JP2009019269A - マグネシウム合金部材およびその製造方法ならびに輸送機器 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性および疲労強度の両方に優れたマグネシウム合金部材およびその製造方法ならびにそのようなマグネシウム合金部材を備えた輸送機器を提供する。
【解決手段】本発明によるマグネシウム合金部材１０は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体１と、部材本体１の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜２とを有する。陽極酸化皮膜２は、多孔質である第１の層２ａと、第１の層２ａと部材本体１との間に位置し 、第１の層２ａよりもアルミニウム含有率が高い第２の層２ｂとを含む。陽極酸化皮膜２の厚さｔに対する第２の層２ｂの厚さｔ_ｂの割合が５％以上２０％以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム合金部材に関し、特に、陽極酸化皮膜を有するマグネシウム合金部材に関する。また、本発明は、そのようなマグネシウム合金部材の製造方法やそのようなマグネシウム合金部材を備えた輸送機器にも関する。

従来、輸送機器の構成部材には、機械的性質および加工性に優れ、安価であるという理由から、鋼が多く用いられてきた。しかしながら、輸送機器の燃費や走行性能を向上させるために、輸送機器の軽量化が課題となっており、鋼より軽量な材料を用いることが検討されている。

近年、鋼に比べて比重の小さいチタンやアルミニウム、マグネシウムなどの安価な精錬方法およびこれらの金属を含む合金の製造方法が開発されてきた。また、これらの金属の合金の強度や加工性を改善する技術も開発されてきた。

そのため、チタンやアルミニウム、マグネシウムの合金を輸送機器の構成部材の材料として用いることが提案されている。特に、マグネシウムの密度は鋼の約２３％であるため、マグネシウム合金を用いた場合、大幅に輸送機器の重量を軽減することができる。

しかしながら、マグネシウム合金は、アルミニウム合金に比べて環境次第では腐食し易い。そこで、マグネシウム合金の耐食性を向上する手法の１つとして、陽極酸化処理によってマグネシウム合金の表面に陽極酸化皮膜を形成することが行われている。

アルミニウム合金の陽極酸化皮膜については、多孔質なポーラス層と、無孔質なバリア層とを含むことが知られている。これらの層は、電子顕微鏡により観察することができる。マグネシウム合金の陽極酸化皮膜も、特許文献１に開示されているように、ポーラス層とバリア層とを含んでいる。

特許文献１には、ポーラス層の表層部分における微細孔の平均孔径を１００ｎｍ〜２５μｍと従来よりも小さくすることにより、マグネシウム合金の耐食性が向上することが記載されている。
特開２００６−２９１２７８号公報

しかしながら、輸送機器は主に屋外で使用されるため、その構成部材は過酷な環境に曝されることが多く、マグネシウム合金部材には耐食性のいっそうの向上が求められている。

現在実用されているマグネシウム合金部品の多くは、家電製品に用いられており、特に、小型モバイル機器の軽量化のために用いられている。そのような用途のマグネシウム合金部品の特徴は、小型で内装用部品であるということであり、要求される耐食性のレベルは輸送機器用のものよりも低い。

一般に、陽極酸化皮膜の厚さが大きくなるほど、耐食性は高くなる。家電製品用のマグネシウム合金部材に形成される陽極酸化皮膜の厚さは５μｍ〜１５μｍ程度であることが多いが、輸送機器用のマグネシウム合金部材の表面に、従来の手法によってそのような厚さの陽極酸化皮膜を形成しても、耐食性は十分ではない。本願発明者の検討によれば、輸送機器用のマグネシウム合金部材について十分な耐食性を確保するためには、１５μｍを超える厚さが必要であることがわかった。

しかしながら、陽極酸化皮膜を厚くすると、ポーラス層もそれに伴って厚くなってしまう。主に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）や水酸化マグネシウム（ＭｇＯＨ）から形成されるポーラス層は、凹凸を有し、母材であるマグネシウム合金よりも脆いので、ポーラス層が厚くなることによってポーラス層の凹凸の高低差が大きくなると、疲労破壊の起点となり易く、疲労強度が低下してしまう。そのため、陽極酸化皮膜の厚さを増大させずに（さらには従来よりも陽極酸化皮膜を薄くしても）耐食性を向上させ得る方法の実現が望まれている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐食性および疲労強度の両方に優れたマグネシウム合金部材およびその製造方法ならびにそのようなマグネシウム合金部材を備えた輸送機器を提供することにある。

本発明によるマグネシウム合金部材は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体と、前記部材本体の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜と、を有し、前記陽極酸化皮膜は、多孔質である第１の層と、前記第１の層と前記部材本体との間に位置し、前記第１の層よりもアルミニウム含有率が高い第２の層と、を含み、前記陽極酸化皮膜の厚さに対する前記第２の層の厚さの割合が５％以上２０％以下である。

ある好適な実施形態において、前記第２の層のアルミニウム含有率は、１０質量％以上２０質量％以下である。

ある好適な実施形態において、前記陽極酸化皮膜の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であり、前記第２の層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

ある好適な実施形態において、前記第１の層の気孔率は、１０％以上であり、前記第２の層の気孔率は、１０％未満である。

ある好適な実施形態において、前記部材本体の、前記陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域におけるアルミニウム含有率は、５．５質量％以上１０．０質量％以下である。

ある好適な実施形態において、前記部材本体の、前記陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域における平均結晶粒径は２０μｍ以下である。

ある好適な実施形態において、前記陽極酸化皮膜の表面の十点平均粗さは６．４Ｒｚ以下である。

あるいは、本発明によるマグネシウム合金部材は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体と、前記部材本体の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜と、を備え、前記陽極酸化皮膜は、多孔質である第１の層と、前記第１の層と前記部材本体との間に位置し、前記第１の層よりもアルミニウム含有率が高い第２の層と、を含み、前記陽極酸化皮膜の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であり、前記第２の層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。

本発明による輸送機器は、上記構成を有するマグネシウム合金部材を備える。

本発明によるマグネシウム合金部材の製造方法は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体を用意する工程と、前記部材本体の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、を包含し、前記陽極酸化皮膜を形成する工程は、所定の電圧で所定の時間、前記部材本体の陽極酸化を行う陽極酸化工程を複数回繰り返し行うことによって実行され、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行われる。

ある好適な実施形態において、前記陽極酸化工程は、４０Ｖ以上１５０Ｖ以下の電圧で行われる。

ある好適な実施形態において、前記陽極酸化工程は、０．００１秒以上１２０秒以下の時間行われる。

ある好適な実施形態において、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも０．５Ｖ以上５．０Ｖ以下高い電圧で行われる。

ある好適な実施形態において、前記陽極酸化工程は５回以上繰り返し行われる。

ある好適な実施形態において、前記部材本体を用意する工程は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から前記部材本体をダイキャスト法により成形する工程を包含する。

ある好適な実施形態において、本発明によるマグネシウム合金部材の製造方法は、前記陽極酸化皮膜を形成する工程の前に、０．１ｍｏｌ／ｌ以上１．０ｍｏｌ／ｌ以下の濃度で２５℃以上４０℃以下の温度の酸性溶液に、前記部材本体を６０秒以上３００秒以下の間浸漬する工程をさらに包含する。

本発明によるマグネシウム合金部材の陽極酸化皮膜は、多孔質である第１の層と、第１の層と部材本体との間に位置し、第１の層よりもアルミニウム含有率が高い第２の層とを含んでいる。本発明によるマグネシウム合金部材では、陽極酸化皮膜の厚さに対する第２の層の厚さの割合が５％以上２０％以下であり、従来よりも高いので、陽極酸化皮膜全体の厚さを徒に大きくすることなく、第２の層の厚さを大きくすることができる。そのため、疲労強度の低下を抑制しつつ、耐食性のいっそうの向上を図ることができる。つまり、疲労強度と耐食性の両方に優れたマグネシウム合金部材が得られる。

第２の層のアルミニウム含有率は、典型的には、１０質量％以上２０質量％以下である。

陽極酸化皮膜の厚さが２μｍ以上５μｍ以下である場合には、例えば第２の層の厚さを２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることにより、十分な疲労強度と十分な耐食性を得ることができる。

第１の層の気孔率は、典型的には１０％以上であり、第２の層の気孔率は、典型的には１０％未満（好ましくは５％以下）である。

部材本体の陽極酸化皮膜近傍（具体的には、部材本体の、陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域）におけるアルミニウム含有率は、５．５質量％以上１０．０質量％以下であることが好ましい。アルミニウム含有率が５．５質量％未満であると、スピネル（後述するようにアルミニウムとマグネシウムの酸化物である）の形成が阻害されて十分な厚さの第２の層を形成できないことがある。また、アルミニウム含有率が１０．０質量％を超えると、マグネシウム合金の靭性が低下して構造部材として不適当なことがある。

陽極酸化工程においては、部材本体の表面近傍の溶解と皮膜の生成とが同時並行で起こっているので、部材本体の表面近傍における平均結晶粒径が小さいと、部材本体の表面近傍が溶解したときに表面が荒れにくく、第２の層の厚さのばらつき（場所による変動）を抑制することができる。具体的には、部材本体の、陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域における平均結晶粒径が２０μｍ以下であると、第２の層の厚さのばらつきを小さくする効果が高い。

また、同じ理由（部材本体の表面近傍が溶解したときに表面を荒れにくくし、第２の層の厚さのばらつきを抑制する目的）から、陽極酸化工程に用いられる部材本体の表面粗さが小さいことが好ましく、具体的には、部材本体の表面の十点平均粗さが３．２Ｒｚ以下であることが好ましい。表面の十点平均粗さが３．２Ｒｚ以下である部材本体に陽極酸化皮膜を形成すると、陽極酸化皮膜の表面の十点平均粗さは６．４Ｒｚ以下となる。つまり、陽極酸化皮膜の表面の十点平均粗さが６．４Ｒｚ以下であるマグネシウム合金部材は、第２の層の厚さのばらつきが小さい。

本発明によるマグネシウム合金部材は、耐食性および疲労強度に優れているので、各種の輸送機器に好適に用いられる。

本発明によるマグネシウム合金部材の製造方法では、陽極酸化皮膜を形成する工程が、所定の電圧で所定の時間、部材本体の陽極酸化を行う陽極酸化工程を複数回繰り返し行うことによって実行され、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行われる。つまり、陽極酸化皮膜を形成する工程において、印加電圧が段階的に高くなる。このようにして陽極酸化皮膜を形成することにより、陽極酸化皮膜の厚さに対する第２の層の厚さの割合を５％以上２０％以下と従来よりも高くすることができる。従って、陽極酸化皮膜全体の厚さを増大させずに第２の層の厚さを大きくすることができる。そのため、疲労強度の低下を抑制しつつ、耐食性のいっそうの向上を図ることができる。つまり、疲労強度と耐食性の両方に優れたマグネシウム合金部材が得られる。

各陽極酸化工程は、４０Ｖ以上１５０Ｖ以下の電圧で行われることが好ましい。電圧が４０Ｖ未満であると、スピネルの形成が阻害されて十分な厚さの第２の層を形成しにくいことがある。また、電圧が１５０Ｖを超えると、第２の層の厚さがばらついて均一な厚さの第２の層が形成しにくいことがあるので、生産性が低下することがある。

各陽極酸化工程は、０．００１秒以上１２０秒以下の時間行われることが好ましい。各陽極酸化工程を行う時間は、基本的には短いほど良いが、０．００１秒未満の場合には、電圧印加時間が短すぎて膜の生成速度が極端に低下してしまうことがある。そのため、コストや生産性を考慮すると各陽極酸化工程を行う時間は０．００１秒以上であることが好ましい。また、１２０秒を超える場合には、第１の層の成長速度が上昇して陽極酸化皮膜全体の厚さに対する第２の層の厚さの割合が低下してしまう。そのため、第２の層の厚さの割合を高くするためには、各陽極酸化工程を行う時間は１２０秒以下であることが好ましく、９０秒以下であることがより好ましい。

第２の層を効率よく形成するためには、ある陽極酸化工程とその直後の陽極酸化工程との電圧差がある程度以上大きいことが好ましく、具体的には、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも０．５Ｖ以上高い電圧で行われることが好ましい。ただし、電圧差が大きすぎると、最後の陽極酸化工程における電圧（最終電圧）を第２の層の厚さのばらつきが生じにくい大きさ（例えば上述したように１５０Ｖ以下）に保ちつつ陽極酸化工程の繰り返し回数を多くすることが難しいことがあるので、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程における電圧との差が５．０Ｖを超えない電圧で行われることが好ましい。従って、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも０．５Ｖ以上５．０Ｖ以下高い電圧で行われることが好ましい。

陽極酸化皮膜の厚さに対する第２の層の厚さの割合を高くするためには、陽極酸化工程をある程度の回数以上行うことが好ましく、具体的には、５回以上繰り返し行うことが好ましい。

部材本体を用意する工程は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から部材本体をダイキャスト法により成形する工程を包含することが好ましい。ダイキャスト法を用いると、アルミニウムを含むマグネシウム合金の溶湯が急冷されるので、部材本体の表面近傍における平均結晶粒径を内部よりも小さくすることができる。

陽極酸化皮膜を形成する工程の前に、０．１ｍｏｌ／ｌ以上１．０ｍｏｌ／ｌ以下の濃度で２５℃以上４０℃以下の温度の酸性溶液に、部材本体を６０秒以上３００秒以下の間浸漬する工程を行うことにより、部材本体の表面粗さを十分に小さく（例えば十点平均粗さを３．２Ｒｚ以下に）することができる。

本発明によると、耐食性および疲労強度の両方に優れたマグネシウム合金部材およびその製造方法が提供される。また、本発明によると、そのようなマグネシウム合金部材を備えた輸送機器が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

図１に、本実施形態におけるマグネシウム合金部材（以下では単に「部材」とも称する。）１０の断面構造を示す。部材１０は、図１に示すように、部材本体１と、部材本体１の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜２とを有している。ここでは図示していないが、陽極酸化皮膜２上には、必要に応じて塗膜が形成される。

部材本体１は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成されている。マグネシウム合金としては、種々の組成のものを用いることができ、アルミニウム以外の添加元素としては、マンガン、亜鉛、カルシウム、希土類元素などが挙げられる。部材本体１は、例えば鋳造により所定の形状に成形されている。

陽極酸化皮膜２は、多層構造を有しており、多孔質である第１の層２ａと、第１の層２ａと部材本体１との間に位置する第２の層２ｂとを有する。つまり、陽極酸化皮膜２は、部材本体１側から第２の層２ｂおよび第１の層２ａがこの順で積層されて構成されている。

第１の層２ａは、主に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および水酸化マグネシウム（ＭｇＯＨ）から構成されており、既に述べたように多孔質である。これに対し、第２の層２ｂは、主にスピネルから構成されている。スピネルは、マグネシウムとアルミニウムの酸化物であり、化学量論的な組成（勿論これに限定されるものではないが）はＡｌＭｇ_２Ｏ_４である。第２の層２ｂは、主成分の構造式からもわかるように第１の層２ａよりもアルミニウム含有率が高く、実質的には無孔質である。以下では、多孔質の第１の層２ａを「ポーラス層」と呼び、無孔質の第２の層２ｂを「バリア層」と呼ぶ。バリア層２ｂは、部材本体１に陽極酸化処理を施した際に最初に形成される層であり、ポーラス層２ａは、バリア層２ｂが形成された後にバリア層２ｂ上に形成される層である。

ポーラス層２ａの気孔率が典型的には１０％以上５０％以下であるのに対し、バリア層２ｂの気孔率は典型的には１０％未満（好ましくは５％以下）である。また、ポーラス層２ａのアルミニウム含有量が典型的には１質量％以上１０質量％未満であるのに対し、バリア層２ｂのアルミニウム含有量は１０質量％以上２０質量％以下である。

多孔質であるポーラス層２ａの微細孔の平均孔径は、典型的には１０ｎｍ以上４．５μｍ以下である。これに対し、無孔質であるバリア層２ｂでは、微細孔の平均孔径は規定されない（勿論実際にはわずかに空孔が存在している。）。

本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０では、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合が５％以上２０％以下である。これに対し、従来のマグネシウム合金部材の陽極酸化皮膜では、陽極酸化皮膜の厚さに対するバリア層の厚さの割合は、１％以上ではあるものの５％未満であった。

ポーラス層２ａは、多孔質であり、バリア層２ｂよりも気孔率が高い。そのため、ポーラス層２ａの実際の厚さには局所的なばらつきがあり、ポーラス層２ａはわずかな厚さしかない部分を有している。これに対し、バリア層２ｂは、無孔質であり、ポーラス層２ａよりも気孔率が低いので、バリア層２ｂの厚さのばらつきはポーラス層２ａに比べて小さい。そのため、バリア層２ｂを厚く形成することにより、耐食性を部位によらず均一に向上させることができる。つまり、バリア層２ｂが耐食性の向上に大きく寄与する。

本実施形態では、上述したように、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合が５％以上２０％以下と従来よりも高い。従って、陽極酸化皮膜２全体の厚さｔやポーラス層２ａの厚さｔ_ａを徒に大きくすることなく、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂを大きくすることができる。そのため、疲労強度の低下を抑制しつつ、耐食性のいっそうの向上を図ることができる。つまり、疲労強度と耐食性の両方に優れたマグネシウム合金部材１０が得られる。なお、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合が従来よりも高い陽極酸化皮膜２は、例えば後述する手法により形成することができる。

例えば陽極酸化皮膜２全体の厚さｔが２μｍ以上５μｍ以下である場合、バリア層２ｂの厚さを２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下とすることにより、十分な疲労強度と十分な耐食性を得ることができる。

続いて、図２を参照しながら、本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０の製造方法を説明する。図２は、マグネシウム合金部材１０の製造方法を示すフローチャートである。

まず、アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体１を用意する（工程Ｓ１）。このとき、部材本体１の表面近傍（つまり後に形成される陽極酸化皮膜２近傍）におけるアルミニウム含有率が、部材本体１の厚さ方向中央におけるアルミニウム含有率よりも高いことが好ましい。バリア層２ｂは、部材本体１の表面近傍が酸化することによって形成される層であるので、表面近傍のアルミニウム含有率を高くすることにより、アルミニウム含有率が部材本体１の全体でほぼ均一な場合と比べてアルミニウムの総量が同じであっても厚いバリア層２ｂを形成することができる。

部材本体１は、公知の種々の方法により成形され得るが、冷却速度の速い金型鋳造法、特に、ダイキャスト法により成形されることが好ましい。ダイキャスト法を用いると、アルミニウムを含むマグネシウム合金の溶湯が急冷されるので、部材本体１の表面近傍におけるアルミニウム含有率を内部よりも高くすることができる。また、後述する理由から、部材本体１の表面近傍におけるマグネシウム合金の平均結晶粒径が小さいことが好ましく、ダイキャスト法を用いることにより、表面近傍における平均結晶粒径を内部よりも小さくすることもできる。

部材本体１の表面近傍（具体的には、部材本体１の、陽極酸化皮膜２との界面から１００μｍ以内の領域）におけるアルミニウム含有率は、５．５質量％以上１０．０質量％以下であることが好ましい。アルミニウム含有率が５．５質量％未満であると、スピネルの形成が阻害されて十分な厚さのバリア層２ｂを形成できないことがある。また、アルミニウム含有率が１０．０質量％を超えると、マグネシウム合金の靭性が低下して構造部材として不適当なことがある。例えば、ＡＭ６０Ｂ、ＡＭ８０、ＡＺ９１Ｄ、ＡＺ６１などのマグネシウム合金を用いてダイキャスト法により部材本体１を成形することにより、部材本体１の表面近傍におけるアルミニウム含有率を５．５質量％以上１０．０質量％以下にすることができる。

次に、部材本体１に対し、脱脂、水洗、最表面層の除去、水洗、表面調整、水洗（工程Ｓ２〜Ｓ７）を順次行う。脱脂は、部材本体１の表面に付着している油脂分を取り除く処理であり、最表面層の除去は、部材本体１の表面から表面汚染層を除去する処理である。また、表面調整は、上述した表面汚染層の除去の際に部材本体１の表面に発生した副生成物を、取り除いて清浄化するための処理である。これらの工程は、公知の種々の手法により行うことができる。例えば、最表面層の除去は、機械的に行ってもよいし、化学的に行ってもよい。なお、脱脂から表面調整までの工程は必ずしも行う必要はないが、用意される部材本体１によっては行うことが好ましい。例えば、部材本体１が離型剤の付着したダイキャスト成形品である場合には、これらの工程を行うことが好ましい。

続いて、部材本体１の表面に陽極酸化皮膜２を形成する（工程Ｓ８）。陽極酸化皮膜２を形成するこの工程は、所定の電圧で所定の時間、部材本体１の陽極酸化を行う陽極酸化工程を複数回繰り返し行うことによって実行される。

図３に、工程Ｓ８における印加電圧と時間との関係の一例を示す。図３に示す例では、陽極酸化工程が１０回（工程Ｓ８−１から工程Ｓ８−１０まで）繰り返し行われる。また、図３に示しているように、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行われる。

陽極酸化に用いられる電解液は、アルカリ性溶液であればよく、公知の種々の組成の電解液を用いることができる。後述する実施例では、入手しやすいアルカリ性溶液（ＮａＨＣＯ_３水溶液やＮａＯＨ水溶液）で濃度が０．５〜２ｍｏｌ／ｌのものを用いた。

電流としては、直流電流が用いられるが、ＰＲ波電流（交流電流を制御して直流電流のような波形をつくったもの）を用いてもよい。また、電流密度に特に限定はなく、後述する実施例では、８〜１５Ａ／ｄｍ^２であった。

その後、水洗、後処理、純水洗、乾燥を順次行う（工程Ｓ９〜Ｓ１２）。後処理としては、例えば、陽極酸化皮膜２の表面の微細孔を塞ぐ封孔処理が行われる。このようにして、陽極酸化皮膜２を有するマグネシウム合金部材１０が完成する。

上述したように、本実施形態における製造方法では、陽極酸化皮膜２を形成する工程Ｓ８は、所定の電圧で所定の時間、部材本体１の陽極酸化を行う陽極酸化工程を複数回繰り返し行うことによって実行され、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行われる。つまり、陽極酸化皮膜２を形成する工程において、印加電圧が段階的に高くなる。このようにして陽極酸化皮膜２を形成することにより、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合を５％以上２０％以下と従来よりも高くすることができる。以下、この理由を図４を参照しながら説明する。

図４は、ある一定電圧で陽極酸化を行ったときの部材本体１の表面における電圧の推移を表している。部材本体１の表面の電圧は、電圧印加直後から徐々に上昇して、最終的にはある一定値に収束する。このような電圧の推移は、陽極酸化皮膜２の生成状況により４つの段階Ａ〜Ｄに分けられる。

最初の段階Ａでは、電圧が急激に上昇し、部材本体１の表面にスピネルを主成分として含むバリア層２ｂが生成する。次の段階Ｂでは、段階Ａと同様にバリア層２ｂが生成するが、電圧の上昇は緩やかになり、バリア層２ｂの生成速度も遅くなる。続く段階Ｃでは、酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムを主成分として含むポーラス層２ａが生成する。電圧はわずかに上昇を続け、バリア層２ｂもわずかであるが生成する。最後の段階Ｄでは、ポーラス層２ａのみが生成する。電圧はほぼ一定値に収束する。

本実施形態における製造方法では、２回目以降の陽極酸化工程を、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行うことにより、上述した段階Ａと段階Ｂ（つまりバリア層２ｂが生成する段階）とを繰り返すことができるので、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合を従来よりも高く（具体的には５％以上２０％以下に）することができる。従って、陽極酸化皮膜２全体の厚さｔを増大させずにバリア層２ｂの厚さｔ_ｂを大きくすることができる。そのため、疲労強度の低下を抑制しつつ、耐食性のいっそうの向上を図ることができる。つまり、疲労強度と耐食性の両方に優れたマグネシウム合金部材１０が得られる。

これに対し、従来の製造方法では、図５に示すように、陽極酸化皮膜を形成する工程において、同じ大きさの電圧で陽極酸化が行われるので、陽極酸化皮膜全体の厚さに対するバリア層の厚さの割合を高くすることができない。

なお、図３には、印加電圧の異なる複数の陽極酸化工程Ｓ８−１〜Ｓ８−１０が連続的に行われる場合を示したが、図６に示すように、陽極酸化工程Ｓ８−１〜Ｓ８−６が断続的に（間欠的に）行われてもよい。

各陽極酸化工程は、４０Ｖ以上１５０Ｖ以下の電圧で行われることが好ましい。電圧が４０Ｖ未満であると、スピネルの形成が阻害されて十分な厚さのバリア層２ｂを形成しにくいことがある。また、電圧が１５０Ｖを超えると、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂがばらついて均一な厚さのバリア層２ｂが形成しにくいことがあるので、生産性が低下することがある。複数回の陽極酸化工程全体の所要時間を短縮化する観点からは、最初の陽極酸化工程における電圧（開始電圧）は、７５Ｖ以上１２０Ｖ以下であることが好ましい。

各陽極酸化工程は、０．００１秒以上１２０秒以下の時間行われることが好ましい。各陽極酸化工程を行う時間は、基本的には短いほど良いが、０．００１秒未満の場合には、電圧印加時間が短すぎて膜の生成速度が極端に低下してしまうことがある。そのため、コストや生産性を考慮すると各陽極酸化工程を行う時間は０．００１秒以上であることが好ましい。また、１２０秒を超える場合には、第１の層の成長速度が上昇して陽極酸化皮膜２全体の厚さに対する第２の層２ｂの厚さの割合が低下してしまう。そのため、第２の層２ｂの厚さの割合を高くするためには、各陽極酸化工程を行う時間は１２０秒以下であることが好ましく、９０秒以下であることがより好ましい。なお、陽極酸化皮膜２を形成する工程全体は、典型的には、５分〜５０分行われる。

陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合を高くするためには、陽極酸化工程をある程度の回数以上行うことが好ましい。具体的には、陽極酸化工程を５回以上繰り返し行うことが好ましい。

段階Ａと段階Ｂとを繰り返すためには、ある陽極酸化工程とその直後の陽極酸化工程との電圧差がある程度以上大きいことが好ましく、具体的には、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも０．５Ｖ以上高い電圧で行われることが好ましい。ただし、電圧差が大きすぎると、最後の陽極酸化工程における電圧（最終電圧）を生産性の低下しない大きさ（例えば上述したように１５０Ｖ以下）に保ちつつ陽極酸化工程の繰り返し回数を多くすることが難しいことがあるので、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程における電圧との差が５．０Ｖを超えない電圧で行われることが好ましい。つまり、２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程に比べて０．５Ｖ以上５．０Ｖ以下高い電圧で行われることが好ましい。

陽極酸化工程においては、部材本体１の表面近傍の溶解と皮膜の生成とが同時並行で起こっているので、部材本体１の表面近傍における平均結晶粒径（マグネシウム合金の平均結晶粒径）が小さいと、部材本体１の表面近傍が溶解したときに表面が荒れにくく、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂのばらつき（場所による変動）を抑制することができる。具体的には、部材本体１の、陽極酸化皮膜２との界面から１００μｍ以内の領域における平均結晶粒径が２０μｍ以下であると、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂのばらつきを小さくする効果が高い。

また、同じ理由（部材本体１の表面近傍が溶解したときに表面を荒れにくくし、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂのばらつきを抑制する目的）から、陽極酸化工程に用いられる部材本体１の表面粗さが小さいことが好ましく、具体的には、部材本体１の表面の十点平均粗さが３．２Ｒｚ以下であることが好ましい。表面の十点平均粗さが３．２Ｒｚ以下である部材本体１に陽極酸化皮膜２を形成すると、陽極酸化皮膜２の表面の十点平均粗さは６．４Ｒｚ以下となる。つまり、陽極酸化皮膜２の表面の十点平均粗さが６．４Ｒｚ以下であるマグネシウム合金部材１０は、バリア層２ｂの厚さのばらつきが小さいといえる。

部材本体１の表面粗さを小さくするためには、最表面層を除去する工程（図２に示す工程Ｓ４）において、部材本体１の表面を平滑化できるような処理を施せばよい。

例えば、機械的な研磨によって最表面層の除去を行う場合には、研磨具の番手を細かくする（例えば番手が＃４００〜＃５００のエメリーペーパーを用いて研磨する）ことにより、部材本体１の表面粗さを小さくすることができる。

また、化学的な手法であるエッチングによって最表面層の除去を行う場合には、処理液（エッチング液）の温度と濃度を従来よりも低くして処理時間を従来よりも長くしてもよい。具体的には、０．１ｍｏｌ／ｌ以上１．０ｍｏｌ／ｌ以下の濃度で２５℃以上４０℃以下の温度の酸性溶液（例えばりん酸や硝酸）に、部材本体１を６０秒以上３００秒以下の間浸漬することにより、部材本体１の表面粗さを十分に小さく（例えば十点平均粗さを３．２Ｒｚ以下に）することができる。

図７に、本実施形態の製造方法により製造されたマグネシウム合金部材１０の断面の顕微鏡写真を示し、図８に、従来の製造方法により製造されたマグネシウム合金部材の断面の顕微鏡写真を示す。これらの顕微鏡写真を用いて断面観察を行って、陽極酸化皮膜およびバリア層の厚さを測定したところ、図７に示すマグネシウム合金部材１０では、陽極酸化皮膜２全体の厚さｔは５μｍ以下であり、バリア層２ｂの厚さｔ_ｂは２００ｎｍ〜５００ｎｍであった。これに対し、図８に示す従来のマグネシウム合金部材では、バリア層の厚さは６０ｎｍ〜３００ｎｍであり、平均値は２００ｎｍ未満であった。このように、本実施形態の製造方法によれば、従来よりもバリア層２ｂを厚く形成することができる。

表１および表２に、本実施形態の製造方法により製造されたマグネシウム合金部材１０について、ＥＤＸ分析（エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析）を行った結果を示す。なお、このＥＤＸ分析は、図９に示すように、ポーラス層２ａに対応する分析箇所１、２、バリア層２ｂに対応する分析箇所３、部材本体１に対応する分析箇所４の４箇所について行った。

表１および表２に示したように、バリア層２ｂのアルミニウム含有率は、ポーラス層２ａのアルミニウム含有率よりも高く、この結果から、バリア層２ｂが主にスピネルから形成され、ポーラス層２ａが主に酸化マグネシウムや水酸化マグネシウムから形成されていることがわかる。

続いて、表３に、本実施形態の製造方法により製造されたマグネシウム合金部材１０（実施例１〜６）と、従来の製造方法により製造されたマグネシウム合金部材（比較例１〜３）とについて、耐食性と疲労強度とを評価した結果を示す。耐食性は、ＡＳＴＭ―Ｂ−１１７に準拠した塩水噴霧試験を行って評価し、疲労強度は、応力比Ｒ＝−１で平面曲げ疲労試験を行って評価した。なお、表３に示した実施例１〜６および比較例１〜３の電圧印加条件および陽極酸化工程実行時間は、表４に示す通りである。

表３に示すように、実施例１〜６では、陽極酸化皮膜２の厚さｔに対するバリア層２ｂの厚さｔ_ｂの割合が高く（５％以上２０％以下）、バリア層２ｂが厚いので、耐食性に優れている。また、陽極酸化皮膜２全体の厚さｔ自体はそれほど大きくないので、疲労強度にも優れている。

これに対し、比較例１、２および３では、陽極酸化皮膜の厚さに対するバリア層の厚さの割合が低い（具体的には５％未満）。そのため、比較例１のようにバリア層が薄くて耐食性が不足したり、比較例２および３のように陽極酸化皮膜が厚くて疲労強度が不足したりすることがある。

なお、表４には、実施例１〜６のそれぞれについて、各陽極酸化工程の実行時間として１秒または０．１秒を例示しているが、各陽極酸化工程の実行時間はさらに短くしてもよく、例えば０．００１秒であってもよい。

本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０は、耐食性および疲労強度に優れているので、図１０に示すような自動二輪車１００をはじめとする各種の輸送機器に好適に用いられる。

輸送機器は、主に屋外で使用されるため、その構成部材は過酷な環境に曝されることが多いが、本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０を用いることにより、輸送機器の軽量化を図るとともに、過酷な環境下での腐食を抑制し、輸送機器の耐久性をいっそう向上させることができる。

本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０は、例えば、図１１に示すような、自動二輪車のフレーム２０である。あるいは、本実施形態におけるマグネシウム合金部材１０は、図１２に示すようなクランクケース３０や、図１３に示すようなホイール４０である。勿論、ここで例示したものに限定されず、本実施形態におけるマグネシウム合金製部材１０は輸送機器の種々の部材として好適に用いられる。

本発明によると、耐食性および疲労強度の両方に優れたマグネシウム合金部材およびその製造方法が提供される。本発明によるマグネシウム合金部材は、二輪自動車、四輪自動車などの車両や、船舶、飛行機などの各種輸送機器に幅広く用いることができる。

本発明の好適な実施形態におけるマグネシウム合金部材１０の断面構造を模式的に示す図である。 マグネシウム合金部材１０の製造方法を模式的に示すフローチャートである。 マグネシウム合金部材１０の陽極酸化皮膜を形成する工程における印加電圧と時間との関係の一例を示すグラフである。 ある一定電圧で陽極酸化を行ったときの部材本体表面における電圧の推移を表すグラフである。 従来の陽極酸化皮膜を形成する工程における印加電圧と時間との関係を示すグラフである。 マグネシウム合金部材１０の陽極酸化皮膜を形成する工程における印加電圧と時間との関係の他の一例を示すグラフである。 マグネシウム合金部材１０の断面の顕微鏡写真である。 従来のマグネシウム合金部材の断面の顕微鏡写真である。 マグネシウム合金部材１０についてＥＤＸ分析を行った箇所を示す写真である。 自動二輪車を模式的に示す側面図である。 自動二輪車のフレームを模式的に示す斜視図である。 クランクケースを模式的に示す分解斜視図である。 ホイールを模式的に示す斜視図である。

符号の説明

１ 部材本体
２ 陽極酸化皮膜
２ａ ポーラス層（第１の層）
２ｂ バリア層（第２の層）
１０ マグネシウム合金部材
２０ フレーム
３０ クランクケース
４０ ホイール
１００ 自動二輪車

Claims (16)

1. アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体と、
   前記部材本体の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜と、を有し、
   前記陽極酸化皮膜は、多孔質である第１の層と、前記第１の層と前記部材本体との間に位置し、前記第１の層よりもアルミニウム含有率が高い第２の層と、を含み、
   前記陽極酸化皮膜の厚さに対する前記第２の層の厚さの割合が５％以上２０％以下である、マグネシウム合金部材。
2. 前記第２の層のアルミニウム含有率は、１０質量％以上２０質量％以下である請求項１に記載のマグネシウム合金部材。
3. 前記陽極酸化皮膜の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であり、
   前記第２の層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である請求項１または２に記載のマグネシウム合金部材。
4. 前記第１の層の気孔率は、１０％以上であり、
   前記第２の層の気孔率は、１０％未満である請求項１から３のいずれかに記載のマグネシウム合金部材。
5. 前記部材本体の、前記陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域におけるアルミニウム含有率は、５．５質量％以上１０．０質量％以下である請求項１〜４のいずれかに記載のマグネシウム合金部材。
6. 前記部材本体の、前記陽極酸化皮膜との界面から１００μｍ以内の領域における平均結晶粒径が２０μｍ以下である請求項１から５のいずれかに記載のマグネシウム合金部材。
7. 前記陽極酸化皮膜の表面の十点平均粗さが６．４Ｒｚ以下である請求項１から６のいずれかに記載のマグネシウム合金部材。
8. アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体と、
   前記部材本体の少なくとも一部を覆う陽極酸化皮膜と、を備え、
   前記陽極酸化皮膜は、多孔質である第１の層と、前記第１の層と前記部材本体との間に位置し、前記第１の層よりもアルミニウム含有率が高い第２の層と、を含み、
   前記陽極酸化皮膜の厚さは２μｍ以上５μｍ以下であり、
   前記第２の層の厚さは２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下であるマグネシウム合金部材。
9. 請求項１から８のいずれかに記載のマグネシウム合金部材を備えた輸送機器。
10. アルミニウムを含むマグネシウム合金から形成された部材本体を用意する工程と、
    前記部材本体の表面に陽極酸化皮膜を形成する工程と、を包含し、
    前記陽極酸化皮膜を形成する工程は、
    所定の電圧で所定の時間、前記部材本体の陽極酸化を行う陽極酸化工程を複数回繰り返し行うことによって実行され、
    ２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも高い電圧で行われる、マグネシウム合金部材の製造方法。
11. 前記陽極酸化工程は、４０Ｖ以上１５０Ｖ以下の電圧で行われる請求項１０に記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
12. 前記陽極酸化工程は、０．００１秒以上１２０秒以下の時間行われる請求項１０または１１に記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
13. ２回目以降の陽極酸化工程は、前回の陽極酸化工程よりも０．５Ｖ以上５．０Ｖ以下高い電圧で行われる請求項１０から１２のいずれかに記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
14. 前記陽極酸化工程は５回以上繰り返し行われる、請求項１０から１３のいずれかに記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
15. 前記部材本体を用意する工程は、アルミニウムを含むマグネシウム合金から前記部材本体をダイキャスト法により成形する工程を包含する、請求項１０から１４のいずれかに記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
16. 前記陽極酸化皮膜を形成する工程の前に、０．１ｍｏｌ／ｌ以上１．０ｍｏｌ／ｌ以下の濃度で２５℃以上４０℃以下の温度の酸性溶液に、前記部材本体を６０秒以上３００秒以下の間浸漬する工程をさらに包含する請求項１０から１５のいずれかに記載のマグネシウム合金部材の製造方法。

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