(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金からなる長尺な鋳造板がコイル状に巻き取られてなり、
その鋳造板における表面割れの発生区間の長手方向の長さが、鋳造板の長手方向の両端部を含むが両側縁部は含まない全長に対して5％以内であることを特徴とするマグネシウム合金鋳造材。
【請求項２】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、円相当径が20μm以上の粗大晶出物相の面積割合が30％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鋳造材。
【請求項３】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、その組織におけるDAS(Dendrite  Arm  Spacing)が0.5μm以上5.0μm以下で、ビッカース硬度が75以上100以下であ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鋳造材。
【請求項４】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、0.2％耐力が、室温において230MPa以上280MPa以下、100〜150℃において150MPa以上230MPa以下、200〜250℃において60 MPa以上130MPa、400℃において20 MPa以上30MPa以下であ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鋳造材。
【請求項５】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、引張強度が、室温において300MPa以上320MPa以下、100〜150℃において200MPa以上300MPa以下、200〜250℃において80 MPa以上160MPa、400℃において25 MPa以上35MPa以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマグネシウム合金鋳造材。
【請求項６】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、伸びが、室温において2％以上8％以下、100〜150℃において10％以上60％以下、200〜250℃において40％以上100％以下、400℃において160％以上180％以下であ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鋳造材。
【請求項７】
前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、曲げ強度が、100〜150℃において300MPa(N/mm2)以上600MPa(N/mm2)以下であ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鋳造材。
【請求項８】
前記マグネシウム合金は、Al,Zn,Mn,Si,Ca,Sr,Y,Cu,Ag,Sn,Li,Zr,Ce,Be及び希土類元素(Y,Ceを除く)から選択される少なくとも1種の元素を合計7.3質量％以上含有し、残部がMg及び不純物からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載のマグネシウム合金鋳造材。
【請求項９】
前記マグネシウム合金は、Alを7.3質量％以上12質量％以下含有することを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のマグネシウム合金鋳造材。
【請求項１０】
前記鋳造板の長さが30m以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のマグネシウム合金鋳造材。
【請求項１１】
ノズルから連続鋳造機の鋳型にマグネシウム合金の溶湯を供給して長尺の鋳造板を作製するマグネシウム合金鋳造材の製造方法であって、
前記ノズルの先端側に前記溶湯を送る溶湯供給工程と、
前記長尺の鋳造板をコイル状に巻き取る巻取工程とを備え、
前記溶湯供給工程は、前記溶湯がノズル先端に至るまでの過程のうち、溶湯の温度を制御可能な温度制御可能域の先端位置における溶湯温度を、当該マグネシウム合金の液相線温度＋50℃以上液相線温度＋65℃以下として行うことを特徴とするマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【請求項１２】
前記温度制御可能域の先端位置が、ノズルに設けられた加熱手段の先端位置であることを特徴とする請求項11に記載のマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【請求項１３】
前記温度制御可能域の先端位置が、ノズルの後端側でマグネシウム合金の溶湯を保持するタンディッシュであることを特徴とする請求項11に記載のマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【請求項１４】
前記溶湯供給工程よりも上流に、
マグネシウム合金からなる素材を予熱炉で予熱する予熱工程と、
予熱された素材を溶解炉で溶解して溶湯とする溶解工程とを備え、
前記溶解炉内の溶湯量をＭ(kg)とするとき、前記予熱炉から溶解炉に投入する素材の量を0.01Ｍ(kg/min)以下とすることを特徴とする請求項11〜13のいずれか１項に記載のマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【請求項１５】
前記予熱工程は、素材を100℃以上400℃以下に予熱することを特徴とする請求項14に記載のマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【請求項１６】
前記溶解工程は、溶解炉内の溶湯を当該マグネシウム合金の液相線温度＋45℃以上液相線温度＋65℃以下に保持することを特徴とする請求項14又は15に記載のマグネシウム合金鋳造材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金部材の素材に適したマグネシウム合金鋳造材及びその製造方法に関するものである。特に、酸化物が少ないマグネシウム合金鋳造材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軽量で比強度、比剛性に優れるマグネシウム合金が、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータといった携帯用電気・電子機器類の筐体や自動車部品などの各種の部材の構成材料に利用されてきている。
【０００３】
マグネシウム合金からなる部材は、ダイカスト法やチクソモールド法による鋳造材(ASTM規格のAZ91合金)が主流である。近年、ASTM規格のAZ31合金に代表される展伸用マグネシウム合金からなる板にプレス加工を施した部材が使用されつつある。
【０００４】
特許文献1は、ASTM規格におけるAZ91合金相当の合金など、種々のマグネシウム合金からなり、プレス加工性に優れる圧延板を提案している。また、特許文献1は、上記圧延板の素材となる鋳造材を双ロール連続鋳造法により製造するにあたり、注湯口における溶湯の温度を液相線温度＋10℃以上液相線温度＋85℃以下とすることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第2006/003899号（請求項17）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、長尺の鋳造板をコイル状に巻き取った鋳造コイル材を量産しようとした場合、従来の技術ではさらに改善の余地があった。具体的には、ノズル先端（注湯口）の溶湯温度を上述した規定範囲に保持することが困難で、長尺の鋳造板を製造した場合、全長にわたって均質な鋳造板を得ることが難しい。特に、このノズル先端での溶湯の温度が低すぎれば、ノズル先端部で溶湯が凝固して、鋳造を円滑に続けることが不能になることがあり、逆に溶湯の温度が高すぎると、鋳造板に表面割れが生じることがある。この表面割れは、鋳造板の主として長手方向に沿って生じる細長い割れで、後に鋳造板に塑性加工を施した際に破壊の起点になる虞がある。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、長尺の鋳造板の全長にわたって、表面割れを抑制できるマグネシウム合金鋳造材を提供することにある。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、長尺の鋳造板の長手方向にわたって、引張強度や伸びなどの機械的特性、或いは合金組織が実質的に均質なマグネシウム合金鋳造材を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、ノズル先端部における溶湯温度のばらつきを小さく制御することができるマグネシウム合金鋳造材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、ノズル先端部での溶湯温度が低すぎたり高すぎたりするのは、その溶湯温度のばらつきの大きいことが問題であり、このばらつきを小さくするには、より上流における溶湯温度のばらつきを小さくすることが有効ではないかと考えた。そして、種々の検討を行った結果、次の知見を得た。
【００１１】
（１）一般に、上流側からノズル先端にまで溶湯が移送される過程には、溶湯の温度を制御可能な温度制御可能域と、溶湯の温度を制御不能な温度制御不能域が存在し、通常、ノズルよりも上流側は温度制御可能域であり、ノズルの先端部は温度制御不能域である。この温度制御可能域の先端（溶湯の移送方向側）をできるだけノズル先端に近づけ、温度制御不能域の長さを短くすることが好ましい。
（２）温度制御可能域の先端における溶湯温度のばらつきを小さくすれば、ノズル先端における溶湯温度のばらつきを小さくでき、その結果、全長にわたって実質的に均質な長尺の鋳造板を得ることができる。
（３）温度制御不能域が長いほど、温度制御可能域の先端における溶湯温度を高くし、かつ、その溶湯温度のばらつきを小さくすることが好ましい。
【００１２】
本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。即ち、本発明のマグネシウム合金鋳造材は、マグネシウム合金からなる長尺な鋳造板がコイル状に巻き取られてなり、その鋳造板における表面割れの発生区間の長手方向の長さが、鋳造板の長手方向の両端部を含むが両側縁部は含まない全長に対して5％以内であることを特徴とする。
【００１３】
この構成によれば、鋳造板の全長にわたって均質性の高いマグネシウム合金鋳造材とすることができる。一般に、鋳造板の両端部は鋳造条件が不安定となりやすく、表面割れが発生しやすい。しかし、この両端部を含めた鋳造板の全長にわたる範囲でも、表面割れの発生した区間の比率が小さければ、その鋳造板を後に塑性加工した際、表面割れが破壊の起点になる頻度を低減することができる。勿論、鋳造板の両端部を除く領域の全長にわたる範囲でも表面割れの発生区間の割合は5％以下である。但し、この鋳造板の表面割れの計測に際して、鋳造板の両側縁部は計測対象から除く。この両側縁部を計測対象から除いているのは、この両側縁部には、鋳造割れが生じ易いからである。
【００１４】
この明細書において、鋳造板における表面割れの発生区間の割合の計測又は後述する鋳造板に関する各パラメータの計測に際して、鋳造板の全長に含まれる、或いは除かれる両端部とは、次のものを指す。
（A）鋳造板の全長が50m未満の場合、両端からそれぞれ全長の1割の範囲
（B）鋳造板の全長が50m以上の場合、両端からそれぞれ5mの範囲
また、上記鋳造板における表面割れの計測又は後述する鋳造板に関する各パラメータの計測に際して、鋳造板の幅方向から除かれる両側縁部とは、次のものを指す。
（C）鋳造板の板幅方向において、両側縁からそれぞれ板幅の15％の範囲。但し、板幅の片側で上限を50mmとする。
【００１５】
鋳造板の全長にわたる表面割れの検査方法は、後に試験例において詳述するが、例えば、次のように行えば良い。表面割れで生じた乱反射光を主たる検出光として検出する光学撮像機を用いて鋳造板の表面を撮像し、その撮像画像を画像処理して表面割れの存在を検知する。そして、鋳造板のうち、表面割れが1本でも認められた区間の長さを順次加算して総区間長を求め、さらに「総区間長／鋳造板の両端部を含む全長」を演算すればよい。このような検査手法によれば、長尺の鋳造板の表面状態を高精度に、かつ効率よく検査することができる。この検査は、鋳造板の主として長手方向に生じる表面割れを検査対象とし、鋳造板の主として幅方向に生じる鋳造割れは、鋳造板の両側縁部を計測対象から除去することで検査対象とはしない。
【００１６】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、円相当径が20μm以上の粗大晶出物相の面積割合が30％以下であることが挙げられる。
【００１７】
ここで、「鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって」とは、下記の（A）、（B）のことを指し、粗大晶出物相の面積割合の他、後述する各種のパラメータ（DAS、ビッカース硬度、引張強度、伸び、曲げ強度）に関して共通する。そして、いずれの場合も、試験片は、その長手方向が鋳造板の長手方向となるように、鋳造板の幅方向の中心から両側縁に向かってそれぞれ、当該鋳造板の幅の1割に相当する長さの領域(合計が幅の2割に相当する長さの領域)から作製する。これらのパラメータのデータの取得に際して鋳造板の両端部を除いているのは、一般に鋳造の初期又は末期に相当する鋳造板の両端部は鋳造条件が安定せず、各種パラメータのデータにもばらつきが大きいからである。また、両側縁部を除いているのは、この両側縁部には、主として鋳造板の幅方向に沿った鋳造割れが生じ易いからである。
【００１８】
（A）鋳造板の全長が50m未満の場合、両端からそれぞれ全長の1割及び両側縁からそれぞれ板幅の15％の範囲（但し、板幅の片側で上限を50mm）を切断したトリミング材を、当該トリミング材の全長の1割に相当する長さごとに切断し、各切断片から試験片を作製して、各種のパラメータを測定し、全ての試験片の測定結果が各パラメータの規定範囲を満たす。
（B）鋳造板の全長が50m以上の場合、両端からそれぞれ5m及び両側縁からそれぞれ板幅の15％の範囲（但し、板幅の片側で上限を50mm）を切断したトリミング材を、当該トリミング材を10mごとに切断し、各切断片から試験片をそれぞれ作製して、各種のパラメータを測定し、全ての試験片の測定結果が上記規定を満たす。
【００１９】
この晶出物相とは、マグネシウム合金中に存在して、体心立方構造を有する相であって、析出元素を含有する金属間化合物のことを言う。晶出物相の具体的な組成として、Mg17Al12、Al(MnFe)等が挙げられる。晶出物相は、例えば、各切断片の切断面の観察として、光学顕微鏡、より詳細には走査電子顕微鏡(SEM)の反射電子像を利用したり、エネルギー分散型X線分光法(EDX)や電子線マイクロアナライザ(EPMA)等の組成マッピングを行える装置を利用することで検出することができる。より具体的には、上記反射電子像においてコントラスト差が生じている領域、組成マッピングにおいて面分析やカラー分析により析出元素が特定の濃度で存在する領域を晶出物相として判別することができる。このSEMの反射電子像において観察視野をとり、この観察視野中の晶出物相を全て抽出して各晶出物相の粒子面積を算出し、その粒子面積から円相当径を求める。そして、その円相当径が20μm以上の粗大晶出物相の面積割合として「粗大晶出物相の合計面積/観察視野面積を求める。両端及び両側縁部を切断したトリミング材において、全長の1割に相当する長さ(全長が50m未満の場合)もしくは10m(全長が50m以上の場合)の切断片ごとに上記晶出物相の面積割合を求める。
【００２０】
この粗大晶出物相は、鋳造時の冷却速度が遅い場合に生じやすく、その面積割合が30％以下であることで、トリミング材の全長にわたって、特に結晶粒界に粗大晶出物相の析出が少なく、実質的に均質な金属組織となっていると言える。そして、この粗大晶出物相は、鋳造板を溶体化処理しても合金のマトリックスに溶け切らずに残存する場合があり、その残存晶出物相が、後の圧延等の塑性加工時に生じる割れの原因となり得るため、その面積割合が低ければ、塑性加工時の割れの発生を低減することができる。より好ましい粗大晶出物相の面積割合は10％以下である。
【００２１】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、その組織におけるDAS(Dendrite  Arm  Spacing)が0.5μm以上5.0μm以下で、ビッカース硬度が75以上100以下であることが挙げられる。
【００２２】
DASが上記範囲を満たす場合、鋳造材が主として微細なデンドライト組織からなっており、圧延などの一次加工性や、一次加工材に更にプレス加工や鍛造加工などの二次塑性加工を施す際の成形加工性に優れる。より好ましいDASの範囲は2μm以上4μm以下である。また、ビッカース硬度が上記範囲を満たす場合、トリミング材の全長にわたって高硬度とすることができる。
【００２３】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、0.2％耐力が、室温において230MPa以上280MPa以下、100〜150℃において150MPa以上230MPa以下、200〜250℃において60 MPa以上130MPa、400℃において20 MPa以上30MPa以下であることが挙げられる。
【００２４】
この構成によれば、トリミング材の全長にわたって高強度の鋳造板とすることができる。
【００２５】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、引張強度が、室温において300MPa以上320MPa以下、100〜150℃において200MPa以上300MPa以下、200〜250℃において80 MPa以上160MPa、400℃において25
MPa以上35MPa以下であることが挙げられる。
【００２６】
この構成によれば、トリミング材の全長にわたって高強度の鋳造板とすることができる。
【００２７】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、伸びが、室温において2％以上8％以下、100〜150℃において10％以上60％以下、200〜250℃において40％以上100％以下、400℃において160％以上180％以下であることが挙げられる。
【００２８】
この構成によれば、トリミング材の全長にわたって靭性に優れた鋳造板とすることができる。
【００２９】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の両端部及び両側縁部を除く全長にわたって、曲げ強度が、100〜150℃において300MPa(N/mm2)以上600MPa(N/mm2)以下であることが挙げられる。
【００３０】
この構成によれば、トリミング材の全長にわたって高い曲げ強度を持った鋳造板とすることができ、後工程での塑性加工において割れ等の欠陥の発生を抑制できる。
【００３１】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記マグネシウム合金は、Al,Zn,Mn,Si,Ca,Sr,Y,Cu,Ag,Sn,Li,Zr,Ce,Be及び希土類元素(Y,Ceを除く)から選択される少なくとも1種の元素を合計7.3質量％以上含有し、残部がMg及び不純物からなることが挙げられる。
【００３２】
本発明のマグネシウム合金鋳造材は、種々の元素を添加元素とするマグネシウム合金に適用できると期待される。特に、添加元素量の多い合金ほど後述する温度制御可能域の先端における溶湯温度の制御が重要となるが、機械的特性に優れた鋳造板とすることができる。
【００３３】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記マグネシウム合金は、Alを7.3質量％以上12質量％以下含有することが挙げられる。
【００３４】
この構成によれば、耐食性に優れる上に、強度、耐塑性変形性といった機械的特性にも優れる鋳造板とできる。Alの含有量が多いほど上記効果が高い傾向にある。但し、Alの含有量が12質量％を超えると塑性加工性の低下を招くことから、上限は12質量％、更に11質量％が好ましい。なお、Alの含有量が多くなると、マグネシウム合金の液相線温度は低下する。
【００３５】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、本発明のマグネシウム合金鋳造材の一形態として、前記鋳造板の長さが30m以上であることが挙げられる。
【００３６】
この構成によれば、例えば、長さが30m以上、更に50m以上、特に100m以上といった長尺な鋳造板からなるコイル材を構成できる。
【００３７】
一方、上述した本発明のマグネシウム合金鋳造材は、本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法により好適に得ることができる。即ち、本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法は、ノズルから連続鋳造機の鋳型にマグネシウム合金の溶湯を供給して長尺の鋳造板を作製するマグネシウム合金鋳造材の製造方法であって、次の工程を備える。
溶湯供給工程：前記ノズルの先端側に前記溶湯を送る。
巻取工程：前記長尺の鋳造板をコイル状に巻き取る。
そして、前記溶湯供給工程は、前記溶湯がノズル先端に至るまでの過程のうち、溶湯の温度を制御可能な温度制御可能域の先端位置における溶湯温度を、当該マグネシウム合金の液相線温度＋50℃以上液相線温度＋65℃以下として行うことを特徴とする。
【００３８】
この構成によれば、温度制御可能域の先端位置における溶湯温度を、当該マグネシウム合金の液相線温度＋50℃以上液相線温度＋65℃以下とすることで、ノズル先端部で溶湯が過剰に冷却されて凝固して詰まり、鋳造を円滑に続けることが不能になったり、逆に溶湯の温度が高すぎて十分な冷却が行えず、鋳造板に表面割れが生じるといった不具合を低減することができる。また、温度制御可能域の先端位置における溶湯温度が高すぎると、マグネシウム合金の組織が粗大になる傾向があり、粗大晶出物相が析出したり、DASが粗大になったりする。より好ましい温度制御可能域の先端位置における溶湯温度は、当該マグネシウム合金の液相線温度＋55℃以上液相線温度＋60℃以下である。この温度制御可能域の先端位置における溶湯温度を所定範囲に限定することで、ノズル先端における溶湯温度を当該マグネシウム合金の液相線温度＋10℃以上で、かつその温度のばらつきを５℃以内とすることも期待できる。ノズル先端における溶湯温度を液相線温度＋10℃以上とすることで、注湯口より流出した溶湯の粘性が低くなり、メニスカスの形状を安定させ易い。
【００３９】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法の一形態としては、前記温度制御可能域の先端位置が、ノズルに設けられた加熱手段の先端位置であることが挙げられる。
【００４０】
ノズルに加熱手段又は保温手段を設けていない場合、温度制御可能域の先端は、ノズルの後端となる。ノズル内の溶湯を加熱又は保温できる手段をノズルに設ければ、温度制御可能域の先端をノズルの後端から加熱手段の先端位置にまで延長することができる。それに伴い、ノズル先端における溶湯の温度のばらつきをより小さく制御しやすくできる。
【００４１】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法の一形態としては、前記温度制御可能域の先端位置が、ノズルの後端側でマグネシウム合金の溶湯を保持するタンディッシュであることが挙げられる。
【００４２】
ノズルに溶湯を移送する前に、一時的に所定量の溶湯をタンディッシュで保持する場合があるが、その際、タンディッシュに保持した溶湯は流れていなため温度制御を行いやすい。そのため、このタンディッシュを温度制御可能域の先端位置とすることで、溶湯の温度制御が行いやすい。
【００４３】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法の一形態としては、前記溶湯供給工程よりも上流に、次の工程を備える。
予熱工程：マグネシウム合金からなる素材を予熱炉で予熱する。
溶解工程：予熱された素材を溶解炉で溶解して溶湯とする。
そして、この溶解炉内の溶湯量をＭ(kg)とするとき、前記予熱炉から溶解炉に投入する素材の量を0.01Ｍ(kg/min)以下とすることが挙げられる。
【００４４】
この構成によれば、溶解炉内の溶湯量に対する素材の投入量を限定することで、溶解炉内の溶湯温度の変化を抑え、溶解工程よりも下流における溶湯の温度のばらつきを小さくすることが容易になる。
【００４５】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法の一形態としては、前記予熱工程は、素材を100℃以上400℃以下に予熱することが挙げられる。
【００４６】
この構成によれば、予熱工程における素材温度を限定することで、素材が溶湯工程に移送された際、溶解炉内の溶湯温度の変動を抑えることができる。この予熱温度が低すぎれば、溶解炉内の溶湯温度が低下しやすく、逆に予熱温度が高すぎれば、溶湯温度が高くなりやすい。より好ましい素材の予熱温度範囲は150℃以上350℃以下である。
【００４７】
本発明のマグネシウム合金鋳造材の製造方法の一形態としては、前記溶解工程は、溶解炉内の溶湯を当該マグネシウム合金の液相線温度＋45℃以上液相線温度＋65℃以下に保持することが挙げられる。
【００４８】
溶解炉内の溶湯の温度のばらつきを上記規定範囲とすることで、溶解炉よりも下流における溶湯温度のばらつきを抑えることが容易にできる。
【発明の効果】
【００４９】
本発明マグネシウム合金鋳造材は、表面割れが全長にわたって少ない或いは存在しない。また、本発明マグネシウム合金鋳造材の製造方法は、ノズル先端における溶湯の温度のばらつきを抑えることができ、ノズル先端近傍において溶湯が凝固して鋳造が不能になったり、鋳造板に表面割れが生じたりすることを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の実施形態に係るマグネシウム合金鋳造材の製造方法の全体説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係るマグネシウム合金鋳造材の製造方法の溶湯の鋳型への注湯から鋳造板の巻き取りまでの工程を示す説明図である。
【図３】実施例に係る鋳造コイル材の組織写真である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図中の同一符号は同一物を示す。
【００５２】
〔実施形態1〕
図1を参照してマグネシウム合金からなる長尺の鋳造板を巻き取ったコイル材の製造方法を説明する。この製造方法は、予熱工程、溶解工程、溶湯供給工程、鋳造工程、巻取工程を備える。以下、各工程について詳しく説明する。
【００５３】
＜予熱工程＞
予熱工程は、予熱炉内にマグネシウム合金の素材を入れて所定の温度に予熱することで、続く溶解工程で溶解炉20に素材を投入した際、溶解炉20内の溶湯温度が大きく変動しないようにする。
【００５４】
このマグネシウム合金の素材としては、鋳造板200として求められる組成のマグネシウム合金をインゴット等の形で用意する。具体的な合金の組成例としては、ASTM規格におけるAZ系合金(Mg‐Al‐Zn系合金、Zn：0.2質量％〜1.5質量％)、AM系合金(Mg‐Al‐Mn系合金、Mn：0.15質量％〜0.5質量％)、Mg‐Al‐RE(希土類元素)系合金、AX系合金(Mg‐Al‐Ca系合金、Ca：0.2質量％〜6.0質量％)、AJ系合金(Mg‐Al‐Sr系合金、Sr：0.2質量％〜7.0質量％)などが挙げられる。不純物には、例えばFe,Ni,Cuなどが挙げられる。希土類元素は0.1質量％以上含有することが好ましく、その中でも、Yは0.5質量％以上含有することが好ましい。これら希土類元素の添加により、合金の難燃性や耐熱性の向上が期待できる。そして、この素材を予熱炉10内で100℃以上400℃以下、より好ましくは150℃以上350℃以下に予熱する。予熱した素材は、次の溶解工程に移送される。
【００５５】
＜溶解工程＞
溶解工程では、予熱された素材を溶解炉20内に投入し、素材を溶解して溶湯100とする。この投入量は、溶解炉20内の溶湯量をＭ(kg) とするとき、前記予熱炉10から溶解炉20に投入する素材の量を0.01Ｍ(kg/min)以下とすることが好ましい。連続鋳造を行なうには、溶解炉20で溶湯を連続的に作製する必要があるが、溶解炉20内への素材の投入量が多すぎると、溶解炉20内の溶湯温度が下がり、溶解工程よりも下流の工程で溶湯温度のばらつきを抑えることが難しくなるからである。一方、この素材の投入量の下限は、鋳造速度に応じた溶湯100の供給が可能な程度に素材の補充を行える程度とすればよい。具体的な素材の溶解炉20への投入量としては、例えば、5kg/min以上10kg/min以下程度とすることが挙げられる。
【００５６】
溶解炉20の構成としては、公知の構成のものを適宜利用することができ、例えば、シャフト炉又はバッチ炉などが挙げられる。溶解炉20内の雰囲気は、ArやN2といった不活性ガス(必要に応じてSF6等の防燃ガスを添加)などの酸素を実質的に含まない非酸素雰囲気とすることが好ましい。そして、溶解炉20内の溶湯100を当該マグネシウム合金の液相線温度＋45℃以上液相線温度＋65℃以下に保持することが好ましい。溶解炉20の段階で溶湯温度のばらつきが20℃以下であれば、溶解工程以降の下流工程での溶湯温度の制御が行いやすい。
【００５７】
＜溶湯供給工程＞
溶湯供給工程は、溶解炉20で作製された溶湯100を鋳造装置（双ロール鋳造60）の鋳型（双ロール61）に供給するまでの工程である。通常、この溶湯供給工程は、溶解炉20から溶湯貯留部40へ溶湯を移送する移送過程、溶湯貯留部40で所定の溶湯を所定温度に保持する保持過程、溶湯貯留部40からノズル50を経て鋳型に溶湯100を供給する注湯過程を備える。
【００５８】
《移送過程》
移送過程では、溶解炉20の溶湯100を給湯ポンプ30により給湯管31を介して溶湯貯留部40に移送する。例えば、給湯管31をマグネシウム合金の液相線温度＋60℃以上液相線温度＋105℃以下に予熱しておいて溶湯100を溶湯貯留部40に断続的に移送する。このように給湯管31を予熱しておくことで、溶湯温度の低下又は過剰な昇温を抑制して、その温度のばらつきを低減することができる。また、この移送量としては、例えば、3kg/min以上10kg/min以下程度とすることが挙げられる。
【００５９】
《保持過程》
保持過程では、溶湯貯留部40で保持される溶湯100を所定温度に保持すると共に、不純物を溶湯表面に浮かせて除去する。溶湯貯留部40は、溶湯100の加熱手段を備えている。代表的には、給湯管31から送られた溶湯100をまず保持炉41に保持し、次に保持炉41の溶湯100をタンディッシュ42に保持することが挙げられる。通常、溶湯100は、保持炉41の底部側から排出して、タンディッシュ42に移送する。これは、保持炉41中の溶湯表面の不純物をタンディッシュ42に移送させないためである。その他、この保持炉41とタンディッシュ42を一体化した形態としてもよい。
【００６０】
そして、保持炉41やタンディッシュ42でも溶湯温度のばらつきをできるだけ小さく制御する。例えば、タンディッシュ42における溶湯温度を、当該マグネシウム合金の液相線温度＋50℃以上液相線温度＋65℃以下に制御する。特に、ノズル50に保温（加熱）機能がない場合、ノズル先端に至るまでの過程で溶湯温度を制御できる温度制御可能域の先端がタンディッシュ42となるため、そのタンディッシュ42における溶湯100の温度は、例えば液相線温度＋55℃以上とし、その温度幅は5℃以下としておくことが望ましい。温度制御不能域が長ければ、その不能域で溶湯温度がより大きく低下し、かつ溶湯温度のばらつきも大きくなると考えられるからである。
【００６１】
《注湯過程》
注湯過程では、図２に示すように、溶湯貯留部40からノズル50を介して鋳型に溶湯100を注湯する。ノズル50は、間隔をあけて配される一対の本体板と、本体板の両側に組み合わされる一対の角柱状のサイドダムとで構成された角筒状体である。このノズル50の先端（図２の右端）には、本体板とサイドダムとで囲まれる薄い矩形状の注湯口が形成される。本例では、ノズル50の後端（図２の左端）から先端に至るまでの間のうち、後端から途中までは本体板とサイドダムの各々にセラミックスヒータなどのヒータ（図示略）を備え、その途中以降先端まではヒータのない構成となっている。つまり、溶湯100の上流側からノズル50のうちセラミックスヒータの先端までが温度制御可能域となり、ヒータの先端以降ノズル50の先端までの間が温度制御不能域となる。後述するように、本例では鋳造工程で双ロール鋳造機60を用いているため、ノズル50の先端は鋳型となる一対の鋳造ロール61の間に向けて配置されている。そのため、ノズル50の先端は、両鋳造ロール61が近接した狭い空間に配置される上、鋳型から溶湯100を介してある程度は冷却されるため、ノズル50の全てを温度制御可能域とすることが難しく、一部に温度制御不能域が生じた状態となっている。
【００６２】
このようなヒータを有するノズル50を用いれば、ノズル50における温度制御可能域ではタンディッシュ42における溶湯温度をほぼそのまま維持することができる。一方、ノズル50における温度制御不能域ではヒータが存在しないため、その不能域を流れる溶湯100は自然放冷に加え、溶湯100を介して鋳型からも冷却される。しかし、温度制御不能域が短いため、ノズル開口における溶湯温度は液相線温度＋10℃以上で、かつその温度のばらつきは5℃以下程度にできると期待される。その結果、ノズル開口における溶湯100の温度制御を適切に行うことができ、ノズル開口付近で溶湯100が不適切に凝固して連続鋳造が不能になったり、鋳造板200となったときに割れが生じたりすることを抑制できる。
【００６３】
＜鋳造工程＞
鋳造工程では、ノズル50から注湯された溶湯100を連続的に鋳型に接触させて凝固し、鋳造板200とする。この連続鋳造機の具体的な構成としては、可動鋳型を用いた連続鋳造機、例えば双ロール鋳造機60（図１、図２）が好適に利用できる。双ロール鋳造機60は、剛性及び熱伝導性に優れ、熱容量が大きい鋳造ロール61を鋳型として急冷凝固が可能であることから、偏析が少ない鋳造板200を形成できて好ましい。
【００６４】
鋳造時の冷却速度は、速いほど好ましく、例えば、100℃/秒以上とすると、柱状晶の界面に生成される析出物を微細にすることができる。その他、可動鋳型を用いた連続鋳造機として、ベルトアンドホイール鋳造機、ツインベルト鋳造機なども挙げられる。
【００６５】
＜巻取工程＞
巻取工程は、鋳造工程で得られた長尺の鋳造板200を巻取装置70（図１）でコイル状に巻き取る。巻き取られた鋳造コイル材の内径及び外径は、例えば、鋳造板200の厚さや長さに応じて適宜選択することができる。但し、内径が小さ過ぎたり、鋳造板200の厚さが厚過ぎると、鋳造板200を巻き取るときに鋳造板200に割れなどが生じる恐れがある。そのため、鋳造コイル材の内径は、300mm以上が好ましい。或いは、内径が小さい場合は、鋳造板200を巻き取る直前で150℃以上に加熱した状態で巻き取ると、割れなどが生じることなく巻き取ることができて好ましい。
【００６６】
＜鋳造板＞
以上の方法を経て得られる鋳造板200の厚さ、幅、及び長さは、適宜選択することができる。この鋳造板200を、プレス加工部材といった塑性加工部材の素材となる圧延板の素材に利用する場合、鋳造板の厚さは、10mm以下、更に7mm以下、特に5mm以下であると、偏析などが存在し難く、強度に優れる。この厚さの下限としては3mm程度である。鋳造板200の幅は、例えば、上記塑性加工部材や圧延板の大きさなどに応じて選択することができ、200mm〜1000mmが挙げられる。鋳造板200の長さは、例えば30m以上、或いは50m以上、更には100m以上や200m以上といった非常に長尺にすることもできるし、用途などによっては短くすることもできる。
【００６７】
そして、後述する試験例から明らかなように、得られる鋳造板200は表面割れが少なく或いは存在せず、後工程で塑性加工した場合に表面割れを起点とした割れの発生を抑制することができる。さらに、得られた鋳造板200は、DAS、ビッカース硬度、引張強度、伸び、及び曲げ強度の少なくとも一つのパラメータについて優れた結果を得ることができる。その他、鋳造板200の組織は、粗大晶出物相が存在する面積比率も低く抑えられている。
【００６８】
[試験例]
後述する鋳造条件の範囲で同条件を変えて長尺な鋳造板を連続鋳造して巻き取って鋳造コイル材を作製し、鋳造時のノズル先端部における凝固詰まりの発生状況を調べた。具体的な鋳造コイル材の製造条件は次の通りである。そして、得られた鋳造コイル材を巻き戻して、その鋳造板に対して、後述するように表面割れ検査、組織観察（粗大晶出物相の面積割合、DAS）、機械的特性評価（0.2％耐力、引張強度、伸び、曲げ強度、ビッカース硬度）を行った。機械的特性評価を行う試験片は、その長手方向が鋳造板の長手方向となるように作製した。凝固詰まりと表面割れの検査結果を表１に、機械的特性評価のうち、0.2％耐力、引張強度、伸びの各結果は表２に、曲げ強度の結果は表３に、ビッカース硬度の結果は表４に示す。さらに、組織観察結果の一例を図３に示す。
【００６９】
マグネシウム合金の組成：AZ91相当材（液相線温度TL：598℃）
予熱工程
素材形態：インゴット
予熱温度：150〜350℃
溶解工程
素材の投入量：6kg/min（溶湯量をＭ(kg)とするとき、0.01Ｍ(kg/min)に相当）
溶解炉内温度分布：650〜660℃（TL＋52℃〜 TL＋62℃）
移送過程
給湯管の予熱温度：660〜700℃（TL＋62℃〜 TL＋102℃）
保持炉への給湯量：40〜50kg/min（断続）
保持過程
タンディッシュでの溶湯温度：647〜665℃（TL＋49℃〜 TL＋67℃）
注湯過程
ノズルの温度制御可能域での溶湯温度：タンディッシュでの溶湯温度と実質的に同一
鋳造工程
鋳造方式：双ロール鋳造
ロール間隔：4.0〜4.3mm（鋳造板の厚さに相当）
鋳造速度：1.6〜2.0m/min
冷却速度：100℃/秒以上
鋳造直後の鋳造板温度：120〜180℃
鋳造板の幅Wと長さL：W200mm、L200m
巻取工程
内径600mm、外径1200mmのコイルに巻き取り
【００７０】
（鋳造時の凝固詰まり）
ノズル先端の注湯口の幅方向両側において凝固詰まりの発生状況を調べ、以下のように評価する。
×：凝固詰まりが発生し、鋳造コイル材の作製ができなかった。
△：凝固詰まりは起こさないものの、鋳造板の端面の形状が著しく乱れる。
○：凝固詰まりが発生せず、鋳造コイル材が作製できた。
【００７１】
（表面割れ検査）
表面割れの観察は、次のように行った。まず、双ロール鋳造機と鋳造板の巻取装置との間に表面検査装置を配置する。この表面検査装置は、鋳造板の表面に光を入射させる。次に、この入射光が前記鋳造板の表面割れに当たることで生じた乱反射光を主たる検出光とし、この検出光による像を光学撮像機（CCDカメラ）により捉える。そして、その光学撮像機により得られた像に基づいて前記鋳造板の表面状態を検査する。その際、光学撮像機による撮像は、前記入射光、及びこの入射光の正反射光を実質的に受光せず、前記乱反射光を受光する位置に前記光学撮像機を配置して行う。また、前記入射光の入射角を90°未満、及び前記鋳造板の表面に対する前記光学撮像機の光軸の傾斜角度を60°以下にする。さらに、撮像された像に二値化などの画像処理をして処理画像から表面割れの存在を検知する。そして、鋳造板のうち、表面割れが1本でも認められた区間の長さを順次加算して総区間長を求め、さらに「総区間長／鋳造板の両端部を含む全長」を演算すればよい。この検査においては、鋳造板の両側縁の各々から30mmの範囲は切断除去するが、両端部は切断除去しない。評価は、タンディッシュでの溶湯温度が647〜665℃（TL＋49℃〜 TL＋67℃）の条件で得られた鋳造コイル材に対して、次のように行った。
○：「総区間長／鋳造板の両端部を含む全長」が5％以下である。
×：「総区間長／鋳造板の両端部を含む全長」が5％超である。
【００７２】
（組織観察）
タンディッシュでの溶湯温度が647〜661℃（TL＋49℃〜 TL＋63℃）の条件で得られた鋳造コイル材を巻き戻して、両端からそれぞれ5m及び両側縁の各々から30mmを切断したトリミング材を10mごとに切断して切断片の横断面をとり、各断面を研磨した後、光学顕微鏡で観察した(200倍)。各断面において、切断片の幅方向の中心から両縁側に向かってそれぞれ、当該切断片の幅の1割に相当する長さの領域の観察像から任意に10個の視野(ここでは0.5mm×0.5mm＝0.25mm2)をそれぞれとり、観察視野ごとに、一つの観察視野内に存在する各晶出物相の円相当径(各晶出物相粒子の面積の等価面積円の直径)をそれぞれ求め、この円相当径を各晶出物相の粒径とする。観察視野ごとに、この粒径が20μm以上の粗大晶出物相の合計面積を求め、一つの観察視野内に存在する粗大晶出物相の合計面積を観察視野の面積で除した値を、その観察視野における粗大晶出物相の面積割合とする。
【００７３】
そして、全ての観察視野における粗大晶出物相の存在割合のうち、最大値をその断面における粗大晶出物相の面積割合とする。以上の画像処理は、市販の画像処理装置を利用することで容易に行える。他の切断片についても同様に上記粒径の測定を行う。一方、各切断片の横断面ごとに、上記光学顕微鏡画像からDASも求める。
【００７４】
（機械的特性評価）
《0.2％耐力、引張強度、伸び》
タンディッシュでの溶湯温度が649〜663℃（TL＋51℃〜 TL＋65℃）の条件で得られた鋳造コイル材を巻き戻して、両端からそれぞれ5m及び両側縁の各々から30mmを切断したトリミング材を10mごとに切断し、各10mの切断片において、その幅方向の中心から両縁側に向かってそれぞれ、当該切断片の幅の1割に相当する長さの領域から後述する試験片を作製する。そして、室温(約20℃)、100℃、150℃、200℃、250℃、400℃の各温度条件下で引張試験を行い(標点距離GL=50mm、引張速度:5mm/min)、0.2％耐力(MPa)、引張強度(MPa)、及び伸び（％）を測定した(評価数:いずれも鋳造コイル材のn=1)。試験片は、JIS  13B号の板状試験片(JIS  Z  2201(1998))を作製して、JIS  Z  2241(1998)の金属材料引張試験方法に基づいて上記引張試験を行った。各10mの切断片から作製した試験片の0.2％耐力(MPa)、引張強度(MPa)、及び伸び（％）の最大・最小値を抽出した。
【００７５】
《曲げ強度》
タンディッシュでの溶湯温度が655℃（TL＋57℃）の条件で得られた鋳造コイル材を巻き戻して、両端からそれぞれ5m及び両側縁の各々から30mmを切断したトリミング材を10mごとに切断し、各10mの切断片において、その幅方向の中心から両側縁に向かってそれぞれ、当該切断片の幅の1割に相当する長さの領域から後述する試験片を作製して、室温(約20℃)、50℃、80℃、100℃、150℃の各温度条件下で曲げ強度試験を行い、曲げ強度を調べた。試験片は、厚さt:4.0mm〜4.2mm、幅w:20±2 mm、断面積S:82.5±2.5mm2の長方形板とし、この試験片の両端を支持した状態(支点間距離L:60mm)で試験片の中央に荷重を加え、試験片が破断するときの荷重又は降伏が生じるときの荷重を調べる。そして、断面係数:z＝(1/6)×(幅w)×(厚さt)2とするとき、
曲げ強度:s＝(破断・降伏荷重)×(支点間距離L)/4(断面係数z)
により、10mの各切断片から作製した試験片の曲げ強度(N/mm2)を求めた。この測定は、全ての試験片について同様に行い、そのばらつきを調べた。
【００７６】
《ビッカース硬度》
曲げ強度試験で用いた切断片と同様の切断片を用いて、各10mの切断片において、その幅方向の中心から両縁側に向かってそれぞれ当該切断片の幅の1割に相当する長さの領域から試験片を作製する。そして、各試験片の複数箇所に対して、JIS  Z  2244（2009）に基づいて常温にてビッカース硬度の測定を行い、硬度のばらつきを調べた。
【００７７】
【表１】
0005516881.tif 000002
【００７８】
【表２】
0005516881.tif 000003
【００７９】
【表３】
0005516881.tif 000004
【００８０】
【表４】
0005516881.tif 000005
【００８１】
表１に示すように、649〜665℃（ＴL＋51℃〜 ＴL＋67℃）の条件で得られた鋳造コイル材は概ね「凝固詰まり」が許容できる程度の結果であった。647〜663℃（ＴL＋49℃〜
ＴL＋65℃）の条件で得られた鋳造コイル材は全て「表面割れ」の発生割合が5％以内であった。特に、653〜663℃（ＴL＋55℃〜 ＴL＋65℃）の条件で得られた鋳造コイル材は「凝固詰まり」、「表面割れ」のいずれも好結果であり、表面割れの発生割合は1％以下であった。
【００８２】
表２に示すように、タンディッシュでの溶湯温度が649〜663℃（ＴL＋51℃〜
ＴL＋65℃）の条件で得られた鋳造コイル材は各温度において、いずれも好ましい0.2％耐力、引張強度、伸びを示していることが確認された。
【００８３】
表３に示すように、タンディッシュでの溶湯温度が655℃（ＴL＋57℃）の条件で得られた鋳造コイル材は、100〜150℃の高温域においても十分な曲げ強度を備えていることがわかる。従って、このような温度での温間加工を行っても、鋳造板に割れなどが生じないものと推測される。
【００８４】
表４に示すように、タンディッシュでの溶湯温度が655℃（ＴL＋57℃）の条件で得られた鋳造コイル材は、いずれも十分な硬度を備えていることが確認された。
【００８５】
また、649〜663℃（ＴL＋51℃〜 ＴL＋65℃）の条件で得られた鋳造コイル材は、トリミング材の全長にわたって、粗大晶出物相の面積割合が30％以下で、DASの分布も2〜4μmと小さく、図３に示すように、微細な組織となっていることがわかる。これに対して、タンディッシュでの溶湯温度が665℃（ＴL＋67℃）の条件で得られた鋳造コイル材は、粗大晶出物相の面積割合が大きい上、DASの分布も5〜10μmと大きく、粗大な組織であった。
【００８６】
なお、上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、マグネシウム合金の組成(添加元素の種類、含有量)、コイル材となる鋳造板の厚さ、幅、長さ、などを適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明マグネシウム合金鋳造材は、各種の電気・電子機器類の構成部材、特に、携帯用や小型な電気・電子機器類の筐体、高強度であることが望まれる種々の分野の構成部材、例えば、自動車や航空機などの構成部材の素材に好適に利用することができる。本発明マグネシウム合金鋳造材の製造方法は、上記マグネシウム合金鋳造材の製造に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００８８】
10  予熱炉
20  溶解炉
30  給湯ポンプ  31  給湯管
40  溶湯貯留部  41  保持炉  42  タンディッシュ
50  ノズル
60  双ロール鋳造機  61  鋳造ロール
70  巻取装置
100  溶湯  200  鋳造板
【図１】
0005516881.tif 000006
【図２】
0005516881.tif 000007
【図３】
0005516881.tif 000008