JPH08511306A - 半溶融加工マグネシウム−ベリリウム合金 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ベリリウム化合物のない製品を作製するための、実用的なマグネシウム合金とベリリウム粉末との圧密物の半溶融加工について開示されている。本方法では、噴霧化あるいは粉砕したベリリウム粒子とマグネシウムの固体粒子あるいは液相と混合した溶融合金の凝集を避けて剪断力を印加する必要性をなくしている。図２および図３から、ベリリウム相（球状で非樹枝状結晶）をさらに加工してもその大きさおよび形状は変化しないということが分かる。

Description

【発明の詳細な説明】 半溶融加工マグネシウム−ベリリウム合金技術分野 本発明はベリリウムとマグネシウムとの合金に関する。特に、本発明は、ベリ リウム含有マグネシウム合金を作製してこの合金を有用な構造製品に形成するた めの方法である。従来の技術 現在、ベリリウムとマグネシウムとの実用的あるいは有用な構造合金は全く知 られていない。従来技術での利用できる情報としてＭｇＢｅ₁₃が報告されている が、これは周知の実用的な方法では使用することはできない脆弱な金属間化合物 である（Ｓｔｏｎｅｈｏｕｓｅ著 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍｐｕ ｒｉｔｙ Ｐｈａｓｅｓ『Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈ ．』１９７９年 第１巻 第１８２〜１８５頁）。一般に、市販のベリリウムは 、通常の精製工程においてＢｅＦ₂の還元に使用されるマグネシウムを残渣成分 として重量で１０００ｐｐｍ未満含有しており、このような微量のマグネシウム でさえも金属間化合物であるＭｇＢｅ₁₃として存在する（Ｗａｌｓｈ著 Ｐｒｏ ｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ『Ｂｅｒｙｌｌ ｉｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈ．』１９７９年 第２巻 第８頁）。Ｌ ｏｓ Ａｌａｍｏｓ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉ ｃ ＬａｂｏｒａｔｏｒｙにおいてＦ．Ｈ．Ｅｌｌｉｎｇｅｒ率いるグループに よってなされた初期の研究調査では、溶融マグネシウムを使用してＢｅＦ₂を還 元すると金属間化合物であるＭｇＢｅ₁₃が生成され、マグネシウムを使用してア ルミニウム−ベリリウムのプレアロイを希釈すると、大部分がベリリウム含有量 ３４．４％のＭｇＢｅ₁₃樹枝状結晶である全体的な塊が生じることが分かった（ Ｅｌｌｉｏｔｔ著 Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔ ｉｏｎ ｏｆ ＭｇＢｅ₁₃『Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ 』第１３版 １９５８年 第１〜１０頁）。ある英国人は、溶融マグネシウムで 浸潤した多孔性ベリリウム粉末を使用して得られた金属間化合物であるＭｇＢｅ₁₃ の脆弱であるという欠点を確認している（Ｊｏｎｅｓ著 Ｐｒｅｐａｒａｔｉ ｏｎ ｏｆ Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ−Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ａｌｌｏｙｓ ｂｙ Ｐｏｗｄｅｒ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ『Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒｇｙ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｍｅｍｏ ｒａｎｄｕｍ』１９６１年 ＡＥＲＥ Ｍ８２８）。Ｊｏｎｅｓは、このような 合金はベリリウム粒子を取り囲むＭｇＢｅ₁₃の網からなる構造を有し、このよう な構造が脆弱性および硬度に影響していることを確認した。 マグネシウム高含有母合金の加工時にベリリウムを保護酸化物として使用する ことは周知である。このようなベリリウムは、流動時にマグネシウムが酸化して 下流の処理段に分散されるのを防止するために使用されている。例えば、オハイ オ州ＥｌｍｏｒｅのＢｒｕ ｓｈ Ｗｅｌｌｍａｎ社は、５％以下のベリリウムを使用してマグネシウム高含 有ペレットを作製および分散している。このようなペレットは、粉末化したマグ ネシウムを粉末化したベリリウムと共にホットプレスすることで作製される。下 流の処理段での最終マグネシウム生成物における残留ベリリウム濃度は０．０１ ％未満である。 金属に対する従来の半溶融加工すなわちチキソフォーミングは、加熱液状化し た金属を冷却しながら連続的かつ強く撹拌することで得られる低い見掛け粘度を 利用した製造方法である（Ｂｒｏｗｎ著 Ｎｅｔｓｈａｐｅ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｖｉａ Ｓｅｍｉ−Ｓｏｌｉｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ『Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍ ａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ』１９９３年１月 第３２７〜３３ ８頁）。現在、有用な製品を形成するための金属の半溶融加工を示す語として、 レオキャスト、スラリーキャスト、チキソ鍛造および半溶融鍛造などの様々な専 門用語が使用されている。これらの専門用語はいずれも半溶融加工時の工程や使 用する装置の種類などによって付けられたものである。 一般に、半溶融加工では、まず金属をその液相線温度より高い温度まで加熱し て溶融金属または溶融合金を形成する。従来技術において周知の様々な方法を使 用し、液化した金属を緩徐に冷却しながら剪断力を印加して溶融物内に分散され たin situかつ等軸な粒子を形成する。これらの条件下はで、これらの金属は「 チキソトロピー性」すなわち半溶融性スラリー状態にあるといわれている。チキ ソトロピー性のスラリーは、非樹枝状結晶微細構造を特徴とし、大 量生産用の装置で比較的簡単に扱うことができ、鋳造材料の生産性を高めつつ処 理の自動化および精密制御が可能になる（Ｋｅｎｎｅｙ著 Ｓｅｍｉｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｆｏｒｇｉｎｇ『Ｍｅｔａｌｓ Ｈａ ｎｄｂｏｏｋ』第９版 １９８８年 第１５巻 第３２７〜３３８頁）。 半溶融性金属スラリーの非樹枝状結晶微細構造については、Ｆｌｅｍｉｎｇｓ の特許第３，９０２，５４４号に記載されている。この特許に開示されている方 法は、緩徐な冷却時に激しい対流を起こして等軸粒子分散を達成し、非樹枝状結 晶微細構造を生成することに焦点を絞った技術を代表するものである（Ｆｌｅｍ ｉｎｇｓ著 Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｔｈ ｅ Ｓｅｍｉｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ『Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｔｒａｎ ｓａｃｔｉｏｎｓ』１９９１年 第２２Ａ巻 第９５７〜９８１頁）。 本願開示の前になされて刊行されている調査研究は、高温剪断を使用して樹枝 状結晶成長構造を変形かつ破断する上で必要となる力の大きさを知ることに傾倒 している。半溶融性合金は、剪断速度によっては数百あるいは数千ポイズにもの ぼる粘度となることや（Ｋｅｎｎｅｙ著 Ｓｅｍｉｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｃ ａｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｆｏｒｇｉｎｇ『Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ』第 ９版 第１５巻 第３２７頁）、連続冷却時に測定した半溶融性スラリーの粘度 は印加した剪断力と密接な関連のある関数であり、剪断速度が高まるにつれて測 定粘度は小さくなる（Ｆｌｅｍｉｎｇｓ著 Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｍｅｔａ ｌ Ａｌｌｏｙｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｅｍｉ−Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ『ＡＳＭ Ｎｅｗｓ』１９９１年 ９月 第４〜５頁）ことが分かった。 このため、これに続く商業ベースの開発内容は、ダイス内で形成する前あるい は実質的にこれと同時に液化した金属を撹拌して半溶融性スラリー中にほぼ球状 すなわち微粒子化した微細構造を作り出す別の方法を開発することにあった。こ れらの形成方法に対する２つの改良として開発された方法は、（１）別個のミキ サーにてスラリーを生成して金型に移送するレオキャスト（２）ミキサーを備え た金型でビレットを鋳造し、金型内で直接球状微細構造を生成する半溶融鍛造の ２つである。 例えば、Ｗｉｎｔｅｒの特許第４，２２９，２１０号には、別のミキサーを使 用し、金属を冷却する際に電気力学によって乱流運動を誘導する方法が開示され 、Ｗｉｎｔｅｒの特許第４，４３４，８３７号および４，４５７，３５５号には 電磁流体力学撹拌機を備えた金型が開示されている。 冷却時の金属に剪断力を印加して半溶融性スラリーを形成するための様々な撹 拌方法が開発されている。例えば、Ｙｏｕｎｇの特許第４，４８２，０１２号、 Ｄａｎｔｚｉｇの特許第４，６０７，６８２号、Ａｓｈｏｋの特許第４，６４２ ，１４６号などは、いずれも液化した金属中で必要な剪断力を発生させるための 電磁気撹拌方法について記載している。所望の剪断速度を達成するための機械的 な撹拌については、Ｋｅｎｎｅｙの特許第４，７７１，８１８号やＧａｂａｔｈ ｕｌｅｒの特許第５，１８６，２３６号、Ｃｏｌｌｅｔの特許第４，５１０，９ ８７号などに記載されている。 ベリリウムの融点は１２８０℃超えるため、ベリリウム含有マグネシウム合金 に現段階で知られている半溶融加工技術を応用するのは非実用的である。この温 度かつ標準的な大気条件下では、マグネシウムは１１００℃の沸点で気化してし まう（Ｅｌｌｉｏｔｔ著 Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｉｄｅｎｔｉｆｉ ｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＢｅ₁₃『Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｃｅｒａｍ ｉｃｓ』第１３版 １９５８年 第１〜１０頁）。現在知られているチキソフォ ーミング加工では、ベリリウムに対して１２００℃を超える初期高温液化を施す 必要があり、これによってマグネシウムは気化してなくなってしまう場合がある 。事実、これは精製時にベリリウムからマグネシウム不純物を回収するために現 在使用されている商業ベースで利用可能な方法なのである（Ｓｔｏｎｅｈｏｕｓ ｅ著 Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍｐｕｒｉｔｙ Ｐｈａｓｅｓ『Ｂ ｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈ．』１９７９年 第１巻 第 １８４頁）。 本開示は、上述したベリリウム含有マグネシウム合金作製に伴う問題に対する 解決策について記載したものであり、金属合金を半溶融加工する上での新規な改 良物について説明するものである。発明の目的 従って、本発明の目的は、ベリリウム添加率１〜９９重量％の実用的なマグネ シウム系合金を提供することにある。 本発明の他の目的は、弾性率がマグネシウムよりも１００〜４００％高い実用 的なベリリウム含有マグネシウム合金を提供すること にある。 本発明のさらに他の目的は、ベリリウムなどの一定の金属には必要な極めて高 い液相線温度への加熱を必要としない半溶融加工方法を提供することにある。 本発明の他の目的は、剪断力の印加を必要としない半溶融加工方法を提供する ことにある。 本発明の別の目的は、完全な液状金属加工の必要性をなくすことのできる、１ 〜９９重量％の粉末化ベリリウムを使用したマグネシウム合金の半溶融加工を提 供することにある。 本発明のさらに他の目的は、有意な量のベリリウムを含有する精密網状マグネ シウム部品を形成することのできる方法を提供することにある。 本発明のさらに別の目的は、マグネシウムの密度に近い低密度でベリリウムの 弾性率に近い高弾性率の合金を提供することにある。 本発明の他の目的は、有害なマグネシウム−ベリリウム金属間化合物の形成を 防止できる、１〜９９重量％の範囲でベリリウムを含有するマグネシウム系合金 の精密部品を生成するための技術を提供することにある。 本発明の他の目的については、以下の開示内容を熟読することで当業者らに明 らかになろう。発明の開示 本発明は、ベリリウム含有マグネシウムの実用的な母合金を提供 する方法と、有為な量のベリリウムを含有する網状マグネシウム−ベリリウム部 品を得るための手段とを含む。「網状」という用語は、ここではその最終形状に 極めて近い部品すなわち使用前にほとんど機械加工を施さずにすむ精密鋳造物を 示すものとする。 図１を参照すると、極めて最近認められたマグネシウム−ベリリウム合金の相 図が示されている（Ｎａｙｅｂ−Ｈａｓｈｅｍｉ著 Ｔｈｅ Ｂｅｒｙｌｌｉｕ ｍ−ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｓｙｓｔｅｍ『Ａｌｌｏｙ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒ ａｍｓ Ｍｏｎｏｇｒａｐｈ』ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ １９８７ 年 第１１６頁）。他の合金系の相図と比較すると、Ｍｇ−Ｂｅ図は比較的不完 全であり、Ｍｇ−Ｂｅ系についての知識や経験の限られている現段階での技術の 状態を反映している（Ｂｒｏｐｈｙ著 Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｃｏｕｐｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ Ｐｈａｓｅ Ｄｉａｇｒａｍ『Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ』１９８７年 第９１〜９５頁）。しかしながら、 図１に示される図から認められるはっきりとした特徴の１つに、金属間化合物Ｍ ｇＢｅ₁₃の形成が予想されるということがある。 本願開示では、驚くべきことに有害な金属間化合物であるＭｇＢｅ₁₃の形成を 防止できる液状あるいは粉末状のマグネシウムに分散させた固体ベリリウム粒子 を使用してベリリウム含有マグネシウム合金を生成する新規な方法であって、こ のような新規なベリリウム含有マグネシウム合金の半溶融加工を可能にする方法 について記載している。 本発明の特許請求の範囲に記載された合金は、他の周知のマグネ シウムに近い密度とベリリウムに近い弾性率を有し、この弾性率はベリリウム含 有量が増えるにつれて高くなる。弾性率は６６０万ＰＳＩのマグネシウムと４４ ００万ＰＳＩのベリリウムとを線形的に組み合わせた場合の弾性率に近い。これ は、同様の構造を有するアルミニウム−ベリリウム合金において特性を予想する のに有効であるとされた「混合律」に矛盾なく一致する。 本発明の合金は、周知のインゴット冶金や周知の噴霧技術では作製することが できず、ここに開示の方法を使用してはじめて液体あるいは固体のマグネシウム と固体粒子状のベリリウムとを高信頼度で組み合わせることができる。本願明細 書では、金属間化合物を形成せずに物質の所望の混合物を生成するよう液状ある いは粉末状のマグネシウムに適宜分散させた固体ベリリウム粒子について記載し 、特許請求の範囲において権利請求してある。以下の表は、本発明に基づいて作 製された様々なベリリウム含有マグネシウム合金の特性についてまとめたもので ある。 開始物質は２種類の粉末の混合物であり、これら２種類の粉末が加工中に分離 する傾向は全くないので、ベリリウムを１〜９９％含有するマグネシウム合金組 成物を得ることができる。市場での最も 高い要求事項の１つとして、弾性率は高く密度の増加はないマグネシウム系合金 に対する需要がある。 表Ｉに示されるように、マグネシウム合金の持つ特性からベリリウムの特性ま で、特性が連続的に変化している。例えば、ベリリウムを５％増加することで、 マグネシウム合金系のものと比較して同密度での弾性率を２８％高めることがで きる。このように、本願明細書に開示した方法によれば、マグネシウム系合金に ５％という最低限のベリリウムを添加することで弾性率を少なくとも２５％高く することができる。 本発明の好ましい実施態様において、好ましくは液状ベリリウム用の噴霧工程 によって生成された球状ベリリウム粉末と、粉末状あるいはチップやその他の粗 砕したマグネシウムとを混合する。球状ベリリウム粉末は、当業者間で周知の技 術である不活性ガス噴霧によって得られたものである。噴霧ベリリウムの使用は 、ここに開示の半溶融加工においては好ましい。粒子を球状にすることで形成時 の流動性を改善でき、使用する装置の表面への浸食を抑えることができるためで ある。 ベリリウム粉末を得るための他の方法は、Ｓｔｏｎｅｈｏｕｓｅ著 Ｄｉｓｔ ｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｍｐｕｒｉｔｙ Ｐｈａｓｅｓ『Ｂｅｒｙｌｌｉｕ ｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈ．』１９７９年 第１巻 第１８２〜１８４ 頁に記載されている。球状ベリリウム粉末と共に、あるいはこの粉末の代わりに 粉砕ベリリウムを使用することもできる。粉砕ベリリウムは、一般に当業者間で 周知のコールドストリームプロセスなどの衝撃粉砕によって生成 される。本発明を実施するにあたって適用できるベリリウム粉末を微粉砕する上 述の方法を含む標準的な方法は、Ｍａｒｄｅｒ著 Ｐ／Ｍ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇ ｈｔ Ｍｅｔａｌｓ『Ｍｅｔａｌｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ』第９版 １９８４年 第７巻 第７５５〜７６３頁、ＳｔｏｎｅｈｏｕｓｅおよびＭａｒｄｅｒ共著 Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ『ＡＳＭ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｅｔａｌｓ Ｈ ａｎｄｂｏｏｋ』第１０版 １９９０年 第２巻 第６８３〜６８７頁、Ｆｅｒ ｒｅｒａ著 Ｒｏｃｋｙ Ｆｌａｔｓ Ｂｅｒｙｌｌｉｕｍ Ｐｏｗｄｅｒ Ｐ ｒｏｄｕｃｔｉｏｎ『Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ Ａｔｏｍｉｃ Ｅｎｅｒ ｇｙ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ』１９８４年 第２巻 ＪＯ ＷＯＧ ２２／Ｍ２Ｏなどに記載されている。いずれの場合も、上述した刊行物 の内容に関する調査研究において使用されたベリリウム開始物質は、オハイオ州 ＥｌｍｏｒｅのＢｒｕｓｈ Ｗｅｌｌｍａｎ社から提供されたものである。 商業用の純マグネシウムおよびマグネシウム合金粉末は、従来ＡＺ−９１Ｄな どと呼ばれている、アルミニウム９％と亜鉛１％とを含有するマグネシウム系合 金を供給しているニュージャージー州ＬａｋｅｈｕｒｓｔのＲｅａｄｅ Ｍａｎ ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社などから入手できる。商業的に純粋なマグネシウムを含 むその他の周知のマグネシウム生成物は、ミシガン州ＭｉｄｌａｎｄのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社から入手できるものなど、本発明の方法による加工に等しく 適用することができる。 好ましい実施態様では、球状ベリリウム粉末とチップ状のマグネ シウムとの固体混合物を、マグネシウム系成分のみが溶融するような温度（一般 に６５０℃を超える温度）まで加熱する。これによって、液状マグネシウム中に ベリリウム粉末粒子が懸濁した状態となる。このように、温度を極端に高くしな くてもＭｇ−Ｂｅの半溶融性スラリーが得られ、融液に外部剪断力を印加するこ となく非樹枝状結晶微細構造を形成できる。 図２は、本発明による方法で６５０℃を超える温度でマグネシウム合金粉末と 等軸ベリリウム粉末とを真空ホットプレスして得られたマグネシウム−ベリリウ ム合金の無化合物構造における好ましい非樹枝状結晶ベリリウム部分を示す顕微 鏡写真である。図２に示される構造は、構成部品を得るための適所での凝固など の直接的な工学用途に有用であり、連続圧延、鍛造、押出などの従来の金属加工 工程に適用できる。 図２に示される構造は、網状部品を生成するための半溶融加工用の前駆体とし ても利用できる。図３は、図２に微細構造を示したマグネシウム−ベリリウム合 金の半溶融加工後の好ましい構造を示す顕微鏡写真である。この加工では、凝固 前に撹拌などの剪断工程は全く必要としなかった。図２および図３において示さ れる構造は、好ましくない金属間化合物の全くないものである。適宜修正を加え た押出成形装置あるいはダイカスト装置を使用して、図３に示すものと同様の構 造を有するチキソトロピー性混合物を射出あるいは成形する。一般に、このよう な工程は、プラスチックの射出成形に使用されるものと類似の装置において実施 される。 従来の半溶融加工は主に２つの部分に分けられる。すなわち、 （１）適切な開始微細構造を得るために必要な原料調製ステップおよび（２）半 溶融剪断ステップである。周知の方法とは異なり、ここに開示の方法では、２種 類の粉末成分をこれらの成分の一方のみの固相線温度よりも高い温度まで加熱す ることで、適当な構造が瞬時かつ自動的に生成されるため、従来の原料調製ステ ップは必要ない。 マグネシウム中におけるベリリウムの限界固溶度やベリリウム中におけるマグ ネシウムの末端溶解性は極めて僅かであるかあるいは全くない。したがって、本 発明による独特の半溶融加工によってチキソトロピー的に形成される物質の加工 温度は、マグネシウム高含有成分の液相線温度（６５０℃）以下のままである。 このため、ベリリウムを溶融するのに必要な極めて高い温度に耐える必要のない 簡素かつ比較的安価な工学材料で作った装置を使用することができる。 加工温度については、スラリー中の固体物質の所望の体積率に応じて選択する 。スラリー中の固体比率分の総量は、添加する固体ベリリウム量プラス部分的に 溶融したマグネシウム成分の固体部分（存在すれば、であるが）の量から求める ことができる。 本発明による方法は低温で実施されるため、マグネシウムおよびベリリウムの 金属間化合物の生成を抑えることもできる。アルミニウムなどの元素をマグネシ ウムに添加すると、加工温度はさらに下がり、ベリリウムに対するマグネシウム の潜在的な反応性を実質的になくすことができる。これらの革新的なコンセプト に基づいて、マグネシウム生成物では一般的な低温でマグネシウム−ベリリウム 合金を網状半溶融加工することができる。 半溶融成形方法として一般に知られているのは、（１）密閉型内で圧搾するこ とによって合金加工物を成形するかあるいはプランジャによって永久鋳型キャビ ティに流入させるチキソトロピー鍛造（半溶融鍛造）と、（２）回転オージェフ ィードストロークによって永久鋳型キャビティに半溶融性金属を導入するチキソ トロピー鋳造（半溶融成形）の２つである。実施例において後述するように、こ れらの加工方法はいずれも本発明と共に使用することのできるものである。図面の簡単な説明 図１は現在のマグネシウム−ベリリウム相図である。 図２は、本発明の方法によって得られたマグネシウム−ベリリウム合金のベリ リウム部分における非樹枝状結晶微細構造を示す顕微鏡写真である。 図３は、図２に構造を示したマグネシウム−ベリリウム合金の半溶融加工後の ベリリウム部分における非樹枝状結晶微細構造を示す顕微鏡写真である。発明の詳細な説明 以下の実施例１〜７に概要を記載した試験を実施し、固体ベリリウム粉末の添 加物を含有するマグネシウム合金の網鋳造物を生成した。このようなマグネシウ ム−ベリリウム合金は、（１）チキソ成形TM加工（２）in situ凍結（３）密閉 型鍛造を使用した半溶融状 態から生成された。これらの実施例から、固体ベリリウム添加物を使用してのマ グネシウム系合金のチキソトロピー形成は剪断力を外部から印加しなくても実施 可能であるということがはっきりと分かる。 試験開始前に、補助ＨＥＰＡＶＡＣ換気を含むあらゆる環境健康安全装置を設 置した。試験中および最終クリーンアップ作業時に定期的にエアカウントを取っ た。試験時、参加者はいずれも適当なエアフィルタマスクおよび衣服を着用した （安全基準の詳細についてはオハイオ州ＣｌｅｖｅｌａｎｄのＢｒｕｓｈ Ｗｅ ｌｌｍａｎ社から入手可能）。 チキソ成形は、ミシガン州Ａｎｎ ＡｒｂｏｒのＴｈｉｘｏｍａｔ社によって 開発された半溶融成形方法であり、いずれもミシガン州ＭｉｄｌａｎｄのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社に譲渡された米国特許第４，６９４，８８１号、第４，６ ９４，８８２号および第５，０４０，５８９号に基づいて実施許諾されている。 これらの特許は、金属合金の射出成形方法および装置について開示している。従 来の技術の項目において説明したように、現在の技術は、これら３件の特許にお いて開示されている教示内容も含めて、いずれも実質的に液状化させた金属に剪 断力を印加しなければ必要な非樹枝状結晶微細構造を生成することができない。 チキソ成形方法で必要な装置を一部修正して実施例１〜５での試験に使用したが 、このチキソ成形方法のうち非樹枝状結晶微細構造を生成するために液相線金属 に剪断力を印加する部分については利用しなかった。 実施例１：開始物質の調製 ＡＺ−９１Ｄと呼ばれるマグネシウム高含有組成物を基本物質として使用し、 Ｓ−２００Ｆ粉末などのベリリウムを添加した。マグネシウム原料には、テキサ ス州ＦｒｅｅｐｏｒｔのＤｏｗ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ社製のチップ状Ｔｈｉｘｏ ｍａｇ ＡＺ−９１Ｄを使用した。以下の表はＡＺ−９１Ｄの組成を示すもので ある。 ６０％ベリリウムを真空ホットプレスして得られたチップとしてベリリウムを 添加した。真空ホットプレスは、ニュージャージー州ＬａｋｅｈｕｒｓｔのＲｅ ａｄｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社 によって提供された−２００メッシュのＡＺ−９１Ｄ粉末と、オハイオ州Ｅｌｍ ｏｒｅのＢｒｕｓｈ Ｗｅｌｌｍａｎ社製の衝撃粉砕ベリリウム粉末Ｓ−２００ Ｆから得られたものである。 これらの粉末を容量１０立方フィートの二重円錐混合器中で１０分間混合した 。１０５０°Ｆ（５６６℃）で４〜６時間真空ホットプレスを実施し、理論値の ８６％の密度を達成した。プレスをスキンし、プレスダイからの炭素不純物を除 去してチップ状に機械加工した。この６２％ベリリウムプレスから得られたチッ プをＴｈｉｘｏｍａｇ ＡＺ−９１Ｄチップで希釈し、ベリリウム含量の低い合 金を生成した。これらをウィスコンシン州ＲａｃｉｎｅのＴｈｉｘｏｍａｔ社で 圧延混合した。 実施例２：初期試験 まず、本方法をベリリウム添加物を使用せずにＡＺ−９１Ｄについて安定させ た。槽およびオージェに沿った温度はＡＺ−９１Ｄで使用されている一般的な温 度とし、ノズル温度を１０７０°Ｆ（５７７℃）を超える温度とした。本方法を 安定した状態で達成する場合には、ベリリウム含有チップの添加を入力物質ホッ パーで行った。１回目の添加物は、未希釈の６０％ベリリウム原料約４４ポンド （ｌｂｓ）をホッパー内でＴｈｉｘｏｍａｇ約１５ポンドに添加したものからな り、系を速やかに失速させる過剰に濃度の高い原料が得られた。温度をＡＺ−９ １Ｄの液相線温度より高いところまで上昇させてもスクリューは自由にならなか った。 分解後、フィードスクリューの横溝と一方向弁とがほとんど純な ベリリウム粉末で詰まっていることが分かった。金属分析を行った結果、機械の 失速前に鋳造物中のベリリウムのかなりの部分が凝集物の形になり、高圧および 過剰なベリリウム粉末負荷下で粒子のインターロックを引き起こしたことが明ら かになった。代わりのスクリューを設置し、機械を再調整して試験を継続した。 実施例３：第２試験 １回目の試験の時と同様に、系にベリリウムを添加する前にＡＺ−９１Ｄ入力 物質で本方法を安定させた。様々な領域での温度をいずれもＡＺ−９１Ｄの液相 線温度である１１０７°Ｆ（５９７℃）より高い温度に維持した。Ｔｈｉｘｏｍ ａｇのみで３０分フルショットした後、フィーダーをオフにして、機械を動作さ せて系を清浄した。槽を空にした後、３０％ベリリウム２５．５ポンドと純粋な Ｔｈｉｘｏｍａｇ９．５ポンドとを、Ｔｈｉｘｏｍａｇ１６ポンドを仕込んだホ ッパーに入れた。この結果、完全希釈されたベリリウム含量は１５重量％になっ た。フィーダーを再始動し、１０ショット後に完全鋳造物を作製した。１日の系 ショットダウンを必要とする補助装置保守前に２０を超える完全鋳造物が作製さ れた。 実施例４：第３試験 ホッパー内に１５％ベリリウム材料を残して通常のセットアップを行った。３ ０回のフルショット後、ホッパー混合系の効率に応じて見積りで２２〜２８重量 ％のベリリウム製品を得るために３０重量％の材料２５ポンドをホッパーに添加 した。ショット数５９で、３０重量％の材料さらに１９．５ポンド（１ｌｂ）を ホッパーに添加した。５ショット後、スクリュー圧が生じはじめた。全鋳造物を いくつか作製したが、チップや鋳造物の供給に困難をきたした。ノズル温度は１ １３０°Ｆ（６１０℃）としたが材料は最初の試験の時と同様にプラグに詰まっ てしまった。動作を終了させて合金を分析したところ、ベリリウムは約１２．５ ％であった。 ベリリウム濃度１２．５％で成功したのは有意であった。この方法が実現可能 であることを示したものであり、さらなる改良の道を開いたからである。機械的 な用途におけるこの合金の性能上の利点は、表Ｉに示したデータ（発明の開示部 分）から理解できよう。ベリリウム濃度１２．５％では、弾性率は約１３５０万 ｐｓｉで、マグネシウムと比べると密度および熱膨張率については同等のままで 弾性率が約７０％改善された形になる。 実施例５：薄肉部品鋳造 実施例４と同一の鋳型に薄肉部品用キャビティを設け、本発明による半溶融合 金の充満性と薄肉部品生成能について試験した。実施例４と同一の条件下で厚さ ０．０１９インチの薄い試料を連続的に生成することができた。最終加工部分の 金属組織学から、実施例４ における比較的大きな鋳造物とほぼ同じ組成すなわちマグネシウム合金マトリク ス中にベリリウム相が均一に分散した状態になっていることが分かり、本発明で 精密成分を得ることも可能であるということが示された。 実施例６：半溶融状態からのIn-situ凍結 図２は、マグネシウム合金粉末と等軸ベリリウム粉末とを真空ホットプレス後 に適宜凝固させたマグネシウム−ベリリウム合金中にＭｇＢｅ₁₃金属間化合物が 存在しない非樹枝状結晶微細構造を示す。本発明による方法を行っている間は第 ２相（ベリリウム）は固体状態のままであるので、非樹枝状結晶構造は剪断力を 印加しなくても達成される。 図２に示される構造は、噴霧ベリリウム（−２００メッシュ）４０重量％とマ グネシウム合金ＡＺ−９１Ｄ（−３２５メッシュ）６０％との混合粉末を使用し 、これをマグネシウム合金のみが溶融するように加圧しながら真空１１００°Ｆ （５９３℃）で加熱して半溶融スラリーを圧密して作製されたものである。以下 の実施例７において簡単に説明するように、この合金を半溶融加工での前駆体と して使用した。 実施例７：密閉型鍛造 図３は、半溶融鍛造後でも実施例６で得られたマグネシウム−ベリリウム合金 のＭｇＢｅ₁₃金属間化合物のない非樹枝状結晶微細構造が維持されることを示す 。実施例６での加工と同様に、ここでも 半溶融鍛造時に外部からの剪断力の印加は必要なかった。 実施例６で作製した前駆体から固体のＭｇ−Ｂｅビレットを機械加工した。酸 化に対する保護環境としてアルゴンガスを使用し、ビレットを炉内で１０５０° Ｆ（５６６℃）まで加熱した。予加熱したビレットをトングを使用して鋳型に移 送し、密閉キャビティ内に射出成形してこのキャビティ内で凝固させた。図３は 、このようにして射出／鍛造工程後に得られた微細構造を示す。ベリリウムは加 工工程中全般を通して固体のまま維持されているため、ベリリウム相の大きさお よび形状は工程を追加したことによって変化することはなかった。 実施例８：マグネシウム合金の加工 この実施例は、ベリリウムとマグネシウムあるいはマグネシウム合金とから得 られる成分部品を標準的な粉末冶金技術を利用して標準的な加工の前に製造する ことについて示すものである。まず、マグネシウム粉末を衝撃粉砕したベリリウ ム粉末４０重量％と混合する。この混合物を、直径約６．５インチのネオプレン あるいはその他の可撓性円筒容器に仕込み、４０ｋｓｉの圧力で低温静水圧加圧 して気孔率が約２０％の圧密物を得た。次に、可撓性容器を除去し、マグネシウ ムとベリリウムとの圧密物を押出用に銅製の円筒缶に仕込む。 この缶は適当な留め具によって真空ポンプに取り付けられており、空気および その他の気体を缶から除去した後、真空状態の缶を密封する。最終押出直径が１ ．５インチになるように温度範囲３００〜 ６００°Ｆでダイスから押出すことで、冷却静水圧加圧した混合粉末を固体の棒 として焼固し、最終成分としての加工が施せる状態とした。表ＩＩＩを参照する と、完全に密な棒原料の特性は１立方インチあたり弾性率２１２０万ｐｓｉで密 度０．０６４６ｌｂであることが分かる。 一方、最終押出直径が１．５インチになるように温度範囲３００〜６００°Ｆ でダイスから押出した後、棒を切断して長さ２〜３インチにした。これらの短い 棒を１１２０°Ｆの温度まで加熱し、半溶融鍛造して網状部品とした。完全に密 な鍛造物の特性は、１立方インチあたり弾性率２１２０万ｐｓｉで密度０．０６ ４６ｌｂである。 実施例９：マグネシウム合金の半溶融加工 この実施例は、粉末を混合後にホット静水圧加圧し、続いて周知 の鍛造を施して形を作るよう一部修正した半溶融加工法によって成分部品をどの ようにして作製するかについてまとめたものである。 マグネシウム粉末と４０重量％のベリリウム粉末とを混合し、真空ホットプレ スダイに仕込む。温度１１２０°Ｆ、圧力１０００ｐｓｉで真空ホットプレスを 実施し、した。 次にこのビレットをホット静水圧プレス内に仕込み、圧力１５ｋｓｉ、温度８ ５０°Ｆで加圧して完全密度を達成した。このようにして得られた部品を例えば ８５０°Ｆなどの完全に固体になるような温度で鍛造し、最終成分として機械加 工した。特性は表ＩＩＩに示して実施例８において説明したものと同様である。 一方、粉末を混合した後にホット静水圧加圧し、完全密度を達成してから半溶 融鍛造して形を形成するよう半溶融加工工程を修正して部品を作製することもで きる。１１２０°Ｆ、圧力１０００ｐｓｉでの真空ホットプレス後、理論密度９ ５％（気孔率５％）を達成する。このビレットを１０５０°Ｆで半溶融状態で網 状に近いところまで鍛造すると、特性は表ＩＩＩに示したものと近いものになる 。 マグネシウムあるいはマグネシウム合金とベリリウム粉末とを混合する本発明 による方法を修正することで、従来の加工方法を利用して有用な成分部品を簡単 に製造することができる。従って、混合粉末を真空ホットプレス（ＶＨＰ）やホ ット静水圧プレス（ＨＩＰ）、押出などの標準的な冶金技術によって焼固し、所 望の組成を有する、成分への製造に有用な物質を得る。 半溶融状態での加工は必ずしも本発明によるマグネシウムまたはマグネシウム 合金とベリリウムとの部品の成分を作製する上で必要なものではない。従来の半 溶融加工方法を修正して使用した場合には、マグネシウムあるいはマグネシウム 合金とベリリウムとの混合粉末を、加工時に金属間化合物が形成される温度より も低い温度で加工しなければならないというだけのことである。この温度はマグ ネシウムおよび殆どのマグネシウム合金の融点よりも高い温度である。 合金の調製後、焼固材料を以下のようにして加工する。 （ｉ） 従来の粉末混合および焼固によって得られたビレットから直接最終部 品を機械加工する。 （ｉｉ） 従来の粉末混合および焼固によって得られたビレットから部品に対 して従来の（完全に固体の）鍛造を施す。 （ｉｉｉ） 従来の粉末混合および焼固によって得られたビレットから部品に 対して従来の（完全に固体の）押出を施す。 （ｉｖ） 従来の粉末混合および焼固によって得られたビレットから部品に対 して従来の（完全に固体の）圧延を施す。 真空ホットプレス、ホット静水圧プレスあるいはその他の粉末焼固法によって 製造されたベリリウム含有マグネシウム合金のプレフォームを以下の（ａ）〜（ ｄ）で示される従来の金属製造方法あるいは（ｅ）〜（ｇ）で示される半溶融加 工によってさらに加工する。 （ａ） 半溶融加工によって製造されたビレットから直接最終部品を機械加工 する。 （ｂ） 半溶融加工によって製造されたビレットから部品に対して従来の（完 全に固体の）鍛造を施す。 （ｃ） 半溶融加工によって製造されたビレットから部品に対して従来の（完 全に固体の）押出を施す。 （ｄ） 半溶融加工によって製造されたビレットから部品に対して従来の（完 全に固体の）圧延を施す。 （ｅ） チキソトロピー鍛造（半溶融鍛造、プランジャ法）。 （ｆ） チキソ成形、チキソトロピー鋳造（半溶融成形、オージェ法）。 （ｇ） チキソトロピー（半溶融）押出。 本開示内容に基づき、本発明に様々な修正および変更を施すことができる。こ れらの変更および追加は、以下の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨およ び範囲に包含されるものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 約１重量％から約９９重量％のベリリウムと残りがマグネシウム成分とか らなるベリリウム含有マグネシウム合金において、前記合金はＭｇＢｅ₁₃金属間 化合物を含有しないことを特徴とするベリリウム含有マグネシウム合金。 ２． 前記ベリリウムは等軸であり、該ベリリウムは前記マグネシウム成分中に 分散されていることを特徴とする請求項１記載のベリリウム含有マグネシウム合 金。 ３． 約５重量％から約８０重量％のベリリウムを含有することを特徴とする請 求項２記載のベリリウム含有マグネシウム合金。 ４． 約５重量％から約８０重量％の等軸かつ実質的に純なマグネシウムに分散 されたベリリウムを含有することを特徴とする請求項１記載のベリリウム含有マ グネシウム合金。 ５． 約５重量％から約８０重量％の等軸かつマグネシウム高含有組成物に分散 されたベリリウムを含有することを特徴とする請求項１記載のベリリウム含有マ グネシウム合金。 ６． 前記合金のベリリウム部分は非樹枝状結晶構造を有することを特徴とする 請求項１記載のベリリウム含有マグネシウム合金。 ７． 前記合金は半溶融方法を修正することによってさらに加工可能であること を特徴とする請求項１記載のベリリウム含有マグネシウム合金。 ８． 前記修正した半溶融方法は、密閉型鍛造、半溶融鍛造および半溶融成形か らなる群から選択されることを特徴とする請求項７記載のベリリウム含有マグネ シウム合金。 ９． 前記等軸ベリリウムは、機械粉砕粉末ベリリウムと噴霧化球状粉末ベリリ ウムとからなる群から選択されることを特徴とする請求項２記載のベリリウム含 有マグネシウム合金。 １０． 前記合金はマグネシウムと比べて少なくとも２５％高い弾性率を有する ことを特徴とする請求項３記載のベリリウム含有マグネシウム合金。 １１． 請求項１の合金を含む製造品であって、 （ａ） 約６．５から約１４．４ｉｎ／ｉｎ／°Ｆ×１０^-6の範囲内の熱膨張 係数と、 （ｂ） 約４３．９から約６．８ＭＳＩの弾性率と、 （ｃ） 約０．０６７から約０．０６３ｌｂｓ／ｉｎ³の密度と、を有する製 造品。 １２． ベリリウム含有マグネシウム合金を製造するための方法において、 （ａ） 粉末状態のマグネシウム成分と粉末状態のベリリウム成分とを提供す るステップと、 （ｂ） 前記マグネシウムとベリリウム成分とを混合するステップと、 （ｃ） マグネシウムの固相線温度付近よりも高い温度で前記マグネシウム成 分を溶融させるステップと、 を含むことを特徴とするベリリウム含有マグネシウム合金の製造方法。 １３． 前記ベリリウム成分は等軸かつ前記マグネシウム成分中に分散されてい ることを特徴とする請求項１２記載のベリリウム含有マグネシウム合金の製造方 法。 １４． 前記等軸ベリリウムは、機械粉砕粉末ベリリウムと噴霧化球状粉末ベリ リウムとからなる群から選択されることを特徴とする請求項１３記載のベリリウ ム含有マグネシウム合金の製造方法。 １５． 前記マグネシウム成分は実質的に純粋なマグネシウムであることを特徴 とする請求項１２記載のベリリウム含有マグネシウム合金の製造方法。 １６． 前記マグネシウム成分はマグネシウム高含有組成であるこ とを特徴とする請求項１２記載ベリリウム含有マグネシウム合金の製造方法。 １７． 前記溶融ステップは、真空ホットプレス、ホット静水圧プレスおよび押 出からなる群から選択されることを特徴とする請求項１２記載のベリリウム含有 マグネシウム合金の製造方法。 １８． 密閉型鍛造、半溶融鍛造および半溶融成形からなる群から選択されるス テップをさらに含むことを特徴とする請求項１２記載のベリリウム含有マグネシ ウム合金の製造方法。 １９． ベリリウム含有マグネシウム合金を製造するための方法において、 （ａ） 粉末状態のマグネシウム成分と粉末状態のベリリウム成分とを提供す るステップと、 （ｂ） 前記マグネシウムとベリリウム成分とを混合するステップと、 （ｃ） マグネシウムの固相線温度付近よりも高い温度で前記マグネシウム成 分を溶融させ、液状マグネシウム中に分散させた固体ベリリウムの半溶融性スラ リーを生成するステップと、 （ｄ） ステップ（ｃ）の半溶融性スラリーをin situ鋳造するステップと、 を含むことを特徴とするベリリウム含有マグネシウム合金の製造方法。