(57)【要約】【課題】  強度と耐食性の両方が優れたマグネシウム−リチウム合金及びその製造方法を提供する。【解決手段】  体心立方構造を有する固溶体単相のマグネシウム−リチウム合金を切断して等分する。等分した２枚のマグネシウム−リチウム合金の表面を機械研磨し、アセトン（有機溶剤）で脱脂する。機械研磨した表面を接合させて２枚のマグネシウム−リチウム合金をチャンネルダイ（コの字型の金型）に重ね置く。プレスして圧縮接合する。切断、研磨、脱脂、重ね、圧縮接合を巨大ひずみ加工の１サイクルとする。巨大ひずみ加工のサイクル数を増やすことにより、合金組成を変えることなく、強度と耐食性の両方が優れたマグネシウム−リチウム合金を得ることができる。【選択図】  図１
2020002405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
体心立方構造を有する固溶体単相であり、平均結晶粒径が３μｍ以下であることを特徴と
するマグネシウム−リチウム合金。
【請求項２】
体心立方格子構造を有する固溶体単相のマグネシウム−リチウム合金に巨大ひずみ加工を
施すことを特徴とするマグネシウム−リチウム合金の製造方法。
【請求項３】
巨大ひずみ加工は、繰り返しチャンネルダイ圧縮接合によるものであることを特徴とする
請求項２記載のマグネシウム−リチウム合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム−リチウム合金及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造用金属材料として、マグネシウム合金が注目されている。特に、マグネシウ
ム−リチウム合金は、軽量であり、体心立方格子構造ＢＣＣの結晶構造のものは加工性に
優れることから、自動車分野や航空機分野における構造用金属材料として期待されている
。
【０００３】
自動車分野や航空機分野に利用される構造用金属材料は、軽量性、強度、耐食性等のい
ずれの機械特性も優れていることを要求される。
しかし、リチウムＬｉは電気化学的に卑な元素であるため、リチウム含有量を多く含む
マグネシウム−リチウム合金は、耐食性に乏しかった。
【０００４】
現在、耐食性に優れたマグネシウム−リチウム合金、圧延材、成型品及びその製造方法
が提供されている（例えば、特許文献1）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５７３１２０６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１のマグネシウム−リチウム合金は、Ｌｉを１０．５質量％以上、１６．０質
量％以下と、Ａｌを０．５０質量％以上、１．５０質量％以下と、Ｃａを０．１０質量％
以上、０．５０質量％以下と、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｔｉ、又は原子番号５７〜６４
の希土類金属元素のいずれか１種を５．０質量％以下とを含有し、残部Ｍｇからなる、平
均結晶粒径が５μｍ以上、４０μｍ以下、引張強度が１５０ＭＰａ以上で、β相単相であ
る。このβ相単相のマグネシウム−リチウム合金は、加工性と耐食性に優れたものである
。
【０００７】
しかし、構造用金属材料として利用されるマグネシウム−リチウム合金は、軽くて強度
も優れたものでなければならない。
【０００８】
上記問題を解決するために、強度と耐食性の両方が優れたマグネシウム−リチウム合金
及びその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のマグネシウム−リチウム合金は、平均結晶粒径が３μｍ以下の体心立方格子構
造を有する固溶体単相であるようにしたものである。
【００１０】
本発明のマグネシウム−リチウム合金の製造方法は、体心立方格子構造を有する固溶体
単相のマグネシウム−リチウム合金に巨大ひずみ加工を施すようにしたものである。
また、巨大ひずみ加工は、繰り返しチャンネルダイ圧縮接合によるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、構造用金属材料として利用できる、強度及び耐食性の両方が優れたマグ
ネシウム−リチウム合金を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のマグネシウム−リチウム合金の製造方法を表わす図である。
【図２】本発明のマグネシウム−リチウム合金の結晶構造を表わす図である。
【図３】本発明のマグネシウム−リチウム合金の強度を表わす図である。
【図４】本発明のマグネシウム−リチウム合金の耐食性を表わす図である。
【図５】本発明のマグネシウム−リチウム合金の機械特性を表わす図である。
【図６】本発明のマグネシウム−リチウム合金の特徴を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本願発明者らは、従来のマグネシウム−リチウム合金の強度及び耐食性を高めるために
鋭意研究した結果、マグネシウム−リチウム合金に大きなひずみを加えることで結晶粒径
を微細化して強度を高めることができ、同時に耐食性も高まる現象を見出した。巨大ひず
み加工によってマグネシウム−リチウム合金へ与えられる変形量（相当ひずみ）と、合金
の微細構造、強度及び耐食性の関連性について検証を進めた結果、加工性に優れる体心立
方構造を有する固溶体単相のマグネシウム−リチウム合金に繰り返しチャンネルダイ圧縮
接合を施すことにより、マグネシウム−リチウム合金の強度及び耐食性を同時に向上する
ことが分かった。
巨大ひずみ加工法は、繰り返しチャンネルダイ圧縮接合による加工法に限るものではな
く、材料（マグネシウム−リチウム合金）に大きな変形を付与し結晶粒径を微細化する加
工法であればよい。
【００１４】
本発明のマグネシウム−リチウム合金及びマグネシウム−リチウム合金の製造方法は、
マグネシウム−リチウム合金の強度及び耐食性の両方を同時に向上させることを実現する
ものである。
【実施例】
【００１５】
本発明のマグネシウム−リチウム合金は、体心立方格子構造ＢＣＣを有する固溶体単相
であり、平均結晶粒径が３μｍ以下のものである。本発明のマグネシウム−リチウム合金
の製造方法は、基材となるマグネシウム−リチウム合金に、繰り返しチャンネルダイ圧縮
接合による巨大ひずみ加工を施して得るものである。
本実施例では、基材となるマグネシウム−リチウム合金に、株式会社三徳製ＬＡ１４３
合金、商品名「ＳａｎＭａＬｉａ」（登録商標）を用いた。このマグネシウム−リチウム
合金は、表１に示す化学組成からなるものであり、体心立方構造ＢＣＣを有する固溶体で
ある。
【００１６】
【表１】
2020002405.tif 000003
【００１７】
基材となるマグネシウム−リチウム合金は、約１４質量％のリチウムＬｉ、約３質量％
のアルミニウムＡｌ、約０．２質量％のカルシウムＣａを含み、その他亜鉛Ｚｎ、ケイ素
Ｓｉ、鉄Ｆｅ、銅Ｃｕ、ニッケルＮｉ、マンガンＭｎを含み、残部がマグネシウムＭｇで
あるマグネシウム合金ＬＡ１４３である。
なお、本発明のマグネシウム−リチウム合金の化学組成はこれに限られるものではない
。基材となるマグネシウム−リチウム合金には、異種元素を成分（化学組成）として含有
したものを含む。異種元素の選択肢として、Ａｌ、Ｚｎ、希土類元素が考えられる。異種
元素量の許容範囲は、実用材の場合、９質量％以下になると考えられる。
また、ＢＣＣ単相を得るために、Ｌｉは１１質量％以上とする。
【００１８】
本実施例に用いる基材は、長さＬ８ｍｍ×幅Ｗ８ｍｍ×厚さＨ１ｍｍに切り出したマグ
ネシウム−リチウム合金ＬＡ１４３の試験片（以下、「ＬＡ１４３合金シート試料」とい
う。）であり、３００℃で１時間保持する熱処理（焼きなまし）を施したもの（以下、「
熱処理材」という。）である。
本発明のマグネシウム−リチウム合金は、ＢＣＣ単相のマグネシウム−リチウム合金を
基材とするものである。鋳造まま（成型品）の場合、材料組織は冷却過程における熱でＢ
ＣＣ相とＨＣＰ相の複合となっている。上記熱処理は、ＢＣＣ相とＨＣＰ相の複合となっ
ている材料組織を均一なＢＣＣ単相へ変化させるための熱処理である。
材料組織を均一なＢＣＣ単相へ変化させるための熱処理は、本発明において不可欠なも
のであるが、熱処理温度を３００℃に限定するものではなく、３００℃乃至４００℃程度
が好ましいと考える。
【００１９】
（巨大ひずみ加工について）
図１は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の製造方法を表わす図である。
図１の模式図は、巨大ひずみ加工法の一つである、繰り返しチャンネルダイ圧縮接合Ａ
ＣＣＢ法（accumulative channel-die compression-bonding）を示すものである。プレス
加工（圧縮接合）を施した材料（基材となるマグネシウム−リチウム合金の試験片）を重
ね合わせ、更にプレス加工を施すことにより、材料に大きな変形を付与する。
まず、熱処理した長さＬ８ｍｍ×幅Ｗ８ｍｍ×厚さＨ１ｍｍのＬＡ１４３合金シート試
料（基材）を切断し、長さＬ４ｍｍ×横Ｗ８ｍｍ×厚さＨ１ｍｍの試験片に等分する（図
１（ａ））。
次に、等分した２枚の試験片の表面を機械研磨し、アセトン（有機溶剤）で脱脂する（
図１（ｂ））。
次に、機械研磨した表面を接合させて２枚の試験片をチャンネルダイ（コの字型の金型
）に重ねて２ｍｍ厚にして置く（図１（ｃ））。
次に、圧下率５０％、ひずみ速度１．０ｓ−１で、プレスして圧縮接合し、長さＬ８ｍ
ｍ×幅Ｗ８ｍｍ×厚さＨ１ｍｍの試料を得る（図１（ｄ））。
図１（ａ）乃至（ｄ）の切断、研磨、脱脂、重ね、圧縮接合を巨大ひずみ加工の１サイ
クルとする。
【００２０】
本実施例では、ＬＡ１４３合金シート試料に１サイクル乃至５サイクルの巨大ひずみ加
工を施した。１サイクル乃至５サイクルの巨大ひずみ加工を施したＬＡ１４３合金シート
試料は、図２乃至図６中の実験例１〜実験例５のマグネシウム−リチウム合金である。
【００２１】
本実施例では、１サイクル乃至５サイクル施したマグネシウム−リチウム合金（実験例
１〜実験例５のマグネシウム−リチウム合金）を用意した。
巨大ひずみ加工によるマグネシウム−リチウム合金の変形量は、相当ひずみεによって
評価する。相当ひずみεは、チャンネルダイを用いた場合は、下記数式１よって求められ
る。
【数１】
2020002405.tif 000004
ここで、ｒは圧下率（本実施例では０．５）である。数式１により、１サイクルの巨大
ひずみ加工で得られる試験片（実験例１のマグネシウム−リチウム合金）に加えられる相
当ひずみεは０．８と計算される。５サイクルの巨大ひずみ加工で得られる試験片（実験
例５のマグネシウム−リチウム合金）に加えられる相当ひずみεは４．０である。
これまでの巨大ひずみ加工（ACCB法やARB法）の研究によれば、巨大ひずみ加工では、
微結晶粒化による材料の強化が、少なくともトータルの相当ひずみεが４．０に達するま
で進むことが示されていることから、本実施例では、トータルの相当ひずみεが４．０に
達する５サイクルまで、ＬＡ１４３合金シート試料に加工を施した。
【００２２】
（マグネシウム−リチウム合金の結晶構造）
図２は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の結晶構造を表わす図である。
Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、ＳｍａｒｔＬａｂ ９ｋＷ）を用いて、熱処理材お
よび実験例１〜５のマグネシウム−リチウム合金の結晶構造を調べた。
ＬＡ１４３合金シート試料の表面をエメリー紙とアルミナスラリー（粒径０．１μｍ）
を用いて機械研磨し、２％硝酸エタノール溶液でエッチングし測定試料とした。Ｘ線回折
測定の条件は、線源：ＣｕＫα（λ＝０．１５４ｎｍ）、測定法：連続法、回折角：２θ
＝３０〜８０°、ステップ幅：０．０１°、加速電圧：４０ｋＶ、管電流：２００ｍＡで
行った。測定面は、ＴＤ−ＬＤ面（圧延方向と垂直な面）について測定した。
測定の結果、図２に示すＸ線回折パターンが得られた。得られたＸ線回折パターンを解
析（株式会社リガク, ＰＤＸＬ software version 2.7.3.0）した結果、実験例１〜５の
マグネシウム−リチウム合金の結晶構造は、いずれもＢＣＣ単相であった。巨大ひずみ加
工前の試料（熱処理材）はＢＣＣ単相であり、巨大ひずみ加工を施した後も変化していな
いことが分かった。
【００２３】
（マグネシウム−リチウム合金の結晶粒径）
実験例１〜５の試験片（マグネシウム−リチウム合金）の結晶粒径を観察した。
熱処理材（巨大ひずみ加工を施していないマグネシウム−リチウム合金）の平均結晶粒
径は１０μｍ程度であったが、実験例５の試験片（５サイクルの巨大ひずみ加工を施した
マグネシウム−リチウム合金）の平均結晶粒径は０．５−１．０μｍ程度まで微細化され
ていた。これにより、マグネシウム−リチウム合金に巨大ひずみ加工を施すことで、マグ
ネシウム−リチウム合金の結晶粒径を微細化できることが分かった。
なお、上記平均結晶粒径は、数十個程度の結晶粒があるＳＥＭ像から切片法により算出
した値である。
【００２４】
（マグネシウム−リチウム合金の硬度）
図３は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の強度を表わす図である。
巨大ひずみ加工前後の試料のビッカース硬度は、ビッカース試験機（島津製作所製、Ｈ
ＭＶ−Ｇ２１ＳＴ）を用いて測定した。ＴＤ−ＬＤ面に、室温において荷重０．１ｋｇで
圧痕を１５点打ち込み、この平均値を試料のビッカース硬度とした。加工前のＬＡ１４３
合金シート試料のビッカース硬度は５７．８ＨＶであった。加工を１サイクル加え相当ひ
ずみを導入するとビッカース硬度が増し、５サイクルの加工を施した後のＬＡ１４３合金
シート試料は加工前の約１．５倍の８６．１ＨＶであった（図３）。巨大ひずみ加工し、
相当ひずみを導入することで高い強度のマグネシウム−リチウム合金が得られた。なお、
いずれの試料においても、圧痕の対角線はほぼ同じ長さであった。このことから、加工を
加えた後においても、硬度の異方性が無いことがわかった。
本実施例において、ビッカース硬度は、相当ひずみ４．０程度の加工を施した時がピー
クであった。
また、巨大ひずみ加工を施したＬＡ１４３合金シート試料のビッカース硬度は、平均結
晶粒径が３μｍ以下になると、汎用Ｍｇ合金(例えばＡＺ３１合金のビッカース硬度６０
−７０ＨＶ程度)を上回った。
【００２５】
（マグネシウム−リチウム合金の耐食性）
図４は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の耐食性を表わす図である。
巨大ひずみ加工前後の試料（熱処理材）を、塩化ナトリウム水溶液による浸漬試験を行
った。予め重量と表面積を計測した試料を、室温で３．５質量％塩化ナトリウム水溶液に
浸漬した。浸漬時間が３０分経過するごとに重量減少量を計測し、ＴＤ−ＬＤの表面積で
除して単位表面積あたりの重量減少量を求めた。
実験例１〜実験例５のマグネシウム−リチウム合金のいずれの試料についても、塩化ナ
トリウム水溶液への浸漬によって重量が減少し、浸漬時間と共に重量減少量が増した。３
時間経過後の重量減少量は、加工前の試料で最も大きく、加工を加えるごとに小さくなっ
た。1サイクルの巨大ひずみ加工によっても、マグネシウム−リチウム合金の耐食性が向
上した。５サイクルの加工を加えた試料が最も重量減少量が小さかった。巨大ひずみ加工
を加えることで、耐食性が高いマグネシウム−リチウム合金が得られた。
本耐食性試験により、巨大ひずみ加工によって結晶粒径が微細化されることにより、マ
グネシウム−リチウム合金の耐食性を改善できることが分かった。
【００２６】
図５は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の機械特性を表わす図であり、実験例１
〜５のマグネシウム−リチウム合金について、ビッカース硬度と耐食性（３時間浸漬後の
重量減少量）の関係を示すものである。
ビッカース硬度と耐食性との関係では、巨大ひずみ加工のサイクルが増えると、マグネ
シウム−リチウム合金のビッカース硬度と耐食性が同時に向上する。体心立方構造を有す
る固溶体単相のマグネシウム−リチウム合金に大きな変形を付与し、ＡＣＣＢのサイクル
を増加させることすなわち結晶粒径をより微細化することにより、強度と耐食性を同時に
向上させることができることが分かった。
【００２７】
図６は、本発明のマグネシウム−リチウム合金の特徴を表わす図であり、ビッカース硬
度と密度との関係（比硬度：単位密度当たりのビッカース硬度、ＨＶＳ）を示すものであ
る。図６中には、従来提供されている軽金属・軽合金の代表格である、純マグネシウム、
マグネシウム合金、純アルミニウム、アルミニウム合金を例示した。
ＬＡ１４３合金シート試料の変形量の増加に伴う硬度の増加が確認された。巨大ひずみ
加工を施した実験例１〜実験例５のマグネシウム−リチウム合金の比硬度は、純マグネシ
ウムの３．５倍であり、純アルミニウムの５．３倍に達した。また、実用マグネシウム合
金及びアルミニウム合金以上であった。
巨大ひずみ加工を施した実験例１〜実験例５のマグネシウム−リチウム合金は、より軽
くて強度が高いものであり、従来の軽金属・軽合金を凌ぐものであった。
【００２８】
（マグネシウム−リチウム合金の硬度と耐食性との関係）
巨大ひずみ加工を施した材料は、ホール・ペッチ則に従い、結晶粒径が微細化すると硬
度が増すことが知られている。一方、実施例に示す耐食性試験（図４）から、結晶粒径が
微細化すると耐食性が増すことが明らかになった。
本発明は、材料（基材となるマグネシウム−リチウム合金）の組成を変えることなく、
強度と耐食性の両方を向上させるものであることから、ＬＡ１４３合金以外のマグネシウ
ム−リチウム合金（例えば、ＬＡ１４１合金といったＭｇ−Ｌｉ−Ａｌ合金）にも適用す
ることができる。
【００２９】
以上のように、ＡＣＣＢ法による巨大ひずみ加工は硬さと耐食性を同時に向上させる有
効な方法であることが、明らかになった。Ｘ線回折の結果から、マグネシウム−リチウム
合金ＬＡ１４３はＢＣＣ単相であった。ＬＡ１４３合金の硬さは、ＡＣＣＢサイクルの回
数を重ねるごとに増大した。ＬＡ１４３合金の耐食性は、ＡＣＣＢサイクル数を増やすと
向上した。比硬度（ＨＶｓ）は、他のＭｇ合金やＡｌ合金よりも高い値であった。
したがって、ＡＣＣＢによって得られたＬＡ１４３合金は、高い比硬度と、高い耐食性
を備えた材料ということができる。このＬＡ１４３合金は、良好な機械的特性と耐食性を
備えた超軽量構造材料の一つとして有望なものである。
【００３０】
本発明のマグネシウム−リチウム合金及びその製造方法によると、コーティングや更な
る元素添加を必要としないことから、その軽量性を損なうことなく、材料（基材となるマ
グネシウム−リチウム合金）の強度及び耐食性の両方を同時に改善することができる。
また、本発明のマグネシウム−リチウム合金は、軽量性、強度、耐食性に優れたもので
あることから、航空宇宙分野や医療分野等への応用が期待される。
【図１】
2020002405.tif 000005
【図２】
2020002405.tif 000006
【図３】
2020002405.tif 000007
【図４】
2020002405.tif 000008
【図５】
2020002405.tif 000009
【図６】
2020002405.tif 000010