高強度難燃性マグネシウム合金溶加材
【課題】溶接接合強度を高めた高強度難燃性マグネシウム合金溶加材を提供する。
【解決手段】素材を、０．５〜５重量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金に、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）から選択される少なくとも１種以上を追加添加物として添加した高強度難燃性マグネシウム合金とし、溶接接合強度を高めた溶加材。
【解決手段】素材を、０．５〜５重量％のカルシウムが添加された難燃性マグネシウム合金に、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）から選択される少なくとも１種以上を追加添加物として添加した高強度難燃性マグネシウム合金とし、溶接接合強度を高めた溶加材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムやマグネシウム合金を溶接する際に用いられる溶加材、即ち、溶接棒や溶接ワイヤ（溶接線）であり、機械的強度を高めた高強度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、極めて軽量であるため、アルミニウム合金やその他の金属材料の代替材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、実用金属の中では最も軽量に属し、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。チタンやアルミニウム合金は十分な強度を有しているものの、マグネシウム合金に比し、軽量性や緩衝性等の特性が低いという欠点がある。
【０００３】
通常のマグネシウム合金は、チタンやアルミニウム合金に比して強度が低いとともに、発火点が低いので発火しやすい欠点があることは従来から知られている。このため難燃性にするために、マグネシウム合金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とし、次いで押し出しや圧延等の塑性加工を施した高強度難燃性マグネシウム合金が特許文献１で示すように開発されている。
【０００４】
一方、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。
【０００５】
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溶接等々がなされている。難燃性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などの母材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）。又、これも難燃性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して、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）。
【０００６】
また、前述の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、機械的強度も高く取り扱いやすい特性をもっている。このことから、この利点を利用しこの難燃性マグネシウム合金を製品として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、一体化することが開示されている。
【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
【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、製品化に適用するためにはまだ改良の余地があり不十分である。特に特許文献１の技術は、本出願人の出願になるものであるが、高強度難燃性マグネシウム合金はＣａを０．１〜１５重量％を含み、Ａｌ、Ｚｎを一部添加した合金である。
【０００９】
これに対して、本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウム合金にＣａを０．５〜５重量％を添加した上に、Ｃ，Ｍｏ，Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｉＣ、のいずれか１種以上を追加添加して強度強化を図ったもので性質が異なる。本発明は、特許文献１の技術に改良を加え、一層強度の向上を図った高強度難燃性マグネシウム合金としたものである。
【００１０】
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を高めることを目的としたものであり、溶接線や溶接棒といった、いわゆる溶加材の組成に関するものではない。更には溶接線は難燃性マグネシウム合金ではない。
【００１１】
又、特許文献３の技術は、マグネシウム基合金ワイヤに関わる技術を開示しているが、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素、等の成分を含むものであり、本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材とはその組成を異とする。該ワイヤを用いたばねを提供することを目的としており、溶接線としての利用はその可能性が開示されているが、その具体的な実施例は一切記載されていない。更に、難燃性マグネシウム合金に関するものではない。
【００１２】
又、特許文献４では難燃性マグネシウム合金をヘルメットへ応用し、必要に応じて該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、実施例は伴なっていない。更には、特許文献４では難燃性マグネシウム合金は溶接される側の材料であり、溶接する際に使用される溶加材ではない。
【００１３】
このように、従来の技術もそれぞれに利点はあるものの、それらは溶接線の表面性状の改善や、高価な希土類元素を使用しているものもあり、またワイヤ自体の機械的特性の改善に関わるものであり、いずれも不十分である。
【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、Ｃａの添加に加え汎用的な元素や化合物の追加添加により、引張強度が高く、高耐力をもたせ、溶接性を向上させた高強度難燃性マグネシウム合金溶加材の提供にある。
【００１５】
本発明の他の目的は、切削屑等の利用を可能とし、低コストに構成される高強度難燃性マグネシウム合金溶加材の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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の高強度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重量％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ことを特徴とする。
【００１７】
本発明２の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物モリブデン（Ｍｏ）の量は、１．０〜１２．０重量％であることを特徴とする。
【００１８】
本発明３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ニオブ（Ｎｂ）の量は、０．５〜５．０重量％であることを特徴とする。
【００１９】
本発明４の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物タングステン（Ｗ）の量は、５．０〜４０．０重量％であることを特徴とする。
【００２０】
本発明５の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の量は、１．０〜５．０重量％であることを特徴とする。
【００２１】
本発明６の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の量は、２．０〜６．０重量％であることを特徴とする。
【００２２】
本発明７の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物炭化珪素（ＳｉＣ）の量は、０．７〜２０．０重量％であることを特徴とする。
【００２３】
本発明８の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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重量％のアルミニウムと０〜５．０重量％の亜鉛と０．５重量％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。
【００２４】
本発明９の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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。
【００２５】
本発明１０の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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。
【００２６】
本発明１１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記高強度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。
【００２７】
本発明１２の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１０の高強度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。
【００２８】
本発明１３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１１の高強度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。
【００２９】
本発明１４の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１〜３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記溶加材は、線状又は棒状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、高価な希土類元素を使用せず、Ｃａに加え汎用的な元素や化合物の追加添加により、さらに押し出し加工等の塑性加工を施すことによって、引張強度が高く、高耐力の高強度特性を持ち、接合性能を向上させた高強度難燃性マグネシウム合金溶加材となった。
【００３１】
また本発明の溶加材は、Ｃａの添加によって発火点が高く通常の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。さら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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に関する高強度難燃性マグネシウム合金溶加材について詳細に説明する。マグネシウム合金は、米国材料試験協会（以下「ＡＳＴＭ」と称する。）や日本工業規格（以下「ＪＩＳ」と称する。）等により規格化されている。マグネシウム合金は鋳造用マグネシウム合金と展伸用マグネシウム合金とに大別され、各々の機械的特性について、ＡＳＴＭやＪＩＳで規格化されている。
【００３３】
一般に、金属の場合、鋳造用合金に比して展伸用合金は、塑性加工や加工熱処理の効果によって、強度や延性等の機械的性質は大幅に向上する。マグネシウム合金においてもそれらは向上しているものの、強度、延性ともにその向上程度は少ないのが現状である。このため、さらなる技術開発が行われて前述した特許技術のように、その技術が開示されている。本発明は、特に切削屑の難燃性マグネシウム合金を利用し、押し出し加工等の塑性加工により、強度を室温における引張強さを例えば４１９ＭＰａ以上、耐力を３８０ＭＰａ以上の特性を有する高強度難燃性マグネシウム合金で構成される溶加材を提案するものである。
【００３４】
次に、溶加材のもとになっている素材の高強度難燃性マグネシウム合金について説明する。本発明に関わり実施の形態の溶加材に適用するマグネシウム合金は、ＡＳＴＭの［ＡＭ６０Ｂ］で表示される鋳造用マグネシウム合金である。本発明の適用合金としては、必ずしもこの［ＡＭ６０Ｂ］に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重量％のＣａを添加する。本実施の形態の合金においては、２重量％のＣａを添加したものを適用する。
【００３５】
ＡＭ６０Ｂは、ダイカスト用合金であり、耐食性向上のため、不純物Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ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重量％、Ｍｎ：０．２４〜０．６重量％、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重量％が望ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。本例においては、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ため高速切削が可能であり、従って切削屑を多く発生させることが可能である。しかし、本発明において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。
【００３８】
次に本発明の素材である高強度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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ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。
【００３９】
このＡＭ６０Ｂに２重量％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＋２Ｃａ合金」から例えば粉砕に供する物として切削屑を求める。試験段階では、意図的に切削屑を作製することもあるが、実用的には高速切削等で発生する切削屑を使用する。この切削屑の粉末化をボールミル等で行う。
【００４０】
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、粉砕物の状態においても安全である。例えば、１４６μｍの平均粒径を有する難燃性「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ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。
【００４１】
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あるいは化合物を添加する。この追加添加物は、その割合を含めて示すと、０．１〜０．３重量％Ｃ、１．０〜１２．０重量％Ｍｏ、０．５〜５．０重量％Ｎｂ、０．５〜６．０重量％Ｓｉ、５．０〜４０．０重量％Ｗ、１．０〜５．０重量％Ａｌ２Ｏ３、２．０〜６．０重量％Ｍｇ２Ｓｉ、０．７〜２０．０重量％ＳｉＣの各元素あるいは所定化合物である。
【００４２】
これらの元素、化合物の種類と添加量を限定しているのは、高強度達成の範囲を示すもので、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、凝固組織が破壊され微細均質な組織に改質する。粉末内部に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。
【００４３】
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、短時間で行うことができる例えば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、高強度特性をもった難燃性マグネシウム合金になる。
【００４４】
又、使用するマグネシウム合金は、前述の実施の形態例以外に、０〜１２重量％のアルミニウムと０〜５重量％の亜鉛と０．５重量％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系および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。
【００４５】
このように、製造される高強度難燃性マグネシウム合金は、Ｃａの添加に加え前述のように追加添加物を追加添加して得られたものである。この高強度難燃性マグネシウム合金は高強度特性を有し、それは追加添加物のそれぞれの元素又は化合物毎に示す図１から図８の実施データによって確認されている。このデータ図は、各追加添加物毎にその添加量に応じた引張強さ、耐力、破断伸びについて、表示したデータ図である。
【００４６】
このデータ図は次のようにして得られたものである。前述のように、追加添加物の添加された切削屑状態にある合金をボールミルにより粉末化し、凝固組織の破壊に伴なってミクロ組織を微細均質化し、添加元素、化合物の均質分散複合化を施した。次にこのボールミルによって調製された難燃性合金の粉末をパルス通電焼結法により焼結温度４８０℃、時間は２０分、大気中で固化形成した。次いで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。この押し出し材の長手方向に試験片を採取し、室温にて引張試験を行って、引張強さ、耐力、破断伸びを求めたものである。
【００４７】
この結果によると、追加添加物のない特許文献１に示される従来のＣａ添加の高強度難燃性マグネシウム合金に比し、本例の場合、データ図からも明らかなように、いずれの追加添加物を加えた場合も機械的強度は向上している。例えば引張強さは、いずれの追加添加物を加えた場合においても４１９ＭＰａ以上を示している。従って、素材としての高強度難燃性マグネシウム合金は一層強度の向上した合金といえる。
【００４８】
本発明は、このような性質を有する高強度難燃性マグネシウム合金を素材として、溶加材に適用するものである。溶接作業の際に使用される溶加材、即ち溶接棒あるいは溶接線（又は「溶接ワイヤ」ともいう）等は、マグネシウム合金に０．５〜５重量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した上に更にＣ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｉＣのいずれか１種以上を追加添加した本発明に関わる高強度マグネシウム合金であり、発火点が高く、強度を増している合金である。
【００４９】
難燃化に伴ない、接合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、安全に接合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。
【００５０】
溶加材は、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加工形態によって得られる。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。
【００５１】
本発明の高強度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、溶接の種類に依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】
【００５２】
本実施例１は、素材である図１〜図８に示す高強度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、即ち本実施例１では溶接ワイヤとして用いた場合である。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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の押し出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ法にて行った。主な溶接条件は、以下のとおりである。
【００５３】
即ち、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。溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を確認した。その引張強度試験結果を表１、図９及び図１０に示す。図９は追加添加元素毎の結果であり、又、図１０は追加添加化合物毎の結果を示している。図９及び図１０における横軸は各種追加添加物の種類とその組成を表示している。実施例１の結果は、追加添加物５Ｓｉと９Ｍｇ２Ｓｉを除き、いずれも比較例を上回る結果となり、本発明の効果を確認した。尚、追加添加物５Ｓｉと９Ｍｇ２Ｓｉの場合の結果は、粗大な溶接欠陥による溶接不良のためであることを確認しており、正規の強度試験結果ではない。
【実施例２】
【００５４】
本実施例２は、素材である図１１〜図１６に示す高強度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、即ち本実施例２では溶接ワイヤとして用いた場合である。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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の押し出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ法にて行った。主な溶接条件は、以下のとおりである。
【００５５】
即ち、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。溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を確認した。その引張強度試験結果を表２及び図１７に示す。図１７における横軸は各種追加添加物の種類とその組成を表示している。実施例２の結果は、比較例２を上回る引張強さ、すなわち接合強度を有しており、本発明の効果を確認できた。
【００５６】
［比較例１］
この比較例においては、溶加材、即ち本比較例では溶接ワイヤとして、「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工、次いで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。被溶接材及び各種溶接条件を実施例１に同じくして、ＴＩＧ溶接を行った。実施例と同様に、溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い、接合強度を確認した。その結果を、表１の「比較例１」、図９及び図１０の「比較例１」で示す。比較例１における溶接板材の接合引張強さは、いずれの実施例１の場合よりも小さく、１７３ＭＰａであった。
【表１】
【００５７】
［比較例２］
この比較例２においては、溶加材、即ち本比較例では溶接ワイヤとして、「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ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出し材を用いた。被溶接材及び各種溶接条件を実施例２に同じくして、ＴＩＧ溶接を行った。実施例２と同様に、溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い、接合強度を確認した。その結果を、表２の「比較例２」、図１７の「比較例２」で示す。比較例２における溶接板材の接合引張強さは、実施例２に示すいずれの場合よりも小さく、１６６ＭＰａであった。
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＣを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図２】図２は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｏを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図３】図３は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＮｂを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図４】図４は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図５】図５は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＷを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図６】図６は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＡｌ２Ｏ３を追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図７】図７は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｇ２Ｓｉを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図８】図８は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉＣを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図９】図９は、追加添加元素を含む高強度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、比較例１を含むデータ図である。
【図１０】図１０は、追加添加化合物を含む高強度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、比較例１を含むデータ図である。
【図１１】図１１は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｏを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１２】図１２は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＮｂを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１３】図１３は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＷを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１４】図１４は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＡｌ２Ｏ３を添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１５】図１５は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｇ２Ｓｉを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１６】図１６は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉＣを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１７】図１７は、追加添加物を含む高強度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、比較例２を含むデータ図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネシウムやマグネシウム合金を溶接する際に用いられる溶加材、即ち、溶接棒や溶接ワイヤ（溶接線）であり、機械的強度を高めた高強度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、極めて軽量であるため、アルミニウム合金やその他の金属材料の代替材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、実用金属の中では最も軽量に属し、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。チタンやアルミニウム合金は十分な強度を有しているものの、マグネシウム合金に比し、軽量性や緩衝性等の特性が低いという欠点がある。
【０００３】
通常のマグネシウム合金は、チタンやアルミニウム合金に比して強度が低いとともに、発火点が低いので発火しやすい欠点があることは従来から知られている。このため難燃性にするために、マグネシウム合金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とし、次いで押し出しや圧延等の塑性加工を施した高強度難燃性マグネシウム合金が特許文献１で示すように開発されている。
【０００４】
一方、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。
【０００５】
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溶接等々がなされている。難燃性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などの母材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）。又、これも難燃性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して、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）。
【０００６】
また、前述の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、機械的強度も高く取り扱いやすい特性をもっている。このことから、この利点を利用しこの難燃性マグネシウム合金を製品として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、一体化することが開示されている。
【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
【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、製品化に適用するためにはまだ改良の余地があり不十分である。特に特許文献１の技術は、本出願人の出願になるものであるが、高強度難燃性マグネシウム合金はＣａを０．１〜１５重量％を含み、Ａｌ、Ｚｎを一部添加した合金である。
【０００９】
これに対して、本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、マグネシウム合金にＣａを０．５〜５重量％を添加した上に、Ｃ，Ｍｏ，Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｉＣ、のいずれか１種以上を追加添加して強度強化を図ったもので性質が異なる。本発明は、特許文献１の技術に改良を加え、一層強度の向上を図った高強度難燃性マグネシウム合金としたものである。
【００１０】
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を高めることを目的としたものであり、溶接線や溶接棒といった、いわゆる溶加材の組成に関するものではない。更には溶接線は難燃性マグネシウム合金ではない。
【００１１】
又、特許文献３の技術は、マグネシウム基合金ワイヤに関わる技術を開示しているが、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒ、希土類元素、等の成分を含むものであり、本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材とはその組成を異とする。該ワイヤを用いたばねを提供することを目的としており、溶接線としての利用はその可能性が開示されているが、その具体的な実施例は一切記載されていない。更に、難燃性マグネシウム合金に関するものではない。
【００１２】
又、特許文献４では難燃性マグネシウム合金をヘルメットへ応用し、必要に応じて該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、実施例は伴なっていない。更には、特許文献４では難燃性マグネシウム合金は溶接される側の材料であり、溶接する際に使用される溶加材ではない。
【００１３】
このように、従来の技術もそれぞれに利点はあるものの、それらは溶接線の表面性状の改善や、高価な希土類元素を使用しているものもあり、またワイヤ自体の機械的特性の改善に関わるものであり、いずれも不十分である。
【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、Ｃａの添加に加え汎用的な元素や化合物の追加添加により、引張強度が高く、高耐力をもたせ、溶接性を向上させた高強度難燃性マグネシウム合金溶加材の提供にある。
【００１５】
本発明の他の目的は、切削屑等の利用を可能とし、低コストに構成される高強度難燃性マグネシウム合金溶加材の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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の高強度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重量％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ことを特徴とする。
【００１７】
本発明２の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物モリブデン（Ｍｏ）の量は、１．０〜１２．０重量％であることを特徴とする。
【００１８】
本発明３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物ニオブ（Ｎｂ）の量は、０．５〜５．０重量％であることを特徴とする。
【００１９】
本発明４の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物タングステン（Ｗ）の量は、５．０〜４０．０重量％であることを特徴とする。
【００２０】
本発明５の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の量は、１．０〜５．０重量％であることを特徴とする。
【００２１】
本発明６の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の量は、２．０〜６．０重量％であることを特徴とする。
【００２２】
本発明７の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記追加添加物炭化珪素（ＳｉＣ）の量は、０．７〜２０．０重量％であることを特徴とする。
【００２３】
本発明８の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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重量％のアルミニウムと０〜５．０重量％の亜鉛と０．５重量％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。
【００２４】
本発明９の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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。
【００２５】
本発明１０の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度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。
【００２６】
本発明１１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記高強度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。
【００２７】
本発明１２の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１０の高強度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。
【００２８】
本発明１３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１１の高強度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。
【００２９】
本発明１４の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、本発明１〜３の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、前記溶加材は、線状又は棒状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の高強度難燃性マグネシウム合金溶加材は、高価な希土類元素を使用せず、Ｃａに加え汎用的な元素や化合物の追加添加により、さらに押し出し加工等の塑性加工を施すことによって、引張強度が高く、高耐力の高強度特性を持ち、接合性能を向上させた高強度難燃性マグネシウム合金溶加材となった。
【００３１】
また本発明の溶加材は、Ｃａの添加によって発火点が高く通常の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。さら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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に関する高強度難燃性マグネシウム合金溶加材について詳細に説明する。マグネシウム合金は、米国材料試験協会（以下「ＡＳＴＭ」と称する。）や日本工業規格（以下「ＪＩＳ」と称する。）等により規格化されている。マグネシウム合金は鋳造用マグネシウム合金と展伸用マグネシウム合金とに大別され、各々の機械的特性について、ＡＳＴＭやＪＩＳで規格化されている。
【００３３】
一般に、金属の場合、鋳造用合金に比して展伸用合金は、塑性加工や加工熱処理の効果によって、強度や延性等の機械的性質は大幅に向上する。マグネシウム合金においてもそれらは向上しているものの、強度、延性ともにその向上程度は少ないのが現状である。このため、さらなる技術開発が行われて前述した特許技術のように、その技術が開示されている。本発明は、特に切削屑の難燃性マグネシウム合金を利用し、押し出し加工等の塑性加工により、強度を室温における引張強さを例えば４１９ＭＰａ以上、耐力を３８０ＭＰａ以上の特性を有する高強度難燃性マグネシウム合金で構成される溶加材を提案するものである。
【００３４】
次に、溶加材のもとになっている素材の高強度難燃性マグネシウム合金について説明する。本発明に関わり実施の形態の溶加材に適用するマグネシウム合金は、ＡＳＴＭの［ＡＭ６０Ｂ］で表示される鋳造用マグネシウム合金である。本発明の適用合金としては、必ずしもこの［ＡＭ６０Ｂ］に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重量％のＣａを添加する。本実施の形態の合金においては、２重量％のＣａを添加したものを適用する。
【００３５】
ＡＭ６０Ｂは、ダイカスト用合金であり、耐食性向上のため、不純物Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ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重量％、Ｍｎ：０．２４〜０．６重量％、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重量％が望ましい。
【００３６】
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。
【００３７】
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。本例においては、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ため高速切削が可能であり、従って切削屑を多く発生させることが可能である。しかし、本発明において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。
【００３８】
次に本発明の素材である高強度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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ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。
【００３９】
このＡＭ６０Ｂに２重量％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＋２Ｃａ合金」から例えば粉砕に供する物として切削屑を求める。試験段階では、意図的に切削屑を作製することもあるが、実用的には高速切削等で発生する切削屑を使用する。この切削屑の粉末化をボールミル等で行う。
【００４０】
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、粉砕物の状態においても安全である。例えば、１４６μｍの平均粒径を有する難燃性「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ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。
【００４１】
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あるいは化合物を添加する。この追加添加物は、その割合を含めて示すと、０．１〜０．３重量％Ｃ、１．０〜１２．０重量％Ｍｏ、０．５〜５．０重量％Ｎｂ、０．５〜６．０重量％Ｓｉ、５．０〜４０．０重量％Ｗ、１．０〜５．０重量％Ａｌ２Ｏ３、２．０〜６．０重量％Ｍｇ２Ｓｉ、０．７〜２０．０重量％ＳｉＣの各元素あるいは所定化合物である。
【００４２】
これらの元素、化合物の種類と添加量を限定しているのは、高強度達成の範囲を示すもので、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、凝固組織が破壊され微細均質な組織に改質する。粉末内部に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。
【００４３】
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、短時間で行うことができる例えば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、高強度特性をもった難燃性マグネシウム合金になる。
【００４４】
又、使用するマグネシウム合金は、前述の実施の形態例以外に、０〜１２重量％のアルミニウムと０〜５重量％の亜鉛と０．５重量％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系および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。
【００４５】
このように、製造される高強度難燃性マグネシウム合金は、Ｃａの添加に加え前述のように追加添加物を追加添加して得られたものである。この高強度難燃性マグネシウム合金は高強度特性を有し、それは追加添加物のそれぞれの元素又は化合物毎に示す図１から図８の実施データによって確認されている。このデータ図は、各追加添加物毎にその添加量に応じた引張強さ、耐力、破断伸びについて、表示したデータ図である。
【００４６】
このデータ図は次のようにして得られたものである。前述のように、追加添加物の添加された切削屑状態にある合金をボールミルにより粉末化し、凝固組織の破壊に伴なってミクロ組織を微細均質化し、添加元素、化合物の均質分散複合化を施した。次にこのボールミルによって調製された難燃性合金の粉末をパルス通電焼結法により焼結温度４８０℃、時間は２０分、大気中で固化形成した。次いで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。この押し出し材の長手方向に試験片を採取し、室温にて引張試験を行って、引張強さ、耐力、破断伸びを求めたものである。
【００４７】
この結果によると、追加添加物のない特許文献１に示される従来のＣａ添加の高強度難燃性マグネシウム合金に比し、本例の場合、データ図からも明らかなように、いずれの追加添加物を加えた場合も機械的強度は向上している。例えば引張強さは、いずれの追加添加物を加えた場合においても４１９ＭＰａ以上を示している。従って、素材としての高強度難燃性マグネシウム合金は一層強度の向上した合金といえる。
【００４８】
本発明は、このような性質を有する高強度難燃性マグネシウム合金を素材として、溶加材に適用するものである。溶接作業の際に使用される溶加材、即ち溶接棒あるいは溶接線（又は「溶接ワイヤ」ともいう）等は、マグネシウム合金に０．５〜５重量％のカルシウム（Ｃａ）を添加した上に更にＣ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｗ、Ａｌ２Ｏ３、Ｍｇ２Ｓｉ、ＳｉＣのいずれか１種以上を追加添加した本発明に関わる高強度マグネシウム合金であり、発火点が高く、強度を増している合金である。
【００４９】
難燃化に伴ない、接合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、安全に接合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。
【００５０】
溶加材は、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加工形態によって得られる。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。
【００５１】
本発明の高強度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、溶接の種類に依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】
【００５２】
本実施例１は、素材である図１〜図８に示す高強度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、即ち本実施例１では溶接ワイヤとして用いた場合である。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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の押し出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ法にて行った。主な溶接条件は、以下のとおりである。
【００５３】
即ち、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。溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を確認した。その引張強度試験結果を表１、図９及び図１０に示す。図９は追加添加元素毎の結果であり、又、図１０は追加添加化合物毎の結果を示している。図９及び図１０における横軸は各種追加添加物の種類とその組成を表示している。実施例１の結果は、追加添加物５Ｓｉと９Ｍｇ２Ｓｉを除き、いずれも比較例を上回る結果となり、本発明の効果を確認した。尚、追加添加物５Ｓｉと９Ｍｇ２Ｓｉの場合の結果は、粗大な溶接欠陥による溶接不良のためであることを確認しており、正規の強度試験結果ではない。
【実施例２】
【００５４】
本実施例２は、素材である図１１〜図１６に示す高強度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、即ち本実施例２では溶接ワイヤとして用いた場合である。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重量％のＣａが添加された難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の押し出し板材（板厚２ｍｍ）を用いた。溶接はＴＩＧ法にて行った。主な溶接条件は、以下のとおりである。
【００５５】
即ち、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。溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い接合強度を確認した。その引張強度試験結果を表２及び図１７に示す。図１７における横軸は各種追加添加物の種類とその組成を表示している。実施例２の結果は、比較例２を上回る引張強さ、すなわち接合強度を有しており、本発明の効果を確認できた。
【００５６】
［比較例１］
この比較例においては、溶加材、即ち本比較例では溶接ワイヤとして、「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ合金」の鋳造材から熱間での押し出し加工、次いで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。被溶接材及び各種溶接条件を実施例１に同じくして、ＴＩＧ溶接を行った。実施例と同様に、溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い、接合強度を確認した。その結果を、表１の「比較例１」、図９及び図１０の「比較例１」で示す。比較例１における溶接板材の接合引張強さは、いずれの実施例１の場合よりも小さく、１７３ＭＰａであった。
【表１】
【００５７】
［比較例２］
この比較例２においては、溶加材、即ち本比較例では溶接ワイヤとして、「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ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出し材を用いた。被溶接材及び各種溶接条件を実施例２に同じくして、ＴＩＧ溶接を行った。実施例２と同様に、溶接後、溶接における余盛り部を取り除いて試験片形状とした後、引張強度試験を行い、接合強度を確認した。その結果を、表２の「比較例２」、図１７の「比較例２」で示す。比較例２における溶接板材の接合引張強さは、実施例２に示すいずれの場合よりも小さく、１６６ＭＰａであった。
【表２】
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＣを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図２】図２は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｏを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図３】図３は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＮｂを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図４】図４は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図５】図５は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＷを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図６】図６は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＡｌ２Ｏ３を追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図７】図７は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｇ２Ｓｉを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図８】図８は、難燃性マグネシウム合金「ＡＭ６０Ｂ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉＣを追加添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図９】図９は、追加添加元素を含む高強度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、比較例１を含むデータ図である。
【図１０】図１０は、追加添加化合物を含む高強度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、比較例１を含むデータ図である。
【図１１】図１１は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｏを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１２】図１２は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＮｂを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１３】図１３は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＷを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１４】図１４は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＡｌ２Ｏ３を添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１５】図１５は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＭｇ２Ｓｉを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１６】図１６は、難燃性マグネシウム合金「ＡＺ９１Ｄ＋２Ｃａ」の粉砕物にＳｉＣを添加した場合の高強度難燃性マグネシウム合金の引張強度試験結果のデータ図である。
【図１７】図１７は、追加添加物を含む高強度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、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重量％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ことを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項２】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物モリブデン（Ｍｏ）の量は、１．０〜１２．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項３】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ニオブ（Ｎｂ）の量は、０．５〜５．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項４】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物タングステン（Ｗ）の量は、５．０〜４０．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項５】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の量は、１．０〜５．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項６】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の量は、２．０〜６．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項７】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物炭化珪素（ＳｉＣ）の量は、０．７〜２０．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項８】
請求項１に記載された高強度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重量％のアルミニウムと０〜５．０重量％の亜鉛と０．５重量％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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項９】
請求項１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１０】
請求項１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１１】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１２】
請求項１０に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１３】
請求項１１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１４】
請求項１ないし１０から選択される１項に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記溶加材は、線状又は棒状であることを特徴とする高強度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重量％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ことを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項２】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物モリブデン（Ｍｏ）の量は、１．０〜１２．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項３】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物ニオブ（Ｎｂ）の量は、０．５〜５．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項４】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物タングステン（Ｗ）の量は、５．０〜４０．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項５】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）の量は、１．０〜５．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項６】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物珪化マグネシウム（Ｍｇ２Ｓｉ）の量は、２．０〜６．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項７】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記追加添加物炭化珪素（ＳｉＣ）の量は、０．７〜２０．０重量％であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項８】
請求項１に記載された高強度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重量％のアルミニウムと０〜５．０重量％の亜鉛と０．５重量％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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項９】
請求項１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１０】
請求項１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１１】
請求項１に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１２】
請求項１０に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１３】
請求項１１に記載された高強度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高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【請求項１４】
請求項１ないし１０から選択される１項に記載された高強度難燃性マグネシウム合金溶加材において、
前記溶加材は、線状又は棒状であることを特徴とする高強度難燃性マグネシウム合金溶加材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２００８−２１３０４１（Ｐ２００８−２１３０４１Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６０５９（Ｐ２００８−２６０５９）
【出願日】平成２０年２月６日（２００８．２．６）
【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２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月６日（２００８．２．６）
【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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