JP2013083004A - マグネシウム母合金、その製造方法、それを用いた金属合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マグネシウム母合金、その製造方法、それを用いた金属合金及びその製造方法に関し、解決しようとする技術的課題は、酸化特性及び発火特性が改善したマグネシウム母合金及びその製造方法を提供し、それを用いて低コストで設計目的に適合した金属合金及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、多数のマグネシウム結晶粒と、マグネシウム結晶粒の内部ではない外部として結晶粒界に存在するスカンジウム化合物とを含んで成るマグネシウム母合金を提供する。また、本発明は、上記のようにスカンジウムを有するマグネシウム母合金をマグネシウム合金またはアルミニウム合金に添加することで、低コストで設計目的に適合した金属合金及びその製造方法を提供する。
【選択図】なし

Description

本発明は、マグネシウム母合金、その製造方法、それを用いた金属合金及びその製造方法に関する。

現在、超高硬度アルミニウム合金（例えば、２０００系、５０００系、６０００系及び７０００系など）には、硬度、耐腐食性及び溶接性のような合金特性が優れるように、スカンジウム（Ｓｃ）を添加元素として使用する技術が研究されている。このようにスカンジウム（Ｓｃ）が添加されたアルミニウム合金は、溶接性や耐疲労特性が要求される軍需用（例えば、戦闘車両補強剤、小銃の本体など）に用いられるか、高硬度や溶接性が要求される民需用（高速鉄道車両、電動車用部品など）に用いられることができる。

しかし、このようなスカンジウム（Ｓｃ）は、稀土類であって地球上に少量しか存在せず、また鉱物からの分離が困難であり、非常に高価だという短所がある。

従って、安価の酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）がアルミニウム合金に添加される方法が考慮されている。

しかし、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が直接アルミニウムに添加されると、前記スカンジウムの酸化物によって、硬度、耐腐食性及び溶接性のような合金の各種特性が低下する問題がある。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は、酸化特性及び発火特性が改善されたマグネシウム母合金及びこれの製造方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、低コストで設計目的に適合し、硬度特性、耐腐食性及び溶接特性のような合金特性が低下しない金属合金及びこれの製造方法を提供することにある。

上述の目的を達成するために、本発明の参考例にかかるマグネシウム母合金は、多数のマグネシウム結晶粒；及び前記マグネシウム結晶粒の内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）を含む。

前記スカンジウム（Ｓｃ）は、マグネシウム１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が存在してもよい。

また、上述の目的を達成するために、本発明にかかるマグネシウム母合金は、結晶粒界を有する多数のマグネシウム−アルミニウム結晶粒；及び前記マグネシウム−アルミニウム結晶粒の内部ではない外部として、前記結晶粒界に晶出されたスカンジウム化合物を含む。

前記スカンジウム化合物は、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃであってもよい。

前記スカンジウム化合物のうちスカンジウム（Ｓｃ）は、マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が存在してもよい。

また、上述の目的を達成するために、本発明にかかるマグネシウム母合金の製造方法は、マグネシウムをるつぼに入れて６００℃〜８００℃の温度で溶解して、マグネシウム溶湯を形成するマグネシウム溶湯形成段階；前記マグネシウム溶湯に酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）を添加する酸化スカンジウム添加段階；前記マグネシウム溶湯を１〜４００分間撹拌する撹拌段階；前記マグネシウム溶湯を常温〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する鋳造段階；及び前記鋳造されたマグネシウムを冷却する冷却段階を含む。

前記マグネシウム溶湯形成段階で、前記マグネシウムは、純粋マグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムであってもよい。

前記酸化スカンジウム添加段階で添加される酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）は、純粋マグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部であってもよい。

また、上述の目的を達成するために、本発明にかかる金属合金は、結晶粒界を有する多数の金属結晶粒；及び前記金属結晶粒の内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）を含むか、金属結晶粒の内部ではない外部として、前記結晶粒界に存在するスカンジウム化合物を含む。

前記金属は、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＳ４１、ＡＳ３１、ＡＳ２１Ｘ、ＡＥ４２、ＡＥ４４、ＡＸ５１、ＡＸ５２、ＡＪ５０Ｘ、ＡＪ５２Ｘ、ＡＪ６２Ｘ、ＭＲＩ１５３、ＭＲＩ２３０、ＡＭ−ＨＰ２、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｓｉ及びＭｇ−Ｚｎ−Ｙのうち選択された何れか一つであってもよい。

前記金属は、１０００系列、２０００系列、３０００系列、４０００系列、５０００系列、６０００系列、７０００系列及び８０００系列の塑性加工用（Ｗｒｏｕｇｈｔ）アルミニウムまたは１００系列、２００系列、３００系列、４００系列、５００系列及び７００系列鋳造用（Ｃａｓｔｉｎｇ）アルミニウムのうち選択された何れか一つであってもよい。

前記スカンジウム化合物は、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃであってもよい。

前記金属結晶粒の内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）または前記スカンジウム化合物のうち前記スカンジウム（Ｓｃ）は、金属１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部存在してもよい。

また、上述の目的を達成するために、本発明にかかる金属合金の製造方法は、金属溶湯を形成する金属溶湯形成段階；前記金属溶湯に、固溶されたスカンジウムまたはスカンジウム化合物を有するマグネシウム母合金を添加するマグネシウム母合金添加段階；前記金属溶湯を１分〜４００分間撹拌する撹拌段階；前記金属溶湯を常温〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する鋳造段階；及び前記鋳造された金属を冷却する冷却段階を含む。

前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、金属１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が添加されてもよい。

前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、純粋マグネシウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されてもよい。

前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されてもよい。

前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、純粋マグネシウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されたものと、マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されたものであってもよい。

前記金属溶湯は、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＳ４１、ＡＳ３１、ＡＳ２１Ｘ、ＡＥ４２、ＡＥ４４、ＡＸ５１、ＡＸ５２、ＡＪ５０Ｘ、ＡＪ５２Ｘ、ＡＪ６２Ｘ、ＭＲＩ１５３、ＭＲＩ２３０、ＡＭ−ＨＰ２、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｓｉ及びＭｇ−Ｚｎ−Ｙのうち選択された何れか一つで形成されてもよい。

前記金属溶湯は、１０００系列、２０００系列、３０００系列、４０００系列、５０００系列、６０００系列、７０００系列及び８０００系列塑性加工用（Ｗｒｏｕｇｈｔ）アルミニウムまたは１００系列、２００系列、３００系列、４００系列、５００系列及び７００系列鋳造用（Ｃａｓｔｉｎｇ）アルミニウムのうち選択された何れか一つで形成されてもよい。

本発明によれば、マグネシウム母合金に酸化スカンジウムが添加されることで、マグネシウム母合金の酸化特性及び発火特性が向上する。また、本発明によれば、スカンジウムを有するマグネシウム母合金がマグネシウム合金またはアルミニウム合金のような金属合金に添加されることで、金属合金が安価で製造されることができ、また金属合金の硬度特性、耐腐食性及び溶接特性のような合金特性が低下しない。

さらに本発明では、二つの形態の母合金（結晶粒内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）を含むマグネシウム母合金及びスカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金）が製造されることで、用途や目的に適合した金属合金が製造されることができる。例えば、スカンジウムが固溶された形態の金属合金が必要な場合、前記結晶粒内部にスカンジウムが固溶されたマグネシウム母合金が用いられることができる。また、スカンジウムが晶出された形態の金属合金が必要な場合、前記スカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金が用いられることができる。勿論、結晶粒内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）を含むマグネシウム母合金及びスカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金が両方とも添加されて、金属合金が製造されることもできる。従って、本発明によれば、用途や目的に適合した金属合金を多様な方法で製造することができる。

本発明にかかるマグネシウム母合金の製造方法を図示した順序図である。 純粋マグネシウムに酸化スカンジウムが添加されてスカンジウムが固溶された状態のマグネシウム母合金を図示した組職写真である。 マグネシウム−アルミニウムに酸化スカンジウムが添加されてスカンジウムが晶出された状態のマグネシウム母合金を図示した組職写真である。 純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との硬度比較結果を図示したグラフである。 純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との酸化実験結果を図示したグラフである。 純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との発火実験結果を図示したグラフである。 純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金（マグネシウム−アルミニウム）との硬度比較結果を図示したグラフである。 本発明にかかる金属合金の製造方法を図示した順序図である。

以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳しく説明する。

図１は、本発明にかかるマグネシウム母合金の製造方法を図示した順序図である。

図１に示すように、本発明にかかるマグネシウム母合金の製造方法は、マグネシウム溶湯形成段階Ｓ１、添加剤添加段階Ｓ２、撹拌段階Ｓ３、鋳造段階Ｓ４及び冷却段階Ｓ５を含む。

前記マグネシウム溶湯形成段階Ｓ１では、マグネシウムをるつぼに入れて６００乃至８００℃で加熱する。すると、前記るつぼ内のマグネシウムは溶融されてマグネシウム溶湯を形成する。ここで、前記温度が６００℃未満であるとマグネシウム溶湯の形成が困難であり、温度が８００℃を超えるとマグネシウム溶湯が発火する恐れがある。

また、前記マグネシウム溶湯の発火を防止するために、付加的に少量の保護ガスが提供されてもよい。前記保護ガスは、通常のＳＦ_６、ＳＯ_２、ＣＯ_２、ＨＦＣ−１３４ａ、Ｎｏｖｅｃ^ＴＭ６１２、非活性気体及びその等価物と、またこれらの混合ガスを用いて、前記マグネシウムの発火を抑制することができる。しかし、本発明でこのような保護ガスが必ずしも必要なのではなく、提供されなくてもよい。

また、前記マグネシウム溶湯形成段階で用いられたマグネシウムは、純粋マグネシウム、マグネシウム−アルミニウム及びその等価物のうち選択された何れか一つであってもよい。

前記添加剤添加段階Ｓ２では、前記マグネシウム溶湯に粉末形態の添加剤を添加する。

ここで、前記添加剤添加段階Ｓ２で用いられた添加剤は、高価の純粋スカンジウム（ｐｕｒｅ Ｓｃ）ではなく安価の酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）及びその等価物のうち選択された何れか一つであってもよい。このような添加剤は、マグネシウム母合金の酸化力は減らし、発火温度を高めて、保護ガスの必要量を著しく減らす役割をする。

前記添加剤添加段階Ｓ２で用いられた添加剤は、マグネシウム母合金１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が添加されることができる。前記添加剤が０．０００１重量部未満である場合には、添加剤による効果（硬度増加、酸化減少、発火温度上昇及び保護ガス減少）が小さい恐れがある。また、前記添加剤が３０重量部を超えると、元のマグネシウムまたはマグネシウム合金の特性が現れない恐れがある。

また、前記添加剤添加段階でＳ２用いられた添加剤は、その大きさが０．１〜５００μｍであってもよい。前記添加剤の大きさが０．１μｍ未満であるものは、現実的に製造が困難であり、高いコストがかかる。また、前記添加剤の大きさが５００μｍを超える場合には、前記添加剤が前記マグネシウム溶湯と反応しない恐れがある。

前記撹拌段階Ｓ３では、前記マグネシウム溶湯を１〜４００分間撹拌する。

ここで、撹拌時間が１分未満であると、マグネシウム溶湯に添加剤が充分に混合されず、撹拌時間が４００分を超えると、マグネシウム溶湯の撹拌時間が無駄に長くなる恐れができる。

ここで、前記マグネシウム溶湯に添加された添加剤は、酸化物形態で存在しない。例えば、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）がマグネシウム溶湯に添加剤として添加された場合、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）の形態で存在しない。即ち、前記酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）は、還元された後、溶湯内の元素と反応し、結晶粒内部にスカンジウムが固溶されて合金形態で存在するか、または晶出されて化合物形態で存在する。

通常、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）がマグネシウムより熱力学的に安定しているので、マグネシウム溶湯内で酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が還元されないと予想される。しかし、本発明者たちによる実験によれば、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）がマグネシウム溶湯内で還元されることが分かった。還元メカニズムはまだ明らかになっておらず、よって前記還元メカニズムを糾明するための研究が本発明者たちによって継続的に行われている。

実質的に純粋マグネシウムに酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が添加された場合、純粋マグネシウムにスカンジウム（Ｓｃ）が固溶される。即ち、スカンジウムがマグネシウムと共に合金元素を成す。また、マグネシウム−アルミニウムに酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が添加された場合、マグネシウム−アルミニウムの結晶粒界にスカンジウム化合物が晶出される。即ち、スカンジウムがマグネシウムと共に合金元素を成さず、スカンジウム化合物形態を有する。ここで、スカンジウム化合物は通常、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃの形態を有する。

勿論、添加剤を成す他の元素（Ｏ_２）は、全てマグネシウム溶湯の表面に浮遊するようになり、これは受動または自動設備によって除去されることができる。

前記鋳造段階Ｓ４では、前記マグネシウム溶湯を常温（例えば、２５℃）〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する。

ここで、前記鋳型としては、金型、セラミック型、グラファイト型及びその等価物のうち選択された何れか一つを用いることができる。また、鋳造方式としては、重力鋳造、連続鋳造及びその等価方式が可能である。しかし、ここで前記鋳型の種類及び前記鋳造の方式を限定するのではない。

前記冷却段階Ｓ５では、前記鋳型を常温で冷却した後、鋳型からマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウム（例えば、インゴット）を取り出す。

ここで、上記のような方法で製造されたマグネシウム母合金は、後述するが、結晶粒界を有する多数のマグネシウム結晶粒と、前記マグネシウム結晶粒の内部に固溶されたスカンジウム（Ｓｃ）を含むかまたは前記マグネシウム結晶粒の内部ではない外部として、前記結晶粒界に存在するスカンジウム化合物からなることができる。

図２は、純粋マグネシウムに酸化スカンジウムが添加されて、スカンジウムが固溶された状態を図示した組職写真である。一例として、前記組職写真は、純粋マグネシウムに０．５％の酸化スカンジウムが添加されて得られたものである。

図２に示すように、本発明によって製造されたマグネシウム母合金１００は、多数のマグネシウム結晶粒１１０と、前記マグネシウムの結晶粒１１０の内部に固溶されたスカンジウムを含む。ここで、実質的に前記スカンジウムはマグネシウム結晶粒１１０と区別されない。それは、スカンジウムがマグネシウムと共に合金を成すからである。

こうして、純粋マグネシウムに比べて、酸化スカンジウムが添加されて製造されたマグネシウム母合金の硬度特性が向上する。さらに、前記スカンジウムはマグネシウム母合金の元の組成比を変化させず、またマグネシウム母合金の再活用のため処理する間消滅しないことで、マグネシウム母合金の再活用性を大きく向上させる。即ち、一例としてマグネシウム母合金の再活用時、再びスカンジウムまたは酸化スカンジウムを入れる必要がない。

尚、前記酸化スカンジウムは、マグネシウム１００重量部に０．０００１乃至３０重量部が添加されて製造されることができる。また、前記酸化スカンジウムの大きさは０．１〜５００μｍであってもよい。このような数値の範囲の意義は既に上述してある。

図３は、マグネシウム−アルミニウムに酸化スカンジウムが添加されてスカンジウム化合物が晶出された状態を図示した組職写真である。一例として、前記組職写真は、マグネシウム−アルミニウム（Ｍｇ−３Ａｌ）に０．５％の酸化スカンジウムが添加されて得られたものである。

図３に示すように、本発明によって製造されたマグネシウム母合金２００は、多数のマグネシウム−アルミニウム結晶粒２１０と、スカンジウム化合物２１１を含む。

前記多数のマグネシウム−アルミニウム結晶粒２１０は結晶粒界を有し、前記スカンジウム化合物２１１は、前記マグネシウム−アルミニウム結晶粒２１０の内部ではない外部として前記結晶粒界に存在する。ここで、前記スカンジウム化合物２１１は、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃの形態を有する。即ち、前記スカンジウムはマグネシウムと共に合金を成さない。

こうして、マグネシウム母合金２００は、後述するが、硬度特性が向上する。また、スカンジウムはマグネシウム母合金の元の組成比を変化させず、マグネシウム母合金の再活用のために処理する間消滅しないことで、マグネシウム母合金の再活用性を大きく向上させる。一例として、マグネシウム母合金の再活用時、再びスカンジウムまたは酸化スカンジウムを入れる必要がない。

また、前記スカンジウム化合物２１１は、マグネシウム−アルミニウム１００重量部に０．０００１乃至３０重量部が添加されることができる。また、前記スカンジウム化合物２１１の大きさは０．１〜５００μｍであってもよい。このような数値の範囲の意義は既に上述してある。

一方、このようなマグネシウム母合金は、難燃合金、鋳造合金（ｃａｓｔｉｎｇ ａｌｌｏｙ）、鍛造合金（ｗｒｏｕｇｈｔ ａｌｌｏｙ）、クリープ合金（ｃｒｅｅｐ ａｌｌｏｙ）、制振合金（ｄａｍｐｉｎｇ ａｌｌｏｙ）、分解可能なバイオ合金（ｄｅｇｒａｄａｂｌｅ ｂｉｏ ａｌｌｏｙ）及び粉末冶金（ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）のうち選択された少なくとも何れか一つに用いられることができる。

一例として、前記鋳造合金は、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ５０、ＡＭ６０に酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

前記鍛造合金は、ＡＺ３１、ＡＭ３０、ＡＺ６１、ＡＺ８０に酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

前記クリープ合金は、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅに酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。さらに、前記クリープ合金は、Ｍｇ−Ａｌ−ＳｎまたはＭｇ−Ｚｎ−Ｓｎに酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

前記制振合金は、純粋Ｍｇ、Ｍｇ−Ｓｉ、ＳｉＣｐ／Ｍｇに酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

前記分解可能なバイオ合金は、純粋Ｍｇに酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

前記粉末冶金は、Ｍｇ−Ｚｎ−（Ｙ）に酸化スカンジウムを混合して形成したものであってもよい。

勿論、前記全ての合金には、最終的に酸化スカンジウムからＯ_２が除去されたスカンジウムだけが結晶粒界に晶出されて存在するか、または結晶粒の内部に固溶されて存在する。

図４は、純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との硬度比較結果を図示したグラフである。図４において、Ｘ軸は純粋マグネシウム及び酸化スカンジウム０．５％が添加されたマグネシウムであり、Ｙ軸は硬度値（ＨＲ）である。

図４に示すように、マグネシウム母合金の製造工程中、酸化スカンジウムが添加されると、硬度が増加することが分かる。即ち、酸化スカンジウムが添加されなかった純粋マグネシウムの硬度は、略ＨＲＦ４１であるが、酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金の硬度は、略ＨＲＦ５３まで上昇することが分かる。

図５は、純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との酸化実験結果を図示したグラフである。図５において、Ｘ軸は経過時間（ｍｉｎ）であり、Ｙ軸は酸化量（％）である。Ｙ軸の基本値は１００に設定されている。

図５に示すように、純粋マグネシウムの場合、時間の経過によって酸化が促進されて、Ｙ軸の値が増加することが分かる。しかし、製造工程中酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金の場合には、時間が経過してもＹ軸の値、即ち酸化量が増加しないことが分かる。即ち、本発明にかかるマグネシウム母合金は時間が経過しても酸化されないので、各種アプリケーションにおいて安全である。

図６は、純粋マグネシウムと本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金との発火実験結果を図示したグラフである。図６において、Ｘ軸は純粋マグネシウム及び酸化スカンジウム０．５％が添加されたマグネシウムであり、Ｙ軸は発火温度（℃）である。

図６に示すように、製造工程中酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金の場合、発火温度が増加することが分かる。即ち、酸化スカンジウムが添加されなかった純粋マグネシウムの発火温度は略６００℃であるが、酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム母合金の発火温度は略７００℃まで上昇することが分かる。

図７は、マグネシウム−アルミニウム合金と本発明によって酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム−アルミニウム合金との硬度比較結果を図示したグラフである。図７において、Ｘ軸はマグネシウム−アルミニウム合金及び酸化スカンジウム０．５％添加されたマグネシウム−アルミニウム合金であり、Ｙ軸は硬度値（ＨＲ）である。

図７に示すように、マグネシウム−アルミニウムの製造工程中、酸化スカンジウムが添加されると、硬度が増加することが分かる。即ち、酸化スカンジウムが添加されなかったマグネシウム−アルミニウム合金の硬度は略ＨＲＦ５０であるが、酸化スカンジウムが添加されたマグネシウム−アルミニウム合金の硬度は略ＨＲＦ６８まで上昇することが分かる。

図８は、本発明にかかる金属合金の製造方法を図示した順序図である。

図８に示すように、本発明にかかる金属合金の製造方法は、金属溶湯形成段階Ｓ１１、スカンジウムを有するマグネシウム母合金添加段階Ｓ１２、撹拌段階Ｓ１３、鋳造段階Ｓ１４及び冷却段階Ｓ１５を含む。

前記金属溶湯形成段階Ｓ１１では、マグネシウム合金またはアルミニウム合金をるつぼに入れて、６００℃乃至８００℃で加熱する。すると、前記るつぼ内の金属は溶融されて金属溶湯を形成する。ここで、前記温度が６００℃未満であると金属溶湯の形成が困難であり、温度が８００℃を超えると金属溶湯が発火する恐れがある。

ここで、一例として前記金属は、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＳ４１、ＡＳ３１、ＡＳ２１Ｘ、ＡＥ４２、ＡＥ４４、ＡＸ５１、ＡＸ５２、ＡＪ５０Ｘ、ＡＪ５２Ｘ、ＡＪ６２Ｘ、ＭＲＩ１５３、ＭＲＩ２３０、ＡＭ−ＨＰ２、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｓｉ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙのうち選択された何れか一つのマグネシウム合金であってもよい。

また、前記金属は、１０００系列、２０００系列、３０００系列、４０００系列、５０００系列、６０００系列、７０００系列及び８０００系列塑性加工用（Ｗｒｏｕｇｈｔ）アルミニウムまたは１００系列、２００系列、３００系列、４００系列、５００系列、７００系列鋳造用（Ｃａｓｔｉｎｇ）アルミニウムのうち選択された何れか一つであることを特徴とする金属合金であってもよい。

ここで、前記アルミニウム合金について、より具体的に説明する。アルミニウム合金は、その用途によって多様な種類が開発されており、アルミニウム合金の種類は今日殆ど全ての国で米国アルミニウム協会（Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）の規格を採択して分類している。表１は、合金系列別に主要合金元素の構成を千単位で示しており、各合金系列に他の改良元素を追加で添加して、４桁数字をより細分化して合金名を付ける。

一番目の数字は、上記のように主要合金元素を表す合金系列を表示し、二番目の数字は、基本合金を０で表示し、改良した合金を１〜９の数字で表示して、独自開発した新しい合金には、Ｎを付ける。例えば、２ｘｘｘは、Ａｌ−Ｃｕ系列アルミニウムの基本合金であり、２１ｘｘ〜２９ｘｘは、Ａｌ−Ｃｕ系列基本合金を改良した合金であり、２Ｎｘｘは、協会規格以外で開発した新しい合金の場合である。三番目と四番目の数字は、純粋なアルミニウムの場合、アルミニウムの純度を表示し、合金の場合、過去に使用したＡｌｃｏａ社の合金名である。例えば、純粋アルミニウムの場合、１０８０はアルミニウムが９９．８０％Ａｌ以上で、１１００は９９．００％Ａｌを表す。
主要加工合金の構成は、下記の表２Ａから表２Ｂに記載した通りである。それぞれの合金が有する性質は、その構成金属及び含量だけでなく加工方法によっても大きく変わる。
前記アルミニウム合金の主要構成は、下記の表２Ａから表２Ｂの通りである。

前記マグネシウム母合金添加段階Ｓ１２では、前記金属溶湯にスカンジウムを有するマグネシウム母合金を添加する。ここで、上述したように、前記金属溶湯は、マグネシウム合金またはアルミニウム合金である。

ここで、前記マグネシウム母合金添加段階Ｓ１２では、高価の純粋スカンジウム（ｐｕｒｅ Ｓｃ）に比べて安価の酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）及びその等価物のうち選択された何れか一つがマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムに添加されて製造されたものが用いられてもよい。このようなマグネシウム、マグネシウム−アルミニウム及びその製造方法は上記で充分に説明したので、これ以上の説明は省略する。

このように、本発明は、低コストで製造したスカンジウムを有するマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウム合金を金属溶湯に添加することで、酸化スカンジウムを金属溶湯に直接入れる時の様々な問題を解決することができる。例えば、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）を直接アルミニウムに添加すると、酸化物によって合金の品質が低下する問題があるが、本発明のようにスカンジウム（Ｓｃ）を含むマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムをアルミニウムに添加することにより、合金の品質が低下しなくなる。より具体的に説明すると、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）を直接アルミニウムに添加すれば、硬度特性、耐腐食性及び溶接特性の合金特性が低下するが、本発明のように既にスカンジウムが含有されているマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムをアルミニウムに添加すれば、硬度特性、耐腐食性及び溶接特性の合金特性がそのまま維持される。

ここで、例えば５０００系列の金属合金は、３０００系列の金属合金より強くて、形態を作り出すことが容易で、腐食にももっと強い。また、溶接の可能な利点がある。特に、５１８２番合金は、アルミニウム缶の蓋に使用されることができる。さらに、５００５番と５０８３番、そして５０５２、５０５６、５０８６番及びその変種は、電気設備、各種キッチン容器、金属板、耐圧容器、電波送信塔、溶接構造物、ボート、化学物質貯蔵庫などに広く使用されることができる。防虫網、釘及び固定機具などは、大体５０００系列の合金で製造されることができる。このような特性を有する５０００系列の金属合金に、上述したように、既にスカンジウムが含まれているマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムを添加すると、安価でありながら、硬度特性、耐腐食性及び溶接性が低下しないアルミニウム合金を得るようになる。

一方、前記マグネシウム母合金添加段階で用いられた添加剤は、金属１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が添加されてもよい。前記添加剤が０．０００１重量部未満である場合は、マグネシウムによる効果（硬度、耐腐食性、溶接性）が小さい恐れがある。また、前記添加剤が３０重量部を超えると、元の金属合金の特性が現われない恐れがある。

また、前記マグネシウム母合金添加段階で用いられた添加剤の大きさは、０．１〜５００μｍであってもよい。前記添加剤の大きさが０．１μｍ未満であると、現実的に製造が困難であり、高い費用がかかる。尚、前記添加剤の大きさが５００μｍを超える場合は、前記マグネシウムが前記金属溶湯と反応しない恐れがある。

さらに、前記マグネシウム−アルミニウム添加段階で用いられた添加剤は、金属合金１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量ぶが添加されてもよい。前記添加剤が０．０００１重量比未満である場合は、マグネシウムによる効果（硬度、耐腐食性、溶接性）が小さい恐れがある。また、前記添加剤が３０重量比を超えると、元の金属合金の特性が現われない恐れがある。

また、前記マグネシウム−アルミニウム添加段階で用いられた添加剤の大きさは、０．１〜５００μｍであってもよい。前記添加剤の大きさが０．１μｍ未満であると、現実的に製造が困難であり、高い費用がかかる。尚、前記添加剤の大きさが５００μｍを超えると、前記マグネシウム−アルミニウムが前記金属溶湯と反応しない恐れがある。

前記撹拌段階Ｓ１３では、前記金属溶湯を１〜４００分間撹拌する。

ここで、撹拌時間が１分未満であると、金属溶湯に添加剤が充分に混合されず、撹拌時間が４００分を超えると、金属溶湯の撹拌時間が無駄に長くなる恐れがある。

ここで、前記金属溶湯がアルミニウムからなる場合、そのアルミニウム溶湯に添加されたマグネシウムのうちスカンジウムは、アルミニウムとスカンジウムの高い元素親和力によって、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃとして存在するようになる。

また、上記のような撹拌段階Ｓ１３で、前記Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃは金属結晶粒の内部に存在せず、結晶粒の外部、即ち、結晶粒界に金属間化合物形態で存在するようになる。即ち、このような撹拌段階で、前記Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃの金属化合物が形成される。

前記鋳造段階Ｓ１４では、前記金属溶湯を常温（例えば、２５℃）〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する。

ここで、前記鋳型としては、金型、セラミック型、グラファイト型及びその等価物のうち選択された何れか一つを用いてもよい。また、鋳造方式としては、重力鋳造、連続鋳造及びその等価方式が可能である。しかし、ここで前記鋳型の種類及び前記鋳造の方式を限定するのではない。

前記冷却段階Ｓ１５では、前記鋳型を常温で冷却した後、鋳型から金属合金（例えば、金属合金インゴット）を取り出す。

ここで、上記のような方法で製造された金属合金は、結晶粒界を有する多数の金属結晶粒と、前記金属結晶粒の内部ではない外部として前記結晶粒界に存在する金属間化合物（即ち、Ａｌ_２ＳｃまたはＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃ）とからなる。勿論、場合によって、純粋なマグネシウムのような金属の場合、スカンジウムは金属結晶粒の内部に固溶された形態を有する。

このように、本発明は、マグネシウム母合金（スカンジウムを有するマグネシウムまたはスカンジウムを有するマグネシウム−アルミニウム）を金属溶湯（マグネシウム合金またはアルミニウム合金）に添加することで、酸化スカンジウムを金属溶湯に直接入れる時の様々な問題を解決することができる。一例として、酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）を直接アルミニウムに添加すると、酸化物によって合金の品質が低下する問題があるが、本発明のように、スカンジウムを含むマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムをアルミニウムに添加することで、合金の品質（強度、耐腐食性及び溶接性など）を低下させないながらも安価でアルミニウム合金を製造することができる。

一方、上記のような方法で製造されたアルミニウム合金の強度実験データを下記の表３に記載した。

上記の表３のように、７０００系列のアルミニウム合金に、上述した方法でスカンジウムが既に添加されたマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムを添加した場合、強度が５５０〜６００ＭＰａから６５０〜７００ＭＰａに増加することが分かる。

また、上記の表３のように、５０００系列のアルミニウム合金に、上述した方法でスカンジウムが既に添加されたマグネシウムまたはマグネシウム−アルミニウムを添加した場合、強度が３５０〜４００ＭＰａから４５０〜５００ＭＰａに増加することが分かる。

このように、本発明にかかる金属合金及びその製造方法によれば、スカンジウムを有するマグネシウム母合金がマグネシウム合金またはアルミニウム合金のような金属合金に添加されることで、金属合金が安価で製造され、また金属合金の硬度特性、耐腐食性及び溶接特性のような合金特性が低下しない。

さらに本発明では、金属結晶粒の内部にスカンジウムが固溶されたマグネシウム母合金形態または結晶粒界にスカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金形態で製造されることで、用途や目的に適合した金属合金が容易に製造されることができる。例えば、スカンジウムが固溶された形態の金属合金が必要な場合、前記金属結晶粒の内部にスカンジウムが固溶されたマグネシウム母合金が用いられることができる。また、スカンジウムが晶出された形態の金属合金が必要な場合、前記結晶粒界にスカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金が用いられることができる。勿論、金属結晶粒の内部にスカンジウムが固溶されたマグネシウム母合金形態または結晶粒界にスカンジウムが晶出されたマグネシウム母合金が、両方とも添加されて金属合金が製造されることもできる。

以上の説明は、本発明にかかるマグネシウム母合金、その製造方法、それを用いる金属合金、及びその製造方法を実施するための一つの実施例に過ぎず、本発明は、上記の実施例に限られずに、以下の特許請求の範囲で請求するように、本発明の要旨を逸脱することなく、当該発明の属する分野における通常の知識を有する者であれば、誰でも多様な変更実施が可能な範囲まで本発明の技術的精神が含まれるべきである。

Claims (16)

1. 結晶粒界を有する多数のマグネシウム−アルミニウム結晶粒；及び
   前記マグネシウム−アルミニウム結晶粒の内部ではない外部として、前記結晶粒界に、酸化スカンジウム（Ｓｃ _２ Ｏ _３ ）が還元されることによって生成し晶出されたスカンジウム化合物を含んで成ることを特徴とするマグネシウム母合金。
2. 前記スカンジウム化合物は、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃであることを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム母合金。
3. 前記スカンジウム化合物のうちスカンジウム（Ｓｃ）は、
   マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が存在することを特徴とする請求項１に記載のマグネシウム母合金。
4. マグネシウム−アルミニウムをるつぼに入れて６００℃〜８００℃の温度で溶解して、マグネシウム溶湯を形成するマグネシウム溶湯形成段階；
   前記マグネシウム溶湯に酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）を添加する酸化スカンジウム添加段階；
   前記マグネシウム溶湯を１〜４００分間撹拌する撹拌段階；
   前記マグネシウム溶湯を常温〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する鋳造段階；及び
   前記鋳造されたマグネシウムを冷却する冷却段階を含んで成ることを特徴とするマグネシウム母合金の製造方法。
5. 前記酸化スカンジウム添加段階で添加される酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）は、
   前記マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部であることを特徴とする請求項４に記載のマグネシウム母合金の製造方法。
6. マグネシウム合金またはアルミニウム合金を含み、結晶粒界を有する多数の金属結晶粒；及び
   前記金属結晶粒の内部ではない外部として、酸化スカンジウム（Ｓｃ _２ Ｏ _３ ）が還元されることによって生成したスカンジウム化合物を前記結晶粒界に含んで成ることを特徴とする金属合金。
7. 前記金属は、ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＳ４１、ＡＳ３１、ＡＳ２１Ｘ、ＡＥ４２、ＡＥ４４、ＡＸ５１、ＡＸ５２、ＡＪ５０Ｘ、ＡＪ５２Ｘ、ＡＪ６２Ｘ、ＭＲＩ１５３、ＭＲＩ２３０、ＡＭ−ＨＰ２、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｓｉ及びＭｇ−Ｚｎ−Ｙのうち選択された何れか一つであることを特徴とする請求項６に記載の金属合金。
8. 前記金属は、１０００系列、２０００系列、３０００系列、４０００系列、５０００系列、６０００系列、７０００系列及び８０００系列の塑性加工用（Ｗｒｏｕｇｈｔ）アルミニウムまたは１００系列、２００系列、３００系列、４００系列、５００系列及び７００系列鋳造用（Ｃａｓｔｉｎｇ）アルミニウムのうち選択された何れか一つであることを特徴とする請求項６に記載の金属合金。
9. 前記スカンジウム化合物は、Ａｌ_２Ｓｃ、ＡｌＳｃまたはＡｌ_３Ｓｃであることを特徴とする請求項６に記載の金属合金。
10. 前記スカンジウム化合物のうち前記スカンジウム（Ｓｃ）は、
    前記金属１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部存在することを特徴とする請求項６に記載の金属合金。
11. マグネシウム合金またはアルミニウム合金からなる金属溶湯を形成する金属溶湯形成段階；
    前記金属溶湯に、スカンジウム化合物を有するマグネシウム母合金を添加するマグネシウム母合金添加段階；
    前記金属溶湯を１分〜４００分間撹拌する撹拌段階；
    前記金属溶湯を常温〜４００℃の鋳型に入れて鋳造する鋳造段階；及び
    前記鋳造された金属を冷却する冷却段階を含んで成り、
    前記マグネシウム母合金は、マグネシウム−アルミニウムに酸化スカンジウム（Ｓｃ _２ Ｏ _３ ）を添加して製造されたことを特徴とする金属合金の製造方法。
12. 前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、
    金属１００重量部に対して０．０００１乃至３０重量部が添加されることを特徴とする請求項１１に記載の金属合金の製造方法。
13. 前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、
    マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されたことを特徴とする請求項１１に記載の金属合金の製造方法。
14. 前記マグネシウム母合金添加段階で用いられたスカンジウムを有するマグネシウム母合金は、
    純粋マグネシウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されたものと、
    マグネシウム−アルミニウム１００重量部に対して酸化スカンジウム（Ｓｃ_２Ｏ_３）が０．０００１乃至３０重量部添加されて製造されたものであることを特徴とする請求項１１に記載の金属合金の製造方法。
15. 前記金属溶湯は、
    ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ２０、ＡＭ３０、ＡＭ５０、ＡＭ６０、ＡＺ３１、ＡＺ６１、ＡＺ８０、ＡＳ４１、ＡＳ３１、ＡＳ２１Ｘ、ＡＥ４２、ＡＥ４４、ＡＸ５１、ＡＸ５２、ＡＪ５０Ｘ、ＡＪ５２Ｘ、ＡＪ６２Ｘ、ＭＲＩ１５３、ＭＲＩ２３０、ＡＭ−ＨＰ２、Ｍｇ−Ａｌ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｒｅ、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｓｎ、Ｍｇ−Ｓｉ及びＭｇ−Ｚｎ−Ｙのうち選択された何れか一つで形成されることを特徴とする請求項１１に記載の金属合金の製造方法。
16. 前記金属溶湯は、
    １０００系列、２０００系列、３０００系列、４０００系列、５０００系列、６０００系列、７０００系列及び８０００系列塑性加工用（Ｗｒｏｕｇｈｔ）アルミニウムまたは１００系列、２００系列、３００系列、４００系列、５００系列及び７００系列鋳造用（Ｃａｓｔｉｎｇ）アルミニウムのうち選択された何れか一つで形成されることを特徴とする請求項１１に記載の金属合金の製造方法。

Images