超塑性マグネシウム合金材の製造法
【課題】マグネシウム合金材の組織が微細結晶粒からなるマグネシウム合金材を簡便に得ることのできる超塑性マグネシウム合金材の製造法を提供する。
【解決手段】マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱する。
【解決手段】マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用したマグネシウム合金の結晶粒微細化に係るものであり、超塑性特性を発現するマグネシウム合金材の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は、結晶粒が小さくなるほど強度、靱性および耐食性が大きくなることが知られている。その結晶粒を数μｍ以下にすると超塑性現象が発現し、常温では極めて高強度でありながら特定の加熱条件下で加工性が飛躍的に向上する。
一般的な超塑性の定義は、「多結晶材料の引張変形において、変形応力が高い歪み依存性を示し、局部収縮を生じることなく数百％以上の巨大な伸びを示す現象」とされており、具体的には、等軸状で１０μｍ以下の小さな結晶粒を有する材料が、絶対温度で表された融点の１／２以上の温度に加熱した条件下で、歪み速度１０-4／ｓ程度で変形したとき、１０ＭＰａ以下の低い変形応力で巨大な伸びを発現すると言われている。ただし、工業生産で要求される歪み速度は１０-2／ｓ程度であり、この歪み速度で３００％以上の伸びを示す場合は高速超塑性と呼ばれる。
【０００３】
鉄鋼材料および非鉄金属材料の結晶粒微細化方法としては、結晶粒の成長抑制元素を添加する方法、加工熱処理による変態、析出、再結晶を利用する方法、強せん断加工を加える方法などが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
鉄鋼材料は、加工熱処理による変態、析出、再結晶を利用する方法が有効で、実験室規模で１μｍ未満の微細結晶粒組織が得られているが、大量生産に対応するため如何に工程を簡素化できるかが課題である。
【０００４】
一方の非鉄金属材料、特にアルミニウムについては、従来、１０μｍ以下の微細結晶粒組織を均一に作ることが難しく、日本においては３μｍ以下の微細結晶粒組織創製のため新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）によるプロジェクトとして平成９年から５年計画で技術開発が行われたが、その基本となる技術は材料に強せん断加工を加える方法である。
【０００５】
最近、マグネシウム合金が、軽量かつ強靱で高い振動吸収性を有する特長を生かしてノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話の筐体材料として多用されている。マグネシウム合金は結晶構造が六方最密充填構造であるため、室温での延性が低く、高速プレス成形が難しい。そこでダイキャストやチクソモールディングが主な成形方法として用いられているが、ダイキャストやチクソモールディングは歩留まりが悪く、仕上げ工程も多いため、製造コストが高いという欠点があり、製造コスト低減の可能性がある高速プレス成形の実現が望まれている。
【０００６】
この課題を解決するため、１μｍ以下の微細結晶粒組織を得るための技術開発が行なわれている。その主な手法はアルミニウムと同様に強せん断加工を加える方法で、一般的には、押出し、ロール圧延によるものであるが、最近ではＥＣＡＰ法（Equal Channel Angular Pressing法）などが開発されている。
押出しは、文字通りビレットまたはスラブを所定の形状の穴を有するダイスから押出す方法で、一般的にはダイスのオリフィスを通して押出す直接法が用いられる。例えば、純マグネシウムは６２３〜６７３Ｋにビレットまたはスラブを加熱し押出すが、アルミニウムに較べるとビレット温度と押出し速度のバランスが難しく、温度が少しでも低いと押出されず、温度を上げると酸化してしまう欠点があり、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金（ＡＺ合金）
などはさらに精密な制御が必要である。
【０００７】
ロール圧延は、マグネシウム合金を上下のロールで加圧しながら一方向に送り出す方法で、繰り返し接合圧延（Accumulative Roll Bonding)、異周速圧延、溶湯圧延、温間圧延などが研究されている。
繰り返し接合圧延は、圧延された板を長さの方向に半割りし、脱脂等の表面処理を施した後、二枚の板を重ね合わせて再度圧延する方法である。この方法は板厚を変化させずに強せん断加工できる特長を有するが、製造コストが高い。
【０００８】
異周速圧延は、上下のロールの周速を変えて材料に強せん断加工を加える方法であるが、無潤滑で圧延するため不均一なせん断力を受け易く、ロールへマグネシウム合金が巻き付くことで表面状態が悪化する欠点がある。
溶湯圧延は、添加元素を過飽和に固溶させた溶湯を水冷したロールに流し込むなどで急速冷却する方法で、添加元素が再結晶核発生を促すと同時に結晶粒の成長を抑制する効果があるが、酸化されやすいマグネシウム合金は、十分な雰囲気調整が必要で大量生産に向かない。
【０００９】
温間圧延は、再結晶温度以上で圧延する熱間圧延と常温で圧延する冷間圧延の中間に相当する温度で圧延する方法で、例えばアルミニウム合金の一つであるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金に適当量のＺｒを添加した合金では、微細結晶粒組織が得られるなど一部の合金で効果が確認されている。しかし、比熱容量の小さなマグネシウム合金では、中間温度の制御は非常に難しく、十分な効果が確認されていない。
【００１０】
ＥＣＡＰ法は、ある角度を持った穴を有するダイスの中にビレットまたはスラブを入れ、加圧、押出すことでビレットまたはスラブに強せん断力を加える方法で、微細結晶粒組織を得る方法として非常に効果的であり注目を集めているが、ビレットまたはスラブは加工硬化を受けるため繰り返し強せん断力を加えるには、非常に大きな押出し力を必要とし、工業的に用いる大きなビレットまたはスラブに適用するには非現実的である。
【００１１】
なお、ＥＣＡＰ法の欠点を補う方法として、ＥＣＡＰ法を連続化した連続せん断変形加工法（Conshearing 法）も提案されている（非特許文献１参照）。
何れの方法も溶製したビレット等を強せん断加工する方法であり、せん断加工に非常に大きな応力を必要とするか、または強せん断加工によってマグネシウム合金は必要以上に薄く、長く変形させられてしまうので、適用できる製品が限定される欠点がある。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−０４１３３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４４７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１０５５６８号公報
【特許文献４】特開２０００−２７１６９３号公報
【非特許文献１】Saitou外２名、「PROPOSAL OF NOVEL CONTINUOUS HIGH STRAINING PROCESS-DEVELOPMENT OF CONSHEARING PROCESS」、Advanced Technology of Plasticity 、Vol.III 、Proceedings of the 6th International Conference on Technology of Plasticity 、Sept, 19〜24, 1999、p.2459〜2464
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するものであって、微細結晶粒組織を有し且つ超塑性特性を発現するマグネシウム合金材を簡便に得ることのできる超塑性マグネシウム合金材の製造法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法では、マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱することで上記課題を解決している。
多くの場合、金属材料に伝えられた振動は、やがて減衰し最後に停止する。振動が減衰する機構は二つあり、一つは外部摩擦（external friction)と呼ばれ、振動している金属材料から外部へ空気等を介して振動エネルギーが放出される機構である。他の一つは内部摩擦(internal friction) で、金属材料内部で振動エネルギーが熱あるいは歪み等に変換される機構である。内部摩擦は減衰能(damping capacity)とも呼ばれる。
【００１５】
減衰能は、振動エネルギーの変換機構の違いによって次の四つに分類される。
（１）母相と第２相との間の界面で粘性流動または塑性流動をおこすことによるもの。
（２）磁区壁の非可逆移動によるもの。
（３）不純物原子によってトラップされた転位が離脱、移動することによるもの。
（４）変形双晶の形成によるもの。
【００１６】
マグネシウム合金に印加された超音波振動エネルギーは、（３）の不純物原子によってトラップされた転位が離脱、移動することによって消費されるか、あるいは（４）の変形双晶の形成によって消費されると考えられる。
このときマグネシウム合金には、機械的なせん断応力を加えるのと同様の大きな歪みが導入されるため、マグネシウム合金を絶対温度で表されるその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱すると、転位や変形双晶が再配列または相互に合体消滅することによるエネルギー開放の過程で等軸状の微細結晶粒から再結晶組織に変化する。
【００１７】
マグネシウムは固有減衰能が金属の中で最大の６０％以上を示し、振動エネルギーの多くを歪みとして蓄積するが、強度及び耐食性を改善したマグネシウム合金もマグネシウムほどではないが大きな固有減衰能を示す。
固有減衰能は、次式の通り、振動する物体の１サイクルあたりの振動エネルギー損失率（Specific Damping Capacity，S.D.C）で表される。
S.D.C(％) ＝ (ΔＷ／Ｗ）×１００
ここでＷは振動エネルギー、ΔＷは１サイクルに失われるエネルギーである。
【００１８】
マグネシウム合金としては、Ｍｇ−Ａｌ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｍｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇ−ＲＥ−Ｚｎ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ａｇ−ＲＥ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ｙ−ＲＥ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ−ＲＥ（ＲＥはレアアース）などが実用合金として知られている。しかし、Ｍｇ−Ａｌ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金またはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−ＲＥの中でもＡｌ添加量の多いマグネシウム合金は固有減衰能が小さい。例えば、Ｍｇ−１０％Ａｌ合金（ＡＭ１００）、Ｍｇ−９％Ａｌ−１％Ｚｎ合金（ＡＺ９１）、Ｍｇ−６％Ａｌ−３％Ｚｎ合金（ＡＺ６３）などは固有減衰能が１０％未満である。
【００１９】
固有減衰能が１０％未満では、超音波振動エネルギーの多くは外部摩擦としてマグネシウム合金の外部に放出されるため、マグネシウム合金に歪みを導入するためのエネルギー効率が著しく低下する。したがってマグネシウム合金は、固有減衰能１０％以上のマグネシウム合金が最適である。
固有減衰能は、一般的に金属材料固有の指標として用いられる場合が多いが、組織状態の違いにも影響を受け、同じ合金であっても組織の結晶粒径が微細な場合、また転位や変形双晶が多い場合は大きくなることが知られている。マグネシウム合金は加工硬化し易い金属であり、合金の表面に外部応力を加えると合金表層部には多くの転位や変形双晶が形成される。
【００２０】
超音波を印加する前にマグネシウム合金の表面を加工硬化処理すると、合金表層部に転位や変形双晶が形成される。水や有機溶媒などの伝達媒体を介してマグネシウム合金表面に伝達される超音波振動エネルギーは、合金表層部に形成された転位や変形双晶によって効果的に吸収され、さらに、マグネシウム合金そのものの高い固有減衰能との相乗効果で、歪み導入が高効率で行われる。一方、超音波振動子の支持体、かつ超音波伝送体としての役割を果たす金属部材（コーン）にマグネシウム合金を接合することで合金内部に直接伝達される超音波振動エネルギーは、合金表層部に形成された転位や変形双晶によってマグネシウム合金内部に閉じ込められ易くなるため、マグネシウム合金そのものの高い固有減衰能との相乗効果で、歪み導入が高効率で行われる。
【００２１】
歪みは大量に導入されるほど再結晶核発生が促進されるため、結晶粒径のより一層の微細化が進行する。
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理する方法には、合金表面の粗研磨、ショットピーニング、ハンマー等による打撃、湾曲加工などがあるが、表面の加工硬化に有効な手段であればこれらの方法に限定されない。
前記の加工硬化処理方法の中では、平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨を行う方法とショットピーニングが最適である。
【００２２】
平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨は、平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を紙に固定した研磨紙、平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を分散した研磨液を使用したバフ研磨、さらに平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を混合したペーストを使用したクロス研磨などがある。この平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨は、極めて簡便な方法であり、目的とする位置に、目視可能な状態で加工硬化処理の有無が確認できる特徴があり、超音波印加との相乗効果による歪み導入の高効率化が実現し易い。ただし、平均粒径４０μｍ未満ではせん断応力が合金表層部の浅い領域にしか加わらないため、転位や変形双晶の形成も不十分となり、その後に行う超音波印加との相乗効果による歪み導入の効率は低下する。
【００２３】
一方、ショットピーニングは粒径２０〜１２０μｍ程度の金属粒（Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｒ、軟鋼、高速度鋼など）やセラミック粒（ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2など）をマグネシウム合金表面に圧縮空気などを利用して３０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射して、合金表層部に圧縮応力を加える方法で、表面加工硬化処理の一種である。このショットピーニングは金属粒やセラミック粒の粒径を任意に変更することが可能であり、噴射速度を上昇させることで合金表層部の比較的深い数百μｍ領域まで転位や変形双晶を形成させることが可能なため、超音波印加との相乗効果による歪み導入の高効率化が実現し易い。
【００２４】
超音波を印加したマグネシウム合金は、加熱処理することで再結晶化が行われる。このとき、好ましくは、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度でマグネシウム合金を加熱する。絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．６を乗じた温度より高い加熱温度領域では、結晶粒が次第に大きくなる。また、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５を乗じた温度より低い加熱温度領域では、マグネシウム合金内部で歪みの一部が消失する回復が行われるが、再結晶粒の発生確率が小さくなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法によれば、マグネシウム合金の形状変化なしに大きな歪みを導入することが可能となり、マグネシウム合金の組織が微細結晶粒からなる超塑性マグネシウム合金材を簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
マグネシウム合金の形状には、特別な制限を設けない。例えば、粉末固化成形体または溶製材である板材、棒材、パイプあるいは目的形状にプレス成形した成形体等を用いることができる。粉末固化成形体とは、粉末焼結体あるいは粉末の圧縮せん断によって作製した固化成形体などであり、溶製材とは、鋳造物あるいは溶融後固化したマグネシウム合金を目的の形状にプレス加工または押出し加工したものなどである。
【００２７】
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理するが、その手法としては平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨やショットピーニングが最適である。例えば、＃４００（砥粒径４０μｍ）の耐水研磨布を使用し、水を滴下しながらマグネシウム合金の表面を万遍なく研磨するだけで良い。ただし、乾式研磨する場合には摩擦熱によりマグネシウム合金表面の酸化が著しく進む場合があるので、アルゴン等の不活性雰囲気で行うのが最良である。また、乾式研磨を激しく行うと大きな摩擦熱により、転位や変形双晶の形成と同時に再結晶が進行する動的再結晶が起こり、合金表層部は微細結晶粒からなる再結晶組織となる場合があるが、固有減衰能は結晶粒微細化によっても向上するため、その後に行う超音波印加で歪み導入は効率的に行われる。
【００２８】
ショットピーニングに使用する粒子はマグネシウム合金との合金化を防止するため、セラミックス粒が好適で、高速で噴射するほど合金表層部の深くまで転位や変形双晶を形成することが可能となるが、合金表層部はクレータ状の凹凸ができるため、１００μｍ以下のセラミック粒を５０ｍ／ｓ以下の速度で噴射することが好ましい。
一般的にマグネシウム合金圧延板は圧延工程で大きなせん断応力を受けるため、表層部には転位や変形双晶が形成されている。さらに、圧延工程で板が撓んだり、巻き取りによって一方の面が他方の面より大きな圧縮応力を受けるため、転位や変形双晶はどちらか一方の面がより表層部深くまで形成されている場合が多い。このような圧延板では、加工硬化処理を行うことにより大きな超音波印加との相乗効果が得られる。
【００２９】
マグネシウム合金へ超音波を印加する方法としては、マグネシウム合金にコーンを接合させ、一定時間超音波を印加する方法がある。コーンとマグネシウム合金を接合する手段は、端面に細目平行雄ネジを有するコーンを細目平行雌ネジを有するマグネシウム合金にねじ込み接合する方法、あるいはコーンとマグネシウム合金の両方の端面に雌ネジを切り、別途製作した雄ネジを使用して両方を締め付け接合する方法などがある。
【００３０】
その他、水中または有機溶媒中にマグネシウム合金を入れ、コーンに振幅を増大させる金属部材（ホーン）を接続し、増幅した振動を水または有機溶媒を介してマグネシウム合金に伝達、あるいはマグネシウム合金を超音波振動子が装着された液槽（ステンレス鋼製、チタン製など）に入れ、水または有機溶媒を介して超音波を伝達させるなど伝達媒体を介して振動を伝達させることも可能であり、効率よく安全に振動を伝達できる方法であれば、上記以外の方法を用いても差し支えない。
【００３１】
超音波の振動数と出力および印加時間は、マグネシウム合金の融点、固有減衰能、大きさなどを十分考慮に入れ最適値を決定しなければならないが、例えば高減衰能合金のマグネシウム合金であるＭｇ−３％Ａｌ−１％Ｚｎ合金（ＡＺ３１）圧延材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍ）では、底部に超音波振動子が装着されたステンレス鋼製水槽を使用し、純水を入れた水槽にＡＺ３１圧延材試験片を浸漬し、周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間程度印加すると良い。
【００３２】
超音波を印加したマグネシウム合金は、再結晶温度で１ｈ程度加熱処理される。再結晶温度は、好ましくは絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０．６を
乗じた温度範囲内とする。再結晶温度は、この温度範囲で、マグネシウム合金の種類、純度、内部歪みの程度などによって変化するが、内部歪みが増加するにしたがって再結晶温度は低下する傾向がある。すなわち、大きな内部歪みを受けたマグネシウム合金では、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０，６を乗じた温度で加熱すれば、結晶粒の成長が抑制され、目的とする超塑性マグネシウム合金材が得られ易い。
【００３３】
例えばＡＺ３１は、再結晶温度が３２３〜５５４Ｋの温度範囲と予想され、この温度範囲の任意の温度で１ｈ真空中で加熱する。真空以外であればアルゴン雰囲気下で加熱することが好ましい。窒素、水素または酸素中で加熱すると、これらとの化合物を形成し、表面性状や機械的性質を悪化させる。なお、耐酸化性に優れた高純度マグネシウムや耐食マグネシウム合金であれば大気中加熱でも構わない。
【００３４】
超音波を印加した後、再結晶化したマグネシウム合金は、初期形状を維持したまま、その結晶粒径は、超音波を印加する前の約１／１０以下となる。例えばＡＺ３１圧延材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍ）は、材料の大きさは変化せず、結晶粒径４０〜５０μｍであった結晶組織が等軸状の結晶粒径３〜４μｍの結晶組織となり、超塑性を発現するＡＺ３１材へ改質することが可能である。
【００３５】
以上に示すような本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法によれば、マグネシウムまたはマグネシウム合金材の形状を変化させることなしに、内部組織が均一な微細結晶粒組織からなる超塑性マグネシウム合金材を得ることができる。
なお、本発明による超塑性マグネシウム合金材の製造法は、純マグネシウムにも適用可能であり、さらにマグネシウム合金の圧延あるいは押出し工程と組み合せて使用することができる。
【実施例】
【００３６】
〔実施例１〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。このＡＺ３１圧延材試験片の表面を＃４００の耐水研磨紙（砥粒径４０μｍ）で初期表面が研磨キズで観察されなくなるまで万遍なく粗研磨した。
【００３７】
超音波の印加手段として、粗研磨後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度４５３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．４９で、１ｈ加熱処理を行った。
【００３８】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ１８０％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は３．３μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１２であった。
【００３９】
〔実施例２〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。このＡＺ３１圧延材試験片の表面に１００μｍのジルコニウム粒を万遍なく圧縮空気により５０ｍ／ｓ
の速度で噴射することでショットピーニングを実施した。
超音波の印加手段として、ショットピーニング後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度５２３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．５７で、１ｈ加熱処理を行った。
【００４０】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ２００％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は３．０μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１３であった。
【００４１】
〔実施例３〕
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度３２４Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．３５で、１ｈ加熱処理を行った以外は実施例１と同様の操作を行った。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ１６０％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は４．０μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１０であった。
【００４２】
〔比較例１〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。
超音波の印加手段として、洗浄後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度４５３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．４９で、１ｈ加熱処理を行った。
【００４３】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ９０％を示し、超塑性現象が発現しなかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は１０．５μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／４であった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波を利用したマグネシウム合金の結晶粒微細化に係るものであり、超塑性特性を発現するマグネシウム合金材の製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属材料は、結晶粒が小さくなるほど強度、靱性および耐食性が大きくなることが知られている。その結晶粒を数μｍ以下にすると超塑性現象が発現し、常温では極めて高強度でありながら特定の加熱条件下で加工性が飛躍的に向上する。
一般的な超塑性の定義は、「多結晶材料の引張変形において、変形応力が高い歪み依存性を示し、局部収縮を生じることなく数百％以上の巨大な伸びを示す現象」とされており、具体的には、等軸状で１０μｍ以下の小さな結晶粒を有する材料が、絶対温度で表された融点の１／２以上の温度に加熱した条件下で、歪み速度１０-4／ｓ程度で変形したとき、１０ＭＰａ以下の低い変形応力で巨大な伸びを発現すると言われている。ただし、工業生産で要求される歪み速度は１０-2／ｓ程度であり、この歪み速度で３００％以上の伸びを示す場合は高速超塑性と呼ばれる。
【０００３】
鉄鋼材料および非鉄金属材料の結晶粒微細化方法としては、結晶粒の成長抑制元素を添加する方法、加工熱処理による変態、析出、再結晶を利用する方法、強せん断加工を加える方法などが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４参照）。
鉄鋼材料は、加工熱処理による変態、析出、再結晶を利用する方法が有効で、実験室規模で１μｍ未満の微細結晶粒組織が得られているが、大量生産に対応するため如何に工程を簡素化できるかが課題である。
【０００４】
一方の非鉄金属材料、特にアルミニウムについては、従来、１０μｍ以下の微細結晶粒組織を均一に作ることが難しく、日本においては３μｍ以下の微細結晶粒組織創製のため新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）によるプロジェクトとして平成９年から５年計画で技術開発が行われたが、その基本となる技術は材料に強せん断加工を加える方法である。
【０００５】
最近、マグネシウム合金が、軽量かつ強靱で高い振動吸収性を有する特長を生かしてノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話の筐体材料として多用されている。マグネシウム合金は結晶構造が六方最密充填構造であるため、室温での延性が低く、高速プレス成形が難しい。そこでダイキャストやチクソモールディングが主な成形方法として用いられているが、ダイキャストやチクソモールディングは歩留まりが悪く、仕上げ工程も多いため、製造コストが高いという欠点があり、製造コスト低減の可能性がある高速プレス成形の実現が望まれている。
【０００６】
この課題を解決するため、１μｍ以下の微細結晶粒組織を得るための技術開発が行なわれている。その主な手法はアルミニウムと同様に強せん断加工を加える方法で、一般的には、押出し、ロール圧延によるものであるが、最近ではＥＣＡＰ法（Equal Channel Angular Pressing法）などが開発されている。
押出しは、文字通りビレットまたはスラブを所定の形状の穴を有するダイスから押出す方法で、一般的にはダイスのオリフィスを通して押出す直接法が用いられる。例えば、純マグネシウムは６２３〜６７３Ｋにビレットまたはスラブを加熱し押出すが、アルミニウムに較べるとビレット温度と押出し速度のバランスが難しく、温度が少しでも低いと押出されず、温度を上げると酸化してしまう欠点があり、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金（ＡＺ合金）
などはさらに精密な制御が必要である。
【０００７】
ロール圧延は、マグネシウム合金を上下のロールで加圧しながら一方向に送り出す方法で、繰り返し接合圧延（Accumulative Roll Bonding)、異周速圧延、溶湯圧延、温間圧延などが研究されている。
繰り返し接合圧延は、圧延された板を長さの方向に半割りし、脱脂等の表面処理を施した後、二枚の板を重ね合わせて再度圧延する方法である。この方法は板厚を変化させずに強せん断加工できる特長を有するが、製造コストが高い。
【０００８】
異周速圧延は、上下のロールの周速を変えて材料に強せん断加工を加える方法であるが、無潤滑で圧延するため不均一なせん断力を受け易く、ロールへマグネシウム合金が巻き付くことで表面状態が悪化する欠点がある。
溶湯圧延は、添加元素を過飽和に固溶させた溶湯を水冷したロールに流し込むなどで急速冷却する方法で、添加元素が再結晶核発生を促すと同時に結晶粒の成長を抑制する効果があるが、酸化されやすいマグネシウム合金は、十分な雰囲気調整が必要で大量生産に向かない。
【０００９】
温間圧延は、再結晶温度以上で圧延する熱間圧延と常温で圧延する冷間圧延の中間に相当する温度で圧延する方法で、例えばアルミニウム合金の一つであるＡｌ−Ｚｎ−Ｍｇ−Ｃｕ合金に適当量のＺｒを添加した合金では、微細結晶粒組織が得られるなど一部の合金で効果が確認されている。しかし、比熱容量の小さなマグネシウム合金では、中間温度の制御は非常に難しく、十分な効果が確認されていない。
【００１０】
ＥＣＡＰ法は、ある角度を持った穴を有するダイスの中にビレットまたはスラブを入れ、加圧、押出すことでビレットまたはスラブに強せん断力を加える方法で、微細結晶粒組織を得る方法として非常に効果的であり注目を集めているが、ビレットまたはスラブは加工硬化を受けるため繰り返し強せん断力を加えるには、非常に大きな押出し力を必要とし、工業的に用いる大きなビレットまたはスラブに適用するには非現実的である。
【００１１】
なお、ＥＣＡＰ法の欠点を補う方法として、ＥＣＡＰ法を連続化した連続せん断変形加工法（Conshearing 法）も提案されている（非特許文献１参照）。
何れの方法も溶製したビレット等を強せん断加工する方法であり、せん断加工に非常に大きな応力を必要とするか、または強せん断加工によってマグネシウム合金は必要以上に薄く、長く変形させられてしまうので、適用できる製品が限定される欠点がある。
【００１２】
【特許文献１】特開２００３−０４１３３１号公報
【特許文献２】特開２００２−１９４４７２号公報
【特許文献３】特開２００２−１０５５６８号公報
【特許文献４】特開２０００−２７１６９３号公報
【非特許文献１】Saitou外２名、「PROPOSAL OF NOVEL CONTINUOUS HIGH STRAINING PROCESS-DEVELOPMENT OF CONSHEARING PROCESS」、Advanced Technology of Plasticity 、Vol.III 、Proceedings of the 6th International Conference on Technology of Plasticity 、Sept, 19〜24, 1999、p.2459〜2464
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決するものであって、微細結晶粒組織を有し且つ超塑性特性を発現するマグネシウム合金材を簡便に得ることのできる超塑性マグネシウム合金材の製造法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法では、マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱することで上記課題を解決している。
多くの場合、金属材料に伝えられた振動は、やがて減衰し最後に停止する。振動が減衰する機構は二つあり、一つは外部摩擦（external friction)と呼ばれ、振動している金属材料から外部へ空気等を介して振動エネルギーが放出される機構である。他の一つは内部摩擦(internal friction) で、金属材料内部で振動エネルギーが熱あるいは歪み等に変換される機構である。内部摩擦は減衰能(damping capacity)とも呼ばれる。
【００１５】
減衰能は、振動エネルギーの変換機構の違いによって次の四つに分類される。
（１）母相と第２相との間の界面で粘性流動または塑性流動をおこすことによるもの。
（２）磁区壁の非可逆移動によるもの。
（３）不純物原子によってトラップされた転位が離脱、移動することによるもの。
（４）変形双晶の形成によるもの。
【００１６】
マグネシウム合金に印加された超音波振動エネルギーは、（３）の不純物原子によってトラップされた転位が離脱、移動することによって消費されるか、あるいは（４）の変形双晶の形成によって消費されると考えられる。
このときマグネシウム合金には、機械的なせん断応力を加えるのと同様の大きな歪みが導入されるため、マグネシウム合金を絶対温度で表されるその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱すると、転位や変形双晶が再配列または相互に合体消滅することによるエネルギー開放の過程で等軸状の微細結晶粒から再結晶組織に変化する。
【００１７】
マグネシウムは固有減衰能が金属の中で最大の６０％以上を示し、振動エネルギーの多くを歪みとして蓄積するが、強度及び耐食性を改善したマグネシウム合金もマグネシウムほどではないが大きな固有減衰能を示す。
固有減衰能は、次式の通り、振動する物体の１サイクルあたりの振動エネルギー損失率（Specific Damping Capacity，S.D.C）で表される。
S.D.C(％) ＝ (ΔＷ／Ｗ）×１００
ここでＷは振動エネルギー、ΔＷは１サイクルに失われるエネルギーである。
【００１８】
マグネシウム合金としては、Ｍｇ−Ａｌ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｚｒ合金、Ｍｇ−Ｍｇ2Ｎｉ合金、Ｍｇ−ＲＥ−Ｚｎ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ａｇ−ＲＥ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ｙ−ＲＥ合金（ＲＥはレアアース）、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ−ＲＥ（ＲＥはレアアース）などが実用合金として知られている。しかし、Ｍｇ−Ａｌ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金またはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−ＲＥの中でもＡｌ添加量の多いマグネシウム合金は固有減衰能が小さい。例えば、Ｍｇ−１０％Ａｌ合金（ＡＭ１００）、Ｍｇ−９％Ａｌ−１％Ｚｎ合金（ＡＺ９１）、Ｍｇ−６％Ａｌ−３％Ｚｎ合金（ＡＺ６３）などは固有減衰能が１０％未満である。
【００１９】
固有減衰能が１０％未満では、超音波振動エネルギーの多くは外部摩擦としてマグネシウム合金の外部に放出されるため、マグネシウム合金に歪みを導入するためのエネルギー効率が著しく低下する。したがってマグネシウム合金は、固有減衰能１０％以上のマグネシウム合金が最適である。
固有減衰能は、一般的に金属材料固有の指標として用いられる場合が多いが、組織状態の違いにも影響を受け、同じ合金であっても組織の結晶粒径が微細な場合、また転位や変形双晶が多い場合は大きくなることが知られている。マグネシウム合金は加工硬化し易い金属であり、合金の表面に外部応力を加えると合金表層部には多くの転位や変形双晶が形成される。
【００２０】
超音波を印加する前にマグネシウム合金の表面を加工硬化処理すると、合金表層部に転位や変形双晶が形成される。水や有機溶媒などの伝達媒体を介してマグネシウム合金表面に伝達される超音波振動エネルギーは、合金表層部に形成された転位や変形双晶によって効果的に吸収され、さらに、マグネシウム合金そのものの高い固有減衰能との相乗効果で、歪み導入が高効率で行われる。一方、超音波振動子の支持体、かつ超音波伝送体としての役割を果たす金属部材（コーン）にマグネシウム合金を接合することで合金内部に直接伝達される超音波振動エネルギーは、合金表層部に形成された転位や変形双晶によってマグネシウム合金内部に閉じ込められ易くなるため、マグネシウム合金そのものの高い固有減衰能との相乗効果で、歪み導入が高効率で行われる。
【００２１】
歪みは大量に導入されるほど再結晶核発生が促進されるため、結晶粒径のより一層の微細化が進行する。
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理する方法には、合金表面の粗研磨、ショットピーニング、ハンマー等による打撃、湾曲加工などがあるが、表面の加工硬化に有効な手段であればこれらの方法に限定されない。
前記の加工硬化処理方法の中では、平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨を行う方法とショットピーニングが最適である。
【００２２】
平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨は、平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を紙に固定した研磨紙、平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を分散した研磨液を使用したバフ研磨、さらに平均粒径４０μｍ以上のＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、Ｃｒ2Ｏ3などセラミック粒子を混合したペーストを使用したクロス研磨などがある。この平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨は、極めて簡便な方法であり、目的とする位置に、目視可能な状態で加工硬化処理の有無が確認できる特徴があり、超音波印加との相乗効果による歪み導入の高効率化が実現し易い。ただし、平均粒径４０μｍ未満ではせん断応力が合金表層部の浅い領域にしか加わらないため、転位や変形双晶の形成も不十分となり、その後に行う超音波印加との相乗効果による歪み導入の効率は低下する。
【００２３】
一方、ショットピーニングは粒径２０〜１２０μｍ程度の金属粒（Ｓｎ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｒ、軟鋼、高速度鋼など）やセラミック粒（ＳｉＣ、Ａｌ2Ｏ3、ＺｒＯ2など）をマグネシウム合金表面に圧縮空気などを利用して３０〜１５０ｍ／ｓの高速で噴射して、合金表層部に圧縮応力を加える方法で、表面加工硬化処理の一種である。このショットピーニングは金属粒やセラミック粒の粒径を任意に変更することが可能であり、噴射速度を上昇させることで合金表層部の比較的深い数百μｍ領域まで転位や変形双晶を形成させることが可能なため、超音波印加との相乗効果による歪み導入の高効率化が実現し易い。
【００２４】
超音波を印加したマグネシウム合金は、加熱処理することで再結晶化が行われる。このとき、好ましくは、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度でマグネシウム合金を加熱する。絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．６を乗じた温度より高い加熱温度領域では、結晶粒が次第に大きくなる。また、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５を乗じた温度より低い加熱温度領域では、マグネシウム合金内部で歪みの一部が消失する回復が行われるが、再結晶粒の発生確率が小さくなる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法によれば、マグネシウム合金の形状変化なしに大きな歪みを導入することが可能となり、マグネシウム合金の組織が微細結晶粒からなる超塑性マグネシウム合金材を簡便に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
マグネシウム合金の形状には、特別な制限を設けない。例えば、粉末固化成形体または溶製材である板材、棒材、パイプあるいは目的形状にプレス成形した成形体等を用いることができる。粉末固化成形体とは、粉末焼結体あるいは粉末の圧縮せん断によって作製した固化成形体などであり、溶製材とは、鋳造物あるいは溶融後固化したマグネシウム合金を目的の形状にプレス加工または押出し加工したものなどである。
【００２７】
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理するが、その手法としては平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨やショットピーニングが最適である。例えば、＃４００（砥粒径４０μｍ）の耐水研磨布を使用し、水を滴下しながらマグネシウム合金の表面を万遍なく研磨するだけで良い。ただし、乾式研磨する場合には摩擦熱によりマグネシウム合金表面の酸化が著しく進む場合があるので、アルゴン等の不活性雰囲気で行うのが最良である。また、乾式研磨を激しく行うと大きな摩擦熱により、転位や変形双晶の形成と同時に再結晶が進行する動的再結晶が起こり、合金表層部は微細結晶粒からなる再結晶組織となる場合があるが、固有減衰能は結晶粒微細化によっても向上するため、その後に行う超音波印加で歪み導入は効率的に行われる。
【００２８】
ショットピーニングに使用する粒子はマグネシウム合金との合金化を防止するため、セラミックス粒が好適で、高速で噴射するほど合金表層部の深くまで転位や変形双晶を形成することが可能となるが、合金表層部はクレータ状の凹凸ができるため、１００μｍ以下のセラミック粒を５０ｍ／ｓ以下の速度で噴射することが好ましい。
一般的にマグネシウム合金圧延板は圧延工程で大きなせん断応力を受けるため、表層部には転位や変形双晶が形成されている。さらに、圧延工程で板が撓んだり、巻き取りによって一方の面が他方の面より大きな圧縮応力を受けるため、転位や変形双晶はどちらか一方の面がより表層部深くまで形成されている場合が多い。このような圧延板では、加工硬化処理を行うことにより大きな超音波印加との相乗効果が得られる。
【００２９】
マグネシウム合金へ超音波を印加する方法としては、マグネシウム合金にコーンを接合させ、一定時間超音波を印加する方法がある。コーンとマグネシウム合金を接合する手段は、端面に細目平行雄ネジを有するコーンを細目平行雌ネジを有するマグネシウム合金にねじ込み接合する方法、あるいはコーンとマグネシウム合金の両方の端面に雌ネジを切り、別途製作した雄ネジを使用して両方を締め付け接合する方法などがある。
【００３０】
その他、水中または有機溶媒中にマグネシウム合金を入れ、コーンに振幅を増大させる金属部材（ホーン）を接続し、増幅した振動を水または有機溶媒を介してマグネシウム合金に伝達、あるいはマグネシウム合金を超音波振動子が装着された液槽（ステンレス鋼製、チタン製など）に入れ、水または有機溶媒を介して超音波を伝達させるなど伝達媒体を介して振動を伝達させることも可能であり、効率よく安全に振動を伝達できる方法であれば、上記以外の方法を用いても差し支えない。
【００３１】
超音波の振動数と出力および印加時間は、マグネシウム合金の融点、固有減衰能、大きさなどを十分考慮に入れ最適値を決定しなければならないが、例えば高減衰能合金のマグネシウム合金であるＭｇ−３％Ａｌ−１％Ｚｎ合金（ＡＺ３１）圧延材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍ）では、底部に超音波振動子が装着されたステンレス鋼製水槽を使用し、純水を入れた水槽にＡＺ３１圧延材試験片を浸漬し、周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間程度印加すると良い。
【００３２】
超音波を印加したマグネシウム合金は、再結晶温度で１ｈ程度加熱処理される。再結晶温度は、好ましくは絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０．６を
乗じた温度範囲内とする。再結晶温度は、この温度範囲で、マグネシウム合金の種類、純度、内部歪みの程度などによって変化するが、内部歪みが増加するにしたがって再結晶温度は低下する傾向がある。すなわち、大きな内部歪みを受けたマグネシウム合金では、絶対温度で表されたマグネシウム合金の融点に０．３５乃至０，６を乗じた温度で加熱すれば、結晶粒の成長が抑制され、目的とする超塑性マグネシウム合金材が得られ易い。
【００３３】
例えばＡＺ３１は、再結晶温度が３２３〜５５４Ｋの温度範囲と予想され、この温度範囲の任意の温度で１ｈ真空中で加熱する。真空以外であればアルゴン雰囲気下で加熱することが好ましい。窒素、水素または酸素中で加熱すると、これらとの化合物を形成し、表面性状や機械的性質を悪化させる。なお、耐酸化性に優れた高純度マグネシウムや耐食マグネシウム合金であれば大気中加熱でも構わない。
【００３４】
超音波を印加した後、再結晶化したマグネシウム合金は、初期形状を維持したまま、その結晶粒径は、超音波を印加する前の約１／１０以下となる。例えばＡＺ３１圧延材（５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍ）は、材料の大きさは変化せず、結晶粒径４０〜５０μｍであった結晶組織が等軸状の結晶粒径３〜４μｍの結晶組織となり、超塑性を発現するＡＺ３１材へ改質することが可能である。
【００３５】
以上に示すような本発明の超塑性マグネシウム合金材の製造法によれば、マグネシウムまたはマグネシウム合金材の形状を変化させることなしに、内部組織が均一な微細結晶粒組織からなる超塑性マグネシウム合金材を得ることができる。
なお、本発明による超塑性マグネシウム合金材の製造法は、純マグネシウムにも適用可能であり、さらにマグネシウム合金の圧延あるいは押出し工程と組み合せて使用することができる。
【実施例】
【００３６】
〔実施例１〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。このＡＺ３１圧延材試験片の表面を＃４００の耐水研磨紙（砥粒径４０μｍ）で初期表面が研磨キズで観察されなくなるまで万遍なく粗研磨した。
【００３７】
超音波の印加手段として、粗研磨後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度４５３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．４９で、１ｈ加熱処理を行った。
【００３８】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ１８０％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は３．３μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１２であった。
【００３９】
〔実施例２〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。このＡＺ３１圧延材試験片の表面に１００μｍのジルコニウム粒を万遍なく圧縮空気により５０ｍ／ｓ
の速度で噴射することでショットピーニングを実施した。
超音波の印加手段として、ショットピーニング後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度５２３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．５７で、１ｈ加熱処理を行った。
【００４０】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ２００％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は３．０μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１３であった。
【００４１】
〔実施例３〕
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度３２４Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．３５で、１ｈ加熱処理を行った以外は実施例１と同様の操作を行った。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ１６０％を示し、超塑性現象が発現していることがわかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は４．０μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／１０であった。
【００４２】
〔比較例１〕
マグネシウム合金として、ＡＺ３１圧延材から５０ｍｍ×５０ｍｍ×１．２５ｍｍの試験片を外周刃カッターで切り出し、エタノールで速やかに表面を洗浄した。
超音波の印加手段として、洗浄後のＡＺ３１圧延材試験片をステンレス鋼製水槽に貯溜された純水中に浸漬し、直径２２ｍｍのチタン製ホーンを有する超音波ホモジナイザーで周波数１９ＫＨｚ、出力３００Ｗの超音波を１５分間印加した。
超音波を印加したＡＺ３１圧延材試験片を真空加熱炉に挿入し、真空度１Ｐａ、加熱温度４５３Ｋすなわち加熱温度／融点＝０．４９で、１ｈ加熱処理を行った。
【００４３】
以上の処理によるＡＺ３１圧延材試験片の変形および寸法の変化はほとんど認められなかった。
加熱処理を行ったＡＺ３１圧延材の破断伸びを５７３Ｋ、歪み速度１０-2／ｓで調べたところ９０％を示し、超塑性現象が発現しなかった。
さらに１０ｍｍ×１０ｍｍ×１．２５ｍｍの組織観察試験片を切り出し、１％硝酸エタノール溶液でエッチングした後、光学顕微鏡で組織観察を行ったところ、ＪＩＳ Ｇ０５５１に準じて求めた平均結晶粒径は１０．５μｍであり、超音波印加前の平均結晶粒径４０μｍの約１／４であった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱することを特徴とする超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項２】
マグネシウム合金が固有減衰能１０％以上のマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項３】
マグネシウム合金表面の加工硬化処理が平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項４】
マグネシウム合金表面の加工硬化処理がショットピーニングであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項１】
マグネシウム合金の表面を加工硬化処理した後、超音波を印加し、該マグネシウム合金を絶対温度で表されたその融点に０．３５乃至０．６を乗じた温度で加熱することを特徴とする超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項２】
マグネシウム合金が固有減衰能１０％以上のマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項３】
マグネシウム合金表面の加工硬化処理が平均粒径４０μｍ以上の砥粒による粗研磨であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【請求項４】
マグネシウム合金表面の加工硬化処理がショットピーニングであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の超塑性マグネシウム合金材の製造法。
【公開番号】特開２００７−９２５８（Ｐ２００７−９２５８Ａ）
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８９９６６（Ｐ２００５−１８９９６６）
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２９日（２００５．６．２９）
【出願人】（０００１６５９７４）古河機械金属株式会社 (211)
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