ISSN0913-0020

The Japan Research and Development Center for Metals

財団法人

金属系材料研究開発センター

2011.7No.297

TODAY

キド・ ワ ー ル ド の 創 成 を 夢 見 て大阪大学クス）」はできないだろうか。マテリアルデザイン的思考に基づいて、このようなことを真面目に考えようとすると、人類が手にすることが出来る最高品質の材料である「半導体を母体として、原子レベルで制御して添加された希土類元素を科学する」ことが必須であることに自然と気づく。
我々は希土類添加半導体を研究対象とし、希土類元素特有の発光機能や磁気機能の究極を追求することは勿論のこと、それらを融合した新機能性を開拓することを目指している。これまでに、産業界で広く用いられている有機金属気相エピタキシャル法により、エルビウム (Er) 原子の最近接格子点に酸素 (O) を２つ配置した Er-2O 発光中心を意図的に形成した Er,O 共添加 GaAs（Er 発光強度が 100 倍程度、増大する）を取り上げ、それを発光層とした電流注入型 1.5 μ m 帯 Er 発光ダイオー
ド (LED) の室温動作に世界に先駆けて成功している。この発光ダイオードは、発光波長が今日の光情報通信帯域に位置するとともに、従来の発光ダイオードに比べて発光波長の温度依存性が 100 倍程度小さいという魅力的な特性を有している。また、最近では、やはり有機金属気相エピタキシャ
ル法を用いて、3 価のイオン状態で赤色発光領域に光学遷移を示す Eu を添加した GaN を発光層に用いた LED を作製し、室温・電流注入下で明瞭な赤色発光を観測することに成功している（図１）。
この赤色 LED の発明により、同一材料による光の三原色発光（青・緑・赤）が揃うこととなり、半導体微細加工技術を生かしたモノリシック型高精
細 LED ディスプレイや LED 照明などへの応用が期待されている。ある講演会で「希土類イオンを、たった 3V 程度の電池を繋いで光らせようとは考えもしなかった」と、希土類材料分野の専門家に声を掛けていただいた。これら一連の発明は希土類添加半導体を中心とした「キド・ワールド」の一例である。
「キド・ワールド」
は無限の可能性を秘めており、萌芽的な日本オリジナルの技術を開花させるためにも、産業界を巻き込んだ組織的な取組み 図１ Eu 添加 GaN をが強く求められる。
用いた赤色 LED大学院 工学研究科教授

藤原 康文「キド・ワールド」は私の造語であり、「希土類元素（レア・アース）がもたらす桃源郷」を意味する。
希土類元素は、その産地が地域的に偏在することから、国策としての戦略的元素となっており、「省レア・アース」、「脱レア・アース」が昨今、流行のキーワードである。しかしながら、希土類元素が持つ素晴らしい機能は捨てがたく、現代社会において不可欠なものとなっている。たとえば、絶縁体に添加された希土類元素の発光特性は良く調べられており、蛍光灯やプラズマ・ディスプレイの蛍光体として広く用いられている。また、そのレーザ発振は光励起下で既に実現されており、イットリウム・アルミニ
ウム・ガーネット (YAG) レーザとして実用化されている。一方、金属に添加された希土類元素はネオジム (Nd) 磁石に代表される強力な永久磁石を産みだし、電気自動車搭載モータへの適用など、重要な要素技術となっている。このように絶縁体や金属に添加された希土類元素は既に実用化され、いろいろな分野で広く使われている。
では、「何を今更、希土類元素を研究対象とするのか」。たとえば、蛍光灯で用いられている代表的な青色蛍光体は、数種類の元素からなる、複雑な組成の母体にユウロピウム (Eu) が添加されたものである。「よくぞ、見つけましたね」と、その開発の過程を聞くと、「勘と経験が頼り」という答えが返ってくる。すなわち、これまでの希土類研究は経験に基づく試行錯誤の形態であり、希土類添加に関する精密制御（添加サイトや周辺局所構造）やエネルギー伝達機構（励起や緩和の機構）の理解によるマテリアルデザイン的思考が欠落しており、十分に希土類元素の特性を活用しているとは言い難いのが現状である。一方、希土類元素自身、優れた機能をいくつも併せ持つにも拘わらず、いずれも発光機能、磁気機能という独立した、単一の機能のみが蛍光体や永久磁石として実用化されている。いくつかの機能を融合した新しい応用、たとえば「光る磁石（発光機能を兼ね備えた新しいスピントロニ1

JRCM REPORT「戦略的基盤技術高度化支援事業～ マグネシウム新成形技術の開発
成果報告
非鉄材料研究部 主席研究員 櫻田 隆

１．はじめに３．開発の目的と製品ターゲット～」

小型化できるため、燃費の向上も期

マグネシウムは、資源量が多く、本研究開発では、SF ６等の防燃ガリサイクルが容易な、超軽量材料スを用いないビレット挿入方式に（密度 1.8g/cm3 以下）として知らよる射出成形技術に、熊大マグネれています。比強度と比剛性が高シウム合金を適用することにより、

本研究開発は、（株）ユニオンパー

いため、重量削減率はスチールの自動車等の構造部材をはじめ、幅広ツ工業、熊本大学、(NPO) 東大環境60％、アルミニウムの 25％に達しい分野へのマグネシウム合金の応マネジメント工学センターが技術ます。また、振動吸収能や、低熱膨用を目指すこととしました。具体的開発の中心となり、JRCM が技術開張率による寸法安定性に加え、切な製品ターゲットとして、複雑形状発の支援を行って進めました。

削性、耐くぼみ性、電磁遮蔽性等、である、自動車用ターボチャージャ

優れた特性を有した合金もあるこのコンプレッサーホイールの成形とから、軽量化等へのニーズを背景に取り組みました。

待できます。
４．実施体制５．熊大マグネシウム合金を用いた射出成形技術の開発に、近年、自動車部品やノートパソ

ターボチャージャは、図１に示

コンや携帯電話等のモバイル機器すようにコンプレッサーホイール、の筐体など、普及が進んでいます。

シャフト、タービンなどから構成

熊大マグネシウム合金は、AZ91Dされています。エンジンの吸気側などの従来のマグネシウム合金とに取り付けられたコンプレッサー比較して、射出成形の際、溶湯時の２．研究開発の背景（１）熊大マグネシウム合金の成形条件の基礎検討

マグネシウム合金は六方晶構造

ホイールは、エンジンの排気ガス粘度が高く流速が遅いため、まず、であるため、室温では底面がすべを受けたタービンと一緒に回転し，試験片により成形条件の基礎検討

りやすく冷間加工性が悪いことかエンジンに圧縮空気を供給します。

を行いました。成形した試験片の表ら、主に熱間加工が用いられていま

10 ～ 20 万 rpm の超高速で回転し、面の “ ヒケ ”、“ 湯ジワ ” などの課題す。工業的には鋳造法の一種、ダかつ、200℃近く温度上昇するため、については、キャビティ内での溶湯イカスト法とチクソモールディン

耐久性、高温クリープ特性、高い寸の暴れをなるべく少なくする観点

グ法が主流ですが、延性に乏しく、法精度が要求されています。現行から、保圧条件やサックバック等を機械的強度も不十分でした。また、の製品は、鋳造アルミ合金を追加工見直す事で改善を図りました。ま

共に溶融状態で成形しているため、して製造していますが、高温で機た、シミュレーションによる検討か組織制御の難しさや、湯流れ性の悪械的強度に優れた熊大マグネシウ

ら、ゲート幅を広げる金型の改善にさ、そして成形板では厚みを薄くム合金に置き換える事ができれば、より、流入速度を低減することで、できない等、成形性の課題があり、慣性モーメントが低減しトルク立内部鋳巣の低減ができることがわ

軽量化による燃費向上を目的としち上がり時間が早くなるため、応答かりました。

た自動車等の構造部材への適用は性能が上がるとともに、エンジンが遅れていました。
一方、高温での機械強度特性に優れた合金として、熊大マグネシウ
ム合金が知られています。熊大マ
グネシム合金は、マグネシウムに遷移金属と希土類金属を添加した合金で、長周期の積層構造を持つ事により、すぐれた強度特性が発現します。既存のチクソモールディング法やホットチャンバー法では、酸化物の巻き込み、気泡欠陥の取り込みから、同合金の潜在的能力を発現させることが困難であることがわかっています。
JRCM NEWS No.297

図１．コンプレッサーホイール ( 左）とターボチャージャの模式図 ( 右）2

（２）コンプレッサーホイールの成形条件の最適化
基礎検討で得られたデータをもとに、６枚羽（長翼３枚＋短翼３枚）のコンプレッサーホイールの試作成形を行いました。羽の先端部の欠けなど新たな課題が顕在化したため、①ノズル径の違いによる影響、②保圧の違いによる影響、③サックバック設定による影響、④冷却時間

図２．コンプレッサーホイールの成形後の温度分布䉮䊮䊒䊧䉾䉰䊷䊖䉟䊷䊦኿಴ㅦᐲ䇭䋭䇭⦟ຠ₸䈱㑐ଥの違いによる影響、⑤射出速度の違㪈㪉㪇いによる影響、の５項目につき詳細な調査を行いました。その結果、

㪈㪇㪇保圧が低い場合、特に長翼に不良がうに、シミュレーション解析から、羽の先端部では成形後の温度低下が最も早いことがわかりました。長㪏㪇⦟ຠ₸䋨䋦䋩

発生することや、図２に示したよ㪍㪇㪋㪇

翼は厚みが薄く、湯流れの観点からも充填が難しい箇所であるため、射出速度の影響を受けやすいことが考えられます。そこで対策として、

㪉㪇㪇㪈㪇㪇㪇㪈㪈㪇㪇㪈㪉㪇㪇㪈㪊㪇㪇㪈㪋㪇㪇㪈㪌㪇㪇㪈㪍㪇㪇㪈㪎㪇㪇኿಴ㅦᐲ䋨䌭䌭䋯䌳䋩ノズル径を小さくするとともに、射図３．射出速度と良品率の関係出条件の見直しを行いました。その結果、図３に示したように、射出速度を上げることよってショート不良が大幅に低減し、羽の寸法も目標

㧞㧠ᣇะࠬ࡜ࠗ࠼࠮ࡦ࠲࡯኿಴ᣇᑼ

値に近づき良品率が向上しました。
溶湯の速度が上がった結果、羽の角部の充填率が向上したものと予想されます。また、保圧条件の改善により重量の向上も見られ、内部鋳巣も低減されたと考えられます。
（３）12 枚羽のコンプレッサーホ
イールの試作
上記では、６枚羽のコンプレッサーホイールの試作成形を行ってきましたが、市場では、さらに多数枚のものが要求されています。そこ
で、複雑形状な製品にも対応する

図４．12 枚羽のコンプレッサーホイール金型ため、12 枚羽仕様の試作にもトライしました。金型設計においては、スライド金型の配置や、金型を開く際の機構にパーティングロック機構を配置するなどの工夫を加えています。図４に金型の写真を、図５に成形した 12 枚羽のコンプレッサーホイールの写真を示しました。
成形精度や量産性に対してはまだ課題がありますが、長翼６枚＋単翼

図５．12 枚羽のコンプレッサーホイール成形試作品

3JRCM NEWS No.297

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６枚の複雑形状にも、ビレット挿入方式の射出成形技術で対応できる

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ことがわかりました。

射出成形によるコンプレッサーホイールの製品化では、量産性や低コスト化の観点から、成形時間も重要になってきます。机上での材料溶解時間短縮の検討と、実際に成形を行って成形時間を確認することにより、サイクルタイムの短縮効果を見積もりました。

䉰䉟䉪䊦䉺䉟䊛䋨䌳䋩（４）成形時間短縮の検討

㪍㪇㪌㪇
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ビレットの溶解時間を短縮する䊎䊧䉾䊃䋲䋰䋰㷄਄᣹ᓟㅌᤨ㑆⍴❗

䌈䌒ൻ䋨ᬌ⸽䋩図６．サイクルタイム短縮化の検討には、充填前にビレットを保温しておく事が効果的であり、最大約 28した Mg-Zn-Gd-Y 系４元合金ビレッ

商用耐熱アルミニウム合金と同等秒の時間短縮が図れることがわか

トを用いて試験片を成形し、機械的以上の降伏強度を持つことがわかりました。さらに、１ショット当た強度を調べました。

りました。

りに使う材料の量を減らすことに

図７に、Mg-Zn-Gd-Y 系４元合金より（HR 化）7.6 秒、冷却速度のまま材（開発合金Ｄ、Ｅ）の室温お改善により 0.5 秒、シリンダ後退時よび高温における降伏強度を、実用成分調整を行った Mg-Zn-Gd-Y 系間の改善により 0.5 秒、の時間短縮

ダイカスト合金と比較して示しま４元合金ビレットを用いた射出成が期待できることも分かりました。

した。室温において、商用マグネシ形により、12 枚羽の複雑形状の自以上の改善により、通常約 70 秒かウム合金より降伏強度が高いこと

動車用ターボチャージーのコンプかっていた成形時間は、トータルが確認できました。特に高温下ではレッサーホイールの成形に成功し33.4 秒となり、目標である “ サイ

強度低下が小さく、商用耐熱アルミました。同材料は、熱処理を行わずクルタイム半分 ” の可能性を見出しニウム合金（ADC12）と比較しても、に、室温および高温下で、商用耐熱ました ( 図６）。

高強度が得られています。

アルミニウム合金と同等以上の降（５）射出成形材の機械的強度
コ ン プ レ ッ サ ー ホ イ ー ル は、６．まとめ

以上、Mg-Zn-Gd-Y 系４元合金ビ

伏強度を持っており、自動車等の構レットを用いた射出成形材は、熱造部材をはじめ、今後、幅広い分野処理を行わずに、室温・高温下で、への応用が期待されます。

200℃の高温状態で高速で回転することから、高温下の優れた機械的特性や疲労強度が要求されます。熊大
マグネシウム合金は、急速粉末凝固材や押し出し材において、高温での優れた機械的特性が確認されていますが、射出成形材の機械的強度の確認と、成分調整によるさらなる特性向上にも取り組みました。
これまでの研究により、Mg-Zn-Y系３元合金に第４元素を微量添加した押し出し成形において、クリープ特性、耐食性等が向上することがわかっています。そこで、成分調整

図７.

The Japan Research and Development Center for Metals

JRCM NEWS ／第 297 号

降伏強度の比較（左：室温、右：473K）

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発行人
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2011 年 7 月 1 日
小紫 正樹
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