JP7315941B2

JP7315941B2 - 粉末材料、及びマグネシウム合金部材の製造方法

Info

Publication number: JP7315941B2
Application number: JP2018188514A
Authority: JP
Inventors: 賢治伊達; 拓岩岡
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2018-10-03
Filing date: 2018-10-03
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: JP2020056085A

Description

本発明は、マグネシウム合金部材、粉末材料、及びマグネシウム合金部材の製造方法に関する。

マグネシウム合金は、実用的な金属材料の中では最軽量であり、軽量化のための比強度及び比剛性に優れている。また、マグネシウム合金の機能として、振動吸収性及び放熱性が挙げられる。したがって、マグネシウム合金から構成される部材（マグネシウム合金部材）は、様々な工業製品に用いられる。

マグネシウム合金部材の製造方法としては、鋳造法又は粉末冶金法が知られている。鋳造法では、溶融したマグネシウム合金が金型へ充填され、マグネシウム合金部材の用途に応じた形状に成形される。成形されたマグネシウム合金の冷却及び凝固によって、マグネシウム合金部材が得られる。しかし、溶融したマグネシウム合金が十分な流動性を有していなかったり、溶融したマグネシウム合金が金型へ焼き付いたり、マグネシウム合金の凝固に伴ってマグネシウム合金が脆くなったりする。

一方、粉末冶金法では、マグネシウム合金を含む粉末材料から成形体が作製される。この成形体を焼結することにより、マグネシウム合金部材が得られる。例えば、下記特許文献１に記載の粉末冶金法では、放電プラズマ焼結（ＳｐａｒｋＰｌａｓｍａＳｉｎｔｅｒｉｎｇ)によって、粉末材料の成形体が焼結される。粉末冶金法では、成形及び焼結の過程において粉末材料が完全に溶融することはないので、鋳造法に伴う上記問題が起き難い。

特開２０１４‐２３１６３８号公報

マグネシウムが有する過度の化学的活性（反応性）を抑制するために、アルミニウム及びカルシウムがマグネシウム合金に添加される。このようなマグネシウム合金は、難燃性マグネシウム合金と呼ばれる。しかし、マグネシウム合金がアルミニウム及びカルシウムを含む場合、粉末冶金法によって製造されたマグネシウム合金部材は十分な機械的強度を有していない。

本発明は、機械的強度に優れたマグネシウム合金部材、マグネシウム合金部材の製造方法、及びマグネシウム合金部材の原料に適した粉末材料を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るマグネシウム合金部材は、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物とを含み、金属間化合物が、カルシウム及びスズを含む。

マグネシウム合金部材は、互いに結合された複数の合金粒子を備えてよく、合金粒子が、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物とを含んでよい。

金属間化合物が、上記合金粒子の内部において分散していてよい。

本発明の一側面に係る粉末材料は、マグネシウム合金を含む第一粉末と、スズを含む第二粉末と、を備え、マグネシウム合金が、マグネシウム、アルミニウム、及びカルシウムを含む。

本発明の一側面に係る粉末材料において、第一粉末の粒径が、第二粉末の粒径よりも大きくてよい。

本発明の一側面に係るマグネシウム合金部材の製造方法は、粉末材料を加熱しながら加圧することにより、成形体を得る成形工程と、成形体を焼結する焼結工程と、を備え、粉末材料が、マグネシウム合金を含む第一粉末と、スズを含む第二粉末と、を有し、マグネシウム合金が、マグネシウム、アルミニウム、及びカルシウムを含み、成形体が、スズを含む結晶、並びに、マグネシウム及びスズを含む共晶のうち、少なくともいずれかを有する。

本発明の一側面に係るマグネシウム合金部材の製造方法において、第一粉末の粒径が、第二粉末の粒径よりも大きくてよい。

本発明によれば、機械的強度に優れたマグネシウム合金部材、マグネシウム合金部材の製造方法、及びマグネシウム合金部材の原料に適した粉末材料が提供される。

図１中のａは、本発明の一実施形態に係る粉末材料の模式的な断面図であり、図１中のｂは、本発明の一実施形態に係る成形体に含まれる合金粒子及び第二相の模式的な断面図であり、図１中のｃは、本発明の一実施形態に係るマグネシウム合金部材に含まれる合金粒子の模式的な断面図である。図２中のａ、図２中のｂ、及び図２中のｃは、本発明の実施例１の粉末材料に含まれる第一粉末の断面の画像である。図３中のａは、本発明の実施例１の成形体の断面の画像であり、図３中のｂは、比較例１の成形体の断面の画像である。図４中のａは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面の画像であり、図４中のｂは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面の画像である。図５中のａは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面の二次電子像であり、図５中のｂは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面におけるアルミニウムの分布像であり、図５中のｃは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面におけるカルシウムの分布像であり、図５中のｄは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面におけるマグネシウムの分布像であり、図５中のｅは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面における酸素の分布像であり、図５中のｆは、実施例１のマグネシウム合金部材の断面におけるスズの分布像である。図６中のａは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面の二次電子像であり、図６中のｂは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面におけるアルミニウムの分布像であり、図６中のｃは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面におけるカルシウムの分布像であり、図６中のｄは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面におけるマグネシウムの分布像であり、図５中のｅは、比較例１のマグネシウム合金部材の断面における酸素の分布像である。図７中のａは、実施例１のマグネシウム合金部材に含まれる合金粒子の断面の画像であり、図７中のｂは、図７中のａにおける領域７ｂの画像である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について説明する。図面において、同等の構成要素には同等の符号を付す。本発明は下記実施形態に限定されるものではない。

本実施形態に係る粉末材料は、マグネシウム合金を含む第一粉末と、スズ（Ｓｎ）を含む第二粉末と、を備える。マグネシウム合金は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びカルシウム（Ｃａ）を含む。以下では、第一粉末を構成する粒子は、第一粒子と表記される。第二粉末を構成する粒子は、第二粒子と表記される。下記の通り、粉末材料は、マグネシウム合金部材の原料に用いられてよい。

本実施形態に係るマグネシウム合金部材の製造方法は、少なくとも成形工程と焼結工程とを備える。

成形工程では、上記の粉末材料を加熱しながら加圧することにより、成形体が得られる。上記の粉末材料の加熱及び加圧により、第一粒子の塑性変形が起こる。第一粒子の塑性変形により、第一粒子の表面に形成された酸化被膜（例えばＭｇＯ膜）が破壊され、第一粒子内のマグネシウム合金が露出する。その結果、酸化被膜ではなく、露出したマグネシウム合金表面同士が接触する。換言すれば、マグネシウム合金を介した第一粒子間の接触面積が増加する。その結果、第一粒子同士が強固に結合される。

成形工程における粉末材料の加熱により、第二粉末に由来するスズから、スズを含む液相が生成する。または、粉末材料の加熱により、第一粉末に由来するマグネシウムと、第二粉末に由来するスズとから、マグネシウム及びスズを含む液相が生成する。換言すれば、マグネシウム及びスズを含む共晶の融液が生成する。スズを含む液相と共晶の融液の両方が生成してよい。これらの液相を介することにより、第一粒子同士が強固に結合される。以下では、マグネシウム及びスズを含む共晶が、ＭｇＳｎ系共晶と表記される。

上記の液相の生成後、粉末材料が冷却されることにより、スズを含む結晶、及びＭｇＳｎ系共晶のうち一方又は両方が、第一粒子の間に形成される。つまり、成形工程によって得られる成形体は、スズを含む結晶及びＭｇＳｎ系共晶のうち一方又は両方を含む。ＭｇＳｎ系共晶は、例えば、Ｍｇ_２Ｓｎであってよい。

焼結工程では、成形体を加熱して焼結することにより、焼結体（マグネシウム合金部材）が得られる。成形体の加熱により、マグネシウム合金を介して接触した第一粒子間での物質移動が促進される。つまり、第一粒子間の固相拡散が促進される。その結果、焼結体の冷却に伴って第一粒子同士が更に強固に結合され、焼結体の機械的強度が向上する。また成形体の加熱により、Ｓｎを含む結晶及びＭｇＳｎ系共晶が溶融して、液相が生成する。そして、液相を介した第一粒子間での物質移動が促進される。その結果、焼結体の冷却に伴って第一粒子同士が更に強固に結合され、焼結体（マグネシウム合金部材）の機械的強度が向上する。

仮に粉末材料が、スズを含む第二粉末を備えていない場合、焼結工程において第一粉末中のアルミニウム及びカルシウムが反応し易い。その結果、アルミニウム及びカルシウムを含む金属間化合物が第一粒子内又は粒界において形成され易い。以下では、アルミニウム及びカルシウムを含む金属間化合物が、ＡｌＣａ系化合物と表記される。ＡｌＣａ系化合物は、例えば、Ａｌ_２Ｃａであってよい。ＡｌＣａ系化合物は第一粒子の間において成長し易いため、粗大なＡｌＣａ系化合物が焼結体中の粒界において形成され易い。また焼結温度の増加に伴い、ＡｌＣａ系化合物が粗大化し易い。粗大なＡｌＣａ系化合物が粒界に位置することにより、第一粒子間の界面が脆化する。その結果、焼結工程によって得られる焼結体（マグネシウム合金部材）の機械的強度が損なわれてしまう。例えば、マグネシウム合金部材中の粒界に粗大な金属間化合物が形成されていることにより、マグネシウム合金部材の延性が損なわれ、マグネシウム合金部材の降伏の直後にマグネシウム合金部材が一挙に破断してしまう。

一方、本実施形態に係る粉末材料は、スズを含む第二粉末を備えているので、焼結工程において、第二粉末に由来するスズが上記液相から第一粒子内へ移動して、スズがカルシウムと反応する。その結果、カルシウム及びスズを含む金属間化合物が第一粒子内に形成される。カルシウム及びスズを含む金属間化合物は、例えば、Ｃａ_２Ｓｎであってよい。以下では、カルシウム及びスズを含む金属間化合物が、ＣａＳｎ系化合物と表記される。

ＣａＳｎ系化合物は、ＡｌＣａ系化合物よりも化学的に安定である。換言すれば、ＣａＳｎ系化合物の生成エンタルピー（ΔＨ_ｆ）は、ＡｌＣａ系化合物の生成エンタルピーよりも小さく、ＣａＳｎ系化合物の融点は、ＡｌＣａ系化合物の融点よりも高い。例えば、Ｃａ_２Ｓｎの生成エンタルピーは、－５８ｋＪ／ｍоｌであり、Ａｌ_２Ｃａの生成エンタルピーは－３５ｋＪ／ｍоｌである。Ｃａ_２Ｓｎの融点は、１１３５℃であり、Ａｌ_２Ｃａの融点は、１０７９℃である。

上記の通り、ＣａＳｎ系化合物はＡｌＣａ系化合物よりも化学的に安定であるので、ＣａＳｎ系化合物はＡｌＣａ系化合物よりも形成され易い。したがって、第一粒子内でのスズ及びカルシウムの反応によって、アルミニウム及びカルシウムの反応が抑制される。換言すれば、第一粒子内でのＣａＳｎ系化合物の形成によって、粒界におけるＡｌＣａ系化合物の形成及び粗大化が抑制される。ＡｌＣａ系化合物とは対照的に、ＣａＳｎ系化合物が第一粒子中で形成された後、ＣａＳｎ系化合物は粒界において凝集し難く、粗大化し難い。したがって、第一粒子同士の結合は、ＣａＳｎ系化合物によって阻害され難い。ただし、第一粒子同士の結合が阻害されない限りにおいて、一部のＣａＳｎ系化合物が粒界に形成されていてよい。

上記の製造方法によって得られたマグネシウム合金部材は、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物とを含む。金属間化合物はカルシウム及びスズを含む。上記のメカニズムにより、本実施形態に係るマグネシウム合金部材は、ＣａＳｎ系化合物を含まないマグネシウム合金部材に比べて高い機械的強度を有することができる。例えば、本実施形態に係るマグネシウム合金部材は延性に優れており、高い引張強度を有することができる。ただし、本発明の技術的範囲は、粉末材料からマグネシウム合金部材が形成される上記のメカニズムによって限定されるものではない。

粉末材料の模式的な断面は、図１中のａに示される。粉末材料から形成された成形体の模式的な断面は、図１中のｂに示される。第一粒子１の間に介在する第二粒子２は、成形工程において溶融することにより、第一粒子１の間に介在する第二相２ａになる。つまり第二相２ａは、第二粒子２に由来し、スズを含む。第二相２ａは、スズを含む結晶を含んでよい。第二相２ａは、スズのみからなる結晶を含んでよい。成形体中の第二相２ａに位置する結晶は、スズに加えて、他の元素を更に含んでよい。例えば、成形体中の第二相２ａに位置する結晶は、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉛（Ｐｂ）、カドミウム（Ｃｄ）、タリウム（Ｔｌ）、セレン（Ｓｅ）、ビスマス（Ｂｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を更に含んでよい。第一粒子１と第二相２ａとの界面においては、第一粒子１中のＭｇと第二相２ａ中のＳｎとの反応により、ＭｇＳｎ系共晶が形成されていてよい。ＭｇＳｎ系共晶は、Ｍｇ及びＳｎのみからなっていてよい。ＭｇＳｎ系共晶は、Ｍｇ及びＳｎに加えて、他の元素を更に含んでよい。例えば、ＭｇＳｎ系共晶は、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｂｉ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を更に含んでよい。

成形体から得られたマグネシウム合金部材の模式的な断面は、図１中のｃに示される。マグネシウム合金部材は、互いに結合された複数の合金粒子１ａを備えてよい。各合金粒子１ａは、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物３とを含んでよい。金属間化合物３は、ＣａＳｎ系化合物である。合金粒子１ａとは、成形工程及び焼結工程を得た第一粒子１と言い換えられてよい。金属間化合物３が、個々の合金粒子１ａの内部において分散していてよい。複数の微細なＣａＳｎ系化合物が合金粒子１ａ中に分散することにより、合金粒子１ａの粒界４におけるＡｌＣａ系化合物の形成及び粗大化が抑制され易い。その結果、マグネシウム合金部材の機械的強度が向上し易い。同様の理由から、金属間化合物３（ＣａＳｎ系化合物）が、マグネシウム合金部材の内部全体において分散していてよい。

ＣａＳｎ系化合物は、Ｃａ及びＳｎのみからなっていてよい。ＣａＳｎ系化合物は、Ｃａ及びＳｎに加えて、他の元素を更に含んでもよい。例えば、ＣａＳｎ系化合物は、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｂｉ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を更に含んでよい。マグネシウム合金部材におけるＣａＳｎ系化合物の含有量は、例えば、０．０５体積％以上２体積％以下であってよい。ＣａＳｎ系化合物の含有量が上記範囲内であることにより、マグネシウム合金部材の機械的強度が向上し易い。ＣａＳｎ系化合物は、Ｃａ_２Ｓｎ及びＣａＭｇＳｎのうち少なくともいずれであってよい。ＡｌＣａ系化合物の生成及び粗大化が抑制され易いことから、ＣａＳｎ系化合物の少なくとも一部は、Ｃａ_２Ｓｎであることが好ましい。マグネシウム合金部材含まれる金属間化合物は、ＣａＳｎ系化合物のみであってよい。マグネシウム合金部材は、ＣａＳｎ系化合物に加えて、他の金属間化合物を含んでよい。例えば、マグネシウム合金部材は、Ｍｇ_２Ｃａ及びＭｇ_２Ｓｎのうち少なくとも一種の金属間化合物を更に含んでよい。マグネシウム合金部材は、ＡｌＣａ系化合物を全く含まないことが好ましい。ただし、マグネシウム合金部材の機械的強度が損なわれない限りにおいて、マグネシウム合金部材が微量のＡｌＣａ系化合物を含んでもよい。

マグネシウム合金部材の寸法及び形状は、マグネシウム合金部材の用途に依るので、特に限定されない。マグネシウム合金部材の用途も限定されない。例えば、マグネシウム合金部材は、自動車、航空機及び宇宙船等の輸送機器の材料として用いられてよい。マグネシウム合金部材は、スマートフォン、ノートパソコン、ハードディスクドライブ、一眼レフカメラ及びＬＥＤランプ等の電子機器又は精密機器の材料として用いられてもよい。マグネシウム合金部材は、杖及び車椅子等の福祉用具の材料として用いられてもよい。

上述の通り、第一粉末に含まれるマグネシウム合金は、少なくとも、Ｍｇ、Ａｌ、及Ｃａを含む。第一粉末に含まれるマグネシウム合金は、Ｍｇ、Ａｌ、及びＣａのみからなっていてよい。第一粉末に含まれるマグネシウム合金は、上記の必須元素に加えて、他の元素を更に含んでよい。例えば、マグネシウム合金は、亜鉛（Ｚｎ）、マンガン（Ｍｎ）、珪素（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、リチウム（Ｌｉ）、銀（Ａｇ）及び希土類元素からなる群より選ばれる少なくとも一種の元素を更に含んでよい。希土類元素は、例えば、イットリウム（Ｙ）であってよい。第一粉末は、マグネシウム合金のみからなっていてよい。マグネシウム合金は、難燃性のマグネシウム合金であってよい。難燃性のマグネシウム合金は、例えば、Ｍｇ、Ａｌ、Ｚｎ及びＣａを含むＡＺＸ９１２であってよい。難燃性のマグネシウム合金は、例えば、Ｍｇ、Ａｌ、Ｍｎ及びＣａを含むＡＭＸ６０２であってよい。ＡＺＸ９１２及びＡＭＸ６０２のいずれも、ＡＳＴＭ規格に基づく表記である。マグネシウム合金におけるＭｇの含有量は、７５質量％以上１００質量％未満であってよい。マグネシウムの過度の化学的活性を抑制し易いことから、マグネシウム合金におけるＡｌの含有量は、０質量％よりも大きく１２質量％以下であってよい。マグネシウムの過度の化学的活性を抑制し易いことから、マグネシウム合金におけるＣａの含有量は、０質量％よりも大きく１２質量％以下であってよい。第一粉末は、エアアトマイズ法又はガスアトマイズ法を用いてマグネシウム合金を粉化することによって作製されてよい。

第二粉末に含まれるスズは、成形工程において、Ｍｇと共に共晶を形成する元素である。第二粉末は、Ｓｎのみからなっていてよい。第二粉末は、Ｓｎに加えて、Ｍｇと共に共晶を形成し得る他の元素を更に含んでよい。例えば、第二粉末は、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｃｄ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｂｉ及びＡｌからなる群より選ばれる少なくとも一種の添加元素を更に含んでよい。Ｍｇの融点と添加元素の融点との間に、Ｍｇ及び添加元素の共融点があることにより、Ｍｇ、Ｓｎ及び添加元素を含む共晶が成形体中に形成され易い。このような融点の条件を満たす添加元素は、例えば、Ｐｂ、Ｔｌ及びＢｉである。第二粉末におけるＳｎの含有量は、例えば、５０質量％以上１００質量％以下であってよい。第二粉末は、焼結工程において焼結助剤として機能する。第二粉末は、エアアトマイズ法又はガスアトマイズ法を用いてＳｎ単体又はＳｎ合金を粉化することによって作製されてよい。

第一粉末の粒径は、第二粉末の粒径よりも大きくてよい。第一粉末の粒径が第二粉末の粒径よりも大きいことにより、第二粉末が第一粉末内に分散し易く、金属間化合物（ＣａＳｎ系化合物）が、合金粒子内及びマグネシウム合金部材内において分散し易い。同様の理由から、第一粉末のメジアン径が、第二粉末のメジアン径よりも大きくてよく、第一粉末の算術平均径が、第二粉末の算術平均径よりも大きくてもよい。各粉末のメジアン径（ｄ５０）及び算術平均径は、各粉末の個数、長さ、面積又は体積を基準とする粒度分布に基づいて算出されてよい。第一粉末のメジアン径がＤ１と表わされ、第二粉末のメジアン径がＤ２と表わされ、Ｄ１／Ｄ２が、３以上２０以下であってよい。Ｄ１／Ｄ２が上記範囲内である場合、第二粉末が第一粉末内に分散し易く、金属間化合物（ＣａＳｎ系化合物）が、合金粒子内及びマグネシウム合金部材内において分散し易い。第一粉末のメジアン径Ｄ１は、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下であってよい。第二粉末のメジアン径Ｄ２は、例えば、１μｍ以上６５μｍ以下であってよい。第一粉末及び第二粉末其々の粒径は、例えば、レーザー回折散乱法、動的光散乱法、沈降法、又はコールター（Ｃｏｕｌｔｅｒ）法によって測定されてよい。第一粉末を構成する第一粒子は、例えば球状であってよい。ただし、第一粒子の形状は球状に限定されない。第二粉末を構成する第二粒子は、例えば球状であってよい。ただし、第二粒子の形状は球状に限定されない。

ＣａＳｎ系化合物が、合金粒子内及びマグネシウム合金部材内において分散し易いことから、粉末材料中において第一粉末及び第二粉末は均一に混合されていることが好ましい。

粉末材料における第一粉末の割合は、８０体積％以上９９．９体積％以下、又は９７体積％以上９９体積％以下であってよい。粉末材料における第二粉末の割合は、０．１体積％以上２０体積％以下、又は１体積％以上３体積％以下であってよい。粉末材料における第二粉末の割合が上記の下限値以上である場合、ＣａＳｎ系化合物がマグネシウム合金部材内に形成され易く、ＣａＳｎ系化合物が合金粒子内及びマグネシウム合金部材内において分散し易い。粉末材料における第二粉末の割合が上記の上限値以下である場合、焼結工程において、第二相２ａ中のスズが第一粒子１のマグネシウム合金内へ拡散することによって、第二相２ａが消失し易い。その結果、マグネシウム合金部材内において合金粒子１ａ同士が密に結合され易い。

成形工程における粉末材料の温度は、スズを含む液相が粉末材料中に生成する温度以上であってよい。例えば、Ｓｎ単体の融点は約２３２℃である。成形工程における粉末材料の温度は、ＭｇＳｎ系共晶の融液が生成する粉末材料中に生成する温度以上であってもよい。例えば、Ｍｇ及びＳｎの共晶点（ｅｕｔｅｃｔｉｃｐｏｉｎｔ）は、約２０３℃である。成形工程における粉末材料の温度は、スズを含む結晶及びＭｇＳｎ系共晶の両方が成形体中に形成される温度であってもよい。以上の理由から、成形工程における粉末材料の温度は、例えば、１００℃以上３００℃以下、又は２００℃以上２５０℃以下であってよい。

成形工程において粉末材料へ加わる圧力は、例えば、４００ＭＰａ以上８００ＭＰａ以下であってよい。粉末材料へ加わる圧力が上記範囲内であることにより、第一粒子の塑性変形が起き易く、第一粒子同士が強固に且つ密に結合され易い。成形工程では、金型を用いて粉末材料を加圧してよい。成形体の寸法及び形状は、マグネシウム合金部材の用途に依るので、特に限定されない。

焼結工程における成形体の温度（焼結温度）は、例えば、５００℃以上６２０℃以下であってよい。成形体の焼結温度が上記の範囲内であることにより、成形体内の第一粒子同士が強固に結合し易く、且つＣａＳｎ系化合物が第一粒子中で生成し易く、成形体内におけるＡｌＣａ系化合物の生成及び粗大化が抑制され易い。成形体の温度が上記の焼結温度に維持される時間（焼結時間）は、例えば、０．５時間以上１０時間以下であってよい。焼結時間が上記の範囲内であることにより、成形体内の第一粒子同士が強固に結合し易く、且つＣａＳｎ系化合物が第一粒子中で生成し易く、ＡｌＣａ系化合物の生成及び粗大化が抑制され易い。

焼結工程では、非酸化的雰囲気中で成形体が焼結されてよい。非酸化的雰囲気は、例えば、アルゴン（Ａｒ）等の希ガスであってよい。

焼結工程では、成形体を加圧することなく成形体を焼結してよい。換言すれば、成形体を常圧で焼結してよく、焼結工程において成形体に加わる圧力は制御されなくてよい。焼結工程の前に行われる成形工程によって、成形体中の第一粒子が強固に且つ密に結合されている。したがって、焼結工程において成形体を型で加圧しなくても、機械的強度に優れた焼結体（マグネシウム合金部材）を得ることができる。型内への成形体の設置、及び型からの焼結体の取り出しが不要であるので、複数の成形体を連続焼成炉によって連続的に焼結することができる。その結果、マグネシウム部材を容易に量産することができる。ただし、成形体を型によって加圧しながら成形体を焼結してもよい。成形体を高圧のガスによって加圧しながら成形体を焼結してもよい。成形体をバッチ式の焼成炉によって焼結してもよい。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、成形体の焼結ではなく、成形体の熱間押出成形によって、マグネシウム合金部材が製造されてもよい。

以下では実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。

（実施例１）
ガスアトマイズ法を用いてＡＺＸ９１２のビレット（Ｂｉｌｌｅｔ）を粉化することにより、第一粉末を得た。ＡＺＸ９１２は、難燃性のマグネシウム合金の一種である。第一粉末におけるＡｌの含有量は、９．２２質量％であった。第一粉末におけるＣａの含有量は、１．９８質量％であった。第一粉末におけるＭｎの含有量は、０．１９質量％であった。第一粉末におけるＺｎの含有量は、０．７４質量％であった。第一粉末のうち、Ａｌ、Ｃａ、Ｍｎ及びＺｎが除かれた残部は、Ｍｇであった。第一粉末の粒径（ｄ５０）は、９２．６μｍであった。

第一粉末をエポキシ樹脂に包埋して、エポキシ樹脂を硬化した。硬化されたエポキシ樹脂の断面を研磨することにより、エポキシ樹脂の断面を鏡面に仕上げた。研磨には、０．２５μｍのダイヤモンドバフを用いた。エポキシ樹脂の鏡面を、エッチング液で腐食した。エッチング液としては、ピクリン酸及び酢酸の溶液を用いた。

以上の方法により、第一粉末を構成する複数の第一粒子の断面をエポキシ樹脂の鏡面において露出させた。第一粒子の断面の画像を光学顕微鏡によって撮影した。光学顕微鏡としては、株式会社ニコンインステック製のＥＰＩＰＨＯＴＴＭＥ３００を用いた。第一粒子の断面の画像は、図２中のａ、図２中のｂ、及び図２中のｃに示される。図２中のｃに示されるように、第一粒子は、微細なデンドライトの集合体であった。第一粒子の断面の組成を、走査型電子顕微鏡‐エネルギー分散型Ｘ線分光（ＳＥＭ‐ＥＤＳ）装置で分析した。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）としては、株式会社エリオニクス製のＥＲＡ‐８９００ＦＥを用いた。エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）装置としては、ＡＭＥＴＥＫ．Ｉｎｃ．製のＥＤＡＸＧｅｎｅｓｉｓを用いた。ＳＥＭ‐ＥＤＳによる分析の結果、デンドライトの界面においてＡｌ及びＣａ其々の濃度が高いことが分かった。

第二粉末として、Ｓｎからなる粉末を用いた。第二粉末の粒径は、４５μｍ以下であった。

第一粉末及び第二粉末を均一に混合することにより、実施例１の粉末材料を得た。粉末材料における第一粉末の含有量は、９９体積％（９６質量％）であった。粉末材料における第二粉末の含有量は、１体積％（４質量％）であった。

成形工程では、粉末材料を金型内へ充填した。金型としては、ハイス鋼（ＳＫＨ５１）からなる型を用いた。金型内の粉末材料を加熱しながら加圧することによって、実施例１の成形体を得た。加熱には、バンドヒーターを用いた。成形装置としては、株式会社島津製作所製の万能試験機（ＵＥＨ‐５０）を用いた。成形工程における粉末材料の温度は、２００℃であった。成形工程において粉末材料へ加えた圧力は、５００ＭＰａであった。

成形体から切り出された試料をエポキシ樹脂に包埋した。そして上記の方法により、成形体の断面をエポキシ樹脂の鏡面において露出させた。成形体の断面の画像を上記の光学顕微鏡によって撮影した。実施例１の成形体の断面の画像は、図３中のａに示される。図３中のａに示されるように、複数の第一粒子１に囲まれた第二相２ａが成形体内に形成されていることが分かった。第二相２ａの組成を上記のＳＥＭ‐ＥＤＳによって分析した。分析の結果、第二相２ａの中央部２Ａは、Ｓｎを含む結晶であることが分かった。つまり第二相２ａは、Ｓｎからなる第二粒子に由来することが分かった。第二相２ａの周縁部２Ｂは、Ｍｇ及びＳｎを含む共晶である可能性が高いことが分かった。

焼結工程では、上記の方法で得られた成形体をアルゴンガスの気流中で焼結した。焼結温度は５００℃であった。焼結時間は３時間であった。

以上の方法により、実施例１の焼結体（マグネシウム合金部材）を得た。

焼結体から切り出された試料をエポキシ樹脂に包埋した。そして上記の方法により、焼結体の断面をエポキシ樹脂の鏡面において露出させた。

ＳＥＭによって撮影された焼結体の断面の画像は、図４中のａに示される。図４中のａにおいて黒い部分は、合金粒子（焼結後の第一粒子）に相当する。図４中のａにおいて白い部分は、金属間化合物に相当する。

焼結体の断面の組成を上記のＳＥＭ‐ＥＤＳによって分析した。ＳＥＭ‐ＥＤＳによる分析の結果は、図５中のａ～ｆに示される。これらの図の全ては、同じ断面を示している。図５中のａは、焼結体の断面の二次電子像である。図５中のｂは、焼結体の断面におけるアルミニウムの分布像である。図５中のｃは、焼結体の断面におけるカルシウムの分布像である。図５中のｄは、焼結体の断面におけるマグネシウムの分布像である。図５中のｅは、焼結体の断面における酸素の分布像である。図５中のｆは、焼結体の断面におけるスズの分布像である。図５中のｂ～ｆにおける白い部分が、各元素の位置を示している。

ＳＥＭ‐ＥＤＳによる分析の結果、Ｍｇ，Ａｌ、Ｃａ及びＳｎが焼結体に含まれることが確認された。図５中のｃに示される断面においてカルシウムは分散していた。図５中のｆに示される断面においてスズは分散していた。図５中のｃにおけるカルシウムの分布は、図５中のｆにおけるスズの分布とほぼ一致していた。これらの分析結果は、ＣａＳｎ系化合物が、焼結体の内部において分散していることを示している。

図５中のｂに示されるように、アルミニウムは焼結体内において偏在していなかった。図５中のｂにおけるアルミニウムの分布は、図５中のｃにおけるカルシウムの分布と一致していなかった。これらの分析結果は、粗大なＡｌＣａ系化合物が焼結体内の粒界に形成されていないことを示している。

集束イオンビーム（ＦＩＢ）によって加工された焼結体の断面を、走査型透過電子顕微鏡‐エネルギー分散型Ｘ線分光（ＳＴＥＭ‐ＥＤＸ）装置で分析した。走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）としては、日本電子株式会社製のＪＥＭ‐ＡＲＭ２００Ｆを用いた。エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）装置としては、日本電子株式会社製のＪＥＤ‐２３００Ｔを用いた。

ＳＴＥＭによって撮影された焼結体の断面の画像は、図７中のａに示される。図７中のａは、焼結体に含まれる一つの合金粒子の断面に相当する。図７中のａに示されるように、複数の微細相が合金粒子中に分散していることが分かった。図７中のｂは、図７中のａに示される領域７ｂに位置する微細相３の画像である。微細相３の長径は、約５００ｎｍであった。微細相３内に位置する測定点Ｘにおいて検出された元素は、下記表１に示される。測定点Ｘにおける各元素の含有量も、下記表１に示される。

表１に示されるように、測定点Ｘに含まれる主成分として、Ｍｇ、Ｃａ及びＳｎが検出された。一方、測定点ＸにおいてＡｌは殆ど検出されなかった。したがって、微細相３は、ＣａＳｎ系化合物であることが分かった。

（比較例１）
比較例１の粉末材料として、第一粉末のみを用いた。つまり比較例１では、第二粉末を用いなかった。比較例１の成形体の焼結温度は、５４０℃であった。これらの事項を除いて実施例１と同様の方法で、比較例１の成形体及び焼結体（マグネシウム合金部材）を作製した。

実施例１と同様の方法で、比較例１の成形体の断面を光学顕微鏡及びＳＥＭ‐ＥＤＳによって分析した。比較例１の成形体の断面の画像は、図３中のｂに示される。分析の結果、Ｓｎを含む結晶及びＳｎを含む共晶のいずれも、比較例１の成形体には含まれていないことを確認した。

実施例１と同様の方法で、比較例１の焼結体の断面をＳＥＭによって撮影した。比較例１の焼結体の断面の画像は、図４中のｂに示される。図４中のｂにおいてグレーの部分は、合金粒子（焼結後の第一粒子）に相当する。図４中のｂにおいて白い部分は、金属間化合物に相当する。

実施例１と同様の方法で、比較例１の焼結体の断面をＳＥＭ‐ＥＤＳによって分析した。ＳＥＭ‐ＥＤＳによる比較例１の分析の結果は、図６中のａ～ｅに示される。これらの図の全ては、同じ断面を示している。図６中のａは、焼結体の断面の二次電子像である。図６中のｂは、焼結体の断面におけるアルミニウムの分布像である。図６中のｃは、焼結体の断面におけるカルシウムの分布像である。図６中のｄは、焼結体の断面におけるマグネシウムの分布像である。図６中のｅは、焼結体の断面における酸素の分布像である。図６中のｂ～ｅにおける白い部分が、各元素の位置を示している。

図６中のａにおいて色が薄い部分は金属間化合物に相当する。図６中のａに示されるように、比較例１の焼結体は粗大な金属間化合物を含むことが分かった。図６中のｂにおけるアルミニウムの分布は、図６中のａにおける金属間化合物の分布とほぼ一致した。図６中のｃにおけるカルシウムの分布は、図６中のａにおける金属間化合物の分布とほぼ一致した。これらの分析結果から、比較例１の焼結体に含まれる粗大な金属間化合物は、ＡｌＣａ系化合物であることが分かった。

本発明に係るマグネシウム合金部材は、例えば、輸送機器、電子機器、精密機器、及び福祉用具等の材料に用いられる。

１…第一粒子、１ａ…合金粒子、２…第二粒子、２ａ…第二粒子に由来する第二相、３…金属間化合物（微細相）、４…粒界。

Claims

マグネシウム合金部材の原料に用いられる粉末材料であって、
マグネシウム合金を含む第一粉末と、スズを含む第二粉末と、を備え、
前記マグネシウム合金が、マグネシウム、アルミニウム、及びカルシウムを含み、
前記マグネシウム合金部材が、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物とを含み、
前記金属間化合物が、カルシウム及びスズを含み、
前記金属間化合物が、Ｃａ_２Ｓｎ及びＣａＭｇＳｎのうち少なくともいずれかである、
粉末材料。
前記第一粉末の粒径が、前記第二粉末の粒径よりも大きい、
請求項１に記載の粉末材料。
マグネシウム合金部材を製造する方法であって、
粉末材料を加熱しながら加圧することにより、成形体を得る成形工程と、
前記成形体を焼結する焼結工程と、
を備え、
前記粉末材料が、マグネシウム合金を含む第一粉末と、スズを含む第二粉末と、を有し、
前記マグネシウム合金が、マグネシウム、アルミニウム、及びカルシウムを含み、
前記成形体が、スズを含む結晶、並びに、マグネシウム及びスズを含む共晶のうち、少なくともいずれかを有し、
前記マグネシウム合金部材が、マグネシウムとアルミニウムと金属間化合物とを含み、
前記金属間化合物が、カルシウム及びスズを含み、
前記金属間化合物が、Ｃａ_２Ｓｎ及びＣａＭｇＳｎのうち少なくともいずれかである、
マグネシウム合金部材の製造方法。
前記第一粉末の粒径が、前記第二粉末の粒径よりも大きい、
請求項３に記載のマグネシウム合金部材の製造方法。