成形性向上のためには、材料の延性を向上させることが有効である。Al-Mg合金の延性に及ぼすMg濃度、結晶粒径、温度条件の影響について系統的に調べ、さらに変形転位組織を透過型電顕で観察した。その結果、高Mg濃度化あるいは温度条件の低温化により転位の交差すべりが困難となり(図1)、強度と延性が同時に向上することを明かにした。また結晶粒径が大きいほど延性が向上することを明かにした。

図1(a)Al-6%Mg及び(b)Al-9%Mg合金を室温で引張変形したときのTBM組織

　成形性向上のためには、成形要素ごとに材料の塑性異方性を制御する必要がある。集合組織や結晶粒径、Mg濃度を変化させたAl-Mg合金の降伏曲面、引張性質、成形特性(深絞り、張出し)を調査し、成形要素ごとの最適組織形態と成形性指標を明かにした。集合組織としてS方位が強いほど深絞り性が向上することや、集合組織が弱いほど張出し性が向上することを明かにした(図2、図3)。結晶粒径が小さいほど張出し性が向上するが、深絞り性には粒径依存性が少ないことを明かにした。またMg濃度が高いほど(工具との摩擦抵抗力が大きい場合には)破断強度が高くなり深絞り性が向上するが、一方でひずみ速度感受性が低下して張出し性が劣化することを明かにした。

図2Al-5%Mg合金の集合組織変化にともなう降伏曲面の変化

図3Al-5%Mg合金、Al-3%Mg合金のL.D.R..バルジ割れ限界ひずみ,n値,r値に及ぼす集合組織の影響

　プレス成形時のストレッチャストレイン(SS)マークの発生防止を目的として、降伏応力と結晶粒径、Mg濃度及び焼入温度の関係を調査し(図4)、530℃以上の高温から急速に室温まで冷却することでコットレル雰囲気が弱くなり、SSマークの発生を防止できることを明かにした。

図4Al-Mg合金における平均結晶粒径と降伏応力の関係,T_Qは焼入温度

　Al-Mg合金が低温において優れた強度-延性バランスを示すことから、低温成形が注目されている。そこで低温成形に適した合金の開発を目的として、低温延性に及ぼす結晶粒径とMg濃度の影響について調査した。低温では粒界破壊が発生しやすいことから、低Mg化と結晶粒微細化が有効であることを見いだした。

　成形性を支配する重要な組織因子である結晶粒径の制御方法について検討した。粒成長初期は二乗則に従って成長するが、後期には二乗則からのずれが生じ(図5)、その原因がMgの粒界偏析に起因することを明かにした。

図5Al-6.7%Mg合金の熱処理保持時間と平均結晶粒半径の関係

　以上の研究により、高成形性Al-Mg合金の開発指針を明かにすることができた。

　ところで、Al-Mg系合金は成形性が優れ、自動車ボディパネルに適したものであるが、リサイクル性や塗装焼付硬化性の低温短時間化というニーズに応えるために、Al-Mg-Si系合金が注目されるようになった。

　BH性に及ぼすMg,Si濃度、各種添加元素、予備時効温度の影響について系統的に調べ、ベース合金として、Al-0.8%Mg₂Si-0.5%Siが適していること、添加元素としてMnやCrがBH性を向上させること(図6)、そして100℃予備時効が適していることなどを明かにした。

図6Al-0.8%Mg2Si-0.5%Si合金のBH性に及ぼす各種添加元素の影響

　Al-Mg-Si系合金の引張性質とエリクセン値の関係を調査し、伸びとエリクセン値に相関性が認められず、耐力との相関性が強く、耐力が低いほどエリクセン値が高くなるという結果(図7)が得られた。破面観察から、耐力が高いほど粒界破壊が起こりやすくなることがわかった。

　またMn、Cr添加による結晶粒微細化が粒界破壊を抑制し、エリクセン値を向上させることが判明した。この結果から、本合金系の成形性を向上させるには、成形性パラメータを向上(集合組織の制御など)させる以前の課題として、粒界破壊の抑制が重要であることがわかった。

図7Al-Mg-Si系合金における伸びとエリクセン値及び耐力とエリクセン値の関係

　本論文では、成形性に優れたAl-Mg系合金及びAl-Mg-Si系合金の開発指針(最適な集合組織、結晶粒径、合金成分など)を明かにした。またそれをもとに、Mg濃度、結晶粒径、集合組織などを制御した高成形性を有するAl-Mg系合金の開発に成功した。