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公開番号2025105513
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-10
出願番号2024219555
出願日2024-12-16
発明の名称Mg基複合材とその製造方法および摺動部材
出願人国立研究開発法人物質・材料研究機構,学校法人同志社
代理人個人
主分類C22C 1/05 20230101AFI20250703BHJP(冶金;鉄または非鉄合金;合金の処理または非鉄金属の処理)
要約【課題】母相への粒子分散による優れた強度特性を有し、かつ高い摩擦摩耗特性を有するMg基複合材とその製造方法および摺動部材を提供する。
【解決手段】本発明のMg基複合材は、粒子分散型のMg基複合材であって、Mg基複合材の金属組織において平均径0.05μm以上の二酸化チタンの粒子と任意的な酸化物または窒化物の粒子がMg母相中に分散し、純マグネシウムの強度特性が維持されるとともに、摩擦摩耗を受ける部分の摩擦係数が純マグネシウムよりも低いことにより、純マグネシウムよりも優れた摩擦摩耗特性を示す。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
粒子分散型のＭｇ基複合材であって、
前記Ｍｇ基複合材の金属組織において平均径０．０５μｍ以上の二酸化チタンの粒子と任意的な酸化物または窒化物の粒子がＭｇ母相中に分散し、
摩擦摩耗を受ける部分の摩擦係数が純マグネシウムよりも低く、
前記摩擦摩耗はボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験であって、前記乾式摩擦摩耗試験による試験開始から１０秒以内に得られる、摺動面の摩擦摩耗を受けた部分の摩擦係数が０．２０未満であり、
前記ボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験は、前記Ｍｇ基複合材のＭｇ基押出複合材を押出方向に対して垂直方向に切断したディスク面を測定面とし、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる直径４．７ｍｍのボールを用いて、ディスク中心からの回転半径０．３ｍｍ、付加加重０．５Ｎ、線速度０．１～１．０ｍｍ／ｓ、摺動距離１０００ｍｍ以上の条件にて、乾式摩擦摩耗試験を実施するものであり、
前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズが２００μｍ以下であるＭｇ基複合材。
続きを表示（約 1,900 文字）【請求項２】
粒子分散型のＭｇ基複合材であって、
前記Ｍｇ基複合材の金属組織において平均径０．０５μｍ以上の二酸化チタンの粒子と任意的な酸化物または窒化物の粒子がＭｇ母相中に分散し、
摩擦摩耗を受ける部分の摩擦係数が純マグネシウムよりも低く、
前記摩擦摩耗はボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験であって、前記乾式摩擦摩耗試験による試験開始から１０秒以内に得られる、摺動面の摩擦摩耗を受けた部分の摩擦係数が０．２０未満であり、
前記ボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験は、前記Ｍｇ基複合材のＭｇ基押出複合材を押出方向に対して垂直方向に切断したディスク面を測定面とし、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる直径４．７ｍｍのボールを用いて、ディスク中心からの回転半径０．３ｍｍ、付加加重０．５Ｎ、線速度０．１～１．０ｍｍ／ｓ、摺動距離１０００ｍｍ以上の条件にて、乾式摩擦摩耗試験を実施するものであり、
前記二酸化チタンの粒子の平均径と前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズとの比が１：４～１：１０の範囲内であり、前記任意的な酸化物または窒化物の粒子の平均径と前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズとの比が１：４～１：１０の範囲内である、Ｍｇ基複合材。
【請求項３】
前記Ｍｇ母相の結晶粒サイズが２００μｍ以下である請求項２記載のＭｇ基複合材。
【請求項４】
前記二酸化チタンの粒子と任意的な酸化物または窒化物の粒子の合計含有率が６５質量％未満である請求項１～３のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材。
【請求項５】
前記任意的な酸化物または窒化物が、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣｕＯ、ＭｎＯ
２
、Ｓｉ
３
Ｎ
４
、ＳｉＯ
２
またはＹ
２
Ｏ
３
である、請求項１～４のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材。
【請求項６】
請求項１～５のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材を含む摺動部材であって、
前記Ｍｇ基複合材からなる摺動面を有し、
前記摺動面は摩擦摩耗を受ける部分の摩擦係数が純マグネシウムよりも低く、
前記摩擦摩耗はボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験であって、前記乾式摩擦摩耗試験による試験開始から１０秒以内に得られる、前記摺動面の摩擦摩耗を受けた部分の摩擦係数が０．２０未満であり、
前記ボールオンディスク式摩耗試験機による乾式摩擦摩耗試験は、前記Ｍｇ基複合材のＭｇ基押出複合材を押出方向に対して垂直方向に切断したディスク面を測定面とし、高炭素クロム軸受鋼（ＳＵＪ２）からなる直径４．７ｍｍのボールを用いて、ディスク中心からの回転半径０．３ｍｍ、付加加重０．５Ｎ、線速度０．１～１．０ｍｍ／ｓ、摺動距離１０００ｍｍ以上の条件にて、乾式摩擦摩耗試験を実施するものである摺動部材。
【請求項７】
請求項１～５のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材の製造方法であって、
Ｍｇ粉末またはＭｇ合金粉末と、平均径０．０５μｍ以上の二酸化チタンの粉末と、任意的に、平均径０．０５μｍ以上の酸化物または窒化物の粉末を含有する混合粉末をビレット内に充填、封入する工程、および
前記混合粉末を充填、封入した前記ビレットに、５０℃以上、５５０℃以下の温度で断面減少率５０％以上の温間または熱間ひずみ付与加工を施す工程を含むＭｇ基複合材の製造方法。
【請求項８】
前記混合粉末における前記二酸化チタンの粉末と任意的な酸化物または窒化物の粉末の合計含有率が、前記Ｍｇ粉末またはＭｇ合金粉末と前記二酸化チタンの粉末との合計量に対して６５質量％未満である請求項７に記載のＭｇ基複合材の製造方法。
【請求項９】
前記任意的な酸化物または窒化物が、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣｕＯ、ＭｎＯ
２
、Ｓｉ
３
Ｎ
４
、ＳｉＯ
２
またはＹ
２
Ｏ
３
である、請求項７または８に記載のＭｇ基複合材の製造方法。
【請求項１０】
前記温間または熱間ひずみ付与加工が、押出加工、鍛造加工、圧延加工、または引抜加工である請求項７～９のいずれか一項に記載のＭｇ基複合材の製造方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｍｇ基複合材とその製造方法および摺動部材に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
マグネシウム（Ｍｇ）は、地中埋蔵量が豊富で、実用金属材料で最軽量であることから、自動車をはじめとする移動用構造部材への適用が盛んに検討されている。一方で、部材として使用した場合、他部位と接触することは避けられず、強度および摩擦摩耗特性に優れたＭｇおよびＭｇ合金の開発が必要とされている。一般的に、金属材料の高強度化は、結晶粒サイズの微細化が有効な手段であり、ＭｇおよびＭｇ合金に対しても同様の効果が発揮される。しかし、ＭｇおよびＭｇ合金の結晶粒サイズの微細化は、摩擦摩耗特性を改善させる手段としては有効でないことが知られている(非特許文献１)。Ｍｇの大きな粒界拡散係数に起因し、容易に粒界すべりが起こるため、結晶粒サイズの微細化にともない、粒界体積率が増加し、粒界すべりが促進され、摩擦摩耗時に加工軟化が起こる。そのため、ＭｇおよびＭｇ合金の摩擦摩耗特性を維持し、更に向上するためには、母相の結晶粒サイズの粗大化が好ましいが、これにより強度特性の劣化が問題となる。
【０００３】
結晶粒サイズの微細化以外に、素材を高強度化するために、母相への粒子分散がよく用いられている。なかでも、金属材料の場合、母相から析出または晶出した金属間化合物を分散させることが、高強度化に有効である。また、母相への粒子分散は、粒界すべりを抑制する効果もある。本発明者らにより発明された、球状または鋭角な角を持たない金属間化合物がＭｇ母相内に分散した、摩擦特性に優れたＭｇ合金が特許文献１に開示されている。Ｍｇ母相に金属間化合物を分散させることは、強度を向上させるためにも有効な手段であるが、特許文献１では、Ｍｇ合金を製造する過程で鋳造材から金属間化合物を析出および晶出させているため、Ｍｇ母相の結晶粒サイズが粗大であり、更なる高強度化が望まれる。
【０００４】
金属材料の場合、析出や晶出した金属間化合物の分散だけではなく、金属に固溶しない物質や素材からなる粒子（例えば、黒鉛やセラミックスなど）を母相に分散させる、すなわち、複合化も、強度改善に有効な手法である。しかし、Ｍｇは、複合化を目的とする添加粒子との濡れ性が極めて乏しいため、鋳造法によって複合化素材を創製することができない。そのため、特許文献２、３に開示されているように、メカニカルアロイング法や、ひずみ付与行程を数十回以上必要とする繰返しせん断ひずみ付与法などを用いて、Ｍｇ粉末と添加粉末を固化し、Ｍｇ基複合材を創製しているが、いずれの手法も複雑で数多くの作業工程を要するため、素材コストの高騰が避けられない。
【０００５】
一方で、素材自身の強度特性を維持し、摩擦摩耗特性を改善するために、Ｍｇ合金の表面層の改質が知られている。特許文献４には、Ｍｇ合金の表面に陽極酸化処理によって表面改質構造を形成し、この表面改質構造に固体潤滑剤である二硫化モリブデンを含浸させることが、Ｍｇの摩擦摩耗特性の改善に有効な手法として開示されている。この手法は、Ｍｇ母相の結晶粒サイズに依存せず、表面層のみの改質であるため、強度特性を維持することが可能である。しかし、素材使用時に、追加工程として陽極酸化処理を実施する必要があるため、コストの高騰が懸念される。
【０００６】
本発明者らは、特許文献５に開示するように、より簡便な創製法に着目し、ＳｉＣ粉末とＭｇ粉末を混合し、温間および熱間加工によりＭｇ基複合材を創製している。これらの複合材では、ＳｉＣ粒子がＭｇ母相中に分散し、優れた強度特性を維持しながら、摩擦摩耗を受けた際に、この摩擦摩耗を受けた部分にＳｉＣ粒子が再凝集して自己被膜形成能を示すことが見いだされている。なお、本明細書では、母相中に特定の粒子が分散した素材を、「粒子分散型」とも称し、当該粒子を「分散粒子」とも称する。
【０００７】
Ｍｇ基複合材の更なる特性の改質や汎用性を指向する場合、Ｍｇ母相に分散させる粒子としてＳｉＣのような炭化物のみに注目するだけなく、他の化合物を用いることについても検討する必要がある。本発明者らは、金属母相に対する添加粉末の表面エネルギーに着目し、マグネシウムに対して表面エネルギー差が大きな粒子を添加粉末とすることで、同様の特性が得られることを特許文献６に開示している。すなわち、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣｕＯ、ＭｎＯ
２
、Ｓｉ
３
Ｎ
４
、ＳｉＯ
２
、Ｙ
２
Ｏ
３
に代表される酸化物や窒化物を使用すると、割れやクラックがなく、自己被膜形成能が付与されたＭｇ基複合材の創製が可能である。
【０００８】
一方、特許文献５や６では、摩擦摩耗を受ける部位に自己被膜形成が起こり、良好な摩擦摩耗特性を得るには、一定以上の時間経過（試験条件にも影響するが、例えば、１０００秒以上）を必要とする。実用化を鑑みると、より短い時間で摩擦係数が低減することが極めて望ましい。前記の特許文献では、ＳｉＣに加えて、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＣｕＯ、ＭｎＯ
２
、Ｓｉ
３
Ｎ
４
、ＳｉＯ
２
、Ｙ
２
Ｏ
３
の酸化物や窒化物に関する事例を開示しているが、これに限る必要はなく、酸化物は二酸化チタン（ＴｉＯ
２
）であってもよい。
【０００９】
二酸化チタンを複合化材として用いたＭｇ基複合材については、特許文献７と特許文献８に開示されている。特許文献７では、強度特性の改善を図っている。しかし、チタン－アルミニウム金属間化合物を合成させることが重要であり、この金属間化合物が摩擦摩耗特性にどのような効果を与えるかは不明である。なぜなら、ｉｎｓｉｔｕ反応による合成によって形成される金属間化合物は、主に析出によるため、それらの形態が球形であるのかまたは鋭角な角を有するのかは不明であるからである。加えて、析出による金属間化合物の大きさ（直径）は数十ｎｍから数百ｎｍ程度であると考えられる。特許文献８では、二酸化チタンとハイドロキシアパタイトからなる複合材が被膜され、腐食溶解を抑制することを特徴としている。特許文献７と同じく、二酸化チタンの粒子が摩擦摩耗特性に及ぼす影響は不明である。
【００１０】
本発明者らの知る範囲内では、マグネシウムに対する二酸化チタンの表面エネルギーは不明であり、二酸化チタンの粒子がそれ単独でまたは他の粒子と共に母相中に分散した状態で、Ｍｇ基複合材の摩擦摩耗特性に与える影響や効果は全く分からない。
【先行技術文献】
【特許文献】
（【００１１】以降は省略されています）

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