カーボンブラック添加 AZ91D 合金成形品の機械的性質と微細組織の関係

平成 26 年度
修士論文要旨
機械プロセス・エネルギー工学領域
6625001
赤澤誠一
カーボンブラック添加 AZ91D 合金成形品の機械的性質と微細組織の関係
1 緒言
成分に Al を含むマグネシウム合金鋳物の結晶粒
微細化処理として，C2Cl6 のホスホライザによる炭
素添加法が工業的に使用されている (1)~(9)．しかし
近年になって，C2Cl6 はダイオキシンが発生する環
境負荷物質に指定されたこともあり，その使用が
制限されている(10)~(12)．本研究では，これに代わる
方法として，マグネシウム射出成形プロセスにお
いて炭素粉末を溶湯中に添加する手法を開発した．
この手法によって得られたマグネシウム合金成形
品の機械的性質と微細組織を調査するとともに，
これらの関係を明らかにすることを目的とした．
2 実験方法
供試材として射出成形用にチッピングされた
AZ91D 合金（0.5×1×4 mm，STU 製）および炭
素主体の微粒子であるカーボンブラック（以下 CB
と略，三菱化学製）を用いた．成形材料（以下
AZ91D+CB と略）は，これらを 3 条件の異なる重
量割合で磁製ボールミルに投入し，乾式混合によ
り AZ91D 合金の表面に CB を付着させて作製した．
本研究では，AZ91D 合金の表面に付着した CB の
重量を別途測定し，これを成形品への CB 添加量と
定義した．測定の結果，成形品は CB 添加量で区別
して AZ91D（CB 無添加），0.12mass%，0.23mass%
および 0.48mass%と呼称する．成形には，マグネ
シウム射出成形機（JLM75MG，日本製鋼所製）
を用いて，成形品（2.5 mm 厚平板）の固相率が
5%以下となるようシリンダ温度を AZ91D では
620℃，AZ91D+CB では 630℃に設定した．また，
金型温度および射出速度はそれぞれ 210℃，2.0
m/sec とした．
得られた成形品から，
図 1 に示す JIS Z 2201 14B
号に準拠した引張試験片（標点距離 17.8 mm）を
作製した．引張試験は油圧サーボ式疲労試験機を
用い，試験速度を 0.025 mm/sec，有効試験片数(n)
は 3 以上とした．また，引張試験片の平行部に相
当する部位（図 1 中 A-A 断面）について，組織観
察および結晶粒度試験を行った．組織は光学顕微
鏡および電子線マイクロアナライザ，結晶粒は電
子線後方散乱回折（ Electron BackScatter
Diffraction：EBSD）法による結晶方位解析を用い
て観察を行った．成形品の結晶粒度試験は JIS に
規定がないため，圧延板に関する規定 JIS H 0542
マグネシウム合金圧延板の結晶粒度試験法を参考
に，観察画像から結晶粒径を求めた．
3 実験結果および考察
図 2 に試験片平行部における光学顕微鏡組織を
示す．AZ91D において，黒く見えるところは大部
分が空洞である．AZ91D+CB においても，サイズ
の小さいものは空洞であるが，これとは別に直径
10-50 m の黒く見える組織が存在していた．この
組織を高倍率で観察したところ，約 1 m 以下の多
数の粒子から構成されており，アグロメレートと
呼ばれる CB の凝集体(13)であると考えられる．ま
た，その個数とサイズは CB 添加量の増加に伴って
大きくなった．
図 3 に試験片平行部における電子顕微鏡組織を
示す．白い部分は粒内または粒界近傍に分布して
いる母相に未固溶の共晶である．電子顕微鏡組織
では 0.23mass%の母相中に直径 1-3 m の粒子が
分散している様子が観察された．これらの粒子は
AZ91D においても観察されたが，その数は
0.23mass%と比較して極端に少なかった．共晶の
ミクロ偏析を考慮すると，粒子は結晶粒の中心に
存在していると判断でき，初晶マグネシウムの核
生成物質あるいは何らかの核生成物質を包含する
組織であると推測される．図 4 は図 3(b)中の粒子
について面分析を行った結果を示したものであり，
粒子は C の濃度が著しく高く，母相とは明らかに
組成が違うことが分かった．また，それらの箇所
は Al の濃度も高かった．このことから，粒子は C，
Al の元素から形成された化合物として存在して
(a)
Fig.1 Schematic drawing of tensile test
specimen.
(b)
Fig.2 Optical micrograph of (a) AZ91D and (b)
0.48mass%.
子も見られた．このことから，この組織は光学顕
Fig.3 Scanning electron micrograph of (a) AZ91D
and (b) 0.23mass%.
(a)
(b)
Fig.4 Result of EPMA area analysis at particle
in Fig.3(b). (a) carbon and (b) aluminum
いると考えられる．これまでに報告されているよ
うに，炭素添加法は，C を含む物質を添加するこ
とにより，分解された物質中の C と合金成分であ
る Al が化合物を形成し，それが核生成物質となっ
て微細な結晶粒が得られると言われている (10)~(12)．
このため，本手法も従来の炭素添加法と共通した
微細化機構を有すると考えられる．
画像解析により結晶方位マッピングから結晶粒
径を算出したところ，平均結晶粒径は AZ91D と比
較して CB 添加によって微細化し，0.23mass%に
おいて最小となった．また，これ以上の CB 添加を
行っても微細化効果は増大しなかった．これは鋳
造時の冷却速度に起因し，核生成物質の生成速度
と比較して粒成長の速度が速いためと考えられる．
このため，本研究の成形条件では 0.23mass%の添
加条件で最も微細化効果が得られると言える．
図 5 に応力-ひずみ線図を例示する．0.2%耐力，
破断ひずみは， AZ91D と比較してすべての
AZ91D+CB で向上した．0.2%耐力は，0.23mass%
以下の添加条件で大きく向上し，0.48mass%では
0.23mass%のそれと比較してやや低下した．また，
その向上割合は，AZ91D（平均 150 MPa）と比較
して最大で 15%程度であった．破断ひずみは，CB
添加量の増加に伴って緩やかに増加し，
0.48mass%において最も向上した．また，その向
上割合は，AZ91D（平均 2.9%）と比較して最大で
70%程度であった．一方，0.48mass%において破
断ひずみが大きく低下したものも見られた．そこ
で，破面を観察したところ，約 1 m 以下の多数の
粒子の集合から成る直径 10-50 m の組織が点在
していた．この組織は，0.12mass%，0.23mass%
においても存在していたが，特に，直径 30 m を
超えるサイズのものは 0.48mass%で多く観察され
た．また，図は省略するが，粗大なものの組織内
部にき裂が進展し，破面に沿って割れている様
微鏡組織で見られたアグロメレートであり，直径
が 30 m を超える粗大なアグロメレートが破壊の
起点となり，破断ひずみが低下したと考えられる．
図 6 中破線にて本研究で得られた 0.2%耐力と平
均結晶粒経との関係を示す．本研究で得られた関
係は，その絶対値に違いは見られるものの，千野
らによって報告された AZ91 合金押出品（図 6 中
実線(14)）と同様の結晶粒経依存性を有しており，
Hall-Petch の関係に従うことが分かった．また，
結晶粒微細化は粒界すべりを伴う変形機構の活動
を促し，延性を向上させることが報告されている
(15)~(20)．これらのことから，本研究においても CB
添加による結晶粒微細化が 0.2%耐力および破断ひ
ずみ向上の要因であることが示唆される．
250
Tensile stress [MPa]
(b)
200
150
100
AZ91D
0.12mass%
0.23mass%
0.48mass%
50
0
0
2
4
6
8
Tensile strain [%]
10
Fig.5 Example of stress-strain diagrams in
tensile test.
10
8
Grain size [m]
6
4
250
AZ91 (Ref.14) −1/2
y = 130+210d
Yield stress [MPa]
(a)
200
150
100
50
0.3
Present study
−1/2
y = 79.8+210d
AZ91D
0.12mass%
0.23mass%
0.48mass%
0.4
−1/2
−1/2
(Grain size)
[(m) ]
0.5
Fig.6 Influence of carbon black addition on
between yield stress and average grain size.
4 結言
AZ91D 合金へのカーボンブラック添加は，成形
品の結晶粒微細化を促し，0.2%耐力および破断ひ
ずみの向上に有効である．ただし，カーボンブラ
ック添加量の増加に伴って粗大になるアグロメレ
ートが破壊の起点となり，破断ひずみが低下する．
このため，本手法におけるカーボンブラック添加
量は 0.23mass%程度が適当であると判断する．
（参考文献省略）

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