WO2010137494A1 - マグネシウム合金の線状体及びボルト、ナット並びにワッシャー - Google Patents

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Abstract

　耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れるマグネシウム合金の線状体を提供する。マグネシウム合金の線状体は、質量％で、Y：0.1～6％を含有し、更にAl：0.1～6％、Zn：0.01～2％、Mn：0.01～2％、Sn：0.1～6％、Ca：0.01～2％、Si：0.01～2％、Zr：0.01～2％及びNd：0.01～2％からなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、温度150℃、応力75MPaで100時間の条件でクリープ試験を行って得られるクリープひずみが1.0％以下である。

Description

マグネシウム合金の線状体及びボルト、ナット並びにワッシャー
　本発明は、耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れるマグネシウム合金の線状体に関する。特に、ボルト、ナット並びにワッシャーなどの締結部品の素材に使用することが好適なマグネシウム合金の線状体に関する。
　マグネシウム合金は、アルミニウムよりも軽く、比強度、比剛性が鋼やアルミニウムよりも優れており、航空機部品、車輌部品及び各種電気製品の筐体などに利用することが検討されている（特許文献１を参照）。
　例えば特許文献１には、耐熱性に優れる希土類元素を5.0質量％以下含有するマグネシウム合金（ASTM記号におけるEZ系（EZ33））が記載されている。また、特許文献１には、引抜き加工により得られたマグネシウム合金からなるワイヤ（線状体）に鍛造加工や転造加工といったねじ加工（塑性加工）を施してねじを得ることが記載されている。
　ところで、マグネシウム合金の部材同士を締結部品を用いて締結する場合、電食の問題を解消するため、マグネシウム合金の締結部品を利用することが好ましい。また、マグネシウム合金部材を異種材料の締結部品で締結した場合、高温環境では熱膨張量の差により締結部品（例えばボルト）が緩むことが考えられるので、この点からも熱膨張率がほぼ等しいマグネシウム合金の締結部品を利用することが好ましい。
　また、マグネシウム合金は、電気化学的に卑な金属であるため、腐食を起こし易く、耐食性に劣るという欠点がある。そこで、マグネシウム合金の締結部品を使用する場合は、部品表面にコーティングを施して、耐食性の向上を図ることが望まれる。例えば特許文献２には、電気伝導体（特に金属製工作物）に無機コーティングを施すコーティング技術が記載されている。
特開２００５‐４８２７８号公報 特表２００１‐５０３４７８号公報
　しかし、従来のマグネシウム合金は、耐熱性と塑性加工性との両立が十分ではない。
　マグネシウム合金部材をマグネシウム合金の締結部品で締結した製品を高温環境下で使用することが想定される。一方、マグネシウム合金は、塑性加工性が極めて悪く、塑性加工性が大きくなる温度にまで加熱して熱間で加工する必要がある。そのため、マグネシウム合金の耐熱性を向上させることは重要な課題の一つであるが、耐熱性を向上させることは塑性加工性の低下に繋がる。したがって、例えば締結部品の素材に使用されるマグネシウム合金の線状体は、耐熱性と塑性加工性とを高度なレベルで両立することが要求される。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れるマグネシウム合金の線状体を提供することにある。また、本発明の別の目的は、このマグネシウム合金の線状体に塑性加工を施して得られたボルト、ナット及びワッシャーを提供することにある。
　本発明者らは、鋭意研究した結果、質量％で、Y：0.1～6％を含有し、更にAl：0.1～6％、Zn：0.01～2％、Mn：0.01～2％、Sn：0.1～6％、Ca：0.01～2％、Si：0.01～2％、Zr：0.01～2％及びNd：0.01～2％からなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなるマグネシウム合金を、線状体（ワイヤ）に加工したとき、優れた耐熱性と塑性加工性とを発揮することを見出し、本発明を完成するに至った。
　本発明のマグネシウム合金の線状体は、上記組成のマグネシウム合金からなり、以下の条件でクリープ試験を行って得られるクリープひずみが1.0％以下であることを特徴とする。ただし、クリープ試験条件は、温度150℃、応力75MPaで100時間とする。
　本発明のマグネシウム合金の線状体は、上記組成を備え、上記クリープ試験でのクリープひずみが1.0％以下であり、クリープ特性が良好である。クリープひずみは0.2％以下、特に0.1％以下が好ましい。
　Yは、耐熱性を向上させ、クリープ特性を改善する。Yが0.1質量％未満の場合、クリープ特性が低下する。一方、Yが6質量％超の場合、塑性加工性が低下する。好ましいYの含有量は1.75質量％以下であり、このような比較的低い含有量であっても、耐熱性と塑性加工性とを高度なレベルで両立することが期待できる。
　Y以外に、Al、Zn、Mn、Sn、Ca、Si、Zr及びNdから選択される１種以上の元素を含有することで、機械的性質、鋳造性、耐食性などを改善することができ、また、各元素の含有量を上記範囲に限定することで、塑性加工性を悪化させることがない。例えばZnを含有する場合、Znの含有量を1.25質量％未満とすることが好ましく、この場合であっても、耐熱性と塑性加工性とを高度なレベルで両立することができる。
　なお、ここでいう線状体とは、直径（断面が多角形の場合は等面積円相当径）φが13mm以下、長さが直径φの100倍以上のものであり、線状体には、所定の断面形状及び寸法を有する長尺又は定寸の棒材、線材、管材、形材が含まれる。線状体は、例えば、マグネシウム合金を溶解した後、所定形状の鋳型に鋳込んで鋳造したり、任意形状の鋳造材に圧延加工、押出し加工或いは引抜き加工を施したりして得ることができる。特に、線状体は、最終的に引抜き加工を施して得ることが好ましく、引抜き加工に供する素材としては、鋳造材、圧延材或いは押出材のいずれでもよい。
　上記本発明の線状体は、0.2％耐力が200MPa以上、引張強さが260MPa以上であることが好ましい。或いは、伸びが4％以上であることが好ましい。さらに、0.2％耐力、引張強さ及び伸びが上記特性の全てを満足することがより好ましい。
　0.2％耐力が200MPa以上、引張強さが260MPa以上であることで、強度に優れる。そのため、例えば線状体に塑性加工を施してボルトを得た場合、強度（軸力）の高いボルトが得られる。さらに、伸びが4％以上であることで、塑性加工性に優れる。0.2％耐力は230MPa以上、特に250MPa以上が好ましく、引張強さは280MPa以上、特に300MPa以上が好ましく、伸びは5％以上、特に6％以上が好ましい。
　上記本発明の線状体は、耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れるため、塑性加工を施して二次製品に加工し易い。塑性加工としては、押出し加工、引抜き加工、鍛造加工、転造加工、圧造加工、圧延加工、プレス加工、曲げ加工、絞り加工などが挙げられ、これら加工を単独で或いは組み合わせて用いることができる。また、二次製品としては、ボルト、ナット及びワッシャーなどの締結部品の他、軸類、ピン、リベット、歯車、板材、プレス材、航空機部品、車輌部品及び各種電気製品の部品や筐体が挙げられる。
　本発明のボルトは、上記本発明の線状体に塑性加工を施して得られたものである。例えばボルトは、所定寸法に切断した線状体にヘッド部を成形する鍛造加工や軸部にねじ山を成形する転造加工を施すことで得られる。本発明のボルトは、耐熱性に優れる線状体を加工して得ているため、高温環境下で使用してもボルト軸力の低下が小さい。
　本発明のナットは、上記本発明の線状体に塑性加工を施して得られたものである。例えばナットは、所定寸法に切断した線状体を金型に入れ、圧力を加えてねじ孔をあけながら所定形状に成形する圧造加工を施した後、ねじ孔にねじ切りを行うことで得られる。
　本発明のワッシャーは、上記本発明の線状体に塑性加工を施して得られたものである。例えばワッシャーは、所定寸法に切断した線状体にプレス加工や圧造加工を施すことで得られる。
　本発明のボルト及びナット或いは本発明のボルト、ナット及びワッシャーを組み合わせて締結構造を構築した場合、これら締結部品間での電食や熱膨張の差による問題を解消することができる。
　本発明のボルト、ナット又はワッシャーの表面に、腐食から保護するコーティングを施してもよい。
　表面にコーティングを施すことにより、使用環境中に含まれる腐食成分がマグネシウム合金と接触することを防止でき、耐食性の向上を図ることができる。また、ボルト、ナット及びワッシャーなどの締結部品の他、軸類、ピン、リベット、歯車、板材、プレス材、航空機部品、車輌部品又は各種電気製品の部品や筐体の表面に、腐食から保護するコーティングを施してもよい。
　コーティングは、使用環境中に含まれる腐食成分に対して耐食性を有する材料からなり、腐食成分の侵入を防ぐ構造を有する。コーティングには、無機コーティング剤や有機コーティング剤を用いることができ、耐熱性や耐久性などの観点から、無機コーティング剤を採用することが好適である。また、例えばボルトなど使用中に応力（荷重）がかかる部品の場合は、コーティングの強度を向上させるために、例えばセラミックス、金属或いは樹脂などの助剤を必要に応じてコーティングに添加してもよい。
　コーティングの厚みは、1μm以上20μm未満であることが好ましい。コーティングの厚みが1μm未満では、十分な耐食性を得ることが難しい。一方、コーティングの厚みが20μm以上であっても耐食性に大きな変化がなく、むしろ、コーティングが厚くなることで部品の寸法精度に影響を与える虞がある。
　コーティングは、公知のコーティング技術を利用することができ、コーティング剤には、例えばドルケン（Doerken）株式会社のDELTAシリーズを用いることができる。
　ボルトなどの部品表面にコーティングを施す際には、コーティングの密着性を向上させるために、前処理として、例えば脱脂処理、化成処理或いはショットブラスト、サンドブラストなどの表面処理を必要に応じて実施してもよい。また、コーティングを施す際にコーティングを熱処理する場合は、マグネシウム合金の結晶組織への影響を考慮して、熱処理温度を250℃未満とすることが好ましい。
　本発明のマグネシウム合金の線状体は、Yを所定量含有し、特定の組成、優れたクリープ特性を有することで、耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れており、ボルト、ナット並びにワッシャーなどの締結部品の素材に好適に使用することができる。
　本発明のボルト、ナット及びワッシャーは、本発明のマグネシウム合金の線状体に塑性加工を施して得られたものであり、耐熱性に優れる。
　（実施例１）
　表１に示す組成となるように各元素を坩堝に入れ、電気炉で溶解し、鋳型に流し込んでマグネシウム合金のビレットを鋳造した。坩堝と鋳型には高純度のカーボン製のものをそれぞれ使用し、溶解と鋳造はArガス雰囲気下で行った。また、ビレットは、φ80×90（mm）の円柱体とした。次に、各ビレットの表面を研削してφ49mmとした後、押出し加工を施してφ13mmの棒材を作製した。
　押出し加工は、加工温度を350～450℃とすることが好適である。加工温度を350℃以上とするとで、マグネシウム合金の塑性加工性を高め、加工中に割れなどが生じることを防止し易い。一方、加工温度が450℃を超えると、加工中に粒成長が進行して結晶粒径が粗大化し、その後の塑性加工性が悪化することから好ましくない。また、押出し比については、5～20％とすることが好適である。押出し比を5％以上とすることで、加工に伴う変形により、機械的特性の向上が期待できる。しかし、押出し比が20％を超えると、加工中に割れや断線などが発生することが懸念される。さらに、押出し後の冷却速度は0.1℃／sec以上が好ましく、この下限値を下回ると粒成長が進行する。ここでは、加工温度：385℃、押出し比：15％、押出し速度：0.2mm／sec、冷却速度：1℃／secの条件で押出し加工を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　［ワイヤの加工］
　作製したマグネシウム合金の各棒材に引抜き加工を施してφ8.9mmの線材（ワイヤ）を作製した。いずれのワイヤも外観に割れなどの異常がなかった。いずれのワイヤも直径φの100倍以上の長さを有していた。
　引抜き加工は、加工温度を100～300℃とすることが好適である。加工温度を100℃以上とするとで、マグネシウム合金の塑性加工性を高め、加工中に割れや断線などが生じることを防止し易い。一方、加工温度が300℃を超えると、加工中に粒成長が進行して結晶粒径が粗大化し、その後の塑性加工性が悪化することから好ましくない。また、一回の引抜き加工における加工度（断面減少率）については、5～20％とすることが好適である。加工度を5％以上、特に10％以上とすることで、加工に伴う変形により、機械的特性の向上が期待できる。しかし、加工度が20％を超えると、加工中に割れや断線などが発生することが懸念される。さらに、引抜き後の冷却速度は0.1℃／sec以上が好ましく、この下限値を下回ると粒成長が進行する。
　複数回の引抜き加工を行い、初期線径から最終線径に至る総加工度が20％を超える加工を行う場合、総加工度が20％以下のタイミングで引抜き加工後に中間熱処理を施し、加工によって導入されたひずみを除去することで、その後の引抜き加工において割れや断線の発生を軽減でき、総加工度が20％超の引抜き加工が可能である。
　引抜き加工で導入されたひずみを除去するための熱処理温度としては、100～450℃とすることが好ましい。熱処理温度が100℃未満ではひずみが十分に除去されず、一方、500℃以上では熱処理中に結晶粒径が粗大化し、その後の塑性加工性が悪化することから好ましくない。また、熱処理は、複数回の引抜き加工の途中だけでなく、最終の引抜き加工後にも施してもよい。最終線径とした後に熱処理を施すことで、ワイヤの強度や伸びを調整することができる。
　ここでは、加工温度：250℃（ただし、組成Dの場合は150℃）、一回の加工度：11～14％、引抜き速度：50mm／sec、冷却速度：1℃／secの条件で複数回の引抜き加工を行い、総加工度：53％、中間の熱処理温度：450℃（ただし、組成Dの場合は400℃）、最終の熱処理温度：350℃（ただし、組成Dの場合は400℃）とした。
　［ワイヤの特性評価］
　作製した各組成のマグネシウム合金ワイヤから試験片を採取し、各試験片についてクリープ試験を実施し、各ワイヤのクリープ特性を評価した。なお、クリープ試験は、試験片に75MPaの一定の荷重（応力）を加えた状態で、150℃で100時間保持することとし、100時間後のクリープひずみを測定することで、クリープ特性を評価した。その結果を表２に示す。
　また、各ワイヤについて、0.2％耐力、引張強さ及び伸びを測定した。その結果も表２に示す。なお、いずれも室温にて測定した値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　組成A及びBのマグネシウム合金ワイヤWA及びWBは、クリープひずみが1.0％以下であり、耐熱性（クリープ特性）に優れていることが分かる。また、0.2％耐力が220MPa以上、引張強さが260MPa以上であり、強度に優れ、かつ伸びが4％以上であるので、塑性加工性にも優れる。これに対し、組成Cのマグネシウム合金ワイヤWCは、耐熱性と強度に優れているとはいうものの、伸びが低い。そのため、塑性加工性が悪く、二次製品に加工し難い。組成Dのマグネシウム合金ワイヤWDは、クリープ試験において10時間で破断したため、耐熱性が極めて悪く、また強度も低い。
　［ボルトの加工］
　作製したマグネシウム合金の各ワイヤを所定寸法に切断し、これに鍛造加工を施してボルト頭を成形した後、転造加工を施してねじ山を成形して、M10相当のボルトを作製した。ここでは、鍛造加工温度：350℃、転造加工温度：190℃とした。
　［ナットの加工］
　また、各ワイヤを所定寸法に切断し、これに圧造加工を施してねじ孔をあけながら六角状に成形した後、ねじ孔にねじ切りを行って、上記した各組成のマグネシウム合金ボルトに対応する同じ組成のナットを作製した。ここでは、圧造加工温度：350℃とし、ねじ切りは室温にて行った。
　［ボルトの特性評価］
　作製した各組成のマグネシウム合金ボルトについて、軸力緩和試験を実施し、各ボルトの軸力緩和特性を評価した。ただし、組成Cのマグネシウム合金ワイヤを用いて作製したボルトは、外観に割れが認められたため、軸力緩和試験を実施しなかった。
　軸力緩和試験は、次のようにして行った。ボルト孔を有するマグネシウム合金の板材を用意し、ボルト孔にボルトを挿通してナット（ボルトと同じ組成のもの）を用いて締め付ける。この際に、締め付け前後でのボルトの伸びを超音波ボルト軸力計（株式会社ＴＭＩダコタ製BOLT-MAX　II）を用いて測定し、ボルト長の変化量とヤング率とから初期軸力を算出する。このときのボルトの締め付け力はボルト加工前におけるワイヤでの0.2％耐力の50％とし、ヤング率はワイヤの引張試験から求めた値を用いた。次に、ボルトを締め付けた状態で、150℃で24時間保持し、室温まで冷却した後、ボルトを取り外す。この際に、取り外し前後でのボルトの伸びを超音波ボルト軸力計を用いて測定し、ボルト長の変化量とヤング率とから残留軸力を算出する。
　上記軸力緩和試験から得られた初期軸力と残留軸力とを基に、各ボルトの軸力緩和率を次式により求めることで、軸力緩和特性を評価した。その結果を表３に示す。なお、軸力緩和率が小さい方が軸力緩和特性に優れ、ボルトとして優位である。
　軸力緩和率＝（初期軸力－残留軸力）／初期軸力
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　組成A及びBのマグネシウム合金ボルトBA及びBBは、軸力緩和率が小さく、軸力緩和特性に優れていることが分かる。そのため、高温環境下で使用しても軸力が安定し、軸力が低下することがないので緩むことが少ない。これに対し、組成Dのマグネシウム合金ボルトBDは、軸力緩和率が90％以上であり、高温環境下で使用した場合に軸力が低下して緩むことがあるので、高温環境下での使用に十分耐えられない。この場合において、軸力緩和率は50％以下、さらに30％以下、特に20％以下が好ましい。
　（実施例２）
　実施例１と同様にして、表１に示す組成Bのマグネシウム合金ワイヤを作製し、そのワイヤにボルト加工を施して、M10相当の同じマグネシウム合金ボルトを４個作製した。さらに、作製した４個のマグネシウム合金ボルトのうち１個を除いて、次のようにして、ボルト表面に腐食から保護するコーティングを施した。
　［コーティング］
　コーティングを施す前の前処理として、ショットブラストによるボルトの表面処理を行った。ショットブラストは、投射材に粒径38～75μmのスチールショットを使用し、2～3分間行った。表面処理後、ボルト表面にコーティング剤（ドルケン株式会社製DELTA-PROTEKT（登録商標）　VH300）を塗布し、塗布後、ボルト表面のコーティング剤を硬化反応させるために誘導加熱炉に入れ、熱処理を行った。熱処理は、熱処理温度を200℃とし、5～10秒間行った。なお、コーティングを施すマグネシウム合金ボルトのそれぞれのコーティングの厚みは、2μm、18μm、25μmとした。
　［コーティングの評価］
　コーティングを施さなかったマグネシウム合金ボルト及びコーティングを施したマグネシウム合金ボルトについて、ISO　9227：1990（JIS　Z　2371：2000に対応）に準じた塩水噴霧試験を実施し、耐食性を評価した。なお、塩水噴霧試験は、2000時間行い、変色が視認されるまでの時間（変色発生時間）を測定することで、耐食性を評価した。その結果を表４に示す。
　また、M10相当のボルトに対応するナットを用意し、上記した各ボルトがナッに締め付け可能か否か（ボルトの締付可否）を確認した。その結果も表４に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４の結果から、コーティングを施したマグネシウム合金ボルトは、塩水腐食環境下で2000時間以上変色が発生せず、コーティングを施していないマグネシウム合金ボルト（コーティングの厚みが0）に比較して、耐食性に優れていることが分かる。ただし、コーティングの厚みが25μmのマグネシウム合金ボルトは、ナットに締め付けることができなかった。これは、コーティングの厚みが増すことで、その分ボルトの寸法（外径）が大きくなり、ボルトをナットに螺合することができなくなったことが原因と考えられる。
　以上、本発明のマグネシウム合金の線状体（ワイヤ）及びそれを用いたボルトとナットについて説明したが、本発明の線状体は耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れていることから、ボルトやナット以外にも、ワッシャーなどの素材に好適に使用できることはいうまでもない。
　なお、本発明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、Y及びその他の元素の含有量を変更してもよい。
　本発明のマグネシウム合金の線状体は、耐熱性に優れながらも塑性加工性に優れており、塑性加工を施して二次製品に利用することができる。例えば、ボルト、ナット並びにワッシャーなどの締結部品の素材に好適に使用することができる。

Claims (10)

  1. 　マグネシウム合金の線状体であって、
    　組成は、質量％で、
    　　Y：0.1～6％を含有し、
    　　Al：0.1～6％、Zn：0.01～2％、Mn：0.01～2％、Sn：0.1～6％、Ca：0.01～2％、Si：0.01～2％、Zr：0.01～2％及びNd：0.01～2％からなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、
    　　残部がMg及び不可避的不純物からなり、
    　以下の条件でクリープ試験を行って得られるクリープひずみが1.0％以下であることを特徴とするマグネシウム合金の線状体。
    　クリープ試験条件は、温度150℃、応力75MPaで100時間とする。
  2. 　0.2％耐力が200MPa以上、引張強さが260MPa以上であることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム合金の線状体。
  3. 　伸びが4％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマグネシウム合金の線状体。
  4. 　請求項1～３のいずれか１項に記載のマグネシウム合金の線状体に塑性加工を施して得られたことを特徴とするボルト。
  5. 　請求項1～３のいずれか１項に記載のマグネシウム合金の線状体に塑性加工を施して得られたことを特徴とするナット。
  6. 　請求項1～３のいずれか１項に記載のマグネシウム合金の線状体に塑性加工を施して得られたことを特徴とするワッシャー。
  7. 　表面に、腐食から保護するコーティングが施されていることを特徴とする請求項４に記載のボルト。
  8. 　表面に、腐食から保護するコーティングが施されていることを特徴とする請求項５に記載のナット。
  9. 　表面に、腐食から保護するコーティングが施されていることを特徴とする請求項６に記載のワッシャー。
  10. 　質量％で、Y：0.1～6％を含有し、更にAl：0.1～6％、Zn：0.01～2％、Mn：0.01～2％、Sn：0.1～6％、Ca：0.01～2％、Si：0.01～2％、Zr：0.01～2％及びNd：0.01～2％からなる群から選ばれる１種以上の元素を含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなることを特徴とするマグネシウム合金。
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