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難燃性マグネシウム合金押出製品(商品名:ノコマロイ) (PDF:330KB

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難燃性マグネシウム合金押出製品
Non-combustible Magnesium Alloy Extrusions
(商品名:ノコマロイ)
上田 光二
経営管理室 難燃性マグネシウム事業化プロジェクト
1.はじめに
要約
軽量で強度が強く、リサイクル性に優れた地球環境に優
近年、地球環境保護や温暖化対策から、軽量性とリサ
しい金属として注目を集めているマグネシウム合金を応
用し、構造材料として使用可能な難燃性マグネシウム合
金押出製品の実用化・製品化に成功し、鉄道車両用材料
燃焼試験で「不燃性」の認定を取得したので、その材料
特性、周辺加工技術、現状の実用化製品例等を紹介する
イクル性に優れたマグネシウム合金が注目され、携帯機
器(携帯電話、ノートパソコンなど)や自動車等の輸送
機器において実用化が進んできている。しかし、マグネ
シウム合金は非常に活性で燃えやすいために、製品とし
て使用するのに適していなかったり、成形や後加工に特
とともに、将来の展開について紹介する。
別な設備や安全管理を行う必要がある。
そこで、
(株)ケーエステクノス・アルミ事業部では活
性な性質を抑えた難燃性マグネシウムに着目し、独立行
政法人・産業技術総合研究所と共同研究「難燃性マグネ
シウム合金の熱間押出形材の製造に関する研究」を行い、
構造材料として使用可能な難燃性マグネシウム合金押出
製品の実用化・製品化に成功した。
2. 難燃性マグネシウム合金
難燃性マグネシウム合金は、通常のマグネシウム合金に
<参考文献>
1)上野英俊・坂本満他「難燃性マグネシウム合金の開発」
まてりあ 第39巻(2000)
2)軽金属協会「アルミニウム技術便覧」カロス出版(1996)
3)
(社)日本アルミニウム協会「アルミニウム統計表」
(平成
15年暦年)
4)日本マグネシウム協会「日本マグネシウム協会統計」
(2004)
5)小濱泰昭協力「浮上走行する高速列車エアロトレイン」
Newton12月号(2002)
6)東北大学・流体科学研究所・小濱研究室ホームページ
http://www.ifs.tohoku.ac.jp/kohama-lab/top-j.html
近畿車輌技報 第11号 2004.11
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図1 Ca添加量と発火温度の関係
カルシウムを添加することにより発火温度を200∼300℃
上昇させている。
図1はカルシウム添加量の異なるマグネシウム合金
(AZ91:アルミニウム9%、亜鉛1%、残りマグネシウ
ム)を1000℃の電気炉に入れ、その燃え出す温度を示し
Mg
Mg5Ca
図2 MgおよびMg5Caの表面酸化物組織
たもので、通常のマグネシウム合金(カルシウム添加量
が0%)では400℃を少し超えたあたりから発火するが、
図3 形材
図4 板 材
2%カルシウム添加のマグネシウム合金では発火温度が
1)
780℃以上になっていることが分かる。
表現を変えれば、通常のマグネシウム合金は溶解温度
領域で発火するが、難燃性マグネシウム合金は溶けて液
体の状態になってもすぐには発火しない。
これは、通常のマグネシウム合金は多孔質の酸化マグ
ネシウム皮膜に覆われているため酸素の供給を遮断でき
ないのに対し、難燃性マグネシウム合金では6∼20nm
(ナノメートル=10億分の1メートル)という極めて薄く、
緻密で平滑な酸化カルシウム皮膜に覆われているため、
その保護作用により酸素と遮断され、発火しにくくなる
図5 棒 材
図6 管 材
ことによる。通常のマグネシウム合金と難燃性マグネシ
ウム合金の表面組織を図2に示す。1)
3.難燃性マグネシウム合金押出製品
難燃性マグネシウム合金を押出加工した押出製品の一
例として、形材(図3)
、板材(図4)
、棒材(図5)
、管材(図
6)
、線材(図7)をそれぞれ示す。形材の形状・サイズ限
界を見極めるには、個別に細部の検討が必要であるが、当
社では直径140mmの外接円に収まる中実材や中空材が
一般的に生産可能である。また、板材は最大幅180mm×
板厚1mmや最小板厚0.
6mmの供給実績がある。また、
図7 線 材
線材では最小径3.
2mmの供給実績がある。
● 39●
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4.鉄道車両用材料燃焼試験
近い将来、鉄道車両部品や車両構体へ適用することを
視野に入れて、
(社)日本鉄道車両機械技術協会において、
板厚0.
8mmの難燃性マグネシウム合金押出製品を供試
体として、鉄道車両用材料燃焼試験を受けている。判定
は「不燃性」の区分を取得している。
(試験番号:車材燃
試15-189K)
5.周辺加工技術
図8 パイプのTIG溶接
5.
1 接合
接合は、FSW(摩擦撹拌接合)
、レーザー溶接、TIG
(タングステン イナート ガスシールド)溶接の3種類の
接合実績がある。外径20mm×肉厚1.
5mmの難燃性マ
グネシウム合金パイプ材を突き合せて同じ材質の溶接棒
を用いて全周を電流値40Aの交流電源でTIG溶接したも
のを図8に示す。今後は用途を特定した上で、開先形状
や溶接条件による継手効率の評価を深めていくことがテ
ーマのひとつである。
5.
2 切断
溶けてもすぐには発火しないという難燃性能を生か
図9 パイプの冷間曲げ
し、中空形材の板厚1.
2mmを出力4kWの炭酸ガスレー
ザー切断機を使用して、高圧窒素をアシストガスとし、
出力3.
8kW、切断速度8m/分で量産品を切断している。
5.
3 曲げ
難燃性マグネシウム合金は通常のマグネシウム合金と
同様に結晶が最密六方晶構造であり、常温下では加工に
よるすべり面をひとつしか持たないため、曲げ加工が難
しい金属である。しかし、事前に所定の熱処理を行えば
パイプベンダーを用いて冷間で曲げ加工が行える。外径
図10 多軸ヘッド
20mm×肉厚1.
5mmの難燃性マグネシウム合金パイプ
材を、パイプ中心線の曲げ半径80mmの条件で、出力
140kg/cm2のパイプベンダーを用いて曲げたものを図
9に示す。
立つため開示する時期を指定されることが多い。以下に、
開示の許可を得ている製品の例を示す。
6.実用化製品
6.
1
高速道路ETC遮断機の阻止棒
高速道路のETC遮断機に取り付けられている阻止棒の
押出品という素材供給の立場上、エンドユーザ様の最
骨材に難燃性マグネシウム合金押出製品が多く使われて
終製品は開示されなかったり、競合企業に対して優位に
近畿車輌技報 第11号 2004.11
いる。アルミニウム合金製に比べて重量面で優位であり、
● 40●
C-FRP
(カーボン繊維強化プラスチック)製に比べて価
格的に優位である。実際に、開閉速度をご覧いただけれ
8.まとめ
ば、レーザー切断加工で押出品をさらに軽量化している
難燃製マグネシウム製の骨材の優位性を理解していただ
長期的には、2020年にアメリカで運行が計画されて
けるであろう。
いる「エアロトレイン」
(三方が固体壁面に囲まれた凹型
6.
2
のガイドウェイ内を高速浮上走行する新交通システム)
多軸ボール盤の多軸ヘッド等
自動車関連の製造ライン内に配置された多軸ボール盤
(図11)のプロジェクトで、機体に難燃性マグネシウム
の多軸ヘッドやバリ取り機ヘッドのハウジングに、難燃
合金の採用が構想されている5)6)ことを励みに、ケーエ
性マグネシウム合金押出製品が採用されている。
(図10)
ステクノスの押出技術や近畿車輌グループの周辺技術を
ロボットハンドに持たせて振り回す場合や、人手で着脱
蓄積し、関係先を含めた押出製品トータルのコスト低減
する場合に要求される軽量化に効果がある。また、ハウ
を進めていきたい。
ジングの加工には旋盤での仕上加工があり、難燃性能が
通常のマグネシウム合金に比べて優位性を持っている。
7. 今後の展開
現在の軽金属の雄であるアルミニウム合金の工業的生
産が始まってから100年あまりであるが、その間に時効
硬化型合金、組織制御技術、分散強化合金、複合材料等
が開発され2)、用途にあった合金がリーズナブルな価格
(一部業界では値崩れを起こしている側面もある)で市場
図11 エアロトレインイメージ図
(東北大学HPを参考に当社で作図)
に提供されるようになっている。特に、1960年代より
サッシなど土木・建築用を中心にアルミニウム合金押出
材の生産が急増し2)、近年の国内生産量はアルミニウム
合金全体で400万トン/年間に達している。3)
一方、マグネシウム合金はまだ基本となる合金が開発
された段階で、国内総需要量は4万トン強/年間(アルミ
ニウム合金の1%)であり、その中でも押出材等の展伸材
は800トン程度(マグネシウム合金全体の2%程度)であ
る4)。
しかし、今後はアルミニウム合金の開発に要した期間
よりもさらに短い開発期間で400MPaの高強度を有する
合金、200℃程度の高温下でも強度を有する合金、熱処
理することにより600MPaの強度をもつ合金が開発され、
それらの合金に対応した各難燃性マグネシウム合金も開
発されていくものと考えている。
現在は、重量がアルミニウム合金の3分の2で、FRP
と同程度という軽量面の特徴を生かした用途で押出製品
が採用されているが、高温強度の実現により輸送機器の
内燃機関への適用にも道が開け、時効硬化の実現により
航空機への適用にも道が開けてくると考えている。
● 41●
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