JP2022153979A - チクソ成形用材料、チクソ成形用材料の製造方法およびチクソ成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】高い剛性を有するチクソ成形体、ならびに、かかるチクソ成形体を製造可能なチクソ成形用材料およびその製造方法を提供すること。
【解決手段】Ｍｇを主成分とする金属体と、バインダーを介して前記金属体の表面に付着し、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子を含む被覆部と、を有し、前記Ｓｉ粒子の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、前記金属体と前記Ｓｉ粒子との合計質量における前記Ｓｉ粒子の質量分率が１．０質量％以上３０．０質量％以下であることを特徴とするチクソ成形用材料。また、前記バインダーは、ワックス類を含むことが好ましい。さらに、前記バインダーの含有率は、０．００１質量％以上０．２００質量％以下であることが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、チクソ成形用材料、チクソ成形用材料の製造方法およびチクソ成形体に関するものである。

マグネシウムは、比重が小さく、かつ、電磁波シールド性、振動の減衰能、切削性、生体安全性がそれぞれ良好であるという性質を有する。このような背景から、自動車、航空機、携帯電話、ノートパソコンといった製品にマグネシウム合金製の部品が使用され始めている。

マグネシウム製の部品を製造する方法として、チクソ成形法が知られている。チクソ成形法は、ペレット状またはチップ状の材料をシリンダー内で加熱して液相と固相が共存した固液共存状態にした後、スクリューの回転によってチクソ性を発現させ、得られた半凝固物を金型に注入する成形法である。このようなチクソ成形法によれば、加熱とせん断とによって半凝固物の流動性が高められているため、ダイカスト法と比較して、薄肉な部品や複雑な形状の部品を成形できる。

例えば、特許文献１には、マグネシウムまたはマグネシウム合金を含む金属基材に、少なくとも２体積％のＭｇ_２Ｓｉ相が組み込まれた金属基材複合材料であって、チクソ成形によって鋳造体を製造するための材料が開示されている。具体的には、マグネシウムまたはマグネシウム合金の顆粒と、ケイ素またはケイ素合金の顆粒と、をチクソ成形工程に導き、せん断下において凝固させる。これにより、鋳造体の高温特性を改良することができる。

特表２００７－５１０５４５号公報

特許文献１に記載の方法では、鋳造体を製造するとき、マグネシウム等の顆粒およびケイ素等の顆粒を、直接、チクソ成形工程に投入する。このため、加熱されたシリンダー内でスクリューによってせん断力を付与する際に、顆粒同士を均一に混合する必要がある。しかしながら、スクリューによる混合のみでは、顆粒の比重差による分離や混合時間が不十分であるために、均一に混ざり合わず、混合物中にはケイ素またはケイ素合金の偏析が生じやすい。このような偏析が生じると、鋳造体の特性を十分に改良することができない。

本発明の適用例に係るチクソ成形用材料は、
Ｍｇを主成分とする金属体と、
バインダーを介して前記金属体の表面に付着し、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子を含む被覆部と、
を有し、
前記Ｓｉ粒子の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記金属体と前記Ｓｉ粒子との合計質量における前記Ｓｉ粒子の質量分率が１．０質量％以上３０．０質量％以下であることを特徴とする。

本発明の適用例に係るチクソ成形用材料の製造方法は、
Ｍｇを主成分とする金属体と、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子と、バインダーと、溶媒と、を含む混合物を準備する準備工程と、
前記混合物を撹拌する撹拌工程と、
撹拌した前記混合物を加熱して、前記混合物に含まれる前記バインダーの少なくとも一部を除去してチクソ成形用材料を得る脱脂工程と、
を有し、
前記金属体と前記Ｓｉ粒子との合計質量における前記Ｓｉ粒子の質量分率が１．０質量％以上３０．０質量％以下であり、
前記チクソ成形用材料における前記バインダーの含有率が０．００１質量％以上０．２００質量％以下であることを特徴とする。

本発明の適用例に係るチクソ成形体は、
Ｍｇを主成分とするマトリックス部と、
前記マトリックス部内に分散し、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とする粒子部と、
を有し、
前記粒子部の最大粒径が１．０μｍ以上５０．０μｍ以下であり、
断面を観察し、表面を起点とする５００μｍ角の範囲における前記粒子部の面積分率をＡｓ［％］とし、前記表面からの深さが１ｍｍの点を中心とする５００μｍ角の範囲における前記粒子部の面積分率をＡｃ［％］としたとき、｜Ａｓ－Ａｃ｜／Ａｃが３０．０％以下であることを特徴とする。

チクソ成形法に用いられる射出成形機の一例を示す断面図である。 実施形態に係るチクソ成形用材料を模式的に示す断面図である。 実施形態に係るチクソ成形用材料の製造方法を説明するための工程図である。 実施形態に係るチクソ成形体を模式的に示す部分断面図である。 実施形態に係るチクソ成形体について取得されたＸ線回折パターンの一例である。 実施例に相当するチクソ成形体の切断面を光学顕微鏡で観察したときの観察像である。

以下、本発明のチクソ成形用材料、チクソ成形用材料の製造方法およびチクソ成形体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

１．チクソ成形法
まず、実施形態に係るチクソ成形用材料が用いられるチクソ成形法について説明する。

チクソ成形法は、ペレット状またはチップ状の材料をシリンダー内で加熱して液相と固相が共存した固液共存状態にした後、スクリューの回転によってチクソ性を発現させ、得られた半凝固物を金型に注入する成形法である。このようなチクソ成形法によれば、加熱とせん断とによって半凝固物の流動性が高められているため、例えばダイカスト法と比較して、薄肉な部品や複雑な形状の部品を成形できる。

図１は、チクソ成形法に用いられる射出成形機の一例を示す断面図である。
図１に示したように、射出成形機１は、金型２と、ホッパー５と、加熱シリンダー７と、スクリュー８と、ノズル９と、を備える。金型２は、キャビティーＣｖを形成する。ホッパー５にチクソ成形用材料１０が投入されると、チクソ成形用材料１０は加熱シリンダー７へ供給される。加熱シリンダー７に供給されたチクソ成形用材料１０は、ヒーター６によって加熱されながらスクリュー８によってせん断されつつ移送される。これにより、チクソ成形用材料１０は半溶融し、スラリー化する。得られたスラリーは、ノズル９を介して、大気に触れることなく、金型２内のキャビティーＣｖへ射出される。そして、キャビティーＣｖに射出されたスラリーを冷却することにより、チクソ成形体が得られる。

なお、ホッパー５には、チクソ成形用材料１０とともに、それ以外の材料が投入されてもよい。

２．チクソ成形用材料
次に、実施形態に係るチクソ成形用材料について説明する。
図２は、実施形態に係るチクソ成形用材料を模式的に示す断面図である。

図２に示すチクソ成形用材料１０は、チクソ成形法に用いられる原料であって、チップ状をなす金属体１１と、金属体１１の表面に付着する被覆部１２と、金属体１１と被覆部１２とを接着するバインダーを含む接着部１３と、を有する。

２．１．金属体
金属体１１は、例えば、鋳型等で鋳込みされたＭｇ基合金を、切削または切断等することによって得られる切片である。なお、金属体１１の製造方法は、これに限定されない。

金属体１１は、Ｍｇを主成分とし、種々の添加成分を含んでいる。添加成分としては、例えば、リチウム、ベリリウム、カルシウム、アルミニウム、シリコン、マンガン、鉄、ニッケル、銅、亜鉛、ストロンチウム、イットリウム、ジルコニウム、銀、錫、金、希土類元素等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上の混合物が用いられる。希土類元素としては、例えばセリウムが挙げられる。

主成分とは、金属体１１において最も含有率が高い元素のことをいう。主成分の含有率は、５０質量％超であるのが好ましく、７０質量％以上であるのがより好ましく、８０質量％以上であるのがさらに好ましい。

添加成分は、アルミニウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。これにより、金属体１１の融点が低下し、スラリーの流動性が向上する。その結果、チクソ成形用材料１０の成形性を高めることができる。

また、添加成分は、アルミニウムおよび亜鉛以外に、マンガン、イットリウム、ストロンチウムおよび希土類元素からなる群から選択される少なくとも１種を含むのが好ましい。これにより、チクソ成形体の機械的特性、耐食性、耐摩耗性および熱伝導率を高めることができる。

添加成分は、金属体１１において、単体、合金、酸化物、金属間化合物等の状態で存在し得る。また、添加成分は、金属体１１中において、ＭｇまたはＭｇ合金等の金属組織の結晶粒界に偏析していてもよいし、均一に分散していてもよい。

チクソ成形用材料１０の平均粒径は、特に限定されないが、０．５ｍｍ以上であるのが好ましく、１．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下であるのがより好ましい。平均粒径を前記範囲内に設定することで、射出成形機１の加熱シリンダー７内におけるブリッジ等の発生を抑制することができる。

チクソ成形用材料１０の平均粒径は、チクソ成形用材料１０の投影面積と同じ面積を持つ円の直径の平均値である。平均値は、無作為に選択した１００個以上のチクソ成形用材料１０から算出される。

チクソ成形用材料１０の平均アスペクト比は、５．０以下であるのが好ましく、４．０以下であるのがより好ましい。このような平均アスペクト比を有するチクソ成形用材料１０は、加熱シリンダー７内における充填性を高めるとともに、加熱時の温度均一性が良好になる。その結果、機械的特性が高く、かつ、寸法精度の高いチクソ成形体が得られる。

なお、チクソ成形用材料１０の平均アスペクト比は、チクソ成形用材料１０の投影像において、長径／短径により算出されるアスペクト比の平均値である。平均値は、無作為に選択した１００個以上のチクソ成形用材料１０から算出される。また、長径とは、投影像においてとり得る最大長さであり、短径とは、その最大長さに直交する方向の最大長さである。

２．２．被覆部
被覆部１２は、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子１４を含む。具体的には、例えば、複数のＳｉ粒子１４が金属体１１の表面に付着することで、被覆部１２が構成されている。

被覆部１２は、金属体１１の表面全体を覆っているのが好ましいが、表面の一部を覆っていてもよい。

Ｓｉ粒子１４は、シリコンを主成分とする粒子であれば、特に限定されず、アモルファスＳｉを主成分とする粒子であっても、結晶Ｓｉを主成分とする粒子であってもよい。

Ｓｉ粒子１４の平均粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下とされ、１μｍ以上２５μｍ以下であるのが好ましく、２μｍ以上１５μｍ以下であるのがより好ましい。Ｓｉ粒子１４の平均粒径を前記範囲内に設定することにより、被覆部１２の被覆率とチクソ成形用材料１０におけるＳｉ含有率とのバランスを最適化することができる。また、Ｓｉ粒子１４を金属体１１の表面に付着させたとき、Ｓｉ粒子１４が脱落しにくくなる。

なお、Ｓｉ粒子１４の平均粒径が前記下限値を下回ると、Ｓｉ粒子１４が分散しにくくなるため、前述したバランスが悪化するおそれがある。一方、Ｓｉ粒子１４の平均粒径が前記上限値を上回ると、Ｓｉ粒子１４が脱落しやすくなるおそれがある。

チクソ成形用材料１０のうち、金属体１１とＳｉ粒子１４との合計質量におけるＳｉ粒子１４の質量分率は、１．０質量％以上３０．０質量％以下とされるが、好ましくは１．５質量％以上２５．０質量％以下とされ、より好ましくは５．０質量％以上２０．０質量％以下とされる。Ｓｉ粒子１４の質量分率を前記範囲内に設定することにより、製造されるチクソ成形体の機械的強度が大きく低下するのを抑制しつつ、チクソ成形用材料１０の成形性が低下するのを抑制することができる。

なお、Ｓｉ粒子１４の質量分率が前記下限値を下回ると、チクソ成形体の機械的強度を十分に高めることができないおそれがある。一方、Ｓｉ粒子１４の質量分率が前記上限値を上回ると、チクソ成形用材料１０の成形性が低下するおそれがある。

被覆部１２は、Ｓｉ粒子１４以外の物質を含んでいてもよい。その場合、Ｓｉ粒子１４以外の物質の含有量は、質量比でＳｉ粒子１４の含有量未満であればよい。

また、Ｓｉ粒子１４は、Ｓｉ以外の元素を含んでいてもよい。その場合、Ｓｉ以外の元素の含有量は、質量比でＳｉの含有量未満であればよい。

２．３．接着部
接着部１３は、金属体１１とＳｉ粒子１４との間またはＳｉ粒子１４同士の間に介在する。

接着部１３は、バインダーを含む。バインダーには、金属体１１と被覆部１２とを結着させる有機材料が用いられ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－酢酸ビニル共重合体等のポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系樹脂、ポリスチレン等のスチレン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリエーテル、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドンまたはこれらの共重合体等の各種樹脂や、ワックス類、アルコール類、高級脂肪酸、脂肪酸金属、高級脂肪酸エステル、高級脂肪酸アミド、非イオン性界面活性剤、シリコーン系滑剤等が用いられる。また、バインダーは、これらの成分の少なくとも１種と他の成分とを含む混合物であってもよいし、これらの成分を２種以上含む混合物であってもよい。

このうち、バインダーは、ワックス類を含むことが好ましく、パラフィンワックスまたはその誘導体を含むことがより好ましい。ワックス類は良好な結着性を有し、金属体１１とＳｉ粒子１４との間やＳｉ粒子１４同士の間を強く結合させることができ、また、脱脂条件と組み合わせることにより、成形中のガスの発生を少なく抑え得るチクソ成形用材料を実現できる。

ワックス類としては、例えば、キャンデリラワックス、カルナバワックス、ライスワックス、木ろう、ホホバ油のような植物系ワックス、みつろう、ラノリン、鯨ろうのような動物系ワックス、モンタンワックス、オゾケライト、セレシンのような鉱物系ワックス、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ペトロラタムのような石油系ワックス等の天然ワックス、ポリエチレンワックスのような合成炭化水素、モンタンワックス誘導体、パラフィンワックス誘導体、マイクロクリスタリンワックス誘導体のような変性ワックス、硬化ひまし油、硬化ひまし油誘導体のような水素化ワックス、１２－ヒドロキシステアリン酸のような脂肪酸、ステアリン酸アミドのような酸アミド、無水フタル酸イミドのようなエステル等の合成ワックスが挙げられる。

以上のように、実施形態に係るチクソ成形用材料１０は、金属体１１と、被覆部１２と、を有する。金属体１１は、Ｍｇを主成分とする。被覆部１２は、バインダーを介して金属体１１の表面に付着し、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子１４を含む。このＳｉ粒子１４の平均粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下である。また、金属体１１とＳｉ粒子１４との合計質量におけるＳｉ粒子１４の質量分率が、１．０質量％以上３０．０質量％以下である。

このようなチクソ成形用材料１０を用いて、チクソ成形を行うことにより、半溶融状態になったとき、Ｓｉを均一に分散させることができる。これにより、チクソ成形では、凝固の過程で初晶Ｍｇ_２Ｓｉが均一に分散しつつ析出する。その結果、高い剛性を有するチクソ成形体が得られる。

また、チクソ成形用材料１０には、上述した金属体１１、被覆部１２および接着部１３以外の添加物を含んでいてもよい。添加物としては、例えば、カップリング剤、界面活性剤、分散剤、滑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、増粘剤、防錆剤、防腐剤、防かび剤等が挙げられる。

３．チクソ成形用材料の製造方法
次に、上述したチクソ成形用材料１０を製造する方法について説明する。
図３は、実施形態に係るチクソ成形用材料の製造方法を説明するための工程図である。

図３に示すチクソ成形用材料１０の製造方法は、準備工程Ｓ１０２と、乾燥工程Ｓ１０４と、撹拌工程Ｓ１０６と、脱脂工程Ｓ１０８と、を有する。

３．１．準備工程
準備工程Ｓ１０２では、金属体１１と、Ｓｉ粒子１４と、バインダーと、溶媒と、を含む混合物を準備する。金属体１１は、前述した金属体１１と同様である。また、Ｓｉ粒子１４は、前述したＳｉ粒子１４と同様である。

溶媒は、バインダーを分散させる液体であれば、特に限定されない。溶媒の例としては、水、イソプロパノール、アセトン等が挙げられる。混合には、混合機、混練機等が用いられる。なお、本工程は、あらかじめ作製された混合物を用意する工程であってもよい。

混合物におけるバインダーの含有量は、特に限定されないが、１．０質量％以上３０．０質量％以下であるのが好ましく、２．０質量％以上１５．０質量％以下であるのがより好ましく、３．０質量％以上１０．０質量％以下であるのがさらに好ましい。バインダーの含有量を前記範囲内に設定することにより、バインダーによる分散作用に基づいて、Ｓｉ粒子１４を均一に分散させることができる。

なお、バインダーの含有量が前記下限値を下回ると、バインダーの量が不足し、Ｓｉ粒子１４を金属体１１に均一に接着させにくくなり、また、Ｓｉ粒子１４を均一に分散させにくくなるおそれがある。一方、バインダーの含有量が前記上限値を上回ると、バインダーの量が過剰になり、金属体１１に接着されなかったＳｉ粒子１４が凝集しやすくなったり、後述する脱脂工程Ｓ１０８で、バインダー残渣量が増加し、加熱シリンダー内で多量のガスが発生することで、チクソ成形体に内部欠陥が生じやすくなったりするおそれがある。

溶媒の温度は、必要に応じて、バインダーの融点以上に設定するのが好ましい。これにより、バインダーが溶媒に溶解しやすくなる。その結果、バインダーをより均一に分散させることができる。溶媒の温度は、バインダーの融点より１０℃以上高く設定されるのが好ましく、２０℃以上５０℃以下高く設定されるのがより好ましい。

この場合、前述した混合物を容器に入れ、容器全体を外側からホットバス等を用いて加熱するようにすればよい。

用いられるバインダーの融点は、特に限定されないが、４０℃以上８０℃以下であるのが好ましく、４３℃以上６５℃以下であるのがより好ましく、４５℃以上６０℃以下であるのがさらに好ましい。バインダーの融点が前記範囲内であれば、短時間に効率よくバインダーを溶融させることができる。また、バインダーの融点が前記範囲内であれば、製造されるチクソ成形用材料１０が、チクソ成形において良好な潤滑性を有し、スラリーの湯流れ性を高め得るものとなる。

３．２．乾燥工程
乾燥工程Ｓ１０４では、混合物を乾燥させる。これにより、金属体１１の表面にバインダーを介してＳｉ粒子１４を付着させるとともに溶媒を揮発させ、乾燥体を得る。また、本実施形態では、バインダーを用いてＳｉ粒子１４を分散させているので、金属体１１の表面には、均一な厚さでＳｉ粒子１４を付着させることができる。

乾燥には、混合物を加熱する方法、混合物をガスに曝す方法等が用いられる。このうち、混合物を加熱する場合には、例えば、ホットバス等を用いて混合物を入れた容器全体を加熱すればよい。なお、乾燥工程Ｓ１０４では、混合物中の全ての溶媒を除去してもよいが、一部の溶媒が除去されずに残ってもよい。

混合物を加熱する場合の温度は、溶媒が揮発するとともにバインダーが軟化する温度以上であればよいが、具体的には、溶媒の組成に応じて設定され、４０℃以上１２０℃以下であるのが好ましく、５０℃以上８０℃以下であるのがより好ましい。これにより、金属体１１の表面に付着させたＳｉ粒子１４が脱落するのを抑制しつつ、溶媒を揮発させ、除去することができる。

また、混合物を加熱する時間は、加熱する温度に応じて適宜設定されるが、一例として、１０分以上３００分以下であるのが好ましく、２０分以上２００分以下であるのがより好ましい。

なお、乾燥工程Ｓ１０４は、必要に応じて行えばよく、省略されていてもよいし、乾燥工程Ｓ１０４および撹拌工程Ｓ１０６を同時に行うようにしてもよい。

３．３．撹拌工程
撹拌工程Ｓ１０６では、混合物を撹拌する。乾燥工程を行った場合には、乾燥させた混合物を撹拌する。撹拌は、撹拌棒や撹拌子等を用いる方法、混合物を収容した容器に蓋をした状態で振とうする方法等が用いられる。このような撹拌により、バインダーを介して金属体１１の表面にＳｉ粒子１４を付着させることができる。なお、Ｓｉ粒子１４の一部は、バインダーを介することなく、金属体１１の表面に直接付着してもよい。また、撹拌により、金属体１１同士が凝集して塊になるのを抑制することができる。

なお、撹拌工程Ｓ１０６の後、必要に応じて、乾燥工程Ｓ１０４および撹拌工程Ｓ１０６を繰り返し行うようにしてもよい。これにより、Ｓｉ粒子１４の付着が繰り返されるため、金属体１１の表面にＳｉ粒子１４を多層的に付着させることができる。その結果、より多くのＳｉ粒子１４を金属体１１の表面に付着させることができる。繰り返しの回数は、特に限定されないが、例えば２回以上１０回以下とされる。この場合も、乾燥工程Ｓ１０４および撹拌工程Ｓ１０６を同時に行うようにしてもよい。

３．４．脱脂工程
脱脂工程Ｓ１０８では、撹拌した混合物に脱脂処理を施す。これにより、チクソ成形用材料１０が得られる。脱脂処理としては、例えば、混合物を加熱する方法、バインダーを分解するガスに混合物を曝す方法等が挙げられる。これにより、混合物中に含まれているバインダーの少なくとも一部を除去することができる。その結果、加熱シリンダー７内に多量のバインダーが移送されるのを防止して、加熱シリンダー７内に多量のガスが発生するのを抑制することができる。

脱脂処理における混合物の加熱温度は、バインダーを熱分解する温度であれば特に限定されないが、２００℃以上５００℃以下であるのが好ましく、２５０℃以上４５０℃以下であるのがより好ましい。加熱温度を前記範囲内に設定することにより、脱脂処理に伴う金属体１１への悪影響を抑えつつ、バインダーを適度に除去することができる。

なお、加熱温度が前記下限値を下回ると、除去されないバインダーが多量に残り、加熱シリンダー７内で多量のガスが発生するおそれがある。一方、加熱温度が前記上限値を上回ると、金属体１１に対して熱による悪影響が発生したり、バインダーが全て除去されてしまい、金属体１１からＳｉ粒子１４が脱落したりするおそれがある。

脱脂処理における混合物の加熱時間は、特に限定されず、例えば５分以上であればよいが、１時間以上１００時間以下であるのが好ましく、１０時間以上５０時間以下であるのがより好ましい。これにより、脱脂処理に伴う金属体１１への悪影響を抑えつつ、バインダーを適度に除去することができる。

脱脂後のバインダーの量、すなわち、チクソ成形用材料１０におけるバインダーの含有率は、０．００１質量％以上０．２００質量％以下であるのが好ましく、０．０１０質量％以上０．１００質量％以下であるのがより好ましく、０．０１５質量％以上０．０４０質量％以下であるのがさらに好ましい。チクソ成形用材料１０におけるバインダーの含有率を前記範囲内に設定することにより、接着部１３による被覆部１２の接着性を確保しつつ、加熱シリンダー７内で熱分解するバインダーの量が必要以上に多くなるのを防止することができる。

なお、バインダーの含有率が前記下限値を下回ると、バインダーの量が不足し、被覆部１２が脱落しやすくなるおそれがある。一方、バインダーの含有率が前記上限値を上回ると、バインダーの量が過剰になり、加熱シリンダー７内で多量の分解ガスが発生し、チクソ成形体内に空隙が生じやすくなるおそれがある。

以上のように、本実施形態に係るチクソ成形用材料１０の製造方法は、準備工程Ｓ１０２と、撹拌工程Ｓ１０６と、脱脂工程Ｓ１０８と、を有する。準備工程Ｓ１０２では、Ｍｇを主成分とする金属体１１と、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子１４と、バインダーと、溶媒と、を含む混合物を準備する。撹拌工程Ｓ１０６では、混合物を撹拌する。脱脂工程Ｓ１０８では、撹拌した混合物を加熱して、混合物に含まれるバインダーの少なくとも一部を除去して、チクソ成形用材料１０を得る。そして、金属体１１とＳｉ粒子１４との合計質量におけるＳｉ粒子１４の質量分率は、１．０質量％以上３０．０質量％以下である。また、チクソ成形用材料１０におけるバインダーの含有率は、０．００１質量％以上０．２００質量％以下である。

このような構成によれば、Ｓｉ粒子１４の量が多くても、バインダーを介して金属体１１の表面にＳｉ粒子１４を付着させることができるので、加熱シリンダー７内でＳｉ粒子１４を均一に分散させることができる。これにより、ＭｇとＳｉとの反応機会が均等に確保され、凝固の過程で初晶Ｍｇ_２Ｓｉが均一に分散しつつ析出したチクソ成形体を製造することができる。その結果、高い剛性を有するチクソ成形体が得られる。

なお、チクソ成形用材料１０は、必ずしも、この製造方法で製造されたものでなくてもよい。つまり、チクソ成形用材料１０は、例えば脱脂工程Ｓ１０８を経ないで製造されたものであってもよい。

４．チクソ成形体
次に、実施形態に係るチクソ成形体について説明する。
図４は、実施形態に係るチクソ成形体を模式的に示す部分断面図である。

図４に示すチクソ成形体１００は、チクソ成形法により得られた成形体であって、マトリックス部２００と、粒子部３００と、を有する。マトリックス部２００は、主にチクソ成形用材料１０の金属体１１に由来する部位であり、Ｍｇを主成分とする。粒子部３００は、主にチクソ成形用材料１０の被覆部１２とＭｇとの反応物に由来する部位であり、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とする。

図４に示すように、チクソ成形体１００の断面を見たとき、マトリックス部２００が占める面積は、粒子部３００が占める面積より大きい。したがって、粒子部３００は、マトリックス部２００内に分散した状態になっている。また、粒子部３００は、その最大粒径が１．０μｍ以上５０．０μｍ以下である。

また、図４では、チクソ成形体１００の表面１０１を起点とする５００μｍ角の範囲Ａ１と、表面１０１から深さ１ｍｍの点を中心とする５００μｍ角の範囲Ａ２と、を図示している。範囲Ａ１における粒子部３００の面積分率をＡｓ［％］とし、範囲Ａ２における粒子部３００の面積分率をＡｃ［％］としたとき、本実施形態に係るチクソ成形体１００では、｜Ａｓ－Ａｃ｜／Ａｃが３０．０％以下である。

このようなチクソ成形体１００では、表面１０１の近傍に位置する範囲Ａ１と、それより深い位置にある範囲Ａ２とで、粒子部３００の占有面積の差が小さく抑えられている。すなわち、チクソ成形体１００では、粒子部３００の偏在が抑えられている。粒子部３００は、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とし、剛性が高い部位である。したがって、このようなチクソ成形体１００は、高い剛性を有するものとなる。また、粒子部３００の最大粒径は、前記範囲内に収まっている。このため、粒子部３００が大きすぎることによる機械的強度の低下も抑えられている。

なお、粒子部３００の最大粒径は、１．０μｍ以上５０．０μｍ以下とされるが、好ましくは３．０μｍ以上３０．０μｍ以下とされ、より好ましくは５．０μｍ以上２０．０μｍ以下とされる。

また、｜Ａｓ－Ａｃ｜／Ａｃは、３０．０％以下とされるが、好ましくは２５．０％以下とされ、より好ましくは２０．０％以下とされる。

範囲Ａ１における粒子部３００の面積分率Ａｓは、次のようにして算出される。まず、範囲Ａ１の観察像において、画像処理により、粒子部３００の面積を算出する。画像処理には、例えば画像解析ソフトウエアＯＬＹＭＰＵＳ Ｓｔｒｅａｍ等を用いることができる。また、観察像の拡大倍率は、３００倍以上であるのが好ましい。次に、範囲Ａ１の全面積に対する、粒子部３００の面積の割合を算出する。この割合が、面積分率Ａｓとなる。なお、範囲Ａ１は、１辺が５００μｍの正方形をなす範囲であり、その少なくとも一部が表面１０１に接していればよい。

範囲Ａ２における粒子部３００の面積分率Ａｃも、面積分率Ａｓと同様に算出される。
なお、範囲Ａ２は、１辺が５００μｍの正方形をなす範囲であり、その中心点Ｏが表面１０１から深さ１ｍｍの点である。また、チクソ成形体１００の断面において、深さ方向の長さが２ｍｍ未満である場合には、深さ方向の長さの中間点を、前記中心点Ｏとみなすことができる。

面積分率Ａｓおよび面積分率Ａｃは、それぞれ、チクソ成形体１００におけるＳｉの含有率によって決まるが、５％以上５５％以下であるのが好ましく、２０％以上５０％以下であるのがより好ましく、３０％以上４５％以下であるのがさらに好ましい。これにより、チクソ成形体１００は、特に高い剛性を有するものとなる。

また、粒子部３００の最大粒径は、次のようにして算出される。まず、範囲Ａ１および範囲Ａ２において、含まれている粒子部３００の粒径を全て計測する。粒子部３００の粒径とは、粒子部３００の観察像における、長軸の長さと、短軸の長さと、の中間値である。このようにして算出した粒径のうちの最大値が、粒子部３００の最大粒径となる。

さらに、粒子部３００の平均粒径は、０．５μｍ以上１０．０μｍ以下であるのが好ましく、１．０μｍ以上５．０μｍ以下であるのがより好ましい。粒子部３００の平均粒径が前記範囲内であれば、粒子部３００が全体として小径であることから、粒子部３００が亀裂等の起点になりにくくなる。これにより、チクソ成形体１００の剛性に加え、曲げ強さ、引張強さ等の機械的強度を高めることができる。

粒子部３００の平均粒径は、範囲Ａ１および範囲Ａ２において、含まれている粒子部３００の粒径を全て測定したとき、粒子部３００の粒径の平均値である。

チクソ成形体１００におけるＳｉの含有率は、好ましくは１．０質量％以上３０．０質量％以下とされ、より好ましくは１．５質量％２５．０質量％以下とされ、さらに好ましくは５．０質量％以上２０．０質量％以下とされる。これにより、チクソ成形体１００は、特に高い剛性を有するものとなる。

なお、Ｓｉの含有率の測定には、例えば、ＪＩＳ Ｇ １２５７：２０００に規定された鉄及び鋼－原子吸光分析法、ＪＩＳ Ｇ １２５８：２００７に規定された鉄及び鋼－ＩＣＰ発光分光分析法、ＪＩＳ Ｇ １２５３：２００２に規定された鉄及び鋼－スパーク放電発光分光分析法、ＪＩＳ Ｇ １２５６：１９９７に規定された鉄及び鋼－蛍光Ｘ線分析法、ＪＩＳ Ｇ １２１１～Ｇ １２３７に規定された重量・滴定・吸光光度法等が挙げられる。

また、粒子部３００の平均アスペクト比は、３．０以下であるのが好ましく、２．５以下であるのがより好ましく、２．０以下であるのがさらに好ましい。粒子部３００の平均アスペクト比が前記範囲内であれば、粒子部３００の構造の異方性が小さくなる。このため、チクソ成形体１００の剛性を等方的に高めることができる。

なお、粒子部３００の平均アスペクト比は、次のようにして算出される。まず、範囲Ａ１および範囲Ａ２において、含まれている粒子部３００の長軸の長さおよび短軸の長さをそれぞれ求める。次に、短軸の長さに対する長軸の長さの比を「アスペクト比」とする。このようにして算出したアスペクト比の平均値が、粒子部３００の平均アスペクト比となる。

また、チクソ成形体１００の引張強さは、１００ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であることが好ましく、１５０ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下であることがより好ましい。さらに、チクソ成形体１００のヤング率は、４４ＧＰａ以上８０ＧＰａ以下であることが好ましく、５０ＧＰａ以上８０ＧＰａ以下であることがより好ましい。

引張強さおよびヤング率が前記範囲内であるチクソ成形体１００は、比強度および比剛性が特に高いものとなる。このようなチクソ成形体１００は、軽量であり、かつ、高強度であるため、例えば、自動車、航空機等の輸送機器に用いられる部品、携帯端末、ノートパソコン等のモバイル機器に用いられる部品等に、好適である。

チクソ成形体１００の引張強さは、次のようにして計測される。まず、チクソ成形体１００から試験片を削り出す。試験片としては、例えば、ＪＩＳに規定されている１３号試験片等が挙げられる。次に、試験片を引張試験機に取り付け、２５℃において試験片に加わった最大の力に対応する応力を算出する。得られた応力を、チクソ成形体１００の引張強さとする。

また、チクソ成形体１００のヤング率は、次のようにして計測される。まず、チクソ成形体１００から試験片を削り出す。次に、試験片を引張試験機に取り付け、２５℃において試験片に引張荷重を加える。次に、引張荷重を変動させたときの引張ひずみの変化量、および、引張荷重を変動させたときの引張応力の変化量、をそれぞれ算出する。そして、前者の変化量に対する後者の変化量の比を算出し、これをチクソ成形体１００のヤング率とする。なお、チクソ成形体１００のヤング率は、上記の計測方法以外の方法、例えば、共振法、超音波パルス法で測定された値であってもよい。

また、チクソ成形体１００の表面１０１のビッカース硬さは、８０以上３５０以下であるのが好ましく、９０以上３００以下であるのがより好ましく、１００以上２５０以下であるのがさらに好ましい。

ビッカース硬さが前記範囲内であれば、表面硬度が高く、キズ等が付きにくいチクソ成形体１００を実現することができる。

チクソ成形体１００の表面１０１のビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９に規定されたビッカース硬さ試験の方法に準じて測定される。なお、測定荷重は５ｋｇｆとする。

図５は、実施形態に係るチクソ成形体について取得されたＸ線回折パターンの一例である。

図５に示すように、チクソ成形体１００についてＸ線回折法による結晶構造解析を行うと、α－Ｍｇに由来するピークと、β－Ｍｇ_１７Ａｌ_１２に由来するピークと、Ｍｇ_２Ｓｉに由来するピークと、が含まれたＸ線回折パターンが得られる。α－Ｍｇは、マトリックス部２００の母相であって、Ｍｇを主として含む固溶体である。

Ｘ線としてＣｕＫα線を用いた場合、α－Ｍｇに由来する主ピークは、２θ＝３６．５～３７．５°に認められ、Ｍｇ_２Ｓｉに由来する主ピークは、２θ＝３９．５～４０．５°に認められる。α－Ｍｇに由来する主ピークとは、α－Ｍｇに由来するピークのうち、ピーク強度が最大のものをいう。Ｍｇ_２Ｓｉに由来する主ピークとは、Ｍｇ_２Ｓｉに由来するピークのうち、ピーク強度が最大のものをいう。

Ｍｇ_２Ｓｉに由来する主ピークのピーク強度は、α－Ｍｇに由来する主ピークのピーク強度を１００としたとき、２０以上２５０以下であるのが好ましく、５０以上２００以下であるのがより好ましい。このようなピーク強度比を有するチクソ成形体１００では、α－ＭｇとＭｇ_２Ｓｉとがバランスよく存在しているため、高剛性と高強度とが両立している。このため、機械的特性が特に優れたチクソ成形体１００を実現することができる。

以上、本発明のチクソ成形用材料、チクソ成形用材料の製造方法およびチクソ成形体を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明のチクソ成形用材料およびチクソ成形体は、それぞれ前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、前記実施形態に任意の構成物が付加されたものであってもよい。また、本発明のチクソ成形用材料の製造方法は、前記実施形態に任意の目的の工程が付加されたものであってもよい。

次に、本発明の具体的実施例について説明する。
５．チクソ成形用材料の製造
５．１．サンプルＮｏ．１
まず、金属体であるマグネシウム合金チップと、Ｓｉ粒子と、バインダーと、溶媒と、を混合し、混合物を得た。なお、マグネシウム合金チップには、株式会社ＳＴＵ製のＡＺ９１Ｄ合金で構成された４ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍのチップを用いた。なお、ＡＺ９１Ｄ合金は、９質量％のＡｌおよび１質量％のＺｎを含むＭｇ基合金である。また、バインダーには、日本精鑞株式会社製「パラフィンワックス１１５」を用いた。パラフィンワックス１１５の融点は、４８℃であった。さらに、溶媒には、バインダー４．５ｇ当たりに３５ｍＬのイソプロパノールを用いた。

次に、得られた混合物を加熱して、乾燥体を得た。続いて、得られた乾燥体を撹拌した。その後、撹拌した乾燥体をさらに加熱した後、撹拌する操作を３回繰り返した。なお、撹拌には、乾燥体を収容した容器を振とうする方法を用いた。

次に、撹拌した乾燥体に脱脂処理を施した。これにより、バインダーの少なくとも一部を除去してチクソ成形用材料を得た。得られたチクソ成形用材料では、マグネシウム合金チップの表面のほぼ全面がＳｉ粒子で被覆されていた。なお、以上の製造方法における製造条件を表１に示す。表１中、Ｓｉ粒子の投入量は、マグネシウム合金チップとＳｉ粒子との合計質量に対する、投入したＳｉ粒子の質量の割合である。また、バインダーの投入量は、チクソ成形用材料全体の質量に対する、投入したバインダーの質量の割合である。

５．２．サンプルＮｏ．２～５
製造条件を表１に示すように変更した以外は、サンプルＮｏ．１と同様にしてチクソ成形用材料を得た。

５．３．サンプルＮｏ．６
Ｓｉ粒子およびバインダーを省略し、それに応じて製造条件を変更したこと以外は、サンプルＮｏ．１と同様にしてチクソ成形用材料を得た。

５．４．サンプルＮｏ．７～１４
製造条件を表１に示すように変更した以外は、サンプルＮｏ．１と同様にしてチクソ成形用材料を得た。

５．５．サンプルＮｏ．１５
Ｓｉ粒子を用いる一方、バインダーを省略し、それに応じて製造条件を変更したこと以外は、サンプルＮｏ．１と同様にしてチクソ成形用材料を得た。

なお、表１では、各サンプルＮｏ．のチクソ成形用材料のうち、本発明に相当するものについては「実施例」、本発明に相当しないものについては「比較例」とした。

６．チクソ成形材料の評価
６．１．脱脂後のＳｉ粒子の量
各サンプルＮｏ．のチクソ成形用材料について、脱脂後のＳｉ粒子の量を以下の方法で算出した。

まず、チクソ成形用材料の質量Ｍ１を計測した。なお、チクソ成形用材料は、脱脂処理を経ているので、残存するバインダーはほぼゼロであるとみなし、計算には考慮しない。次に、チクソ成形用材料をアセトンに浸し、超音波洗浄機で１０分間洗浄した。これにより、付着していたＳｉ粒子を脱落させ、マグネシウム合金チップのみを取り出すことができる。次に、洗浄後のマグネシウム合金チップをアセトン中から取り出し、乾燥させた後、質量Ｍ２を計測した。

そして、（Ｍ１－Ｍ２）／Ｍ１×１００により算出した、マグネシウム合金チップに対するＳｉ粒子の質量分率を、脱脂後のＳｉ粒子の量［％］とした。算出結果を表１に示す。

６．２．Ｓｉ粒子の付着率
脱脂後のＳｉ粒子の量を、Ｓｉ粒子の投入量で除して、Ｓｉ粒子の付着率を算出した。算出結果を表１に示す。なお、表１に示す脱脂後のＳｉ粒子の量は、概算後の値である一方、表１に示す付着率は、概算前の値で計算して求めた値である。このため、表１に示す付着率は、表１に示すＳｉ粒子の投入量および脱脂後の量から算出される値に対して、わずかにずれている場合がある。

６．３．脱脂後のバインダーの量
各サンプルＮｏ．のチクソ成形用材料について、脱脂後のバインダーの量を以下の方法で算出した。

まず、１粒のチクソ成形用材料について、メトラー・トレド社製、示差熱熱重量同時測定装置（ＴＧＡ／ＤＳＣ １ＬＦ）により、５０～４５０℃の温度範囲における熱重量変化を測定した。なお、昇温は、大気下にて、空気を流速３０ｍＬ／分で流入させつつ、昇温速度１０℃／分で行った。そして、溶媒の影響を排除するため、２００℃を基準として、４５０℃時点の重量変化を、脱脂後のバインダー量として算出した。算出結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例に相当するチクソ成形用材料では、脱脂によってバインダーの量が最小限に抑えられているものの、十分な付着率でＳｉ粒子が付着していることが認められた。

７．チクソ成形体の製造
７．１．サンプルＮｏ．１６
サンプルＮｏ．１のチクソ成形用材料を射出成形機に投入し、サンプルＮｏ．１６のチクソ成形体を得た。射出成形機には、株式会社日本製鋼所製、マグネシウム射出成形機ＪＬＭ７５ＭＧを使用した。

７．２．サンプルＮｏ．１７～２７
製造条件を表２に示すように変更した以外は、サンプルＮｏ．１６と同様にしてチクソ成形体を得た。

８．チクソ成形体の分析
８．１．断面観察
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体を切断し、切断面を光学顕微鏡で観察した。図６は、実施例に相当するチクソ成形体の切断面を光学顕微鏡で観察したときの観察像である。図６には、濃色を呈する粒子部と、淡色を呈するマトリックス部と、が認められる。そして、多くの粒子部は、アスペクト比が比較的小さく、等方的な形状をなしている。求めた粒子部の平均アスペクト比および最大粒径を表２に示す。

また、図４に示すような範囲Ａ１、Ａ２を特定し、粒子部の面積分率Ａｓ、Ａｃを算出した。そして、｜Ａｓ－Ａｃ｜／Ａｃを百分率で算出した。算出結果を表２に示す。

８．２．Ｓｉの含有量
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体について、元素分析により、Ｓｉの含有量を計測した。計測結果を表２に示す。

９．チクソ成形体の評価
９．１．成形性
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体を観察し、湯流れ性、および、鋳巣や空気の巻き込みによる内部欠陥の有無、等に基づいて、チクソ成形体の成形状態を評価した。具体的には、湯流れ性の不良や内部欠陥が多くあるものを「ＮＧ」とし、そのような不良が相対的に少ないものを「ＯＫ」と評価した。評価結果を表２に示す。

９．２．引張強さ
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体について、引張強さを測定した。具体的には、チクソ成形体からＪＩＳ規格に準拠した試験片を形成し、引張試験機によって引張強さを測定した。測定結果を表２に示す。

９．３．ヤング率
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体について、ヤング率を測定した。測定結果を表２に示す。

９．４．ビッカース硬さ
各サンプルＮｏ．のチクソ成形体について、表面のビッカース硬さを測定した。測定結果を表２に示す。

表２から明らかなように、実施例に相当するチクソ成形体では、比較例に相当するチクソ成形体に比べて、高い剛性を有することが認められた。また、Ｓｉの含有量が少なすぎる場合には、剛性を十分に高めることができず、一方、Ｓｉの含有量が多すぎる場合には、成形性が不良になることが認められた。

さらに、チクソ成形用材料の製造にあたって、バインダーを添加しなかった比較例では、チクソ成形体の剛性を高めることができなかった。この理由としては、マグネシウム合金チップからＳｉ粒子が脱落し、Ｓｉ粒子を十分に分散させることができなかったことが挙げられる。

１…射出成形機、２…金型、５…ホッパー、６…ヒーター、７…加熱シリンダー、８…スクリュー、９…ノズル、１０…チクソ成形用材料、１１…金属体、１２…被覆部、１３…接着部、１４…Ｓｉ粒子、１００…チクソ成形体、１０１…表面、２００…マトリックス部、３００…粒子部、Ａ１…範囲、Ａ２…範囲、Ｃｖ…キャビティー、Ｏ…中心点、Ｓ１０２…準備工程、Ｓ１０４…乾燥工程、Ｓ１０６…撹拌工程、Ｓ１０８…脱脂工程

Claims (7)

1. Ｍｇを主成分とする金属体と、
   バインダーを介して前記金属体の表面に付着し、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子を含む被覆部と、
   を有し、
   前記Ｓｉ粒子の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であり、
   前記金属体と前記Ｓｉ粒子との合計質量における前記Ｓｉ粒子の質量分率が１．０質量％以上３０．０質量％以下であることを特徴とするチクソ成形用材料。
2. 前記バインダーは、ワックス類を含む請求項１に記載のチクソ成形用材料。
3. 前記バインダーの含有率は、０．００１質量％以上０．２００質量％以下である請求項１または２に記載のチクソ成形用材料。
4. Ｍｇを主成分とする金属体と、Ｓｉを主成分とするＳｉ粒子と、バインダーと、溶媒と、を含む混合物を準備する準備工程と、
   前記混合物を撹拌する撹拌工程と、
   撹拌した前記混合物を加熱して、前記混合物に含まれる前記バインダーの少なくとも一部を除去してチクソ成形用材料を得る脱脂工程と、
   を有し、
   前記金属体と前記Ｓｉ粒子との合計質量における前記Ｓｉ粒子の質量分率が１．０質量％以上３０．０質量％以下であり、
   前記チクソ成形用材料における前記バインダーの含有率が０．００１質量％以上０．２００質量％以下であることを特徴とするチクソ成形用材料の製造方法。
5. Ｍｇを主成分とするマトリックス部と、
   前記マトリックス部内に分散し、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とする粒子部と、
   を有し、
   前記粒子部の最大粒径が１．０μｍ以上５０．０μｍ以下であり、
   断面を観察し、表面を起点とする５００μｍ角の範囲における前記粒子部の面積分率をＡｓ［％］とし、前記表面からの深さが１ｍｍの点を中心とする５００μｍ角の範囲における前記粒子部の面積分率をＡｃ［％］としたとき、｜Ａｓ－Ａｃ｜／Ａｃが３０．０％以下であることを特徴とするチクソ成形体。
6. 前記粒子部の平均アスペクト比は、３．０以下である請求項５に記載のチクソ成形体。
7. 引張強さが１００ＭＰａ以上３５０ＭＰａ以下であり、
   ヤング率が４４ＧＰａ以上８０ＧＰａ以下である請求項５または６に記載のチクソ成形体。

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