ロールキャスティングによる革新的高強度 Mg 合金
クラッド材の創製とその熱間鍛造性
東京電機大学 理工学部・理工学科 機械システム工学系
教授 渡利 久規
（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018022-B2）
キーワード：急冷凝固，軽量化，Mg 合金クラッド材

１．研究の目的と背景
地球規模での環境負荷低減を達成するためには，自動車等の部品の軽量化によって，省エネを達成しエネルギーを

２．実験方法
2・1

実験に使用したロールキャスター

図１に，実験に用いたロールキャスターの概略図を示す．

有効に活用する技術の開発が重要な鍵を握っている．自動ロールの外径は 285mm,ロール幅は 150mm である．ロー

車産業界では，オランダやノルウェーをはじめ，EU では

ルと溶湯の接触長さは 50mm，ロールは鋼製でありロール2030 年までにガソリン車およびディーゼル車の販売を禁

表面が純銅で覆われている．ロール間隙は単純な一次元凝止する等 EV 化の流れがこれまで以上に加速している．す固理論式から算出した条件に設定している．この一次元凝なわち，自動車等の部品の軽量化には従来よりもさらに革固理論式１）と図 1 に示すロールキャスターの下ロールだ新的な軽量化が必要な時代に入ってきたといえる．

けを用いたメルトドラッグ実験の結果を考慮してロール従来，マグネシウム（Mg）合金は最軽量な金属であると周速度ごとに決定し，連続鋳造が可能なロール間隙に設定みなされてきたが，実際の Mg 合金製品は，ほとんどダイしている．図２にクラッド実験に用いたロールキャスターカストによる家電製品部品等がほとんどで，産業界ではその概略図を示す．

れほど実用化されていない．これまで Mg 合金がほとんど実用化されていない主な理由は，次の３項目であると考えられる．
１）展伸用 Mg 合金が高価であり，現在のところ国内外で安価な展伸用 Mg 合金の供給体制が確立されていない．
２）結晶構造の特性から冷間加工性が低く，冷間で加工できる展伸材が市販されていない．
３）Mg 合金の強度や耐食性が低く， 塑性加工に適した Mg
合金素材がない．潤滑材も含めた鍛造用 Mg 合金素材のプレス加工性や実証的な研究例もそれほど多くない．

図1

横型双ロールキャスター概略図

かような状況では，Mg 合金が軽量材料として自動車産業界で実用化されるためには，上記に挙げられた 3 つの障害を克服する必要性がある．
本研究では溶湯から，急冷凝固法の一つであるロールキャスティングによって熱間鍛造用の素材を溶湯から直接的に製造し１），これを用いて Mg 合金クラッド材料を創製する．さらに，ロールキャスティングによって溶湯からMg 合金/Al クラッドを製造し，この素材が熱間鍛造用に使用できるかどうかを検討する試験を行う．Mg 合金は耐食性が低いため単体で実用化する際には塗装工程が必要となり，塗装による別なコストがかかる．この弱点を克服するための一つの方法が，Mg 合金/Al クラッド２）であると考えている．
本研究では高濃度 Al 含有マグネシウム合金の創製と，図2

クラッド製造用双ロールキャスター概略図

得られた素材の性質を明らかにすることを目指す．さらに(1. 坩堝, 2. Mg 合金溶湯, 3. Al 合金溶湯, 4. 上ロール

この Mg 合金に Al 合金を被覆したクラッドを製造するためノズル, 5. 下ロールノズル, 6. 上ロール凝固長さ, 7.のプロセスと成形性試験の結果について報告している．

溶湯接触長さ, 8.下ロール凝固長さ, 9. 上ロール, 10. 下ロール, 11. クラッド)

2・2

３．実験結果

実験材料および実験条件

表１に実験に用いた高濃度 Al 含有 Mg 合金の種類と実験条件を示す．実験に使用した高濃度 Al 含有 Mg 合金は AM

3・1

鍛造用素材の板厚および表面性状

図 4 は熱間鍛造用素材を製造するために，表１において系の Mg 合金の Al 含有量のみ 10％～13％まで変更し，AZロール周速度を 2.5m/s～3.2m/s の間で変化させて厚板を系の Mg 合金においては，Al 含有量を 11％～13％まで変更製造しようと試みた場合の板厚計測の一例である．図１にしている．また，図 2 に示すロールキャスターを用いて一示した横型ロールキャスターを用いて，板厚 10 ㎜程度の工程でクラッドを製造する場合には，AM100 と A1050 を用厚板が製造できていることを示している．表１示した低速

いてクラッド製造実験を行っている．

度の条件では厚さ 10mm 程度の板材が連続鋳造されている．鋳造材は，図 5 に示すように Al 含有量が高いため比表１実験に用いた高濃度 Al 含有マグネシウム合金
Pouring Roll speed
Materials
Liquidus
temperat[m/s]
temperature
ure
[℃]
[℃]

較的金属光沢があり，表 1 に示した条件では得られた板材

Experimの両面ともにはクラック等の欠陥も肉眼では見られない．

ents

横型ロールキャスターを用いて 10 ㎜程度の厚板を製造す

Mg

Mg-11％

castingAl-0.2％595600ることができた．

3.2,(6,9,12)

Mn
Mg-12％

Al-0.2％591

596

3.1,(6,9,12)

Mn
Mg-13％

Al-0.2％587

592

2.9,(6,9,12)

Mn
Mg-11％

Al-1.0％

587

592

2.5

図4

（ロール周速度 V=2.5m/s）

Zn
Mg-12％

Al-1.0％

鋳造まま材の板厚計測の一例

581

586

2.5574579

2.5Zn
Mg-13％

Al-1.0％

図５鋳造された Mg-13 mass%Al-0.2 mass%Mn（ロール周速度 V=2.5m/s）

Zn
Clad

Mg-10％

castingAl-0.2％

595

600

8

ロールキャスト材の組織観察

図 6(a)，図 6(b)および図 6(c)は，表１において連続鋳Mn
A1050

3・26576608

造された Mg-13％Al-0.2％Mn の上ロールとの接触部，板材中央部および 上ロールとの接触部，の各位置における組織を示している．図 5 に示した鋳造材は肉眼では欠陥は2・3

板厚の計測および温間圧縮試験

図 3 に実験で得られた板材の板厚計測箇所を示す．また，得られた鋳造材の温間圧縮試験を行うため，実験で得られ確認できないが，200 倍程度の光学顕微鏡による観察では，上ロールおよび下ロールとの接触部分に小さな空孔が確認できる．図７に組織の拡大図を示している．

た鋳造まま材から，直径 4.5mm，高さ７mm の円筒試験を切り出して圧縮試験を行うことで，温間成形性を評価した．

CD
図3

板厚の計測箇所

図 6(a)

上ロールとの接触部（V＝2.9ｍ/s）

CD
図 6(b)

板材中央部（V＝2.9ｍ/s）

図 8(a)

真応力-真ひずみ線図（Mg-11%Al-0.2%Mn）

図 8(b)

真応力-真ひずみ線図（Mg-12%Al-0.2%Mn）

図 8(c)

真応力-真ひずみ線図（Mg-13%Al-0.2%Mn）

CD
図 6(c)

下ロールとの接触部（V＝2.9ｍ/s）

α+(β-Mg17Al12 )α-MgGrain boundary

図7

結晶組織（拡大図）

金属間化合物β-Mg17Al12 はα-Mg の粒内および結晶粒界上に存在し，この形態はロール周速度や製造する板厚の厚さによって異なる．ロール周速度が遅い条件ではβ層は結晶粒界に析出し，ロール周速度が速い条件では，β層はα層内に小さく点在する形で見られる．表 1 において本研究で使用した高 Al 合金Ｍｇ合金のβ層は溶体化，時効処理等によって制御することが可能であり，このβ層の制御が祖塑性加工に適した Mg 合金の創製のひとつのポイントになることが示唆されている．
連続鋳造まま材の応力‐ひずみ線図と硬さ試験

応力がピークとなった以降，その後は動的再結晶が進行

双ロール実験で得られた Mg-11％Al-0.2％Mn，Mg-12％しているものと考えられる．また，Al の含有量の違いでAl-0.2％Mn および Mg-13％Al-0.2％Mn の連続鋳造まま材

は，Al 含有量が大きくなるにつれて，ピークの応力値もの 300℃，350℃，400℃における応力ひずみ線図を図 8(a)，増大する傾向が得られている．また，ビッカース硬さの測図 8b)および図 8(c)をそれぞれ示す．真応力は，ひずみの定結果も図 9 に示すように，Aｌ含有量の増加に従って硬増加につれて上昇し，ひずみが 0.2％以下のところでピーさも増加していることが確認できる．これらの結果は Alクとなりその後緩やかに減少しているのが確認できる．の含有量の増加とともに相対的に金属間化合物の体積が3・3増加することが原因であると考えられる．

図9

鋳造された Mg-x %Al-0.2 Mn 鋳造まま材の硬さ

3・4Mg 合金/Al クラッド材の製造実験結果

図 10(d)

鋳造したクラッド（圧下率 15%）

図 10(e)

鋳造したクラッド（圧下率 20%）

図 10(a)，図 10(b)，図 10(c)，図 10(d)および図 10(e)は，表１のクラッド製造の実験条件において，ロール間隙を異なる 5 種類のロールギャップ（見かけの圧下率 0%，5%，10%，15%，20%）を設定して，各実験条件下で製造された AM100/A1050 クラッド材を示している．
図 10(a)～図 10(e)よりクラッドは表１に示す実験条件
では，見かけの圧下率を 0%～20%まで変化させた場合，
図 10(d)および図 10(e)に示すように，見かけの圧下率がAM10015%，20%の場合に接合が可能であった．それ以下の圧下率では剥離や割れが発生し，クラッドが得られていないことが判明した．

A1050
3・5

クラッド接合部の組織観察および硬さ試験

図 11(a)，図 11(b)および図 11(c)は，表１のクラッド製
図 10(a)

鋳造したクラッド（圧下率 0%）造の実験条件において，見かけの圧下率が 10%，15%，20%の場合の接合部の組織を示している．

a AM100

AM100ab

A1050cd

図 10(b)

鋳造したクラッド（圧下率 5%）

図 11(a)

A1050
A1050
クラッド接合部（圧下率 10%）

AM100

AM100
A1050

A1050
図 10(c)

鋳造したクラッド（圧下率 10%）

図 11(b)

クラッド接合部（圧下率 15%）

3・7AM100

熱間鍛造試験の結果

図 14 に示すヒートシンク形状の製品を，得られた高 A
ｌ含有Ｍｇ合金鋳造まま材から得られたブランク（47 ㎜×47 ㎜×8 ㎜）を切り出して，サーボプレスを使用して熱間鍛造試験を行った．このとき，サーボプレスは 3t のA1050
図 11(c)

背圧をかけるように設定し，成形温度のみを変えて成形試験を行った．

クラッド接合部（圧下率 20%）

図 14
図 12

鍛造成形品の寸法

クラッド接合部各位置における硬さ

接合部の各位置における硬さ試験の結果を図 12 に示す．
図 11(a)～図 11(c)の組織観察および，図 12 の硬さ試験の結果より Al 側のｃの位置には多量の金属間化合物の分布があるものと推測される．図 12 の b および c 部を含む，混合層の厚さは，60μm から 120μm 程度であり，見かけの圧下率が 20％の場合 68μm であった．
3・6

クラッドのせん断試験の結果

図 15(a)（左側）

鍛造成形品（AZ111，Tf:380℃）

図 15(b)（右側）

鍛造成形品（AZ111，Tf:410℃）

図 13 にクラッド製造試験で得られた Mg 合金/ Al クラッドのから切り出したせん断試験片の寸法を示している．

図 15(a)は Mg-11％Al-1.0％Zn を使用して，鍛造温度

図 13 のせん断試験片を行った結果，クラッドの最大せん390℃で成形した場合，図 15(b)は 420℃で成形した場合で断応力は，44MPa が得られており見かけの圧下力が 15%ある．図 15(a)ではピン部の成形が不十分であったが，成以上を負荷して接合した試験片では，十分な接合強度を有形温度を上げることで熱間鍛造が可能であることを示ししていることが明らかになった．ている．実験した Al 含有量が 13％である Mg-11％Al-1.0％
Zn の場合でも成形温度を 425℃まで上げることで，図15(b)と同等な成形品が得られることを確認している．

４．結論
Al 含有量の高い AM 系および AZ 系の Mg 合金の双ロールキャスティングを行いクラッドの製造および熱間鍛造に有効であることを明らかにした．

謝辞本研究を遂行するにあたり，公益財団法人天田財団の一般研究開発助成を受けました．ここに記して厚く御礼申し
図 13

せん断試験片の寸法上げます．

参考文献1)H. Watari et.al.：J. of Achievements in Materials andManufacturing Engineering, Vol.16 (2006), 172.

2)G. Y. Feng, H. Watari, et.al. ： Key Engineering
MAterials, Vol.880 (2021), 17.