(57)【要約】【課題】長尺で優れた強度と靭性を具えるマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法を提供する。【解決手段】重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材を用意する工程と、前記素材を孔型ロールにより圧延加工することで線状にする工程とを具える。圧延加工は、圧延時の圧延加工温度をＴｒ（℃）、１パスにおける圧延加工度をＲｎ（％）としたとき、以下の関係を満たすよう行うことを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。Ｔｒ≧２００のとき　Ｒｎ≦Ｔｒ／１０＋７．５Ｔｒ＜２００のとき　Ｒｎ≦Ｔｒ／１０−２．５【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材の孔型圧延による圧延線材であり、
圧延線材の直径が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、
圧延線材の長さが前記直径の１０００倍以上、
引張強さが２２０ＭＰａ以上、
伸びが５％以上、
絞りが３０％以上であることを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材。
【請求項２】
更に、重量％でＭｎ：０．１〜１．０％、Ｚｒ：０．１〜２．０％から選択される元素を１種以上含むことを特徴とする請求項１記載のマグネシウム基合金の圧延線材。
【請求項３】
重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％、希土類元素：１．０〜３．０％を含むマグネシウム基合金素材の孔型圧延による圧延線材であり、
圧延線材の直径が３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、
圧延線材の長さが前記直径の１０００倍以上、
引張強さが１６０ＭＰａ以上、
伸びが５％以上、
絞りが３０％以上であることを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材。
【請求項４】
重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材を用意する工程と、
前記素材を孔型ロールにより圧延加工することで線状にする工程とを具え、
前記圧延加工は、
圧延時の圧延加工温度をＴｒ（℃）、１パスにおける圧延加工度をＲｎ（％）としたとき、以下の関係を満たすよう行うことを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【数１】
2004124154.tif 000004
【請求項５】
前記圧延加工は、多パスで行い、圧延時の総加工度を６０％以上で行うことを特徴とする請求項４記載のマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【請求項６】
重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材を用意する工程と、
前記素材を孔型ロールにより圧延加工することで線状にする工程とを具え、
前記圧延加工は、
圧延開始時の圧延加工温度を３００℃以上４５０℃以下で行うことを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【請求項７】
重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材を用意する工程と、
前記素材を孔型ロールにより圧延加工することで線状にする工程とを具え、
前記圧延加工は、
１パス目の圧延加工度を５％以上１５％以下、圧延加工温度を２００℃以上として行うことを特徴とするマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【請求項８】
２パス目以降の圧延加工は、素材を２００℃以上に再加熱して行うことを特徴とする請求項７記載のマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【請求項９】
更に、重量％でＭｎ：０．１〜２．０％、Ｚｒ：０．１〜２．０％、希土類元素：１．０〜３．０％から選択される元素を１種以上含む素材を用いることを特徴とする請求項４〜８のいずれかに記載のマグネシウム基合金の圧延線材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長尺で強度と靭性に優れたマグネシウム基合金の圧延線材、及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウム基合金は、アルミニウムよりも軽く、比強度、比剛性が鋼やアルミニウムよりも優れており、航空機部品、自動車部品などの他、各種電気製品のボディーなどにも広く利用されている。特に、従来は、プレス成形品によく用いられており、このプレス用板材の製造方法として、圧延によるものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２００３４９号公報（特許請求の範囲参照）
【特許文献２】
特開平６−２９３９４４号公報（特許請求の範囲参照）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
マグネシウム基合金は、上記のように様々な特性に優れており板材だけでなく線材や棒材に利用することが望まれているが、最密六方格子構造であるため延性に乏しく、室温での塑性加工性が極めて悪い。そのため、従来、マグネシウム基合金の線材や棒材は、熱間押出による製造が一般的である。しかし、熱間押出は、生産性を考慮すると有効な製法と言いがたく、重量数ｋｇの長尺線材の製造が検討されているが、数１０ｋｇを越えるような長尺線材、特に、線材の直径の１０００倍以上といった長尺な線材を得ることは極めて困難である。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、長尺で優れた強度と靭性を具えるマグネシウム基合金の圧延線材を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の別の目的は、上記マグネシウム基合金の圧延線材を高い生産性にて製造可能な製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、室温での加工性が極めて悪く、熱間押出では少量で短尺な棒材や線材しか得られなかったマグネシウム基合金について種々の検討を行った結果、長尺な線材や棒材を効率よく得るには、孔型圧延が好ましいとの知見を得た。特に、圧延時の圧延加工温度や圧延加工度を特定し、更に、これら温度と加工度とを組み合わせることで、強度と靭性に優れる圧延線材を製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明マグネシウム基合金の圧延線材は、重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材の孔型圧延による圧延線材であり、以下の特性を満たすことを特徴とする。
圧延線材の直径：３ｍｍ以上１０ｍｍ以下
圧延線材の長さ：前記直径の１０００倍以上
引張強さ：２２０ＭＰａ以上
伸び：５％以上
絞り：３０％以上
【０００９】
また、更に、重量％でＭｎ：０．１〜１．０％、Ｚｒ：０．１〜２．０％から選択される元素を１種以上含むマグネシウム基合金素材も適用できる。
【００１０】
別の本発明マグネシウム基合金の圧延線材は、重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％、希土類元素：１．０〜３．０％を含むマグネシウム基合金素材の孔型圧延による圧延線材であり、以下の特性を満たすことを特徴とする。
圧延線材の直径：３ｍｍ以上１０ｍｍ以下
圧延線材の長さ：前記直径の１０００倍以上
引張強さ：１６０ＭＰａ以上
伸び：５％以上
絞り：３０％以上
【００１１】
上記本発明圧延線材に用いられるマグネシウム基合金素材は、鋳造用マグネシウム基合金と展伸用マグネシウム基合金のいずれも利用することができる。より具体的には、例えば、ＡＳＴＭ記号におけるＺＫ系、ＥＺ系などが利用できる。上記化学成分の他にはＭｇおよび不純物が含まれる合金として利用されることが一般的である。不純物には、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃａなどが挙げられる。
【００１２】
ＺＫ系におけるＺＫ６０はＺｎ：４．８〜６．２％、Ｚｒ：０．４％以上を含有するマグネシウム基合金である。ＥＺ系におけるＥＺ３３はＺｎ：２．０〜３．１％、Ｃｕ：０．１％以下、Ｎｉ：０．０１％以下、ＲＥ：２．５〜４．０％、Ｚｒ：０．５〜１％を含有するマグネシウム基合金である。ここで、ＲＥは希土類元素であり、通常はＰｒとＮｄの混合物が利用されることが多い。
【００１３】
マグネシウム単体では十分な強度を得ることが難しいが、上記の化学成分を含むことで好ましい強度が得られる。また、後述する製造方法により靭性にも優れた圧延線材を得ることができる。
【００１４】
本発明圧延線材は、上記の引張強度、絞り、伸びを具えることで、強度と靭性を兼ね備えることができる。より好ましい引張強度はＺＫ系で２５０ＭＰａ以上、ＥＺ系で１８０ＭＰａ以上である。より好ましい伸びはＺＫ系、ＥＺ系共に１０％以上である。より好ましい絞りはＺＫ系、ＥＺ系共に４０％以上である。
【００１５】
本発明圧延線材の直径を３ｍｍ未満とすると、偏径差が大きくなりやすく安定した形状を得にくく、圧延後に巻き取る際も困難であることから、直径の下限は、３ｍｍ以上とした。また、圧延加工は、一般に、総加工度を大きく採ることが可能であるため、総加工度が大きい加工に適する。この特徴を生かすには、線材の直径が１０ｍｍ以下のものが好ましく、直径の上限を１０ｍｍ以下とする。
【００１６】
そして、強度と靭性に優れる上記本発明マグネシウム基合金の圧延線材を得るために、マグネシウム基合金素材に孔型圧延を施す。孔型圧延は、一般の金属材料において長尺な線材を製造する方法として知られており、生産性に優れ、線材製造に有効な圧延方法である。しかし、従来は、マグネシウム基合金に孔型圧延を適用した例がなく、また、一般の金属材料と同様の条件で孔型圧延を行っても、加工性に乏しいマグネシウム基合金では、長尺な圧延線材を得ることはできない。そこで、本発明者らは、種々検討した結果、以下の圧延条件を規定する。
【００１７】
即ち、本発明製造方法は、重量％で、Ｚｎ：１．０〜１０．０％を含むマグネシウム基合金素材を用意する工程と、前記素材を孔型ロールにより圧延加工することで線状にする工程とを具える。特に、圧延加工は、圧延時の圧延加工温度をＴｒ（℃）、１パスにおける圧延加工度をＲｎ（％）としたとき、以下の関係を満たすよう行うことを特徴とする。
【００１８】
【数２】
2004124154.tif 000002
【００１９】
孔型圧延とは、溝付きロールを２〜４個用い、ロール面を対向させて配置して溝部により形成される孔型の空間に素材を通して、断面形状を拘束しながら所定の形状に圧延するものである。本発明において、圧延時の圧延加工温度とは、ロールによる加工を受ける直前の素材の温度をいう。圧延加工度とは、圧延前の断面積に対する圧延後の断面積の減少割合であり、本発明では、断面減少率にあたる。
【００２０】
本発明は、上記のように圧延時の圧延加工温度と、１パスにおける圧延加工度とが一定の関係を満たした状態で圧延加工を行うことで、長尺で、かつ強度と靭性に優れたマグネシウム基合金の圧延線材を得ることができる。特に、孔型圧延を行うことで、生産性に優れる。
【００２１】
上記製造方法において、特に、前記圧延加工を多パスで行い、圧延時の総加工度を６０％以上とすることが好ましい。孔型ロールによる圧延加工を多パスで行う場合、総加工度が６０％未満では、加工度が小さく、上記圧延加工における高い加工度が得られるという特徴が発揮されない。そこで、本発明では、孔型圧延を多パスで行う場合、圧延時の総加工度を６０％以上とする。より好ましくは、８０％以上である。
【００２２】
本発明の別の構成として、前記圧延加工は、圧延開始時の圧延加工温度を３００℃以上４５０℃以下で行うことを規定する。マグネシウム基合金に孔型圧延を施す場合、合金素材の温度が高いほど、即ち、圧延加工温度が高いほど加工性が高い傾向にある。そこで、特に、孔型圧延を連続して多パスで行う場合、連続加工を行うパス数や、２パス目以降の１パスにおける加工度などを十分大きく取ることを考慮すると、素材は、圧延開始時において３００℃以上に加熱されていることが好ましい。特に、４００℃以上に加熱することがより好ましい。４００℃以上に加熱すると、合金素材は、鋳造により生じた析出物が固溶することで、圧延加工性がより向上する。また、合金素材の温度は、圧延に伴い低下していくが、予め４００℃以上に加熱された合金素材は、圧延加工途中で素材温度がある程度低下しても圧延可能であり、多パスの加工を連続して行う際に有効である。加熱温度の上限（４５０℃以下）を設けたのは、加熱及び圧延加工中に素材の表面が酸化するのを抑えるためである。
【００２３】
本発明の別の構成として、前記圧延加工は、１パス目の圧延加工度を５％以上１５％以下、圧延加工温度を２００℃以上として行うことを規定する。インゴット（合金素材）の結晶粒が極端に粗大である場合、圧延加工途中で割れなどの不良が発生することがある。本発明者らは、１パス目において加工度が５％〜１５％、圧延加工温度が２００℃以上で圧延した合金素材は、加工後、動的な再結晶を生じて微細な結晶粒となり、割れの起点となる粗大な結晶粒がなくなることで、割れの発生を防ぐことができるとの知見を得た。また、１パス目の圧延加工度が５％未満では、再結晶しにくく、１５％超では、加工度が高すぎて１パス目で割れが発生する可能性があり、圧延加工温度が２００℃未満では、圧延加工が行いにくいとの知見を得た。そこで、本発明では、圧延加工途中の割れ発生を防ぐため、１パス目の圧延加工度を５％以上１５％以下、圧延加工温度を２００℃以上に規定する。なお、上記のように圧延加工温度は、高温であるほど加工性が高い傾向にあるが、高温過ぎると素材の表面が酸化する恐れがある。そこで、圧延加工温度は、４５０℃以下であることが好ましい。特に、好ましい圧延加工温度は、３００℃以上４５０℃以下である。
【００２４】
上記において、合金素材として用いるインゴットの大きさや圧延時の圧延加工温度によっては、動的再結晶の発生が不十分である場合も考えられる。そこで、１パス目の加工の後、再加熱して、十分再結晶をさせた後、２パス目以降の加工を行うことが好ましい。加熱温度は、２００℃以上、特に２５０℃以上が好ましい。
【００２５】
以上本発明製造方法は、重量％でＭｎ：０．１〜２．０％、Ｚｒ：０．１〜２．０％、希土類元素：１．０〜３．０％から選択される元素を１種以上含むマグネシウム基合金素材においても同様に適用することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
以下に示すＺＫ６０合金（重量％でＺｎ：５．５％、Ｚｒ：０．４５％を含み、残部がＭｇおよび不純物）のインゴット（試料Ｎｏ．１−１）及び圧延線材（試料Ｎｏ．１−２）を用意し、孔型ロールにより孔型圧延を１パス行い、加工状態を調べてみた。圧延加工は、各試料に対してそれぞれ圧延加工温度、圧延加工度（断面減少率）を変化させて行った。図１に圧延加工温度、圧延加工度、加工状態を示す。また、用いたインゴット、孔型ロールの特性を以下に示す。なお、圧延加工温度は、孔型ロールによる圧延加工を受ける直前のインゴット又は圧延線材の温度とする。以下の実施例２においても同様である。
【００２７】
試料Ｎｏ．１−１：直径φ３０ｍｍのインゴット（本例における孔型圧延が１パス目）
試料Ｎｏ．１−２：直径φ５０ｍｍのインゴットに圧延加工温度約３５０℃で１パスにおける圧延加工度約２０％の孔型圧延を４パス行った直径φ３０ｍｍの圧延線材（同５パス目）
孔型ロール：ロール径φ２１５ｍｍのロールを一対対向させて用いる
【００２８】
図１は、割れの発生の有無から判断した加工の可否を示すグラフである。試料Ｎｏ．１−１及び１−２の双方とも割れが生じていない場合を○、試料Ｎｏ．１−２は割れが生じておらず、試料Ｎｏ．１−１は割れが発生した場合を△、試料Ｎｏ．１−１及び１−２の双方とも割れが発生した場合を×で示す。
【００２９】
その結果、図１に示す○及び△から圧延時の圧延加工温度をＴｒ（℃）、１パスにおける圧延加工度をＲｎ（％）としたとき、以下の関係を保つ場合、割れが生じることなく圧延加工が可能であることが分かる。
【００３０】
【数３】
2004124154.tif 000003
【００３１】
また、図１に示す△から、インゴットを直接圧延加工したもの（試料Ｎｏ．１−１）よりも、圧延加工を一度行った圧延線材に圧延加工を施したもの（試料Ｎｏ．１−２）の方が、加工性が良好であることが分かる。試料Ｎｏ．１−２は、圧延加工温度が２００℃未満であっても、図１の△に示すように加工度の限界が小さいものの圧延加工を行うことができる。このことから、２パス目以降の加工は、圧延加工温度が２００℃未満でも可能であることが分かる。但し、図１の○で示すように２００℃以上の方が好ましいと思われる。
【００３２】
更に、図１の○で示すように１パス目の圧延加工温度は、２００℃以上、特に３００℃以上とすることが好ましいことが分かる。なお、試料Ｎｏ．１−１において圧延加工温度を５００℃とした場合を調べてみると、圧延加工は可能であったが、圧延線材の表面に酸化膜が形成されていた。一方、圧延加工温度が４５０℃の圧延線材の表面には酸化膜が形成されていなかった。このことから、１パス目の圧延加工温度は、４５０℃以下が好ましいことが分かる。
【００３３】
上記実施例１と同様の調査をＥＺ３３合金（重量％でＺｎ：２．５％、Ｚｒ：０．６％、ＲＥ：２．９％を含み、残部がＭｇと不純物）の試料Ｎｏ．１−３（直径φ３０ｍｍのインゴット）、Ｎｏ．１−４（直径φ５０ｍｍのインゴットに圧延加工温度約３５０℃、１パスにおける圧延加工度約２０％の孔型圧延を４パス行った直径φ３０ｍｍの圧延線材）に対して行ったところ、図１と同様の結果を得た。
【００３４】
これらＺＫ６０合金の試料Ｎｏ．１−１’（１パス目の圧延加工温度３００℃、圧延加工度１５％）及びＥＺ３３合金の試料Ｎｏ．１−３’（１パス目の圧延加工温度３００℃、圧延加工度１５％）に対し、それぞれ圧延加工を継続し（１パスにおける圧延加工度約２５％で１２パス行う）、直径φ５．０ｍｍ、長さ１４０００ｍｍ（重量５００ｇ）の圧延線材を得た（総加工度９９％）。これら圧延線材の引張強度（ＴＳ）、伸び（ＥＬ）、絞り（ＲＡ）を調べてみたところ、試料Ｎｏ．１−１’では、ＴＳ＝２９０ＭＰａ、ＥＬ＝１２％、ＲＡ＝３９．５％であり、試料Ｎｏ．１−３’では、ＴＳ＝１７１ＭＰａ、ＥＬ＝６％、ＲＡ＝３０．６％であった。
【００３５】
また、試料Ｎｏ．１−１、１−３において、１パス目の圧延加工ができたもの（図１において○が付されたもの）に対して、１パスにおける圧延加工度を１０％として、連続して圧延加工を施してみた（５パス）。すると、１パス目の圧延加工温度が３００℃以上である試料は、１パス目の圧延加工度によらず、圧延加工途中に割れなど生じることなく圧延加工が可能であった。
【００３６】
（実施例２）
ＺＫ６０合金（重量％でＺｎ：５．５％、Ｚｒ：０．４５％を含み、残部がＭｇおよび不純物）のインゴット（直径φ３０ｍｍ）を複数準備し、圧延加工温度２００℃にて、５％、１０％、１５％、２０％の各圧延加工度で孔型ロールによる圧延加工を実施した。インゴットは、各圧延加工度に対して５本ずつ用意した。また、孔型ロールは、上記実施例１と同様のものを用いた。
【００３７】
その結果、加工度２０％の試料では、割れの発生率が４０％であった（インゴット５本中２本において割れが発生）。そして、割れが発生したインゴットの結晶状態（組織）を調べてみると、数１００μｍの粗大結晶粒が認められた。
【００３８】
加工度１５％以下の試料では、いずれの試料も５本のインゴットすべてに割れが発生せず圧延加工が可能であった。更に、加工度５％以上１５％以下の試料を２５０℃に再加熱し、種々の加工度（約１０％、約１６％、約２０％、約２５％）で圧延加工を行ったところ、その後の圧延加工では、１パスあたりの加工度が２５％の加工であっても、問題なく加工可能であった。この再加熱した試料の結晶状態を調べたところ、粗大結晶粒が消滅し、１０μｍ以下の微細な結晶粒となっていた。これらのことから、粗大結晶粒を含むインゴット（鋳造材）は、１パス目の圧延加工によって割れが発生する危険を有しているが、１パス目の圧延加工度を１５％以下、圧延加工温度を２００℃以上とすることで、圧延加工中の割れを回避することができることがわかる。また、圧延加工後、２００℃以上に再加熱して再結晶させ、結晶粒を微細にすることで、再加熱後の圧延加工によって割れが生じることを防止できることがわかる。
【００３９】
圧延加工温度を３５０℃として上記実施例２と同様に圧延加工度を変えて圧延加工を２パス行い、圧延加工後の各圧延線材の組織を調べたところ、上記のように再加熱していなくても再結晶化していた。このことから、圧延加工温度によっては、１パス目の圧延加工後の再加熱を行わなくても連続圧延が可能であることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明製造方法によれば、マグネシウム基合金素材に対して所定の条件にて孔型圧延を施すことで、長尺で、強度及び靭性に優れたマグネシウム基合金の圧延線材を得ることができるという優れた効果を奏し得る。特に、本発明製造方法は、マグネシウム基合金において従来から行われていた押出加工と比較して高い生産性を有する。また、得られた本発明圧延線材は、加工性にも優れ、その後の引き抜き加工などの加工素材としても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＺＫ６０合金に圧延加工温度と圧延加工度とを変化させて孔型圧延を施した際の圧延加工の可否を示すグラフである。
【図１】
2004124154.tif 000005