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公開番号2024070420
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-05-23
出願番号2022180897
出願日2022-11-11
発明の名称マグネシウム基合金伸展材
出願人国立研究開発法人物質・材料研究機構
代理人
主分類C22C 23/00 20060101AFI20240516BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】優れた引張降伏強度特性を維持しながら、降伏異方性を低減させることができるMg基合金伸展材を提供する。
【解決手段】In、Ge、及びGaの3種類の元素のうち少なくとも1種類以上を含み、残部がMgと不可避的成分からなるMg基合金伸展材であって、In、Ge、及びGaのうち含有されている元素の含有量が0.03mol%以上、1mol%以下である室温強度に優れたMg基合金伸展材を提供する。
In、Ge、及びGaの3種類の元素のうち少なくとも1種類以上に加えて、Mn、又はBiの2種類の元素のうちいずれかを含み、前記5種類の元素の含有量が、0.03mol%以上、In、Ge、及びGaの含有量が1.0mol%以下である室温強度に優れたMg基合金伸展材を提供する。
前記伸展材は、引張試験によって得られる降伏応力が200MPa以上であり、圧縮試験によって得られる降伏応力との比が0.6以上を示すことを特徴とする。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
Ｍｇ－Ａｍｏｌ％Ｘからなり、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ基合金伸展材であって、
ここで、ＸはＩｎ、Ｇｅ、Ｇａのうちいずれか一種類以上の元素であって、
Ａの値は、０．０３ｍｏｌ％以上、１ｍｏｌ％以下であるＭｇ基合金伸展材。
続きを表示（約 870 文字）【請求項２】
請求項１に記載のＭｇ基合金伸展材であって、Ｍｇ－Ａｍｏｌ％Ｘ－Ｂｍｏｌ％Ｚからなり、残部がＭｇと不可避的不純物からなるＭｇ基合金伸展材であって、
ここで、ＸはＩｎ、Ｇｅ、Ｇａのうちいずれか一種類以上の元素であり、ＺはＭｎ、又はＢｉのいずれかの元素であって
Ａの値は、０．０３ｍｏｌ％以上、１ｍｏｌ％以下であり、
ＡとＢの関係は、Ｂ≧Ａであって、Ａの上限値はＢの上限値に対して１．０倍以下であり、Ｂの下限値は０．０３ｍｏｌ％以上であるＭｇ基合金伸展材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＭｇ基合金伸展材であって、前記Ｍｇ基合金伸展材の結晶粒界に、Ｍｇ以外の元素が偏析しているＭｇ基合金伸展材。
【請求項４】
請求項１から３に記載のＭｇ基合金伸展材であって、前記Ｍｇ基合金伸展材のＭｇ母相の平均結晶粒サイズが２０μｍ以下であるＭｇ基合金伸展材。
【請求項５】
請求項１から４に記載のＭｇ基合金伸展材であって、Ｍｇ基合金伸展材の初期ひずみ速度：１x１０
－３
s
－１
以上の室温引張試験によって得られる応力-ひずみ曲線図において、降伏応力が２００ＭＰａ以上、破断伸びが１５％以上であるＭｇ基合金伸展材。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のＭｇ基合金伸展材であって、Ｍｇ基合金伸展材の初期ひずみ速度：１x１０
－３
s
－１
以上で、同じ初期ひずみ速度の室温引張と圧縮試験によって得られる降伏応力の比（＝圧縮降伏応力÷引張降伏応力）、すなわち、降伏異方性が０．６以上であるＭｇ基合金伸展材。
【請求項７】
請求項１から５のいずれかに記載のＭｇ基合金伸展材であって、Ｍｇ基合金伸展材の初期ひずみ速度：１x１０
－5
s
－１
以下の室温圧縮試験において、圧縮ひずみが０．５以上付与できるＭｇ基合金伸展材。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、室温強度に優れ、降伏異方性が低減されたマグネシウム（Ｍｇ）基合金伸展材に関する。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
Ｍｇ合金は、次世代の軽量金属材料として注目されている。構造部材として使用する場合、安全性・信頼性を確保するため、強度特性に優れた素材や部材の開発が望まれている。金属冶金学において、結晶粒サイズの微細化は、強度の向上に効果的な手法として古来より活用されている。特に、Ｍｇは、その結晶構造（＝六方晶構造）に起因し、他金属に比べてＨａｌｌ―Ｐｅｔｃｈ係数が大きいため（非特許文献１）、結晶粒サイズ微細化による高強度化への効果が大きい。また、強度改善に関する別の手法として、Ｍｇ以外の元素を一種類以上添加し、合金化することもよく認知されて実験している。とりわけ、母金属との原子半径差が大きな元素であるほど、改善の効果が大きく、Ｍｇ合金では、希土類金属を添加することが最も有効である。しかしながら、希土類元素の使用は、素材価格が高騰するため、経済的観点からは好ましくはない。
【０００３】
汎用元素に目を向けると、アルミニウムと亜鉛を含有したＭｇ－Ａｌ－Ｚｎ：ＡＺ系合金や、亜鉛とジルコニウムを含有したＭｇ－Ｚｎ－Ｚｒ：ＺＫ系合金が流通している。これらのＭｇ合金に対し、結晶粒サイズの微細化を目的として、熱処理をともなう伸展加工を付与し、強度の改善を図っている。この伸展加工時に、底面が加工方向に平行に配向し、底面集合組織を形成する。そのため、結晶粒サイズ微細化に起因し、「引張」強度は改善するものの、「圧縮」強度は引張強度の半分程度であり、応力付与方向によって降伏応力が変化する降伏異方性を示す問題を抱えている。通常、金属材料の塑性変形は、転位が変形を担うが、Ｍｇの場合、ｃ軸に対して圧縮応力が付与されると、転位運動よりも小さな応力で変形双晶を形成する。この塑性変形機構の違いが、降伏異方性を引き起こし、Ｍｇ伸展材の扱いを制限している要因でもある。
【０００４】
この様な背景のなかで、発明者らは、一種類のみの溶質元素を添加させることに着目し、Ｍｇ基合金の高強度化について調査し、研究を行った。その研究結果に基づいて、希土類元素又は汎用元素であるＣａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｓｃ，Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｄｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうち一種類の元素を微量に含有させ、結晶粒が微細化している強度特性に優れた微細結晶粒Ｍｇ合金を特許文献１に開示している。この合金の高強度化は、添加した溶質元素が結晶粒界に偏析することが主要因である。
【０００５】
また、特許文献２では、１４．５ｍａｓｓ％以下のＳｎが含有され、Ｍｇ母相の平均粒径が１０μｍ以下で、Ｍｇ母相を取り囲む結晶粒界のうち、平均粒径が２μｍ以下の亜結晶粒界（小角粒界）の割合が多数を占めることで、室温強度特性に優れたＭｇ基合金を開示している。高密度に亜結晶粒界を導入する前記知見を、３．５～１１ｍａｓｓ％のＡｌが含有されるＭｇ基合金にも展開できることを見出し、特許文献３に開示している。特許文献２や３に開示するＭｇ基合金は、優れた強度だけでなく、亜結晶粒界の存在に起因し、圧縮降伏応力と引張降伏応力との降伏異方性が低減することも特徴としている。
【０００６】
また、特許文献４には、二種類以上の溶質元素を添加したＭｇ基合金について、ＣａとＺｎを固溶量以内で含有し、ＣａとＺｎがＭｇのｃ軸方向に対して平行に偏析していることを特徴とする高強度Ｍｇ基合金も開示されている。
【０００７】
Ｍｎを含有するＭｇ基合金に関しても、発明者らは鋭意調査し、研究を行った。その研究結果に基づいて、１ｍｏｌ％以下のＭｎを含有し、Ｍｇ母相内に変形双晶が存在する破壊靭性に優れたＭｇ合金を特許文献５に開示している。特許文献６では、Ｍｇ母相のサイズが５μｍ以下で、０．０７～２ｍａｓｓ％のＭｎを含有した室温延性に優れたＭｇ基合金を開示している。これらの合金は、破断伸びが１００％程度を示し、変形に及ぼす粒界すべりの寄与率の指標であるｍ値が０．１以上を示すことを特徴としている。また、成形性の指標として、応力低下度を用い、その値が０．３以上を示すことを特徴としている。また、特許文献７では、Ｍｇ-Ａｍｏｌ％Ｍｎ-Ｂｍｏｌ％Ｘからなり、Ａは０．０３～１ｍｏｌ％、ＢはＡの1倍以下であり、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｒを含有し、公称ひずみを０．２以上付与しても破断しない室温延性に優れたＭｇ基合金を開示している。しかし、これらの特許文献５～７は、破壊靱性や室温延性に関する改善に関するものであり、強度特性の改善については、記載、開示されていない。
【０００８】
Ｍｇに対して添加されるＭｎ元素は、溶解時に鉄（Ｆｅ）やシリコン（Ｓｉ）と結合し、不純物元素除去元素として使用されることがほとんどである。Ｍｎを主元素（筆頭元素）として含有するＭｇ合金について、延性能が付与されることは知られている（特許文献６、７、非特許文献２、３）。これは、Ｍｎ元素の添加によって、粒界すべりが活性化されることによる。また、Ｍｇ-Ｍｎ系合金の強度や延性に関しては、Ｍｇ-Ｍｎ-Ｘ三元系合金として非特許文献４、５に報告例がある。Ｘは、Ａｌ、Ｂｉ、Ｌｉ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｎ、Ｚｒである。ＢｉやＬｉ、Ｚｒ元素の添加は高強度化の効果が乏しいが、延性能改善の効果が大きい。他方、Ａｌ、Ｓｎ、Ｙ、Ｚｎは逆の様相を示し、強度向上に優れるものの、延性を劣化させる。これらの報告例より、添加元素：Ｘは強度または延性のどちらかの特性改善に効果があるものの、強度・延性の両方を兼備することは難しい。また、三元系以上の合金になると、金属間化合物を形成することがあるため、強度や延性に対する元素機能が不明であり、従来の固溶強化理論などを適応させることは難しい。勿論、研究歴史が浅く、研究報告例がないＭｎを主元素とした合金において、第三元素を添加した場合、これらの元素が強度や延性に効果があるかは不明である。
【０００９】
一方、Ｍｇに対して０．０３ｍｏｌ％以上固溶できる他元素に着目すると、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）が存在する。Ｉｎを含有するＭｇ基合金が特許文献８～１０、Ｇｅを含有するがＭｇ基合金が特許文献１０、Ｇａを含有するＭｇ基合金が特許文献１１と１２に、それぞれ開示されている。
【００１０】
特許文献８では１２ｍｏｌ％未満、特許文献９では４０ｍｏｌ％のＩｎが含有することを特徴とするＭｇ基合金が開示されている。しかし，それぞれ、リサイクル性や減衰性の改善を主眼とするため、伸展加工による強度、延性の効果については、記載されていない。また、特許文献１０は、０．５ｍａｓｓ％以上、２ｍａｓｓ％以下のＧｅと０．５ｍａｓｓ％以上、２ｍａｓｓ％以下のＩｎが含有する耐食性に優れた三元系Ｍｇ基合金とその製造方法について開示している。前記特許文献８、９と同じく、伸展加工に関する記載がなく、強度と延性、異方性低減の効果は不明である。また、Ｇａが含有した特許文献１１は、１．２６～２．６ｍａｓｓ％Ｍｎと２～４．２ｍａｓｓ％のＧａが含有したステント用Ｍｇ基合金が開示されている。４３５～８３５℃で押出加工を必要とするが、Ｍｇの融点を鑑みると、伸展加工温度が高く、作業安全性の観点から危険である。一方で、Ｌｉと３～８．５ｍａｓｓ％のＧａが含有し、強度特性に優れたＭｇ基合金が特許文献１２に開示されている。この特許文献では、伸展加工は任意とされているが、強度特性を発現する主因子は、Ｍｇ－Ｇａ－Ｌｉ三元析出相の時効硬化であるため、伸展加工およびＧａ添加による強化の寄与は開示されていない。これら先行特許文献より、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｇａ元素添加による強度、延性や異方性低減の効果は不明である。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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