JP4613965B2 - マグネシウム合金板材 - Google Patents
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Description
<マグネシウム合金>
本発明板材は、実質的にマグネシウム合金と硬質粒子とで構成される。マグネシウム合金は、50質量%超のマグネシウム(Mg)と添加元素と不可避的不純物とで構成される合金であり、添加元素としては、例えば、アルミニウム(Al),亜鉛(Zn),マンガン(Mn)が挙げられる。Alを含有するマグネシウム合金は、耐食性に優れる。特に、Alを2.5質量%以上6.5質量%未満含有する場合、塑性加工が行い易く、6.5質量%以上20質量%以下含有する場合、耐食性がより高い。2.5質量%以上であると、後述するように硬質粒子を析出物とする場合、析出物が生成され易く、20質量%以下とすることで、塑性加工性の低下を抑制する。Alに加えてZn,Mnといった元素を含有するマグネシウム合金は、マグネシウム単体よりも強度や伸びといった機械的特性や耐食性に優れる。このようなマグネシウム合金として、ASTM規格のAZ系合金やAM系合金、具体的には、AZ31,AZ61,AZ63,AZ80,AZ81,AZ91やAM60,AM100などが挙げられる。添加元素の含有量を調整することで、所望の特性を有するマグネシウム合金とすることができる。
《組成》
硬質粒子は、母材であるマグネシウム合金(例えば、AZ91:弾性率45GPa)よりも弾性率が高いものとする。このような硬質粒子として、例えば、Al17Mg12といったAl-Mg系析出物、その他Al-Mn系析出物、Mg-Zn系析出物などの金属間化合物が挙げられる。これら金属間化合物は、200GPa程度の弾性率を持つと考えられる。その他の硬質粒子として、マグネシウムと反応し難い化合物、例えば、炭化珪素(SiC:弾性率260GPa)、窒化アルミニウム(AlN:弾性率200GPa)、窒化ホウ素(BN:弾性率369GPa)といったセラミックスや、ダイヤモンド(C:弾性率444GPa)などの単一元素物質が挙げられる。これらセラミックス粒子や単一元素粒子は、金属間化合物である析出物よりも弾性率が高く、板材の剛性をより高められる。
硬質粒子を析出によって生成する場合、本発明板材の製造条件を調整することで硬質粒子(析出物)を生成する。この場合、別途、粒子材料を準備する必要がない。マグネシウム合金の母材に硬質粒子を存在させる別の方法としては、例えば、硬質粒子を上述のマグネシウムと反応し難い化合物や物質とする場合、板材の中央領域に硬質粒子が存在し得る範囲でこれら化合物や物質を溶解中の任意の場所に挿入して母材に混合することで、剛性に優れる本発明板材を製造することができる。本発明板材は、析出物からなる粒子とセラミックスからなる粒子とが混在していてもよい。また、中央領域に存在する硬質粒子と、表面領域に存在する硬質粒子とが異なる組成からなるものでもよい。
本発明板材は、剛性を高めるために母材よりも硬度が高い硬質粒子を含有する。板材の剛性をより高めるためには、硬質粒子は、母材の硬度の2倍以上、更に10倍以上であることが好ましい。また、硬質粒子は、その弾性率が50GPa以上であることが望ましい。弾性率が50GPa以上であると、板材の剛性を高める効果が大きく、弾性率が高いほど同効果が得られるため、100GPa以上がより好ましい。
本発明板材は、表面側に存在する硬質粒子と、内部に存在する硬質粒子との大きさ(最大径)が異なることを最大の特徴とする。まず、板材の厚さ方向において板材の各表面から板材の厚さの40%以上離れた領域、つまり、板材の厚さ方向の中心を含む板材の厚さの20%の領域を中央領域とし、板材の各表面から板材の厚さの40%未満の領域、つまり、中央領域を挟むように存在する領域であって、板材の表面を含む板材の厚さの40%までの領域をそれぞれ表面領域とする。析出物やセラミックスは、伸びといった靭性が低いものが多く、硬質粒子がこのような析出物などから構成される場合、中央領域を大きくし過ぎると、塑性加工性が低下する恐れがある。そこで、本発明板材では、板厚の20%の領域を中央領域とするが、中央領域を板厚の10%の領域、即ち、表面領域を板材の表面から板厚の45%までの領域とすると、更に塑性加工性に優れて好ましい。そして、表面領域に存在する硬質粒子(以下、表面粒子と呼ぶ)は、塑性変形性を阻害しないように最大径を20μm以下とする。硬質粒子の最大径は、板材の厚さ方向の最大長さとする。表面粒子は、できるだけ小さい方が好ましく、5μm以下がより好ましい。特に、板材の耐食性や塗装性といった意匠性を考慮すると、板材の最表面に露出する硬質粒子はできる限り少なく、かつその最大径は5μm以下が好ましく、1μm以下がより好ましい。また、上記意匠性を考慮すると、板材の最表面に硬質粒子が実質的に存在しないことが好ましい。なお、実際の使用に際し、板材の表面が平滑でない場合、切削や研磨などの修正加工が行われることがある。この場合、修正加工後において、中央領域及び表面領域を決定する。
表面粒子の含有量は、板材の総体積に占める割合が0.5体積%以上15体積%以下が好ましい。表面粒子の含有量が上記範囲を満たすことで、中央領域との材料特性の差を小さくして、板材の塑性加工性の低下を抑制することができる。一方、中央領域ではある程度硬質粒子が存在しないと、十分に剛性を高められず、多過ぎると、脆弱になり易い。内部粒子の具体的な含有量は、板材の総体積に占める割合が0.5体積%以上15体積%未満であることが好ましい。硬質粒子を析出物からなるものとする場合、マグネシウム合金の組成を調整したり、製造条件を制御することで含有量を調整することができ、硬質粒子をセラミックス粒子からなるものとする場合、混合量を調整することで含有量を調整することができる。
本発明板材は、鋳造材、この鋳造材に圧延や押出といった1次塑性加工、更に熱処理を施した1次加工材が代表的な形態である。上記鋳造材は、表面側の硬質粒子が微粒であり、比較的粗大な硬質粒子が実質的に表面領域に存在しないため、圧延などの際に割れなどが生じ難く、塑性加工性に優れる。また、このような鋳造材に1次塑性加工を施すことで、鋳造時の欠陥などを除去して、表面性状を向上できる。特に、総圧下率30%以上の圧延加工を施した板材は、表面性状が高められるだけでなく、引張強度や伸びといった機械的特性が鋳造材よりも優れる。鋳造材に圧延などの塑性加工を施すと歪みが導入されるため、本発明板材は、塑性加工後、歪み除去を目的とする熱処理を施したものでもよい。得られた1次加工材も鋳造材と同様に塑性加工性に優れ、プレス加工や鍛造加工といった2次塑性加工時に割れなどが生じ難い。
本発明板材は、製造条件を調整することで種々の厚さを有する。特に、圧延などを施すことで1mm以下の薄板とすることができる。そして、本発明板材は、中央領域に比較的粗大な内部粒子が存在することで剛性が高められ、上述のように薄板としても、凹みなどの変形が生じ難い。
本発明板材は、その表面に被覆層を具えていてもよい。被覆層は、代表的には、防食処理(化成処理又は陽極酸化処理)による防食被膜と、装飾などを目的とした塗装膜とが挙げられる。防食被膜を具えると、耐食性を高められ、塗装膜を具えると、商品価値を高められる。本発明板材に塑性加工を施す場合、防食被膜は、塑性加工により損傷し難いので、塑性加工前に形成してもよいし、塑性加工後に形成してもよい。塑性加工前に防食被膜を具えると、塑性加工時に防食被膜が潤滑剤として機能する傾向にある。塗装膜は、塑性加工により損傷する恐れがあるため、塑性加工後に形成することが好ましい。
圧延などの1次塑性加工が施された1次加工材(本発明板材)にプレス加工や鍛造加工といった2次塑性加工を施すことで、本発明マグネシウム合金成形体が得られる。この本発明成形体は、本発明板材と同様に中央領域に比較的粗大な内部粒子が存在するため、剛性が高く、変形などが生じ難い。
本発明マグネシウム合金板材を鋳造材とする場合、例えば、以下の製造方法により製造することができる。
<鋳造材の製造>
《両領域における硬質粒子を析出物とする場合》
本発明マグネシウム合金板材に存在する硬質粒子を析出物からなるものとする場合、例えば、マグネシウム合金からなる溶湯を準備する工程と、この溶湯を鋳造して板材とする工程とを具え、鋳造工程において、溶湯表面の冷却速度が50K/秒以上1000K/秒以下となるように冷却を行うと共に、最終凝固に要する時間を制御する。端的に言うと、表面側と中心部分とで温度差を設けて溶湯を凝固する。特に、表面側を急冷することで、表面側に粗大な析出物が析出されることを防止し、かつ内部がゆっくり冷却されるように凝固時間を制御することで、板材の厚さ方向の中心及びその近傍に粗大な析出物が析出されるようにする。凝固時間の制御は、例えば、鋳造速度を調整することで行える。
析出物以外からなる硬質粒子、例えば、セラミックス粒子からなる硬質粒子を含有する本発明板材は、セラミックス粒子とマグネシウム合金との混合溶湯を用いることで製造可能である。より具体的には、所望のセラミックス粒子と、所望の組成のマグネシウム合金からなる溶湯とを混合した混合溶湯を準備し、表面領域を構成するマグネシウム合金からなる母材溶湯で上記混合溶湯を挟むようにして同時に鋳造する。このとき、上述した製造方法と同様に、冷却速度や鋳造速度を制御する。得られた板材は、中央領域がマグネシウム合金とセラミックス粒子との複合材料からなる。このように所望の硬質粒子を用いることで、粒子の組成や大きさを簡単に変化させることができる。
鋳造材の厚さは、3mm以上5mm以下が好ましい。厚さがこの範囲であると、安定して長尺材を形成できると共に、所望の組織に制御し易い。
得られた鋳造材に、組成の均質化や、塑性加工性を向上する目的で鋳造組織を再結晶組織とするための熱処理や時効処理、その他、後述するように析出物などの粒子の大きさを調整するために、熱処理を施してもよい。粒子の大きさを調整する熱処理の具体的な条件は、後述する。温度や時間は、合金組成によって適宜選択するとよい。
上記鋳造材(鋳造後熱処理が施されたものを含む)は、圧延や押出などの塑性加工性に優れており、このような塑性加工を施すことで、表面性状を改善したり、引張強度や伸びといった機械的特性を向上できる。特に、総圧下率20%以上の圧延を施すと、鋳造組織を実質的に圧延組織(再結晶組織)とすることができる。より好ましい総圧下率は30%以上である。圧延は1パス以上行い、1パスあたりの圧下率は、3〜30%が好ましく、更に7〜20%とすると、圧延材の縁部の割れが小さく、或いは同割れが生じ難く、平滑性に優れる圧延材が得られてより好ましい。また、圧延の際、被加工材の表面温度を150〜350℃、ロールの温度を150〜350℃にしておくと、割れなどが生じ難く加工性を高められると共に、加工時の熱による結晶組織の粗大化を抑制して、プレス加工や鍛造加工などの2次加工性に優れる圧延材が得られる。得られた1次加工材(代表的には圧延材)の両領域に存在する硬質粒子の大きさは、鋳造材のときとほぼ同じ大きさ、或いは塑性加工により粉砕されてより細かい。1次加工材の厚さは、例えば、0.4mm以上4.8mm以下が挙げられる。所望の厚さになるように鋳造材に圧延などを施す。
上記1次加工材(塑性加工後に熱処理されたものも含む)は、プレス加工や鍛造加工といった塑性加工性に優れており、このような塑性加工を施して得られた成形体は、軽量が望まれる種々の分野に好適に利用できる。特に、この成形体は、厚さが0.3〜1.2mm程度と薄くても剛性が高いため、撓んだり変形などが生じ難く、商品価値が高い。なお、成形体の厚さは、成形体全体に亘って均一的でなくても構わない。塑性加工により部分的に薄くなったり厚くなった部分を含んでいてもよい。
種々の組成のマグネシウム合金、及び適宜セラミックス粒子を用いて鋳造材を作製し、得られた鋳造材に適宜圧延を施して、種々の特性を調べた。
式(1) (出湯口内面の溶湯の温度と凝固材が鋳型との接触を終了する時点での熱電対の測定温度の差)/(凝固材が鋳型と接触する区間を移動する時間(sec))
上記地点Sの温度は、鋳込み開始温度を示し、地点Eの温度は、熱電対が凝固材と同じ速度で移動することで、具体的には半凝固状態にある凝固材に伴って熱電対が移動することによって測定できる(後述する試料No.7〜9も同様)。
式(2) (冷却速度)=(デンドライト間隔(μm)/35.5)(-3.23)
式(3) (出湯口内面の溶湯の温度と鋳造材の母相の固相線温度との差)/(鋳造材表面が母相の固相線温度になるまでの区間長さを移動する時間(sec))
式 (体積割合)=(4×n×S0 1.5)/(3×S×π)
20 混合溶湯 21 表面溶湯
Claims (9)
- マグネシウム合金からなる板材であって、
マグネシウム合金からなる母材中に硬質粒子を含有しており、
前記板材の厚さ方向において、板材の各表面から板材の厚さの40%までの領域を表面領域とし、残部の領域を中央領域とするとき、
前記中央領域に存在する全ての硬質粒子のうち、最も大きい硬質粒子の最大径が20μmを超えて50μm未満であり、
前記表面領域に存在する全ての硬質粒子のうち、最も大きい硬質粒子の最大径が20μm以下であり、
板材の総体積に占める前記中央領域に存在する20μmを超えて50μm未満の硬質粒子の体積割合が0.5%以上15%未満であり、
板材の総体積に占める前記中央領域に存在する硬質粒子の体積割合が0.5%以上15%未満であることを特徴とするマグネシウム合金板材。 - 前記表面領域に存在する全ての硬質粒子のうち、最も大きい硬質粒子の最大径が5μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム合金板材。
- 前記板材は、総圧下率20%以上の圧延加工が施されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のマグネシウム合金板材。
- 前記表面領域を構成する母材は、アルミニウムを2.5質量%以上6.5質量%未満含有し、シリコン及びカルシウムが合計で0.5質量%以下であるマグネシウム合金からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマグネシウム合金板材。
- 前記表面領域を構成する母材は、アルミニウムを6.5質量%以上20質量%以下含有し、シリコン及びカルシウムが合計で0.5質量%以下であるマグネシウム合金からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマグネシウム合金板材。
- 前記中央領域に存在する硬質粒子は、析出物からなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のマグネシウム合金板材。
- 前記板材の表面に被覆層を具えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載のマグネシウム合金板材。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載されるマグネシウム合金板材に塑性加工が施されてなることを特徴とするマグネシウム合金成形体。
- 更に、その表面に被覆層を具えることを特徴とする請求項8に記載のマグネシウム合金成形体。
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