冷間成形性に優れた高強度マグネシウム合金とそのプレス成形技術の開発
大阪府立大学 大学院工学研究科 マテリアル工学分野
講師 高津正秀（平成 23 年度一般研究開発助成 AF-2011018）
キーワード： 集合組織制御，プレス成形性，マグネシウム合金

1.

供試材の化学組成を表 1 に示す．AM60 以外は特注し研究の目的と背景

CO2 削減のため軽量高比強度のマグネシウム合金のた鋳塊で，Mg-3Al-1Zn も Mn を含む市販の AZ31 とは異自動車への利用が進められているが 1)，シェル構造部材なる．これには結晶方位分布のランダム化現象に主な添においては，携帯用電子機器の筐体と違い，冷間でプレ加元素がどのように関与するかを突き止めるねらいもあス成形できないと高張力鋼板やアルミニウム合金板に対る．純 Mg は圧延が難しい上に，ランダム化のための抗できないと言われている．六方晶マグネシウム合金板

500℃の高温焼鈍により結晶粒が超粗大化し，集合組織測は，六方晶の底面が板面に平行に配向した集合組織を形定ができないので除外した．添加元素は 500℃で液相が成する傾向があり，それが低温成形性，特に冷間成形性出ない量にとどめた．Zr は結晶粒微細化効果に期待し，2), 3)．せん断変形などで底面を傾ける集

0.6Ca は難燃性に期待して試してみた．0.1Ca 添加合金は合組織制御が種々試みられているが 4), 5)，焼鈍後も底面強度は低いが強い底面配向が生じず，AZ31 ランダム方を著しく害する位材に匹敵する張出し性を有することが示されているがが傾斜した状態を保つのは難しい．
申請者は，AZ31 マグネシウム合金板の最終圧延パス14)，深絞り性は示されていないので検証した．

（250℃・15％）の前後に 500℃で 1h（前）と 20 min（後）2・2の焼鈍を行うことで，特定方位への配向のないランダム集合組織は，銅 X 線管球（40 kV，100 mA）を用いた方位板を得た 6)-9)．その冷間成形性は，90°V 曲げでの最Schulz の反射法で測定し，{0001}極点図として示した。

小曲げ半径が通常の約 1/2，エリクセン値が約 2 倍，通規格化した走査傾斜角の範囲は，圧延面の法線周りに 0常不可能な深絞りでも限界絞り比 1.67 を得たが，ひずみ～75°で，その回折強度はマグネシウム粉末を 1 として速度依存性が大きく，実用速度での成形は難しい 10)．し規格化した。ミクロ組織は，バフ研磨後酢酸ピクラルでかし、しわ押さえ板のみの 100～150℃程度の加熱で、実腐食した試料を光学顕微鏡で観察した．平均結晶粒径は用速度での絞り比 1.8 の深絞りが可能になる 11), 12)．また，切断法により求めた。

同等のランダム方位と曲げ性は，自動車用構造部材とし2・3 プレス成形性評価方法
引張試験による強度・延性の評価とともに，90°V 曲げ試験，円筒深絞り試験でプレス成形性を評価した．
90°V 曲げ試験は試験片の幅 15 mm，V 溝間隔 14 mm，てより有利な時効硬化性合金 AM60 圧延板でも得られた 13)．
本研究では，AM60 ランダム方位板のプレス成形性を検討するとともに，他の合金系に対しても集合組織制御の可能性を検討し，成形性を評価する．

集合組織，ミクロ組織

試験速度 10 mm min-1（一定）で行い，割れずに曲がる最小 R/t（R：パンチ先端半径，t：板厚）で曲げ性を評価した．この試験値は，JIS 化のための複数公的研究機関

2.

での検証実験において，エリクセン値と非常に良い相関

実験方法

2・1を示すことが立証されている．

供試材

表1 供試材の化学組成 (mass%)
合金種
Mg-6Al-0.3Mn (AM60)

AlZn

Mn

SiFe

Cu

Ni

6.00

0.12

0.23

0.01

0.00050.002

0.0007

その他-Bal.

Mg-3Al3.18<0.010.02

0.020.004

0.001

0.0002-Bal.

Mg-3Al-1Zn

3.25

1.040.02

0.02

0.004

0.001

0.0002-Bal.

Mg-3Zn

0.02

2.95

0.02

0.02

0.003

0.001

0.0002-Bal.

Mg-3Zn-0.6Zr (ZK30)

<0.01

2.72

0.02

0.01

0.001

0.001

0.00050.65ZrBal.

Mg-2.5Zn-0.1Ca

0.01

2.51

0.02

0.02

0.002

0.002

0.0002

0.12CaBal.

Mg-2.5Zn-0.6Ca

0.01

2.41

0.02

0.02

0.001

0.001

0.0002

0.64CaBal.

－ 46 －Mg

深絞り試験は，厚さ 0.8 mm の板に対しては直径 DP = 15示す．同一絞り比 1.67 で割れずに絞れたのは，ランダムmm，肩半径 2 mm のパンチと穴径 17 mm，肩半径 4 mm

方位材 A と微細粒底面配向材 C の 150℃以上･5 mm min-1のダイスを用い，厚さ 0.5 mm の板に対しては直径 DP =と 200℃･50 mm min-1 以下のみであった．図 4 は，C の18.6 mm，肩半径 2 mm のパンチと穴径 20 mm，肩半径 3150℃･50 mm min-1 および底面配向でやや粒径の大きいmm のダイスを用いた．AZ31 での過去の実験において，

B の 200℃･50 mm min-1 での成形品の外観を示す．いず

前者ではパンチ肩部での引張曲げによる割れ発生で，後れも，絞りきれたもののパンチ肩上で割れが生じた．

者ではカップ口辺部の割れ発生でそれぞれ成形限界が決

種々の温度･速度での引張試験における引張強さを図まる．しわ押えはいずれも隙間+バネ方式とし，潤滑剤5 に示す．粒径 14 m のランダム方位材 A のひずみ速度には二硫化モリブデンを用いた．加熱試験も行いどこま0.1 s-1（実線）での引張強さに対し，粒径 9 m の底面配で温度を低減できるか調べた．その際，装置ごと炉中で向材 B は室温から 200℃の各温度で約 15 MPa 高くなるが，加熱し，温度は素板中心に当てた熱電対で測定した．

室温で約 45 MPa も高い粒径 4 m の微細粒底面配向材 Cは 200℃では逆に約 55MPa も低くなる．

3.

AM60 ランダム方位材の室温での加工硬化指数は 0.3

実験結果および考察

3・1と非常に大きく，このことが深絞りでのフランジ部の硬AM60 合金の組織と成形性

厚さ 1.1 mm，幅 210 mm の権田金属製 AM60 双ロール化に伴うダイス肩上での過大な張力をもたらす．また，鋳造・圧延板を元板とし，ランダム方位材は，550℃･1hの前焼鈍後 240℃に予加熱して 0.8 mm に圧延し（圧下率27%）， 430℃･10 min 後焼鈍した(試料 A)．また，前焼○：割れなし

鈍なしに同条件で圧延し，(B) 430℃･10 min および(C)×：割れあり

300℃･30min で後焼鈍した試料も作製した． 各試料のミクロ組織と{0001}極点図およびその RD（圧延方向）断面図を図 1 に示す．
室温 90°V 曲げ試験における割れの有無を図 2 に ○×で示す．ランダム方位材 A の最小 R/t は 1.4 で，極点図

図2AM60 合金の曲げ性と極点図ピーク強度の関係

ピーク強度の大きい底面配向材 C の 4.6 に比べてはるかパンチ荷重，F /kNに小さく，AZ31 ランダム方位材の 1.2 と大差ない．
深絞り試験はパンチ肩での曲げが厳しい板厚 0.8，パンチ径 15 mm で行った．荷重-ストローク線図を図 3 に(A) ランダム方位材 d ＝14 m

RD
断面ランダム方位材 A

パンチストローク，S /mm-50 m

ピーク強度 4.4(B) 底面配向材 d ＝9 m

底面配向材 B，C-50 m

ピーク強度 7.550 m

ピーク強度 9.0

図3(C) 底面配向材 d ＝4 m

図1

深絞り試験における荷重-ストローク曲線

試料 B，200℃･5 mm min-1

図4

試料板面の光学顕微鏡組織と{0001}極点図－ 47 －試料 C，150℃･50 mm min-1

深絞り後のカップ外観（絞り比 1.67）

200℃の深絞りではフランジ部で相の動的析出が生じ，ニウムと亜鉛しかなく，いずれも 3%程度の添加で伸び高温での流動応力の低下は小さくなる．高温では結晶粒が最大となることが知られている．そこで，表 1 の AM60微細化が流動応力の低減に効果的で，200℃以上の深絞りを除く 6 種類の合金について結晶方位ランダム化の可否では結晶方位ランダム化より結晶粒微細化の方が有利にを検証した．Mg-3Al および Mg-3Al-1Zn は通常の AM 系，AZ 系に必ず含まれる Mn を除外したものである．鋳塊かなると考えられる．
AM60 に限らず，結晶方位ランダム化は曲げ性や張出ら切り出した厚さ 4mm の試料を 300℃･30 min の予加熱し性向上には効果的だが，深絞り性向上効果は限定的でで 1.2mm まで圧延した後，前焼鈍 500℃･1h，圧延 250℃･ある．これは六方晶マグネシウム合金特有の降伏応力の15～25%，後焼鈍 500℃･5 min の結晶方位ランダム化処

強い負荷方向依存性にも起因していると考えられる

15) ．

理を行った．後焼鈍の時間を短くしたのは Zr 添加合金を

図 6 に押出し棒の引張と圧縮での応力-ひずみ曲線の一除く各合金において粒成長が激しく集合組織測定におけ例を示す．マグネシウムの C 軸は圧縮方向（縮む方向）る統計処理が困難になるからである．Zn 添加量を減らしに配向し，押出しの場合は押出し軸に垂直に配向していた Ca 添加合金ではそれでも 500℃･5 min の後焼鈍でも粒る．これを押出し軸方向に引っ張るとさらにその配向が成長し過ぎるのでこの検証実験から除外した．
図 7 は各種合金のランダム化処理の過程での集合組織強められるのに対し，押出し軸方向に圧縮すると臨界分解せん断応力の低い{1012}引張双晶（C 軸伸長双晶）のの変化で，ここでは{0001}極点図の RD 断面のみで示し発生により降伏し，その後，c 軸配向方向が押出し方向ている．Al 主体の合金はいずれもランダム化しており，に変化する．その結晶回転の過程では，すべりやすい底Mn はランダム化に関与しないと言える．一方，Al を含面が傾くので低応力で変形が推移する．底面配向した板

まない Zn 主体の合金はいずれもランダム化していない．

（C 軸⊥板面）の深絞りの場合も，縮みフランジ変形でこのことから結晶方位ランダム化には Al が関与していはこれと同様の現象が生じて変形抵抗が減少するが，異るか，または Mg 本来の特性でありそれを Zn が阻害して方性の小さいランダム方位板ではその効果が小さい．そいるかのいずれかと考えられる．前述のように純 Mg でのため，板厚を薄くしてパンチ肩上での曲げによる割れの実験が出来なかったのでそれ以上のことは言えない．
Zn 主体の合金は Al 主体の合金以上に温間での圧延性を回避してもフランジ外縁での口辺割れが成形限界を律が良好であったが板材で市販されておらず，プレス成形することになる．
3・2 添加元素と結晶方位ランダム化の可否性のデータが見当たらない．そこで，Mg-3%Zn およびマグネシウムの延性を向上させる安価な元素はアルミ

Mg-3%Zn-0.6%Zr 合金板の引張，曲げおよび深絞り特性を検証した．試験片は，いずれも 250℃で厚さ 0.8 mm および 0.5 mm（深絞り用）まで圧延した板から切り出し300℃･30min 焼鈍した．その集合組織とミクロ組織を図8 に示す．Mg-3%Zn 合金は単相で粒成長しているが粒径は揃っている．一方，Mg-3％Zn-0.6%Zr 合金は ZnZr の第二相が混在する微細な組織でとなる．
これらの合金の 90°V 曲げ試験の結果を図 9 に示す．
室温では，Mg-3%Zn 合金の曲げ性は AZ31 底面配向材と同程度で，AZ31 や AM60 のランダム方位材には到底及ばない，微細なミクロ組織を有する Zr 添加合金は，室温

図5引張強さと試験温度・速度の関係

では脆くほとんど曲げられないが， 150 度以上の加熱で急激に曲げ性が向上する．
深絞り試験は，パンチ肩上での曲げを緩和した大径パンチ（板厚 0.5 mm，肩半径は同じ 2.0 mm）を用い，絞り比 1.65（固定）で行った．図 10 に示すように，Mg-3%Zn合金でも 150℃では準静的な低速でかろうじて成形できる程度で，深絞り性は AZ31 の底面配向材と比べてもやや劣る．成形不可条件での破断はすべて口辺部から生じた．ここでは確認していないが，250℃以上の高温ではZr 添加合金の深絞り性が急激に向上する可能性はある．
これらの合金の引張試験結果を図 11 に示す．Mg-3%Zn
合金は 200℃で大きな伸びを示すが，250℃になると局部

図6

収縮が小さくなり伸びが減少する．Mg-3%Zn-0.6%Zr 合
引張と圧縮での応力-ひずみ曲線の相違

金は，室温での強度は大きいが伸びはほとんどない．

－ 48 －図8

通常の圧延・焼鈍した Mg-Zn 系合金の組織

図9

Mg-Zn 系合金の曲げ性に及ぼす温度の影響

Mg-3%Zn, 150℃5 mm/min

図 10500 mm/min

Mg-3%Zn-0.6%Zr, 150℃5mm/min

Mg-Zn 系合金の深絞り性（絞り比 1.67）

250℃でもまだ高い耐力を維持しながら 20％程度伸びるが，くびれは小さい．
最後に，Mg-2.5%Zn-0.1%Ca 合金の集合組織と深絞り試験結果を図 12 に示す．安価な Ca はレアアースの Ceと同様の底面集合組織の形成を抑制する効果があり，良図7

合金組成と結晶方位ランダム化の可否好な張出し成形性が確認されている．板厚 0.5 mm まで－ 49 －

のことから，Al がランダム化に寄与したか，もしくはZn がランダム化を阻害したと考えられる．
3. Mg-Zn 系合金板は通常の底面配向した Mg-Al 系合金板と比較しても，全体的に成形性が劣る．
4. 曲げ性，張出し性，深絞り性のすべてにおいて，AZ31
ランダム方位板を超える冷間ないしそれに近い低温での成形性を有する合金は見出せなかった．
5. 調査したすべての六方晶マグネシウム合金板におい
図 11

Mg-Zn 系合金の単軸引張特性て，プレス成形性に及ぼすひずみ速度の影響は大きく，実用的な高速でのプレス成形は難しい．

謝辞
本研究は公益財団法人天田財団の一般研究開発助成によるものであり，関係各位に深く感謝致します．また，素材をご提供いただいた権田金属(株)，ならびに実用化に向けた取り組みにご協力いただいた(株)カサタニの関係各位に深く感謝致します．
図 12

Ca 添加合金の集合組織と深絞り性

参考文献
250 ～ 300 ℃ 予 加 熱 で の 通 常 の 温 間 圧 延 を 行 っ た 後 ，1)

Easton, M. Beer, A., Barnett, M., Davies, C., Dunlop, G.,

300℃･30 min 焼鈍した試料を絞り比 1.65 で絞った．素板

Durandet, Y., BLACKET, S., HILDITCH, T. & BEGGS, P.:の{0001}極点図はダブルピークで，その強度も低く抑えJOM, 60-11 (2008), 57-62. (軽量自動車部品）られている．しかし，AZ31 ランダム方位材で可能であ2)（500 mm min-1）ともそれぞれパンチ肩および口辺部で割3)
4)
5)

Watanabe, H., Mukai, T. & Ishikawa, K.: J. Mater.
Chino, Y., Sassa, K. & Mabuchi, M.: J. Mater. Sci., 44-7(2009), 1821-1827.

ので，成形性試験は行わなかった．
6)

5.

健司：軽金属, 59-9 (2009),

Processing Technol., 182 (2007), 644-647.

れる 0.5％Ca を少し超える添加量にしたものだが，淵割れが生じやすく 1 mm 以下まで圧延することすら難しい

高津正秀・中塚章太・東498-501.

れが生じ，その深絞り性は Mg-3%Zn の二元合金と大差なかった．表 1 の最下段に示した合金は，難燃効果が現

Kohzu, M.，Nakatsuka, S., Higashi, K.: Mater. Trans.,
49-9 (2008), 2096-2099.

った室温での低速絞り（5 mm min-1），150℃での高速絞り

高津正秀・喜井健二・西尾浩之・辻川正人・東健司・井上博史：平 21 年塑加春講論, (2009)，243-244.

結言

高強度マグネシウム合金板の冷間プレス成形を実現す

7)

高津正秀: 塑性と加工, 50-576 (2009), 13-17.

るため，筆者が AZ31 合金で見出した結晶方位ランダム

8)

Kohzu, M., Kii, K., Nagata, Y., Nishio, H., Higashi, K.,Inoue, H.: Mater. Trans., 51-4 (2010), 749-755.

化現象を利用しようとしたが，六方晶マグネシウム合金全般にわたって，成形性改善のためのその手法の限界が9)10) 高津正秀・沼倉宏・杉本圭二・中浦祐典・渡部ず，種々の組成の合金に対してプレス成形性を評価した．

中その結果を以下に要約する．

概, (2010), 213-214.

1. 析出硬化型合金 AM60 のランダム方位板は，曲げ性で健司・井上 博史：軽金属 60-5 (2010), 237-243.

見えてきた．そこで，ランダム化現象に及ぼす添加元素の影響を明らかにするとともに，ランダム化にとらわれ

高津正秀・喜井健二・長田祐希・西尾弘之・東哲夫・吉田総仁・森 謙一郎：118 回軽金属春講

11) 高津正秀・沼倉は AZ31 ランダム方位板と大差ないが，深絞り性はか

中晶・宏・杉本圭二・中浦祐輔・渡部晶,

哲 夫 , 森 謙 一 郎 ： 61 回 塑 加 連 講 論 ， (2010),

249-250.

なり劣り，冷間では全く絞れなかった．マグネシウム
特有の強度や延性の負荷方向依存性により，曲げや張12) 高津正秀：天田研究成果発表資料集, (2011)，39-56.

出しのような面内引張変形では結晶方位ランダム化が13) 山川尊史・高津正秀・沼倉輔・渡部

極めて有効であるが，縮みフランジ変形のような面内圧縮変形では通常の底面配向に比べてむしろ不利にな宏・杉本圭二・中浦祐

晶：120 回軽金属春講概，(2011), 373-374.

14) Chino, Y., Huang, X., Suzuki, K. & Mabuchi, M.: Mater.
Trans., 51-4 (2010), 818-821.

る．
2. 本実験の範囲において，Mg-Al 系合金では結晶方位ラ15) 高津正秀・沼倉

ンダム化が生じたが，Mg-Zn 系では生じなかった．こ－ 50 －宏・福井正人・水沼

加連講論，(2010), 247-248.

晋：61 回塑