JP2009097021A - 高比強度Ｍｇ合金材およびその製造方法ならびにＭｇ合金海中構造用部材 - Google Patents

Abstract

【課題】比強度、減衰性能に優れるＭｇ合金材を焼結によることなく得る。
【解決手段】Ｍｇ合金インゴット１から切削した粒１ａを室温において固めて成形体２とし、該成形体２を４５０℃以下で押出加工し、好適にはさらに２５０〜４５０℃で後方押出などの二次歪み加工を行う。減衰性能を損なうことなく、切削粒の歪みを残存させて高い強度を得ることが可能になる。高比強度Ｍｇ合金材は、所望によりＮｉ−Ｐめっき、Ｎｉ−ＢめっきおよびＣｒめっきの内の２、３種などのめっき層を層状に形成することができ、深海での環境下において、高強度、防音性、耐食性が要求される海中構造用部材に好適に利用することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は軽量で機械強度、耐食性、減衰性能に優れ、特に海中環境下で使用される材料に好適なＭｇ合金材とその製造方法、ならびに前記Ｍｇ合金材を用いたＭｇ合金海中構造用部材に関するものである。

無人探査船等などの水中航走体に使用する構造用部材は、航走距離の増大や浮上性の向上、燃費の減少のために船体の質量を軽減する必要がある。また、海中では通信手段や探査・観測手段として音響が用いられるが、様々な周波数帯を使用するため内包する機器の機械雑音が音響機器に干渉しないようにするため部材の防音性の向上も必要である。従来は軽量材料であるＴｉ合金を構造用部材として使用しているが、上記の理由のために更なる軽量化、防音化の必要がある。

Ｍｇ合金材は、軽量で減衰性能に優れており、マグネシウム合金焼結体による防音材としての適用例も提案されている（例えば特許文献１参照）。
ただし、Ｍｇ合金材は、一般的に強度が十分ではなく、このためＭｇ合金にひずみを加えることにより強度を上げる試みがなされている（例えば特許文献２）。またＭｇ合金材は耐食性が良好ではなく一般には表面塗装が施されるが、深海では、水深が増すほど外圧が増加するため、塗料と部材の材質の違いによる収縮率の相違により剥離してしまう。これに対しては、特許文献３に示すように、Ｍｇ合金表面にメッキを施す技術が提案されており、この技術の採用によって深海でのＭｇ合金の耐食性を改善することが可能と考えられる。
特開２００３−２７７８７６号公報 特開２０００−１０４１３７号公報

しかし、上記に示した従来技術によるＭｇ合金の強度向上では、深海圧力に耐え得る強度を有するまでには至っておらず、このような用途では相変わらずＭｇ合金の強度が不足するという問題がある。また、防音材として用いる場合、焼結体では深海で水圧のかかる環境には適していないという問題がある。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、焼結体によることなく、比強度および音減衰性能に優れる高比強度Ｍｇ合金材およびその製造方法ならびにＭｇ合金海中構造用部材を提供することを目的とする。

本発明の高比強度Ｍｇ合金材のうち第１の本発明は、Ｍｇ合金インゴットから切削した粒で構成される成形体を押し出した押出材であることを特徴とする。

第２の本発明の高比強度Ｍｇ合金材は、前記第１の本発明において、前記Ｍｇ合金インゴットの組成が、質量％でＺｎ：４〜６％、Ｙ：６〜８％、Ｚｒ：０〜１．５％を含有し、残りがＭｇおよび不可避不純物であることを特徴とする。

第３の本発明のＭｇ合金海中構造用部材は、前記第１または第２の本発明において、前記第１または第２の本発明に記載の高比強度Ｍｇ合金材表面にメッキが施されていることを特徴とする。

第４の本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、Ｍｇ合金インゴットから切削した粒を加圧成形により固めて成形体とし、該成形体を４５０℃以下で押出加工することを特徴とする。

第５の本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、前記第４の本発明において、前記押出加工後、さらに、２５０〜４５０℃で二次歪み加工を行うことを特徴とする。

第６の本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、前記第５の本発明において、前記二次歪み加工が押出加工であることを特徴とする。

第７の本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、前記第５の本発明において、前記二次歪み加工が後方押出加工であることを特徴とする。

第８の本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、前記第４〜第７の本発明のいずれかにおいて、前記成形体は、前記粒を室温固化したものであることを特徴とする。

すなわち、本発明によれば、インゴットから切削されたそれぞれの粒に歪みが導入され、この歪みが維持されたままで得られる成形体をさらに押出加工することで、材料に高歪みが付与され、比強度が明らかに向上する。

なお、本発明で原料として用いられるインゴットは、既知の方法により溶製されたものを用いることができ、本発明としてはその製造方法が特に限定されるものではない。該インゴットはＭｇ合金に関するものであるが、その組成は、Ｍｇ合金材の使用用途などにより適宜設定することができ、本発明としては特定の組成に限定されるものではなく、強度や防音性能などを考慮して適宜の組成を選定することができる。
好適例として、（Ｚｎ：４〜６％、Ｙ：６〜８％、Ｚｒ：０〜１．５％、残部Ｍｇおよび不可避不純物）の組成（質量％）が挙げられる。

ここで、添加元素であるＺｎは機械強度を向上させる効果があるが、添加量が多過ぎても少な過ぎても強度が減少するため、４〜６％が良い。またＹは耐力の向上の効果が期待されるが、６％未満は効果が薄く、８％を超えると原材料コストが増加するため、６〜８％が良い。Ｚｒは、積極的に添加しなくてもよいが、少量で凝固組織を微細化して強度を向上させる効果がある。ただし、１．５％を超えて添加してもそれほど効果が向上せず製造コストが増加する。また、上記作用を十分に得るためには、０．２％以上含有するのが望ましい。

上記インゴットから粒を切削する際の工具としては、既知の切削工具を用いることができ、本発明としては特に工具類が限定されるものではない。切削により得られる粒は、本発明としてはサイズが限定されるものではないが、好適には、最大粒長で１０ｍｍ以下が望ましい。１０ｍｍを超えると成形体への製造難易度が上がる。より好ましくは５ｍｍ以下である。

インゴットから得られる切削粒は、歪みを維持した状態で成形体に固化される。この際に、焼結などのように高温に加熱をすると切削粒に導入された歪みが除去されてしまうため、該歪みが解放されない低温での成形が必要であり、好適には室温で外部からの熱を加えることなく加圧成形するのが望ましい。なお、成形体の固体強度は、ハンドリングができ、後工程での押出が可能な程度であればよい。

上記成形体は、４５０℃以下の温度で押出加工を行う。４５０℃を超えて押出加工を行うと、切削時に切削粒内に生じた歪みが解放されてしまい、押出品の強度が低下する。好ましくは４００℃以下である。また、一度押出を行った押出品は、さらに押出加工、鍛造等の二次歪み加工を行うことができる。この二次歪み加工により強歪みを与えてさらに材料中の歪みを増大させて比強度を向上させることができる。この二次歪み加工は１回の他、さらに割れなどが生じることなく加工が可能であれば、繰り返し行うことができる。二次歪み加工では、その直前の押出が前方押出であれば、続いて後方押出を行うようにしても良い。

二次歪み加工では、２５０〜４５０℃の温度で加工を行う。加工温度が４５０℃を超えると、材料に導入されている歪みが解放されて十分な強度を確保することができなくなる。同様の理由で好適には加工温度は４００℃以下である。また、二次歪み加工では、加工温度が２５０℃未満になると、加工中に加工材に割れが生じやすくなるため、２５０℃以上の加工温度とする。なお、切削粒内に生じたひずみを解放しない加熱条件は、切削粒を加熱して、その硬さの変化を調べることで容易に知ることができる。

上記により得られる高比強度Ｍｇ合金材は、焼結によることなく優れた比強度と優れた減衰性とを有しており、さらに、所望によりＭｇ合金材表面にＮｉ−Ｐめっき、Ｎｉ−ＢめっきおよびＣｒめっきの内の２、３種などを層状に施すことで耐食性を向上させて海中構造用部材として好適に利用することができる。ただし、本発明としては、めっき層の形成が必須となるものではなく、また高比強度Ｍｇ合金材の用途が特定のものに限定をされるものではなく、種々の用途への適用が可能である。

以上説明したように、本発明の高比強度Ｍｇ合金材は、Ｍｇ合金インゴットから切削した粒で構成される成形体を押し出した押出材からなるので、高い比強度を示し、また防音性能にも優れている。
また、本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法は、Ｍｇ合金インゴットから切削した粒を加圧成形により固めて成形体とし、該成形体を４５０℃以下で押出加工するので、減衰性能を損なうことなく、切削粒の歪みを残存させて高い強度を得ることが可能になる。

以下に、本発明の一実施形態を説明する。
所望の組成（好適例Ｚｎ：４〜６％、Ｙ：６〜８％、Ｚｒ：０〜１．５％、残部Ｍｇおよび不可避不純物）としたインゴット１を常法により溶製し、切削バイト３０などにより好適には最大粒長１０ｍｍ以下の粒に切削する。この切削により得られる切削粒１ａを室温で加圧して固め、成形体２を得る。該成形体２を押出型１０に納め、ラム１１によって押し出して、押出品３を得る。この際の押出温度は、４５０℃以下とする。これにより切削粒の歪みが残留したままで高い比強度が得られる。なお、押出温度以外のその他の押出条件（押出比、押出速度など）は、本発明としては特に限定されるものではなく、適宜設定が可能である。

上記押出品３は、二次歪み加工としてさらに二次押出型２０に納める。該二次押出型２０に用いられるラム２１は、押出型２０の内径よりも小さく、押出型２０の内周面とラム２１の外周面との間が後方押出空間になる。この押出型２０によってラム２１を前進させて材料を後方に押出す。この際の押出温度は２５０〜４５０℃とする。なお、押出温度以外のその他の押出条件（押出比、押出速度など）は、本発明としては特に限定されるものではなく、適宜設定が可能である。

なお、この実施形態では上記二次歪み加工は後方押出として説明したが、本発明としては、二次歪み加工が後方押出に限定されるものではなく、前方押出や鍛造などにより行うことができる。また、本発明では、押出加工のみで二次歪み加工を実施しないことも可能である。

上記後方押出加工により得られた高比強度Ｍｇ合金材５は、そのまま利用に供することができ、また、所望によりＮｉ−Ｐめっき、Ｎｉ−ＢめっきおよびＣｒめっきなどによって１層または複数層によってめっき層６を形成することができる。該めっき層６の形成方法は本発明としては特に限定されるものではなく、既知の方法により行うことができ、高比強度Ｍｇ合金材５の一部表面にのみ形成するものであってもよい。

上記高比強度Ｍｇ合金材は、好適には海中構造用部材に利用することで、深海圧力に耐え得る高い強度を有しており、深海で水圧のかかる環境においても、防音材として高い機能を発揮することができる。

以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、上記実施形態は本発明の一例であり、本発明が上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。

以下に、本発明の一実施例を説明する。
質量％で、Ｙを７％、Ｚｎを５％、Ｚｒを１％配合したＭｇ合金（残部Ｍｇおよび不可避不純物）を金型に鋳込み、その鋳造材（インゴット）を機械で切削することにより１〜２ｍｍの大きさにチップ化した。その切削粒を、加圧成形により直径３０５ｍｍ×高さ４００ｍｍの円柱状に室温固化成形し、押出温度３７５℃、押出比１０、押出速度３ｍｍ／ｓで押出し、さらに鍛造温度３００℃、鍛造比２、ひずみ速度１０^−２／ｓで後方押出鍛造を加えた後、機械加工することにより、高さ１４２ｍｍ、内径７０ｍｍ、外径８８ｍｍの円筒を得た。表面処理として、既知の方法により合計１５０μｍ厚で、それぞれ同程度の厚さとなるように、無電解によるＮｉめっきと電解によるＣｒめっきを施し、供試材を得た。

容器から押出し方向に平行にＪＩＳ１４Ａ号引張試験片を切出し、室温でひずみ速度１０^−３／ｓの引張試験を実施した。図２にＴｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）、Ａｌ合金（ＪＩＳＡ７０７５合金）と、鋳造に、切削粒化、押出加工、後方押出を組み合わせた比較材および発明材との比強度の比較を示した。比強度は、以下の式で表される。
（比強度）＝（引張強度）÷（合金密度）
図２では、発明材が従来のチタン合金と比較して比強度が１．１倍となり、また、鋳造ままのＭｇ合金材料を押出加工したものよりも比強度の優れるマグネシウム合金が得られていることが分かる。

さらに、上記と同様にして後方押出鍛造により製造した容器から直径３０ｍｍ×厚さ５ｍｍに切出した供試材に上記Ｎｉ−Ｐめっき＋Ｃｒめっき処理を施して、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に準じた塩水噴霧試験を実施した。６２４時間におよぶ試験の結果、該供試材には腐食が認められなかった。

次に、音響試験のために上記供試材を水没させ、発明材内の音源から音波を発し、１ｍ離れた受信器にて音量を計測した。計測は発明材とＡｌ合金（ＪＩＳＡ７０７５合金）、Ｔｉ合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）で行い、供試体をはずした状態と比較してどの程度音量が減少したかを評価した。評価方法は、次式の透過損失を各合金の密度で割った値で評価した。
透過損失＝１０×ｌｏｇ_ｅ（Ｉ_ｉ／Ｉ_ｔ）（ｄＢ）
Ｉ_ｉ：入射音の強さ（供試体をはずした状態）
Ｉ_ｔ：透過した音波の強さ
評 価：（透過損失）÷（合金密度）（ｄＢ・ｇ^−１・ｍ^３）

図３に、各合金の周波数に対する値の変化を示す。人間の耳に聞こえる２０ｋＨｚ以下および探査船の調査や観測手段として主に使用される超長波６〜３０ｋＨｚの範囲で、Ｍｇ合金は密度当たりの透過損失が大きく、防音効果が高いことが分かる。
以上の結果から、軽量で比強度、耐食性、防音効果に優れたＭｇ合金海中構造用部材を製造することができた。

本発明の高比強度Ｍｇ合金材の製造工程を示すフロー図である。 本発明の実施例における各材料の比強度の比較を示す図である。 同じく、各合金の比重あたりの透過損失と周波数との関係を示す図である。

符号の説明

１ インゴット
２ 切削粒
３ 押出品
５ 高比強度Ｍｇ合金材
６ めっき層

Claims (8)

1. Ｍｇ合金インゴットから切削した粒で構成される成形体を押し出した押出材であることを特徴とする高比強度Ｍｇ合金材。
2. 前記Ｍｇ合金インゴットの組成が、質量％でＺｎ：４〜６％、Ｙ：６〜８％、Ｚｒ：０〜１．５％を含有し、残りがＭｇおよび不可避不純物であることを特徴とする請求項１記載の高比強度Ｍｇ合金材。
3. 請求項１または２に記載の高比強度Ｍｇ合金材表面にメッキが施されていることを特徴とするＭｇ合金海中構造用部材。
4. Ｍｇ合金インゴットから切削した粒を加圧成形により固めて成形体とし、該成形体を４５０℃以下で押出加工することを特徴とする高比強度Ｍｇ合金材の製造方法。
5. 前記押出加工後、さらに、２５０〜４５０℃で二次歪み加工を行うことを特徴とする請求項４記載の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法。
6. 前記二次歪み加工が押出加工であることを特徴とする請求項５記載の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法。
7. 前記二次歪み加工が後方押出加工であることを特徴とする請求項５記載の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法。
8. 前記成形体は、前記粒を室温固化したものであることを特徴とする請求項４〜７のいずれかに記載の高比強度Ｍｇ合金材の製造方法。

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