WO2006006379A1

WO2006006379A1 - マグネシウム基複合粉末、マグネシウム基合金素材およびそれらの製造方法

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Publication number: WO2006006379A1
Application number: PCT/JP2005/011744
Authority: WO
Inventors: Katsuyoshi Kondoh
Original assignee: Toudai Tlo, Ltd.
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-01-19
Also published as: EP1772213A1; EP1772213A8; JP4686690B2; US20080019857A1; CN1980760A; JP2006022380A

Abstract

　Ｍｇ２Ｓｉ粒子分散型マグネシウム基複合材料を作るための出発原料となるマグネシウム基複合粉末は、マグネシウム合金の素地を構成する主成分となるＭｇ基粉末７と、その表面にバインダ９を介して付着したＭｇ２Ｓｉ粒子とを備える。

Description

明細書

マグネシウム基複合粉末、マグネシウム基合金素材およびそれらの製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、高剛性を有する Mg Siを含むマグネシウム基複合粉末およびマグネシ

2

ゥム基合金素材ならびにそれらの製造方法に関するものである。

背景技術

[0002] マグネシウム合金は、その低比重による軽量ィ匕効果を特徴とし、主に携帯電話ゃ携帯音響機器の筐体にぉ、て広く製品化 ·実用化されて 1、る。製品や部材の設計においては、素材の強度や硬さといった機械的特性の他に、剛性が重要な材料因子となる。

[0003] 例えば、オートマチックトランスミッション (AT)用ハウジング（ケース）にマグネシウム合金を適用する際、現在用いられているアルミニウム合金 (例えば、 ADC12)と同等の引張強さやクリープ強度を有する場合であっても、既存のマグネシウム合金の剛性 (ヤング率）はアルミニウム合金の約 60%前後であるため、同じ寸法'肉厚では荷重が付与された場合に橈み ·変形が生じる。それゆえに、これまでマグネシウム合金の実用化においては、適用する製品 *部材によっては厚肉化設計が必要となり、軽量化効果が得られな、と、う問題があった。

[0004] マグネシウム合金をはじめ、金属材料の剛性向上には、その金属材料よりも高い剛性を有する化合物粒子を分散させる方法、いわゆる複合材料の利用が一般に有効である。例えば、マグネシウムシリサイド（Mg Si)はヤング率が 120GPaであり、一般

2

のマグネシウム合金のヤング率（43〜44GPa)に比べて顕著に大きいことから、その粒子を合金中に分散した複合材料においては剛性向上が期待できる。

[0005] し力しながら、溶解'铸造法により Mg— S係合金を製造する場合、 Si含有量が重量基準で約 1%付近に共晶点が存在するため、 1重量％を遥かに超える Siを添加した場合、 Mgとの反応によって生成する Mg Siは粗大成長する。このような粗大な Mg

2

Si粒子を含むマグネシウム合金では、その粒子での応力集中による強度 '靭性の低下が生じることや、 Mgと Siとの反応による発熱を伴うことで溶解過程での爆発などの危険性がある。また粗大な Mg Si粒子が存在することで金型内への铸込み性能 (铸

2

造性)が低下し、铸造合金素材内部に多数の欠陥や空孔が存在するといつた問題が生じる。それゆえに、 AS21合金（Mg— 2%Al—l%Si)や AS41合金（Mg—4%A1 - l%Si)などが溶解'铸造法によって製造可能な Mg Si含有マグネシウム合金であ

2

る。し力しながら、 1重量％程度の Siを添加した場合、生成する Mg Si粒子の体積分

2

率が全体の 1%程度にも満たな、ため、マグネシウム合金の剛性を著しく向上させることは困難である。

[0006] 他方、 S. K. THAKURら（出典： Metallurgical and Materials Transactions A, Vol.

35A, March 2004, p.1167-1176)は、 Si粉末を含む 3種類の混合粉末を固化したプリフォームを事前に形成し、ここに溶解したマグネシウム合金を加圧しながら浸透させる溶浸 (infiltration)法によって Mg Si粒子を含むマグネシウム合金を製造する方法

2

を提案している。し力しながら、この方法では、溶解した Mg合金と Siとの反応によつて合成する Mg Siは、その反応過程で粒成長を伴い、結果として 70〜： LOO /z m程度

2

の粗大な Mg Si粒子としてマグネシウム合金中に存在する。その結果、上述したよう

2

な種々の性能上の問題を生じる。

[0007] 本願発明者は、特願 2003— 2602号（2003年 1月 8日出願）において、粉末冶金法を用いて、 Mg Si粒子が分散するマグネシウム基複合材料を製造する技術を開示

2

した。ここでは、機械的結合法あるいはバインダを用いた接着法によって微細な Si粉末または SiO 粉末をマグネシウム基合金粉末の表面に付着したマグネシウム複合

2

粉末およびその製造方法を提案している。さらに、このような複合粉末に対して温間塑性加工を施し、その過程で Mgと、 Sほたは SiO との固相反応を利用して Mg Si

2 2 粒子を生成し、最終的に内部にこの Mg Si粒子を均一に分散させたマグネシウム基

2

複合材料を得ることを提案して、る。

[0008] 特願 2003— 2602号に開示された技術により得られるマグネシウム基複合材料は、高い引張強さを示すが、 Mgと、 Sほたは SiO との反応に必要な高温加熱 (例えば

2

、 400〜550°C程度）が必要である。その際にマグネシウム結晶粒の粗大化を伴う。言い換えると、更なる高強度化を実現するには加熱温度の低温ィ匕が有効であるが、上記の固相反応の関係から、例えば、 300°C前後といった低温加熱化は困難である発明の開示

[0009] 本発明の目的は、高温加熱を施さなくても、微細な Mg Si粒子を多量に含有する

2

高剛性および高強度のマグネシウム合金を得ることである。

[0010] 本願発明者は、 Mg Si粒子を分散させてヽるマグネシウム基複合材料を製造する

2

には、 Mg基粉末の表面および Zまたは素地内部に Mg Si粒子が存在するマグネシ

2

ゥム基複合粉末を用いることが有効であることを見出した。特願 2003— 2602号に開示されたような Si粒子を用いて、 Mg粉体との固相反応により Mg Si粒子を合成する

2

方法ではなぐ Mg Si粒子を用いることにより、以下の利点が得られることを見出した

2

[0011] (1)上記の Si— Mg反応を促進させるために要する、 400〜550°C付近までの高温加熱が不要となり、その結果、素地の Mg結晶粒の粗大'成長を抑えることで Mg基合金の強度低下を抑制できる。

[0012] (2) Si— Mg反応過程における発熱現象を回避することで Mg Si粒子および Mg結

2

晶粒の粗大化を抑制できる。

[0013] 要するに、上述したような Mgと Siとの固相反応に必要な高温加熱を施さなくとも、 2 00〜400°C程度での温間押出加工によってマグネシウム基合金の製造が可能となる。その結果、微細な Mg Si粒子を多量に含有する高剛性かつ高強度のマグネシゥ

2

ム基合金を得ることができる。

[0014] 本発明に従ったマグネシウム基複合粉末は、マグネシウム基粉末と、マグネシウム基粉末の表面および素地内部の少なくともいずれか一方に分散しているマグネシゥムシリサイド (Mg Si)とを備える。

2

[0015] 上記のマグネシウム基複合粉末において、 Mg Siの最大粒子径は、 50 m以下、

2

好ましくは 20 μ m以下、より好ましくは 5 μ m以下である。また、当該マグネシウム基複合粉末に対する Mg Siの含有量は、好ましくは、体積基準で 5〜60%である。

2

[0016] 本発明に従ったマグネシウム基合金素材は、上記のマグネシウム基複合粉末を圧粉成形して焼結したものであり、素地中に Mg Si粒子を分散させている。 [0017] 一つの実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は、次の工程を備える。

a) マグネシウム (Mg)基粉末およびマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を準備す

2

る工程。

b) Mg基粉末の表面にバインダを塗布する工程。

c) ノインダを塗布した Mg基粉末と Mg Si粒子とを混合'攪拌して、 Mg基粉末の表

2

面に Mg Si粒子を結合させる工程。

2

[0018] 他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は、次の工程を備える。

2

る工程。

b) Mg基粉末と Mg Si粒子とを配合した後に機械的に混合して、 Mg基粉末の表面

2

に Mg Si粒子を機械的に結合させる工程。

2

[0019] 上記の方法において、 Mg基粉末の表面に Mg Si粒子を機械的に結合させる手法

2

は、例えば、配合粉末をボールミル、混合粉砕ミル、ローラーコンパクタ、または圧延機等を用いて機械的に混合することである。

[0020] さらに他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は、次の工程を備える。

2

る工程。

b) Mg基粉末と Mg Si粒子とを混合する工程。

2

c) 混合粉末を金型内で圧粉成形して Mg Si粒子が分散した Mg基圧粉成形体を

2

作製する工程。

d) Mg基圧粉成形体を焼結して Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作製する

2

工程。

e) Mg基焼結合金を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末化する工程。

[0021] さらに他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は

、次の工程を備える。 a) マグネシウム (Mg)基粉末およびシリコン (Si)粒子を準備する工程。

b) Mg基粉末と Si粒子とを混合する工程。

c) 混合粉末を金型内で圧粉成形して Si粒子が分散した Mg基圧粉成形体を作製する工程。

d) Mg基圧粉成形体を加熱し Mgと Siとの反応によって Mg Siを合成すると同時に

2

、 Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作製する工程。

2

[0022] さらに他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は

、次の工程を備える。

a) マグネシウム基溶湯中にマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を投入して攪拌す

2

る工程。

b) 溶湯を型に铸込んで铸造素材を作製する工程。

c) 铸造素材を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末化する工程。

[0023] さらに他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は、次の工程を備える。

2

る工程。

b) Mg基粉末と Mg Si粒子とを混合する工程。

2

作製する工程。

d) Mg基圧粉成形体を溶解'铸造して Mg Si粒子分散 Mg基铸造素材を作製する

2

工程。

e) 铸造素材を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末化する工程。

[0024] さらに他の実施形態では、本発明に従ったマグネシウム基複合粉末の製造方法は、次の工程を備える。

a) マグネシウム (Mg)基粉末およびシリサイド (Si)粒子を準備する工程。

b) Mg基粉末と Si粒子とを混合する工程。

d) Mg基圧粉成形体を加熱して Mgと Siとの反応によって Mg Siを合成すると同時

2

に、 Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作製する工程。

2

e) Mg基焼結合金を溶解'铸造して Mg Si粒子分散 Mg基铸造素材を作製するェ

2

程。

f) 铸造素材を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末化する工程。

[0025] 本発明に従ったマグネシウム基合金素材の製造方法は、上述したマグネシウム基複合粉末を圧粉成形する工程と、この圧粉成形体を 200〜400°Cの不活性ガス雰囲気または非酸化性ガス雰囲気で加熱する工程と、加熱後直ちに圧粉成形体を押出加工して緻密化する工程とを備える。

[0026] 本発明の特徴および作用効果については、以下の項に記載する。

図面の簡単な説明

[0027] [図 l]Mg基粉末の表面にバインダを用いて Mg Si粒子を付着させる方法の一例を示

2

す図解図である。

[図 2]Mg基粉末の表面にバインダを用いて Mg Si粒子を付着させる方法の他の例を

2

示す図解図である。

[図 3]Mg基粉末の表面に Mg Si粒子を付着したマグネシウム基複合粉末の一例を

2

示す図解図である。

[図 4]Mg基粉末の表面に Mg Si粒子を付着したマグネシウム基複合粉末の他の例

2

を示す図解図である。

[図 5]マグネシウム基複合粉末を製造する方法の一例を示す図である。

[図 6]Mg基粉末の素地中に Mg Si粒子を分散させたマグネシウム基複合粉末の一

2

例を示す図解図である。

[図 7]マグネシウム基複合粉末を製造する方法の他の例を示す図である。

[図 8]マグネシウム基複合粉末を製造する方法のさらに他の例を示す図である。

[図 9]マグネシウム基複合粉末を製造する方法のさらに他の例を示す図である。

[図 10]マグネシウム基複合粉末を製造する方法のさらに他の例を示す図である。

[図 ll]Mg基合金素地中に Mg Si粒子を分散させているマグネシウム基複合粉末の断面組織の一例を示す顕微鏡写真である。

[図 12]マグネシウム基複合粉末の X線回折結果の一例を示す図である。

[図 13]マグネシウム基複合粉末の X線回折結果の他の例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0028] (1)マグネシウム基複合粉末

(A) Mg Siの含有量

2

マグネシウム基複合粉末全体を 100%とした場合、体積基準で 5〜60%の Mg Si

2 を含有する。また本複合粉末を固化して得られるマグネシウム基合金の機械加工性 ( 切削性)の観点から、より好ましい Mg Siの含有量は体積基準で 20〜40%である。

2

Mg Si粒子の含有量が 5%未満の場合、十分な剛性を有するマグネシウム合金が得

2

られない。他方、 Mg Si粒子の含有量が 60%を超える場合、 Mg Si粒子を含むマグ

2 2

ネシゥム基複合粉末において Mg Si粒子の偏析'凝集が生じ、このような粉末を固化

2

して得られるマグネシウム基合金にぉ、て強度ゃ靭性の低下が生じる。アルミニウム合金と同等レベルの剛性を有し、しかも優れた強度と被削性を確保するためのより好まし!/、Mg Si粒子の含有量は体積基準で 20〜40%である。

2

[0029] (B) Mg Siの最大粒子径

2

マグネシウム基複合粉末に含まれる Mg Siの最大粒子径は 50 m以下、好ましく

2

は 20 μ m以下、さらに好ましくは 5 μ m以下である。 Mg Si粒子の最大粒子径が 50

2

IX mを超えると、得られるマグネシウム基合金の機械的特性や被削性が低下するといった問題が生じる。その値が 20 m以下の場合、 40体積％を超える Mg Si粒子

2 を含む場合であっても良好な被削性が維持できる。さらに Mg Si粒子の最大粒子径

2

力 / z m以下の場合には、マグネシウム基合金の被削性が向上すると同時に、微細な Mg Si粒子の分散によって本合金の引張強さが向上する。

2

[0030] (C)剛性 (ヤング率）

マグネシウム基合金のヤング率は 48〜90GPaである。ヤング率力 8GPa未満であれば、既存のマグネシウム合金のヤング率に対する増加率が 10%以下となり、自動車用カバー'ケース関連部品やパソコン '携帯機器などの筐体部品などに適用することは困難である。他方、前記の通り、ヤング率が 90GPaを超える場合には、 Mg Siの含有量が体積基準で 60%を超えることとなるために合金素材の靭性ゃ被削性が低下する。

[0031] (2)マグネシウム基複合粉末の製造方法

(A)バインダによる接着を用いたマグネシウム基複合粉末

図 1および図 2は、ノインダ溶液を用いた Mg基複合粉末の製造方法を示し、図 3は、これらの方法によって得られた Mg基複合粉末の断面構造を模式的に示している。

[0032] 本方法では、湿式造粒機やスプレードライヤーを用いて複合粉末を製造する。図 1 に示す方法では、容器 1内に Mg基粉末と Mg Si粒子との混合物 2を投入し、温風 3

2

を容器 1の下部力も供給してこの混合物 2を浮遊させる。その状態で、ノインダ溶液 4 を上部カゝら混合物 2に噴霧して各粒子の表面にバインダを塗布しながら、同時に高温乾燥させる。その結果、図 3に示すように、 Mg基粉末 7の表面にバインダ 9を介して Mg Si粒子 8が付着'結合する。

2

[0033] 図 2に示す方法では、容器 1内に比較的低風量で Mg基粉末と Mg Si粒子との混

2

合物 2を浮遊させた状態で、バインダ溶液 4を風流方向に対して垂直に下部力噴霧している。

[0034] また、図示してヽな、が、バインダ溶液中に Mg Si粒子を混合'攪拌し、このバイン

2

ダ溶液を、温風によって浮遊した Mg基粉末に対して噴霧して塗布することにより、同様に Mg基粉末表面にバインダを介して Mg Si粒子を付着 '結合させることができる。

2

[0035] また別の方法として、所定量の Mg基粉末を容器に投入し、その中にバインダとなるォレイン酸を Mg基粉末に対して重量比率で 0. 2〜0. 5%添加した後、容器全体を振動あるいは回転させることで容器内の Mg基粉末表面にォレイン酸を塗布する。その後、容器に Mg Si粒子を添加し、再度容器を振動あるいは回転させて、ォレイン酸

2

が塗布された Mg基粉末表面に Mg Si粒子を付着させる。このようにして、図 3に示

2

すような Mg基複合粉末が得られる。

[0036] (B)機械的結合によるマグネシウム基複合粉末

一方、機械的に結合させる方法としては、 Mg基粉末と Mg Si粒子とを混合した状

2

態でボールミルや混合粉砕ミル、ローラーコンパクタ、圧延機などに投入し、圧縮'せん断加工などを混合粉体に付与することで、 Mg基粉末表面に Mg Si粒子が機械的に結合'付着した Mg基造粒物が得られる。必要に応じて、この造粒物カゝら粉砕'篩粉機によって図 4に示すような断面構造を有する所定の寸法'形状を有する Mg基複合粉末を得ることができる。図 4に示す Mg基複合粉末 15では、 Mg基粉末 7の表面に Mg Si粒子 8が機械的に結合して付着している。

2

[0037] (C) Mg Si粒子分散 Mg基焼結合金を用いたマグネシウム基複合粉末

2

(a)図 5に示す方法

出発原料として Mg基粉末と Mg Si粒子とを準備し、両者を所定の配合比率で混合

2

•攪拌した後、金型内に充填し、加圧固化することで Mg Si粒子が分散した Mg基圧

2

粉成形体を作製する。

[0038] 上記の圧粉成形体を不活性ガスあるいは非酸化性ガスあるいは真空中で Mg基粉末の融点未満で加熱することで、 Mg基粉末間での固相拡散によって Mg Si粒子分

2 散型 Mg基焼結合金が得られる。

[0039] 上記の Mg Si粒子分散型 Mg基焼結合金をボールミルやクラッシャーミルなどの粉

2

砕機あるいは切削等の機械加工によって粉体ィ匕することにより、図 6に示すような断面構造で所定の寸法'形状を有する Mg基複合粉末 16が得られる。図 6に示す Mg 基複合粉末 16では、主として Mg基粉末 7の素地の内部に Mg Si粒子が分散してい

2

る。

[0040] なお、上記の Mg Si粒子分散型 Mg基焼結合金において、体積基準で Mg Si粒子

2 2 の含有量が 60%を超える場合、 Mg Si粒子の偏析 '凝集が生じ、また切削加工にお

2

ける工具寿命の低下といった被削性の問題が生じる。かかる観点から、 Mg Si粒子

2 の含有量は 60%以下が望まし、。

[0041] (b)図 7に示す方法

出発原料として Mg基粉末と Si粒子とを準備し、両者を所定の配合比率で混合'攪拌した後、金型内に充填し、加圧固化することで Si粒子が分散した Mg基圧粉成形体を作製する。

[0042] 上記の圧粉成形体を不活性ガスあるいは非酸化性ガスあるいは真空中で Mg基粉末の融点未満で加熱することにより、 Si— Mg間での固相反応による Mg Si合成と同

2 時に、 Mg基粉末間での固相拡散によって Mg Si粒子分散型 Mg基焼結合金を得る [0043] 上記の Mg Si粒子分散型 Mg基焼結合金をボールミルやクラッシャーミルなどの粉

2

砕機あるいは切削等の機械加工によって粉体ィ匕することにより、図 6に示すような構造で所定の寸法 ·形状を有する Mg Si粒子を含む Mg基複合粉末が得られる。

2

[0044] (D) Mg Si粒子分散 Mg基铸造合金を用いたマグネシウム基複合粉末

2

(a)図 8に示す方法

出発原料として準備した Mg Si粒子を Mg基合金溶湯に投入して攪拌した後に、

2

型内に铸込む。型から取り出した Mg基铸造合金中には、添加した Mg Si粒子が均

2

一に分散している。

[0045] 上記の铸造合金をボールミルやクラッシャーミルなどの粉砕機あるいは切削等の機械加工によって粉体化することにより、図 6に示すような断面構造で所定の寸法'形状を有する Mg Si粒子を含む Mg基複合粉末が得られる。なお、 Mg Si粒子を投入

2 2

した後の Mg基合金溶湯の溶解温度は、 Mg— Si平衡状態図において Mgと Mg Si

2 との固相線温度未満とする。逆に固相線温度以上に加熱すると、 Mg Si

2 が Mg基合金溶湯中に固溶し、铸込んだ後の凝固過程で Mg Siが粗大 ·成長するといった問題

2

が生じる。

[0046] (b)図 9に示す方法

2

•攪拌した後、金型内に充填し、加圧固化して Mg Si粒子が分散した Mg基圧粉成

2

形体を作製する。この圧粉成形体をるつぼ内に投入して加熱し、 Mg Si

2 粒子が分散する Mg基合金溶湯を作製する。十分に溶湯を攪拌した後に型内に铸込む。

[0047] 型力取り出した Mg基铸造合金中には、添加した Mg Si粒子が均一に分散して

2

おり、この合金をボールミルやクラッシャーミルなどの粉砕機あるいは切削等の機械加工によって粉体化することにより、図 6に示すような断面構造で所定の寸法 ·形状を有する Mg Si粒子を含む Mg基複合粉末が得られる。

2

[0048] (c)図 10に示す方法

出発原料として Mg基粉末と Si粒子とを準備し、両者を所定の配合比率で混合'攪拌した後、金型内に充填し、加圧固化することにより、 Si粒子が分散した Mg基圧粉成形体を作製する。

[0049] 上記の圧粉成形体を不活性ガスあるいは非酸化性ガスあるいは真空中で Mg基粉末の融点未満で加熱することにより、 Si— Mg間での固相反応による Mg Si合成と同

2 時に、 Mg基粉末間での固相拡散によって Mg Si粒子分散型 Mg基焼結合金が得ら

2

れる。

[0050] 上記の焼結合金をるつぼ内に投入して加熱し、 Mg Si粒子が分散する Mg基合金

2

溶湯を作製する。十分に溶湯を攪拌した後に型内に铸込む。型カゝら取り出した Mg基铸造合金中には、添加した Mg Si粒子が均一に分散しており、この合金をボールミ

2

ルゃクラッシャーミルなどの粉砕機あるいは切削等の機械カ卩ェによって粉体ィ匕することにより、図 6に示すような断面構造で所定の寸法'形状を有する Mg Si粒子を含む

2

Mg基複合粉末が得られる。

[0051] なお、切削加工の際に用いた切削油は Mg基複合粉末に付着するため、洗浄処理により切削油成分を除去した上で原料として用いる。

[0052] (3)マグネシウム基合金素材

上記の Mg Si粒子を含む Mg基複合粉末を出発原料とし、これを成形固化すること

2

で Mg Si粒子が分散する Mg基合金が得られる。

2

[0053] Mg基複合粉末を圧粉成形した後、これを加熱して押出加工あるいは鍛造加工あるいは圧延加工を施すが、その際の成形体の加熱温度は 200〜400°C程度が好ましい。 200°Cを下回ると、押出加工が困難となる場合が生じる。他方、 400°Cを超えると、押出加工速度の高速化に伴い、押出加工後の素材の温度が上昇し、結晶粒の粗大化による強度低下を招く場合もある。

[0054] 上記のようにして得られた Mg基合金の素地中には、微細な Mg Si粒子が均一に

2

分散している。合金中に分散する Mg Si粒子の粒子径は、 Mg基複合粉末中の粒子

2

径と同じであることから、 Mg基合金中の Mg Si粒子の最大粒子径は 50 /z m以下、

2

好ましくは 20 μ m以下、さらに好ましくは 5 μ m以下である。また Mg基合金における Mg Siの含有量は、体積基準で 5〜60%である。その結果、高剛性かつ高強度を有

2

する Mg基合金の製造が可能となる。

実施例 1 [0055] 純 Mg粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 350 m)と Si粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 22 μ m)を準備し、両粉末を Mg： Si= 2： 1 (モル比）で配合した後、ボールミルを用いて 30分間混合処理を行った。その混合粉末をカーボン製型（内径 35mm φ ) に充填した状態で放電プラズマ焼結装置にセットして、真空中で圧力 lOOMPa,試料温度 600°Cとなるように調整して 15分間の焼結を施した。その結果、 Mg Siからな

2 る外径 35mm φ ,厚み 12mmの円盤状試料を得た。

[0056] 上記の円盤状試料をジェットミルカ卩工機によって粉砕し、最大粒子径が 15 m以下となるように微細粉砕 ·篩粉処理を行うことで出発原料である Mg Si粒子を作製し

2

た。他方、 Mg基粉末として直径 2mm程度の AZ31 (公称組成 Mg— 3A1— lZnZm ass%)合金粉末を出発原料として準備した。

[0057] 図 5に示す方法に基づき、先ず AZ31粉末と Mg Si粒子とを所定の比率で混合し、

2

直径 60mm φの金型に充填して 400MPaの圧力を付与して圧粉成形体を作製した。この圧粉成形体に対して窒素ガス雰囲気中で 550°C X 1時間の焼結を施すことにより、 Mg Si粒子が分散した AZ31焼結合金を得た。そして切削加工によって、この

2

焼結合金から直径 0. 5〜3mm程度の Mg基複合粉末を作製した。

[0058] Mg基複合粉末全体に対して Mg Si粒子の含有量が体積基準で 16%とした場合

2

における複合粉末の断面組識観察結果を図 11に示す。粒子径が 15 m以下の Mg Si粒子は偏析ゃ凝集することなく AZ31素地中に均一に分散しており、本発明によ

2

る Mg基複合粉末が得られた。

実施例 2

[0059] 図 7に示す方法に基づき、先ず純 Mg粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 350 m)と Si粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 22 m)を準備し、両粉末を所定の比率で配合した後、ボールミルを用いて 30分間混合処理を行った。その混合粉末を直径 60mm φの金型に充填して 400MPaの圧力を付与して圧粉成形体を作製した。

[0060] 上記の圧粉成形体を真空中で 590°C X 1時間の加熱処理を施すことにより、 Siと M gとの固相反応による Mg Si粒子を合成し、同時に Mg粉末間での焼結を促進させる

2

ことで Mg Si粒子分散 Mg焼結材を得た。そしてボールミルによってこの焼結素材を

2

粉砕して直径 0. 3〜： Lmm程度の Mg基複合粉末を作製した。 [0061] Mg基複合粉末全体に対して Mg Si粒子の含有量が体積基準で 7%とした場合に

2

おける Mg基複合粉末の X線回折結果を図 12に示す。 Mgと Mg Siのピークのみが

2

検出されており、出発原料に用いた Siのピークはないことから、 Mgと完全に反応して Mg Siの合成に消費された。また MgOのピークもないこと力焼結過程における酸

2

ィ匕も生じていない。

[0062] また、光学顕微鏡による組識観察の結果、粉末素地中に分散する Mg Siの平均粒

2 子径は約 24 mであり、出発原料である Si粉末の粒子径と同等であることから、上記の Mgとの反応過程において顕著な粗大粒成長は生じていない。その結果、本発明が規定する Mg Si粒子が均一に素地中に分散する Mg基複合粉末が得られた。

2

実施例 3

[0063] 純 Mg粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 350 m)と Si粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 22 μ m)を準備し、両粉末を Mg： Si= 2： 1 (モル比）で配合した後、ボールミルを用いて 30分間混合処理を行った。その混合粉末をカーボン製型（内径 35mm φ ) に充填した状態で放電プラズマ焼結装置にセットして、真空中で圧力 100MPa、試料温度 600°Cとなるように調整して 30分間の焼結を施した。その結果、 Mg Siからな

2 る外径 35mm φ ,厚み 18mmの円盤状試料を得た。

[0064] 上記の円盤状試料をジェットミルカ卩工機によって粉砕し、最大粒子径が 10 μ m以下となるように粉砕'篩粉処理を行い、出発原料である Mg Si粒子を作製した。

2

[0065] 図 8に示す方法に基づき、先ずカーボン製坩堝に AZ61 (公称組成 Mg— 6A1— 1 Zn/mass%)合金溶湯を準備した。溶湯温度を 720〜740°Cで管理した状態で上記の Mg Si粒子を所定の比率で添加して十分に攪拌した後に、金型に铸込み、 Mg

2

Si粒子が分散する AZ61铸造合金素材を作製した。

2

[0066] 上記の铸造合金から、切削加工によって直径 0. 5〜3mm程度の AZ61合金からなる Mg基複合粉末を作製した。表 1に铸造合金素材全体に対する Mg Si粒子の含

2 有量 (体積基準)を示す。また、得られた複合粉末の断面組識観察の結果と粉末を作製する際の切削加工における超硬製工具の損傷状況を同表に示す。

[0067] 本発明例である試料 No. 1〜5では、適正量の Mg Siを含むことで Mg基複合粉末

2

において Mg Si粒子の偏析ゃ凝集は生じることなぐ Mg Si粒子は素地中に均一に分散している。また、切削加工により Mg基複合粉末を作製する際の工具摩耗 (損傷状況）に関しても僅か〖こ軽微な擦れ跡が確認されるものの、問題ない状態である。

[0068] 他方、比較例である試料 No. 6においては、 Mg Si含有量が 65%と多いために、

2

粉末素地において Mg Si粒子の凝集が発生し、また切削加工により粉末を作製する

2

際において铸造合金が硬質の Mg Siを多量に含むために、工具において深い損傷

2

が発生すると同時に、その損傷部分に Mgが凝着するといつた問題が生じる。

[0069] [表 1]

実施例 4

[0070] 純 Mg粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 350 m)と Si粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 22 μ m)を準備し、両粉末を Mg： Si= 2： 1 (モル比）で配合した後、ボールミルを用いて 30分間混合処理を行った。

[0071] 上記の混合粉末をカーボン製型（内径 35mm φ )に充填した状態で放電プラズマ焼結装置にセットして、真空中で圧力 lOOMPa,試料温度 600°Cとなるように調整して 15分間の焼結を施した。その結果、 Mg S もなる外径 35mm φ ,厚み 12mmの

2

円盤状試料を得た。

[0072] 上記の円盤状試料をジェットミル加工機によって粉砕した。その際に粉砕加工条件を変更することで最大粒子径が異なる Mg Si粒子を作製した。

2

[0073] 図 9に示す方法に基づき、 Mg基粉末として直径 3mmの AM60 (公称組成 Mg— 6 Al-0. 5MnZmass%)合金粉末を出発原料として準備し、これと Mg Si粒子を所定の比率で混合し、直径 60mm φの金型に充填して 400MPaの圧力を付与して圧粉成形体を作製した。

[0074] 次に、カーボン製坩堝内の AM60合金溶湯 (溶湯温度； 720〜740°C)に圧粉成形体を投入して十分に攪拌した後に、金型に铸込み、 Mg Si粒子が分散する AM6

2

0铸造合金素材を作製した。そして切削加工によって、この铸造合金から AM60合金を素地とする Mg基複合粉末 (直径; 0. 5〜3mm)を作製した。なお、得られた Mg 基铸造合金における Mg Siの含有量は体積基準で 22%である。

2

[0075] 上記の Mg基複合粉末素地中に分散する Mg Si粒子の最大粒子径を算出すベぐ

2

複合粉末の断面構造を光学顕微鏡により観察し、その結果力画像解析により Mg

2

Si粒子の最大粒子径を求めた。その結果を表 2に示す。また铸造合金から Mg基複合粉末を作製する際の切削加工における超硬製工具の損傷状況を同表に示す。

[0076] 本発明例である試料 No . 7〜： L0では、铸造合金において適正な粒子径を有する Mg Siを含むことで、粉末を切削加工によって作製する際の工具摩耗'損傷は生じる

2

ことなく、良好な表面性状である。

[0077] 他方、比較例である試料 No . 1 1〜12においては、铸造合金に含まれる Mg Siの

2 最大粒子径が 50 mを超えて大きいために、切削加工の際に工具において深い損傷が発生すると同時に、その損傷部分に Mgが凝着するといつた問題が生じる。

[0078] [表 2]

実施例 5

[0079] 上記の実施例 3および実施例 4に記載の Mg基複合粉末を出発原料とし、金型成形により各粉末の圧粉体を作製した。各圧粉体を 350°Cに制御した窒素ガス雰囲気中で 5分間加熱保持した後、直ちに押出加工 (押出比 37)を施して押出素材を作製した。各押出素材力ゝら引張試験片を作製し、常温での引張特性 (引張強さと破断伸び)を評価すると共に、ヤング率を測定した。その結果を表 3に示す。

[0080] 本発明例である試料 No. 1〜5および 7〜10においては、優れた強度と靭性を有するマグネシウム基合金が得られており、特に試料 No. 4および 5ではアルミニウム合金に匹敵する高剛性を有する。また、試料 No. 7および 8に示すように合金中に分散する Mg Si粒子の最大粒子径が 5 μ mある、は 20 μ mを下回るような微細な場合

2

には、強度に加えて伸びも著しく増加する。

[0081] 他方、比較例である試料 No. 6においては、 Mg Si含有量が多いために Mg基合

2

金が脆くなり、機械加工による引張試験片の作製が困難となった。また比較例である試料 No. 11〜12においては、 Mg Siの最大粒子径が 50 mを超えて大きいため

2

に Mg基合金の靭性が低下し、併せて引張強さも低下した。

[0082] [表 3]

実施例 6

純 Mg粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 350 m)と Si粉末 (純度 99. 9%,平均粒子径 22 μ m)を準備し、両粉末を Mg： Si= 2： 1 (モル比）で配合した後、ボールミルを用いて 30分間混合処理を行った。その混合粉末をカーボン製型（内径 35mm φ ) に充填した状態で放電プラズマ焼結装置にセットして、真空中で圧力 lOOMPa,試料温度 600°Cとなるように調整して 30分間の焼結を施した。その結果、 Mg Siからな

2 る外径 35mm φ ,厚み 18mmの円盤状試料を得た。

[0084] 上記の円盤状試料をジェットミルカ卩工機によって粉砕し、最大粒子径が 10 μ m以下となるように粉砕'篩粉処理を行い、出発原料である Mg Si粒子を作製した。

2

[0085] 次に、容積 350mlのビニール製容器に粒子径 0. 5〜2mmの純 Mg粉末（純度 99 %)を 200g投入し、その容器の中に 0. 6gのォレイン酸を添加した状態で振動ミルを用いて容器を 15分間振動させることで、容器内の純 Mg粉末の表面にォレイン酸を均一に塗布した。さらにこの容器の中に上記の Mg Si粒子を添加（混合粉末全体に

2

対して体積基準で 13%)し、更に 15分間振動を与えて純 Mg粉末表面に Mg Si粒

2 子を付着させることにより、本発明が規定する Mg基複合粉末を作製した。

[0086] 上記のようにして得られた Mg基複合粉末の X線回折結果を図 13に示す。投入原料である Mgと Mg Siのピークのみが検出されており、また走査型電子顕微鏡観察の

2

結果にお、ても微細な Mg Si粒子が粗大な純 Mg粉末表面に均一に付着して、るこ

2

とが確認された。以上のことから、ォレイン酸をバインダとして用いた場合でも Mg基複合粉末を作製できることが認められる。

[0087] 以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明した力この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変更をカ卩えることが可能である。

産業上の利用可能性

[0088] 本発明によって得られるマグネシウム基合金は、従来のマグネシウム合金の性能上の課題である低剛性を大幅に向上させることでき、エンジン部品やミツション部品などの自動車用部品や構造用部材といった高剛性が求められる用途に有利に利用され得る。

Claims

請求の範囲

[1] マグネシウム基粉末と、前記マグネシウム基粉末の表面および素地内部の少なくともいずれか一方に分散しているマグネシウムシリサイド（Mg Si)とを備えた、マグネシゥ

2

ム基複合粉末。

[2] 前記 Mg Siの最大粒子径が 50 μ m以下である、請求項 1に記載のマグネシウム基

2

複合粉末。

[3] 前記 Mg Siの最大粒子径が 20 μ m以下である、請求項 1に記載のマグネシウム基

2

複合粉末。

[4] 前記 Mg Siの最大粒子径が 5 μ m以下である、請求項 1に記載のマグネシウム基複

2

合粉末。

[5] 当該マグネシウム基複合粉末に対する前記 Mg Siの含有量は、体積基準で 5〜60

2

%である、請求項 1に記載のマグネシウム基複合粉末。

[6] 請求項 1に記載のマグネシウム基複合粉末を圧粉成形して焼結し、 Mg Si粒子が素

2 地中に分散している、マグネシウム基合金素材。

[7] マグネシウム (Mg)基粉末およびマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を準備するェ

2

程と、

前記 Mg基粉末の表面にバインダを塗布する工程と、

前記バインダを塗布した Mg基粉末と前記 Mg Si粒子とを混合'攪拌して、 Mg基粉

2

末の表面に Mg Si粒子を結合させる工程とを備えた、マグネシウム基複合粉末の製

2

造方法。

[8] マグネシウム (Mg)基粉末およびマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を準備するェ

2

程と、

前記 Mg基粉末と前記 Mg Si粒子とを配合した後に機械的に混合して、 Mg基粉末

2

の表面に Mg Si粒子を機械的に結合させる工程とを備えた、マグネシウム基複合粉

2

末の製造方法。

[9] マグネシウム (Mg)基粉末およびマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を準備するェ

2

程と、

前記 Mg基粉末と前記 Mg Si粒子とを混合する工程と、前記混合粉末を金型内で圧粉成形して前記 Mg Si粒子が分散した Mg基圧粉成

2

形体を作製する工程と、

前記 Mg基圧粉成形体を焼結して前記 Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作

2

製する工程と、

前記 Mg基焼結合金を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末ィヒする工程とを備えた、マグネシウム基複合粉末の製造方法。

[10] マグネシウム (Mg)基粉末およびシリコン (Si)粒子を準備する工程と、

前記 Mg基粉末と前記 Si粒子とを混合する工程と、

前記混合粉末を金型内で圧粉成形して前記 Si粒子が分散した Mg基圧粉成形体を作製する工程と、

前記 Mg基圧粉成形体を加熱し Mgと Siとの反応によって Mg Siを合成すると同時

2

に、 Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作製する工程と、

2

前記 Mg基焼結合金を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末ィヒする工程とを備えた、 Mg基複合粉末の製造方法。

[11] マグネシウム基溶湯中にマグネシウムシリサイド (Mg Si)

2 粒子を投入して攪拌するェ程と、

前記溶湯を型に铸込んで铸造素材を作製する工程と、

前記铸造素材を機械的に粉砕または切削加工して粉体粉末ィヒする工程とを備えた、マグネシウム基複合粉末の製造方法。

[12] マグネシウム (Mg)基粉末およびマグネシウムシリサイド (Mg Si)粒子を準備するェ

2

程と、

前記 Mg基粉末と前記 Mg Si粒子とを混合する工程と、

2

前記混合粉末を金型内で圧粉成形して前記 Mg Si粒子が分散した Mg基圧粉成

2

形体を作製する工程と、

前記 Mg基圧粉成形体を溶解 ·铸造して Mg Si粒子分散 Mg基铸造素材を作製す

2

る工程と、

[13] マグネシウム (Mg)基粉末およびシリサイド (Si)粒子を準備する工程と、

前記 Mg基粉末と前記 Si粒子とを混合する工程と、

前記 Mg基圧粉成形体を加熱して Mgと Siとの反応によって Mg Siを合成すると同

2

時に、 Mg Si粒子が分散した Mg基焼結合金を作製する工程と、

2

前記 Mg基焼結合金を溶解 ·铸造して Mg Si粒子分散 Mg基铸造素材を作製する

2

工程と、

[14] 請求項 1に記載のマグネシウム基複合粉末を圧粉成形する工程と、

前記圧粉成形体を 200〜400°Cの不活性ガス雰囲気または非酸化性ガス雰囲気で加熱する工程と、

前記加熱後直ちに前記圧粉成形体を押出加工して緻密化する工程とを備えた、マグネシゥム基合金素材の製造方法。