難燃性マグネシウム合金溶加材
【課題】純マグネシウムやマグネシウム合金の各種部材の溶接において、高い溶接強度を得るための難燃性マグネシウム合金溶加材を提供する。
【解決手段】０．５〜５．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金をベースとして、これにホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）から選択される少なくとも１種以上を追加添加物として添加した難燃性マグネシウム合金を素材とし、溶接接合強度を高めた難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【解決手段】０．５〜５．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金をベースとして、これにホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）から選択される少なくとも１種以上を追加添加物として添加した難燃性マグネシウム合金を素材とし、溶接接合強度を高めた難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純マグネシウムあるいはマグネシウム合金の部材を溶接するときに用いる溶加材に関する。更に詳しくは、純マグネシウムやマグネシウム合金の部材を溶接する際に用いる難燃性マグネシウム合金溶加材であり、これは溶接棒、溶接ワイヤ等の形態で提供されるものであり、溶接接合強度を高めた難燃性マグネシウム合金溶加材に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は、実用金属材料中で最も軽量であり、鉄合金や銅合金、更にアルミニウム合金その他の金属の軽量化代替材料として注目されている。又、リサイクル性に富むためにプラスチックの代替材としても注目されている。マグネシウム合金は低密度であるため、比強度、比弾性率等が高い。このため、軽量化の要求される産業分野において、将来その需要が高まることが予想される。比較的軽量であるチタン合金やアルミニウム合金は十分な機械的強度を有しているものの、マグネシウム合金に比し、軽量性や衝撃緩衝性等の特性が低いという欠点がある。
【０００３】
通常の純マグネシウムやマグネシウム合金は、チタン合金やアルミニウム合金に比して強度が低いとともに、化学的活性化度が高いために容易に発火・燃焼しやすい欠点があることは従来から知られている。このような発火・燃焼しやすい純マグネシウムやマグネシウム合金を安全なものとするために、これらにカルシウムを添加して発火点を高め、発火し難いものにした難燃性マグネシウム合金が開発されている。この難燃性マグネシウム合金の鋳造材に、次いで、押し出しや圧延等の塑性加工を施して高強度の難燃性マグネシウム合金とすることが、特許文献１で示すように開発されている。
【０００４】
マグネシウム合金は自動車、二輪車、鉄道車両、航空機、ロボット等の移動構造体や福祉機器、高齢者用機器等の構造部材への広範な応用が期待されている。そのような各種構造部材においては、各部材の接合、特に溶接技術が不可欠となる。溶接技術においても種々開発が行われており、マグネシウム合金に関してもレーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等々が知られている。難燃性のマグネシウム合金ではないが、例えば、マグネシウム基合金の押し出し材等の母材に、さらに伸線加工を施した後、表面にシェービング加工を施して、潤滑剤や酸化物等を除去して、表面清浄性に優れるマグネシウム溶接線が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
又、これも難燃性のマグネシウム合金ではないが、強度と靭性に優れたマグネシウム基合金のワイヤとするために、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素、等の成分を含むものが知られている（例えば、特許文献３参照）。また、前述したようにマグネシウム合金に、カルシウムを含有させた難燃性マグネシウム合金は、発火点が高く、安全性が向上しているので、この特性を生かして、難燃性マグネシウム合金をヘルメットに適用した技術も開示されている（例えば特許文献４参照）。これには、分割された部材を突合せた状態で、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の溶融溶接により接合し、一体化することが提案されている。
【０００６】
又、本出願人は、溶接の接合強度を高めるために高強度難燃性マグネシウム合金溶加材を提案している（特許文献５）。これは、マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１０９９６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３７４４号公報
【特許文献３】特許第３５９２３１０号公報
【特許文献４】特開２００５−３５０８０８号公報
【特許文献５】特願２００８−２６０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、マグネシウム合金の特性を向上させる改良技術は種々提案されている。しかしながら、現状のマグネシウム合金はまだ問題点を多く抱え、満足すべきものとはなっておらず、特定の製品に適用して製品化を行うためにはまだ改良の余地があり、不十分である。特許文献１に記載された発明は、０．１〜１５質量％のＣａを含む難燃性マグネシウム合金を塑性加工処理するか、又は該難燃性マグネシウム合金におけるアルミニウム又は亜鉛の既存含有量に加えて、アルミニウム又は亜鉛をさらに添加して、冷却後塑性加工処理して高強度難燃性マグネシウム合金を製造する方法に関するものである。
【０００９】
又、特許文献２の技術は、マグネシウム溶接線に関するものであるが、溶接線の表面清浄性及び寸法精度を高めるために、伸線加工後、あるいは伸線加工前にシェービング加工を施す技術が開示されており、溶接ワイヤや溶接棒といった、いわゆる溶加材の組成自体に関するものではない。更には、このマグネシウム溶接線は、一般汎用のマグネシウム合金であり、難燃性のマグネシウム合金ではない。
【００１０】
又、特許文献３は、強度と靱性に優れたマグネシウム基合金ワイヤとその製造方法、ならびにマグネシウム基合金ワイヤを用いたばねを提供する技術を開示しているが、ワイヤの強度や延性を特定するとともに、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素を所定量含むものであり、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材とはその組成を異にする。又、特許文献３では、このマグネシウム基合金ワイヤを用いたばねを提供しており、溶接線としての利用はその可能性が提案されてはいるものの、その具体的な実施例は一切記載されていない。更に、難燃性のマグネシウム合金に関するものではない。
【００１１】
又、特許文献４では、難燃性マグネシウム合金を各種ヘルメットへ応用し、必要に応じてこのマグネシウム合金のレーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接などの溶融溶接を行うとして難燃性マグネシウム合金の溶接の可能性を開示している。しかし、いかなる実施例も伴なっていない。更なる明確な相違は、特許文献４に記載された難燃性マグネシウム合金は、溶接される側の材料に関するものであり、溶接する際に使用される溶加材ではない。
【００１２】
又、特許文献５で提案された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、０．５〜５．０質量％のＣａを添加した難燃性マグネシウム合金をベースとしている点は本件発明と同一であるが、本件発明は該合金に添加する追加添加物の組成が特許文献５とは異なり、この異なる追加添加物を添加した場合における溶加材の特性、及びそれをマグネシウムの溶接に実際に適用した場合、溶接部の機械的強度等の特性が不明である。
【００１３】
以上詳記したように、開示されている従来技術は、溶接ワイヤの表面性状の改善や、マグネシウム基合金製のばねの提供、あるいは、開発された溶加材を用いて溶接を行った場合、溶接接合強度は必ずしも十分なものではない等の問題点を含んでいた。
【００１４】
本発明は、このような従来の技術背景のもとになされたものであり、次の目的を達成する。
本発明の目的は、純マグネシウム部材やマグネシウム合金部材の溶融溶接を行う際に用いる溶加材を提供することである。より具体的には、マグネシウム合金へのＣａの添加に加え、汎用的な元素を追加添加することによって、高い溶接接合強度を可能とする難燃性マグネシウム合金溶加材を提供することにある。
本発明の他の目的は、切削屑等を利用することによって、低コストに構成される難燃性マグネシウム合金溶接用溶加材の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段を採る。
本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されることを特徴とする。難燃性マグネシウム合金溶加材の具体的な形状形態は、溶接棒、溶接ワイヤ等を含むものである。
【００１６】
本発明２の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であることを特徴とする。
本発明３の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であることを特徴とする。
【００１７】
本発明４の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であることを特徴とする。
本発明５の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％であることを特徴とする。
【００１８】
本発明６の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記マグネシウム合金は、０〜１２．０質量％のアルミニウムと０〜５．０質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金であることを特徴とする。
本発明７の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記マグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格で規定するＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系及びＡＭ１００系から選択される１種のマグネシウム合金であることを特徴とする。
【００１９】
本発明８の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記難燃性マグネシウム合金は、該難燃性マグネシウム合金素材から得られる粉砕物からなることを特徴とする。
本発明９の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物を添加した後、塑性加工により製造された合金であることを特徴とする。
【００２０】
本発明１０の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明８の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記粉砕物は、切削加工で得られる切削屑又はその粉末体であることを特徴とする。
本発明１１の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明９の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記塑性加工は、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、及び圧延加工のいずれか１以上の加工であることを特徴とする。
【００２１】
本発明１２の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１から８の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記難燃性マグネシウム合金溶加材は、ワイヤ状又は棒状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、Ｃａの添加に加え汎用的な元素の追加添加により、さらに押し出し加工等の塑性加工を施すことによって作製され、溶接接合性能を向上させた難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【００２３】
また、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、Ｃａの添加によって発火点が高く通常の環境状態での接合ができ、溶接作業時に発生するヒューム（溶接又は切断時の熱によって蒸発した物質が冷却されて固体の微粒子となったもの）の発生が、通常のマグネシウム合金を溶加材として用いた場合に比して少ない。更に、切削屑等の粉砕物を有効に利用することで、低コストの難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材の実施の形態について詳細に説明する。本発明は、純マグネシウムやマグネシウム合金、あるいは難燃性マグネシウム合金の部材を溶接するための溶加材であり、具体的には、溶接棒や溶接ワイヤ等の形状形態をとる。
【００２５】
本発明に関わる実施の形態の溶加材に適用するマグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）で規格される［ＡＭ６０Ｂ合金］で表示される鋳造用マグネシウム合金である。本発明の適用合金は［ＡＭ６０Ｂ合金］に当然ながら限定されるものではなく、他のマグネシウム合金であってもよい。この合金に０．５〜５．０質量％のＣａを添加する。本実施の形態の合金においては、２質量％のＣａを添加したものを適用する。
【００２６】
ＡＭ６０Ｂはダイカスト用合金であり、耐食性向上のため、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の不純物の含有量を少なくした高純度マグネシウム合金である。その基本化学組成は、Ａｌ：５．５〜６．５質量％、Ｍｎ：０．２４〜０．６質量％、残部マグネシウム及び不可避的成分からなる。これにＣａを添加し、難燃性マグネシウム合金としている。Ｃａの添加量は、前述したように０．５〜５．０質量％が望ましい。
【００２７】
マグネシウムは、結晶構造が稠密六方晶であるため、室温のもとでは塑性加工性が極めて悪く、冷間加工はできないのが現状である。熱間では塑性加工性もかなり向上するが、他の金属と比較すると精緻な形状の加工はやはり困難である。従って、マグネシウム合金の製造は鋳造法が主に用いられる。又、鋳造法で得られた鋳造品や塑性加工で得られた鍛造材や展伸材等の最終形状への仕上げには、切削加工が施される場合が多い。しかしながら、切削加工で発生する切削屑の処理はコスト等が嵩む制約があり、一方、リサイクル材として、このままで再利用するには多くの問題を抱えている。
【００２８】
近年、この切削屑の有効利用を図る研究が行われているが、実用に供せる決定的な事例はまだ開示されていない。本発表においては、難燃性マグネシウム合金の切削屑をベースとするものである。この難燃性マグネシウム合金は切削性が良好であるとともに、難燃性の付与により、汎用のマグネシウム合金で一般に行われている湿式切削ではなく乾式切削が可能となる。これにより切削屑の利用・リサイクルが大幅に容易となる利点を有する。勿論、本発明において使用する難燃性マグネシウム合金の素材は、切削屑に限定されず、切削屑に準じるものであればどのような小片状ブロックであってもよい。
【００２９】
次に、本発明の素材である高強度な難燃性マグネシウム合金の製造について説明する。ベースとなるマグネシウム合金は、２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」である。ＡＭ６０Ｂは本来鋳造用のマグネシウム合金であるが、熱間においては押し出し等の塑性加工を可能とするものである。この塑性加工には、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、回転鍛造加工、圧延加工等がある。
【００３０】
このＡＭ６０Ｂに２質量％のＣａを添加することにより、マグネシウム合金の発火温度を２００〜３００℃上昇させることができる。このため、大気中での溶解作業も安全に行うことができる。この「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」から、例えば粉砕に供する物として切削屑を製造する。この切削屑の粉末化をボールミル等で行う。
【００３１】
本発明における難燃性マグネシウム合金の場合、Ｃａの添加によって難燃化が図られているので、粉末の状態であっても安全である。例えば、１４６μｍの平均粒径を有する難燃性「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の粉末の爆発下限濃度の値は、１００ｍｇ／ｍ３であり、アルミニウム粉末（３５ｍｇ／ｍ３）よりも大きく鉄粉末（＜１２０ｍｇ／ｍ３）並になり、爆発の危険性は大幅に軽減され取り扱いが容易となっている。
【００３２】
次に、切削屑等の粉末化に伴ない、本発明に関わる素材の特徴である追加添加物として、所定元素を添加する。この追加添加物は、その割合を含めて示すと、ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であり、チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であり、イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であり、ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％である各元素である。これらの追加添加物を１種以上、追加添加する。
【００３３】
これらの元素の種類と添加量を限定しているのは、マグネシウム合金部材の溶接に本溶加材を適用した場合、高い溶接接合強度が達成される範囲を示すものであり、この範囲を外れると高強度化の効果が薄れるためである。これらの１種または選択される複数種を追加添加し、粉末化と複合化を同時に行う。即ち、この追加物の添加により、例えば、切削屑状にある難燃性マグネシウム合金は、凝固組織や内在する化合物が分断・破壊され、微細均質な組織に改質する。同時に粉末内部に微細な追加添加物が均一に入り込み、組織を微細均質にするのである。
【００３４】
このように、微細均質な組織になった粉末状の難燃性マグネシウム合金を予備成形する。この予備成形は冷間成形も可能であるが、熱間成形が粉末の固化と焼結を兼ねることができるので好ましい。粉末の固化と焼結を同時に行う熱間成形では、例えば、短時間で焼結工程が完了することができるパルス通電焼結法等が適する。次に、この予備成形され焼結された難燃性マグネシウム合金をビレットとして熱間押し出し加工を施す。この熱間押し出し加工やその他の塑性加工により難燃性マグネシウム合金は、その内部にミクロ欠陥等を含まない緻密な難燃性マグネシウム合金になる。
【００３５】
又、使用するマグネシウム合金は、前述の実施の形態以外に、０〜１２質量％のアルミニウムと０〜５質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金でも有効な結果が可能であり、更にマグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格表示のＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系、及びＡＭ１００系から選択されるいずれを使用しても有効な結果が可能である。
【００３６】
本発明による難燃性マグネシウム合金溶加材は、ベースとなるマグネシウムの難燃化に伴ない、溶接作業においても火花等の発生に伴う火災等の危険性が少なくなり、安全に溶接作業を行うことができる。一般に、溶接作業時には、溶接時の熱によって蒸発した物質が冷却されて固体の微粒子となったヒュームが発生することが知られているが、本発明による溶接棒、溶接ワイヤ等の難燃性マグネシウム合金溶加材を使用することによって、その発生を抑制できる。このように、実際の溶接現場においてもその溶接環境の向上に寄与できる。
【００３７】
溶加材が溶接棒や溶接ワイヤの形状形態をとる場合、例えば、押し出し加工や伸線用に特化したローラダイス等による伸線加工を施すことによって得られる。これらの加工を施すことにより、本発明の溶接棒、又は溶接ワイヤ等の溶加材に含まれる追加添加物は、マグネシウムマトリックス中に一層の均質分散が可能となり、その結果、溶接組織においても均質組織が達成され、機械的特性の向上ができる。
【００３８】
本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウムやマグネシウム合金素材を溶接する際、溶接の種類にかかわらず全般に適用可能であるが、特にＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接に好適に利用することができる。以下、ＴＩＧ溶接で行った例を実施例において示す。以上、実施の形態について説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されないことはいうまでもない。
【実施例１】
【００３９】
本実施例１における難燃性マグネシウム合金溶接用溶加材は、ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ホウ素、チタン、イットリウム及びジルコニウムの各元素を、表１に示す組成になるように添加したものである。本実施例１では、「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ」合金の小片状ブロックとして、旋削の切粉である切削屑を用い、この切削屑をボールミルにより粉砕して粉砕物を得た。この際、前記の追加添加物も同時に添加して、添加物の均質分散複合化を行った。
【００４０】
次に、このボールミルによって調製された難燃性マグネシウム合金の粉砕物を、パルス通電焼結法により焼結温度４８０℃、時間は２０分間、大気中で固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１１０、押し出し温度を４８０℃で熱間押し出し加工を行った。
【００４１】
前記で得られた難燃性マグネシウム合金を、マグネシウム合金を溶接する際の溶加材として用いた。ここで、溶接に供される被溶接材には、ＡＭ６０Ｂマグネシウム合金に難燃性を付与するために、２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の押出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接方法は、ティグ（ＴＩＧ）溶接にて行った。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と母材間の距離は２ｍｍ、交流式で電流１００Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４２】
溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、溶接部の引張強度試験を行い、接合強度を調べた。その引張強度試験の結果を図１に示す。横軸は各種添加物の種類及びその組成である。実施例１において得られた接合強度は、いずれも下記に示す比較例１の結果を大幅に上回っており、本発明の効果を明確に認めることができた。
【表１】
【００４３】
［比較例１］
この比較例１においては、溶加材として「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工、次に熱間での引き抜き加工を経て作製された引き抜き材を用いた。これを溶加材として用いて、実施例１と全く同じ条件（被溶接材、及び各種溶接条件）の下でＴＩＧ溶接を行った。溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を調べた。その引張強度試験の結果は図1中の比較例１として示すとおりであり、接合引張強度は１７３ＭＰａに過ぎなかった。
【実施例２】
【００４４】
本実施例２における難燃性マグネシウム合金溶加材は、ＡＺ９１Ｄ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ホウ素及びチタンの各元素を表２に示す組成になるように添加したものである。本実施例２では、この「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ」合金の小片状ブロックとして、旋削加工で発生する切削屑を用い、この切削屑をボールミルにより粉砕して粉砕物を得た。この際、前記の追加添加物も同時に添加して、添加物の均質分散複合化を行った。
【００４５】
次に、この調製された難燃性マグネシウム合金の粉砕物をパルス通電焼結法により、焼結温度４５０℃、時間は２０分間、大気中で固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１１０、押し出し温度を４００℃で熱間押し出し加工を行った。
【００４６】
前記で得られた難燃性マグネシウム合金を、マグネシウム合金を溶接する際の溶加材として用いた。ここで、溶接に供される被溶接材には、ＡＭ６０Ｂマグネシウム合金に難燃性を付与するために２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の押出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ溶接で行った。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と母材間の距離は２ｍｍ、交流式で電流７５Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４７】
溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、溶接部の引張強度試験を行い、接合強度を調べた。その引張強度試験の結果を図２に示す。横軸は、各種添加物の種類及びその組成である。実施例２において得られた接合強度は、いずれも下記に示す比較例２の結果を大幅に上回っており、本発明の効果を明確に認めることができた。
【表２】
【００４８】
［比較例２］
この比較例２においては、溶加材として「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工を経て作製された押し出し材を用いた。実施例２と全く同じ条件（被溶接材、及び各種溶接条件）の下で、ＴＩＧ溶接を行った。溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を調べた。その引張強度試験の結果は、図２中の比較例２として示すとおりであり、接合引張強度は１６６ＭＰａに過ぎなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」をベースとして、追加添加物を含む難燃性マグネシウム合金溶加材を用いて溶接した被溶接板材の引張強度試験結果を示したもので、比較例１を含むデータ図である。
【図２】図２は、「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ合金」をベースとして、追加添加物を含む難燃性マグネシウム合金溶加材を用いて溶接した被溶接板材の引張強度試験結果を示したもので、比較例２を含むデータ図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純マグネシウムあるいはマグネシウム合金の部材を溶接するときに用いる溶加材に関する。更に詳しくは、純マグネシウムやマグネシウム合金の部材を溶接する際に用いる難燃性マグネシウム合金溶加材であり、これは溶接棒、溶接ワイヤ等の形態で提供されるものであり、溶接接合強度を高めた難燃性マグネシウム合金溶加材に関する。
【背景技術】
【０００２】
マグネシウム合金は、実用金属材料中で最も軽量であり、鉄合金や銅合金、更にアルミニウム合金その他の金属の軽量化代替材料として注目されている。又、リサイクル性に富むためにプラスチックの代替材としても注目されている。マグネシウム合金は低密度であるため、比強度、比弾性率等が高い。このため、軽量化の要求される産業分野において、将来その需要が高まることが予想される。比較的軽量であるチタン合金やアルミニウム合金は十分な機械的強度を有しているものの、マグネシウム合金に比し、軽量性や衝撃緩衝性等の特性が低いという欠点がある。
【０００３】
通常の純マグネシウムやマグネシウム合金は、チタン合金やアルミニウム合金に比して強度が低いとともに、化学的活性化度が高いために容易に発火・燃焼しやすい欠点があることは従来から知られている。このような発火・燃焼しやすい純マグネシウムやマグネシウム合金を安全なものとするために、これらにカルシウムを添加して発火点を高め、発火し難いものにした難燃性マグネシウム合金が開発されている。この難燃性マグネシウム合金の鋳造材に、次いで、押し出しや圧延等の塑性加工を施して高強度の難燃性マグネシウム合金とすることが、特許文献１で示すように開発されている。
【０００４】
マグネシウム合金は自動車、二輪車、鉄道車両、航空機、ロボット等の移動構造体や福祉機器、高齢者用機器等の構造部材への広範な応用が期待されている。そのような各種構造部材においては、各部材の接合、特に溶接技術が不可欠となる。溶接技術においても種々開発が行われており、マグネシウム合金に関してもレーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等々が知られている。難燃性のマグネシウム合金ではないが、例えば、マグネシウム基合金の押し出し材等の母材に、さらに伸線加工を施した後、表面にシェービング加工を施して、潤滑剤や酸化物等を除去して、表面清浄性に優れるマグネシウム溶接線が開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００５】
又、これも難燃性のマグネシウム合金ではないが、強度と靭性に優れたマグネシウム基合金のワイヤとするために、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素、等の成分を含むものが知られている（例えば、特許文献３参照）。また、前述したようにマグネシウム合金に、カルシウムを含有させた難燃性マグネシウム合金は、発火点が高く、安全性が向上しているので、この特性を生かして、難燃性マグネシウム合金をヘルメットに適用した技術も開示されている（例えば特許文献４参照）。これには、分割された部材を突合せた状態で、レーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接等の溶融溶接により接合し、一体化することが提案されている。
【０００６】
又、本出願人は、溶接の接合強度を高めるために高強度難燃性マグネシウム合金溶加材を提案している（特許文献５）。これは、マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タングステン（Ｗ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）、及び炭化珪素（ＳｉＣ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されるものである。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−１０９９６３号公報
【特許文献２】特開２００６−２６３７４４号公報
【特許文献３】特許第３５９２３１０号公報
【特許文献４】特開２００５−３５０８０８号公報
【特許文献５】特願２００８−２６０５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したように、マグネシウム合金の特性を向上させる改良技術は種々提案されている。しかしながら、現状のマグネシウム合金はまだ問題点を多く抱え、満足すべきものとはなっておらず、特定の製品に適用して製品化を行うためにはまだ改良の余地があり、不十分である。特許文献１に記載された発明は、０．１〜１５質量％のＣａを含む難燃性マグネシウム合金を塑性加工処理するか、又は該難燃性マグネシウム合金におけるアルミニウム又は亜鉛の既存含有量に加えて、アルミニウム又は亜鉛をさらに添加して、冷却後塑性加工処理して高強度難燃性マグネシウム合金を製造する方法に関するものである。
【０００９】
又、特許文献２の技術は、マグネシウム溶接線に関するものであるが、溶接線の表面清浄性及び寸法精度を高めるために、伸線加工後、あるいは伸線加工前にシェービング加工を施す技術が開示されており、溶接ワイヤや溶接棒といった、いわゆる溶加材の組成自体に関するものではない。更には、このマグネシウム溶接線は、一般汎用のマグネシウム合金であり、難燃性のマグネシウム合金ではない。
【００１０】
又、特許文献３は、強度と靱性に優れたマグネシウム基合金ワイヤとその製造方法、ならびにマグネシウム基合金ワイヤを用いたばねを提供する技術を開示しているが、ワイヤの強度や延性を特定するとともに、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素を所定量含むものであり、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材とはその組成を異にする。又、特許文献３では、このマグネシウム基合金ワイヤを用いたばねを提供しており、溶接線としての利用はその可能性が提案されてはいるものの、その具体的な実施例は一切記載されていない。更に、難燃性のマグネシウム合金に関するものではない。
【００１１】
又、特許文献４では、難燃性マグネシウム合金を各種ヘルメットへ応用し、必要に応じてこのマグネシウム合金のレーザ溶接、ＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接などの溶融溶接を行うとして難燃性マグネシウム合金の溶接の可能性を開示している。しかし、いかなる実施例も伴なっていない。更なる明確な相違は、特許文献４に記載された難燃性マグネシウム合金は、溶接される側の材料に関するものであり、溶接する際に使用される溶加材ではない。
【００１２】
又、特許文献５で提案された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、０．５〜５．０質量％のＣａを添加した難燃性マグネシウム合金をベースとしている点は本件発明と同一であるが、本件発明は該合金に添加する追加添加物の組成が特許文献５とは異なり、この異なる追加添加物を添加した場合における溶加材の特性、及びそれをマグネシウムの溶接に実際に適用した場合、溶接部の機械的強度等の特性が不明である。
【００１３】
以上詳記したように、開示されている従来技術は、溶接ワイヤの表面性状の改善や、マグネシウム基合金製のばねの提供、あるいは、開発された溶加材を用いて溶接を行った場合、溶接接合強度は必ずしも十分なものではない等の問題点を含んでいた。
【００１４】
本発明は、このような従来の技術背景のもとになされたものであり、次の目的を達成する。
本発明の目的は、純マグネシウム部材やマグネシウム合金部材の溶融溶接を行う際に用いる溶加材を提供することである。より具体的には、マグネシウム合金へのＣａの添加に加え、汎用的な元素を追加添加することによって、高い溶接接合強度を可能とする難燃性マグネシウム合金溶加材を提供することにある。
本発明の他の目的は、切削屑等を利用することによって、低コストに構成される難燃性マグネシウム合金溶接用溶加材の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段を採る。
本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されることを特徴とする。難燃性マグネシウム合金溶加材の具体的な形状形態は、溶接棒、溶接ワイヤ等を含むものである。
【００１６】
本発明２の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であることを特徴とする。
本発明３の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であることを特徴とする。
【００１７】
本発明４の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であることを特徴とする。
本発明５の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％であることを特徴とする。
【００１８】
本発明６の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記マグネシウム合金は、０〜１２．０質量％のアルミニウムと０〜５．０質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金であることを特徴とする。
本発明７の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記マグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格で規定するＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系及びＡＭ１００系から選択される１種のマグネシウム合金であることを特徴とする。
【００１９】
本発明８の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記難燃性マグネシウム合金は、該難燃性マグネシウム合金素材から得られる粉砕物からなることを特徴とする。
本発明９の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物を添加した後、塑性加工により製造された合金であることを特徴とする。
【００２０】
本発明１０の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明８の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記粉砕物は、切削加工で得られる切削屑又はその粉末体であることを特徴とする。
本発明１１の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明９の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記塑性加工は、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、及び圧延加工のいずれか１以上の加工であることを特徴とする。
【００２１】
本発明１２の難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１から８の難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記難燃性マグネシウム合金溶加材は、ワイヤ状又は棒状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、Ｃａの添加に加え汎用的な元素の追加添加により、さらに押し出し加工等の塑性加工を施すことによって作製され、溶接接合性能を向上させた難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【００２３】
また、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、Ｃａの添加によって発火点が高く通常の環境状態での接合ができ、溶接作業時に発生するヒューム（溶接又は切断時の熱によって蒸発した物質が冷却されて固体の微粒子となったもの）の発生が、通常のマグネシウム合金を溶加材として用いた場合に比して少ない。更に、切削屑等の粉砕物を有効に利用することで、低コストの難燃性マグネシウム合金溶加材である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材の実施の形態について詳細に説明する。本発明は、純マグネシウムやマグネシウム合金、あるいは難燃性マグネシウム合金の部材を溶接するための溶加材であり、具体的には、溶接棒や溶接ワイヤ等の形状形態をとる。
【００２５】
本発明に関わる実施の形態の溶加材に適用するマグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）で規格される［ＡＭ６０Ｂ合金］で表示される鋳造用マグネシウム合金である。本発明の適用合金は［ＡＭ６０Ｂ合金］に当然ながら限定されるものではなく、他のマグネシウム合金であってもよい。この合金に０．５〜５．０質量％のＣａを添加する。本実施の形態の合金においては、２質量％のＣａを添加したものを適用する。
【００２６】
ＡＭ６０Ｂはダイカスト用合金であり、耐食性向上のため、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ等の不純物の含有量を少なくした高純度マグネシウム合金である。その基本化学組成は、Ａｌ：５．５〜６．５質量％、Ｍｎ：０．２４〜０．６質量％、残部マグネシウム及び不可避的成分からなる。これにＣａを添加し、難燃性マグネシウム合金としている。Ｃａの添加量は、前述したように０．５〜５．０質量％が望ましい。
【００２７】
マグネシウムは、結晶構造が稠密六方晶であるため、室温のもとでは塑性加工性が極めて悪く、冷間加工はできないのが現状である。熱間では塑性加工性もかなり向上するが、他の金属と比較すると精緻な形状の加工はやはり困難である。従って、マグネシウム合金の製造は鋳造法が主に用いられる。又、鋳造法で得られた鋳造品や塑性加工で得られた鍛造材や展伸材等の最終形状への仕上げには、切削加工が施される場合が多い。しかしながら、切削加工で発生する切削屑の処理はコスト等が嵩む制約があり、一方、リサイクル材として、このままで再利用するには多くの問題を抱えている。
【００２８】
近年、この切削屑の有効利用を図る研究が行われているが、実用に供せる決定的な事例はまだ開示されていない。本発表においては、難燃性マグネシウム合金の切削屑をベースとするものである。この難燃性マグネシウム合金は切削性が良好であるとともに、難燃性の付与により、汎用のマグネシウム合金で一般に行われている湿式切削ではなく乾式切削が可能となる。これにより切削屑の利用・リサイクルが大幅に容易となる利点を有する。勿論、本発明において使用する難燃性マグネシウム合金の素材は、切削屑に限定されず、切削屑に準じるものであればどのような小片状ブロックであってもよい。
【００２９】
次に、本発明の素材である高強度な難燃性マグネシウム合金の製造について説明する。ベースとなるマグネシウム合金は、２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」である。ＡＭ６０Ｂは本来鋳造用のマグネシウム合金であるが、熱間においては押し出し等の塑性加工を可能とするものである。この塑性加工には、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、回転鍛造加工、圧延加工等がある。
【００３０】
このＡＭ６０Ｂに２質量％のＣａを添加することにより、マグネシウム合金の発火温度を２００〜３００℃上昇させることができる。このため、大気中での溶解作業も安全に行うことができる。この「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」から、例えば粉砕に供する物として切削屑を製造する。この切削屑の粉末化をボールミル等で行う。
【００３１】
本発明における難燃性マグネシウム合金の場合、Ｃａの添加によって難燃化が図られているので、粉末の状態であっても安全である。例えば、１４６μｍの平均粒径を有する難燃性「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の粉末の爆発下限濃度の値は、１００ｍｇ／ｍ３であり、アルミニウム粉末（３５ｍｇ／ｍ３）よりも大きく鉄粉末（＜１２０ｍｇ／ｍ３）並になり、爆発の危険性は大幅に軽減され取り扱いが容易となっている。
【００３２】
次に、切削屑等の粉末化に伴ない、本発明に関わる素材の特徴である追加添加物として、所定元素を添加する。この追加添加物は、その割合を含めて示すと、ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であり、チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であり、イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であり、ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％である各元素である。これらの追加添加物を１種以上、追加添加する。
【００３３】
これらの元素の種類と添加量を限定しているのは、マグネシウム合金部材の溶接に本溶加材を適用した場合、高い溶接接合強度が達成される範囲を示すものであり、この範囲を外れると高強度化の効果が薄れるためである。これらの１種または選択される複数種を追加添加し、粉末化と複合化を同時に行う。即ち、この追加物の添加により、例えば、切削屑状にある難燃性マグネシウム合金は、凝固組織や内在する化合物が分断・破壊され、微細均質な組織に改質する。同時に粉末内部に微細な追加添加物が均一に入り込み、組織を微細均質にするのである。
【００３４】
このように、微細均質な組織になった粉末状の難燃性マグネシウム合金を予備成形する。この予備成形は冷間成形も可能であるが、熱間成形が粉末の固化と焼結を兼ねることができるので好ましい。粉末の固化と焼結を同時に行う熱間成形では、例えば、短時間で焼結工程が完了することができるパルス通電焼結法等が適する。次に、この予備成形され焼結された難燃性マグネシウム合金をビレットとして熱間押し出し加工を施す。この熱間押し出し加工やその他の塑性加工により難燃性マグネシウム合金は、その内部にミクロ欠陥等を含まない緻密な難燃性マグネシウム合金になる。
【００３５】
又、使用するマグネシウム合金は、前述の実施の形態以外に、０〜１２質量％のアルミニウムと０〜５質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金でも有効な結果が可能であり、更にマグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格表示のＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系、及びＡＭ１００系から選択されるいずれを使用しても有効な結果が可能である。
【００３６】
本発明による難燃性マグネシウム合金溶加材は、ベースとなるマグネシウムの難燃化に伴ない、溶接作業においても火花等の発生に伴う火災等の危険性が少なくなり、安全に溶接作業を行うことができる。一般に、溶接作業時には、溶接時の熱によって蒸発した物質が冷却されて固体の微粒子となったヒュームが発生することが知られているが、本発明による溶接棒、溶接ワイヤ等の難燃性マグネシウム合金溶加材を使用することによって、その発生を抑制できる。このように、実際の溶接現場においてもその溶接環境の向上に寄与できる。
【００３７】
溶加材が溶接棒や溶接ワイヤの形状形態をとる場合、例えば、押し出し加工や伸線用に特化したローラダイス等による伸線加工を施すことによって得られる。これらの加工を施すことにより、本発明の溶接棒、又は溶接ワイヤ等の溶加材に含まれる追加添加物は、マグネシウムマトリックス中に一層の均質分散が可能となり、その結果、溶接組織においても均質組織が達成され、機械的特性の向上ができる。
【００３８】
本発明の難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウムやマグネシウム合金素材を溶接する際、溶接の種類にかかわらず全般に適用可能であるが、特にＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接に好適に利用することができる。以下、ＴＩＧ溶接で行った例を実施例において示す。以上、実施の形態について説明したが、本発明は、本実施の形態に限定されないことはいうまでもない。
【実施例１】
【００３９】
本実施例１における難燃性マグネシウム合金溶接用溶加材は、ＡＭ６０Ｂ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ホウ素、チタン、イットリウム及びジルコニウムの各元素を、表１に示す組成になるように添加したものである。本実施例１では、「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ」合金の小片状ブロックとして、旋削の切粉である切削屑を用い、この切削屑をボールミルにより粉砕して粉砕物を得た。この際、前記の追加添加物も同時に添加して、添加物の均質分散複合化を行った。
【００４０】
次に、このボールミルによって調製された難燃性マグネシウム合金の粉砕物を、パルス通電焼結法により焼結温度４８０℃、時間は２０分間、大気中で固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１１０、押し出し温度を４８０℃で熱間押し出し加工を行った。
【００４１】
前記で得られた難燃性マグネシウム合金を、マグネシウム合金を溶接する際の溶加材として用いた。ここで、溶接に供される被溶接材には、ＡＭ６０Ｂマグネシウム合金に難燃性を付与するために、２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の押出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接方法は、ティグ（ＴＩＧ）溶接にて行った。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と母材間の距離は２ｍｍ、交流式で電流１００Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４２】
溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、溶接部の引張強度試験を行い、接合強度を調べた。その引張強度試験の結果を図１に示す。横軸は各種添加物の種類及びその組成である。実施例１において得られた接合強度は、いずれも下記に示す比較例１の結果を大幅に上回っており、本発明の効果を明確に認めることができた。
【表１】
【００４３】
［比較例１］
この比較例１においては、溶加材として「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工、次に熱間での引き抜き加工を経て作製された引き抜き材を用いた。これを溶加材として用いて、実施例１と全く同じ条件（被溶接材、及び各種溶接条件）の下でＴＩＧ溶接を行った。溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を調べた。その引張強度試験の結果は図1中の比較例１として示すとおりであり、接合引張強度は１７３ＭＰａに過ぎなかった。
【実施例２】
【００４４】
本実施例２における難燃性マグネシウム合金溶加材は、ＡＺ９１Ｄ合金に難燃性付与のために２．０質量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ」をベースにし、これに追加添加物として、ホウ素及びチタンの各元素を表２に示す組成になるように添加したものである。本実施例２では、この「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ」合金の小片状ブロックとして、旋削加工で発生する切削屑を用い、この切削屑をボールミルにより粉砕して粉砕物を得た。この際、前記の追加添加物も同時に添加して、添加物の均質分散複合化を行った。
【００４５】
次に、この調製された難燃性マグネシウム合金の粉砕物をパルス通電焼結法により、焼結温度４５０℃、時間は２０分間、大気中で固化形成した。次に、これをビレットとして、押し出し比を１１０、押し出し温度を４００℃で熱間押し出し加工を行った。
【００４６】
前記で得られた難燃性マグネシウム合金を、マグネシウム合金を溶接する際の溶加材として用いた。ここで、溶接に供される被溶接材には、ＡＭ６０Ｂマグネシウム合金に難燃性を付与するために２質量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」の押出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ溶接で行った。主な溶接条件は以下のとおりである。すなわち、直径２．４ｍｍの純タングステン電極を用い、電極と母材間の距離は２ｍｍ、交流式で電流７５Ａ、溶接速度は２００ｍｍ／ｍｉｎ、不活性ガスにはアルゴンガスを用い、その流量は１２Ｌ／ｍｉｎとした。
【００４７】
溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、溶接部の引張強度試験を行い、接合強度を調べた。その引張強度試験の結果を図２に示す。横軸は、各種添加物の種類及びその組成である。実施例２において得られた接合強度は、いずれも下記に示す比較例２の結果を大幅に上回っており、本発明の効果を明確に認めることができた。
【表２】
【００４８】
［比較例２］
この比較例２においては、溶加材として「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工を経て作製された押し出し材を用いた。実施例２と全く同じ条件（被溶接材、及び各種溶接条件）の下で、ＴＩＧ溶接を行った。溶接における余盛り部を取り除いて引張試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を調べた。その引張強度試験の結果は、図２中の比較例２として示すとおりであり、接合引張強度は１６６ＭＰａに過ぎなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、「ＡＭ６０Ｂ−２％Ｃａ合金」をベースとして、追加添加物を含む難燃性マグネシウム合金溶加材を用いて溶接した被溶接板材の引張強度試験結果を示したもので、比較例１を含むデータ図である。
【図２】図２は、「ＡＺ９１Ｄ−２％Ｃａ合金」をベースとして、追加添加物を含む難燃性マグネシウム合金溶加材を用いて溶接した被溶接板材の引張強度試験結果を示したもので、比較例２を含むデータ図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項２】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項３】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項４】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項５】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項６】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記マグネシウム合金は、０〜１２．０質量％のアルミニウムと０〜５．０質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項７】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記マグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格で規定するＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系及びＡＭ１００系から選択される１種のマグネシウム合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項８】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金は、該難燃性マグネシウム合金素材から得られる粉砕物からなることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項９】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金は、前記追加添加物を添加した後、塑性加工により製造された合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１０】
請求項８に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記粉砕物は、切削加工で得られる切削屑又はその粉末体であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１１】
請求項９に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記塑性加工は、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、及び圧延加工のいずれか１以上の加工であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１２】
請求項１ないし８から選択される１項に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金溶加材は、ワイヤ状又は棒状であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１】
マグネシウム合金に０．５〜５．０質量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した難燃性マグネシウム合金をベースとして、これに、ホウ素（Ｂ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、及びジルコニウム（Ｚｒ）から選択される１種以上の追加添加物を添加して構成されることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項２】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ホウ素（Ｂ）の量は、１．０〜７．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項３】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物チタン（Ｔｉ）の量は、０．５〜３．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項４】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物イットリウム（Ｙ）の量は、０．４〜１．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項５】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ジルコニウム（Ｚｒ）の量は、０．５〜１．０質量％であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項６】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記マグネシウム合金は、０〜１２．０質量％のアルミニウムと０〜５．０質量％の亜鉛と０．５質量％以下のマンガンを含むマグネシウム合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項７】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記マグネシウム合金は、米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）規格で規定するＡＺ３１系、ＡＺ６１系、ＡＺ８０系、ＡＺ９１系、ＡＺ９２系、ＡＭ５０系、ＡＭ６０系及びＡＭ１００系から選択される１種のマグネシウム合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項８】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金は、該難燃性マグネシウム合金素材から得られる粉砕物からなることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項９】
請求項１に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金は、前記追加添加物を添加した後、塑性加工により製造された合金であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１０】
請求項８に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記粉砕物は、切削加工で得られる切削屑又はその粉末体であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１１】
請求項９に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記塑性加工は、押し出し加工、引き抜き加工、鍛造加工、及び圧延加工のいずれか１以上の加工であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１２】
請求項１ないし８から選択される１項に記載された難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記難燃性マグネシウム合金溶加材は、ワイヤ状又は棒状であることを特徴とする難燃性マグネシウム合金溶加材。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−３６２２１（Ｐ２０１０−３６２２１Ａ）
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０２５０７（Ｐ２００８−２０２５０７）
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人科学技術振興機構「高溶接強度実現のための新規マグネシウム高強度溶加材の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月１８日（２０１０．２．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年８月６日（２００８．８．６）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人科学技術振興機構「高溶接強度実現のための新規マグネシウム高強度溶加材の開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【Ｆターム（参考）】
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