JP2014018368A

JP2014018368A - マグネシウム合金成形品

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Publication number: JP2014018368A
Application number: JP2012158975A
Authority: JP
Inventors: Koji Mori; 宏治森; Koji Mimura; 浩二三村; Nobuyuki Okuda; 伸之奥田; Masasada Numano; 正禎沼野
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2014-02-03

Abstract

【課題】耐衝撃性に優れるマグネシウム合金成形品を提供する。
【解決手段】アタッシュケース10は、AZ91相当のマグネシウム合金（Mg‐9.0質量％Al‐1.0質量％Zn）の板材（0.8mm厚の圧延板）からなる直方体箱状の基材（本体部11及び蓋部12）を備え、本体部11に対して蓋部12がヒンジ（図示せず）で連結され、開閉可能に構成されている。本体部11及び蓋部12は、上記したマグネシウム合金の圧延板をプレス加工して成形されている。また、アタッシュケース10の底面106には４つの脚部13が設けられている。そして、アタッシュケース10は、各角部（８つの立体角の部分）の内面、及び、底面106の内面のうち各脚部13が設けられた４箇所に、補強繊維と樹脂とで形成されたＦＲＰからなる補強層20が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグネシウム合金の基材を備えるマグネシウム合金成形品に関する。特に、基材の少なくとも片面の一部であって、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域にＦＲＰ（繊維強化プラスチック：Fiber Reinforced Plastics）からなる補強層が設けられているマグネシウム合金成形品に関する。

マグネシウム合金は、軽量で比強度が高いなどの優れた特性を有することから、ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話などの携帯用電子機器やアタッシュケースなどの筐体に利用されている。

一般に、マグネシウム合金の基材からなる筐体などの成形品は、ダイカスト法やチクソモールド法による鋳造品が主流である。近年、ASTM規格のAZ31合金に代表される展伸用マグネシウム合金の成形品も実用化されている。最近では、AZ91合金板材の研究開発が進められており、例えば特許文献１には、AZ91合金相当のマグネシウム合金からなり、双ロール連続鋳造法により得られた圧延板にプレス加工を施して、箱状のプレス材を得ることが記載されている。

特開２００９‐１２０８７７号公報

マグネシウム合金の成形品は、アルミニウム合金やスチール、ステンレスなどと比べて塑性変形し難く、基材が割れ易い。そのため、衝突により強い衝撃力が加わると、特に応力が集中する箇所に割れが生じるなど、耐衝撃性に劣る。応力が集中する箇所としては、角部や突起部が設けられている場合はその箇所が挙げられる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、耐衝撃性に優れるマグネシウム合金成形品を提供することにある。

本発明者らは、マグネシウム合金成形品の耐衝撃性を向上させることについて検討した。まず、基材を厚くすることで、基材全体の耐衝撃性を高めることを考えたが、基材を厚くした場合、重量の増加を招く問題がある。また、応力集中箇所など補強したい箇所のみ基材を厚くしたり、リブを設けることも考えたが、圧延板を塑性加工して成形する場合、板厚を局所的に調整することは困難であり、一方、リブを設けると外観上の美観を損なう虞がある。次に、ステンレスなどの金属製のシートを基材に貼り付けて補強することを考えたが、基材の角部や湾曲面に沿って貼り付けることは困難である。また、異種金属では電食が生じるため好ましくない。本発明者らは、基材の少なくとも片面の一部であって、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域にＦＲＰからなる補強層を設けることで、軽量で衝撃に強いマグネシウム合金成形品が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明のマグネシウム合金成形品は、マグネシウム合金の基材を備える。そして、基材の少なくとも片面の一部にＦＲＰからなる補強層を備え、この補強層が、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域に設けられている。

本発明のマグネシウム合金成形品によれば、基材の少なくとも片面の一部であって、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域にＦＲＰからなる補強層が設けられていることで、衝突により衝撃を受けても塑性変形し難く、割れが生じることを防止できる。また、ＦＲＰの補強層であれば、基材の角部や湾曲面に沿って形成することも容易である。なお、補強層は、外観を損なうことがないように、基材の内面に設けることが好ましい。

補強層は、補強繊維と樹脂とのＦＲＰで形成されており、また特定の箇所に設けられていることから、軽量化を損なうこともない。補強繊維としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などが挙げられる。また、樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。補強層を厚くすればするほど、耐衝撃性が向上するが、段差ができたり、筐体であればその分、容量の減少を招く可能性がある。また、補強層の厚さが2mm程度あれば、十分な耐衝撃性が得られることから、補強層の厚さは2mm以下が好ましい。また、補強層の厚さの下限は、補強層の強度確保の観点から、0.5mm以上が好ましく、1mm以上がより好ましい。

補強層を形成する領域は、衝突時に応力が集中する箇所を含み、かつ、その箇所を覆うサイズである。ここで、補強層のサイズを衝突時に応力が集中する箇所より大きくすることで、衝突時の変形を防止し易く、耐衝撃性向上効果が得られ易い。例えば、補強層のサイズは、後述する角部の頂点や突起部の根元外周（突起部の基材との当接面の外縁）から10mm以上はみ出す大きさであることが好ましく、20mm以上はみ出す大きさであることがより好ましい。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、基材が筐体形状であることが挙げられる。

この構成によれば、基材が筐体形状であることで、本発明のマグネシウム合金成形品を例えば携帯用電子機器やアタッシュケース、スーツケースなどの筐体に好適に利用できる。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、基材の平均厚さが1.2mm以下であることが挙げられる。

この構成によれば、基材の平均厚さが1.2mm以下であることで、より一層の軽量化を実現できる。基材の厚さの下限は、基材の強度確保や生産性の観点から、0.3mm以上が好ましく、0.5mm以上がより好ましい。特に、基材全体の厚さが実質的に均一であることが好ましい。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、基材が角部を有し、補強層が角部の内面に形成されていることが挙げられる。

角部（特に、立体角の部分）は、衝突時の接触面積が小さいことから、衝突時に応力が集中する箇所の１つである。この構成によれば、補強層が角部に形成されていることで、構造的弱点である角部に割れが生じることを効果的に防止できる。また、補強層が内面に設けられていることから、外観を損なうこともない。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、基材の外面に突起部を有し、補強層が突起部の設けられた内面に形成されていることが挙げられる。

突起部が設けられている箇所も、衝突時の接触面積が小さいことから、衝突時に応力が集中する箇所の１つである。この構成によれば、補強層が突起部の設けられた箇所に形成されていることで、構造的弱点である突起部の形成箇所に割れが生じることを効果的に防止できる。また、補強層が内面に設けられていることから、外観を損なうこともない。突起部の具体例としては、アタッシュケースやスーツケースの脚部などが挙げられる。突起部は、基材に一体成形されている他、別部材として取り付けられていてもよく、この場合、基材（マグネシウム合金）と同種又は異種の材料（金属や樹脂）で形成することができる。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、基材が圧延板を塑性加工して成形されていることが挙げられる。

圧延板は、鋳造材と比べて、均一微細な結晶組織を持ち、巣などの内部欠陥が少ないことから、強度が高い。したがって、圧延板を塑性加工して成形した基材を用いることで、耐衝撃性がより一層向上する。また、基材が鋳造材の場合、厚さが薄く（例えば、平均厚さが1mm以下）、大きいサイズの基材（成形品）を得ることが困難であるが、基材を圧延板で形成した場合、平均厚さが1mm以下で、大きいサイズの基材（成形品）を得ることができる。さらに、圧延板であれば、全体が実質的に均一な厚さを有する基材とすることができる。

本発明のマグネシウム合金成形品の一形態としては、マグネシウム合金がASTM規格におけるAZ91相当の合金であることが挙げられる。

マグネシウム合金には、添加元素を含有する種々の組成のもの（但し、Mgを50質量％以上含有し、残部が不可避的不純物）が利用できる。中でも、添加元素としてAlを含有するMg‐Al系合金は、耐食性や強度などの機械的特性に優れる点で好ましい。Alの含有量が多いほど、耐食性や強度などの機械的特性が向上する傾向にある。よって、Alを2.5質量％以上含有することが好ましい。但し、Alの含有量が12質量％を超えると、塑性加工性の低下を招く虞があることから、上限は12質量％とすることが好ましい。特に、Alの含有量が、11質量％以下、更に、2.5〜9.7質量％であることが好ましい。

Al以外の添加元素としては、Zn、Mn、Si、Be、Ca、Sr、Y、Cu、Ag、Sn、Ni、Au、Li、Zr、Ce及び希土類元素（Y、Ceを除く）から選択される少なくとも１種以上の元素が挙げられる。これらの添加元素を含有する場合、その含有量は、合計で0.01〜10質量％が好ましく、0.1〜5質量％がより好ましい。これらの添加元素のうち、Si、Sn、Y、Ce、Ca及び希土類元素（Y、Ceを除く）から選択される少なくとも１種以上の元素を合計で0.001質量％以上、好ましくは合計で0.1〜5質量％含有すると、耐熱性や難燃性が向上する。また、希土類元素の場合は0.1質量％以上含有することが好ましく、その中でもYは0.5質量％以上含有することが好ましい。不純物としては、例えば、Feなどが挙げられる。

マグネシウム合金の具体例としては、ASTM規格のAZ系合金（AZ31、AZ61、AZ91など）が挙げられる。特に、ASTM規格におけるAZ91相当の合金（Al：8.3〜9.7質量％、Zn：0.2〜1.5質量％含有）は、他のAZ系合金と比べ、比強度が高く、耐衝撃性に優れることから、AZ91相当の合金であれば、耐衝撃性がより一層向上する。また、AZ91相当の合金は、耐食性の点でも優れる。

本発明のマグネシウム合金成形品は、基材の少なくとも片面の一部であって、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域にＦＲＰからなる補強層が設けられていることで、耐衝撃性に優れる。

本発明の実施例１に係るアタッシュケースの概略斜視図であり、（A）は閉じた状態を示し、（B）は別の方向から見た開いた状態を示す図である。本発明の実施例１に係るアタッシュケースの概略図であり、（A）は蓋部側から見た正面図、（B）は左側面図、（C）は上面図、（D）は底面図である。落下試験を説明する概略図である。

［実施例１］
AZ91相当のマグネシウム合金（Mg‐9.0質量％Al‐1.0質量％Zn）の板材（0.8mm厚の圧延板）を用意し、これを塑性加工（プレス加工）して、筐体（アタッシュケース）を製造した。

図１に示すアタッシュケース10は、直方体箱状の基材（本体部11及び蓋部12）を備え、本体部11に対して蓋部12がヒンジ（図示せず）で連結され、開閉可能に構成されている。本体部11及び蓋部12は、上記したマグネシウム合金の圧延板をプレス加工して成形されている。

また、図１、２に示すように、アタッシュケース10の底面106には４つの脚部13が設けられている。各脚部13は、樹脂製であり、前後左右対称に配置され、底面106にリベット（図示せず）で固定されている。本例では、各脚部13は平面楕円形状（楕円柱状）である。

アタッシュケース10のサイズは幅465mm×高さ335mm×奥行145mmであり、重さは約2kgである。また、各脚部13の面寸法は、長径28mm×短径14mm（面積350mm²）である。

さらに、アタッシュケース10は、図１、２に示すように、補強繊維と樹脂とで形成されたＦＲＰからなる補強層20が設けられている。本例では、補強層20は、アタッシュケース10の各角部（８つの立体角の部分）の内面、及び、底面106の内面のうち各脚部13が設けられた４箇所に形成されている。

補強層20は次のようにして形成した。アタッシュケース10における補強層20の各形成箇所にそれぞれ、ガラス繊維の織布をエポキシ系接着剤で貼り付けた後、ガラス繊維織布の上からエポキシ樹脂を塗布して、ガラス繊維織布にエポキシ樹脂を含浸したＦＲＰの補強層20を形成した。ここで、補強層20は、補強層20（ガラス繊維織布）の中心位置が形成箇所の中心位置（角部の頂点及び脚部13の中心位置）と一致するように形成した。また、補強層20（ガラス繊維織布）の厚さは0.5mmとし、補強層20（ガラス繊維織布）のサイズは、角部については縦60mm×横60mmとし、脚部13が設けられた箇所については縦60mm×横87.5mmとした。なお、補強層20の形成前に各形成箇所は脱脂処理した。

本例では、補強繊維にガラス繊維、樹脂にエポキシ樹脂を用いているが、補強繊維には炭素繊維やアラミド繊維、樹脂には不飽和ポリエステル樹脂やフェノール樹脂を用いることも可能である。また、補強繊維の織布を貼り付けた後、樹脂を塗布してＦＲＰの補強層20を形成しているが、補強繊維を樹脂によって一体化したＦＲＰ製のシートを貼り付けて補強層20を形成してもよいし、補強繊維を混合した樹脂を塗布してＦＲＰの補強層20を形成することも可能である。

さらに、圧延板を本体部11及び蓋部12に成形加工後、アタッシュケース10における補強層の各形成箇所を表面処理して粗面化してもよい。粗面化する表面処理としては、例えばショットブラスト、エッチングなどが挙げられる。粗面化することで、ＦＲＰの樹脂の接着性を高めることができる。また、圧延板を成形加工後、化成処理を施してもよく、これによりＦＲＰの樹脂の密着性を高められる他、耐食性を高めることができる。

ケース内面の所定の箇所をＦＲＰの補強層20で補強した上記アタッシュケース10をサンプル１とし、このサンプル１について、落下試験を行い、耐衝撃性を評価した。落下試験は、JIS Z 0202：1994「包装貨物‐落下試験方法」に準じて行った。具体的には、図３に示すように、アタッシュケース10の落下姿勢を変えて、以下の各部位が鉄板の床面Fに衝突するように自由落下させたときの各部位の割れの有無を調べた。落下部位は、６面（本体面101、蓋面102、側面103,104、上面105、底面106）の各面（面落下）、８つの各角部（角落下）、６面のうち隣接する２面がなす各稜部（稜落下）とした（図１、２を参照）。図３は、本体面101と上面105とがなす稜部を落下部位とする落下試験の例である。ここで、底面106を面落下させるときは、底面106が水平になるように姿勢を保ち、４つの脚部13が同時に床面Fに衝突するように自由落下させた。さらに、底面106におけるそれぞれの脚部13が落下部位となるように、床面Fに別の鉄板を置き、１つの脚部13のみがこの鉄板に衝突するように自由落下させた。なお、落下高さ（h）は800mmとし、落下回数は各部位について１回とした。また、落下試験では、アタッシュケース10の収納空間に約5kgの重りを入れ、アタッシュケース10の総重量を7kgに調整した。この重りは、アタッシュケース10の収納空間に緩衝材（スポンジ）を詰め、この収納空間の中央に位置するように固定した。

比較として、ＦＲＰの補強層で補強していない点を除いて同一のアタッシュケース10を別途用意し、これをサンプル２として同様の落下試験を行い、耐衝撃性を評価した。

その結果、サンプル１では、全ての落下部位において割れが認められなかった。これに対し、サンプル２では、角部及び底面106の脚部13が設けられた箇所に割れが認められた。

以上の結果から、本発明のマグネシウム合金成形品は、基材の少なくとも片面の一部であって、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域にＦＲＰからなる補強層が設けられていることで、衝突により衝撃を受けても割れが生じることを効果的に防止でき、耐衝撃性に優れることが分かる。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施例１では、AZ91相当のマグネシウム合金の圧延板を塑性加工して成形した基材を用いているが、マグネシウム合金の組成を変更したり、基材が鋳造材であってもよい。また、アタッシュケースを例に挙げて説明したが、アタッシュケース以外に、携帯用電子機器の筐体やスーツケースなどに適用することも可能である。

本発明のマグネシウム合金成形品は、携帯用電子機器やアタッシュケースなどの筐体に利用することができる。

10 アタッシュケース
11 本体部 12 蓋部 13 脚部
101 本体面 102 蓋面
103,104 側面 105 上面 106 底面
20 補強層（ＦＲＰ）
F 床面

Claims

マグネシウム合金の基材を備えるマグネシウム合金成形品であって、
前記基材の少なくとも片面の一部にＦＲＰからなる補強層を備え、
前記補強層は、衝突時に応力が集中する箇所を含む領域に設けられているマグネシウム合金成形品。
前記基材が筐体形状である請求項１に記載のマグネシウム合金成形品。
前記基材の平均厚さが1.2mm以下である請求項１又は２に記載のマグネシウム合金成形品。
前記基材が角部を有し、
前記補強層が前記角部の内面に形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載のマグネシウム合金成形品。
前記基材の外面に突起部を有し、
前記補強層が前記突起部の設けられた内面に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載のマグネシウム合金成形品。
前記基材が圧延板を塑性加工して成形されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のマグネシウム合金成形品。
前記マグネシウム合金がASTM規格におけるAZ91相当の合金である請求項１〜６のいずれか一項に記載のマグネシウム合金成形品。