WO2007108467A1

WO2007108467A1 - マグネシウム合金材およびその製造方法

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Publication number: WO2007108467A1
Application number: PCT/JP2007/055656
Authority: WO
Inventors: Mamoru Nakata; Yuuichi Yamada; Koji Itakura; Takahiro Mibe; Yoshio Okada; Yoshihito Kawamura; Michiaki Yamasaki
Original assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd; Kumamoto University NUC
Current assignee: Kobe Steel Ltd; Nissan Motor Co Ltd; Kumamoto University NUC
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2008-09-20
Also published as: CN101448965B; EP2006405B1; EP2006405A1; CN101448965A; EP2006405A4; WO2007108467A9; JP2007284782A; US8394211B2; US20090056837A1; JP5152775B2

Abstract

　本発明は、特殊な製造設備およびプロセスを使用することなく、高い機械的性質に優れたマグネシウム合金材およびその製造方法を提供する。マグネシウム合金材は、必須成分としてＺｎ、および、ＲＥとしてＧｄ、Ｔｂ、Ｔｍのうち少なくとも１つ以上を含有し、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ-Ｚｎ-ＲＥ系合金であり、かつ、針状析出物または板状析出物（長尺状析出物：Ｘ相＝β相、β‘相、β１相）を有する。

Description

マグネシウム合金材およびその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、マグネシウム合金材およびその製造方法に係り、特に、機械的な強度の高いマグネシウム合金材およびその製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] 一般に、マグネシウム合金材は、実用化されて!/、る合金の中で最も密度が低く軽量で強度も高いため、電気製品の筐体や、自動車のホイールや、足回り部品や、あるいは、エンジン回り部品等への適用が進められている。

特に、自動車に関連する用途の部品においては、高い機械的性質が要求されるため、 Gdや Zn等の元素を添加したマグネシウム合金材として、片ロール法、急速凝固法により特定の形態の材料を製造することが行われている（例えば、特許文献 1、特許文献 2、非特許文献 1)。

[0003] しかし、前記したマグネシウム合金材は、特定の製造方法にぉ、ては、高、機械的性質が得られるものの特殊な設備が必要であり生産性も低いという問題があり、更に適用できる部材が限られるという問題がある。

[0004] そこで、従来、マグネシウム合金材を製造する場合、前記特許文献の様な特殊な設備あるいはプロセスを用いずに、生産性の高！ヽ通常の溶解铸造から塑性加工 (押出）を実施しても実用上有用な機械的性質が得られるものが提案されている (例えば

、特許文献 3、特許文献 4)。特許文献 3、 4に開示されているマグネシウム合金材は、高、機械的性質が得られることが知られて、る。

特許文献 1：特開平 06-041701号公報

特許文献 2：特開 2002-256370号公報

特許文献 3：国際公開第 2005/052204号パンフレット

特許文献 4:国際公開第 2005/052203号パンフレット

非特許文献 1：軽金属学会第 108回大会講演概要（2005) P42-45

発明の開示発明が解決しょうとする課題

[0005] しかし、従来のマグネシウム合金材は、以下に示すような改良すべき余地があったすなわち、従来のマグネシウム合金材は、軽量化の目的で自動車用への応用を進めるためには強度をさらに向上させることが要求されていた。

[0006] 本発明は前記の問題に鑑み創案されたものであり、特殊な製造設備およびプロセスを使用することなぐ高い機械的性質に優れたマグネシウム合金材およびその製造方法を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段

[0007] 本発明は、前記課題を解決するために、つぎのようなマグネシウム合金材として構成した。すなわち、マグネシウム合金材は、必須成分として Zn、および、 REとして Gd 、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物からなる Mg-Zn-RE系合金であり、かつ、針状析出物または板状析出物を有する構成とした

[0008] このように構成したことにより、マグネシウム合金は、針状析出物または板状析出物である X相が素材を析出強化させて、長周期積層構造 (LPO)を備えるものに比較して 0. 2%耐力が格段に向上する。このマグネシウム合金は、 REとして Gd、 Tb、 Tm のうちいずれかあるいは 1つ以上により、例えば、 Mg Gd (Mg Zn Tbあるいは Mg

3 3 3 2 2

Tm

4 5 )の晶出物を形成し、 X相（ j8相、 j8 '相、 β 1相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物と併せて 0. 2%耐カを向上させる。なお、 X相である針状析出物または板状析出物は、 7 m以下であることが好ましい。

[0009] また、前記マグネシウム合金材にお、て、前記針状析出物または板状析出物は、 Mg Gdまたは Zおよび Mg Gdである構成とした。

5 7

このように、針状析出物または板状析出物は、 Mg Gdまたはおよ

5 Z び Mg Gdであ

7 ることにより合金の強度を向上させる。なお、 Mg Gdの割合が多い場合は |8 '相であり、 Mg Gdの割合が多ぐ当該 Mg Gdの状態が六方最密構造となっている場合に

5 5

は、 β 1相となり、さらに、 Mg Gdの状態が体心立法格子となっているものが含まれて

5

くると j8ネ目となる。 [0010] また、前記マグネシウム合金材において、成分範囲を前記 Zn: 0. 5〜3原子％、前記 RE : 1〜5原子％の範囲とすることが好ましい。

このように構成したことにより、マグネシウム合金材は、 Znおよび RE (Gd、 Tb、 Tm) の成分を所定の範囲にすることで、強度を向上させる X相である針状析出物または板状析出物（j8相、相、 j8 1相の少なくとも一つ）が析出し易いものとなる。

[0011] さらに、前記課題を解決するために、マグネシウム合金材の製造方法は、マグネシゥム合金材の製造方法において、必須成分として Zn、および、 REとして Gd、 Tb、 T mのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物からなる Mg-Zn- RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（hr)を Xとしたとき、 -18[ ln (x)] + 240< y< - 12[ln(x)] + 375で、かつ、 2<x< 300に示す範囲の条件で行うこととした。

[0012] このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法では、 Mgと REの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、熱処理工程での熱処理条件を所定の範囲で行うことにより、マグネシウム合金材に X相（j8相、相、 j8 1相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Mg Gdまたは

5 Zおよび Mg Gd)が形成さ

7

れることで、析出強化されて 0. 2%耐力が向上する。

[0013] また、マグネシウム合金材の製造方法にぉ、て、必須成分として Zn、および、 REとして Gd、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物からなる Mg-Zn-RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理した铸造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（hr)を Xとしたとき、 -18 [In (x) ] + 240< y<— 12[ln (x) ] + 375で、力つ、 2<x< 300に示す範囲の条件で行うこととした。また、前記マグネシウム合金材の製造方法において塑性加工工程は、押出加工または鍛造カ卩ェであることとした。

[0014] このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法は、 Mgと REの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、熱処理条件を所定の範囲で行うことで、

X相（j8相、相、 j8 1相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（M g Gdまたは Zおよび Mg Gd)を形成させることができ、塑性加工に対して伸び率お

5 7

よび 0. 2%耐カを十分向上させることができる状態となる。

[0015] さらに、マグネシウム合金材の製造方法にぉ、て、必須成分として Zn、および、 RE として Gd、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物カゝらなる Mg-Zn-RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（hr )をとしたとき、 330- 20 X ln(t) <T< 325であり、かつ、 t≥5に示す範囲の条件で行うこととした。

[0016] このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法では、 Mgと REの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、熱処理工程での熱処理条件をより好ましい所定の範囲で行うことにより、マグネシウム合金材に X相（j8相、相、 j8 1相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Mg Gd

5 または Zおよび Mg

Gd)が形成されることで、析出強化されて 0. 2%耐力が向上する。

[0017] また、マグネシウム合金材の製造方法は、必須成分として Zn、および、 REとして Gd 、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物からなる Mg-Zn-RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、前記铸造材を溶体ィ匕する溶体化工程と、前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、前記熱処理した铸造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（hr)を tとしたとき、 330-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t≥ 5に示す範囲の条件で行うこととした。また、前記マグネシゥム合金材の製造方法にぉ、て塑性加工工程は、押出加工または鍛造加工であることとした。

[0018] このような手順によるマグネシウム合金材の製造方法は、 Mgと REの析出物が溶体化処理により溶体化した状態となり、さらに、熱処理条件をより好ましい所定の範囲で行うことで、 X相（ j8相、 j8 '相、 β 1相の少なくとも一つ）である針状析出物または板状析出物（Mg Gdまたは Zおよび Mg Gd)を形成させることができ、塑性加工に対

5 7

して伸び率および 0. 2%耐カを十分向上させることができる状態となる。

発明の効果

[0019] 本発明に係るマグネシウム合金材およびその製造方法は、つぎの優れた効果を奏するものである。

マグネシウム合金材は、針状析出物または板状析出物（Mg Gdまたは

5 Zおよび M g Gd)である X相（|8相、 '相、 j8 1相の少なくとも一つ）を有するため、所定の伸び率において 0. 2%耐カを、長周期積層構造を備えるものと比較して、大きく向上させることができる。また、押出 (塑性)加工を行うと、組織中に長周期積層構造を有していることにより、通常では達成しえないほどの高い機械的性質が得られる。そのため、マグネシウム合金材は、例えば、自動車用部品、特に、ピストンなど機械的性質の条件が厳、部分にぉ、ても使用することが可能となる。

[0020] マグネシウム合金材の製造方法は、溶体化処理を行った後に、熱処理条件を所定の範囲で行っているため、マグネシウム合金材に針状析出物または板状析出物（Mg Gdまたは Zおよび Mg Gd)である X相（|8相、 '相、 j8 1相の少なくとも一つ）を有

5 7

する構成となり、所定の伸び率において 0. 2%耐力が、従来のものと比較して格段に向上したマグネシウム合金材を、一般的な製造設備あるいはプロセスにより、効率よく製造することが可能となる。

[0021] また、マグネシウム合金材の製造方法は、熱処理温度および熱処理時間を、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（hr)を Xとしたとき、 -18 [ln(x) ] + 240< y<-12[l n (x) ] + 375で、かつ、 2<x< 300に示す範囲の条件で行うことで、より広範囲に所定の伸び率において 0. 2%耐カを、大きく向上 (長周期積層構造を備えるものと比較して)するマグネシウム合金材を製造することができる。

[0022] なお、さらに好ましくは、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（hr)を tとしたとき、 3 30-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t≥ 5に示す範囲の条件で行うことで、所定の伸び率において 0. 2%耐カを、大きく向上 (長周期積層構造を備えるものと比較して）するマグネシウム合金材を製造することができる。

図面の簡単な説明 [図 l] (a)、（b)は本発明に係るマグネシウム合金の金属組織に針状析出物または板状析出物が出現している状態を示す TEM写真である。

[図 2] (a)、（b)、（c)は本発明に係るマグネシウム合金の金属組織を示す TEM写真または SEM写真であり、（a)はマグネシウム合金材に Mg Gdの晶出物と針状析出物

3

または板状析出物が出現している状態を示す SEM写真、（b)は、マグネシウム合金材に針状析出物または板状析出物が出現している状態を示す TEM写真、 (c)は、針状析出物または板状析出物と、 Mg Gdの晶出物と、長周期積層構造とが出現し

3

て、る状態を示す TEM写真である。

[図 3]本発明に係るマグネシウム合金の金属組織を示し、 β '相 (長尺析出物）が出現して、る状態を示す ΤΕΜ写真である。

[図 4]本発明に係るマグネシウム合金の金属組織を示し、 β 相および β 1相（長尺析出物）が出現して、る状態を示す ΤΕΜ写真である。

[図 5]本発明に係るマグネシウム合金の金属組織を示し、 β相 (長尺析出物）が出現して、る状態を示す ΤΕΜ写真である。

[図 6]本発明に係るマグネシウム合金材の製造方法を示すフローチャートである。

[図 7]本発明に係るマグネシウム合金材の溶体化処理および熱処理の温度と時間の関係を模式的に示すグラフ図である。

[図 8]本発明に係る条件 1での熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図である。

[図 9]本発明に係る条件 2での熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図である。

[図 10]本発明に係るマグネシウム合金材の 300°Cおよび 250°Cにおける 10時間、 6

0時間および 100時間での金属組織の状態を示す TEM写真である。

[図 11]本発明のマグネシウム金属材および従来のマグネシウム合金材について、熱処理工程のつぎに押出加工を行った伸び率と 0. 2%耐力との関係を示すグラフ図である。

[図 12]本発明に係るマグネシウム合金の長尺状析出物が出現している熱処理温度 2 50°Cで 60時間熱処理した後、押出加工したときの金属糸且織の TEM写真、および、 500°Cで 10時間熱処理したときの金属組織の TEM写真を比較する説明写真である

[図 13]本発明に係るマグネシウム合金材を含む熱処理温度と熱処理時間との関係を示すグラフ図である。

[図 14]本発明の実施例を説明するときの機械的性質の評価を行うための各工程を示すブロック図である。

[図 15]本発明の実施例で使用する铸造したインゴットに 60時間の熱処理を各温度で行ったときの TEM写真である。

[図 16]本発明の実施例において従来の金属組織の状態を示す TEM写真である。符号の説明

[0024] 1 マグネシウム合金材

2 長尺状析出物 (針状析出物または板状析出物 :X相 = |Τ相、 β 1相、相のいずれか一つ）

3 長周期積層構造 (LPO)

発明を実施するための最良の形態

[0025] 以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図 1 (a) , (b)は、マグネシウム合金材の金属組織に針状析出物または板状析出物が出現している状態を示す TEM写真、図 2 (a)は、マグネシウム合金材に Mg Gdの晶出

3 物と針状析出物または板状析出物が出現している状態を示す SEM写真、（b)は、マグネシゥム合金材に針状析出物または板状析出物が出現している状態を示す TEM 写真、（c)は、針状析出物または板状析出物と、 Mg Gdの晶出物と、長周期積層構

3

造とが出現している状態を示す TEM写真である。

[0026] マグネシウム合金材 1は、必須成分として Zn、および、 RE (希土類）のうち Gd、 Tb、 Tmの少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物からなる Mg-Zn-R E系合金であり、ここでは、 Gdを含有する例として説明する。図 1および図 2 (b)に示すように、マグネシウム合金材 1は、微細な針状析出物または微細な板状析出物（以下、適宜、便宜上、長尺状析出物 2という）を析出している。

[0027] なお、図 2 (a)に示すように、 Mg-Zn-RE系合金として REが Gdである場合のマグネシゥム合金材 1は、白い微細な針状あるいは微細な板状で無数に示されるものが長尺状析出物 2 (針状析出物または板状析出物)であり、白く滴下したような点状 (針状析出物または板状析出物より大きい）の部分が Mg Gdの晶出物であり、マグネシ

3

ゥム合金材 1に混在して析出されている。また、図 2 (c)に示すように、ここでは、マグネシゥム合金材 1は、長尺状析出物 2と、 Mg Gdの晶出物と、長周期積層構造 3と、

3

を備える構成であることが分かる。なお、マグネシウム合金材の Mg Gdの晶出物は、

3

後記する溶体ィヒ処理により固溶体ィヒする力その添加量が多いと熱処理のときに過飽和固溶体として出現することが推測できる。そのため、マグネシウム合金材は、長尺状析出物 2のみ、または、長尺状析出物 2と、長周期積層構造 3とを備える状態である構成としても成り立つと推測できる。

[0028] [ (針状析出物または板状析出物） = ( j8相、 j8 '相、 β 1相の少なくとも一つ） = (Μ g Gdまたは

5 Zおよび Mg Gd) ]

7

マグネシウム合金材において針状析出物または板状析出物 (長尺状析出物 2)とは、 Xphase (X相 = |8相、 β ,相、 β 1相の少なくとも一つ）のことであり、所定の温度条件下で析出する析出物であり、この X相の出現により機械的な強度 (0. 2%耐カ）が向上する。この X相は、長尺状析出物 2が、細長い微細な針状または板状であり小さすぎると強度の向上に寄与せず、また、大きすぎると析出物が破壊の起点となって伸びの低下につながる。そのため、長尺状析出物 2は、その大きさ（長さ）が 0. 1〜20 μ mの範囲であることが好ましぐまた、 0. 2〜10 μ mの範囲であることがさらに好ましぐそして、 0. 3〜7 /ζ πιの範囲であることがより好ましい。なお、長尺状析出物 2は、縦横比が 2対 1より細長い状態となるものである。

[0029] また、図 3ないし図 5に示すように、長尺状析出物 2は、温度条件および温度時間により出現する相の状態が j8 '相から j8 1相に、 β 1相から j8相に替わることが分力つた。そして、ここで出現している長尺状析出物 2は、相の状態としては、 β '相、 β 1相、 j8相の少なくとも一つの状態が出現しており、相、 j8 1相、 j8相としての金属糸且成が Mg Gdまたは Mg Gdである力 Mg Gdおよび Mg Gdであることが分かった。

5 7 5 7

[0030] なお、 13 相の組成は Mg Gdであり、 β 1相および j8相は Mg Gdである。 13 1相と

7 5

j8相とは組成は同じであるが構造が異なるため、 β 1相と j8相と区別して呼ぶようにしている。つまり、区別する基準としては、 β 1相として、 Mg Gdの構造が六方最密構

5

造となっており、また、 j8相として、 Mg Gdの構造が体心立方格子となっていることに

5

よる。この Mg Gdまたは Zおよび Mg Gdによりマグネシウム合金材 1では、伸びを維

5 7

持した状態で合金の強度を向上させる。なお、同じ Mg Gdでありながら構造の変化

5

がでるのは、熱エネルギーにより、 β '相が j8 1相に変化するためであり、熱処理条件により、変化の途中で両者が混在する事例もありうる。

[0031] 図 3および図 4に示すように、長尺状析出物 2である β '相は、 Mg Gdが整列して平行に線状に並んだ状態として現れている。また、図 4に示すように、長尺状析出物 2 である j8 1相は、黒い短く針状あるいは板状の物が向きを交互に変えてジグザグな状態に現れている。さらに、図 5で示すように、長尺状析出物 2である |8相は、細長い針状あるいは板状として写真の中央に現れている。なお、図 3ないし図 5において、長尺状析出物 2 ( |8 '相、 |8 1相、 j8相の少なくとも一つ）の回りには、マトリックスが現れている。

[0032] (長周期積層構造およびその間隔）

長周期積層構造（Long Period Ordered Structure 略して LPOあるいは LPOS) 3 とは、例えば、規則格子が 14個並び逆位相のずれを介して再び規則格子が 14個並び、元の格子の数倍力も 10数倍の単位の構造が作られる。このような長い周期の構造を長周期積層構造という。この相は規則相と不規則相の間のわずかな温度範囲に出現する。電子線回折した図には規則相の反射が分裂して、 10倍の周期に対応する位置に回折斑点が現れる。この長周期積層構造 3は金属間化合物等にも表れることが知られている。

[0033] なお、 Mg Gd (Mg Zn Tbあるいは Mg Tm )は、铸造されて凝固してくるときに

3 3 3 2 24 5

粒界に晶出し、また、溶体ィ匕処理により固溶体ィ匕されて、長尺状析出物 2、あるいは、長周期積層構造 3を析出させるものとなる。

[0034] (合金組成）

[Zn: 0. 5〜3原子（at) %]

Znは、 0. 5at%未満であると、 Mg Gdを得ることができず強度が低下する。また、 Z

3

nは、 3at%を超えると添加量に見合った強度向上が得られず伸びが低下する（脆ィ匕する）。したがって、 Znは、ここでは、 0. 5〜3at%の範囲としている。

[0035] [RE (Gd、 Tb、 Tmの一つ以上）： 1〜5原子⁰ /₀]

Gd、 Tb、 Tmは、铸造のみでは、長周期積層構造 3を出現させないが、铸造後に所定の条件で熱処理をすることにより長周期積層構造 3あるいは長尺状析出物 2を析出させるものである。マグネシウム合金材 1では、熱処理の条件で長周期積層構造 3が析出して強度の向上を図ることができる力より高い強度を得るためには、 Mg G

3 d (Mg Zn Tbあるいは Mg Tm )の溶体化および熱処理により、長尺状析出物 2の

3 3 2 24 5

析出、または、 Mg Gd (Mg Zn Tbあるいは Mg Tm )の溶体化および熱処理によ

3 3 3 2 24 5

り、長尺状析出物 2の析出と、晶出する Mg Gd ( (Mg Zn Tbあるいは Mg Tm )を

3 3 3 2 24 5 混在させてもよい。

[0036] そのため、マグネシウム合金材 1において Gd、 Tb、 Tmの少なくとも 1種からなる RE は、所定量を必要とする。マグネシウム合金材 1において Gd、 Tb、 Tmの少なくとも 1 種は、総量で lat%未満であると Mg Gd(Mg Zn Tbあるいは Mg Tm )および長

3 3 3 2 24 5 尺状析出物 2を析出させることができず、また、総量で 5at%を超えると添加量に見合つた強度向上が得られず伸びが低下する。そのため、マグネシウム合金材 1において Gd、 Tb、 Tmの少なくとも 1種からなる REは、ここでは、総量で l〜5at%の範囲としている。

[0037] したがって、マグネシウム合金材 1は、合金組成にお!、て、原子％による組成力組成式 Mg Zn REで示される範囲となる（組成式中、 0. 5≤a≤3, l≤b≤5)。な

100-a-b a b

お、本発明において、前記した成分以外にも、本発明のマグネシウム合金の効果に影響を与えな、範囲にぉ、て、他の成分を不可避的不純物の範囲で添加することができ、例えば、微細化に寄与する Zrを 0. 1〜0. 5at%程度含んでいても構わない

[0038] つぎに、マグネシウム合金材の製造方法について説明する。

図 6は、マグネシウム合金材の製造方法を示すフローチャート、図 7はマグネシウム合金材の溶体化処理および熱処理の温度と時間の関係を模式的に示すグラフ図である。

マグネシウム合金材 1は、はじめに铸造工程 S1により铸造される。ここでは、マグネシゥム合金材 1として、組成式 Mg Zn REで示され、 REが Gdであるものとして

100-a-b a b

いる。そして、铸造された铸造材は、つぎに、溶体化工程 S 2において溶体化処理 (R Eが固溶体化）される。このときの溶体化処理の温度は、一例として 520°Cで 2時間行つた。铸造材は、溶体化処理により铸造で生じた Mgと、 Gd(Tb、 Tm)の化合物がマトリックス中に溶け込み固溶体ィ匕する。なお、溶体化処理は、 500°C以上で 2時間以上保持することが好ましい。

[0039] さらに、溶体化処理をした铸造材を所定条件で熱処理する熱処理工程 S3を行う。

この熱処理工程 S3を行うことで、長尺状析出物 (X相 = β 相、 β 1相、 j8相の少なくとも 1つ） 2、長周期積層構造 3が析出すると共に、晶出物の Mg Gd (Mg Zn Tbあ

3 3 3 2 るいは Mg Tm )、 Mg Zn Gdが混在する場合がある。

24 5 3 3 2

[0040] 熱処理工程 S3は、二つの条件としてここでは示している。つまり、好ましい範囲の条件 (条件 1)とより好ま、範囲の条件 (条件 2)との 2つである。

熱処理工程 S3の条件 1としては、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（hr)を xとしたとき、 -18 [In (x) ] + 240< y < -12 [In (x) ] + 375T\力つ、 2<χ< 300に示す範囲の条件で行っている（図 8参照、条件 1である熱処理温度および熱処理時間の示す領域は、四角形で囲むエリアの範囲)。

[0041] また、熱処理工程 S3の条件 2としては、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（hr) を tとしたとき、 330-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t≥5に示す範囲の条件で行つている（図 9参照、条件 2である熱処理温度および熱処理時間の示す領域は、黒四角のポイントが含まれる Mg Gd+Xphaseの線内として示されるエリア内の範囲）。

3

熱処理工程 S3では、条件 1で設定した範囲のほうがより広い領域となり、条件 2で設定した範囲のほうが多少狭い領域となる力条件 2は、熱処理工程 S3において、より好まし、範囲として示されて、る。

[0042] 熱処理工程 S3を所定条件で行うと、マグネシウム合金材 1として、特に強度を向上することができる長尺状析出物 (X相 = j8 '相、 j8 1相、 j8相の少なくとも 1つ） 2が析出する相領域の構造となる。図 8は、条件 1での熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図、図 9は、条件 2での熱処理温度と熱処理時間における金属組織に析出する析出物の区域を示すグラフ図、図 10は、マグネシウム合金材の 300°Cおよび 250°Cにおける 10時間、 60時間および 100時間での金属組織の状態を示す TEM写真である。なお、図 10では、すべて同スケールとなるように撮影している。

[0043] 図 8に示すように、長尺状析出物 (X相： Xphase= β '相、 β 1相、相の少なくとも 1つ） 2が析出する範囲は、前記した所定の熱処理条件の範囲である。なお、図 8に示すように、ここでは、長尺状析出物 2 (Mg Gdまたは Zおよび Mg Gd)と併せて Mg

7 5

Gdの析出物も析出している。マグネシウム合金材 1は、長尺状析出物 2 (Mg Gdま

3 7 たは Zおよび Mg Gd)を析出させることで、 0. 2%耐カを向上できることが分かる（図

5

11参照： Cast- T6材）。

[0044] また、図 10に示すように、熱処理温度が 300°Cで、熱処理時間をそれぞれ 10時間、 60時間、および、 100時間としたとき、および、熱処理温度が 250°Cで、熱処理時間をそれぞれ 60時間、および、 100時間としたときに、長尺状析出物 2である '相、 β 1相、 j8相の少なくとも 1つが析出していることが分力つた。また、熱処理時間を 10 0時間以上としても X相である |8 '相、 |8 1相、 j8相の少なくとも 1つは析出するが実用的な範囲を考慮したときに、マグネシウム合金材 1の熱処理温度範囲は、前記した条件 1となる一 18 [ln (x) ] + 240<y<— 12[ln(x) ] + 375で、力つ、 2<x< 300に示す範囲、あるいは、前記した条件 2となる 330-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t ≥ 5に示す条件となる。

[0045] 熱処理された铸造物は、つぎに、必要に応じて塑性加工される塑性加工工程 S4が行われる。この塑性カ卩ェ工程 S4の塑性カ卩ェは、押出加工あるいは鍛造カ卩ェであつてもよい。塑性加工された塑性加工物は、 0. 2%耐力が著しく向上することになる。図 11は熱処理工程のつぎに押出加工を行ったマグネシウム合金材 (押出し材)の 0. 2%耐力と伸び率の関係を示すグラフ図である。図 11に示すように、熱処理工程 S3 を行い塑性カ卩ェ工程 S4である押出加工を行ったマグネシウム合金材 1は、高い 0. 2 %耐力の値を示すことが分力る。

[0046] また、マグネシウム合金材 1は、熱処理工程 S3および塑性カ卩ェ工程 S4において、 0. 2%耐力が向上される場合、長尺状析出物 W相、 |8 1相、 j8相の少なくとも 1つ ) 2を備えていることが重要であり、その他に、 Mg Gd (Mg Zn Tbあるいは Mg T m )の晶出物、または、長周期積層構造 3を析出する場合においても、長尺状析出

5

物 W相、 j8 1相、 j8相の少なくとも 1つ） 2が析出している状態であれば、 0. 2%耐力が向上される。

[0047] なお、押出加工前後での金属組織の状態を図 12に示す。図 12は、マグネシウム合金材の長尺状析出物が出現している熱処理温度 250°Cで 60時間熱処理した後、押出加工したときの金属組織の TEM写真、および、 500°Cで 10時間熱処理したときの金属組織の TEM写真を比較する説明写真である。なお、図 12では、すべて同スケールとなるように撮影している。図 12に示すように、 500°Cで 10時間熱処理を行ったものは、押出加工前では、長周期積層構造 3が直線的に形成されている力 X相 ( β '相、 j8 1相、 j8相の少なくとも 1つ）は全く析出していない。同様に、押出加工後においても、粒界がはっきりしない状態で、かつ、長周期積層構造 3が変形した状態となり X相（ι8 '相、 β 1相、 j8相の少なくとも 1つ）は全く析出していない。これに対して、 25 0°Cで 60時間熱処理を行ったものは、押出加工前に多数の Mg Gdの晶出物、およ

3

び、微細な X相である β 相、 β 1相、 β相の少なくとも 1つ (長尺状析出物 2)が無数に析出している。同様に、押出加工後であっても、多数の Mg Gdの晶出物、および、

3

微細な X相である β 相、 β 1相、 β相の少なくとも 1つ (長尺状析出物 2)が無数に存在している。

[0048] また、図 11に示すように、 250°Cで 60時間にお!/、て熱処理を行ったマグネシウム合金材が、押出加工前後において、 0. 2%耐力が高い値を示していることが分かる。したがって、図 8および図 9に示すように、 |8 '相、 |8 1相、 j8相の少なくとも 1つ (X 相 (Xphase) )が出現している領域のマグネシウム合金材 1では、長周期積層構造 3 を備える領域のマグネシウム合金材よりも、 0. 2%耐力が向上する構造となっている

[0049] なお、図 6で示す塑性加工工程 S4は、熱処理された铸造物に塑性加工 (押出加工、鍛造力卩ェ)を加えることで強度が向上できるため、マグネシウム合金材 1の目的に応じて行っても構わない。また、塑性カ卩ェ後のマグネシウム合金材 1は、所定の形状に切削等により加工されて製品化される。また、ここでは、マグネシウム合金材 1の製造方法として、铸造工程 S1から塑性加工工程 S4までを一連の工程として示したが、铸造工程 SIから熱処理工程 S3までを一連の工程とし、塑性カ卩ェ工程 S4は、製品挿入先にお、て行われるようにしても構わな、。

実施例

[0050] つぎに、本発明の実施例につ!、て説明する。なお、ここで示す実施例は一例であり本発明を限定するものではない。図 13は、熱処理温度と熱処理時間との関係を示すグラフ図、図 14は機械的性質の評価を行うための各工程を示すブロック図、図 15は铸造したインゴットに 60時間の熱処理を各温度で行ったときの TEM写真、図 16は実施例にお 1ヽて従来の金属組織の状態を示す TEM写真である。

[0051] マグネシウム合金材として、 Znを lat%、 Gdを 2at%とし、残部を Mgと不可避的不純物の Mg- Zn- Gd合金として溶解炉に投入し、フラックス精鍊により溶解を行った。つづいて加熱溶解した材料を、図 14に示すように、金型で铸造し（S1) φ 29mm X L 60mmのインゴットを作成し、さらに、铸造したインゴットを 520°Cで 2時間において溶体化処理を行い（S2)、その後、各温度で熱処理を行い（S3)、押出し温度 400°Cにおいて押出比 10として塑性カ卩ェ (S4)を行ったものと、塑性カ卩ェを行わな力つたもの (実施例）を製造し、室温において引張試験を行った。なお、引張試験におけるひずみ速度は、 ε = 5. O X 10—⁴ (s— である。また、溶体化処理、および、熱処理は、マツフル炉により行い、各温度は、図 13に示す温度で、 2時間、 4時間、 10時間、 20時間、 40時間、 60時間および 100時間において熱処理を行っている。なお、図 14では、溶体ィ匕および熱処理をまとめて熱処理として記載している。図 13に示すように、ここでは、合わせて前記した各温度および各時間において 53通りの試験用のマグネシゥム合金材につ、て試験を行って、る。

[0052] 図 15 (a)に示すように、金属組織の状態は、溶体ィ匕のままでは、 Mg Gdを示す相

3

が出現しているだけであることが分力つた。図 15 (b)に示すように、 60時間の熱処理を 250°Cで行ったときの金属組織の状態は、 X相である相、 j8 1相、 j8相の少なくとも 1つ (長尺状析出物 2)が析出し、 Mg Gdを示す相と混在していることが分力つた

3

。図 15 (c)に示すように、 60時間の熱処理を 350°Cで行ったときの金属組織の状態は、 Mg Gdを示す相と、 14H- LPOを示す相（長周期積層構造）が析出していること

3

が分かった。図 15 (d)に示すように、 60時間の熱処理を 450°Cで行ったときの金属組織の状態は、 14H - LPOを示す相が析出していることが分力た。さらに、図 15 (e )に示すように、 60時間の熱処理を 500°Cで行ったときの金属組織の状態は、 14H- LPOを示す相が析出し、 Mg Zn Gdを示す相と混在していることが分力つた。

3 3 2

[0053] 図 16に示すように、 500°Cで熱処理時間なし (溶体ィ匕のまま）と、 500°Cで 2時間、

10時間および 60時間の熱処理を行ったマグネシウム合金材につ、て、金属組織中に 14H- LPOを示す相の析出または Mg Gdを示す相の単独、あるいは、 14H-LP

3

Oを示す相の析出および Mg Gdを示す相の混在することは分かった力 X相である

3

一相、 1相、相の少なくとも 1つ (長尺状析出物 2)の析出は確認できていない。また、表 1は図 13に示すもののうち代表的なものを実施例 1から実施例 5とし、同様に、図 13の代表的なものを比較例 1、 2として各工程の条件を示し、表 2は実施例と比較例とにおける組織の形態と、 0. 2%耐力と、伸び率を示すものである。

[0054] [表 1]

[0055] [表 2]

[0056] 実施例 1な!、し実施例 5のマグネシウム合金材は、、ずれも金属組織中に Mg Gd および X相を析出して有しており、高い 0. 2%耐力と伸びを有する（図 11参照)。一方、比較例 1および比較例 2のマグネシウム合金材は、長周期積層構造のみを備えているため、 X相を析出しているものと比較して 0. 2%耐力が低下していることが分力る（図 11参照)。

この結果、図 8で示す条件 1で熱処理温度および熱処理時間を行うことでより広範囲において低い温度であっても、 j8 '相、 j8 1相、 j8相のいずれか一つを析出することがわかった。表 2では、実施例 1, 2において X相は、 β '相、 β 1相、 |8相のいずれか一つである。なお、図 8において四角形の外形線と一点鎖線で区切られる領域が j8相として現れ、一点鎖線と点線で区切られる領域が j8 1相として現れ、点線と四角形の外形線で区切られる領域が j8 相として現れる。また、 j8 '相、 j8 1相、 j8相のいずれか一つの存在により押出後の機械的性質が向上することは条件 2において分かつているため、条件 1でも、条件 2と同様に、押出後の機械的性質が向上する（図 11 参照)。

このように、マグネシウム合金材は、 X相（針状析出物または板状析出物 =長尺状析出物 = j8 '相、 j8 1相、 j8相のいずれか一つ）を析出することで、 Mg-Zn-RE系合金であっても、さらに機械的性質に優れた材料として使用することが可能となる。なお、 j8相、 j8 1相、 j8 '相は、製品のサイズあるいは铸造時点での結晶粒径により、同一熱処理であっても部位ごとの組織形態は異なり、これらの相が単独あるいは混在して存在する場合もありうる。

Claims

請求の範囲

[1] 必須成分として Zn、および、 REとして Gd、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物力もなる Mg-Zn-RE系合金であり、当該 Mg-Zn- RE系合金に針状析出物または板状析出物を有することを特徴とするマグネシウム合金材。

[2] 前記針状析出物または板状析出物は、 Mg Gdまたは

5 Zおよび Mg Gdであること

7

を特徴とする請求項 1に記載のマグネシウム合金材。

[3] 成分範囲を前記 Zn: 0. 5〜3原子％、前記 RE : 1〜5原子％であることを特徴とする請求項 1に記載のマグネシウム合金材。

[4] マグネシウム合金材の製造方法において、

必須成分として Zn、および、 REとして Gd、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物力もなる Mg-Zn-RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、

前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、

前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（h)を Xとしたとき、 -18 [In (x) ] + 240< y < -12 [In (x) ] + 375T\力つ、 2<χ< 300に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。

[5] マグネシウム合金材の製造方法において、

必須成分として Ζη、および、 REとして Gd、 Tb、 Tmのうち少なくとも 1つ以上を含有し、残部が Mgと不可避的不純物力もなる Mg-Zn-RE系合金を铸造して铸造材を形成する铸造工程と、

前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、

前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、

前記熱処理した铸造材に塑性加工を施す塑性加工工程と、を含み、

前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を yとし、熱処理時間（h)を Xとしたとき、 -18 [In (x) ] + 240< y < -12 [In (x) ] + 375T\力つ、 2<χ< 300に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。

[6] マグネシウム合金材の製造方法において、

前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、

前記溶体化した铸造材に所定条件で熱処理を行う熱処理工程と、を含み、前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（h)を tとしたとき、 330-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t≥ 5に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。

[7] マグネシウム合金材の製造方法において、

前記铸造材を溶体化する溶体化工程と、

前記熱処理工程は、熱処理温度 (°C)を Tとし、熱処理時間（h)を tとしたとき、 330-20 X In (t) <T< 325であり、かつ、 t≥ 5に示す範囲の条件で行うことを特徴とするマグネシウム合金材の製造方法。

[8] 前記塑性カ卩ェ工程における塑性カ卩ェは、押出加工または鍛造カ卩ェであることを特徴とする請求項 5または請求項 7に記載のマグネシウム合金材の製造方法。