JP2008195978A - マグネシウム基複合材料 - Google Patents
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Abstract
【課題】機械的特性及び耐熱性に優れたマグネシウム基複合材料を提供する。
【解決手段】マグネシウム合金を母材として、該マグネシウム合金の結晶粒界上に金属粒子が分散されたマグネシウム基複合材料であって、 金属組織の顕微鏡写真から求めた、マグネシウム合金の結晶粒径、および前記分散金属粒子径が、次の条件(A)、(B)を満たすマグネシウム基複合材料。 (A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下であり、かつマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。 (B)前記分散金属粒子のうち、粒子径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
【選択図】図8
【解決手段】マグネシウム合金を母材として、該マグネシウム合金の結晶粒界上に金属粒子が分散されたマグネシウム基複合材料であって、 金属組織の顕微鏡写真から求めた、マグネシウム合金の結晶粒径、および前記分散金属粒子径が、次の条件(A)、(B)を満たすマグネシウム基複合材料。 (A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下であり、かつマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。 (B)前記分散金属粒子のうち、粒子径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
【選択図】図8
Description
本発明はマグネシウム基複合材料、特にその機械的特性、耐熱性の改良に関する。
自動車、家電製品等に用いられる構造用機械部品に対する軽量化へのニーズは大きく、最軽量材料として知られているマグネシウム合金の利用に注目が集まっている。しかしながら、実用化のためにはまだまだ多くの課題が残されているのが現状である。例えば、マグネシウム合金をエンジン部品などの加熱を受ける構造部材に用いようとする場合、強度や硬度などが高いとともに、熱を受けてもその機械的性質が安定していることが求められる。
マグネシウム合金の機械的特性等を改善するために、様々な試みがなされている。
例えば、特許文献1には、マグネシウム合金に分散材としてTiやFeを添加して溶融・固化することにより延性が向上し、塑性変形能が改善されたマグネシウム基複合材料が得られることが記載されている。
しかしながら、このようなマグネシウム基複合材料で強度や硬度などの機械的特性や耐熱性に関して十分満足のいくものではなかった。
特開2002−105575号公報
例えば、特許文献1には、マグネシウム合金に分散材としてTiやFeを添加して溶融・固化することにより延性が向上し、塑性変形能が改善されたマグネシウム基複合材料が得られることが記載されている。
しかしながら、このようなマグネシウム基複合材料で強度や硬度などの機械的特性や耐熱性に関して十分満足のいくものではなかった。
本発明は、前記背景技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、機械的特性及び耐熱性に優れたマグネシウム基複合材料を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明者等が鋭意検討を行った結果、マグネシウム合金マトリックスとTiなどの金属粒子とを特定領域にまで微細化し、金属粒子をマグネシウム合金の結晶粒界に均一に分散させれば、強度、硬度、延性などの機械的特性において非常に優れるマグネシウム基複合材料が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、マグネシウム合金を母材として、該マグネシウム合金の結晶粒界に金属粒子を分散させたマグネシウム基複合材料であって、金属組織の顕微鏡写真から求めた、マグネシウム合金の結晶粒径、及び前記分散金属粒子径が、次の(A)及び(B)を満たすマグネシウム基複合材料である。
(A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下であり、且つマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
(B)前記分散金属粒子のうち、結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
(A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下であり、且つマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
(B)前記分散金属粒子のうち、結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
本発明において、前記分散金属粒子がTi又はFeであることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の前記分散金属粒子の含有量が1質量%〜30質量%、さらには2質量%〜10質量%であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の引張強度が350MPa以上、さらには400MPa以上であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の引張破断伸びが10%以上であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の前記分散金属粒子の含有量が1質量%〜30質量%、さらには2質量%〜10質量%であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の引張強度が350MPa以上、さらには400MPa以上であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料の引張破断伸びが10%以上であることが好適である。
また、マグネシウム基複合材料が熱間または温間塑性加工用であることが好適である。
また、本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、母材となるマグネシウム合金のチップまたは粒状体と、分散金属粒子となる金属粉末との混合体を固相状態において両者が微細且つ均一に分散した分散体とし、この分散体を加熱塑性加工することにより得られたことが好適である。
なお、特許請求の範囲および明細書中では「マグネシウム合金」という用語を純マグネシウム金属も含めた意味で用いる。
また、本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、母材となるマグネシウム合金のチップまたは粒状体と、分散金属粒子となる金属粉末との混合体を固相状態において両者が微細且つ均一に分散した分散体とし、この分散体を加熱塑性加工することにより得られたことが好適である。
なお、特許請求の範囲および明細書中では「マグネシウム合金」という用語を純マグネシウム金属も含めた意味で用いる。
本発明にかかるマグネシウム基複合材料によれば、母材となるマグネシウム合金の結晶粒径、および分散金属粒子の粒子径が上記(A)及び(B)の条件を満たし、分散金属粒子がマグネシウム合金の結晶粒界に微細且つ均一に分布しているため、強度、硬度、延性などにの機械的特性や耐熱性等の材料特性に優れたものとなっている。
本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、マグネシウム合金を母材として、該マグネシウム合金の結晶粒界上に金属粒子が分散されたマグネシウム基複合材料であり、金属組織の顕微鏡写真から求めた、マグネシウム合金の結晶粒径、および前記分散金属粒子の粒子径が、次の条件(A)及び(B)を満たすことを特徴とする。
(A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下(さらに好適には3μm以下)であり、且つマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下(さらに好適には15%以下、より好ましくは10%以下)である。
(B)前記分散金属粒子のうち、結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下(さらに好適には15%以下、より好ましくは10%以下)である。
(A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下(さらに好適には3μm以下)であり、且つマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下(さらに好適には15%以下、より好ましくは10%以下)である。
(B)前記分散金属粒子のうち、結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下(さらに好適には15%以下、より好ましくは10%以下)である。
ここで、金属粒子が「マグネシウム合金の結晶粒界上に分散された」とは、金属粒子が、マグネシウム合金の結晶粒内には存在せず、金属粒子がマグネシウム合金の結晶粒を取り囲むように分散していることを意味する。このため、本発明にかかるマグネシウム複合金属は加熱された場合でも結晶粒の粗大化が生じにくく、耐熱性が高い。例えば後述するように、400℃の高温で加熱した場合でもその結晶粒径が粗大化せず、加熱前と同等の機械的性質を保持することができる。従って、本発明のマグネシウム基複合材料は、熱間若しくは温間塑性加工(例えば、鍛造、押し出し、圧延等)用の材料として好適に使用することができる。また、熱を受ける部材のための加工材料としても好適である。
また、マグネシウム合金の結晶粒が上記の条件(A)を満たしていることから、従来のもの(特許文献1等)よりも強度や硬度などにおいて優れた機械的特性が得られる。また、分散化合物が上記条件(B)を満たしているため、従来のものよりも、分散化合物が均一に分散しており、機械的特性、耐熱性などに優れた特性を示す。
本発明で用いられる金属粒子としては、本発明の効果を発揮する限りにおいて特に制限されず、例えば、Ti、Fe、Alなどが挙げられるが、好ましくはTi又はFeであり、特に好ましくはTiである。TiやFeはMgと金属間化合物を生成することなく、機械的性質及び耐熱性を顕著に向上させることができる。なお、本発明の効果を損なわない限り、必要に応じてその他の元素やその化合物を補助的に添加することもできる。また、マグネシウム合金に対する公知の強化材を添加することもできる。
本発明のマグネシウム基複合材料において、分散金属粒子の含有量は1〜30質量%、さらには2〜10質量%、特に3〜8質量%であることが好適である。分散金属粒子の含有量が少なすぎると添加効果が十分発揮されない。一方、過剰に配合すると、マグネシウム合金の軽量化のメリットを減じる。また、伸びが低下する傾向がある。
マグネシウム合金には、Al、Zn、Mn、Zr、Ce、Li、Ag、RE(RE:希土類元素)などMg以外の元素が含まれていてよい。一般によく知られているマグネシウム合金としては、Mg−Al系合金(AM系)、Mg−Al−Zn系合金(AZ系)、Mg−Zr系合金(ZK系)などがある。本発明の効果は、特にMg−Al系合金で顕著である。
本発明のマグネシウム基複合材料は、固相でマグネシウム合金と金属粉末の両者を微細且つ均一に混合分散した分散体を、押出などにより加熱塑性加工して得ることができる。混合分散は公知の方法で行うことができるが、後の加熱塑性加工において結晶粒の粗大化を抑制し、機械的性質と耐熱性とを十分に発揮させるためには、均一に微細化・分散化することが望ましい。好適な方法としては、押し出し及び押し崩しによる方法、特に剪断力及び/又は摩擦力を伴う押し出し及び押し崩しによる方法が採用できる。
本発明にかかるマグネシウム基複合材料の好適な製造方法について以下さらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明にかかるマグネシウム基複合材料の好適な製造方法について以下さらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<製造方法>
本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、マグネシウム合金粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を、(a)互いに交差して連なる複数の直線状の成形穴を有する型内に収容した状態で、上記成形穴内に挿入された押圧部材の前進、後退に伴い、上記混合原料を一の成形穴で押し固め、更にこの押し固めた混合原料を押し崩しながら他の成形穴へと送り込み、この押し固め、押し崩しを繰り返すことにより、圧縮成形体(分散体)を作成する工程と、(b)該圧縮成形体を作成する工程にて得られた圧縮成形体を温間押し出し成形する工程と、を備えた製造方法で製造することが好適である。
本発明にかかるマグネシウム基複合材料は、マグネシウム合金粉末と金属粉末とを混合した混合粉末を、(a)互いに交差して連なる複数の直線状の成形穴を有する型内に収容した状態で、上記成形穴内に挿入された押圧部材の前進、後退に伴い、上記混合原料を一の成形穴で押し固め、更にこの押し固めた混合原料を押し崩しながら他の成形穴へと送り込み、この押し固め、押し崩しを繰り返すことにより、圧縮成形体(分散体)を作成する工程と、(b)該圧縮成形体を作成する工程にて得られた圧縮成形体を温間押し出し成形する工程と、を備えた製造方法で製造することが好適である。
ここで、マグネシウムもしくはマグネシウム合金粉末は、サイズが0.5mm〜5mmであることが好適である。
また、金属粉末の平均粒子径は5μm〜100μm、より好ましくは10μm〜50μmであることが好適である。
圧縮成形体を作成する工程で、加える圧力は250kg/cm2〜400kg/cm2であることが好適である。
また、押し出し成形を行う工程での押し出し温度は、250℃〜400℃であることが好適である。
また、金属粉末の平均粒子径は5μm〜100μm、より好ましくは10μm〜50μmであることが好適である。
圧縮成形体を作成する工程で、加える圧力は250kg/cm2〜400kg/cm2であることが好適である。
また、押し出し成形を行う工程での押し出し温度は、250℃〜400℃であることが好適である。
<圧縮成形工程>
本実施形態にかかる圧縮成形工程では、図1に示したような装置を用いて上記のマグネシウム合金チップとTi粉末とを混合した混合粉末を用い、圧縮成形体を得ることが好適である。図1の装置によれば、混合粉末が交差部を通過する際にほぼ全面領域で大きな剪断力、摩擦力を受けるので、微細化・分散化が均一に効率よく行うことができる。
本実施形態にかかる圧縮成形工程では、図1に示したような装置を用いて上記のマグネシウム合金チップとTi粉末とを混合した混合粉末を用い、圧縮成形体を得ることが好適である。図1の装置によれば、混合粉末が交差部を通過する際にほぼ全面領域で大きな剪断力、摩擦力を受けるので、微細化・分散化が均一に効率よく行うことができる。
図1に示した装置10は、直方体形状の型12を備えており、型12には直線状の4つの成形穴14a,14b,14c,14dが形成されている。各成形穴14a〜14dは同一の断面形状(好ましくは同一径の断面円形)をなしており、型10の中心の交差部15にて放射状に連結されている。また、各成形穴14a〜14dは、この順序で周方向に90°の角度間隔をなして同一平面上(垂直面または水平面上)に配置されている。
成形穴14a〜14dには、それぞれ各成形穴14a〜14dとほぼ等しい断面形状の押圧部材16a〜16d(第1〜第4の押圧部材)がスライド可能に挿入されており、各成形穴に沿って前進、後退するようになっている。これらの押圧部材16a〜16dの前進、後退は駆動手段18a〜18dによって行われる。駆動手段は油圧シリンダ等で構成される。また、制御手段20では各該駆動手段18a〜18dの圧力情報、位置センサからの情報等を基に、各駆動手段の制御を行う。
成形穴14a〜14dには、それぞれ各成形穴14a〜14dとほぼ等しい断面形状の押圧部材16a〜16d(第1〜第4の押圧部材)がスライド可能に挿入されており、各成形穴に沿って前進、後退するようになっている。これらの押圧部材16a〜16dの前進、後退は駆動手段18a〜18dによって行われる。駆動手段は油圧シリンダ等で構成される。また、制御手段20では各該駆動手段18a〜18dの圧力情報、位置センサからの情報等を基に、各駆動手段の制御を行う。
まず、図2(a)に示すように、押圧部材16aを抜いた状態で混合粉末を成形穴14aに装填する。この際、押圧部材16b、16c、16dの前進方向側(型の内部へ向う方向)側の端部は、交差部15に隣接する成形穴14b、14c、14dの奥端と一致する位置にある(以下、この位置を前進位置と呼ぶ)。各押圧部材16b、16c、16dは、駆動手段18b、18c、18dによって後退(型の外部へ向う方向)不能な状態で拘束され、実質的に固定された状態にある。そして、押圧部材16aを成形穴14aに挿入した後、以下のシーケンス制御を開始する。
最初に押圧部材16aについて押し固め工程を実行する。押圧部材16aを駆動手段18aにより成形穴14a内部へ押し込む。すると他の押圧部材16b〜16dは固定されているので混合粉末は成形穴14b〜14dに向わずに成形穴14aにおいて押し固められ、円柱形状の塊になる。この塊は所定の強度を持っているが、比較的脆いものである。この押し固め状態は所定の加圧状態で短時間、例えば2秒程度維持される。
次に押圧部材16aについて押し崩し工程を実行する。駆動手段18aにより押圧部材16aを更に高い圧力で押し込むと同時に、駆動手段18bにより押圧部材16bを後退可能にする。すると、図2(b)、(c)に示すように押圧部材16aは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14aから交差部15を経て成形穴14bへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16bは流れ込んだ原料Mに押されて後退する。そして、押圧部材16aの前端が成形穴14a奥端に達したときに押し崩し工程が完了する。
次に押圧部材16aについて押し崩し工程を実行する。駆動手段18aにより押圧部材16aを更に高い圧力で押し込むと同時に、駆動手段18bにより押圧部材16bを後退可能にする。すると、図2(b)、(c)に示すように押圧部材16aは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14aから交差部15を経て成形穴14bへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16bは流れ込んだ原料Mに押されて後退する。そして、押圧部材16aの前端が成形穴14a奥端に達したときに押し崩し工程が完了する。
次に押圧部材16bについて上記同様の押し固め工程を実行する。つまり、図2(d)に示すように、押圧部材16a、16c、16dを前進位置で固定し、押圧部材16bを駆動手段18bにより内部へ押し込むことで、混合粉末を押し固める。
次に押圧部材16bについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16cを後退可能な状態(フリーな状態)にし、押圧部材16bを押し込む。すると、図2(e)、(f)に示すように押圧部材16bは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14bから交差部15を経て成形穴14cへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16cは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
次に押圧部材16bについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16cを後退可能な状態(フリーな状態)にし、押圧部材16bを押し込む。すると、図2(e)、(f)に示すように押圧部材16bは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14bから交差部15を経て成形穴14cへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16cは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
同様に押圧部材16cについて押し固め工程を実行する。つまり、図2(g)に示すように押圧部材16a、16b、16dを前進位置で固定し、押圧部材16cを駆動手段18cにより型12内部へ押し込むことで、混合粉末を押し固める。
次に押圧部材16cについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16dを後退可能な状態(自由な状態)にし、押圧部材16cを押し込む。すると、図2(h)、(i)に示すように押圧部材16cは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14cから交差部15を経て成形穴14dへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16dは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
次に押圧部材16cについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16dを後退可能な状態(自由な状態)にし、押圧部材16cを押し込む。すると、図2(h)、(i)に示すように押圧部材16cは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14cから交差部15を経て成形穴14dへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16dは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
同様に押圧部材16dについて押し固め工程を実行する。つまり、図2(j)に示すように押圧部材16a、16b、16cを前進位置で固定し、押圧部材16dを駆動手段18dにより型12内部へ押し込むことで、混合粉末を押し固める。
次に押圧部材16dについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16aを後退可能な状態(自由な状態)にし、押圧部材16dを押し込む。すると、図2(k)、(l)に示すように押圧部材16dは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14dから交差部15を経て成形穴14aへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16aは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
次に押圧部材16dについて上記同様の押し崩し工程を実行する。つまり、押圧部材16aを後退可能な状態(自由な状態)にし、押圧部材16dを押し込む。すると、図2(k)、(l)に示すように押圧部材16dは前進位置まで押し込まれ、混合粉末は成形穴14dから交差部15を経て成形穴14aへと流動し、この過程で押し崩される。また、押圧部材16aは流れ込んだ混合粉末に押されて後退する。
図2(a)〜(l)に示された工程を任意回数繰り返し行って、均一且つ十分に微細化・分散化した後、最後に押し固め工程を行うことで圧縮成形体を得る。このように、混合粉末は押し固め工程により一旦押し固められた後で、押し崩し工程で交差部を通過する際にほぼ全断面領域で大きなせん断力、摩擦力を受けて押し崩されるため、混合粉末の微細化、均一な分散化を効率よく行うことができる。
また、より均一な微細化、分散化を行うために、上記押し固め及び押し崩し工程の間に図3に示すような攪拌工程を行うことが好適である。
まず、図4(a)に示すように、押圧部材16cを前進位置で固定状態にし、押圧部材16b、dは後進可能なフリーの状態にする。この状態で押圧部材16aを押し込むと、図3(b)、(c)に示すように、混合粉末は成形穴14aから交差部15を経て成形穴14b、14dへ流れ込む。すると、押圧部材16bと16dは混合粉末に押されて後退する。
まず、図4(a)に示すように、押圧部材16cを前進位置で固定状態にし、押圧部材16b、dは後進可能なフリーの状態にする。この状態で押圧部材16aを押し込むと、図3(b)、(c)に示すように、混合粉末は成形穴14aから交差部15を経て成形穴14b、14dへ流れ込む。すると、押圧部材16bと16dは混合粉末に押されて後退する。
押圧部材16aを前進位置にまで押し込んだ後、図3(d)に示すように押圧部材16aを固定状態、押圧部材16cをフリーな状態にし、押圧部材16bと16dを押し込む。すると、図3(e)、(f)に示すように成形穴14b、14dに存在した混合粉末は、成形穴14cに流れ込む。ここで、押圧部材14cは混合粉末に押されて後退する。
押圧部材14b、14dを図3(f)に示すようにその前進位置にまで押し込んだのち、図3(g)に示すように押圧部材16b、16dを固定状態、押圧部材16aをフリーの状態にする。そして、図3(h)、(i)に示すように押圧部材16cをその前進位置にまで押し込むと、混合粉末は成形穴14cから交差部15を経て成形穴14aに至り、押圧部材14aは混合粉末に押されて後退する。
押圧部材14b、14dを図3(f)に示すようにその前進位置にまで押し込んだのち、図3(g)に示すように押圧部材16b、16dを固定状態、押圧部材16aをフリーの状態にする。そして、図3(h)、(i)に示すように押圧部材16cをその前進位置にまで押し込むと、混合粉末は成形穴14cから交差部15を経て成形穴14aに至り、押圧部材14aは混合粉末に押されて後退する。
このような攪拌工程を上記押し固め及び押し崩し工程の間に設けることで、より効率よく微細化、分散化することができる。
上記実施形態では、型に成形穴を4つ設けた構成の装置における例を示したが、これに限定されず、成形穴を複数、例えば2〜6つ設けた構成の装置を用いてもよい。また、型を固定して押圧部材毎に駆動手段を設ける装置構成の場合を説明したが、駆動手段を一つにして型を回転させる構成の装置を用いてもよい。
なお、このような圧縮成形工程の例として、例えば特開2005−248325号公報を参照することができる。
上記実施形態では、型に成形穴を4つ設けた構成の装置における例を示したが、これに限定されず、成形穴を複数、例えば2〜6つ設けた構成の装置を用いてもよい。また、型を固定して押圧部材毎に駆動手段を設ける装置構成の場合を説明したが、駆動手段を一つにして型を回転させる構成の装置を用いてもよい。
なお、このような圧縮成形工程の例として、例えば特開2005−248325号公報を参照することができる。
<押し出し成形工程>
上記で得られた圧縮成形体を予備加熱し、公知の装置を用い押し出し加工を行い、マグネシウム基複合材料を得る。ここで、予備加熱温度はマグネシウム合金の種類により変化するが、加熱炉設定温度で300℃〜550℃が好適である。また、上記の押し出し加工時の温度は、250℃〜400℃が好適であり、より好ましくは250℃〜350℃が好適である。
上記で得られた圧縮成形体を予備加熱し、公知の装置を用い押し出し加工を行い、マグネシウム基複合材料を得る。ここで、予備加熱温度はマグネシウム合金の種類により変化するが、加熱炉設定温度で300℃〜550℃が好適である。また、上記の押し出し加工時の温度は、250℃〜400℃が好適であり、より好ましくは250℃〜350℃が好適である。
以上のようにして得られたマグネシウム基複合材料は、以下で見るように、上記の条件(A)及び(B)を満たし、マグネシウム合金母材中にTiが均一に分散されたものとすることができる。
一方、特許文献1のように溶解法によりマグネシウム合金とTi粉末との分散体を得た場合には均一な微細化・分散化が行われず、また、これを加熱押出加工しても上記(A)及び(B)の条件を満足できる複合材料は得られない。
一方、特許文献1のように溶解法によりマグネシウム合金とTi粉末との分散体を得た場合には均一な微細化・分散化が行われず、また、これを加熱押出加工しても上記(A)及び(B)の条件を満足できる複合材料は得られない。
なお、本発明のマグネシウム基複合材料は上記の方法により好適に製造することができるが、製造方法はこれに限定されるものではない。また、加熱塑性加工として押出以外の塑性加工、例えば、鍛造、圧延、引抜きなどを行うこともでき、あるいはこれら加工を複数組み合わせてもよい。
本発明にかかるマグネシウム複合材料は、高強度・高硬度であり、これは、上記のようにマグネシウム合金の結晶粒が微細であり、しかもその粒界には微細な金属粒子が存在しているためと考えられる。例えば、従来のマグネシウム合金においては、引張強度が350MPa以上ものはほとんどないが、本発明によれば、350MPa以上、さらには400MPa以上の高強度マグネシウム複合材料を得ることができる。
また、分散金属粒子の含有量を適正な範囲とすることにより、高強度でしかも伸びが10%以上である高延性マグネシウム複合材料を得ることもできる。
また、本発明のマグネシウム基複合材料は高温保持後もその特性が維持できる。これは上記のような金属組織構造により、加熱によっても結晶粒が粗大化することなく金属組織構造が維持されるためと考えられる。
また、分散金属粒子の含有量を適正な範囲とすることにより、高強度でしかも伸びが10%以上である高延性マグネシウム複合材料を得ることもできる。
また、本発明のマグネシウム基複合材料は高温保持後もその特性が維持できる。これは上記のような金属組織構造により、加熱によっても結晶粒が粗大化することなく金属組織構造が維持されるためと考えられる。
このように、本発明のマグネシウム基複合材料は強度、硬度、延性等の機械的特性に優れ、また耐熱性にも優れる。よって、これらの特性が要求される各種用途に好適に利用でき、例えば自動車のエンジン部品など非常に厳しい性能が要求される構造部材にも十分に適用できる。
以下、具体例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、本発明で用いた試験方法は次の通りである。
(引張試験)
試験片として、平行部直径5mm、標点間距離25mmの形状(JIS 14A号試験片形状に準拠)に切り出したものを用い、室温で引張試験を行って、引張強度、0.2%耐力、破断伸びを調べた。引張試験機はオートグラフ万能試験機((株)島津製作所製、引張最大荷重100kN)を用い、試験機ストローク速度3.0mm/min(変位制御)で行った。
(引張試験)
試験片として、平行部直径5mm、標点間距離25mmの形状(JIS 14A号試験片形状に準拠)に切り出したものを用い、室温で引張試験を行って、引張強度、0.2%耐力、破断伸びを調べた。引張試験機はオートグラフ万能試験機((株)島津製作所製、引張最大荷重100kN)を用い、試験機ストローク速度3.0mm/min(変位制御)で行った。
(硬さ試験)
マイクロビッカース硬さ試験機((株)島津製作所製、HMV−2000)を用いて、圧入荷重100gにて6秒間圧入し、圧痕の大きさを測定し、硬さを測定した。
マイクロビッカース硬さ試験機((株)島津製作所製、HMV−2000)を用いて、圧入荷重100gにて6秒間圧入し、圧痕の大きさを測定し、硬さを測定した。
製造例1
マグネシウム合金(AM60B)チップ95質量%と、Ti粉末5質量%とを混合し、混合粉末を得た。マグネシウム合金チップの平均サイズは約2.5mmであり、Ti粉末は、平均粒径45μmのものを用いた。
該混合粉末を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は300回とした。得られた圧縮成形体を350℃で予備加熱し、コンテナ及びダイス加熱温度380℃、押出し径7mm、押出し比28で押し出し成形し、マグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
マグネシウム合金(AM60B)チップ95質量%と、Ti粉末5質量%とを混合し、混合粉末を得た。マグネシウム合金チップの平均サイズは約2.5mmであり、Ti粉末は、平均粒径45μmのものを用いた。
該混合粉末を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は300回とした。得られた圧縮成形体を350℃で予備加熱し、コンテナ及びダイス加熱温度380℃、押出し径7mm、押出し比28で押し出し成形し、マグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
製造例2
製造例1において、マグネシウム合金(AM60B)チップ97質量%、Ti粉末3質量%とした以外は同様にしてマグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
製造例1において、マグネシウム合金(AM60B)チップ97質量%、Ti粉末3質量%とした以外は同様にしてマグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
比較製造例1
Tiを添加せず、マグネシウム合金(AM60B)のみを用いた以外は製造例1と同様にして、マグネシウム合金からなる丸棒を製造した。
Tiを添加せず、マグネシウム合金(AM60B)のみを用いた以外は製造例1と同様にして、マグネシウム合金からなる丸棒を製造した。
試験例1 機械的性質
製造例1〜2及び比較製造例1で得られた丸棒から試験片を切り出し、引張試験を行った。結果を表1に示す。
(表1)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
試験材料 Ti量 引張強度 0.2%耐力 伸び 比重
(質量%) (MPa) (MPa) (%)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
製造例1 5 412 377 11.9 1.84
製造例2 3 391 356 15.1 1.81
比較製造例1 0 367 323 16.2 1.78
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
製造例1〜2及び比較製造例1で得られた丸棒から試験片を切り出し、引張試験を行った。結果を表1に示す。
(表1)
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試験材料 Ti量 引張強度 0.2%耐力 伸び 比重
(質量%) (MPa) (MPa) (%)
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製造例1 5 412 377 11.9 1.84
製造例2 3 391 356 15.1 1.81
比較製造例1 0 367 323 16.2 1.78
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表1からわかるように、Tiを添加した複合材料(製造例1〜2)では、Ti無添加の材料(比較製造例1)に比べて、引張強度及び0.2%耐力が向上し、製造例1では引張強度が412MPaにまで向上した。
母材と同じAM60B合金も含めて、ASTM規格やJIS規格で規定されているような実用Mg合金の引張強度、0.2%耐力は何れも100〜300MPa程度であることから、本発明の複合材料は非常に高強度であることが理解される。
母材と同じAM60B合金も含めて、ASTM規格やJIS規格で規定されているような実用Mg合金の引張強度、0.2%耐力は何れも100〜300MPa程度であることから、本発明の複合材料は非常に高強度であることが理解される。
なお、Ti量の増加に伴って強度は向上するが、複合材料の比重も高くなり、Mgの軽量性というメリットが損なわれる。よって、Ti配合量は1〜30質量%とすることが好適である。
また、Ti量の増加に伴って複合材料の破断伸びが低下する傾向がある。マグネシウム基複合材料を塑性加工用材料などとする場合には強度とともに伸びも要求される。また、マグネシウム基複合材料を加工した部材においても、応力集中による破損などを考えてある程度の延性が要求される場合がある。よって、両者のバランスを考慮する場合には、Ti配合量を2〜10質量%、さらには3〜8質量%とすることが好適である。
また、Ti量の増加に伴って複合材料の破断伸びが低下する傾向がある。マグネシウム基複合材料を塑性加工用材料などとする場合には強度とともに伸びも要求される。また、マグネシウム基複合材料を加工した部材においても、応力集中による破損などを考えてある程度の延性が要求される場合がある。よって、両者のバランスを考慮する場合には、Ti配合量を2〜10質量%、さらには3〜8質量%とすることが好適である。
試験例2 金属組織観察
図4は製造例1の丸棒の金属組織断面(押し出し方向に平行な断面)の光学顕微鏡写真(100倍)、図5は製造例1の丸棒の金属組織断面(押し出し方向に平行な断面)のSEM写真(5000倍)である。
図4〜5からわかるように、製造例1のマグネシウム基複合材料では母材のMg合金マトリックスが非常に微細化されていた。Mg合金の結晶粒の大部分は3μm以下で、平均結晶粒径としては1.5μmであった。また、Mg合金について結晶粒径10μm以上のものの面積比は15%であった。TiはMgと金属間化合物を形成しないためMg結晶粒界に存在しているが、粒径10μm以上の粗大Ti粒子は非常に少なく、面積比で1%であった。
図4は製造例1の丸棒の金属組織断面(押し出し方向に平行な断面)の光学顕微鏡写真(100倍)、図5は製造例1の丸棒の金属組織断面(押し出し方向に平行な断面)のSEM写真(5000倍)である。
図4〜5からわかるように、製造例1のマグネシウム基複合材料では母材のMg合金マトリックスが非常に微細化されていた。Mg合金の結晶粒の大部分は3μm以下で、平均結晶粒径としては1.5μmであった。また、Mg合金について結晶粒径10μm以上のものの面積比は15%であった。TiはMgと金属間化合物を形成しないためMg結晶粒界に存在しているが、粒径10μm以上の粗大Ti粒子は非常に少なく、面積比で1%であった。
さらに、Tiの分布を詳細に調べるために、製造例1のマグネシウム基複合材料のMg及びTiの分布を分布電子線マイクロアナライザー(EPMA:Electron Probe Micro Analyzer)で調べた。結果を図6に示す(図6で黒く見える部分は、それぞれの金属がほとんど存在しないことを示している)。
図6から、MgとTiの分布は相補的であり、微細化されたMg合金の結晶粒界にTiが微細且つ均一に分散していることがわかる。また、図6においても粒径10μm以上の粗大Ti粒子は面積比で1%であった。これらは、同図をカラーマッピングした場合にはより明確となる。
また、上記のような製造例1の丸棒で見られた金属組織構造は、製造例2の丸棒においても同様に観察された。
また、上記のような製造例1の丸棒で見られた金属組織構造は、製造例2の丸棒においても同様に観察された。
このように、本発明のマグネシウム基複合材料においてはMg合金及び金属粒子が非常に微細化され、且つその結晶粒界に金属粒子が均一に分散していることにより、上記のような優れた機械的特性が得られるものと考えられる。
試験例3 耐熱性
さらに、マグネシウム基複合材料を加熱処理した場合の金属組織の変化についても調べた。
図7は製造例1の丸棒を400℃で4時間保持し、その後空冷した後の金属組織断面(押し出し方向に垂直な断面)のSEM写真(5000倍)である。図7から明らかなように、Mg合金の結晶粒径は高温で保持された後も粗大化は見られなかった。これは、微細化されたMg合金の結晶粒界にTi粒子が微細且つ均一に分散しているためであると考えられる。
さらに、マグネシウム基複合材料を加熱処理した場合の金属組織の変化についても調べた。
図7は製造例1の丸棒を400℃で4時間保持し、その後空冷した後の金属組織断面(押し出し方向に垂直な断面)のSEM写真(5000倍)である。図7から明らかなように、Mg合金の結晶粒径は高温で保持された後も粗大化は見られなかった。これは、微細化されたMg合金の結晶粒界にTi粒子が微細且つ均一に分散しているためであると考えられる。
加熱保持によっても金属組織が安定していることは、その機械的性質も熱に対して安定であることを示唆するものである。
そこで、製造例1〜2の丸棒から切り出した試験片(直径7mm×長さ5mm)を加熱保持し、硬さの変化を調べた。試験片は、200℃、250℃、300℃、350℃又は400℃の電気炉内に4時間保持し、その後空冷した。コントロールは室温で保持した。結果を図8に示す。
図8からわかるように、製造例1〜2のマグネシウム基複合材料は200〜400℃の加熱保持後もビッカーズ硬さ(Hv)の低下は見られなかった。これは、上記のように加熱による金属組織変化がないことによるものと考えられ、本発明のマグネシウム基複合材料が耐熱性に非常に優れることが理解される。
そこで、製造例1〜2の丸棒から切り出した試験片(直径7mm×長さ5mm)を加熱保持し、硬さの変化を調べた。試験片は、200℃、250℃、300℃、350℃又は400℃の電気炉内に4時間保持し、その後空冷した。コントロールは室温で保持した。結果を図8に示す。
図8からわかるように、製造例1〜2のマグネシウム基複合材料は200〜400℃の加熱保持後もビッカーズ硬さ(Hv)の低下は見られなかった。これは、上記のように加熱による金属組織変化がないことによるものと考えられ、本発明のマグネシウム基複合材料が耐熱性に非常に優れることが理解される。
試験例4 マグネシウム合金の影響
製造例1及び比較製造例1において、それぞれMg合金としてAM60Bの代わりにAZ31Bを用い、製造例3及び比較製造例2の丸棒を製造した。具体的な製造方法は次の通りである。
製造例1及び比較製造例1において、それぞれMg合金としてAM60Bの代わりにAZ31Bを用い、製造例3及び比較製造例2の丸棒を製造した。具体的な製造方法は次の通りである。
製造例3
マグネシウム合金(AZ31B)チップ95質量%と、Ti粉末5質量%とを混合し、混合粉末を得た。マグネシウム合金チップの平均サイズは約2.5mmであり、Ti粉末は、平均粒径45μmのものを用いた。
該混合粉末を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2の(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は200回とした。得られた圧縮成形体を300℃で予備加熱し、コンテナ及びダイス加熱温度350℃、押出し径10mm、押出し比14で押し出し成形し、マグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
マグネシウム合金(AZ31B)チップ95質量%と、Ti粉末5質量%とを混合し、混合粉末を得た。マグネシウム合金チップの平均サイズは約2.5mmであり、Ti粉末は、平均粒径45μmのものを用いた。
該混合粉末を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2の(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は200回とした。得られた圧縮成形体を300℃で予備加熱し、コンテナ及びダイス加熱温度350℃、押出し径10mm、押出し比14で押し出し成形し、マグネシウム基複合材料からなる丸棒を得た。
比較製造例2
Tiを添加せず、マグネシウム合金(AZ31B)のみを用いてマグネシウム合金からなる丸棒を製造した。
マグネシウム合金(AZ31B)チップ(平均サイズは約2.5mm)を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2の(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は300回とした。得られた圧縮成形体を300℃で予備加熱し、コンテナ及びダイスの加熱温度350℃、押出し径7mm、押出し比28で押し出し成形し、マグネシウム合金からなる丸棒を得た。
Tiを添加せず、マグネシウム合金(AZ31B)のみを用いてマグネシウム合金からなる丸棒を製造した。
マグネシウム合金(AZ31B)チップ(平均サイズは約2.5mm)を上記図2に示した装置によって圧縮成形体(ビレット)とした。上記の圧縮成形体の形成工程における処理回数(ただし、図2の(a)〜(l)で示した微細化工程および図3(a)〜(i)の攪拌工程を合わせたものを4回と数える)は300回とした。得られた圧縮成形体を300℃で予備加熱し、コンテナ及びダイスの加熱温度350℃、押出し径7mm、押出し比28で押し出し成形し、マグネシウム合金からなる丸棒を得た。
下記表2に示すように、異なるマグネシウム合金に対してもTi添加効果が認められた。
(表2)
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試験材料 Ti量 引張強度 0.2%耐力 伸び
(質量%) (MPa) (MPa) (%)
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
製造例3 5 380 347 12.8
比較製造例2 0 367 343 16.0
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(表2)
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試験材料 Ti量 引張強度 0.2%耐力 伸び
(質量%) (MPa) (MPa) (%)
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製造例3 5 380 347 12.8
比較製造例2 0 367 343 16.0
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試験例5 金属組織構造
製造例1において、圧縮成形体の形成工程における処理回数を20回に減らした以外は同様にしてマグネシウム基複合材料からなる丸棒を製造した(比較製造例3)。得られた丸棒の金属組織について、製造例1と比較した。各試験方法は上記と同じである。
表3のように、比較製造例3は上記(A)及び(B)の範囲を満足しておらず、強度や硬度、耐熱性に劣るものであった。
その一因としては、比較製造例3では圧縮成形体におけるMg合金チップ及びTi粉末の微細化・均一分散化が不十分であったために、後の加熱塑性加工、さらには400℃の熱処理において、結晶粒子が粗大したためと考えられる。
製造例1において、圧縮成形体の形成工程における処理回数を20回に減らした以外は同様にしてマグネシウム基複合材料からなる丸棒を製造した(比較製造例3)。得られた丸棒の金属組織について、製造例1と比較した。各試験方法は上記と同じである。
表3のように、比較製造例3は上記(A)及び(B)の範囲を満足しておらず、強度や硬度、耐熱性に劣るものであった。
その一因としては、比較製造例3では圧縮成形体におけるMg合金チップ及びTi粉末の微細化・均一分散化が不十分であったために、後の加熱塑性加工、さらには400℃の熱処理において、結晶粒子が粗大したためと考えられる。
(表3)
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
製造例1 比較製造例3
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
処理回数(回) 300 20
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Mg合金
平均結晶粒径(μm) 1.5 3.5
10μm以上の面積比(%) 15 35
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ti粒子
平均粒径(μm) 0.5 5
10μm以上の面積比(%) 1 3
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
引張強度(MPa) 412 290
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
硬度(Hv)
熱処理前 100 70
熱処理後(400℃×4時間) 100 60
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
製造例1 比較製造例3
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
処理回数(回) 300 20
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Mg合金
平均結晶粒径(μm) 1.5 3.5
10μm以上の面積比(%) 15 35
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Ti粒子
平均粒径(μm) 0.5 5
10μm以上の面積比(%) 1 3
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引張強度(MPa) 412 290
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硬度(Hv)
熱処理前 100 70
熱処理後(400℃×4時間) 100 60
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Claims (11)
- マグネシウム合金を母材として、該マグネシウム合金の結晶粒界に金属粒子を分散させたことを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 請求項1記載のマグネシウム基複合材料において、金属組織の顕微鏡写真から求めた、マグネシウム合金の結晶粒径、及び前記分散金属粒子径が、次の(A)及び(B)を満たすことを特徴とするマグネシウム基複合材料。
(A)マグネシウム合金の平均結晶粒径が5μm以下であり、且つマグネシウム合金の結晶粒の内、その結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。
(B)前記分散金属粒子のうち、結晶粒径が10μm以上のものが面積比30%以下である。 - 請求項1又は2記載のマグネシウム基複合材料において、前記分散金属粒子がTi又はFeであることを特徴とするマグネシム基複合材料。
- 請求項1〜3の何れかに記載のマグネシウム基複合材料において、前記分散金属粒子の含有量が1質量%〜30質量%であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 請求項4記載のマグネシウム基複合材料において、前記分散金属粒子の含有量が2質量%〜10質量%であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 請求項1〜5の何れかに記載のマグネシウム基複合材料であって、引張強度が350MPa以上であることを特徴とする高強度マグネシウム基複合材料。
- 請求項6記載のマグネシウム基複合材料であって、引張強度が400MPa以上であることを特徴とする、高強度マグネシウム基複合材料。
- 請求項1〜7の何れかに記載のマグネシウム基複合材料であって、引張破断伸びが10%以上であることを特徴とする高延性マグネシウム基複合材料。
- 請求項1〜8の何れかに記載のマグネシウム基複合材料であって、熱間または温間塑性加工用であることを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 母材となるマグネシウム合金のチップまたは粒状体と、分散金属粒子となる金属粉末との混合体を固相状態において両者が微細且つ均一に分散した分散体とし、この分散体を加熱塑性加工することにより得られたことを特徴とするマグネシウム基複合材料。
- 請求項1〜9の何れかに記載のマグネシウム基複合材料であって、母材となるマグネシウム合金のチップまたは粒状体と、分散金属粒子となる金属粉末との混合体を固相状態において両者が微細且つ均一に分散した分散体とし、この分散体を加熱塑性加工することにより得られたことを特徴とするマグネシウム基複合材料。
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2007
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