JP2008240032A

JP2008240032A - 耐摩耗性マグネシウム合金

Info

Publication number: JP2008240032A
Application number: JP2007079600A
Authority: JP
Inventors: Toshimoto Mukai; 敏司向井; Hidetoshi Somekawa; 英俊染川; Yoshiaki Osawa; 嘉昭大澤; Singh Alok; アロックシン; Hikari Yoshizumi; 光吉住; Takashi Matsuoka; 敬松岡
Original assignee: National Institute for Materials Science; Doshisha Co Ltd
Current assignee: National Institute for Materials Science; Doshisha Co Ltd
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP5288717B2

Abstract

【課題】高温時でも耐摩耗性を十分に維持できる低摩擦性マグネシウム合金を提供する。
【解決手段】低摩擦性マグネシウム合金は、金属間化合物結晶体が球若しくは楕円のように鋭角な角を持たない微粒子状とし、この金属間化合物の平均直径が１〜２０μｍ、母相の４７３Ｋにおける降伏強度が８５ＭＰａ以上である。これにより金属間化合物結晶体が母相との界面での集中応力を抑えるような形状となり、さらにこの母相中には針状のβ相が析出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、マグネシウム母相中に金属間化合物結晶体が分散されてなる低摩擦性マグネシウム合金に関する。

今日、地球環境問題はますます深刻になってきている。２０世紀の大量生産・大量消費を見直し、２１世紀はライフサイクル全体を通して環境への影響を最小にする「持続可能な社会」の構築が緊要の課題となっている。２００５年２月１６日に発効した京都議定書によれば、二酸化炭素をはじめとする温暖化効果ガス削減目標を各国別に規定している。日本は、１９９０年基準で２００８年〜２０１２年の間に−６％の削減率が求められている。日本においては、全二酸化炭素排出量のうち２０％が自動車の排気によるものであり、自動車の軽量化による大幅な燃費向上が要求課題となっている。

一方マグネシウムは実用金属中で最軽量の物質であり、比重は鉄の約１／４，アルミニウムの約２／３であることから、軽量化材として魅力的な材料である。また、マグネシウムは鉄やアルミニウムと比較して比強度、比剛性、比耐力に優れ、振動吸収性、耐くぼみ性および切削性も良好等、多くの特長を有している。さらには、リサイクルエネルギーが生産エネルギーの約４〜５％程度に抑えられることからもここ数年で使用量が急速に増加しており、自動車産業において省エネルギーに大きく貢献するものと期待されている。
現在、マグネシウム合金は自動車部品として、ステアリング部品、エンジンヘッドカバーおよびシートフレームなど構造材料分野への適用がなされている。更なる燃費改善のため、シリンダやピストンといったエンジン部材といった劣悪な環境下への適用が望まれている。摺動部に適用するためには、耐摩耗性および耐熱性を改善することが要求課題となる。

過去の研究において、松岡らはＺＫ６０合金の結晶粒径を粗大化させることで耐摩耗性が改善されたと報告している（非特許文献１）。吉岡らは、ＡＺ３１，ＡＺ６１およびＡＺ９１合金を用いて、溶体化処理および人工時効が耐摩耗性に及ぼす影響について検討した結果を報告している。その結果、アルミニウム濃度を増加させることにより低摩擦を示し、溶体化処理材の耐摩耗性はアルミニウム濃度にほとんど依存しないと報告している（非特許文献２）。

村田らは時効処理温度によるＡＺ９１合金の析出形態の最適化により、低摩擦および耐摩耗性は改善されると報告している（非特許文献３）。しかし、これら既存のマグネシウム合金の耐摩耗性は実用上不十分であり、さらなる耐摩耗性の改善が必要である。また商業用ベースであることを考慮すれば、耐摩耗性を有したマグネシウム合金の開発が不可欠であると言える。

さらに、摺動部に適用するためには耐熱性を有することも要求される。現在、高温時の耐クリープ性の問題から、マグネシウム合金をエンジンまわりなど高温にさらされる部位への適用は限定されている。
近年、耐熱性マグネシウム合金の開発において、コストパフォーマンスおよびダイカスト性の観点から、銅およびケイ素等を添加することで耐熱性を向上させる研究が行われている（非特許文献４、５）。これらの元素添加により構成されるマグネシウム合金の組織は、ＡＺ９１合金の析出相であるＭｇ_１７Ａｌ_１２の融点と比較して高融点な金属間化合物（非特許文献６）がデンドライト状に形成される（非特許文献７〜８）ことが知られている。

耐熱性と摩擦・摩耗特性との関連性も加藤ら（非特許文献９）および松岡ら（非特許文献１）によって指摘されている。一般に、摩耗挙動を支配する重要な因子として摩耗面間での温度上昇が知られている。これらの報告例では、摩耗面温度が上昇するに従い、摩耗表面における母材強度も低下し始める。それに伴い、摩耗形態はアブレシブ摩耗から凝着摩耗へ移行すると報告されている。上記の報告から、高温時においても十分な強度を有する耐熱性マグネシウム合金を用いれば、低摩擦および耐摩耗性の改善に貢献するものと期待される。さらに、高融点金属間化合物の分散形態を制御することによって、マグネシウム合金における耐摩耗性の改善が期待される。
しかし、実用上十分な耐摩耗性を有するものについては未だほ報告されていない。
松岡敬、坂口一彦、向井敏司、松山雅和、吉岡亮、材料、５１，１０，１１５４−１１５９，（２００２）。吉岡亮、松岡敬、坂口一彦、向井敏司、村田彰宏、材料、５２，６，７０２−７０８，（２００３）。村田彰宏、谷川洋平、松岡敬、坂口一彦、渡辺博行、向井敏司、材料、５４，１，９０−９６，（２００５）。菅野幹宏、自動車技術、５６，１０，５，（２００２）。里達雄、金属、７１，６，４２−５０，（２００１）。高橋恒夫編、「新版非鉄金属材料選択のポイント」、（日本規格協会、東京、１９９２）、２２１．Ｍ。Ａｂｕｌｓａｉｎ、Ａ。Ｂｅｒｋａｎｉ、Ｆ。Ａ。Ｂｏｎｉｌｌａ、Ｙ。Ｌｉｕ、Ｍ。Ａ。Ａｒｅｎａｓ、Ｐ。Ｓｋｅｌｄｏｎ、Ｇ。Ｅ。Ｔｈｏｐｍｐｓｏｎ、Ｐ。Ｂａｉｌｅｙ、Ｔ。Ｃ。Ｑ。Ｎｏａｋｅｓ、Ｋ。Ｓｈｉｍｉｚｕ、Ｈ。ｈａｂａｚａｋｉ、ＥｌｅｃｔｏｃｈｉｍｉｃａＡｃｔａ、４９，８９９−９０４，（２００４）。Ｙ。Ｐａｎ、Ｘ。Ｌｉｕ、Ｈ。Ｙａｎｇ、ＭａｔｅｒｉａｌｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ、５５，２４１−２４７，（２００５）。加藤一、杜澤達美、高山善匡、軽金属、４０，１２，８９１−８９５，（１９９０）。Ｊ。Ｈａｌｌｉｎｇ、松永正久訳、「トライボロジ」、（近代科学社、東京、１９８４）、９２．

本発明は、このような実情に鑑み、高温時でも耐摩耗性を十分に維持できる低摩擦性マグネシウム合金を提供することを目的とする。

発明１の低摩擦性マグネシウム合金は、前記金属間化合物結晶体が球若しくは楕円のように鋭角な角を持たない微粒子状であることを特徴とする。

発明２は、発明１の低摩擦性マグネシウム合金において、前記金属間化合物結晶体の平均直径が１〜２０μｍであることを特徴とする。

発明３は、発明１又は２の低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相の４７３Ｋにおける降伏強度が８５ＭＰａ以上であることを特徴とする。

発明４は、発明３の低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相の４７３Ｋにおける降伏強度が９０ＭＰａ以上であることを特徴とする。

発明５は、発明１から２のいずれかの低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相中に針状のβ相が析出されてなることを特徴とする。

本発明１により、摩擦時の表面破壊が押さえられて、従来に比べ摩耗率を低減することができ、今までには期待できなかった耐摩耗性を有するに至った。
この原因は、金属間化合物結晶体の形状が、母相との界面での集中応力を抑えるような形状にしたから、及び鋭利な角部により相手材を損傷することが抑えられたからと考えられる。

本発明２により、上記のような応力分散作用を母相全体に及ぼすことができ、全体として破壊を少なくすることが出来た。

また、本発明３及び４では、高温時でも高い降伏強度を母相に持たせることで、上記１、２の発明でえられた耐摩耗性を高温時でも発揮でき、実用上要求されていた高温時での低摩擦性を有することができた。

さらに、本発明５では、母相を組織的にも強固にして、耐摩耗性を向上すると共に、耐摩擦性を確保するに至った。

溶体化処理
合金中に存在する金属間化合物を母材中に過飽和に固溶化させ、化合物の均質化を図るため、溶体化処理を施した。各材料における処理温度および保持時間については実施例に示すとおりである。酸化や燃焼を防ぐため、炭酸ガス雰囲気中にて溶体化処理を行った。

人工時効処理
固溶度が温度の低下とともに減少する場合は、溶体化処理によって得られた過飽和固溶状態を解消するため時効析出が起こる。時効析出過程および析出組織は合金系や時効温度、合金組成、および成型方法等によって変化する。そのため、溶体化処理を施した各試験片における時効処理条件について検討する必要がある。処理温度を１５０℃、１７５℃および２００℃の３条件とし、保持温度を１０分、１時間、２時間、６時間、２４時間および４８時間の６条件に設定した。ただし、時効曲線の極大値が見られた場合、時効時間はそれまでとした。空気循環炉を用いて時効処理を実施した後、空冷した。

晶出物の形態
鋳造まま材（Ａｓ−ｃａｓｔ材）および前記溶体化処理を施した各マグネシウム合金に対する組織観察を行うため、試験片をバフ研磨した。
その後、光学顕微鏡（（株）ニコン；ＥＣＬＩＰＳＥＬＶ１５０）により組織観察を行った。

時効硬化挙動の検証
前記溶体化処理後、前記人工時効処理を施したときの各温度における時効硬化曲線を図1に示す。

硬さ試験
摩耗面の硬さは摩擦・摩耗特性に大きく影響を及ぼす。
そこでビッカース微小硬度計（（株）アカシ（現（株）Ｍｉｔｕｔｏｙｏ）；ＭＶＫ−Ｈ２）を用いて、摩擦・摩耗試験前の試験片摩耗面の硬度について検討した。圧子には頂角１３６°のダイヤモンド正四角錘を用い、室温環境の下１００ｇｆで１５秒間押しつけた。硬さはビッカース硬さとし、各試験片について底辺からの距離が一定の範囲で、１０箇所を無作為に選んで測定し、最大値および最小値を除去した８点の平均値を採用した。

高温圧縮試験
本発明で用いる試験片の高温強度について検討するため、高温圧縮試験を実施した。Ｐｉｎ−ｏｎ−ｄｅｓｋ型摩擦・摩耗試験の荷重作用環境に近いものとするため、圧縮試験とした。
また、摩耗面温度は１５０〜２００℃程度に達するため、１５０℃および２００℃にて高温圧縮試験を実施した。
比較のため、室温（２５℃）環境下における圧縮試験も行った。高温圧縮試験にはインストロン材料試験機５５６７型、室温圧縮試験には同５５６９型により圧縮試験を実施した。試験片形状は直径６ｍｍ×高さ９ｍｍの円柱型試験片とし、ひずみ速度１０^−３ｓｅｃ^−１の条件下で試験した。

摩擦・摩耗試験
試験片寸法および表面粗さ
摩擦・摩耗試験を実施するため、試験片を直径４ｍｍ×長さ１２ｍｍの円筒ピン形状に加工した。摩擦・摩耗試験時の接触面表面は、＃４００−６００の耐水研磨紙を取り付けた研磨機（ビューラー；エコメット研磨機３型）を用いて、端面が水平になるように研磨し、表面計測装置（（株）Ｍｉｔｕｔｏｙｏ；ＳＵＲＦＴＥＳＴＳＶ−４００）を用いて、算術平均粗さがＲａ＝０．４０〜０．６０μｍとなるように調節した。摩擦・摩耗試験開始直後から終了時まで常に一定の接触面積を得るため、エッジ部に面取りは施さなかった。

相手材の選定
摩擦・摩耗試験のディスク相手材には一般性を考慮し、汎用的な軸受鋼の一つであり良好なすべり特性が得られる高炭素クロム軸受鋼（以下、ＳＵＪ２もしくは相手材）を選択した。
ＳＵＪ２には無酸化ズブ焼入れ焼戻し処理を施した。寸法形状は、直径６０ｍｍ×厚さ１４ｍｍのディスク型とし、ビッカース硬さはＨＶ＝７２０のものを用いた。摩擦・摩耗試験時における試験片との接触面は、＃２４０−４００の耐水研磨紙を取り付けた研磨機（ビューラー；エコメット研磨機３型）を用いて研磨し、表面計測装置（（株）Ｍｉｔｕｔｏｙｏ；ＳＵＲＦＴＥＳＴＳＶ−４００）を用いて、算術平均粗さがＲａ＝０．０８〜０．１２μｍとなるように仕上げた。

摩擦・摩耗試験機
本発明では、試験機にＰｉｎ−ｏｎ−Ｄｉｓｋ型摩擦摩耗試験機（（株）村山製作所製）を用いた。この試験機は、主として空気シリンダ、回転機構および計測機器により構成されている。
空気シリンダ（ＣＫＤ（株）製）には、載荷用空気供給減コンプレッサ（アネスト岩田（株）製）より随時圧縮空気が供給されている。この空気シリンダによって、スライディング機構を通して、ピン試験片側が上下移動する仕組みになっている。空気シリンダ内に存在する圧縮空気の圧力を制御することにより、試験片および相手材間に作用する荷重を調節することができる。回転機構は、三相誘電電動機（三菱電機（株）製）および回転台から構成されている。
電動機は回転台に接続されているため、回転台に固定したディスクの回転数を調節することができる。ディスクの回転数は１ｒｐｍ間隔で１５００ｒｐｍまで制御可能なため、低速から高速まで広範囲の摩擦・摩耗試験が可能である。計測機器には、トルクセルＬＴ−８ＮＳおよびロードセルＣＬＺ−５ＫＮＳ（ともに（株）東京測器研究所製）を用いた。これにより、試験中に変動するトルクおよび垂直荷重を任意の時間間隔で測定することができるため、正確な摩擦係数を算出することが可能である。

摩擦・摩耗試験条件
試験中、ピン−ディスク間に発生するトルクおよび荷重を１秒間隔で測定した。試験条件はすべり速度８０ｍｍ／ｓｅｃ、荷重５０Ｎとした。ディスク中心からピン中心までの距離であるピンの回転半径は１５ｍｍであり、すべり速度は回転数に換算すると５１ｒｐｍである。試験時間は１時間としたため、すべり距離を計算すると２８８ｍである。試験環境は室温２３±２℃とし、室温無潤滑下にてすべり摩擦・摩耗試験を実施した。

摩擦・摩耗特性の評価方法
耐摩耗性の評価には、過去の研究との比較を考慮し、以下に示す「単位すべり距離当たりの摩耗体積」である摩耗率ｗを算出した。ただし、ｍは摩耗量、ｐは密度、Ｌはすべり距離である。（非特許文献１０参照）
（数式１）
また、実験中、ピン−ディスク間に発生するトルクＴおよび垂直荷重Ｗを用いて、以下に示す摩擦係数μを算出した。ただし、ｒはピンの回転半径である。
（数式２）

摩耗粉の評価
摩耗粉は摩擦・摩耗特性に大きく影響したと考えられる。
そこで、摩耗粉がトライボロジー特性に与える影響を検討するため、各試験片により脱落した摩耗粉をＳＥＭにより観察した。
さらに詳細に摩耗粉について検討するため、ＳＥＭに付属しているエネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＡＸ製；Ｇｅｎｅｓｉｓ、以下ＥＤＡＸ）を用いて、摩耗粉の成分分析を行った。

１：Ｍｇ−Ｃｕ合金
銅と純マグネシウム（純度：９９．９５％）を二酸化炭素雰囲気にて完全に溶解し、鉄製鋳型に鋳込み、Ｍｇ−４．５ｗｔ．％Ｃｕ合金を作製した（以下、この試料をａｓ−ｃａｓｔ材と示す）。得られた鋳造合金を温度４４０℃にて２４時間炉中保持後、水冷することにより、溶体化処理を施した。その後、１５０，１７５，２００℃、１０分、１，２，６，２４，４８時間にて熱処理を行い、時効材および過時効材を作成した（以下、この試料をそれぞれ、ｐｅａｋ−ａｇｅｄ材、ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材と示す）。Ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の光学顕微鏡組織観察結果を図2に示す。Ｍｇ−Ｃｕ組成からなる金属間化合物の形成が確認できる。これらの試料を、機械加工により、直径４ｍｍ×長さ１２ｍｍの円柱試験片を作成し、Ｐｉｎ−ｏｎ−ｄｉｓｋ型摩耗試験機を使用し、摩耗特性を調査した。その結果を表１に示す（摩耗率の値が低い程、特性が良い）。表１には比較のため、最も一般的に使用されているマグネシウム合金であるＭｇ−９ｗｔ．％Ａｌ−１ｗｔ．％Ｚｎ（ＡＺ９１）合金の値も併せて示す。本発明で用いた試料の摩耗率の方が、従来材より優れていることが確認できる。摩耗試験後の試料を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図3に示す。すべり方向に平行な削り傷が観察されるが、摩耗粉の固着も併せて確認できたことから凝着摩耗の形成が予測される。

２：Ｍｇ−Ｃｕ−Ｚｎ合金
銅と亜鉛と純マグネシウム（純度：９９．９５％）を二酸化炭素雰囲気にて完全に溶解し、鉄製鋳型に鋳込み、Ｍｇ−４．５ｗｔ．％Ｃｕ−６．０ｗｔ．％合金を作製した（ａｓ−ｃａｓｔ材）。その後、実施例１と同様の熱処理条件にてｐｅａｋ−ａｇｅｄ材およびｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材を準備・加工し、摩耗試験を実施した。表１より、本発明で用いた試料の摩耗率の方が、従来材より優れていることが確認できる。また、ａｓ−ｃａｓｔ、ｐｅａｋ−ａｇｅｄおよびｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材を、機械加工により平行部直径４ｍｍ×長さ８ｍｍの円柱試験片を作成し、室温、１５０℃、２００℃にて圧縮試験を行った。得られた応力−ひずみ曲線、およびその時の結果を図4と表２に示す。１５０℃では、室温の圧縮強度と同等またはそれ以上であり、優れた耐熱性を示すことが分かる。また、表２よりＭｇ−９ｗｔ．％Ａｌ−１ｗｔ．％Ｚｎの圧縮強度よりも高い値を示し、耐熱性に優れていることが分かる。

３：Ｍｇ−Ｓｉ合金
ケイ素と純マグネシウム（純度：９９．９５％）を二酸化炭素雰囲気にて完全に溶解し、鉄製鋳型に鋳込み、Ｍｇ−２．０ｗｔ．％Ｓｉ合金を作製した（ａｓ−ｃａｓｔ材）。得られた鋳造合金を温度５９０℃にて２４時間炉中保持後、水冷することにより、溶体化処理を施した。その後、実施例１と同様の熱処理条件にてｐｅａｋ−ａｇｅｄ材およびｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材を準備・加工し、摩耗試験を実施した。表１より、本発明で用いた試料の摩耗率の方が、従来材より優れていることが確認できる。

４：Ｍｇ−Ｓｉ−Ｚｎ合金
ケイ素と亜鉛と純マグネシウム（純度：９９．９５％）を二酸化炭素雰囲気にて完全に溶解し、鉄製鋳型に鋳込み、Ｍｇ−２．０ｗｔ．％Ｓｉ−６．０ｗｔ．％合金を作製した（ａｓ−ｃａｓｔ材）。その後、実施例１と同様の熱処理条件にてｐｅａｋ−ａｇｅｄ材およびｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材を準備・加工し、摩耗試験および圧縮試験を実施した。Over-aged材の典型的な透過型電子顕微鏡を用いた組織観察の結果を図5に示す。楕円形の金属間化合物がMg₂Si相であり、また、マグネシウム母相に対し針状に析出している金属間化合物がb相である。図6に圧縮試験により得られた応力-ひずみ曲線を示す。図6ならびに表１・２より、本発明で用いた試料は耐摩耗性と耐熱性に優れていることが分かる。摩耗試験後の試料を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図7に示す。すべり方向に平行な削り傷が観察されるが、図3のような凝着摩耗の形態が見られないため、耐摩耗性がさらに良好となったものと考えられる。

表１は摩耗試験の結果を示し、表２は圧縮試験の結果を示す。

各温度における時効曲線(a)Mg-Cu系合金、(b)Mg-Si系合金Ｍｇ−4.5wt.%Ｃｕ合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の光学顕微鏡組織走査型電子顕微鏡によるＭｇ−4.5wt.%Ｃｕ合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の摩耗試験片表面Ｍｇ−4.5wt.%Ｃｕ合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の圧縮試験における応力−ひずみ曲線Ｍｇ−２．０ｗｔ．％Ｓｉ−６．０ｗｔ．％合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の透過電子顕微鏡組織（図中の楕円形の金属間化合物がＭｇ２Ｓｉ、母相中に針状に析出している金属間化合物がβ相）Ｍｇ−２．０ｗｔ．％Ｓｉ−６．０ｗｔ．％合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の圧縮試験における応力−ひずみ曲線走査型電子顕微鏡によるＭｇ−２．０ｗｔ．％Ｓｉ−６．０ｗｔ．％合金ｏｖｅｒ−ａｇｅｄ材の摩耗試験片表面

Claims

マグネシウム母相中に金属間化合物結晶体が分散されてなる低摩擦性マグネシウム合金であって、前記金属間化合物結晶体が球若しくは楕円のように鋭角な角を持たない微粒子状であることを特徴とする低摩擦性マグネシウム合金。
請求項１に記載の低摩擦性マグネシウム合金において、前記金属間化合物結晶体の平均直径が１〜２０μｍであることを特徴とする低摩擦性マグネシウム合金。
請求項１又は２に記載の低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相の４７３Ｋにおける降伏強度が８５ＭＰａ以上であることを特徴とする低摩擦性マグネシウム合金。
請求項３に記載の低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相の４７３Ｋにおける降伏強度が９０ＭＰａ以上であることを特徴とする低摩擦性マグネシウム合金。
請求項１から２のいずれかに記載の低摩擦性マグネシウム合金において、前記母相中に針状のβ相が析出されてなることを特徴とする低摩擦性マグネシウム合金。