ステアリングホイール製造に使用されるマグネシウム合金の微細組織と機械的特性のモニタリング

この紹介論文は、「MANUFACTURING TECHNOLOGY」によって発行された論文 [Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing]に基づいています。

1. 概要:

• 論文タイトル: Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing (ステアリングホイール製造に使用されるマグネシウム合金の微細組織と機械的特性のモニタリング)
• 著者: Iva Nová, Jiří Machuta
• 発行年: 2013
• 掲載学術誌/学会: MANUFACTURING TECHNOLOGY
• キーワード: マグネシウム合金 MgAl5Mn, 高圧ダイカスト, 組織, 機械的特性 (magnesium alloy MgAl5Mn, high pressure die casting, structure, mechanical properties)

2. 抄録:

本論文は、マグネシウム製ステアリングホイールの微細組織と機械的特性について述べる。これらのステアリングホイールは高圧ダイカスト(High-pressure die casting, HPDC)によって製造される。HPDCは、マグネシウムやアルミニウム合金のような軽金属から複雑な機械部品を製造するための非常に優れたプロセスである。しかし、近年では、より軽量な車両と燃費向上の探求において、別の軽金属が前面に出てきている。ダイカスト自動車部品に最も一般的に使用されるマグネシウム合金はMg-Al-Mnタイプである。MgAl5Mnは、良好な耐食性、非常に優れた機械的特性、良好な鋳造性を備えた高純度マグネシウム合金である。MgAl5MnやMgAl6MnのようなMg-Al-Mn系合金は、MgAl9Znよりも優れた伸びと衝撃強度を持ち、主にホイールリムやステアリングホイールのような自動車安全システムに使用される。MgAl5Mn合金は、優れた延性とエネルギー吸収特性を良好な強度と組み合わせた合金である。この合金は、固相状態では固溶体αと中間相Mg17 Al12を含む。

3. 緒言:

近年、自動車産業で使用される、低密度で高延性の鋳造材料にかなりの注意が払われている。高い伸びは、自動車の衝突試験における安全性の保証となる。これらの鋳造品には、例えば車体が含まれる。ステアリングホイール生産のためのこれらの特性は、現在、適切な強度と低密度を持つマグネシウムを使用することによって達成されている。マグネシウム合金は最も軽量な工学金属の一つである。マグネシウム合金鋳物は、航空宇宙、自動車、電子機器の用途に使用される。主な利点は軽量であることである。典型的なマグネシウム合金の密度は1800 kg.m⁻³であり、アルミニウム合金の2700 kg.m⁻³と比較される[1]。アルミニウムは、マグネシウムベースの鋳造合金の主要な合金元素であり、亜鉛とマンガンも少量存在する。マグネシウム合金は融点が低く、比熱も低い。圧力ダイカストは、低い鋳造温度（650～700°C）のため、マグネシウム合金に最も一般的に使用される鋳造プロセスであり、ホットチャンバーダイカスト機を使用できる。マグネシウム合金の高圧ダイカストは、アルミニウム合金よりも薄い壁厚で製造できる[2]。自動車会社が軽量化の方法を模索するにつれて、自動車部品におけるマグネシウム合金ダイカストの使用は急速に増加している。一部の車両にはすでに10～20kgのMg合金部品が含まれている[3]。現在、量産車向けに最も人気のある部品は、インストルメントパネル、クロスカービーム、シートフレームである。ホイール、ギアボックスケーシング、サンプ、インレットマニホールドは、フォーミュラ1や他のレーシングカーで使用されている。これらの合金の主成分はほぼ完全にアルミニウムである（すなわち、これらはMg-Al-MnおよびMg-Al-Znの合金である）[4]。マグネシウム合金は、酸素との高い親和性のため、加工性が劣る。これらの困難にもかかわらず、マグネシウム合金は、壁厚2mm未満の複雑な鋳物の複雑な大規模生産さえも可能にするため使用される。我々の学科（リベレツ工科大学工学技術科）では、自動車産業の鋳物に使用されるマグネシウム合金の特性を観察することに関心を持っている。

4. 研究の概要:

研究テーマの背景:

MgAl5MnのようなMg-Al-Mn系マグネシウム合金は、その低密度、良好な機械的特性（特に延性）、および高圧ダイカスト（HPDC）への適合性から、自動車部品での使用が増加している。ステアリングホイールは、これらの特性が車両の軽量化と安全性に寄与する主要な用途である。鋳造されたままのこれらの合金の微細組織と機械的特性をモニタリングすることは、部品の品質と性能を保証するために不可欠である。

先行研究の状況:

既存の知識には、一般的なマグネシウム鋳造合金（例：AZ91、AMシリーズのAM50、AM60）、それらの状態図（Mg-Al、Mg-Al-Mn）、および標準規格（ASTM、EN）の特性が含まれる。アルミニウムと亜鉛の含有量が低く、マンガン含有量が高い合金（研究対象のMgAl5Mnに対応するAM50など）は、より高い延性を示すことが知られており、安全性が重要な部品に適している。HPDCは、このような部品の主要な製造方法として確立されている。

研究の目的:

本研究は、高圧ダイカストプロセスによって自動車用ステアリングホイールの製造に使用される特定のマグネシウム合金、MgAl5Mn（VDA 260 - MgAl、ASTM AM50に類似）の微細組織と機械的特性をモニタリングし、特性評価することを目的とした。

中核研究:

研究の中核は、MgAl5Mn合金を使用してHPDCでステアリングホイールを製造することであった。次に、得られた鋳造品に対して、以下を含む詳細な分析を実施した：

1. 化学組成の検証。
2. 光学（共焦点レーザー）および電子顕微鏡（SEM）とEDX分析を組み合わせて相と構造を特定する微細組織検査。
3. 引張試験（強度、降伏点、伸び）および硬度測定による機械的特性評価。
4. 観察された微細組織と特性をHPDCプロセスパラメータと関連付けること。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究は実験的アプローチを採用した。工業用HPDC装置と特定のマグネシウム合金（MgAl5Mn）を使用してステアリングホイールを製造した。これらの鋳造品からサンプルを抽出し、その後の材料特性評価を行い、製造プロセスが最終的な特性に与える影響を評価した。

データ収集と分析方法:

• 材料: マグネシウム合金 MgAl5Mn (VDA 260 - MgAl)、化学組成は表3に記載。
• 鋳造: 400トン機による高圧ダイカスト(HPDC)。表5に詳述された鋳造パラメータを使用（例：プランジャー速度、鋳造温度 660 °C、圧力 60 MPa、金型温度 200 °C）。
• 化学分析: 溶湯組成はQ4 TASMAN分析装置でモニタリング。凝固サンプルの組成はEDX（エネルギー分散型X線分光法）で分析 - 結果は表6、スペクトル例 図3a、点分析 図7。
• 微細組織分析: 縦断面および横断面からサンプルを準備。共焦点レーザー顕微鏡（図6）および走査型電子顕微鏡（SEM）（図5、図8）を使用して分析。
• 機械的試験:
  • TIRA test 2300装置を使用し、EN ISO 6892-1に従って引張試験を実施（試験片 図2、結果 図3b、表4）。
  • CSM装置を使用し、ビッカース法（HV 0.5）による硬さ試験を実施、測定間隔200マイクロメートル（結果 表7）。

研究対象と範囲:

本研究は、HPDCによってステアリングホイール本体に鋳造されたMgAl5Mn合金（ASTM AM50相当）に特化した。範囲は以下を含む：

• 最終的な化学組成の決定。
• 鋳造状態の微細組織の特性評価（結晶粒構造、相の同定（α固溶体、β相Mg17Al12共晶、Mg8Al2Mnなどの金属間化合物）、形態を含む）。
• 主要な機械的特性の測定：引張強さ（Rm）、降伏強さ（Rp0.2）、伸び（A 50 mm）、ヤング率（E）、ビッカース硬さ（HV 0.5）。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• 研究対象の合金はMgAl5Mn（具体的には5.2% Al、0.30% Mn、表3）であることが確認され、これはVDA 260 - MgAlおよびASTM AM50に対応する。
• HPDCは良好な機械的特性を持つ鋳造品を製造した：Rp0.2 = 127 MPa、Rm = 226 MPa、伸び A 50 mm = 13.9%、E = 44700 MPa（表4）。平均硬度 HV 0.5は55.3であった（表7）。
• 微細組織はα固溶体（マグネシウムマトリックス）の微細な結晶粒から構成されていた。α結晶粒の周りには、それほど重要ではない、分離した共晶α + β（βは金属間化合物相Mg17Al12）の網目状組織が観察された（図5、図6）。
• EDX分析により、α相と共晶の組成が確認された。また、Mnの存在も確認され、一部は金属間化合物相Mg17Al12(Mn)に、潜在的にはMg8Al2Mnとして存在していた（図7、表6）。金属間化合物相Mg17Al12(Mn)中のMn含有量は0.2～0.6%の範囲であった（表6）。
• HPDCプロセス、特に高圧（60 MPa、表5）は、微細粒でコンパクトな構造をもたらし、観察された延性と強度に寄与し、内部欠陥や気孔を最小限に抑えた。
• SEMで観察された破断面は、合金の構造に典型的な特徴を示した（図8）。

図リスト:

• Fig. 1 Equilibrium diagram Mg-Al (Mg17 All2 in its eutectic phase) and the ternary diagram of Mg-Al-Mn in isothermal section at 400 °C [4]
• Fig. 2 Drawing of the test sample and the sample itself for the tensile test
• Fig. 3 Testing casting sample of alloy MgAl5Mn a) ADX analysis of alloy MgAl5Mn b) Static tensile test on the MgAl5Mn test-piece
• Fig. 4 Body of the steering wheel of alloy EN - MB MgAl5Mn
• Fig. 5 Alloy MgAl5Mn with the occurrence of finely branched dark phases (x 500)
• Fig. 6 Structure of the MgAl5Mn alloy was observed in confocal laser mode
• Fig. 7 EDX point analysise of the sample in a) longitudinal and b) transverse Sections of MgAl5Mn alloy
• Fig. 8 Structures fracture surface alloy MgAl5Mn - SEM (x50, x100)

7. 結論:

Mg合金の高圧ダイカスト（HPDC）は、複雑な形状を高い寸法精度、微細な結晶粒構造、良好な機械的特性で製造できるという大きな利点を提供する。MgAl5Mn合金は、ステアリングホイール用にHPDCプロセスで処理されると、これらの利点を示す。結果として得られる構造は、α + β（金属間化合物相Mg17Al12）の完全に分離した共晶ネットワークを持つ微細なα固溶体結晶粒によって特徴付けられる。HPDC固有の高い凝固速度と圧力（約60 MPa）は、この微細構造に寄与し、材料の緻密性を保証し、欠陥や気孔を最小限に抑える。MgAl5Mn合金から作られた鋳造品は、非常に良好な機械的特性、特にステアリングホイールのような安全性が重要な部品に必要な延性（14%の伸び）を、226 MPaの引張強さおよび127 MPaの降伏強さとともに示す。

8. 参考文献:

• [1] FRIDRICH, E. H., MORDIKE, L.B.: Magnesium Technology. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg 2006, ISBN-10 3-540-20599-3.
• [2] AVEDSIAN, M., IAKER, H.: Magnesium and Magnesium Alloys, ASM Specialty Handbook. ISBN 0-87170-657-1.
• [3] FRIDRICH, H., SCHUMANN, S.: Research for a "new age of magnesium" in the automotive industry, Journal of Material Processing Technology, 117, (2001), p. 276-281.
• [4] RAGHAVAN, V.: Al-Mg-Mn (Aluminum-Magnesium-Manganese) Journal of Phase Equilibrium and Diffusion Vol. 31 No. 1, 2010, p. 46.
• [5] BROWN, J.R.: Foseco Non - Ferrous. Foundryman's Handbook. 11th Butterword, Oxford.
• [6] GUPTA, M., SHARON, N.M.L. Magnesium, Magnesium Alloys, Magnesium Composities. Published by John Wiley in Canada, 2011.
• [7] ŻYDEK, A., KAMIENIAK, J., BRASZCYŇSKA, K.N.: Evolution of Mg-5Al-0.4Mn microstructure after rare earth elements addition. Archives of Foundry Engineering. ISSN (1897-3310), Volume 11, Issue 2/2011 pp. 157 – 160.
• [8] KIELBUS, A., RZYCHOŇ, T., CIBIS, R.: Microstructure of AM50 die casting magnesium alloy. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18, Issue 1-2, September-October 2006.
• [9] ASM Handbooks Online, Volume 2, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Materials.
• [10] MICHNA, Š. Strukturní analýza a vlastnosti předslitiny AlCa10. (Structural analysis and properties pre-alloy AlCa10), Strojírenská technologie, 2010, s. 175-176. (in Czech).
• [11] VOJTĚCH, D., KUBÁSEK, J., VODĚROVÁ, M. Structural, mechanical and in vitro corrosion characterization of as cast magnesium based alloy for temporary biodegradable medicial implants. Manufacturing Technology. Vol. 12, No 13 p. 285-292. ISSN 1213-2489.
• [12] Promotional Materials Comparation training documents. ANDREAS STIHL AG & Company, Germany.
• [13] SLÁDEK, A, FABIAN, P., PASTIRČÁK, R., BREZNIČAN, M.: The Roundness and Microstructure of Thin-wall Bearing Rings. Manufacturing Technology. Vol. 12, No 13 p. 237-241. ISSN 1213-2489.

9. 著作権:

• この資料は「Iva Nová, Jiří Machuta」による論文です。「Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.21062/ujep/x.2013/a/1213-2489/MT/13/3/385

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