熱間押出法によるマグネシウム合金のアルミニウム被覆北海道大学大学院工学研究院
教授 松浦清隆（平成 21 年度一般研究開発助成 AF−2009005）
キーワード：マグネシウム，アルミニウム，耐食性

1．研究の目的と背景究を行うこととした．

マグネシウムは実用金属の中で最も低密度で高い比強度および比剛性を持ち，また電磁遮蔽能やリサイクル性な2．実験方法どにおいても優れた特徴を持っている．近年，環境負荷問

Fig.1 に本実験における熱間押出装置の模式図を示す．

題への関心や省エネルギー化の要求が高まりつつある中予備調査において直接押出を試したが，ビレットとコンテで，軽量性が求められる自動車部品やモバイル機器などのナ間の摩擦が大きいために現有の圧縮装置の能力に不足分野でマグネシウムの用途が今後一層拡大すれば，今日のが出た．それゆえ，本実験では低い荷重で押出ができる間逼迫した地球環境問題を解決する一助となることが期待できる 1-3)．
しかしながら，マグネシウムは電気化学的には実用金属中最も卑な金属であるために極めて活性で，耐食性は著しく低い．この欠点から現在ではマグネシウム合金の使用範囲は非常に限られている．
この欠点を改善するためにアルミニウムを被覆する研究がこれまで多くなされており，耐食性を改善するためのめっき 4)，陽極酸化処理 5,6)，溶射 7-10)，レーザークラッド11),12)，ライニング 13)，蒸着 14),15)などが提案されている．

しかし，これらの方法では被覆の密着性，マグネシウム基材への熱影響，製造工程とコストなどにおいて改善すべき

Fig. 1. Schematic drawing of equipment and samples
for hot extrusion.

課題が残されている．これに対し，本研究では熱間押出法によるアルミニウム被覆を提案する．押出加工においては，アルミニウムとマグネシウムが高温高圧で接触した状態で著しい塑性変形を与えることができるので，連続して出現する新生面において両金属間の強固な接合が期待できる．また，他の方法では得難い厚肉の被覆の実現も期待できる．さらに，熱間押出は広く普及した既存の技術であるので，新規の設備投資なしに，マグネシウム合金の形状付与工程に併せてアルミニウム被覆が実現できるという利Fig. 2. Schematic images of die: (a) cross-section of

点がある．それゆえ，本研究では，この方法の実施可能性

die, (b) overhead view of die (c) overhead view of dieの調査と得られる押出材の材質試験を目的とした実験研

used for bending test.

ー 35 ー

接押出法を採用した．マグネシウム合金ビレットとアルミした板材から長さ 135 mm，厚さ 5.5 mm，幅 20.6 mm の寸ニウム板を合わせて押出すことにより、マグネシウム合金法に切り出したものを用いた．試験温度は室温，100℃，の表面をアルミニウム被覆することを試みた。マグネシウ

200℃，300℃と変化させた．室温以外で試験を行う際は，

ム合金は AZ80 合金（Al: 8.2, Zn: 0.56, Mn: 0.44 (mass.%））

ホットプレートを用いて約 45℃/min の速度で試験片を加であり，市販押出丸棒材を直径 42 mm，厚さ 30 mm に切熱し，接触温度計でモニターした試験片温度が目標値に達断したものを用いた．アルミニウムには純度 99.7 mass%

した直後に迅速に試験機に装着して試験した．試験中の摩の鋳造材を用い，直径 45 mm，厚さ 3 mm とした．押出の擦の影響を軽減するために支点と試験片の間に厚さ 0.2前に，マグネシウム合金に 400℃で 5 時間の溶体化処理をmm のカーボンシートを置いた．試験後は，試験片板厚方施し，さらに 350℃で 1 時間の時効処理を施した．Fig.2

向の縦断面において曲げ変形部を光学顕微鏡で観察した．にダイス形状を模式的に示す．Fig.2 (a)に示したダイス角

耐食試験では，アルミニウム被覆マグネシウム押出材，θ の値を 0°，10°，20°，30°と変化させ，被覆層厚さマグネシウム合金基材，被覆に用いたアルミニウムに対しへの影響を調査した．Fig.1 に示したように，予熱したコて，室温で 5.0 mass%の HCl 水溶液中における単位面積当ンテナ内に室温のマグネシウム合金とアルミニウムを重たりの質量減少挙動を調査した．加えて，これら 3 種類のねて置き，その上に同じく予熱したダイスを重ね，さらに試料に対して 3.0 mass%，pH5.4 の NaCl 水溶液を用いて室その上に同じく予熱したパイプ 3 本とさらに室温のパイ温で腐食電極電位を測定した．このとき，KCl 寒天塩橋をプ 3 本を積み重ねて置いた．予熱温度はいずれも 250℃で用いてアノード／カソード間を隔離し，参照電極としてある．押出用試料をコンテナ内に入れた後，試料とコンテAg/AgCl を用いた．アルミニウム被覆マグネシウム押出材

ナの温度が同じになるように 30 分保持し，さらに 2℃/minには切断面のみエポキシ系接着剤を用いてマスキングをで所定の押出温度まで昇温して，30 分後にパイプを介し行い，棒材の側面だけ水溶液に触れる状態にした．マグネて試料を後方に押出した．押出温度 310℃，押出速度 10シウム押出材には切断面のみエポキシ系接着剤を用いてmm/min，押出加工率 92%の条件を用いた．

マスキングを行い，棒材の側面だけ水溶液に触れる状態に丸棒状に押出した試料を，先端から長手方向 10 mm ごした．マグネシウム合金基材及びアルミニウムについてはとに横に切断し，アルミニウム被覆層厚さの測定及びマグそれぞれ 240 番のエメリー紙で表面を研磨し，押出材と同ネシウム合金基材の組織観察を行った．被覆層厚さの測定程度の表面積が水溶液に触れるようにマスキングを施しに関しては，長手方向 10 mm ごとに切り出した全ての試た状態で用いた．被覆の耐久性を調査するため約 4 日間連料の断面において円周方向 90°ごとの 4 箇所の光学顕微続して測定を行った．また，腐食試験終了後の試料に対し鏡写真を倍率 500 倍で撮影し，その視野中の 5 箇所を無作て表面観察などの追加的調査を行わなかったので，腐食生為に選んで被覆層厚さを測定し，それらの平均値を求めた．

成物の除去に特段の関心は払わなかった．

一方，基材の組織観察に関しては，押出材先端部，中部，最終部から前記 10 mm 試料を 1 個ずつ選び，断面をバフ

3．研究成果研磨仕上げの後，ピクリン酸 32 ml，酢酸 20 ml，蒸留水

3・1 被覆層厚さに及ぼすダイス角の影響

20 ml，エチルアルコール 18 ml の混合液を用いてエッチ

押出材の横断面の写真を Fig.3 に示す．ダイス角はング処理を行い，光学顕微鏡観察を行った．また，上記 3

θ=20°である．押出材の円周方向に対して均一にアルミ箇所の試料において面積等価直径法及び求積法を用いてニウムが被覆されていることが分かる．マグネシウム合金

基材の結晶粒径の測定を行った．

基材とアルミニウム被覆の間には割れや剥離は現れてお押出材の材質試験として，曲げ試験，耐食試験を行った．

らず界面は健全であることから，熱間押出によりマグネシ

曲げ試験は 3 点曲げであり，クロスヘッドスピード 200ウム合金をアルミニウム被覆することが可能であること

mm/min，支点間距離 75 mm，曲げ変位 70 mm の条件で行が示された．

った．試験片には，Fig.2 (c)に示したダイスを用いて押出ー 36 ー

Fig. 3. Cross-sectional picture of sample
extruded with θ=20o.

Fig. 5. FE-SEM images of extruded sample taken
Fig. 4. Change of thickness of aluminum coating layer withfrom the middle part in length of the extruded bar:

respect to the distance from the tip of the samples extruded(a) cross-section, (b) longitudinal-section.

with different die angles.
押出距離に対するアルミニウム被覆厚さの変化を Fig.4存在しており，この析出物がマグネシウム合金の再結晶粒に示す．ダイス角が小さいときには（θ=0，10°），被覆の粗大化を防いだと考えられる．全てのダイス角の押出材層は押出距離とともに徐々に薄くなったが，ダイス角が大において粒径は同程度であり，いずれの場合においても結きいときには（θ=30°）逆に徐々に厚くなった．ダイス晶粒微細化が起こっていることが示された．また，押出材

角 20°のときに，被覆層厚さは約 200~300 µm でほぼ一定の長手方向の位置に対する結晶粒径の変化を調査するたとなった．

め，先端部，中央部，終端部における平均粒径を測定した

3・2 組織観察

ところ，それぞれ 3.0 μm，2.5 µm，2.6 µm となっており，受入材である市販のマグネシウム合金棒材では結晶粒わずかではあるが先端部において粒径が大きくなってい径は約 10 µm であり，受入材に溶体化処理及び時効処理た．これは，先端部特有の加工挙動に起因すると考えられを施した後の組織では，押出前の初期組織の粒径は約 20る．すなわち，押出開始時にダイス穴近傍においてビレッµm であった．押出材の横断面及び縦断面の FE-SEM 像を

ト材はあまり大きな断面縮小を受けずに押し出されるのFig.5 に示す．これはダイス角 θ=20°の押出材の組織であで，定常状態で押し出される他の部分と比べて先端部ではる．横断面と縦断面の写真から押出材の組織は等軸粒から加工率が低い．その結果，再結晶粒微細化の程度がやや低なっていることが分かり，その粒径は約 2.6 μm であった．

くなったものと考察される．

これは，再結晶による結晶粒微細化によるものと考えられ3・3 押出材の耐食性る．また，押出材の組織において，微細な析出物が粒界にFig.6 に，HCl 水溶液中に浸漬した際の質量減少挙動をー 37 ー

Fig. 6. Weight loss versus immersion time in 5.0 mass%

Fig. 7. Electrical potential changes with respect toimmersion time in 3.0 mass% NaCl aqueous solution at

HCl aqueous solution at room temperature.

room temperature.
示す．マグネシウム合金は浸漬した直後から水溶液中に激破断の衝撃により破面近傍の金属間化合物層が接合界面しく溶け出し始めるが，アルミニウム被覆が施されているに沿って割れたものと推察される。

押出材は全く溶解していない．この押出材の質量減少量は，高温での曲げ試験片の接合界面を観察した結果を Fig.9

図中に示したアルミニウムの質量減少量とほぼ同程度でに示す．Fig.9 の(a)と(b)，(c)と(d)，(e)と(f)は，それぞれある．つまり，本方法による被覆はマグネシウム合金の耐100℃，200℃，300℃での曲げ試験温度の試料である．(a)，

食性をアルミニウムと同程度まで向上させることを示し(c)，(e)は引張側の接合界面，(b)，(d)，(f)は圧縮側の接合ている．

界面を示している．引張側では写真の上部がアルミニウム，マグネシウム合金押出材の耐食性をより厳しくかつ正下部がマグネシウム合金となっており，圧縮側では上部が確に評価するために，4 日連続で腐食電位測定を行った．

マグネシウム合金，下部がアルミニウムとなっている．

その結果を Fig.7 に示す．本研究で用いたアルミニウムと100℃では室温の時と同様に金属間化合物層に亀裂が入っマグネシウム合金の腐食電位はそれぞれ約−0.7V，約−1.6Vている．また，200℃においても同様に亀裂が観察されたであった．一方，押出材の電位はアルミニウムと同じ約が，100℃の試料より亀裂の数が少なく，300℃まで温度を−0.7V を 4 日以上安定して示している．このことから，本上げると金属間化合物層に亀裂は入っておらず，十分に延マグネシウム合金押出材は健全なアルミニウム被覆を有性を持って曲げられたといえる．また，圧縮側と引張側としていることが分かる．

で比較すると，試験温度 200℃以下のとき圧縮側では金属3・4 押出材の機械的特性間化合物層が約 45°方向にせん断破壊し、隣接する破片室温の曲げ試験片における接合界面の観察結果を Fig.8が重なるように配列しているのに対し，引張側では金属間に示す．これらは曲げ試験における引張側の接合界面であ化合物層の破片の配列は直線的な状態で保たれている．こる．本押出材の基材と被覆層の間には金属間化合物層が形のとき，圧縮側および引張側のいずれにおいても金属間化成していることを Fig.4 で述べたが，破面から離れた位置合物層の破片の間に空隙は観察されず，そこはアルミニウ（Fig.8 (a)）においては化合物層が横割れを起こし，破面ムで埋められている．一方，試験温度 300℃のときには，近傍（Fig.8 (b)）では裂けるような縦割れを起こしている．

いずれの側でも金属間化合物層に亀裂は認められず、引張これらの観察結果から，曲げ変形の初期において金属間化側では直線的に伸び，圧縮側では押されて湾曲している．

合物層が曲げ応力によって横割れを起こし，その後さらにすなわち，このアルミニウム被覆したマグネシウム合金押

曲げ変形が進むとその割れを起点として試験片が曲げ破出材は 300℃以上で塑性加工が可能である．

壊したものと推察される。Fig.8 (b)に見られる縦割れは，ー 38 ー

Fig. 9. Micrographs of intermetallic compound in the samples
Fig. 8. Micrographs of intermetallic compound in theafter bending test at 100oC for (a) and (b), 200oC for (c) andfractured sample: (a) far from the fracture point, (b)(d), 300oC for (e) and (f). Figures (a), (c) and (e) correspondnear the fracture point.

to the tension side, while figures (b), (d) and (f) are thecompression side.

4．結論

参考文献

マグネシウム合金表面にアルミニウム被覆をする方法

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