冷間塑性加工を利用した Mg/Al 接合による高性能複合材料の開発
弘前大学 理工学研究科助教 峯田 才寛（2018 年度 奨励研究助成（若手研究者） AF-2018044-C2）
キーワード：軽金属，強度，耐食性
る LA143 合金(Mg-14 mass%Li-3 mass%Al)を用いた。

１．研究の目的と背景
省エネルギー化の観点から、輸送機器の軽量化は社会的

LA143 合金圧延板に対して Ar 雰囲気において 573 K、1 hに大きな需要がある。輸送機器に用いられる代表的な軽金の熱処理を施し、水冷した。その後チャネルダイ内での冷属材料として Mg 合金および Al 合金が挙げられるが、それ間多軸鍛造(MDFC：multi-directional forging in channel

らの特性は一長一短であると言える。例えば Mg 合金は優die)を施した。チャネルダイ内の潤滑剤としてポリテトラれた軽量性と強度を有するが、加工性と耐食性に劣る。まフルオロエチレンを用いた。力学特性の加工量依存性を評た Al 合金は優れた耐食性を有する一方で、密度当たりの価するために、室温での圧縮試験を行った。試験片寸法は強度が Mg 合金より劣る場合が多い。したがって、それら4×4×8 mm3 であり、ひずみ速度は 1.0×10-3 s-1 とした。の欠点を克服した新たな軽金属材料の開発に期待が寄せ

LA143 合 金 の 微 細 組 織 を FE-SEM (Field Emissionられている。

Scanning

複雑な組織制御プロセスを経ることなく材料特性を大きく変化させる手法として、異種金属の接合がある。特性Electron

Microscope)/EBSD(electronbackscatter diffraction)および WAXS (wide-angle x-rayscattering)により観察した。の異なる金属を物理的な塑性加工により接合することで、単一の金属では到達し得ない高性能化が可能になる。目的に応じた高性能複合材を作製するためには、その原料となる金属材料の選定および組織制御が重要になる。

2.3. Mg/Al 複合材の作製と特性評価
Mg/Al 複合材の原料である Mg として厚さ 1 mm のLA143 合金(熱処理条件：573 K、1 h、水冷)および Al と本研究では、軽量かつ高強度の Mg 合金と高耐食性 Alして A1050(熱処理条件：773 K、1 h、水冷)を用いた。

を塑性加工により接合し、強度と耐食性を両立した軽量

Mg/Al 複合材をチャネルダイ内圧縮接合法により作製しMg/Al 複合材を創製することを目的とする。一般的に Mgた(図 1)。圧縮接合は室温においてひずみ速度は 1.0 s-1 で合金は加工性が悪いため、接合のための大きな塑性加工中行い、圧縮量は 50%とした。チャネルダイ内の潤滑剤とに破壊に至る。そのため本研究では加工性を向上させるたしてポリテトラフルオロエチレンを用いた。Mg/Al 複合めに Li を添加した Mg 合金を選択した。Mg-Li 基合金は材の微細組織を FE-SEM/EDS (energy dispersive X-ray他の Mg 合金に比べて強度が低いため、加工熱処理によるspectroscopy)および Vickers 硬度試験により評価した。

組織制御を行った後に Mg/Al 複合材の原料とした。また

Mg/Al 複合材の力学特性を評価するため引張試験をひそのための組織制御条件を検討した。得られた Mg/Al 複ずみ速度 1.0×10-3 s-1、室温の条件で行った。耐食性を腐合材の力学特性と耐食性を調査し、新たな軽金属材料とし食環境下における重量変化から評価した。腐食液として0.1 mol%HCl および 0.1 mol%H2SO4 を用いた。Mg/Al 複ての特性を評価した。

合材における耐食性試験は接合時の圧縮方向と垂直な面２．実験方法(TD-LD 面)に対して行い、A1050 のみが腐食液と接触す2.2. Mg 合金の組織制御および特性評価るようにした。

本研究では Mg 合金として軽量性および加工性に優れ

図 1 チャネルダイ内圧縮接合の模式図

３．実験結果
3.1. Mg 合金の特性示しており、本合金は他の合金と比較しても σs が大きく1-3)優れた強度-軽量性のバランスを有していると言える。ま図 2 に LA143 合金熱処理材における圧縮変形挙動の加工量依存性を示す。加工量の増加に伴い降伏強度が増加す

た本合金は加工量に因らず 99%の圧延を施しても破壊せず、優れた展性を有していると言える。

ることが明らかとなった。図 3 に LA143 合金および典的図 4 に各 LA143 合金加工材の EBSD 解析結果を示す。

な Mg 合金と Al 合金における降伏強度と密度の関係を示

加工量の増加に伴い、結晶粒の微細化が進行していることす。軽金属材料の強度として、単位密度当たりの降伏応力が明らかとなった。図 5 に示す WAXS 解析の結果から、(比降伏応力 σs)が重要となる。本研究における LA143 合

ブラッグ間隔 1.7 nm 程度の非常に微細な周期構造を形成

金で最も降伏応力が高い加工量 96.9%では σs=263 であっしていることが明らかとなった。以上より、加工熱処理をた。図中の破線は σs=263 となる降伏応力と密度の関係を施した LA143 合金の優れた力学特性は微細な結晶粒とナ

図 2 LA143 合金加工材の室温圧縮試験から得図 3 加工熱処理を施した LA143 合金、種々のられた応力-ひずみ曲線 1)。破線と繋がる図中

Mg 合金および Al 合金における降伏応力と密の数字はチャネルダイ内冷間多軸鍛造におけ度の関係 1)。(p)および(s)は析出強化型合金おる総加工量を意味する。

よび固溶強化型合金をそれぞれ意味する。

図 4 LA143 合金加工材の EBSD 解析結果 1,2)

ノレベルの周期構造を有する析出相に起因していると結分析から界面近傍にも元素の偏析や析出は確認されなか論される。よって、加工熱処理を施した LA143 合金は非った。

常に優れた強度・軽量性・加工性を有しており、Mg/Al 複合材の原料として適していると言える。

図 7 に Mg/Al 複合材における Vickers 硬度の位置依存性を示す。x = 0 は接合界面位置を意味し、x < 0 は A1050が、x > 0 は LA143 が存在する位置に対応する。接合界面を境に硬度の大きな傾斜が確認された。また、圧子圧入時における接合界面の剥離は生じなかった。したがって、本手法により特性の異なる異種金属が良好に接合されていると言える。

図 5 LA143 熱処理材の WAXS 解析結果 3)
3.2. Mg/Al 複合材の特性
図 6 に Mg/Al 接合界面近傍での FE-SEM 像および EDS分析結果を示す。接合面には目立ったボイド等は観察され

図 7 Mg/Al 複合材における接合界面近傍でのず、良好な接合が達成されていると考えられる。また EDSVickers 硬度分布
図 8 に LA143、A1050、および Mg/Al 複合材を用いた典型的な引張試験結果を示す。この図における試料は全て50%チャネルダイ内圧縮後のものである。Mg/Al 複合材の強度は LA143 および A1050 の中間程度であり、両者の厚みが同程度であることを考えれば、初めに A1050 が塑性変形した後に LA143 合金の塑性変形が開始したと考えられる。また Mg/Al 複合材は変形中に急激な見かけ応力の低下が生じ、その後比較的低い見かけの応力で変形が進行した。これは延性が比較的悪い LA143 の破壊に起因しているものであり、LA143 の破壊後は A1050 のみが変形していることに対応する。複合材の降伏応力は汎用 Mg 合金と同程度であり、比較的良好な強度特性を有していると言える。
図 9 に LA143、A1050、および Mg/Al 複合材を用いた腐食試験の結果を示す。この図における試料は全て 50%チャネルダイ内圧縮後のものである。LA143 では気泡の発生を伴う急激な腐食が生じた。その一方で、A1050 および Mg/Al 複合材では腐食液に浸漬後も重量変化が生じず、良好な耐食性を示していた。また Mg/Al 複合材における腐食速度は初期の A1050 の厚みを 0.5 mm にしても変化しなかった。したがって、Mg と Al の厚さを検討することで更に優れたレベルで力学特性と耐食性を両立す

図 6 Mg/Al 複合材における接合界面近傍での(上) FE-SEM 像および(下) EDS 解析結果

る Mg/Al 複合材の開発が可能であると言える。

４．結言
特定の加工熱処理を施した LA143 合金と A1050 を接合し、その力学特性と耐食性を評価した。接合材の強度はA1050 を大きく上回り、汎用的な Mg 合金と同等の強度を示した。また 0.1 mol%HCl および 0.1 mol%H2SO4 に対する良好な耐食性を示すことが明らかとなった。したがって、作製した Mg/Al 複合材は優れた強度と耐食性を両立しており、新たな構造軽金属材料として発展可能であることが示された。今後展望として、合金種および組織制御条件を検討することで、更なる高性能化が可能であると期待される。

謝辞

本研究成果は、公益財団法人天田財団奨励研究助成を受
図 8 LA143、A1050、および Mg/Al 複合材でけて行ったものであることを付記して謝意を表します。まの室温引張試験から得られた公称応力-ひずみた研究遂行にあたり弘前大学佐藤裕之博士、長谷川薫様、曲線

熊谷一真様のご助力を頂きました。

参考文献
1） Takahiro Mineta, Kaoru Hasegawa, Hiroyuki Sato,Materials Science and Engineering: A, 773 (2020)1388672） Takahiro Mineta, Micron, 137 (2020) 102914
3） Takahiro Mineta, Kazuma Kumatani, Hiroki Adachi,
Hiroyuki Sato, Material Science and Engineering
Technology, 52 (2021) 339 - 345

図 9 LA143、A1050、および Mg/Al 複合材での 0.1 mol%HCl および 0.1 mol%H2SO4 溶液
中での腐食速度