機械材料の基礎：マグネシウム合金

機械材料の基礎：マグネシウム合金

マグネシウム合金は、実用金属の中で最も軽量であり、その比重は鉄の約4分の1、アルミニウムの約3分の2にあたる1.74g/cm2程度です。この圧倒的な軽さに加え、優れた比強度、比剛性、そして実用金属中で最高の振動吸収性を有することから、省エネルギー化や運動性能の向上が求められる現代の産業界において、極めて重要な構造材料としての地位を確立しています。

かつては腐食しやすい、燃えやすいといったネガティブなイメージが先行し、その適用範囲は限定的でした。しかし、近年の合金設計技術の進歩や、高純度化による耐食性の劇的な向上、さらには難燃性合金の開発により、自動車、航空宇宙、携帯電子機器、医療機器といった先端分野での採用が加速しています。

物理的特性と結晶構造の制約

マグネシウム合金を理解する上で最も基本的な要素は、その結晶構造です。鉄やアルミニウムが面心立方格子や体心立方格子といった対称性の高い構造を持つのに対し、マグネシウムは稠密六方格子、HCP構造と呼ばれる六角柱状の結晶構造をしています。

滑り系と加工性

金属が塑性変形するためには、結晶内の原子面が滑る必要があります。これを滑り系と呼びます。室温において、マグネシウムのHCP構造で活動できる滑り系は、底面滑りと呼ばれる一種類に限られています。そのため、常温では非常に変形しにくく、無理に曲げようとするとすぐに割れてしまいます。これが、マグネシウム合金のプレス加工や鍛造加工が難しいとされる理由です。しかし、温度を摂氏200度以上に上げると、錐面滑りなどの新たな滑り系が活動を開始し、一気に変形能が向上します。このため、マグネシウム合金の塑性加工は、基本的に温間または熱間で行われます。

振動吸収性と減衰能

マグネシウム合金の特筆すべき性質として、振動減衰能の高さが挙げられます。外部からの振動エネルギーを熱エネルギーに変換して吸収する能力であり、その性能はアルミニウムの数十倍から数百倍に達します。このメカニズムは、転位の振動や双晶境界の移動による内部摩擦に起因すると考えられています。この特性により、ステアリングホイールやシートフレーム、チェーンソーの筐体などに使用することで、不快な振動や騒音を低減し、機械の寿命を延ばす効果が得られます。

主要な合金系と添加元素の役割

純マグネシウムは強度が低いため、構造材として使用されることはほとんどありません。アルミニウム、亜鉛、マンガン、ジルコニウム、希土類元素などを添加することで、機械的性質や耐食性、耐熱性を向上させています。合金の名称は、ASTM規格に基づく命名法が一般的に用いられます。

例えば、AZ91Dという名称であれば、Aはアルミニウム、Zは亜鉛を表し、それぞれの添加量が約9パーセントと1パーセントであることを示しています。末尾のDは純度の区分を表します。

Mg-Al-Zn系 AZ系

最も代表的で汎用性の高い合金系です。アルミニウムが固溶強化により強度と硬さを向上させ、亜鉛がさらなる強化と鋳造性を改善します。特にAZ91合金は、鋳造性、強度、耐食性のバランスに優れ、ダイカスト用として世界中で最も多く使用されています。一方、アルミニウム量を減らしたAZ31合金は、延性が高く加工性に優れるため、板材や押出材などの展伸材として広く普及しています。

Mg-Al-Mn系 AM系

アルミニウムとマンガンを主成分とする合金系です。マンガンは不純物である鉄を化合物として析出除去する作用があり、耐食性を向上させます。 AZ系に比べて延性と衝撃吸収エネルギーが高いため、ステアリングホイールの芯金やシートフレームなど、破壊時に粘り強さが求められる自動車の保安部品に多用されます。

Mg-Zn-Zr系 ZK系

亜鉛とジルコニウムを添加した高強度合金です。ジルコニウムは結晶粒を微細化する強力な作用を持っており、これにより強度と延性が同時に向上します。ただし、ジルコニウムはアルミニウムと反応して沈殿してしまうため、アルミニウムを含む合金には添加できません。主に鍛造や押出用として使用されます。

耐熱合金と希土類元素

AZ系合金は摂氏120度を超えると、粒界の化合物が軟化して強度が低下するクリープ現象が発生しやすくなります。エンジン周辺部品など高温環境での使用に耐えるため、カルシウムや希土類元素を添加した合金が開発されています。これらは熱的に安定な化合物を粒界に析出させ、粒界滑りを抑制することで、摂氏150度から200度以上での耐熱性を実現しています。

製造プロセスの技術

マグネシウム合金製品の大部分は鋳造によって製造されていますが、近年ではチクソモールディングという独自の成形法も普及しています。

ダイカスト法

溶融した金属を金型に高速・高圧で射出するダイカスト法は、生産性が高く、マグネシウム合金の主力製法です。マグネシウムは鉄に対する反応性が低いため、鉄製のるつぼや金型を使用しても溶損しにくいという利点があります。これにより、ホットチャンバー式ダイカスト機の使用が可能となり、ハイサイクルな生産が実現できます。また、溶湯の粘性が低く流動性が極めて良いため、アルミニウムでは不可能な薄肉成形、例えば厚さ0.6ミリメートル程度のパソコン筐体などを成形することができます。

チクソモールディング法

プラスチックの射出成形機に似た装置を用いるマグネシウム独自の成形法です。固体のマグネシウムチップをシリンダー内に供給し、加熱しながらスクリューで剪断力を加えて混練します。すると、金属は固相と液相が共存する半溶融状態となります。このシャーベット状の金属を金型に射出します。完全に溶融させないため温度が低く、成形サイクルが短縮できるほか、引け巣などの鋳造欠陥が少なく、寸法精度が高い製品が得られます。特に薄肉精密部品の製造において、ダイカスト法に対する優位性を持っています。

展伸材の加工技術

圧延や押出によって作られる展伸材は、鋳造材よりも強度と延性に優れますが、前述の結晶構造の制約から加工は困難でした。しかし、近年では結晶粒を微細化する技術や、集合組織を制御する圧延技術の進歩により、室温でのプレス成形が可能な板材も開発されつつあります。また、温間プレス技術の高度化により、複雑な形状の自動車ボディパネルの試作も行われています。

腐食対策と表面処理

マグネシウム合金の最大の弱点は耐食性です。実用金属の中で最も卑な標準電極電位、すなわちイオン化傾向が大きいため、非常に酸化されやすい性質を持っています。

高純度合金による耐食性向上

かつてマグネシウムが腐食しやすいと言われた主因は、不純物にありました。特に鉄、ニッケル、銅といった重金属不純物が微量でも混入すると、マグネシウム母相との間で局部電池が形成され、激しいガルバニック腐食を引き起こします。現代の耐食性合金、例えばAZ91Dの末尾Dが示すハイ・ピュリティ材では、これらの不純物濃度を厳格に管理し、極限まで低減させています。その結果、塩水噴霧試験においても一般的なアルミニウムダイカスト合金と同等以上の耐食性を示すようになっています。

異種金属接触腐食への配慮

部品単体の耐食性が向上しても、ボルトやナットなどの鉄鋼部品や、アルミニウム部品と直接接触する部分では、電位差による激しい腐食が発生します。これを防ぐための設計的配慮が不可欠です。具体的には、接合部に絶縁ワッシャーや樹脂コーティングを介在させて電気的に遮断する、あるいは相手材にマグネシウムと電位の近い5000系や6000系のアルミニウム合金を選定するといった対策が講じられます。

表面処理技術

マグネシウム合金は素地のまま使用されることは稀であり、通常は化成処理や陽極酸化処理といった表面処理が施されます。化成処理は、材料表面に薄い化学被膜を形成して塗料の密着性を高める下地処理です。かつては六価クロムを用いた処理が主流でしたが、環境規制により現在ではマンガン系やリン酸塩系、ジルコニウム系などのノンクロム処理が標準となっています。

より高い耐食性と耐摩耗性が求められる場合には、陽極酸化処理が適用されます。特に、電解液中で火花放電を発生させながらセラミックス質の硬質被膜を形成するプラズマ電解酸化法は、極めて緻密で強固な保護層を形成できるため、過酷な環境で使用される部品に採用されています。

難燃性合金と安全技術

マグネシウムは削り屑や粉末状態では燃焼しやすいため、加工現場での火災リスク管理が重要です。しかし、塊の状態、バルク材であれば、熱伝導が良いため熱が拡散し、融点まで温度が上がりにくく、簡単には着火しません。

さらに近年、カルシウムを添加することで発火温度を飛躍的に高めた難燃性マグネシウム合金、あるいは不燃性マグネシウム合金が開発されました。通常のマグネシウム合金は、溶解状態や火災時に激しく酸化燃焼しますが、カルシウムを添加した合金は、表面に緻密な酸化被膜を形成して酸素の供給を遮断するため、バーナーで炙っても着火せず、溶け落ちるだけです。この技術により、火災安全性が厳しく問われる航空機の座席や内装材、鉄道車両の構体、さらには建築材料への適用が可能となり、法規制の緩和と共に新たな市場が開拓されています。

応用分野と未来展望

マグネシウム合金は、その軽量性を武器に多方面で実用化が進んでいます。

自動車分野

燃費向上と二酸化炭素排出削減、そして電気自動車の航続距離延長のため、軽量化は至上命題です。ステアリング芯金やキーロックハウジングなどの内装部品から、トランスミッションケース、オイルパン、シリンダーヘッドカバーなどのパワートレイン部品へと適用が拡大しています。今後は、ボンネットやドアなどの外板パネルや、車体骨格への適用が期待されています。

モバイル機器

ノートパソコン、タブレット、デジタルカメラ、スマートフォンなどの筐体に使用されています。プラスチックよりも薄肉で高剛性、かつ放熱性と電磁波シールド性に優れるため、高性能化するデバイスの熱対策と軽量化を両立できる材料として重宝されています。

医療分野

新しい領域として、生体吸収性マグネシウム合金が注目されています。マグネシウムは人体に必須のミネラルであり、生体親和性が高い元素です。骨折治療用のスクリューや血管を広げるステントなどをマグネシウム合金で作製すると、患部が治癒する期間は強度を保ち、その後は体液に溶けて吸収・排出されます。これにより、抜去手術が不要となり、患者の負担を大幅に軽減できる次世代の医療材料として臨床応用が始まっています。