JP4588735B2 - クラッド材の製造方法およびクラッド材 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム−リチウム系合金板の表面にアルミニウムまたはその合金の板を被覆したクラッド材の製造方法およびクラッド材に関する。

通常用いられるマグネシウム系合金（添加元素として主にＡｌやＺｎを含有する）は、アルミニウムやその合金よりも軽く、比強度、比剛性がアルミニウムやその合金よりも優れているため、航空機部品、自動車部品、自転車部品、各種電気製品ボディーなどの構造材料として利用されている。

この種のマグネシウム系合金は、結晶構造が最密六方構造であるため延性に乏しく、室温での塑性加工性が乏しい。一方、マグネシウム−リチウム系合金は、リチウムを含有することにより最密六方構造と体心立方構造との共晶組織となるため、結晶面でのすべりが改善され、室温でのプレス加工や絞り加工のような塑性加工が可能となり、構造材料として今後の展開が期待されている。

しかしながら、構造材料として利用するには、強さや軽さや室温での塑性加工性に加えて耐食性を有することが必要とされる。しかるに、マグネシウム−リチウム系合金は、リチウムを含有するために耐食性が乏しくなり、例えば大気中や塩水に接触する環境下におくと表面が灰色になって腐蝕するという、実用上大きな問題がある。

下記の特許文献１には、マグネシウム−リチウム系合金基材の表面にアルミニウムまたはアルミニウム合金の板を重ね合わせ、これを室温〜３００℃で圧延接合し、必要に応じて圧延接合後に３００℃以下で熱処理することにより、強さや軽さや室温での塑性加工性に加えて耐食性にも優れたアルミニウム被覆マグネシウム−リチウム系合金基材（クラッド材）およびその製造方法が提案されている。

ところが、上記提案においては、その実施例にも記載されているように、マグネシウム−リチウム系合金基材とアルミニウムまたはその合金の板とが当接する面を、予め酸洗いし、さらに金属製ワイヤーブラシで磨いて酸化皮膜などを除去して清浄にしなければ良好な接着性は得られない。そのため、環境設備を要し、圧延操作の前の清浄処理に手間がかかり、クラッド材の製造コストが高くなるという問題がある。

さらに、上記提案においては、圧延温度が室温では実用的に強固な接合力は得られず、その実施例にも記載されているように、室温で圧延する場合は、圧延後に１５０〜３００℃程度の温度で長時間（１時間程度）の熱処理を行って接合強度や曲げ成形性を高めねばならず、この点でも工程上、設備上の理由から製造コストが高くなるという問題がある。

また、圧延や熱処理の際に２００〜３００℃程度の比較的高温で且つ長時間にわたる加熱を行うと、それだけ接合界面に脆い金属間化合物が生成しやすくなって、結局、接合強度はあまり向上せずに、得られたクラッド材の曲げ試験において割れが発生するおそれがある。

なお、下記の特許文献２には、通常のマグネシウム系合金（添加元素として主にＡｌやＺｎを含有する）の板とアルミニウム合金の板とを重ね合わせ、これを摩擦撹拌により重ね合わせ接合することにより、鉄道車両の構体などを作製することが記載されているが、単に摩擦攪拌にて部分的に接合するだけのものであって、全面に摩擦攪拌重ね合わせ接合して圧延してクラッド材を製造する本発明を示唆するものではない。また、マグネシウム−リチウム系合金板の使用を示唆するものでもない。
特開２００４−３２３９３５号公報 特開２００５−４０８５１号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、マグネシウム−リチウム系合金板の表面にアルミニウムまたはその合金の板を被覆したクラッド材であって、強さや軽さや室温での塑性加工性に加えて耐食性にも優れ、しかもコスト的にも有利なクラッド材の製造方法およびクラッド材を提供することにある。

上記の目的は、下記の特徴を有するクラッド材の製造方法およびクラッド材により達成することができる。
すなわち、本発明の請求項１に記載のクラッド材の製造方法は、マグネシウム−リチウム系合金板とアルミニウムまたはその合金の板を重ね合わせ、これを摩擦撹拌により重ね合わせ接合した後、圧延することを特徴とするクラッド材の製造方法であって、摩擦撹拌による重ね合わせ接合を板の全面にわたって隙間なく施すことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載のクラッド材の製造方法は、請求項１に記載のクラッド材の製造方法において、同一部分につき複数回摩擦攪拌することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載のクラッド材の製造方法は、請求項１または２に記載のクラッド材の製造方法において、冷間で複数回圧延することを特徴とする。

本発明の請求項４に記載のクラッド材は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のクラッド材の製造方法により得られたことを特徴とする。

本発明において、マグネシウム−リチウム系合金としては、マグネシウムを主成分としこれに室温での塑性加工性を付与するためにリチウムを含有する合金が挙げられる。また、マグネシウムを主成分としこれに室温での塑性加工性を付与するためにリチウムを含有し、さらに耐熱性や強靭性の向上のために、リチウムよりも少量のアルミニウム、亜鉛、マンガン、イットリウム、ランタノイド、ジルコニウム、銀、シリコン、カルシウムなどの金属を含有する合金が挙げられる。

ここで、リチウムは５〜１５重量％の範囲内で含有されるのが好ましい。リチウムの含有量が５重量％を下回ると室温での塑性加工性があまり改善されず、逆にリチウムの含有量が１５重量％を上回ると摩擦撹拌接合や圧延の際に結晶粒が粗大化して粒界割れ（表面亀裂）の原因となることがあり、またリチウムが高価であるためコスト高になる。特に、ＡＳＴＭで規格化されているＬＡ１４１（Ｍｇ−１４％Ｌｉ−１％Ａｌ合金）やＬＷ９１（Ｍｇ−９％Ｌｉ−１％Ｙ合金）、その他、Ｍｇ−Ｌｉ合金、Ｍｇ−Ｌｉ−Ｚｎ合金が好適に用いられる。

また、本発明において、アルミニウムまたはその合金としては、純アルミニウム（１０００番台）、Ａｌ−Ｃｕ系合金（２０００番台）、Ａｌ−Ｍｎ系合金（３０００番台）、Ａｌ−Ｓｉ系合金（４０００番台）、Ａｌ−Ｍｇ系合金（５０００番台）、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金（６０００番台）、Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ系合金・Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金（７０００番台）などが挙げられ、特に限定されない。

本発明においては、マグネシウム−リチウム系合金板とアルミニウムまたはその合金の板とを重ね合わせ、これを摩擦撹拌により重ね合わせ接合した後、圧延する。マグネシウム−リチウム系合金板の厚さは特に限定されないが、構造材料として利用するには圧延率も考慮すると、一般に３〜１０ｍｍ程度の厚さのものが使用される。また、アルミニウムまたはその合金の板の厚さも、特に限定されないが、マグネシウム−リチウム系合金板の表面を被覆して耐食性を付与するものであるから、マグネシウム−リチウム系合金板の厚さよりも薄く、圧延率も考慮すると、一般に０．５〜６ｍｍ程度の厚さのものが使用される。

本発明において、摩擦撹拌接合は、径大のショルダ面とその面の中央に突設された径小のプローブを有するツールを取り付けた公知の摩擦攪拌接合装置を用いて行われる。ツールは、接合する板材料よりも硬い工具鋼やＷＣ超硬材などからなる。重ね合わされた板材料が上下に撹拌拡散されすぎないように、プローブにはねじ（スレッド）が形成されていないものが好ましいが、ねじが形成されていてもよい。また、ショルダ面は平面であってもよいが、通常は、接合部の厚みが薄くならないように、プローブを中心としてやや円弧状または円錐状に凹んだものが使用される。ここで、上記ツールのショルダ面の直径は１２〜２５ｍｍ程度で、プローブの直径は４〜１０ｍｍ程度のものが好適に使用される。

摩擦撹拌接合の操作は、先ず、マグネシウム−リチウム系合金板とアルミニウムまたはその合金の板とを重ね合わせた状態で、これを摩擦攪拌接合装置の定盤に載置し固定する。そして、その上方の板（アルミニウムまたはその合金の板）の表面から所定の荷重で高速回転するツールのプローブを押し付けて上方の板から下方の板（マグネシウム−リチウム系合金板）の近傍まで挿入し、ツール或いは板を相対的に移動させる。すると、プローブの回転摩擦熱によりプローブ近傍の両方の板材料が軟化して塑性流動し、軟化した板材料が外方へ排出されるのをツールのショルダ面で防止しながら、プローブとショルダ面との摩擦熱により上下の板の重ね合わせ接合が行われる。

ここで、接合部の表面に亀裂などの欠陥がなく、且つ接合面で板材料が上下に撹拌拡散されすぎず、且つ強固に接合させるために、ツールの回転速度は６００〜１８００ｐｍ、接合速度（ツールの送り速度）は５０〜５００ｍｍ／分、ツールのプローブの長さは、プローブが挿入される上方の板（アルミニウムまたはその合金の板）の板厚よりも０．６ｍｍ程度小さい長さから０．２ｍｍ程度大きい長さの範囲内で定めるのが好ましい。なお、通常、ツールの荷重は０．５〜３ｔｏｎ、ツールの前進角は３〜５°程度が好ましく設定される。このような条件であれば、摩擦撹拌による板材料の最高温度（ピーク温度）が２５０℃以下に抑えられた状態で良好な固相接合が行われ、接合部に脆い金属間化合物が殆ど生成しない。

上記の摩擦撹拌による重ね合わせ接合は、板に対して並行状、格子状、渦巻き状、斑点状など隙間のある任意のパターンで行われても、接合を行うことができる。しかし、重ね合わせ接合は圧延される部分の全面にわたって隙間なく施されることが好ましい。重ね合わせ接合されていない部分があるとその部分が圧延によって剥離するからである。

また、同一部分につき複数回摩擦攪拌すると、すなわち摩擦攪拌によって生じた攪拌領域を更に複数回摩擦攪拌すると、接合部の結晶が細粒化されて接合部の強度および硬度が向上するため好ましい。また、接合部の幅を広くするために接合部が幅方向に一部重なり合うように、接合部の幅方向に少しずらしながら摩擦撹拌すると、接合部が幅方向に隙間なく広がり且つ接合部の強度および硬度も向上するため好ましい。

上記摩擦撹拌接合の後に圧延が施される。この圧延操作は、圧延ロール等からなる公知の圧延装置を用い、室温〜２００℃の温度、好ましくは冷間（室温）で行われる。圧延温度が２００℃を超えると、接合界面に脆い金属間化合物が生成しやすくなり、接合力が低下する傾向があり、得られたクラッド材の曲げ試験において、折り曲げる部の外側に粒界割れが発生することがある。本発明では、圧延前の摩擦撹拌接合により強固な接合が行われるので、その後の圧延を冷間（室温）で行っても強固な接合力が維持できる。また、複数回の圧延により順次厚みを減少させ、所望の板厚に調整するのが圧延操作中での割れを確実に防止する点で好ましいが、１回圧延であってもよい。

本発明において、圧延率は１回の圧延当たり２０〜８０％の範囲で行われるのが好ましい。圧延率が１回の圧延当たり２０％を下回ると、結晶粒径を小さくしたり結晶粒のばらつきを小さくする効果が小さくなり、強度や硬度もあまり向上しない。逆に、圧延率が１回の圧延当たり８０％を上回ると圧延操作中に板材料が割れやすくなる。ここで、圧延率とは、圧延前後のクラッド材の厚みの減少率をいう。すなわち、（圧延前の厚み−圧延後の厚み）／圧延前の厚み、に対する百分率で表わされる。

このような圧延操作により、摩擦撹拌による接合部とそれ以外の未接合部との結晶粒径に違いが小さくなり、しかも表面に生じる接合痕も消失し、両者の板材料が層状に積層接合された状態で得られ、室温でのプレス加工や絞り加工のような塑性加工に適するクラッド材が得られる。なお、摩擦撹拌接合により強固な接合が行われるので、圧延の後にクラッド材を熱処理して接合力や曲げ加工性を高める必要はない。

本発明によれば、摩擦撹拌により上下の板材料が適度に撹拌拡散され固相状態で接合が行われるので、従来の圧延接合のように、マグネシウム−リチウム系合金板とアルミニウムまたはその合金の板とが当接する面を、予め酸洗いし、金属製ワイヤーブラシで磨いて酸化皮膜などを除去する前処理をしなくても強固な接合がなされ、この点で従来の圧延接合に比べて、製品コストおよび製造コストを低く抑えることができる。

また、本発明によれば、摩擦撹拌接合により強固な接合が行われるので、摩擦撹拌接合の後に行われる圧延は、冷間（室温）で行っても接合力が維持されて低下することはなく、従来の圧延接合のように、室温での圧延の後にクラッド材を２００〜３００℃程度の温度で長時間にわたり熱処理して接合力や曲げ加工性を高める必要がなく、この点でも従来の圧延接合に比べて、製品コストおよび製造コストを低く抑えることができる。

こうして得られるクラッド板は、マグネシウム−リチウム系合金板の表面にアルミニウムまたはその合金の板が被覆されているので、従来の圧延接合により得られるクラッド板と同様に、強さや軽さや室温での塑性加工性に加えて耐食性にも優れ、しかも従来の圧延接合のように、２００〜３００℃程度の温度で長時間にわたり熱処理して接合力や曲げ加工性を高める必要がなく、この点でも従来の圧延接合に比べて熱処理の必要がないので接合界面に脆い金属間化合物が生成しにくくなり、クラッド材の曲げ試験において、折り曲げる部の外側に粒界割れが発生しにくくなる。

なお、従来の摩擦撹拌接合の技術では、アルミニウムまたはその合金の板を薄く被覆することには制約があるが、本発明では摩擦撹拌接合の後で全面を圧延して薄板化するので、アルミニウムまたはその合金の板を薄く被覆することができるという利点がある。

以下、本発明の実施例を挙げる。なお、本発明はこれ等の実施例に限定されるものではない。

厚さ３ｍｍのマグネシウム−リチウム系合金板（ＬＡ１４１）の表面に厚さ１ｍｍのアルミニウム板（Ａ５０８３）を重ね合わせ、長さ１．２ｍｍ×直径４ｍｍのねじ付きプローブを有するツール（ショルダ直径１２ｍｍ）を用い、ツール回転数６００ｒｐｍ、接合速度１００ｍｍ／分、ツール荷重２ｔｏｎの条件で、ツールを被接合材に対し相対的に直線的に移動させることにより１回の摩擦撹拌による重ね合わせ接合を６０ｍｍにわたって行った。その結果、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）とは接合面で上下に混ざりすぎず良好に接合されていた。

上記と同じ条件でツールを接合痕に対して幅方向に２ｍｍ平行にずらして移動させ、さらにその接合痕に対して幅方向に２ｍｍ平行にずらせて移動させることにより、合計３回の摩擦撹拌による重ね合わせ接合を行った。この３回の摩擦撹拌接合後の表面写真（倍率１．２倍）を図１に示し、その断面写真（倍率７倍）を図２に示し、断面写真（倍率５０倍）を図３に示す。図１〜図３から明らかなように、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）とは接合面で上下に混ざりすぎず良好に接合されていた。

上記の３回の摩擦撹拌接合の後、これを室温（２５℃）にて圧延率約３０％で１回圧延を行った。得られた圧延材の断面写真（倍率３．５倍）を図４に示し、断面写真（倍率５０倍）を図５に示す。図４および図５から明らかなように、表面に生じる接合痕が消失し、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）が層状に積層接合された状態で良好に接合されていた。すなわち、ＬＡ１４１板の表面にＡ５０８３板が被覆されたクラッド材が得られた。

厚さ３ｍｍのマグネシウム−リチウム系合金板（ＬＡ１４１）の表面に厚さ１ｍｍのアルミニウム（Ａ５０８３）板を重ね合わせ、長さ０．６ｍｍ×直径３．５ｍｍのプローブを有するネジなしツール（ショルダ直径１２ｍｍ）を用い、ツール回転数１４００ｒｐｍ、接合速度３００ｍｍ／分、ツール荷重２ｔｏｎの条件で、１回の摩擦撹拌による重ね合わせ接合を５０ｍｍにわたって行った。その結果、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）とは接合面で上下に混ざりすぎず良好に接合されていた。

上記と同じ条件でツールを接合痕に対して幅方向に２ｍｍずつ平行にずらして合計３回の摩擦撹拌による重ね合わせ接合を行った。この３回の摩擦撹拌接合後の表面写真（倍率１．５倍）を図６に示し、その断面写真（倍率５倍）を図７に示す。図６および図７から明らかなように、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）とは接合面で上下に混ざりすぎずに良好に接合されていた。

上記の３回の摩擦撹拌接合の後、これを室温（２５℃）で圧延率が１回の圧延当たり約２０％で合計５回の圧延を行って、ＬＡ１４１板の表面にＡ５０８３板が被覆されたクラッド材（総厚み１．０ｍｍ）を作製した。得られたクラッド材の断面写真（倍率１５倍）を図８に示す。図８から明らかなように、表面に生じる接合痕が消失し、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）が層状に積層接合された状態で良好に接合されていた。すなわち、ＬＡ１４１板の表面にＡ５０８３板が被覆されたクラッド材が得られた。

接合速度を５００ｍｍ／分に変えたこと、および接合長さを４０ｍｍに変えたこと以外は実施例２と同様に行った。
合計３回の摩擦撹拌接合後の表面写真（倍率１．５倍）を図９に示し、その断面写真（倍率５倍）を図１０に示す。図９および図１０から明らかなように、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層）とは接合面で上下に混ざりすぎずに良好に接合されていた。

上記の３回の摩擦撹拌接合の後、これを室温（２５℃）で圧延率が１回の圧延当たり約２０％で合計５回の圧延を行って、ＬＡ１４１板の表面にＡ５０８３板が被覆されたクラッド材（総厚み１．０ｍｍ）を作製した。得られたクラッド材の断面写真（倍率５０倍）を図１１に示す。図１１から明らかなように、表面に生じる接合痕が消失し、接合部の表面に亀裂などの欠陥はなく、ＬＡ１４１板（下方の層）とＡ５０８３板（上方の層））が層状に積層接合された状態で良好に接合されていた。すなわち、ＬＡ１４１板の表面にＡ５０８３板が被覆されたクラッド材が得られた。

実施例１において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の表面を示す写真（倍率１．５倍）である。 実施例１において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の断面を示す写真（倍率７倍）である。 実施例１において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の断面を示す写真（倍率５０倍）である。 実施例１において、３回の摩擦撹拌接合を行った後圧延して得られたクラッド材の接合部の断面を示す写真（倍率３．５倍）である。 実施例１において、３回の摩擦撹拌接合を行った後圧延して得られたクラッド材の接合部の断面を示す写真（倍率５０倍）である。 実施例２において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の表面を示す写真（倍率１．５倍）である。 実施例２において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の断面を示す写真（倍率５倍）である。 実施例２において、３回の摩擦撹拌接合を行った後圧延して得られたクラッド材の接合部の断面を示す写真（倍率１５倍）である。 実施例３において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の表面を示す写真（倍率１．５倍）である。 実施例３において、３回の摩擦撹拌接合を行った後の接合部の断面を示す写真（倍率５倍）である。 実施例３において、３回の摩擦撹拌接合を行った後圧延して得られたクラッド材の接合部の断面を示す写真（倍率５０倍）である。

Claims (4)

1. マグネシウム−リチウム系合金板とアルミニウムまたはその合金の板とを重ね合わせ、これを摩擦撹拌により重ね合わせ接合した後、圧延することを特徴とするクラッド材の製造方法であって、摩擦撹拌による重ね合わせ接合を板の全面にわたって隙間なく施すことを特徴とするクラッド材の製造方法。
2. 同一部分につき複数回摩擦攪拌することを特徴とする請求項１に記載のクラッド材の製造方法。
3. 冷間で複数回圧延することを特徴とする請求項１または２に記載のクラッド材の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の製造方法により得られたクラッド材。