(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動鋳型を具える連続鋳造装置に溶融したマグネシウム合金を供給して、鋳造材を得る鋳造工程と、
前記鋳造材に減面加工を行う圧延工程とを具え、
前記圧延は、前記鋳造材の長手方向からみたとき、前記鋳造材の横断面において三方向以上の方向から複数のロールによって圧力が加えられるように配置したロール間に前記鋳造材を供給して行い、
鋳造工程と圧延工程とを連続的に行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項２】
マグネシウム合金は、Caを0.002〜5.0質量％含有す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材の製造方法。
【請求項３】
圧延工程において減面加工は、鋳造材の温度を100℃以上500℃以下として行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項４】
圧延工程において減面加工の総減面率を20％以上とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項５】
圧延は、一対のロールを二組用いて行い、
一方のロール対は、ロール間のギャップの中心線が水平方向となるように配置し、
他方のロール対は、ロール間のギャップの中心線が垂直方向となるように配置することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項６】
更に、圧延工程により得られた圧延材に伸線加工を施す伸線工程を具えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のマグネシウム合金材の製造方法。
【請求項７】
請求項1〜6のいずれか1項に記載のマグネシウム合金材の製造方法により得られたことを特徴とするマグネシウム合金材。
【請求項８】
請求項6に記載のマグネシウム合金材の製造方法により得られ、線径5mm以下であることを特徴とするマグネシウム合金ワイヤ。
【請求項９】
連続鋳造材に、当該連続鋳造材の長手方向からみたとき、その横断面において三方向以上の方向から複数のロールによって圧力を加える圧延を連続鋳造に連続して施して製造され、
結晶組織が熱間圧延組織、熱間圧延組織及び再結晶組織、再結晶組織のいずれかからなり、
Caを0.002〜5.0質量％含有し、残部が以下の1〜4のいずれかであることを特徴とするマグネシウム合金材。
1.Mg及び不純物
2.Al：0.1〜12質量％と、Mg及び不純物
3.Al：0.1〜12質量％と、質量％でMn：0.1〜2.0％、Zn：0.1〜5.0％、Si：0.1〜5.0％より選択された1種以上と、Mg及び不純物
4.質量％でZn：0.1〜10％、Zr：0.1〜2.0％と、Mg及び不純物
【請求項１０】
引張強さが200MPa以上であることを特徴とする請求項9に記載のマグネシウム合金材。
【請求項１１】
連続鋳造材に、当該連続鋳造材の長手方向からみたとき、その横断面において三方向以上の方向から複数のロールによって圧力を加える圧延を連続鋳造に連続して施して製造され、
結晶組織が熱間圧延組織、熱間圧延組織及び再結晶組織、再結晶組織のいずれかからなり、
Mg以外の添加元素を5質量％以上15質量％以下含有し、残部がMg及び不純物であることを特徴とするマグネシウム合金材。
【請求項１２】
Mg以外の添加元素は、Al,Mn,Zn,Si,Zr,Yから選択される1種以上の元素であることを特徴とする請求項11に記載のマグネシウム合金材。
【請求項１３】
Mg以外の添加元素の含有量が9質量％以上15質量％以下であることを特徴とする請求項11又は12に記載のマグネシウム合金材。
【請求項１４】
マグネシウム合金は、更に、Caを0.002〜5.0質量％含有することを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載のマグネシウム合金材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、塑性加工性に優れる高強度のマグネシウム合金材、高強度で靭性に優れるマグネシウム合金ワイヤ、及びこれらマグネシウム合金材やワイヤを得るのに最適なマグネシウム合金材の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウムは、比重(密度g/cm3、20℃)が1.74であり、構造用に利用される金属材料の中で最も軽い金属であるため、近年、軽量化が要求されている携帯機器類や自動車部品の材料などに利用される例が増加してきている。現在、実用化されているマグネシウム合金製品の製造方法としては、ダイカストやチクソモールド法といった射出成型による射出鋳造法が主流である。【０００３】
また、DC(ダイレクトチル)鋳造などの半連続鋳造法によって得られたビレット形状の鋳造材に塑性加工を施して、より高強度なマグネシウム合金材が得られる。しかし、半連続鋳造法によって得られた鋳造材では、結晶粒径が大きく、そのままの状態で鍛造や伸線、圧延といった塑性加工を行うことが困難である。従って、鋳造材を再度加熱し、熱間にて押出加工を施して結晶粒を微細化した後、上記塑性加工を実施する必要があるとされている。このような熱間押出加工を行うと、工程数が多くなる上に、マグネシウム合金が活性な金属であることから、押し出しの際、十分な冷却が行えるように押出速度を設定することで、生産性が大きく低下する。そこで、特許文献1では、可動鋳型を用いた連続鋳造を行うことで、押出加工を施すことなく熱間圧延を実施できることを開示している。一方、特許文献2には、マグネシウム合金のインゴットに特定の圧延温度条件で孔型ロールにより圧延加工を施し、圧延線材が得られることを開示している。【０００４】
【特許文献１】国際公開第02/083341号パンフレット
【特許文献２】特開2004-124152号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献1に記載されるように連続鋳造を行うことで、押出加工を施すことなく、熱間圧延加工を行うことができる。しかし、特許文献1に開示される圧延加工は、プレス加工性に優れた板材を得るものであり、棒状体に関しては言及されていない。また、特許文献2では、インゴットを利用しており、連続鋳造に関しては検討されていない。このように従来では、強度と靭性により優れるマグネシウム合金材、特に、長尺な棒状材を得るための手法について、十分な検討がなされていない。【０００６】
そこで、本発明の主目的は、機械的特性に優れるマグネシウム合金材を得ることができるマグネシウム合金材の製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、強度に優れるマグネシウム合金材、高強度で靭性に優れるマグネシウム合金ワイヤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、連続鋳造材にその横断面において三方向以上の方向から圧力を加える圧延加工を施すことで、上記目的を達成する。【０００８】
即ち、本発明マグネシウム合金材の製造方法は、可動鋳型を具える連続鋳造装置に溶融したマグネシウム合金を供給して、鋳造材を得る鋳造工程と、少なくとも一対のロール間に前記鋳造材を供給して、減面加工を行う圧延工程とを具える。そして、圧延は、上記鋳造材の横断面において三方向以上の方向からロールによって圧力を加えて行う。【０００９】
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明製造方法で利用する可動鋳型としては、例えば、1.双ベルト法(ツインベルト法)に代表される一対のベルトからなるもの、2.車輪ベルト法(ベルトアンドホイール法)に代表される複数のロール(ホイール)とベルトとを組み合わせてなるものが挙げられる。これらロールやベルトを利用した可動鋳型では、溶湯と接触する面が連続的に現れるため、鋳造材の表面状態を平滑にし易く、また、メンテナンスが容易である。上記2の可動鋳型としては、表面部(溶湯に接触する面)に溶湯が流し込まれる溝を具える鋳造用ロールと、この鋳造用ロールに従動する複数の従動ロールと、上記溝に流し込んだ溶湯が溝から流れ出ないように溝の開口部を覆うように配置されるベルトとから構成されるものが挙げられる。その他、ベルトの張力を調整する張力ローラを組み合わせてもよい。ベルトは、閉ループを形成するようにロール間及びロール表面に配置することが好ましい。このとき、溶湯の流量と、可動鋳型の断面積(鋳造用ロールの溝とベルトとで囲まれる部分の断面積)に応じた移動速度とを調整することで、溶湯の凝固面を一定にすることができると共に、溶湯が凝固される冷却速度を一定に維持することが容易となる。【００１０】
上記可動鋳型を具える連続鋳造装置を利用することで、理論上無限に長い長尺な鋳造材を得ることができるため、鋳造材の量産が可能である。また、上記のように連続的に鋳造を行うことで、表面性状に優れる、特に、長手方向に均一的で上品質な鋳造材を得ることができる。連続鋳造法により得られた鋳造材は、半連続鋳造法によって得られたビレット形状の鋳造材や射出鋳造法によって得られたインゴットと比較して、横断面における冷却が均一的に行われるため、結晶粒径が小さく微細な結晶構造を有すると共に、割れの起点となるような粗大な晶析出物が生成されにくい。そのため、連続鋳造法により得られた鋳造材は、次の工程である圧延において割れなどが生じにくく、十分に圧延加工を施すことができる。また、得られた圧延材は、伸線加工や鍛造加工などの塑性加工に適した素材となる。【００１１】
上記鋳造材の横断面における短径は、特に60mm以下とすることが好ましい。上記短径を60mm以下とすると、鋳造材の横断面における冷却速度が大きくなり、鋳造時に生成される晶析出物の大きさを20μm以下とすることができる。即ち、得られた鋳造材の結晶組織をより微細な結晶組織とすることができる。そのため、得られた鋳造材は、圧延加工や圧延加工後に施される塑性加工により適した素材とすることができる。【００１２】
鋳造時の冷却速度を大きくするには、連続鋳造法を双ベルト法、車輪ベルト法のいずれかとすることが好ましい。また、可動鋳型において少なくとも溶湯と接触する部分、即ち、ロールに設けた溝の表面やベルトにおいて溶湯と接する面を熱伝導性に優れる材料、例えば、鉄、鉄合金、銅、銅合金のいずれかにて形成することが好ましい。【００１３】
マグネシウム合金は、極めて活性な金属である。そのため、マグネシウム合金の溶解時、マグネシウム合金が大気中の酸素と容易に反応して燃焼する恐れがある。そこで、マグネシウム合金と酸素との反応を効果的に防止するべく、アルゴンガスなどの不活性ガスや、空気に防燃用のSF6ガスを混合した混合ガスなどを溶解炉内に充填して密閉した状態で溶解を行うことが好ましい。上記混合ガスにより防燃効果を得るには、体積％で0.1〜1.0％のSF6ガスを空気に混合させるとよい。【００１４】
また、溶解時だけでなく、鋳造時においてもマグネシウム合金が大気中の酸素と反応することが考えられる。例えば、可動鋳型に溶融した溶湯を流入する際、具体的には注湯口近傍においても、マグネシウム合金が大気中の酸素と反応して溶湯が燃焼する恐れがある。更に、マグネシウム合金が鋳型内に鋳込まれると同時に部分的に酸化して、鋳造材の表面が黒変化することもある。そのため、注湯口近傍や可動鋳型部分においても上記溶解炉と同様にアルゴンガスなどの不活性ガス、SF6などの防燃用ガスを空気に混合させた混合ガスなどを充填して密閉することが望ましい。上記不活性ガスや防燃用ガスを含有した空気(混合ガス)などのシールドガスを用いない場合、注湯口の形状を可動鋳型の横断面形状と同一とする密閉構造とすると、注湯口近傍において溶湯が外部の空気と接触することがないため、溶湯が燃焼したり酸化したりすることを低減して、良好な表面状態の鋳造材を得ることができる。【００１５】
その他、燃焼防止や酸化防止効果を有する元素を添加したマグネシウム合金を利用しても、シールドガスを用いた場合と同様の効果を得ることができる。具体的には、Caを0.002〜5.0質量％添加したマグネシウム合金が挙げられる。Caを特定量含有したマグネシウム合金を用いることでシールドガスが無い状態でも、溶解時や可動鋳型への流入時などで燃焼や酸化を起こしにくい。従って、鋳造材の表面の部分酸化による黒変化を効果的に防止できる。Caの含有量が0.002質量％未満であると燃焼防止や酸化防止の効果が少なく、5.0質量％を超えると、鋳造時や圧延時において割れ発生の原因となる。特に、Caの含有量は、0.01質量％以上0.1質量％以下が好適である。注湯口の形状を可動鋳型の横断面形状と同一とする密閉構造とする場合もCaを含有させたマグネシウム合金とすることで、鋳造材の部分酸化による黒変化を効果的に防止することができる。このとき、Caの含有量は、0.002質量％〜0.05質量％が適当である。シールドガスの有無や注湯口の形状によらず、酸化による黒変化や鋳造時などでの割れを防止するのにより好ましいCaの含有量は、0.01質量％以上0.05質量％以下が適する。【００１６】
上記のようにシールドガスを利用したり、酸化防止元素を添加したマグネシウム合金を用いることで、溶解時や鋳造時においてマグネシウム合金の燃焼、酸化を抑制すると共に、鋳造材の表面の部分酸化による黒変化を低減する。このようにして得られた鋳造材は、その表面に部分酸化による黒変化部分がほとんど無い、或いは全く無いため、鋳造後に施す圧延工程においても黒変化部分を起点とした割れなどが発生しにくい。【００１７】
そして、本発明製造方法では、上記連続鋳造により得られた鋳造材に圧延を施す。具体的には、少なくとも一対のロール(圧延ロール)間に上記鋳造材を供給して、ロールにより鋳造材に圧力を加え、減面加工を施す。特に、本発明製造方法では、圧延にて棒状体を得る。従って、圧延にて板材を得る場合(圧延される素材の横断面において二方向のみからロールが当てられる)と異なり、本発明製造方法では、鋳造材の横断面において三方向以上の方向からロールを当てて圧延を行う。このような圧延は、例えば、三つのロールを組み合わせて三角形状に組み合わせたロール群を用いて行ったり、一対のロールを複数対用意し、各対においてそれぞれロールを対向させ、各対においてロール間のギャップの中心線の方向を異ならせ、圧延の進行方向(圧延する素材の長手方向)の異なる箇所に配置して行うことが挙げられる。【００１８】
三角形状に組み合わせたロール群を用いる前者の場合、鋳造材(圧延する素材)は、圧延の進行方向(圧延する素材の長手方向)の同一箇所で三方向からロールによる圧力が加えられる。このようなロール群を複数用意し、三角形の向きが異なるように圧延の進行方向の異なる箇所に各ロール群を配置すると、鋳造材(圧延する素材)の外周面に万遍なく圧力が付与されて好ましい。また、圧延の進行方向において異なる箇所にロール群を複数配置することで、所望の大きさ(断面積)の圧延材を得ることができる。【００１９】
複数のロール対を用いる後者の場合、これらロール対は、圧延の進行方向前方から見た際に各対においてロール間のギャップの中心線が交差するように配置させる。このようにロール対を配置することで、鋳造材(圧延する素材)は、圧延の進行方向(圧延する素材の長手方向)の異なる箇所で、二方向ずつ合計四方向以上からロールによる圧力が加えられる。例えば、一対のロールを二組用意し、一方のロール対は、ロール間のギャップの中心線が水平方向となるように配置し、他方のロール対は、ロール間のギャップの中心線が垂直方向となるように配置することが挙げられる。このとき、鋳造材(圧延する素材)は、一方のロール対により左右の二方向から、かつ他方のロール対により、上下の二方向からロールによる圧力が加えられる。このようなロール対を複数用意し、圧延の進行方向(圧延する素材の長手方向)において異なる箇所に各ロールを配置することで、所望の大きさ(断面積)の圧延材を得ることができる。【００２０】
上記圧延は、熱間圧延とすることが好ましい。マグネシウム合金は、室温程度での加工性に乏しいhcp構造を有する。そのため、塑性加工性を向上させるべく、鋳造材を加熱して圧延を行うことが好ましい。具体的な鋳造材の温度は、100℃以上500℃以下が好ましい。加工温度が100℃を下回ると圧延中にマグネシウム合金素材(圧延加工が施されているもの)の表面に割れが発生して圧延できなくなる恐れがある。一方、加工温度が500℃を超えると、圧延中、素材の表面が酸化して黒変化することがあると共に、加工に伴う発熱などにより加工途中で素材が燃焼してしまう可能性がある。特に、加工温度は、150℃以上400℃以下が好適である。鋳造材の加熱は、ヒータや高周波加熱器などの加熱手段により、鋳造材を直接加熱する方法でもよいし、圧延ロールにヒータなどの加熱手段を設けておき、圧延ロールの加熱により鋳造材を間接的に加熱する方法によって行ってもよい。また、鋳造材を直接加熱する場合であっても、圧延ロールに加熱手段を具えて、圧延ロールを加熱した状態で用いると、圧延ロールに接したマグネシウム合金素材が冷却されにくくなり、圧延加工がより行い易い。【００２１】
鋳造工程と圧延工程とを連続的に行ってもよい。鋳造工程と圧延工程とを連続的に行うことで、鋳造工程での余熱を利用することができるため、圧延加工にあたり鋳造材を加熱する際の熱エネルギー消費を少なくすることができる。従って、鋳造材を直接加熱する加熱手段や圧延ロールに具える加熱手段の負担を低減できると共に、コストも低減できる。また、鋳造工程の余熱を利用することで、鋳造材を十分加熱された状態とすることができ、また、鋳造材の温度のばらつきも少なくすることができる。従って、圧延条件(圧力など)が安定するため、圧延時の素材の割れなどを低減することも可能である。更に、連続鋳造装置と圧延装置とを直線的に配置して、鋳造材が圧延装置に直線的に供給されるようにすることで、この供給時において鋳造材に曲げなどが加わることが少なくなり、曲げによる素材の表面割れを防止できる。鋳造に引き続いて圧延を行う場合、連続鋳造装置と上記圧延ロールを具える圧延装置との間にヒータや高周波加熱器などの加熱手段を配置しておき、鋳造材を加熱してもよい。【００２２】
圧延工程は、上記ロール群やロール対などを多段に具えておき、複数パスに亘って行ってもよい。このとき、総減面率は20％以上であることが望ましい。特に、総減面率は、50％以上が好適である。総減面率が20％以上の加工を行うと、マグネシウム合金の鋳造組織がほぼ完全に消滅し、熱間圧延組織、熱間圧延組織と再結晶組織とからなる混合組織、再結晶組織のいずれかとなる。これらの組織は、いずれも微細な結晶組織(平均結晶粒径50μm以下)であるため、得られた圧延材は、伸線加工や鍛造加工といった塑性加工性に優れる。従って、このような圧延材に更に伸線加工や鍛造加工などを施して、ワイヤや鍛造材などのマグネシウム合金材を容易に得ることができる。再結晶組織の場合、特に平均結晶粒径が30μm以下であると、伸線加工性、鍛造加工性がより向上する。圧延材の塑性加工性を向上させるには、結晶組織をより微細にするとよく、平均結晶粒径をより小さくするには、総減面率を大きくすることが挙げられる。一方、総減面率が20％未満であると、圧延材の結晶組織は結晶粒径が大きい鋳造組織のままとなり、このような圧延材は、圧延後に実施する伸線加工や鍛造加工などといった塑性加工性が劣りやすい。【００２３】
上記連続鋳造圧延により製造された圧延材は、引張強さを200MPa以上とすることが好ましい。特に、引張強さは、250MPa以上が好適である。このような高強度にした圧延材は、伸線加工や鍛造加工といった塑性加工の加工性を向上させることができる。引張強さが200MPaを下回ると、上記塑性加工性が悪くなり易く、ダイカストやチクソモールドといった射出鋳造法、半連続鋳造法で得られるマグネシウム合金材と比較して、強度のメリットが無くなる。引張強さは、圧延条件を調整することで変化させることができ、例えば、圧延温度や1パスの減面率、更には総減面率を適宜選定することで制御できる。【００２４】
上記連続鋳造圧延により得られた本発明マグネシウム合金材は、圧延ロールの形状を種々変更することで、種々の横断面形状を有する長尺体(棒状体)とすることができる。例えば、角棒状、丸棒状とすることができる。【００２５】
上記連続鋳造圧延材に更に伸線加工や鍛造加工といった塑性加工を施すことによって、さらに高強度なマグネシウム合金材を得ることができる。このように連続鋳造圧延材に更に塑性加工を施して得られたマグネシウム合金材は、連続鋳造以外の鋳造による鋳造材や同鋳造材を更に圧延した圧延材と比較して、強度がより高いため、この合金材を用いて部品などを製造する場合、小さく、薄い部品とすることができるため、合金材が少なくて済み、部品の更なる軽量化が可能となる。従って、本発明は、マグネシウム合金からなる展伸材用素材を低コストで提供することができる。また、連続鋳造圧延により得られた本発明マグネシウム合金材は、押出材と比較して、上記のように塑性加工性に優れるため、形状の自由度が大きく、種々の形状の伸線加工を行うことができる。例えば、本発明合金材に伸線加工を施すにあたり、異形ダイスや異形ローラなどを用いることで、横断面が円形状だけでなく、楕円や矩形、多角形などといった非円形状の異形のワイヤ(線状体)を得ることができる。また、本発明合金材に対し、多段にダイスなどを配置して伸線加工を行うことで、線径5mm以下といった細径のワイヤを得ることも可能である。【００２６】
連続鋳造圧延により得られた本発明合金材に伸線加工を施して得られたワイヤは、射出鋳造材や半連続鋳造材を押し出した押出材に伸線加工を施して得られたワイヤと比較して、強度を大きくすることができる。これは、連続鋳造時の冷却速度が射出鋳造や半連続鋳造と比較して充分に速いため、後述するような添加元素が固溶する濃度が相対的に高くなることからであると考えられる。また、伸線加工により得られたワイヤも塑性加工性に優れるため、更に鍛造加工などの塑性加工を施すこともできる。従って、このワイヤは、鍛造加工用素材としても利用できる。【００２７】
本発明においてマグネシウム合金とは、Mg及び不純物からなるいわゆる純Mgの他、Mg以外の添加元素を含有し、残部がMg及び不純物からなるものとする。Mg以外の添加元素を含有するマグネシウム合金を利用することで、連続鋳造圧延を施した圧延材、連続鋳造圧延後に塑性加工を施した加工材において強度、伸び、高温強度、耐食性などを向上することができる。このような元素としては、例えば、Al、Zn、Mn、Si、Cu、Ag、Y、Zrなどが挙げられる。添加元素の含有量としては、合計20質量％以下が望ましい。添加元素が20質量％超となると、鋳造時に素材に割れなどが生じる原因となる。より具体的な組成としては、例えば、以下の組成が挙げられる。
I.  Mg以外の添加元素:5〜15質量％を含み、残部がMg及び不純物
II.  Al：0.1〜12質量％を含み、残部がMg及び不純物
III.  Al：0.1〜12質量％と、質量％でMn：0.1〜2.0％、Zn：0.1〜5.0％、Si：0.1〜5.0％より選択された1種以上とを含み、残部がMg及び不純物
IV.  質量％でZn：0.1〜10％、Zr：0.1〜2.0％を含み、残部がMg及び不純物
不純物は、有意的に添加しない元素のみとしてもよいし、有意的に添加する元素(添加元素)を含んでいてもよい。【００２８】
上記合金組成として代表的なASTM記号におけるAZ系、AS系、AM系、ZK系などが利用できる。具体的には、AZ系では、例えば、AZ10、AZ21、AZ31、AZ61、AZ80、AZ91などが挙げられる。AS系では、例えば、AS21、AS41などが挙げられる。AM系では、例えば、AM60、AM100などが挙げられる。ZK系では、例えば、ZK40、ZK60などが挙げられる。なお、Alの含有量は、質量％で0.1〜2.0％未満の低濃度としてもよいし、質量％で2.0〜12.0％の中濃度、高濃度としてもよい。【００２９】
Mg以外の添加元素の含有量が5質量％以上であるマグネシウム合金は、添加元素の含有量が5質量％未満である場合と比較して、強度が向上する傾向にあり、このような合金を材料とすることで、軽量化効果が大きい。例えば、AZ31合金と比較して、AZ61合金,AZ80合金,AZ91合金は、強度に優れる。このような添加元素としては、Al,Zn,Mn,Si,Zr,Yから選択される1種以上が挙げられる。これらの元素を合計で5質量％以上、特に、9質量％以上含有することが好ましい。また、Mg以外の添加元素の含有量が多いことで、高温強度や耐食性の更なる向上が望める。耐食性については、Alの含有量が8質量％以上の場合に特に効果があり、このようなマグネシウム合金は、Al合金並みの耐食性を有することができる。また、Yを上記の範囲で含有させた合金とすることで、引張強度並びに高温強度に優れる。【００３０】
一方、上記ように添加元素を高濃度に含むマグネシウム合金では、DC鋳造といった半連続鋳造法を行った場合、数十μm程度の大きな晶析出物が内在し易く、このような粗大な介在物は、鋳造後に行う圧延加工や、圧延加工後の塑性加工時に割れ発生の原因となり、生産性を著しく低下させる。これに対し、本発明では、可動鋳型を用いた連続鋳造を行うため、鋳造時の冷却速度を速く、具体的には、1℃/sec以上、特に、10℃/sec以上とすることが容易であり、晶析出物の大きさを20μm以下、特に10μm以下と小さくすることが可能である。従って、添加元素を高濃度に含むマグネシウム合金材であっても本発明のように連続鋳造を行うことで、得られた鋳造材は、鋳造後の圧延加工や、この圧延加工後の塑性加工において上記晶析出物を起点とする割れをほとんど生じることがない。また、連続鋳造の場合、上述のように鋳造後の添加元素の固溶量が増加する。そのため、鋳造後に施す圧延加工の加工温度を350℃以上といった高温にしても、結晶粒の粗大化を引き起こし難くなり、得られた圧延材は、塑性加工性に優れ、圧延加工後に塑性加工を容易に行うことができる。更に、この得られた圧延材は、上述のように微細で均一的な結晶組織(鋳造組織ではない)を有しており、このことからも塑性加工性に優れる。添加元素は、このような種々の効果を奏するが、上述のように過剰に含まれると素材に割れなどが生じ易くなる。従って、添加元素の含有量は、20質量％以下、特に15質量％以下とすることが好ましい。【００３１】
更に、上記組成に加えて、Caを0.002〜5.0質量％含有させると、上記のように溶解時や鋳造時などで素材の燃焼や酸化を防止することができて好ましい。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、連続鋳造後、鋳造材の横断面において三方向以上の方向から圧力を加える圧延を行う本発明製造方法によれば、強度などの機械的特性に優れるマグネシウム合金材を得ることができるという特有の効果を奏し得る。特に、鋳造時や圧延時に素材に割れなどが生じにくく、長手方向に亘って表面性状に優れた長尺なマグネシウム合金材を得ることができる。【００３３】
更に、規定量の防燃用元素を含有させることで、溶解時や溶湯の流入時、鋳造時において素材の燃焼や酸化を効果的に防止することができる。【００３４】
上記連続鋳造圧延により得られた本発明マグネシウム合金材は、微細組織であるため塑性加工性に優れており、伸線加工や鍛造加工といった塑性加工を施すことができる。そして、これら塑性加工を施された本発明マグネシウム合金材は、高強度、高靭性であり、軽量という特徴を生かして、種々の分野にて利用することができる。また、塑性加工が施された本発明マグネシウム合金材に更に鍛造加工などを施すことができる。従って、本発明マグネシウム合金材は、例えば、鍛造加工用素材として利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
(試験例1)
ベルトアンドホイール式の連続鋳造装置を用いて、溶解したマグネシウム合金に連続鋳造を施して鋳造材を作製し、得られた鋳造材の表面性状、組織を調べた。
本試験で用いたマグネシウム合金は、AZ31合金相当材とした(質量％で、Al：3.0％、Zn：1.0％、Mn：0.15％を含み、残部がMg及び不純物(有意的に添加していないCa：0.0013％を含む)、組成は化学分析により調べた)。【００３６】
この試験で用いた連続鋳造装置を図1に示す。なお、図1では、鋳造材1を強調して示す。このことは、後述する図2についても同様である。この連続鋳造装置10は、溶湯が接触する表面部に溶湯が流し込まれる溝11aを具える鋳造用ロール11と、この鋳造用ロール11に従動する2つの従動ロール12a,12bと、溝11aに流し込んだ溶湯が流れ出ないように溝11aの開口部を覆うように配置されるベルト13と、ベルト13の張力を調整する張力ロール12cとから構成される。本例では、図1(A)に示すように鋳造用ロール11に対向させて従動ロール12a,12bを配置し、これら三つのロール11,12a,12bの後方(図1(A)において右側)に張力ロール12cを配置し、ロール11とロール12a間、ロール11とロール12b間、ロール12cの外周に亘ってベルト13を回して、ベルト13が閉ループをつくるように配置した。この構成により、鋳造用ロール11が矢印の方向に回転すると、ベルト13を介してロール12a〜12cが順次回転する。鋳造用ロール11と従動ロール12aとの間には、溶解炉(後述する図2参照)から溶湯が流入される注湯口(スパウト)を具える供給部(ノズル)14が配置される。溶解炉から供給部14に注がれた溶湯は、注湯口を介して鋳造用ロール11の溝11aに流し込まれ、開口部がベルト13により覆われて、図1(B)に示すように断面矩形状の鋳造材1を得る。【００３７】
本例において溶湯が接する溝11aの表面部は、耐熱性に優れるSUS430にて形成した。溝11aは、横断面積を約300mm2(幅18mm、高さ17mm)とした。ベルト13は、純銅(C1020)により形成し、厚みを2mmとした。また、本例では、鋳造用ロール11の内部に冷却水を流し、ロール11を冷却できるようにした。本例では、冷却水の流量を30リットル/minとした。更に、本例では、供給部14に具える注湯口の横断面形状を鋳造用ロール11の溝11aの横断面形状と同一とし、注湯口から鋳造用ロール11間に亘って密閉構造とし、この部分近傍において溶湯が外部の空気に接触しない構造とした。【００３８】
そして、本例では、溶解炉中を空気に0.2体積％のSF6ガスを混合させた混合ガス雰囲気として、上記合金組成のマグネシウム合金を700〜800℃で溶解し、このマグネシウム合金からなる溶湯を約500℃に加熱した樋を通してタンディッシュに注ぎ込み、更に、タンディッシュから供給部及び注湯口を介して可動鋳型に流し込み、3m/minの速度で連続鋳造を実施した。本例では、SF6ガスを混合させた雰囲気下でマグネシウム合金の溶解を行うことで、溶解中に合金の燃焼などの不具合が生じることが無かった。なお、本例では、SF6ガスと空気の混合ガスを用いたが、アルゴンガスなどの不活性ガスを用いて溶解炉中を不活性雰囲気としてもよい。【００３９】
得られた鋳造材について、その横断面を光学顕微鏡にて確認したところ、晶析出物が認められたが、その大きさは、最大でも10μmであり、微細な結晶組織であった。しかし、得られた鋳造材は、表面の極一部に酸化による黒変化が認められた。これは、注湯口と鋳造用ロール間のみ密閉構造としているため、マグネシウム合金がCaを不可避的に含んでいても、樋などで外部空気に触れて酸化したためであると考えられる。そこで、上記合金組成にCaを0.01質量％含有させて、上記と同様の条件で連続鋳造を行い、Caを含む鋳造材を作製してみた。このCa含有鋳造材の表面を調べたところ、酸化による黒変化が確認されなかった。更に、Caの含有量を変化させて同様の条件で連続鋳造を行って鋳造材を作製し、表面性状を調べたところ、Caの含有量が多いほど、酸化されにくい傾向にあることがわかった。しかし、Caの含有量が5質量％を超えると、鋳造材の表面に割れが生じているものが認められた。このことから、Caを特定量含有させたマグネシウム合金を用いることで、表面割れを生じることなく、酸化を効果的に防止できることがわかる。【００４０】
(試験例2)
上記試験例1で用いた連続鋳造装置(図1参照)に一対のロールを具える圧延装置を近接させて配置し、連続鋳造にて得られた鋳造材に連続して圧延加工を施して、圧延材を作製した。
本試験で用いたマグネシウム合金は、上記試験例1で用いたAZ31合金相当材にCaを0.01質量％添加したものを用いた。【００４１】
この試験で用いた連続鋳造装置及び圧延装置を具える製造ラインを図2に示す。図2において、図1と同一符号は同一物を示す。この製造ラインでは、製造順に溶解炉15→連続鋳造装置10→(ガイドロール40→)加熱手段30→圧延装置20→巻取装置50が配置されている。連続鋳造装置10と圧延装置20とは、連続鋳造装置10から出てきた鋳造材1が圧延装置20に直線的に導入されるように配置した。圧延装置20は、圧延ロール対21a,21bを二組具える2段圧延機20A〜20Dを4台直線状に並べている。2段圧延機20A〜20Dはそれぞれ、二組の圧延ロール対を、ロール21間のギャップ(隙間)の中心線がそれぞれ異なる方向となるように(交差するように)配置している。具体的には、二組の圧延ロール対のうち、一方の圧延ロール対21aは、ロール21間のギャップの中心線が水平方向になるように、他方の圧延ロール対21bは、ロール21間のギャップの中心線が垂直方向になるように、ロール21を配置している。即ち、圧延ロール対21aは、鋳造材1に対して垂直方向(図2において上下方向)に、圧延ロール対21bは、鋳造材1に対して水平方向(同紙面の手前奥方向)に互い違いに配置した。各圧延ロール21には、ヒータ(図示せず)を内部に配置させており、圧延ロール21を加熱可能とした。また、連続鋳造装置10の出口付近において鋳造材1の温度が150℃程度になっているため、圧延装置20の手前に加熱手段30を配置し、圧延前において、加熱手段30により鋳造材1を直接加熱できるようにした。本例では、加熱手段30として高周波加熱器を用いた。【００４２】
そして、試験例1と同様に空気にSF6ガス(0.2体積％)を混合させた混合ガス雰囲気にある溶解炉15中で、Caを含むマグネシウム合金を700〜800℃で溶解し、できた溶湯を約500℃に加熱した樋16を介してタンディッシュ17に注ぎ、タンディッシュ17→供給部14→注湯口→連続鋳造装置10を経て鋳造材1を得た(横断面積約300mm2)。鋳造速度は3m/minとした。引き続いて得られた鋳造材1をガイドロール40で加熱手段30に送って、鋳造材1を400℃程度まで加熱して圧延装置20に送り、圧延装置20により加熱された鋳造材1に圧延加工を施した。本例では、ヒータにより各圧延ロール21を150℃に加熱しながら圧延加工を行った。各圧延機20A〜20Dにおける減面率は15〜20％とし、総減面率は約56％とした。得られた圧延材2は、直径13mmの横断面円形状の長尺体(棒状体)である。この長尺体は、巻取装置50にて巻き取った。【００４３】
上記のようにして得られた連続鋳造圧延材の横断面を光学顕微鏡で観察し、同圧延材の組織を調べたところ、鋳造組織が完全に消滅しており、熱間圧延組織と再結晶組織とからなるものであった。また、上記圧延材の平均結晶粒径を調べたところ、20μmであった。更に、上記圧延材には、晶析出物が認められたが最大でも10μmであった。上記圧延材の引張強さを調べたところ、250MPaであり、200MPa以上といった優れた強度を具えることが確認された。【００４４】
上記連続鋳造圧延材から直径8mm、長さ12mmのサンプルを切り出し、温度300℃で熱間据込み加工(据込み速度:12mm/sec、据込み率70％(高さ3.6mm))を施した。その結果、サンプルの表面に割れなど発生することなく据込み加工を施すことができた。一方、比較として、市販されているAZ31合金からなる押出材(直径8mm、長さ12mm)にも、同様の条件で熱間据込み加工を施してみたところ、据込み率70％の加工で表面に割れが生じていた。この押出材の横断面において結晶構造を光学顕微鏡にて確認したところ、30μm程度の晶析出物が存在しており、この晶析出物が割れの原因であると考えられる。【００４５】
(試験例3)
試験例2で得られた連続鋳造圧延材(直径13mmの長尺体)に伸線加工(伸線ダイスを利用)を施し、ワイヤを作製して、強度と靭性を調べた。
本試験では、加工温度200℃、1パスの減面率10〜15％とし、2〜3パスごとに300℃×30minの熱処理を施しながら、直径2.8mmの断面円形状のワイヤを得た(総減面率：約95％)。得られたワイヤの引張強度、伸びを調べたところ、引張強度：310MPa、伸び：15％であり、強度及び靭性の双方に優れていた。また、伸線加工中、断線発生回数は、0.5回/kgであった。【００４６】
比較として、市販されているAZ31合金からなる押出材(直径13mm)にも、同様の条件で伸線加工を施し、直径2.8mmのワイヤを得た。このワイヤの引張強度、伸びを調べたところ、引張強度：290MPa、伸び：15％であり、上記のように連続鋳造圧延材を用いたワイヤの方が優れた特性を有することがわかる。また、押出材を用いた場合、伸線加工中の断線発生回数は2.0回/kgであり、上記連続鋳造圧延材を用いた方が伸線加工性に優れることがわかる。即ち、連続鋳造圧延材を用いることで、伸びを低下させることなく、引張強さを向上させることができることが確認された。【００４７】
(試験例4)
上記試験例で用いたマグネシウム合金と異なる組成のマグネシウム合金を用意し、同様に連続鋳造圧延材を作製してみた。以下に組成を示す。
(合金組成)
AM60合金：質量％でAl：6.1％、Mn：0.44％を含み、残部がMgと不純物からなるマグネシウム合金
AZ61合金：質量％でAl：6.4％、Zn：1.0％、Mn：0.28％を含み、残部がMgおよび不純物からなるマグネシウム合金
AZ91合金：質量％でAl：9.0％、Zn：1.0％を含み、残部がMgおよび不純物からなるマグネシウム合金
ZK60合金：質量％でZn：5.5％、Zr：0.45％を含み、残部がMgおよび不純物からなるマグネシウム合金
Y含有合金：質量％でZn：2.5％、Y：6.8％を含み、残部がMgおよび不純物からなるマグネシウム合金
更に、上記AM60合金、AZ61合金、AZ91合金、ZK60合金、Y含有合金にCa：0.01質量％含有させた合金【００４８】
得られた各連続鋳造圧延材の横断面において光学顕微鏡により組織を調べたところ、いずれの圧延材も鋳造組織が完全に消滅しており、熱間圧延組織、熱間圧延組織と再結晶組織とからなる混合組織、再結晶組織のいずれかからなるものであった。また、これら圧延材の平均結晶粒径を調べたところ、5〜20μmであり、晶析出物の最大粒径は、3〜10μmであり、微細な組織であった。更に、いずれの連続鋳造圧延材も引張強度が200MPa以上であり、強度にも優れていた。これら連続圧延鋳造材に試験例3と同様の伸線加工を施したところ、試験例3と同様に高強度で靭性に優れるワイヤが得られた。なお、Caを添加していない合金では、鋳造材の表面に一部酸化して黒変化したものも認められたが、Caを添加した合金を用いた場合、鋳造材表面に酸化が認められなかった。【００４９】
AZ91合金材は、一般に押し出し加工が難しいとされているが、本発明のように連続鋳造から連続して圧延を行うことで、AZ91合金相当材であっても、棒状の素材や角状の素材を得ることができた。これは、連続鋳造時の冷却速度が、半連続鋳造と比較して十分に速いため、AlやZnなどの添加元素の固溶量が増加して、熱間圧延温度域である350℃以上においても、結晶粒の粗大化が起こりにくいからであると考えられる。【００５０】
(試験例5)
図2に示す連続鋳造装置及び圧延装置を用いて、連続鋳造材、及び連続鋳造圧延材を作製し、得られた連続鋳造材の組織、連続鋳造圧延材の組織、強度を調べた。また、得られた連続鋳造圧延材の塑性加工性を調べた。
本試験で用いたマグネシウム合金は、AZ91合金相当材とした(質量％で、Al：9.0％,Zn：1.0％,Mn:0.2％を含み、残部がMg及び不純物(有意的に添加していないCa：0.0013％を含む)、組成は化学分析により調べた)。【００５１】
連続鋳造装置の仕様は試験例1と同様とし(溶解炉などは試験例2と同様の仕様)、溶解温度：700℃、鋳造速度：3m/min、冷却速度：50〜100℃/secとして連続鋳造を行い、横断面積：約300mm2(幅18mm、高さ17mm)の鋳造材を得た。得られた鋳造材について、その横断面を光学顕微鏡にて確認したところ、晶析出物が認められたが、10μm以下であり、微細な結晶組織であった。【００５２】
圧延装置の仕様は試験例2と同様の仕様とし、得られた鋳造材に加熱手段で約400℃に加熱して圧延装置に送り、試験例2と同様の条件で圧延加工を施し、直径13mmの横断面円形状の長尺な圧延材を得た。得られた連続鋳造圧延材の横断面を光学顕微鏡で観察して組織を調べたところ、鋳造組織が完全に消滅しており、熱間圧延組織と再結晶組織とからなるものであった。また、上記圧延材の平均結晶粒径を調べたところ、9μmであった。更に、上記圧延材には、晶析出物が認められたが最大でも10μmであった。上記圧延材の引張強さを調べたところ、300MPaであった。【００５３】
得られた連続鋳造圧延材に、熱間据え込み加工を行った。具体的には、上記連続鋳造圧延材から直径8mm、長さ12mmのサンプルを切り出し、温度を300℃として、熱間据込み加工(据込み速度:12mm/sec、据込み率80％(高さ2.4mm))を施した。その結果、サンプルの表面に割れなど発生することなく据込み加工を施すことができた。一方、比較として、市販されているAZ91合金からなる押出材(直径8mm、長さ12mm)にも、同様の条件で熱間据込み加工を施してみたところ、据込み率50％の加工で表面に割れが生じていた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明マグネシウム合金材の製造方法は、高強度で塑性加工性に優れるマグネシウム合金材の製造に好適に利用することができ、同合金材を生産性よく提供することができる。また、本発明製造方法により得られた連続鋳造圧延材は、強度及び靭性に優れており、塑性加工用素材として好適に利用することができる。更に、連続鋳造圧延材に塑性加工を施して得られた本発明マグネシウム合金材は、高強度、高靭性であると共に、軽量であることから、携帯用機器の部品や自動車用部品などの素材として適する。特に、伸線加工を施して得られた本発明マグネシウム合金ワイヤは、溶接線やネジ素材、鍛造加工用素材に適する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】(A)は、試験例1〜5で利用した連続鋳造装置の概略構成図、(B)は、鋳造用ロールにおいてベルトが配置された状態を説明する部分断面図である。
【図２】試験例3〜5で利用した、連続鋳造装置及び圧延装置を連続的に具える製造ラインシステムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
1  鋳造材  2  圧延材
10  連続鋳造装置  11  鋳造用ロール  11a  溝  12a,12b  従動ロール
12c  張力ロール  13  ベルト  14  供給部  15  溶解炉  16  樋
17  タンディッシュ
20  圧延装置  20A,20B,20C,20D  2段圧延機  21  圧延ロール
21a,21b  圧延ロール対  30  加熱手段  40  ガイドロール  50  巻取装置
【図１】
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【図２】
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