28愛知県産業技術研究所 研究報告2009●───────────────────────────────────────────────

研究論文

マグネシウム合金切削屑を用いた多孔質金属の開発
長田

貢一＊１、彦坂武夫＊２

Development of Porous Magnesium Alloy Recycled from Machined Chips
Koichi OSADA * 1 and Takeo HIKOSAKA * 2
Industrial Technology division, AITEC * 1 * 2
A Z 9 1 D マ グ ネ シ ウ ム 合 金 お よ び A Z X 9 11 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 機 械 加 工 に よ っ て 発 生 す る 切
削屑を原材料として、プリカーサ法による多孔質マグネシウム合金の作製方法を検討した。
特 に A Z X 9 11 マ グ ネ シ ウ ム 合 金 の 発 泡 方 法 と し て ガ ス バ ー ナ 加 熱 を 適 用 し た と こ ろ 、 マ グ ネ
シ ウ ム や AZ91D マ グ ネ シ ウ ム 合 金 で は 発 火 と 激 し い 燃 焼 の た め 不 可 能 で あ っ た 大 気 中 で の 発泡が可能であることを見い出した。気孔率は、発泡後の試料を大気中での自然放冷すると最大 で 6 3 %（ 密 度 0 . 6 7 M g / m 3 ）で あ り 、ま た 、水 中 急 冷 を 施 す こ と で 最 大 9 0 %（ 密 度 0 . 1 9 M g / m 3 ）
であった。

１.

はじめに世界的規模の環境破壊や、石油資源の枯渇や価格高騰、

３）を用いて多孔質マグネシウム合金を作製する方法を検討した。

CO2 削減および省エネルギーに対する社会的要請が高ま２.実験方法

る中、輸送機器および産業機械の高機能化が求められている。その対策として製品の構成部品には、軽量で高剛2.１ 切削屑の調製性な材料開発が重要課題とされている。マグネシウム合

本実験に用いた原材料は、AZ91D マグネシウム合金に金は比重がアルミニウム合金の約 2/3 と軽量であり、実1mass%Ca を添加した難燃合金 AZX911 マグネシウム合金で用合金中最軽量な金属材料として電子機器の筐体などをある。金型鋳造によって AZX911 マグネシウム合金をφ60中心に利用が進んでいる。輸送機器などの部品は、今後、×240mm の円筒形に鋳造したものをφ20mm までドラ軽量化による環境対策を重点に省エネルギーおよび高性イ旋削加工して切削屑を作製した。旋削屑は 1m を超え能化を図るため、マグネシウム合金の使用は増加する傾る長尺ものを含んでいるため、㈱品川製作所製撹拌混練向にある。その結果、マグネシウム合金ダイカスト製品

装置にて自転回転数 300rpm、20min 間の条件で短尺化の増加と共に機械加工により発生する切削屑は、年々増処理した（以下チップ状屑と呼ぶ）。この短尺化したチッ加している。この切削屑は、ドライ加工すると加工入熱プ状屑を遊星ボールミル装置により、表１に示す条件でによって発火の危険性がある。切削屑は非常に燃え易く微細化した。

容易に消火できないことや、不適切な貯蔵状態でも自然発火の恐れがあるなど、取り扱いが困難であり、その多くは燃焼廃棄されるなど有効なリサイクル技術の確立が必要とされている。
一方、金属材料の高機能化は、これまで合金化や塑性加工・熱処理などを用いた組織制御によって行われてきたが、多孔質構造を意図的に造り込むことで軽量、吸音、衝撃吸収などの新たな機能が発現するため、自動車衝突時の安全を確保するための衝撃吸収材や土木・建築用の吸音ボードなどの利用に向け様々な研究が試みられている 1)。
本研究では、マグネシウム合金の利用増加に伴って発生する切削屑を活用し、塑性加工によるプリカーサ法 ２ )表１ AZX911 マグネシウム合金の微細化条件○使用機器 ：伊藤製作所製 遊星ボールミル LP-1
○処理量：100ｇ/バッチ○公転回転数：450rpm○処理時間 ：20min○使用ボール ・Φ20mm 鋼球：１２個(388g) ・Φ10mm
鋼球：49 個(199g)○0.6mm 篩いを通過
表２AZ91D マグネシウム合金の化学組成(mass%)

AlZn

Mn

SiCu

Ni

Fe

Mg

9.22

0.71

0.21

0.03

0.0012

0.002

0.003

Bal.

比較試料として AZ91D マグネシウム合金のインゴットを金鋸盤で切断加工し、その時発生した切削屑を用いた。
今回使用した AZ91D マグネシウム合金の化学組成を表２に示す。

＊

1 工業技術部

加工技術室＊

2 工業技術部（現企画連携部）

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サ中の TiH2 の分散状態を調べるため、光学顕微鏡で組2.2 プリカーサ法による多孔質マグネシウム合金の作製
図１に、プリカーサ法による多孔質マグネシウム合金織観察した。の作製方法の概要を示す。マグネシウム合金粉末 125gと発泡剤の水素化チタン(TiH2、粒度 45μm)粉末 2.5g を３.実験結果および考察

混 合 撹 拌 し た 後 、 φ 60mm 金 型 に 所 定 量 を 充 填 し φ

3.1 切削屑の調製とプリカーサの作製

60mm パンチにより荷重 430kN で 0.5min 間加圧して成図２(a)にボールミル処理した AZX911 マグネシウム形体を得た。2 個の成形体を 1 ビレットとして、加工力合金粉、図２(b)に金鋸盤での AZ91D マグネシウム合金5GN の熱間押出加工装置を用いて、コンテナ温度 330℃、切削屑、図２(c)に発泡剤(TiH2) の SEM 写真を示す。

押出比 1/56 の条件でφ8mm の押出し材を作製し、プリ図２(a)のボ－ルミル処理した AZX911 マグネシウム合カーサとした。プリカーサは長さ 10mm に切断し、SF6金粉は、切削方向に垂直な方向に細長い矩形状である。

ガス 6mＬ/min および CO2 ガス 2L/min を混合した防燃

切削方向に多数の線状痕が生じ破断しやすいが、ボールガス雰囲気のマッフル炉中で加熱温度 470～720℃、加ミル装置の衝撃力により、切削方向に垂直な方向にも短熱時間 1～30min の条件で発泡させた。マッフル炉によ尺化が図られた。

る加熱の方法としては予め炉を所定の温度に加熱してお次に、このチップ状屑の圧粉固化の検討を行った。一き、そこにプリカーサを装入して所定時間後に取り出し、回の処理量を 1/2、1/4 に減量して、圧縮荷重 900kN、10mm 厚の銅板に乗せ空冷した。

短尺化処理時間を 60min としてより一層微細化を図っ

2.3 ガスバーナによる発泡ても、圧粉固化は不可能であった。そこで、チップ状屑

従来の発泡方法は、図１④(加熱発泡)に示すマッフルについては、遊星ボールミルを用いて表１の条件でさら炉などのヒータを用いたり 2)、高周波誘導加熱 3)などによりプリカーサを加熱する方法が多く用いられてきた。

(a)

(b)

(c)

マグネシウム合金は一般に発火温度が低く、条件によっては融点以下の温度で発火する。しかし、AZX911 マグネシウム合金は、液相線が 590℃付近であるのに対し発0.5mm0.5mm0.1mm

火点が 700℃以上であるため、容易には発火しない。そ図２

こで、最高火炎温度 1500℃、ガス消費量 100g/h のアウ(a) AZX911 マグネシウム合金

トドア用トーチバーナ(イワタニ・プリムス㈱製ム合金

TB-72)を用いて大気中でプリカーサを急加熱した。加熱に微細化し、１バッチ 125g の粉砕量をアルミ箔に包ん

時間と発泡状況の観察のため、加熱状態のプリカーサをだ状態にして固化した。このとき、微細化度合いの判定

デジタルカメラで動画観察した。動画画面への投影面積基準を 0.6mm アンダーとすると、表１の条件の処理で（初期の投影面積）を S0 とし、加熱してから所定時間は 95%以上の微細化が図られた。一方、AZ91D マグネt(s)経過した後の動画画面への投影面積を S(t)とする。比シウム合金の金鋸盤による切削屑では、図２(b)に示すよ

投影面積 Sn(t)を次のように定義し、発泡状態の指標とうに図２(a)のボールミル処理した粉末とほぼ粒径が同3）した 。

原材料の SEM 写真(b) AZ91D マグネシウ(c) 発泡剤（TiH2）

じでも、形態がかぎ状の構造であるため互いに絡み合うSn(t)＝S(t)／S0効果により成形できた。成形は、1 バッチ 125g とし 、430kN で 0.5min 間の加圧条件で行い、また、AZX911

2.4 組織観察
ボールミル処理した各マグネシウム合金切削屑およ同様アルミ箔によるラッピング処理により切削屑が解れび TiH2 の形状を SEM により観察した。また、プリカーて散逸することや、直接大気と接することを防止した。

①原料の混合②圧粉成形

発泡剤(TiH2)
マグネシウム合金③熱間押出し（プリカーサ作製）

コ ン テ ナ 温 度 ： ３ ３ ０ ℃ 加 工 力 ： 5GN
430kN 0.5min加圧
図１

押出比1/56

プリカーサ法による多孔質マグネシウム合金の作製

④加熱発泡

30
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図３は、上記方法により AZX911 マグネシウム合金切たが、いずれも同様の結果を示した。

削屑をφ60mm 高さ約 30mm に圧粉成形したプリカー
600

サ作製用の成形体を示す。外周は、アルミ箔によりラッピングされ、破れずに成形体の表面を強固に形成し、かつ、崩れやすい微粉末の散逸防止効果があった。図３の500成形体を 2 個重ねてさらにアルミ箔で包み１ビレット

液相線 590 ℃(φ60×60mm)とした。
プリカーサの温度（℃）

このビレットから、熱間押出し加工で供試材のプリカーサを作製した。図４に、(a)プリカーサの外観、(b)押出方向に垂直なプリカーサの断面組織、(c)押出方向にプリカーサの断面組織を示す。図４(c)では、押出方向には局所的に TiH2 が配向する傾向があるが、押出方向に垂直な断面では、図４(b)に示すように均一に分布していた。

400
固相線 460 ℃
300
１min
200
シールドガスCO2 : 2 L/min：２ L/minCOSF26 : 6 mL/min

1000

図３ プリカーサ作製用成形体(AZX911 マグネシウム合金)

加熱時間(min) →(a)(b図５プリカーサの加熱時間と温度の関係(AZ91D マグネシウム合金)

次に、ガスバーナによる発泡方法を試みた。その結果、押出方向

500 μ

AZ91D マグネシウム合金のプリカーサは容易に燃焼したのに対し、AZX911 マグネシウム合金のプリカーサは、(c)燃焼せず発泡させることができた。さらに、AZX911 マグネシウム合金プリカーサを円筒金型に挿入しての発泡成形性を検討した。多孔質体の作製例を図６に示す。こ500 μ図４

プリカーサの外観およびプリカーサ断面組織(a)プリカーサ外観(φ8mm)の組織の多孔質体の密度は 0.67Mg/m3 であり、気孔率は 63%(b)押出方向に垂直な断面(c)押出し方向に平行な断面の組織（AZX911 マグネシウム合金）

3.2 プリカーサ発泡方法であった。図６(a)は、円筒形鋼製金型にプリカーサ 2 個を挿入した様子を示し、図６(b)はそれをバーナ加熱し発泡した状況を示し、図６(c)では作製した多孔質体(気孔率63%)を示す。図６(b)ではプリカーサのつなぎ目が観察されたが、強固に接合され、金型への充填成形の可能性

AZ91D マグネシウム合金プリカーサは、防燃ガス雰囲を見い出した。このことは、大気中でガス溶接のように気のマッフル炉中で、750℃まで加熱しても燃焼するこ多孔質体を簡易に成形できることを見い出した。真空加となく発泡させることができたが 2)、大気中の加熱では熱炉やマッフル炉にシールドガスを導入するといった設燃焼した。図５に、600℃のマッフル炉にプリカーサに備を必要としないために、また、AZX911 マグネシウム熱電対を挿入して加熱したときの、プリカーサの加熱時合金切削屑を用いることでプリカーサの発泡性の向上が間と温度の関係を示す。約 3min で所定温度の 600℃に達した。このとき、AZ91D マグネシウム合金の固相線の(a)(b)

金型内にプリカーサをセット

バーナ加熱により発泡(c)460℃および液相線の 590℃に相当する吸熱反応による温度上昇の停留箇所がみられた。この場合の気孔率は、加熱温度・加熱時間を種々変えても気孔率が 45%前後であった 2)。同様に 2、10mass%TiH2 添加の AZ91D マグネシウム合金および 5mass%TiH2 添加 AZX911 マグネシ
ウム合金の 3 種のプリカーサを対象に発泡方法を検討し

図６

発泡体と金型多孔質体作製例(AZX911 マグネシウム合金)●31───────────────────────────────────────────────
図られ、簡単に多孔質金属が得られると考えられる。

本実験では十分な気孔を生成できる発泡剤を添加してなお、本方法による加熱時間と発泡状況の関係を調べいるにもかかわらず、平均気孔率が 40%程度であり、最た。図７は、ガスバーナによるプリカーサの加熱時間と大でも 63%と少なかったことは、気孔隔壁の破断による発泡状況を、比投影面積と加熱時間の関係を示す。加熱連通孔の連続発生によって、発泡剤から解離した水素ガを始めてから既に 10s 後には図７の矢印に示すように発スが発泡に寄与することなく外気に放散したと考えられ泡を開始し、21s 後には比投影面積が 1.68 と極大となっる。また、その際、図 4(c)から分かるように押出し方向ている。すなわち、マッフル炉での加熱が所定の温度に発泡剤が直線的に密に並んでいることが発泡による気600℃に達するまで約 3min であるのに対し、1/10 発泡孔を連続的に繋げ、発泡した水素ガスを有効に利用できに要する時間が短縮されているのがわかる。図８に、ガない原因の１つと考えられる。
なお、今回の実験では発泡後の試料は大気中放冷状態す。独立気孔であるものもいくつか存在し、図中矢印でであったが、一層の発泡率の向上を図るため、水中投入示した２つの気孔は断面部では分断されているが、そのによる急冷を行った。加熱発泡中のプリカーサをすぐさ奥でつながっており、元々独立気孔であったものが発泡ま水中に投じたところ、瞬時に気孔率が増大し、気孔率過程の進行段階で互いの隔壁が気泡の膨張力に耐えられ90%（0.19Mg/m3）の多孔質体が得られた。そのため、ずに破断して連通孔となったと考えられる。

高気孔率の多孔質体の作製を可能にする新たな要因が存

比投影面積(Sn(t))

スバーナによる多孔質マグネシウム合金の断面組織を示在すると考えられ、今後の課題としたい。

1.801.60
1.40
1.20
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
0.00

４.結び
AZX911 マグネシウム合金の切削屑を原料とするプリカーサ法による多孔質材料の作製方法を検討した結果、次のことが明らかとなった。
(1)旋削屑を用いて遊星ボールミルによる微細化、圧粉成

発泡開始

形および緻密化などの処理を行った結果、高密度なプリカーサが作製できた。

0102030

加熱時間（t/s）
図７(2) プ リ カ ー サ の ガ ス バ ー ナ 加 熱 に よ り 最 大 で 気 孔 率63%の多孔質体が作製できた。また、複数個プリカーサの発泡による金型充填成形の可能性を確認できた。

ガスバーナ加熱におけるプリカーサの発泡状況(AZX911 マグネシウム合金)(3)ガスバーナ加熱による発泡方法は、大気中での発泡が可能であり、マッフル炉での加熱に比べ約 10 倍の急加熱処理が図られた。

5mm(4)加熱処理後、直ちに水中急冷することで気孔率 90%以上の発泡体が作製できた。

謝辞
本研究を遂行するにあたり、助成を頂きました財団法人

天田金属加工機械技術振興財団に深く感謝いたします。

文献1） 西誠治，槙井浩一，有賀康博，濱田猛，内藤純也，
三好鉄二：Ｒ＆Ｄ神鋼製鋼技報，54(1)，89(2004)
2） 謝振凱，池田輝之，奥田良行，中島英雄：日本金属学会誌,67(11),708(2003)
3） 長田貢一，彦坂武夫，濱口裕昭：愛知県産業技術研
究所研究報告，7，48 (2008)
図８ 多孔質 AZX911 マグネシウム合金(気孔率 55%)

4） 小 橋 眞 ， 前 原 一 仁 ， 金 武 直 幸 ： 軽 金 属 ， 59(5) ，261(2009)