高耐衝撃性マグネシウム合金の製造技術の開発

廖金 孫
堀田真
閤 師 昭 彦1)
2)
3)
金子貫太郎
近 藤 勝 義
4)

上および低コスト化も実現できるものである．

.

は じめに
.

シャルピー吸収エネルギーと結晶粒径の相関性

CO2 排出量の削減などの地球環境問題や原油価格の高騰に起因する省エネ問題などへの有効な方策の一つとして軽量本開発 の製造 技術 を含 む幾つ かの 工法に より得 られ た化技術が挙げられる．なかでも，鉄鋼材料の約 1/4，アルミAZ31B 合金のシャルピー吸収エネルギーと結晶粒径の相関ニウム合金の約 2 / 3 の低比重を有する Mg 合金は，近年，性を図に示す．同図から分かるように，平均結晶粒径を 3軽量化素材として注目され，特に自動車用あるいは航空機用mm 以下に制御すると，シャルピー吸収エネルギーが同一組部品をはじめとする移動体用構造部材としての実用化ニーズ

成の従来展伸材の約 3 倍で著しく向上した．それは，平均が大きい(1)．しかしながら，Mg 合金を構造用部材として広結晶粒径が 3 mm 以下の場合，双晶の発生が抑制され， Mg

 高強度化，◯
 高靭性化または高耐衝範囲に使用するには，◯合金の均一変形能力が著しく向上すると共に，初期亀裂発生

 低温における塑性加工性の向上，◯
 製造コストの撃性化，◯の最大荷重が大きく上昇したためである(2)．

低減，などの技術開発が必要不可欠である．これまでに個々の課題に対して，例えば，塑性加工法を利用した結晶粒の微細化や急冷凝固プロセスによる組織制御，直接溶湯圧延法などが検討されてきたが，全ての課題を同時に解決できるような材料・プロセス技術の確立には未だ至っていない．特に，
Mg 合金の最密六方構造に起因する低靭性あるいは低耐衝撃性は，従来の材料・プロセス設計では解決し難い課題である．
上述の諸課題に対して，本研究開発は，まず Mg 合金の耐衝撃性と結晶粒径の相関性を検討し，結晶粒微細化によるMg 合金の耐衝撃性向上の可能性を明らかにした．その後，

.

高耐衝撃性 Mg 合金の製造プロセスと特徴

高耐衝撃性 Mg 合金の製造プロセス

高耐衝撃性マグネシウム合金の製造プロセスを図に示す．本プロセスは以下の 4 つの工程から構成する(3)．


原材料の準備出発原材料は，一般のマグネシウム合金鋳造材である．鋳造材を切断し，厚さ 4.5 mm 程度の圧延用板材を製作する．


大圧下率圧延および粉砕室温における圧下率が

図1

シャルピー吸収エネルギーと結晶粒径の相関性．

Mg 合金素材の強塑性加工による結晶粒微細化に着目し，粉体技術と強塑性加工法を基調とした組織制御プロセスを開発し，従来にない高耐衝撃性かつ高強度のマグネシウム合金の製造技術を確立した．さらに，本開発の技術は，Mg 合金の耐衝撃性改善と高強度化のほか，低温における塑性加工性向
株式会社栗本鐵工所
技術開発本部 1)材料技術開発部課長
機械システム事業本部 2) Mg グループ主任
3) Mg グループ長 4) Mg プロジェクトマネージャー
大阪大学接合科学研究所教授
Development of Manufacturing Process of Wrought Magnesium Alloy with High Impact Toughness; Junsun Liao, Makoto
Hotta, Akihiko Koshi, Kantaro Kaneko, Katsuyoshi
Kondoh(Kurimoto Ltd. Osaka University)
2009年10月27日受理

ま て り あ 第49巻 第 1 号(2010)Materia Japan80 以上の大圧下率圧延工法の開発は本研究開発の主な内本製造プロセスは繊維状組織が形成されやすく，Mg 合金が容の一つである．原材料に多くの歪を導入するため，室温に衝撃を受けた時に，破壊亀裂の進展経路が繊維状模様の組織て圧下率が 80 以上の大圧下率圧延を開発されたローラーに沿って変更され，複雑化されるため，亀裂伝播のエネルギコンパクター装置(4)(5)により行う．大圧下率圧延後のマグネーが高くなり，衝撃吸収エネルギーがさらに上昇する(3)．そシウム合金素材は回転式粉砕機にて直ちに粉砕され，整粒さのため，シャルピー吸収エネルギーが同一組成の市販材の 3れたミリ単位の粗大粉体が得られる．

倍まで著しく向上した．



圧粉固化本研究開発のもう一つ主な内容は長尺粉末ビレットの作製方法の開発である．上述の工程で得られた粉体原料を開発されたビレットの作製方法により図 2( c )に示すような粉体ビレットを製作する．
.

成果および実用化状況



高耐衝撃性 Mg 合金の機械的特性と経済性

高耐衝撃性 Mg 合金素材または部品の作製押出加

本製造技術で得られた AZ31B 合金と従来 AZ31B 押出材工或いは鍛造加工にて高耐衝撃性 Mg 合金素材または部品のミクロ組織および機械的特性の比較をそれぞれ図と図を作製する．押出加工は，圧粉固化された粉体ビレットを用に示す．従来の AZ31B 押出材の平均結晶粒径が約 11 mm にいて温間押出加工を行う．

対して，高耐衝撃性 AZ31B 合金の平均結晶粒径は 1.9 mm



本技術の特徴本技術は従来の類似技術と比較して，顕著な相違点として次の 2 点が挙げられる．
◯

室温における圧下率80以上の大圧下率圧延で非常に微細である．そのため，高耐衝撃性 AZ31B 合金は耐力が従来展伸材より 30 向上，シャルピー吸収エネルギーが 30 J で従来押出材の 3 倍までに上昇した．さらに，低温塑性加工性も良好(例えば， 300 °C 以下での 3 次元複雑形状鍛造加工，100～150°Cでの曲げ加工が可能)である．

本研究開発では室温における圧下率が 80 以上の大圧下なお，本開発の製造プロセスは簡潔であるため経済性にも率圧延工法を開発した．この従来にない圧延工法により，圧優れている．本技術で製造された Mg 合金のコストは従来延加工後の Mg 原材料に大量の歪が導入され，後続の押出展伸材とほぼ同程度である．

加工または鍛造時に静的および動的再結晶が生じ，製造された Mg 合金に均一な微細結晶粒が形成される．
また，本開発の製造プロセスでは，Mg 原材料に対する大

生産実績または販売実績・予定

 人が携帯または装備するパソ
平成 21 ( 2009 )年度から，◯圧下率圧延は 1 パスであるため，加工コストが大幅に低減し，Mg 原材料中の酸素を含むコンタミネーションも抑制された．Mg 合金中のコンタミネーション，特に酸素混入の抑制は Mg 合金の耐衝撃性および溶接性の向上に重要であることが本研究開発により判明した．
大圧下率圧延加工後に圧延材に耳割れが発生するが，圧延後の Mg 原材料は後続の粉砕加工によりミリオーダーの粗粉末に粉砕されるため問題にはならない．
◯

粉体技術と強塑性加工の組み合わせ

本研究開発では，Mg 合金の耐衝撃性を著しく向上させる
ためには平均結晶粒径を 3 mm 以下に制御する必要があるとの知見を見出し，耐衝撃性の更なる向上には繊維状模様の組織の形成が重要であることが判明した．粉体技術を活用した

図2




高耐衝撃性マグネシウム合金の製造プロセス．

図3

従来の AZ31B 合金押出材と高耐衝撃性 AZ31B
合金のミクロ組織の比較．

図4

従来の AZ31B 合金押出材と高耐衝撃性 AZ31B
合金の機械的特性の比較．

新技術・新製品

図6
表1

図5

自動二輪車用部品．

本開発 Mg 合金関連製品の売上実績および計画．

片側支柱式長下肢装具．

 自動二輪車・自動車等コン等の電子機器部品・福祉装具，◯ エコ設計を目的とする産業機械部品等の市の移動体部品，◯場に対して本格的に用途開発を開始し，マグネシウム合金のサンプル出荷することによってその優れた性能を顧客に宣伝.

まとめしている．例えば，福祉装具では NEDO 「福祉用具実用化助成事業」で開発した片側支柱式長下肢装具(図)にマグネ

本研究開発は粉体技術と塑性加工法を基調とした組織制御

シウム合金製押出材を適用して既に大手福祉装具メーカーと技術を開発し，マグネシウム合金の耐衝撃性を著しく向上さ商品化を進めると共に，自動二輪車部品用マグネシウム合金せると同時に，マグネシウム合金の強度と成形加工性も改善鍛造品(図)を試作し，さらに産業機械メーカーには機械加した．この従来にない斬新なプロセスにより，従来マグネシ工したマグネシウム合金押出材部品を納入するなど，既にウム合金の実用化における技術的・経済的課題が克服され，100万円を受注している．本格的な事業化は H25(2013)年度

Mg 合金の構造部材への適用が現実的になった．

から予定しており，生産実績および計画は表のとおりであ文る．


特許出願

本研究開発に関しては以下の 3 件の特許が権利化済みおよび 4 件の特許が出願中である．権利化済みの特許は以下のとおりである．
特許3884741

合金粉体原料およびその製造方法

特許3860825

合金粉の結晶粒微細化装置

特許4185549

押出用ビレットの製造方法およびマグネシウム合金素材の製造方法

ま て り あ 第49巻 第 1 号(2010)Materia Japan献( 1 ) 時末光機械技術，45(1997), 1822.
( 2 ) J. Liao, M. Hotta, K. Kaneko and K. Kondoh: Scripta Materialia, 61(2009), 208211.
( 3 ) 堀田 真，廖 金孫，亀谷博仁，金子貫太郎，近藤勝義アルトピア(2009), 916.
( 4 ) 金子貫太郎，塩崎修司，護法良憲，秋田 亨，近藤勝義，荻沼秀樹塑性と加工，47(2006), 4952.
( 5 ) K. Kondoh: HighStrengthened Magnesium Alloys by Employing Coarse Powder with Refined Grains, 1st Asian Symposium on Magnesium Alloys, Jejudo, Korea (2005).

