JP4991281B2 - マグネシウム合金薄板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、双ロール法の温間異周速圧延工程により得られる均一微細な結晶粒組織を有するマグネシウム合金薄板の製造方法に関するものである。

マグネシウム合金の機械的性質は結晶粒度に強く依存し、結晶粒が微細になるほど強度および伸びが向上し、また超塑性が現れやすくなるなどのように、いろいろな優れた特性があることがよく知られている。従来、微細な結晶粒組織を有するマグネシウム合金板を製造する方法としては、加工熱処理法がよく用いられている。この方法は、熱間加工時の動的再結晶現象、あるいは温間加工の中間および／または後での熱処理時の溶質元素の固溶、析出現象や回復と再結晶現象を制御して、さらに多くの場合、前記の各現象を総合的に制御して結晶粒の微細化を図るものである。また、最近ではＥＣＡＰ（Ｅｑｕａｌ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｇｕｌａｒ ｐｒｅｓｓｉｎｇ）などの強ひずみ加工法も開発されている。

しかしながら、マグネシウム合金の結晶構造は稠密六方晶であることから、常温で塑性変形しにくく、また冷間加工性が悪いため、従来の厚いスラブから薄板を得る方法では、加熱と熱間または温間での圧延が繰り返されることから、加工熱処理法を適用したとしても得られるマグネシウム合金板の結晶粒のサイズは１０μｍ程度が限界であった。また、ＥＣＡＰなどの強ひずみ加工法は未だ実験室レベルの技術であり、マグネシウム合金板の量産技術として適用できるものではない。

さらに、上述した従来の方法では、所定の厚さのマグネシウム合金板を製造するための加熱と圧延が繰り返されることから、非常に多くの時間と労力を必要とし、生産性向上の障害にもなっており、マグネシウム合金板の製造コストにも反映していた。

上記事情を鑑みて、特許文献１では、マグネシウム合金板製造工程において、双ロール法に温間異周速圧延工程を導入することによって、平均粒径５μｍ以下の微細な結晶粒組織が得られる技術について開示されている。

しかしながら、前記工程を導入するのみでは、温間異周速圧延工程の設定要件の変化に伴い、結晶粒の平均粒径が５μｍ以下とならない場合や、平均粒径が５μｍ以下の微細な結晶粒組織が得られたとしても、部分的に限られる場合などがあった。また、温間異周速圧延工程の条件設定に時間がかかり、かつ安定性に欠ける製造工程であるという問題があった。
特開２００６−１４４０６２号公報

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、材料および製造コストが安く、速やかにかつ安定的に、平均結晶粒径が５μｍ以下の均一微細な結晶粒組織を有するマグネシウム合金薄板を製造する方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成を採用した。すなわち、本発明のマグネシウム合金薄板の製造方法は、質量％で、Ａｌ：１．０〜１１％、Ｚｎ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜０．５％、残部がＭｇおよび不可避不純物を含有するマグネシウム合金溶湯を、連続鋳造圧延を行い帯状板とした後、均質化処理、熱間圧延、中間焼鈍をこの順序で行うか、もしくは熱間圧延、均質化処理をこの順序で行った後、材料加熱温度を２００℃〜２８０℃の範囲とし、圧延ロール表面温度を１８０℃未満の範囲とし、上下ロールの回転周速比１．１〜１．６の条件で圧下率１０％以上とする温間異周速圧延を行った後、２５０〜３２０℃の温度範囲で１時間以内の最終焼鈍を行うことを特徴とする。

上記の構成によれば、平均粒径５μｍ以下の均一微細な結晶粒組織を有するマグネシウム合金薄板を、材料および製造コストが安く、速やかにかつ安定的に製造することができる。さらに、強度、延性、超塑性などが要求される用途に好適なマグネシウム合金薄板を得ることができる。また、本発明のマグネシウム合金薄板は、結晶粒が微細なため、成形性に優れる。

以下、本発明のマグネシウム合金薄板の製造方法について説明する。
図１は、本発明のマグネシウム合金薄板の製造方法の実施形態の一例を示したものである。まず、マグネシウム合金溶湯を、双ロール法により連続鋳造圧延Ｓ_１を行い、帯状とした鋳造板を製造する。鋳造板の板厚は２〜１０ｍｍが挙げられる。

前記連続鋳造圧延Ｓ_１は、マグネシウム合金溶湯を、連続的に薄い帯状板に鋳造圧延する工程である。この連続鋳造圧延Ｓ_１により、マグネシウム合金板の製造は極めて効率的となる。

連続鋳造圧延方法として、双ロール法が好適なものとして挙げられる。双ロール法は、溶解炉で得られるマグネシウム合金溶湯をタンディッシュに供給し、タンディッシュから供給されるマグネシウム合金溶湯を、水冷された双ロールの間に供給し、圧延する方法である。しかしながら、前記連続鋳造圧延方法として、前記双ロール法に限定されるものではない。

図２（ａ）は、双ロール装置の圧延部の概略図である。双ロール装置の圧延部は、双ロール部１と吹き込みノズル１０から構成される。双ロール部１は、上ロール２と下ロール３および、２つの離型剤スプレー４およびロール表面温度センサー５から構成される。吹き込みノズル１０から水冷された双ロールの間にマグネシウム合金溶湯が供給され、鋳造板が製造される。ロール表面温度は、ロール表面温度センサー５によって測定する。圧延後、離型剤スプレー４で、上ロール２と下ロール３の表面を洗浄処理する。

図２（ｂ）は、前記概略図における吹き込みノズル１０の拡大模式図である。吹き込みノズル１０は、チップ部１１とトラフ部１２とから構成される。トラフ部１２の上部の空間は、ガス管１５から流入されるＳＦ_６＋Ｎ_２などのような不活性ガスで満たされている。レーザー式湯面レベルセンサー１６から、耐熱ガラス１７を通して、レーザーを湯面に照射し、湯面での反射光を再びレーザー式湯面レベルセンサー１６で測定して、湯面の高さを計測する。計測結果に基づき、移湯パイプ１４を通して、マグネシウム合金溶湯が補充される。マグネシウム合金溶湯１３の温度は、２つの熱電対１８で測定される。双ロールへのマグネシウム合金溶湯の供給は、チップ部１１から行われる。

前記マグネシウム合金溶湯は、Ａｌ、ＺｎおよびＭｎを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなる。

前記Ａｌは、１．０〜１１％の範囲内で添加されていることが好ましく、２．０〜４．０％の範囲内で添加されていることがより好ましい。前記Ａｌは、鋳造性、強度等の機械的性質および耐食性の向上を目的として積極的に添加されるものであるが、前記Ａｌの添加量が１１％を超えると、圧延工程における加工性が低下する。また、前記Ａｌの添加量が１．０％未満では、十分な鋳造性、強度および耐食性が得られない。

前記Ｚｎは、２．０％以下の範囲内で添加されていても良い。前記Ｚｎは、Ａｌと同様に、鋳造性と強度等の機械的性質の向上に寄与するものであるが、前記Ｚｎの添加量が２．０％を超えると、鋳造性が低下する。

前記Ｍｎは、０．１〜０．５％の範囲内で添加されていることが好ましい。前記Ｍｎは、耐食性を低下させる元素の影響を緩和する効果を有するものである。すなわち、前記Ｍｎを添加することによって、耐食性を低下させる不純物元素であるＦｅの影響を緩和することができ、上記の範囲内で添加することによって、その効果を最も発揮することができるが、０．５％を超えると連続鋳造圧延時に粗大な金属間化合物が生成し、圧延性が悪化する。

次に、図１に示すように、均質化処理Ｓ_２、熱間圧延Ｓ_３、中間焼鈍Ｓ_４をこの順序で行うか、もしくは熱間圧延Ｓ_５、均質化処理Ｓ_６をこの順序で行い、前記鋳造板からマグネシウム合金板を製造する。

前記均質化処理Ｓ_２、Ｓ_６は、一定条件のもと、前記鋳造板を熱処理する工程である。前記条件は、３７０℃〜４７０℃の温度範囲で１時間以上保持する熱処理が好ましい。前記連続鋳造圧延において急冷凝固されたＡｌ、Ｚｎなどの溶質元素は、デンドライト・セル境界および板厚中心部に高濃度に偏析するが、前記均質化処理Ｓ_２、Ｓ_６により、前記溶質元素の高濃度の偏析を解消できるためである。また、圧延性に優れたマグネシウム合金板とすることもできる。

前記熱間圧延Ｓ_３、Ｓ_５は、一定条件のもと、前記鋳造板をマグネシウム合金板とする圧延工程である。前記条件は、材料加熱温度を２８０〜３５０℃とし、圧延装置のロール表面温度を１５０〜３５０℃の範囲とするのが好ましい。

前記中間焼鈍Ｓ_４は、一定条件のもと、前記マグネシウム合金板を熱処理する工程である。前記条件は、３００〜３５０℃の温度範囲で１〜８時間保持する熱処理や、３５０〜４５０℃の温度範囲で１分以下保持する熱処理などを例示することができる。中間焼鈍Ｓ_４に用いる炉は、バッチ炉、連続炉のいずれであってもよい。

続いて、図１に示すように、温間異周速圧延Ｓ_７を行い、前記マグネシウム合金板からマグネシウム合金薄板を製造する。

前記温間異周速圧延Ｓ_７は、一定条件のもと、マグネシウム合金板をマグネシウム合金薄板とする圧延工程である。前記条件は、材料加熱温度は２００〜２８０℃の範囲とし、圧延装置のロール表面温度は１８０℃未満の範囲とし、異周速圧延機の上下ロールの回転周速比（以後、周速比）は１．１〜１．６とするのが好ましい。また、圧下率は、１０％以上とするのが好ましい。なお、温間異周速圧延Ｓ_７を行う異周速圧延機の構成は、特に限定されるものではなく、既知の装置を用いることができる。

前記温間異周速圧延Ｓ_７で、前記周速比が１．１より小さくなると、十分な付加せん断変形が得られないため、微細な結晶粒組織が得られない。また、結晶粒微細化の効果が低く、所々に粗大な結晶粒の存在する混粒組織になる。

前記周速比が１．１以上の領域では、周速比の増加に伴い、結晶粒のサイズをより微細にすることができるが、周速比が１．６においてその結晶粒微細化の効果は飽和する。前記周速比が１．６より大きくなると、結晶粒微細化への効果がそれほど向上しないばかりでなく、圧延時に前記マグネシウム合金板を損傷させやすくなる恐れが発生する。

前記温間異周速圧延時のロール表面温度を１８０℃未満に設定すれば、圧延時のロールが材料温度の抜熱を行うので、前記材料温度が１８０℃未満となり、動的再結晶が引き起こされないので、後工程で行う静的再結晶のために好ましい。

前記圧下率は、１０％より小さい場合、十分なせん断ひずみが得られないので、結晶粒が微細にならない。

なお、前記温間異周速圧延Ｓ_７は、温間圧延の一部として行ってもかまわない。前記温間圧延は、一定条件のもと、マグネシウム合金板をマグネシウム合金薄板とする圧延工程である。前記条件は、材料加熱温度を２００〜２８０℃の範囲、圧延装置のロール表面温度を１８０℃未満の範囲とするのが好ましい。

前記温間異周速圧延Ｓ_７あるいは前記温間圧延において、パス回数は一回であってもよいし、複数回であってもよい。ただし、１パスの圧下率は１０％以上が好ましい。最終温間異周速圧延あるいは最終温間圧延での圧下率としては、３０％以上の圧下率が特に好ましい。前記圧下率は、一回の圧延であっても、複数回の圧延であってもよい。

前記中間焼鈍Ｓ_４を、温間圧延の途中に設けることもできる。特に、温間圧延での圧下率が８０％を超える場合に、中間焼鈍Ｓ_４を設けるのが好ましい。一回の温間圧延での圧下率が８０％以下であっても、二回以上の温間圧延でのトータルの圧下率が８０％を超える場合には、途中で中間焼鈍Ｓ_４を行うことが好ましい。

最後に、図１に示すように、最終焼鈍Ｓ_８を行い、マグネシウム合金薄板を製造する。

前記最終焼鈍Ｓ_８は、静的再結晶を引き起こし、平均粒径５μｍの均一微細な結晶粒組織とする工程である。加熱温度を２５０〜３２０℃の範囲とし、１時間以内保持する熱処理が好ましい。

前記最終焼鈍Ｓ_８において、加熱温度が２５０℃未満の場合には、双晶が残る加工組織となり、３２０℃より大きい場合には、粒が粗大化する。また、加熱温度が２５０〜３２０℃の範囲にあっても、１時間より長く保持する場合には、粒成長で粒が粗大化する。また、製品の要求仕様により、前記最終焼鈍後、更に冷間圧延、焼鈍を組み合わせ、あるいはそれぞれ単独で行ってもかまわない。

以下、本発明の実施形態の効果について説明する。
本発明のマグネシウム合金薄板の製造方法は、質量％で、Ａｌ：１．０〜１１％、Ｚｎ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜０．５％、残部がＭｇおよび不可避不純物を含有するマグネシウム合金溶湯を用い、連続鋳造圧延を行い、帯状板とした後、均質化処理、熱間圧延、中間焼鈍をこの順序で行うか、もしくは熱間圧延、均質化処理をこの順序で行った後、温間圧延を行った後、最終焼鈍を行って、マグネシウム合金薄板を製造する方法なので、各プロセスを速やかにかつ安定的に行うことができ、また、各プロセスを適切に運用することによって、材料および製造コストを安くすることができる。

本発明のマグネシウム合金薄板の製造方法は、温間圧延の一部または全部において、材料加熱温度を１８０℃未満の範囲とし、圧延装置のロール表面温度を１８０℃未満の範囲とし、上下ロールの回転周速比１．１〜１．６の条件で温間異周速圧延を行った後、２５０〜３２０℃の温度範囲で１時間以内の最終焼鈍を行うことを特徴とする構成なので、前記最終焼鈍において、静的再結晶を行わせ、５μｍ以下の微細な結晶粒組織からなるマグネシウム合金薄板とすることができ、強度、延性、超塑性などが要求される用途に好適なマグネシウム合金薄板とすることができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。しかし、本発明はこれらの実施例にのみ限定されるものではない。

マグネシウム合金板を用いて、双ロール法で板厚５．４ｍｍのマグネシウム鋳造板を製造した。表１に、前記マグネシウム合金板の化学成分を示す。

次に、前記合金１のマグネシウム鋳造板について、アルゴンガス雰囲気中で４５０℃の温度に８時間保持する均質化処理を行った。さらに、材料加熱温度３００℃、ロール温度２００℃の条件で熱間圧延を行い、前記マグネシウム鋳造板の板厚を２．１ｍｍとした。最後に、３００℃の温度に１時間保持する中間焼鈍を行い、板厚２．１ｍｍのマグネシウム合金板を製造した。

前記マグネシウム合金板を異周速圧延機にセットし、温間異周速圧延を行った。前記異周速圧延機は、ロール内にヒータを内蔵したツインモータ駆動式を使用した。ここで、高速上ロール側の周速は８ｍ／ｍｉｎとし、下ロール側の周速を５．３ｍ／ｍｉｎとして、周速比を１．５０に設定した。ロール表面温度は１８０℃とし、目標板厚０．８ｍｍまで繰り返し圧延を行い、板厚０．８ｍｍのマグネシウム合金薄板を製造した。また、一回（１パス）ごとに加熱処理炉で、前記マグネシウム合金板を２５０℃に加熱した。また、温間異周速圧延の方向は、一定になるように設定した。

最後に、前記マグネシウム合金薄板を加熱処理炉で２５０℃に加熱し、１ｈ保持する最終焼鈍を行い、板厚０．８ｍｍのマグネシウム合金薄板を製造した。

前記マグネシウム合金薄板に対して、光学顕微鏡観察を行った。
光学顕微鏡観察は圧延方向に平行な断面で行った。光学顕微鏡観察面は、エメリー＃１０００で研磨仕上げした後に、蒸留水２０ｍｌ、ピクリン酸３２ｍｌ、エチルアルコール１８ｍｌ、氷酢酸２０ｍｌの混合液で２０秒間、エッチング処理を行った。結晶粒サイズの測定は切断法で行った。
以下、実施例２、３、比較例１は合金１、実施例４は合金２である。

周速比を１．３５とした他は、実施例１と同様にして、マグネシウム合金薄板を製造した。実施例１と同様に光学顕微鏡観察を行った。

周速比を１．２０とした他は、実施例１と同様にして、マグネシウム合金薄板を製造した。実施例１と同様に光学顕微鏡観察を行った。

周速比を１．５０とし、合金２のマグネシウム鋳造板を用いた他は、実施例１と同様にして、マグネシウム合金薄板を製造した。実施例１と同様に光学顕微鏡観察を行った。

（比較例１）
周速比を１．００とした他は、実施例１と同様にして、マグネシウム合金薄板を製造した。実施例１と同様に光学顕微鏡観察を行った。

以下、実施例１〜４および比較例１についての結果を説明する。
光学顕微鏡観察の結果、周速比１．００の比較例１では、微細粒と粗大粒の混粒組織が観察され、平均結晶粒サイズは７．７μｍであった。対して、周速比１．２０〜１．５０の実施例１〜３のマグネシウム合金薄板では、全体的に結晶粒が均一微細かつほぼ等軸であり、その平均結晶粒サイズはそれぞれ５．０、４．６および４．２μｍと、周速比が高くなるにつれて結晶粒が微細化する傾向が認められた。また、実施例４の平均結晶粒サイズは４．０μｍであった。

本発明は、温間異周速圧延を用いて、材料および製造コストが安く、速やかにかつ安定的に、平均粒径が５μｍ以下の均一微細な結晶粒組織を有するマグネシウム合金薄板を製造する方法を必要とする産業分野での利用可能性がある。また、強度、伸びおよび超塑性を有するマグネシウム合金薄板を必要とする応用分野での利用可能性がある。

本発明の実施形態であるマグネシウム合金薄板の製造方法の一例を説明する図である。 本発明の実施形態であるマグネシウム合金薄板の製造方法の一例を説明する図であって、（ａ）は、双ロール法の圧延部の概略図である。（ｂ）は吹込みノズルの拡大模式図である。

符号の説明

１…双ロール部、２…上ロール、３…下ロール、４…離型剤スプレー、５…ロール表面温度センサー、１０…吹き込みノズル、１１…チップ部分、１２…トラフ部分、１３…溶湯、１４…移湯パイプ、１５…不活性ガス、１６…レーザー式湯面レベルセンサー、１７…耐熱ガラス、１８…熱電対、Ｓ１…連続鋳造圧延、Ｓ２…均質化処理、Ｓ３…熱間圧延、Ｓ４…中間焼鈍、Ｓ５…熱間圧延、Ｓ６…均質化処理、Ｓ７…異周速温間圧延、Ｓ８…最終焼鈍

Claims (1)

1. 質量％で、Ａｌ：１．０〜１１％、Ｚｎ：２．０％以下、Ｍｎ：０．１〜０．５％、残部がＭｇおよび不可避不純物を含有するマグネシウム合金溶湯を、連続鋳造圧延を行い帯状板とした後、均質化処理、熱間圧延、中間焼鈍をこの順序で行うか、もしくは熱間圧延、均質化処理をこの順序で行った後、材料加熱温度を２００℃〜２８０℃の範囲とし、圧延ロール表面温度を１８０℃未満の範囲とし、上下ロールの回転周速比１．１〜１．６の条件で圧下率１０％以上とする温間異周速圧延を行った後、２５０〜３２０℃の温度範囲で１時間以内の最終焼鈍を行うことを特徴とするマグネシウム合金薄板の製造方法。

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