マグネシウム合金多孔質体およびその製造方法
【課題】均一で微細な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体を得る。
【解決手段】マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法である。
【解決手段】マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金多孔質体およびその製造方法、特に、均一で微細な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体およびその多孔質体を得る製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム（Ｍｇ）は、実用金属材料中で最も軽量であり比強度に優れると共に、資源が豊富で、リサイクル性にも優れる。一方、近年、軽量化や環境負荷の低減等の要請が高まっており、このような状況で、Ｍｇは有望な金属材料であり、各種分野の各種製品に、ＭｇまたはＭｇ合金が使用されつつある。
【０００３】
例えば、自動車等の車両分野では、Ｍｇ合金は、カバー・ケース類やホイールなど軽量構造部材への使用が進められており、ＣＯ2削減などによる環境負荷低減、燃費向上による省エネルギー化や車両の運動性能の向上等が図られている。また、電気機器の分野でも、ノート型パソコンや携帯電話等の筐体にＭｇまたはＭｇ合金が使用され、モバイル機器のさらなる軽量化やリサイクル化が図られている。
【０００４】
さらに最近では、各種構造部材の一層の軽量化や、高性能な衝撃吸収体、断熱材、消音材等の提供を可能とするＭｇ合金の多孔質体が開発されつつある。
【０００５】
金属多孔質体の製造プロセスとして以下のものが提案されている。例えば、アルミニウムに関する手法としては、金属溶湯へ水素化物などの発泡剤と増粘剤を添加し、金属溶湯の状態で発泡させる手法や、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）等の炭酸塩系化合物の粉末をフッ化物でコーティングした発泡剤をアルミニウム溶湯に添加して発泡させてアルミニウムの多孔質体を製造する方法（特許文献１参照）などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記手法をマグネシウム多孔質体製造に適用した場合、Ｍｇ溶湯へ水素化物を多量に添加し化学反応により水素を生成させる必要があるが、活性なＭｇは化学反応によりＭｇ溶湯が燃焼、爆発するおそれがあり、さらに溶湯中にＣａなどの増粘剤を添加し溶湯からの水素離脱を防ぐことは、溶湯の粘度を非常に高くすることであり、かかる場合、一般的な彫像による形状付与が困難になる。
【０００７】
また、特許文献２には、金属粉末と水素化物などの発泡剤とからなる混合粉末をプレス形成し、加熱温度の制御して発泡させる方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上述の方法であっても、発泡状態を制御するための加熱温度制御は極めて難しく、近年多孔質体に要求される強度と軽量化を満たすのに十分な気泡の大きさおよび均一性を保つことは困難であった。
【０００９】
そこで、特許文献３には、金属固体の水素溶解量は液体状態より少ないことを利用して、溶湯へ溶解した水素を金属要用が凝固するときに発泡させる方法が提案されている。この方法によれば、鋳造性を損なわずにさらに発泡率を向上させことができる。
【００１０】
上記特許文献３に提案されている多孔質体の製造方法では、凝固過程で固相が晶出した後、水素ガスは固相から水素溶解度が高い液相へ溶解することを繰り返し、最終的に液相の水素溶解度を上回ったときに水素ガスが発泡する。このとき、溶湯の固相率は非常に高い状態となり溶湯の粘度は高い。したがって、発泡した水素ガスは溶湯から放出されることなくマグネシウム溶湯が凝固することによって多孔質体が形成される。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２３９０２７号公報
【特許文献２】特許第３４７２８０５号明細書
【特許文献３】特開２００４−８４０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献３に記載の多孔質体の製造方法では、凝固の過程において粘度の低い溶湯から水素の離脱のおそれがあり、溶湯に溶解した水素すべてを気泡として生成させるのは困難であった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、溶湯に溶解した水素をより多く気泡として発生させ、緻密で均一性の高い気孔を有するマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法は、以下の特徴を有する。
【００１５】
（１）マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体である。
【００１６】
添加された微粒子は、Ｍｇ溶湯中に気泡の核として数多く分散される。さらに、アルミニウム（Ａｌ）等のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、微粒子はＭｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、気泡の核となる微粒子がＭｇ溶湯中に均一に分散され、その結果、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が生成することになる。これにより、微細で均一な気孔を有する多孔質体が形成され、さらに、微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。
【００１７】
（２）マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法である。
【００１８】
水素溶解度調整元素−微粒子複合材として溶湯中に添加することによって、アルミニウム（Ａｌ）などの水素溶解度調整元素は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、気泡の核となる微粒子はＭｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が成長することになり、その結果、微細で均一な気孔を有する多孔質体が形成される。さらに、微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。
【００１９】
（３）上記（１）に記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍである。
【００２０】
微粒子の粒径を上述の範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００２１】
（４）上記（２）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であり、前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍである。
【００２２】
水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であるため、Ｍｇ溶湯中に水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加した場合、Ｍｇ溶湯内への水素溶解度調整元素の溶解に伴い、微粒子もＭｇ溶湯内に均一に分散されていくことになる。
【００２３】
（５）上記（１）または（３）に記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記微粒子は、ＴｉＣ粒子である。
【００２４】
（６）上記（２）または（４）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であり、前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材であり、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯は、Ｍｇ−Ａｌ−ＴｉＣ粒子合金溶湯である。
【００２５】
微粒子をＴｉＣ粒子にすることによって、発泡性を向上させることができる。
【００２６】
（７）上記（１），（３），（５）のいずれか１つに記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種である。
【００２７】
（８）上記（２），（４）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種である。
【００２８】
上述した元素は、マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素であり、これらの元素がＭｇ合金溶湯内に存在することによって、マグネシウム合金多孔質体の空隙率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、微細で均一な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００３１】
［マグネシウム合金多孔質体の製造方法］
本発明の好適な実施の形態のマグネシウム合金多孔質体の製造方法に関し、図１を用いてその一例を説明する。
【００３２】
図１に示すように、本実施の形態のマグネシウム合金多孔質体の製造方法は、まず、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素（Ｈ）を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する。
【００３３】
ここで、１５ｐｐｍ以上の水素（Ｈ）は予めＭｇインゴット中に含まれていてもよいし、または予め水素を含有するＭｇインゴットを溶解する際にさらに外部からの水素例えば大気中の水素がＭｇ溶湯中に溶けて１５ｐｐｍ以上の水素含有となってもよい。なお、例えば、純Ｍｇインゴット中には、最大５０ｐｐｍ程度のＨが含有されており、Ｍｇ合金インゴット中には、合金元素の種類と合金量にもよるが、最大１００ｐｐｍ程度のＨが含有されている。また、溶湯中では、水素（Ｈ）は、水素原子として存在し、（Ｍｇ液相中のＨ含有量）≫（Ｍｇ固相中のＨ含有量）という水素溶解度差の関係により、後に説明する凝固の過程で固相に溶解しきれなくなったＨが、液相中でＨ2となり発泡して気孔を生成させることになる。
【００３４】
Ｍｇ溶湯中のＨ含有量は、１５ｐｐｍ以上であることが望ましく、１５ｐｐｍよりも少ない場合には、後のＭｇ−水素溶解度調整元素合金溶湯中のＨ2発泡が十分になされないからである。このＨ含有量は、２０ｐｐｍ以上、２５ｐｐｍ以上、３０ｐｐｍ以上、４０ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以上さらには６０ｐｐｍ以上であることが好ましい。本発明では、Ｈ含有量の上限は特に問題とならず、Ａｌの含有量にもよるが、Ｈ含有量が多いほど、高空隙率の多孔質が得られる。なお、後述する凝固の過程の最終段階でＭｇ合金の水素溶解度を調整するために、後述するＡｌ添加量を考慮して、Ｈが過飽和状態になり、凝固の最終段階でＨ2発泡が十分になされるようにすることが望ましい。
【００３５】
次に、Ｍｇ溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素（以下「水素溶解度調整元素」と略す）と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する。
【００３６】
ここで、『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材である。図１では、水素溶解度調整元素としてアルミニウム（Ａｌ）、微粒子としてＴｉＣ粒子を例に取って説明することとし、Ａｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯に添加している。図１のＡｌ−ＴｉＣ粒子複合材は、図２に示すように、アルミニウムマトリックス中に粒子状態でＴｉＣ粒子が内包された複合材である。これにより、Ｍｇ溶湯中にＡｌ−ＴｉＣ粒子複合材を添加した場合、Ｍｇ溶湯内へのＡｌの溶解に伴い、微粒子であるＴｉＣ粒子もＭｇ溶湯内に均一に分散されていくことになる。すなわち、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材として溶湯中に添加することによって、アルミニウム（Ａｌ）は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、気泡の核となる微粒子であるＴｉＣは、Ｍｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が生成することになり、その結果、図３に示すような微細で均一な気孔１０を有するＭｇ合金多孔質体が形成される。さらに、ＴｉＣ粒子などの微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。なお、図４に示すＭｇ合金多孔質体は、微粒子を添加せずに製造したものであり、巨大な気孔２０が散在している。
【００３７】
ここで、マグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇ溶湯中に５〜４０重量％含有されるように、上記複合材を溶湯内に添加する。水素溶解度調整元素が５重量％未満の場合には、Ｍｇ原料と溶製したＭｇ−水素溶解度調整元素合金との水素溶解度の差が小さく、水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることができず、図５に示すように、発泡性が乏しく、軽量化したマグネシウム合金多孔質体を得ることが難しい。一方、水素溶解度調整元素が４０重量％を超えると、逆にＨ含有したＭｇ原料が少なくなり、合金溶湯中のＨ量も少なくなり、やはり水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることは困難となる。これに加え水素溶解度調整元素量が４０重量％を超えると、脆弱なＭｇ−水素溶解度調整元素化合物の晶出量が増し、多孔質体の機械的特性の低下を招くおそれがある。さらに、水素溶解調整元素はＭｇに比べて密度が大きいため４０重量％を超えると、多孔質体の軽量化効率が大きく低減する。
【００３８】
上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であり、これらの元素を１種または１種以上を混合して、微粒子を内包する複合材を形成してもよい。上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、より好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００３９】
また、微粒子は、図６に示すように、Ｍｇ溶湯中に６．２重量％以下、好ましくは０．０１〜６．２重量％、より好ましくは０．５〜４．０重量％含有される。微粒子の含有量が６．２重量％を超えても、これ以上の発泡量と発泡の均一性は望めないからである。一方、微粒子の含有量が０．０１％未満の場合には、均一な気孔を生成させることが難しく、多孔質体の機械的特性が低下するおそれがある。
【００４０】
また、上記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであり、好ましくは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍである。図７に示すように、微粒子の粒径を上記範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００４１】
また、上記微粒子としては、例えば、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＷＣ、Ｂ4Ｃなどの炭化物粒子、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＴａＢ2、ＨｆＢ2などの硼化物粒子、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3などの酸化物粒子、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮなどの窒化物粒子等を用いることができる。好ましくは、ＴｉＣ粒子である。ＴｉＣ粒子を気泡の核として用いることにより、図８，図９に示すように、他の粒子に比べ、発泡性も高く均一な微細な気孔の形成することができる。
【００４２】
本実施の形態では、『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』として、発泡性および均一な微細気孔生成の点から、図１に例示したＡｌ−ＴｉＣ複合材が最も好ましい。
【００４３】
次に、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる。
【００４４】
上述したように、（Ｍｇ液相中のＨ含有量）≫（Ｍｇ固相中のＨ含有量）という水素溶解度差の関係により、凝固の過程で固相に溶解しきれなくなったＨが、Ｍｇ−水素溶解度調整元素合金中に均一に分散された微粒子を核としてＨ2となり、発泡して気孔を生成させるので、均一な微細な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体を製造することができる。
【００４５】
［マグネシウム合金多孔質体］
本実施の形態のマグネシウム合金多孔質体であって、マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体である。
【００４６】
ここで、マグネシウム合金多孔質体の空隙率は、上述したように５〜８５体積％であり、強度の点を考慮すると好ましくは５〜６０体積％であり、車両用の部品に用いる場合には、４０〜６０体積％であることが好ましい。
【００４７】
また、マグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇ溶湯中に５〜４０重量％含有される。水素溶解度調整元素が５重量％未満の場合には、Ｍｇ原料と溶製したＭｇ−水素溶解度調整元素合金との水素溶解度の差が小さく、共晶の晶出量も少なくなるため、水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることができず、図６に示すように、発泡性が乏しく、軽量化したマグネシウム合金多孔質体を得ることが難しい。一方、水素溶解度調整元素が４０重量％を超えると、逆にＨ含有したＭｇ原料が少なくなり、合金溶湯中のＨ量も少なくなり、やはり水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることは困難となる。これに加え水素溶解度調整元素量が４０重量％を超えると、脆弱なＭｇ−水素溶解度調整元素化合物の晶出量が増し、多孔質体の機械的特性の低下を招くおそれがある。
【００４８】
上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であり、これらの元素を１種または１種以上を混合して、微粒子を内包する複合材を形成してもよい。上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、より好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００４９】
また、微粒子は、Ｍｇ溶湯中に６．２重量％以下、好ましくは０．０１〜６．２重量％、より好ましくは０．５〜４．０重量％含有される。微粒子の含有量が６．２重量％を超えても、これ以上の発泡量と発泡の均一性は望めないからである。一方、微粒子の含有量が０．０１％未満の場合には、均一な気孔を生成させることが難しく、多孔質体の機械的特性が低下するおそれがある。
【００５０】
また、上記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであり、好ましくは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍである。図７に示すように、微粒子の粒径を上記範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００５１】
また、上記微粒子としては、例えば、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＷＣ、Ｂ4Ｃなどの炭化物粒子、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＴａＢ2、ＨｆＢ2などの硼化物粒子、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3などの酸化物粒子、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮなどの窒化物粒子等を用いることができる。好ましくは、ＴｉＣ粒子である。ＴｉＣ粒子を気泡の核として用いることにより、図８，図９に示すように、他の粒子に比べ、発泡性も高く均一な微細な気孔の形成することができる。
【実施例】
【００５２】
以下に、本発明のマグネシウム合金多孔質体について、実施例を用いて説明する。
【００５３】
［使用原料］
＜Ａｌ−ＴｉＣ複合材＞
Ａｌ粉：東洋アルミニウム（株）製、純度が９９．９％、粒径が〜４５μｍ
Ｔｉ粉：住友シチックス（株）製、純度が９９．９％、粒径が〜４５μｍ
Ｃ粉：日本黒鉛工業（株）製、純度が９９．９％、粒径が６μｍ
【００５４】
＜マグネシウムインゴット＞
宇部興産（株）製、純度が９９．９％、水素含有量２０ｐｐｍ
【００５５】
［実験条件］
＜Ａｌ−ＴｉＣ複合材の作製＞
Ａｌ粉、Ｔｉ粉、Ｃ粉を乾式混合し、特にＴｉ粉、Ｃ粉のモル比は１：１となるように混合し、所定量のＡｌ粉をこれらに混合し、φ３０金型を用い７トン／ｃｍ2で成形した。成形体をアルゴン雰囲気中、１２００℃で１時間熱処理を施し、ＴｉとＣを反応させてＡｌ−ＴｉＣ複合材を作製した。
【００５６】
＜マグネシウム合金多孔質体の作製＞
Ｍｇインゴットを六フッ化硫黄を吹き付け７００℃で溶解し、Ａｌ量を全体の２０重量％または図５に示すように添加量を適宜変えてＡｌとＴｉＣの重量比の異なるＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内に添加した。溶湯を５分間撹拌し、φ４０×１５０ｍｍの砂型へ鋳造しマグネシウム合金多孔質体を作製した。
【００５７】
実施例１．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子量が４．１重量％のＡｌ−ＴｉＣ複合材を、Ｍｇ溶湯内に添加した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。このときのマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真を図３に示す。均一で微細な気孔１０を有するマグネシウム合金多孔質体が得られている。
【００５８】
比較例１．
マグネシウムに対して２０重量％ＡｌをＭｇ溶湯内に添加した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。このときのマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真を図４に示す。巨大な気孔２０が散在するマグネシウム合金多孔質体であることがわかる。
【００５９】
実施例２．
マグネシウムに対して、ＴｉＣ粒子量を４．１重量％とし、Ａｌ量を５．０〜４０重量％まで変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図５に示すように、Ａｌ量の含有量が増すに連れて発泡率の高いマグネシウム合金多孔質体が得られることがわかる。
【００６０】
実施例３．
マグネシウムに対して、Ａｌ量を２０重量％とし、ＴｉＣ粒子量を０．０１〜６．２重量％まで変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図６に示すように、ＴｉＣ粒子の含有量が増すに連れて発泡率の高いマグネシウム合金多孔質体が得られることがわかる。
【００６１】
実施例４．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子量が４．１重量％のＡｌ−ＴｉＣ複合材であって、ＴｉＣ粒子の粒径を変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図７に示すように、ＴｉＣ粒子の粒径は、発泡率の点から、３．０μｍ以下であり、より好ましくは０．５〜１．５μｍであることがわかる。
【００６２】
実施例５．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子の代わりにＺｒＣ粒子を用い、ＺｒＣ粒子量が４．１重量％（２体積％）のＡｌ−ＺｒＣ複合材をＭｇ溶湯内に添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図８に示すように、Ａｌ−ＺｒＣ複合材を用いた実施例５のＭｇ合金多孔質体は、Ａｌ−ＴｉＣ複合材を用いて作製された実施例１のＭｇ合金多孔質体に対してやや発泡率は低いものの良好な多孔性を有することがわかった。
【００６３】
実施例６．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子の代わりにＴｉＢ2粒子を用い、ＴｉＢ2粒子量が４．１重量％（２体積％）のＡｌ−ＴｉＢ2複合材をＭｇ溶湯内に添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図９に示すように、Ａｌ−ＴｉＢ2複合材を用いた実施例６のＭｇ合金多孔質体は、Ａｌ−ＴｉＣ複合材を用いて作製された実施例１のＭｇ合金多孔質体とほぼ同じ多孔性を有することがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明のマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法は、軽量化や環境負荷の低減の要請の高い用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、本発明のマグネシウム合金多孔質体は、例えば、車両用部品であるカバー・ケース類やホイールなど軽量構造部材に適用することができ、また、電気機器の分野におけるノート型パソコンや携帯電話等の筐体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法の一態様の工程を説明するフロー図である。
【図２】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法に用いるＡｌ−１５ｗｔ％ＴｉＣ複合材の組織を走査電子顕微鏡により撮影した写真である。
【図３】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法を用いて製造されたマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真である。
【図４】Ａｌ−ＴｉＣ複合材を添加せず、Ａｌのみを添加して製造されたマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真である。
【図５】Ａｌの含有量を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体におけるＡｌの含有量と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図６】ＴｉＣ粒子の含有量を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−ＴｉＣ合金多孔質体におけるＴｉＣ粒子の含有量と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図７】ＴｉＣ粒子の粒径を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体におけるＴｉＣ粒子の粒径と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図８】複合材の微粒子を変え、Ｍｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体とＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＺｒＣ合金多孔質体の発泡率を示したグラフである。
【図９】複合材の微粒子を変え、Ｍｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体とＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＢ2合金多孔質体の発泡率を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１０，２０ 気孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウム合金多孔質体およびその製造方法、特に、均一で微細な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体およびその多孔質体を得る製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム（Ｍｇ）は、実用金属材料中で最も軽量であり比強度に優れると共に、資源が豊富で、リサイクル性にも優れる。一方、近年、軽量化や環境負荷の低減等の要請が高まっており、このような状況で、Ｍｇは有望な金属材料であり、各種分野の各種製品に、ＭｇまたはＭｇ合金が使用されつつある。
【０００３】
例えば、自動車等の車両分野では、Ｍｇ合金は、カバー・ケース類やホイールなど軽量構造部材への使用が進められており、ＣＯ2削減などによる環境負荷低減、燃費向上による省エネルギー化や車両の運動性能の向上等が図られている。また、電気機器の分野でも、ノート型パソコンや携帯電話等の筐体にＭｇまたはＭｇ合金が使用され、モバイル機器のさらなる軽量化やリサイクル化が図られている。
【０００４】
さらに最近では、各種構造部材の一層の軽量化や、高性能な衝撃吸収体、断熱材、消音材等の提供を可能とするＭｇ合金の多孔質体が開発されつつある。
【０００５】
金属多孔質体の製造プロセスとして以下のものが提案されている。例えば、アルミニウムに関する手法としては、金属溶湯へ水素化物などの発泡剤と増粘剤を添加し、金属溶湯の状態で発泡させる手法や、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）等の炭酸塩系化合物の粉末をフッ化物でコーティングした発泡剤をアルミニウム溶湯に添加して発泡させてアルミニウムの多孔質体を製造する方法（特許文献１参照）などが提案されている。
【０００６】
しかしながら、上記手法をマグネシウム多孔質体製造に適用した場合、Ｍｇ溶湯へ水素化物を多量に添加し化学反応により水素を生成させる必要があるが、活性なＭｇは化学反応によりＭｇ溶湯が燃焼、爆発するおそれがあり、さらに溶湯中にＣａなどの増粘剤を添加し溶湯からの水素離脱を防ぐことは、溶湯の粘度を非常に高くすることであり、かかる場合、一般的な彫像による形状付与が困難になる。
【０００７】
また、特許文献２には、金属粉末と水素化物などの発泡剤とからなる混合粉末をプレス形成し、加熱温度の制御して発泡させる方法が提案されている。
【０００８】
しかしながら、上述の方法であっても、発泡状態を制御するための加熱温度制御は極めて難しく、近年多孔質体に要求される強度と軽量化を満たすのに十分な気泡の大きさおよび均一性を保つことは困難であった。
【０００９】
そこで、特許文献３には、金属固体の水素溶解量は液体状態より少ないことを利用して、溶湯へ溶解した水素を金属要用が凝固するときに発泡させる方法が提案されている。この方法によれば、鋳造性を損なわずにさらに発泡率を向上させことができる。
【００１０】
上記特許文献３に提案されている多孔質体の製造方法では、凝固過程で固相が晶出した後、水素ガスは固相から水素溶解度が高い液相へ溶解することを繰り返し、最終的に液相の水素溶解度を上回ったときに水素ガスが発泡する。このとき、溶湯の固相率は非常に高い状態となり溶湯の粘度は高い。したがって、発泡した水素ガスは溶湯から放出されることなくマグネシウム溶湯が凝固することによって多孔質体が形成される。
【００１１】
【特許文献１】特開２００３−２３９０２７号公報
【特許文献２】特許第３４７２８０５号明細書
【特許文献３】特開２００４−８４０６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記特許文献３に記載の多孔質体の製造方法では、凝固の過程において粘度の低い溶湯から水素の離脱のおそれがあり、溶湯に溶解した水素すべてを気泡として生成させるのは困難であった。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、溶湯に溶解した水素をより多く気泡として発生させ、緻密で均一性の高い気孔を有するマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法は、以下の特徴を有する。
【００１５】
（１）マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体である。
【００１６】
添加された微粒子は、Ｍｇ溶湯中に気泡の核として数多く分散される。さらに、アルミニウム（Ａｌ）等のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、微粒子はＭｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、気泡の核となる微粒子がＭｇ溶湯中に均一に分散され、その結果、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が生成することになる。これにより、微細で均一な気孔を有する多孔質体が形成され、さらに、微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。
【００１７】
（２）マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法である。
【００１８】
水素溶解度調整元素−微粒子複合材として溶湯中に添加することによって、アルミニウム（Ａｌ）などの水素溶解度調整元素は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、気泡の核となる微粒子はＭｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が成長することになり、その結果、微細で均一な気孔を有する多孔質体が形成される。さらに、微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。
【００１９】
（３）上記（１）に記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍである。
【００２０】
微粒子の粒径を上述の範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００２１】
（４）上記（２）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であり、前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍである。
【００２２】
水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であるため、Ｍｇ溶湯中に水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加した場合、Ｍｇ溶湯内への水素溶解度調整元素の溶解に伴い、微粒子もＭｇ溶湯内に均一に分散されていくことになる。
【００２３】
（５）上記（１）または（３）に記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記微粒子は、ＴｉＣ粒子である。
【００２４】
（６）上記（２）または（４）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であり、前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材であり、前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯は、Ｍｇ−Ａｌ−ＴｉＣ粒子合金溶湯である。
【００２５】
微粒子をＴｉＣ粒子にすることによって、発泡性を向上させることができる。
【００２６】
（７）上記（１），（３），（５）のいずれか１つに記載のマグネシウム合金多孔質体において、前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種である。
【００２７】
（８）上記（２），（４）に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種である。
【００２８】
上述した元素は、マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素であり、これらの元素がＭｇ合金溶湯内に存在することによって、マグネシウム合金多孔質体の空隙率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、微細で均一な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００３１】
［マグネシウム合金多孔質体の製造方法］
本発明の好適な実施の形態のマグネシウム合金多孔質体の製造方法に関し、図１を用いてその一例を説明する。
【００３２】
図１に示すように、本実施の形態のマグネシウム合金多孔質体の製造方法は、まず、マグネシウム（Ｍｇ）を主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素（Ｈ）を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する。
【００３３】
ここで、１５ｐｐｍ以上の水素（Ｈ）は予めＭｇインゴット中に含まれていてもよいし、または予め水素を含有するＭｇインゴットを溶解する際にさらに外部からの水素例えば大気中の水素がＭｇ溶湯中に溶けて１５ｐｐｍ以上の水素含有となってもよい。なお、例えば、純Ｍｇインゴット中には、最大５０ｐｐｍ程度のＨが含有されており、Ｍｇ合金インゴット中には、合金元素の種類と合金量にもよるが、最大１００ｐｐｍ程度のＨが含有されている。また、溶湯中では、水素（Ｈ）は、水素原子として存在し、（Ｍｇ液相中のＨ含有量）≫（Ｍｇ固相中のＨ含有量）という水素溶解度差の関係により、後に説明する凝固の過程で固相に溶解しきれなくなったＨが、液相中でＨ2となり発泡して気孔を生成させることになる。
【００３４】
Ｍｇ溶湯中のＨ含有量は、１５ｐｐｍ以上であることが望ましく、１５ｐｐｍよりも少ない場合には、後のＭｇ−水素溶解度調整元素合金溶湯中のＨ2発泡が十分になされないからである。このＨ含有量は、２０ｐｐｍ以上、２５ｐｐｍ以上、３０ｐｐｍ以上、４０ｐｐｍ以上、５０ｐｐｍ以上さらには６０ｐｐｍ以上であることが好ましい。本発明では、Ｈ含有量の上限は特に問題とならず、Ａｌの含有量にもよるが、Ｈ含有量が多いほど、高空隙率の多孔質が得られる。なお、後述する凝固の過程の最終段階でＭｇ合金の水素溶解度を調整するために、後述するＡｌ添加量を考慮して、Ｈが過飽和状態になり、凝固の最終段階でＨ2発泡が十分になされるようにすることが望ましい。
【００３５】
次に、Ｍｇ溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素（以下「水素溶解度調整元素」と略す）と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する。
【００３６】
ここで、『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材である。図１では、水素溶解度調整元素としてアルミニウム（Ａｌ）、微粒子としてＴｉＣ粒子を例に取って説明することとし、Ａｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯に添加している。図１のＡｌ−ＴｉＣ粒子複合材は、図２に示すように、アルミニウムマトリックス中に粒子状態でＴｉＣ粒子が内包された複合材である。これにより、Ｍｇ溶湯中にＡｌ−ＴｉＣ粒子複合材を添加した場合、Ｍｇ溶湯内へのＡｌの溶解に伴い、微粒子であるＴｉＣ粒子もＭｇ溶湯内に均一に分散されていくことになる。すなわち、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材として溶湯中に添加することによって、アルミニウム（Ａｌ）は、Ｍｇと微粒子との親和性（濡れ性）を向上させるため、気泡の核となる微粒子であるＴｉＣは、Ｍｇ溶湯中に均一に分散される。したがって、溶湯中に均一に数多くの気泡が生成し、一方発泡時のＭｇ溶湯中の水素含有量はほぼ一定であるため、それぞれ個々の気泡の成長は抑制され浮力の小さな気泡が生成することになり、その結果、図３に示すような微細で均一な気孔１０を有するＭｇ合金多孔質体が形成される。さらに、ＴｉＣ粒子などの微粒子による複合強化の効果もあり、多孔質体の強度向上につながる。なお、図４に示すＭｇ合金多孔質体は、微粒子を添加せずに製造したものであり、巨大な気孔２０が散在している。
【００３７】
ここで、マグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇ溶湯中に５〜４０重量％含有されるように、上記複合材を溶湯内に添加する。水素溶解度調整元素が５重量％未満の場合には、Ｍｇ原料と溶製したＭｇ−水素溶解度調整元素合金との水素溶解度の差が小さく、水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることができず、図５に示すように、発泡性が乏しく、軽量化したマグネシウム合金多孔質体を得ることが難しい。一方、水素溶解度調整元素が４０重量％を超えると、逆にＨ含有したＭｇ原料が少なくなり、合金溶湯中のＨ量も少なくなり、やはり水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることは困難となる。これに加え水素溶解度調整元素量が４０重量％を超えると、脆弱なＭｇ−水素溶解度調整元素化合物の晶出量が増し、多孔質体の機械的特性の低下を招くおそれがある。さらに、水素溶解調整元素はＭｇに比べて密度が大きいため４０重量％を超えると、多孔質体の軽量化効率が大きく低減する。
【００３８】
上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であり、これらの元素を１種または１種以上を混合して、微粒子を内包する複合材を形成してもよい。上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、より好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００３９】
また、微粒子は、図６に示すように、Ｍｇ溶湯中に６．２重量％以下、好ましくは０．０１〜６．２重量％、より好ましくは０．５〜４．０重量％含有される。微粒子の含有量が６．２重量％を超えても、これ以上の発泡量と発泡の均一性は望めないからである。一方、微粒子の含有量が０．０１％未満の場合には、均一な気孔を生成させることが難しく、多孔質体の機械的特性が低下するおそれがある。
【００４０】
また、上記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであり、好ましくは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍである。図７に示すように、微粒子の粒径を上記範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００４１】
また、上記微粒子としては、例えば、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＷＣ、Ｂ4Ｃなどの炭化物粒子、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＴａＢ2、ＨｆＢ2などの硼化物粒子、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3などの酸化物粒子、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮなどの窒化物粒子等を用いることができる。好ましくは、ＴｉＣ粒子である。ＴｉＣ粒子を気泡の核として用いることにより、図８，図９に示すように、他の粒子に比べ、発泡性も高く均一な微細な気孔の形成することができる。
【００４２】
本実施の形態では、『水素溶解度調整元素−微粒子複合材』として、発泡性および均一な微細気孔生成の点から、図１に例示したＡｌ−ＴｉＣ複合材が最も好ましい。
【００４３】
次に、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる。
【００４４】
上述したように、（Ｍｇ液相中のＨ含有量）≫（Ｍｇ固相中のＨ含有量）という水素溶解度差の関係により、凝固の過程で固相に溶解しきれなくなったＨが、Ｍｇ−水素溶解度調整元素合金中に均一に分散された微粒子を核としてＨ2となり、発泡して気孔を生成させるので、均一な微細な気孔を有するマグネシウム合金多孔質体を製造することができる。
【００４５】
［マグネシウム合金多孔質体］
本実施の形態のマグネシウム合金多孔質体であって、マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体である。
【００４６】
ここで、マグネシウム合金多孔質体の空隙率は、上述したように５〜８５体積％であり、強度の点を考慮すると好ましくは５〜６０体積％であり、車両用の部品に用いる場合には、４０〜６０体積％であることが好ましい。
【００４７】
また、マグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ｍｇ溶湯中に５〜４０重量％含有される。水素溶解度調整元素が５重量％未満の場合には、Ｍｇ原料と溶製したＭｇ−水素溶解度調整元素合金との水素溶解度の差が小さく、共晶の晶出量も少なくなるため、水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることができず、図６に示すように、発泡性が乏しく、軽量化したマグネシウム合金多孔質体を得ることが難しい。一方、水素溶解度調整元素が４０重量％を超えると、逆にＨ含有したＭｇ原料が少なくなり、合金溶湯中のＨ量も少なくなり、やはり水素溶解度差を利用してＨ2を十分に発泡させることは困難となる。これに加え水素溶解度調整元素量が４０重量％を超えると、脆弱なＭｇ−水素溶解度調整元素化合物の晶出量が増し、多孔質体の機械的特性の低下を招くおそれがある。
【００４８】
上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であり、これらの元素を１種または１種以上を混合して、微粒子を内包する複合材を形成してもよい。上記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素としては、より好ましくは、アルミニウム（Ａｌ）である。
【００４９】
また、微粒子は、Ｍｇ溶湯中に６．２重量％以下、好ましくは０．０１〜６．２重量％、より好ましくは０．５〜４．０重量％含有される。微粒子の含有量が６．２重量％を超えても、これ以上の発泡量と発泡の均一性は望めないからである。一方、微粒子の含有量が０．０１％未満の場合には、均一な気孔を生成させることが難しく、多孔質体の機械的特性が低下するおそれがある。
【００５０】
また、上記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであり、好ましくは０．５〜２．０μｍ、より好ましくは０．５〜１．５μｍである。図７に示すように、微粒子の粒径を上記範囲にすることによって、気泡の核として溶湯中に均一に分散し、所望の発泡率を有する多孔質体を得ることができる。
【００５１】
また、上記微粒子としては、例えば、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＴａＣ、ＮｂＣ、ＨｆＣ、ＷＣ、Ｂ4Ｃなどの炭化物粒子、ＴｉＢ2、ＺｒＢ2、ＴａＢ2、ＨｆＢ2などの硼化物粒子、Ａｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＴｉＯ2、Ｙ2Ｏ3などの酸化物粒子、ＡｌＮ、ＢＮ、ＴｉＮなどの窒化物粒子等を用いることができる。好ましくは、ＴｉＣ粒子である。ＴｉＣ粒子を気泡の核として用いることにより、図８，図９に示すように、他の粒子に比べ、発泡性も高く均一な微細な気孔の形成することができる。
【実施例】
【００５２】
以下に、本発明のマグネシウム合金多孔質体について、実施例を用いて説明する。
【００５３】
［使用原料］
＜Ａｌ−ＴｉＣ複合材＞
Ａｌ粉：東洋アルミニウム（株）製、純度が９９．９％、粒径が〜４５μｍ
Ｔｉ粉：住友シチックス（株）製、純度が９９．９％、粒径が〜４５μｍ
Ｃ粉：日本黒鉛工業（株）製、純度が９９．９％、粒径が６μｍ
【００５４】
＜マグネシウムインゴット＞
宇部興産（株）製、純度が９９．９％、水素含有量２０ｐｐｍ
【００５５】
［実験条件］
＜Ａｌ−ＴｉＣ複合材の作製＞
Ａｌ粉、Ｔｉ粉、Ｃ粉を乾式混合し、特にＴｉ粉、Ｃ粉のモル比は１：１となるように混合し、所定量のＡｌ粉をこれらに混合し、φ３０金型を用い７トン／ｃｍ2で成形した。成形体をアルゴン雰囲気中、１２００℃で１時間熱処理を施し、ＴｉとＣを反応させてＡｌ−ＴｉＣ複合材を作製した。
【００５６】
＜マグネシウム合金多孔質体の作製＞
Ｍｇインゴットを六フッ化硫黄を吹き付け７００℃で溶解し、Ａｌ量を全体の２０重量％または図５に示すように添加量を適宜変えてＡｌとＴｉＣの重量比の異なるＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内に添加した。溶湯を５分間撹拌し、φ４０×１５０ｍｍの砂型へ鋳造しマグネシウム合金多孔質体を作製した。
【００５７】
実施例１．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子量が４．１重量％のＡｌ−ＴｉＣ複合材を、Ｍｇ溶湯内に添加した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。このときのマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真を図３に示す。均一で微細な気孔１０を有するマグネシウム合金多孔質体が得られている。
【００５８】
比較例１．
マグネシウムに対して２０重量％ＡｌをＭｇ溶湯内に添加した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。このときのマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真を図４に示す。巨大な気孔２０が散在するマグネシウム合金多孔質体であることがわかる。
【００５９】
実施例２．
マグネシウムに対して、ＴｉＣ粒子量を４．１重量％とし、Ａｌ量を５．０〜４０重量％まで変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図５に示すように、Ａｌ量の含有量が増すに連れて発泡率の高いマグネシウム合金多孔質体が得られることがわかる。
【００６０】
実施例３．
マグネシウムに対して、Ａｌ量を２０重量％とし、ＴｉＣ粒子量を０．０１〜６．２重量％まで変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図６に示すように、ＴｉＣ粒子の含有量が増すに連れて発泡率の高いマグネシウム合金多孔質体が得られることがわかる。
【００６１】
実施例４．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子量が４．１重量％のＡｌ−ＴｉＣ複合材であって、ＴｉＣ粒子の粒径を変えてＡｌ−ＴｉＣ複合材をそれぞれ作製し、これらＡｌ−ＴｉＣ複合材をＭｇ溶湯内にそれぞれ添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図７に示すように、ＴｉＣ粒子の粒径は、発泡率の点から、３．０μｍ以下であり、より好ましくは０．５〜１．５μｍであることがわかる。
【００６２】
実施例５．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子の代わりにＺｒＣ粒子を用い、ＺｒＣ粒子量が４．１重量％（２体積％）のＡｌ−ＺｒＣ複合材をＭｇ溶湯内に添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図８に示すように、Ａｌ−ＺｒＣ複合材を用いた実施例５のＭｇ合金多孔質体は、Ａｌ−ＴｉＣ複合材を用いて作製された実施例１のＭｇ合金多孔質体に対してやや発泡率は低いものの良好な多孔性を有することがわかった。
【００６３】
実施例６．
マグネシウムに対して、Ａｌ量が２０重量％、ＴｉＣ粒子の代わりにＴｉＢ2粒子を用い、ＴｉＢ2粒子量が４．１重量％（２体積％）のＡｌ−ＴｉＢ2複合材をＭｇ溶湯内に添加して多孔質体を作製した以外は、上記マグネシウム合金多孔質体の作製に準じてマグネシウム合金多孔質体を製造した。図９に示すように、Ａｌ−ＴｉＢ2複合材を用いた実施例６のＭｇ合金多孔質体は、Ａｌ−ＴｉＣ複合材を用いて作製された実施例１のＭｇ合金多孔質体とほぼ同じ多孔性を有することがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明のマグネシウム合金多孔質体およびその製造方法は、軽量化や環境負荷の低減の要請の高い用途であれば、いかなる用途にも有効であるが、本発明のマグネシウム合金多孔質体は、例えば、車両用部品であるカバー・ケース類やホイールなど軽量構造部材に適用することができ、また、電気機器の分野におけるノート型パソコンや携帯電話等の筐体にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法の一態様の工程を説明するフロー図である。
【図２】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法に用いるＡｌ−１５ｗｔ％ＴｉＣ複合材の組織を走査電子顕微鏡により撮影した写真である。
【図３】本発明のマグネシウム合金多孔質体の製造方法を用いて製造されたマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真である。
【図４】Ａｌ−ＴｉＣ複合材を添加せず、Ａｌのみを添加して製造されたマグネシウム合金多孔質体の断面の実態写真である。
【図５】Ａｌの含有量を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体におけるＡｌの含有量と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図６】ＴｉＣ粒子の含有量を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−ＴｉＣ合金多孔質体におけるＴｉＣ粒子の含有量と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図７】ＴｉＣ粒子の粒径を変化させたＡｌ−ＴｉＣ複合材を用いて製造したＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体におけるＴｉＣ粒子の粒径と発泡率との関係を説明するグラフである。
【図８】複合材の微粒子を変え、Ｍｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体とＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＺｒＣ合金多孔質体の発泡率を示したグラフである。
【図９】複合材の微粒子を変え、Ｍｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＣ合金多孔質体とＭｇ−２０ｗｔ％Ａｌ−４．１ｗｔ％ＴｉＢ2合金多孔質体の発泡率を示したグラフである。
【符号の説明】
【００６６】
１０，２０ 気孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項２】
マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、
前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、
前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、
を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項４】
請求項２に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であり、
前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項５】
請求項１または請求項３に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項６】
請求項２または請求項４に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であり、
前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材であり、
前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯は、Ｍｇ−Ａｌ−ＴｉＣ粒子合金溶湯であるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項７】
請求項１，３，５のいずれか１項に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項８】
請求項２または請求項４に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項１】
マグネシウムを主成分として、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とを含み、合金全体を１００体積％としたときの空隙率が５〜８５体積％の多孔質体からなるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項２】
マグネシウムを主成分とし、１５ｐｐｍ以上の水素を含有したマグネシウム溶湯を溶解調整する工程と、
前記マグネシウム溶湯中に、５〜４０重量％のマグネシウムに対する水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素と６．２重量％以下の炭化物、硼化物、酸化物、窒化物の粒子の少なくとも１種からなる微粒子とからなる水素溶解度調整元素−微粒子複合材を添加し撹拌して、Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を調整する工程と、
前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯を冷却凝固させる過程で、溶湯中の水素を発泡させ、マグネシウム合金中に気泡を形成させる工程と、
を有するマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項４】
請求項２に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、水素溶解度調整元素のマトリックス中に粒子状態で微粒子が内包された複合材であり、
前記微粒子の粒径は、０．１〜３．０μｍであるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項５】
請求項１または請求項３に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項６】
請求項２または請求項４に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記微粒子は、ＴｉＣ粒子であり、
前記水素溶解度調整元素−微粒子複合材は、Ａｌ−ＴｉＣ粒子複合材であり、
前記Ｍｇ−水素溶解度調整元素−微粒子合金溶湯は、Ｍｇ−Ａｌ−ＴｉＣ粒子合金溶湯であるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【請求項７】
請求項１，３，５のいずれか１項に記載のマグネシウム合金多孔質体において、
前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であるマグネシウム合金多孔質体。
【請求項８】
請求項２または請求項４に記載のマグネシウム合金多孔質体の製造方法において、
前記マグネシウムに対して水素溶解度を調整して発泡ガス量を増加させる元素は、Ａｌ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｌｉ、希土類元素、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｒの少なくとも１種であるマグネシウム合金多孔質体の製造方法。
【図１】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−３３６０５５（Ｐ２００６−３３６０５５Ａ）
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５９９５６（Ｐ２００５−１５９９５６）
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月１４日（２００６．１２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年５月３１日（２００５．５．３１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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