(57)【要約】【課題】  複雑な工程や高度な技能を必要とせずに単純な工程で芯材に被覆材を被覆することができ、かつ、両者を強固に接合することができて高機能性を備えた被覆型複合材料の製造方法および被覆型複合材料を提供する。【解決手段】  所定の金属材料からなる芯材２と、押出ダイス１２との間に、前記芯材２とは異なる金属材料からなる被覆材３を配置し、熱間押出法により前記芯材２および前記被覆材３を同時に押し出すことにより前記芯材２に前記被覆材３を被覆してなる被覆型複合材料１を製造する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の金属材料からなる芯材と、押出ダイスとの間に、前記芯材とは異なる金属材料からなる被覆材を配置し、熱間押出法により前記芯材および前記被覆材を同時に押し出すことにより前記芯材に前記被覆材を被覆してなる被覆型複合材料を製造する方法。
【請求項２】
請求項１において、前記被覆材は、前記芯材と前記押出ダイスとの間に配置したときに前記押出ダイスのダイス穴に対応する部分に穴または薄肉部が形成されている被覆型複合材料の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかにおいて、前記芯材と前記被覆材との間に、両者の接触を防止する中間材を介在させて押し出す被覆型複合材料の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記中間材は、熱処理によって前記芯材または前記被覆材に溶解可能な溶解度を有する金属材料を使用する被覆型複合材料の製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかにおいて、前記被覆材は、溶質元素を過飽和固溶させた急冷凝固粉末を使用する被覆型複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかにおいて、前記芯材はマグネシウムまたはマグネシウム合金を使用し、前記被覆材はアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用する被覆型複合材料の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、前記中間材は亜鉛または亜鉛合金を使用する被覆型複合材料の製造方法。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかにおいて、熱間押出法により得られた被覆型複合材料を圧延加工することにより、芯材に被覆材が被覆されている薄板状の被覆型複合材料を製造する方法。
【請求項９】
所定の金属材料からなる芯材と、この芯材とは異なる金属材料であって前記芯材を被覆してなる被覆材と、前記芯材と前記被覆材との間に介在されて両者の接触を妨げて両者の反応物の生成を阻止する中間材と、を有する被覆型複合材料。
【請求項１０】
請求項９において、前記中間材は、熱処理によって前記芯材または前記被覆材に溶解可能な溶解度を有する金属材料からなる被覆型複合材料。
【請求項１１】
請求項９または請求項１０において、前記芯材はマグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記被覆材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記中間材は亜鉛または亜鉛合金からなる被覆型複合材料。
【請求項１２】
所定の金属材料からなる芯材と、この芯材とは異なる金属材料に溶質元素を過飽和固溶させた急冷凝固粉末の粒子層により前記芯材を被覆してなる被覆材と、を有する被覆型複合材料。
【請求項１３】
請求項１２において、前記芯材は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記被覆材は、急冷凝固アルミニウム合金粉末粒子層からなる被覆型複合材料。
【請求項１４】
請求項９から請求項１３のいずれかにおける被覆型複合材料を圧延加工により薄板状に形成されてなる被覆型複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の金属材料からなる芯材に、この芯材と異なる金属材料からなる被覆材を被覆してなる被覆型複合材料の製造方法および被覆型複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、芯材に被覆材を被覆してなる複合材料を製造する技術がいくつか提案されている。例えば、特開平6-328270号公報には、マグネシウム合金を内芯材、アルミニウムまたはその合金を表層材とするクラッド材（合わせ材）が記載されており、これを製造するためにマグネシウム合金ビレット（棒片）の表層にアルミニウムまたはその合金を緊密に被覆し、400℃以下で加熱して押出し加工を施すことによってマグネシウム−アルミニウムクラッド材を製造する技術が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平6-328270号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された発明においては、予めマグネシウム内芯材の表面を加工してアルミニウム合金との接合を良くする準備をし、その後に、正確に加工されたアルミニウム合金を焼きばめしている。このように内芯材の表面を脱脂洗浄して接合性を高める工程や、焼きばめによって表層材を被覆させるという、複雑な予備工程を行わなければならない。さらに、マグネシウム合金およびアルミニウム合金は、その表面に酸化膜が形成されやすいため、界面の組織的な安定性が悪く、そのクラッド材は脆くなって加工性が悪いという問題もある。
【０００５】
また、一般的な金属の被覆技術として、メッキする対象物を溶融金属中に浸漬し、表面に金属皮膜を形成する溶融メッキ法や、メッキする対象物の表面に金属を電気化学的に析出させる電気メッキ法が知られている。しかし、これらの被覆技術は、マグネシウム−アルミニウム系等のように、互いに融点が近い金属材料を対象とする場合や活性金属を対象とする場合には、適用が困難であるという問題がある。また、メッキによる被覆層は、通常、数マイクロメートル程度しか形成できないため、軽いスクラッチ傷でもすぐに芯材が露出してしまい、マグネシウム等は容易に酸化してしまうという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、複雑な工程や高度な技能を必要とせずに単純な工程で芯材に被覆材を被覆することができ、かつ、両者を強固に接合することができて高機能性を備えた被覆型複合材料の製造方法および被覆型複合材料を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る被覆型複合材料の製造方法は、所定の金属材料からなる芯材と、押出ダイスとの間に、前記芯材とは異なる金属材料からなる被覆材を配置し、熱間押出法により前記芯材および前記被覆材を同時に押し出すことにより前記芯材に前記被覆材を被覆してなる被覆型複合材料を製造する方法である。
【０００８】
また、本発明において、前記被覆材は、前記芯材と前記押出ダイスとの間に配置したときに前記押出ダイスのダイス穴に対応する部分に穴または薄肉部が形成されていてもよい。
【０００９】
さらに、本発明において、前記芯材と前記被覆材との間に、両者の接触を防止する中間材を介在させて押し出してもよい。
【００１０】
また、本発明において、前記中間材は、熱処理によって前記芯材または前記被覆材に溶解可能な溶解度を有する金属材料を使用してもよい。
【００１１】
さらに、本発明において、前記被覆材は、溶質元素を過飽和固溶させた急冷凝固粉末を使用してもよい。
【００１２】
また、本発明において、前記芯材はマグネシウムまたはマグネシウム合金を使用し、前記被覆材はアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用してもよい。
【００１３】
さらに、本発明において、前記中間材は亜鉛または亜鉛合金を使用してもよい。
【００１４】
また、本発明において、熱間押出法により得られた被覆型複合材料を圧延加工することにより、芯材に被覆材が被覆されている薄板状の被覆型複合材料を製造してもよい。
【００１５】
また、本発明に係る被覆型複合材料は、所定の金属材料からなる芯材と、この芯材とは異なる金属材料であって前記芯材を被覆してなる被覆材と、前記芯材と前記被覆材との間に介在されて両者の接触を妨げて両者の反応物の生成を阻止する中間材と、を有する。
【００１６】
また、本発明において、前記中間材は、熱処理によって前記芯材または前記被覆材に溶解可能な溶解度を有する金属材料からなるものでもよい。
【００１７】
さらに、本発明において、前記芯材はマグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記被覆材はアルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、前記中間材は亜鉛または亜鉛合金からなるものでもよい。
【００１８】
また、本発明に係る被覆型複合材料は、所定の金属材料からなる芯材と、この芯材とは異なる金属材料に溶質元素を過飽和固溶させた急冷凝固粉末の粒子層により前記芯材を被覆してなる被覆材と、を有する。
【００１９】
また、本発明において、前記芯材は、マグネシウムまたはマグネシウム合金からなり、前記被覆材は、急冷凝固アルミニウム合金粉末粒子層からなるものでもよい。
【００２０】
さらに、本発明における被覆型複合材料を圧延加工により薄板状に形成されてなる被覆型複合材料としてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、複雑な工程や高度な技能を必要とせずに単純な工程で芯材に被覆材を被覆することができ、かつ、両者を強固に接合することができて高機能の被覆型複合材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る被覆型複合材料の製造方法に用いる押出装置の一実施形態を示す模式図である。
【図２】実施例１において製造された被覆型複合材料の切断面を示す拡大写真である。
【図３】実施例２において、実施例１で得られた各被覆型複合材料の先端からの距離を横軸とし、被覆材の厚さを縦軸にとったグラフである。
【図４】実施例２において、被覆層の厚さを一定にしうる被覆材の例を示す図である。
【図５】実施例２で得られた被覆型複合材料の先端からの距離を横軸とし、被覆材の厚さを縦軸にとったグラフである。
【図６】実施例３において、薄板状に圧延した被覆型複合材料の切断面を示す拡大写真である。
【図７】実施例４において、実施例１で得られた芯材と被覆材との界面を示す拡大写真である。
【図８】実施例４におけるアルミニウム−マグネシウムの二元系平衡状態図である。
【図９】実施例４において、実施例３で圧延された芯材と被覆材との界面を示す拡大写真である。
【図１０】実施例４において、中間層を形成させた被覆型複合材料の切断面を示す拡大写真である。
【図１１】実施例４におけるアルミニウム−亜鉛の二元系平衡状態図である。
【図１２】実施例５において、押出の前後におけるマグネシウム合金の結晶粒径を示す拡大写真である。
【図１３】実施例６において、急冷凝固アルミニウム合金粉末を被覆材として用いた被覆型複合材料の切断面を示す拡大写真である。
【図１４】実施例６において、急冷凝固アルミニウム合金粉末を被覆材として用いた被覆型複合材料の切断面における硬質アルミニウム合金粉末を示す拡大写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係る被覆型複合材料の製造方法および被覆型複合材料の実施形態について図面を用いて説明する。
【００２４】
まず、本発明に係る被覆型複合材料１は、所定の金属材料からなる芯材２に、この芯材２とは異なる金属材料からなる被覆材３を被覆してなるものである。本実施形態において、芯材２としては、軽量ではあるが腐食しやすいマグネシウム合金を使用する。一方、被覆材３としては、マグネシウム合金よりも重いが耐食性に優れたアルミニウム合金を使用する。したがって、本実施形態の被覆型複合材料１は、マグネシウム合金の軽量性と、アルミニウム合金の耐食性という利点を兼ね備えつつ、欠点を抑制した性質を有するものとなる。なお、本発明において、金属材料という場合、単一の金属元素からなる純金属はもとより、複数の金属元素あるいは金属元素と非金属元素からなる合金を含む概念である。
【００２５】
また、本発明おいて、芯材２および被覆材３を構成する金属材料は、上記の合金に限定されるものではなく、加工性の高い金属材料であれば適宜、選択可能である。具体的な芯材２と被覆材３の組合せとしては、例えばマグネシウムないしマグネシウム合金を芯材２として亜鉛ないし亜鉛合金を被覆材３とする組合せやアルミニウムないしアルミニウム合金を芯材２として亜鉛ないし亜鉛合金を被覆材３とする組合せ、あるいはアルミニウムないしアルミニウム合金と銅ないし銅合金とをそれぞれ芯材２ないし被覆材３として組合せる場合等が考えられる。このように、使用したい芯材２に対して、この芯材２の欠点を補う特性を有する被覆材３を被覆すれば、芯材２の表面の性質が改善された被覆型複合材料１を得ることができる。
【００２６】
つぎに、本発明に係る被覆型複合材料１を熱間押出法によって製造する際に使用する押出装置１０について説明する。本実施形態において、押出装置１０は、図１に示すように、いわゆる間接押出法を採用したものであり、芯材２および被覆材３を収容する押出コンテナ１１と、芯材２および被覆材３を押し出す押出ダイス１２と、この押出ダイス１２を押圧する押出ステム１３と、所定の押出温度に加熱する加熱炉１４とを有している。
【００２７】
押出コンテナ１１は、略円筒状に形成されており、その下方側の開口部には底板１１ａが固定されている。押出ダイス１２は、押出コンテナ１１の内周面に沿って摺動自在に構成され、その略中心部に所定形状のダイス穴１２ａを有している。押出ステム１３は、略円筒状に形成されており、押出ダイス１２に対して押出荷重を付与するようになっている。加熱炉１４は、押出コンテナ１１の周囲に設けられ、熱間押出法を実施可能な押出温度まで加熱するようになっている。
【００２８】
以上の構成を備えた押出装置１０によって本実施形態の被覆型複合材料１を製造する場合、まず、図１（ａ）に示すように、押出コンテナ１１の内部に、下から芯材２および被覆材３の順に載置した後、その被覆材３の上に押出ダイス１２を載置する。つまり、芯材２と押出ダイス１２との間に被覆材３を配置する。なお、本実施形態において、押し出す前の芯材２および被覆材３の形状は、略円柱状に形成されているが、この形状に限定されるものではなく、丸棒状、角棒状、薄板状、箔状、その他不定形状でもよい。特に、被覆材３は、適度な流動性を有する金属材料であれば、不定形の小片を芯材２の上にバラバラにして載置してもよい。
【００２９】
つづいて、加熱炉１４によって押出コンテナ１１内を所定の押出温度まで加熱した後、押出ステム１３によって押出ダイス１２を下方に加圧する。これにより、押出ダイス１２のダイス穴１２ａからは、熱間押出法によって芯材２および被覆材３が同時に押し出される。具体的には、図１（ｂ）に示すように、金属の流動特性によって、被覆材３が芯材２の周囲を被覆しながら上方へ押し出され、芯材２の表面に被覆材３が複合化された被覆型複合材料１が製造される。
【００３０】
このとき、本実施形態では、約280℃〜350℃という高温の押出温度で押し出すため、芯材２と被覆材３とが固相接合する。また、芯材２および被覆材３には、ダイス穴１２ａを流動しながら通過する際に、中心部に向かって集中する力が作用するため強固に接合する。
【００３１】
ところで、本実施形態で使用するマグネシウム合金やアルミニウム合金は、活性金属であるため、空気に触れただけで、その表面には接合性を低下させる酸化膜が形成される。したがって、本実施形態の被覆型複合材料１の接合強度は、押出加工前の芯材２や被覆材３の寸法に対して、押出加工によって減少した寸法の割合を示す加工率によって影響を受けることとなる。
【００３２】
具体的には、加工率が小さい場合、芯材２や被覆材３の変形量が小さいため、界面に形成された酸化膜があまり破壊されることなく残留する。したがって、この残留した酸化膜が、芯材２と被覆材３との合金化を阻害し接合性を低下させる。一方、加工率が大きい場合、芯材２および被覆材３が大きく変形するため、界面に形成された酸化膜が細かく破壊され、その隙間に酸化されていない新鮮な金属が露出する。この状態にて、芯材２と被覆材３とが密着しながら加工されることにより、酸化されていない部分同士が順次接合して合金化し、接合強度が著しく向上することになる。このような作用効果は従来の焼きばめ加工などによっては得られない特徴の一つである。
【００３３】
以上のように、本実施形態では、押出ダイス１２のダイス穴１２ａの寸法を適宜変更し、高い加工率で押し出すことが好ましい。この場合、被覆材３を均一な厚さに形成するためには加工率がより高いものが好ましく、逆に均一な厚さではなく徐々に薄くなるような傾斜した被覆層に形成する場合には加工率の低いものが好ましい。また、本実施形態において、ダイス穴１２ａは略矩形状に形成されているが、この形状に限定されるものではなく、任意の形状を採用することができる。
【００３４】
また、上述した本実施形態では、一種類の被覆材３を使用した基本的な例について説明したが、これに限定されるものではなく、複数種類の被覆材３を芯材２と押出ダイス１２との間に積層させて押し出してもよい。具体的には、化学組成が異なる複数の被覆材３を積層させれば、被覆層の厚さ方向に機械的性質や化学的性質が徐々に変化する、いわゆる傾斜機能材料（Functionally Graded Material）を製造することができる。あるいは、芯材２の金属材料と被覆材３の金属材料とを繰り返し積層させて中心から芯材材料と被覆材材料とが交互に繰り返される被覆型複合材料１を製造することも可能である。
【００３５】
以上のような本実施形態によれば、以下のような効果を奏する。
１．複雑な工程や高い技能を必要とせずに単純な工程で芯材２に被覆材３を被覆でき、被覆型複合材料１の生産性を向上するとともに、低コスト化を実現することができる。
２．芯材２と被覆材３とを強固に接合でき、被覆型複合材料１の加工性を向上することができる。
３．芯材２の表面の性質を被覆材３によって改善することができる。
４．軽量かつ高強度で耐食性を有する高機能の被覆型複合材料１を製造することができる。
【００３６】
以下、本発明に係る被覆型複合材料１の製造方法および被覆型複合材料１について、具体的な実施例に基づいて説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の各実施例によって示される特徴に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３７】
＜マグネシウム合金をアルミニウムで被覆した被覆型複合材料１を製造する方法＞
本実施例１では、マグネシウム合金をアルミニウムで被覆した被覆型複合材料１を製造する実験を行った。芯材２としては、市販のマグネシウム合金AZ80（化学組成：Mg - 8.5Al - 0.5Zn - 0.13Mn[wt%]）の丸棒から、直径45mmおよび厚さ25mmの円盤を切り出した。一方、被覆材３としては、直径45mmの純アルミニウムの鋳造丸棒から、厚さがそれぞれ1mm、3mm、5mm、10mmの円盤を切り出した。
【００３８】
図１に示した押出装置１０の押出コンテナ１１の中に、下から上記の円盤状の芯材２、円盤状の被覆材３、押出ダイス１２の順にセットし、熱間押出法により押出加工を行った。このとき、本実施例１の押出条件は、押出温度が約280℃、押出加工率が約93％、および加圧荷重が約30トンであった。そして、上記４つの厚さが異なる被覆材３を用いて押し出された各被覆型複合材料１について、先端から1cmごとに押出方向に対して垂直に切断した。この結果、各被覆型複合材料１の断面は、図２に示すように、芯材２の周囲全面が被覆材３で被覆されていることが確認された。なお、図２は、厚さが10mmの被覆材３を用いて製造した被覆型複合材料１の先端から120mmの切断面である。
【００３９】
以上の本実施例１によれば、本発明に係る被覆型複合材料１の製造方法によって、マグネシウム合金をアルミニウムで被覆した被覆型複合材料１を容易かつ迅速に製造することが確認された。また、本実施例１の被覆型複合材料１においては、少なくとも約0.1mm以上の厚い被覆層が形成されており、被覆型複合材料１の表面に軽いスクラッチ傷がついても芯材２が露出してしまうことがない。
【実施例２】
【００４０】
＜被覆層の厚さを一定にする方法＞
本実施例２では、実施例１の結果に基づき、被覆層の厚さを一定にする方法を考察した。まず、実施例１において切断された各被覆型複合材料１の各切断面を観察し、形成された被覆層の厚さを光学顕微鏡または写真上で測定した。図３は、当該測定結果について、各被覆型複合材料１の先端からの距離を横軸とし、被覆材３の厚さを縦軸にとったグラフである。図３に示すように、押出前の被覆材３が厚いものほど、押し出された被覆型複合材料１の被覆層が厚くなることが確認された。
【００４１】
具体的には、被覆材３の厚さが10mmのものを使用したとき、形成された被覆層の厚さは0.8mm〜0.3mmであった。一方、被覆材３の厚さが5mm、3mmと小さいものを使用すると、被覆層の厚さはそれぞれ0.7mm〜0.2mm、0.5mm〜0.1mmと薄くなった。また、これらのいずれの場合も、被覆型複合材料１の先端からの距離が長くなるに従って、被覆層の厚さが徐々に薄くなることが確認された。しかし、被覆層の厚さが減少する程度は、被覆材３の厚さが薄いほど小さくなり、図３に示すように、被覆材３の厚さが1mmのとき、被覆層の厚さは約0.1mmでほぼ一定となることが確認された。
【００４２】
以上のような結果を考察すると、被覆型複合材料１の先端側で被覆層が厚くなるのは、押し出しの初期において被覆材３のみがダイス穴１２ａから押し出されるからである。そこで、本願発明者らは、当該押し出し工程の初期段階における被覆材３のみが押し出される現象を抑制することにより、厚い被覆材３を使用した場合でも、長い押出距離に渡って被覆層の厚さを一定にできると考えた。
【００４３】
そこで、本実施例２では、被覆材３として、直径45mmの純アルミニウムの鋳造丸棒から、厚さが3mmの円盤を切り出した。そして、上記現象を防止するため、図４（ａ）に示すように、芯材２と押出ダイス１２との間に配置したときに押出ダイス１２のダイス穴１２ａに対応する部分となる被覆材３の中央に直径30mmの円形穴３１を形成した。これにより、押し出しの初期段階から芯材２も一緒にダイス穴１２ａから押し出され、比較的厚さ変化の少ない被覆層が得られると考えたからである。
【００４４】
なお、前記被覆材３に形成する穴３１は、押し出しの初期段階から芯材２を一緒にダイス穴１２ａから押し出しうる穴３１であれば、円形穴３１に限定されるものではない。また、必ずしも穴を空ける必要はなく、例えば、図４（ｂ）に示すように、ダイス穴１２ａに対応する部分に略円弧状の薄肉部３２を形成してもよく、図４（ｃ）に示すように、ダイス穴１２ａに対応する部分にテーパ状の薄肉部３２を形成してもよい。
【００４５】
図１に示した押出装置１０の押出コンテナ１１の中に、実施例１と同様の芯材２、本実施例２の被覆材３、および押出ダイス１２の順にセットし、熱間押出法により押出加工を行った。このとき、本実施例２の押出条件は、押出温度が約280℃、押出加工率が約93％、および加圧荷重が約30トンであった。そして、押し出された被覆型複合材料１について、先端から1cmごとに押出方向に対して垂直に切断し、被覆層の厚さを測定した。図５は、当該測定結果を示すグラフである。このグラフでは、比較例として円形穴３１がない被覆材３を使用した場合（図３の厚さ3mmの場合）も併せて示す。
【００４６】
図５に示すように、円形穴３１がない被覆材３を使用した場合、押し出された被覆型複合材料１における被覆層の厚さは、先端から離れるに従って0.5mmから0.1mm程度にまで漸減していた。これに対し、本実施例２の被覆材３を使用した場合、被覆層の厚さは0.2mmから0.1mmの間でほぼ一定の値を示すことが確認された。なお、図５において、先端から50mmまでの間は、被覆層が定常化していないため、データを採取していない。
【００４７】
以上の本実施例２によれば、押し出す前の被覆材３に対して、押出ダイス１２のダイス穴１２ａに対応する部分に穴３１を形成することで、被覆型複合材料１における被覆層の厚さをほぼ一定に制御できることが示された。また、原理的には穴３１の代わりに薄肉部３２を形成することによっても、同様の結果が得られるものと推測される。
【実施例３】
【００４８】
＜被覆型複合材料１の加工性を確認する実験＞
本実施例３では、まず、実施例１で得られた被覆型複合材料１の加工性を確認する実験を行った。実施例１で得られた被覆型複合材料１は、その優れた軽量性および耐食性から、押し出された加工状態のままでも多く構造用部材に応用できる。しかし、薄板状に圧延加工できれば、さらに大幅な用途の拡大が期待される。そこで、市販の圧延装置を用いて、実施例１で得られた初期厚さ6mmの被覆型複合材料１を圧延したところ、最終厚さ約1mmにまで圧延することができた。なお、このときの圧延率は、83％（＝(6-1)/6＝0.83）であり、圧延温度は350〜400℃であった。
【００４９】
以上の条件下において、薄板状に圧延した被覆型複合材料１を切断し、その切断面を観察したところ、図６に示すように、芯材２が被覆材３に被覆されている状態が保持されていた。また、実施例４で後述するように、圧延前において芯材２と被覆材３との間に形成されていた金属間化合物等の反応物層は、圧延後に粒状に分断されている様子が確認された。このように脆い反応物層が粒状に分断されることは、被覆材３が芯材２から剥離するのを防止する観点から好ましい効果である。
【００５０】
以上の本実施例３によれば、本実施例１で得られた被覆型複合材料１は、芯材２に被覆材３を被覆させたままの状態で、熱間圧延によって容易に薄板に加工できることが確認された。したがって、本発明によれば、芯材２に被覆材３が被覆されている薄板状の被覆型複合材料１を容易に製造することができる。また、圧延加工により薄板状に形成されてなる被覆型複合材料１は、自動車産業や航空産業等のように、軽量で耐食性を有する薄板状材料を必要とする様々な産業分野において、幅広く活用されることが期待できる。
【実施例４】
【００５１】
＜被覆型複合材料１の加工性を向上する方法＞
本実施例４では、実施例１で得られた被覆型複合材料１の加工性を向上する方法を考察した。まず、圧延する前の被覆型複合材料１の切断面において、芯材２と被覆材３の界面を拡大して観察したところ、図７に示すように、割れ（crack）や間隙はなく良好な接合状態が認められた。ただし、芯材２と被覆材３との間には、約4mmの薄い層が形成されていることが確認された。
【００５２】
この薄い層は、図８に示すアルミニウム−マグネシウムの二元系平衡状態図を参照すると、Al3Mg2またはAl12Mg17等のアルミニウム−マグネシウム系金属間化合物を主成分とする反応物であると推察される。なお、金属間化合物は、拡散機構による成長をすることを考慮すると、押出温度が低いほど、および押出速度が速いほど薄くなる傾向にあるものと考えられる。
【００５３】
一方、実施例３で圧延された被覆型複合材料１の切断面において、芯材２と被覆材３の界面を拡大して観察したところ、図９に示すように、芯材２と被覆材３との間で割れ（crack）が観察された。これは、マグネシウム合金母相とアルミニウム被覆層との界面に形成された上記の反応物層が、芯材２や被覆材３よりも硬質で脆弱な特性を有しているためである。そこで、本願発明者らは、上記の割れを防止するための解決策として、芯材２と被覆材３との間に薄い中間材４を介在させて両者の接触を妨げることにより、芯材２と被覆材３との金属間化合物やその他の反応物が生成されるのを防止することに着想した。
【００５４】
本実施例４では、マグネシウムとアルミニウムによって生成される金属間化合物やその他の反応物の生成を防止する中間材４として、加工性の高い純亜鉛を使用した。そして、図１に示した押出装置１０の押出コンテナ１１の中に下から、芯材２、中間材４、被覆材３、および押出ダイス１２の順にセットし、熱間押出法により押出加工を行った。なお、芯材２としては、厚さ25mmの円盤状のマグネシウム合金、中間材４としては、厚さ3mmの円盤状の純亜鉛、被覆材３としては、厚さ5mmの円盤状の純アルミニウムを使用し、押出ダイス１２のダイス穴１２ａは略矩形状とした。また、本実施例４の押出条件は、押出温度が約280℃、押出加工率が約93％、および加圧荷重が約30トンとした。
【００５５】
本実施例４で得られた被覆型複合材料１の切断面の拡大写真を図１０に示す。図１０に示すように、芯材２と被覆材３との間には金属間化合物等の反応物が形成されておらず、その代わりに厚さ約10mmの純亜鉛の中間層が形成されていることが確認された。また、芯材２と中間材４との間および中間材４と被覆材３との間には、割れや間隙がなく良好な接合状態が認められた。なお、図１１に示すアルミニウム−亜鉛の二元系平衡状態図を参照すると、亜鉛はアルミニウム中に全率固溶されることがわかる。このため、押出成形した被覆型複合材料１を適切な温度に加熱保持することにより亜鉛の中間層をアルミニウム中に溶融させて消滅させることができる。
【００５６】
ただし、亜鉛の固溶は高温ほど短時間で完了するが、液相が出現してはいけないので平衡状態図で読み取れる共晶温度以下で処理することが好ましい。一方、例え、共晶温度以下であっても、高温であるほどマグネシウムの結晶粒が速く成長し粗大化してしまう。このため、比較的低温であっても短時間で固溶できるように、亜鉛層を極めて薄くしておく必要があるものと考えられる。
【００５７】
以上のように、本方法により亜鉛の中間層を介在させると、硬質脆性なアルミニウム−マグネシウム系金属間化合物やその他の反応物の生成を阻止できる。このため、熱間押出加工や熱間圧延加工を施しても、加工性の高い亜鉛層によって割れが発生しにくく、より一層、加工性を向上することができる。一方、所定の形状に加工した後は、後熱処理等の熱処理によって亜鉛の中間層そのものが、アルミニウム中に固溶されて消滅し、アルミニウム層を強化させることができる。
【００５８】
なお、上述した本実施例４では、マグネシウム合金やアルミニウム合金に対して大きな溶解度を有する物質として、亜鉛を中間材４として使用したが、これに限定されるものではない。すなわち、中間材４としては、亜鉛合金はもとより、熱処理によって芯材２または被覆材３に対して溶解可能な溶解度を有する金属材料からなるものであれば、他の材料を採用してもよい。但し、マグネシウムやアルミニウムと反応物を形成しないか、あるいは反応物を形成したとしても強度等の点で悪影響しないものであることが好ましい。
【００５９】
以上の本実施例４によれば、芯材２と被覆材３との間に中間材４を介在させて押し出すことにより、芯材２と被覆材３によって構成される金属間化合物の生成を阻止する中間層を備えた被覆型複合材料１を製造できることが確認された。また、この被覆型複合材料１は加工性が高く、かつ、加工後に中間層を消滅させられることが確認された。
【実施例５】
【００６０】
＜マグネシウム合金中の結晶粒を確認する実験＞
本実施例５では、本実施例１で得られた被覆型複合材料１について、押出加工の前後におけるマグネシウム合金中の結晶粒を確認する実験を行った。実施例１で芯材２として用いたマグネシウム合金は、室温では塑性加工できないほど脆い。そこで、押出加工する前のマグネシウム合金について、母相の結晶粒を光学顕微鏡で確認したところ、図１２（ａ）に示すように、数十mmの結晶粒径を持つ結晶が確認された。
【００６１】
一般的に、金属材料の機械的性質および化学的性質は、結晶粒径によって支配されており、室温であれば粒径が小さいほど優れた性質になることが知られている。したがって、マグネシウム合金の結晶粒を微細化できれば、機械的性質や化学的性質が向上する。そして、結晶粒を微細化する方法としては、再結晶が有効である。この再結晶は、再結晶温度以下で変形した後に再結晶温度以上に加熱すると、変形時のひずみを解消すべく、変形した結晶が多角形の細粒に分割結晶するとともに、増加していた転位も消滅し、結晶粒が内部ひずみを持たない安定したものとなる現象である。
【００６２】
この点につき、実施例１で得られた被覆型複合材料１は、マグネシウムの再結晶温度以上の押出温度で押し出されたものである。このため、芯材２であるマグネシウム合金中では、押出変形中に再結晶が起こるという、いわゆる動的再結晶が発生しているものと考えられる。そこで、押出加工した後のマグネシウム合金について、母相の結晶粒を光学顕微鏡で確認したところ、図１２（ｂ）に示すように、結晶粒径が数mmにまで微細化されていることが確認された。また、この微細化によりマグネシウム合金の可塑性が向上しているものと考えられる。
【００６３】
なお、再結晶の後もさらに加熱を続けると、結晶粒が成長してしまうため、押出加工時には、加工率、加工温度および加工速度を適切にコントロールすることが好ましい。具体的には、加工率はより大きい方がよく、加工温度は低温が好ましく、加工速度はより速い方が好ましい。
【００６４】
以上の本実施例５によれば、本発明に係る被覆型複合材料１の製造方法により、芯材２に被覆材３を被覆させるのと同時に再結晶を発生させ、マグネシウム合金の結晶粒を微細化できることが確認された。したがって、芯材２の機械的性質や化学的性質がより一層向上しているものと考えられる。
【実施例６】
【００６５】
＜被覆材３のバリエーション＞
本実施例６では、被覆型複合材料１に所定の性質を備えさせる被覆材３のバリエーションについて実験を行った。本実施例６では、被覆層を硬質にして被覆型複合材料１に耐摩耗性を付与する目的で急冷凝固アルミニウム合金粉末を使用した。この急冷凝固アルミニウム合金粉末には、鉄やニッケル等の遷移金属やケイ素等の非金属元素からなる溶質元素が急冷凝固中に過飽和固溶されている。このため、当該溶質元素が熱間押出中に微細析出してアルミニウム合金を強化すると考えたからである。
【００６６】
ただし、急冷凝固粉末は非常に硬いので押出条件によっては焼結しにくく、押出加工性が悪い。このため、押出加工時には、高温でゆっくりと押し出すことが好ましい。そこで、本実施例６では、低荷重で早く押し出す目的で、急冷凝固アルミニウム合金粉末に、軟質で可塑性の高い他のアルミニウム合金粉末と混合した。具体的には、純アルミニウム粉末とAl-Si-Fe-Ni系合金急冷凝固粉末とを重量比１：１で混合した粉末を被覆材３として使用した。これにより、加工性が高まるのみならず、押出工具の表面を摩耗により損傷させることがなく、工具の寿命を長期化できるものと考えられる。
【００６７】
上記の混合粉末を押出コンテナ１１に収容するにあたって、約200MPaで圧縮し直径45mmおよび厚さ5mmの円盤状圧粉体に成形した。そして、図１に示した押出装置１０の押出コンテナ１１の中に、実施例１と同様の芯材２、本実施例６の被覆材３、および押出ダイス１２の順にセットし、熱間押出法により押出加工を行った。本実施例６の押出条件は、押出温度が約280℃、押出加工率が約93％、および加圧荷重が約30トンとした。
【００６８】
本実施例６で得られた被覆型複合材料１の切断面を観察すると、図１３に示すように、アルミニウム母相中に、島状に分布した硬質アルミニウム合金粉末粒子が分散されており、急冷凝固アルミニウム合金粉末の粒子層が形成されている様子が確認できた。また、島状に分布する硬質アルミニウム合金粉末を拡大して観察すると、図１４のように1mm以下の超微細組織が確認できた。これは、急冷凝固時に過飽和固溶していた鉄やニッケル等の遷移金属とアルミニウムとが熱間押出中に化合し、Al3NiやAl5FeSi等の金属間化合物が超微細粒子として高密度に析出したためである。また、同様に、過飽和固溶していたSi等の非金属元素が、熱間押出中に超微細粒子として高密度で析出したためである。
【００６９】
図１４で観察されたSiやAl3Ni，Al5FeSiなどの超微細粒子は、いずれも極めて硬い物質である。そこで、当該硬質アルミニウム合金粉末部分の固さを測定すると、ビッカース硬度で約250を示し、鋼の硬度に匹敵する硬度を有していることが示された。すなわち、軽量が特徴であるマグネシウム合金を軽くて硬いアルミニウム合金で被覆することにより、軽量でありながら高硬度、耐摩耗性および耐食性を有する被覆型複合材料１を得ることができた。
【００７０】
なお、急冷凝固粉末は、上述した急冷凝固アルミニウム合金粉末に限定されるものではなく、芯材２とは異なる金属材料に遷移金属または非金属元素の少なくともいずれか一方を過飽和固溶させた急冷凝固粉末であればよい。このような急冷凝固粉末によって急冷凝固粉末の粒子層を形成すれば、過飽和固溶した溶質元素が、熱間押出中に微細析出してアルミニウム合金を強化するからである。特に、上述した金属間化合物の微細粒子は高温でも安定して存在できるため、遷移金属が過飽和固溶された急冷凝固粉末を用いれば、被覆層の高温強度が著しく向上する。
【００７１】
また、被覆層に高い耐食性を付与したい場合には、例えば、耐食性を有するアルミニウム−亜鉛系のアルミニウム合金を用いればよい。実際に、アルミニウム−10wt%亜鉛のインゴットから切り出した直径45mm、厚さ5mmの円盤を被覆材３として用意した。そして、実施例１と同様の押出条件下で押し出したところ、純アルミニウムの円盤を被覆材３としたときと同様、容易にマグネシウム合金からなる芯材２を被覆することができた。
【００７２】
以上の本実施例６によれば、溶質元素を過飽和固溶させた急冷凝固粉末によって、芯材２を被覆した被覆型複合材料１を製造できること、および当該被覆型複合材料１が、軽量でありながら高硬度、耐摩耗性および耐食性を有することが示された。
【００７３】
なお、本発明に係る被覆型複合材料１の製造方法および被覆型複合材料１は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００７４】
例えば、上述した本実施形態では、加圧方向と押出方向が逆になる間接押出装置１０を用いているが、これに限定されるものではなく、加圧方向と押出方向が同じになる直接押出装置を使用してもよい。ただし、直接押出装置を使用した場合、芯材２や被覆材３が、押出コンテナ１１の内壁面との間に大きな摩擦抵抗を発生させるため、間接押出装置１０と比較して、より大きな加圧力が必要となる点に留意する。
【符号の説明】
【００７５】
１  被覆型複合材料
２  芯材
３  被覆材
４  中間材
１０  押出装置
１１  押出コンテナ
１１ａ  底板
１２  押出ダイス
１２ａ  ダイス穴
１３  押出ステム
１４  加熱炉
３１  穴
３２  薄肉部
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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