LPSO 型マグネシウム合金の特徴と今後の展望
河村能人

トマイズ法で作製した急速凝固粉末を押出し固化成形するこ.

は じめにとによって， 610 MPa の引張降伏強さと 5 の伸びを示すMg97Zn1Y2(at)合金が開発された(1)．その後，この合金がアルミニウム合金の GP ゾーン析出強化機構やニッケル基構造変調と濃度変調が同期した新規な LPSO 構造を持つこ超耐熱合金の g g ′整合析出強化機構が見出されたことによとが明らかにされ(11)，この構造は「シンクロ型 LPSO 構造」って，科学技術や産業が大きく進展してきたことは歴史が証と呼ばれるようになった(12)．また，シンクロ型 LPSO 構造明している． 21 世紀に入り，新しい高強度マグネシウム合には多形が存在することが明らかにされた(12)．

金が日本で開発され，軽量構造材料分野にイノベーションを比較実験として鋳造材の押出し加工や鋳造材の切削チップもたらすものとして基礎と応用の両面で注目されていの押出し固化成形が試みられた結果，鋳造材でも LPSO 相る(1)(10)．開発された合金は，長周期積層構造(LPSO 構造)が形成されることや，鋳造押出し材や切削チップ押出し固化という新奇な原子配列構造を持つ相(LPSO 相)を強化相にし成形材でも優れた機械的特性が得られることが明らかにされていることから，LPSO 型マグネシウム合金と呼ばれている．

た(2)(3) ．また，鋳造押出し材の組織観察によって LPSO 相 軽量・高LPSO 型マグネシウム合金が注目される理由は，◯がキンク変形していることが見出され，「キンク帯強化」の強度・高耐熱性・難燃性が同時に達成されているということ，最初の知見が得られた(4)．

 優れた材料特性が大型化しても再現できることが実証され◯さらに， Mg M RE( M 金属元素， RE 希土類元素)系たことによって社会実装化の可能性が高くなったということ，合金の鋳造押出し材を対象にした合金探査が系統的に実施さ

 LPSO 相が濃度変調と積層構造変調が同期した新奇な「シ◯れ ， LPSO 相 を 形 成 す る 合 金 系 が 数 多 く 見 出 さ れ

 LPSO 相 がン ク ロ 型 LPSO 構 造 」 を 持 つ と い う こ と ， ◯た(3)(5)(13) ．特に，鋳造したままで押出加工する方法と鋳造「キンク帯強化」という新しい概念の材料強化機構で強化さ材を 773 K で均質化処理した後で押出し加工する方法の両れているということである．現在，LPSO 型マグネシウム合方で合金探査が行われた結果，LPSO 相が凝固時に晶出する金の社会実装化を目指して，大型素材製造技術と応用製品の合金系の他に，熱処理によって LPSO 相が固体状態から析開発が進められており，さらに，LPSO 構造の学理構築を目出する合金系が見出されるとともに(4)(14) ，熱処理によって指したオールジャパンの基礎研究が実施されている(9)(10) ．

LPSO 構造の積層周期が変化することが明らかにされた(4)．

本稿では，LPSO 型マグネシウム合金の開発経緯と特徴ならその後，510 MPa の降伏強さと 8の伸びを示す MgNi

びに今後の展望について述べる．

Y 系鋳造押出し合金(7) ，優れた機械特性を保持しながら市販合金(AZ31)並みまで耐食性を高めた MgZnYAlLa 系

. LPSO 型マグネシウム合金の開発経緯

鋳造押出し合金(15) ，超々ジュラルミンを凌駕する機械的特性と耐食性を有する MgZnY Al 系急速凝固粉末冶金合金

文部科学省の科学研究費補助金・特定領域研究「高性能マなどが開発された(5) ． 2012 年には， LPSO 型マグネシウムグネシウムの新展開」が1999年から 4 年間実施され(6)，「高合金が高い発火温度を有し，米連邦航空局( FAA )が策定中強度非平衡マグネシウム合金の創製」というテーマで，高強のマグネシウム燃焼試験(16)に合格したことが報告された(9)．

度と高延性を併せ持つ急速凝固粉末冶金合金の開発が試みられた．基本的な 2 元系合金から急速凝固プロセスに適した合金成分の探査が行われた結果， 2001 年には，高圧ガスア

熊本大学教授先進マグネシウム国際研究センター(〒8608555 熊本市中央区黒髪 2 丁目391）
Material Characteristics and Future Perspective on LPSOtype Magnesium Alloys; Yoshihito Kawamura (Magnesium Research Center(MRC), Kumamoto University, Kumamoto）
Keywords: long period stacking ordered structure, magnesium alloy, high strength, heat resistance, flame resistance, kinking, king bandstrengthening
2014年12月 9 日受理[doi:10.2320/materia.54.44]

ミ ニ 特 集7 周期( 14H )， 8 周期( 24R )毎に最密面に存在するというこ

. LPSO 型マグネシウム合金の特徴


LPSO 型マグネシウム合金の合金系

LPSO 相は MgMRE(M: Co, Ni, Cu, Zn, RE: Y, Gd, Tb,Dy, Ho, Er, Tm)系合金で形成されることが実験的に明らかになっている(6)(10) ． LPSO 型マグネシウム合金は， LPSO
相の生成の仕方によって，タイプとタイプに分類されとである(12)．これらの濃度変調と積層構造変調が同期したシンクロ型 LPSO 構造は， LPSO 型マグネシウム合金で初めて見出されたものである(12)．最近では，この溶質元素が濃化した 4 原子層が L12 型構造のクラスターで構成されていることが明らかにされている(17)．


LPSO 型マグネシウム合金の機械的特性と強化機構

る(7) ．タイプ合金は，凝固時に LPSO 相が晶出するもの

LPSO 型マグネシウム合金は，図の応力歪曲線に示すであり，MgZnRE 系合金では RE 元素が Y, Dy, Ho, Er,ように，鋳造した状態では平凡な機械的特性しか示さない

Tm の場合である．一方，タイプ合金は，LPSO 相が凝固が，塑性加工することによって延性を保持しながら機械的特時には晶出せずに高温での熱処理によって固体状態から析出性が著しく向上する(3)．この塑性加工による機械的強度の向するものであり， Mg Zn RE 系合金では RE 元素が Gd と上は， a Mg 相の動的再結晶による結晶粒微細化の他に，Tb の場合である．LPSO 相を形成する M 元素と RE 元素の組合せは，図のように，単体での結晶構造，原子半径，Mg への固溶限，混合エンタルピーに特徴があることが実験的に明らかになったが(6)(7)，LPSO 相の形成メカニズムは不明である．


LPSO 型マグネシウム合金の組織と構造

LPSO 型マグネシウム合金は，LPSO 相と aMg 相の二相合金であり，LPSO 相の割合は合金成分によって制御することが可能である(8)．約26 volの LPSO 相を含む Mg97Zn1Y2合金鋳造材の断面組織を図に示す(3) ．白い領域が LPSO相で黒い領域が a Mg 相であり， LPSO 相が a Mg 相のセル界面にラメラ状に晶出している．
Mg97Zn1Y2 合 金 中 で 観 察 さ れ た 18R 型 LPSO 構 造 のHAADF STEM 像(原子の重さでコントラストが付く走査透過電子顕微鏡像)を図に示す(11)(12) ．明るいコントラストで現れている 4 原子層が 6 周期ごとに存在しており，こ図2LPSO 型 Mg97Zn1Y2 合金鋳造材の断面 SEM 写真．

図3

シンクロ型 LPSO 構造( 18R )の HAADF STEM
写真．の 4 原子層に Mg 原子より重い Zn 原子と Y 原子が濃化するとともに，その中間に面状の格子欠陥である積層欠陥が存在している(12)．これまでに 10H, 14H, 18R, 24R という 4 種類のシンクロ型 LPSO 構造が見出されており，その特徴は溶質元素が濃化した 4 原子層が 5 周期(10H )， 6 周期(18R)，

図1Mg M RE 系合金における LPSO 相の形成添加
元素の特徴．

ま て り あ 第54巻 第 2 号(2015)
Materia JapanLPSO 相のキンク帯強化が寄与している(4)．

573 K までは熱的に安定である．LPSO 型マグネシウム合金

LPSO 型マグネシウム合金の機械的特性は合金成分と加工が耐熱合金と言われる所以がここにある(7)．急速凝固粉末冶

方法・加工条件に依存するが，製造方法にも依存する(3)．図

金法によって LPSO 型マグネシウム合金の機械的特性は大に示すように，鋳造材を塑性加工する方法よりも切削チッ幅に向上する(1)(3) ．急速凝固粉末冶金法で作製した LPSO

プを固化成形する方で高い強度が得られ，最も優れた特性は型 Mg96.7Zn0.85Y2Al0.45 合金の材料特性を高強度アルミニウ急速凝固粉末を固化成形する方法(急速凝固粉末冶金法)によ

ム合金の代表格である超々ジュラルミン(7075T6)と比較しって得られる(3) ．これらの LPSO 型マグネシウム合金の比て表に示す(5) ． LPSO 型急速凝固粉末冶金 Mg96.7Zn0.85Y2

降伏強さ(単位重量当たりの降伏強さ)は，既存の高強度マグ

Al0.45 合金の降伏強さと伸びはそれぞれ 533 MPa と10.6でネシウム合金はもとより，高強度アルミニウム合金よりも高ある．また，その疲労強度は 325 MPa(107サイクル)にのぼい．最近では，鋳造材を押出し加工した LPSO 型 Mg93.5Ni3り，超々ジュラルミンの 275 MPa よりも高い値を示す．さY3.5 合金が 510 MPa 以上の降伏強さと 8 以上の伸びを示

らに，等方性が高い材料特性を示すとともに高速超塑性といすことが報告されている(7) ． LPSO 型マグネシウム合金のう優れた成形加工性が発現することも急速凝固粉末冶金合金

473 K における比降伏強さは，図に示すように，既存の耐ならではの特徴である(1)(5)．

熱マグネシウム合金や耐熱アルミニウム合金よりも高く(3)，LPSO 型マグネシウム合金の強化相である LPSO 相の力 双晶変形が生じずにキンク変形するというこ学的特徴は，◯
 キンク変形によって一旦キンク帯が形成されるとと(18)，◯と唯一の変形モードである底面すべりが抑制されるために機械的強さの劇的な向上がもたらされるということである(図)(7)．キンク変形とは異方性の強い層状物質に見られる挫屈形態であり， Cd 単結晶や Zn 単結晶等の hcp 金属の圧

図4

鋳造ままと熱間押出し加工した LPSO 型Mg97Zn1Y2 合金の応力歪曲線．

図6

LPSO 型 Mg97Zn1Y2 合金の 473 K における比降伏強さ．

表1LPSO 型急速凝固粉末冶金マグネシウム合金と超々ジュラルミンの性能比較．
LPSO 型急速凝固粉末冶金 超々ジュラルミン
Mg96.7Zn0.85Y2Al0.45 合金
7075T6

図5



LPSO 型 Mg97Zn1Y2 合金の室温における比降伏強さ．

比重1.85 g/cm3

2.75 g/cm3

降伏強さ(0.2耐力)

533 MPa505 MPa

伸び10.6

11

疲労強度(107回)

325 MPa

275 MPa

0.16 mm/year

275 mm/year

腐食速度

ミ ニ 特 集図8

図7

LPSO 型急速凝固粉末冶金マグネシウム合金の耐食性(塩水噴霧試験)．

LPSO 相の降伏強さの加工率依存性とキンク帯．

縮変形時に発生することは，1940年代に Orowan(19)や Hessand Barrett(20)によって見出されたが，キンク変形によって強化されるという工学的に極めて有用な現象が見つかったのは LPSO 型マグネシウム合金が初めてである．金属材料の強化法として，固溶強化，析出強化，結晶粒微細化強化，加工強化，複合強化が一般的に知られているが，「キンク帯強化」は第六番目の新しい材料強化法であると言える．


LPSO 型マグネシウム合金の耐食性と難燃性

LPSO 型マグネシウム合金は，aMg 相と LPSO 相との間でガルバニック腐食が生じ易いので，その耐食性はあまり良くない．しかし，Al と La を複合微量添加すると生成被膜の図9膜質が改善されて耐食性が向上することが明らかにされ，優LPSO 型マグネシウム合金の発火温度．

れた機械的特性や耐熱性を保持しながら市販合金(AZ31)並み の 耐 食 性 を 持 つ Mg96.65Zn1Y2Al0.25La0.1 合 金 が 開 発 さ れた(15) ．また， LPSO 型マグネシウム合金の耐食性は凝固時

る た め に マ グ ネ シ ウ ム 燃 焼 試 験 法 を 策 定 し て い る(16) ．の冷却速度が高くなるに伴い著しく向上し，急速凝固粉末冶

LPSO 型マグネシウム合金は，このマグネシウム燃焼試験を金合金の耐食性は鋳造材に比べて 10倍以上に向上する(21)．

クリアしたことから，次世代の航空機用構造材料として注目

Zn 添加量の最適化， Al の微量添加， Fe 等の不純物濃度のされている(9)．

低減によって，図に示すように，超々ジュラルミンの約 2.

倍の耐食性を持つ LPSO 型急速凝固粉末冶金 Mg96.7Zn0.85Y2Al0.45 合金が開発された(5)．この結果はマグネシウム合金が腐食し易いという従来の概念を覆すものである．
LPSO 型マグネシウム合金は発火温度を高める効果がある

今 後 の 展 望

異分野融合研究によるシンクロ型 LPSO 構造の基礎研究

Y 等の RE 元素を 2 at以上含んでいるので，図に示すよシンクロ型 LPSO 構造の学理を構築することを目的に，うに，その発火温度は約1,050～1,210 K であり，Ca や CaO

文部科学省・科学研究費補助事業の新学術領域研究「シンクあるいは RE 元素を市販合金に微量添加した難燃性のマグネロ型 LPSO 構造の材料科学―次世代軽量化構造材料への新シウム合金よりも高い(9)．優れた機械的特性と耐熱性を持ち展開―」が2011年度から実施されている(9)(10)．本領域研究ながら難燃性を併せ持っていることに LPSO 型マグネシウ

では，我が国が主導してこの構造に関する新たな材料科学のム合金の革新性がある．これまで，マグネシウム合金は燃え学術領域を打ち立てることにより，我が国で開発された易いという理由で民間航空機への使用が禁止されてきたが，LPSO 型マグネシウム合金のみならず，次世代軽量構造材料米連邦航空局( FAA )は，マグネシウム使用禁止令を解除すへの革新的展開に繋げることを目指している．本領域研究で

ま て り あ 第54巻 第 2 号(2015)
Materia Japan金部材の開発」
プロジェクトが2003～2007年度に実施され(5)，LPSO 型急速凝固粉末冶金合金を大型化( q18 mm の丸棒材や W30 mm×t4 mm の板材)しても研究室レベルの小型試料で得られた材料特性を再現できることが実証されるとともに，従来の高圧ガスアトマイズ法に比べて安全性の点で優れている単ロール式液体急冷法を用いた製造技術が開発された(5)(22)． 2014年から，内閣府の戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)の「航空機実装化を目指した超急冷マグネシウム合金の製造基盤技術開発」プロジェクトによって，
LPSO 型急速凝固粉末冶金合金の連続一貫量産システムを構

図 10

シンクロ型 LPSO 構造に関する新学術領域研究の体制と研究内容．

築するための要素技術開発が開始されている．


応用製品開発LPSO 型マグネシウム合金の応用製品の開発は，軽量化の要求が高い輸送機器分野，工作機械分野，情報電子分野，医は ，図に示す ように ，シン クロ型 LPSO 構 造の構 造科

療福祉器具分野などで進められている．鋳造塑性加工合金に学，形成メカニズム，力学特性と新強化原理の確立を担当すついては，大型押出加工材や鍛造加工材の試作品を応用製品る 3 つの班を設け，9 グループの計画研究と17件の公募研究メーカーに提供して，自動車用エンジン部品，自動二輪部により研究を推進している．全国 23 研究機関から 58 名の研品，工作機械部品，医療部品等の開発が進められており，商 材料工学，物究者が参画している．本領域研究の特徴は，◯品化第一号として，締結用ネジが 2014 年から市販されてい理学，機械工学の知的・技術的資源を結集して，最先端の実る(9)．一方，急速凝固粉末冶金合金は，多くの分野で注目さ験手法と計算科学を用いた異分野融合研究を推進している点れているが， FAA の燃焼試験をクリアするとともに，超々 Jと，◯PARC や SPring8 等の大規模な全国共同利用施設

ジュラルミンを凌駕する機械的強度，疲労強度，耐食性を持を活用した精密構造解析の「その場実験」をコアにした連携

つことから，特に航空機分野への応用が期待されてい研究を推進している点である．

る(9)(10)．経済産業省の航空機プロジェクトとして LPSO 型

産学官連携による LPSO 型マグネシウム合金の実用化研究

急速凝固粉末冶金合金の航空機適用化技術開発が 2013 年度から実施されており，米国最大手の航空機メーカーであるボーイングとの共同研究も2014年から始まっている．

鋳造塑性加工材の製造技術開発

経済産業省の地域新生コンソーシアム事業「革新的高強度.

おわりにマグネシウム合金製造技術の開発」( 2004・ 2005年度)によって，LPSO型マグネシウム合金を大型化しても研究室レベLPSO 型マグネシウム合金の開発によって，アルミニウムルの小型試料で得られた材料特性を再現できることが実証さ合金に対して優位性があるマグネシウム合金が実現できたこれるとともに，大型素材製造における技術課題が抽出されとから，マグネシウムの新しい時代が到来するものと言えた(6) ．その後， 2006 年 12 月から 5 年間，大型の LPSO 型鋳る．特に，航空機分野でマグネシウム合金の使用が解禁され造塑性加工合金を製造するための製造基盤技術の確立を目指ることから，本格的なマグネシウム新時代が到来するものとして，科学技術振興機構(JST)の地域結集型研究開発プログ言える．新材料開発によるイノベーションは，新材料が社会ラム(CREATE )「次世代耐熱マグネシウム合金の基盤技術実装化されることによって初めて実現可能となる．一般的に開発」プロジェクトが実施された(7)(8)．このプロジェクトに新材料の社会実装化には 20 ～ 30 年かかると言われている．

は，13社，2 公設試，8 大学から総勢60名の研究者や技術者

LPSO 型マグネシウム合金の開発はちょうど折り返し地点をが参画していた．実用サイズ( q177 mm )で高品質の鋳造ビ通過したところであり，その社会実装化を実現するためにレットが作製できるようになり，その鋳造ビレットの押出し

は ，「 死 の 谷 」 を 乗 り 超 え な け れ ば な ら な い ． 今 後 は ，加工によってq22～55 mm の丸棒材，管材，厚板材が，またLPSO 型マグネシウム合金によるイノベーションを目指し押出し加工した厚板材の圧延によって幅50～150 mm の薄板て，産学官連携による実用化研究を推進する必要がある．ま材が作製できるまでに技術開発が進んだ．現在，LPSO 型鋳た，LPSO 型マグネシウム合金が日本発の新材料として世界

造塑性加工合金の鍛造，圧延，切削，接合，表面処理等の素的な評価を得るためには，実用化研究とともに学理構築を目材加工技術の開発と並行して，大型素材の量産実証試験が産指した基礎研究も日本主導で進める必要がある．

業界を中心に進められている．


急速凝固粉末冶金材の製造技術開発

略号

経済産業省の「次世代航空機用構造部材創製・加工技術開発」プロジェクトの一環として「次世代マグネシウム粉末合LPSO: long period stacking ordered structure，長周期積層

ミ ニ 特 集構造
HAADFSTEM: highangle annular dark field scanningtransmission electron microscopy，高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡法
hcp: hexagonal closed packed structure，最密六方構造
fcc: facecentered cubic structure，面心立方構造
FAA: federal aviation administration，米連邦航空局

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★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

河村能人

1985年 3 月 名古屋大学大学院工学研究科修士課程修了
1993年 3 月 東北大学大学院工学研究科博士課程終了
1993年 4 月―東北大学金属材料研究所助手・助教授
2000年 4 月―熊本大学助教授・教授
2011年12月―現職
専門分野非平衡物質工学，軽金属材料◎高強度マグネシウム合金の合金設計とプロセス設計に従事．LPSO 型マグネシウム合金の基礎研究と実用化研究を中心に活動中．

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