マグネシウム合金板の成形性に及ぼす Al 添加量の影響

マグネシウム合金板の成形性に及ぼす Al 添加量の影響

日大生産工（院） 〇高橋 泰裕 日大生産工 勝田 基嗣 1

11

1．．． 緒 言．緒 言緒 言緒 言

現 在 ， マ グ ネ シ ウ ム に お け る 需 要 は 非 常 に 高 ま っ て い る ． そ の 最 大 の 理 由 は 比 重 の 軽 さ に あ る ． マ グ ネ シ ウ ム の 比 重 は 1.74 と 実 用 金 属 中 最 も 軽 く Feの 1/4，Al の 2/3と 工 業 製 品 の 軽 量 化 ， ま た そ れ に よ る CO₂ 削 減 が 期 待 さ れ ， 地 球 温 暖 化 が 懸 念 さ れ て い る 今 日 に お い て 最 も 適 し て い る 金 属 で あ る と い え る ． さ ら に ， マ グ ネ シ ウ ム は 資 源 が 豊 富 ， リ サ イ ク ル 性 が 良 い の で 材 料 不 足 に な ら な い と い っ た 利 点 も あ る ． し か し ， マ グ ネ シ ウ ム の 結 晶 構 造 が 稠 密 六 方 格 子 構 造 で あ り ， 常 温 で は す べ り 面 が 底 面 の み に 依 存 す る た め ， 板 材 で は 他 の 金 属 よ り 成 形 性 が 劣 る と い っ た 欠 点 が あ る ． そ の た め マ グ ネ シ ウ ム の 加 工 は ダ イ カ ス ト 技 術 を は じ め と す る 鋳 造 加 工 が 主 流 で あ る ． 一 般 的 に 加 工 時 間 が 短 く ， 材 料 の ロ ス が 少 な い プ レ ス 成 形 が 有 効 で あ る が 前 述 の 理 由 か ら 向 い て い な い ． 現 時 点 で 展 伸 材 と し て 最 も 広 く 用 い ら れ て い る の は AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 板 で あ る ． し か し 板 材 と し て 成 形 性 が 良 い 反 面 ， 強 度 不 足 と い っ た 問 題 を 抱 え て る が ，AZ31 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 板 を 中 心 と し た 幅 広 い 塑 性 可 能 な 材 料 の 研 究 ， 開 発 は 必 要 不 可 欠 で あ る ．

そ こ で 本 研 究 で は 機 械 的 性 質 ， 成 形 性 と と も に 良 好 で あ る Mn 添 加 量 が 0.25(w)%の AZ 系 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 板 を 取 り 上 げ ，Al 添 加 量 の 違 い に よ っ て 成 形 性 に ど の よ う な 影 響 を 及 ぼ す か を 比 較 ， 検 討 を 行 っ た ．

2 22

2．．． 供 試 材．供 試 材供 試 材供 試 材 お よ びお よ びお よ びお よ び 実 験 方 法実 験 方 法実 験 方 法実 験 方 法

本 実 験 の 供 試 材 は AZ 系 の Al 添 加 量 が

3%， 4%， 5%， 6%の マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 鋳 造 材 を 用 い た ．以 後 こ れ ら の 材 料 を 3 材 ， 4 材 ， 5 材 ， 6 材 と す る ． こ の 鋳 造 材 に 723K-36h の 均 質 化 処 理 を 施 し た も の を 圧 延 素 材 と し た ．な お 化 学 組 成 は Table 1 に 示 す ．

鋳 造 材 に 均 質 化 処 理 後 の Al 添 加 量 別 の 外 観 写 真 を Fig.1 に 示 す ． 各 材 料 に お い て 偏 析 が 上 部 中 央 に 存 在 す る た め ， 図 に 示 す 通 り に 材 料 を 板 厚 15mm に 切 出 し

Influence of Influence of Influence of

Influence of FormabilityFormabilityFormabilityFormability of of of Al of Al Al Al AAAAddition on ddition on ddition on ddition on MMMMagnesium agnesium agnesium Aagnesium AAAlloy lloy lloy lloy Sheets.Sheets.Sheets. Sheets.

Yasuhiro TAKAHASHI and Mototsugu Yasuhiro TAKAHASHI and MototsuguYasuhiro TAKAHASHI and Mototsugu

Yasuhiro TAKAHASHI and Mototsugu KATSUTAKATSUTAKATSUTAKATSUTA

Table 1 Chemical composition (mass%)

材質 Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Be Mg

3材 2.93 1.04 0.28 0.01 0.003 0.001 0.0001 0.0005 Bal.

4材 4.06 1.00 0.26 0.014 0.004 0.001 0.0001 0.0006 Bal.

5材 5.09 0.97 0.25 0.012 0.003 0.001 0.0003 0.0004 Bal.

6材 6.29 1.02 0.26 0.009 0.003 0.001 0.0004 0.0005 Bal.

Fig.1 Changes in Externals photograph with Al Addition.

た ．そ の 後 ，機 械 加 工 に よ っ て 板 厚 10mm に し 圧 延 を 行 っ た ．

圧 延 は ロ ー ル 直 径 150mmの 2段 ロ ー ル 圧 延 機 を 使 用 し た ． 圧 延 方 法 は 熱 間 コ ー ル ド ロ ー ル を 用 い ，1 パ ス ご と に 圧 下 率 を 30%，180°ず つ 方 向 を 変 え て 圧 延 を 行 い ， 最 終 板 厚 を 0.8mmと し た ． な お 圧 延 の 際 に は ロ ー ル の 冷 却 と 板 材 の ピ ッ ク ア ッ プ を 防 ぐ た め に 絶 え ず 潤 滑 を 行 っ た ． ま た 圧 延 の 際 に 生 じ る 残 留 ひ ず み を 除 去 す る た め に 723K-1hの 中 間 焼 き な ま し を 施 し た ． こ の 板 材 を 任 意 の 形 状 に 機 械 加 工 し ， 焼 き な ま し 温 度 に よ る 影 響 を 調 べ る た め に ，各 試 験 片 を 548K-2h，573K-2h，

623K-1h（3 材 の み 2h），673K-1h で 焼 き な ま し を 行 い ， 組 織 観 察 ， 粒 径 測 定 ， 曲 げ 試 験 ， 絞 り 試 験 ， エ リ ク セ ン 試 験 ， お よ び 集 合 組 織 の 測 定 を 行 っ た ． な お す べ て の 熱 処 理 は 酸 化 防 止 の た め に ア ル ゴ ン ガ ス 雰 囲 気 中 で 行 っ た ．

組 織 観 察 は 試 験 片 を 樹 脂 埋 め し ， 研 磨 に よ り 鏡 面 仕 上 げ し た 後 ， ピ ク リ ン 酸 溶 液 で 腐 食 し ， 光 学 顕 微 鏡 で 倍 率 400倍 に て 観 察 を 行 っ た ．観 察 は 最 終 圧 延 方 向（RD 方 向 ） に 対 し て 横 断 面 に て 行 っ た ． な お 粒 径 測 定 は チ ン マ ー 法 を 用 い て 測 定 を 行 っ た ．

曲 げ 試 験 で は ，JIS3号 試 験 片 を 圧 延 方 向 に 対 し 0°，45°，90°の 3 方 向 か ら 採 取 し ，180°押 し 曲 げ 法 に て 試 験 速 度 100mm/min で 行 っ た ．

絞 り 試 験 は ，φ40の ポ ン チ ，ダ イ ス φ 43を 用 い ，絞 り 速 度 138mm/min で 試 験 を 行 っ た.試 験 片 は φ45か ら φ70の 範 囲 で ブ ラ ン ク を 作 成 し ， 潤 滑 剤 は ポ ン チ に は 塗 布 せ ず ， ダ イ ス と ブ ラ ン ク ホ ル ダ ー に カ ー ボ ン グ リ ス を 塗 布 し た.評 価 と し て ブ ラ ン ク の 径 を ポ ン チ 径 で 除 し た 値 を 限 界 絞 り 比(LDR)と し た ．

エ リ ク セ ン 試 験 は,φ75 に 打 ち 抜 い た ブ ラ ン ク を SR10 の ポ ン チ を 用 い て 試 験

速 度 6mm/minで 試 験 を 行 っ た ．

集 合 組 織 は ， 測 定 を 0°か ら 70°ま で の 範 囲 を ， シ ュ ル ツ 反 射 法 を 用 い て 底 面 {0001}お よ び 錐 面{1011}の 極 点 図 を 作 成 し た ．

3 33

3．．．． 実 験 結 果実 験 結 果実 験 結 果実 験 結 果 お よ びお よ びお よ び 考 察お よ び考 察考 察考 察 3

33

3．．．． 1 1 1 1 組 織 観 察組 織 観 察組 織 観 察 お よ び組 織 観 察お よ びお よ びお よ び 粒 径 測 定粒 径 測 定粒 径 測 定粒 径 測 定

Fig.3にAl添 加 量 に お け る 焼 き な ま し 温 度 別 の 組 織 写 真 を 示 す ．

573K，623K，673Kと 焼 き な ま し 温 度 の 上 昇 に と も な っ て ， 結 晶 粒 が 成 長 す る 状 態 が 観 察 さ れ た ．ま た 3 材 ，4材 ，5材 と Al の 添 加 量 が 増 加 す る と と も に 細 か い 結 晶 粒 が 観 察 さ れ た が ，6材 の み 673Kに お い て 二 次 再 結 晶 に よ る 急 激 な 粒 成 長 が 観 察 さ れ た ．

焼 き な ま し 温 度 が 573Kの と き に 3材 ， 4材 ，5材 で は 再 結 晶 が は じ ま り ，微 細 な 結 晶 粒 が 観 察 さ れ た ． そ れ に 対 し ，6 材 の み 圧 延 に よ っ て 形 成 さ れ た 双 晶 が 見 受 け ら れ ，623K に お い て 再 結 晶 粒 と な り ， Al 添 加 量 が 増 加 す る こ と に よ っ て 再 結 晶 開 始 温 度 が 高 温 側 へ 移 行 し て い る ．

Fig.3 Changes in microstructures with annealing temperatures.

＿

Fig.4 に 焼 き な ま し 温 度 に よ る 結 晶 粒 径 を 示 す ． 組 織 観 察 で 明 ら か な よ う に 温 度 が 上 昇 す る と と も に 粒 径 が 成 長 し て い る の が わ か る ． ま た 3 材 ，4 材 ，5 材 と Al 添 加 量 が 多 く な る と と も に 結 晶 粒 が 微 細 化 し て い る の に 対 し ，6材 の み 673K を 境 に 結 晶 粒 が 約 2倍 大 き く な っ て い る ．

3 33

3．．． 2 ．2 2 2 曲曲曲 げ曲げげげ 試 験試 験試 験試 験

Table 2 に 焼 き な ま し 温 度 に よ る 曲 げ 性 の 変 化 を 示 す ． ○ が 曲 げ 加 工 が 可 能 な も の ． △ は 亀 裂 が 入 っ て い る も の ． ×は 割 れ が 生 じ た も の で あ る ．

焼 き な ま し 温 度 が 上 昇 す る と と も に 亀 裂 や 割 れ の 発 生 率 が 少 な く な っ て い る ． こ れ は 各 材 料 の 再 結 晶 温 度 に 依 存 し て い る た め だ と 考 え ら れ る ．

Al 添 加 量 が 増 加 す る と と も に 曲 げ 成 形 性 が 低 下 す る こ と も わ か る ． 特 に 6材 に お い て は 半 数 近 く 割 れ が 発 生 し て い る ． こ れ は Fig.3の 組 織 写 真 か ら み て も 明 ら か な よ う に ，573Kま で は 結 晶 の 粒 内 に ま だ 双 晶 が 残 留 し ， 加 工 ひ ず み が 除 去 さ れ て い な い た め だ と 考 え ら れ る ．

各 材 料 に お い て 0°，45°，90°方 向 に な る と と も に 亀 裂 ・ 割 れ の 発 生 率 が 高 く な っ て お り 異 方 性 が 確 認 で き る ． 特 に 5 材 の 573K-R2 に お い て 異 方 性 が 顕 著 に あ ら わ れ て い る ．

Fig.5 に 焼 き な ま し 温 度 に よ る ス プ リ ン グ バ ッ グ 率 の 変 化 を 示 す ． 焼 き な ま し 温 度 が 上 昇 す る と と も に 値 は 低 下 す る 傾 Fig.4 Changes in grain size

with annealing temperatures.

0 00 0 10 10 10 10 20 20 20 20

573 573 573 573 G r a i n s i z e G r a i n s i z e G r a i n s i z e G r a i n s i z e （（（（ μμμμ mmmm ））））

623 623 623

623 673 673 673 673 523

523 523 523

Annealing temperature Annealing temperature Annealing temperature Annealing temperature （ （ （ （K KK K） ） ） ）

:3 :3 :3 :3材 材 材 材 :4 :4 :4 :4材 材 材 材 :5 :5 :5 :5材 材 材 材 :6 :6 :6 :6材 材 材 材

Fig.5 Changes in spring back rate With annealing temperatures.

0 00 0 10 10 10 10 20 20 20 20

3 33 3材材材材 :R4:R4

:R4:R4 :R3 :R3 :R3 :R3 :R2 :R2 :R2 :R2

4 44 4材材材材 :R4:R4

:R4:R4 :R3 :R3 :R3 :R3 :R2 :R2 :R2 :R2

00 0 0 10 10 10 10 20 20 20 20

S p r i n g b a c k r a t e ( % ) S p r i n g b a c k r a t e ( % ) S p r i n g b a c k r a t e ( % ) S p r i n g b a c k r a t e ( % )

Annealing temperatures Annealing temperatures Annealing temperatures Annealing temperatures （ （K （ （ KK K） ） ） ）

555 5材材材材 :R4

:R4 :R4 :R4 :R3 :R3 :R3 :R3:R2 :R2 :R2:R2

523 523

523 523 573 573 573 573 623 623 623 623 673 673 673 673 723 723 723 723

666 6材材材材 :R4

:R4 :R4 :R4 :R3 :R3 :R3 :R3

573 573

573 573 673 673 673 673 523 523 523

523 623 623 623 623 723 723 723 723

R4 R3 R2 R1 R4 R3 R2 R1 0° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ × × 0° ○ ○ ○ △ 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ △ 45° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ × × 0° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × R4 R3 R2 R1 R4 R3 R2 R1 0° ○ ○ × × 0° ○ × × × 45° ○ ○ × × 45° ○ × × × 90° ○ ○ × × 90° △ × × × 0° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ × × 45° ○ ○ △ × 45° ○ ○ × × 90° ○ ○ × × 90° ○ × × × 0° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ × × 90° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ × × 0° ○ ○ ○ × 0° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 45° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ ○ × 90° ○ ○ × ×

×：Destruction

673K 673K

○：Success △：Crack

573K 573K

623K 623K

673K

5材 6材

548K 548K

623K 573K

723K 623K

3材 4材

523K 548K

向 を 示 し て い る ．Al添 加 量 が 増 加 す る に つ れ て ス プ リ ン グ バ ッ グ 率 が 上 昇 す る 傾 向 が あ る ．

ま た ポ ン チ 径 が 大 き く な る と と も に ス プ リ ン グ バ ッ グ 率 が 上 昇 す る 傾 向 を 示 し て い る ．

3 33

3．．． 3 ．3 3 3 絞絞絞 り絞りりり 試 験試 験試 験試 験

Fig.6 に 焼 き な ま し 温 度 に よ る LDR の 変 化 を 示 す ． 焼 き な ま し 温 度 が 上 昇 す る と と も に 値 は 上 昇 す る 傾 向 を 示 し て い る ． こ の こ と か ら 各 材 料 と も 再 結 晶 温 度 近 傍 で 最 大 値 を 示 す こ と が わ か る ．

Al 添 加 量 が 増 加 す る と 値 は 低 下 す る 傾 向 に あ る ． 曲 げ 試 験 の 結 果 か ら み て も 成 形 性 と い う 点 で は 3材 ，4材 ，5材 ，6 材 の 順 に 良 好 で あ る こ と が わ か る ． 特 に 3材 は す べ て の 温 度 で LDRが 1.6～1.7と 安 定 し て 高 い 成 形 性 を 維 持 し て い る ．

333

3．．． 4 ．4 4 4 エ リ ク セ ンエ リ ク セ ンエ リ ク セ ン 試 験エ リ ク セ ン試 験試 験試 験

Fig.7 に 焼 き な ま し 温 度 に よ る エ リ ク セ ン 値 の 変 化 を 示 す ．F 材 で は 残 留 ひ ず み が 存 在 す る た め に 低 い 値 を 示 し ， 焼 き な ま し 温 度 が 上 昇 す る と と も に 高 い 値 を 示 す ．Al添 加 量 が 増 加 す る と 値 が 低 下 す る 傾 向 が 現 わ れ ，Fig.6 の LDR と 同 様 の 変 化 を 示 し て い る ． 曲 げ ・ 絞 り 試 験 と 同 様 に 成 形 性 は 3材 が 最 も 良 好 な 値 を 示 し て い る ．

4 44

4．．．． 結 言結 言結 言結 言

① 組 織 観 察 に お い て Al 添 加 量 が 増 加 す る こ と で 再 結 晶 開 始 温 度 が 高 温 側 へ 移 行 す る ．ま た Al添 加 量 が 増 加 す る と と も に 結 晶 粒 が 微 細 化 す る 傾 向 が あ る が ， 6材 の673Kに お い て は 二 次 再 結 晶 に よ る 急 激 な 粒 成 長 が 観 察 さ れ た ．

② 曲 げ 試 験 に お い て 焼 き な ま し 温 度 が 再 結 晶 温 度 近 傍 に な る と 良 好 な 曲 げ 成 形 性 を 示 し ，Al添 加 量 が 増 加 す る と と も に 曲 げ 成 形 性 が 低 下 す る 傾 向 を 示 し た ． ま た す べ て の 材 料 に お い て 異 方 性 が 確 認 さ れ た ．

③ 絞 り 試 験 に お い て 焼 き な ま し 温 度 が 再 結 晶 温 度 近 傍 に お い て 良 好 な 深 絞 り 性 を 示 す ．ま た Al添 加 量 が 増 加 す る と と も に 値 が 低 下 す る 傾 向 が あ る ． 特 に 3 材 は す べ て の 温 度 で 安 定 し て 高 い 成 形 性 を 示 し た ．

④ エ リ ク セ ン 試 験 に お い て 焼 き な ま し 温 度 が 上 昇 す る と 良 好 な 張 り 出 し 性 を 示 す ．ま た Al添 加 量 が 増 加 す る と と も に 値 は 低 下 す る 傾 向 が 現 わ れ る ．

⑤ 曲 げ ・ 絞 り ・ エ リ ク セ ン 試 験 よ り ， 成 形 性 が 最 も 良 好 で あ る の は 3%Al 添 加 材 で あ り ， 次 に 4%，5%，6%と Al 添 加 量 の 増 加 に と も な っ て 値 は 低 下 す る 傾 向 を 示 し た ．

Fig.6 Changes in limiting drawing ratio with annealing temperatures.

0.8 0.8 0.8 0.8 1 11 1 1.2 1.2 1.2 1.2 1.4 1.4 1.4 1.4 1.6 1.6 1.6 1.6 1.8 1.8 1.8 1.8

573 573 573

573 623 623 623 623

Annealing temperature (K) Annealing temperature (K) Annealing temperature (K) Annealing temperature (K)

L i m i t i n g d r a w i n g r a t i o L i m i t i n g d r a w i n g r a t i o L i m i t i n g d r a w i n g r a t i o L i m i t i n g d r a w i n g r a t i o

548 548 548

548 673 673 673 673

:3 :3:3 :3材材材材 :4 :4:4 :4材材材材 :5 :5:5 :5材材材材 :6 :6:6 :6材材材材

2 22 2 4 44 4 6 66 6 8 88 8

E r i c h s e n v a l u e E r i c h s e n v a l u e E r i c h s e n v a l u e E r i c h s e n v a l u e

623 623 623

623 723 723 723 723 523

523 523 523

Annealing temperatures Annealing temperatures Annealing temperatures Annealing temperatures （ （K （ （ KK K） ） ） ）

F FF F

:3:3:3 :3材材材材 :4:4:4 :4材材材材 :5:5:5 :5材材材材 :6:6:6 :6材材材材

Fig.7 Changes in erichsen value with annealing temperatures.