JP4955158B2

JP4955158B2 - マグネシウム合金板材

Info

Publication number: JP4955158B2
Application number: JP2001210782A
Authority: JP
Inventors: 幸男西川; 晃宝; 幸一山崎; 和生島
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003027173A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金薄板及びその製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などの対策の一つとして、家電製品の外装部品を従来の樹脂材料に代えて金属材料で製作することが注目されている。樹脂のリサイクル性が２０％程度であるのに対し、金属材料は９０％がリサイクル可能である。
【０００３】
金属材料の中で特にマグネシウム合金は、他の金属と比較して軽量、高強度であり、振動減衰性や加工性にも優れ、比較的低融点であることからリサイクルに要するエネルギーも少なくて済むという特徴を有している。
【０００４】
このマグネシウム合金を材料とする製品は、一般に金型に高圧力で溶融させたマグネシウム合金を急速に流し込み鋳造するダイカスト法で作られてきたが、近年になって、固液共存状態の半溶融合金にせん断力を与えることによってチクソトロピー性を発現させ、これを金型内で射出成形するチクソモールド法も実用化され、家電製品の薄肉成形品などへの適用が促進されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ダイカスト法やチクソモールド法による金属成形は生産設備が高価であり、金型内で成形の際に発生する湯道などの製品にはならない不要部分が比較的大量に発生し、材料歩留りが悪いという問題点があった。特に、形状があまり複雑でない製品を作る場合、プレス加工に比べて製造コストが高くなってしまう。また、成形時に気泡の巻き込み等により内部に巣が生じることがあるため塗装不良の原因となったり、付着した離型剤の処理工程が必要であるなどの課題を抱えている。
【０００６】
また、マグネシウム合金は、一般にアルミニウム合金や鉄系材料に比べると、延性に乏しいために曲げやせん断力を加えるとより容易に破断する傾向を有する。そのため、マグネシウム合金を素材とするプレス加工はほとんど実用化されていないのが実状である。因みに、金属の延性を示す物性値とされている「伸び」の数値を比較したとき、アルミニウム合金が３５％であるのに対して、マグネシウム合金の場合には、鋳造材（ＡＺ９１Ｄ）で３％、展伸材（ＡＺ３１）で１５〜２０％、特殊材料（ＬＡ１４１）で２２％と低い値である。
【０００７】
最近になって一部で前記展伸材（ＡＺ３１）や特殊材料（ＬＡ１４１）のような特殊なマグネシウム合金を用いて鍛造やプレス加工によって成形することが試みられている。また、マグネシウム合金の塑性加工性が劣るのは、その結晶構造が最密六方格子構造であるために変形のすべり面が少ないことが原因とされている。これらに対して山野井らが日本金属学会２０００年秋季大会講演概要４９５頁に、結晶粒径や方位などの金属組織の差異によって延性に違いが現れ、改善できることを報告している。たとえば、結晶粒を細かくすること、（１００）方位を弱くすること、例えば（１０１）方位など他の方位を強くすることなどである。しかし、これらの延性を改善した材料は、例えばＥＣＡＥ（Equal-Channel-Angular-Extrusion）法と呼ばれる材料を直角に折り曲げながら押出す方法で製作されるが、この方法は製造工程が複雑で、材料歩留りも低く量産製造法としては適さない。
【０００８】
本発明は、以上のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、プレス加工等を可能とする延性に富むマグネシウム合金板材を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この出願に係るマグネシウム合金板材の発明は、１つの要旨において、マグネシウム合金ＡＺ３１またはＡＺ９１のマグネシウム合金板材であって、このマグネシウム合金板材は、Ｘ線回折パターンにおいて、ミラー指数により表される各結晶方位の中で、（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークの比率の和が、５３．７％以上であり、（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークの強度の和の比率が、熱処理によって少なくとも７．７％向上していることを特徴とする。
【００１０】
これは、マグネシウム合金薄板は、その板面に平行な面のＸ線回折パターンにおける（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークの比率が高ければ高い程、より延性に富む傾向を示すことを見出したことに基づいて、そのような延性のために好ましい結晶方位を有するようにマグネシウム合金薄板を形成しようとするものである。従って、この発明のマグネシウム合金薄板は（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークを高い比率で含むことによって延性に富んでいるため、プレス加工や鍛造加工等を容易に行うことができる薄板として利用できる。しかも、マグネシウム合金としては比較的安価な材料から製造することが出来る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下に示す実施形態は本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２１】
本実施例に係るマグネシウム合金薄板１は、アルミニウム含有量が３％、亜鉛含有量が１％であるマグネシウム合金ＡＺ３１を後述する製造方法によって、板厚が０．６ｍｍ、平均結晶粒径が約１５μｍとなるように形成したものである。
【００２２】
図１は、このマグネシウム合金薄板１のＸ線回折パターンを示すもので、（１０１）面のピークの回折強度が最も高い。全体のピーク強度の総和に対して（１０１）面のピークが占める割合は約４２％である。また、（１０１）面のピークと（１１０）面のピークとは互いに等価であることから、全体のピーク強度の総和に対する（１０１）面のピーク及び（１１０）面のピークの強度の和は、約４６％である。
【００２３】
また、（１００）面のピークと（００２）面のピークも互いに等価であって、全体のピーク強度の総和に対して、（１００）面のピーク及び（００２）面のピークの強度の和を求めると、約３９％になる。
【００２４】
図２は、このマグネシウム合金薄板１の金属組織の状態を模式的に示すものであって、平均結晶粒径は約１０μｍ程度であって、板の内部には部分的に微小空隙２が存在するところもある。この微小空隙２が存在する割合は少ないほど延性の低下は小さい。
【００２５】
微小空隙が存在することによってマグネシウム薄板の比重は小さくなるが、後述する製造方法によれば、当該合金の組成から計算される理論的密度の９５％以上の密度を有するマグネシウム合金薄板を形成することができる。
【００２６】
このように、組織が密であって内部空隙の少ない構成を採用することによって、内部から現れる空隙の問題や、塗装の乾燥工程における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。
【００２７】
一方、図３は市販されている従来のＡＺ３１薄板のＸ線回折パターンであって、この薄板のマグネシウム合金においては、（００２）面のピークの回折強度が最も強いことが判る。このマグネシウム合金ＡＺ３１は、既存のマグネシウム合金の中でも比較的延性に富むとされているものである。マグネシウム合金薄板の延性は、結晶粒径や結晶方位の影響、特に結晶方位の影響を大きく受けるということが近年見出されており、マグネシウム合金についてはＸ線回折パターンに現れる（１００）面と等価な面の強度を小さくすると延性が良くなるとされている。更に、この実施形態のように（１０１）面の強度が高くなるように加工処理することによって、延性が更に向上してプレス加工や鍛造に好適なマグネシウム合金薄板を得ることができる。
【００２８】
図４は、本実施例に係るマグネシウム合金薄板１ｂのＸ線回折パターンを示すもので、アルミニウム含有量が９％、亜鉛含有量が１％であるマグネシウム合金ＡＺ９１を用いて、後述する製造方法によって板厚０．６ｍｍの薄板を形成したものである。このマグネシウム合金薄板１ｂは、上述の図１と同様に（１０１）面の回折強度が最も高い。図４に示す比較的大きな回折ピークの間には小さな回折ピークが見られるが、これらはアルミニウム成分の増加によって発生するピークである。このようにアルミニウム含有量４％以上のマグネシウム合金を適用することにより、既存のマグネシウム合金ＡＺ３１、ＬＡ１４１に比べて耐食性に優れたマグネシウム合金薄板を用いたプレス加工や鍛造が可能となる。
【００２９】
次に、上記構成になるマグネシウム合金薄板１の製造方法について説明する。図５は、第１の製造方法を示すもので、各製造工程（Ｓ１〜Ｓ３）毎にそれぞれの処理構造の概要を示している。
【００３０】
まず、鋳造によってマグネシウム合金の板材３を成形する（工程Ｓ１）。板材３の成形は、完全液状に溶融させたマグネシウム合金をダイカスト機によって鋳造する方法、又は、固液共存状態に融解させたマグネシウム合金にせん断力を与えることによってチクソトロピー性を発現させて金型１０内に射出する射出成形機によって鋳造する方法のいずれの方法によって行うこともできる。
【００３１】
図５は射出成形機５による板材３の成形過程を示している。まず、金型１０内にマグネシウム合金を射出すると同時に成形機により保圧をかけ、型締め作用により成形品の板厚方向に圧力が発生するようにしながら凝固させると、板厚の面積にもよるが金型１０内に板厚０．５ｍｍ程度以上の板材３が成形される。
【００３２】
次に、板材３から不要となる湯道９やオーバーフロー等を分離させるために、プレス機６によってゲートカットし、板材３のトリミングを行う（工程Ｓ２）。
【００３３】
次いで、板材３に熱処理を加える。Ｘ線回折のパターンにおいてミラー指数によって表される主要な結晶面のピーク強度の比率が、熱処理を加える前後でどのように変化したかを、表１に示す。
【００３４】
【表１】

【００３５】
金型１０から取り出された状態の板材３のＸ線回折のパターンにおける（１１０）面及びこれと等価な面のピークの割合は、既に原材料のマグネシウム合金についての割合よりも高くなっている。しかし、その板材３に対して更に熱処理を加えることによって、例えば表１に示すＡＺ３１を用いた例の場合のように、４３０℃で１時間熱処理することによって、（１１０）面及びこれと等価な面のピーク強度の割合が高くなる。しかし、高温で長時間の処理をすると結晶粒径が大きくなるため、最適な処理の温度と時間を選択する必要が有る。
【００３６】
また、ＡＺ９１のようにＡｌ含有量が多くなると、図６に示すように成形直後の薄板における結晶粒界に化合物４が存在して、破壊時の発生源となりやすい。このような化合物は、ＡｌとＭｇとの金属間化合物、及びその他の不純物などである。このようなマグネシウム合金薄板を熱処理することにより、この化合物層を減少させることができる。
【００３７】
図７は、ＡＺ９１マグネシウム合金薄板を４３０℃で３時間熱処理した後のＸ線回折パターンである。また、表２は主要な結晶面のピーク強度の比率が熱処理を加える前後でどのように変性剤化したかを示したものである。図４に示す熱処理前のＸ線回折パターンと比較すると、回折ピークの位置に変化はないが、ピーク全体の総和に対する（１０１）面と等価なピークの割合が約４６％から約５４％へ高まっている。このように、従来は薄板化することが困難であったアルミニウム含量の多いマグネシウム合金を用いる場合にも、プレス加工に好ましい結晶構造を有する薄板の作製が可能となった。
【００３８】
【表２】

【００３９】
次にマグネシウム合金薄板の第２の製造方法について、図８を参照して説明する。この第２の製造方法は、鋳型１６により溶融させたマグネシウム合金を押圧してマグネシウム合金板材１７を形成するものであって、板材に対して一層効果的な圧縮作用を与えることができる。
【００４０】
図８（ａ）に示すように、成形する板材１７の形状に対応する鋳型１６内に溶融マグネシウム合金１３を投入する。次に、図８（ｂ）に示すように鋳型１６を閉じ、図８（ｃ）に示すように、マグネシウム合金が凝固すると同時に板厚方向に圧縮を加えてマグネシウム合金板材１７を成形する。板厚方向に加える圧縮率を板厚の１０％以下、場合によって０％〜１０％の範囲とすることによって、凝固時に導入される空隙を縮小させ、又は消滅させることができる。また、板材１７に塑性変形をほとんど与えることがないため、板材１７の結晶方位もほとんど変化することが無い。
【００４１】
このように成形されたマグネシウム合金板材には、第１の製造方法と同様に熱処理を行うことによって、同様の効果が得られる。また、圧縮率を精密に制御することによって、優先する結晶方位の比率を制御することも可能である。
【００４２】
次に、マグネシウム合金薄板の第３の製造方法について、図９を参照して説明する。この第３の製造方法は、上記第１および第２の製造方法では所定の寸法を有する板材を１枚毎に成形していたものを、連続的に成形できることを特徴とする。
【００４３】
図９において、溶解炉１１内でマグネシウム合金を溶解させ、溶融マグネシウム合金１３を形成する。マグネシウム合金のように活性な金属を溶かす場合には、燃焼や酸化を防ぐため溶解炉１１内にガス導入口１２からアルゴンガスを導入し、溶解炉１１内にアルゴンガスを充満させる。
【００４４】
溶解炉１１の底から流し出される溶融マグネシウム合金１３は、相反する方向に回転する一対のローラ１４に達したとき、ローラ１４上に堆積すると同時に、ローラ１４に熱を奪われて凝固し始める。連続した帯状に凝固したマグネシウム合金１３ａは、ローラ１４の間を通る間に板厚方向についてロール回転数と板厚によって決定される圧縮率０〜１０％の圧縮変形を受け、凝固時に板材内に導入される空隙は縮小または消滅する。この帯状マグネシウム合金１３ａは、切断機１５によって適当な寸法及び形状の板材１３ｂに切り取られる。また、圧縮変形の代わりに、図９において矢印Ａに示すような引張応力を与えても、上述の圧縮変形と同等の効果を与えることができる。
【００４５】
このように成形されたマグネシウム合金板材には、第１および第２の製造方法と同様に熱処理を行うことができ、そうすることによって第１および第２の製造方法と同様の効果が得られる。
【００４６】
上記の各製造方法により製造されたマグネシウム合金薄板は、図１や図４に示したように結晶方位を制御できるため、従来のマグネシウム合金では困難であった延性に優れた薄板を得ることができる。このマグネシウム合金薄板はプレス加工や鍛造に適しており、マグネシウム合金によるプレス加工成形品又は鍛造成形品を容易に製造することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上の説明した通り、この出願の発明によれば、延性に優れたマグネシウム合金薄板を形成することができ、これをプレス加工や鍛造加工により任意の形状に成形することが可能となり、マグネシウム合金による加工範囲の拡大を図ることができる。
また、従来の製造方法では困難であったアルミニウム含有量の多いマグネシウム合金を用いることによって、耐食性にも優れた薄板材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るマグネシウム合金薄板の１つの好ましい実施形態におけるＸ線回折パターンである。
【図２】マグネシウム合金薄板の金属組織の状態を示す模式図である。
【図３】従来のＡＺ３１マグネシウム合金薄板のＸ線回折パターンである。
【図４】この発明に係るマグネシウム合金薄板のもう１つの好ましい実施形態におけるＸ線回折パターンである。
【図５】この出願の第１の製造方法によるマグネシウム合金薄板の製造工程を示す工程図である。
【図６】もう１つの実施形態におけるマグネシウム合金薄板の金属組織の状態を示す模式図である。
【図７】もう１つの実施形態における熱処理後のマグネシウム合金薄板のＸ線回折パターンである。
【図８】この出願の第２の製造方法によるマグネシウム合金薄板の製造工程を示す工程図である。
【図９】この出願の第３の製造方法によるマグネシウム合金薄板の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１…マグネシウム合金薄板、２…微小空隙、３…板材、
４…析出物、７…圧延機、８…加熱炉、１０…金型、
１１…溶解炉、１３…溶融マグネシウム合金、１４…ローラ、
１５…切断機、１６…鋳型。

Claims

マグネシウム合金ＡＺ３１またはＡＺ９１のマグネシウム合金板材であって、このマグネシウム合金板材は、Ｘ線回折パターンにおいて、ミラー指数により表される各結晶方位の中で、（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークの比率の和が、５３．７％以上であり、（１１０）面のピーク及びこれと等価なピークの強度の和の比率が、熱処理によって少なくとも７．７％向上していることを特徴とするマグネシウム合金板材。