2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of bake-hardenable wrought magnesium alloy with excellent room temperature formability
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21H01675
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
佐々木 泰祐 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 磁性・スピントロニクス材料研究拠点, 主幹研究員 (30615993)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
塚田 祐貴 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (00620733)
Bian Mingzhe 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (30848320)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | マグネシウム合金 / ベークハード性 / 微細組織解析 / 強度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、我々が世界に先駆けて開発したBH型マグネシウム合金におけるBH 性の発現に及ぼす添加元素種や添加量、強化メカニズムに関する更に詳細な検討を進め、Mg 合金におけるBH性の学理の解明に取り組むことを目的とする。
本年度は、まずMg-Zn-Ca合金においてZn添加量を系統的に変化させた圧延合金を作製してBH性の評価を行った。当初、G.P.ゾーンの析出によりBH性の発現が期待される合金は、Zn添加量が3wt.%程度の希薄合金に限定されると思われたが、時効処理によりβ’相が析出する高濃度合金であっても、2%のひずみを付与した後に時効するBH処理を行うとG.P.ゾーンが析出し、BH性を示すことが明らかとなった。3DAPを用いてG.P.ゾーンの組成を評価すると、希薄合金に見られるものは、CaとZnが濃化したものだが、高濃度合金にはZnが濃化したG.P.ゾーンが析出していることが明らかになった。BH処理による強化量（ひずみ付与の後に時効をしたときの強度の増分）は、希薄合金の方が大きかったことから、G.P.ゾーンの組成がBH量に影響を及ぼすことが明らかとなった。
ひずみの付与によって通常G.P.ゾーンが析出しない系においてもG.P.ゾーンが析出する特異な現象は、時効処理によってG.P.ゾーンが析出しないとされていたMg-Al系合金でも生ずることを見出し、共同研究者の分子動力学計算の結果から、ひずみ付与中に導入される過剰空孔がキーポイントであることが明らかになった。
また、合金開発に関する研究を前倒しして始めることができた。その結果、Mg-2.4Zn-0.3Ca-0.2Al-0.3Mn合金で、エリクセン値8.5mm、強度243MPaと、マグネシウム合金の中でも極めて優れた強度と成形性を有する合金の開発に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究における目標は次の2点である。
①新規BH型Mg合金の合金設計指針の提案すること
②新規BH型Mg合金の試作による材料設計指針の有効性を実証すること
一つ目の合金設計指針の提案に関する研究については、当初目標としていたBH性に及ぼす組成の影響を系統的に調べることはできていない。しかし、組成が異なると、BH性が異なることが明らかにできたこと、さらには次年度行う予定であった詳細な微細組織解析を先行して行うことで、形成するG.P.ゾーンの組成も異なることを明らかにできた。したがって、合金設計指針の提案に関する研究は総じて順調に進んでいる評価することができる。
一方、合金試作に関しては、計画に先行して材料設計を進め、これまでに開発したBH型合金に比べても優れた特性を有する合金の開発に成功しつつある。また、機械学習を利用してプロセス条件を最適化するための準備も進められていることから、この点についても予定通り研究が進んでいると考えることができる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、まずMg-Zn-Ca系合金における組成とBH性の関係を明らかにするための研究を進めることに集中する。Caの添加量を変化させた合金を作製し、Mg-X-Y 合金3 元状態図上に、組成とBH 量の関係を整理する。さらに、SEM、TEM と3DAP による組織解析からBH 性の発現メカニズムに関する検討を進め、3 元状態図上に強化機構をマッピングし、BH マップを完成させる。メカニズムの解明には、原子レベルTEM 解析と、TEM/3DAP 同一視野観察をBH 処理前後の試料に適用し、析出組織形成の有無や、転位芯に偏析した合金元素種とその量を定量評価し、BH 発現のキーとなる組織因子を解明する。これと並行して、本年度予備検討として進めてきたマイクロピラー圧縮試験を用いてBH 性を発現させる上でキーとなる組織因子の強化量を評価する。分担研究者の進めるフェーズフィールド転位動力学計算と合わせて、元素の転位芯偏析や析出により大きな強化量を得るための元素の選択指針とその物理的背景を明らかにする。
またBH性に及ぼす合金組成の影響の調査はMg-Zn系合金と並ぶ商用合金であるMg-Al系合金についても実施し、優れたBH性を引き出すための合金設計指針を確立する。
一方、2023年年度より実施予定としていた合金開発研究を本年度に引き続いて前倒しで行う。本年度にこれまでに作製した材料のプロセス条件や力学特性をまとめたテーブルを共同研究者と共有し、機械学習を用いたプロセス条件の最適化を進めながら、さらに優れた特性の発現を目指す。
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