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2019 年度 実施状況報告書

Mg合金板材の組織制御術の構築と高性能板材開発への展開

研究課題

研究課題/領域番号 19K15321
研究機関長岡技術科学大学

研究代表者

中田 大貴  長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (80800573)

研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2021-03-31
キーワードマグネシウム合金 / 圧延加工 / 集合組織 / 時効析出 / 室温プレス成形性
研究実績の概要

優れた室温プレス成形性と強度特性を兼備したマグネシウム合金板材の開発を目的として、マグネシウム合金板材の微細組織や機械的性質・プレス成形性に及ぼす添加合金元素や加工熱処理条件の影響を調べた。また、プロセス条件の最適化や最適組織設計指針の構築を目指して、加工熱処理中および室温変形中の組織変化も調べた。
微量添加元素を駆使して、既存マグネシウム合金を凌駕するMg-Zn-Ca基合金板材を開発した。開発した板材は、マグネシウムのc軸が圧延方向および板幅方向に傾斜した弱い底面配向を有し、Al-Mn粒子の粒界ピン止め効果による微細な結晶組織も持つ。このため、7mmを超えるエリクセン値を得られることがわかった。また、開発板材に時効処理を施すことで、マグネシウムの強化に有効な棒状析出物が微細に分散するため、圧延方向の0.2%耐力は260MPaまで向上する。さらに、板幅方向でも200MPaを超える0.2%耐力が得られることもわかった。EBSD同視野観察にて、開発板材の集合組織形成メカニズムを調べたところ、開発板材の弱い底面配向は、圧延加工中に導入された双晶に起因することも明らかにした。
Mg-Al基合金板材開発でも新たな知見を見出した。既存Mg-Al-Mn合金に比較的低温の圧延加工と焼なましを行うだけで、マグネシウムのc軸が板面法線方向から25°程度傾いたリング状集合組織を形成し、エリクセン値が8mmを超えることを発見した。本板材のエリクセン試験中の組織変化をEBSDにより調べたところ、底面すべりの他、柱面すべりや引張双晶の活動も優れた室温プレス成形性の付与に必要であることを明らかにした。また、Mg-Al-Mn合金板材は異方性の小さい良好な強度特性と高い破断伸びも有することもわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

EBSDを用いた圧延加工時の変形機構および焼なまし時の再結晶挙動の観察から、2019年度の実施項目であったマグネシウム合金板材の組織形成メカニズム解明を進め、マグネシウム合金板材の集合組織制御に必要な変形機構を提案した。また、マグネシウム合金板材の組織形成に及ぼす添加合金元素や加工熱処理条件を検討した結果、圧延加工中に生じる変形機構とプロセス条件の関係や微細結晶組織を付与するための添加合金元素・加工熱処理条件も明らかにし、室温プレス成形型マグネシウム合金板材の組織制御技術を構築できた。
以上のようなマグネシウム合金板材の組織制御には欠くことのできない基盤技術確立に加えて、2020年度の実施項目である室温変形中の変形機構解明や結晶塑性シミュレーションを援用した強化メカニズム解明にも既に着手している。マグネシウム合金板材の高強度化に必要な析出組織設計指針の確立や、低異方性および高延性を具現化するための最適集合組織および結晶組織の提案、優れた室温プレス成形性の付与に必須となる変形機構の解明なども進めた結果、安価な合金元素と単純な加工熱処理のみの組み合わせで、既存マグネシウム合金を凌駕する室温プレス成形性と機械的性質の付与に成功した。このように、室温プレス成形型マグネシウム合金板材の実用化に必要な学理が得られ、マグネシウム合金の実用化を強く推し進める材料開発も進みつつあることから、本研究課題は当初の計画以上に進展していると考えられる。

今後の研究の推進方策

SEM, EBSDおよびTEMを用いた精緻な微細組織観察と結晶塑性シミュレーションを利用したマルチスケールな観点から、マグネシウム合金板材の微細組織因子と室温プレス成形性の関係解明を進める。特に、マグネシウム合金板材の実用化に向けたブレークスルーとして、既存Al-Mg-Si系アルミニウム合金と同等程度のエリクセン値(~10mm)を具現化するために必要な変形機構とその微細組織因子提案を目指す。現在のところ、マグネシウム合金板材で10mmを超える室温エリクセン値を実現したという報告はなく、それを実現する微細組織因子も明らかにされていないことから、マグネシウム合金板材の実用化に向けた挑戦的な研究になると考えられる。
微細組織因子-室温プレス成形性の関係解明に向けた取り組みの他、マグネシウム合金板材に高強度・高延性を同時に付与するための最適析出組織提案も進める。代表者は、一連の研究の中で、既存の析出強化機構であるオロワン機構だけでは、マグネシウム合金の析出強化を予測不可能であることを明らかにした。また、析出強化後でも、延性が劣化しないという特異なマグネシウム合金を見出した。これまでの析出強化型マグネシウム合金開発では、析出物のサイズや晶癖面・形状のみが注目され、析出物が分散すると延性は顕著に劣化したが、代表者が見出した知見は、析出強化型マグネシウム合金開発では従来とは異なる視点が必要となることを示唆している。そこで、結晶塑性シミュレーションを援用した組織解析手法を基に、高性能マグネシウム合金の新規な析出組織設計指針構築も目指す。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2020 2019 その他

すべて 国際共同研究 (2件) 雑誌論文 (10件) (うち国際共著 6件、 査読あり 9件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件) 備考 (1件)

  • [国際共同研究] University of Virginia(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of Virginia
  • [国際共同研究] Harbin Institute of Technology(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      Harbin Institute of Technology
  • [雑誌論文] Influence of process conditions on microstructures and mechanical properties of T5-treated 357 aluminum alloys2020

    • 著者名/発表者名
      K. Yamamoto, M. Takahashi, Y. Kamikubo, Y. Sugiura, S. Iwasawa, T. Nakata, S. Kamado
    • 雑誌名

      Journal of Alloys and Compounds

      巻: 834 ページ: 155133

    • DOI

      10.1016/j.jallcom.2020.155133

    • 査読あり
  • [雑誌論文] New Mg-Al based alloy sheet with good room-temperature stretch formability and tensile properties2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, C. Xu, H. Ohashi, Y. Yoshida, K. Yoshida, S. Kamado
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 180 ページ: 16-22

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2020.01.015

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Effect of Si content on microstructures, tensile properties, and creep properties in a cast Mg-6Al-0.4Mn-2Ca (wt.%) alloy2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, C. Xu, T. Sakai, T. Miyamoto, J. Liao, S. Kamado
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering A

      巻: 776 ページ: 139018

    • DOI

      10.1016/j.msea.2020.139018

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Tensile creep behavior of a die-cast Mg-6Al-0.2Mn-2Ca-0.3Si (wt.%) alloy2020

    • 著者名/発表者名
      T. Sakai, T. Nakata, T. Miyamoto, S. Kamado, J. Liao
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering A

      巻: 774 ページ: 138841

    • DOI

      10.1016/j.msea.2019.138841

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Improving tensile properties of a room-temperature formable and heat-treatable Mg-6Zn-0.2Ca (wt.%) alloy sheet via micro-alloying of Al and Mn2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, C. Xu, S. Kamado
    • 雑誌名

      Materials Science and Engineering A

      巻: 772 ページ: 138690

    • DOI

      10.1016/j.msea.2019.138690

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] マグネシウム合金の研究開発動向2020

    • 著者名/発表者名
      中田大貴, 鎌土重晴
    • 雑誌名

      表面技術

      巻: 71 ページ: 200-204

  • [雑誌論文] Enhancing strength and creep resistance of Mg-Gd-Y-Zn-Zr alloy by substituting Mn for Zr2019

    • 著者名/発表者名
      C. Xu, T. Nakata, G.H. Fan, X.W. Li, G.Z. Tang, S. Kamado
    • 雑誌名

      Journal of Magnesium Alloys

      巻: 7 ページ: 388-399

    • DOI

      10.1016/j.jma.2019.04.007

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Microstructure and mechanical properties of extruded Mg-Gd-Y-Zn alloy with Mn or Zr addition2019

    • 著者名/発表者名
      C. Xu, T. Nakata, G.H. Fan, X.W. Li, G.Z. Tang, L. Geng, S. Kamado
    • 雑誌名

      Journal of Materials Science

      巻: 54 ページ: 10473-10488

    • DOI

      10.1007/s10853-019-03607-4

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Unexpected influence of prismatic plate-shaped precipitates on strengths and yield anisotropy in an extruded Mg-0.3Ca-1.0In-0.1Al-0.2Mn (at.%) alloy2019

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, J.J. Bhattacharyya, S.R.Agnew, S. Kamado
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 169 ページ: 70-75

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2019.05.015

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Determining the strength of GP zones in Mg alloy AXM10304, both parallel and perpendicular to the zone2019

    • 著者名/発表者名
      J.J. Bhattacharyya, T.T. Sasaki, T. Nakata, K. Hono, S. Kamado, S.R. Agnew
    • 雑誌名

      Acta Materialia

      巻: 171 ページ: 231-239

    • DOI

      10.1016/j.actamat.2019.04.035

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Development of room-temperature formable Mg alloy sheets with high strengths2020

    • 著者名/発表者名
      T. Nakata, H. Ohashi, S. Kamado
    • 学会等名
      44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Effects of Zn additions on the room temperature formability and strength in Mg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn alloy sheets2020

    • 著者名/発表者名
      Z.H. Li, T.T. Sasaki, M. Bian, T. Nakata, Y. Yoshida, N. Kawabe, S. Kamado, K. Hono
    • 学会等名
      Magnesium Technology 2020, TMS 2020 149th ANNUAL MEETING & EXHIBITION
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Gd and Y contents on the age-hardening response and tensile properties of extruded Mg-Gd-Y based alloys2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Mori, T. Nakata, S. Kamado
    • 学会等名
      44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020)
    • 国際学会
  • [学会発表] Enhancing room-temperature formability of a Mg-Al alloy sheet via micro-alloying2020

    • 著者名/発表者名
      H. Ohashi, T. Nakata, S. Kamado
    • 学会等名
      44th International Conference and Expo on Advanced Ceramics and Composites (ICACC 2020)
  • [学会発表] AXM4102合金押出し材のミクロ組織と機械的性質に及ぼす押出し条件の影響2019

    • 著者名/発表者名
      河越大典, 中田大貴, 鎌土重晴, 松本泰誠, 清水和紀
    • 学会等名
      日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会 令和元年度北陸信越支部連合講演会
  • [学会発表] 優れた室温張出し成形性を持つ高強度Mg-Zn-Ca-Al-Mn基合金板材の開発2019

    • 著者名/発表者名
      杉谷謙太, 中田大貴, 鎌土重晴, 菊池海斗
    • 学会等名
      日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会 令和元年度北陸信越支部連合講演会
  • [学会発表] 希薄Mg-Al-Ca-Mn合金押出し材の微細組織および機械的性質に及ぼすAl添加量の影響2019

    • 著者名/発表者名
      木村倫朗, 中田大貴, 鎌土重晴
    • 学会等名
      日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会 令和元年度北陸信越支部連合講演会
  • [学会発表] Mg-Al基合金の高温変形挙動に及ぼす金属間化合物の影響2019

    • 著者名/発表者名
      園田雄基, 中田大貴, 鎌土重晴
    • 学会等名
      日本金属学会北陸信越支部・日本鉄鋼協会 令和元年度北陸信越支部連合講演会
  • [学会発表] 優れた室温成形性を持つMg-Al基合金圧延板材の開発2019

    • 著者名/発表者名
      中田大貴,大橋秀亮, 鎌土重晴, 吉田雄, 吉田克仁
    • 学会等名
      軽金属学会第137回秋期大会
  • [学会発表] GdおよびYの添加量の最適化によるMg-Gd-Y合金押出材の高強度化2019

    • 著者名/発表者名
      森陽一朗, 中田大貴,鎌土重晴
    • 学会等名
      軽金属学会第137回秋期大会
  • [学会発表] Mg-3Al-0.4Mn(mass%)合金圧延板材の機械的性質に及ぼすプロセス条件の影響2019

    • 著者名/発表者名
      大橋秀亮, 中田大貴,鎌土重晴, 吉田雄, 吉田克仁
    • 学会等名
      軽金属学会第137回秋期大会
  • [学会発表] 優れた加工性と強度を持つマグネシウム合金の開発とその応用2019

    • 著者名/発表者名
      鎌土重晴, 中田大貴
    • 学会等名
      SPring-8 Seminar(第292回)公益財団法人高輝度光科学研究センター(JASRI)
    • 招待講演
  • [学会発表] 優れた室温成形性を持つ高強度Mg-Zn-Ca基合金板材の開発2019

    • 著者名/発表者名
      中田大貴, 鎌土重晴
    • 学会等名
      日本金属学会第165回春期大会
  • [学会発表] Effects of Zn additions on the room temperature formability and strength in Mg-1.2Al-0.5Ca-0.4Mn alloy sheets2019

    • 著者名/発表者名
      Z. Li, T. Sasaki, M.-Z. Bian, T. Nakata, Y. Yoshida, N. Kawabe, S. Kamado, K. Hono
    • 学会等名
      日本金属学会第165回春期大会
  • [学会発表] 優れた成形加工性と強度を持つ汎用・熱処理型マグネシウム合金展伸材の開発2019

    • 著者名/発表者名
      中田大貴, 鎌土重晴
    • 学会等名
      第27回マグネシウム技術研究発表会 日本マグネシウム協会
    • 招待講演
  • [備考] 先端軽金属材料研究室

    • URL

      https://mcweb.nagaokaut.ac.jp/~mgcenter/

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公開日: 2021-01-27  

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