JPWO2002066696A1

JPWO2002066696A1 - 高強度マグネシウム合金

Info

Publication number: JPWO2002066696A1
Application number: JP2002566397A
Authority: JP
Inventors: 河村　能人; 能人河村; 井上　明久; 明久井上
Original assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Current assignee: Tohoku Techno Arch Co Ltd
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: WO2002066696A1; JP5161414B2

Abstract

本発明の目的は、優れた引張り強度と良好な延性を有する高強度マグネシウム合金の提供である。図は、６７３Ｋで熱処理した後のＭｇ−Ｚｎ−Ｙ急速凝固薄帯の硬さと延性をそれぞれ示している。この図で、白抜きの丸として示したのは、１８０度曲げても折れない、亀裂が生じないものであり、延性が高いものを示している。亀裂が発生するものや折れるものは、脆性を示す黒い丸として表した。また、各丸印の下の数字は、ダイヤモンド・ピラミッド硬度数（ビッカース硬度）を示している。この図等から、一般式で、Ｍｇ（１００−ｘ−ｙ）ＹｘＺｎｙ（１＜ｘ＜５，０．３＜ｙ＜６ｘ，ｙは原子％）の組成を有し、１マイクロメートル以下の微細結晶組織を有する高強度マグネシウム合金が、優れた機械的性質を有していることがわかる。

Description

技術分野
本発明は、マグネシウム合金に関し、特に、微細結晶構造を有する高強度マグネシウム合金に関する。
背景技術
マグネシウム合金は、その軽量性に加えて比強度・比剛性に優れていることから軽量高強度材として注目されており、今後さらなる特性の向上を図ることが切望されている材料である。
さて、高強度の新しいマグネシウム合金を創製するためには、急速凝固法などの非平衡プロセスの適用が有効である。マグネシウム合金における急速凝固粉末冶金（ＲＳＰ／Ｍ）法の適用例としては、ガスアトマイズ法により作製したアモルファス合金粉末の押出成形により作製したナノ結晶合金が報告されている。しかし、これらの材料は優れた引張り強度を示すが、伸びが小さいといった問題がある。一方、既存の合金組成に対してもＲＳＰ／Ｍ法は適用されているが、著しい強度の向上は達成されていない。
発明の開示
本発明の目的は、優れた引張り強度と良好な延性を有する高強度マグネシウム合金を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明は、一般式で、Ｍｇ（１００−ｘ−ｙ）ＹｘＺｎｙ（１＜ｘ＜５，０．３＜ｙ＜６：ｘ，ｙはいずれも原子％）の組成を有し、１マイクロメートル以下の微細結晶組織を有することを特徴とする高強度マグネシウム合金である。
また、本発明は、Ｍｇ_２４Ｙ_５およびＹＺｎを有し、他はｈｃｐ−Ｍｇであり、それぞれが１マイクロメータ以下の微細結晶組織を有することを特徴とする高強度マグネシウム合金でもある。
これらの高強度マグネシウム合金において、液体から急速に凝固された粉末、薄帯又は細線を、せん断が付加されるように固化することで作製することができる。このようにして作製することにより、超塑性を発現することができる。
発明を実施するための最良の形態
本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本発明においては、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ急速凝固薄帯を用いて行った合金組成探査を行い、これら一連の組成探査の結果を基に、ガスアトマイズ法でＭｇ−Ｚｎ−ＹＲＳＰ／Ｍ材を作製して、機械的性質を詳しく測定した。この合金の機械的性質は、延性および引張り強度が大変すぐれている。
さて、まず、合金組成探査について説明する。組成探査のためのマグネシウム合金の母合金は高周波溶解炉を用いて、Ａｒ雰囲気中で作製した。合金組成探査に用いた急速擬固薄帯は、単ロール式液体急冷法により作製した。得られた急速凝固薄帯に対して、ＲＳＰ／Ｍ法における固化成形（押出成形）を想定した５７３Ｋおよび６７３Ｋにおける熱処理を施して、熱処理材を作製した。急速凝固材および熱処理材の組織はＸ線回折法により調べた。また、引張り強さおよび硬さなどの機械的性質は、インストロン引張り試験機およびマイクロビッカース硬さ試験機を用いて調べた。延性は１８０°密着曲げ試験により評価した。その合成組成探査の結果を、図面の第１図〜第３図を用いて説明する。なお、以下の記述で、合金の組成は、原子％で示している。
第１図〜第３図に、熱処理を行う前、５７３Ｋおよび６７３Ｋで熱処理した後のＭｇ−Ｚｎ−Ｙ急速凝固薄帯の硬さと延性を、それぞれの組成の合金に対して示す。これらの温度は、押出成形を行うための下限（５７３Ｋ）と上限（６７３Ｋ）の温度である。これらの図において、白抜きの丸として示したのは、１８０度曲げても折れない、延性が高いものを示している。１８０度近くで折れるものは、脆性を示す黒い丸として表した。半黒丸印は、１８０度曲げでは折れたが、１８０度近くまで曲げても折れない程度の良好な延性を示したものを示している。また、各丸印の下の数字は、ダイヤモンド・ピラミッド硬度数（ビッカース硬度）を示している。
これらの図でわかるように、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ合金は、熱処理後に良好な延性と高い硬さを示すことが分かった。
次に、急速凝固粉末の作製とその固化成形を行った。固化成形まで行ったＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金は、第２図や第３図において、良好な延性と高硬度を示したＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金である、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２合金（第２図，第３図のＡ）の組成を有するものを用いて行った。
＜Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２ＲＳＰ／Ｍ材の作製と機械的性質＞
急速凝固粉末の作製とその固化成形には、クローズドＰ／Ｍプロセッシング・システムを使用した。作製に使用したシステムを第４図及び第５図に示す。第４図は、ガス・アトマイズ法による急速凝固粉末の作製と、作製された粉末から、固化成形してビレットを作製する工程を示している。第５図は作製したビレットを押出成形するまでを示している。第４図および第５図を用いて、急速凝固粉末の作製と固化成形について、詳しく説明する。
第４図において、高圧ガス・アトマイザ１００を用いて目的とする成分比のＭｇ−Ｚｎ−Ｙ合金の粉末を作製する。これは、まず、溶解室１１０中のるつぼ１１６中で、目的の成分比を有する合金を誘導コイル１１４により溶解する。この溶けた合金を、ストッパ１１２を上げて噴出させ、それにノズル１３２から高圧の不活性ガス（例えば、ヘリウム・ガスやアルゴン・ガス）を吹きつけて噴霧することで、合金の粉末を作製する。ノズル等はヒータ１３１で加熱されている。また、アトマイズ室１３０は、酸素分析器１６２や真空ゲージ１６４で監視されている。
作製した合金粉末は、サイクロン分級機１４０を介して、真空グローブ・ボックス２００中のホッパ２２０中に収集される。以後の処理は、この真空グローブ・ボックス２００の中で行われる。次に、真空グローブ・ボックス２００中で徐々に細かいふるい２３０にかけることにより、目的とする細かさの粉末を得る。本発明では、粒径３２μｍ以下の粉末を得ている。
この合金の粉末から、ビレットを作製するために、まず、予備圧縮を真空ホットプレス機２４０を用いて行う。この場合の真空ホットプレス機は、３０トンのプレスを行うことができるものを用いた。
まず、合金粉末をホットプレス機２４０を用いて銅の缶２５４に充填し、上からキャップ２５２をかぶせる。キャップ２５２と缶２５４とを、回転盤２５８で回転しながら、溶接機２５６で溶接してビレット２６０を作製する。このビレット２６０の漏れチェックのため、バルブ２６２を介して真空ポンプに接続することで、ビレット２６０の漏れをチェックする。漏れが無かった場合、バルブ２６２を閉じて、バルブ２６２を付けたまま容器ごと、真空グローブ・ボックス２００のエントランス・ボックス２８０から合金のビレット２６０を取り出す。
取り出したビレット２６０は、第５図に示すように、加熱炉にいれて予備加熱を行いながら、真空ポンプに接続してガス抜きを行う。次にビレット２６０のキャップを圧搾してから、スポット溶接機３４０でスポット溶接して、ビレット２６０と外部との接続を遮断する（第５図（ｂ）参照）。そして、容器ごと、合金のビレットを押出プレス機４００にかけて、最終形状に成形する（第５図（ｃ）参照）。押出プレス機は、メイン・プレス（メイン・ステム４５０側）は１００トン、バック・プレス（バック・ステム４７０側）は２０トンの性能を有し、ヒータ４１０でコンテナ４２０を加熱することで、押出温度を設定することができる。
本発明の急速凝固粉末は、上述のように、高圧Ｈｅガスアトマイズ法により作製した。そして、作製した粒径３２μｍ以下の粉末を銅製の缶に充填し、それを真空封入することでビレットを作製し、押出温度６２３〜７２３Ｋ、押出し比１０：１の押出成形により固化成形を行った。この押出成形により、粉末に圧力とせん断が加わり、緻密化と粉末間の結合が達成される。なお、圧延法や鍛造法による成形でもせん断が生じる。急速凝固粉末および押出材の組織はＸ線回折法およびＴＥＭ観察により調べた。引張り試験は、インストロン引張り試験機を用いて初期ひずみ速度５×１０^−４ｓ^−１で行った。
第６図に種々の温度で押出成形することにより作製したＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２材の引張り降伏強度（０．２％耐力）と伸びを示す。第６図の横軸は押出成形の温度を示している。第７図にそのＸ線のスペクトル回折の結果を示す。第８図には、様々の雰囲気温度でのＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２材（５７３Ｋで押出成形）の引張り降伏強度と伸びを示す。第９図に、周囲温度６２３ＫにおけるＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２材（５７３Ｋ，押出比１０で押出成形）のひずみ率に対する伸びと応力を示す。また、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２材（５７３Ｋ，押出比１０で押出成形）の電子顕微鏡写真を第１０図に示す。
この第６図から、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２ＲＳＰ／Ｍ材の降伏強度と伸びが押出温度に依存していることがわかる。押出温度が高まると引張り降伏強度が低下するのは、結晶粒径が大きくなるためである。しかし、Ｍｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２ＲＳＰ／Ｍ材は、いずれの押出温度においても、４００ＭＰａ以上の高い降伏強度を示した。特に、押出温度５７３Ｋで作製したＰ／Ｍ材は、６２５ＭＰａの最大降伏強度、６０６ＭＰａの降伏強度、５％の伸びを示し、高強度と高延性を併せ持つＲＳＰ／Ｍマグネシウム合金を開発することができた。
第７図にはＸ線回折の結果が示されている。これでわかるように、ガス・アトマイズ法により作製された粉末のスペクトラム（第７図（ａ）参照）には、ｈｃｐ−ＭｇとＹＺｎが検出されているが、押出成形された合金材（第７図（ｂ）〜（ｅ）参照）では、全て、ｈｃｐ−Ｍｇ、Ｍｇ_２４Ｙ_５およびＹＺｎが検出されている。
第８図において、市販のマグネシウム合金（ＷＥ５４−Ｔ６）と本発明のマグネシウム合金の引張り強さの周囲温度依存性を示している。作製したＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２ＲＳＰ／Ｍ材は、市販のマグネシウム合金より良好な引張り強さを、大部分の周囲温度で示している。
第９図では、作製したマグネシウム合金であるＭｇ_９７Ｚｎ_１Ｙ_２ＲＳＰ／Ｍ材が、超塑性を有していることを示している。「超塑性」とは、雰囲気温度、加える歪速度が何であれ、その伸びが２００％を超えると同時に、歪速度に対する流動応力の勾配（ｍ値）が０．３以上であることを意味している。特に１×１０^−２ｓ^−１以上の歪速度で出現する超塑性は高速超塑性と言われている。第９図の下の図では、１×１０^−２ｓ^−１以上で３００％以上の伸びを示しており、最大で７５０％の伸びが５×１０^−３ｓ^−１で得られている。また、上の図ではｍ値が０．４であることを示しており、作製したマグネシウム合金が高速超塑性を有していることがわかる。
第１０図に示す顕微鏡写真でわかるように、この作製したマグネシウム合金の組成物は、約２００ｎｍの微粒子で構成されている。この微粒子は、ガスアトマイズで作製した粉体の結晶組織ではなく、成形物としての結晶組織であり、六方最密構造（ｈｃｐ）のマグネシウムと、他の化合物の混相である。第１０図の電子顕微鏡の写真における他の化合物は、第７図に示すＸ線回折のスペクトル回折から、Ｍｇ_２４Ｙ_５およびＹＺｎである。
第１１図に、本発明で作製したマグネシウム合金と、既存のマグネシウム合金との伸びと引張り降伏強度の比較を示す。第１１図において、既存のＩ／Ｍ（ｉｎｇｏｔｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）法で作製したマグネシウム合金（ＡＺ９１，ＺＫ６０等），急速凝固粉末冶金（ＲＳＰ／Ｍ）で作製したマグネシウム合金（ＡＺ９１，ＺＫ６１等），本発明以外の組成の急速凝固粉末冶金（ＲＳＰ／Ｍ）によるナノ結晶マグネシウム合金，本発明の組成を有する微細結晶組織を有するＲＳＰ／Ｍ法のマグネシウム合金を比較している。この図でわかるように、本発明のマグネシウム合金は、他の製法や組成のマグネシウム合金と比較して、引張り降伏強度や伸びに対して大変良好な性能を有している。
産業上の利用可能性
本発明のマグネシウム合金は、高強度と高延性を有している。本発明のマグネシウム合金を用いることにより、マグネシウム合金の軽量性を生かすことで、高強度と高延性が必要な部材における軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ三元系急速凝固薄帯の急速凝固状態における硬さと延性を示す図である。
第２図は、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ三元系急速凝固薄帯の５７３Ｋでの熱処理状態における硬さと延性を示す図である。
第３図は、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ三元系急速凝固薄帯の６７３Ｋでの熱処理状態における硬さと延性を示す図である。
第４図は、ガス・アトマイジング法による急速凝固粉末作製と押出ビレットの作製を行うシステムを示す図である。
第５図は、ビレットを加熱押圧して、固化成形する過程を示す図である。
第６図は、種々の温度で押出成形した合金に対する引張り降伏強度と伸びを示すグラフである。
第７図は、Ｘ線回折によるスペクトルを示す図である。
第８図は、押出成形した合金に対する様々の雰囲気温度での引張り降伏強度と伸びを示すグラフである。
第９図は、押出成形した合金が超塑性を有していることを示すグラフである。
第１０図は、押出成形した合金の電子顕微鏡による写真を示す図である。
第１１図は、本発明のマグネシウム合金と他のマグネシウム合金の引張り降伏強度と伸びの比較を示す図である。
＜参考＞図面の参照番号の説明
１００：高圧ガス・アトマイザ，１１０：溶解室，１１２：ストッパ，
１１４：誘導コイル，１１６：るつぼ，１３０：アトマイズ室，
１３１：ヒータ，１３２：ノズル，１４０：サイクロン分級機，
１５０：フィルタ，１６２，１６６：酸素分析器，１６４：真空ゲージ，
２００：真空グローブ・ボックス，２１０：アルゴンガス・リファイナ，
２２０：ホッパ，２３０：ふるい，２４０：真空ホットプレス機，
２４２：真空室，２４４：パンチ，２４６：型，２４８：ヒータ，
２５２：キャップ，２５４：缶，２５６：溶接機，２５８：回転盤，
２６０：ビレット，２６２：バルブ，２７０：酸化ボックス，
２８０：エントランス・ボックス，２９２：真空ゲージ，２９４：湿度計，
２９６：酸素分析器，３４０：スポット溶接機，４００：押出プレス機，
４１０：ヒータ，４２０：コンテナ，４３０：型（ダイ），
４５０：メイン・ステム，４６０：ダイ・バッカー，
４７０：バック・ステム

Claims

一般式で、Ｍｇ（１００−ｘ−ｙ）ＹｘＺｎｙ（１＜ｘ＜５，０．３＜ｙ＜６：ｘ、ｙはいずれも原子％）の組成を有し、１マイクロメートル以下の微細結晶組織を有することを特徴とする高強度マグネシウム合金。
Ｍｇ_２４Ｙ_５およびＹＺｎを有し、他はｈｃｐ−Ｍｇであり、それぞれが１マイクロメータ以下の微細結晶組織を有することを特徴とする高強度マグネシウム合金。
請求項１又は２記載の高強度マグネシウム合金において、液体から急速に凝固された粉末、薄帯又は細線を、せん断が付加されるように固化することで作製することを特徴とする高強度マグネシウム合金。