平成２３年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

難燃性マグネシウム合金リサイクル材の各種溶解・鋳造条件下における不純物元素及び耐食性-難燃性マグネシウム合金のリサイクルに関する研究―
園田正樹・高橋芳朗・清水慎吾
機械・金属担当

Impurity Elements and Corrosion-Resistance of Recycled Non-combustible Magnesium
Alloy in Several Casting Conditions―Research of Non-combustible Magnesium Alloy Recycling−
Masaki SONODA・Yoshiro TAKAHASHI・Shingo SHIMIZU
Mechanical and Metallurgical Engineering Group

要旨
難燃性マグネシウム合金の燃えにくく取り扱いやすいという特徴を活かし，近年新たな分野へのマグネシウム事業展開が期待されている．しかし，製造コストを低減し，事業展開を円滑に進める上で必要となるリサイクルに関し，本合金に関する知見はほとんど見られない．そこで我々は，平成 22 年度より難燃性マグネシウム合金鋳造材の基盤技術強化策の一つとして本研究に取り組んでいる．本年度は，戻り材を再溶解・鋳造して再生される難燃性マグネシウム合金リサイクル材の耐食性を保つため，不純物元素の鉄，けい素の濃度を低減させる溶解・鋳造技術について調査した．その結果，溶湯保持温度を下げることで溶解るつぼからの鉄混入が抑えられること，新材混合により鉄，けい素を低減させられることがわかり，リサイクル材の耐食性が改善されることがわかった．

1.

はじめに学・研 究機関や西日 本地 域の民 間企業と連携して，難燃マグネシウム合金（以下「Mg 合金」とする．）は，実用構性 Mg 合金の低コスト溶解・鋳造技術の研究開発を進め，造金属材料の中で最も軽く（アルミニウムの約 2/3，鉄の約鋳造 CAE の適用や溶解・鋳造工程における溶湯清浄化1/4 の重さ），比強度，制振性，耐くぼみ性，切削性，電磁技術のノウハウ及び鋳造部材の性質等を把握した．3)〜7)

波遮蔽性，リサイクル性等に優れていることから，携帯電話

しかし，難燃性 Mg 合金鋳造材の製造コストを低減し，事やパソコン等の電子機器の筐体材料として利用され，鉄道業展開を円滑に進める上で必要となるリサイクルに関し，本車 両 ，自 動 車 ，ロボット等 の輸送 機 器 や産 業 機 器の構 造合金に関する知見はほとんど見られない．

材料としても注目されている．しかし，Mg 合金は耐 食性，そこで我々は，平成 22 年度より地場企業における事業

常温塑性加工性等に劣り，燃えやすいという欠点が課題と展開支援を目的とし，難燃性 Mg 合金鋳造材の基盤技術なっている．

強化策の一つとして本研究に取り組んでいる．

一方，難燃性 Mg 合金とは，旧工業技術院九州工業技

昨年度は，戻り材を再溶解・鋳造して再生される難燃性術研究 所（現 独立行 政法 人産業 技術 総合研 究所 九州セMg 合金リサイクル材の材料特性を把握するため，溶解・鋳ンター）で開発された合金で，汎用 Mg 合金にカルシウムを造を繰 り返すことによる同 合 金の化学 成 分や不 純物 元素1〜2mass%以上添加して発火温度を 300〜400K 上昇させの濃度変化について調査した．その結果，溶解・鋳造を繰た合金である

1)．溶解時の防燃用遮蔽ガスとして地球温暖り返しても難燃性 Mg 合金リサイクル材の化学成分に大きな化ガスである六フッ化硫黄を使用せず，大気中で溶解を可変化は見られなかったが，砂型鋳造において，溶解るつぼ能とすることから，環境に優しい Mg 合金として注目されてや鋳型との反 応により鉄，けい素が不 純物として混入するいる．また，燃えにくいという特徴を活かし，社団法 人日本

ことが分かった 8)．鉄，けい素は Mg 合金の耐食性を低下さ

鉄道 車 両機 械 技術 協 会の車両 材 料燃 焼 試験 において，せる不純物元素であり 9) ，良好な耐食性を得るには溶解・「不燃材」の認定も受けていることから，鉄道車両用部材へ鋳造方法の改良が求められる．の適用も検討されている 2) ．

そこで本 年 度 は，溶 解 ・鋳 造 条 件 の違 いによる難 燃 性

我々はこのような特徴を活かし，これまで九州 地域 の大Mg 合金の鉄混入量の変化や，新材混合による難燃性 Mg

31平成２３年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

合金の鉄，けい素の濃度変化，またそれらに伴う耐食性の持時間を経て注湯に至るまでの難燃性 Mg 合金の鉄の濃変化について調査した．

度分析と浸せき試験を行い，溶解・鋳造条件の違いによる鉄混入量及び耐食性の変化を調べた． Table 1 の供試材

2.
2.1

実験方法を溶解し， Fig.1 に示す①〜④の溶融直後，各溶湯保持試料作製

温 度 への到 達 ，温 度 保 持 の各時 点 の溶 湯を銅 製鋳 型 に本研究の供試材として用いた難燃性 Mg 合金（AZX912）注湯して前 述の試料を得 て，鉄 濃度を分析した．ただし，の化学成分を Table 1 に示す．本供試材を約 2kg 秤量し，溶湯と溶解るつぼとの接触 面積を考慮し，鉄混 入 量は(2)ステンレス製るつぼに入 れて高周 波 誘 導溶 解 炉を用いて式から算出した．

大気中で溶解し，内径 40mm×高さ 50mm の銅製鋳型に注⊿C=aw10-6 /(πr2 +(2πr)w103 D-1 (π-1 r-2 ))･･･(2)

湯して試料を得た．

ただし，⊿C：単位接触面積当たりの鉄混入量(g/mm 2 )，

この試料を高さ方 向に半 分の位置で切断し，下 半分はa：(各溶解・鋳造条件の試料の鉄濃度-溶融直後の試料の不 純 物 元 素 の濃 度 分 析 ，上 半 分 は耐 食 性を評 価する浸鉄濃度)(ppm)，w：溶 解重 量(g)，r：溶解 るつぼ内 径(mm)，せき試験に用いた．

D：試料の密度(g/cm 3 )とする．

Table 1 難燃性 Mg 合金（AZX912）の化学成分
化学成分 (mass%)
AlZnMnCaMg

9.20.850.27

1.9

残部

2.2

不純物元素の濃度分析

不純 物元 素の濃度 分析は，前 述の試料 下半 分の切断

Fig.1 溶解・鋳造条件と溶湯採取時点

面中心部から切屑を採取して，鉄濃度は ICP 発光分光分
析法により，けい素濃度はモリブドけい酸吸光光度法によりまた，鋳 造業においては，品質を保つために戻り材に新行った．

材を混合しリサイクル材として使用するのが一般的である．
そこで，不純物元素である鉄，けい素の濃度が高い戻り2.3

浸せき試験材に，Table 1 に示す新材を各比率で混合させたリサイクル

浸せき試験片は，前述の試 料上半 分の切断 面を#1200

材を作製し，鉄，けい素の濃度分析と浸せき試験を行い，相 当のダイヤモンドラッピングフィルムで研磨した後 ，厚さ新 材混 合 による不 純 物 元 素 濃度 及 び耐 食 性の変 化を調5mm の円板となるよう切断し，円板中心が 20mm×20mm のべた．Table 2 に示す新材及び戻り材を Table 3 に示す比試験面の中心となるよう他の部分を保護テープで被覆して率で混合させて溶解し，903K で 10 分間保持した後，銅製作製した．浸せき試験は，温度 35℃湿度 50%の恒温恒湿鋳型に注湯して前述の試料を得た．

槽内にて，5%塩水中に試験片を 72 時間浸せきすることにより行った．試験後の評価については腐食速度，外観観察

Table 2 新材及び戻り材の鉄とけい素濃度により行った．腐食速度は(1)式から算出した 10) ．
R=8.76×104 W/(TAD)・・・(1)ただし，R:腐食速度(mm/y)，W：（腐食試験前の試 験片Fe (ppm)

Si (ppm)

新材

8255

戻り材

911440

質 量 −腐 食 試 験 後 の試 験 片 質量 ）(g)，T：試 験 時 間(h)，A：試験面面積(cm 2 )，D:試験片の密度(g/cm 3 )とする．
2.4

Table 3 リサイクル材中の新材混合比
新材混合比

各 種 条 件 下 における不 純 物 元 素 及 び耐 食 性 の0%変化
溶融状態における難燃性 Mg 合金とステンレス製るつぼ

25%

3.との界面反応により鉄が混入すると考えられることから 8 ） ，

3.1

溶 湯 保 持 温 度 や保 持 時 間 の違 いにより鉄 混 入 量 及び耐50%

75%100%

実験結果及び考察

溶解・鋳 造条件の違いによる鉄混入量及び耐 食性の変化

食性に変化が起こると考えられる．

難燃性 Mg 合金(AZX912)の鉄混入量と溶湯保持温度，そこで，溶融してから溶湯保持温度に到達し，一定の保32平成２３年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

保 持 時 間 との関 係 を Fig.2 に示 す．本 結 果 より，903K，953K，1003K それぞれの溶湯保持温度に達した時点での鉄混入量に大きな差は見られないが，953K と 1003K では保持時間の増加に伴い鉄混入量が増加し，その増加率は1003K の方が大きいことが確認された．一方，903Ｋにおいては保持時間の増加に伴う鉄混入量の増加はみられなか

Fig.4 各溶湯保持温度における保持時間 0 分の浸せき試った．

験片の腐食状態（(左）903K，（中）953K，（右）1003K)

Fig.2 難燃性 Mg 合金(AZX912)の鉄混入量と溶湯保持温度，保持時間との関係

Fig.5 難燃性 Mg 合金（AZX912）の腐食領域と溶湯保持温度，保持時間との関係

難燃性 Mg 合金(AZX912)の腐食速度と溶湯保持温度，保持時間との関係を Fig.3 に示す．本結果より，保持時間

これらの結果より，難燃性 Mg 合金の耐食性低下を防ぐ

0 分において 1003K の腐食速度は 953K のそれよりも低いには鉄混入量を抑える必要があり，その方法の１つが溶湯値を示したが，保持時間の増加に伴い 903K，953K のそれ保持温度を 903K 程度の低い温度に保つことであることがよりも大幅な増加を示すことが確認された．

わかった．しかし，溶湯保持温度 903K における難燃性 Mg

また，各溶湯保持温度における保持時間 0 分の浸せき合金（AZX912）溶湯の流動性は 1003K のそれと比較すると試験片の腐食状態を Fig.4 に示す．本結果より，溶湯保持著しく低下するため 5) ，溶湯保持温度を低く抑える方法で温度が高いほど腐食領域が広いことが確認された．

は薄肉 部 品等の鋳 造には適さないことが考えられる．した

さらに，難燃性 Mg 合金（AZX912）の腐食領域と溶湯保がって，溶 解 るつぼの材 質 変 更 等 により，溶 湯 保 持 温 度

持温度，保持時間との関係を Fig.5 に示す．ただし，腐食1003K における鉄混入量の抑制方法を開発することが今

領域は，画像解析ソフトを用いて，各試験片の試験面積に後の課題である．

占める面積率であらわした．本結果より，953K，1003K と比較して，903K の保持時間の増加に伴う腐食領域の増加は3.2僅かであることが確認された．

新 材 混 合 比 による不 純 物 元 素 及 び耐 食 性 の 変化

戻り材に新材を混合したリサイクル材の鉄，けい素 の濃度分析を行い，新材混合比の違いによる不純物元素の濃度変 化を調べた．リサイクル材の鉄，けい素の濃 度と新材混合比との関係を Fig.6 に示す．本結果より，けい素については 新 材 混 合 比 に 応 じ た濃 度 低 下 が 確 認 さ れた．一方，鉄については新材混合比を上回る濃度低下が確認された．

Fig.3 難燃性 Mg 合金(AZX912)の腐食速度と溶湯保持温度，保持時間との関係33

平成２３年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

Fig.9

リサイクル材の腐食速度と新材混合比との関係

Fig.6 リサイクル材の鉄，けい素の濃度と新材混合比との関係

汎用 Mg 合金溶湯を約 923K で保持しておくと，合金中の鉄は合金成分のマンガン及びアルミニウムと金属間化合

また，リサイクル材の浸 せき試 験 片の腐 食状 態を Fig.7

物を生成し，るつぼ底部に分離沈殿する． 9) 本研究においに，リサイクル材の腐食領域と新材混合比との関係を Fig.8て，新 材 混 合 比 を 上 回 る 鉄 の 濃 度 低 下 が 確 認 さ れたのに示す．本結果より，新材を 75%混合させたリサイクル材のは，質量による希釈に加えて，マンガン及びアルミニウムと大幅な腐食領域の減少が確認された．の金 属 間 化 合物 となって分 離 沈殿した可 能 性も考えられ

さらに，リサイクル材 の腐 食 速度と新 材混 合 比との関係る．しかし，難燃性 Mg 合金にはカルシウムが添加されておを Fig.9 に示す．本結果より，新材 25%の混合で大幅な腐り，汎用 Mg 合金と同じ金属間化合物が沈殿するかは確認

食速度の低下と，それ以上の新材混合で緩やかな腐食速されていない．したがって，難燃性 Mg 合金溶湯を 903K で度の低下が確認された．

保持した際の金 属 間化 合 物としての沈 殿の有 無，その沈殿物の生成・分 離によるリサイクル材の化学 成分変化と機械的強度の変化を把握することが今後の課題である．

4.

まとめ

ステンレス製るつぼを用いて難燃性 Mg 合金を溶解・鋳造した際の溶 解・鋳 造条 件の違いによる合 金の鉄混 入量の変化や，新材混合による鉄，けい素の濃度変化，またそれらに伴 う耐 食 性 の変 化について調 査し，以 下 の結 果 が得られた．
1) 溶湯保持温度 903K では，保持時間の増加に伴う難燃性 Mg 合金 （AZX912）の鉄 混入 量の増 加はみられな
Fig.7 リサイクル材の浸せき試験片の腐食状態

い．

（左上から新材混合比 0%，25%，50%，75%，100％）

2) 溶湯保持温度 953K，1003K では，保持時間の増加に伴って難燃性 Mg 合金（AZX912）の鉄混入量は増加
し，その増加率は 1003K の方が大きい．
3) 難燃性 Mg 合金（AZX912）は．鉄混入量が増加すると腐食しやすくなる傾向がある．
4) 難燃性 Mg 合金（AZX912）中のけい素は新材混合比に応じて濃度を希釈できる．
5) 難燃性 Mg 合金（AZX912）中の鉄は，新材混合比を上回る濃度低下が期待できる．

追記
Fig.8 リサイクル材の腐食領域と新材混合比との関係

本 研 究 で使 用 した高 周 波 誘 導 溶 解 炉 (FTH-30-3M)と34

平成２３年度 研究報告 大分県産業科学技術センター

金属顕微鏡(LV-100)は，財団法人 JKA の補助金を受けてび塗型の影響，平成 19 年度大分県産業科学技術セン設置したものである．

ター研究報告(6) 園田正樹，高橋芳朗，宮原広郁：難燃性マグネシウ

参考文献

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ム合金鋳造材の材料特性：平成 21 年度大分県産業科

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学技術センター研究報告(3) 園田正樹，吉松研一，瀬戸一郎：コンピュータシミュ(8) 園田正樹，高橋芳朗，清水慎吾：難燃性マグネシウ

レーション解 析を利 用した難 燃 性 マグネシウム合 金 のム合金リサイクル材の材料特性：平成 22 年度大分県産砂型鋳造への適用に関する研究，平成 17 年度大分県業科学技術センター研究報告

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ュータシミュレーション解 析を利用した難 燃 性マグネシ(10) マグネシウム及びマグネシウム合 金 のアルカリ性 塩ウム合金の砂型鋳造への適用に関する研究，平成 18

水腐食試験方法：日本工業規格，JIS H 0541（2003），

年度大分県産業科学技術センター研究報告

P2(5) 園 田 正 樹 ，高 橋 芳 朗 ，重 光 和 夫 ，吉 松 研 一 ：難 燃性 マグネシウム合 金 の流 動 性 に及 ぼす鋳 込 温 度およ35