JP4706011B2 - マグネシウム合金、成形品およびマグネシウム合金の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、半溶融状態で成形できるマグネシウム合金、成形品およびマグネシウム合金を用いた成形方法に関する。

従来から、携帯電話のケース部分や自動車のエンジン部品等にマグネシウム合金が用いられており、中でも所定量のアルミニウム、亜鉛、マンガンを含有するマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄ）が一般的に用いられている。このマグネシウム合金は、強度が大きいことに加えて比重が小さいため、製品や部材等の軽量化を目的として使用されることが多く、一般的には、射出成形によって所定形状の製品や部材等に成形されている。また、このようなマグネシウム合金は、種々のものに使用されるため、その使用目的に応じて、他の成分を含有させて、特性を変更することも行われている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載されたマグネシウム合金は、ＡＺ９１Ｄが、アルミニウム８．５〜９．５重量％、亜鉛０．４５〜０．９重量％、マンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不純物からなっているのに対し、カルシウム０．２〜３重量％、希土類元素１〜４重量％、亜鉛１重量％未満を含有し、残部がマグネシウムと不純物からなるように構成されている。そして、ダイカスト機を用いて製品を成形する際には、このマグネシウム合金を液相線温度プラス２０℃以上の温度に加熱し、金型温度を５０〜１００℃とした状態で鋳造が行われている。これによって、鋳造割れの発生が抑制され、耐熱性に優れた製品が得られる。
特開２００５−１２０４４９号公報

しかしながら、前述したマグネシウム合金は、自動車のエンジン部品等のように、肉厚が大きく、耐熱性が要求される製品の成形には適しているが、携帯電話のケース部分のように薄肉部分を含む部材を成形する場合には、流動性が充分でないため、鋳造欠陥等の不良品の発生が多くなり不向きであるという問題がある。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、流動性を向上させることにより、薄肉部分を含む成形品を成形することのできるマグネシウム合金、成形品およびマグネシウム合金の成形方法を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係るマグネシウム合金の構成上の特徴は、半溶融状態で射出成形されて薄肉部分を備えた成形品に成形されるマグネシウム合金であって、アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなることにある。また、イットリウムの含有量は、０．１重量％および０．３重量％を含まない０．１重量％より大で、０．３重量％未満にすることが好ましく、さらに、０．１５〜０．２５重量％にすることがより好ましい。

前述のように構成した本発明に係るマグネシウム合金は、従来から使用されているＡＺ９１Ｄのマグネシウム合金（以下、ＡＺ９１Ｄ材と記す。）と比較して、アルミニウムの含有量が増加されているとともに、ＡＺ９１Ｄ材には含まれていないカルシウムとイットリウムとが含まれている。アルミニウムは、流動性を大きくする特性を備えているため、アルミニウムの含有量を増加させることによりマグネシウム合金の流動性は増加する。またカルシウムは、硬度を大きくする特性や難燃性を備えており、マグネシウム合金の硬度を増加させるとともにマグネシウム合金を燃え難くする。さらに、イットリウムは、靭性を大きくする特性を備えており、これを添加することによりマグネシウム合金の靭性が向上する。

また、これらの成分を含むマグネシウム合金は、半溶融状態（固相と液相との固液共存状態）に加熱溶解されて射出成形される。アルミニウム、カルシウムおよびイットリウムを添加することにより、マグネシウム合金の液相線温度が下がり、半溶融状態での成形に適したものとなる。例えば、ＡＺ９１Ｄ材を半溶融状態（５７０〜５８０℃）で成形した場合には、射出成形機のスクリューが回転しないほど抵抗が大きくなり成形体に鋳造欠陥が発生するが、本発明に係るマグネシウム合金を半溶融状態にして成形した場合には、良好な状態で成形が行われる。この場合、半溶融状態のマグネシウム合金には、せん断力が付与され、固相部分が粒状化することにより粘性が低下して、いわゆるチクソトロピー状態となり流動性が増大する。このため、マグネシウム合金の流動性が大幅に向上する。

また、カルシウムとイットリウムを含有させることにより、引張強さ、耐久性、硬度等の機械的性質の向上が図れ、実用的効果の大きなマグネシウム合金が得られる。このマグネシウム合金は、特に肉厚の小さな成形品または薄肉部を備えた成形品の成形に適したものとなる。また、マグネシウム合金中に含まれるアルミニウムの量が多いと射出成形時の加熱によってマグネシウム合金が発火しやすくなるが、前述したように、カルシウムを添加することにより、マグネシウム合金の発火温度が大幅に上がり燃え難くなる。すなわち、ＡＺ９１Ｄ材の発火温度が４３０〜５２０℃のため、成形温度範囲でも発火するのに対し、カルシウムを０．５重量％、イットリウムを０．２重量％添加することにより、発火温度は６７０〜８７０℃に上昇する。このため、発火温度が成形温度以上になり、マグネシウム合金の発火を防止することができ成形作業がし易くなるとともに、安全性の向上も図れる。

また、イットリウムを添加することにより、マグネシウム合金の靭性が向上するが、アルミニウム、カルシウムおよびイットリウムの含有量が所定値以上になると、逆に、マグネシウム合金の靭性が減少して成形の際に成形割れが生じたり、成形後にプレス加工する際にプレス欠けが生じたりするおそれがある。また、これらの含有量が少なすぎると流動性の向上に大きな効果を得ることができなくなったり、靭性が減少したりする。このため、アルミニウム、カルシウムおよびイットリウムの含有量は、前述した範囲に設定することが必要である。

また、本発明に係る成形品の構成上の特徴は、半溶融状態に加熱溶解されたマグネシウム合金を射出成形することによって薄肉部分を備えた所定の形状に成形される成形品であって、マグネシウム合金を、アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなる材料としたことにある。これによると、マグネシウム合金の流動性が大幅に向上するため、薄肉で複雑な形状の成形品を良好な状態で得ることができる。

本発明に係るマグネシウム合金の成形方法の構成上の特徴は、アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなるマグネシウム合金を半溶融状態に加熱溶解する加熱溶解工程と、加熱溶解工程によって、加熱溶解された前記マグネシウム合金を金型内に射出して成形体を成形する成形工程とを備えたことにある。

本発明に係るマグネシウム合金は、ＡＺ９１Ｄ材と比較して、流動性が向上するとともに、液相線の温度が低くなる。また、この成形方法では、マグネシウム合金を半溶融状態に加熱して成形が行われるため、このマグネシウム合金の加熱温度は、ＡＺ９１Ｄ材を用いて成形する場合の加熱温度に比べて大幅に低くなる。このため、射出成形機が備える金型の温度も低温化して、金型の長寿命化が図れる。すなわち、金型材（熱間工具鋼）の焼き戻し温度は通常６００℃前後に設定されており、この温度を超えるような高温による成形を繰り返し行うと、金型の硬度が徐々に下がって軟化してしまうが、低温で成形することによりこのような金型の焼き戻し軟化を防止できる。

また、マグネシウム合金の流動性が向上するため、マグネシウム合金が金型の成形用凹部の隅々まで良好な状態で入るようになり、複雑な形状の成形品や薄肉の成形品の製造が可能になる。さらに、マグネシウム合金は、成形時に固液共存の状態になっているため、チクソ射出成形機の成形圧力がマグネシウム合金に十分にかかるようになる。この結果、成形品に生じる巣等の鋳造欠陥が大幅に減少する。また、液相線以上に加熱されたマグネシウム合金を用いて高温成形する場合と比べて、本発明によるマグネシウム合金を用いた低温成形では、成形密度（充填率）が上がるため、成形体の機械的強度が向上する。

また、本発明に係るマグネシウム合金の成形方法の構成上の特徴は、成形体が、厚みが０．８ｍｍ以下の薄肉部分を含んでいることにある。例えば、携帯電話のケース部分には、厚みが、０．５ｍｍ程度の薄い部分を含むことがある。本発明に係るマグネシウム合金を用いることにより、このような肉厚の小さな成形品も良好な状態で成形することが可能になる。また、このマグネシウム合金を用いた成形方法では、厚みが０．３ｍｍ程度の薄肉部を備えた成形品までは成形が可能になる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかるマグネシウム合金からなる原料チップＭを用いて成形品Ｐを成形するための射出成形機１０の概略を示している。この射出成形機１０は、内部にスクリュー１１を内蔵するシリンダー１２と、シリンダー１２に原料チップＭを供給するための原料ホッパー１３と、シリンダー１２の後端部に設置されスクリュー１１を駆動させる高速射出ユニット１４と、シリンダー１２の先端部に設けられた金型１５とを備えている。

シリンダー１２の後端側部分の上部には、原料チップＭをシリンダー１２の内部に取り込むためのチップ取り込み口１２ａが設けられている。また、原料ホッパー１３の下方には、原料ホッパー１３の下端開口から落下する原料チップＭをチップ取り込み口１２ａの上方に送るための原料供給装置１６が設置されている。そして、原料供給装置１６の下流端とチップ取り込み口１２ａとの間には、原料供給装置１６の下流端から落下する原料チップＭをチップ取り込み口１２ａからシリンダー１２内に送るための原料供給管１６ａが設けられている。

原料供給装置１６は、搬送路を振動させることにより原料チップＭを原料ホッパー１３の下端部から原料供給管１６ａ側に搬送できるフィーダーで構成されている。また、原料供給管１６ａ内には、アルゴンガス供給装置（図示せず）からアルゴンガスが供給されて、原料供給管１６ａの内部は不活性のアルゴンガス雰囲気になっている。したがって、原料供給管１６ａ内を通過する原料チップＭは空気によって酸化されることなくシリンダー１２内に送られる。また、シリンダー１２内に送られた原料チップＭは、高速射出ユニット１４の作動により回転しながら移動するスクリュー１１によって、勢いよくシリンダー１２の先端側に移動する。

高速射出ユニット１４は、アキュムレータ１４ａを備えており、油圧によってシリンダー１２を高速移動させる。また、シリンダー１２の外周面には、所定間隔で、複数個のヒーター１７がシリンダー１２の後端側から前端側に向って設けられ、シリンダー１２内を移動する原料チップＭを半溶融状態、例えば５８０℃に加熱できるようになっている。そして、シリンダー１２の先端部には、射出ノズル１８が設けられており、この射出ノズル１８の先端部の外周面には射出ノズル１８を加熱して所定温度に維持するためのヒーター（図示せず）が取り付けられている。

このため、原料チップＭは、スクリュー１１の回転によって移動する間にヒーター１７の加熱によって半溶融状態に溶解され、金型１５内に形成された成形品形成凹部１５ａ内に射出される。金型１５は、固定型２１と可動型２２とで構成されており、固定型２１の中央には、スプール形成穴２１ａが形成されている。このスプール形成穴２１ａは、固定型２１と可動型２２との境界面に形成されたランナー形成穴１５ｂを介して成形品形成凹部１５ａに連通しており、シリンダー１２で加熱され、射出ノズル１８から射出されてくる半溶融材料ＨＭをランナー形成穴１５ｂを介して成形品形成凹部１５ａ側に通過させる。

そして、成形品形成凹部１５ａ内に形成された成形品Ｐは、可動型２２が移動して固定型２１から離れたのちに成形品形成凹部１５ａから取り出される。また、図示していないが、この射出成形機１０は、金型１５の所定部分を冷却するための冷却水路、射出成形機１０を作動させるための制御装置、各種のスイッチ等が設けられた操作パネル等を備えている。

また、原料チップＭは、アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物である珪素、銅、鉄およびニッケルとからなるマグネシウム合金を、大きさが３〜５ｍｍのチップ状に形成したもので構成した。そして、原料チップＭを用いて成形される成形品Ｐは、厚みが０．４ｍｍ程度の薄肉部分を含む携帯電話用の部材とした。また、この原料チップＭは、５７０〜５８０℃程度に加熱した際に、半溶融状態（チクソトロピー状態）になり、その半溶融状態で優れた流動性を発揮するものである。

以上のように構成された射出成形機１０を用いて、原料チップＭで成形品Ｐを射出成形する場合は、まず、原料ホッパー１３内に原料チップＭを充填するとともに、電源スイッチをオン状態にして射出成形機１０を作動可能な状態にする。そして、スタートボタンをオン状態にして、射出成形機１０の作動を開始させる。これによって、原料ホッパー１３の下端部が開いて原料チップＭが原料供給装置１６側に落下するとともに、原料供給装置１６が作動を開始する。そして、原料ホッパー１３から原料供給装置１６の搬送面上に落下した原料チップＭは順次搬送面の下流側に移送され、原料供給装置１６の下流端から原料供給管１６ａ内を通過してシリンダー１２内に落下する。

ついで、原料チップＭが、シリンダー１２内に充填されると、高速射出ユニット１４が作動してシリンダー１２内のスクリュー１１が回転移動しながら前方に向かって高速移動する。その際、原料チップＭは、ヒーター１７の加熱によって徐々に昇温していき、射出ノズル１８に到達するときには、略５８０℃に加熱されて固液共存状態の半溶融材料ＨＭになる。また、その射出成形の際には、原料供給装置１６が停止して原料チップＭのシリンダー１２内への供給が停止する。そして、成形品Ｐが成形されると、可動型２２の移動により金型１５が開いて、成形品Ｐはロボット（図示せず）によって取り出される。

この射出成形の際のスクリュー１１と半溶融材料ＨＭとの移動状態を図２ないし図５に示している。すなわち、図２は、前回の射出成形が終了して成形品Ｐが取り出されたのちの状態を示しており、固定型２１と可動型２２とが開いている。この状態では、シリンダー１２の貯留部１２ｂ内に半溶融材料ＨＭが充填されている。また、スクリュー１１の先端側部分には、逆流防止リング１１ａが取り付けられており、この逆流防止リング１１ａによって、貯留部１２ｂ内の半溶融材料ＨＭは、シリンダー１２内における逆流防止リング１１ａよりも後方部分に逆流することを防止される。

この逆流防止リング１１ａは、スクリュー１１の軸方向に所定の幅で移動可能になっており、後部側に位置したときに、シリンダー１２内の前部側（貯留部１２ｂ内）と後部側とを遮断し、前部側に位置したときに、シリンダー１２内の前部側と後部側とを連通するように構成されている。図２は、シリンダー１２内の後部側の半溶融材料ＨＭが貯留部１２ｂ内に移動して、逆流防止リング１１ａが、前部側から後部側に移動したときの状態を示している。つぎに、図３に示したように、固定型２１と可動型２２とが閉じると、図４に示したように、スクリュー１１が前進して、貯留部１２ｂ内の半溶融材料ＨＭを金型１５の成形品形成凹部１５ａ内に充填する。

そして、成形品形成凹部１５ａ内に半溶融材料ＨＭが充填されたのちに、図５に示したように、スクリュー１１は後退する。このとき、逆流防止リング１１ａは前部側に移動し、シリンダー１２内の後部側の半溶融材料ＨＭは、逆流防止リング１１ａを通過して、貯留部１２ｂ内に移動する。言い換えると、シリンダー１２が、逆流防止リング１１ａに半溶融材料ＨＭを通過させながら後退する。そして、金型１５が開いて成形された成形品Ｐが取り出され、図２の状態になり、以後、前述した操作が繰り返される。この射出成形においては、原料チップＭは半溶融材料ＨＭになるまで加熱されて、スクリュー１１で金型１５内に充填される。その際、半溶融材料ＨＭは、せん断力が付与されて粒状化し流動性が増大する。このため、薄肉の良好な成形品Ｐが得られる。

なお、参考として、図６に、マグネシウム−アルミニウム系平衡状態図を示している。図６によると、マグネシウムにアルミニウムが９％含まれるときの液相線の温度は５９８℃であり、このマグネシウム合金を半溶融状態で成形するとすればその温度は、５６０〜５８０℃程度になる。ＡＺ９１Ｄ材をこの温度に加熱して射出成形した場合には、スクリュー１１に対する抵抗が大きく適正な射出成形が行えないが、前述した原料チップＭを用いた場合には良好な成形品Ｐを得ることができる。

このように、本実施形態では、原料チップＭを、従来から一般的に使用されているＡＺ９１Ｄ材と比較して、アルミニウムを多く含んでいるとともに、ＡＺ９１Ｄ材には含まれていないカルシウムおよびイットリウムを含んだマグネシウム合金で構成している。このため、原料チップＭが加熱されて半溶融材料ＨＭになったときの流動性が大幅に向上し、肉厚の小さな成形品Ｐの成形に適したものとなるとともに、複雑な形状の成形品Ｐの射出成形も可能になる。

また、低温での成形が可能になるため、金型１５の長寿命化が図れる。さらに、半溶融材料ＨＭが固液共存状態になっているため、射出の際に、逆流防止リング１１ａの後方に漏れて逆流することがなくなり、スクリュー１１からの圧力が半溶融材料ＨＭに十分かかるようになる。これによって、巣等の鋳造欠陥の発生が大幅に減少する。また、半溶融材料ＨＭの成形密度が高いため充填率が上がり成形品Ｐの機械的強度も向上する。また、原料チップＭには、不純物である珪素、銅、鉄およびニッケルが最小限の含有量になっているため、これらの不純物によって、流動性や機械的性質が阻害されることがない。

また、各種のマグネシウム合金の流動性を検証するために、図１に示した射出成形機１０と同様のチクソ成形機（図示せず）を用いて、試験金型内に、ＡＺ９１Ｄ材、表１に示した比較例１，２および実施例１〜１０のマグネシウム合金を鋳込んで、それぞれの流動長を比較した。試験金型は、図７（ａ），（ｂ）に示した形状の空間部からなる試験片形成部３０を備えており、その注入口にゲート３０ａが形成されている。そして、ゲート３０ａから試験片形成部３０内に各マグネシウム合金を鋳込み、各マグネシウム合金における試験片形成部３０のゲート３０ａから最初にクラック（表裏に貫通している割れ）が生じた部分までの長さをそれぞれの流動長として比較した。

図７（ａ），（ｂ）におけるＬ１〜Ｌ７は、それぞれ試験片形成部３０の各部分の長さを示しており、Ｌ１は試験片形成部３０の全長で３６０ｍｍ、Ｌ２はゲート３０ａ近傍の厚みの大きな部分の長さで６０ｍｍ、Ｌ３は先細りになったテーパ部分の長さで２０ｍｍ、Ｌ４は先端側の厚みの小さな部分の長さで２８０ｍｍ、Ｌ５はゲート３０ａの厚みで１．２ｍｍ、Ｌ６は先端部の厚みで０．７ｍｍ、Ｌ７は試験片形成部３０の幅で６０ｍｍである。

また、チクソ成形機としては、株式会社日本製鋼所製のＪＬＭ−２２０ＭＧを用い、成形条件は、成形シリンダー温度を５８０℃、成形速度を２０００ｍｍ／秒とした。さらに、離型剤として、株式会社松村石油研究所製のＭＫ−４００を希釈倍率１００倍として用いた。また、マグネシウム合金としては、表１に示したように、実施例１〜５は、すべてアルミニウムを１０重量％含むものとした。そして、実施例１〜５は、それぞれカルシウムを０．３、０．５、０．５、０．５、０．７重量％含み、イットリウムを０．２、０．１、０．２、０．３、０．２重量％含むものとした。

また、実施例６〜１０は、すべてアルミニウムを１１重量％含むものとした。そして、実施例６〜１０は、それぞれカルシウムを０．３、０．５、０．５、０．５、０．７重量％含み、イットリウムを０．２、０．１、０．２、０．３、０．２重量％含むものとした。そして、比較例１，２は、それぞれカルシウムを０．５重量％、イットリウムを０．２重量％含み、アルミニウムをそれぞれ、９、１２重量％含むものとした。また、実施例１〜１０および比較例１，２は、すべて亜鉛を１．２重量％、マンガンを０．３重量％含むものとした。そして、サンプル数は、それぞれについて２０個としてそれぞれの平均値を算出し比較した。

その結果を図８および図９に示した。図８には、測定結果の流動長を示し、図９には、ＡＺ９１Ｄ材の平均値を１００％とした場合の各例の比率％を示した。この結果、各サンプルの流動長は、ＡＺ９１Ｄ材が２２０．６ｍｍであったのに対し、実施例１が２３７．６ｍｍ、実施例２が２３９．７ｍｍ、実施例３が２４６．２ｍｍ、実施例４が２３７．６ｍｍ、実施例５が２５２．３ｍｍ、実施例６が２６４．８ｍｍ、実施例７が２９０．５ｍｍ、実施例８が２９３．０ｍｍ、実施例９が２９９．６、実施例１０が２８８．９であった。また、比較例１が２２５．３ｍｍ、比較例２が３２７．５ｍｍであった。この結果から、アルミニウムの含有量を増加させるとともに、カルシウムおよびイットリウムを含有させることによりマグネシウム合金の流動性がＡＺ９１Ｄ材よりも大幅に向上することがわかる。

また、この結果をもとに、各マグネシウム合金中のアルミニウム、イットリウムおよびカルシウムのそれぞれの流動性に対する影響を比較するために、各成分の含有量が異なるグループを下記の表２ないし表６のように分けて比較した。表２は、それぞれイットリウムを０．２重量％、カルシウムを０．５重量％含み、アルミニウムを９〜１２重量％の範囲でそれぞれ異なる量を含む比較例１，２および実施例３，８のマグネシウム合金からアルミニウムの流動性に対する影響を比較した結果を示している。

また、この結果を図１０に棒グラフで示した。この結果から、イットリウムおよびカルシウムの含有量が同じ場合には、アルミニウムの含有量が多いほどマグネシウム合金の流動長もそれに比例して長くなることが分かる。

表３は、それぞれカルシウムを０．５重量％、アルミニウムを１０重量％含み、イットリウムを０．１〜０．３重量％の範囲でそれぞれ異なる量を含む実施例２〜３のマグネシウム合金からイットリウムの流動性に対する影響を比較した結果を示している。また、表４は、それぞれカルシウムを０．５重量％、アルミニウムを１１重量％含み、イットリウムを０．１〜０．３重量％の範囲でそれぞれ異なる量を含む実施例７〜９のマグネシウム合金からイットリウムの流動性に対する影響を比較した結果を示している。

また、表３の結果を図１１に棒グラフで示し、表４の結果を図１２に棒グラフで示した。この結果によると、アルミニウムを１０重量％含む場合には、イットリウムの含有量が０．２重量％のときが最も流動長がよく伸び、イットリウムの含有量が０．１重量％と０．３重量％のときは０．２重量％のときよりも低下した。また、アルミニウムを１１重量％含む場合には、イットリウムの含有量が０．１重量％〜０．３重量％に増加するにしたがって流動長も僅かではあるが徐々に向上した。この結果から、カルシウムおよびアルミニウムの含有量が同じ場合には、イットリウムの含有量が多いほどマグネシウム合金の流動長が長くなり、アルミニウムの含有量が少ない場合（テストでは１０重量％）には、イットリウムの含有量を０．２重量％程度にしたときに流動性がもっとも向上されることが分かる。

表５は、それぞれイットリウムを０．２重量％、アルミニウムを１０重量％含み、カルシウムを０．３〜０．７重量％の範囲でそれぞれ異なる量を含む実施例１，３，５のマグネシウム合金からカルシウムの流動性に対する影響を比較した結果を示している。また、表６は、それぞれイットリウムを０．２重量％、アルミニウムを１１重量％含み、カルシウムを０．３〜０．７重量％の範囲でそれぞれ異なる量を含む実施例６，８，１０のマグネシウム合金からイットリウムの流動性に対する影響を比較した結果を示している。

また、表５の結果を図１３に棒グラフで示し、表６の結果を図１４に棒グラフで示した。この結果によると、アルミニウムを１０重量％含む場合には、カルシウムの含有量が０．３〜０．７重量％に増加するにしたがって流動長も徐々に向上している。また、アルミニウムを１１重量％含む場合には、カルシウムの含有量が０．５重量％のときが最も流動長が伸び、カルシウムの含有量が０．３重量％と０．７重量％のときは０．５重量％のときよりも低下した。

この結果から、イットリウムおよびアルミニウムの含有量が同じ場合には、カルシウムの含有量が多いほどマグネシウム合金の流動長が長くなり、アルミニウムの含有量が多い場合（テストでは１１重量％）には、カルシウムの含有量を０．５重量％程度にしたときに流動性がもっとも向上することが分かる。また、各マグネシウム合金ごとに見ると、実施例１〜１０および比較例１，２はすべてＡＺ９１Ｄ材よりも優れた流動性を示した。また、実施例１〜１０および比較例１，２の中では、比較例１が最も劣り、比較例２が最も優れた流動性を示した。さらに、実施例１〜１０はすべて良好な値を示したが、中でも、アルミニウムを１１重量％含有する実施例８，９等が良好な値を示した。

つぎに、前述したＡＺ９１Ｄ材、比較例１，２および実施例１〜１０のマグネシウム合金から物性測定用の試験サンプルを作成して、それぞれのサンプルに対して引張強さ、０．２％耐力、伸びおよび硬度の測定を行った。この場合のサンプルは、前述したチクソ成形機を用いて作成し、成形温度は、ＡＺ９１Ｄ材を６１０℃、比較例１，２および実施例１〜１０のマグネシウム合金を５８０℃とした。この成形温度は、各材料がそれぞれ好ましい物性値を出せるように各材料に適した温度として設定したものである。

測定は、各試験について３個のサンプルで実施しその測定値の平均値を比較した。引張強さは、サンプルを引っ張り続けて切断したときの応力（ＭＰａ）であり、０．２％耐力は応力と歪みとの関係から求められる降伏応力（ＭＰａ）である。また、伸びは、サンプルを引っ張り破断したときの元の全長に対する伸びの長さ（％）であり、伸び比率は、ＡＺ９１Ｄ材のサンプルの伸びを基準とした伸びの比率で、各サンプルの伸びの値をＡＺ９１Ｄ材のサンプルの伸びの値で除した値と１００との積とした。また、硬度は、Ｈｖ（ビッカース硬度計で測定した硬さ）で示した。この測定の結果を下記の表７に示した。

表７に示したように、引張強さは、比較例１，２および実施例１〜１０の中では、比較例１が最大の２５０ＭＰａで、実施例７が最小の１９９ＭＰａであった。また、ＡＺ９１Ｄ材の引っ張り強さと比較すると、実施例１，４，７，１０は小さく、比較例２は同じで、比較例１および実施例２、３，５，６，８，９は大きかった。実施例１〜１０の中では、カルシウムを０．３重量％または０．５重量％含み、イットリウムを０．２重量％（ただし、実施例２は０．１重量％で実施例９は０．３重量％）を含む実施例２，３，６，８，９が比較的良好な値を示しているが、有意差は認められなかった。

また、０．２％耐力においては、比較例１，２および実施例１〜１０ともに、ＡＺ９１Ｄ材（量産容易な６１０℃成形）よりも良好な結果が得られ、実施例８が最大の１８９ＭＰａで、実施例１，４がそれぞれ最小の１６２ＭＰａであった。比較例１，２と実施例１〜１０との間には差は見られず、実施例１〜１０の中では、実施例２，３，６，７，８，９が特に良好な値を示した。この結果から、アルミニウムの含有量を増加させるとともに、ＡＺ９１Ｄ材には含まれないカルシウムおよびイットリウムを含有させることにより、その中でも特に、イットリウムを含有させることにより、マグネシウム合金の０．２％耐力を大幅に向上させることができることが分かる。

また、伸びにおいては、アルミニウムの含有量が最も少ない比較例１が、ＡＺ９１Ｄ材と同じ３．４％の値を示したが、比較例２および実施例１〜１０は、すべてＡＺ９１Ｄ材よりも低い値を示した。中でも、アルミニウムの含有量が最も多い比較例２は、最低の０．８％であった。前述した流動性のテストの説明で用いた図１０ないし図１４には、流動長と相対比較できるように、伸び比率を折れ線グラフで示している。その中の図１０によると、アルミニウムの含有量が増加することにより、マグネシウム合金の流動長は著しく向上するが逆に伸び比率は低下していくことがわかる。

また、図１１および図１２からイットリウムを０．２重量％含ませたときに伸び比率は大きくなるが、イットリウムを０．１重量％または０．３重量％含ませた場合には、０．２重量％のときよりも低下することがわかる。同様に、図１３および図１４からカルシウムを０．５重量％含ませたときに伸び比率は大きくなるが、カルシウムを０．３重量％または０．７重量％含ませた場合には、０．５重量％のときよりも低下することがわかる。この結果によると、伸び比率は、実施例１〜１０の中では、実施例２，３，８，９が比較的良好な値を示した。

また、硬度においては、比較例１，２、実施例１〜１０ともに、ＡＺ９１Ｄ材よりも大きな向上が見られた。この結果から、アルミニウムの含有量を増加させるとともに、ＡＺ９１Ｄ材には含まれないカルシウムおよびイットリウムを含有させることにより、マグネシウム合金の硬度を大幅に向上させることができることが分かる。

以上の試験結果から、比較例１は流動性が劣るため、チクソトロピー成形等の低温成形には向かず、比較例２は流動性には優れるが、伸びの値が低く靭性が小いため、脆くなり薄肉部を有する成形品には不向きであることがわかる。また、実施例１〜１０の中では、実施例２，３，６，７，８，９が流動性や機械的性質に優れており、特に、実施例３，８が好ましい。この、結果から、下記の数式１，２，３に示した範囲のアルミニウム、カルシウムおよびイットリウムを備えたマグネシウム合金が低温成形材料として特に好ましいといえる。
９．５重量％≦Ａｌ≦１１．５重量％…数式１
０．４重量％≦Ｃａ≦０．６重量％ …数式２
０．１重量％＜Ｙ＜０．３重量％ …数式３

また、前述した各マグネシウム合金のうちのＡＺ９１Ｄ材、実施例３，８のマグネシウム合金を用いてサンプルを成形し、それぞれのサンプルに対して塩水噴霧試験を実施した。塩水噴霧試験は、リン酸マンガンカルシウムの化成処理を行ったサンプルに対して、温度が３５℃の５％塩化ナトリウムを、１サイクルを８時間の噴霧と１６時間の休止として、このサイクルを繰り返すことにより実施し、その間の錆の発生を比較することによって行った。また、塩水噴霧試験は、各材料について３個のサンプルで実施しその測定値の平均値を比較した。なお、化成処理に用いたリン酸マンガンカルシウム液としては、ＡＺ９１Ｄ材用に開発した建溶液を用いた。この試験結果を下記の表８に示している。

表８では、錆の発生が全く無い場合を「◎」で示し、錆の発生が微小である場合を「○」で示し、錆の発生が少量の場合を「▲」で示している。その結果、表８に示したように、従来材であるＡＺ９１Ｄ材のサンプルおよび開発材である実施例４，９のサンプルは、ともに２サイクル終了後に微小の錆が発生し、４サイクル終了後には少量の錆が発生した。錆がかなり生じたり、多量に生じたりすることはなかった。この結果から、塩水噴霧に対する錆の発生は、ＡＺ９１Ｄ材に対して、カルシウムおよびイットリウムを添加するとともに、アルミニウムを増加しても特に変化はないことが認められる。

また、ＡＺ９１Ｄ材、実施例３，８のマグネシウム合金を用いてサンプルを成形し、それぞれのサンプルに対して塗装密着試験を実施した。この塗装密着試験は、前述した化成処理を行った各サンプルに、下塗りの密着力の小さなアクリル系の塗料を塗布したのちに、上塗りのアクリル系の塗料を塗布し、それぞれについて初期密着試験、湿潤試験および耐湿試験を行うことによって実施した。

湿潤試験は、サンプルを、温度が５０℃、湿度が９８％の雰囲気中に２４時間保持することにより行い、耐湿試験は、サンプルを、温度が６０℃、湿度が９５％の雰囲気中に１２０時間保持することによって行った。そして、初期密着試験、湿潤試験、耐湿試験ともに、サンプルの表面を碁盤状に区切って１００のマスを形成し、その中の合格数（良好な部分）を数えることによって判定した。また、サンプル数は各マグネシウム合金について３個とした。この試験結果を下記の表９に示している。

表９では、合格数が９５以上の場合を「○」で示しており、合格数が９５以上であれば良、９５未満であれば不可と判定した。その結果、表９に示したように、ＡＺ９１Ｄ材、実施例３，８のサンプルすべてにおいて、合格数は９５以上で、９５未満の不可のものは無かった。この結果から、実施例３，８に係るマグネシウム合金は、塗装密着性は、従来のＡＺ９１Ｄ材と同等の性能を発揮することができ、充分使用に耐え得るものであることが認められる。

また、ＡＺ９１Ｄ材、実施例３，８のマグネシウム合金を用いて携帯電話のカバー部材（図示せず）を成形し、それぞれのカバー部材に対して成形時の歩留まりテスト、破壊曲げ試験および破壊引っ張り試験を実施した。この結果、成形温度を５８０℃としたところの歩留まりテストにおいては、湯じわ無しおよび湯じわ微少（塗装で欠陥がかくれる程度）までを良品とすると、実施例３では６１％が良品、実施例８では９７％が良品であった。また、少量の湯じわ（＃４００のペーパー修正で消える欠陥）が発生したものまでを良品とした場合には、実施例３では８８％が良品、実施例８では１００％が良品であった。また、ＡＺ９１Ｄ材を用いた場合には、５８０℃での成形は困難であった。

また、破壊曲げ試験では、ＡＺ９１Ｄ材を用いて６１０℃で成形したカバー部材と、前述した実施例３，８のマグネシウム合金を用いて５８０℃で成形したカバー部材とを比較テストした。また、測定装置としては、インストロン万能測定器を用い、押圧速度５ｍｍ／分で、各カバー部材に荷重かけたときの最大荷重と最大変位とで比較した。その結果、実施例３のカバー部材は、ともにＡＺ９１Ｄ材のカバー部材よりもわずかに大きな値を示したが、実施例８のカバー部材は、ＡＺ９１Ｄ材のカバー部材よりもわずかに低い値を示した。しかしながら、実施例３，８のカバー部材はともに、携帯電話のカバーとして機能上問題のないレベルであった。

また、破壊引っ張り試験も前述したインストロン万能測定器を用い、破壊曲げ試験で用いたカバー部材と同じカバー部材を用いて行った。その結果、実施例３，８のカバー部材は、ともにＡＺ９１Ｄ材のカバー部材よりも大きな値を示した。この結果から、実施例３，８のカバー部材を用いることにより、従来の携帯電話よりもより引っ張り強度の強い携帯電話が得られることがわかる。

また、図１５は、参考として、ＡＺ９１Ｄ材、実施例３，８のマグネシウム合金におけるチクソ成形領域を示したものである。図１５において、曲線ａは液相線を示し、曲線ｂは固相線を示している。そして、曲線ｃは、マグネシウム合金を用いて射出成形したときの良品を成形できる下限温度を示している。これによると、測定に用いたＡＺ９１Ｄ材は、液相線温度が６０４℃で固相線温度が４３４℃であった。また、実施例３は、液相線温度が５９４℃で固相線温度が４５２℃、実施例８は、液相線温度が５８５℃で固相線温度が４５５℃であった。この図１５からも、５７０〜５８０℃の成形温度では、ＡＺ９１Ｄ材だとチクソ成形は困難だが、実施例３，８のマグネシウム合金では、チクソ成形が容易になることがわかる。

また、本発明は、前述した実施形態に限るものでなく適宜、変更実施が可能である。例えば、前述した実施形態では、成形品Ｐを携帯電話の部材としているが、これに限るものでなく、マグネシウム合金を射出成形することによって成形されるものであれば他のものでもよい。例えば、カメラ、パソコンおよび電子機器の部材等である。ただし、本発明に係るマグネシウム合金は、薄肉部分を含む成形品の成形に使用することにより大きな効果を発揮する。また、マグネシウム合金を射出成形する際の溶解温度は、前述した５８０℃に限らず、これ以外の温度であっても、図１５に曲線ｃで示したチクソ成形の下限温度以上であれば、鋳造欠陥が非常に少ない成形体が得られる。また、それ以外の部分の構造等についても本発明の技術的範囲内で変更が可能である。

本発明の一実施形態によるマグネシウム合金を用いて射出成形を行う射出成形機の概略を示した断面図である。 金型が開いた状態の射出成形機を示した断面図である。 金型が閉じた状態の射出成形機を示した断面図である。 スクリューが前進して半溶融材料を鋳込んだ状態の射出成形機を示した断面図である。 射出が終了しスクリューが後退した状態の射出成形機を示した断面図である。 マグネシウム−アルミニウム系平衡状態図である。 流動長測定に使用される試験金型が備える試験片形成部を示しており、（ａ）は側面図、（ｂ）は奥端側から見た背面図である。 各材料の流動長を示すグラフである。 各材料の流動長比率を示したグラフである。 アルミニウムの含有量変化による流動長と伸び比率との関係を示したグラフである。 アルミニウムが１０％でカルシウムが０．５％のときのイットリウムの含有量変化による流動長と伸び比率との関係を示したグラフである。 アルミニウムが１１％でカルシウムが０．５％のときのイットリウムの含有量変化による流動長と伸び比率との関係を示したグラフである。 アルミニウムが１０％でイットリウムが０．２％のときのカルシウムの含有量変化による流動長と伸び比率との関係を示したグラフである。 アルミニウムが１１％でイットリウムが０．２％のときのカルシウムの含有量変化による流動長と伸び比率との関係を示したグラフである。 チクソ成形領域を示したグラフである。

符号の説明

１０…射出成形機、１５…金型、ＨＭ…半溶融材料、Ｍ…原料チップ、Ｐ…成形品。

Claims (5)

1. 半溶融状態で射出成形されて薄肉部分を備えた成形品に成形されるマグネシウム合金であって、
   アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなることを特徴とするマグネシウム合金。
2. 前記イットリウムが、０．１５〜０．２５重量％である請求項１に記載のマグネシウム合金。
3. 半溶融状態に加熱溶解されたマグネシウム合金を射出成形することによって薄肉部分を備えた所定の形状に成形される成形品であって、
   前記マグネシウム合金を、アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなる材料としたことを特徴とする成形品。
4. アルミニウム９．５〜１１．５重量％、カルシウム０．４〜０．６重量％、イットリウム０．１〜０．３重量％、亜鉛０．６５〜１．７５重量％およびマンガン０．１７〜０．４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなるマグネシウム合金を半溶融状態に加熱溶解する加熱溶解工程と、
   前記加熱溶解工程によって、加熱溶解された前記マグネシウム合金を金型内に射出して成形体を成形する成形工程と
   を備えたことを特徴とするマグネシウム合金の成形方法。
5. 前記成形体が、厚みが０．８ｍｍ以下の薄肉部分を含んでいる請求項４に記載のマグネシウム合金の成形方法。
   

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