JP6850976B2 - マグネシウム合金のプレス材とその製造方法、補強材、内装材、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体 - Google Patents

Description

この発明は、カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材とその製造方法、補強材、内装材、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体に関する。

従来の鉄道車両の構体は、板部と一体に押出成形された複数のリブを有するアルミニウム合金製のシングルスキン材と、このシングルスキン材の押出方向と交差する方向に沿ってこのシングルスキン材のリブに溶接されてこのシングルスキン材を補強する補強部材などを備えている（例えば、特許文献１参照）。このような従来の鉄道車両の構体は、シングルスキン材と補強部材とを摩擦撹拌接合することによって、接合に伴うひずみを小さくし、高い剛性と強度とを確保している。

特開2015-110406号公報

鉄道車両の構体では、アルミニウム合金と比べて軽量の金属材料であり、難燃性を有する難燃性マグネシウム合金の適用が検討されている。このような難燃性マグネシウム合金をシングルスキン材に適用する際には、ハット型やアングル型などのプレス材を骨材として適用することが考えられる。しかし、難燃性マグネシウム合金を用いた骨材やプレス材に適用した事例がなく、難燃性マグネシウム合金の骨材やプレス材を鉄道車両の構体に適用する際には、最適な圧延加工技術及びプレス曲げ技術を検討する必要がある。

この発明の課題は、十分な強度を有し軽量化を図ることができるとともに構造体として剛性を向上させることができるマグネシウム合金のプレス材とその製造方法、補強材、内装材、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体を提供することである。

この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図４、図７及び図１０に示すように、カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材であって、前記マグネシウム合金は、カルシウムを0.5mass%以上2.5mass%以下含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有し、前記マグネシウム合金をプレス金型（１１ａ，１１ｂ）によって曲げ加工した曲げ部（７ｄ）を備え、前記曲げ部は、内径Ｒ₁と外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6であり、外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmであることを特徴とするマグネシウム合金のプレス材（７Ａ〜７Ｃ）である。

請求項２の発明は、請求項１に記載のマグネシウム合金のプレス材において、図４及び図７に示すように、前記マグネシウム合金は、ハット曲げ加工又はＶ曲げ加工されていることを特徴とするマグネシウム合金のプレス材である。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のマグネシウム合金のプレス材において、前記マグネシウム合金は、Mg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金であることを特徴とするマグネシウム合金のプレス材である。

請求項４の発明は、図４、図７、図８及び図１０に示すように、カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材（７Ａ〜７Ｃ）の製造方法であって、前記マグネシウム合金は、カルシウムを0.5mass%以上2.5mass%以下含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有し、前記マグネシウム合金をプレス金型（１１ａ，１１ｂ）によって曲げ加工する曲げ加工工程（＃１５０）を含み、前記曲げ加工工程は、ダイ（１１ｂ）の内径Ｒ₁とパンチ（１１ａ）の外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6以下であり、パンチの外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、加工温度Ｔが200℃＜Ｔ≦350℃である曲げ加工条件で板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmの前記マグネシウム合金を曲げ加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法（＃１００）である。

請求項５の発明は、請求項４に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、前記曲げ加工工程は、前記マグネシウム合金をハット曲げ加工又はＶ曲げ加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法である。

請求項６の発明は、請求項４又は請求項５に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、前記曲げ加工工程は、Mg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金を曲げ加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法である。

請求項７の発明は、請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、図８〜図１０に示すように、前記マグネシウム合金を圧延加工する圧延加工工程（＃１４０）を含み、前記曲げ加工工程は、前記圧延加工工程後の前記マグネシウム合金を曲げ加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法である。

請求項８の発明は、請求項７に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、前記圧延加工工程は、材料温度200〜400℃、ロール温度80〜250℃、ロール速度5〜15m/min、及び１パス当たりの圧下量0.5〜2.0mmの圧延条件で前記マグネシウム合金を圧延加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法である。

請求項９の発明は、請求項７又は請求項８に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、図８に示すように、前記マグネシウム合金の溶融金属を鋳造する鋳造工程（＃１２０）を含み、前記鋳造工程は、前記マグネシウム合金の溶融金属を冷却速度2℃/s以上15℃/s以下で鋳造し、粒径範囲70μm以上700μm以下の所定の形状及び寸法のマグネシウム合金の鋳造ビレットを作製する工程を含み、前記圧延工程は、前記鋳造工程後の前記マグネシウム合金を圧延加工する工程を含むことを特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法である。

請求項１０の発明は、図５に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材（７Ｂ）を備える補強材（５）である。

請求項１１の発明は、図６に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材（７Ｃ）を備える内装材（６）である。

請求項１２の発明は、図１に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える鉄道車両（１）の構体（２）である。
請求項１３の発明は、図１に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える交通輸送手段（１）の構体（２）である。

この発明によると、十分な強度を有し軽量化を図ることができるとともに構造体として剛性を向上させることができる。

この発明の実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材を備える交通輸送手段の構体の一部を破断して示す斜視図である。 この発明の実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材と外板とを組み合わせた状態を示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は側面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のII-IID線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材の一部を省略して示す外観図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は正面図であり、（Ｃ）は側面図であり、（Ｄ）は（Ａ）のIII-IIID線で切断した状態を示す断面図であり、（Ｅ）は（Ａ）のIII-IIIE線で切断した状態を示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材のハット型の外観図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）のIVB部分の拡大図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材を備える補強材の縦断面図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材を備える内装材の外観図であり、（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は一部を破断して示す側面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）のVIC部分を拡大して示す断面図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材のＶ曲げ型の斜視図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材の製造方法の工程図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材の製造方法における圧延加工工程を模式的に示す概念図である。 この発明の第１実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材の製造方法における曲げ加工工程を模式的に示す概念図であり、（Ａ）はハット曲げ加工の場合の概念図であり、（Ｂ）はＶ曲げ加工の場合の概念図である。 試験材に係るマグネシウム合金の多連型のプレス材を模式的に示す斜視図である。 実施例に係るマグネシウム合金のプレス材の曲げ部及び板厚に関する外観写真である。 試験材に係るマグネシウム合金のプレス材のプレス加工後の板厚の測定箇所を示す断面図である。 試験材に係るマグネシウム合金のプレス材の引張試験片の採取位置を示す斜視図である。 試験材に係るマグネシウム合金のプレス材の圧延方向0°及び90°の1mm及び3mm厚材の断面金属組織の写真である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１に示す交通輸送手段１は、電車又は気動車などの鉄道車両である。構体２は、交通輸送手段１の主構造である。構体２は、図１に示すように、乗客又は貨物などの重量を支持し車体の床部分又は台枠を構成する床構え２ａと、この床構え２ａの両縁に固定され車体の側面部分を構成する一対の側構え２ｂ，２ｃと、この一対の側構え２ｂ，２ｃの上縁に固定され車体の屋根部分を構成する屋根構え２ｄと、車両の両端部分を構成する図示しない妻構えなどを備えている。構体２は、図１及び図２に示す外板３と、図１〜図３に示すプレス材（骨組）７Ａなどを備えている。構体２は、プレス材７Ａの一部を外板３と一体化させることによってプレス材７Ａの簡素化及び製造工程の簡略化を実現するとともに、軽量かつ低コストの構造を実現したシングルスキン構体である。

図１及び図２に示す外板３は、構体２の車外側の板部分を構成する部材である。外板３は、図１に示す構体２の床構え２ａ及び側構え２ｂ，２ｃ部分を主として構成する。図１及び図２に示す外板３は、例えば、カルシウムを含有するマグネシウム合金の押出形材である。外板３は、素材特性としての難燃性を確保するために製造時にマグネシウムにカルシウムが添加されている難燃性マグネシウム合金である。外板３は、例えば、押出法によってリブ付形材に成形されている。外板３は、図２（Ｂ）に示すように、断面形状がＴ字状のＴリブ形材に成形されている。外板３は、図２に示す板状部３ａと、リブ部３ｂと、開先部３ｃと、接合部３ｄなどを備えている。外板３は、板状部３ａ、リブ部３ｂ及び開先部３ｃが一体に成形されている。

図２に示す板状部３ａは、外板３の本体を構成する部分である。板状部３ａは、互いに平行な平坦な表面を備えている。リブ部３ｂは、板状部３ａに剛性を付与する部分である。リブ部３ｂは、板状部３ａの一方の表面から突出してこの板状部３ａと一体に形成されている。リブ部３ｂは、外板３の内側表面となる側の板状部３ａの表面に形成されている。開先部３ｃは、板状部３ａ同士を溶接するためにこの板状部３ａの溶接面に形成する平坦面である。開先部３ｃは、板状部３ａの長さ方向の両縁部に形成されたＩ形開先であり、板状部３ａと一体に形成されている。接合部３ｄは、板状部３ａ同士を接合した部分である。接合部３ｄは、板状部３ａの端部同士を開先部３ｃで突き合せて溶接し形成された継手部（溶接継手）である。接合部３ｄは、板状部３ａの長さ方向と直交する方向に間隔をあけて形成されている。

外板３は、厚さが10mmを超えると軽量化を図ることができず、2mmを下回ると強度が不足するため、厚さを2mm以上10mm以下にすることが好ましく、厚さを2mm以上6mm以下にすることが特に好ましい。外板３は、例えば、摩擦撹拌接合(摩擦撹拌溶接)(Friction Stir Welding(FSW))、レーザ溶接、TIG溶接又はMIG溶接などによって端部同士（接合面同士）が接合されて構体２に組み込まれている。

図５に示す床板４は、旅客、荷物又は貨物などを直接積載する部材である。床板４は、交通輸送手段１の室内側の床構え２ａの一部を構成する。床板４は、例えば、鋼板又はアルミニウム合金などの板材の上にリノリウム又は塩化ビニールの仕上げ材などの敷物が施工されている。床板４は、この床板４と外板３との間に弾性体を挟み込み、これらの間に隙間をあけてこの床板４を支持する浮床構造である。

補強材５は、床板４を補強する部材である。補強材５は、外板３と床板４との間に配置されており、床板４を支持した状態で外板３に固定されている。補強材５は、外板３と同様に、摩擦撹拌接合、レーザ溶接、TIG溶接又はMIG溶接などによって、外板３と床板４とに接合されて構体２に組み込まれている。補強材５は、プレス材７Ｂなどを備えている。

内装材６は、構体２の内部の車内設備を構成する部材である。内装材６は、構体２の側構え２ｂ，２ｃの開口部（側入口）を開閉するために、閉鎖位置と開放位置との間で往復移動可能な側引戸である。内装材６は、戸本体６ａと、溝金６ｂと、プレス材７Ｃなどを備えている。戸本体６ａは、内装材６の主要部材を構成する部材である。溝金６ｂは、戸本体６ａの下端部を移動自在にガイドするレールと嵌合する部材である。

図１〜図７に示すプレス材７Ａ〜７Ｃは、プレス加工によって成形されるプレス成形体である。プレス材７Ａ〜７Ｃは、カルシウムを含有するマグネシウム合金であり、このマグネシウム合金をプレス成形法によって成形している。プレス材７Ａ〜７Ｃは、マグネシウム合金がプレス金型によって曲げ加工されている。プレス材７Ａ〜７Ｃは、外板３と同様に素材特性としての難燃性を確保するために製造時にマグネシウムにカルシウムが添加されている。

図１〜図４に示すプレス材７Ａは、外板３と組み合わせて構体２を構成する形材であり、構体２を構成する主要な骨組として機能する。プレス材７Ａは、図１に示すように、外板３と直交するように外板３の内側（車内側）に配置されており、図１及び図２に示すように外板３の長さ方向に所定の間隔をあけて配置されている。プレス材７Ａは、断面形状が略Ｕ字状の溝形材である。プレス材７Ａは、図２に示すように、切欠部７ｅに外板３のリブ部３ｂを貫通させた状態で、このプレス材７Ａとこの外板３とを隅肉溶接することによってこの外板３と接合されている。プレス材７Ａには、このプレス材７Ａの底部７ａに内装材などが取り付けられる。プレス材７Ａ〜７Ｃは、厚さが6mmを超えると軽量化を図ることができず、1mmを下回ると強度が不足するため、厚さを1mm以上6mm以下にすることが好ましい。

プレス材７Ａは、マグネシウム合金がハット曲げ加工されている。プレス材７Ａは、図３及び図４に示す平坦な凸状の底部（平部）７ａと、平坦な羽根部７ｂと、底部７ａと羽根部７ｂとをつなぎ底部７ａ及び羽根部７ｂと所定の傾斜角度で交わる平坦な側部（斜辺部）７ｃと、底部７ａと側部７ｃとの間及び羽根部７ｂと側部７ｃとの間でマグネシウム合金をプレス金型によって曲げ加工した曲げ部（Ｒ部）７ｄと、図３に示す外板３のリブ部３ｂが貫通するようにこのプレス材７Ａの両縁部を切り欠いた切欠部７ｅなどを備えている。プレス材７Ａは、図４に示す底部７ａの辺Ａと羽根部７ｂの辺Ｃとは平行であることが好ましく、側部７ｃの辺Ｂと辺Ａ，Ｂとがなす角度θは0〜30°であることが好ましい。プレス材７Ａは、曲げ部７ｄの内径Ｒ₁と外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0よりも大きく6未満であり、外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2以上12.0以下であることが好ましい。プレス材７Ａは、例えば、マグネシウム合金の圧延材を連続してプレス加工して底部７ａが１山以上の多連形のプレス材を成形した後に、このプレス材を所定の幅で切断して形成する。プレス材７Ａは、例えば、底部７ａが１山の単山形のプレス材を形成するために、マグネシウム合金の圧延材を予め所定の幅で切断した後にこの圧延材を１枚ずつプレス加工して形成する。

図５及び図７に示すプレス材７Ｂは、外板３及び床板４と組み合わせて構体２の床構え２ａの一部を構成する形材であり、床板４を補強する補強材として機能する。プレス材７Ｂは、外板３の長さ方向に沿ってこの外板３と床板４との間に配置されており、図１に示す外板３の長さ方向と直交する方向に所定の間隔をあけて配置されている。プレス材７Ｂは、図５に示すように、このプレス材７Ｂを外板３と床板４とに隅肉溶接することによって、外板３と床板４とに接合されている。プレス材７Ｂは、断面形状が略Ｌ字状のアングル材である。

図６及び図７に示すプレス材７Ｃは、内装材６の一部を構成する形材であり、内装材６を補強する補強材として機能する。プレス材７Ｃは、図６に示すように、戸本体６ａの幅方向に沿って溝金６ｂと戸本体６ａとの間に配置されている。プレス材７Ｃは、図６（Ｃ）に示すように、このプレス材７Ｃを戸本体６ａと溝金６ｂとに隅肉溶接することによって、戸本体６ａと溝金６ｂとに接合されている。プレス材７Ｃは、プレス材７Ｂと同様に、断面形状が略Ｌ字状のアングル材である。

図５〜図７に示すプレス材７Ｂ，７Ｃは、マグネシウム合金がＶ曲げ加工されている。プレス材７Ｂ，７Ｃは、図７に示すように、平坦な板部７ｆ，７ｇと、板部７ｆと板部７ｇとの間で曲げ加工がされた曲げ部７ｈなどを備えている。プレス材７Ｂ，７Ｃは、板部７ｆ，７ｇの辺Ａ'，Ｂ'の長さ比に制限がなく、板部７ｆの辺Ａ'と板部７ｇの辺Ｂ'とがなす角度θは90°±5°であることが好ましい。プレス材７Ｂ，７Ｃは、プレス材７Ａと同様に、曲げ部７ｈの内径Ｒ₁と外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0よりも大きく6未満であり、外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2以上12.0以下であることが好ましい。

マグネシウム合金は、例えば、アルミニウム、亜鉛及びカルシウムを含有し残部がマグネシウム及び不可避的不純物からなるMg-Al-Zn-Ca合金(AZX合金)、アルミニウム、マンガン及びカルシウムを含有し残部がマグネシウム及び不可避的不純物からなるMg-Al-Mn-Ca合金(AMX合金) 、又はアルミニウム、亜鉛、マンガン及びカルシウムを含有し残部がマグネシウム及び不可避的不純物からなるMg-Al-Zn-Mn-Ca(AZMX合金)が好ましく、Mg-Al-Zn-Ca合金が特に好ましい。このようなマグネシウム合金としては、AZX311(Mg-3Al-Zn-Ca)、AMX601(Mg-6Al-Mn-Ca)、AMX602(Mg-6Al-Mn-2Ca)、AZX611(Mg-6Al-Zn-Ca)、AZX612(Mg-6Al-Zn-2Ca) 又はAZX911(Mg-9Al-Zn-Ca)が好ましい。マグネシウム合金は、カルシウムの含有量が0.5mass%未満であると十分な難燃性の効果を発揮することができず、2.5mass%を超えると難燃性が飽和し圧延等の加工が困難になるため、カルシウムを0.5mass%以上2.5mass%以下含有することが好ましい。

マグネシウム合金は、アルミニウムの含有量が2.0mass%未満であると強度が低下し、10.0mass%を超えると金属間化合物の量が増加して加工性が低下するため、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金は、亜鉛の含有量が0.1mass%未満であると耐食性、鋳造性、塑性加工性が低下し、1.5mass%を超えると溶接性が悪くなる他、耐食性や鋳造性に効果が少なくなるため、亜鉛を0.1mass%以上1.5mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金は、マンガンの含有量が0.1mass%未満であると耐食性と鋳造性が悪くなり、1.5mass%を超えると加工性が低下するため、マンガンを0.1mass%以上1.5mass%以下含有することが好ましい。

マグネシウム合金は、不可避的不純物としてケイ素、鉄、銅及びニッケルを含有する。マグネシウム合金は、ケイ素の含有量が0.1mass%を超えると不純物として強度に影響を及ぼすため、ケイ素を0.01mass%以上0.1mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金は、鉄及び銅の含有量がそれぞれ0.002mass%以上であると耐食性の問題があるため、鉄及び銅をそれぞれ0.002mass%未満含有することが好ましい。マグネシウム合金は、ニッケルの含有量が0.002mass%以上になると耐食性及び溶接性の問題があるため、ニッケルの含有量を0.002mass%未満含有することが好ましい。

次に、この発明の実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材の製造方法について説明する。
図８に示す製造方法＃１００は、カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材を製造する方法である。製造方法＃１００は、図８に示すように、加熱溶解工程＃１１０と、鋳造工程＃１２０と、均質化工程＃１３０と、圧延加工工程＃１４０と、曲げ加工工程＃１５０などを含む。

加熱溶解工程＃１１０は、マグネシウム合金とカルシウムとを加熱溶解する工程である。加熱溶解工程＃１１０では、Mg-Al-Zn系のマグネシウム合金とカルシウムとを真空又はアルゴンガス雰囲気化で600〜750℃の範囲内で加熱溶解する。

鋳造工程＃１２０は、マグネシウム合金の溶融金属を鋳造する工程である。鋳造工程＃１２０では、加熱溶解工程＃１１０後のマグネシウム合金の溶融金属を溶湯温度600℃以上700℃以下、冷却速度2℃/s以上15℃/s以下で鋳造し、溶融金属から粒径範囲70μm以上700μm以下の所定の形状及び寸法のマグネシウム合金の鋳造板又は鋳造棒などの鋳造ビレットを作製する。

均質化処理工程＃１３０は、マグネシウム合金を均質化処理する工程である。均質化処理工程＃１３０では、マグネシウム合金の金属材料の合金元素がこの金属材料中に均質に分布するように、この金属材料を所定の温度に加熱して一定時間保持される。均質化処理工程＃１３０では、鋳造工程＃１２０後のマグネシウム合金のビレットを均質加熱（均質化処理）により熱処理する。均質化処理工程＃１３０では、マグネシウム合金の鋳造ビレットの均質加熱温度が300℃未満であると均質不十分の問題があり、500℃を超えると結晶粒粗大化及び部分溶融が発生する可能性があるため、均質加熱温度を300℃以上500℃以下で均質化処理することが好ましい。均質化処理工程＃１３０では、形成される金属間化合物の状態によっては部分溶融が起こらない範囲内で400℃以上500℃以下の温度で均質化処理することがある。また、均質化処理工程＃１３０では、マグネシウム合金の鋳造ビレットの均質加熱時間が5時間未満であると均質不十分及び合金元素の偏析の問題があり、10時間を超えると結晶粒粗大化の問題があるため、均質加熱温度を5時間以上10時間以下で均質化処理することが好ましい。

圧延加工工程＃１４０は、マグネシウム合金を圧延加工する工程である。圧延加工工程＃１４０では、図９に示すように、マグネシウム合金の鋳造ビレット９を圧延機８によって所定の形状寸法の形材に圧延加工する。ここで、図９に示す圧延機８は、金属材料の断面積を減少させながらこの金属材料を所定の形材に成形する機械である。圧延機８は、回転する一対の圧延ロール８ａ，８ｂを備えており、複数の圧延ロール８ａ，８ｂ間にマグネシウム合金の鋳造ビレット９を通過させることによってこのマグネシウム合金の鋳造ビレット９の厚さを減少させながら所定の形状寸法の圧延材（型材）１０に加工する。図８に示す圧延加工工程＃１４０では、均質化工程＃１３０後のマグネシウム合金の材料温度が200℃未満及び400℃を超えると圧延時の表面割れや耳割れ及び結晶粒粗大化に伴う凹凸模様や中伸びが発生しやすくなるため、材料温度200℃以上400℃以下で圧延加工することが好ましい。圧延加工工程＃１４０では、鋳造工程＃１２０後のマグネシウム合金のロール温度が80℃未満の場合、圧延時の割れが発生しやすく、250℃を超えると中伸びが発生しやすくなるため、ロール温度80℃以上250℃以下で圧延加工することが好ましい。圧延加工工程＃１４０では、均質化工程＃１３０後のマグネシウム合金のロール速度が5m/min未満であると加工抜熱が作用し加工硬化による耳割れの発生や圧延加工中の破断の問題があり、ロール速度が15m/minを超えると加工発熱による結晶粒成長や軟化による強度低下の問題があるため、ロール速度5m/min以上15m/min以下で圧延加工することが好ましい。圧延加工工程＃１４０では、１パス当たりの圧下量が0.5mm未満であると鋳造材内部までせん断変形が付与されず、最終的に結晶組織の混粒を招き、2.0mmを超えると鋳造材に対する圧下量が高くなりすぎ圧延材料が割れる可能性があることから圧下量0.5mm以上2.0mm以下で圧延加工することが好ましい。

図８に示す曲げ加工工程＃１５０は、マグネシウム合金をプレス金型によって曲げ加工する工程である。曲げ加工工程＃１５０では、図１０に示すように、圧延加工工程＃１４０後のマグネシウム合金の圧延材１０をプレス機械１１によって、このマグネシウム合金をハット曲げ加工又はＶ曲げ加工してプレス材７Ａ〜７Ｃを成形する。ここで、図１０に示すプレス機械１１は、このプレス機械１１に着脱自在に装着されるプレス加工用の工具であるパンチ（金型）１１ａとダイ（金型）１１ｂとを備えており、パンチ１１ａとダイ１１ｂとの間でマグネシウム合金の圧延材１０を曲げ加工する。曲げ加工工程＃１５０は、ダイ１１ｂの内径Ｒ₁とパンチ１１ａの外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0よりも大きく6未満であり、パンチ１１ａの外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2以上12.0以下であり、加工温度が200℃以上350℃以下である曲げ加工条件で板厚ｔが1mm以上6mm以下のマグネシウム合金の圧延材１０を曲げ加工する。曲げ加工工程＃１５０では、加工温度Ｔが200℃を超え350℃以下になるように、200℃を超える温度にパンチ１１ａ及びダイ１１ｂを加熱するとともに、200℃を超える温度にマグネシウム合金の温度を加熱した状態で、電気炉内でマグネシウム合金をプレス加工する。

この発明の実施形態に係るマグネシウム合金のプレス材には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、マグネシウム合金をプレス金型によって曲げ加工して曲げ部７ｄを形成し、この曲げ部７ｄの内径Ｒ₁と外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6であり、外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmである。また、この実施形態では、曲げ加工工程＃１５０においてマグネシウム合金をプレス加工によって曲げ加工し、ダイ１１ｂの内径Ｒ₁とパンチ１１ａの外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6以下であり、パンチ１１ａの外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、加工温度Ｔが200℃＜Ｔ≦350℃である曲げ加工条件で板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmのマグネシウム合金を曲げ加工する。このため、アルミニウム合金よりも軽量であるマグネシウム合金のプレス材を適用することによって、従来のアルミニウム合金よりも軽量化を図るとともに難燃性を確保することができる。また、交通輸送手段１に適用する場合には、従来のアルミニウム合金に比べて構体２の重量を軽減することができる。

(2) この実施形態では、マグネシウム合金がハット曲げ加工又はＶ曲げ加工されている。また、この実施形態では、曲げ加工工程＃１５０においてマグネシウム合金をハット曲げ加工又はＶ曲げ加工する。このため、十分な強度及び剛性のプレス材７Ａ〜７Ｃを作製することができ、軽量な交通輸送手段１を製造することができる。

(3) この実施形態では、マグネシウム合金がMg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金である。また、この実施形態では、曲げ加工工程＃１５０においてMg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金を曲げ加工する。このため、従来のアルミニウム合金に比べて難燃性を向上させることができる。

(4) この実施形態では、材料温度200〜400℃、ロール温度80〜250℃、ロール速度5〜15m/min、及び１パス当たりの圧下量0.5〜2.0mmの圧延条件でマグネシウム合金を圧延加工する。このため、難燃性マグネシウム合金を圧延加工によって薄板に作製しプレス材に成形することができる。また、異方性がない圧延加工後の難燃性マグネシウム合金をプレス加工することによって、プレス加工中にしわや偏肉などが発生せず十分な強度及び剛性を有するプレス材７Ａ〜７Ｃを製造することができる。

次に、この発明の実施例について説明する。
カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材のプレス加工の可否、金属組織及び機械的特性を評価するために、このマグネシウム合金の均質化処理後の鋳造ビレットを圧延加工して圧延材を作製し、この圧延材を曲げ加工してプレス材を作製した。

表１は、試験材に供したマグネシウム合金のプレス材の組成である。表１に示す単位は、質量パーセントである。表１に示すマグネシウム合金は、カルシウムを添加したMg-Al-Zn-Ca系のマグネシウム合金(AZX611)及びMg-Al-Mn-Ca系のマグネシウム合金(AMX601)の板材である。AZX611のプレス材は、板厚が1mmの試験材（1mm厚材）、板厚が3mmの試験材（3mm厚材）、板厚が6mmの試験材（6mm厚材）及び板厚が10mmの試験材（10mm厚材）を作製した。AMX601のプレス材は、板厚が1mmの試験材（1mm厚材）及び板厚が3mmの試験材（3mm厚材）を作製した。

表１に示す成分になるように各種インゴットを溶解炉で溶解し、鋳造温度650℃及び冷却速度3〜12℃/sで板厚20mm、幅300mm、長さ1000mmの長方形の断面を有するビレットを作製した。次に、このビレットを450℃で5時間均質加熱（均質化処理）した。次に、材料温度370℃、ロール温度210℃、ロール速度5m/min、及び１パス当たりの圧下量0.5〜2.0mmで、所定の圧下率に設定した圧延ロール間を最低8回通過させて目的とする板厚まで圧延させる圧延加工条件で均質化処理後のビレットを圧延し、厚さ1mm,3mm,5mm,6mm,10mmで幅300mmの圧延材を作製した。

表２は、試験材に係るマグネシウム合金のプレス材に供した圧延材（as rolled）の圧延方向0°,90°の1mm,3mm,5mm厚材の室温における機械的特性である。表２に示すように、AZX611のプレス材は、1mm,3mm,5mm厚材のいずれについても圧延方向0°,90°において顕著な異方性がほとんど認められなかった。

次に、表３に示す曲げ加工条件で厚さの異なる圧延材(ブランク）をプレス機械によってプレス加工して、図４及び図７に示すハット型プレス材及びアングル型プレス材を作製した。図１１に示すように、圧延材を連続してプレス加工して底部７ａが複数存在する多連形のプレス材を成形し、この多連型のプレス材を所定の幅で切断してプレス材を作製した。作製したハット型プレス材の大きさは、長さ1000mm、幅100mmであり、各部の寸法は図４に示す底部７ａのＡが40mm、側部７ｃのＢが17mm、羽根部７ｂのＣが30mmであり、角度θが27°である。作製したアングル型プレス材の大きさは、長さ750mmであり、図７に示す各部の寸法は板部７ｆ，７ｇのＡ'，Ｂ'が50mm、角度θが90°である。

表３は、試験材に係るマグネシウム合金のプレス材の板厚毎の曲げ加工条件及び加工可否である。ここで、表３に示す加工温度は、金型温度及び材料温度であり、加工速度はプレス速度である。加工可否は、○が良好な試験材であり、△がしわの発生した試験材であり、×が割れの発生した試験材である。プレス加工は、電気炉雰囲気が400℃であり、加工モーションをパルスで実施した。図１２に示すように、プレス加工条件を適切に設定することによって、プレス材の曲げ部（Ｒ部）に割れなどの不良が発生しないことが確認された。

表３に示すように、1mm厚のプレス材は、加工温度が300℃以上350℃以下で比Ｒ₁/Ｒ₂が0.25以上1.50以下である場合であって、比Ｒ₂/ｔが2.0以上12.0以下である場合には良好であった。一方、1mm厚のプレス材は、加工温度200℃で比Ｒ₁/Ｒ₂が6.0の場合にはわれが発生し、加工温度250℃で比Ｒ₁/Ｒ₂が6.0の場合にはしわが発生した。3mm厚のプレス材は、加工温度が250℃以上350℃以下で比Ｒ₁/Ｒ₂が0.25以上4.0以下である場合であって比Ｒ₂/ｔが0.67以上4.0以下である場合には良好であった。一方、3mm厚のプレス材は、加工温度200℃の場合にはしわや割れが発生した。3mm厚のプレス材は、AMX601の試験材についてもAZX611の試験材と同様に良好なプレス加工が可能なことが確認された。5mm厚のプレス材は、加工温度が350℃で比Ｒ₁/Ｒ₂が2.0である場合であって、比Ｒ₂/ｔが0.8である場合には良好であった。6mm厚のプレス材は、加工温度が300℃で比Ｒ₁/Ｒ₂が0.67以上４.0以下である場合であって、比Ｒ₂/ｔが0.33以上2.0以下である場合には良好であった。一方、6mm厚のプレス材は、加工温度200℃の場合にはしわや割れが発生した。10mm厚のプレス材は、比Ｒ₁/Ｒ₂が6.0で比Ｒ₂/ｔが0.05である場合には割れが発生した。以上より、加工温度Ｔが200℃を超え350℃以下であり、比Ｒ₁/Ｒ₂が0を超え6未満であり、比Ｒ₂/ｔが0.2以上12.0以下である曲げ加工条件の場合には、割れの発生なくプレス材を製作可能であることが確認された。

表４は、一例として厚さ1mmの圧延材から作製したハット型プレス材の各部の厚さである。表５は、一例として厚さ3mmの圧延材から作製したハット型プレス材の各部の厚さである。厚さは、図１３に示すハット型プレス材のＡ部（底部）、Ｂ部（側部）及びＣ部（羽根部）を測定した。1mm厚材は、表４に示すように、Ａ部、Ｂ部及びＣ部のいずれについても板厚に大きなばらつきはなかった。3mm以上の厚材は、簡易的にダイにスペーサを取り付けてスペーサとパンチとの間で厚さ3mmの圧延材を挟み込みプレス加工した。その結果、3mm以上の厚材は、表５に示すように、1mm厚材と同様に、Ａ部、Ｂ部及びＣ部のいずれについても板厚に大きなばらつきはなかった。このため、金型のクリアランスと塑性流動とを修正することによって板厚3mm以上の圧延材についても高精度なプレス加工が可能であることが確認された。なお、厚さ10mmの圧延材から作製したハット型プレス材については割れが発生した。

次に、プレス材の金属組織及び機械的特性を確認した。
図１４に示すように、1mm厚材及び5mm厚材のそれぞれのＡ部及びＢ部から平行部寸法幅5mm×長さ30mmを有する試験片を切り出して、引張試験機（インストロン製5969型）を使用して試験片を室温で引張試験した。また、プレス材のＲ部近傍の金属組織を観察した。ここで、図１４に示すRDは、圧延方向（ロール方向（ロール目))であり、RD:90°は圧延材の長さ方向と圧延方向とが直交する場合であり、RD:0°は圧延材の長さ方向と圧延方向とが平行である場合である。

表６は、1mm厚材の引張試験結果である。図１２に示すように、プレス材の曲げ部（Ｒ部）では片側に引張応力、片側に圧縮応力がかかり、プレス材のＢ部では引張ながら圧縮が加わる状況となる。しかし、1mm厚材は、図１５に示すように、RD：0°，90°のいずれについても割れなどの不良の発生や応力集中している様子は確認されなかった。また、プレス後の1mm厚材は、RD：0°，90°のいずれについても圧延方向に配列しているAl-Ca化合物が塑性流動していた。

表７は、3mm厚材の引張試験結果である。3mm厚材は、表７に示すように、1mm厚材と同様に、RD: 0°，90°のいずれについても割れなどの不良や応力集中が発生している様子は確認されず、圧延方向に配列しているAl-Ca化合物が塑性流動していた。

以上より、1mm厚材及び3mm厚材は、図１５に示すように、Ｒ部に亀裂の発生が認められず、表６及び表７に示すように引張試験結果についても十分な機械的強度を有することが確認された。また、表３に示すプレス加工条件によってカルシウムを1mass%含有するマグネシウム合金の圧延材を厚さ1〜6mmの範囲内でハット曲げ加工及びＶ曲げ加工できることが確認された。

この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、鉄道車両にマグネシウム合金のプレス材を適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車、船舶、航空機又は飛翔体などの他の交通輸送手段についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、鉄道車両の構体２にマグネシウム合金のプレス材を適用する場合を例に挙げて説明したが、鉄道車両の床材、パンタグラフカバー又は台車塞ぎ板などについても、この発明を適用することができる。

(2) この実施形態では、鉄道車両の構体２の外板３がプレス材７Ａ〜７Ｃと同様のカルシウムを含有するマグネシウム合金である場合を例に挙げて説明したが、外板３がこのようなマグネシウム合金以外の金属である場合についても、この発明を適用することができる。また、この実施形態では、マグネシウム合金のプレス材７Ａを構体２の骨組に適用する場合を例に挙げて説明したが、構体２の床構え２ａに取り付けられる波形鋼板(キーストンプレート(デッキプレート)）などについても、この発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、曲げ加工工程＃１５０において金型温度と材料温度とを同一に設定する場合を例に挙げて説明したが、材料温度よりも金型温度を高く設定して金型上に材料を設置し金型によって材料を加熱する場合についても、この発明を適用することができる。

１ 交通輸送手段（鉄道車両）
２ 構体
３ 外板
３ａ 板状部
３ｂ リブ部
３ｃ 開先部
３ｄ 接合部
４ 床板
５ 補強材
６ 内装材
７Ａ〜７Ｃ プレス材
７ｄ，７ｈ 曲げ部
８ 圧延機
８ａ，８ｂ 圧延ロール
９ 鋳造ビレット
１０ 圧延材
１１ プレス機械
１１ａ パンチ(金型(プレス金型))
１１ｂ ダイ(金型(プレス金型))
Ｒ₁ 内径
Ｒ₂ 外径
ｔ 板厚

Claims (13)

1. カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材であって、
   前記マグネシウム合金は、カルシウムを0.5mass%以上2.5mass%以下含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有し、
   前記マグネシウム合金をプレス金型によって曲げ加工した曲げ部を備え、
   前記曲げ部は、内径Ｒ₁と外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6であり、外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmであること、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材。
2. 請求項１に記載のマグネシウム合金のプレス材において、
   前記マグネシウム合金は、ハット曲げ加工又はＶ曲げ加工されていること、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材。
3. 請求項１又は請求項２に記載のマグネシウム合金のプレス材において、
   前記マグネシウム合金は、Mg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金であること、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材。
4. カルシウムを含有するマグネシウム合金のプレス材の製造方法であって、
   前記マグネシウム合金は、カルシウムを0.5mass%以上2.5mass%以下含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有し、
   前記マグネシウム合金をプレス金型によって曲げ加工する曲げ加工工程を含み、
   前記曲げ加工工程は、ダイの内径Ｒ₁とパンチの外径Ｒ₂との比Ｒ₁/Ｒ₂が0＜Ｒ₁/Ｒ₂＜6以下であり、パンチの外径Ｒ₂と板厚ｔとの比Ｒ₂/ｔが0.2≦Ｒ₂/ｔ≦12.0であり、加工温度Ｔが200℃＜Ｔ≦350℃である曲げ加工条件で板厚ｔが1mm≦ｔ≦6mmの前記マグネシウム合金を曲げ加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
5. 請求項４に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、
   前記曲げ加工工程は、前記マグネシウム合金をハット曲げ加工又はＶ曲げ加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
6. 請求項４又は請求項５に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、
   前記曲げ加工工程は、Mg-Al-Zn-Ca合金、Mg-Al-Mn-Ca合金又はMg-Al-Zn-Mn-Ca合金を曲げ加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
7. 請求項４から請求項６までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、
   前記マグネシウム合金を圧延加工する圧延加工工程を含み、
   前記曲げ加工工程は、前記圧延加工工程後の前記マグネシウム合金を曲げ加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
8. 請求項７に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、
   前記圧延加工工程は、材料温度200〜400℃、ロール温度80〜250℃、ロール速度5〜15m/min、及び１パス当たりの圧下量0.5〜2.0mmの圧延条件で前記マグネシウム合金を圧延加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
9. 請求項７又は請求項８に記載のマグネシウム合金のプレス材の製造方法において、
   前記マグネシウム合金の溶融金属を鋳造する鋳造工程を含み、
   前記鋳造工程は、前記マグネシウム合金の溶融金属を冷却速度2℃/s以上15℃/s以下で鋳造し、粒径範囲70μm以上700μm以下の所定の形状及び寸法のマグネシウム合金の鋳造ビレットを作製する工程を含み、
   前記圧延加工工程は、前記鋳造工程後の前記マグネシウム合金を圧延加工する工程を含むこと、
   を特徴とするマグネシウム合金のプレス材の製造方法。
10. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える補強材。
11. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える内装材。
12. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える鉄道車両の構体。
13. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金のプレス材を備える交通輸送手段の構体。

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