JP7105477B2 - 合金部材および合金部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、合金部材および合金部材の製造方法に関し、メカニカルアロイング粒子を摩擦攪拌プロセスにより取り込んだ合金領域を有する合金部材およびその製造方法に関する。

近年、自動車や鉄道、船舶、航空機といった輸送機器では、燃費向上のために軽量化が急務となっている。実用金属中でも最も比強度の高いマグネシウム合金は、輸送機器の軽量化に対して有効であり、更なる高強度化や、難燃性や耐食性の向上などといった性質改善が求められている。

例えば、下記特許文献１には、母材（Ａｌ）の改質を要する領域に改質用材料（銅粉末）を配置し、摩擦攪拌によって改質用材料と母材の素材とを一体化することにより、耐久性の低下の防止および熱影響に起因したクラックの発生の回避を図る技術が開示されている。

特開平１１－５０２６６号公報

本発明者は、前述したＭｇ合金などの合金材料について、その特性の向上（高強度化、難燃性や耐食性の向上など）について鋭意検討している。

また、Ｍｇ合金の鋳造材においては、強度や延性といった機械的性質を担保するために、熱処理が必要な場合がみられる。この熱処理は、Ｍｇ合金を高温において数十時間保持する必要があるため、生産性やコストの観点から熱処理の効率化が望まれている。また、近年、金属材料の組織改善手法として摩擦攪拌プロセスが注目されている。

本発明の目的は、摩擦攪拌プロセスを用いることで合金材料の特性（例えば、機械的性質、電気伝導性、磁気特性など）を向上させ、また、熱処理の効率化を図ることにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明に係る合金部材は、メカニカルアロイング処理粒子を摩擦攪拌処理した合金層を有する金属部材である。そして、前記メカニカルアロイング処理粒子は、第１金属よりなる粒子と第２金属よりなる粒子とをメカニカルアロイング処理した混合粒子であり、前記合金層は、前記第１金属および前記第２金属を含む合金層である。

本発明に係る合金部材の製造方法は、（ａ）第１金属よりなる粒子と第２金属よりなる粒子とにメカニカルアロイング処理を施し、混合粒子を形成する工程を有する。そして、さらに、（ｂ）金属部材上に、前記混合粒子を配置し、前記混合粒子および前記金属部材に回転ツールを接触させ、前記金属部材の表面部および前記混合粒子を摩擦熱と塑性流動により攪拌することにより、前記第１金属および前記第２金属を含む合金層を前記金属部材の表面および内部に形成する工程、を有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本願において開示される発明によれば、合金部材の特性を向上させることができる。また、特性の良好な合金部材を製造することができる。また、合金部材の生産性を向上させることができる。

メカニカルアロイング処理工程を示す模式図である。 実施の形態の合金層を形成するＦＳＰを示す図である。 実施の形態の合金層を形成するＦＳＰを示す図である。 時効処理工程を示す図である。 ＭＡ粒子のＳＥＭ観察結果（写真）を示す図である。 ＭＡ粒子のＸ線回折結果を示す図である。 試験片の断面（写真）を示す図である。 試験片の光学顕微鏡およびＳＥＭによる観察結果（写真）を示す図である。 時効処理後の試験片のＳＥＭによる観察結果（写真）を示す図である。 時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す図である。 時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す図である。 ＭＡ粒子を用いたＦＳＰを示す図である。 ＭＡ粒子のＳＥＭ観察結果（写真）を示す図である。 ＭＡ粒子のＸ線回折結果（グラフ）を示す図である。 試験片の断面（写真）を示す図である。 試験片の光学顕微鏡による観察結果（写真）を示す図である。 試験片のＳＥＭによる観察結果（写真）を示す図である。 時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す図である。

以下、実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態）
（メカニカルアロイング粒子の形成）
メカニカルアロイング法によりメカニカルアロイング処理された粒子（メカニカルアロイング粒子、メカニカルアロイング粉末、合金粉末、合金粒子、混合粒子、混合粉末）を形成する方法について説明する。

第１金属粒子（例えば、Ｍｇ粒子）および第２金属粒子（例えば、Ａｌ粒子）を混合装置に投入し、メカニカルアロイング処理を施す。

メカニカルアロイング処理とは、不活性雰囲気中でボールミルを用い、ボールの衝突エネルギーを利用して、粒子同士の折りたたみと圧延を繰り返し起こさせることにより、微細に混合していく方法（粒子同士を強制混合する方法）である。このメカニカルアロイング処理により、得られた粒子（粉末）をＭＡ粒子（ＭＡ粉末）と言う。

図１は、メカニカルアロイング処理工程を示す模式図である。図１（Ａ）に示すように、例えば、円筒状の容器に、硬質のボールと、材料の粉（例えば、Ｍｇ粒子、Ａｌ粒子）を入れて容器を回転させることによって、ナノスケールでの混合（例えば、粒子同士の折りたたみや圧延）、局所加熱、拡散を生じさせ、合金化し、ＭＡ粒子ＭＡＰ（図１（Ｂ））を得ることができる。

特に、メカニカルアロイング処理によれば、通常の鋳造（溶融した金属を鋳型に注入して凝固させる手法）では製造することができない固溶比の合金（例えば、ＡｌリッチのＭｇ－Ａｌ合金）の粒子を得ることができる。別の言い方をすれば、ＭｇにＡｌが通常の割合で固溶している粒子の他、ＭｇにＡｌが過飽和（過飽和固溶）している粒子を形成することができる。なお、ＭＡ粒子のすべてが、合金粒子であるとは限らない。例えば、Ｍｇ粒子とＡｌ粒子の処理の場合、ＭＡ粒子は、Ｍｇ－Ａｌの合金粒子、ＡｌリッチのＭｇ－Ａｌ合金粒子、Ｍｇ粒子、Ａｌ粒子、ＭｇとＡｌの化合物（金属化合物、金属間化合物）であるＭｇ₁₇Ａｌ₁₂よりなる粒子（以下、単に“化合物粒子”と言う場合がある）の混合粒子であってもよい。

（摩擦攪拌プロセスによる合金層の形成）
摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）は、非消耗の回転ツールによる固相攪拌によりなされる。固相攪拌は、結晶粒を微細化するばかりでなく、鋳造組織のような不均一組織を均質化し、異種金属間に用いれば局所領域の合金反応をもたらす。このようなＦＳＷ過程で生じる組織変化を積極的に利用した組織改質法を摩擦攪拌プロセッシング（ＦＳＰ、ＦＳ処理）と言う。

図２および図３は、本実施の形態の合金層を形成するＦＳＰを示す図である。図３（Ａ）に示すように、その表面部に溝Ｔが形成された金属部材ＭＰを準備する。次いで、図３（Ｂ）に示すように金属部材ＭＰの溝Ｔに、ＭＡ粒子ＭＡＰを充填する。次いで、図３（Ｃ）に示すように、ＭＡ粒子ＭＡＰが充填された溝Ｔに、回転ツールＲＴの先端部ＴＳを差し込み、回転ツールＲＴを回転させながら、溝Ｔに沿って移動させることにより、ＦＳＰを行う（図２も参照）。これにより、図３（Ｃ）に示すように、回転ツールＲＴの先端部ＴＳや本体部ＭＵの接触部において、摩擦熱および攪拌作用によりＭＡ粒子ＭＡＰおよび金属部材ＭＰの表面部が混ざり、改質した組織（結晶）よりなる合金層（合金領域）ＭＡＬ１が、金属部材ＭＰの表面部（表面および内部）に形成される（図３（Ｄ））。金属部材は、例えば、Ｍｇ－Ａｌ合金よりなる板状部材である。また、金属部材を、Ｍｇよりなる板状部材としてもよい。金属層が形成された金属部材を“合金部材”と言う。

また、ＦＳＰを行った後、時効処理（熱処理）を施してもよい。図４は、時効処理工程を示す図である。この時効処理により、合金中に化合物（金属化合物、金属間化合物、強化析出物、化合物組織、化合物結晶）が析出し、特性が向上する。例えば、強度や延性といった機械的性質を向上させることができる。時効処理後の合金層を“ＭＡＬ２”で示す。

このように、本実施の形態によれば、メカニカルアロイング処理によりＭＡ粒子を形成し、このＭＡ粒子を用いてＦＳＰを行うことにより、摩擦攪拌に伴う摩擦熱と塑性流動が溶質元素（ここでは、第２金属）の拡散、固溶をもたらし、化合物の良好な析出を促進することで、処理層（改質合金層）の組織（結晶）の状態を良くすることができる。即ち、金属部材ＭＰ上に特性の良好な合金層ＭＡＬ１を形成することができる。この処理は、金属部材ＭＰの表面改質処理とも言える。

具体的には、組織（結晶）の微細化および均一性を図るとともに、微細な化合物粒子の組織（結晶、合金組織、合金結晶）の析出量を増加させることができる。

また、時効処理において、微細な化合物粒子の均一性の高い析出を図ることができ、時効処理時間の短縮を図ることができる。即ち、時効処理時間を短縮しても所望の特性（例えば、強度）を得ることができる。例えば、通常の鋳造により得られたＭｇ合金は、熱処理（溶体化処理ならびに時効処理）に数時間から数十時間を要するが、本実施の形態によれば、時効処理時間の短縮を図ることができる。

［実施例］
（実施例Ａ）
（メカニカルアロイング粒子の形成）
Ｍｇ粉末およびＡｌ粉末を混合装置に投入し、メカニカルアロイング処理を施した。具体的には、高純度のＭｇ粉末（純度：９９．５％、粒径：１８０μｍ以下）に、高純度のＡｌ粉末（純度：９９．９９％、粒径：７５μｍ以下）を添加し、遊星型ボールミルを用いて混合することにより、メカニカルアロイング処理を施した。

遊星型ボールミルを用いることで、ボールを入れる容器であるミルポットの自転運動と、ミルポットを載せたステージの回転（公転運動）により、ボールとポットの壁の衝突に加え、自転・公転を逆方向に行うことでより強力な遠心力をかけることができ、短時間で処理を行うことができる。

Ａｌ粉末の添加量は、Ｍｇ粉末とＡｌ粉末との合計量に対し、１３質量％とした。Ａｌ粉末の添加量の１３％は、Ｍｇに通常固溶するＡｌの濃度（固溶限界濃度）である１２．７％（４３７℃）を超える濃度である。

なお、ボールは、鋼製（直径：１０ｍｍ）のものを用い、潤滑剤としてステアリン酸亜鉛を、Ｍｇ粉末とＡｌ粉末との合計量に対し、１質量％添加して、Ｍｇ粉末とＡｌ粉末を混合し、混合粒子（ＭＡ粉末）を得た。混合時間は、１時間、５時間、１０時間とした。

作製したＭＡ粉末の大きさや形状を調べるためにＳＥＭによる観察を行い、また、構成相を調べるためにＸ線回折を行った。

（摩擦攪拌プロセスによる合金層の形成）
市販のＡＺ９１Ｄマグネシウム合金（金型鋳造材）を板状（１００ｍｍ×１５０ｍｍ×５ｍｍ）に加工した試験片に対して、ＭＡ粉末を充填するための溝（幅：２ｍｍ、長さ：２５ｍｍ、深さ：４ｍｍ）を形成した。

試験片の溝にＭＡ粉末を充填した後、ＭＡ粉末の飛散防止および均一分散を目的として、１ラインに対して３パスのＦＳＰを行った。ＦＳＰ条件は、次のとおりである。１回目（第１処理）は、本体部（Shoulder die）の径（Φ）１０ｍｍ、先端部（Probe）の長さ１．５ｍｍのツールを用い、２回目（第２処理）および３回目（第３処理）は、Φが１４ｍｍ、先端部の長さ４．５ｍｍのツールを用いた。ツールの回転速度は、１０００ｒｐｍ、移動速度は、２５ｍｍ／ｍｉｎとした。

このように、先端部の長さが溝の深さより短いツールを用いて、１回目の処理を行うことにより、溝の表面部のＭＡ粉末が処理され、ＭＡ粉末の飛散を防止することができる。また、その後の２回目、３回目の処理により、溝の内部のＭＡ粉末が処理される。これにより、ＭＡ粉末を均一に試験片の表面部に分散させ、合金化させることができる。

また、比較例１として、ＭＡ粉末を添加せずに摩擦攪拌プロセスを実施した試験片、比較例２として、ＭＡ粉末に代えて上記Ａｌ粉末を充填し摩擦攪拌プロセスを実施した試験片も併せて作製した。

各試験片の断面を観察し、さらに、光学顕微鏡およびＳＥＭを用いて、各試験片の断面のミクロ組織を観察した。

（時効処理）
ＦＳＰを行った各試験片に対し、時効処理（熱処理）を施した。処理温度は１７０℃、処理時間は１時間、３時間等とした。

時効処理後のＦＳＰ処理部について、ＳＥＭを用いてミクロ組織を観察した。また、ビッカース硬さを測定した。

（結果）
図５に、ＭＡ粒子のＳＥＭ観察結果（写真）を示す。ＭＡ粒子をＳＥＭ観察したところ、混合時間（ミリング時間）１時間のＭＡ粒子は、粒径が２００μｍを超えるものも見られた。また、混合時間５時間のＭＡ粒子は、粒径が小さく、ばらつきも少なかった。また、混合時間１０時間のＭＡ粒子は、さらに、粒径が小さかった。このように、混合時間１時間では、当初のＭｇ粉末やＡｌ粉末の平均粒径よりも大きいものが見られ、粒子同士が接合した状態で、その後の、粉砕まで至らない状態であると考えられる。また、混合時間が、５時間、１０時間と長くなるにつれ、ＭＡ粒子の粒径が小さくなる傾向が見られる。

図６に、ＭＡ粒子のＸ線回折結果（グラフ）を示す。混合時間１時間のＭＡ粒子の構成相は、主にＭｇおよびＡｌと解釈される。混合時間５時間のＭＡ粒子では、Ａｌの回折ピークは急激に減少しており、さらに、混合時間５時間のＭＡ粒子では、Ａｌの回折ピークが、ほぼ消滅し、化合物（Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂）の回折ピークが確認できる。また、混合時間の増加に伴い、Ｍｇの回折ピークがブロードになっていることから、Ｍｇ中にＡｌが固溶していることが推察される。

図７に、試験片の断面（写真）を示す。図７（Ａ）は、ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰ処理部の断面写真であり、図７（Ｂ）は、Ａｌ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部の断面写真であり、図７（Ｃ）は、ＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部の断面写真である。

Ａｌ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、試験片（Ｍｇ合金）中にＡｌ粒子を均一に分散させることができず、処理部に欠陥（穴）が生じた。

ＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、上記欠陥（穴）を生じることなく、ＭＡ粒子を処理部に添加することができた。即ち、ＭＡ粒子中のＡｌ成分を、処理部に取り込み、合金化することができた。なお、ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰ処理部においても、上記欠陥（穴）を生じなかった。

（光学顕微鏡による観察結果）
図８に、試験片の光学顕微鏡およびＳＥＭによる観察結果（写真）を示す。左および中央の写真は、光学顕微鏡によるものであり、右の写真がＳＥＭによるものである。

図８（Ｂ）に示すように、ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰ処理部においては、ＦＳＰ処理により、鋳造組織が消滅し、等軸晶へと変化し、組織（結晶）の微細化が確認できる。この場合の平均結晶粒径は、１８．８μｍであった。

図８（Ａ）に示すように、混合時間１時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、通常のＦＳＰ処理の場合と同様に、鋳造組織が消滅し、等軸晶へと変化していることが確認できる。さらに、通常のＦＳＰ（図８（Ｂ））より、組織（結晶）の微細化が進み、この場合の平均結晶粒径は、６．３μｍであった。

また、図８（Ｃ）に示すように、混合時間１０時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、通常のＦＳＰ処理の場合と同様に、鋳造組織が消滅し、等軸晶へと変化していることが確認できる。さらに、組織（結晶）の微細化が進み、この場合の平均結晶粒径は、５．０μｍであった。図５に示すように混合時間が１時間の場合と１０時間の場合とで、ＭＡ粒子の粒径には明瞭な差異があったが、ＦＳＰ後のミクロ組織に及ぼす影響は小さかった。これはＦＳＰ時の熱や塑性流動のエネルギーが極めて大きく、ある程度粗大な粒子でもＦＳＰ時に分解、攪拌されるためと推察される。

（ＳＥＭによる観察結果）
図８（Ｂ）の右図に示すように、ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰ処理部においては、組織（結晶）の粒界に１μｍ程度の粒径の化合物の存在が確認される。化合物は、図（写真）中の白色の部分として確認される。

また、図８（Ａ）の右図に示すように、混合時間１時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、組織（結晶）の粒界に１μｍ以下の粒径の微細な化合物の存在が確認される。これはＭＡ粒子の添加により攪拌領域のＡｌ濃度が高くなり、ＦＳＰ時に微細化合物が生成しやすい状況となったためと考えられる。また、この微細化合物が動的再結晶時に粒界をピン止めしたため、結晶粒が微細になったと推察される。

このように、ＭＡ粒子を添加しＦＳＰ処理を行うことで、ＭＡ粒子の成分を分散した合金層を形成することが可能であることが判明した。そして、この合金層（処理部）においては、ＭＡ粒子を添加しないＦＳＰ処理部より、微細な結晶粒をより均一に生成できていることが判明した。また、微細な結晶粒の粒界に、より多くの微細化合物が生成していることが判明した。

（時効処理後のＳＥＭによる観察結果およびビッカース硬さ）
図９に、時効処理後の試験片のＳＥＭによる観察結果（写真）を示す。なお、時効処理前のＳＥＭによる観察結果（写真）も併せて表示している。

図９の上段に示すように、ＭＡ粒子を添加していないＦＳＰ処理部を１時間時効処理した場合（１３％Ａｌ-１ｈ）時効処理前のもの（０ｈＡＡ）と比較し、結晶粒の内部で化合物が析出しており、３時間の時効処理した場合（３ｈＡＡ）は、化合物Ｃの析出がさらに進んでいる。但し、この場合においては、不連続析出が優先的に生じており、化合物の析出に偏り、つまり、化合物の析出が進んでいる部分とそうでない部分のばらつきが大きい。

これに対し、図９の下段に示すように、混合時間１時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部を１時間時効処理した場合（１ｈＡＡ）は、結晶粒の粒界で化合物が析出しており、３時間の時効処理した場合（３ｈＡＡ）において、結晶粒の内部で化合物が析出するものの、上段のものより、化合物の粒径は小さく、均一に析出している。

図１０に、時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す。縦軸は、ビッカース硬さ（Vickers Hardness、ＨＶ）であり、横軸は、時効処理時間（Aging time、時間（ｈ））である。

ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰ処理部の場合（Ａｓ ＦＳＰ）、時効処理時間の増加に伴い、ビッカース硬さが上昇している。しかしながら、混合時間１時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部の場合（１３％Ａｌ-１ｈＭＭ）、時効処理時間がいずれの場合も、先のもの（Ａｓ ＦＳＰ）よりビッカース硬さが大きい。また、この（１３％Ａｌ-１ｈＭＭ）においては、グラフの立ち上がりが急激であり、ビッカース硬さが一定（最高値）となるまでの時間が小さい。さらに、ビッカース硬さは、１時間の時効処理でも、８７ＨＶ程度となり、一般的な鋳造合金を時効処理した場合（溶体化処理＋時効処理（１７０℃で１６時間））のビッカース硬さである約８５ＨＶ（文献値）と同等またはそれ以上の良好な値を得ることができた。

このように、ビッカース硬さの最高値が大きく、また、この最高値を示すまでの時効処理時間が短縮されていることから、ＭＡ粒子の添加により、均一性が高く、高濃度のＡｌが取り込まれた状態（過飽和状態）を維持することで化合物の析出が促進されたと考えられる。

また、混合時間１０時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部について、上記と同様にビッカース硬さと時効処理時間の関係を調べた。その結果を、図１１に示す。図１１は、時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す図である。

混合時間１０時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部の場合（１３％Ａｌ-１０ｈＭＭ）、混合時間１時間のＭＡ粒子を取り込んだ場合（１３％Ａｌ-１ｈＭＭ）と同様に、良好なビッカース硬さの変化を示した。

（考察）
上記の通り、本実施例によれば、メカニカルアロイング処理によりＭＡ粒子を形成し、このＭＡ粒子を用いてＦＳＰを行うことにより、微細な化合物粒子の組織（結晶）の粒界への析出量を増加させ、また、組織（結晶）の微細化および均一性を図ることができた。また、時効処理において、微細な化合物粒子の均一性の高い析出を図ることができ、時効処理時間の短縮を図ることができた。

このようなＭＡ粒子を用いたＦＳＰについて次のように考察できる。図１２は、ＭＡ粒子を用いたＦＳＰを示す図である。図１２（Ａ）は、ＭＡ粒子を添加していない通常のＦＳＰを示し、図１２（Ｂ）は、ＭＡ粒子を添加したＦＳＰを示す。

図１２に示すように、ＭＡ法を用いることで、例えば、Ａｌを多量に含有したＭＡ粉末を形成することができる（図１２（Ｂ）第１段目参照）。実施例Ａにおいては、ＭＡ粉末中にＡｌ成分を１３質量％（固溶限界濃度以上）となる割合で有する。そして、ＦＳＰ時には、攪拌領域に、Ａｌ過飽和部もしくはＡｌ濃化部が多く形成される。即ち、ＦＳＰ時に、Ａｌ過飽和部もしくはＡｌ濃化部が多数分散した領域ＳＳを形成することで（図１２（Ｂ）第２段目参照）、化合物の析出を促進すると推察される（図１２（Ｂ）第３段目参照）。さらに、粉末添加に伴うひずみの導入により動的再結晶時に再結晶粒の核生成が促進されることで、微細な結晶が得られたと推察される。

このような現象を可能としたのは、Ｍｇ粉末と析出相の主構成元素（溶質元素）であるＡｌ粉末を、ＭＡ法により強制混合し、溶質元素を著しく過飽和に固溶させた、もしくは微細な化合物として存在するような状態のＭＡ粉末を用いた点にもあると考えられる。ＭｇにＡｌを過飽和させた粒子を“過飽和粒子ＳＰ”で示す（図１２（Ｂ）第１段目参照）。

このようなＭＡ粒子をＦＳＰを用いて材料中に分散させることにより、攪拌領域では鋳造法などの一般的な材料作製では実現困難なレベルの著しく高い溶質濃度部を多数形成することが可能となる。これにより、著しく高い溶質濃度の固溶体よりなる合金部を多数形成することができる。そして、溶質濃度が著しく高い状態では、自由エネルギーが高く、短時間の時効処理によってそのエネルギーを駆動力とした瞬間的な化合物生成を実現できる。

よって、図１２（Ａ）に示すように、通常のＦＳＰによれば、処理部（ＭＡＬ）において、化合物の析出量が少なく（図１２（Ａ）第３段目参照）、また、溶質濃度が低いため、時効処理を施しても、核生成が少なく、また、少ない核より化合物が成長するため、化合物の析出部が偏る（図１２（Ａ）第４段目参照）。これに対し、図１２（Ｂ）に示すように、本実施例においては、過飽和粒子ＳＰによりＡｌ過飽和部もしくはＡｌ濃化部が多数分散した領域ＳＳが形成され、結晶粒界における析出相の生成と、時効処理による急激な化合物の生成が生じる。これにより、短時間の処理で、微細な強化析出物を生成させ、合金層を強化することができたと考えられる。

（実施例Ｂ）
実施例Ａの「メカニカルアロイング粒子の形成」において、Ａｌ粉末の添加量を、Ｍｇ粉末とＡｌ粉末との合計量に対し、３２質量％とし、同様のメカニカルアロイング処理により混合粒子（ＭＡ粒子）を得た。次いで、実施例Ａの場合と同様にして、試験片の溝にＭＡ粉末を充填しＦＳＰを行った。さらに、実施例Ａの場合と同様にして、ＦＳＰを行った各試験片に対し、時効処理（熱処理）を施した。

（結果）
図１３に、ＭＡ粒子のＳＥＭ観察結果（写真）を示す。ＭＡ粒子（Ｍｇ－３２％Ａｌ粉末）をＳＥＭ観察したところ、混合時間（ミリング時間）１時間のＭＡ粒子は、粒径が２０～８０μｍ程度であった。これに対し、混合時間５時間のＭＡ粒子は、粒径が小さく、ばらつきも少なかった。また、混合時間１０時間のＭＡ粒子は、さらに、粒径が小さかった。

図１４に、ＭＡ粒子のＸ線回折結果（グラフ）を示す。このＭＡ粒子においては、混合時間が、１時間の段階で、Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂の回折ピークが現れている。また、混合時間が、１時間、５時間、１０時間と増加するにしたがって、Ａｌの回折ピークが減少しており、化合物（Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂）の回折ピークが増大している。

図１５に、試験片の断面（写真）を示す。ＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ処理部においては、上記実施例Ａにおいて図７（Ｂ）を参照しながら説明した欠陥（穴）を生じることなく、ＭＡ粒子を処理部に添加することができた。

図１６に、試験片の光学顕微鏡による観察結果（写真）を示し、図１７に、試験片のＳＥＭによる観察結果（写真）を示す。図１６（Ａ）は、混合時間１時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ場合、図１６（Ｂ）は、混合時間１０時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ場合を示す。図１７は、混合時間１時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ場合を示す。

ＭＡ粒子（Ｍｇ－３２％Ａｌ粉末）を取り込んだ場合では、図１６（Ａ）および図１６（Ｂ）のいずれの場合も、微細な化合物が多量に生成している状況が確認される。そして、混合時間に起因して断面の明瞭な差異は確認されない。

また、図１７の混合時間１時間のＭＡ粒子をＦＳＰにより取り込んだ場合のＳＥＭ写真においては、２～３μｍ程度の化合物が多量に存在する状況が確認される。ＭＡ粒子（Ｍｇ－３２％Ａｌ粉末）において、Ａｌ濃度はＭｇ－Ａｌ二元系平衡状態図におけるＭｇの固溶体とＭｇ₁₇Ａｌ₁₂の共晶濃度近傍であることから、Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂が多量に生成したと推察される。即ち、前述の図１２（Ｂ）第３段目の段階で、多量の化合物が得られていると考えられる。

図１８に、時効処理後の試験片のビッカース硬さと時効処理時間の関係を示す。図１８に示すように、混合時間１時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部（３２％Ａｌ-１ｈＭＭ）および混合時間１０時間のＭＡ粒子を取り込んだＦＳＰ処理部（３２％Ａｌ-１０ｈＭＭ）は、時効処理を施す前からビッカース硬さが高く１１５ＨＶ程度を維持している。また、時効処理を１８時間施した場合、ビッカース硬さは１１８ＨＶ程度であった。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態および実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、ボールミルのボールは、鋼製の他、セラミック製のものを用いてもよい。また、図２に示す処理においては、金属部材ＭＰに溝Ｔを形成したが、溝の形成を省略してもよい。また、図２に示す処理においては、ライン状の処理を施したが、例えば、ライン状の処理を繰り返すことによって、金属部材ＭＰの表面部全体に合金層を設けてもよい。また、金属部材ＭＰの表面のみならず、側面や底面にも処理を施してもよい。

特に、本実施の形態は、第１金属に固溶する第２金属であり、第１金属と第２金属の化合物の析出により、その特性が向上する合金層の形成に、有効に適用することができる。例えば、Ｍｇに固溶し、時効硬化性を有する元素としては、上記Ａｌの他、Ｚｎ、ＭｎやＣｅ、Ｙなどの希土類元素（Rare-Earth）などが挙げられる。

また、上記実施の形態においては、第１金属としてＭｇを、第２金属としてＡｌを例に、合金層の高強度化を図ったが、難燃性や耐食性の向上などといった他の性質改善を行ってもよい。また、第２金属として多種の金属を添加してもよい。

例えば、第１金属をＭｇと、第２金属をＣａとすることで、合金層の難燃性を向上させることが期待できる。また、第１金属をＭｇと、第２金属をＺｎまたはＭｎとすることで、合金層の耐食性の向上も可能と思われる。

本発明は、合金部材および合金部材の製造方法に適用して有効である。

Ｃ 化合物
ＭＡＬ 合金層（処理部）
ＭＡＬ１ 合金層（処理部）
ＭＡＬ２ 合金層（処理部）
ＭＡＰ ＭＡ粒子
ＭＰ 金属部材
ＭＵ 本体部
ＲＴ 回転ツール
ＳＰ 過飽和粒子
ＳＳ Ａｌ過飽和部もしくはＡｌ濃化部が多数分散した領域
Ｔ 溝
ＴＳ 先端部

Claims (24)

1. メカニカルアロイング処理粒子を摩擦攪拌処理した合金層を有する合金部材であって、
   前記メカニカルアロイング処理粒子は、第１金属よりなる粒子と第２金属よりなる粒子とをメカニカルアロイング処理した混合粒子（ただし、ホウ素含有マグネシウム複合材料を除く）であり、
   前記合金層は、前記第１金属および前記第２金属を含む合金層であって、含まれる結晶の平均結晶粒径が６．３μｍ以下である、合金部材。
2. 請求項１記載の合金部材において、
   前記混合粒子は、前記第１金属に前記第２金属が固溶している粒子を含む、合金部材。
3. 請求項２記載の合金部材において、
   前記混合粒子は、前記第１金属に前記第２金属が過飽和固溶している粒子を含む、合金部材。
4. 請求項２記載の合金部材において、
   前記混合粒子は、前記第１金属と前記第２金属の化合物粒子を含む、合金部材。
5. 請求項３記載の合金部材において、
   前記合金層は、前記第１金属または前記第１金属の合金よりなる金属部材の表面および内部に形成されている、合金部材。
6. 請求項３記載の合金部材において、
   前記合金層は、前記第１金属と前記第２金属の合金結晶および前記第１金属と前記第２金属の化合物結晶を含む、合金部材。
7. 請求項６記載の合金部材において、
   前記化合物結晶は、前記合金結晶の粒界に含まれている、合金部材。
8. 請求項１記載の合金部材において、
   前記第１金属は、Ｍｇであり、前記第２金属は、Ａｌである、合金部材。
9. 請求項８記載の合金部材において、
   前記混合粒子は、Ａｌ成分を１３質量％以上となる割合で有する、合金部材。
10. 請求項８記載の合金部材において、
    前記混合粒子は、Ａｌ成分を１３質量％以上３２質量％以下となる割合で有する、合金部材。
11. （ａ）第１金属よりなる粒子と第２金属よりなる粒子とにメカニカルアロイング処理を施し、混合粒子（ただし、ホウ素含有マグネシウム複合材料を除く）を形成する工程、
    （ｂ）金属部材上に、前記混合粒子を配置し、前記混合粒子および前記金属部材に回転ツールを接触させ、前記金属部材の表面部および前記混合粒子を摩擦熱と塑性流動により攪拌することにより、前記第１金属および前記第２金属を含む合金層を前記金属部材の表面および内部に形成する工程、
    を有する、合金部材の製造方法。
12. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記金属部材の表面部の前記合金層に、熱処理を施す工程、を有する、合金部材の製造方法。
13. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    前記（ｂ）工程は、前記金属部材に設けられた溝に前記混合粒子を充填した後、前記回転ツールの先端部を前記溝に差し込んだ状態で行われる、合金部材の製造方法。
14. 請求項１３記載の合金部材の製造方法において、
    前記（ｂ）工程は、
    （ｂ１）前記先端部を前記溝に沿って処理する第１処理工程と、
    （ｂ２）前記（ｂ１）工程の後、前記先端部を前記溝に沿って処理する第２処理工程と、を有し、
    前記（ｂ１）工程は、前記（ｂ２）工程より前記先端部の長さが短い前記回転ツールを用いて行われる、合金部材の製造方法。
15. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    前記混合粒子は、前記第１金属に前記第２金属が固溶している粒子を含む、合金部材の製造方法。
16. 請求項１５記載の合金部材の製造方法において、
    前記混合粒子は、前記第１金属に前記第２金属が過飽和している粒子を含む、合金部材の製造方法。
17. 請求項１５記載の合金部材の製造方法において、
    前記混合粒子は、前記第１金属と前記第２金属の化合物粒子を含む、合金部材の製造方法。
18. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    前記（ｂ）工程は、前記第１金属または前記第１金属の合金よりなる金属部材上に、前記混合粒子を配置して行われる、合金部材の製造方法。
19. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    前記合金層は、前記第１金属と前記第２金属の合金結晶および前記第１金属と前記第２金属の化合物結晶を含む、合金部材の製造方法。
20. 請求項１９記載の合金部材の製造方法において、
    前記化合物結晶は、前記合金結晶の粒界に含まれている、合金部材の製造方法。
21. 請求項１１記載の合金部材の製造方法において、
    前記第１金属は、Ｍｇであり、前記第２金属は、Ａｌである、合金部材の製造方法。
22. 請求項２１記載の合金部材の製造方法において、
    前記（ａ）工程は、Ｍｇ粒子とＡｌ粒子を、前記Ａｌ粒子が１３質量％以上となる割合で混合される、合金部材の製造方法。
23. 請求項２１記載の合金部材の製造方法において、
    前記（ａ）工程は、Ｍｇ粒子とＡｌ粒子を、前記Ａｌ粒子が１３質量％以上３２質量％以下となる割合で混合される、合金部材の製造方法。
24. 請求項１９記載の合金部材の製造方法において、
    前記合金層は、ＭｇとＡｌの化合物結晶を含み、その粒径は、３μｍ以下である、合金部材の製造方法。

Images