(57)【要約】      （修正有）【課題】マグネシウムを主成分とする、加工性が良好であって、しかも高強度（もしくは、高引張強度・高圧縮強度）のマグネシウム合金を提案する。【解決手段】マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてマグネシウムに固溶可能なカルシウム、スズ、イットリウムの一種を含有させる。前記結晶粒の平均結晶粒径が１０μｍ以下で、前記亜結晶粒の平均粒径を２μｍ以下とする。さらに、前記結晶粒径が１０μｍ以下の結晶粒が全体の７割以上を占める組織とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてマグネシウムに固溶可能なカルシウム、スズ、イットリウムの一種が含有されていることを特徴とするマグネシウム合金。
【請求項２】
前記結晶粒の平均結晶粒径が１０μｍ以下で、前記亜結晶粒の平均粒径として２μｍ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。
【請求項３】
前記結晶粒径が１０μｍ以下の結晶粒が全体の７割以上を占めることを特徴とする請求項２に記載のマグネシウム合金。
【請求項４】
添加元素のカルシウム、スズ、イットリウムの含有量が、
Ｃａ：１．３質量％以下
Ｓｎ：１４．５質量％以下
Ｙ：１２質量％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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムを主成分とする、加工性が良好であって、しかも高強度（もしくは、高引張強度・高圧縮強度）のマグネシウム合金に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は、高強度のものが近年開発され、アルミニウム合金に変わる新素材として、自動車、航空機などの構成材料として注目されている。
しかし、これら工業用材料として使用するには、加工性が悪く、これを改善するために各種の開発がなされているが未だ十分なものは得られていない。
たとえば延性を向上させるための方策として押出し加工材とすることも検討されているが、この場合には圧縮強度を向上させることが難しく、また圧縮降伏応力と引張降伏応力の比である変形異方性が強くなり、軽量構造材料としての利用が困難であるという問題がある。
これに対して、その結晶構造を制御することで、高強度でありながら、十分な加工性を有する新しいマグネシウム合金を提供できることを発明者らは明らかにし特許出願している。（特許文献１）
そして、この組織構造をさらに有効に利用することが望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特願２０１０―０６０１４４号
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】井上、殷、木村、長井；日本金属学会誌、６９（２００５）９４３.Ｔ．ＩＮＯＵＥ、Ｆ.Ｙｉｎ,  Ｙ.Ｋｉｍｕｒａ；Ｍａｔｅｒ．  Ｓｃｉ．  Ｅｎｇ．，  Ａ４６６（２００７）１１４.
【非特許文献２】Ｙ．Ｋｉｍｕｒａ  ｅｔ．  ａｌ．，  Ｓｃｒｉｐｔａ  Ｍａｔｅｒ．，  ５７（２００７）４６５.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑み、このような組織構造を維持し易く、他の機能をも付加できる可能性を向上することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明１のマグネシウム合金は、マグネシウムを主成分とし、その結晶構造が大傾角粒界を有し、この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒にて構成されているマグネシウム合金であって、添加元素としてマグネシウムに固溶可能なカルシウム、スズ、イットリウムの一種が含有されていることを特徴とする。
発明２は、発明１のマグネシウム合金において、前記結晶粒の平均結晶粒径が１０μｍ以下で、前記亜結晶粒の平均粒径として２μｍ以下であることを特徴とする。
発明３は、前記結晶粒径が１０μｍ以下の結晶粒が全体の７割以上を占めていることを特徴とする。
発明４は、発明１のマグネシウム合金において、カルシウム、スズ、イットリウムの含有量が、Ｃａ：１．３質量％以下、Ｓｎ：１４．５質量％以下、Ｙ：１２質量％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
上記構成により、亜結晶粒の存在により、結晶粒自体の変形が可能になるが、結晶粒間の滑りは阻止されると推測され、良好な延性と高強度との特性の両立が図られた結晶構造を持ちながら、以下のような利点をも兼ねそなえることが可能になった。マグネシウムに固溶する元素を選択することが可能であるため、工業的用途の拡大が期待される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例１のＳＥＭ／ＥＢＳＤによる微細組織観察例。
【図２】実施例１の室温引張・圧縮試験により得られた公称応力−公称ひずみ曲線。
【図３】比較例１の透過型電子顕微鏡による微細組織観察例。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明のマグネシウム合金はその結晶構造に特徴を有しており、この結晶構造は、
１）大傾角粒界を有し、
２）この大傾角粒界に囲まれた結晶粒の内部が亜結晶粒である構成を有している。
ここで「大傾角粒界」とは方位差角が１５度以上の粒界と定義される。このような大傾角粒界については、ＳＥＭ／ＥＢＳＤ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：走査型電子顕微鏡／Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂａｃｋ−Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：電子線後方散乱回折）による結晶方位マッピングや透過型電子顕微鏡による方位差計測の手段によって具体的に確認されるものである。
また、「亜結晶粒」とは方位差角が５度以下の粒界を有するものと定義されるものである。
本発明のマグネシウム合金においては、その特性のレベルは、従来に比べて優れたものであって、前記１）２）の材料組織構造を有するのみならず、マグネシウムに固溶する元素を選択することで、以下のような特性を有するものとなった。  伸び値  ７％以上
引張強さ  ２７５ＭＰａ以上
が実現される。そして、
引張降伏応力（Ａ）  ２５０ＭＰａ以上
圧縮降伏応力（Ｂ）  ２００ＭＰａ以上
降伏応力異方性比（Ｂ／Ａ）  ０．７以上
が実現される。
本発明の添加元素として選択することが可能な元素、および、その添加量は次の表１に挙げるとおりである。添加量がこれらの値を超えると、粗大な金属間化合物を形成し、延性・靭性の低下をもたらすことが推測される。
【表１】
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【００１０】
所定の温度で荷重を加えて永久変形させることを加工ひずみと定義し、このような加工ひずみの導入は、たとえば実施例においても例示している溝ロール圧延や、あるいは高押出比での押出加工、高圧下率での圧延、ＥＣＡＥ（Ｅｑｕａｌ−ｃｈａｎｎｅｌ−ａｎｇｕｌａｒ−ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ；等断面積側方押出加工）のような高ひずみせん断加工等の手段の適用として考慮される。
溝ロール圧延は、たとえば非特許文献１、２にも示されているものであるが、圧延ロール表面に三角形等の断面形状の溝を設けたもので、三角形の断面形状の場合では上下のロールを接触させたときに、ダイヤモンド形状の穴が形成されるという特徴を有している。本発明のマグネシウム合金の製造においては、このような溝ロール圧延は好ましい手段であって、この場合の溝形状については、前記のダイヤモンド形状をはじめ、六角形形状、楕円形状の穴が形成させるものが好ましく考慮され、ロール周速度は、１〜５０ｍ／分の範囲が好ましく考慮される。また、溝ロール圧延に際しては、あらかじめ１００〜５００℃の範囲で、５〜１２０分の範囲の時間、熱処理しておくことが好ましい。
以上のような溝ロール圧延をはじめとする各種手段での「加工ひずみの導入」においては、たとえば、好適には、材料が割れることなく通過できる温度にて、材料全体が均一になるように加熱保持し、その後、繰り返しひずみを導入する。その際の断面減少率については、加工ひずみ導入のための諸条件との関係において適宜に設定することができる。つまり、本発明合金における前記１）２）としての特徴のある結晶構造を形成できる条件として断面減少率が設定されればよい。たとえば断面減少率は、実施例にも例示したように、９２％、９５％等として設定される。
【００１１】
本発明のマグネシウム合金においては、たとえば、実施例でも示したように、断面減少率９０％以上の加工ひずみ導入により、良好な延性を低下させずに強度を増加させることが顕著に可能となる。９０％以上の加工ひずみを導入しないと１０μｍ以下の結晶粒が得られず、強度増加が望めない。
上記のひずみ導入に際し、複数パスのひずみ導入工程を連続して行うのが好ましく、この場合の単パスで導入するひずみは、たとえば、断面減少率１０〜２０％でよい。
【００１２】
大傾角粒界に囲まれた結晶粒の平均結晶粒径が１０μｍ以下の結晶粒の割合は加工ひずみ導入（減面率）を大きくするほど増大するが、たとえば減面率９０％以上とする場合にはこの割合を９０％以上とし、しかも、この結晶粒内の亜結晶粒の平均粒径を１．５μｍ以下とする結晶構造を全体の７割以上とすることができる。
【００１３】
たとえば以上のような加工ひずみの導入によって前記のような特有の結晶構造を有するものとされた本発明のマグネシウム合金の特性は引張降伏応力（Ａ）２５０ＭＰａ以上、圧縮降伏応力（Ｂ）２００ＭＰａ以上、降伏応力異方性比（Ａ／Ｂ）０．７以上のように極めて優れたレベルのものとなる。
【００１４】
さらには、断面積の大きなものや複雑形状の長尺材料にも適用が可能であり、素材の大型化にも対応が可能であるため、実用化が見込まれる。
【実施例１】
【００１５】
商用純マグネシウム（純度９９．９５％）とイットリウムを溶解、鋳造し、１．１質量％イットリウム−マグネシウム合金インゴットを作製した。インゴットを溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ｍｍの圧延用ビレットを準備した。圧延用ビレットを４００℃に昇温した炉内にて１時間保持した後、溝ロール圧延を実施した。ここで、ロール表面温度は室温とし、ロール周速度は３０ｍ／分とした。また、溝ロール圧延による断面積減を１パスあたり１８％とし、総減面率が９２％となるように、１５回繰り返し圧延を行った。図１にＳＥＭ／ＥＢＳＤによる微細組織観察例を示す。ＥＢＳＤによる結晶方位解析により、方位差角が１５度以上である大傾角粒界を図中の黒色の曲線群で粒界と表示している。図中：Ｇと表記した大傾角粒界で囲まれた結晶粒の平均サイズは、２．７μｍであった。
【００１６】
圧延材から平行部直径３ｍｍ、長さ１５ｍｍを示す引張試験片、直径４ｍｍ、高さ８ｍｍを示す圧縮試験片をそれぞれ採取した。試験片採取方向は、圧延方向に対して平行方向で、初期引張・圧縮ひずみ速度は、１×１０−３ｓ−１である。図２に、室温引張・圧縮により得られた公称応力−公称ひずみ曲線を示す。また、機械的特性のまとめを表２に示す。なお、降伏応力は、０．２％ひずみのオフセット値を使用した。
【比較例１】
【００１７】
実施例１と同じ製法で、直径４０ｍｍの押出ビレットを準備した。押出ビレットを約３００℃に昇温した押出コンテナに投入し、３０分程度保持した後、減面率が９４％である押出比２５：１で温間押出加工を施し、直径８ｍｍの押出材を得た。押出速度は、０．２ｍｍ／秒とした。図３に透過型電子顕微鏡を用いた微細組織観察例を示す。表記：Ｇで示すように、隣接する結晶粒は大傾角粒界から構成され、大傾角粒界からなる結晶粒の平均粒径は約２μｍである。実施例１と同条件にて引張試験を行い、得られた結果を表２に示す。溝ロール材の２μｍ以下の結晶粒は、亜結晶粒から構成されるのに対し、押出材の２μｍ以下からなる結晶粒は大角粒界から構成されていることを示す。すなわち、押出加工では亜結晶粒を形成するのが難しい。
【００１８】
表２に、実施例１と比較例１のマグネシウム合金材の引張及び圧縮試験結果を示す。一般的な強ひずみ加工法では、殆どの結晶粒が大角粒界からなる微細粒組織を形成し、底面集合組織が非常に発達する。そのため、マグネシウム特有の降伏異方性、すなわち圧縮降伏応力が極端に低くなる。しかし、本プロセス（溝ロール法）で創製したマグネシウム合金は亜結晶粒を多数存在するため、高い強度レベルを維持したまま、底面集合組織の発達が抑えられ、降伏異方性が改善される。
【表２】
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【実施例２】
【００１９】
商用純マグネシウム（純度９９．９５％）とカルシウムを溶解、鋳造し、０．５質量％カルシウム−マグネシウム合金インゴットを作製した。インゴットを溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ｍｍの圧延用ビレットを準備した。圧延用ビレットを４００℃に昇温した炉内にて１時間保持した後、溝ロール圧延を実施した。圧延条件は実施例１と同じである。実施例１と同条件にて引張試験、圧縮試験を行い、得られた結果を表３、４に示す。
【実施例３】
【００２０】
商用純マグネシウム（純度９９．９５％）とスズを溶解鋳造し、１．５質量％スズ−マグネシウム合金インゴットを作製した。インゴットを溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ｍｍの圧延用ビレットを準備した。圧延用ビレットを３００℃に昇温した炉内にて１時間保持した後、溝ロール圧延を実施した。圧延条件は実施例１と同じである。実施例１と同条件にて引張試験、圧縮試験を行い、得られた結果を表３、４に示す。
【実施例４】
【００２１】
商用純マグネシウム（純度９９．９５％）とスズを溶解鋳造し、４．７質量％スズ−マグネシウム合金インゴットを作製した。インゴット母合金を溶体化処理した後、機械加工により、直径４０ｍｍの圧延用ビレットを準備した。圧延用ビレットを３００℃に昇温した炉内にて１時間保持した後、溝ロール圧延を実施した。圧延条件は実施例１と同じである。実施例１と同条件にて引張試験、圧縮試験を行い、得られた結果を表３、４に示す。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
【表４】
2011225972.tif 000005
【符号の説明】
【００２４】
Ｇ：結晶粒（大傾角粒界（方位差角１５°以上）で囲まれた粒界。）
ＲＤ：溝圧延平行方向
ＴＤ：溝圧延垂直方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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