JP5863937B1 - マグネシウム鋳物のｈｉｐ処理方法、ｈｉｐ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックス - Google Patents

Abstract

【課題】マグネシウム鋳物について、内部欠陥の除去率を向上させるＨＩＰ処理方法、または、当該ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックスを提供する。【解決手段】マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法は、マグネシウムを主原料とするマグネシウム鋳物１００、２００を準備する工程と、前記マグネシウム鋳物１００、２００を、圧力媒体を用いてＨＩＰ処理するＨＩＰ処理工程とを具備する。前記マグネシウム鋳物１００、２００は、Ｍｇの含有量が７０重量％以上９６重量％以下であり、Ｇｄの含有量が０重量％以上２重量％以下である。前記ＨＩＰ処理工程は、共晶温度以上、かつ、融点未満の処理温度で実施される。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法、ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックスに関する。

鋳造品の内部欠陥を除去する方法として、ＨＩＰ（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ）処理が知られている。

関連する技術として、特許文献１には、ガドリニウムを５〜２０重量％含有するマグネシウム合金をＨＩＰ処理することが記載されている。また、引用文献２には、金属部品の亀裂修復方法が記載されている。引用文献２に記載の方法では、金属部品の表面に生じた亀裂をめっきによって封孔処理し、封孔処理された金属部品をＨＩＰ処理することによって、金属部品の亀裂の修復を行っている。

特開２００８−２８０５６５号公報 特開平１０−２５９４０６号公報

本発明の目的は、レアアースであるガドリニウムを多く含まないマグネシウム鋳物について、内部欠陥の除去率を向上させるＨＩＰ処理方法、または、当該ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックスを提供することにある。

この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。

以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。

いくつかの実施形態のマグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法は、マグネシウムを主原料とする前記マグネシウム鋳物（１００；２００）を準備する工程と、前記マグネシウム鋳物（１００；２００）を、圧力媒体を用いてＨＩＰ処理するＨＩＰ処理工程とを具備する。前記マグネシウム鋳物（１００；２００）は、Ｍｇの含有量が７０重量％以上９６重量％以下であり、Ｚｎの含有量が０．２重量％以上５重量％以下、または、ジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、Ｇｄの含有量が０重量％以上２重量％以下である。前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点またはＭｇ−ジジミウム合金の共晶点における共晶温度以上、かつ、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金またはＭｇ−ジジミウム合金の融点未満の処理温度で実施される。なお、Ｍｇ−Ｚｎ合金の融点は、Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎ成分量により変動する。また、Ｍｇ−ジジミウム合金の融点は、Ｍｇ−ジジミウム合金のジジミウム成分量により変動する。例えば、後述のＺＥ４１合金の場合には、融点は、４５０℃以上５５０℃未満である。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点における共晶温度である３３９℃以上の処理温度で実施されてもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程は、３８０℃以上４２０℃未満の処理温度で実施されてもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程は、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点における共晶温度である３３９℃以上４００℃未満の処理温度で実施されてもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程の前に、前記マグネシウム鋳物（２００）の表面に達する表面連結空孔（２１０Ａ）を塞ぐ工程を備えていてもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程の後に、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物（２００’）の表面領域（２４０Ａ；３４０Ａ）の少なくとも一部を除去することにより表面連結空孔（２１０Ａ）を除去する除去工程を備えていてもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記除去工程は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の除去深さ（Ｄ１）で、前記表面領域（２４０Ａ；３４０Ａ）を除去する工程であってもよい。

上記のＨＩＰ処理方法において、前記ＨＩＰ処理工程の後に、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物（２００’）の表面にシール面（２４０Ｃ；３４０Ｃ）を形成するシール面形成工程を備えていてもよい。前記シール面形成工程は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の除去深さ（Ｄ１）で、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物（２００’）の表面領域（２４０Ａ；３４０Ａ）を除去する工程を含んでいてもよい。

いくつかの実施形態のヘリコプターのギアボックスは、上記のいずれかの段落に記載された処理方法ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたギアボックスである。

本発明により、レアアースであるガドリニウムを多く含まないマグネシウム鋳物について、内部欠陥の除去率を向上させるＨＩＰ処理方法、または、当該ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックスを提供が提供できる。

図１Ａは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理中の状態を示す図である。 図１Ｂは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す図である。 図２Ａは、マグネシウム鋳物の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理前の状態を示す断面図である。 図２Ｂは、マグネシウム鋳物の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す断面図である。 図２Ｃは、マグネシウム鋳物の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す断面図である。 図２Ｄは、マグネシウム鋳物の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す断面図である。 図３は、マグネシウムとアルミニウムについて、温度と強度との関係を示すグラフである。 図４Ａは、マグネシウム鋳物の材料成分の一例を示す表である。 図４Ｂは、マグネシウム鋳物の材料成分の一例を示す表である。 図４Ｃは、マグネシウム鋳物の材料成分の一例を示す表である。 図４Ｄは、マグネシウム鋳物の材料成分の一例を示す表である。 図５は、Ｍｇ−Ｚｎの二元系状態図である。 図６Ａは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理中の状態を示す図である。 図６Ｂは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す図である。 図６Ｃは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理中の状態を示す図である。 図６Ｄは、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物の表面領域を除去する例を示す図である。 図６Ｅは、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物の表面領域を除去する例を示す図である。 図７は、ヘリコプターの概略側方断面図である。

以下、マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法、ＨＩＰ処理方法を用いて形成されたヘリコプターのギアボックスに関して、添付図面を参照して説明する。

（ＨＩＰ処理装置の概要）
図１Ａを参照して、ＨＩＰ処理装置の概要について説明する。図１Ａは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理中の状態を示す図である。

ＨＩＰ処理装置１は、圧力容器１０と、圧力媒体導入路２０と、支持部材３０と、加熱装置４０とを備える。圧力容器１０には、被処理物であるマグネシウム鋳物１００をＨＩＰ処理する内部空間５０が設けられている。

圧力容器１０は、例えば、容器部１２と蓋部１４とを含む。蓋部１４の開放によって、圧力容器１０内に、マグネシウム鋳物１００を配置することが可能となる。圧力容器１０の内部空間５０には、圧力媒体が導入される。圧力媒体は、例えば、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガスである。なお、圧力媒体の種類は、アルゴンガス、窒素ガスに限定されず、任意である。圧力媒体の内部空間５０への導入は、圧力媒体導入路２０を介して行われる。圧力媒体導入路２０の途中には、バルブ２２が設けられている。

圧力容器１０の内部には、マグネシウム鋳物１００を支持する支持部材３０が設けられている。支持部材３０は、例えば、支柱等の基台３２と、支持プレート３４とを含む。支持プレート３４は、例えば、マグネシウム鋳物１００の下面に対して圧力媒体の圧力を作用させることが可能な構造を有する。圧力媒体の圧力を作用させる構造は、例えば、多孔性のプレート、あるいは、金網等である。加熱装置４０は、圧力媒体およびマグネシウム鋳物１００を加熱する。加熱装置４０は、例えば、ヒーターを含む。

（ＨＩＰ処理方法の概要）
図１Ａおよび図１Ｂを参照して、ＨＩＰ処理方法の概要について説明する。図１Ａは、ＨＩＰ処理中の状態を示す図である。図１Ｂは、ＨＩＰ処理装置の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す図である。

第１工程において、圧力容器１０の内部空間５０に内部欠陥１１０を有するマグネシウム鋳物１００が配置される。内部欠陥１１０は、例えば、空孔（ボイド）、隙間等である。マグネシウム鋳物１００は、圧力容器１０の内部において、支持部材３０によって支持される。

第２工程において、圧力媒体が、圧力媒体導入路２０を介して圧力容器１０の内部空間５０に導入される。圧力容器１０への圧力媒体の導入量または単位時間当たりの導入流量は、バルブ２２によって調整される。圧力容器１０への圧力媒体の導入によって、マグネシウム鋳物１００の表面には、等方的に圧力Ｐが作用する。

第３工程において、加熱装置４０によって、圧力媒体およびマグネシウム鋳物１００が加熱される。マグネシウム鋳物１００の表面は、例えば、等方的に加熱される。

第２工程の開始は、第３工程の開始よりも前であってもよいし、後であってもよい。また、第２工程の開始と第３工程の開始とは、同時であってもよい。

第４工程において、マグネシウム鋳物１００は、ＨＩＰ処理される。第４工程において、マグネシウム鋳物１００は、表面に作用する熱と圧力Ｐとによって、収縮する。当該収縮に伴い、マグネシウム鋳物の内部欠陥１１０（例えば、空孔、隙間等）は、圧縮され除去される。すなわち、ＨＩＰ処理後の状態を示す図１Ｂにおいては、内部欠陥１１０は、除去されている。ＨＩＰ処理前のマグネシウム鋳物１００と、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’とは、相似形状を有する。なお、相似には、概ね相似であることが包含される。

ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’は、内部欠陥１１０が除去されているため、ＨＩＰ処理前のマグネシウム鋳物１００と比較して、強度（引っ張り強度、圧縮強度等）が大きい。

第５工程において、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’の表面仕上げが行われる。表面仕上げは、切削加工等を含む。

（発明者によって認識された課題）
図２Ａ乃至図３を参照して、発明者によって認識された課題について説明する。図２Ａは、マグネシウム鋳物１００の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理前の状態を示す断面図である。図２Ｂ乃至図２Ｄは、マグネシウム鋳物１００’の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す断面図である。図３は、マグネシウムとアルミニウムについて、温度と強度との関係を示すグラフである。

図２Ａは、マグネシウム鋳物１００の一部分の断面図であり、ＨＩＰ処理前の状態を示す断面図である。マグネシウム鋳物１００の内部には、内部欠陥である空孔１１０Ａ、隙間１１０Ｂ等が存在する。

図２Ｂは、マグネシウム鋳物１００に対して、好適な温度、好適な圧力で、好適な時間にわたってＨＩＰ処理した後のマグネシウム鋳物１００’の状態を示す。ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’から空孔１１０Ａおよび隙間１１０Ｂが除去されていることが把握される。隙間１１０Ｂの除去により、水分１３０等が、隙間内に進入することが抑制される。隙間への水分１３０の進入が抑制されることにより、マグネシウム鋳物１００’の腐食等が抑制される。また、空孔１１０Ａの除去により、マグネシウム鋳物１００’の強度（引っ張り強度、圧縮強度等）は増加する。

図２Ｃでは、ＨＩＰ処理における処理温度、処理圧力、または、処理時間のいずれかが不足することにより、空孔１１０Ａまたは隙間１１０Ｂが除去されていないことが把握される。隙間１１０Ｂの存在により、水分１３０等が、隙間内に進入する。隙間への水分１３０の進入により、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’が腐食する。また、空孔１１０Ａの存在により、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’の強度は低下する。

図２Ｄでは、ＨＩＰ処理における処理温度が過大である（高温すぎる）ことにより、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’の材料組織（すなわち、組織構造）が、ＨＩＰ処理前のマグネシウム鋳物１００の材料組織（すなわち、組織構造）から、大きく変性していることが把握される。材料組織の変性により、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’は、所望の特性（強度等）を発揮することができない。

図３は、マグネシウムとアルミニウムについて、温度と強度との関係を示すグラフである。図３を参照することにより、マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理の難しさが把握される。図３の横軸は、温度（℃）であり、縦軸は、強度（例えば、圧縮強度）である。

ある処理圧力で、ある処理時間にわたってＨＩＰ処理をすることにより、空孔１１０Ａまたは隙間１１０Ｂが効果的に除去されるためには、マグネシウム鋳物１００の強度が所定の閾値ＴＨ１を下回っていることが必要である。マグネシウム鋳物１００の強度が所定の閾値ＴＨ１を下回ることにより、マグネシウム鋳物１００に作用する圧力によりマグネシウム鋳物１００が効果的に圧潰される。その結果、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物１００’から空孔１１０Ａまたは隙間１１０Ｂが効果的に除去される。マグネシウムの強度が閾値ＴＨ１以下となる温度（軟化温度）を、温度Ｔ１と定義する。温度Ｔ１は、例えば３３０℃である。また、マグネシウム鋳物は、主たる構成材料がマグネシウムであるマグネシウム合金である。マグネシウム合金の共晶点温度を温度Ｔ２と定義する。温度Ｔ２以上の温度では、マグネシウム鋳物１００の材料組織が維持されないので、従来、温度Ｔ２以上の温度でＨＩＰ処理することは、現実的ではないと考えられていた。従って、マグネシウム鋳物１００をＨＩＰ処理する場合の処理可能温度は、一般的には、温度Ｔ１以上温度Ｔ２未満であると考えられていた。なお、例えば、マグネシウム−Ｚｎ合金の共晶点温度（温度Ｔ２）は３３９℃である。したがって、マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理可能温度の範囲は、かなり厳しく限定された範囲であると考えられていた。

同様に、アルミニウムの強度が閾値ＴＨ１’以下となる温度（軟化温度）を、温度Ｔ１’と定義する。アルミニウムの軟化温度は、例えば、５００℃である。また、アルミニウム合金の共晶点温度を温度Ｔ２’と定義する。例えば、Ａｌ−Ｃｕ合金の共晶点温度Ｔ２’は、５４８℃である。この場合、アルミニウム鋳物のＨＩＰ処理可能温度の範囲は、温度Ｔ１’以上温度Ｔ２’未満である。

なお、閾値ＴＨ１及びＴＨ１’は、ＨＩＰ処理装置の圧力で、余裕をもって十分にＨＩＰ処理の効果が得られる強度値（典型的には、下限値）である。マグネシウムまたはアルミニウムの強度が閾値ＴＨ１またはＴＨ１’以上(すなわち、軟化温度Ｔ１またはＴ１’未満)であっても、ＨＩＰ処理の効果が得られる場合もある。しかし、軟化温度Ｔ１またはＴ１’未満でＨＩＰ処理すると、ＨＩＰ処理の効果が限定的となる。効果が限定的となる例としては、大きな内部欠陥が除去(圧縮)できない例、内部欠陥の内側表面同士が接合しない例等が挙げられる。なお、ＨＩＰ処理時間を長くする場合には、上記閾値ＴＨ１及びＴＨ１’の値を、より大きな値とすること（換言すれば、温度Ｔ１及びＴ１’の値を、より小さな値とすること）が可能である。

図３を参照すると、マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理可能温度の範囲（Ｔ１以上Ｔ２未満）は、アルミニウム鋳物のＨＩＰ処理可能温度の範囲（Ｔ１’以上Ｔ２’未満）よりも、より厳しく限定された範囲であることが把握される。このため、マグネシウム鋳物をＨＩＰ処理する際の条件設定は、アルミニウム鋳物をＨＩＰ処理する際の条件設定よりも難しい。なお、後述される実施形態のアイデアを用いる場合には、温度Ｔ２以上においてもＨＩＰ処理を行うことが可能である。しかし、マグネシウム鋳物の組成等の条件を考慮することなく、無条件にＨＩＰ処理温度を上げることはできない。このため、何れにしても、マグネシウム鋳物の場合には、ＨＩＰ処理の条件設定が難しいと言える。

上記に加え、マグネシウム鋳物は、鋳造時に内部欠陥（例えば、空孔、隙間等）ができやすいとの課題がある。

なお、図２Ａ乃至図３に記載された例は、発明者によって認識された課題を説明するために便宜的に使用された例である。よって、図２Ａ乃至図３に記載された例は、本願出願前の公知の従来技術を示すものではない。

（マグネシウム鋳物の組成の一例）
いくつかの実施形態において、マグネシウム鋳物の材料として、ＺＥ４１を使用する。すなわち、マグネシウム鋳物の材料に関し、マグネシウム（Ｍｇ）の含有量は、９１．５９重量％以上９５．３５重量％以下であり、亜鉛（Ｚｎ）の含有量は、３．５重量％以上５重量％以下である。また、レアメタルであるガドリニウム（Ｇｄ）の含有量は、０重量％以上１．７５重量％以下である。ここで、マグネシウムの含有量が、９１．５９重量％以上９５．３５重量％以下であり、亜鉛の含有量が、３．５重量％以上５重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上１．７５重量％以下である材料を材料Ａと定義する。材料Ａのより詳細な成分の一例を、図４Ａに示す。

参考例として、材料Ａに代えて、別の材料を用いることも可能である。例えば、マグネシウム鋳物の材料として、ＡＺ９１Ｃを用いることも可能である。すなわち、マグネシウム鋳物の材料に関し、マグネシウムの含有量が、８８．５９重量％以上９１．３７重量％以下であり、亜鉛の含有量が、０．４重量％以上１重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上０．１重量％以下である材料Ｂを用いることが可能である。材料Ｂのより詳細な成分の一例を、図４Ｂに示す。

代替的に、マグネシウム鋳物の材料として、ＥＶ３１Ａを用いることも可能である。すなわち、マグネシウム鋳物の材料に関し、マグネシウムの含有量が、９３．２１８重量％以上９５．８重量％以下であり、亜鉛の含有量が、０．２重量％以上０．５重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、１重量％以上１．７重量％以下である材料Ｃを用いることが可能である。材料Ｃのより詳細な成分の一例を、図４Ｃに示す。

代替的に、マグネシウム鋳物の材料として、ＱＥ２２を用いることも可能である。すなわち、マグネシウム鋳物の材料に関し、マグネシウムの含有量が、９３．０９重量％以上９５．８５重量％以下であり、ジジミウム（Ｄｉｄｙｍｉｕｍ）の含有量が、１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０．３重量％以下である材料Ｄを用いることが可能である。材料Ｄのより詳細な成分の一例を、図４Ｄに示す。なお、ジジミウムは、プラセオジム（Ｐｒ）とネオジム（Ｎｄ）との混合物である。ＱＥ２２においては、Ｚｎの代わりにジジミウムが、マグネシウムとの間で共晶組織を形成する。

材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃ、材料Ｄについてまとめて考慮すると、マグネシウム鋳物として、（１）マグネシウムの含有量が、８８．５９重量％以上９５．８５重量％以下であり、（２）亜鉛の含有量が０．２重量％以上５重量％以下またはジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、（３）レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上１．７５重量％以下である材料を使用してもよい。なお、本実施形態で使用するＭｇ合金鋳物として、マグネシウムの含有量がより少ない材料（または、マグネシウムの含有量がより多い材料）を使用してもよい。例えば、マグネシウムの含有量が、（１）７０重量％以上９６重量％以下であり、（２）亜鉛の含有量が０．２重量％以上５重量％以下またはジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、（３）レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上２重量％以下である材料を使用してもよい。

材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃについてまとめて考慮すると、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物として、マグネシウムの含有量が、８８．５９重量％以上９５．８重量％以下であり、亜鉛の含有量が、０．２重量％以上５重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上１．７５重量％以下である材料を使用してもよい。なお、本実施形態で使用するＭｇ−Ｚｎ合金鋳物として、マグネシウムの含有量がより少ない材料を使用してもよい。例えば、マグネシウムの含有量が、７０重量％以上９６重量％以下であり、亜鉛の含有量が０．２重量％以上５重量％以下であり、レアメタルであるガドリニウムの含有量が、０重量％以上２重量％以下である材料を使用してもよい。

ガドリニウムの含有量を２重量％以下とする理由は、例えば、高価なガドリニウムの使用を抑制するためである。なお、実施形態のマグネシウム鋳物は、ガドリニウムを含有しないものであってもよい。すなわち、マグネシウム鋳物におけるガドリニウムの含有量は、０重量％であってもよい。

材料Ａ、材料Ｂ、または、材料Ｃ等によって構成されるマグネシウム鋳物、すなわち、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物を、共晶温度（図５から、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶温度は、３４０±１℃であることが把握される。）を超えて加熱する場合、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物の粒界面におけるＭｇリッチな領域から共晶溶融が進行する。共晶溶融が開始する温度は共晶点Ｄ（ｅｕｔｅｃｔｉｃ ｐｏｉｎｔ）における共晶温度（３４０±１℃、すなわち、３３９℃、または、３４０℃、あるいは、３４１℃）である。

Ｍｇ−Ｚｎ合金の融点は、Ｍｇ−Ｚｎ合金のＺｎ成分量により変動する。同様に、Ｍｇ−ジジミウム合金の融点は、Ｍｇ−ジジミウム合金のジジミウム成分量により変動する。

例えば、Ｚｎの含有量が３．５重量％以上５重量％以下であるＺＥ４１の場合、ＺＥ４１の融点は、４５０℃以上５５０℃未満である。なお、融点は、材料を加熱する際に、液相が生じ始める温度である。Ｚｎの含有量が３．５重量％である場合、ＺＥ４１の融点は、図５に記載の状態図に基づいて（より具体的には、Ｚｎの含有量が３．５重量％に対応する縦軸に平行な直線と、境界曲線ｆ（すなわち、Ｍｇ固溶相と、液相（Ｌ）およびＭｇ固溶相の混合相との境界曲線ｆ）との交点に基づいて）、５５０℃であることが把握される。Ｚｎの含有量が５重量％である場合、ＺＥ４１の融点は、図５に記載の状態図に基づいて（より具体的には、Ｚｎの含有量が５重量％に対応する縦軸に平行な直線と、境界曲線ｆとの交点に基づいて）、４５０℃であることが把握される。

（ＨＩＰ処理温度）
上述のとおり、ＨＩＰ処理において、マグネシウム鋳物１００が溶融すると、材料組織の維持が困難となる。このため、ＨＩＰ処理は、融点未満で実行することが技術常識である。共晶溶融も、溶融の一形態であるため、ＨＩＰ処理は、共晶温度未満で実行することが一般的である。これに対し、発明者は、実験により、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物においては、共晶温度以上の温度でＨＩＰ処理しても、概ね材料組織が維持されるとの知見を得た。材料におけるＺｎ含有率の低さと、材料組織の均質性が寄与しているとも考えられる。Ｚｎの含有率が、６．２重量％以下であることが、何らかの好影響を与えている可能性も考えられる（図５において、Ｍｇの含有率が６．２重量％であり、温度が共晶温度である点Ｅを参照。）。あるいは、仮に、共晶溶融が発生したとしても、当該共晶溶融が、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物の粒界面のごく一部にとどまっている可能性も考えられる。

他方、融点以上（例えば、Ｚｎの含有量が５．０重量％のＺＥ４１合金の場合は、４５０℃以上）の温度では、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物の溶融が大きく進行し、材料組織の維持が困難である。

以上のとおり、ＨＩＰ処理温度として、Ｍｇ合金の共晶温度以上、かつ、融点未満の温度を用いることにより、Ｍｇ合金鋳物の強度（例えば、圧縮強度）を効果的に低下させるとともに、Ｍｇ合金鋳物の材料組織の変性を抑制することが可能である。その結果、ＨＩＰ処理温度として、Ｍｇ合金の共晶温度以上融点未満の温度を用いることにより、Ｍｇ合金鋳物の材料組織の変性を抑制するとともに、Ｍｇ合金鋳物の内部欠陥（空孔、隙間等）を除去することが可能である。

Ｍｇ合金鋳物（例えば、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物）のＨＩＰ処理温度を３８０℃以上とすると、３８０℃未満で処理する場合と比較して、Ｍｇ合金鋳物の強度（例えば、圧縮強度）を効果的に低下させられるとの知見が得られた。

Ｍｇ合金鋳物（例えば、Ｍｇ−Ｚｎ合金鋳物）のＨＩＰ処理温度を４２０℃未満とすると、４２０℃以上で処理する場合と比較して、Ｍｇ合金鋳物の材料組織の変性を効果的に抑制させられるとの知見が得られた。

（ＨＩＰ処理圧力）
ＨＩＰ処理圧力、すなわち、圧力媒体の圧力は、例えば、８０Ｍｐａ以上１９８ＭＰａ（より具体的には、８０Ｍｐａ以上１６０ＭＰａ以下）である。すなわち、ＨＩＰ処理圧力としては、一般的に採用されているＨＩＰ処理圧力を採用することが可能である。

（封孔処理）
図６Ａ乃至図６Ｃを参照して、マグネシウム鋳物の封孔処理について説明する。上述の実施形態のマグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法は、封孔処理を施したマグネシウム鋳物に対しても適用可能である。なお、封孔処理自体は、公知の技術である。図６Ａは、ＨＩＰ処理装置１の概略側方断面図であり、封孔処理が施されていないマグネシウム鋳物のＨＩＰ処理中の状態を示す図である。図６Ｂは、ＨＩＰ処理装置１の概略側方断面図であり、ＨＩＰ処理後の状態を示す図である。図６Ｃは、ＨＩＰ処理装置１の概略側方断面図であり、封孔処理が施されているマグネシウム鋳物のＨＩＰ処理中の状態を示す図である。なお、図６Ａ乃至図６Ｃにおいて、図１Ａおよび図１Ｂに記載の構成要素と同じ機能を有する構成要素については、図１Ａおよび図１Ｂにおける符号と同一の符号を用いている。

（封孔処理を行う理由）
マグネシウム鋳物２００は、成型時に、微細な隙間２１０Ｂが形成されやすい。当該微細な隙間２１０Ｂの一部は、マグネシウム鋳物２００の表面２２０に達するとともに、空孔に連通している。空孔のうち、隙間２１０Ｂを介して、表面２２０に繋がっている空孔を、表面連結空孔２１０Ａと定義する。表面連結空孔２１０Ａ以外の空孔を、表面非連結空孔２１０Ｃと定義する。なお、表面２２０から近い位置（換言すれば、浅い位置）にある内部欠陥ほど、表面連結空孔２１０Ａとなる可能性が高い。反対に、表面２２０から遠い位置（換言すれば、深い位置）にある内部欠陥ほど、表面非連結空孔２１０Ｃとなる可能性が高い。

マグネシウム鋳物２００をＨＩＰ処理する際に、表面連結空孔２１０Ａには、圧力媒体が流入する。このため、表面連結空孔２１０Ａは、表面２１０に作用する圧力媒体の圧力によって、潰されない。その結果、図６Ｂに示されるように、表面連結空孔２１０Ａは、ＨＩＰ処理によって除去されず、ＨＩＰ処理後も残存する。残存する表面連結空孔２１０Ａは、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物２００’の強度を低下させる要因となる。また、残存する表面連結空孔２１０Ａは、水分等の進入により、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物２００’の腐食を進行させる要因となる。

（封孔処理を利用した表面連結空孔の除去）
図６Ｃに、表面連結空孔２１０Ａを除去する方法の一例を示す。図６Ｃの例では、マグネシウム鋳物２００が、例えば金属製の膜状部材、すなわち、カプセル２３０によって封入されている。カプセル２３０の存在により、表面連結空孔２１０Ａには、圧力媒体が進入しない。このため、表面連結空孔２１０Ａは、カプセル２３０を介して作用する圧力媒体によって、潰される。その結果、表面連結空孔２１０Ａは、ＨＩＰ処理によって除去される。なお、カプセル封入は、主として、焼結材料等のＨＩＰ処理で使用される技術である。本実施形態は、公知のカプセル封入の技術を上述の実施形態のマグネシウム鋳物２００のＨＩＰ処理に転用したものである。ただし、カプセル封入を複雑な形状の鋳物に適用する場合、カプセルの製造コストが高コストとなる可能性がある。

マグネシウム鋳物２００をカプセル２３０に封入するのに代えて、マグネシウム鋳物２００の表面の一部に皮膜を形成してもよい。皮膜形成方法の一例として、例えば、めっき処理、ガラス蒸着、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタリング、溶射、溶接、含浸（含浸封孔）がある。めっきが施された領域においては、表面連結空孔２１０Ａに、圧力媒体が進入しない。このため、表面連結空孔２１０Ａは、圧力媒体によって潰される。その結果、表面連結空孔２１０Ａは、ＨＩＰ処理によって除去される。

マグネシウム鋳物２００をカプセル２３０に封入するのに代えて、マグネシウム鋳物２００の表面を機械加工することによって、表面連結空孔２１０Ａを塞いでもよい。機械加工としては、例えば、ピーニング加工、または、バニシング加工が挙げられる。ピーニング加工は、被加工物の表面を工具、投射材等により叩いて被加工物の表面処理を行う加工である。バニシング加工は、被加工物の表面をローラ等により押圧することにより、被加工物の表面を平滑化させる加工である。機械加工によって塞がれた表面連結空孔２１０Ａには、圧力媒体が進入しない。このため、表面連結空孔２１０Ａは、圧力媒体によって潰される。その結果、表面連結空孔２１０Ａは、ＨＩＰ処理によって除去される。

（封孔処理を利用しない表面連結空孔の除去）
図６Ｄに、表面連結空孔２１０Ａを除去する方法の一例を示す。図６Ｄには、図６Ａに示されるＨＩＰ処理装置１によってＨＩＰ処理された後のマグネシウム鋳物２００’が記載されている。図６Ｄを参照すると、表面連結空孔２１０Ａは、マグネシウム鋳物２００’の表面近傍の領域に偏って存在することが把握される。他方、マグネシウム鋳物２００’の表面から遠い領域、すなわち、中央領域に存在する空孔は、隙間２１０Ｂを介して表面２２０’に達している確率が低い。このため、中央領域に存在する空孔は、ＨＩＰ処理によって除去されている可能性が高い。以上を考慮すると、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物２００’の表面領域（すなわち、表面近傍の領域）を切削加工等により除去すれば、表面連結空孔２１０Ａは、概ね除去されるといえる。

図６Ｄの例では、鎖線２４０で示される境界面の一方側の領域、すなわち表面領域２４０Ａが、切削加工等によって除去されている。表面領域２４０Ａの除去により、他方側の領域２４０Ｂにおける除去後表面２４０Ｃには、欠陥（例えば、空孔、隙間等）が残存する可能性が低い。なお、後述の実験例により、表面領域の除去深さＤ１（換言すれば、除去前の表面２２０’と除去後表面２４０Ｃとの間の距離であって、除去前の表面２１０’に垂直な方向における距離）は、３ｍｍ以上であることが好ましいことが把握される。除去後表面２４０Ｃに、欠陥が残存する確率をより減少させるためには、例えば、除去深さＤ１は、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、または、６ｍｍ以上とすればよい。なお、除去深さＤ１は、例えば、２０ｍｍ以下である。除去深さが２０ｍｍを超えると、表面領域を除去する切削工程等に時間を要する。

除去後表面２４０Ｃには、欠陥（例えば、空孔、隙間等）の残存する可能性が低い。このため、除去後表面２４０Ｃを、シール部材を配置するシール面としてもよい。すなわち、除去後表面２４０Ｃ上にシール部材（図示されず）を配置するシール部材配置工程を備えていてもよい。除去後表面２４０Ｃを、シール面として用いる場合、シール面を介して流体が漏れるリスクが低減される。

代替的に、図６Ｅに記載の例では、マグネシウム鋳物２００’の表面領域全体が除去されている。表面領域３４０Ａの除去により、中央側の領域３４０Ｂの内部、および、中央側の領域３４０Ｂにおける除去後表面３４０Ｃには、欠陥（例えば、空孔、隙間等）が残存する可能性は低い。除去後表面３４０Ｃに、欠陥が残存する確率をより減少させるためには、例えば、除去深さＤ１は、３ｍｍ以上、４ｍｍ以上、５ｍｍ以上、または、６ｍｍ以上とすればよい。なお、除去深さＤ１は、例えば、２０ｍｍ以下である。

図６Ｄおよび図６Ｅに記載の例では、ＨＩＰ処理工程では除去されなかった材料表層近傍（すなわち、マグネシウム鋳物２００’の表層近傍）の表面連結空孔２１０Ａが、効果的に除去される。

（実験例１）
表面から深さ３ｍｍの位置に複数の空孔を有するマグネシウム鋳物を準備した。当該マグネシウム鋳物を１９２Ｍｐａの圧力、４００℃の温度で、４時間にわたってＨＩＰ処理したところ、空孔の除去率は、８８％であった。なお、マグネシウム鋳物中には、多くの微細な隙間が存在する。全体のうちの１２％の空孔は、隙間を介して表面とつながっていたため、ＨＩＰ処理によって除去されなかったと考えられる。他方、全体のうちの８８％の空孔は、表面とつながっていなかったため、ＨＩＰ処理によって除去されたと考えられる。このことから、除去深さＤ１を３ｍｍ以上とすれば、残存する表面連結空孔は、相当程度減少することが把握される。

（実験例２）
表面から深さ６ｍｍの位置に複数の空孔を有するマグネシウム鋳物を準備した。当該マグネシウム鋳物を１９２Ｍｐａの圧力、４００℃の温度で、４時間にわたってＨＩＰ処理したところ、空孔の除去率は、１００％であった。表面から深さ６ｍｍの位置に位置する複数の空孔は、表面とつながっていなかったため、ＨＩＰ処理によって除去されたと考えられる。このことから、除去深さＤ１を６ｍｍ以上とすれば、残存する表面連結空孔は、より一層減少することが把握される。

（マグネシウム鋳物の適用例）
図７に、マグネシウム鋳物の適用例を示す。図７は、ヘリコプターの概略側方断面図である。ヘリコプター１０００は、ヘリコプター本体１１００と、ギアボックス１２００と、ローター１３００と、ブレード１４００とを含む。ギアボックス１２００は、駆動源からの動力をローター１３００に伝達し、ブレード１４００を回転させる。ヘリコプター本体１１００は、ギアボックス１２００を介して、ローター１３００に連結されている。ヘリコプター１０００の飛行時には、ブレード１４００によって発生する揚力は、ローター１３００を介してギアボックス１２００に作用する。他方、ヘリコプター本体にかかる重力は、ギアボックス１２００によって支えられることとなる。すなわち、ギアボックス１２００には、大きな荷重が作用する。

上述の実施形態における、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物（１００’、２００’）は、軽量である。また、上述の実施形態における、ＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物（１００’、２００’）は、内部欠陥が少ないために高強度である。ヘリコプター１０００のギアボックス１２００のハウジングに、上述の実施形態におけるＨＩＰ処理後のマグネシウム鋳物（１００’、２００’）を採用した場合、ヘリコプター全体の重量が低減される。また、ギアボックス１２００のハウジングが高強度であるために、ヘリコプターの信頼性が向上する。

本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。また、各実施形態又は変形例で用いられる種々の技術は、技術的矛盾が生じない限り、他の実施形態又は変形例にも適用可能である。

１ ：ＨＩＰ処理装置
１０ ：圧力容器
１２ ：容器部
１４ ：蓋部
２０ ：圧力媒体導入路
２２ ：バルブ
３０ ：支持部材
３２ ：基台
３４ ：支持プレート
４０ ：加熱装置
５０ ：内部空間
１００ ：マグネシウム鋳物
１００’ ：マグネシウム鋳物
１１０ ：内部欠陥
１１０Ａ ：空孔
１１０Ｂ ：隙間
１３０ ：水分
２００ ：マグネシウム鋳物
２００’ ：マグネシウム鋳物
２１０ ：表面
２１０’ ：表面
２１０Ａ ：表面連結空孔
２１０Ｂ ：隙間
２１０Ｃ ：表面非連結空孔
２２０ ：表面
２２０’ ：表面
２３０ ：カプセル
２４０ ：鎖線
２４０Ａ ：表面領域
２４０Ｃ ：除去後表面
３４０Ａ ：表面領域
３４０Ｃ ：除去後表面
１０００ ：ヘリコプター
１１００ ：ヘリコプター本体
１２００ ：ギアボックス
１３００ ：ローター
１４００ ：ブレード

Claims (10)

1. マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法であって、
   マグネシウムを主原料とする前記マグネシウム鋳物を準備する工程と、
   前記マグネシウム鋳物を、圧力媒体を用いてＨＩＰ処理するＨＩＰ処理工程と
   を具備し、
   前記マグネシウム鋳物は、
   Ｍｇの含有量が７０重量％以上９６重量％以下であり、
   Ｚｎの含有量が０．２重量％以上５重量％以下、または、ジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、
   Ｇｄの含有量が０重量％以上２重量％以下であり、
   前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点またはＭｇ−ジジミウム合金の共晶点における共晶温度を超え、かつ、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金またはＭｇ−ジジミウム合金の融点未満の処理温度で実施され、
   前記マグネシウム鋳物の材料は、ＺＥ４１、ＥＶ３１Ａ、または、ＱＥ２２を含む
   ＨＩＰ処理方法。
2. 前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点における共晶温度である３３９℃を超える処理温度で実施される
   請求項１に記載のＨＩＰ処理方法。
3. 前記ＨＩＰ処理工程は、３８０℃以上４２０℃未満の処理温度で実施される
   請求項１又は２に記載のＨＩＰ処理方法。
4. 前記ＨＩＰ処理工程は、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点における共晶温度である３３９℃を超え、かつ、４００℃未満の処理温度で実施される
   請求項１又は２に記載のＨＩＰ処理方法。
5. 前記ＨＩＰ処理工程の前に、前記マグネシウム鋳物の表面に達する表面連結空孔を塞ぐ工程を備える
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＨＩＰ処理方法。
6. マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法であって、
   マグネシウムを主原料とする前記マグネシウム鋳物を準備する工程と、
   前記マグネシウム鋳物を、圧力媒体を用いてＨＩＰ処理するＨＩＰ処理工程と
   を具備し、
   前記マグネシウム鋳物は、
   Ｍｇの含有量が７０重量％以上９６重量％以下であり、
   Ｚｎの含有量が０．２重量％以上５重量％以下、または、ジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、
   Ｇｄの含有量が０重量％以上２重量％以下であり、
   前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点またはＭｇ−ジジミウム合金の共晶点における共晶温度以上、かつ、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金またはＭｇ−ジジミウム合金の融点未満の処理温度で実施され、
   前記ＨＩＰ処理工程の後に、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物の表面領域の少なくとも一部を除去することにより表面連結空孔を除去する除去工程を備える
   ＨＩＰ処理方法。
7. 前記除去工程は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の除去深さで、前記表面領域を除去する
   請求項６に記載のＨＩＰ処理方法。
8. マグネシウム鋳物のＨＩＰ処理方法であって、
   マグネシウムを主原料とする前記マグネシウム鋳物を準備する工程と、
   前記マグネシウム鋳物を、圧力媒体を用いてＨＩＰ処理するＨＩＰ処理工程と
   を具備し、
   前記マグネシウム鋳物は、
   Ｍｇの含有量が７０重量％以上９６重量％以下であり、
   Ｚｎの含有量が０．２重量％以上５重量％以下、または、ジジミウムの含有量が１．７５重量％以上２．５重量％以下であり、
   Ｇｄの含有量が０重量％以上２重量％以下であり、
   前記ＨＩＰ処理工程は、Ｍｇ−Ｚｎ合金の共晶点またはＭｇ−ジジミウム合金の共晶点における共晶温度以上、かつ、前記Ｍｇ−Ｚｎ合金またはＭｇ−ジジミウム合金の融点未満の処理温度で実施され、
   前記ＨＩＰ処理工程の後に、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物の表面にシール面を形成するシール面形成工程を備え、
   前記シール面形成工程は、３ｍｍ以上２０ｍｍ以下の除去深さで、ＨＩＰ処理後の前記マグネシウム鋳物の表面領域を除去する工程を含む
   ＨＩＰ処理方法。
9. ヘリコプターのギアボックスの製造方法であって、
   前記ギアボックスは、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＨＩＰ処理方法を用いて形成される
   ヘリコプターのギアボックスの製造方法。
10. 前記マグネシウム鋳物は、Ｇｄを含まない
    請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＨＩＰ処理方法。
    
    

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