する際、凝固したマグネシウム合金１３ｂ（鋳塊）が途切れ易い場合は、図６に示すように、坩堝１１に対してピンチロール１７側が徐々に広くなるように冷却鋳型１５の内壁にテーパ１５ａをつけてやり、冷却鋳型１５との摩擦を低減することで、鋳塊を途切れにくくしてやることが可能である。また、逆に、図７に示すように冷却鋳型１５の坩堝１１との接続部分に、坩堝１１側に対してピンチロール１７側が狭くなるようにテーパ１５ｂをつけてやると、溶融状態のマグネシウム合金１３ａの凝固が進行する部分に適度な応力が、引き抜き方向に対し垂直な方向に加わり、素形材に巻き込まれる介在物や気体の量を低減することができる。
【００５４】
マグネシウム合金材料１３を収容し溶解する坩堝１１は内部深さが２２０ｍｍであり、その底面から約１０ｍｍ鉛直方向上方に、冷却鋳型１５が接続されており、溶融状態のマグネシウム合金１３ａを冷却鋳型１５内に引き抜く際に、坩堝１１の底面に蓄積する不純物１９が、マグネシウム合金１３ｂに巻き込みにくい構成となっている。
【００５５】
図５に示す材料投入シュータ（材料供給手段）１８は、チャンバ１４を開閉することなく坩堝１１内にマグネシウム合金材料１３を連続投入できるように、チャンバ１４の上部に設置されている。なお、初期に投入するマグネシウム合金材料１３の形状は、坩堝１１に収まる大きさであれば特に問題はないが、この材料投入シュータ１８を通じて投入する場合は、坩堝１１の破損や溶融状態のマグネシウム合金１３ａの坩堝１１外への飛散を防ぐために、直径１ｍｍ〜１０ｍｍ程度の粒子状やチップ状のものが望ましい。
【００５６】
なお本実施形態の鋳造装置２１は、坩堝１１の側面に冷却鋳型１５が接続される横型タイプであるが、坩堝１１の底面に冷却鋳型１５が接続された縦型タイプのものを用いることも可能である。
【００５７】
また加熱手段としてのヒータ１２には、１０ｋＷ程度の出力が実現できる高周波加熱ヒータを用いているが、材料を７８０℃以上に加熱できる容量を持っている加熱手段であればよく、高周波加熱ヒータに限定されない。
【００５８】
また本実施形態における坩堝１１および冷却鋳型１５は黒鉛でできており、熱伝導性に優れるとともに溶融状態のマグネシウム合金１３ａと反応しにくい材質である。また、マグネシウム合金に混入した際に材料の耐食性を著しく阻害する銅、ニッケル、鉄を含む材料は、坩堝１１や冷却鋳型１５の材質としては望ましくない。
【００５９】
なお、溶融状態のマグネシウム合金１３ａからは常時蒸発が起こり、金属蒸気がチャンバ１４内壁等に触れると凝固して粉末となる。このことは材料歩留まりを低下させるだけでなく、自然発火のおそれがあって危険であるため、坩堝１１には開閉可能な蓋（図示せず）を具備するのが望ましい。さらに材料投入時のみ蓋を開け、坩堝１１外への金属蒸気の流出を防ぐように構成するのが望ましい。
【００６０】
ダミーバー１６は、マグネシウム合金材料１３を溶解する際の高温（約６５０〜８００℃）に耐え、かつ強度を持った材料でできているのが望ましいが、本実施形態ではステンレス製のものを用いている。
【００６１】
次に、上記のように構成された鋳造装置２１を用いたマグネシウム合金素形材の連続鋳造方法について具体的に説明する。
【００６２】
まず、マグネシウム合金材料１３を坩堝１１内に投入し、チャンバ１４を閉めて密閉状態とする。
【００６３】
次にチャンバ１４内部を真空引きした後、不活性ガス、好ましくはアルゴンガスを導入して内部を不活性ガスで満たす。この際のチャンバ１４内の圧力は例えば、真空引きの際は０．１〜０．２Ｔｏｒｒ（１３．３〜２６．６Ｐａ）、不活性ガス導入時は１４〜１８Ｔｏｒｒ（１８７０〜２４００Ｐａ）としうるが、これに限定されない。また、不活性ガス導入時にチャンバ１４に気体の放出口を設け、そこから初期に内部に入っていた空気層を排出するようにすれば、真空引きを省略した工程とすることもできる。
【００６４】
次に冷却鋳型１５周辺に配置した冷却手段である水冷パイプ２０に水を流し、冷却鋳型１５及びダミーバー１６を冷却する。このときの水量は０．５〜２．０ｌ／ｍｉｎ、水温は２０〜３５℃に制御したが、この条件に限定されない。
【００６５】
次いでヒータ１２で坩堝１１を加熱してマグネシウム合金材料１３を溶解させる。ＡＺ３１マグネシウム合金は融点６３０℃以上に加熱されれば溶解するが、本実施形態では溶融金属の流動性及び金属内部の温度勾配を勘案し、７５０〜７８０℃で保つようにしている。溶融金属の温度が低いと鋳塊（凝固したマグネシウム合金１３ｂ）が途切れやすいという実験結果からである。これは、溶融金属の温度が低温であると金属の冷やされ方にムラが生じ、鋳造時に固液界面が複数個所に発生し、連続的な凝固が阻害されるためと考えられる。
【００６６】
また、上記温度に溶融金属を制御すると流動性が増し、表面張力が減少して内部に含まれる気体が抜けやすい状態になり、結果的に成形品内部に残るボイド（空隙、空洞）等の鋳造欠陥が低減されると考えられる。一方、溶融金属の温度を必要以上に高くすることは、エネルギーを無駄にすることに加え、溶融金属の蒸気圧増加のために坩堝１１やチャンバ１４への粉末状金属の付着量を増加させるので好ましくない。
【００６７】
次にピンチロール１７を回転させてダミーバー１６を引き抜いていく。本実施形態ではこのときの引き抜き速度を、４５〜１２５ｍｍ/minに制御した。なお、本実施形態では断続的に引き抜く様式で行ったため、例えば１００ｍｍ/minの引き抜き速度の場合、１０ｍｍ/ｓｅｃの速度で５ｍｍ引き抜き、その状態で２．５ｓｅｃ停止するといった時間的な断続的引き抜きの条件で、総合して１００ｍｍ/minの引き抜き速度となるようにして鋳造を行った。また、ピンチロール１７の回転を正回転、逆回転を組み合わせて制御することで、引き抜きと押し込みを繰り返しながら、マグネシウム合金１３ｂを引き抜いていくことも可能である。
【００６８】
なお、停止時間を与えることなく、一定速度で時間的に連続的にマグネシウム合金１３ｂを引き抜く場合に比べ、本実施例のように引抜時間と停止時間とを交えて時間的に断続的に引き抜いた場合は、溶融マグネシウム合金１３ａの凝固が進行する固液界面に慣性力及び振動が加わり、介在物や気泡が液体部分に押出され、従って介在物やボイド（空隙）の少ない、より塑性加工性に優れた素形材を成形することが期待できる。
【００６９】
ダミーバー１６が十分引き抜かれ、凝固したマグネシウム合金１３ｂがピンチロール１７の位置に達したならば、この状態のマグネシウム合金１３ｂがダミーバー１６の役割を果たす。
【００７０】
冷却鋳型１５から引き抜き出された直後のマグネシウム合金１３ｂは、約１００℃またはそれ以下の温度となっている。この鋳造装置２１においては、冷却部分が１７０ｍｍの冷却鋳型１５を用いた。従って１００ｍｍ/minの速度でマグネシウム合金１３ｂを引き抜いた場合、坩堝内では７8０℃であったマグネシウム合金が１７０ｍｍを通過する間に、すなわち１．７分間（１０２秒）で１００℃まで冷却されることになるため、約６．７K/secの冷却速度を実現したことになる。同様に４５ｍｍ/minの速度でマグネシウム合金１３ｂを引き抜いた場合は、３．０K/secの冷却速度となり、１２５ｍｍ/minの速度でマグネシウム合金１３ｂを引き抜いた場合は、８．３K/secの冷却速度となる。
【００７１】
鋳造によって坩堝１１内のマグネシウム合金材料１３ａが減少してくると、材料が凝固する固液界面に加わる圧力が減少し、鋳塊（マグネシウム合金１３ｂ）が途切れやすくなる。そこで本実施形態では、坩堝１１内の材料が初期投入量の半分程度に減少すると材料投入シュータ１８から材料を追加供給する。その際、チャンバ１４内の雰囲気をリークする必要はなく、場合によっては鋳造を行いながら材料供給することも可能である。この材料供給の方法は、一定量材料が減少した後にまとめて供給する断続的供給方法でも、鋳造による材料減少と同時に逐次供給する連続的供給方法のどちらでも可能である。
【００７２】
次に、溶融金属の冷却速度と素形材の特徴を確認するための簡易的な鋳造実験を行った。この実験例１で用いた装置の基本構造は上記の実施形態のものと同じであるが、装置簡略化のために、チャンバ１４とシュータ１８を省略して坩堝１１に蓋を取り付け、材料の追加投入は出来ないが、小規模な構造とした。
【００７３】
この実験でも上記実施形態のものと同じＡＺ３１合金材料を使用し、冷却速度を０．５K/sec、１．０K/sec、３．０K/sec、８．０K/sec、１６K/sec、２０K/sec、２４K/secとなるように制御して鋳造実験を行った。その結果を以下に記述する。
【００７４】
冷却速度が０．５K/secの場合は、結晶粒界が太くはっきりした線をなすものとなり、結晶粒内には面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下の析出物領域が見当たらない素形材となった。この素形材では、析出物領域が結晶粒界に偏析しているために塑性加工性が悪いと考えられる。
【００７５】
冷却速度が１．０K/secでは、結晶粒界が明瞭ながらも、結晶粒内に面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下の析出物領域が結晶粒1個につき２〜１０個ほど確認できた。冷却速度が３．０K/sec、８．０K/sec、１６K/secと速くなるにしたがって、結晶粒内に面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下の析出物領域の数は多くなり、結晶粒1個につき５〜１６０個程度となった。
【００７６】
一方、冷却速度が２０K/secでは結晶のデンドライト相の痕跡が消失せず、結晶粒界は確認できるものの、確認しにくい断面組織となった。
【００７７】
冷却速度が２４K/secでは、結晶のデンドライト相が残り、結晶粒は確認できなかった。この状態の素形材は、加工性に乏しいデンドライト相が素形材全体に形成され、塑性加工性を悪化させている状態であると考えられる。
【００７８】
このＡＺ３１合金の冷却速度別素形材断面組織の特徴を以下の表４にまとめる。
【００７９】
【表４】

以上の結果より、結晶粒内に析出物領域が分散して存在している断面組織である事を特徴とするマグネシウム合金素形材を作成するには、冷却速度が１〜２０K/secの範囲内である事が望ましいといえる。ただし、加工性に乏しいデンドライト相が消失しつつも、介在物を含んだ上記析出物領域が十分に分散した状態を実現するには３〜８K/sec程度の冷却速度がもっとも望ましいと考えられる。
【００８０】
次に、実験例２として、純マグネシウム、ＡＺ２１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０の各材料及び、アルミニウムが約１１％含有された材料を使用して、上記実験例１と同様の鋳造実験を行った。ここでは、冷却速度を３K/sec及び８K/secとして鋳造を行い、各々の材料において上述の、「結晶粒内に析出物領域が分散して存在している断面組織」になるかどうかの確認を行った。
【００８１】
以下の表５に、本実験例にかかる純マグネシウム、ＡＺ２１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０及び、アルミニウムが約１１％含有された各種合金の鋳造後の成分比率測定結果を示す。なお、この表における成分比率の単位は重量％である。
【００８２】
【表５】

本実験例において、冷却速度３K/sec及び８K/secで鋳造を行って作製した上記材料の断面組織を観察した。その結果、冷却速度が３K/secでも８K/secでも同一金属では、ほぼ同様の断面組織が観察された。
【００８３】
純マグネシウムの鋳造材は比較的明瞭な結晶粒界が確認できたが、結晶粒内部には析出物領域が確認できなかった。
【００８４】
一方、ＡＺ２１、ＡＺ６１、ＡＺ９１、ＡＭ６０の各合金では、実施形態に示すＡＺ３１の断面組織と同様に結晶粒内部に面積が２５×１０^-12πｍ²以上２５００×１０^-12πｍ²以下となる析出物領域が離れて存在している事が確認できた。
【００８５】
なお、アルミニウムを１１％含有している高アルミニウム含有合金鋳造材では、析出物領域が網の目状に繋がって広範囲に広がったような組織となり、明瞭な結晶粒界が確認できなかった。
【００８６】
これら各合金を３K/sec及び８K/secの冷却速度で鋳造した際の、材料別断面組織の様態を以下の表６にまとめた。
【００８７】
【表６】

上記の結果より、本発明の方法によって、ＡＺ系またはＡＭ系のマグネシウム合金素形材を作製するに当たり、結晶粒内部に析出物領域が分散して存在する特徴を有したマグネシウム合金素形材を得るためには、アルミニウムを１．８〜９．１wt.％程度含有しているのが望ましいと考えられる。また、マグネシウム、アルミニウム以外の元素成分を含有している場合でも、その元素含有比率がアルミニウムの含有比率を下回り、アルミニウムが１．８〜９．１wt.％含有されている場合は、上記のように結晶粒内部に析出物領域が分散して存在する特徴を有したマグネシウム合金素形材となると考えられる。
【００８８】
また、冷却の速度においては、ＡＺ３１合金で確認した１〜２０K/secの範囲での冷却速度であれば、上記アルミニウムを１．８〜９．１wt.％程度含有しているＡＺ系またはＡＭ系マグネシウム合金において、おおむね、上記の「結晶粒内部に複数の析出物領域が離れて存在する特徴を有したマグネシウム合金素形材」を作製する事が出来ると予測できる。
【００８９】
また、冷却速度が２０K/secよりも速い場合はデンドライト相が残留してマグネシウムの結晶粒界が現れない組織となり、１K/secよりも遅い場合はデンドライト相が完全に消失し、析出物領域３がマグネシウム合金の結晶相２に固溶もしくは移動・偏析した組織になってしまう。
【００９０】
上記のように本発明では、溶体化処理することなく、結晶粒界の現れた、複数の析出物領域が結晶粒内に離れて存在する特徴ある素形材を作製することが出来る。
【００９１】
次に本発明に係るマグネシウム合金素形材１の塑性加工性の優位性についての実験例を述べる。
【００９２】
本実施形態に係るＡＺ３１マグネシウム合金素形材１において、板厚３．０ｍｍに成形したもの及び板厚５．０ｍｍに成形したもの、及び板厚１０．０ｍｍに成形したものを各々圧延し、それぞれ板厚０．５ｍｍの薄板（順に試験板１、２、３とする）を得た。圧延は、素形材が割れないよう圧下率を約１０〜３０％とした冷間圧延で複数回実施し、各圧延工程の間では４５０℃で１０分間の焼鈍を行った。最終の冷間圧延にて板厚０．５ｍｍとした後、約２００℃で１時間の歪取り焼きなましを行った。なお、実際の圧延回数は、試験板１が６回、試験板２が７回、試験板３が１２回であった。
【００９３】
また、本実施形態ではない、市販の押出し加工及び圧延を経て作られた板厚０．５ｍｍのマグネシウム合金薄板（試験板４）を用意した。なお、これら４個の試験板の平均結晶粒径は約７〜１２μmであった。
【００９４】
これらの試験板を図９に示すような８角形のブランク形状（約４０ｍｍ×４０ｍｍでコーナー部は６ｍｍ切断）に切り、ポンチ肩Ｒ２．０ｍｍ、ポンチ外形２５ｍｍ×２５ｍｍ、四隅Ｒ２．０ｍｍの角筒絞り試験を行った。クリアランスは片側で０．１ｍｍとして、金型下降速度を制御し、絞り速度を変えながら実験を行った。厳密には１００ｍｍ/sec、７０ｍｍ/sec、５０ｍｍ/sec、２０ｍｍ/sec、１０ｍｍ/sec、５ｍｍ/sec、２ｍｍ/sec、１ｍｍ/sec、０．７５ｍｍ/sec、０．５ｍｍ/sec、０．１ｍｍ/secと絞り速度を変化させて実験を行った。
【００９５】
絞り速度が速い場合は成形品の四隅にクラックが入るが、速度を遅くして成形すると、クラックが入らずに成形品が得られる。クラックが入らない絞り速度における最大の速度を「限界絞り速度」とし、各々の試験板の限界絞り速度を求めた。なお金型温度は２５０℃、２００℃、１５０℃に設定し、潤滑剤として二硫化モリブデン系スプレー剤を使用した。また、試験には複数個のブランクを用意し、各条件３回以上実施してクラックの入り方を目視確認し、その平均的状態から限界絞り速度を定めた。
【００９６】
以下の表７に上記４個の試験板の限界絞り速度を示す。なお、限界絞り速度の単位は、ｍｍ/secである。
【００９７】
【表７】

本実験から、本実施形態に係るマグネシウム合金素形材１を圧延して作られた試験板１、２、３はいずれも市販の板材（試験板４）に比べて、絞り速度が１０倍程度速い速度でもクラックが入りにくい、すなわち塑性加工性に優れていることが言える。上記実験結果は、本実施形態に係るマグネシウム合金素形材１の塑性加工における優位性を確認した一つの実験例であるが、絞り加工だけでなく、鍛造や曲げ変形といった別の塑性加工に対しても同様の効果が期待できる。
【００９８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金属組織内の空隙や空洞等の鋳造欠陥、介在物の偏析を防止できるので、延性に富んだ素形材が得られる。そのため、本発明の素形材のように、複数の析出物領域が結晶粒内に離れて存在していると、押出しや圧延等の１次加工を施した際に、結晶粒が素形材全体に渡って微細で均一な大きさに整粒化され、加工性を悪化させる大きな結晶粒が少なくなり、塑性加工性が良好となる。その素形材は、押出しや圧延等の１次加工を施して薄板にする際、また、この薄板に鍛造等の２次加工を施す際に、その欠陥部分が加工時にクラックの起点になり破断するのを防止でき、素形材をそのまま圧延して塑性加工用薄板に用いた場合には工程を簡略化してコスト低減を図ることもできる。さらに加工後の成形品を塗装・乾燥するときにも、内部気泡の破裂による表面欠陥の問題を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のＡＺ系マグネシウム合金素形材の金属組織を模式的に示した断面図。
【図２】同実施形態のＡＺ系マグネシウム合金素形材の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面写真。
【図３】同実施形態の板厚が異なる３枚の板状のＡＺ系マグネシウム合金素形材の光学顕微鏡による断面写真であり、（ａ）は板厚１０ｍｍの場合、（ｂ）は板厚５ｍｍの場合、（ｃ）は板厚３ｍｍの場合のそれぞれの断面写真。
【図４】同実施形態における同マグネシウム合金素形材の表面状態におけるＸ線回折パターンを示すグラフ図。
【図５】同実施形態における鋳造装置を概略的に示す縦断面図。
【図６】同実施形態において、ピンチロール側が広くなるようにテーパがつけられた鋳造装置の要部を示す縦断面図。
【図７】同実施形態において、ピンチロール側が狭くなるようにテーパがつけられた鋳造装置の要部を示す縦断面図。
【図８】マグネシウム合金材料からマグネシウム合金部品を製造する工程を示す一般的な概略図。
【図９】角筒絞り成形評価用マグネシウム合金薄板ブランクを示す概略図。
【図１０】従来の鋳造方法及び鋳造装置によって作製されたＡＺ系マグネシウム合金素形材の金属組織を模式的に示した断面図。
【符号の説明】
１ 本実施形態によるマグネシウム合金素形材
２ マグネシウム合金結晶相
３ 析出物領域（アルミニウムや亜鉛、マンガンの平均濃度が合金組成の比率に対し高い領域）
４ 従来の鋳込み式鋳造によるマグネシウム合金素形材
５ マグネシウム合金結晶相
６ 析出物領域（アルミニウムや亜鉛、マンガンの平均濃度が合金組成の比率に対し高い領域）
７ ボイド（空隙・空洞）
８ 結晶粒界
９ マグネシウム合金薄板から作製したブランク
１１ 坩堝（溶解装置）
１２ ヒータ（加熱手段）
１３ マグネシウム合金材料
１３ａ 溶融状態のマグネシウム合金
１３ｂ 凝固したマグネシウム合金
１４ チャンバ
１５ 冷却鋳型
１５ａ、１５ｂ テーパ
１６ ダミーバー（引抜手段）
１７ ピンチロール（引抜手段）
１８ 材料投入シュータ（材料供給手段）
１９ 不純物
２０ 水冷パイプ（冷却手段）
２１ 鋳造装置
３１〜３４ 走査型電子顕微鏡−エネルギー分散型特定Ｘ線検出装置（ＳＥＭ−ＥＤＳ）測定における測定点

Claims (7)

1. ＡＳＴＭ規格で定めるＡＺ３１マグネシウム合金材料であるマグネシウム合金材料を溶解装置内に投入し、酸素遮断した状態で溶解装置内のマグネシウム合金材料を溶解してから冷却鋳型に供給した後、溶融状態のマグネシウム合金を１〜２０K/sの冷却速度で冷却し凝固させる工程と、凝固した金属の鋳塊が連続するように引抜手段で引き抜く工程とを含むことを特徴とするマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
2. 凝固した金属の鋳塊を、引き抜きと停止とを繰り返し行うことで、時間的に断続的に引き抜くことを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
3. 溶融状態のマグネシウム合金を冷却速度３〜８K/secで冷却し凝固させることを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
4. 溶解装置に投入するマグネシウム合金材料の形状を粒子状の固体とし、溶融状態のマグネシウム合金を、溶解装置の周辺雰囲気を不活性に保った状態で冷却鋳型に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
5. 冷却鋳型は、その内壁断面形状が矩形状であり、その短辺の長さが溶解装置側と引抜手段側とで異なるように、前記内壁の少なくとも一部にテーパが形成されている状態で鋳造することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
6. 溶解装置の合金収容部分及び／または冷却鋳型の材質が黒鉛であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。
7. 溶解装置の側面に冷却鋳型が接続され、水平方向にマグネシウム合金を引き抜く事を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のマグネシウム合金素形材の鋳造方法。

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