JP2008075127A

JP2008075127A - マグネシウム合金の製造方法

Info

Publication number: JP2008075127A
Application number: JP2006255478A
Authority: JP
Inventors: Matsufumi Takatani; 松文高谷; Hiroshi Tamehiro; 博為広; Yosuke Tamura; 洋介田村; Kunio Funemi; 国男船見
Original assignee: Chiba Institute of Technology
Current assignee: Chiba Institute of Technology
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-04-03

Abstract

【課題】マグネシウムマトリックスに化合物を微細分散させてなる強度、耐摩耗性、耐食性が高く、摩擦係数の低いマグネシウム合金の製造方法を提供する。
【解決手段】純マグネシウム粉末に必要に応じて重量基準で、アルミニウム０．５〜１０．０％、マンガン０．１０〜０．５０％、亜鉛０．１〜２．０％、ケイ素０．５〜５．０％、銅０．５〜３．０％、カルシウム０．５〜２．０％、レアメタル０．５〜３．５％の一種又は２種以上を含み、残部が実質的に不可避的不純物からなる組成の原料粉未に、グラファイト粉末、ダイヤモンド粉末、MgB₂粉末、Mg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末の１種又は２種以上を合計で３〜２０％添加した粉末材料を、メカニカルアロイングする工程と、メカニカルアロイングされた材料を、放電プラズマ焼結法により焼結固化し、空孔率を０．５体積％以下に制御することを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム基のマトリックスに化合物を微細分散させてなる摩擦係数の低いマグネシウム合金の製造方法に関するものである。

未反応のマグネシウムを含まない耐食性に優れたマグネシウム化合物とその製造方法が特許文献１に記載されている。特許文献１には、Ｓｉ、Ｇｅ，ＳｎおよびＰｂから成る群から選ばれる元素Ｘと、マグネシウムとの化合物Ｍｇ_２Ｘを主体とし、元素ＸとＭｇとの組成モル比が、１：１〜１：１．９の範囲内にあるマグネシウム化合物が記載され、また元素Ｘとマグネシウムとを反応させてＭｇ_２Ｘを合成する工程により、マグネシウム化合物を製造方法が記載されている。マグネシウム化合物は、耐食性に優れることが記載されているが、摩擦係数についての知見は記載されていない。
また、潤滑油環境下で摩擦摺動時に摩擦損傷や焼付き・凝集現象を生じることなく、しかも摩擦係数を低減させるマグネシウム合金摺動部材とその製造方法が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載されている非溶製マグネシウム合金では、Mg₂Si、MgO、黒鉛(炭素)粒子などをマグネシウム合金中に分散させて、摩擦摺動時の摩擦係数の低減をはかっている。非溶製マグネシウム合金は、マグネシウム、シリコンなどの粉末を振動によって混合した後、押出し加工などの温間塑性加工で固化し、加熱合成することによって製造される。押出し材の空孔率は３〜６体積％に制御される。しかし、Mg₂Siなどをマグネシウム合金中に均一微細分散させるには、混合のみでは不十分である。また加熱合成によって粒子を分散させる場合、粒子サイズの制御や均一分散が困難である。特許文献２において、押出し材の空孔率を３〜６体積％に制御する理由は、油溜り(オイルピット)を形成し、摩擦係数を低下・安定化させるためであるが、この程度の空孔が残存すると、強度、耐摩耗性、耐食性などが劣化する。
特開２００５−３１４８０５号公報特開２００４−３５９９９５号公報

本発明は、マグネシウム基のマトリックスに化合物を微細分散させてなる強度、耐摩耗性、耐食性が高く、摩擦係数の低いマグネシウム合金の製造方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、この発明においては、純マグネシウム粉末に必要に応じて重量基準で、アルミニウム０．５〜１０．０％、マンガン０．１０〜０．５０％、亜鉛０．１〜２．０％、ケイ素０．５〜５．０％、銅０．５〜３．０％、カルシウム０．５〜２．０％、レアメタル０．５〜３．５％の一種又は２種以上を含み、残部が実質的に不可避的不純物からなる組成の原料粉未に、グラファイト粉末、ダイヤモンド粉末、MgB₂粉末、Mg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末の１種又は２種以上を合計で３〜２０％添加した粉末材料を、メカニカルアロイングする工程と、メカニカルアロイングされた材料を、放電プラズマ焼結法により焼結固化し、空孔率を０．５体積％以下に制御してマグネシウム合金を製造する方法を採用した。

この発明の製造方法によれば、マグネシウムなどの金属粉末とMgB₂などの化合物粉末の混合粉末をメカニカルアロイング(混練)して合金化するため、MgB₂などの化合物をマグネシウム合金中に均一微細分散させることができる。また、混練粉末を放電プラズマ焼結によって固化(焼結)し、空孔を実質的に０．５体積％以下に制御するため、強度が高く、耐摩耗性、耐食性に優れたマグネシウム合金が得られる。

本発明におけるマグネシウム合金の基本組成は、溶解により製造されるマグネシウム合金と基本的に同様であり、純マグネシウム粉末に必要に応じて重量基準で、アルミニウム０．５〜１０．０％、マンガン０．１０〜０．５０％、亜鉛０．１〜２．０％、ケイ素０．５〜５．０％、銅０．５〜３．０％、カルシウム０．５〜２．０％、レアメタル０．５〜３．５％の粉末を一種又は２種以上を含有させる。この目的は溶解マグネシウム合金と同様に強度(硬さ)、加工性、耐食性などの特性を向上させるためである。下限値は元素粉末添加によるマグネシウム合金特性の改善効果が得られる最小値であり、一方上限値は元素粉末添加によって特性が劣化しない最大値である。本発明では、必須条件としてグラファイト粉末、ダイヤモンド粉末、MgB₂粉末、Mg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末の１種又は２種以上を合計で３〜２０％添加しなければならない。これらの化合物粉末を含有させる目的は、分散強化による強度の向上、動的摩擦係数の低減及び耐摩耗性の向上である。これらの化合物粒子はそれ自体が優れた摩擦係数を低減する効果を有していることを確認している。さらに本発明では、混合粉末をメカニカルアロイングし、つづいてメカニカルアロイニングされた粉末材料を放電プラズマ焼結法により焼結して固化する。メカニカルアロイングはマグネシウム合金マトリックス中に化合物を均一、かつ微細に分散するためであり、単なる攪拌混合では化合物の均一・微細分散は達成できない。メカニカルアロイングは、遊星ボールミルにより、テーブル回転数１００〜３００ｒｐｍで、２０〜４００時間で行うことが最も望ましい。

本発明の方法で製造したメカニカルアロイング粉末を実際の機械部品などに使用するためには、メカニカルアロイング粉末を焼結・固化する必要がある。この際、重要なことはメカニカルアロイング工程で得られた微細なミクロ組織を維持し、かつ高密度に焼結する必要がある。空孔率が多過ぎると強度が低下し壊れやすくなるばかりか、摩擦係数の改善効果が得られない。このためには空孔率を０．５体積％以下に制御することが必須であり、放電プラズマ焼結法を採用した。放電プラズマ焼結は焼結温度４００〜６００℃、保持時間０．１〜０．５時間の条件で行うことが特に好ましい。

原料粉末として、純マグネシウム（Ｍｇ）粉末（純度９９．９％、粒度１５μm）とMgB₂粉末（純度９９％以上）を用いた。純マグネシウム（Mg）粉末に、MgB₂粉末（Mg＋3.0% MgB₂， Mg＋5.0% MgB₂， Mg＋10.0% MgB₂の混合粉末）を添加した混合粉末（総重量約８ｇ、ボールと粉末の重量比５:１）を直径１０mmのメノウボールと共にメノウ製容器（８０ｍｌ）に装入し、容器内を脱気した後、アルゴンガスで置換し、遊星ボールミルで、テーブル回転数２００ｒｐｍ、２００時間メカニカルアロイング（ＭＡ）した。ＭＡ後、粉末をアルゴンガス置換したグローブボックス内で容器から採取し、徐酸化させた。このＭＡ粉末を放電プラズマ焼結（ＳＰＳ）装置（住友石炭鉱業(株)製SPS1030）により、グラファイト金型内で直径２０mm×１０mm高の円柱状に焼結した。ＳＰＳ条件は、すべてＳＰＳ条件は４００℃×１５分、加圧１４．５kＮである。得られた試料の外観観察、硬さ（Ｈｖ）測定、および光学顕微鏡による組織観察を行った。
上記試料は、目視観察上、欠陥がなく、研磨後の溶解鋳造材と同様の金属光沢を呈することを確認した。
その結果、図１に示すように、試料は、MgB₂添加量が増加するにしたがって、硬さが直線的に向上し、10.0% MgB₂添加試料のビッカース硬さは純Ｍｇ試料に比べて約３０ＨＶ高くなった。
図２に、MgB₂添加試料の摩擦係数測定結果を示す。摩擦係数は、MgB₂量が増すにつれて減少し、純Mg試料の０．５から10.0% MgB₂添加試料の０．２まで低下した。
図３に10.0% MgB₂添加試料の光学顕微鏡写真を示す。図に示すように、MgB₂添加試料は、微細かつ緻密な組織となる。これは、MgB₂が、マグネシウムマトリックスと格子整合性がよいことなどに起因すると考えられる。また、明らかではないが、添加粉末自体の性質と、このような組織学的な要因が硬さの向上や摩擦係数の低減に寄与するものと考えられる。
なお、MgB₂の添加量が２０％を超えると、焼結温度６００℃以下では長時間保持しても焼結固化できなかった。しかし、焼結温度を600℃以上に上げると、マグネシウム粉末が部分的に溶解し、固化できなかった。３％未満では、摩擦係数の低下効果が得られなかった。

実施例１と同様に、純マグネシウム粉末に、それぞれグラファイト粉末、ダイヤモンド粉末、Mg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末を添加し、メカニカルアイロングと放電プラズマ焼結法を用い、化合物を微細分散させたマグネシウム合金を作製することができた。得られた合金も、純Mg試料に比べて摩擦係数が低いという機能を有することが確認できた。
純Mg粉末にそれぞれ１０％のMg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、MgZrO₄粉末、MgIn₂Ｏ₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末、グラファイト粉末、ダイヤモンド（Dia）粉末を添加し、メカニカルアイロニングと放電プラズマ焼結法を用い、添加物を微細分散させたマグネシウム合金を作製した。ＭＡ時間５０時間と、１００時間のものについて、温度５００℃ｘ１５分で放電プラズマ焼結した。その他の条件は実施例１と同様である。
これらのマグネシウム合金の摩擦係数の変化を図４に示す。図４において、純Mgの摩擦係数（０．３０）と比較して、摩擦係数の小さい（摩擦係数≦０．２０）合金を形成する化合物であるMg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、ＷS₂粉末、グラファイト粉末、ダイヤモンド（Ｄia）粉末を選定した。

この発明の方法により製作されるマグネシウム合金は、各種機械、自動車などの回転部品(軸受けなど)として利用される。

MgB₂添加マグネシウム合金の硬さの変化を示すグラフである。 MgB₂添加マグネシウム合金の摩擦係数測定結果を示すグラフである。１０％MgB₂添加マグネシウム合金の光学顕微鏡写真である。１０％化合物添加マグネシウム合金の摩擦係数測定結果を示すグラフである。

Claims

純マグネシウム粉末に必要に応じて重量基準で、アルミニウム０．５〜１０．０％、マンガン０．１０〜０．５０％、亜鉛０．１〜２．０％、ケイ素０．５〜５．０％、銅０．５〜３．０％、カルシウム０．５〜２．０％、レアメタル０．５〜３．５％の一種又は２種以上を含み、残部が実質的に不可避的不純物からなる組成の原料粉未に、グラファイト粉末、ダイヤモンド粉末、MgB₂粉末、Mg₂Si粉末、MgMoO₄粉末、Mg(OH)₂粉末、MoS₂粉末、WS₂粉末の１種又は２種以上を合計で３〜２０％添加した粉末材料を、メカニカルアロイングする工程と、メカニカルアロイングされた粉末材料を、放電プラズマ焼結法により焼結固化し、空孔率を０．５体積％以下に制御することを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
前記メカニカルアロイング工程が、遊星ボールミルにより、テーブル回転数１００〜３００ｒｐｍで、２０〜４００時間行われることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。
前記放電プラズマ焼結法による焼結固化工程が、焼結温度４００〜６００℃、０．１〜０．５時間の条件で行われることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム合金の製造方法。