特許 6831093 Ｍｇ基複合材とその製造方法および摺動部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6831093

(24)【登録日】2021年2月1日

(45)【発行日】2021年2月17日

(54)【発明の名称】Ｍｇ基複合材とその製造方法および摺動部材

(51)【国際特許分類】

   C22C 1/05 20060101AFI20210208BHJP

   C22C 23/00 20060101ALI20210208BHJP

   B22F 3/20 20060101ALI20210208BHJP

   B22F 3/17 20060101ALI20210208BHJP

   C22C 29/02 20060101ALI20210208BHJP

   B22F 3/14 20060101ALI20210208BHJP

   B22F 3/18 20060101ALI20210208BHJP

【ＦＩ】

   C22C1/05 C

   C22C23/00

   B22F3/20 C

   B22F3/17 C

   C22C29/02 Z

   B22F3/14 P

   B22F3/18

【請求項の数】8

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2016-174610(P2016-174610)

(22)【出願日】2016年9月7日

(65)【公開番号】特開2018-40034(P2018-40034A)

(43)【公開日】2018年3月15日

【審査請求日】2019年9月3日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 関西支部 第９１期定時総会講演会講演論文集 Ｎｏ．１６４−１（講演番号Ｍ１１０４、一般社団法人日本機械学会関西支部、発行日：平成２８年３月１１日）で発表

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】染川 英俊

(72)【発明者】

【氏名】亀井 修平

(72)【発明者】

【氏名】平山 朋子

(72)【発明者】

【氏名】松岡 敬

【審査官】 池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２９７６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１３８６１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−０３６２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−００５１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３７２１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ２２Ｃ １／０５

Ｂ２２Ｆ ３／１４

Ｂ２２Ｆ ３／１７

Ｂ２２Ｆ ３／１８

Ｂ２２Ｆ ３／２０

Ｃ２２Ｃ ２３／００

Ｃ２２Ｃ ２９／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＳｉＣ粒子の含有量が６５質量％未満、残部をＭｇ及び不可避的不純物とする組成を有し、
前記Ｍｇ基複合材の金属組織において平均径０．０５μｍ以上のＳｉＣ粒子がＭｇ母相中に分散すると共に、前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズが２００μｍ以下であり、
摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分に前記ＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示すと共に、乾式摩擦摩耗試験によって得られる摩擦係数が０．１５以下であるＭｇ基複合材。

【請求項2】

前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズが５０μｍ以下である請求項１に記載のＭｇ基複合材。

【請求項3】

前記ＳｉＣ粒子の含有量が５０質量％未満である請求項１または２に記載のＭｇ基複合材。

【請求項4】

前記ＳｉＣ粒子の平均径が０．１μｍ以上１００μｍ以下である請求項１乃至３の何れか１項に記載のＭｇ基複合材。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材を含む摺動部材であって、
前記Ｍｇ基複合材からなる摺動面を有し、
前記摺動面が摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分に前記ＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示すと共に、乾式摩擦摩耗試験によって得られる摩擦係数が０．１５以下である摺動部材。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材の製造方法であって、
Ｍｇ粉末と、平均径０．０５μｍ以上のＳｉＣ粉末とを含有する混合粉末をビレット内に充填、封入する工程、であって、前記混合粉末におけるＳｉＣ粉末の含有量が、Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末との合計量に対して６５質量％未満であり、
前記混合粉末を充填、封入した前記ビレットに、５０℃以上、５５０℃以下の温度で断面減少率５０％以上の温間または熱間ひずみ付与加工を施す工程を含む、Ｍｇ基複合材の製造方法。

【請求項7】

前記温間または熱間ひずみ付与加工を施す工程は、前記混合粉末を充填、封入した前記ビレットに、５０℃以上、２５０℃以下の温度で断面減少率５０％以上の温間または熱間ひずみ付与加工を施す、請求項６に記載のＭｇ基複合材の製造方法。

【請求項8】

前記温間または熱間ひずみ付与加工が、押出加工、鍛造加工、圧延加工、または引抜加工である請求項６または７に記載のＭｇ基複合材の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｍｇ基複合材とその製造方法および摺動部材に関する。

【背景技術】

【0002】

Ｍｇは、地中埋蔵量が豊富で、実用金属材料で最軽量であることから、自動車をはじめとする移動用構造部材への適用が盛んに検討されている。一方で、部材として使用した場合、他部位と接触することは避けられず、強度および摩擦摩耗特性に優れたＭｇおよびＭｇ合金の開発が必要とされている。一般的に、金属材料の高強度化は、結晶粒サイズの微細化が有効な手段であり、ＭｇおよびＭｇ合金に対しても同様の効果が発揮される。しかし、ＭｇおよびＭｇ合金の結晶粒微細化は、摩擦摩耗特性を改善させる手段としては有効でないことが知られている(非特許文献１)。Ｍｇの大きな粒界拡散係数に起因し、容易に粒界すべりが起こるため、結晶粒サイズの微細化にともない、粒界体積率が増加し、粒界すべりが促進され、摩擦摩耗時に加工軟化が起こる。そのため、ＭｇおよびＭｇ合金の摩擦摩耗特性を維持し、さらに向上するためには、母相の結晶粒粗大化が好ましいが、これにより強度特性の劣化が問題となる。

【0003】

結晶粒サイズの微細化以外に、素材を高強度化するために、母相への粒子分散がよく用いられている。なかでも、金属材料の場合、母相から析出または晶出した金属間化合物を分散させることが、高強度化に有効である。また、粒子分散は、粒界すべりを抑制する効果もある。本発明者らにより、球状または鋭角な角を持たない金属間化合物がＭｇ母相内に分散し、摩擦特性に優れたＭｇ合金が特許文献１に開示されている。Ｍｇ母相に金属間化合物を分散させることは、強度を向上させるためにも有効な手段であるが、特許文献１では、鋳造材から金属間化合物を析出および晶出させているため、Ｍｇ母相サイズが粗大であり、更なる高強度化が望まれる。

【0004】

金属材料の場合、析出や晶出した金属間化合物の分散だけではなく、金属に固溶しない物質や素材からなる粒子（例えば、黒鉛やセラミックスなど）を母相に分散させる、すなわち、複合化も強度改善に有効な手法である。しかし、Ｍｇは、複合化を目的とする添加粒子と濡れ性が極めて乏しいため、鋳造法によって複合化素材を創製することができない。そのため、特許文献２、３に開示されているように、メカニカルアロイング法や、ひずみ付与行程を数十回以上必要とする繰返しせん断ひずみ付与法などを用いて、Ｍｇ粉末と添加粉末を固化し、Ｍｇ基複合材を創製しているが、いずれの手法も複雑で数多くの作業工程を要するため、素材コストの高騰が避けられない。

【0005】

一方で、素材自身の強度特性を維持し、摩擦摩耗特性を改善するために、Ｍｇ合金の表面層の改質が知られている。特許文献４には、Ｍｇ合金の表面に陽極酸化処理によって表面改質構造を形成し、この表面改質構造に固体潤滑剤である二硫化モリブデンを含浸させることが、Ｍｇの摩擦摩耗特性の改善に有効な手法として開示されている。Ｍｇ母相の結晶粒サイズに依存せず、表面層のみの改質であるため、強度特性を維持することが可能である。しかし、素材使用時に、追加工程として陽極酸化処理を実施する必要があるため、コストの高騰が懸念される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００８−２４００３２号公報

【特許文献2】特開２００８−７５１２７号公報

【特許文献3】国際公開第２００３／２７３４２号

【特許文献4】特開２００２−３６３６７９号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】松岡敬他 材料 ５１（２００２）ｐ１１５４.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、強度特性を有しながらも優れた摩擦摩耗特性を有するＭｇ基複合材とその製造方法および摺動部材を提供することを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記の課題を解決するために、本発明のＭｇ基複合材は、ＳｉＣ粒子の含有量が６５質量％未満、残部をＭｇ及び不可避的不純物とする組成を有し、Ｍｇ基複合材の金属組織において平均径０．０５μｍ以上のＳｉＣ粒子がＭｇ母相中に分散すると共に、前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズが２００μｍ以下であり、摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分にＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示すと共に、乾式摩擦摩耗試験によって得られる摩擦係数が０．１５以下であることを特徴としている。
本発明の摺動部材は、前記Ｍｇ基複合材を含む摺動部材であって、Ｍｇ基複合材からなる摺動面を有し、摺動面が摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分にＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示すと共に、摺動部材は、乾式摩擦摩耗試験によって得られる摩擦係数が０．１５以下であることを特徴としている。
本発明のＭｇ基複合材の製造方法は、前記Ｍｇ基複合材の製造方法であって、Ｍｇ粉末と、平均径０．０５μｍ以上のＳｉＣ粉末とを含有する混合粉末をビレット内に充填、封入する工程、であって、前記混合粉末におけるＳｉＣ粉末の含有量が、Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末との合計量に対して６５質量％未満であり、混合粉末を充填、封入した前記ビレットに、５０℃以上、５５０℃以下の温度で断面減少率５０％以上の温間または熱間ひずみ付与加工を施す工程を含むことを特徴としている。
このＭｇ基複合材の製造方法は、温間または熱間ひずみ付与加工が、押出加工、鍛造加工、圧延加工、または引抜加工であることが好ましい。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、強度特性を有しながらも優れた摩擦摩耗特性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】温間または熱間ひずみ付与加工に用いるビレットの形状の例を模式的に示した図である。

【図2】実施例におけるＭｇ基複合材の（ａ）外観および（ｂ）断面写真である。

【図3】Ｍｇ基複合材（試料番号：Ｎｏ．２）の微細組織を走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型Ｘ線分析により観察した写真であり。（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ元素マップ像、（ｃ）はＳｉ元素マップ像である。

【図4】試料番号Ｎｏ．２とＮｏ．５のＢａｌｌ‐ｏｎ‐Ｄｉｓｋ試験により得られた摩擦係数と摩擦時間の曲線である。

【図5】Ｍｇ基複合材（試料番号：Ｎｏ．２）の摩擦時間１００秒後の表面様相を走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型Ｘ線分析により観察した写真であり、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ元素マップ像、（ｃ）はＳｉ元素マップ像である。

【図6】Ｍｇ基複合材（試料番号：Ｎｏ．２）の摩擦時間５００秒後の表面の様相を走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型Ｘ線分析により観察した写真であり、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ元素マップ像、（ｃ）はＳｉ元素マップ像である。

【図7】Ｍｇ基複合材（試料番号：Ｎｏ．２）の摩擦時間５００秒後の摩擦摩耗試験方向に対して垂直断面の様相を走査型電子顕微鏡/エネルギー分散型Ｘ線分析により観察した写真であり、（ａ）はＳＥＭ像、（ｂ）はＭｇ元素マップ像、（ｃ）はＳｉ元素マップ像である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明のＭｇ基複合材とその製造方法について１．粉末の調製、２．ビレット準備と混合粉末の充填、３．温間または熱間ひずみ付与加工、４．Ｍｇ基複合材の微細組織および摺動部材の順に説明する。

【0013】

なお、本発明において、Ｍｇ粉末の平均径、ＳｉＣ粉末（ＳｉＣ粒子）の平均径、Ｍｇ母相の結晶粒サイズは、次の方法で測定することができる。
＜Ｍｇ粉末およびＳｉＣ粉末の平均径＞
レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて、レーザー回折・散乱法による粒度分布の測定値から、累積分布によるメディアン径（ｄ５０、体積基準）を平均径とする。
＜ＳｉＣ粒子の平均径＞
個々の粒子の粒径は、ＳＥＭまたは光学顕微鏡で観察した像より、Ｄ＝(Ｌ１＋Ｌ２)／２（ただし、Ｄは粒径、Ｌ１は粒子の長径、Ｌ１は粒子の短径を示す。）の式を用いて求める。
平均径は、ＳＥＭまたは光学顕微鏡で観察した像より、１００個以上の粒子を抽出して個々の粒子の粒径を上記式より求め、その平均値を算出する。
＜Ｍｇ母相の結晶粒サイズ＞
ＪＩＳ Ｈ ０５４２：２００８「マグネシウム合金圧延板の結晶粒度試験方法」記載の切片法により測定、算出する。

【0014】

１．粉末の調製
本発明に使用される粉末は、Ｍｇ粉末およびＳｉＣ粉末を含む。
Ｍｇ粉末は、純マグネシウムからなり、粉末粒子の密度が１.７４である。Ｍｇ粉末の平均径は、１μｍ以上であることが好ましい。粉末径が１μｍ以上であると、Ｍｇは酸素との反応性が高いため、Ｍｇと添加粉末との混合中に発熱し、発火する危険性を低減でき、作業工程の安全性を高めることができる。Ｍｇ粉末は、通常の粉末の他、フライス加工や旋盤加工に代表される機械加工によってＭｇバルク材から生じる切削粉であってもよく、これらも本明細書では広義にＭｇ粉末と表現する。Ｍｇ粉末の平均径の上限は、特に限定されないが、Ｍｇ粉末同士の結合・焼結を考慮すると１０００μｍ以下が好ましい。

【0015】

ＳｉＣ粉末は、粉末粒子の密度が３．２１である。ＳｉＣ粉末の平均径は、０．０５μｍ以上であり、好ましくは０．１μｍ以上である。平均径が０．０５μｍ以上であると、単位体積当たりのＳｉＣ粉末の表面積が増大することにより、ＳｉＣ表面に接触する酸素の割合が増加し、酸化物の形成および酸化物の取込みにより、自己被膜形成を阻害することを抑制できる。ＳｉＣ粉末の平均径の上限は、特に限定されないが、Ｍｇ基複合材の高強度化を考慮すると１０００μｍ以下が好ましく、１００μｍ以下がより好ましい。

【0016】

使用するＳｉＣ粉末の質量は、Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末との合計量に対して６５質量％未満が好ましく、６０質量％未満がより好ましく、５０質量％未満が更に好ましい。ＳｉＣ粉末の質量が、ＳｉＣ粉末とＭｇ粉末との混合粉末の質量に対して６５質量％以上であると、温間または熱間ひずみ付与加工後のＭｇ基複合材のＭｇ母相内に、面積率として５０質量％以上のＳｉＣ粒子が分散することになり、Ｍｇ基材と言うことは難しい。

【0017】

Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末の混合方法と混合粉末の状態について述べる。混合粉末は、Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末が相互に偏析することがない状態が好ましい。混合粉末の状態で、いずれかの粉末が偏析している場合、Ｍｇ基複合材を用いた摩擦摩耗試験時に、応力集中のサイトになり、本発明の効果を得ることが困難になる場合がある。Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末が相互に偏析することがない状態にするためには、粉末を微量ずつ、すなわち、一度に追加する粉末質量が５０ｇ以下となるよう混合することが好ましい。５０ｇを超えると、混合が難しく、混合粉末の偏析が起こることが懸念される。

【0018】

混合時に用いる容器は、乳鉢に代表される、粉末を混合できる容器であれば、特に限定されない。Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末の混合は、作業工程の簡略化から、大気中にて、乳鉢を用いて１０分以内で混合することが好ましい。１０分以上混合すると、Ｍｇ粉末は酸素と反応しやすいため、酸化物などを取り込み健全な混合粉を得ることが難しい。勿論、作業の安全性を考慮し、混合粉末をアルゴン雰囲気内や真空内で、メカニカルアロイング法のように、攪拌機を用いて混合してもよい。

【0019】

２．ビレット準備と混合粉末の充填
混合粉末を温間または熱間ひずみ付与加工用ビレットに充填する。代表的なビレットの概略を図１に示す。ビレットに用いる材質（素材）は、ＭｇやＭｇ合金などの温間または熱間ひずみ付与加工ができる金属材料であることが好ましい。勿論、ＭｇやＭｇ合金以外の金属材料、例えば、ＡｌやＡｌ合金であってもよい。

【0020】

ビレットの大きさ：Ｓは、ひずみ付与加工時に用いる総断面減少率によって変化するが、総断面減少率を好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、更に好ましくは７０％以上とすることが可能な大きさとする。

【0021】

混合粉末を充填させるための、空隙の大きさ：Ｖは、ビレット総体積（図１のＳ×Ｌに対応）に対して、５％以上、９５％以下であることが好ましく、１０％以上、９０％以下であることがより好ましく、１５％以上、８５％以下であることが更に好ましい。空隙の大きさ：Ｖが、５％以上未満の場合、充填できる混合粉末の量が僅かであるため、ひずみ付与加工後、得られた加工材の大部分がビレットに用いる材質となり、Ｍｇ基複合材とは言えなくなる場合がある。空隙の大きさ：Ｖが９５％を超える場合、温間または熱間ひずみ付与加工中に、ビレットが割れてしまい、粉末が外部に漏れてしまう場合がある。

【0022】

ビレット内に混合粉末を入れる方法として、ハンドプレス機によって圧粉体を作製し、ビレット内に入れてもよい。勿論、スプーンに代表され、粉末をすくうことができる容器を用いてビレット内に入れてもよい。その際、全ての作業は、混合粉末と酸素との反応を抑制するため、アルゴン雰囲気内または真空内で実施することが好ましいが、作業上の簡便さから、大気内で行ってもよい。また、混合粉末の充填率を向上させるために、ビレットに混合粉末を充填した後、ハンドプレスを用いて圧力を付与することが好ましい。ただし、Ｍｇ粉末とＳｉＣ粉末を相互に偏析させないために、ビレットを過度にタッピングしたり、あるいは振動を付与することは望ましくない。混合粉末をビレット内に充填した後、ビレットと同質素材からなる上蓋を用いて、混合粉がこぼれ出ないように密閉する。

【0023】

３．温間または熱間ひずみ付与加工
温間または熱間ひずみ付与加工の目的は、Ｍｇ粉末が結合・焼結し、健全なＭｇ母相にすることと、ＳｉＣ粉末をＳｉＣ粒子としてＭｇ母相内に偏析することなく均質に分散することである。温間または熱間加工の温度は、５０℃以上、５５０℃以下が好ましい。加工温度が５０℃未満であると、加工温度が低いため、Ｍｇ粉末同士が結合・焼結しない場合がある。また、ビレットに用いた金属材料が加工中に割れてしまい健全な複合材を作製することができない場合がある。加工温度が５５０℃を超えると、Ｍｇ粉末が高温に曝されるため、酸化物（ＭｇＯ）の形成が懸念される。また、押出加工の金型寿命の低下の原因となり得る。

【0024】

温間または熱間加工時のひずみ付与は、総断面減少率を好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上、更に好ましくは７０％以上とする。総断面減少率が５０％未満であると、ひずみ付与が不十分であるため、粉末同士の結合が促進されず、健全な複合材を作製することができない場合がある。温間または熱間加工の方法は、押出加工、鍛造加工、圧延加工、引抜加工などが代表的であるが、ひずみを付与できる塑性加工法であればいずれの加工法であってもよい。

【0025】

４．Ｍｇ基複合材の微細組織および摺動部材
本発明のＭｇ基複合材の微細組織について説明する。Ｍｇ粉末は、温間または熱間ひずみ付与加工中に結合・焼結し、Ｍｇ母相を形成するが、Ｍｇ基複合材の強度特性を維持するために、Ｍｇ母相の大きさ、すなわち結晶粒サイズは、２００μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましく、５０μｍ以下であることが更に好ましい。結晶粒サイズが２００μｍより粗大な場合、素材に占める結晶粒界の割合が少ないため、転位運動が結晶粒界によって阻害されず、強度特性を改善することが難しい。

【0026】

また、ＳｉＣ粉末は、ＳｉＣ粒子としてＭｇ母相に偏析することなく均質に分散していることが好ましい。ＳｉＣ粒子の平均径は、０．０５μｍ以上であり、好ましくは０．１μｍ以上である。平均径が０．０５μｍ以上であると、強度特性を有しながらも優れた摩擦摩耗特性を有する。

【0027】

本発明によれば、Ｍｇ基複合材の金属組織において、ＳｉＣ粒子がＭｇ母相に偏析することなく均質に分散したＭｇ基複合材を作製できる。そして本発明のＭｇ基複合材を用いた部材は、摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分にＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示す。これにより、優れた摩擦摩耗特性を有する。すなわち、本発明のＭｇ基複合材は、摩擦摩耗の開始後に急激な摩擦係数の低下が起こり、その後は一定の摩擦係数を示す。このとき、摩擦係数が低下した後の表面は、ＳｉＣ粒子が、摩擦摩耗を受けた部分に凝集している。これにより、摩擦係数を低く維持することができ、摩擦摩耗試験による摩擦係数を０．１５以下とすることができる。

【0028】

このように、摩擦摩耗特性に優れた材料を提供することができ、本発明のＭｇ基複合材は、摺動部材として好適に用いることができる。この摺動部材は、本発明のＭｇ基複合材を含み、Ｍｇ基複合材からなる摺動面を有し、摺動面が摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分にＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示す。このように自己被膜形成能を示すことで、定常的に摩擦摩耗を受ける摺動面の特性を改善できることから、この摺動部材は、摺動を受ける部分のマグネシウム製機械部品に好適であり、自動車部品、宇宙機器部品、航空機部品など各種の分野での適用が期待できる。

【0029】

また、押出をはじめとするＭｇおよびＭｇ合金展伸材は、Ｍｇの結晶構造（六方晶）に起因し、底面が加工方向に揃う。そのため、引張変形と圧縮変形では、降伏応力に大きな違いが生じ、三次元等方変形が難しいことで知られている。この降伏異方性は、低い変形応力で発生する変形応力が原因である。一方で、微細な粒子をＭｇ母相に分散することで、変形双晶の形成が抑制される、または、双晶変形の形成する応力が高くなる。そのため、本発明によれば、降伏異方性が低減し、三次元等方変形可能なＭｇおよびＭｇ合金を提供することが可能である。

【実施例】

【0030】

以下に、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
市販の純Ｍｇ粉末（粉末径１８０μｍ）と、市販のＳｉＣ粉末（粉末径２〜３μｍ）を用いた。ＳｉＣ粉末の質量は、ＳｉＣ粉末とＭｇ粉末の混合粉末の質量に対して、１７％、２５％、３２％（Ｍｇ基複合材のＭｇ母相に分散するＳｉＣ粒子の面積率１０％、１５％、２０％に相当）となるようにそれぞれ秤量し、乳鉢内にて、Ｍｇ粉末と乾式混合した。ＭｇとＳｉＣの混合粉末を充填するために、外径４０ｍｍ、長さ７０ｍｍからなる市販のＭｇ合金（Ｍｇ‐３Ａｌ‐１Ｚｎ；ＡＺ３１）材を使用し、機械加工にて内径２０ｍｍ、深さ５５ｍｍの穴を開け、図１に示すコップ型形状からなる押出ビレットを作製した。前記混合粉を押出ビレット内に充填した後、直径２０ｍｍ、厚さ５ｍｍからなるＭｇ合金（ＡＺ３１）材を用いて密閉した。その後、２５０℃に設定したコンテナ内で３０分間以上保持した後、押出比１６：１にて押出による熱間ひずみ付与加工を行い、直径１０ｍｍで長さ５００ｍｍ以上の形状からなる押出材（以下、Ｍｇ基押出複合材と称する。）を作製した。表１に、各Ｍｇ基押出複合材の創製条件をまとめている。図２にＭｇ基押出複合材の外観および断面写真を示す。外観写真から、表面にはき裂や欠陥などがなく、健全な長尺材の創製が確認できる。また、断面観察から、外周部は、Ｍｇ合金（ＡＺ３１）からなり、内部は、ＭｇとＳｉＣからなる複合材によって作製されていることが分かる。

【0031】

【表1】

【0032】

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に設置されているエネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）を用いたＭｇ基押出複合材（試料番号；Ｎｏ．２）の断面微細組織観察例を図３に示す。ＥＤＳ分析から、図３（ａ）の白色コントラストを示す領域は、図３（ｂ）ではＭｇ検出濃度が低く、図３（ｃ）ではＳｉ検出濃度が高く、その大きさ（直径）が数ミクロン程度であることから、ＳｉＣ粒子であることが分かる。一例を、白矢印にて示している。図３より、添加粉末であるＳｉＣ粒子が、Ｍｇ母相に対して均一に分散していることが確認できる。また、Ｍｇ母相の平均結晶粒サイズを求めるため、光学顕微鏡を用いて、作製したＭｇ基押出複合材の微細組織観察を行った。切片法によって求めた各Ｍｇ基押出複合材の平均結晶粒サイズを表１にまとめている。Ｍｇ粉末との混合時のＳｉＣ粉末径やＳｉＣ含有率に関係なく、Ｍｇ母相の平均結晶粒サイズは、約１５μｍであった。

【0033】

ビッカース硬さ試験機を用いて、Ｍｇ基押出複合材の硬さを測定した。得られた結果を表１にまとめている。ＳｉＣ粉末の添加量の増加にともない、硬さの増加が確認できる。各Ｍｇ基押出複合材のＭｇ母相の平均結晶粒サイズが１５μｍ程度であったことから、硬さの違いは、Ｍｇ母相に対するＳｉＣ粒子の分散量（Ｍｇ母相に対する面積率）に起因することが分かる。

【0034】

Ｂａｌｌ‐ｏｎ‐Ｄｉｓｋ型摩擦摩耗試験機を用いて、Ｍｇ基押出複合材の乾式摩擦摩耗特性を調査した。Ｍｇ基押出複合材を押出方向に対して垂直方向に切断した面を測定面とし、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる直径４．７ｍｍのボールを用いて、ディスク中心からの距離、すなわち回転半径１ｍｍ、付加加重０．４９Ｎ、回転速度９．５ｒｐｍ、試験時間５０００秒の条件にて、乾式摩擦摩耗試験を実施した。乾式摩擦摩耗試験によって得られた、試料番号Ｎｏ．２の摩擦係数と試験時間との関係を図４に示す。試験開始時の摩擦係数は、０．３５程度の値を示すが、試験時間；約２５０秒において、摩擦係数が０．１程度まで急激な低下が起こり、その後、一定の摩擦係数（約０．１）を示すことが確認できる。

【0035】

ＳＥＭ-ＥＤＳを用いた試料番号Ｎｏ．２の摩擦係数の低下が起こる前と後の表面観察例を図５と図６に示す。図５は、摩擦係数が低下する前（試験時間 約１００秒）の表面観察の結果である。図３と同様に、ＳｉＣ粒子が、Ｍｇ母相に対して均一に分散していることが確認できる。一方、図６は、摩擦係数が低下した直後（試験時間 ５００秒）の表面観察例を示している。図５と異なり、ＳｉＣ粒子が、摩擦摩耗試験によって形成されたスクラッチ痕に凝集していることが分かる。また、図７は、摩擦係数が低下した直後（試験時間；５００秒）の摩擦摩耗試験方向に対して垂直方向から観察した断面観察結果を示している（図６と図７は、試験条件は同じであり、観察面が異なるだけである。）。図７（ａ）の白矢印は、摩擦摩耗面を表している。摩擦摩耗面近傍において、図７（ｂ）ではＭｇの濃度が低いのに対し、図７（ｃ）ではＳｉの濃度が高いことが分かる。これらの結果から、摩擦係数の低下は、ＳｉＣ粒子の凝集、すなわち、自己皮膜形成によって生じると言える。表１に、摩擦摩耗試験時間５０００秒後の摩擦係数と、自己皮膜形成によって摩擦係数が低下したＭｇ基押出複合材について、丸印で示している。

【0036】

摩耗量は、摩擦摩耗試験後、測定面の表面粗さをレーザー顕微鏡によって計測し、式（１）によって求めた。ただし、摩耗量は、付与加重Ｐや、すべり距離Ｄなどによって変化するため、比摩耗量Ｋを用いて摩耗特性を評価した。

【0037】

【数1】

【0038】

式（１）のＡは、レーザー顕微鏡などから計測される断面積で、ｂは、Ｂａｌｌ‐ｏｎ‐Ｄｉｓｋ試験時のボールの回転円周（本実施例では６．２ｍｍ）である。表１に、各Ｍｇ基押出複合材の比摩耗量をまとめている。各Ｍｇ基押出複合材の比摩耗量は、ＳｉＣ粉末を含有していないＭｇ基押出材（比較例 試料番号Ｎｏ．５）と比べて小さい値を示し、摩耗特性に優れていることが分かる。

【0039】

＜実施例２＞
市販のＳｉＣ粉末（粉末径１３０ｎｍ）で、ＳｉＣ粉末の質量がＳｉＣ粉末とＭｇ粉末の混合粉末の質量に対して１７％（Ｍｇ基複合材のＭｇ母相に分散するＳｉＣ粒子の面積率１０％に相当）であること以外は、実施例１と全く同じ手順で、混合粉末を作製し、混合粉末をビレットに充填した後、押出加工を行った。平均結晶粒サイズや硬度特性、摩擦摩耗特性の結果について表１にまとめている。混合粉末のＳｉＣ粉末径が微細であっても、実施例１と同様に、優れた摩擦摩耗特性を示すことが確認できる。

【0040】

＜比較例１＞
ＳｉＣ粉末を用いなかったこと以外は、実施例と全く同じ手順で、Ｍｇ粉末をビレットに充填し、押出加工を行った。以下、得られた試料はＭｇ基押出材と称する。

【0041】

＜比較例２＞
市販のＳｉＣ粉末（粉末径２０ｎｍ）で、ＳｉＣ粉末の質量がＳｉＣ粉末とＭｇ粉末の混合粉末の質量に対して１７％（Ｍｇ基複合材のＭｇ母相に分散するＳｉＣ粒子の面積率１０％に相当）であること以外は、実施例１と全く同じ手順で混合粉末を作製し、混合粉末をビレットに充填した後、押出加工を行った。以下、得られた試料は、Ｍｇ基押出複合材比較例と称する。

【0042】

光学顕微鏡およびビッカース硬さ試験を用いて測定した、Ｍｇ基押出材とＭｇ基押出複合材比較例の平均結晶粒サイズと硬さを表１にまとめている。Ｍｇ基押出材とＭｇ基押出複合材比較例の押出温度が、それぞれ、実施例１、２と同じであったことから、平均結晶粒サイズは同程度（約１５μｍ）であることが確認できる。また、Ｍｇ基押出材では、ＳｉＣ粉末を含有していないことから、実施例１、２のＭｇ基押出複合材と比較して、硬さは低いことが分かる。

【0043】

図４に、摩擦摩耗試験によって得られたＭｇ基押出材の摩擦係数と試験時間との関係を示す。実施例の試料番号Ｎｏ．２と異なり、摩擦摩耗時間が５０００秒に到達しても、摩擦係数はほぼ一定の値（約０．３５）を示し、自己皮膜形成が起こっていないことが分かる。更に、式（１）によって得られた比摩耗量は、実施例１、２と比較して、大きな値を示し、Ｍｇ基押出材は、優れた摩擦摩耗特性を有するとは言い難い。一方で、Ｍｇ基押出複合材比較例は、Ｍｇ母相内にＳｉＣ粒子が分散するが、実施例１、２のＭｇ基押出複合材で観察された自己被膜形成を確認することができなかった。また、Ｍｇ基押出複合材比較例の比摩耗量は、実施例１、２と比較して大きな値を示した。以上の結果から、Ｍｇ基押出複合材比較例は優れた摩擦摩耗特性を示さず、混合粉末を作製する際のＳｉＣ粉末径（ＳｉＣ粉末の大きさ）が重要であることが分かる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】