JPWO2003069001A1 - マグネシウム基複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

マグネシウム基複合材料は、マグネシウム合金素地中に、マグネシウムとの固相反応によって生成する化合物粒子を均一に分散させている。このマグネシウム基複合材料が、優れた強度、硬さおよび耐摩耗性を有しつつ、緩和された相手攻撃性を有するようにするために、素地中に分散する化合物粒子は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。

Description

技術分野
本発明は、優れた機械的特性および耐食性を有するマグネシウム基複合材料、及びその製造方法に関する。
背景技術
従来よりマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）粒子が分散したマグネシウム基複合材料に関する研究開発は、精力的に進められている。例えば、特開平６−８１０６８号公報は、高Ｓｉ含有のマグネシウム合金を半溶融状態で射出成形する際にマトリックスのＭｇとＳｉとの反応によってＭｇ_２Ｓｉを合成し、このＭｇ_２Ｓｉ粒子が分散したマグネシウム基複合材料の製造方法を開示している。
また、特開平８−４１５６４号公報は、鋳造法によって得られる、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子及びＳｉＣ粒子が分散したマグネシウム基複合材料を開示している。さらに、特開２０００−１７３５２号公報は、球状のＭｇ_２Ｓｉ粒子が分散したマグネシウム基複合材料、及びその鋳造法による製法を開示している。
しかしながら、上述のマグネシウム基複合材料に関する製造方法はいずれも、鋳造法又は含浸法などの溶解法を基調としている。即ち、これらの方法は、マトリックスを構成するマグネシウム又はマグネシウム合金を一旦溶解させた後に、凝固・固化する工程を経ている。このため、マトリックスのマグネシウムの結晶粒径およびＭｇ_２Ｓｉ粒子の粗大成長が観察され、且つこれによる強度・硬度等の機械的特性の低下が観察される。
また、上述の溶解法を基調とする製法は、それ自体、消費エネルギー増加、特にリサイクルを考慮した際の消費エネルギーの増加が避けられず、コスト面における課題を伴っていた。
これに対して本発明者らは、粉末冶金技術を用いて、マグネシウム（Ｍｇ）を有してなるマトリックス粉末とシリコン（Ｓｉ）粉末とを配合した混合粉末を圧粉成形し、これを管理された加熱雰囲気中でＭｇの融点未満の適切な固相温度域において加熱・保持することでＭｇとＳｉ粉末とを反応させて微細なＭｇ_２Ｓｉを生成してマトリックス中に分散させる方法を提案した。具体的には、平成１３年９月２５日に特願２００１−２９２１１７号として「マグネシウム基複合材料、マグネシウム基複合材料前駆体およびそれらの製造方法」を、および平成１３年９月２５日に特願２００１−２９２１１８号として「マグネシウム基複合材料、マグネシウム基複合材料前駆体およびそれらの製造方法」を特許出願した。これらの出願は、現時点では、未だ出願公開されていない。
本発明者らの上記方法によって得られるマグネシウム基複合材料は、微細なＭｇ_２Ｓｉ粒子が均一に分散することにより強度や硬さといった、複合材料の機械的特性が向上すると共に、硬質なＭｇ_２Ｓｉ粒子の均一分散により複合材料の耐摩耗性を向上させることができる。
しかしながら、この複合材料を摩擦摺動部品用材料として使用する場合、自分自身の耐摩耗性は改善されるものの、相手材が比較的柔らかい材料の場合には相手材を攻撃するといった問題が生じる。
発明の開示
そこで、本発明の目的は、更に向上した特性を有するマグネシウム基複合材料を提供することにある。特に、本発明の目的は、強度及び硬さ、並びに耐摩耗性を有しつつ、相手攻撃性を改善したマグネシウム基複合材料を提供することにある。
また、本発明の目的は、上記目的の他に、又は上記目的に加えて、上記マグネシウム基複合材料の製造方法を提供することにある。
本発明者は、鋭意検討の結果、以下のように構成することにより、上記課題を解決できることを見出した。
即ち、この発明に従ったマグネシウム基複合材料は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及びマグネシウムを有する。
上記のマグネシウム基複合材料は、さらにＳｉＯ_２成分を含んでいても良い。
好ましくは、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは、マグネシウム基複合材料中に均一分散している。
また、好ましくは、マグネシウム基複合材料１００重量部中、Ｍｇ_２Ｓｉが３重量部以上である。さらに好ましくは、マグネシウム基複合材料１００重量部中、ＭｇＯが３重量部以上である。
一つの好ましい実施形態では、マグネシウム合金素地中に、マグネシウムとの固相反応によって生成する化合物粒子が均一に分散するマグネシウム基複合材料において、化合物粒子は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むことを特徴とする。化合物粒子は、さらに、ＳｉＯ_２成分を含んでもよい。
好ましくは、当該マグネシウム基複合材料１００重量部に対して、マグネシウムシリサイドが３重量部以上１５重量部以下である。さらに好ましくは、マグネシウムシリサイドが５重量部以上８重量部以下である。
好ましくは、当該マグネシウム基複合材料１００重量部に対して、酸化マグネシウムが３重量部以上１５重量部以下である。さらに好ましくは、酸化マグネシウムが５重量部以上８重量部以下である。
マグネシウム基複合材料は、固形潤滑剤として黒鉛粉末を含むものであってもよい。この場合、好ましくは、黒鉛粉末の含有量は、当該マグネシウム基複合材料に対して重量基準で０．５％〜３％である。
この発明に従ったマグネシウム基複合材料の製造方法は、マグネシウム（Ｍｇ）を有してなる第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを混合して混合物を得る工程と、該混合物を所定の容器又は金型に充填して加圧することで圧粉成形体を得る工程と、該圧粉成形体を不活性ガス雰囲気又は真空中で加熱する工程とを有するものであって、上記の加熱工程において混合物中のＭｇとＳｉＯ_２との反応によりマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を生成させて、Ｍｇ_２Ｓｉ、ＭｇＯ及びＭｇを有してなるマグネシウム基複合材料を製造する。
好ましくは、加熱工程の加熱温度は２５０℃以上である。また、好ましくは、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは、マグネシウム基複合材料中に均一分散する。
マグネシウム基複合材料はＳｉＯ_２をさらに有していてもよく、この場合、該ＳｉＯ_２が、マグネシウム基複合材料中に均一分散するのが望ましい。
好ましくは、マグネシウム基複合材料１００重量部中、Ｍｇ_２Ｓｉが３重量部以上である。また、好ましくは、マグネシウム基複合材料１００重量部中、ＭｇＯが３重量部以上である。
一つの好ましい実施形態では、マグネシウム基複合材料の製造方法は、マグネシウムを含む第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを混合して混合物を得る工程と、混合物を加圧して圧粉成形体を得る工程と、圧粉成形体を不活性ガス雰囲気中または真空中で加熱し、圧粉成形体中のＭｇとＳｉＯ_２との反応によりマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をマグネシウム合金素地中に生成する工程とを備える。
圧粉成形体を得るのに先立ち、混合物を粉砕する工程を備えるようにしてもよい。また、混合物を粉砕した後に圧着する工程を備えるようにしてもよい。さらに、混合物を圧着した後に破砕する工程を備えるようにしてもよい。
好ましくは、圧粉成形体の加熱温度は、２５０℃以上で、かつマグネシウムの融点以下である。
圧粉成形体を得るのに先立ち、混合物を粉砕および／または圧着および／または破砕することにより上記第１材料中のマグネシウムに新生面を形成する工程をさらに備えるようにしてもよい。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を詳細に説明する。なお、本発明について、マグネシウム基複合材料、及びその製造方法の順で説明する。
＜マグネシウム基複合材料＞
本発明のマグネシウム基複合材料は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及びマグネシウムを有する。
本発明の複合材料に含まれるＭｇ_２Ｓｉは、熱膨張率がマグネシウムよりも小さく、高剛性・高硬度を有し、しかも低比重で耐熱性・耐食性に優れている。
本発明の複合材料において、Ｍｇ_２Ｓｉ微細粒子は、均一に分散しているのがよい。
Ｍｇ_２Ｓｉ微細粒子を含むこと、特に均一分散して含むことにより、本発明の複合材料の機械的特性（例えば強度及び／又は硬さ）、並びに耐摩耗性及び耐食性を向上させることができる。なお、本明細書において、Ｍｇ_２Ｓｉの均一分散とは、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子間の距離が最大でも３００μｍ程度であることをいう。ただし、Ｍｇ_２Ｓｉ粒子同士が凝集・偏析したり、ネットワーク等を形成してはいけない。Ｍｇ_２Ｓｉ粒子間の距離が小さくなると、引張強さ等の機械的特性が向上する。
本発明の材料中のＭｇ_２Ｓｉの量は、該材料１００重量部中、３重量部以上、好ましくは５重量部以上であるのがよい。また、本発明の材料中のＭｇ_２Ｓｉの量は、その値が大であれば強度等の機械的特性を向上させることができるが、複合材料自身の被削性の観点及び／又は機械的特性向上の非顕著性（特性向上の飽和）から、材料１００重量部中、Ｍｇ_２Ｓｉの量は、１５重量部以下、好ましくは８重量部以下であるのがよい。
本発明の複合材料に含まれるＭｇＯは、Ｍｇ_２Ｓｉと同様に、複合材料の機械的特性（例えば強度及び／又は硬さ）を向上させることができる。また、ＭｇＯは、相手攻撃性を改善することができる。
本発明の複合材料において、ＭｇＯ微細粒子は、均一に分散しているのがよい。均一分散させることにより、複合材料の機械的特性を一層向上させ、また相手攻撃性を一層改善させることができる。なお、一般に、ＭｇＯを含む酸化物粒子は、他の非酸化物系セラミックス（例えば、窒化物、炭化物、又はホウ化物など）と比べて硬さが低いために相手材と擦り合わせて使用した場合、相手材を著しく攻撃することがないという特性を有する。
本発明の材料中のＭｇＯの量は、該材料１００重量部中、３重量部以上、好ましくは５重量部以上であるのがよい。また、本発明の材料中のＭｇＯの量は、その値が大であれば強度等の機械的特性を向上させることができるが、複合材料自身の被削性の観点及び／又は機械的特性向上の非顕著性（特性向上の飽和）から、材料１００重量部中、ＭｇＯの量は、１５重量部以下、好ましくは８重量部以下であるのがよい。なお、本明細書において、ＭｇＯの均一分散とは、ＭｇＯ粒子間の距離が最大でも３００μｍ程度であることをいう。
このように、ＭｇＯを含むこと、特に均一分散して含むことにより、本発明の複合材料の機械的特性（例えば強度及び／又は硬さ）を向上させつつ、複合材料に所望の相手攻撃性に対する改善を与えることができる。即ち、Ｍｇ及びＭｇ_２Ｓｉのみからなる複合材料では相手攻撃性が高すぎた点を改善することができる。このため、本発明の複合材料は、摩擦摺動部品用材料として使用することができる。
なお、本発明の材料を摩擦摺動部品用材料として使用する場合、本発明の材料中のＭｇＯの量に依存するか又は本発明の材料の相手攻撃性に依存するが、相手材として、比較的柔らかい材料、例えばマグネシウム合金、アルミニウム合金、銅合金などを用いることができる。
本発明のマグネシウム基複合材料は、所望により、ＳｉＯ_２成分を有していてもよい。ＳｉＯ_２は、酸化物であり、上述のようにＭｇＯと同様、マグネシウム基複合材料中に分散することで相手攻撃性を改善することができる。
本発明のマグネシウム基複合材料は、上記成分の他に、種々の成分を含んでいてもよい。例えば、種々の成分の金属種としてＡｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌｉ及びＡｇ等を挙げることができるが、これらに限定されない。即ち、本発明の複合材料に含まれ得る種々の成分は、上記金属種の合金であっても、酸化物等の化合物であってもよい。これらの成分を有することにより、複合材料の特性を変化、調整することができる。
摩擦係数を低下させたい場合、マグネシウム基複合材料は、好ましくは、固形潤滑剤として黒鉛粉末を含む。この黒鉛粉末の含有量は、当該マグネシウム基複合材料に対して重量基準で０．５％〜３％であるのが望ましい。
＜マグネシウム基複合材料の製造方法＞
本発明のマグネシウム基複合材料は、次のような工程により製造することができる。即ち、本発明の方法は、マグネシウム（Ｍｇ）を有してなる第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを混合して混合物を得る工程；該混合物を所定の容器又は金型に充填して加圧することで圧粉成形体を得る工程；及び該圧粉成形体を不活性ガス雰囲気又は真空中で加熱する工程；を有する。
加熱工程において混合物中のＭｇとＳｉＯ_２とが反応することにより、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）及び酸化マグネシウム（ＭＯ）が生じ、Ｍｇ_２Ｓｉ、ＭｇＯ及びＭｇを有してなるマグネシウム基複合材料を得る。
＜混合工程＞
上記方法の混合工程において用いる材料について説明する。
混合工程において、マグネシウム（Ｍｇ）を有してなる第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを用いる。
マグネシウム（Ｍｇ）を有してなる第１の材料には、Ｍｇを含む合金、又はＭｇのみからなるものが含まれる。Ｍｇのみを用いる場合、粉塵爆発等に対する防爆の観点から粒径が１０μｍ以上の粉末を用いるのが好ましい。この点を満たせば、Ｍｇを有してなる第１の材料の形態は、特に限定されないが、例えば粉末、チップ、又は塊状小片等の形態であるのがよい。
Ｍｇを有してなる第１の材料が合金である場合、Ｍｇ以外に含まれるものとして、Ａｌ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｌｉ及びＡｇ等を挙げることができるが、これらに限定されない。例えばＭｇを含む合金として、ＡＺ３１及びＡＺ９１などの工業用マグネシウム合金を挙げることができる。
ＳｉＯ_２成分を含む第２の材料には、ＳｉＯ_２成分を含むもの、例えば石英ガラスなどのガラス、及びＳｉＯ_２成分のみからなるシリカなどが含まれる。
なお、第２の材料として「ＳｉＯ_２成分を含むもの」、例えば石英ガラスを用いる場合、該石英ガラスの主成分であるＳｉＯ_２成分の量は、該石英ガラス１００重量部中、９０重量部以上含有するのが好ましい。
なお、石英ガラスなどを用いる場合、該ガラス中には、複合材料の特性、及び／又は本発明の製造方法に悪影響を及ぼす成分が含まれていないことが望ましい。例えば、悪影響を及ぼす成分としてＦｅ_２Ｏ_３などを挙げることができる。Ｆｅ_２Ｏ_３が含まれる場合、該Ｆｅ_２Ｏ_３がＭｇにより還元され、本発明の複合材料に不所望なＦｅが存在することになる。このＦｅは、例えば強度、耐食性などの低下を誘発するため、本発明にとっては好ましくない。
また、ＳｉＯ_２成分の量は、第１の材料と第２の材料との合計を１００重量部とした場合、２．５〜１２重量部であるのがよい。
ＳｉＯ_２成分を含む第２の材料の形態は、特に粒径などは、特に限定されない。その形態は、数センチメートル単位のブロック状の粗大な試料をはじめ、機械的粉砕処理を施した数ミクロン程度の微細粒子までの幅広い範囲のものを用いることができる。なお、後述する圧粉成形体を得る工程において、第１の材料との機械的な結合を向上させる観点から、第２の材料は、その粒径が１０μｍ〜５００μｍ、好ましくは１０〜２００μｍであるのがよい。
なお、第２の材料として、シリカ、特にＳｉＯ_２成分を含むガラスを用いることにより、原材料として安価なものを用いることができ、ひいては最終的な生成物であるマグネシウム基複合材料の価格をより顕著に低下させることができる。
第１の材料と第２の材料との混合は、従来から用いられている混合粉砕機を使用することができる。例えば、Ｖ型ミキサー又はボールミルなどを挙げることができるがこれらに限定されない。
混合は、種々の環境下、例えば大気中で行うことができる。望ましくは、微粒子を用いる場合、混合容器の中に窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスを充填することにより、混合工程での粉末表面の酸化、特にＭｇ粉末の表面の酸化を防止するのがよい。なお、混合は、上述したように、複合材料においてＭｇ_２Ｓｉ及び／又はＭｇＯが均一分散するように、均一混合するのがよい。
混合工程後、後述の「圧粉成形体を得る工程」前に、混合物を粉砕及び／又は圧着及び／又は破砕する工程に付してもよい。また、この粉砕及び／又は圧着及び／又は破砕する工程を複数回繰返し行ってもよい。
この粉砕・圧着・破砕工程は、粉砕機を用いて行うのがよい。粉砕機は、ボールメディアによる衝撃エネルギーを利用した機械的な粉砕処理能力を有するのがよく、例えば回転ボールミル、振動ボールミル、遊星ボールミルからなる群から選ばれるのがよい。このような機械的な粉砕・混合・圧着・破砕を行うことにより、第１の材料及び第２の材料を微細に粉砕してＭｇ及びＳｉＯ_２成分を均一分散させることができる。
また、この粉砕・圧着・破砕工程により、Ｍｇを含む第１の材料中のＭｇに新生面を形成することができる。即ち、純Ｍｇ粉末あるいはＭｇ合金粉末の表面は、酸化皮膜（ＭｇＯ）に覆われている。このＭｇＯは、他の酸化物と比べて生成自由エネルギーが小さく安定であるため、粉末表面に存在するＭｇＯ表面皮膜が、後述するＭｇとＳｉＯ_２成分との反応を抑制する。しかしながら、上記の粉砕・圧着・破砕工程を設けることにより、表面酸化皮膜、即ちＭｇＯ表面皮膜を機械的に分断・破壊して活性なＭｇ新生面を形成できることを、本発明者らは見出した。この結果、後述の加熱工程において、Ｍｇの融点（６５０℃）よりも低い温度域、つまり固相状態で微細なＭｇ_２ＳｉとＭｇＯを合成できることを、本発明者らは見出した。なお、Ｍｇ新生面の出現面積が多いほど、Ｍｇ_２Ｓｉ／ＭｇＯの合成温度はより低温側に移行することがわかった。即ち、粉砕・圧着・破砕工程及び／又は後述の「圧粉成形体を得る工程」により緻密な圧粉成形体を創製することによって、より低温での微細なＭｇ_２Ｓｉ／ＭｇＯ反応合成にとって有利である。
＜圧粉成形体を得る工程＞
混合工程後、上記で得られた混合物を、圧粉成形体を得る工程に付する。圧粉成形体を得る工程は、上記で得られた混合物を所定の容器又は金型に充填して加圧する。
得られた混合物から圧粉成形体を得る工程は、従来の粉末冶金法で用いられているプロセスを適用することができる。例えば、容器に混合物を充填して冷間等圧成形（ＣＩＰ）する方法；金型に混合物を充填した状態で上下パンチにより圧縮することで圧粉体を創製する方法；又は混合物の温度を１００〜２００℃程度に加熱した状態での温間成形などによる固化方法などを挙げることができるが、これらに限定されない。
＜加熱工程＞
圧粉成形体を得る工程後、該圧粉成形体を不活性ガス雰囲気又は真空中で加熱する工程に付する。
この加熱工程において、以下の式Ｉで表される酸化還元反応によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが生成し、本発明のマグネシウム基複合材料が得られる。
４Ｍｇ＋ＳｉＯ_２→Ｍｇ_２Ｓｉ＋２ＭｇＯ （式Ｉ）。
加熱雰囲気は、特に限定されないが、圧粉成形体中のＭｇ又はＭｇ含有合金の酸化を抑制する目的から、窒素又はアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、もしくは真空中とするのがよい。
加熱温度は２５０℃以上とするのがよい。また、例えばＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯを比較的短時間で合成させるため、加熱温度を４５０℃以上にしてもよい。
この加熱温度において、ＭｇによるＳｉＯ_２の還元反応が進行し、その結果として上記式Ｉのように、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが合成される。この加熱温度は、Ｍｇの融点（６５０℃）よりも十分低い温度であり、いわゆる固相温度域においてＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの反応合成を進行させることができる。
なお、所望により、例えば所望とする材料の大きさに応じて、最高加熱温度に達する、ある温度、及び／又は最高加熱温度で該温度を保持するのがよい。
上記方法を経ることで、粉末冶金法によりＭｇ液相を出現させることなく、固相状態においてＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの合成が可能であり、その結果、複合材料のマトリックスであるＭｇは微細結晶粒を有し、かつＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯも微細にマトリックス中に分散することで機械的特性および耐食性に優れたマグネシウム基複合材料を経済性よく創製することができる。また、Ｍｇの液相が出現しないことから圧粉成形体と加熱後に得られた複合材料との寸法変化が小さいといった利点もある。
一例として、マグネシウム粉末（平均粒子径１１０μｍ）とシリカ粉末（平均粒子径２１μｍ）とを準備し、シリカ粉末が３８重量％となるように両者を配合して混合粉末を得た。この混合粉末を圧力６００ＭＰａで圧粉成形した後、この成形体を真空熱処理、即ち加熱温度５３０℃において１０分間保持して複合材料Ｘ−１を得た。
複合材料Ｘ−１中にＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが合成したか否かをＸ線回折（ＸＲＤ）によって評価・検討した。その結果を図１に示す。図１中、（ａ）は加熱前の混合粉末のＸＲＤ結果であり、（ｂ）は真空熱処理後の試料粉末（複合材料Ｘ−１）のＸＲＤ結果である。（ａ）の混合粉末において、混合原料を構成するＭｇとＳｉＯ_２の回折ピークのみが検出されている。一方、（ｂ）に示すように、真空熱処理後の試料粉末には、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの回折ピークが観察される。これから、５３０℃で加熱保持することで上記式（Ｉ）で示した酸化還元反応が進行し、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの双方が合成されたことがわかる。
また、他の例として、第２の材料として粒径が約１８３μｍのシリカ（ＳｉＯ_２）を用いた場合を次に説明する。
マグネシウムのみからなるマグネシウム粉末圧粉体を予め用意した。この圧粉体にシリカ粉末（粒径：約１８３μｍ）を埋め込み、この状態のものを真空熱処理、即ち温度５３０℃で１０分間加熱保持して、試料サンプルＸ−２を得た。
次いで、得られた試料Ｘ−２のＸ線回折を行った。その結果を図２に示す。図２からわかるように、試料サンプルＸ−２から、Ｍｇ、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯに加えてＳｉＯ_２の回折ピークが検出された。これから、試料サンプルＸ−２には出発原料である未反応のＳｉＯ_２が残存していることがわかる。
また、得られた試料Ｘ−２、特に試料Ｘ−２中に残存する未反応ＳｉＯ_２粒子のＥＤＸ面分析（エネルギ分散型Ｘ線マイクロアナリシス：Ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を行った（成分Ｓｉ、Ｍｇ、及びＯについてそれぞれ行った）。その結果を走査型電子顕微鏡写真で撮影した。この走査型電子顕微鏡写真の結果の概略を図３に示す。図３中、１は走査型電子顕微鏡写真の概略図を示す。ＥＤＸ面分析の結果、３はＭｇのみからなり、ＳｉＯ_２粒子と思われる箇所の５はＳｉ及びＯが検出されＭｇは検出されなかった。また、７はＳｉ、Ｏ及びＭｇが検出された。図３のＥＤＸ面分析の結果と、図２のＸ線回折の結果から、５は未反応のＳｉＯ_２であり、７はＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯであるものと考察される。これは、原料粉末として使用するシリカが粗大である場合、加熱保持条件及び／又は原材料、特にＳｉＯ_２の粒子径によって、Ｍｇによる還元反応がＳｉＯ_２粒子内部にまで進行せず、該粒子の中央部にＳｉＯ_２が残存することがあることを示唆している。
この例から、第１の材料及び／又は第２の材料の粒子径を制御すること、例えば第２の材料としてのＳｉＯ_２の粒子径を制御することにより、反応合成により生成するＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯに加えて、未反応ＳｉＯ_２が分散するようなマグネシウム基複合材料を調製設計することができる。
さらに他の例として、第２の材料として石英ガラスを用いた場合について、以下に述べる。
純Ｍｇ粉末（平均粒子径１１２μｍ）と石英ガラス粉末（同６２μｍ）を準備し、両者の混合物を１００重量％としたとき石英ガラスが１０重量％となるように両者を配合して混合粉末を得た。これを真空熱処理、即ち温度６００℃で１０分間加熱保持して、試料サンプルＸ−３を得た。
次いで、得られた試料Ｘ−３のＸ線回折を行った。その結果を図４Ａおよび図４Ｂに示す。図４Ａは加熱処理前の混合粉末のＸ線回折結果、図４Ｂは真空熱処理を施した試料Ｘ−３のＸ線回折結果である。図４Ａの混合粉末において石英ガラスはアモルファス（非晶質）ゆえ回折ピークは検出されず、他方の原料のＭｇのピークのみが検出される。一方、図４Ｂに見るように熱処理後は、原料のＭｇに加えてＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの回折ピークも検出される。図４Ａ及び図４Ｂから、石英ガラスを用いた場合であってもＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが分散するようなマグネシウム基複合材料を創製することが可能であることがわかる。
本発明のマグネシウム基複合材料及び本発明の製法によりマグネシウム複合材料は、軽量化に加えて、高強度・高耐食性と優れた耐摩耗性を有し、さらに緩和された相手攻撃性を有することから、例えばそれらの特性が同時に望まれる自動車用部品や家電部品などの構造用部品材料として利用することができる。
（実施例）
以下、実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
出発原料として純Ｍｇ粉末（平均粒子径：１６５μｍ）とシリカ粉末（平均粒子径：５８μｍ）を準備し、両者の混合粉末１００重量％中、表１に示すシリカ粉末の割合（重量％）で該シリカ粉末を添加・配合し、ボールミルを用いて均一に混合した。
得られたそれぞれの混合粉末を直径３４ｍｍの円形金型に充填し、面圧６ｔ／ｃｍ^２の荷重を付与して圧粉成形体Ａ−１〜Ａ−７を作製した。
圧粉成形体Ａ−１〜Ａ−７とは別個に、次のような管状炉を準備した。即ち、窒素ガス（ガス流量：３ｄｍ^３／ｍｉｎ）を流入した管状炉であって、その炉内温度を４８０℃に管理した状態の管状炉を準備した。この管状炉に上述で得られた圧粉成形体Ａ−１〜Ａ−７を挿入して１０分間加熱保持した後、炉から成形体を取り出し、直ちに粉末鍛造法によって相対密度９９％以上に固化して固化体、即ちマグネシウム基複合材料Ｂ−１〜Ｂ−７を得た。なお、粉末鍛造法の条件は、金型温度：２５０℃；及び面圧：８ｔ／ｃｍ^２であり、固化体と金型との凝着防止の観点から金型壁面には水溶性潤滑剤を塗布した。
得られたマグネシウム基複合材料Ｂ−１〜Ｂ−７についてＸ線回折によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成の有無を確認すると共に、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成量を求めた。これらの結果と共に、引張強さと硬さＨＲＥ（ロックウェル硬度／Ｅスケール）の測定結果も表１に示す。なお、複合材料Ｂ−１〜Ｂ−７は、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの成分以外に、Ｍｇのみを有していた。
なお、引張り強さの測定は、それぞれ以下のように行った。
＜引張り強さの測定＞
試験試料として、直径：φ３．５ｍｍ、平行部：１４ｍｍの試験片を用意した。この試験片を１０ｔｏｎオートグラフに装着して変位速度０．５ｍｍ／分で引張荷重を付与して引張試験を行った。試験片が破断した際の荷重を試料の破断面積で除した値を引張強度とした。
【表１】

圧粉成形体Ａ−１〜４即ち複合材料Ｂ−１〜４は、加熱工程においてＭｇ粉末とシリカ粉末との反応によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが生成することがわかる。また、複合材料中に分散する両者の生成含有量が適正であるためマグネシウム基複合材料が良好な機械的特性および被削性を有することがわかった。
一方、圧粉成形体Ａ−５即ち複合材料Ｂ−５は、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成含有量が適正範囲を越えるため、工具摩耗による被削性の問題が生じた。また、圧粉成形体Ａ−６及び７即ち複合材料Ｂ−６及び７は、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成含有量が適正範囲を下回るため、十分な機械的特性の向上効果が得られなかった。特に、圧粉成形体Ａ−７即ち複合材料Ｂ−７は、純Ｍｇ素材ゆえ、機械加工過程での工具への素材の凝着・付着が著しく増加し、被削性の低下を招いた。
（実施例２）
出発原料として、純Ｍｇ粉末（平均粒子径：１１２μｍ）及びＡＺ９１Ｄマグネシウム合金粉末（平均粒子径：６１μｍ；公称組成：Ｍｇ−９Ａｌ−１Ｚｎ／ｍａｓｓ％）、並びにシリカ粉末（平均粒径：２４μｍ）とを準備した。純Ｍｇ粉末とシリカ粉末との混合粉末；及びＭｇ合金粉末とシリカ粉末との混合粉末を、該混合粉末１００重量％中シリカ粉末の量が８重量％となるように、配合した。配合後、ボールミルを用いて均一に混合して、混合粉末を得た。得られた混合粉末を直径１１ｍｍの円形金型に充填し、面圧８ｔ／ｃｍ^２の荷重を付与して圧粉成形体Ａ−８〜１７を作製した。
圧粉成形体Ａ−８〜Ａ−１７とは別個に、次のような管状炉を準備した。即ち、窒素ガス（ガス流量：３ｄｍ^３／ｍｉｎ）を流入した管状炉であって、その炉内温度を表２に示す値に管理した状態の管状炉を準備した。この管状炉に上述で得られた圧粉成形体Ａ−８〜Ａ−１７を挿入して３０分間加熱保持した後、窒素ガスを流入した炉内において常温まで冷却し、その後、炉から成形体を取り出し、マグネシウム基複合材料Ｂ−８〜Ｂ−１７を得た。これらについてＸ線回折によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成の有無と未反応ＳｉＯ_２の残存を確認した。その結果も表２に示す。なお、複合材料Ｂ−８〜Ｂ−１２は、表２に記載する成分以外に、Ｍｇのみを有していた。また、複合材料Ｂ−１３〜Ｂ−１５及びＢ−１７は、表２に記載する成分以外に、Ｍｇ合金由来の成分、即ちＭｇ、Ａｌ及びＺｎを有していた。
【表２】

圧粉成形体Ａ−８〜１５即ち複合材料Ｂ−８〜１５は、純Ｍｇ粉末とシリカ粉末との組合せ、又はＭｇ合金粉末とシリカ粉末との組合せを用いているがそれぞれ、適正な加熱保持条件を与えることで加熱工程において純Ｍｇ粉末とシリカ粉末、又はＭｇ合金粉末とシリカ粉末との反応によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが生成することがわかる。
一方、圧粉成形体Ａ−１６及び１７即ち複合材料Ｂ−１６及び１７は、適正な加熱温度条件を下回るため、加熱工程において反応合成が進行せず、その結果、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは生成せず、出発原料である未反応ＳｉＯ_２が残存する結果となった。
（実施例３）
出発原料として純Ｍｇ粉末（平均粒子径：１１２μｍ）と石英ガラス粉末（平均粒子径：４５μｍ）を準備し、両者の混合粉末１００重量％中、石英ガラス粉末の量が５重量％となるように、該石英ガラス粉末を配合し、ボールミルを用いて均一に混合した。
得られたそれぞれの混合粉末を直径１１ｍｍの円形金型に充填し、面圧８ｔ／ｃｍ^２の荷重を付与して圧粉成形体Ａ−１８〜Ａ−２４を作製した。
圧粉成形体Ａ−１８〜Ａ−２４とは別個に、次のような管状炉を準備した。即ち、窒素ガス（ガス流量：３ｄｍ^３／ｍｉｎ）を流入した管状炉であって、その炉内温度を表３に示す値に管理した状態の管状炉を準備した。この管状炉に上述で得られた圧粉成形体Ａ−１８〜Ａ−２４を挿入して３０分間加熱保持した後、窒素ガスを流入した炉内において常温まで冷却し、その後、炉から成形体を取り出し、マグネシウム基複合材料Ｂ−１８〜Ｂ−２４を得た。これらについてＸ線回折によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成の有無を確認した。その結果も表３に示す。なお、複合材料Ｂ−１８〜Ｂ−２４は、表３に記載するＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの成分以外に、Ｍｇのみを有していた。
【表３】

圧粉成形体Ａ−１８〜２２即ち複合材料Ｂ−１８〜２２は、純Ｍｇ粉末と石英ガラス粉末との圧粉成形体に、適正な加熱保持条件を与えることで加熱工程において純Ｍｇ粉末と石英ガラス粉末との反応によりＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯが生成することがわかる。
一方、圧粉成形体Ａ−２３及び２４即ち複合材料Ｂ−２３及び２４は、適正な加熱温度条件を下回るため、加熱工程において反応合成が進行せず、その結果、Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは生成することができなかった。
（実施例４）
出発原料として純Ｍｇ粉末（平均粒子径：１６５μｍ）、シリカ粉末（平均粒子径：５８μｍ）、及びＳｉ粉末（平均粒子径：１６５μｍ）を準備した。
これを用いて、以下の手法（ａ）〜（ｃ）により、圧粉成形体Ａ−（ａ）〜Ａ−（ｃ）、マグネシウム基複合材料Ｂ−（ａ）〜Ｂ−（ｃ）を得た。
手法（ａ）：純Ｍｇ粉末とシリカ粉末の混合粉末において、該混合粉末１００重量％中シリカ粉末が４．５重量％となるように配合した後、混合粉末をボールミルによって均一に混合した。
手法（ｂ）：純Ｍｇ粉末とＳｉ粉末の混合粉末において、該混合粉末１００重量％中Ｓｉ粉末が２重量％となるように配合した後、混合粉末をボールミルによって均一に混合した。
手法（ｃ）：純Ｍｇ粉末とＳｉ粉末の混合粉末において、該混合粉末１００重量％中Ｓｉ粉末が４重量となるように配合した後、混合粉末をボールミルによって均一に混合した。
得られた各混合粉末を直径３４ｍｍの円形金型に充填し、面圧７ｔ／ｃｍ^２の荷重を付与して圧粉成形体末Ａ−（ａ）〜Ａ−（ｃ）を作製した。
圧粉成形体Ａ−（ａ）〜Ａ−（ｃ）とは別個に、次のような管状炉を準備した。即ち、窒素ガス（ガス流量：３ｄｍ^３／ｍｉｎ）を流入した管状炉であって、その炉内温度を５００℃に管理した状態の管状炉を準備した。この管状炉に上述で得られた圧粉成形体Ａ−（ａ）〜Ａ−（ｃ）を挿入して１０分間加熱保持した後、炉から成形体を取り出し、直ちに粉末鍛造法によって相対密度９９％以上に固化して固化体、即ちマグネシウム基複合材料Ｂ−（ａ）〜Ｂ−（ｃ）を得た。なお、粉末鍛造法の条件は、金型温度：２５０℃；及び面圧：８ｔ／ｃｍ^２であり、固化体と金型との凝着防止の観点から金型壁面には水溶性潤滑剤を塗布した。
得られたマグネシウム基複合材料Ｂ−（ａ）〜Ｂ−（ｃ）中のＭｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯの生成量を確認した。
その結果、複合材料Ｂ−（ａ）１００重量％中、Ｍｇ_２Ｓｉの生成量は５．５重量％、ＭｇＯの生成量は５．８重量％であった。なお、残部は、Ｍｇのみであった。
複合材料Ｂ−（ｂ）１００重量％中、Ｍｇ_２Ｓｉの生成量は５．３重量％であったが、ＭｇＯの生成量は検知できない量であった。なお、残部は、Ｍｇのみであった。
複合材料Ｂ−（ｃ）１００重量％中、Ｍｇ_２Ｓｉの生成量は１１．２重量％であったが、ＭｇＯの生成量は検知できない量であった。これらの結果は表４に示す。なお、残部は、Ｍｇのみであった。
材料Ｂ−（ａ）と材料Ｂ−（ｂ）のＭｇ_２Ｓｉの生成量は、共にほぼ同程度であることを確認した。また、材料Ｂ−（ｃ）のＭｇ_２Ｓｉの生成量：１１．２重量％は、材料Ｂ−（ａ）のＭｇ_２Ｓｉ生成量（５．５重量％）＋ＭｇＯ生成量（５．８重量％）即ち１１．３重量％とほぼ同程度であることを確認した。
＜摩耗試験＞
複合材料Ｂ−（ａ）〜Ｂ−（ｃ）の摩耗試験を行った。試験方法の概要を図５の模式図に示す。
複合材料Ｂ−（ａ）〜Ｂ−（ｃ）から直径７ｍｍのピン状摩耗試験片１３を採取した。また、相手材としてＡＺ９１Ｄマグネシウム合金からなるディスク状試験片１７を用いた。
試験条件は加圧力：５０ｋｇ、滑り速度：１ｍ／秒、試験時間：３０分とし、試験片１３及び１５を潤滑油（エンジンオイル）１５中に浸漬した状態で、湿式環境下、摩耗試験を行った。
試験後の各試料の摺動面の最大高さＲｍａｘを、ＪＩＳ Ｂ ０６５１：１９９６に準じて、表面粗さ計（触針式表面粗さ測定器）を用いて測定した。その結果も表４に示す。なお、Ｒｍａｘとは、「断面曲線を基準長さＬの距離だけ抜き取った部分の最大高さ」であり，マイクロメートル（μｍ）で表す。但し、傷とみなされるような並はずれて高い山や深い谷が存在しない部分から基準長さだけを抜き取って測定した。なお、試験開始前のピン状およびディスク状摩耗試験片の摺動面の面粗さはＲｍａｘ：１．５〜２であった。
【表４】

複合材料Ｂ−（ａ）は、これとほぼ同量のＭｇ_２Ｓｉを含有する複合材料Ｂ−（ｂ）と比較して、自分自身の面粗さ、即ちピン状摩耗試験片の表面粗さの値が小さい。また、相手材の面粗さ、即ちディスク状摩耗試験片の表面粗さも半分以下と小さい。これは、複合材料Ｂ−（ａ）がＭｇ_２ＳｉだけでなくＭｇＯを含有するため、これにより相手攻撃性を著しく改善したことを示している。
また、複合材料Ｂ−（ａ）を複合材料Ｂ−（ｃ）と比較すると次のことがわかる。即ち、複合材料中のＭｇ_２Ｓｉ量が大であると、複合材料自身の耐摩耗性は幾分改善されることがわかる。即ち、Ｍｇ_２Ｓｉ量が大である複合材料Ｂ−（ｃ）のピン状摩耗試験片の表面粗さの値が小さくなることがわかる。しかしながら、複合材料Ｂ−（ｃ）においての相手材の摺動面の面粗さ（ディスク状摩耗試験片の表面粗さ）は、複合材料Ｂ−（ａ）のそれよりも３倍以上大である。したがって、複合材料Ｂ−（ａ）は、複合材料Ｂ−（ｃ）とほぼ同程度の耐摩耗性を保持しつつ相手攻撃性が改善されていることがわかる。
（実施例５）
ＡＺ３１粗粒粉末とシリカ（ＳｉＯ_２）微粒粉末とを準備した。さらに、固形潤滑成分として平均粒子径３μｍの黒鉛粉末も出発原料に用いた。各粉末の配合比率を表５に示す。
【表５】

各混合粉末から直径４０ｍｍの円柱状圧粉固化体を作製し、窒素ガスを流入した管状炉内で各固化体を５５０℃で５分間加熱保持した後、直ちに押出比２５で温間押出加工を行い直径８ｍｍの押出棒材を得た。なお、押出加工後の各マグネシウム合金についてＸ線回折を行なった結果、いずれにおいても固相反応によるＭｇ_２Ｓｉ粒子の生成が確認された。
摩擦試験によって摩擦係数を測定すべく、押出素材からピン状摩耗試験片（直径７．８ｍｍ）を採取した。相手側のディスク材にはＳ３５Ｃ鋼材を用い、押し付け荷重を５００Ｎ、すべり速度を１ｍ／ｓ、試験時間を連続３０分とした。なお、ピン状試験片の上部からエンジン潤滑油（１０Ｗ３０）を滴下し、ピン状試験片とディスク試験片との摺動界面に、常に潤滑油が存在するような湿式潤滑条件下で試験を行なった。測定した摩擦トルクから摩擦係数を算出した結果を表５に示す。
試料Ｎｏ．１〜５において、潤滑成分である黒鉛粉末の含有量が増加するに連れて、マグネシウム合金の引張強さは僅かに低下するものの、摩擦係数は大きく低減できる。
一方、試料Ｎｏ．６では、黒鉛添加量が適正範囲を超えるため、押出材の引張強さが著しく低下し、その結果、摩擦試験の過程でピン状試験片の摩耗損傷により相手材との凝着現象も誘発するので、摩擦係数がかえって増大した。
【図面の簡単な説明】
図１は複合材料Ｘ−１の（ａ）加熱前の混合粉末；及び（ｂ）真空熱処理後の試料粉末のＸ線回折の結果を示す図である。
図２は試料Ｘ−２のＸ線回折の結果を示す図である。
図３は試料Ｘ−２の走査型電子顕微鏡画像の概略図である。
図４Ａは試料Ｘ−３の加熱処理前；及び図４Ｂは真空熱処理後のＸ線回折の結果を示す図である。
図５は摩耗試験の試験方法の概要を示す図である。

Claims (24)

1. マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及びマグネシウムを有してなるマグネシウム基複合材料。
2. ＳｉＯ_２成分をさらに備える、請求項１に記載のマグネシウム基複合材料。
3. 前記Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは、前記マグネシウム基複合材料中、均一分散してなる請求項１に記載のマグネシウム基複合材料。
4. 前記マグネシウム基複合材料１００重量部中、前記Ｍｇ_２Ｓｉが３重量部以上である請求項１に記載のマグネシウム基複合材料。
5. 前記マグネシウム基複合材料１００重量部中、前記ＭｇＯが３重量部以上である請求項１に記載のマグネシウム基複合材料。
6. マグネシウム合金素地中に、マグネシウムとの固相反応によって生成する化合物粒子が均一に分散するマグネシウム基複合材料において、
   前記化合物粒子は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むことを特徴とする、マグネシウム基複合材料。
7. 前記化合物粒子は、ＳｉＯ_２成分をさらに含む、請求項６に記載のマグネシウム基複合材料。
8. 当該マグネシウム基複合材料１００重量部に対して、前記マグネシウムシリサイドが３重量部以上１５重量部以下である、請求項６に記載のマグネシウム基複合材料。
9. 前記マグネシウムシリサイドが５重量部以上８重量部以下である、請求項８に記載のマグネシウム基複合材料。
10. 当該マグネシウム基複合材料１００重量部に対して、前記酸化マグネシウムが３重量部以上１５重量部以下である、請求項６に記載のマグネシウム基複合材料。
11. 前記酸化マグネシウムが５重量部以上８重量部以下である、請求項８に記載のマグネシウム基複合材料。
12. 当該マグネシウム基複合材料は、固形潤滑剤として黒鉛粉末を含み、この黒鉛粉末の含有量は、当該マグネシウム基複合材料に対して重量基準で０．５％〜３％である、請求項６に記載のマグネシウム基複合材料。
13. マグネシウム（Ｍｇ）を有してなる第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを混合して混合物を得る工程；該混合物を所定の容器又は金型に充填して加圧することで圧粉成形体を得る工程；及び該圧粉成形体を不活性ガス雰囲気又は真空中で加熱する工程を有するマグネシウム基複合材料の製造方法であって、前記加熱工程において前記混合物中のＭｇとＳｉＯ_２との反応によりマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を生成させて、Ｍｇ_２Ｓｉ、ＭｇＯ及びＭｇを有してなるマグネシウム基複合材料を製造する、上記方法。
14. 前記加熱工程の加熱温度は２５０℃以上である請求項１３に記載の方法。
15. 前記Ｍｇ_２Ｓｉ及びＭｇＯは、前記マグネシウム基複合材料中、均一分散してなる請求項１３に記載の方法。
16. 前記マグネシウム基複合材料はＳｉＯ_２をさらに有し、該ＳｉＯ_２が、前記マグネシウム基複合材料中、均一分散してなる請求項１３に記載の方法。
17. 前記マグネシウム基複合材料１００重量部中、前記Ｍｇ_２Ｓｉが３重量部以上である請求項１３に記載の方法。
18. 前記マグネシウム基複合材料１００重量部中、前記ＭｇＯが３重量部以上である請求項１３に記載の方法。
19. マグネシウムを含む第１の材料とＳｉＯ_２成分を含む第２の材料とを混合して混合物を得る工程と、
    前記混合物を加圧して圧粉成形体を得る工程と、
    前記圧粉成形体を不活性ガス雰囲気中または真空中で加熱し、前記圧粉成形体中のＭｇとＳｉＯ_２との反応によりマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）をマグネシウム合金素地中に生成する工程とを備える、マグネシウム基複合材料の製造方法。
20. 前記圧粉成形体を得るのに先立ち、前記混合物を粉砕する工程を備える、請求項１９に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
21. 前記混合物を粉砕した後に圧着する工程を備える、請求項２０に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
22. 前記混合物を圧着した後に破砕する工程を備える、請求項２１に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
23. 前記圧粉成形体の加熱温度は、２５０℃以上で、かつマグネシウムの融点以下である、請求項１９に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。
24. 前記圧粉成形体を得るのに先立ち、前記混合物を粉砕および／または圧着および／または破砕することにより前記第１材料中のマグネシウムに新生面を形成する工程をさらに備える、請求項１９に記載のマグネシウム基複合材料の製造方法。

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