(57)【要約】【課題】軽量化を図りつつ難燃性を確保することができるマグネシウム合金とその製造方法、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体を提供する。【解決手段】マグネシウム合金は、素材特性としての難燃性を確保するために製造時にカルシウムが添加されており、Mg-Al-Zn-Ca合金又はMg-Al-Mn-Ca合金が好ましい。マグネシウム合金は、カルシウムの含有量が0.5mass%未満であると十分な難燃性の効果を発揮することができず、2.0mass%以上であると脆くなって圧延時に割れが発生するため、カルシウムを0.5mass%以上2.0mass%未満含有することが好ましい。マグネシウム合金は、圧延温度が200℃未満であると圧延時に割れが発生し、350℃を超えると結晶粒が再結晶化して柔らかくなるため、圧延温度を200℃以上350℃以下で圧延加工することが好ましい。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
難燃性を有するマグネシウム合金であって、
カルシウムを0.5mass%以上2.0mass%未満含有し、
アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有すること、
を特徴とするマグネシウム合金。
【請求項２】
請求項１に記載のマグネシウム合金において、
亜鉛を0.1mass%以上1.5mass%以下含有すること、
を特徴とするマグネシウム合金。
【請求項３】
請求項１に記載のマグネシウム合金において、
マンガンを0.1mass%以上1.5mass%以下含有すること、
を特徴とするマグネシウム合金。
【請求項４】
難燃性を有するマグネシウム合金の製造方法であって、
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金を圧延加工して素形材を製造する圧延工程を含むこと、
を特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載のマグネシウム合金の製造方法において、
前記圧延工程は、圧延温度が200℃以上350℃以下であり、圧下率が60%以上80%以下であること、
を特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金を備える鉄道車両の構体。
【請求項７】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金を備える交通輸送手段の構体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、難燃性を有するマグネシウム合金とその製造方法、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の高速車両構体では、アルミニウム材料の特性向上のためCu(銅)、Mg(マグネシウム)、Si(ケイ素)、Zn(亜鉛)などの元素をアルミニウムに添加したアルミニウム合金が使用されている。このようなアルミニウム合金材は、押し出し性、中強度、溶接性に優れているとともに、比重が軽いため軽量化の高まりとともに鉄道車両への使用が進んでいる。従来のアルミニウム合金は、ケイ素を0.1〜0.9質量％、マグネシウムを0.7〜1.6質量％含有する（例えば、特許文献１参照）。このような従来のアルミニウム合金では、結晶粒が微細化されていなくても十分な強度を得ることができ、延性を向上させることができる。
【０００３】
また、従来の高速車両構体では、アルミニウム合金と比べて軽量の金属材料であるマグネシウム合金が使用されている。従来のマグネシウム合金は、所定の配向性を満たし、アルミニウムを5.0〜12.0質量％含有する（例えば、特許文献２参照）。このような従来のマグネシウム合金では、肉厚で機械的特性に優れ、耐食性及び耐肌荒れ性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2004-332112号公報
【０００５】
【特許文献２】特開2012-172255号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
高速鉄道車両では、アルミニウム合金に代わる軽量材として繊維強化プラスティック(FRP)などの樹脂系複合材が使用されている。例えば、FRPは炭素繊維と高分子とが複合した複合材料であり優れた強度特性を示すとともに、軽量化をより一層図ることができる。しかし、樹脂系複合材は、強度と剛性が優れているが、鉄道車両への適用に関しては鉄道車両の構体として使用可能な大型素材の製造が困難であり、コストが非常に高くなってしまう問題点がある。また、マグネシウム合金は、FRP程度の密度であり、アルミニウム合金と比べて軽量の金属材料である。しかし、マグネシウム合金は、不燃性や難燃性の点で問題点がある。
【０００７】
この発明の課題は、軽量化を図りつつ難燃性を確保することができるマグネシウム合金とその製造方法、鉄道車両の構体及び交通輸送手段の構体を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、図１及び図２に示すように、難燃性を有するマグネシウム合金であって、カルシウムを0.5mass%以上2.0mass%未満含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有することを特徴とするマグネシウム合金（３）である。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載のマグネシウム合金において、亜鉛を0.1mass%以上1.5mass%以下含有することを特徴とするマグネシウム合金である。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１に記載のマグネシウム合金において、マンガンを0.1mass%以上1.5mass%以下含有することを特徴とするマグネシウム合金である。
【００１１】
請求項４の発明は、図３に示すように、難燃性を有するマグネシウム合金の製造方法であって、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金（３）を圧延加工して素形材を製造する圧延工程（＃１４０）を含むことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法（＃１００）である。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４に記載のマグネシウム合金の製造方法において、前記圧延工程は、圧延温度が200℃以上350℃以下であり、圧下率が60%以上80%以下であることを特徴とするマグネシウム合金の製造方法である。
【００１３】
請求項６の発明は、図１に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金（３）を備える鉄道車両の構体（２）である。
【００１４】
請求項７の発明は、図１に示すように、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマグネシウム合金（３）を備える交通輸送手段（１）の構体（２）である。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によると、軽量化を図りつつ難燃性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の実施形態に係るマグネシウム合金を備える交通輸送手段の構体の一部を破断して示す斜視図である。
【図２】この発明の実施形態に係るマグネシウム合金を備える交通輸送手段の構体の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】この発明の実施形態に係るマグネシウム合金の製造方法の工程図である。
【図４】この発明の実施例に係る難燃性マグネシウム合金の金属組織を一例として示す顕微鏡写真である。
【図５】この発明の実施例に係る難燃性マグネシウム合金の難燃性の評価結果を一例として示す写真である。
【図６】この発明の実施例に係る難燃性マグネシウム合金の圧延加工性の評価結果を一例として示す写真であり、(Ａ)は難燃性マグネシウム合金のカルシウムの配合量が1.0mass%である場合の圧延加工後の外観の写真であり、(Ｂ)は難燃性マグネシウム合金のカルシウムの配合量が2.0mass%である場合の圧延加工後の外観の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳しく説明する。
図１に示す交通輸送手段１は、電車又は気動車などの鉄道車両である。構体２は、交通輸送手段１の主構造である。構体２は、図１に示すように、乗客又は貨物などの重量を支持し車体の床部分又は台枠を構成する床構え２ａと、この床構え２ａの両縁に固定され車体の側面部分を構成する一対の側構え２ｂ，２ｃと、この一対の側構え２ｂ，２ｃの上縁に固定され車体の屋根部分を構成する屋根構え２ｄと、車両の両端部分を構成する図示しない妻構えなどを備えている。構体２は、例えば、マグネシウム合金３によって形成された車外面板と室内面板とをトラス又はリブによって結合したダブルスキン構体である。
【００１８】
図１及び図２に示すマグネシウム合金３は、難燃性を有する難燃性マグネシウム合金である。マグネシウム合金３は、素材特性としての難燃性を確保するために製造時にカルシウムが添加されている。マグネシウム合金３は、例えば、Mg-Al-Zn-Ca合金又はMg-Al-Mn-Ca合金が好ましい。マグネシウム合金３は、カルシウムの含有量が0.5mass%未満であると十分な難燃性の効果を発揮することができず、2.0mass%以上であると脆くなって圧延時に割れが発生するため、カルシウムを0.5mass%以上2.0mass%未満含有することが好ましい。
【００１９】
マグネシウム合金３は、アルミニウムの含有量が2.0mass%未満であると強度が低下し、10.0mass%を超えると金属間化合物の量が増加して加工性が低下するため、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金３は、亜鉛の含有量が0.1mass%未満であると耐食性、鋳造性、塑性加工性が低下し、1.5mass%を超えるとアーク溶接性が悪くなる他、耐食性や鋳造性に効果が少なくなるため、亜鉛を0.1mass%以上1.5mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金３は、マンガンの含有量が0.1mass%未満であると耐食性と鋳造性が悪くなり、1.5mass%を超えると加工性が低下するため、マンガンを0.1mass%以上1.5mass%以下含有することが好ましい。
【００２０】
マグネシウム合金３は、鉄の含有量が0.001mass%を下回ると鋳造性の問題があり、0.002mass%を超えると耐食性の問題があるため、鉄を0.001mass%以上0.002mass%以下含有することが好ましい。マグネシウム合金３は、ケイ素及び銅の含有量がそれぞれ0.01mass%以上になると耐食性及び溶接性の問題があるため、ケイ素及び銅の含有量をそれぞれ0.01mass%未満含有することが好ましい。マグネシウム合金３は、ニッケルの含有量が0.001mass%以上になると耐食性及び溶接性の問題があるため、ニッケルの含有量を0.001mass%未満含有することが好ましい。
【００２１】
マグネシウム合金３は、厚さが10mmを超えると軽量化を図ることができず、2mmを下回ると強度が不足するため、厚さを2mm以上10mm以下にすることが好ましい。マグネシウム合金３は、例えば、摩擦撹拌接合(摩擦撹拌溶接)(Friction Stir Welding(FSW))、レーザ溶接又はMIG溶接などの低熱源接合方法によって端部同志（接合面同志）が接合されて構体２に組み込まれる。
【００２２】
次に、この発明の実施形態に係るマグネシウム合金の製造方法について説明する。
図３に示す製造方法＃１００は、図１に示す難燃性を有するマグネシウム合金３を製造する方法であり、加熱溶解工程＃１１０と、鋳造工程＃１２０と、均質化処理工程＃１３０と、圧延工程＃１４０などを含む。
【００２３】
加熱溶解工程＃１１０は、マグネシウム合金とカルシウムとを加熱溶解する工程である。加熱溶解工程＃１１０では、Mg-Al-Az系のマグネシウム合金とカルシウム、又はMg-Al-Mg系のマグネシウム合金とカルシウムとを真空又はアルゴンガス雰囲気化で600〜750℃の範囲内で加熱溶解する。
【００２４】
鋳造工程＃１２０は、加熱溶解工程＃１１０後のマグネシウム合金３の溶融金属を鋳造する工程である。鋳造工程＃１２０では、加熱溶解工程＃１１０後のマグネシウム合金３の溶融金属を塑性加工するために、所定の形状及び寸法のマグネシウム合金３の鋳塊（金属塊）に鋳造した後に、このマグネシウム合金３の鋳塊を分塊圧延して正方形又は丸型断面の小型のマグネシウム合金３の鋼片（鋳造ビレット）に加工する。
【００２５】
均質化処理工程＃１３０は、鍛造工程＃１２０後のマグネシウム合金３の金属材料の合金元素がこの金属材料中に均質に分布するように、この金属材料を所定の温度に加熱して一定時間保持する工程である。均質化処理工程＃１３０では、鍛造工程＃１２０後のマグネシウム合金３の鋼片を一度200℃で36時間の均質加熱（均質化処理）を行う。均質化処理工程＃１３０では、マグネシウム合金３の鋼片の均質加熱温度が150℃未満であると均質不十分の問題があり、200℃を超えると結晶粒粗大化の問題があるため、均質加熱温度を150℃以上200℃以下で均質化処理することが好ましい。また、均質化処理工程＃１３０では、マグネシウム合金３の鋼片の均質加熱時間が30時間未満であると均質不十分及び合金元素の偏析の問題があり、45時間を超えると結晶粒粗大化の問題があるため、均質加熱温度を30時間以上45時間以下で均質化処理することが好ましい。
【００２６】
圧延工程＃１４０は、均質化処理工程＃１３０後のマグネシウム合金３を圧延加工して素形材を製造する工程である。圧延工程＃１４０では、マグネシウム合金３の圧延温度が200℃未満であると圧延時に割れが発生し、350℃を超えると結晶粒が再結晶化して柔らかくなるため、圧延温度を200℃以上350℃以下で圧延加工することが好ましい。また、圧延工程＃１４０では、マグネシウム合金３の圧下率が60%未満であると欠陥が発生し、80%を超えると割れが発生するため、圧下率を60%以上80%以下で圧延加工することが好ましい。
【００２７】
この発明の実施形態に係るマグネシウム合金とその製造方法には、以下に記載するような効果がある。
(1) この実施形態では、マグネシウム合金３がカルシウムを0.5mass%以上2.0mass%未満含有し、アルミニウムを2.0mass%以上10.0mass%以下含有する。このため、軽量化を図りつつ難燃性を確保させることができる。その結果、鉄道車両などの交通輸送手段１の構体にマグネシウム合金１を適用したときに、従来のアルミニウム合金製の鉄道車両などに比べて軽量化を図ることができるとともに、鉄道車両の火災安全性などを確保することができる。また、従来のマグネシウム合金のように難燃性を確保するためにマグネシウム合金の表面に難燃剤をコーティングする必要がなくなって、安価に製造することができる。
【００２８】
(2) この実施形態では、マグネシウム合金３が亜鉛を0.1mass%以上1.5mass%以下含有する。このため、亜鉛を含有することで融点を下げて鍛造が容易になって圧延加工によって高強度のマグネシウム合金３を容易に製造することができる。
【００２９】
(3) この実施形態では、マグネシウム合金３がマンガンを0.1mass%以上1.5mass%以下含有する。このため、マンガンを含有することで耐食性及び強度に優れたマグネシウム合金３を容易に製造することができる。
【００３０】
(4) この実施形態では、マグネシウム合金３を圧延加工して素形材を製造する圧延工程＃１１０を含む。このため、例えば、高速車両構体に必要な素形材を簡単に製造することができる。
【００３１】
(5) この実施形態では、圧延工程＃１１０の圧延温度が200℃以上350℃以下であり、圧下率が60%以上80%以下である。このため、圧延時に割れが発生するのを防ぐことができるとともに、結晶粒が再結晶化して柔らかくなるのを防ぐことができる。
【実施例】
【００３２】
次に、この発明の実施例について説明する。
【００３３】
【表１】
2015131987.tif 000003
【００３４】
【表２】
2015131987.tif 000004
【００３５】
試験材は、表１に示す実施例１〜４及び比較例２，３に係る難燃性マグネシウム合金と、表２に示す比較例１に係るアルミニウム合金とを用いた。表１，２に示す単位は、質量パーセントである。
（実施例１）
実施例１は、カルシウムを添加したMg-Al-Zn-Ca系の難燃性マグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。実施例１に係る難燃性マグネシウム合金は、マグネシウムにアルミニウムを3.1mass%、亜鉛を0.84mass%含有するマグネシウム合金を電気炉によって加熱温度580℃で加熱し、マグネシウム合金を溶融させた後にカルシウムを1.0mass%添加して鋳造しビレットを作製し、250℃、圧下率60％で圧延して作製した。
【００３６】
（実施例２）
実施例２は、カルシウムを添加したMg-Al-Zn-Ca系の難燃性マグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。実施例２に係る難燃性マグネシウム合金は、マグネシウムにアルミニウムを5.9mass%、亜鉛を0.93mass%含有するマグネシウム合金を電気炉によって加熱温度580℃で加熱し、マグネシウム合金を溶融させた後にカルシウムを1.0mass%添加して鋳造しビレットを作製し、250℃、圧下率60％で圧延して作製した。
【００３７】
（実施例３）
実施例３は、カルシウムを添加したMg-Al-Mn-Ca系の難燃性マグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。実施例３に係る難燃性マグネシウム合金は、マグネシウムにアルミニウムを3.3mass%、マンガンを0.98mass%含有するマグネシウム合金を電気炉によって加熱温度600℃で加熱し、マグネシウム合金を溶融させて後にカルシウムを1.0mass%添加して鋳造しビレットを作製し、250℃、圧下率60％で圧延して作製した。
【００３８】
（実施例４）
実施例４は、カルシウムを添加したMg-Al-Mn-Ca系の難燃性マグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。実施例４に係る難燃性マグネシウム合金は、マグネシウムにアルミニウムを6.2mass%、マンガンを1.01mass%含有するマグネシウム合金を電気炉によって加熱温度 600℃で加熱し、マグネシウム合金を溶融させて後にカルシウムを1.0mass%添加して鋳造しビレットを作製し、250℃、圧下率60％で圧延して作製した。
【００３９】
図４に示すように、実施例２に係る難燃性マグネシウム合金の金属組織を観察したところ、アルミニウムとカルシウムとが結合して金属間化合物(Al2Ca)が生成されており、糸状の金属間化合物が蜂の巣状に形成されていることが確認された。
【００４０】
（比較例１）
比較例１は、表２に示す化学成分の合金番号A6061のAl-Mg-Si系のアルミニウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。
【００４１】
（比較例２）
比較例２は、表１に示す化学成分のAZ61のMg-Al-Zn系のマグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。
【００４２】
（比較例３）
比較例３は、カルシウムを添加したMg-Al-Zn-Ca系の難燃性マグネシウム合金を長さ60mm×幅20mm×厚さ1mmに加工した板材である。比較例３に係る難燃性マグネシウム合金は、実施例２に係る難燃性マグネシウム合金の化学成分のうちカルシウムの含有量のみが異なる。比較例３に係る難燃性マグネシウム合金は、マグネシウムにアルミニウムを3.1mass%、亜鉛を0.84mass%を含有するマグネシウム合金を電気炉によって加熱温度 580℃で加熱し、マグネシウム合金を溶融させた後にカルシウムを2.0mass%添加して鋳造しビレットを作製し、250℃、圧下率60％で圧延して作製した。
【００４３】
【表３】
2015131987.tif 000005
【００４４】
この発明の実施例及び比較例の難燃性及び圧延加工性の評価結果を表２に示す。
（燃焼試験）
実施例１〜４及び比較例１〜３の難燃性を確認するために燃焼試験を実施した。燃焼試験は、ガスバーナを使用して実施例１〜４及び比較例１〜３を直接加熱する手法で行った。燃焼試験装置は、ブロックで囲いをくみ上げ、上面にガスバーナを設置したものを試作した。燃焼温度は、最大加熱温度が700℃程度で、加熱時間が1分であり、熱電対を使用して測定した。その結果、図５に示すように、比較例１に係るアルミニウム合金については発火する前に溶融し、比較例２に係るマグネシウム合金については発火し燃焼することが確認された。一方、実施例１〜４に係る難燃性マグネシウム合金については、いずれも発火せず難燃性の効果が確認された。このため、図４に示すようなマグネシウム合金の金属組織内のカルシウム系の金属間化合物によって難燃性が保持されることが確認された。
【００４５】
（圧延加工性）
実施例１〜４及び比較例３に係る難燃性マグネシウム合金の圧延加工性を確認するために、油圧式圧延加工機を用い、荷重を200kg、圧延温度を250℃、圧下率60％で圧延加工を実施した。その結果、図６に示すように、比較例３に係る難燃性マグネシウム合金については割れが確認された。このため、カルシウムを2mass%以上含有する難燃性マグネシウム合金については圧延加工性が劣ることが確認された。一方、実施例１〜４に係る難燃性マグネシウム合金については、いずれも割れが発生せず圧延加工性が良好であることが確認された。このため、図４に示すようなマグネシウム合金の金属組織内のカルシウム系の金属間化合物によって強度が確保されることが確認された。
【００４６】
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
この実施形態では、鉄道車両にマグネシウム合金３を適用した場合を例に挙げて説明したが、自動車、船舶、航空機又は飛翔体などの他の交通輸送手段についてもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、鉄道車両の構体２にマグネシウム合金３を適用する場合を例に挙げて説明したが、鉄道車両の床材、パンタグラフカバー又は台車塞ぎ板などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、マグネシウム合金３を圧延加工して素形材を製造する場合を例に挙げて説明したが、押出、鍛造、鋳造、曲げなどの加工によって素形材を製造することもできる。例えば、図３に示す均質化処理工程＃１３０後の鋳造ビレットや圧延工程＃１４０後の圧延材に対して鍛造のプレスフォージング法を利用してマグネシウム合金３を製造することもできる。この場合には、200℃〜350℃でプレスフォージングを行うことが好ましい。
【符号の説明】
【００４７】
１  交通輸送手段（鉄道車両）
２  構体
３  マグネシウム合金
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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