(57)【要約】【課題】塑性加工性に富んだマグネシウム合金成形材料とその製造方法およびその製造装置を提供する。【解決手段】塑性加工用マグネシウム合金成形材料であって、塑性加工により形成された主表面を有し、前記主表面は、周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有し、前記凹面および／または凸面のＸ線回折パターンにおいて、｛０００２｝面に帰属されるピークの強度が、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の４０％以上を占めているマグネシウム合金成形材料。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
塑性加工用マグネシウム合金成形材料であって、
塑性加工により形成された主表面を有し、
前記主表面は、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有し、
前記凹面および／または凸面のＸ線回折パターンにおいて、｛０００２｝面に帰属されるピークの強度が、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の４０％以上を占めているマグネシウム合金成形材料。
【請求項２】
前記凹面および／または凸面が、前記主表面の法線方向に対して、４０〜５０°の傾斜を有する斜面からなる請求項１記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項３】
前記凹面および／または凸面上を移動する任意の点の、前記主表面を上面とした場合の鉛直方向における変位が、連続的に変化している請求項１記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項４】
前記凹面および／または凸面が、前記主表面上に直線状に延びるリブ状もしくは線状凸部および／または溝状もしくは線状凹部の表面である請求項３記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項５】
前記凹面および／または凸面が、前記主表面上に斑点状に広がる突起部および／または窪み部の表面である請求項３記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項６】
比重が理論値の９８〜１００％である請求項１〜４のいずれかに記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項７】
マグネシウム以外に、アルミニウム、亜鉛およびマンガンを主成分として含有し、アルミニウムの含有量は２〜２０重量％である請求項１〜５のいずれかに記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項８】
平均結晶粒径が、０．１〜６０μｍである請求項１〜６のいずれかに記載のマグネシウム合金成形材料。
【請求項９】
表面に凹凸を有するローラを用いて、マグネシウム合金素材を１回以上圧延する塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１０】
前記塑性加工において、圧下率０〜４０％で、前記マグネシウム合金素材を圧延する請求項９記載のマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１１】
前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱する請求項９記載のマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１２】
マグネシウム合金素材を圧延するための一対のローラと、前記一対のローラを駆動させるための駆動手段とを有し、前記一対のローラの少なくとも一方は、表面に凹凸を有し、前記凹凸を有するローラの中心軸に垂直な任意の断面において、前記凹凸の表面と前記中心軸との距離は、前記中心軸の回転方向に沿って、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置。
【請求項１３】
前記一対のローラの両方が、表面に前記凹凸を有し、前記マグネシウム合金素材を挟んで、一方のローラの凹部と他方のローラの凸部とが噛み合うように構成されている請求項１２記載のマグネシウム合金成形材料の製造装置。
【請求項１４】
表面に凹凸を有するプレス金型を用いて、マグネシウム合金素材を１回以上プレスする塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１５】
前記マグネシウム合金素材を、前記プレス金型に順送しながら前記塑性加工を行う請求項１４記載のマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１６】
前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱する請求項１４記載のマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１７】
マグネシウム合金素材をプレスするためのプレス金型と、前記プレス金型を駆動させるための駆動手段とを有し、前記プレス金型のダイおよびポンチの少なくとも一方は、表面に凹凸を有し、前記表面と凹部および凸部にわたって交わる平面において、前記凹凸の表面と前記平面との交わる線は、波形であり、前記波の変位は、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置。
【請求項１８】
複数の凹凸を設けた開口端部で囲まれた開口部を有するノズルから、マグネシウム合金素材を押し出す塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項１９】
前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱する請求項１８記載のマグネシウム合金成形材料の製造方法。
【請求項２０】
マグネシウム合金素材を押し出すためのノズルと、前記ノズルに前記マグネシウム合金素材を送る移送手段とを有し、前記ノズルは、複数の凹凸を設けた開口端部で囲まれた開口部を有し、前記凹凸の形状は、波形であり、前記波の変位は、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、塑性加工用マグネシウム合金成形材料、その製造方法ならびに製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、大量生産される家電製品に対しては、リサイクル処理や環境問題などの対策の一つとして、家電製品の外装部品を従来の樹脂材料に代えて、金属材料で製作することが注目されている。樹脂のリサイクル率が２０％程度であるのに対し、金属材料は９０％がリサイクル可能である。
【０００３】
金属材料中で、特にマグネシウムは、他の金属と比較して軽量・高強度であり、振動減衰性にも優れているため、携帯型の電子機器や自動車部品などで実用化されている。また、マグネシウムは比較的低融点であることから、リサイクルエネルギーも少なくてすむという特徴を有している。
【０００４】
このマグネシウム合金の主な成形方法は、ダイカストやチクソモールドといった鋳造による成形と、プレス、曲げ加工、鍛造といった塑性加工とに大きく分類される。家電製品の部品については、現在は成形の自由度が高い鋳造が主流であるが、鋳造品の表面欠陥や内部への気泡の巻き込みといった問題のために歩留まりが悪く、コストが高いという問題を抱えている。
【０００５】
そこで、比較的簡単な形状の家電製品筐体などに対しては、予め作製した薄板をプレス（絞り）成形する方法が、鋳造に比べ、タクトの短縮化や表面欠陥の低減の面から優位であると考えられている。また、鍛造成形品は鋳造成形品に比べ強度が高くなるため、強度の求められる機構部品などに対しては、鍛造成形が優位であると考えられている。
【０００６】
なお、現在家電製品の筐体向けに主に用いられているマグネシウム合金は、マグネシウムの他にアルミニウム、亜鉛、マンガンを主成分とするＡＺ系のマグネシウム合金が多い。ＡＺ系マグネシウム合金は、他のマグネシウム合金に比べ強度が強いことに加え、耐蝕性に優れているため、汗や水にさらされやすい家電製品の筐体には適した合金である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
マグネシウム合金の結晶構造は、六方晶系をしており、常温では活動するすべり系が少なく、延性に乏しい。そのため、Ｍｇ合金の展伸材加工の際には、材料を加熱して活動するすべり系を増やすこと、および元材の結晶粒径および集合組織を制御することが望ましいとされている。
【０００８】
マグネシウム合金の塑性加工技術としては、現在は、押出し加工された元材をそのまま、または圧延して板状に加工し、それを鍛造や絞り成形する方法が主流である。しかし、押出し加工および圧延の工程で、板材表面の結晶方位は六方晶系の底面である｛０００２｝面が顕著となり、材料表面に対して垂直な加圧を行う鍛造または絞り成形の際に十分なすべり変形がおこらず、破断しやすいという欠点がある。
【０００９】
この｛０００２｝面は、マグネシウム合金において、常温〜約３００℃の範囲において作動する最も主要なすべり面である。この｛０００２｝面のすべり方向は＜１１２０＞方向、すなわち、この面に平行な方向である。それゆえ、材料表面に｛０００２｝面が顕著となっている材料については、その表面に対して垂直な加圧に対しては、働くすべり系が相対的に少なく、変形しにくい。材料のすべり機構が働きにくい状態で大きな力を加えると、材料が破断しやすい。すなわち、｛０００２｝面が顕著となっている表面は、法線方向からの加圧によって破断を生じやすいと考えられている。
【００１０】
また、マグネシウムなどの六方晶系の金属において、すべり変形と同様に塑性変形に寄与するもう一つの機構として、双晶変形がある。最も一般的な六方晶系の双晶面は｛１０１２｝面で、その双晶方向は双晶面に平行な＜１０１１＞方向である。マグネシウム合金の場合、マグネシウムの格子定数から計算される双晶面｛１０１２｝面と底面｛０００２｝面との角度は約４５°となっており、｛０００２｝面が顕著となっている面に対し、その面に垂直な方向から加圧した場合、双晶変形が必ずしも起りやすい位置関係にあるとは言えない。
【００１１】
塑性加工用のマグネシウム合金材料の加工性を向上させるには、結晶粒径を微細化することが一般的に有効とされており、特開昭６３−２８２２３２号公報や特開平７−２２４３４４号公報などでは、結晶微細化剤の添加や、溶融マグネシウム合金の冷却速度制御によって、結晶粒径の微細化を行う方法が提案されている。しかし、結晶粒径の微細化は、押し出しまたは圧延時の加工歪量と加工温度の操作で、ある程度制御できることがわかってきている。そこで、本発明は、結晶粒径の微細化そのものを目的とするのではなく、成形材料の結晶方位に着目し、塑性加工の加圧方向に対する結晶方位の制御という点からなされたものである。ただし、本発明の操作によって結晶粒径が微細化するという効果は、付随的に現れることが考えられる。
【００１２】
また、特開２０００−２７１６９３号公報で述べられているマグネシウム合金材料の製造方法や、一般にＥＣＡＥ（Ｅｑｕａｌ−Ｃｈａｎｎｅｌ−Ａｎｇｕｌａｒ−Ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ）法と呼ばれる方法では、マグネシウム合金材料に圧力を加え、ある角度を持った金型の中を通過させて歪みを与えることによって、結晶粒の微細化と、結晶方位の不均一化を行うことが可能であると報告されている。しかし、この方法では製造工程が複雑で、材料歩留りも低く、量産製造法としては適していない。
【００１３】
延性と材料表面の結晶方位との関係については、たとえば特開平１０−８１７６号公報に示されているアルミニウム合金の例があるが、面心立方晶系であるアルミニウムと六方晶系であるマグネシウムとでは、すべり面およびすべりの方向が異なるため、同一に議論することはできない。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、量産製造法として優れた工法によって、塑性加工に用いるのに適した加工性に富むマグネシウム合金成形材料を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、塑性加工用マグネシウム合金成形材料であって、塑性加工により形成された主表面を有し、前記主表面は、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有し、前記凹面および／または凸面のＸ線回折パターンにおいて、｛０００２｝面に帰属されるピークの強度が、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の４０％以上を占めているマグネシウム合金成形材料に関する。
【００１６】
Ｘ線回折パターンにおいて、ピークの強度は、その回折角におけるピーク高さで表される。ピーク高さは、一般にＣＰＳ（カウント・パー・セカンド）、すなわち１秒間に検出されるＸ線のエネルギー値で表されるが、このＣＰＳの絶対値に意味はなく、各ピークの相対的関係が結晶方位を見る際に重要となる。
なお、Ｘ線回折パターンを得るためのＸ線には、ＣｕＫα線（波長λ＝１．５４０５オングストローム）を用い、ＣｕＫα１線検出を行い、広角で見受けられるＣｕＫα２線によるピークは無視する。また、サンプリング幅は、２θ＝０．０２０°とし、Ｘ線検出の際のスリットは固定式とする。前記サンプリング幅は、金属などの多結晶を測定する場合の通常のサンプリング幅である。
【００１７】
ここでは、ＪＣＰＤＳカードに示されているＭｇ単結晶のＸ線回折パターンを標準物質とする。このパターンでは、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に２７個のピークが存在する。そこで、本発明のマグネシウム合金成形材料を測定物質とする場合の２７個のピークの特定には、この標準物質のピーク位置を基準に用いる。すなわち、測定物質のＸ線回折パターンにおいて、前記標準物質の各結晶面に帰属されるピークの位置から２θで±１°の範囲に観測されるピークを、測定物質であるＭｇ合金の対応結晶面に帰属されるピークとして扱う。ここで、前記標準物質のＸ線回折パターンを図１に示し、そのパターンのデータを表１に示す。表１は、結晶面の面間隔ｄ（オングストローム）と、最も強い｛１０１１｝面に帰属されるピークの高さを１００として他のピークの強さを相対的に表した相対強度Ｉ（ｆ）と、結晶面の種類と、２θおよびθとの関係を示している。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
前記凹面および／または凸面は、前記主表面の法線方向（主表面を上面とした場合の鉛直方向）に対して、４０〜５０°の傾斜を有する斜面からなることが好ましい。
前記凹面および／または凸面上を移動する任意の点の、前記主表面を上面とした場合の鉛直方向における変位は、連続的に変化していることが好ましい。
例えば、主表面は、山谷形状であることが好ましい。
前記凹面および／または凸面は、前記主表面上に直線状に延びるリブ状もしくは線状凸部、および／または溝状もしくは線状凹部の表面であることが好ましい。
前記凹面および／または凸面は、前記主表面上に斑点状に広がる突起部および／または窪み部の表面であることが好ましい。
【００２０】
本発明のマグネシウム合金成形材料の比重は、理論値の９８〜１００％であることが好ましい。
本発明のマグネシウム合金成形材料は、マグネシウム以外に、アルミニウム、亜鉛およびマンガンを含有し、アルミニウムの含有量は２〜２０重量％であることが好ましい。また、亜鉛の含有量は０．５〜６．２重量％であることが好ましい。また、マンガンの含有量は０．１５〜２．０重量％であることが好ましい。
【００２１】
本発明のマグネシウム合金成形材料の平均結晶粒径は、０．１〜６０μｍであることが好ましい。
なお、本発明の成形材料は、板状であることが好ましい。また、材料自体の厚さに対する凹凸を含めた板状成形材料全体の見かけの厚さの比率は、１．１〜５．０であることが好ましい。
【００２２】
本発明は、また、表面に凹凸を有するローラを用いて、マグネシウム合金素材を１回以上圧延する塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法に関する。
前記製造方法においては、前記塑性加工において、圧下率０〜４０％で、前記マグネシウム合金素材を圧延することが好ましい。また、前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱することが好ましい。
【００２３】
本発明は、また、マグネシウム合金素材を圧延するための一対のローラと、前記一対のローラを駆動させるための駆動手段とを有し、前記一対のローラの少なくとも一方は、表面に凹凸を有し、前記凹凸を有するローラの中心軸に垂直な任意の断面において、前記凹凸の表面と前記中心軸との距離は、前記中心軸の回転方向に沿って、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置に関する。
前記一対のローラは、その両方が、表面に前記凹凸を有し、前記マグネシウム合金素材を挟んで、一方のローラの凹部と他方のローラの凸部とが噛み合うように構成されていることが好ましい。
【００２４】
本発明は、また、表面に凹凸を有するプレス金型を用いて、マグネシウム合金素材を１回以上プレスする塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法に関する。
前記製造方法においては、前記マグネシウム合金素材を、前記プレス金型に順送しながら前記塑性加工を行うことが好ましい。また、前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱することが好ましい。
【００２５】
本発明は、また、マグネシウム合金素材をプレスするためのプレス金型と、前記プレス金型を駆動させるための駆動手段とを有し、前記プレス金型のダイおよびポンチの少なくとも一方は、表面に凹凸を有し、前記表面と凹部および凸部にわたって交わる平面において、前記表面と前記平面との交わる線は、波形であり、前記波の変位は、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置に関する。
【００２６】
本発明は、また、複数の凹凸を設けた開口端部で囲まれた開口部を有するノズルから、マグネシウム合金素材を押し出す塑性加工を行うことにより、連続的もしくは周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有する主表面を、前記マグネシウム合金素材に設ける工程、を有するマグネシウム合金成形材料の製造方法に関する。
前記製造方法においては、前記塑性加工中もしくは前記塑性加工に先立って、前記マグネシウム合金素材を一旦１００℃以上４００℃以下に加熱することが好ましい。
【００２７】
本発明は、また、マグネシウム合金素材を押し出すためのノズルと、前記ノズルに前記マグネシウム合金素材を送る移送手段とを有し、前記ノズルは、複数の凹凸を設けた開口端部で囲まれた開口部を有し、前記凹凸の形状は、波形であり、前記波の変位は、連続的に変化している、マグネシウム合金成形材料の製造装置に関する。
【００２８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
本実施の形態では、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料について説明する。
本発明のマグネシウム合金成形材料は、一つまたは複数の主表面に、塑性変形帯、すなわち周期的に塑性変形した複数の凹面および／または凸面を有するエリアを有し、前記凹面および／または凸面の一つまたは複数の面におけるＸ線回折パターンにおいて、｛０００２｝面が顕著となって現れることを特徴としている。
塑性変形帯は、鋳造などの成形方法ではなく、塑性加工により材料を成形することによって材料表面に形成されるものであり、鋳造などの成形方法に比べて、凹面および／または凸面における結晶方位は、｛０００２｝面が顕著となる。
【００２９】
結晶配向性が十分に不均一化されたマグネシウム多結晶体やマグネシウム粉末の場合には、Ｘ線回折パターンにおける｛０００２｝面に帰属されるピークの強度は、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピーク強度の総和に対して約１４〜１５％程度を占めている。一方、押出し材や圧延材など｛０００２｝面の配向性が強い成形材料の表面では、前記２７個のピーク強度の総和に占める割合は５０〜７０％に達する。本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料では、｛０００２｝面の配向性の指標として、前記２７個のピーク強度の総和に占める｛０００２｝面に帰属されるピーク強度の割合を数値化し、この値を４０％以上としている。この値が４０％未満になると、別の表面において｛０００２｝面が配向している可能性があり、十分に｛０００２｝面の法線方向を分散させることができず、十分な塑性加工性が得られない。
【００３０】
通常、圧延や押出しなどの塑性加工が施されたマグネシウム合金成形材料は、その表面に｛０００２｝面が顕著となる傾向がある。しかし、上述のとおり、表面に｛０００２｝面が顕著な成形材料は、その面に対する垂直方向からの加圧に対しては、すべり変形を生じにくく、破断を生じやすい。
【００３１】
一方、本発明のマグネシウム合金成形材料の場合、凹凸を有する主表面上の各々の凹面および／または凸面では｛０００２｝面が顕著となっているが、成形材料を巨視的に見ると、｛０００２｝面の法線方向は分散している。それゆえ、従来の成形材料に比べ、任意の一方向からの加圧に対して作動するすべり系が多く、延性に富んでいる。また、材料表面付近の｛１０１２｝双晶面についても、その法線方向は分散している。従って、任意の一方向からの加圧に対して作動する双晶面が多く、延性に富んでいる。言い換えれば、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料は、表面が結晶方位性を持った面で構成され、その面が不特定の方向を向いているため、材料全体としては結晶方位の不均一化が図られており、塑性加工性に富んでいると言える。
【００３２】
なお、マグネシウムの格子定数から計算される双晶面｛１０１２｝面と底面｛０００２｝面との角度は約４５°となっていることから、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料は、凹凸を有する主表面を上面とした場合の鉛直方向に対して、凹面および／または凸面が約４０〜５０°の傾斜を有する斜面からなる場合に、成形材料の塑性加工時に加圧方向に対して作動する双晶面が多く、延性に富むと考えられる。
【００３３】
成形材料表面の凹凸が複数の線状の山谷形状（リブ・溝）で構成されている場合、その成形材料は構造上、線方向と平行な方向からの力に対して強い。それゆえ、塑性加工した製品において特定の方向からの力に対する強度を高めておきたい場合には、予め表面に線状の山谷形状を有する成形材料を作製し、それを塑性加工することが望ましい。
【００３４】
一方、成形材料表面の凹凸が複数の斑点状の山谷形状（突起・窪み）で構成されている場合、凹凸が線状の場合に比べ、材料表面の結晶方位がよりランダムになっており、塑性加工を施した時にすべり変形が起り易く、延性に富んでいる。それゆえ、より優れた塑性加工性が求められる複雑形状の製品を鍛造するような場合には、予め表面に斑点状の山谷形状を有する成形材料を作製し、それを塑性加工することが望ましい。
【００３５】
なお、成形材料表面の凹凸は、表面変位ができるだけ連続的に変化する塑性変形帯から構成されていることが望ましい。すなわち、凹凸を有する主表面を上面とした場合、主表面上を移動する点の鉛直方向の変位が連続的に変化しており、変位の変化率が０にならないことが望ましい。なぜなら、材料表面に平坦な部分（変位の変化率が０の領域）があると、その面における｛０００２｝面が特定の方向に配向していることになり、結晶方位の不均一化を妨げ、延性の低下を招くからである。
【００３６】
一般的に、材料内部に空隙が含まれていると、その材料の塑性加工性は低下する。本発明の成形材料は、内部に微小空隙を有することもあるが、空隙率は小さい方が好ましい。また、成形材料の密度を、その金属組成から計算される理論密度の９８〜１００％の範囲に留めることで、塑性加工性を良好に保つことができる。
本発明の成形材料は、マグネシウム以外にアルミニウム、亜鉛、マンガンを主成分として含有し、アルミニウム含有量が２〜２０重量％であることが好ましい。このような成形材料は、耐食性および／または延性に優れている。
【００３７】
一般的な押出し材の結晶粒径は２０〜３００μｍ程度であることが多い。また、強い圧延を施した圧延材や急冷凝固材などでは、数μｍ〜１０μｍ未満となることが確認されている。一般的に、結晶粒径を微細にすると、材料の延性が向上する。本発明の成形材料は、結晶粒径を比較的微細な０．１〜６０μｍに保つことで、より塑性加工性に富んだ材料となり得る。
【００３８】
実施の形態２
本実施形態では、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法おいては、表面に凹凸を有するローラを用いて、材料を１回または複数回圧延し、材料表面に塑性変形帯を形成することで、上述の塑性加工性に優れたマグネシウム合金成形材料を作製することができる。
【００３９】
通常マグネシウム合金の圧延は、圧下率を約３０％以下に設定して行われる。圧下率が大きすぎると、材料に破断や耳割れを生じ、良好な圧延材料が得られないためである。圧下率（％）は、圧延前後の板厚から、式：
｛（圧延前の板厚）−（圧延後の板厚）｝×１００÷（圧延前の板厚）
により計算される。通常の圧延では、ローラの回転円周方向、すなわち圧延方向に対してのみ材料を引き伸ばす力が働くため、その方向に対する材料のすべり機構が限界に達すると、他の方向に対するすべり機構に余裕があっても破断が生じると考えられる。
【００４０】
しかし、本発明にかかる上記の圧延方法では、ローラ表面の凹凸によって材料を塑性変形させる力の加わる方向は分散され、一方向ではない。それゆえ、通常の圧延に比べ、材料の持つすべり機構を十分に活用した圧延が可能であり、圧延前後の板厚から計算される圧下率を大きく取ることが可能である。従って、３０％をこえて４０％程度の圧下率を達成することが可能である。
【００４１】
また、塑性加工性に優れた凹凸形状の表面を有するマグネシウム合金成形材料を作製するという本発明の目的を達成するには、材料自体の厚さの変化を伴わずに、圧延によって材料の表面形状を変化させるだけでもよい。この場合、圧下率は０％である。
それゆえ、圧延前後の板厚から計算される圧下率を０〜４０％に設定すれば、塑性加工性に優れた凹凸形状の表面を有するマグネシウム合金成形材料を作製することができると言える。場合によっては、さらに４０％をこえる圧下率を達成することも可能である。
【００４２】
マグネシウム合金を圧延する際は、通常３００〜５００℃程度に材料を加熱し、残留歪を除去し、加工性を向上させる。しかし、熱処理温度が４００℃をこえると、成形材料の結晶粒径が肥大化し、圧延後の成形材料の機械的特性が劣ってしまう。また、材料を加熱せずに圧延を行う場合は、残留歪のために材料が破断しやすい。実験的には１００℃以上に加熱することで、ある程度焼鈍の効果があることが確認されている。本発明では、圧延前の熱処理温度を１００〜４００℃とすることで、望ましい圧延を行うことができる。
【００４３】
上述の圧延を実施するための製造装置には、以下のような装置を用いることが好ましい。ここで言及する装置は、材料に直接接触する一対のローラおよびそれらのローラを駆動させるための駆動装置を持つ圧延機を具備する。この圧延機において、材料に直接接触するローラのうち、一方または両方の表面には凹凸が設けられている。ローラの中心軸に対し垂直な断面において、凹凸を形成する曲面上を移動する点と、ローラの中心軸との距離は連続的に変化している。製造する成形材料の一方の面だけに凹凸形状をつける場合には、材料に直接接するローラのうち、一方のローラだけが表面に凹凸を有していれば良い。
【００４４】
前記一対のローラの凹凸が、歯車のように噛み合う形状をしている場合には、材料の厚さを一定に保ちながら材料の両面に塑性変形帯を形成することができる。
【００４５】
実施の形態４
本実施形態では、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料の別の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法おいては、材料の加工面が山谷形状をなしている金型を用い、プレス加工によって材料表面に塑性変形帯を形成する。また、一度プレス加工した成形材料を、さらにプレス加工することで、塑性変形帯の結晶方位を、より際立たせることが可能である。また、このプレス加工によって材料に歪みを付加できるため、成形材料の結晶粒径が微細化するという効果も得られる。なお、材料を順送しながらプレス加工を実施することで、工数を短縮することが可能である。
【００４６】
結晶粒の肥大化を防ぎながらも、焼鈍効果によって残留歪みを取り除いてプレス加工しやすくするために、プレス加工前あるいはプレス加工時に１００〜４００℃で材料を熱処理しておくことが望ましい。また、プレス加工時に１００〜４００℃で材料を加熱する場合には、焼鈍効果による残留歪み除去の目的に加え、変形に寄与するすべり面を多くして、材料の変形を促進することも可能である。
【００４７】
上述のプレス加工を実施するための製造装置には、以下のような装置を用いることが好ましい。ここで言及する装置は、ダイおよびポンチからなる金型を具備し、ダイおよび／またはポンチの表面には一組または複数組の山谷形状が形成されており、その山谷形状の表面変位は加圧方向の座標において連続的に変化している。製造する成形材料の一方の面だけに凹凸形状をつける場合には、ダイかポンチのどちらか一方の表面に凹凸形状があればよい。
【００４８】
実施の形態５
本実施形態では、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料のさらに別の製造方法について説明する。本実施形態の製造方法おいては、材料の通過する開口部を囲む開口端部が山谷形状を有するノズルを用いて押出し加工を行う。この製造方法によれば、線状の凹凸が表面に形成された塑性加工性に富んだマグネシウム合金成形材料を作製することができる。なお、押し出し時の加熱によって結晶粒が肥大化するのを防ぐには、押し出し加工可能な温度領域のうち、できるだけ低温で押し出し加工を実施することが望ましい。例えば、押し出し比が２０〜４０程度の場合、押し出し速度を０．５〜２０ｍｍ／ｓ程度のゆっくりしたスピードで行うことで、押し出し温度を１００〜４００℃にすることができ、結晶粒の肥大化を防ぐことができる。ここで、押し出し比は、押し出し前の材料の押し出し方向に対して垂直な断面の、押し出し後の材料の押し出し方向に対して垂直な断面に対する比率で表される。
【００４９】
上述の押出し加工を実施するための製造装置には、以下のような装置を用いることが好ましい。ここで言及する装置は、押し出す材料の形状を決定するノズル開口部が略四角形であり、その開口端部の一辺または複数の辺には、波形の凹凸が形成されている。その波形は山谷形状であることが好ましく、波の変位は連続的に変化することが好ましい。本装置によって押出された成形材料は、表面の凹凸が複数の線状の山谷形状で構成されており、線方向に対し直角方向に材料表面の変位を測定すると、その変位は連続的に変化しており、塑性加工性に優れている。
【００５０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて図２〜図１４を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施例は本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００５１】
《実施例１》
（ｉ）マグネシウム合金素材
本実施例では、マグネシウム合金として、アルミニウム含有量が３重量％程度、亜鉛含有量が１重量％程度、マンガン含有量が０．５重量％程度のマグネシウム合金ＡＳＴＭ規格ＡＺ３１を用いた。
なお、ここではマグネシウム以外にアルミニウム、亜鉛、マンガンを主成分として含有しているＡＺ系マグネシウム合金を用いたが、本発明の効果は、六方最密構造の結晶構造をしているマグネシウム合金全般について有効であり、本実施例の合金組成に限定されない。
【００５２】
準備したマグネシウム合金は、予め押し出しによって、厚さ６ｍｍの平板状の板材に成形しておき、この板材を２００℃で３０分間加熱処理して板材に残る残留歪を除去しておいた。なお、加熱処理温度および時間についてはこれに限定されない。
【００５３】
得られた板材１０１の斜視図を図２に示し、正面図を図３に示す。この板材１０１の各側面におけるＸ線回折パターンを測定したところ、｛０００２｝面のピーク強度が顕著であり、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の５０〜８０％を占めていた。このような成形材料においては、表面の結晶方位の不均一化が図られていないため、その塑性加工性は従来と全く変わらないと考えられる。
【００５４】
（ｉｉ）成形材料の作製
図４には、成形材料の作製に用いた圧延機２０１の概要を斜視図で示す。また、図５には、マグネシウム合金２０６と圧延機２０１が具備する一対のローラとの接触部分の拡大断面図を示す。この圧延機２０１は、それぞれ直径５００ｍｍの上ローラ２０２ａおよび下ローラ２０２ｂ、ならびにこれらのローラを駆動させる駆動装置２０３ａ、２０３ｂを具備する。上下両方のローラの表面には、それぞれ凹凸２０４ａ、２０４ｂが設けられている。
【００５５】
各ローラの中心軸２０５ａ、２０５ｂに対し垂直な断面において、各ローラの表面は先端の尖った波形を呈しており、その表面を移動する点と各ローラの中心軸との距離は、それぞれ周期的かつ連続的に変化している。また、上ローラ２０２ａの凸部と、下ローラ２０２ｂの凹部とは、マグネシウム合金２０６を介して、歯車のように噛み合っている。
【００５６】
上記の装置を用いて、板材１０１の圧延を行った。ここでは、上ローラ２０２ａの凸部と、下ローラ２０２ｂの凹部との間隙の最小幅は、得ようとする成形材料の材料自体の厚さに一致させてｔ１＝５ｍｍとした。板材の厚さが６．０ｍｍであり、圧延機２０１の上下ローラ間の間隙の最小幅が５．０ｍｍであることから、圧下率は約１７％程度となる。
【００５７】
圧延機の回転速度は０．２５回／ｓｅｃとしたが、板材が破断しない範囲で回転速度を変化させても良い。また、２個のローラの周速度は同じに設定したが、異なる周速度であえて成形材料の表面の塑性変形帯を荒立たせ、多数の凹凸を形成させることも可能である。また、一方のローラの表面を平滑面に変更し、他方のローラの凹凸だけを板材に転写することによって、特定面にだけ凹凸を有する成形材料を得ることも可能である。
【００５８】
図６は、上記の圧延で得られた成形材料３０１の斜視図である。成形材料３０１の材料自体の厚さｔ１は５．０ｍｍ、見かけの厚さＴ１は１０．６ｍｍであった。また、成形材料３０１の正面図である図７中の角度θは、９０°であった。凹凸の山もしくは谷の間隔ｄ１は約７．１ｍｍであった。
【００５９】
凹凸の斜面３０２におけるＸ線回折パターンを測定したところ、いずれの斜面でも｛０００２｝面のピーク強度が顕著であり、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の５０〜７０％を占めていた。このような成形材料は、結晶方位の不均一化が図られており、塑性加工性に優れた材料であると考えられる。
【００６０】
《実施例２》
（ｉ）マグネシウム合金素材
本実施例でも、実施例１と同じ組成のＡＺ系マグネシウム合金を用いた。準備したマグネシウム合金は、予め押し出しによって、厚さ５．０ｍｍの平板状の板材に成形しておき、この板材を２００℃で３０分間加熱処理して板材に残る残留歪を除去しておいた。なお、加熱処理温度および時間についてはこれに限定されない。
得られた板材の各側面におけるＸ線回折パターンを測定したところ、｛０００２｝面のピーク強度が顕著であり、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の５０〜８０％を占めていた。
【００６１】
（ｉｉ）成形材料の作製
図８に一部を断面にした正面図で示すプレス加工機４０１で、上記の板材をプレス加工した。このプレス加工機４０１は、ダイ４０２ａおよびポンチ４０２ｂからなる金型を具備し、ダイ４０２ａおよびポンチ４０２ｂの表面には、それぞれ鉛直方向における断面が滑らかな波形になるように、突起と窪みが斑点状に形成されている。ダイ４０２ａの突起はポンチ４０２ｂの窪みと、また、ダイ４０２ａの窪みはポンチ４０２ｂの突起と、マグネシウム合金４０８を介して噛み合うようになっている。
【００６２】
ポンチ４０２ｂを下台４０４に固定されたダイ４０２ａに押しつけるための駆動装置４０５は、上台４０３に設けられている。駆動装置４０５を稼働させると、上台４０３は、バネ４０６が巻かれた支柱４０７に沿って上下に移動できるようになっている。ここでは駆動装置４０５として油圧プレス装置を用いたが、メカプレス装置やスクリュープレス装置などの他の装置を用いても良い。金型には、合金鋼ＳＫＤからなるものを用いたが、他の材質でも可能である。
【００６３】
各々の突起と窪みとの間隙を、得ようとする成形材料の材料自体の厚さｔ２に一致させて調節し、マグネシウム合金素材の板材をプレス加工した。また、金型をヒータで加熱し、型温度を約２５０℃に設定し、マグネシウム合金を熱間でプレスした。ただし、型温度は特に限定されない。ここではプレス加工時の閉型速度を２０ｍｍ／ｓとしたが、これに限定されない。また、１回のプレス加工で所望の成形材料を作製したが、複数回のプレス加工を行うことも可能である。また、ここでは板材を一枚ずつプレス加工したが、長い板材と順送装置を用いることで、連続的にプレス加工を行うことも可能である。
【００６４】
図９は、上記のプレス加工で得られた成形材料５０１の斜視図である。成形材料５０１の材料自体の厚さｔ２は４．８〜５．０ｍｍ、見かけの厚さＴ２は８．９ｍｍであった。
板材の厚さが５．０ｍｍであり、得られた成形材料自体の厚さが４．８〜５．０ｍｍであることから、材料自体の厚さの変化はほとんどない。また、成形材料５０１の凹凸の突起間もしくは窪み間の間隔ｄ２は約７．４ｍｍであった。
【００６５】
得られた成形材料の突起面および窪み面におけるＸ線回折パターンを測定したところ、いずれの斜面でも｛０００２｝面のピーク強度が顕著であり、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の５３〜８２％を占めていた。このような成形材料は、結晶方位の不均一化が図られており、塑性加工性に優れた材料であると考えられる。
【００６６】
《実施例３》
（ｉ）マグネシウム合金素材
本実施例でも、実施例１と同じ組成のＡＺ系マグネシウム合金を用いた。準備したマグネシウム合金は、φ１５５ｍｍの円柱状ビレットである。
【００６７】
（ｉｉ）成形材料の作製
図１０に斜視図で示す押し出し加工機６０１で、上記のビレットを押し出し加工した。図１１には、押し出し加工機６０１が具備するノズル６０２の正面図を示す。ノズル６０２は、略四角形の開口部６０５を有する。マグネシウム合金６０３は、筐体６０４に収容された移送手段によって開口部を有するノズルに連続供給される。開口端部の対向する長辺６０６ａ、６０６ｂには、開口部６０５を２分する中心線６０７と、長辺６０６ａ、６０６ｂとの距離が連続的かつ周期的に変化するように、なめらかな波形の凹凸が形成されている。
【００６８】
ここでは、この押し出し装置を用いて、押し出し比を３８．５、押し出し速度を１０ｍｍ／ｓとして、準備したビレットを約３５０℃の温度で押し出したが、この条件に限定されない。押し出し加工によって作製される成形材料の表面には、必然的にリブもしくは溝形状（線状）の凹凸が形成される。
【００６９】
図１２は、上記の押し出し加工で得られた成形材料７０１の斜視図である。成形材料７０１の材料自体の厚さｔ３は４．９ｍｍ、見かけの厚さＴ３は８．９ｍｍであった。成形材料７０１の凹凸のリブ間もしくは溝間の間隔ｄ３は約７．２ｍｍであった。
【００７０】
得られた成形材料のリブ面および溝面におけるＸ線回折パターンを測定したところ、いずれの斜面でも｛０００２｝面のピーク強度が顕著であり、３０°≦２θ≦１５０°の範囲に存在する２７個のピークの強度の総和の５３〜８０％を占めていた。このような成形材料は、結晶方位の不均一化が図られており、塑性加工性に優れた材料であると考えられる。
【００７１】
［成形材料の評価］
（ｉ）成形材料の密度
上述の板材１０１（比較例の試料Ｒとする）、成形材料３０１（実施例の試料Ａとする）、成形材料５０１（実施例の試料Ｂとする）および成形材料７０１（実施例の試料Ｃとする）の密度を測定したところ、それぞれ１．７７ｇ／ｃｍ３、１．７８ｇ／ｃｍ３、１．７７ｇ／ｃｍ３および１．７８ｇ／ｃｍ３であった。従って、試料ＲならびにＡ〜Ｃは、いずれもその組成から計算される理論値の９８〜１００％であった。
【００７２】
以上より、試料ＲならびにＡ〜Ｃは、いずれも組織が密で内部空隙が少ないと考えられ、塑性加工や二次加工において破断しにくいと考えられる。また、塗装・乾燥工程においても、内部気泡の破裂による表面欠陥の問題を回避することができると考えられる。
一方、同じ組成のマグネシウム合金ＡＺ３１を用い、試料ＲならびにＡ〜Ｃと同じ形状の成形材料を鋳造法で製造したところ、鋳造品の内部には空隙（巣）が多数存在していた。そのため、鋳造品の密度は、組成から計算される理論的密度（１．７８ｇ／ｃｍ３）の９８％未満であった。
【００７３】
（ｉｉ）成形材料の平均結晶粒径
また、試料ＲならびにＡ〜Ｃの平均結晶粒径を光学顕微鏡断面観察により測定したところ、いずれも約１５μｍであった。ただし、平均結晶粒径は、塑性加工する際にマグネシウム合金に付加する歪量や温度を制御することにより、０．１〜６０μｍの範囲内であれば任意に変更することが可能であった。
【００７４】
（ｉｉｉ）成形材料の塑性加工性
試料ＲならびにＡ〜Ｃを、φ４ｍｍの柱状突起を有する高さ３ｍｍのボス形状に塑性加工したところ、試料Ａ〜Ｃでは全く材料の破断が見られなかったのに対し、試料Ｒでは材料の破断が生じた。また、試料Ａ〜Ｃのなかでは、試料Ａが最も加工しやすく、次いでＣ、Ｂの順であった。
【００７５】
試料Ｒで材料の破断が生じた理由を以下に考察する。
図１３は、マグネシウム合金の六方晶系の結晶構造を模式的に示したものである。図１３において、斜線を施した底面８０１が｛０００２｝面であり、矢印方向がこの面のすべり方向である３つの＜１１２０＞方向を示す。この｛０００２｝面は、押出しや圧延などの塑性加工を受けた材料の表面に比較的顕著に表れる。
【００７６】
図１４には、同じ六方晶系における最も一般的な｛１０１２｝双晶面９０１を斜線部で示す。双晶変形を起こすための双晶方向は、この面に平行な＜１０１１＞方向であり、その方向は図中に矢印で示してある。この｛１０１２｝双晶面と｛０００２｝底面のなす角度は、マグネシウムの格子定数から計算すると約４３．１°となる。
【００７７】
｛０００２｝面のすべり方向は、｛０００２｝面と平行な方向であるため、この面の垂直方向からの加圧に対しては、材料は変形しにくい。それゆえ、押出し加工によって作製された一般的な成形材料である板材１０１（試料Ｒ）の場合、その成形材料に対し鍛造などの塑性加工を行おうとしても、材料表面の｛０００２｝面のすべり機構が十分に働かず、破断が生じやすく、望ましい加工ができない。
【００７８】
また、一般的な成形材料である板材１０１の場合、材料表面において｛０００２｝面が顕著であるため、材料表面付近の双晶面｛１０１２｝面は、材料表面に対して約４５°程度傾斜しているものが相対的に多くなっていると考えられる。それゆえ、材料表面に対して垂直方向から力を加えたときに、必ずしも双晶変形が作動しやすいとは言えない。
【００７９】
一方、試料Ａにおいては、凹凸を有する面を上面とする鉛直方向に対し、凹凸を構成する斜面３０２が約４５°傾斜している。そのため、鉛直方向からの加圧によって｛０００２｝面のすべり変形が比較的起りやすいことに加え、｛１０１２｝双晶面の作動による双晶変形も起りやすく、加工性に富んでいると考えられる。試料Ｂ、Ｃにおいても、試料Ａと同様のことが言えるものと考えられる。
【００８０】
【発明の効果】
以上の説明の通り、本発明によれば、従来の展伸材料や鋳造材料に比べ、塑性加工性に優れた塑性加工用マグネシウム合金成形材料を得ることができる。また、本発明の塑性加工用マグネシウム合金成形材料の製造方法によれば、ＥＣＡＥ法などに比べ比較的短時間で多くの成形材料を製造できるため、工程の簡略化を実現でき、成形材料を安価に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】標準物質であるＭｇ単結晶のＸ線回折パターンを示す図である。
【図２】マグネシウム合金の一般的な押し出し加工で得られる平板状の板材（試料Ｒ）の斜視図である。
【図３】マグネシウム合金の一般的な押し出し加工で得られる平板状の板材（試料Ｒ）の正面図である。
【図４】実施例１にかかる圧延機の概要を示す斜視図である。
【図５】実施例１にかかる圧延機のマグネシウム合金とローラとの接触部分の拡大断面図である。
【図６】実施例１にかかる成形材料（試料Ａ）の斜視図である。
【図７】実施例１にかかる成形材料（試料Ａ）の正面図である。
【図８】実施例２にかかるプレス加工機の概要を示す斜視図である。
【図９】実施例２にかかる成形材料（試料Ｂ）の斜視図である。
【図１０】実施例３にかかる押し出し加工機の概要を示す斜視図である。
【図１１】実施例３にかかる押し出し加工機が具備するノズルの正面図である。
【図１２】実施例３にかかる成形材料（試料Ｃ）の斜視図である。
【図１３】｛０００２｝面に斜線を施し、＜１１２０＞方向を矢印で示したＭｇ合金の六方晶系結晶構造の模式図である。
【図１４】｛１０１２｝双晶面に斜線を施し、＜１０１１＞方向を矢印で示したＭｇ合金の六方晶系結晶構造の模式図である。
【符号の説明】
１０１　　一般的な押し出し加工で得られる平板状の板材
２０１　　圧延機
２０２ａ　上ローラ
２０２ｂ　下ローラ
２０３ａ　上ローラの駆動装置
２０３ｂ　下ローラの駆動装置
２０４ａ　上ローラの凹凸
２０４ｂ　下ローラの凹凸
２０５ａ　上ローラの中心軸
２０５ｂ　下ローラの中心軸
２０６　　マグネシウム合金
３０１　　成形材料（試料Ａ）
３０２　　斜面
４０１　　プレス加工機
４０２ａ　プレス金型のダイ
４０２ｂ　プレス金型のポンチ
４０３　　上台
４０４　　下台
４０５　　プレス金型の駆動装置
４０６　　バネ
４０７　　支柱
４０８　　マグネシウム合金
５０１　　成形材料（試料Ｂ）
６０１　　押し出し加工機
６０２　　ノズル
６０３　　マグネシウム合金
６０４　　移送装置を収容する筐体
６０５　　ノズルの開口部
６０６ａ　開口端部の一方の長辺
６０６ｂ　開口端部の他方の長辺
６０７　　開口部を２分する中心線
７０１　　成形材料（試料Ｃ）
８０１　　｛０００２｝面
９０１　　｛１０１２｝双晶面
【図１】
2004027321.tif 000004
【図２】
2004027321.tif 000005
【図３】
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【図４】
2004027321.tif 000007
【図５】
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【図６】
2004027321.tif 000009
【図７】
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【図８】
2004027321.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2004027321.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004027321.tif 000017