JP5196543B2 - マグネシウム合金材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マグネシウム合金材およびその製造方法に係り、特に、機械的な強度の高いマグネシウム合金材およびその製造方法に関するものである。

一般に、マグネシウム合金材は、実用化されている合金の中で最も密度が低く軽量で強度も高いため、電気製品の筐体や、自動車のホイールや、足回り部品や、あるいは、エンジン回り部品等への適用が進められている。
特に、自動車に関連する用途の部品においては、高い機械的性質が要求されるため、ＧｄやＺｎ等の元素を添加したマグネシウム合金材として、片ロール法、急速凝固法により特定の形態の材料を製造することが行われている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１）。

しかし、前記したマグネシウム合金材は、特定の製造方法においては、高い機械的性質が得られるものの特殊な設備が必要であり生産性も低いという問題があり、更に適用できる部材が限られるという問題がある。

そこで、従来、マグネシウム合金材を製造する場合、前記特許文献の様な特殊な設備あるいはプロセスを用いずに、生産性の高い通常の溶解鋳造から塑性加工（押出）を実施しても実用上有用な機械的性質が得られるものが提案されている（例えば、特許文献３、特許文献４）。特許文献３、４に開示されているマグネシウム合金材は、高い機械的性質が得られることが知られている。
特開平０６−０４１７０１号公報 特開２００２−２５６３７０号公報 国際公開第２００５/０５２２０４号パンフレット 国際公開第２００５/０５２２０３号パンフレット 軽金属学会第１０８回大会講演概要（２００５）Ｐ４２−４５

しかし、従来のマグネシウム合金材は、以下に示すような改良すべき余地があった。
すなわち、従来のマグネシウム合金材は、軽量化の目的で自動車用への応用を進めるためには強度をさらに向上させることが要求されていた。

本発明は前記の問題に鑑み創案されたものであり、特殊な製造設備およびプロセスを使用することなく、高い機械的性質に優れたマグネシウム合金材およびその製造方法を提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するために、つぎのようなマグネシウム合金材として構成した。すなわち、必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金であり、当該Ｍｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金の合金組織中に、β相、β´相、β１相のうち少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、を有し、０．２％耐力が３６０．０ＭＰａ以上、かつ伸びが８．０％以上である構成とした。

このように構成したことにより、マグネシウム合金は、β相、β´相、β１相の少なくとも一つ以上（以下、Ｘ相ともいう）と、長周期積層構造と、が素材を析出強化させて、Ｘ相のみ、あるいは、長周期積層構造のみを備えるものに比較して、引張強さ、０．２％耐力、伸び（伸び率）等の機械的特性が、全体的に向上する。なお、Ｘ相は、針状析出物または板状析出物であり、この針状析出物または板状析出物は、Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄである。このマグネシウム合金は、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうちいずれかあるいは１つ以上により、例えば、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）の晶出物を形成し、Ｘ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物と併せて、引張強さ、０．２％耐力、伸び等の機械的特性を、全体的に向上させる。なお、Ｘ相である針状析出物または板状析出物は、７μｍ以下であることが好ましい。
また、このように構成したことにより、マグネシウム合金材は、ＺｎおよびＲＥ（Ｇｄ、Ｔｂ、Ｔｍ）の成分を所定の範囲にすることで、強度を向上させる、Ｘ相である針状析出物または板状析出物（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）と、長周期積層構造と、が析出し易いものとなる。

さらに、前記課題を解決するために、マグネシウム合金材の製造方法は、必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程の後に、さらに所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、を含み、前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うこととした。

このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法では、ＭｇとＲＥの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、第１熱処理工程および第２熱処理工程での熱処理条件を所定の範囲で行うことにより、マグネシウム合金材にＸ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）と、長周期積層構造と、が形成されることで析出強化されて、引張強さ、０．２％耐力、伸び等の機械的特性が、全体的に向上する。

また、マグネシウム合金材の製造方法において、必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程の後に、さらに所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、前記第２熱処理工程で熱処理した鋳造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、を含み、前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うこととした。また、前記マグネシウム合金材の製造方法において塑性加工工程は、押出加工または鍛造加工であることとした。

このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法は、ＭｇとＲＥの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、第１熱処理工程および第２熱処理工程での熱処理条件を所定の範囲で行うことで、Ｘ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）と、長周期積層構造と、を形成させることができ、塑性加工に対して、引張強さ、０．２％耐力、伸びを十分向上させることができる状態となる。

さらに、マグネシウム合金材の製造方法において、必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程で熱処理した鋳造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、前記塑性加工を施した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、を含み、前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うこととした。また、前記マグネシウム合金材の製造方法において塑性加工工程は、押出加工または鍛造加工であることとした。

このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法は、ＭｇとＲＥの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、第１熱処理工程および第２熱処理工程での熱処理条件を所定の範囲で行うことで、Ｘ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）と、長周期積層構造と、を形成させることができる。また、Ｘ相の形成により、第１熱処理工程後の塑性加工に対して、引張強さ、０．２％耐力、伸びを十分向上させることができる状態となる。

本発明に係るマグネシウム合金材およびその製造方法は、つぎの優れた効果を奏するものである。
マグネシウム合金材は、針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）であるＸ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）と、長周期積層構造と、を有するため、引張強さや、伸びや、所定の伸び率に対する０．２％耐力等の機械的特性を、Ｘ相のみあるいは長周期積層構造のみを備えるものと比較して、全体的に向上させることができる。

マグネシウム合金材の製造方法は、溶体化処理を行った後に、熱処理条件を所定の範囲で行っているため、製造されるマグネシウム合金材は、針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）であるＸ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）と、長周期積層構造と、を有する構成となり、引張強さや、伸びや、所定の伸び率に対する０．２％耐力等の機械的特性が、従来のものと比較して（Ｘ相のみあるいは長周期積層構造のみを備えるものと比較して）全体的に向上する。そして、このようなマグネシウム合金材を、一般的な製造設備あるいはプロセスにより、効率よく製造することが可能となる。

また、押出（塑性）加工を行うと、組織中に、Ｘ相または長周期積層構造を有していることにより、通常では達成しえないほどの高い機械的性質が得られる。そのため、マグネシウム合金材は、例えば、自動車用部品、特に、ピストンなど機械的性質の条件が厳しい部分においても使用することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は、マグネシウム合金材の金属組織中に、β相、β´相、β１相の少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、が出現している状態を示すＴＥＭ写真、図１（ｂ）は、マグネシウム合金材の金属組織中に出現したＧＰ帯の様子を示すＴＥＭ写真、図２は、マグネシウム合金材の金属組織中に、β相、β´相、β１相の少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、Ｍｇ_３Ｇｄの晶出物と、が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。図３は、マグネシウム合金材の金属組織を示し、β´相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真、図４は、マグネシウム合金材の金属組織を示し、β´相およびβ１相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真、図５は、マグネシウム合金材の金属組織を示し、β相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。

マグネシウム合金材１は、必須成分としてＺｎ、および、ＲＥ（希土類）のうちＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍの少なくとも１つ以上を含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金であり、ここでは、Ｇｄを含有する例として説明する。図１（ａ）および図２に示すように、マグネシウム合金材１は、合金組織中に、針状析出物または板状析出物（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）であるＸ相（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）（以下、適宜、便宜上、長尺状析出物２という）と、長周期積層構造（ＬＰＳＯ）３と、を有している。

なお、図２に示すように、Ｍｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金としてＲＥがＧｄである場合のマグネシウム合金材１は、白い微細な針状あるいは微細な板状で無数に示されるものが長尺状析出物２（針状析出物または板状析出物）であり、白く滴下したような点状（針状析出物または板状析出物より大きい）の部分がＭｇ_３Ｇｄの晶出物であり、マグネシウム合金材１に混在して析出されている。また、ここでは、マグネシウム合金材１は、長尺状析出物２と、ＭＧ_３Ｇｄの晶出物と、長周期積層構造３と、を備える構成であることが分かる。その他、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ＧＰ帯が析出する場合がある。なお、ＧＰ帯とは、長尺状析出物２等の析出物の前駆状態のものである。なお、マグネシウム合金材のＭｇ_３Ｇｄの晶出物は、後記する溶体化処理により固溶体化（溶体化）するが、その添加量が多いと熱処理のときに過飽和固溶体として出現することが推測できる。また、この固溶体化および熱処理により、長尺状析出物２（針状析出物または板状析出物）および長周期積層構造３が形成される。

[（β相、β´相、β１相の少なくとも一つ）＝（針状析出物または板状析出物）＝（Ｍｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄ）]
マグネシウム合金材においてβ相、β´相、β１相の少なくとも一つとは、Ｘ−ｐｈａｓｅ（Ｘ相＝針状析出物または板状析出物（長尺状析出物２））のことであり、所定の温度条件下で析出する析出物である。このＸ相の出現により機械的な強度（引張強さ、伸び、０．２％耐力）が向上する。このＸ相は、長尺状析出物２が、細長い微細な針状または板状であり小さすぎると強度の向上に寄与せず、また、大きすぎると析出物が破壊の起点となって伸びの低下につながる。そのため、長尺状析出物２は、その大きさ（長さ）が０．１〜２０μｍの範囲であることが好ましく、また、０．２〜１０μｍの範囲であることがさらに好ましく、そして、０．３〜７μｍの範囲であることがより好ましい。なお、長尺状析出物２は、縦横比が２対１より細長い状態となるものである。

また、図３ないし図５に示すように、長尺状析出物２は、温度条件および温度時間により出現する相の状態がβ´相からβ１相に、β１相からβ相に替わることが分かった。そして、ここで出現している長尺状析出物２は、相の状態としては、β´相、β１相、β相の少なくとも一つの状態が出現しており、β´相、β１相、β相としての金属組成がＭｇ_５ＧｄまたはＭｇ_７Ｇｄであるか、Ｍｇ_５ＧｄおよびＭｇ_７Ｇｄであることが分かった。

なお、β´相の組成はＭｇ_７Ｇｄであり、β１相およびβ相はＭｇ_５Ｇｄである。β１相とβ相とは組成は同じであるが構造が異なるため、β１相とβ相と区別して呼ぶようにしている。つまり、区別する基準としては、β１相として、Ｍｇ_５Ｇｄの構造が六方最密構造となっており、また、β相として、Ｍｇ_５Ｇｄの構造が体心立方格子となっていることによる。このＭｇ_５Ｇｄまたは／およびＭｇ_７Ｇｄによりマグネシウム合金材１では、伸びを維持した状態で合金の強度を向上させる。なお、同じＭｇ_５Ｇｄでありながら構造の変化がでるのは、熱エネルギーにより、β´相がβ１相に変化するためであり、熱処理条件により、変化の途中で両者が混在する事例もありうる。

図３および図４に示すように、長尺状析出物２であるβ´相は、Ｍｇ_７Ｇｄが整列して平行に線状に並んだ状態として現れている。また、図４に示すように、長尺状析出物２であるβ１相は、黒い短く針状あるいは板状の物が向きを交互に変えてジグザグな状態に現れている。さらに、図５で示すように、長尺状析出物２であるβ相は、細長い針状あるいは板状として写真の中央に現れている。なお、図３ないし図５において、長尺状析出物２（β´相、β１相、β相の少なくとも一つ）の回りには、マトリックスが現れている。

（長周期積層構造およびその間隔）
長周期積層構造（Long Period Ordered Structure 略してLPOあるいはLPSO）３とは、例えば、規則格子が１４個並び逆位相のずれを介して再び規則格子が１４個並び、元の格子の数倍から１０数倍の単位の構造が作られる。このような長い周期の構造を長周期積層構造（長周期積層構造相）という。この相は規則相と不規則相の間のわずかな温度範囲に出現する。電子線回折した図には規則相の反射が分裂して、１０倍の周期に対応する位置に回折斑点が現れる。この長周期積層構造３は金属間化合物等にも表れることが知られている。

なお、Ｍｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金の製造の際、鋳造されて凝固してくるときに、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）が粒界に晶出し、また、溶体化処理により固溶体化（溶体化）するが、この固溶体化および熱処理により、長尺状析出物２、および、長周期積層構造３が析出する。

（合金組成）
［Ｚｎ：０．５〜３原子（ａｔ）％］
Ｚｎは、０．５ａｔ％未満であると、Ｍｇ_３Ｇｄを得ることができず強度が低下する。また、Ｚｎは、３ａｔ％を超えると添加量に見合った強度向上が得られず伸びが低下する（脆化する）。したがって、Ｚｎは、ここでは、０．５〜３ａｔ％の範囲としている。

［ＲＥ（Ｇｄ、Ｔｂ、Ｔｍの一つ以上）：１〜５原子％］
Ｇｄ、Ｔｂ、Ｔｍは、鋳造のみでは、長尺状析出物２または長周期積層構造３を出現させないが、鋳造後に所定の条件で固溶体化および熱処理をすることにより長尺状析出物２および長周期積層構造３を析出させるものである。マグネシウム合金材１では、熱処理の条件で長周期積層構造３が析出して強度の向上を図ることができるが、より高い強度を得るためには、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）の固溶体化および熱処理により、長尺状析出物２を析出させる、または、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）の固溶体化および熱処理により、長尺状析出物２を析出させるとともに、晶出するＭｇ_３Ｇｄ（（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）を混在させることである。

そのため、マグネシウム合金材１においてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍの少なくとも１種からなるＲＥは、所定量を必要とする。マグネシウム合金材１においてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍの少なくとも１種は、総量で１ａｔ％未満であると、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）、長尺状析出物２および長周期積層構造３を析出させることができず、また、総量で５ａｔ％を超えると添加量に見合った強度向上が得られず伸びが低下する。そのため、マグネシウム合金材１においてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍの少なくとも１種からなるＲＥは、ここでは、総量で１〜５ａｔ％の範囲としている。

したがって、マグネシウム合金材１は、合金組成において、原子％による組成が、組成式Ｍｇ（１００−ａ−ｂ）ＺｎａＲＥｂで示される範囲となる（組成式中、０．５≦ａ≦３、１≦ｂ≦５）。なお、本発明において、前記した成分以外にも、本発明のマグネシウム合金の効果に影響を与えない範囲において、他の成分を不可避的不純物の範囲で添加することができ、例えば、微細化に寄与するＺｒを０．１〜０．５ａｔ％程度含んでいても構わない。

つぎに、マグネシウム合金材の製造方法について説明する。
図６（ａ）、（ｂ）は、マグネシウム合金材の製造方法を示すフローチャート、図７はマグネシウム合金材の溶体化処理および熱処理の温度と時間の関係を模式的に示すグラフ図である。

図６（ａ）に示すように、マグネシウム合金材１は、はじめに鋳造工程Ｓ１により鋳造される。ここでは、マグネシウム合金材１として、組成式Ｍｇ（１００−ａ−ｂ）ＺｎａＲＥｂで示され、ＲＥがＧｄであるものとしている。そして、鋳造された鋳造材は、つぎに、溶体化工程Ｓ２において溶体化処理（ＲＥが固溶体化）される。このときの溶体化処理の温度は、一例として５２０℃で２時間行ったものとする（図７参照）。鋳造材は、溶体化処理により鋳造で生じたＭｇとＧｄ（Ｔｂ、Ｔｍ）の化合物がマトリックス中に溶け込み固溶体化する。なお、溶体化処理は、５００℃以上で２時間以上保持することが好ましい。

さらに、溶体化処理をした鋳造材を所定条件で熱処理する第１熱処理工程Ｓ３を行う。そして、第１熱処理工程Ｓ３の後に、さらに所定条件で第２熱処理工程Ｓ４を行う。この第１熱処理工程Ｓ３を行うことで、長周期積層構造３が析出し、第２熱処理工程Ｓ４を行うことで、長尺状析出物（Ｘ相＝β´相、β１相、β相の少なくとも１つ）２、が析出する。また、これらの析出物と共に、晶出物のＭｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）、Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｇｄ_２が混在する場合がある。

第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うものとする（第１熱処理条件）。前記第２熱処理工程は、−１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うものとする（第２熱処理条件）。

第１熱処理工程Ｓ３および第２熱処理工程Ｓ４を所定条件で行うと、マグネシウム合金材１として、特に強度を向上することができる長尺状析出物（Ｘ相＝β´相、β１相、β相の少なくとも１つ）２と、長周期積層構造３が析出する相領域の構造となる。図８は、熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図ある。

図８に示すように、長尺状析出物（Ｘ相：Ｘｐｈａｓｅ＝β´相、β１相、β相の少なくとも１つ）２が析出する範囲は、低温条件である前記した第２熱処理条件の範囲であり、長周期積層構造３が析出する範囲は、高温条件である前記した第１熱処理条件の範囲である。なお、実線で囲まれた範囲は、熱処理条件のおよその範囲を示したものであり、種々の析出物の析出する区域を示す曲線も、およその区域を示したものである。すなわち、種々の析出物の析出する範囲（区域）は、温度条件によって、厳密に規定されるわけではないため、ここでは、便宜上、およその範囲としてこれらの範囲を図示している。なお、図８では、便宜上、温度の単位をＫで示している。また、長尺状析出物２および長周期積層構造３と併せて、Ｍｇ_３Ｇｄの析出物も析出する場合がある。マグネシウム合金材１は、主に長尺状析出物２および長周期積層構造３を形成させることで、引張強さ、伸び、０．２％耐力等の機械的特性が全体的に向上することが分かる（実施例参照）。

温度条件の一例として、５００℃で１０時間後に２００℃で１００時間の熱処理をした場合に、長尺状析出物２であるβ´相、β１相、β相の少なくとも１つと、長周期積層構造３と、が析出していることが分かる（図２参照）。
このように、実用的な範囲を考慮したときに、マグネシウム合金材１の熱処理温度範囲は、前記した高温の条件となる−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲、および、前記した低温の条件となる−１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲となる。

熱処理された鋳造物は、つぎに、必要に応じて、第２熱処理工程Ｓ４で熱処理された鋳造材が塑性加工される塑性加工工程Ｓ５が行われる。この塑性加工工程Ｓ５の塑性加工は、押出加工あるいは鍛造加工であってもよい。塑性加工された塑性加工物は、引張強さ、伸び、０．２％耐力が著しく向上することになる。第１熱処理工程Ｓ３および第２熱処理工程Ｓ４を行い塑性加工工程Ｓ５である押出加工を行ったマグネシウム合金材１は、押出加工を行わないものに比べ、高い引張強さ、伸び、０．２％耐力の値を示す（実施例参照）。

また、マグネシウム合金材１は、引張強さ、伸び、０．２％耐力が向上される場合、長尺状析出物（β´相、β１相、β相の少なくとも１つ）２および長周期積層構造３を備えていることが重要であり、その他に、Ｍｇ_３Ｇｄ（Ｍｇ_３Ｚｎ_３Ｔｂ_２あるいはＭｇ_２４Ｔｍ_５）の晶出物を析出する場合においても、長尺状析出物（β´相、β１相、β相の少なくとも１つ）２および長周期積層構造３が析出している状態であれば、引張強さ、伸び、０．２％耐力が向上する。

なお、図６（ａ）で示す塑性加工工程Ｓ５は、熱処理された鋳造物に塑性加工（押出加工、鍛造加工）を加えることで強度が向上するため、マグネシウム合金材１の目的に応じて行っても構わない。また、塑性加工後のマグネシウム合金材１は、所定の形状に切削等により加工されて製品化される。また、ここでは、マグネシウム合金材１の製造方法として、鋳造工程Ｓ１から塑性加工工程Ｓ５までを一連の工程として示したが、鋳造工程Ｓ１から第２熱処理工程Ｓ４までを一連の工程とし、塑性加工工程Ｓ５は、製品挿入先において行われるようにしても構わない。

また、他の実施形態として、図６（ｂ）に示すように、鋳造工程Ｓ１１で鋳造した鋳造材に、溶体化工程Ｓ１２において溶体化処理を行い、溶体化処理した鋳造材に、第１熱処理工程Ｓ１３において所定温度で熱処理を行った後、この熱処理した鋳造材に、塑性加工工程Ｓ１４において塑性加工を施し、この塑性加工を施した鋳造材に、第２熱処理工程Ｓ１５において熱処理を行う製造方法としてもよい。なお、この塑性加工工程Ｓ１４の塑性加工は、押出加工あるいは鍛造加工であってもよい。
第１熱処理工程Ｓ１３を行い、塑性加工工程Ｓ１４である押出加工等を行った後に、第２熱処理工程Ｓ１５を行ったマグネシウム合金材１においても、押出加工等を行わないものに比べ、引張強さ、伸び、０．２％耐力が著しく向上する。

さらに、他の実施形態として、前記した第１熱処理（高温熱処理）および第２熱処理（低温熱処理）の順番を逆にしたものでもよい。すなわち、低温熱処理を行った後に、高温熱処理を行うようにしてもよい。

つぎに、本発明の実施例について説明する。なお、ここで示す実施例は一例であり本発明を限定するものではない。図９は機械的性質の評価を行うための各工程を示すブロック図、図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）は、鋳造したインゴットに所定条件の熱処理を行ったときのＴＥＭ写真、図１２は、鋳造したインゴットに所定条件の熱処理を行った後、塑性加工を行ったときのＴＥＭ写真である。

マグネシウム合金材として、Ｚｎを１ａｔ％、Ｇｄを２ａｔ％とし、残部をＭｇと不可避的不純物のＭｇ−Ｚｎ−Ｇｄ合金として溶解炉に投入し、フラックス精錬により溶解を行った。つづいて加熱溶解した材料を、図９に示すように、金型で鋳造し（Ｓ１）、φ２９ｍｍ×Ｌ６０ｍｍのインゴット（鋳造材）を作成し、さらに、鋳造したインゴットを５２０℃で２時間において溶体化処理を行い（Ｓ２）、その後、各温度で熱処理を行い（第１熱処理：Ｓ３、第２熱処理：Ｓ４）、押出温度４００℃において押出比１０として塑性加工（押出加工）（Ｓ５）を行ったものと、塑性加工（押出加工）（Ｓ５）を行わなかったものを製造し、室温において引張試験を行った。なお、引張試験におけるひずみ速度は、ε＝５．０×１０^−４（ｓ^−１）すなわち、５．０×１０^−４ｍｍ／ｓである。また、溶体化処理、および、熱処理は、マッフル炉により行い、表１、２に示す条件で行っている。なお、図９では、溶体化処理、第１熱処理および第２熱処理をまとめて熱処理として記載している。

これらの結果を表１、２に示す。
なお、表１、２は、本発明の範囲の条件のものを実施例１〜１３とし、参考例を参考例１４とし、本発明の範囲外の条件のものを比較例１〜１６として、熱処理条件、および、組織の状態等と、０．２％耐力と、引張り強さと、伸び率を示すものである。なお、表１は、塑性加工（Ｓ５）を行っていないものであり、表２は、第２熱処理（Ｓ４）の後に塑性加工（Ｓ５）を行ったものである。そして、主な析出物について、析出が確認されたものを「○」、確認されなかたものを「−」で示す。

表１、２に示すように、実施例１〜１３、参考例１４のＭｇ合金材は、いずれも金属組織中にＬＰＳＯおよび長尺状析出物を有しており、比較例と比較して、０．２％耐力、引張強さ、伸び等の機械的特性が全体的に向上している。一方、比較例１〜１６は、金属組織中にＬＰＳＯおよび長尺状析出物のうち、いずれか一つまたは両方を有さないため、実施例と比較して、０．２％耐力、引張り強さ、伸び等の機械的特性が全体的に低下している。また、塑性加工（Ｓ５）を行ったものは、塑性加工（Ｓ５）を行っていないものに比べ、０．２％耐力、引張り強さ、伸びが著しく向上していることが分かる。

また、前記実施例および比較例のうち、代表的なものの金属組織の状態を、図１０（ａ）、（ｂ）、図１１（ａ）、（ｂ）、図１２に示す。図１０（ａ）、（ｂ）に示ように、５００℃×１０ｈの熱処理のみ、５００℃×２ｈの熱処理のみでは、長尺状析出物は、析出していない。また、図１１（ａ）、（ｂ）に示ように、５００℃×１０ｈの熱処理後に２００℃×１００ｈの熱処理をしたものは、ＬＰＳＯおよび長尺状析出物を析出している。さらに、図１２に示すように、５００℃×１０ｈの熱処理後に２００℃×１００ｈの熱処理をし、その後、塑性加工をしたものは、ＬＰＳＯおよび長尺状析出物を、多く析出している。

このように、マグネシウム合金材は、Ｘ相（針状析出物または板状析出物＝長尺状析出物＝β‘相、β１相、β相のいずれか一つ）と、長周期積層構造と、を析出することで、Ｍｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金であっても、さらに機械的性質に優れた材料として使用することが可能となる。なお、β相、β１相、β’相は、製品のサイズあるいは鋳造時点での結晶粒径により、同一熱処理であっても部位ごとの組織形態は異なり、これらの相が単独あるいは混在して存在する場合もありうる。

以上、本発明に係るマグネシウム合金材およびその製造方法について最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の趣旨は前記した内容に限定されることなく、その権利範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて広く解釈しなければならない。なお、本発明の内容は、前記した記載に基づいて広く改変・変更等することができることはいうまでもない。

（ａ）は、本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織中に、β相、β´相、β１相の少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、が出現している状態を示すＴＥＭ写真、（ｂ）は、本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織中に出現したＧＰ帯の様子を示すＴＥＭ写真である。 本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織中に、β相、β´相、β１相の少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、Ｍｇ_３Ｇｄの晶出物と、が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。 本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織を示し、β´相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。 本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織を示し、β´相およびβ１相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。 本発明に係るマグネシウム合金材の金属組織を示し、β相（長尺状析出物）が出現している状態を示すＴＥＭ写真である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明に係るマグネシウム合金材の製造方法を示すフローチャートである。 本発明に係るマグネシウム合金材の溶体化処理および熱処理の温度と時間の関係を模式的に示すグラフ図である。 本発明に係る条件での熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図である。 本発明の実施例を説明するときの機械的性質の評価を行うための各工程を示すブロック図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例で使用する鋳造したインゴットに所定条件の熱処理を行ったときのＴＥＭ写真である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例で使用する鋳造したインゴットに所定条件の熱処理を行ったときのＴＥＭ写真である。 本発明の実施例で使用する鋳造したインゴットに所定条件の熱処理を行った後、塑性加工を行ったときのＴＥＭ写真である。

符号の説明

１ マグネシウム合金材
２ 長尺状析出物（針状析出物または板状析出物：Ｘ相＝β´相、β１相、β相の
いずれか一つ）
３ 長周期積層構造（ＬＰＳＯ）

Claims (5)

1. 必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金であり、当該Ｍｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金の合金組織中に、β相、β´相、β１相のうち少なくとも一つ以上と、長周期積層構造と、を有し、
   ０．２％耐力が３６０．０ＭＰａ以上、かつ伸びが８．０％以上であることを特徴とするマグネシウム合金材。
2. マグネシウム合金材の製造方法において、
   必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、
   前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、
   前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程の後に、さらに所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、を含み、
   前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、
   前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。
3. マグネシウム合金材の製造方法において、
   必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、
   前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、
   前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程の後に、さらに所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、
   前記第２熱処理工程で熱処理した鋳造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、を含み、
   前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、
   前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。
4. マグネシウム合金材の製造方法において、
   必須成分としてＺｎを０．５〜３原子％、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を１〜５原子％の範囲で含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ−Ｚｎ−ＲＥ系合金を鋳造して鋳造材を形成する鋳造工程と、
   前記鋳造材を溶体化する溶体化工程と、
   前記溶体化した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第１熱処理工程と、
   前記第１熱処理工程で熱処理した鋳造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、
   前記塑性加工を施した鋳造材に所定条件で熱処理を行う第２熱処理工程と、を含み、
   前記第１熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５＜ｙ＜５２７で、かつ、０．５≦ｘ＜３００に示す範囲の条件で行い、
   前記第２熱処理工程は、熱処理温度（℃）をｙとし、熱処理時間（ｈ）をｘとしたとき、
   −１８［ｌｎ（ｘ）］＋２４０＜ｙ＜−１２［ｌｎ（ｘ）］＋３７５で、かつ、２＜ｘ＜３００に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。
5. 前記塑性加工工程における塑性加工は、押出加工または鍛造加工であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のマグネシウム合金材の製造方法。