極低温寒剤に浸漬したマグネシウム合金の塑性変形挙動
都城工業高等専門学校
機械工学科准教授
高橋 明宏(平成 26 年度奨励研究助成 AF-2014033)
キーワード：マグネシウム合金,極低温浸漬処理,塑性変形挙動
１. 研究の目的と背景行った．また外因的要因からの観点から，ひずみゲージ

国産エネルギー資源として注目されているメタンハイ
ドレードは，メタンと水が低温・高圧の状態で結晶化しを用いた残留応力の測定も行ったので，それらについて報告する．

た物質であり，マイナス 60℃での低温保存・管理が求められている 1),2)．したがって発掘地域から消費地までの

２．実験方法

輸送効率，燃費効率の観点から，輸送機器の軽量化が要

２．１

供試材

供試材は，市販の厚さ 10mm の AZ31B マグネシウム合請されている．
マグネシウム合金は鉄鋼材料の 22%，アルミニウム合金圧延材（大阪富士工業株式会社）および厚さ 2mm の金の 63%の比重であり，実用金属中最も軽い金属である

AZ91D マグネシウム合金ダイキャスト材（株式会社スタ

ことから構造用材料としての利用が期待されている．しンダードテストピース）であり，表１および表２にそれかしながら，これまで極低温下での力学的性質の評価がぞれの化学組成を示す．

十分行われているとは云えない．例えば，マグネシウム合金を液化天然ガス（LNG）やメタンハイドレードを管AZ31B マグネシウム合金の化学組成(mass%)

表１

理・運搬するための極低温用構造部材として使用するに

Al

Zn Mn

Fe

は，極低温における塑性加工性，高耐衝撃性化の向上等

3.08

0.76

<0.01 <0.005 <0.05 <0.005

0.15

Si

Cu

Ni

Mg
Bal.の様々な特性改善と技術開発が必要である．
そこで著者は，現在マグネシウム合金の極低温下での衝撃靱性に関する調査 3)-5)を行っているが，その際に，

AZ91D マグネシウム合金の化学組成(mass%)

表２マグネシウム合金のユニークな現象をつきとめた．図１
は AZ91D および AZ61 マグネシウム合金のビッカース硬度と液体窒素の浸漬時間の関係を示したものである．すな

Al

Zn Mn

Fe9.4

0.740.003 0.043 0.003 <0.0010.21SiCuNiMg
Bal.

わち，展伸材あるいは鋳造材に関わらず，マグネシウム合金を液体窒素に浸漬し室温に戻してからの硬度が浸漬

２．２

極低温寒剤への浸漬処理方法

図２は，液体窒素を用いた浸漬処理方法を示したもの

前よりも増大したということである．
本研究では，液体窒素ならびに液体ヘリウムの極低温である．引張試験片を液体窒素が８リットル入ったデュ寒剤に浸漬処理を行ったマグネシウム合金の塑性変形挙

ワー瓶に投入し，投入後の煮沸現象が収まるまでの時間動を包括的に理解するため，硬度変化の他に延性や加工硬化挙動の調査を行って内因的要因の観点からの評価を
液体窒素

ビッカース硬度 / HV85

AZ91D（鋳造用）

75

浸漬処理

AZ61（展伸用）

6555

図１

試験片

0104103105
浸漬時間 / sec

マグネシウム合金の液体窒素浸漬時間に対する硬度変化

エチル
アルコール106

図２

液体窒素を用いた浸漬処理方法

から起算し，10.8ks(3h)，86.4ks(24h)， 172.8ks(48h)

図４は引張試験片の形状および寸法を示したものであ

そして 259.2ks(72h)それぞれ浸漬させた． 所定の浸漬る．試験片は各条件で 3 本準備した．ヤング率および降時間の後，エチルアルコール 500ml を入れたビーカーに伏点を調査するため，標点部に汎用ひずみゲージ（共和投入し，常温に戻した．なお，液体窒素による浸漬処理電業製）を貼付した．引張試験機は万能試験機（島津製は AZ31B マグネシウム合金についてのみ行った．この浸作所製）を用い，荷重はロードセル，引張変位はクロス

漬処理における平均的な降温および昇温速度はヘッドから取得した．また，負荷速度 1mm/min，常温，2.9K/sec であった．

大気中で試験を行った．

図３は，液体ヘリウムを用いた浸漬処理方法を示したものである．液体ヘリウム用二重槽構造クライオスタット

２．４残留応力測定方法（東理社製）は豊橋技術科学大学三浦研究室所有のもの

残留応力測定は，残留応力測定専用の３軸ひずみゲーを使用した．液面計用の細孔から引張試験片を投入した

ジ（東京測器研究所製）を用い，直接ひずみを測定する

後，最初に液体窒素を用いてクライオスタット外側の液ことで一般的な公称応力値として求めることができる．

体窒素槽を十分予冷した．その後トランスファーチュー

本研究では，ASTME837-99 法に準拠し穿孔法 6)による残ブを介して液体ヘリウムをクライオスタット内側の液体留応力測定を行った．この方法によれば，最大残留応力ヘリウム槽に移送した．試験片を投入後，2 時間後に白および最小残留応力はそれぞれ式(1)および(2)によって金抵抗体によって 10K（－263℃）を示したところで液体表すことができる．

ヘリウムの移送が完了したと設定し，そこから起算して10.8ks(3h) ， 86.4ks(24h) ， 172.8ks(48h) そ し て
259.2ks(72h)それぞれ浸漬させた．所定の浸漬時間の後，

max

1314A

エチルアルコール 500ml を入れたビーカーに投入し，常34 B cos 2(1)温に戻した．なお，液体ヘリウムによる浸漬処理は AZ31Bおよび AZ91D マグネシウム合金について実施した．この浸漬処理における平均的な降温および昇温速度は 3.4×1min

10 K/sec であった．
トランスファーチューブ

314A-234 B cos 2(2)また 1 軸から最大残留応力方向への角度 は，式(3)によって得られる．

1tan 12ヘリウムガス
投入口
Pt抵抗体

1332 2(3)1

液体ヘリウム
試験片
液体窒素

ここで，A および B は定数であり，以下の式(4)および(5)が用いられる．
デュワー瓶

クライオスタット

図３２．３

液体ヘリウムを用いた浸漬処理方法

4A

1d22 ER 2(4)4B

2d 2ER 2(5)

力学的評価方法

極低温処理後に硬度調査および引張試験を行った．硬度はビッカース硬さ試験機（アカシ製）を用い，圧子荷重 9.8N，圧子荷重保持時間 15 秒とし，24 点の測定後，3(1 )d 4
8 ER 4最大値と最小値を除いた 22 点によって評価した．
R10

ここで， はポアソン比（0.3），R はゲージ中心半径2.518.5±0.42950±0.1

図４

引張試験片の形状および寸法（5.13mm），d は穿孔径（実測値），E はヤング率（40GPa）である．
なお，残留応力測定用の試料寸法は，AZ31B およびAZ91D マグネシウム合金について，長さ 100×幅 100×厚
さ 10mm および長さ 100×幅 100×厚さ 2mm をそれぞれ機械加工を施して準備した．これらに焼きなましなどの熱処 理は 行 っ てい な い ．極 低 温 寒剤 は 液 体窒 素 と し，35010.8ks(3h) ， 86.4ks(24h) ， 172.8ks(48h) そ し て

応力 / MPa259.2ks(72h)それぞれ浸漬処理を行った．また穿孔は縦型フライス盤を使用し，ダイスにセットした両試料に対して呼び径 3mm のエンドミルを使用し，回転数 1800rpm，送り速度 0.025mm/sec とし，0.1mm ごとに 10 回の穿孔加液体ヘリウム24h

AZ91D

300
250

液体窒素24h200150

液体窒素0h100

工を実施し,最大深さは両試料ともに 1mm とした．この深50

さ 1mm に至るまで,穿孔におる加工ひずみをチェックし000.02

0.04ながら慎重に実験を行った．

３.

0.08

0.10.12

ひずみ / －図６

実験結果および考察

３.１0.06

極低温寒剤による浸漬処理と力学的性質の変化

極低温寒剤を用いた浸漬処理後の代表的なAZ91D マグネシウム合金の引張応力－ひずみ曲線

図５は AZ31B および AZ91D マグネシウム合金の極低温2化を示す．浸漬時間とともに硬度が緩やかに増大してい10残留応力 / MPa

寒剤を用いた浸漬処理とそれに伴うビッカース硬度の変くことが認められた．しかしながら，いずれに実験条件における硬度の増分は 5～12HV 程度であった．22 点の硬度値の標準偏差が 3HV 程度であったため，t 検定による統計的処理の観点からは誤差範囲内の増分という結果と図６は，液体窒素浸漬処理 0h と 24h，液体ヘリウム浸液体窒素-1-2-3AZ91D-4-5-6-7なった．

AZ31B0

漬処理 24h 施した AZ91D マグネシウム合金の応力ひずみ

104103105
浸漬時間 / sec

曲線である．ダイキャスト製法による鋳造欠陥に起因す

図７ると考えられる変形挙動が散見されるが，いずれも負荷び AZ91D マグネシウム合金の残留応力の変化

106

液体窒素による浸漬処理時間と AZ31B およ

初期段階から直線的な応力ひずみ応答を示し，降伏現象を呈した後，最大応力値で破断した．負荷初期段階のひずみ がる 5×10-4 から 1.0×10-3 の範囲のヤング率を求

３.２

残留応力測定結果めたところ，すべて 39GPa であった．また 0.2%耐力 0.2

図７は，極低温寒剤を用いて AZ31B および AZ91D マグ

は特に極低温寒剤の浸漬時間との相関がなく，すべてネシウム合金に所定時間の浸漬処理を施した後，135 から 141MPa の範囲内にあった．

ASTME837-99 法に準拠して行った穿孔法による残留応力値を示したものである．浸漬処理を施していない受け入

ビッカース硬度 / HV70(a)AZ31B

れ状態では，両マグネシウム合金の製法が大きく影響し液体窒素た残留応力値を示すと考えられる．そして両合金とも浸65

漬処理時間が長くなるにつれて，残留応力値はマイナス60を示し圧縮残留応力を呈することがわかった．AZ31B マ

液体ヘリウムグネシウム合金では表面の応力が 3.1MPa 変化し，AZ91D55

マグネシウム強引は 4.3MPa 変化した．表面から深さ 1mm
500103104105
浸漬時間 / sec

106

つながる．佐藤 7)は多種にわたるアルミニウム合金のビッカース硬度と引張強度との相関を詳細に調査し，次のビッカース硬度 / HV

90(b)AZ91D

液体窒素

式(5)を提案している．

8580

B液体ヘリウム75700

図５までの圧縮残留応力の存在は，ビッカース硬度の増大に

104103105
浸漬時間 / sec106

極低温寒剤（液体窒素と液体ヘリウム）を用いた浸漬処理後のビッカース硬度変化

0.40 HV(5)

ここで B は引張強度である．この式を応力と硬度の関係式と捉えれば，極低温寒剤浸漬処理の硬度増分が 5～12HV であったため，応力は 2.0～4.8MPa の変化と考えることができる．一方，図５から圧縮残留応力の変化は 3.1～4.3MPa の変化とわかっている．定性的ではあるが，極低温寒剤浸漬処理による硬度変化から換算した応力と穿孔法から得られた圧縮残留応力がおおよそ一致すること囲であるという結果となった．
２）極低温寒剤浸漬処理後に引張試験を行い，ヤング率，降伏点，n 値，加工硬化挙動の調査結果を総合し，がわかった．

内因的要因による硬度変化とはいいがたいという結
３.３

極低温寒剤浸漬処理による硬度変化の考察果が得られた．

極低温寒剤による浸漬処理がマグネシウム合金の硬度

３）圧縮残留応力とビッカース硬度の変化が定性的に一向上に寄与するかどうかを考察する．まず硬度データの致したことから，極低温寒剤浸漬処理による硬度変t 検定による統計処理解析によれば，ビッカース硬度結化は，外因的要因による影響が大きいと考えられる．

果の誤差範囲であるという結果となった．また引張試験

謝から得られるヤング率，降伏点，n 値，加工硬化挙動の辞

調査結果を総合し，内因的要因による硬度変化とはいい

本研究は天田財団の奨励研究助成(AF-2014033)によっがたい結果が得られた．一方，本研究の浸漬実験によって行われました.ここに付記し,財団および関係各位に深て生じる圧縮残留応力をひずみゲージを用いた穿孔法でく感謝の意を表します.また豊橋技術科学大学三浦博己

求めた結果，圧縮残留応力とビッカース硬度の変化が定教授，小林正和准教授にはマグネシウム合金に関するご性的に一致したことから，極低温寒剤浸漬処理による硬助言等を多数いただきました．厚く御礼申し上げます．

度変化は，外因的要因による影響が大きいと考えられる．
しかしながら，Asl ら 8)は AZ91D マグネシウム合金に極参考文献

低温寒剤による浸漬処理を行い，Mg-Al 系介在物である

1) 久本隆之,高野宰,伊藤真人：ハイドレート生成圧搾装β粒子（Mg17Al12）がマトリックスであるα相内に浸透し，置で製造した CO2 ハイドレートの基礎特性,三井造船β粒子の形態が変化することを報告している．そしてそ技法, No.211, pp.7-12, 2014.の変化に伴い，特にクリープ特性の向上と表面の摩耗性

2) 井田博之,水上剛志,池田純亮：ネオホワイトハイドレの変化があったとしている．また，Gariboldi ら 9)は AZ91Dート法による二酸化炭素分離・回収技術, JFE 技報,マグネシウム合金のクリープ挙動の改善に極低温処理（Deep Cryogenic Treatment; DCT）を提案し，クリープ

No.32, pp.50-53, 2013.
3)A.Takahashi,

N.Yamamoto,T.Toshinobu

and

特性の変化が微細なβ粒子が DCT によって変化するから

M.Kobayashi ： Low Temperature Toughness of AZ61と報告している．ともにクリープ特性の変化を内因的要Magnesium Alloy, Proceedings of the 3rd JTSTE, Vol.3

因による変化として取り扱っていた．またこれらの研究
は，極低温寒剤による試料の平均的な降温速度および昇-3

pp.153-156, 2015.
4)A.Takahashi,N.YamamotoandT.Toshinobu：

温速度を 8.3×10 K/sec として実施されている．本研究

Fundamental Study on Impact Toughness of Magnesium

は液体窒素寒剤であれば 350 倍以上、液体ヘリウムではAlloy at Cryogenic Temperature, International

40 倍以上も早く降温および昇温速度で極低温処理を行

Journalっており，その点については注意を要するものの,極低温

Technology, Special issue, pp.1-6, 2015.

of

InnovationsinEngineering

and処理の速度とβ粒子等の試料性状との関連性の調査が必

5)谷啓貴,小林正和,青葉知弥,三浦博己,高橋明宏 ： 降要である．今後，十分なミクロ組織観察によるβ粒子の温多軸鍛造 AZ80Mg 合金の衝撃破壊挙動に関する研究,変化の調査が新たな課題であり，それに伴う力学的性質

軽金属学会第 129 回講演会概要集,pp.357-358, 2015.

について検討したい．

6)三上隆男 ： 穿孔法による残留応力測定について（そ４.

7)佐藤四郎,遠藤隆 ： アルミニウム合金の引張強さと硬の１）, IIC REVIEW, No.48, PP.53-65, 2012.

結言

本研究では，AZ31B および AZ91D マグネシウム合金にさの関係, 軽金属, NO.36, pp.29-35. 1986.

対して液体窒素ならびに液体ヘリウムの極低温寒剤を用

8)Kaveh Meshinchi Asl, Alireza Tari and Farzad

いた浸漬処理を行った．両試料の塑性変形挙動を包括的

Khomamizadeh ： Effect of Deep Cryogenic Treatmentに理解するため，硬度変化の他に延性や加工硬化挙動のon microstructure, Creep and wear behaviors of AZ91

調査を行い,内因的要因の観点からの評価を行った．またMagnesium alloy, Materials Science and Engineering

外因的要因の可能性を調査するため，ひずみゲージを用A, No.523, pp.27-31, 2009.

いた残留応力の測定も行った．本研究にて得られた結果を以下にまとめる．

9)E.Gariboldi, Q.Ge, N.Lecis, S.Spigarelli andM.EI Methtedi ： Creep Behavior of Deep Cryogenic
Treated１）極低温寒剤による一定時間の浸漬処理後のマグネシウム合金の硬度変化について t 検定による統計処理解析を行ったところ，ビッカース硬度結果の誤差範AZ91

Magnesium

Alloy,Metallurgical

Science and Technology, Vol.30, pp.19-27, 2012.