JP7276761B2 - 硬質・軟質積層構造材料及びその製造方法 - Google Patents
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[1]硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有する材料であり、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
[2]上記[1]において、
前記材料は、キンク変形する物質であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
[3]上記[1]または[2]において、
前記硬質層及び前記軟質層にキンクが形成されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層の相互間に前記軟質層が隙間なく充填されており、
前記材料を塑性変形させる際の前記軟質層のすべり変形もしくはせん断変形が、前記軟質層の層面に限定されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記材料は、金属系、セラミックス系及び高分子系のいずれかの材料であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層の厚さが100nm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層の厚さが前記軟質層の厚さの1/2以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層は、薄い軟質層と薄い硬質層が交互に積層した板状層で構成されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記薄い軟質層及び前記薄い硬質層それぞれの厚さが10nm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層の結晶構造が、前記軟質層の結晶構造と異なることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層と前記軟質層の結晶構造が同じであり、
前記硬質層の溶質元素濃度が、前記軟質層の溶質元素濃度と異なることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層の溶質元素濃度が、前記軟質層の溶質元素濃度と異なることにより、結晶構造が同じで、濃度変調が無い金属系の材料は除外される。
前記硬質層がhcp構造及びbcc構造の一方を有し、
前記軟質層がhcp構造及びbcc構造の他方を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層がhcp構造及びfcc構造の一方を有し、
前記軟質層がhcp構造及びfcc構造の他方を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層がfcc構造及びbcc構造の一方を有し、
前記軟質層がfcc構造及びbcc構造の他方を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記Mg合金は、Mg-Zn-Y合金、Mg-Zn-Gd合金、Mg-Zn-(Y-Gd)合金、Mg-Zn-Y-X-Z合金、Mg-Zn-Gd-X-Z合金、及びMg-Zn-Y-Gd-X-Z合金のいずれかであり、
前記Xは、Al、Ca及びLiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Zは、希土類元素、Mn、Si、Zr、Ti、Hf、Nb、Sn、Ag、Sr、Sc、Sb、B、C及びBeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Znの含有量をa原子%、前記Yの含有量をb原子%、前記Gdの含有量をb原子%、前記Y及びGdの合計含有量をb原子%、前記Xの含有量をc原子%、前記Zの含有量をd原子%とすると、下記(式1)~(式6)を満たすことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1
なお、前記希土類元素は全ての希土類元素を含む意味である。
前記鋳造後の金属は、硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有し、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記鋳造時の冷却速度は10万℃/秒未満であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
[20]上記[19]において、
前記鋳造工程の後に、前記鋳造後の金属を融点(絶対温度)の50%以上の温度に加熱する工程を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
[21]上記[19]または[20]において、
前記鋳造時の冷却速度は100℃/秒以上であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記金属は、Mg-Zn-Y合金、Mg-Zn-Gd合金、Mg-Zn-(Y-Gd)合金、Mg-Zn-Y-X-Z合金、Mg-Zn-Gd-X-Z合金、及びMg-Zn-Y-Gd-X-Z合金のいずれかであり、
前記Xは、Al、Ca及びLiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Zは、希土類元素、Mn、Si、Zr、Ti、Hf、Nb、Sn、Ag、Sr、Sc、Sb、B、C及びBeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Znの含有量をa原子%、前記Yの含有量をb原子%、前記Gdの含有量をb原子%、前記Y及びGdの合計含有量をb原子%、前記Xの含有量をc原子%、前記Zの含有量をd原子%とすると、下記(式1)~(式6)を満たすことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1
前記硬質層の相互間に前記軟質層が隙間なく充填されており、
前記材料を塑性変形させる際の前記軟質層のすべり変形もしくはせん断変形が、前記軟質層の層面に限定されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記マグネシウム合金鋳造物を作る際の冷却速度は、1000K/秒以下(好ましくは100K/秒以下)であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記硬質層が結晶層であり、前記軟質層が非晶層であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記高分子系の材料は、結晶性高分子、第1の結晶性高分子に第2の結晶性高分子を混ぜたブレンド物、結晶性高分子にポリマーを混ぜたブレンド物、第1のポリマーに第2のポリマーを混ぜたブレンド物のいずれかであることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記硬質層が非晶層であり、前記軟質層が非晶層であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記高分子系の材料は、ポリマー、第1のポリマーに第2のポリマーを混ぜたブレンド物、弾性率の高い成分高分子と弾性率の低い成分高分子とが相分離したポリマーブレンド物のいずれかであることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記高分子系の材料の構成成分になる高分子は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン1、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルフォン、ポリエチレンオキサイド、ポリ乳酸、ナイロン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチルとその共重合体、ポリ塩化ビニル、フェノール樹脂、ポリエーテルケトン、ポリブタジエン、ポリイソプレン、ポリスチレンーポリブタジエン共重合体、ポリアクリロニトリルーポリスチレン共重合体、及び、ポリアクリロニトリルーポリブタジエン共重合体の少なくとも一つを含むことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
前記高分子系の材料に室温より高い温度で塑性加工を行う工程(b)と、
を具備し、
前記工程(b)の後の材料は、硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有し、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記工程(b)は、前記高分子系の材料に200%以上のひずみを加える熱延伸を行う工程であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
[32]上記[30]または[31]において、
前記硬質層は、配向した分子鎖を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記工程(b)の後に、室温で前記材料に塑性加工を行う工程(c)を含むことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記工程(c)は、室温で前記材料に10%以上のひずみを加える延伸を行う工程であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
[35]上記[33]または[34]において、
前記工程(c)の後の前記硬質層及び前記軟質層にキンクが形成されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
前記硬質層及び前記軟質層それぞれの長軸方向は、前記工程(b)における延伸方向に交差する方向であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
マグネシウム合金において、秩序・無秩序に関係なく硬質層と軟質層がサブミクロンオーダーで積層した硬質・軟質積層構造がキンク形成により強くなることを見出した。
KUMADAIマグネシウム合金の強化の源は、長周期積層構造(図1に示すLPSO構造)とそのキンク形成である。この長周期積層構造は、図1に示す4原子面からなるクラスター配列層(硬質層)と1~4原子面からなるhcpマグネシウム層(軟質層)が相互に秩序積層した構造、すなわち、硬質層と軟質層が密に秩序積層した構造を持っている。そして、このような積層構造を持つことが原因で、塑性加工によりキンクが形成されて強化される。このようにKUMADAIマグネシウム合金は、硬質層と軟質層が交互に秩序積層された結晶構造を有する材料である。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1
なお、前記希土類元素は全ての希土類元素を含む意味である。
また、上記のMg合金は、その合金特性に影響を与えない程度の不純物を含有しても良い。
本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法について説明する。この硬質・軟質積層構造材料は金属系材料である。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1
図1及び図2は、本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法を説明するための図である。
(式41)0.1≦a≦5.0
(式42)0.25≦b≦5.0
(式43)0.5a-0.5≦b
(式44)0.1≦a≦3.0
(式45)0.25≦b≦5.0
(式46)2a-3≦b
尚、Gdのさらに好ましい上限含有量は、経済性及び比重の増加を考慮すると、3原子%未満である。
(式41')0.2≦a≦5.0
(式42')0.5≦b≦5.0
(式43)0.5a-0.5≦b
(式44')0.2≦a≦3.0
(式45')0.5≦b≦5.0
(式46)2a-3≦b
(式47)0≦c≦3.0
(式48)0.25(0.5)≦b+c≦6.0
(式49)0≦c≦2.0
(式50)0.25(0.5)≦b+c≦6.0
(式51)0≦c≦3.0
(式52)0≦d≦2.0
(式53)0.25(0.5)≦b+c+d≦6.0
(式81)0.2≦a≦5.0
(式82)0.2≦b≦5.0
(式83)2a-3≦b
(式84)0.05b≦c<0.75b
(式91)0.01≦a≦2.0
(式92)0.2≦b≦5.0
従って、上記の塑性加工物はKUMADAIマグネシウム合金より強度を高くすることができる。
本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法について説明する。
まず、Mg93.5Ni3Y3.5合金材料を準備する。本実施形態では、Mg93.5Ni3Y3.5合金を用いるが、この合金に限定されるものではなく、以下の[12]~[18]のいずれかの組成のマグネシウム合金を用いることも可能である。これらのマグネシウム合金はKUMADAIマグネシウム合金の「Type-I」と呼ばれるものである。
(式61)0.2≦a≦10
(式62)0.2≦b≦10
(式63)2/3a-2/3<b
(式64)0.2<a+c≦15
(式65)c/a≦1/2
(式66)0.2<b+d≦15
(式67)d/b≦1/2
(式68)0<e≦2.5
(式69)e/(a+b+c+d)≦1/2
また、上記の塑性加工の繰り返し加工、FSW(摩擦攪拌溶接)などの塑性変形を伴う加工を用いてもよい。
本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法について説明する。
まず、以下の[19]~[40]のいずれかの組成のマグネシウム合金を準備する。これらのマグネシウム合金はKUMADAIマグネシウム合金の「Type-I」と呼ばれるものである。
(式11)0.25≦a<5.0
(式12)0.5<b<5.0
(式13)2/3a-5/6≦b
(式14)0.25≦a≦5.0
(式15)0.5≦b≦5.0
(式16)0.5a≦b
(式11')0.5≦a<5.0
(式12)0.5<b<5.0
(式13)2/3a-5/6≦b
(式17)0≦c≦3.0
(式18)0.1(0.2)≦b+c≦6.0
(式19)0≦c<2.0
(式20)0.2≦b+c≦6.0
(式20)0.2≦b+c≦6.0
(式21)c/b≦1.5
(式22)0≦c≦3.0
(式23)0.1≦b+c≦6.0
(式14)0≦c≦3.0
(式15)0≦d<2.0
(式16)0.2≦b+c+d≦6.0
(式16)0.2≦b+c+d≦6.0
(式17)d/b≦1.5
(式18)0≦c≦3.0
(式19)0≦d≦3.0
(式20)0.1≦b+c+d≦6.0
(式21)0.1≦a≦5.0
(式22)0.1≦b≦5.0
(式23)0.5a-0.5≦b
(式24)0.1≦a≦3.0
(式25)0.1≦b≦5.0
(式26)2a-3≦b
(式21')0.2≦a≦5.0
(式22')0.2≦b≦5.0
(式23)0.5a-0.5≦b
(式24')0.2≦a≦3.0
(式25')0.2≦b≦5.0
(式26)2a-3≦b
(式27)0≦c≦3.0
(式28)0.1(0.2)≦b+c≦6.0
(式29)0≦c≦3.0
(式30)0.1(0.2)≦b+c≦6.0
(式31)0≦c≦3.0
(式32)0≦d≦3.0
(式33)0.1(0.2)≦b+c+d≦6.0
(式34)0≦y≦4.9
(式35)0.1≦b+y≦5.0
(式71)0.2≦a≦5.0
(式72)0.2≦b≦5.0
(式73)2a-3≦b
(式74)0.05b≦c<0.75b
(式75)0.05b≦d<0.75b
(式101)0.2≦a≦5.0
(式102)0.2≦b≦5.0
(式103)2a-3≦b
(式104)0.05b≦c<0.75b
(式105)0≦d≦b/2
本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法について説明する。
それに対し、ひずみ300%まで熱延伸した試料は、一般の高分子の応力―ひずみ挙動とは異なり、未処理試料に比べて4倍程度の破断強度を示した。
ひずみ500%まで熱延伸して得られた試料は、一般の高分子の応力―ひずみ挙動とは全く異なり、金属の加工硬化で見られるような応力の増加が発現して、未処理試料に比べて10倍の破断強度を示すことが見出された。
また、ひずみ300%の熱延伸の破断試料のSEM観察では明瞭なキンクの形成は見られなかったが、強度の増加からするとわずかにキンクが形成されていることも考えられる。
本発明の一態様に係る硬質・軟質積層構造材料の製造方法について説明する。
Claims (15)
- 硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有する材料であり、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であり、
前記硬質層にキンクが形成されており、
前記硬質層がfcc構造を有し、
前記軟質層がhcp構造を有し、
前記材料は、Mg-Zn-Gd合金又はMg-Zn-Gd-X-Z合金であり、
前記Xは、Al、Ca及びLiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Zは、希土類元素、Mn、Si、Zr、Ti、Hf、Nb、Sn、Ag、Sr、Sc、Sb、B、C及びBeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Znの含有量をa原子%、前記Gdの含有量をb原子%、前記Xの含有量をc原子%、前記Zの含有量をd原子%とすると、下記(式1)~(式6)を満たすことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1 - 請求項1において、
前記硬質層の厚さが100nm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - 請求項1または2において、
前記硬質層の厚さが前記軟質層の厚さの1/2以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - 請求項1乃至3のいずれか一項において、
前記硬質層は、薄い軟質層と薄い硬質層が交互に積層した板状層で構成されていることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - 請求項4において、
前記薄い軟質層及び前記薄い硬質層それぞれの厚さが10nm以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の硬質・軟質積層構造材料は金属系の材料であり、
前記硬質層の結晶構造が、前記軟質層の結晶構造と異なることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - 金属を鋳造することにより、硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有する鋳造物を形成する工程と、
前記鋳造物に塑性加工を行うことによって前記硬質層にキンクを形成する工程と、
を有し、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であり、
前記金属は、Mg-Zn-Gd合金又はMg-Zn-Gd-X-Z合金であり、
前記Xは、Al、Ca及びLiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Zは、希土類元素、Mn、Si、Zr、Ti、Hf、Nb、Sn、Ag、Sr、Sc、Sb、B、C及びBeからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、
前記Znの含有量をa原子%、前記Gdの含有量をb原子%、前記Xの含有量をc原子%、前記Zの含有量をd原子%とすると、下記(式1)~(式6)を満たすことを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
(式1)0.1≦a≦3.0
(式2)0.1≦b≦3.0
(式3)c≦3.0
(式4)d≦1.0
(式5)b≦a+2
(式6)b≧a-1 - 請求項7において、
前記鋳造時の冷却速度は10万℃/秒未満であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 請求項8において、
前記鋳造工程の後に、前記鋳造後の金属を融点(絶対温度)の50%以上の温度に加熱する工程を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 請求項8または9において、
前記鋳造時の冷却速度は100℃/秒以上であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 請求項7乃至10のいずれか一項において、
前記鋳造時の冷却速度は、1000K/秒以下であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有する材料であり、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であり、
前記硬質層にキンクが形成されている硬質・軟質積層構造材料であり、
前記硬質・軟質積層構造材料は高分子系の材料であり、
前記高分子系の材料の構成成分になる高分子は、ポリフッ化ビニリデンとポリメタクリル酸メチルのブレンド物であり、
前記硬質層がポリフッ化ビニリデン結晶層であり、前記軟質層がポリフッ化ビニリデン及びポリメタクリル酸メチルの非晶層であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料。 - ポリフッ化ビニリデンとポリメタクリル酸メチルのブレンド物を準備する工程(a)と、
前記ブレンド物に室温より高く融点より低い温度で200%以上のひずみを加える熱延伸を行う工程(b)と、
前記工程(b)の後に、室温で前記材料に塑性加工を行う工程(c)と、
を具備し、
前記工程(b)の後の材料は、硬質層と軟質層が交互に複数積層された構造を有し、
前記軟質層の厚さは前記硬質層の厚さより厚く、
前記軟質層の厚さは1μm以下であり、
前記工程(c)の後の前記硬質層にキンクが形成されており、
前記硬質層がポリフッ化ビニリデン結晶層であり、前記軟質層がポリフッ化ビニリデン及びポリメタクリル酸メチルの非晶層であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 請求項13において、
前記硬質層は、配向した分子鎖を有することを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。 - 請求項13または14において、
前記工程(c)は、室温で前記材料に10%以上のひずみを加える延伸を行う工程であることを特徴とする硬質・軟質積層構造材料の製造方法。
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Title |
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河村能人,LPSO型マグネシウム合金の特徴と今後の展望,まてりあ,Vol.54,日本,2015年02月,p.44-49 |
阿部英司,シンクロ型LPSO-Mg合金の原子構造と結晶学,まてりあ,日本,2015年02月,Vol.54,p.50-54 |
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