(57)【要約】  常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材およびその製造方法が開示される。本発明の一実施例による常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法は、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理を行う第１ステップを含むことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理を行う第１ステップを含むことを特徴とする常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法。
【請求項２】
前記第１ステップは、
サンドブラスト（ｓａｎｄ  ｂｌａｓｔ）、ショットピーニング（ｓｈｏｔ  ｐｅｅｎｉｎｇ）、レーザーピーニング（ｌａｓｅｒ  ｐｅｅｎｉｎｇ）または超音波ピーニング（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｅｅｎｉｎｇ）のうちいずれか一つの工程であることを特徴とする、請求項１に記載の常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法。
【請求項３】
前記第１ステップの前に、
前記マグネシウム合金元素材をアニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）するアニーリングステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項による方法を使って製造されることを特徴とする常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金板材およびその製造方法に関し、より詳しくは、常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム材料は、密度がアルミニウムの２／３、鉄の１／４のレベルに過ぎないだけでなく、他の金属と合金する場合、熱伝導率は亜鉛の１．２倍、鉄の２倍となり、プラスチックなどと比較しても放熱性に優れた特性を有している。また、電磁波遮蔽性、振動吸収性、腐食抵抗性などに優れているため、軽量化が求められる自動車部品および携帯用電子製品の素材として脚光を浴びている。
【０００３】
しかし、マグネシウム材料（純粋マグネシウムまたはマグネシウム合金）は、既存の鋼板やアルミニウム合金板材の製造および加工とは異なる点があり、それは、マグネシウムが常温で伸び率が低いということである。マグネシウムは六方稠密構造（ＨＣＰ）を有しており、常温で自由に変形するための十分なスリップシステム（ｓｌｉｐ  ｓｙｓｔｅｍ）を有しないので非常に脆性が強く、成形性が不足しているという点が限界として指摘されている。
【０００４】
このようなマグネシウム材料の常温成形の限界により、従来は、マグネシウム材料を主にダイキャスティングなどの鋳造法を使って成形してきた。しかし、鋳造法は、鋳型を別に製作しなければならないので製造時間および製造費用が増加するだけでなく、高い不良率によって品質が不均一となり、薄板形状の製造が難しいという短所がある。
【０００５】
一方、マグネシウム材料を複雑な形状に製造するために、プレス加工などを通じて成形する方法がある。プレス加工成形方法においては、常温でマグネシウム材料を成形すると容易に破壊されるため、素材および金型の温度を２００〜３００℃の領域で成形する温間成形を行っている。
【０００６】
しかし、上述した温間成形の場合は、大量生産のための連続工程が行われ難いだけでなく、費用などの問題で常用化するのに好適でないという問題点があった。
【０００７】
したがって、常温においてもプレス加工などを通じて成形および加工ができるように常温成形性を向上させたマグネシウム材料に対する要求が増大している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の実施例は、マグネシウム合金の表面に圧縮残留応力を付加することにより、常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材およびその製造方法を提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によれば、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理を行う第１ステップを含むことを特徴とする常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法を提供することができる。
【００１０】
また、前記第１ステップは、サンドブラスト（ｓａｎｄ  ｂｌａｓｔ）、ショットピーニング（ｓｈｏｔ  ｐｅｅｎｉｎｇ）、レーザーピーニング（ｌａｓｅｒ  ｐｅｅｎｉｎｇ）または超音波ピーニング（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｅｅｎｉｎｇ）のうちいずれか一つの工程であることを特徴とする。
【００１１】
また、前記第１ステップの前に、前記マグネシウム合金元素材をアニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）するアニーリングステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の側面によれば、本発明の一側面による常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法を使って製造されることを特徴とする常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材を提供することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の実施例は、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理工程を行うことにより、マグネシウム材料の常温における低い成形性を向上させることができる。
【００１４】
また、常温成形性が向上したマグネシウム合金板材を提供することにより、大量生産のための連続工程を可能にして、大面積のマグネシウム合金の大面積部品を生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例による常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法を示すフローチャートである。
【図２ａ】比較例１〜比較例３の穿孔法によって測定された残留応力の程度を示すグラフである。
【図２ｂ】実施例１〜実施例３の穿孔法によって測定された残留応力の程度を示すグラフである。
【図３】比較例１〜３および実施例１〜３に該当するマグネシウム合金板材の引張試験の結果値を示すグラフである。
【図４】比較例２および比較例３と実施例によって前処理されたマグネシウム合金板材のエリクセン試験の結果値を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の一実施例による常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法を示すフローチャートである。
【００１７】
図１を参照すれば、常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材の製造方法は、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理を行う第１ステップ（Ｓ２００）を含む。
【００１８】
本発明において、マグネシウム合金はマグネシウムを主成分とする合金を意味する。例えば、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ｚｎ、Ｍｇ−Ｍｎ系であるＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＺ９１、ＡＭ１００合金などが挙げられる。また、Ｚｒを含有する高強度合金であるＺＫ系；Ｔｈ、Ｃｅを含有する耐熱合金であるＥＺ、ＥＫ、ＨＫ、ＨＺ、ＭＨ系；Ａｌ、Ｓｉを含有する耐熱鋳造合金であるＡＳ２１、ＡＳ４１；Ａｇ、Ｒ．Ｅ、Ｔｈ、Ｚｒなどを含有する耐熱合金であるＱＥ２２、ＱＨ２１、ＷＥ５４；およびＬｉを含有するＬＡ９１、Ｌ１４Ａ１合金なども含むことができる。
【００１９】
第１ステップ（Ｓ２００）は、マグネシウム合金元素材の前処理において、マグネシウム合金の表面に圧縮残留応力を付加できる工程を行うことを意味する。
【００２０】
圧縮残留応力は、塑性変形により素材が変形した後、外力が全て除去された状態においても素材に残っている応力をいう。
【００２１】
圧縮残留応力を付加する工程は、従来に金属の疲労寿命を高めるために行われるものとして知られてきた。しかし、本発明の発明者らは、マグネシウム合金元素材の前処理過程において、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する場合、マグネシウム合金の常温成形性を向上できるということを確認した。
【００２２】
したがって、本発明は、マグネシウム合金元素材の前処理工程として圧縮残留応力を付加する工程を採択することにより、マグネシウム合金の常温における低い成形性を大幅に改善させたことを特徴とする。
【００２３】
第１ステップ（Ｓ２００）は、サンドブラスト（ｓａｎｄ  ｂｌａｓｔ）工程、ショットピーニング（ｓｈｏｔ  ｐｅｅｎｉｎｇ）工程、レーザーピーニング（ｌａｓｅｒ  ｐｅｅｎｉｎｇ）工程、または超音波ピーニング（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  ｐｅｅｎｉｎｇ）工程のうちいずれか一つの工程であってもよい。
【００２４】
ショットピーニングは、金属の表面にショットボール（ｓｈｏｔ  ｂａｌｌ）という鋼球を高速で投射して、金属の表面をハンマリング（ｈａｍｍｅｒｉｎｇ）する一種の冷間加工である。ショットボールが金属の表面に高速衝突し、ショットボールの運動エネルギーが瞬間的に材料の表面に塑性変形（ｐｌａｓｔｉｃ  ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を与え、表面から離脱するようになる。
【００２５】
サンドブラストは、砂を圧縮空気を介して材料の表面に噴射して圧縮残留応力を付加する工程である。
【００２６】
レーザーピーニングは、材料の表面に不透明な塗膜および透明な塗膜からなる層を覆わせた後、焦点の直径が約２．５ｍｍ〜２５ｍｍのレーザビームを照射することにより、生成されたプラズマ圧力による衝撃波を通じて圧縮残留応力を付加する工程である。
【００２７】
超音波ピーニングは、鉄球を超音波を用いて共振させ、前記鉄球を金属の表面に分散させて圧縮残留応力を付加する工程である。
【００２８】
一方、圧縮残留応力を付加する工程は、マグネシウムの表面に圧縮残留応力を付加できる工程であればいずれもよく、上述した具体例に限定されない。しかし、以下では、説明の便宜のために、圧縮残留応力を付加する工程がショットピーニング工程である場合を中心に説明する。
【００２９】
本発明の一実施例によるマグネシウム合金の常温成形性の向上方法は、第１ステップ（Ｓ２００）の前に、前記マグネシウム合金元素材をアニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）するアニーリングステップ（Ｓ１００）をさらに含むことを特徴とする。
【００３０】
本発明の発明者らは、マグネシウム合金元素材の前処理過程において、マグネシウム合金元素材をアニーリング処理した後に、前記マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する場合に、マグネシウム合金の常温成形性がより向上できたことをさらに確認した。
【００３１】
前記アニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）は、マグネシウム合金元素材を一定の温度に加熱した後、徐々に冷まして内部組織を均一にする熱処理方法を意味する。
【００３２】
アニーリングステップ（Ｓ１００）において、熱処理温度は、条件（素材の種類、前状態）に応じて異なり得るし、特に限定されない。例えば、前記マグネシウム合金を３００〜４００℃で熱処理した後、空冷させることができる。
【００３３】
また、前記熱処理時間は特に限定されない。例えば、時間および費用の効率化を最適化するために、前記熱処理時間は３０分以内に実施することができる。
【００３４】
上述したように、本発明の実施例は、マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力を付加する前処理工程を行うことにより、マグネシウム材料の従来の短所であった常温における低い成形性を向上できるという効果がある。
【００３５】
また、本発明の実施例による方法を使って製造された常温成形性を向上させたマグネシウム合金板材は、大量生産のための連続工程を可能にして、大面積のマグネシウム合金板材を生産できるという追加的な効果がある。
【００３６】
以下では、比較例および実施例によって本発明をより詳細に説明する。但し、下記の比較例および実施例は本発明を詳細に説明するために例示するものに過ぎず、本発明の権利範囲を限定しないことは明らかである。
（実施例）
＜マグネシウム合金元素材の準備＞
【００３７】
下記の表１のような条件下で、比較例１〜３、実施例１〜４に該当する元素材を準備した。基本素材はＡＺ３１Ｂであり、厚さは１．６ｍｍであり、ストリップキャスティング（Ｓｔｒｉｐ  Ｃａｓｔｉｎｇ）工程をによって製造された板材である。ストリップキャスティングは、溶湯で直接圧延ロールの間を通過させながら冷却させて板材を製造する工程をいう。
【００３８】
圧縮残留応力を付加する工程としてはショットピーニング（ｓｈｏｔ  ｐｅｅｎｉｎｇ）工程が使われた。遂行条件は、圧力０．８ＭＰａおよび噴射距離１５ｃｍの条件下で、ショットボール（Ａｌｕｍｉｎｉａ  Ｐｏｗｄｅｒ  ＃２４０）を６０秒〜１２０秒間噴射した。
【００３９】
一方、アニーリング（ａｎｎｅａｌｉｎｇ）は、各温度で２０分〜６０分間維持した後、空冷した。
【００４０】
【表１】
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＜ビッカース硬さ試験（Ｖｉｃｋｅｒ  ｈａｒｄｎｅｓｓ  ｔｅｓｔ）＞
【００４１】
マグネシウム合金元素材の表面に圧縮残留応力の付加有無を確認するために、比較例１、２と実施例２に対してビッカース硬さ試験を実施した。ビッカース硬さ試験は、Ｍｉｃｒｏ  Ｖｉｃｋｅｒｓ  ＦＭ  ７００硬度計を用いて実施し、試験条件は、試験荷重５００ｇｆ、ドウェル時間（ｄｗｅｌｌ  ｔｉｍｅ）５ｓｅｃであった。下記の表２においては、比較例１、２と実施例２に該当するマグネシウム合金元素材の厚さ方向に応じた硬度変化を整理した。一方、実施例２の場合は、マグネシウム合金元素材の上部（表面）、内部、および下部に区分して硬度を測定した。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
上記の表２を参照すれば、元素材の前処理をしない場合（比較例１）の硬度は、Ｈｖ６５．８（平均値、以下、同様）と測定された。また、元素材にアニーリング処理だけをした場合は（比較例２）、硬度がＨｖ５８．５と測定され、元素材がより軟化したことを確認することができる。
【００４４】
一方、元素材にアニーリング処理をし、圧縮残留応力を付加した場合は（実施例２）、元素材の上部（表面）は硬度がＨｖ９０．５（最大Ｈｖ９８．６）に上昇し、また、内部も硬度がＨｖ７３．４３（最大Ｈｖ７５．１）に上昇したことを確認することができる。すなわち、実施例２は、比較例１または２より表面および内部の硬度がいずれも上昇した。したがって、マグネシウム板材の表面が圧縮残留応力の付加工程（ショットピーニング）によって塑性変形が発生して硬化すると同時に圧縮残留応力が残留することが分かる。
＜穿孔法（Ｈｏｌｅ  Ｄｒｉｌｌｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）による残留応力の測定＞
【００４５】
比較例および実施例に対し、ＡＳＴＭ  Ｅ８３７−０８による穿孔法（Ｈｏｌｅ  Ｄｒｉｌｌｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄ）によって圧縮残留応力を測定した。すなわち、前記ビッカース硬さ試験から提示された残留応力の存在有無に対して定量的な結果を導き出した。
穿孔法は、残留応力が存在する素材を穿孔すると応力の平衡状態に到達するために周辺の拘束が解除されるという理論に基づくものであり、周囲の弛緩した変化量は歪みゲージを用いて測定する。
【００４６】
本測定に使われた装置はＲＳ−２００（ドリル装置、Ｖｉｓｈａｙ、ＵＳＡ）、Ｐ−３（Ｓｔｒａｉｎ  Ｉｎｄｉｃａｔｏｒ、Ｖｉｓｈａｙ、ＵＳＡ）、Ｈ−ｄｒｉｌｌ  ｖｅｒ３．１０（分析Ｓ／Ｗ、Ｖｉｓｈａｙ、ＵＳＡ）であり、歪みゲージはＣＥＡ−０６−０６ＵＬ−１２０（Ｖｉｓｈａｙ、ＵＳＡ）を使った。
【００４７】
一方、残留応力の測定のために試験片の真中を２番ゲージに決め、これを基準にして左、右に２０ｍｍ離れた位置に１番および３番ゲージのホール部分を位置させた。
【００４８】
図２ａは、比較例１〜比較例３の穿孔法によって測定された残留応力の程度を示すグラフである。
【００４９】
基準点から（−）方向は試験片に圧縮残留応力が存在することを示し、（＋）方向は試験片に引張残留応力が存在することを示す。一方、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３は試験回数を示す。
【００５０】
図２ａを参照すれば、元素材の前処理をしない場合（比較例１）は圧縮残留応力が存在することを確認することができ、アニーリング処理だけをした場合（比較例２および３）は引張残留応力が存在することを確認することができる。
【００５１】
図２ｂは、実施例１〜実施例３の穿孔法によって測定された残留応力の程度を示すグラフである。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は試験回数を示す。
【００５２】
図２ｂを参照すれば、元素材に圧縮残留応力を付加した場合は（実施例１）、上述した比較例１と比較して、圧縮残留応力がより増加したことを確認することができる。また、アニーリング処理を行った後に圧縮残留応力を付加した場合は（実施例２および３）、アニーリング処理だけをした場合（比較例２および３）の引張残留応力が圧縮残留応力状態に変化したことを確認することができる。
【００５３】
したがって、マグネシウム板材の表面には、圧縮残留応力の付加工程（ショットピーニング）によって圧縮残留応力が生成されたことが分かる。
＜１軸引張試験（Ｔｅｎｓｉｌｅ  ｔｅｓｔ）＞
【００５４】
比較例１と実施例１〜実施例３に対して１軸引張試験を実施した。引張試験はＩＮＳＴＲＯＮ−４２０６装置においてＡＳＴＭ−Ｅ８Ｍ規格の試験片（ｇａｇｅ  ｌｅｎｇｔｈ  ２５ｍｍ）を用い、試験速度は７５ｍｍ／ｍｉｎであった。
【００５５】
図３は、比較例１〜３および実施例１〜３に該当するマグネシウム合金板材の引張試験の結果値を示すグラフである。図３を参照すれば、前記グラフは応力−歪み曲線（ｓｔｒｅｓｓ−ｓｔｒａｉｎ  ｃｕｒｖｅ）であって、試験片に加えた応力に対する試験片の変形程度を示す曲線である。
【００５６】
伸び率（ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）は、前記応力−歪み曲線において試験片の伸びた長さを試験片の初期長さで分けた数値を意味するものであり、素材の成形性を示す一般的な尺度である。
【００５７】
まず、元素材の前処理をしない比較例１においては、引張強度（Ｔｅｎｓｉｌｅ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が２８５．６９Ｍｐａであり、伸び率は１５％と測定された。
【００５８】
これと比較し、前記グラフに示されているように、元素材に圧縮残留応力を付加する工程だけを行った実施例１の場合、引張強度は２７６．５８Ｍｐａであり、伸び率は１７．６２％と多少向上したことが分かる。また、元素材を３４５℃でアニーリングし、圧縮残留応力を付加する工程を行った実施例２の場合、引張強度は２６２．４６Ｍｐａであり、伸び率は２３．１６％とより向上したことを確認することができる。
【００５９】
一方、マグネシウム板材の場合、２軸以上の応力状態にある場合が多いため、１軸引張試験だけでは成形性を正しく判断し難い。したがって、マグネシウム板材の成形性の判断は、１軸引張試験と共に後述するエリクセン試験および深絞り試験の結果と共になされなければならない。
＜成形性試験（エリクセン試験）＞
【００６０】
比較例１〜３、実施例１〜４に対して成形性試験を実施した。成形性試験方法としてはエリクセン試験（Ｅｒｉｃｈｓｅｎ  ｔｅｓｔ）を使った。エリクセン試験は、板材の成形性を判断する代表的な試験法であり、上下ダイの間に素材が圧着された状態でボール形状のパンチが上部に上昇して素材が破損するまでの高さを測定することによって板材の成形性を測定することをいう。
【００６１】
エリクセン試験はＥｒｉｃｈｓｅｎ−１４２／４０装置で行われ、試験条件は圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ）０．８Ｍｐａ、パンチスピード０．５ｍｍ／ｓ、ｂｌａｎｋ  ｈｏｌｄｉｎｇ  ｆｏｒｃｅは３．５ｋＮであった。
【００６２】
エリクセン試験から導き出されるエリクセン値（Ｉｎｄｅｘ  ｏｆ  Ｅｒｉｃｈｓｅｎ）は、素材が破断することなく変形する成形性を示す指標であり、１軸引張試験とは異なり、２軸以上の応力状態において成形性を示す代表的な指数である。エリクセン値が高いほど成形性が良いものとして解釈される。
【００６３】
下記の表３においては、上述した成形性の試験結果として、比較例１〜３、実施例１〜４のエリクセン値を示す。これと関連し、図４は、比較例２および比較例３と実施例によって前処理されたマグネシウム合金板材のエリクセン試験の結果値を示すグラフである。
【００６４】
前記グラフにおいて、Ｙ軸は力（ｆｏｒｃｅ）であり、Ｘ軸はマグネシウム合金板材の伸びた程度（ｓｔｒｏｋｅ）を示す。したがって、同一の力によるマグネシウム合金板材の伸びた程度を対比することにより、上述した比較例および実施例間のマグネシウム合金板材の成形性を比較することができる。
【００６５】
【表３】
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【００６６】
上記の表３および図４を参照すれば、元素材の前処理をしない場合と比較し（比較例１）、アニーリング処理をするか（比較例２および比較例３）、元素材に圧縮残留応力を付加する工程を遂行した時（実施例１）、成形性試験で優れた結果を得て、マグネシウム合金板材の成形性が増加する効果があることが分かる。
【００６７】
また、アニーリング処理後に圧縮残留応力を付加する工程を順次行った場合は（実施例２および実施例３）、アニーリング処理または圧縮残留応力を付加する工程だけを遂行した場合より、マグネシウム合金板材の成形性がより増加する効果があることを確認することができる。
【００６８】
但し、アニーリング処理後に圧縮残留応力を付加する工程を順次行う場合であっても、アニーリング処理温度が４００℃以上である場合は、成形性がむしろ低くなることを確認することができた。
＜深絞り（ｄｅｅｐ  ｄｒａｗｉｎｇ）四角カップの成形＞
【００６９】
比較例１、２および実施例２に対して深絞り四角カップの成形を実施した。深絞り加工は、平板から継ぎ目のない中空容器を作る代表的な成形法であり、ダイ表面上にある素材を円周方向に縮めながらパンチとダイ間を移動させて側壁を作る技法である。
【００７０】
深絞り四角形の成形条件は、比較例１、２の場合、金型温度１００℃、パンチ速度０．４３ｍｍ／ｓ、成形高さ７ｍｍであり、４０×６０ｍｍの大きさに成形を実施した。一方、実施例２の場合は金型の温度を常温で行い、残りの条件は前記と同様である。
【００７１】
遂行の結果、前処理をしない元素材（比較例１）またはアニーリングだけを実施した元素材（比較例２）の場合は、破断が生じて四角カップの成形が失敗したものと観察された。
【００７２】
しかし、アニーリングおよび圧縮残留応力の付加工程を前処理として行った元素材（実施例２）の場合は、常温で成形したのに破断が生じることなく四角カップの成形に成功することにより、成形性がより向上したことを確認することができた。
【００７３】
以上、本発明の実施例について説明したが、当該技術分野で通常の知識を有した者であれば、特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で構成要素の付加、変更、削除または追加などによって本発明を様々に修正および変更できるものであり、これもまた本発明の権利範囲内に含まれると言える。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2013542328.tif 000012
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