JP5046178B2

JP5046178B2 - マグネシウム合金材及びその製造方法

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Publication number: JP5046178B2
Application number: JP2006261407A
Authority: JP
Inventors: 幸広大石; 望河部
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-09-26
Filing date: 2006-09-26
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2026-09-26
Also published as: JP2008081773A

Description

本発明は、マグネシウム合金からなり、引き抜きにより得られるマグネシウム合金材、及びこの合金材の製造方法に関するものである。特に、温間特性に優れるマグネシウム合金材に関するものである。

マグネシウムは、アルミニウムよりも軽く、比強度、比剛性が鋼やアルミニウムよりも優れており、航空機部品、自動車部品などの他、各種電気製品のボディーなどへの利用が期待されている。近年、マグネシウムを主成分とするマグネシウム合金からなるワイヤ、パイプ、板などが開発されてきている。マグネシウム合金からなるワイヤやパイプは、押出材といった母材を引き抜くことで得られる。また、得られた引抜材に150〜300℃の熱処理を施すことで、高強度、高靭性のマグネシウム合金材が得られることが特許文献1,2に開示されている。更に、Caを添加することで、高強度と高靭性とのバランスに優れるマグネシウム合金パイプが得られることが特許文献3に開示されている。

特開2003-293069号公報特開2004-232075号公報特開2006-16655号公報

特許文献1〜3に開示される従来のマグネシウム合金材は、使用環境温度が室温程度である場合、優れた強度や靭性を具えている。しかし、従来のマグネシウム合金材は、使用環境温度が100℃〜200℃程度といった温間環境下で使用する場合、十分な機械的特性を有しておらず、このような温間環境下において機械的特性に優れるマグネシウム合金材の開発が望まれる。

そこで、本発明の主目的は、温間特性に優れるマグネシウム合金材を提供することにある。また、本発明の他の目的は、温間特性に優れるマグネシウム合金材を製造することができるマグネシウム合金材の製造方法を提供することにある。

本発明者らは、種々の合金組成の引抜材に様々な温度で熱処理を施した熱処理材について、合金の添加元素と機械的特性の測定試験時の温度との影響について調べた。その結果、本発明者らは、特定の組成からなるマグネシウム合金の引抜材に特定の温度で熱処理を施すことで、温間特性に優れるマグネシウム合金材が得られる、との知見を得た。この知見に基づき、本発明合金材を規定する。

具体的には、第一の本発明マグネシウム合金材は、質量％で、Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不純物からなり、引抜加工が施されており、以下の式(I)に示す引張強さTS(MPa)を満たす。
式(I) TS≧(26-0.1×T)×A+(239-0.77×T)
但し、A:Alの含有量(質量％)、T:引張強さの試験温度(℃)、100≦T≦200とする。

第二の本発明マグネシウム合金材は、質量％で、Al:2.0〜4.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不純物からなり、引抜加工が施されており、クリープ歪みが0.25％以下である。クリープ歪みは、次の試験条件で行ったクリープ試験により求める。
試験条件試験温度:125℃、負荷:50MPa、試験時間:100時間

第三の本発明マグネシウム合金材は、質量％で、Al:4.0％超8.0％以下、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不純物からなり、引抜加工が施されており、クリープ歪みが0.20％以下である。クリープ歪みは、上記第二の本発明マグネシウム合金材のクリープ試験の試験条件と同様にして求める。

上記本発明マグネシウム合金材は、以下の本発明製造方法により製造することができる。本発明マグネシウム合金材の製造方法は、質量％で、Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有するマグネシウム合金からなる母材を引き抜く工程と、得られた引抜材に以下の熱処理I又は熱処理IIを行う工程とを具える。
熱処理I 得られた引抜材に400℃超の温度で熱処理を施す。
熱処理II 得られた引抜材に350℃以上の温度で第一熱処理を施し、第一熱処理が施された熱処理材に150〜250℃の範囲の温度で第二熱処理を施す。

本発明マグネシウム合金材は、100℃〜200℃といった温間環境下においても強度が高く、クリープ歪みが小さいという優れた温間特性を有する。従って、本発明マグネシウム合金材は、このような温間環境下での利用が期待できる。このような温間特性に優れる本発明マグネシウム合金材は、引抜材に上記特定温度の熱処理を施す工程を具える本発明製造方法により製造することができる。以下、本発明を詳しく説明する。

本発明マグネシウム合金材を構成するマグネシウム合金は、以下の添加元素を含有し、残部がMg及び不純物からなるものとする。
[添加元素] 単位は質量％
Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％
Al,Zn,Mnといった元素を上記範囲で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、耐食性といった機械的特性を向上できる。また、これらの元素に加えて、上記範囲でCaを添加したマグネシウム合金は、引抜加工などの塑性加工後の熱処理による再結晶時に結晶粒の成長を抑制する効果がある。そのため、このCaを含有したマグネシウム合金は、Caを含有していない合金のように塑性加工性を大きく低下させるような粗大な結晶が生じないため、強度と靭性とをバランスよく具えることができる。従って、本発明マグネシウム合金材は、二次加工が施されるような材料にも好適に利用できる。また、Caは、マグネシウム合金の難燃性を高めることができ、熱処理による合金の燃焼を効果的に防止する。

上記組成のマグネシウム合金として、ASTM記号におけるAZ系,AM系のマグネシウム合金に上記範囲のCaを添加したものを利用することができる。AZ系マグネシウム合金は、AZ21,AZ31,AZ61,AZ80など、AM系マグネシウム合金は、AM60,AM100などが挙げられる。不純物は、主として不可避的不純物とする。不可避的不純物は、Fe,Cu,Ni,Siなどがある。

本発明マグネシウム合金材は、上記組成のマグネシウム合金からなる母材に引抜加工が施されている。母材は、上記組成のマグネシウム合金を溶解して鋳造し、得られた鋳造材に圧延加工や押出加工などを施したもの、或いは市販の圧延材や押出材が利用できる。引抜前に母材に溶体化処理といった熱処理を施してもよい。引抜加工は、伸線ダイスやローラダイスを用いて行う。引抜加工の条件は、加工温度:250℃以下(好ましくは100℃以上、より好ましくは150℃以上)、加工温度への昇温速度:1℃/sec〜100℃/sec、加工度(断面減少率):3〜25％/1パス、線速:1m/min以上、加工後の冷却速度:0.1℃/sec以上が挙げられる。加工温度が高いほど、被加工材の引抜加工性を高められ、例えば、大きな加工度での加工が可能となる。或いは、加熱を行わず室温にて引抜加工を行ってもよい。室温にて引抜加工を行う場合は、例えば、1パスあたりの加工度を小さくしたり(合金組成にもよるが概ね15％以下、好ましくは10％以下)、一旦、上述した加熱を伴う引抜加工を行った後に予備熱処理を施して結晶を微細化し、被加工材の引抜加工性を高めてから引き抜くことが好ましい。予備熱処理条件は、加熱温度:200℃以上400℃以下(好ましくは250℃以上350℃以下)、保持時間:15〜60分程度が挙げられる。このような引抜加工を母材に1パス以上施して引抜材を得る。複数パスに亘って引抜加工を行う場合、1パスごと又は複数パス(例えば、2〜3パス)ごとに中間熱処理を施し、引抜加工によって被加工材に導入された歪みを回復させたり、再結晶された結晶粒の微細化を促進させることができる。中間熱処理条件は、加熱温度:100℃以上400℃以下(好ましくは150℃以上)、保持時間:5〜20分程度が挙げられる。また、引抜加工は、潤滑剤を用いて行うことが好ましい。

上記引抜加工が施された引抜材に熱処理I又は熱処理IIを施すことで、温間特性に優れる本発明マグネシウム合金材が得られる。

熱処理Iの加熱温度は、400℃超とする。400℃以下では、所定の温間特性を有するマグネシウム合金材が得られない。加熱温度は、高いほど温間特性に優れたマグネシウム合金材が得られるため、溶融温度以下の温度であればよい。溶融温度は、合金組成、特にAlの含有量によって異なる。保持時間は、10〜120分が好ましく、15〜60分がより好ましい。

熱処理Iでは、一段階の熱処理を行うのに対して、熱処理IIでは、第一熱処理と第二熱処理との二段階に分けて熱処理を行う。第一熱処理の加熱温度は、350℃以上とする。加熱温度は、高いほど温間特性に優れたマグネシウム合金材が得られるため、溶融温度以下の温度であればよい。保持時間は、10〜120分が好ましく、15〜60分がより好ましい。第一熱処理は、上記熱処理Iと同様の条件(加熱温度)としてもよい。

第二熱処理は、時効に相当するものであり、第一熱処理よりも低温で長時間行う。具体的には、第二熱処理の加熱温度は、150〜250℃とする。保持時間は、2〜24時間が好ましく、8〜16時間がより好ましい。第一熱処理を上記熱処理Iと同様の条件(加熱温度)とする場合、このような比較的低温で長時間の第二熱処理を行うことで、熱処理Iのみの場合と比較してクリープ特性をより向上することができる。第一熱処理の加熱温度を350〜400℃とする場合、更に第二熱処理を施すことで、熱処理Iを施したマグネシウム合金材と同程度の温間特性を有するマグネシウム合金材とすることができる。第二熱処理の加熱温度が150℃未満では、第一熱処理の加熱温度が400℃超の場合、クリープ特性の更なる向上効果が得られず、第一熱処理の加熱温度が350℃〜400℃の場合、温間特性に優れるマグネシウム合金材が得られない。第二熱処理の加熱温度は、150〜200℃がより好ましく、250℃を超えると、逆に温間特性が低下する。

引抜材に上記特定の熱処理を施して得られた本発明マグネシウム合金材は、ワイヤ、バー、パイプといった引抜加工により得られる種々の形態が挙げられる。また、本発明マグネシウム合金材は、100〜200℃といった温間環境において優れた強度やクリープ特性を有する。具体的には、本発明マグネシウム合金材は、引張強さTSが上記式(I)を満たす。本発明者らは、後述する実施例に示すように、添加元素の含有量が異なるマグネシウム合金からなる引抜材に、種々の温度で熱処理を施し、得られた熱処理材について、使用温度域(100〜200℃)における引張強度を測定した。そして、本発明者らは、測定結果から引張強度に対する添加元素の含有量と使用温度との影響を推測して上記式(I)を求めるに至った。同じ組成のマグネシウム合金材において100〜200℃の範囲での引張強さTSは、熱処理Iの加熱温度、又は熱処理IIの第一熱処理の加熱温度を高くすると、大きくなり易い。100℃〜200℃の温度範囲において引張強さTSが式(I)を満たさないマグネシウム合金材は、温間環境下で十分な強度を有していると言えない。また、本発明マグネシウム合金材は、クリープ歪みが0.25％以下(Alの含有量が2.0〜4.0質量％の場合)、又は0.20％以下(Alの含有量が4.0質量％超8.0質量％以下の場合)を満たす。同じ組成のマグネシウム合金材においてクリープ歪みは、熱処理Iの加熱温度、又は熱処理IIの第一熱処理の加熱温度を高くすると、小さくなり易い。

引張強さの測定は、JIS Z 2241(1998)に規定される引張試験方法に準じて行う。特に、100℃〜200℃の範囲から選択された温度に試験片を加熱した状態で行う。標点距離は、15mm、歪速度は、0.001/sとする。クリープ歪みの測定は、JIS Z 2271(1999)に規定されるクリープ試験方法に準じて行う。試験条件は、試験温度:125℃、負荷:50MPa、試験時間:100時間とする。

本発明マグネシウム合金材は、温間特性に優れており、100〜200℃といった温度域の環境での利用が期待できる。また、本発明マグネシウム合金材の製造方法は、上記温間特性に優れるマグネシウム合金材を製造することができる。

本発明の実施の形態を説明する。
以下に示す組成のマグネシウム合金からなる押出材(φ16mmのバー)を準備し、この押出材を以下の条件で引き抜き、φ8.0mmの引抜材を得た。この引抜材に表1,2に示す条件で熱処理を施した。熱処理が施された試料に、以下に示す条件で引張試験、及びクリープ試験を行い、引張強度、及びクリープ歪みを測定し、その結果を表1,2に示す。表1,2において「式の値」とは、以下の式から演算した値である。
TS≧(26-0.1×T)×A+(239-0.77×T)
A:Alの含有量(質量％)、T:引張試験の試験温度(100,125,150,200℃)、TS:引張強度(MPa)

[組成] 単位は質量％
組成I(Caを添加したAZ31相当合金材);Al:3.2、Zn:0.77、Mn:0.35、Ca:1.01、残部Mg
組成II(Caを添加したAZ61相当合金材);Al:6.2、Zn:0.65、Mn:0.32、Ca:1.22、残部Mg
[引抜加工条件]
1パスあたりの加工度:15〜17％(総加工度:75％)
加工温度:140〜180℃の範囲から選択
[引張試験条件]
JIS Z 2241(1998)に規定される引張試験方法に準ずる
試験温度:100,125,150,200℃
歪速度:0.001/s
試料の標点距離:15mm
[クリープ試験条件]
JIS Z 2271(1999)に規定されるクリープ試験方法に準ずる
試験温度:125℃
負荷(応力):50MPa
試験時間:100時間

表1,2に示すように、引抜材に400℃を超える温度で熱処理を行った試料、及び350℃以上の温度で熱処理を行った後、時効を行った試料は、100〜200℃といった温間温度域全域に亘って、引張強さが高く、クリープ歪みが組成Iの試料で0.25％以下、組成IIの試料で0.20％以下となっている。従って、これらの試料は、温間環境下において強度に優れ、かつクリープ特性も良好であると推測される。また、350℃以上の温度で熱処理を行った後、更に150〜250℃の間の温度で熱処理(時効)を行った試料は、クリープ特性が更に良好になっている。

表2には示していないが、試料No.6-10に対して第二の熱処理の加熱温度を250℃を超える温度に変更して熱処理を行ったところ、試料No.6-10よりも温間特性が低下した。

以上から、引抜後、400℃超の温度で熱処理を行う、又は350℃以上の温度で熱処理を行った後、時効を行うことで、100〜200℃といった温間温度域において強度とクリープ特性とに優れるマグネシウム合金材を製造できることが確認された。

以下、この試験結果から、TS≧(26-0.1×T)×A+(239-0.77×T)を求めた過程を説明する。上記試験結果から、引張強さは、Alの含有量に影響を受け易く、Caの影響度は小さいと考えられる。そこで、含有量が3.0質量％以下であるCaは影響度をOとして、各試験温度(100℃、150℃、200℃)における引張強さとAlの含有量との関係をみると、引張強さは、Alの含有量が2.0〜8.0質量％の範囲でリニアに変化すると考えられる。また、試験温度：100℃において、組成I(Alの含有量:3.2質量％)のとき、試料No.3-2(引張強さ：212MPa)と試料No.3-3(引張強さ：215MPa)との間に温間特性の優劣の境界が存在し、組成II(Alの含有量:6.2質量％)のとき、試料No.6-2(引張強さ：261MPa)と試料No.6-3(引張強さ：265MPa)との間、或いは試料No.6-5(引張強さ：261MPa)と試料No.6-6(引張強さ：264MPa)との間に温間特性の優劣の境界が存在すると考えられる。そこで、上記試料間の中間値を境界とし、100℃において引張強さに優れる領域を表わすと、以下の式(i)のようになる。試験温度：150℃のとき、及び200℃のときも100℃の場合と同様に上記試料間の中間値を境界とし、150℃において引張強さに優れる領域、200℃において引張強さに優れる領域を表わすと、以下の式(ii),(iii)のようになる。なお、数値は、小数点以下を切り捨てて求めており、多少の誤差を含む。

試験温度:100℃ TS≧16×A+162 … 式(i)
試験温度:150℃ TS≧11×A+124 … 式(ii)
試験温度:200℃ TS≧6×A+85 … 式(iii)

式(i)〜(iii)においてAの係数は、試験温度T(℃)に伴って変化し、Aの係数と試験温度とは、リニアの関係(比例関係)があると考えられる。そこで、上記式(i)〜(iii)におけるAの係数と試験温度Tとの関係を求めると、以下の式で表わされる。
(Aの係数)＝-0.1×T+26

また、式(i)〜(iii)においてTS軸切片は、試験温度T(℃)に伴って変化し、この切片と試験温度とは、リニアの関係があると考えられる。そこで、上記式(i)〜(iii)における切片と試験温度Tとの関係を求めると、以下の式で表わされる。
(TS軸の切片)＝-0.77×T+239

本発明マグネシウム合金材は、使用環境温度が100〜200℃といった温間環境下で利用される構造物、例えば、自動車部品などを構成するワイヤ、パイプ、バーといった構成材料に好適に利用することができる。また、本発明マグネシウム合金材の製造方法は、温間特性に優れるマグネシウム合金材の製造に利用することができる。

Claims

質量％で、Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
引抜加工が施されており、
以下に示す引張強さを満たすことを特徴とするマグネシウム合金材。
Alの含有量(質量％)をA、引張強さの試験温度(℃)をT、引張強さ(MPa)をTSとするとき、100≦T≦200において
TS≧(26-0.1×T)×A+(239-0.77×T)
質量％で、Al:2.0〜4.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
引抜加工が施されており、
クリープ歪みが0.25％以下であることを特徴とするマグネシウム合金材。
但し、クリープ試験の条件は、試験温度:125℃、負荷:50MPa、試験時間:100時間とする。
質量％で、Al:4.0％超8.0％以下、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
引抜加工が施されており、
クリープ歪みが0.20％以下であることを特徴とするマグネシウム合金材。
但し、クリープ試験の条件は、試験温度:125℃、負荷:50MPa、試験時間:100時間とする。
質量％で、Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不可避的不純物から構成されるマグネシウム合金からなる母材を引き抜く工程と、
得られた引抜材に400℃超の温度で熱処理を施す工程とを具えることを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。
質量％で、Al:2.0〜8.0％、Zn:0.1〜2.0％、Mn:0.01〜2.0％、Ca:0.1〜3.0％を含有し、残部がMg及び不可避的不純物から構成されるマグネシウム合金からなる母材を引き抜く工程と、
得られた引抜材に350℃以上の温度で第一熱処理を施す工程と、
第一熱処理が施された熱処理材に150〜250℃の範囲の温度で第二熱処理を施す工程とを具えることを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。