JP5776873B2 - マグネシウム合金圧延材、およびマグネシウム合金部材、ならびにマグネシウム合金圧延材の製造方法 - Google Patents
マグネシウム合金圧延材、およびマグネシウム合金部材、ならびにマグネシウム合金圧延材の製造方法 Download PDFInfo
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Description
底面ピーク比OC:IC(002)/{IC(100)+IC(002)+IC(101)+IC(102)+IC(110)+IC(103)}
底面ピーク比OE:IE(002)/{IE(100)+IE(002)+IE(101)+IE(102)+IE(110)+IE(103)}
[組成]
Mg合金圧延材は、Mg元素を主成分として、そのMgに添加元素を含有した種々の組成のもの(残部:不純物)が挙げられる。特に、本発明では、添加元素に少なくともアルミニウム(Al)を含有するMg−Al系合金とすることが好ましい。このAlの含有量が多いほど、耐食性に優れる上に、強度、耐塑性変形性といった機械的特性にも優れる傾向にある。したがって、本発明では、Alを3質量%以上含有することが好ましく、5質量%以上、特に7.0質量%以上がより好ましく、更には、7.3質量%以上含有すると一層好ましい。但し、Alの含有量が12質量%を超えると塑性加工性の低下を招くことから、上限は12質量%とする。Alの含有量は、特に11質量%以下、更に、8.3質量%〜9.5質量%が好ましい。
Mg合金圧延材の幅は1000mm以上であれば、長さおよび厚さは、製造するMg合金部材の大きさに応じて適宜選択すればよく、特に限定しない。例えば、長尺材やコイル材を適宜な長さに切りとった短尺材などが挙げられる。いずれの長さを有する圧延材でも、幅方向において厚さが実質的に均一であることが好ましい。特に、Mg合金圧延材の幅方向の中央部と端部において、それぞれの厚さをtC、tEとするとき、厚さの比tE/tCが0.97≦tE/tC≦1.03を満たすことが好ましい。この範囲を満たすことで、Mg合金圧延材をコイルに巻き取る場合、幅方向で厚さが均一であるので、巻きずれの発生を低減することができる。ここでいう中央部とは、圧延材の幅方向の中心から両側縁方向におよそ50mm以内の範囲とし、端部とは、側縁から中心方向におよそ100mm以内、好ましくは50mm以内の地点近傍とする。以降、中央部および端部は、ここでいう中央部と端部と同様の位置を表す。
本発明のMg合金圧延材は、幅が1000mm以上でも、後述するように幅方向の圧延具合を均一にすることで、幅方向全域に亘って以下の各物理量を均一にすることができる。具体的な機械的特性を以下に述べる。
底面ピーク比は、Mg合金圧延材の幅方向の中央部と端部についてX線回折により求める。ここでいう中央部における底面ピーク比OCとは、(002)面、(100)面、(101)面、(102)面、(110)面、(103)面でのX線回折により求めたピーク強度IC(002)、IC(100)、IC(101)、IC(102)、IC(110)、IC(103)から、IC(002)/{IC(100)+IC(002)+IC(101)+IC(102)+IC(110)+IC(103)}で表す。同様に、端部における底面ピーク比OEとは、(002)面、(100)面、(101)面、(102)面、(110)面、(103)面でのX線回折により求めたピーク強度IE(002)、IE(100)、IE(101)、IE(102)、IE(110)、IE(103)から、IE(002)/{IE(100)+IE(002)+IE(101)+IE(102)+IE(110)+IE(103)}で表す。そうして求められた端部と中央部の底面ピーク比の比率OE/OCが、0.89≦OE/OC≦1.15を満たすとき、幅方向において底面ピーク比が実質的に均一であるとする。そのようなMg合金圧延材は、Mg合金圧延材の幅方向で結晶面の配向性が均一であり、幅方向において実質的に均一な塑性加工性(成形性)を有することができる。これらのX線回折を測定する箇所は、上記中央部および端部においてそれぞれ表面で測定する。
上記中央部と端部において、圧延方向と直交する断面における平均結晶粒径をそれぞれ「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法 JIS G 0551(2005)」に基づいて求める。そして、中央部と端部の上記平均結晶粒径をそれぞれDC、DEとし、上記端部と中央部の平均結晶粒径比DE/DCが、0.7≦DE/DC≦1.5を満たすとき、平均粒径が幅方向で実質的に均一であるとする。そのようなMg合金圧延材であれば、幅方向で強度および耐食性を実質的に均一にできる。この平均結晶粒径比DE/DCは、0.9≦DE/DC≦1.1であることがより好ましい。
伸び、引張強さ、0.2%耐力は、上記中央部と端部のそれぞれにおいて、「金属材料引張試験方法 JIS Z 2241(1998)」に基づいて求める。この引張試験は、上記中央部と端部のそれぞれにおいて、長手が圧延方向に沿うように、JIS13B号試験片(JIS Z 2201(1998))を切り出し、その試験片に対して行う。
本発明Mg合金圧延材に塑性加工を施すことにより、Mg合金部材が得られる。塑性加工は、プレス加工、深絞り加工、鍛造加工、曲げ加工などの種々の加工が採用できる。このような塑性加工が施されたMg合金部材としては、代表的には、その全体に塑性加工が施されたもの、例えば、筒状部材や波状部材などの立体形状の塑性加工部材や、Mg合金圧延材の一部にのみ塑性加工が施された形態、即ち、塑性加工部を有する形態も含む。本発明Mg合金圧延材は、幅方向において機械的特性が均一であるため、塑性加工する箇所が制限されることなく適宜選択することができるので、自由に曲げなどの塑性加工を施すことができる。塑性加工は、上記圧延材を200℃〜300℃に加熱して施すと、割れなどが生じ難く、表面性状に優れるMg合金部材が得られる。また、上述のように幅方向において機械的特性が均一なMg合金圧延材とすることで、Mg合金部材のどの箇所においても特性が均一である。
上述した幅が1000mm以上で、機械的特性が幅方向で均一なMg合金圧延材は、Mg合金素材に圧延ロールで圧延を施すことで製造される。この圧延は、図1(A)に示すように、一方のリール10a(10b)から繰り出されるMg合金素材板1を圧延ロール3にて圧延し、その圧延された素材板1を他方のリール10b(10a)で巻き取ることを1パスとして複数パス行う。ここでは、1パス毎に各リール10a(10b)の回転方向を逆転するリバース圧延を行う。圧延ロール前後でMg合金素材板1の表面温度が下がらないように、リール10a(10b)と圧延ロール3の途中に保護カバー5を配置している。そして、圧延ロール3と、圧延ロール3を通過する直前、直後の素材板1の表面温度を測定する温度センサ4r、4bf、4bbが設けている。本発明の製造方法の特徴は、圧延ロールは、幅方向に3つ以上の領域を有し、圧延ロール表面の幅方向における最高温度と最低温度の差が10℃以下となるように、各領域毎に温度制御することにあり、それにより本発明のMg合金圧延材を得ることができる。以下、この方法の詳細を説明する。
(鋳造)
まず、Mg合金素材板1を準備する。このMg合金素材板1には、上述した圧延材の組成と同様の組成を有する鋳造材(鋳造板)を好適に利用することができる。鋳造材は、例えば、双ロール鋳造法のような連続鋳造法やダイカストなどによって製造する。特に、双ロール鋳造法は急冷凝固が可能であるため酸化物や偏析物などの内部欠陥を低減でき、圧延などの塑性加工時にこれらの内部欠陥が起点となって割れなどが生じることを軽減できる。即ち、双ロール鋳造法は圧延性に優れる鋳造材が得られて好ましい。特に、Alの含有量が多いMg合金素材では鋳造時に晶出物や偏析が発生し易く、鋳造後に圧延などの工程を経ても内部に晶出物や偏析物が残存し易いが、双ロール鋳造材は、上述のように偏析などを低減できるため、Mg合金素材に好適に利用できる。鋳造材の厚さは特に限定しないが、厚過ぎると偏析が生じ易いため、10mm以下、更に5mm以下、特に4mm以下が好ましい。鋳造材の幅は1000mm以上とする。製造設備で製造可能な幅の鋳造材を利用できる。本例では、鋳造した長尺な鋳造材をコイル形状に巻き取って鋳造コイル材とし、次の工程に供する。巻き取り時、鋳造材において特に巻き始め部分の温度を100℃〜200℃程度にすると、AZ91合金といった割れが生じ易い合金種であっても、曲げ易くなって巻き取り易い。
上記鋳造材に圧延を施してもよいが、圧延前の鋳造材に溶体化処理を施して、得られた溶体化材をMg合金素材板1としてもよい。溶体化処理によって鋳造材の均質化が可能となる。溶体化処理の条件は保持温度:350℃以上、好ましくは380℃〜420℃、保持時間:30分〜2400分が挙げられる。Alの含有量が高いほど保持時間を長くすることが好ましい。また、上記保持時間からの冷却工程において、水冷や衝風といった強制冷却などを利用して、冷却速度を速めると、粗大な析出物の析出を抑制して、圧延性に優れる板材とすることができる。溶体化処理を長尺な鋳造材に施す場合、上記鋳造コイル材のように、鋳造材をコイル形状に巻き取った状態で行うと、効率よく加熱できる。
上記鋳造材や上記溶体化処理が施されたMg合金素材に圧延を施して所望の機械的特性を有するMg合金圧延材を製造する。圧延にあたり、Mg合金素材の塑性加工性(圧延性)を高めることに加えて、幅方向で圧延具合のばらつきを生じさせないために、予熱を行ってもよい。予熱には、例えば、図1(B)に示すようなヒートボックス2といった加熱手段を利用すると、長尺なMg合金素材を一度に加熱可能で、作業性に優れる。ヒートボックス2は、コイル状に巻き取られたMg合金素材板1を収納可能な密閉容器であり、所定の温度にされた熱風が当該容器内に循環供給され、当該容器内を所望の温度に保持可能な雰囲気炉である。特に、ヒートボックス2からそのままMg合金素材板1を引き出して圧延を施す構成とすると、加熱したMg合金素材板1が圧延ロール3に接触するまでの時間を短縮でき、圧延ロール3に接触するまでにMg合金素材板1の温度が低下することを効果的に抑制できる。具体的には、ヒートボックス2は、コイル状に巻き取られたMg合金素材板1を収納可能であり、当該Mg合金素材板1を繰り出し及び巻き取り可能なリール10を回転可能に支持する構成とすることが挙げられる。このようなヒートボックス2にMg合金素材板1を収納して、特定の温度に加熱する。なお、図1(B)はコイル状に巻き取られたMg合金素材板1をヒートボックス2内に収納した状態を示しており、実際には閉じて利用されるが、分かり易いように前面を開けた状態を示す。
ヒートボックス2といった加熱手段により加熱したMg合金素材板1をヒートボックス2から繰り出し、圧延ロール3に供給して圧延を施す。具体的には、例えば、図1(A)に示すような圧延ラインを構築することが挙げられる。この圧延ラインは、反転可能な一対のリール10a,10bと、離間して配置されるこれら一対のリール10a,10b間に配置され、走行するMg合金素材板1を挟持するように対向配置される一対の圧延ロール3とを具える。一方のリール10aにコイル状のMg合金素材板1を設置して巻き戻し、Mg合金素材板1の一端を他方のリール10bで巻き取ることで、Mg合金素材板1は、両リール間10a,10bを走行する。この走行中、圧延ロール3に挟まれることで、Mg合金素材板1に圧延を施すことができる。図1(A)に示す例では、各リール10a,10bはそれぞれ、ヒートボックス2a,2bに収納され、各リール10a,10bに巻き取られたMg合金素材板1は各ヒートボックス2a,2bにより加熱可能である。そして、加熱されたMg合金素材板1は、一方のリールから巻き戻され、一方のヒートボックスから排出されて、他方のヒートボックスに向かって走行し、他方のリールに巻き取られる。
上記圧延が施されて得られた圧延板は、コイル状に巻き取られる。そして、上記予熱工程、圧延工程、この巻取工程という一連の工程を連続して繰り返し行い、目的の回数のロール圧延を行った後、得られた圧延板(マグネシウム合金板)を最終的にコイル形状に巻き取る。得られたコイル材を構成するマグネシウム合金板は、圧延による導入された加工歪み(せん断帯)が存在する組織を有する。このような組織を有することで、上記マグネシウム合金板は、プレス加工といった塑性加工時に動的再結晶化を生じて、塑性加工性に優れる。特に、最終パスの圧延において、巻き取り直前の圧延板の温度を再結晶しない温度、具体的には150℃以下にして巻き取ると、平坦度に優れるマグネシウム合金板が得られる上に、上記加工歪みが十分に残存する組織とすることができる。巻き取り直前の圧延板を再結晶しない温度にするには、素材の走行速度を調整してもよいが、衝風などの強制冷却により圧延板を冷却すると短時間で所定の温度にすることができ、作業性に優れる。
上記巻き取られたコイル材は、そのまま製品(代表的には塑性加工材といったマグネシウム合金材の素材)として使用できる。更に、このコイル材を巻き戻して、圧延板に所定の曲げを付与し、圧延により導入された加工歪みの矯正を行うことができる。矯正にはローラレベラを好適に用いることができる。ローラレベラは少なくとも一対の対向配置されたローラを具え、このローラ間に素材を挿通させることで曲げを付与するものである。特に複数のローラが千鳥状に配置され、これらローラ間に圧延板を通過させて、圧延板に繰り返し曲げを付与可能なものを好適に利用できる。このような矯正を行うことで、平坦度に更に優れるマグネシウム合金板とすることができる上に、上記加工歪みが十分に存在することで、プレス加工といった塑性加工性に優れる。上記ローラに加熱手段、例えばヒータを具えて、加熱したローラにより圧延板に曲げを付与する温間矯正とすると、割れなどが生じ難い。上記ローラ温度は100℃以上300℃以下が好ましい。矯正により付与する曲げ量の調整は、ローラの大きさ、数、対向配置されるローラ間の間隔(ギャップ)、素材の進行方向に隣り合うローラ間の間隔などを調整することで行える。矯正を施す前に素材となるマグネシウム合金板(圧延板)を予め加熱してもよい。具体的な加熱温度は100℃以上250℃以下、好ましくは200℃以上が挙げられる。
上述した実施形態に係るMg合金圧延材、およびMg合金圧延材の製造方法によれば、以下の効果を奏する。
試験例として、次のMg合金圧延材を作製し、機械的特性を調べる。まず、双ロール鋳造により、Mg−9.0質量%Al−1.0質量%Znを含有するAZ91相当の組成であるMg合金素材板と、Mg−3.0質量%Al−1.0質量%Znを含有するAZ31相当の組成であるMg合金素材板を製造する。これら各素材板の板厚は5.0mm、板幅は1020mm、長さは1000mmである。これら各試料には、圧延前に400℃で20時間の溶体化処理を施す。その後、以下に示す条件で圧延を施し、AZ91からなる試料1〜3と、AZ31からなる試料4〜6とを作製した。
・複数パス圧延 圧下率:15〜25%/パス
・最終厚さ:1.0mmまで圧延(幅:1020mm) 総圧下率:80%
・素材板の予熱(加熱炉内、加熱時間:30分)
・圧延ロールの加熱方法:ロール外部から加熱
得られたMg合金圧延材の試料1〜6に対して、以下の特性について評価を行った。
試料1〜6の底面ピーク比を、X線回折のピーク強度により測定した。この測定は、各試料の幅方向一端から50mm(端部)、500mm(中央部)、950mm(端部)の地点の表面に対してX線回折することにより、(002)面、(100)面、(101)面、(102)面、(110)面、(103)面のピーク強度を求めた。その結果から、端部と中央部の底面ピーク比OE、OCをそれぞれ求め、その比率OE/OCも求めた。この底面ピーク比OC、OEは、中央部と端部における上記各面のX線回折のピーク強度をそれぞれIC(002)、IC(100)、IC(101)、IC(102)、IC(110)、IC(103)、IE(002)、IE(100)、IE(101)、IE(102)、IE(110)、IE(103)とするとき、次の式で表される。
底面ピーク比OC:IC(002)/{IC(100)+IC(002)+IC(101)+IC(102)+IC(110)+IC(103)}
底面ピーク比OE:IE(002)/{IE(100)+IE(002)+IE(101)+IE(102)+IE(110)+IE(103)}
その結果を表4に示す。
試料1〜6の平均結晶粒径を、「鋼−結晶粒度の顕微鏡試験方法 JIS G 0551(2005)」に基づいて測定した。この測定は、各試料の幅方向一端から50mm(端部)、510mm(中央部)、970mm(端部)の地点において、圧延方向と直交する断面について行った。その結果から、端部と中央部との平均結晶粒径比DE/DCを求めた。その結果を表4に示す。
試料1〜6の伸び、引張強さ、0.2%耐力を、「金属材料引張試験方法 JIS Z 2241(1998)」に基づいて測定した。この測定に際し、試料の幅方向一端から50mm(端部)、510mm(中央部)、970mm(端部)の地点において、JIS13B号試験片(JIS Z 2201(1998))を、その長手が圧延方向に沿うように切り出し、その試験片に対して引張試験を施すことで行った。その結果から、端部と中央部との伸び比EE/EC、引張強さ比TsE/TsC、0.2%耐力比PsE/PsCをそれぞれ求めた。
以上の結果から、幅が1000mm以上あるような幅広なMg合金素材を圧延する際、圧延ロール表面の幅方向全体の温度差を小さくすることで、幅方向の圧延具合のばらつきを低減できることがわかった。それに加えて、圧延前にMg合金素材表面の幅方向全体の温度差も小さくすることで、圧延具合のばらつきをより一層低減でき、Mg合金素材の幅方向に均一な圧延を施すことができることがわかった。このように圧延具合のばらつきを低減することで、機械的特性が幅方向で均一なMg合金圧延材が得られることもわかった。
2、2a、2b ヒートボックス
3 圧延ロール
4bf、4bb、4r 温度センサ
5 保護カバー
10、10a、10b リール
Claims (11)
- マグネシウム合金素材を圧延ロールにて圧延してなるマグネシウム合金圧延材であって、
前記マグネシウム合金圧延材の幅が1000mm以上であり、
前記マグネシウム合金圧延材の幅方向において、
中央部における(002)面、(100)面、(101)面、(102)面、(110)面、(103)面のX線回折のピーク強度をそれぞれIC(002)、IC(100)、IC(101)、IC(102)、IC(110)、IC(103)、
端部における前記各面のX線回折のピーク強度をそれぞれIE(002)、IE(100)、IE(101)、IE(102)、IE(110)、IE(103)とし、
前記中央部および端部のそれぞれにおける底面ピーク比OC、OEを以下の式とするとき、
前記端部と中央部の底面ピーク比の比率OE/OCが、0.89≦OE/OC≦1.15を満たすマグネシウム合金圧延材。
底面ピーク比OC:IC(002)/{IC(100)+IC(002)+IC(101)+IC(102)+IC(110)+IC(103)}
底面ピーク比OE:IE(002)/{IE(100)+IE(002)+IE(101)+IE(102)+IE(110)+IE(103)} - 前記中央部と端部において、圧延方向と直交する断面における平均結晶粒径をそれぞれDC、DEとするとき、
前記端部と中央部の平均結晶粒径比DE/DCが、0.7≦DE/DC≦1.5を満たす請求項1に記載のマグネシウム合金圧延材。 - 前記中央部と端部において、圧延方向の引張試験における伸びをそれぞれEC、EEとするとき、
前記端部と中央部の伸び比EE/ECが、2/3≦EE/EC≦3/2を満たす請求項1または請求項2に記載のマグネシウム合金圧延材。 - 前記中央部と端部において、圧延方向の引張試験における引張強さをそれぞれTsC、TsEとするとき、
前記端部と中央部の引張強さ比TsE/TsCが、0.9≦TsE/TsC≦1.1を満たす請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のマグネシウム合金圧延材。 - 前記中央部と端部において、圧延方向の引張試験における0.2%耐力をそれぞれPsC、PsEとするとき、
前記端部と中央部の0.2%耐力比PsE/PsCが、0.9≦PsE/PsC≦1.1を満たす請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のマグネシウム合金圧延材。 - 前記マグネシウム合金素材は、アルミニウムを5質量%以上12質量%以下含有する請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のマグネシウム合金圧延材。
- 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のマグネシウム合金圧延材に塑性加工を施すことによって作製されたマグネシウム合金部材。
- マグネシウム合金素材を圧延ロールにて圧延してマグネシウム合金圧延材を製造するマグネシウム合金圧延材の製造方法であって、
前記マグネシウム合金素材の幅が1000mm以上で、
前記圧延ロールは、幅方向に3つ以上の領域を有し、
前記圧延ロール表面の幅方向における最高温度と最低温度の差が10℃以下となるように、前記圧延ロール表面の幅方向の両端部と中央部とに前記両端部の方が前記中央部よりも高い温度域に調整した潤滑剤を直接付着させて各領域毎に温度制御し、
前記圧延ロールを通過する直前の前記マグネシウム合金素材表面において、幅方向の最高温度と最低温度の差が8℃以下となるように予熱するマグネシウム合金圧延材の製造方法。 - 前記温度制御は、前記圧延ロール内に温度を調整した熱媒油を導入して行う請求項8に記載のマグネシウム合金圧延材の製造方法。
- 前記温度制御は、前記圧延ロール表面において、幅方向に100mm離れた2点の温度差が6℃以下となるように行う請求項8又は請求項9に記載のマグネシウム合金圧延材の製造方法。
- 前記圧延ロールを通過する直前の前記マグネシウム合金素材表面において、幅方向に100mm離れた2点の温度差が6℃以下となるように予熱し、
前記温度制御は、前記圧延ロールを通過した直後の前記マグネシウム合金圧延材表面において、幅方向に100mm離れた2点の温度差が6℃以下となるように行う請求項8〜請求項10のいずれか1項に記載のマグネシウム合金圧延材の製造方法。
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