半凝固法により作製したAZ91Dマグネシウム合金の組織と機械的性質
長田貢一＊１

彦坂武夫＊１

木村與司雄＊ １

黒澤和芳＊１

Microstructure and Mechanical Propertiesof AZ91D MagnesiumAlloy
Produced by Semi-LiquidMethod
Kohichi OSADA,Takeo HIKOSAKA,Yoshio KIMURA and KazuyoshiKUROSAWA
Technical ConsultingDivision,AITEC ＊１
AZ91Dマグネシウム合金を基に、溶湯撹拌を用いた半凝固法により固相率の異なる供試材を作製し、さらに、加工熱処理を行い、機械的性質に優れたマグネシウム合金の開発を試みた。1wt%Ca、0.2wt%Sbを添加した固相率13%の供試材の熱間押出材は、平均固相粒径2.7μmと最も微細化でき、引張強さが382MPaと高強度であった。圧延材の機械的性質は、固相粒径が熱間押出材よりも若干大きくなったため、幾分低い値を示した。いずれの加工材も鋳造材に比べ著しい強度の改善が図られた。

１．はじめに

表 １ に実験に使用したAZ91Dマグネシウム合金の化学実用金属の中で最も軽いマグネシウムは、比強度が高組成を示す。この合金4kgを図 １ に示す溶湯撹拌装置にく、電磁遮蔽性、放熱性、寸法安定性、制振性などの特装入して1023Kで溶解した後、撹拌羽根で溶湯を撹拌し性に優れている。また、プラスチックとの比較では、剛ながら後述する結晶粒微細化剤を0.2wt%添加した。その性とリサイクル性に優れている。そのため、電子機器の後溶湯温度を半凝固温度に下げ等温保持した状態で、撹筐体やカメラのボディなどに広く利用されてきている。

拌により固相組織の球状化と微細化を図った。

さらに、自動車をはじめとする輸送機器においても、軽表１量化による燃費向上が図れることから、マグネシウム合

AZ91Dマグネシウム合金の化学組成(wt%)

金の利用が積極的に行われており、今後一層の高機能なAlマグネシウム合金の開発が期待されている。

9.22 0.71 0.21 0.030 0.0012 0.001 0.003 0.0011 Bal

ZnMnSiCuNiFeBeMg

半凝固法は、液相線と固相線の間の温度領域で溶湯撹拌して、急冷凝固させる方法であり、液相線以上の温度

溶湯温度は、923、863、853、843K、撹拌条件は、撹から凝固させる普通の鋳造法に比べて結晶粒の微細化な拌羽根回転数3.3 、6.7 、10 、13.3s−１、撹拌時間3.6、7.

どが図られ、機械的性質の向上が期待される。

2、10.8ksとした。溶解中は溶湯の酸化と燃焼を防止するため、Caを0〜2wt%添加した３）。また、CO２とSF ６ を10する試みはいくつか報告されているが１）、半凝固法で鋳0:1に混合したガスをステンレス製るつぼの上部から吹造した材料を加工熱処理する試みは報告されていない。

き付けてシ

本研究は、マグネシウム合金により優れた機械的特性ールドしを付与した材料を開発する目的で、機械撹拌を行いつつ

モ ータ

これまでAZ91Dマグネシウム合金を半凝固状態で成形

周波数変 換装置

温度計
添加剤投入口た。
次に、溶さらに熱間押出加工および圧延加工を行うことで組織の湯温度、撹微細化を図った。そして、供試材の作製条件、加工材の拌条件およ組織および機械的性質について検討した。

び結晶粒微

CO2+SF6ガス
電気 炉 制御 装 置

半凝固状態に保った溶湯を溶湯鍛造法により鋳造した。

電気炉
ステンレス製るつぼ
撹拌羽根

細化剤が固２．実験方法
2.1

半凝固成形

*1技術支援部加工技術室

相や共晶組織に及ぼす図１

溶湯撹拌装置影響を調べるため、半凝固状態の溶湯を小型ステンレス製るつぼで汲み出し、直ちに水中急冷して組織観察用の試料を採取した。
供試材の作製は、150tf溶湯鍛造機により100MPaで加圧鋳造し、φ65×120mmの鋳造材を得た。溶湯量は約700

ＡＺ９１Ｄg、金型温度は573Kとした。
2.2熱間押出加工

供試材をφ60×100mmに切削した後、酸化防止のためアルミ箔でくるみ２ ）、643Kに予熱し、コンテナ温度593K、押出比56で熱間押出加工し、φ8mmの丸棒にした。
また、Ca添加の効果を確かめる実験では、押出比36でφ10mmの丸棒に加工した。
2.3

溶湯温度

圧延加工

853K

923K

Ca添加が組織に及ぼす影響

図２2.2節のφ８mmの熱間押出材をφ6×45mmに切削した。
圧延加工は、単ロール式圧延装置によるパック圧延法２ ）す。固相を晶出した853Kでは、Ca添加が固相粒径に及ぼで行った。まず、供試材を573Kに1.8ks保持し、１パスす影響は小さいことが分かる。また、Caの添加によりいひずみ量0.1%で圧延した。その後１パスごと再加熱、0.

ずれの溶湯温度の場合も共晶組織(Mg17Al12)の微細化が図3ks保持、加工を繰り返す操作を行い、最終板厚0.8mmまられた。

で加工した。
2.4

熱処理

図 ３ に、Ca添加量と引張強さ、0.2%耐力および伸びとの関係を示す。Ca添加量が増加すると、引張強さ、0.2%いずれの加工材も電気炉中で688Kに86.4ks保持して溶耐力ともに微減し、伸びは増加している。

体化処理を行った後水中急冷し、さらに443Kに61.2ks保

一般にCaを添加すると、引張強さは低下するといわれ持後炉冷して時効硬化させるT6熱処理を行った。なお、ている。すなわち、ラメラ状の化合物（AlCa）が晶出
2

加工材の酸化防止のため、溶湯の溶解中と同様に流量比し、硬く脆いMg17Al12の晶出が減少するためである ４）５）。

100:1のCO２とSF６の混合ガスを電気炉中に流した。

400

試料の組織観察は、耐水研磨紙で粗研磨した後アルミナ懸濁液により鏡面仕上げし、AZ91D(T6熱処理材)用腐食液３)(酢酸20ml、硝酸1ml、エチレングリコール60ml、および蒸留水90mlを混合した水溶液)により腐食した後、光学顕微鏡により行った。
2.6350300250
引張強さ
0.2%耐力伸び2001501050500

引張試験0.00.5

引張試験は、T6熱処理後の試料から試験片を作製し、室温においてインストロン型引張試験機を用いて引張速

15100

伸び(%)

組織観察

引張強さ、0.2％耐力(MＰa)2.5

1.01.5
Ca添加量(wt%)

2.0

Ca添加量と引張強さ、0.2%耐力および伸びの関係

図３度0.033mm/ｓで行った。試験片の寸法を以下に示す。

（熱間押出材、T6熱処理）

熱間押出材は、平行部径φ6mm、標点間距離21mmとし、Ca添加量を変えた試験片は平行部径φ8mm、標点間距離2

一方、T6熱処理によるAlCaの粒状化の促進が伸びを向25mmとした。

上させているものと考えられる。この結果から、Caの添圧延加工材は、平行部幅4mm、厚さ0.8mm、標点間距離10mmとした。

加は、1wt%程度の添加量では機械的性質にはあまり影響しないと言える。そこで、以後の実験では1wt%Caを添加した。

３．実験結果および考察
3.1 半 凝 固 成 形 条 件 の 検 討
3.1.1 C a 添 加 の 影 響

3.1.2

組織微細化剤一般に鋳造時に微細化剤を添加すると、組織が微細化して材料の機械的性質が向上する。マグネシウム合金に半凝固成形時に溶湯の燃焼および酸化防止４ ）のためについても種々の微細化剤が用いられている。そこで、 C添加したCaが組織と機械的性質に及ぼす影響を調べた。

(CCl)、Na、Sb、Li、Sr、Sn、Teを添加し、組織に及ぼ26

図 ２ に、Ca無添加および1wt%Ca添加した時の組織を示す影響を調べた。溶湯温度853K、撹拌羽根回転数10s−１、

ああ撹拌時間3.6ksの条件で溶製した時の溶湯性状および急400

冷凝固試料の固相粒径と共晶組織を各々比較した。その固相粒径（μm）

結果、微細化に優れていたのはC、Na、SbおよびLiであった(いずれも固相粒径は120〜140μmで、共晶組織も微細化された。)が、その中でも溶湯の酸化物の発生が少なかったのは、NaおよびSbであった。Naは反応性が高く

300200

撹拌羽根回転数‑13.3s6.6s

100

取り扱いには危険が伴うので、本実験ではSbを採用した。
3.1.3‑1‑110.0s‑113.3s

溶湯温度00半凝固成形したAZ91D合金およびAZ91D合金に1wt%Caを510撹拌時間（ks）15添加した合金を示差熱分析した結果、いずれも868Kから初晶が晶出し始めることが分かった。

図５

この結果をもとに溶湯温度を833〜868Kと変化させて、撹拌羽根回転数および撹拌時間が固相粒径に及ぼす影響(溶湯温度:853K)

各々を急冷凝固させたときの固相粒径と固相率の関係を調べた。その結果を、 図 ４ に示す。

く、むしろ固相の融合化が促進されるために粒径が大きくなる傾向にあり、一定以上の回転数では固相同士の衝80250

径が減少したと考えられる。したがって、固相粒径も小6040
固相率20

固相粒径

150
1005000833

図４200

固相粒径(μm)

突力がお互いを破砕するのに十分な撹拌力になり固相粒

液相線温度：868K

300

固相率(%)

100843853
溶湯温度(K)863

溶湯温度と固相率および固相粒径との関係

さく、撹拌力が大きい13.3s− １が望ましいが、今回の撹拌装置の能力では、回転力によって生じる軸ぶれ振動で溶湯の飛散やシールドガスの破れが生じる危険性がある。そのため固相粒径は比較的大きいが、撹拌力が大きく球状化の効果が得られる10s−１を選んだ。
3.23.2.1

加工材の組織および機械的性質
熱間押出材

図 ６ に、T6熱処理した各固相率の熱間押出材を押出方向に平行に観察した組織を示す。白く見える部分が固相部、黒い帯状に見える部分が共晶部である。ただし、固相率0%はすべて共晶部である。

固相率の863〜868Kの緩やかな変化に対して、固相粒径いずれの場合も再結晶した微細組織が見られる。固相は急激に変化している。これは、撹拌装置の都合上、液部の微細化の程度は固相率により変化することが分か

相線付近での急冷が困難であり、微細な初晶ができなかる。すなわち、鋳造時に大きな固相を持つ組織は、再結ったためと思われる。

晶により微細化される効果が小さい傾向がある。その結そこで、鋳造材を作製することが可能な溶湯温度923K

果、最も微細化されたのは固相率13%で、平均固相粒径2.

(固相率0%)、863K(13%)、853K(42%)、843K（56%）を選7μmであった。続いて、42%が4.7μm、56%が10μmで、0択し、以降の実験を行った。

%は34μmであった。

3.1.4

撹拌時間および撹拌羽根回転数

撹拌羽根回転数を変えたときの撹拌時間と固相粒径との関係を図 ５ に示す。いずれの回転数でも撹拌時間の経過とともに固相粒径が大きくなることが分る。しかし、短時間の撹拌では球状化が十分ではなく、長時間撹拌により、図２の溶湯温度853Kの組織で示したように球状化した。そこで、撹拌時間としては固相の粒形が球形に近くかつ固相の粒径も比較的小さい7.2ksを選んだ。
ところで、図５で、撹拌羽根回転数が多いほど溶湯の撹拌力により固相粒径が小さくなると予想されたが、13.
3s‑1 を除いて回転数が低いほど小さくなった。比較的低回転数では固相同士が衝突する際に破砕されるのではな

図６

熱間押出材の組織(T6熱処理)

400

引張強さ
0.2%耐力15伸び1051020 30 40 50固相率（％）

伸び

100

10500060

図９
図７

引張強さ

2001505000300
25010203040
固相率(%)

50

伸び(%)

引張強さ(MPa)

350

伸び(%)

引張強さ、0.2％耐力
(MPa)

400
350
300
250200150
10050060

固相率と引張強さおよび伸びの関係

固相率と引張強さ、0.2%耐力および伸びとの関係（圧延材、T6熱処理)（熱間押出材、T6熱処理)

４．結び

図 ７ は、固相率と引張強さ、0.2%耐力および伸びの関マグネシウム合金AZ91Dを用い、溶湯撹拌による半凝係を示す。固相率0%材は、引張強さ、0.2%耐力がそれぞ

固成形法により作製した供試材の熱間押出や圧延などのれ334MPa、231MPaであった。最も微細な組織が得られた

加工熱処理を行い、組織および機械的性質について検討

固相率13%材は引張強さ382MPa、0.2%耐力314MPaであっした。今回は、固相率が３水準のみの検討であったが、た。引張強さのピークは固相率13%付近にあると思われ溶湯の温度管理の精度を上げて水準を増やし詳細なデーる。図６の組織の微細化度合からも分かるように、固相タを採取し、さらに、装置の剛性を改良して広範な半凝率56%以上では引張強さが低い値を示した。

固成形条件を探れば、固相率13%材(溶湯温度863K)より一方、固相率0%材の伸びは11%が得られ、その他の場合は3%程度であった。
3.2.2も引張強さ、0.2%耐力および伸びの高い材料が得らると思われる。
また、本技術の応用については、マグネシウム合金の圧延材

図 ８ は、T6熱処理後の圧延材の各固相率の組織写真をセラミック微粒子との複合化による強度、耐摩耗性等の示す。組織は、熱間押出材と同様に固相率13%材が最も向上によって高機能部材の創製の可能性があり、今後検微細化されたが、微細化の効果は予想外に小さかった。

討していきたい。

これは、加工時に長時間にわたり予熱(573K)したことや文加工時の変形ひずみが小さかっためと考えられる。
図 ９ は、圧延材の固相率と引張強さおよび伸びとの関係を示す。熱間押出材の場合と同じ傾向が見られた。引張強さは、固相率13%付近にピークが認められた。伸びは固相率0%が12%で、熱間押出材とほぼ同じである。他はいずれの固相率の場合も5〜6%で、熱間押出材に比べ献1)例えば、人見,由浅,鎌士,小島：軽金属; 42 (9),504(1992)
2)彦坂,木村,川本,黒澤：愛知県工業技術センター報告；31 ,59(1995)
3)日本マグネシウム協会,（財）素形材センター:マグネシウム鋳物の組織制御技術に関する技術開発報告書

少し改善された。

(Ⅱ),P58(1997),日本マグネシウム協会,（財）素形材センター
4)秋山茂：鋳物； 66 ,38(1994)
5)荒木,加勇田,鎌士,小島：軽金属；51 (11),608(2001)

図８

圧延材の組織（T6熱処理）