JP2008284644A

JP2008284644A - マグネシウム合金の冷間加工法

Info

Publication number: JP2008284644A
Application number: JP2007131448A
Authority: JP
Inventors: Yuji Kobayashi; 祐次小林; Satoshi Ujihashi; 諭宇治橋; Tsutomu Murai; 勉村井; Shinpei Iwagami; 新平岩上
Original assignee: Sintokogio Ltd; Sankyo Tateyama Aluminium Inc
Current assignee: Sintokogio Ltd; Sankyo Tateyama Aluminium Inc
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: WO2008143328A1; JP5264104B2

Abstract

【課題】マグネシウム合金の機械的特性を、ショット材の噴射加工（ショットピーニング加工）を用いて簡単かつ安価に改善することができるマグネシウム合金の冷間加工法を提供する。
【解決手段】冷間において、マグネシウム合金２の表面をセラミック系材質からなるショット材１でショットピーニング処理し、合金表面に機械的強度の高い強化層３を形成する。ショット材１としては、平均粒径が０．０５から１．０ｍｍのものを用いることができる。また、ショット材１としては、マグネシア、ジルコニア、ジルコンから選択される酸化物、窒化物、ホウ化物、金属間化合物のいずれかを含み、マグネシウムと反応しにくい安定な材料を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム合金の機械的特性を、ショット材の噴射加工（ショットピーニング加工）を用いて簡単かつ安価に改善することができるマグネシウム合金の冷間加工法に関するものである。

従来から、各種金属や合金表面の機械的性質を改善する方法として、金属の組成成分を調整する方法や、特定の熱処理を施す等の方法が知られている。更には、金属にショット材を噴射して表面を改質加工するショットピーニング加工も知られている。

一方、鋳造用合金や軸受け、補強部材等の各種の金属部品の母材として、加工性に優れたマグネシウム合金が広く使用されているが、最近では、更に疲労特性を向上させ長寿命化を図ることが検討されつつある。
このようなマグネシウム合金の機械的性質を改善する方法として、Ｔ５処理やＴ６処理などの熱処理方法がある。また、特許文献１や特許文献２に示されるように、マグネシウム合金の表面をショットピーニング処理する方法も知られている。
ここで、前記Ｔ５処理とは、鋳物合金、展伸用合金の鋳造後、熱間加工後の冷却速度が速い場合に、溶体化処理を省き、人工時効処理だけを行うことによって強度の向上を図る熱処理方法である。また、Ｔ６処理とは、最高の強度を発揮する為に溶体化処理・焼入れと人工時効処理を組み合わせた処理で、鋳物合金、展伸用合金では３９０〜５４０℃程度の温度で数時間保持して水焼入れする溶体化処理と、１４０〜２００℃に数時間保持する人工時効処理との組み合わせにより高強度を得る一般的な熱処理方法である。

しかしながら、前記熱処理方法においては、マグネシウム合金が高温で酸化しやすいため、これら熱処理方法の適用に際し、真空中あるいは不活性雰囲気中で行うなどの対策が必要になり、新たな加熱炉を増設する必要があるという問題点や、装置が大型化して既存のラインをそのまま利用することができないという問題点があった。
また、ショットピーニング処理方法においては、マグネシウムが活性で反応しやすいため通常の金属製ショット材を用いると、合金表面にショット材との合金層あるいはマグネシウム合金へショット材が突き刺さり、あるいは鉄系ショット材によって錆が付着したりして損傷を生じるという問題点があった。

なお、特許文献３に示されるように、ショットピーニング処理方法におけるショット材として不活性なジルコニアショット材を使用することが開示されている。しかしながら、特許文献３に記載の発明は、耐食性に優れたステンレス鋼の製造方法に関するものであって、耐食性酸化皮膜で覆われたステンレス鋼をジルコニア系ショット材でショットピーニング処理することにより、その一部がステンレス鋼表面に残留し、これが塩分環境下での腐食の起点となる事を防ぐ対策として用いられるものであり、被加工物がマグネシウム合金である本発明とは母材を全く異にするものである。
特開２００２−２９２３０７号公報特開２００３−３２５７１０号公報特開２００１−１９８８２８号公報

本発明は上記のような問題点を解決して、ショットピーニング処理を用い、表面に機械的性質に優れた強化層を有するマグネシウム合金素材を安価かつ簡便に提供することができるマグネシウム合金の冷間加工法を提供することを目的として完成されたものである。

上記課題を解決するためになされた本発明のマグネシウム合金の冷間加工法は、冷間において、マグネシウム合金の表面をセラミック系材質からなるショット材でショットピーニング処理し、合金表面に機械的強度の高い強化層を形成することを特徴とするものである。

なお、ショット材として、平均粒径が０．０５から１．０ｍｍのものを用いることが好ましく、これを請求項２に係る発明とする。
また、ショット材が、マグネシア、ジルコニア、ジルコンから選択される酸化物、窒化物、ホウ化物、金属間化合物のいずれかを含み、マグネシウムと反応しにくい安定な材料であることが好ましく、これを請求項３に係る発明とする。

本発明では、マグネシウム合金の表面をセラミック系材質からなるショット材でショットピーニング処理加工することで、ショット材とマグネシウム合金表面との接触により反応生成物を作ることなく、クリーンな表面状態を保ちつつ部材表面に安定して強化層を作ることができ、この結果、疲労特性を向上させマグネシウム合金構造材の長寿命化を実現することとなる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を参照して説明する。
図1は、ショットピーニング処理の様子を示した模式図であり、図１において、１はショット材、２は被加工物であるマグネシウム合金、３はショットピーニング処理によりマグネシウム合金の表面に形成される機械的強度の高い強化層である。
本発明では、前記強化層３を、冷間において、マグネシウム合金の表面をセラミック系材質からなるショット材でショットピーニング処理することにより形成する点に特徴を有する。

前記の被加工物であるマグネシウム合金としては、その種類を問わないが、ＡＺ１０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０等の展伸用マグネシウム合金や、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ５０Ａ、ＡＭ６０Ｂ、ＡＳ２１、ＡＥ４２、ＡＳ４１Ｂ等の鋳造用マグネシウム合金に適用される。

また、本発明でいうセラミック系材質からなるショット材とは、マグネシア、ジルコニア、ジルコンから選択される酸化物、窒化物、ホウ化物、金属間化合物のいずれかを含み、マグネシウムと反応しにくい安定な材料をいう。組成的には必ずしも一定のものである必要はなく、例えば、ジルコンの場合にはジルコニアとシリカの成分比を変えることで比重や機械的性質の異なるものが選択できる。また、表面処理を施してショット表面にこれらの安定な加工物が形成されているものも使用することができる。

前記ショット材の粒径としては、０．０５から１．０ｍｍが望ましい。０．０５ｍｍ未満ではショットの重量・負荷が小さくて、十分な厚みの強化層を形成することが難しくなり、一方、１．０ｍｍを超えると、ビジュアルカバレージ（目視によるショット材打痕の占有面積率）の時間が長くなって処理効率が悪くなるので、０．０５〜１．０ｍｍの範囲が望ましい。

また本発明において、ショットピーニング処理方法は、回転投射法、エア−吸引法、加圧ブラスト法など、いずれかは問わない。
この場合、エア−吸引法を用いると、装置の構造が簡単になる利点がある。何故なら、回転投射法では投射用の回転ユニットが必要となり、また加圧ブラスト法では加圧タンクなどが必要となるからである。また、加圧式の場合は、噴射速度を大きくすることでショット材の投射量を増加させることができるが、例えば、ジルコニア系ショットは比重が小さいのでその必要がなく、更に噴射速度が大きすぎると割れてしまうことがあるので、そのような調整は行わない。

噴射圧力と噴射時間については、使用するショット材の種類によって異なるが、ビジュアルカバレージが９８％以上になる条件で処理する。
また、エア吸引式の場合は、エア−圧力は０．１〜０．４ＭＰａが望ましい。０．１ＭＰａ未満ではショット材が噴出し難く、一方、０．４ＭＰａを超えると、硬度であらわされる強度がサチュレートするので省エネルギーの観点では望ましくない。

また、表面改質強化層の生成の判定としては、表面硬さ（ＨＶ）が初期値より増加することで判断できる。後述する実施例においては、加工面に垂直な方向の切断面での硬さが初期値から変化し始めた位置の長さをクロッシングポイント（ＣＰ：バックグランド値を超えた位置）深さとして測定した。

このように本発明では、冷間において、マグネシウム合金の表面をセラミック系材質からなるショット材でショットピーニング処理することにより、合金表面を加工硬化し、結晶粒微細化し、内部欠陥の封孔処理などを行うことで、母材表面にある程度の厚みを持った機械的強度の高い強化層を形成することができる。

また、本発明は、前記ショット材がセラミック系材質からなるものであり、通常の金属材と異なり安定な化合物であるため、活性金属であるマグネシウム合金表面との接触によって反応生成物を作ることなく、クリーンな表面状態を保ちつつ、部材表面に簡単かつ安価に強化層を作ることができるという利点がある。

この結果、本発明においては、表面硬度が向上して疲労特性が向上し、マグネシウム構造材の長寿命化を可能にするという効果を奏する。また、加工ラインに本発明を導入する場合、既設のラインにショットピーニング処理工程を加えるのみですみ、Ｔ５やＴ６熱処理に必要な炉の増設のような設備の新設、あるいは大規模なレイアウト変更なしに既存のラインをそのまま活用できるという利点もある。更に、加熱のための燃料費や加工時間が長い熱処理方法に比較すると、本発明は数十秒で処理が完了するので、ＣＯ_２排出量も少なく、環境に対する負荷削減効果も高いので、地球環境にも優しい技術である。

[実施例１]
実施例１として、エア吸引法の装置を用い、セラミック系材質からなるショット材として、粒径０．８５ｍｍのサンゴバン社製ZirShot（ZrO2：60-70%、SiO2：28-33%、700HV）を噴射圧力０．３５ＭＰａで、径６ｍｍのノズルから噴射距離１００ｍｍで、表１に示すマグネシウム合金の板材ＡＺ１０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０に対し噴射時間２０秒でショットピーニング処理した場合のビッカース硬さを測定した。
この結果、いずれも処理後の硬さはそれぞれ初期値に比較して大幅に増加していることが確認できた。

[実施例２]
マグネシウム合金板材（ＡＺ３１）に対し、エア吸引法の装置を用いセラミック系材質からなるショット材として、粒径を０．１２ｍｍ、０．２１ｍｍ、０．４２５ｍｍ、０．８１ｍｍと変化させたサンゴバン社製ZirShot（ZrO2：60-70%、SiO2：28-33%、700HV）を、噴射圧力０．３５ＭＰａで、径６ｍｍのノズルから噴射距離１００ｍｍ、噴射時間２０秒でショットピーニング処理した。図２は、ショット材噴射後のマグネシウム合金中のクロッシングポイント深さとショット粒径の関係を示すグラフであり、ショット粒径が大きくなるにつれてクロッシングポイント深さ、つまり硬さが初期値から増加した表面からの深さ方向の距離、で示されている表面硬化層が増加することが認められた。

ショットピーニング処理の様子を示した模式図である。ショット材噴射後のマグネシウム合金中のクロッシングポイント深さとショット粒径の関係を示すグラフである。

符号の説明

１セラミック系材質からなるショット
２マグネシウム合金
３表面強化層

Claims

冷間において、マグネシウム合金の表面をセラミック系材質からなるショット材でショットピーニング処理し、合金表面に機械的強度の高い強化層を形成することを特徴とするマグネシウム合金の冷間加工法。
ショット材として、平均粒径が０．０５から１．０ｍｍのものを用いる請求項1に記載のマグネシウム合金の冷間加工法。
ショット材が、マグネシア、ジルコニア、ジルコンから選択される酸化物、窒化物、ホウ化物、金属間化合物のいずれかを含み、マグネシウムと反応しにくい安定な材料である請求項1または２に記載のマグネシウム合金の冷間加工法。