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JP3238516B2 - 高強度マグネシウム合金及びその製造方法 - Google Patents

高強度マグネシウム合金及びその製造方法

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JP3238516B2
JP3238516B2 JP05402693A JP5402693A JP3238516B2 JP 3238516 B2 JP3238516 B2 JP 3238516B2 JP 05402693 A JP05402693 A JP 05402693A JP 5402693 A JP5402693 A JP 5402693A JP 3238516 B2 JP3238516 B2 JP 3238516B2
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JP
Japan
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atomic
alloy
magnesium alloy
same
intermetallic compound
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健 増本
明久 井上
秀彦 堀切
晃 加藤
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は高強度マグネシウム合金
及びその製造法に関するものであり、さらに詳しく述べ
るならば微結晶マグネシウム合金の強度及び靭性を高め
る技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】本出願人らは特願平3−74681号
(平成3年3月14日出願)及び欧州公開特許公報05
03880号において、Mga Mb Alc Xd Ze (た
だし、MはLa,Ce,及び/又はMm(ミッシュメタ
ル)、XはNi及び/Cu,ZはMn,Zn,Zr及び
/又はTi,a=70〜90at%,b=2〜15at
%,d=2〜15at%,e=0.1〜8at%、a+
b+c+d+e=100at%)からなる組成の高強度
耐熱性非晶質マグネシウム合金を提案した。この合金の
引張強度は実施例では約80〜100kg/mm2 であ
り、従来のマグネシウム合金よりも遥かに高い強度をも
っている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
マグネシウム合金は組織が非晶質であるために、形態が
箔などに限定されており、各種部品として実用する面で
は問題がある。したがって、本発明は強度が高く、靭性
にすぐれかつ各種形状に加工できるマグネシウム合金及
びその加工方法を提供することを目的とする。
【0004】上記した目的を達成する本発明の第一は、
一般式でMgaZnbc(ただし、XはY,Ce,L
a,Nd,Pr,Sm,Mm(ミッシュメタル)からな
る群から選ばれる1種または2種以上の元素、87原子
%≦a≦98原子%、b及びcは図1のA,B点を結ぶ
線上を除くB−C−D−E−F−Aの線上及びA−B−
C−D−E−Fの線で囲まれた範囲であり、かつ0≦Y
(イットリウム)≦4.5原子%、0≦Ce,La,N
d,Pr,Sm,Mm≦3原子%で表される組成を有
し、サブミクロンの微結晶からなる母相にMg−Zn系
及びMg−X系金属間化合物が分散したことを特徴とす
靭性に優れた高強度マグネシウム合金粉末固化材であ
り、また本発明の第二は、一般式でMgaZnbc(た
だし、XはY,Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm
(ミッシュメタル)からなる群から選ばれる1種または
2種以上の元素、87原子%≦a≦98原子%、b及び
cは図1のA,B点を結ぶ線上を除くB−C−D−E−
F−Aの線上及びA−B−C−D−E−Fの線で囲まれ
た範囲であり、かつ0≦Y(イットリウム)≦4.5原
子%、0≦Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm≦3原
子%で表される組成を有する合金溶湯を急冷凝固し、そ
の後該急冷凝固合金に300〜450℃の温度で塑性加
工を施し、サブミクロンの微結晶からなる母相にMg−
Zn系及びMg−X系金属間化合物を分散させたことを
特徴とする高強度マグネシウム合金粉末固化材の製造方
法である。
【0005】本発明の第一にかかるマグネシウム合金に
おいて、Mgは母相となる微結晶をつくる元素である。
Mgの量が87原子%未満であると、軽量であるという
マグネシウム合金の特長が失われ、母相の結晶が粗大化
し、また靭性の低下などが招かれる。一方Mgの量が9
8原子%を越えると母相中に析出する金属間化合物の量
が不足して強度の低下を招く。
【0006】ZnはMgとの金属間化合物を形成し、こ
の金属間化合物が微細なMg母相中に微細に分散して靭
性を損なうことなく強度を高める。また、XはY,C
e,La,Nd,Pr,Sm,Mm(ミッシュメタル)
からなる群から選ばれる1種または2種以上の元素はM
gの母相を微細化するとともに、Mgとの金属間化合物
を形成し、この金属間化合物が微細なMg母相中に微細
に分散して靭性を損なうことなく強度を高める。これら
の元素の量は図1に示された範囲とすることが必要であ
る。すなわち、AFE線より上側、ED線より右側及び
BCD線より下側では分散する金属間化合物が粗大化し
て材料が脆くなるので、これらの線上あるいは線で囲ま
れた範囲内とする必要がある。
【0007】さらに、Y(イットリウム)を添加する場
合は本発明の合金で析出するY(イットリウム)とMg
の金属間化合物は、Ce,La,Nd,Pr,Sm,M
mとMgの金属間化合物に比べ、X元素の原子%が高
い。このためY(イットリウム)を添加する場合は4.
5原子%まで脆化することがない。他方Ce,La,N
d,Pr,Sm,Mmの場合は上限を3原子%とする必
要がある。
【0008】続いて本発明のマグネシウム合金の組織を
説明する。この合金はMg母相(Mgの結晶構造をもつ
相)とMg−Zn系及びMg−X系金属間化合物の分散
相とから構成されており、分散相は母相中に微細に分散
している。Mg母相はサブミクロンの微結晶であり、こ
のなかにさらに微細な金属間化合物相が分散している。
【0009】さらに、本発明の第二にかかるマグネシウ
ム合金の加工方法について説明する。この方法では上記
組成を有するMg合金溶湯を急冷凝固する。得られた合
金は、X線回折法により特有のハローパターを示す非
晶質組織、結晶特有の回折ピークを示す微細結晶質ある
いはハローパターンと回折ピークが混在する非結晶と結
晶質の混合組織のいずれかである。
【0010】この合金を450℃以下の温度で加工を行
う。この加工により上記した組織の内非晶質組織は金属
間化合物が分散した微結晶組織に変わり、所望の組織が
得られる。また微細結晶質では若干の粒成長は起こる
が、再結晶による粗大化は起こらず所望の組織が得られ
る。加工は引抜、圧延、鍛造、押出などの塑性加工法に
よることができ、得られるバルク材は円柱、板、異形な
どの種々の形状である。以下、さらに本発明の実施態様
につき説明する。
【0011】Mg合金溶湯の急冷凝固は、一般的に急冷
凝固法として知られているガン法、ピストン・アンビル
法、あるいは連続的な薄帯を作製する遠心法、単ロール
法、双ロール法、あるいは粉末を作製するスプレー法、
細線を作製する回転液中紡糸法などによることができ
る。これらの方法の中でも、102 〜106 K/sの冷
却速度が容易に得られる単ロール法、双ロール法または
高圧ガス噴射法が特に適している。
【0012】単ロール法、双ロール法によりMg合金薄
帯を作製するためには300〜10000rpmで回転
する直径30〜300mmの銅製又は鋼製ノズルに合金
溶湯を噴射する。これにより幅が1〜300mm,厚さ
が5〜500μmの薄帯が得られる。
【0013】また、高圧ガス噴射法によりMg合金薄帯
を得るには、溶湯ノズルから流下させた合金溶湯に4〜
15MPaの高圧窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガ
スなどを吹きつけ、溶湯を微細に分断し同時に急冷凝固
させる。
【0014】上述の急冷凝固法で得られたMg合金はそ
のまま塑性加工することも可能であるが、薄帯あるいは
細線の場合は粉砕した後銅、アルミニウム又はそれらの
合金製の缶に充填して塑性加工することが好ましい。こ
の際急冷凝固してから金属缶に充填するまでの急冷凝固
材の酸化を抑制するため酸素量1ppm以下の高清浄度
の雰囲気中で急冷凝固粉末を取り扱うことが好ましい。
また金属缶に充填された粉末には塑性加工するに先立っ
て真空脱ガスを施すことが好ましい。加工温度は200
℃以上であることが好ましい。200℃未満の加工温度
では粉末の固化とバルク化が困難になる。
【0015】
【作用】母相組織を微結晶質とし、特定の金属間化合物
を母相に分散させたMga Znb Xc 合金は強度と靭性
を兼備している。上記した組成では加工により組織の粗
大化が起こり難いので、高強度と高靭性を保ちつつ部品
に近い形状のバルク材を得ることができる。以下、実施
例により本発明をさらに詳しく説明する。
【0016】
【実施例】実施例1 表1に化学組成を示す本発明実施例のNo.1〜3及び
参考例No.4のMg合金をAr雰囲気中で高周波溶解
して、母合金を溶製した。この母合金をAr雰囲気中で
高周波炉で775℃で溶解した後、9.8MPaのAr
ガスで高圧ガス噴射法により微細な結晶質金属からなる
粉末とした。
【0017】アトマイズされた粉末のうち粒径の小さい
ものはより急冷されており、析出粒子が小さく、また添
加元素の固溶量も大きい。そこで、得られた粉末を分級
し、25μm以下の粉末を温度300〜400℃、加圧
力400〜1000MPa押出比10:1で押出を行
い、直径6mm,長さ270mm,密度100%の円柱
材を得た。なお粉末作製から押出までの段階で粉末が暴
露された雰囲気は酸素分圧、水蒸気分圧がともに1pp
m以下の高清浄度雰囲気であった。
【0018】円柱材をX線回折したところ、表1に示す
金属間化合物がMg相と共に観察された。またMg母相
の平均粒径は約0.3μm,金属間化合物の平均粒径は
約50nmであり、微細な母相中に微細な金属間化合物
が分散していることがTEMで観察された。
【0019】次に円柱材をインストロン型引張試験機に
よる引張試験に供した。この結果も表1に示す。本発明
のMg合金の引張強度は600〜700MPaであって
極めて高い値であることがわかる。
【0020】
【表1】 組成 押出 金属間化合物相 引張 硬さ 温度℃ 耐力MPa Hv 1 Mg95Zn2Mm3 300 Mg17La2, Mg12Nd, CeMg12, Mg2Zn3 726 152 2 Mg92Zn5Mm3 400 同上 620 150 3 Mg92Zn10Mm2 375 同上 610 130 4 Mg95.5Y2.5Mm2 325 Mg17La2, Mg12Nd, CeMg12, Mg24Y5 600 160
【0021】実施例2 表2に化学組成を示すMg合金を実施例1と同様の方法
により溶解し、同様の条件で急冷凝固して微細結晶質の
合金を作製した。この粉末を実施例1と同様の条件で熱
間押出成形して円柱材を作製した。この円柱材のビッカ
ース硬度を測定した結果を表2に示す。
【0022】また同じ組成をもつ合金を単ロール法でリ
ボン材に作製し、これを熱間押出温度に相当する温度に
加熱して押出材と同じ組織にした後、密着曲げにより靭
性を評価した。密着曲げ試験ではリボン材が破壊するこ
となく密着曲げ可能かどうかを調べた。密着曲げ可能な
材料は靭性をもつductile材料であり、不可能な
材料は脆い材料である。この結果も表2に示す。
【0023】
【表2】 No 組成 押出 金属間化合物相 密着 硬さ 温度℃ 曲げ Hv 5 Mg89Zn10Mm1 300 Mg17La2, Mg12Nd, CeMg12, Mg2Zn3 可能 123 6 Mg87Zn10Mm3 400 同上 可能 180 7 Mg91.5Zn7.5Mm1 300 同上 可能 121 8 Mg90.5Zn7.5Mm2 300 同上 可能 130 9 Mg93Zn5Mm2 400 同上 可能 125 10 Mg94Zn5Mm1 300 同上 可能 115 11 Mg94.5Zn2.5Mm3 300 同上 可能 154 12 Mg95.5Zn2.5Mm2 300 同上 可能 151
【0024】比較例1 実施例2と同様の試験を表3に組成を示すMg合金につ
いて行った。結果を表3に示す。
【0025】
【表3】 No 組成 押出 金属間化合物相 密着 硬さ 温度℃ 曲げ Hv 13 Mg86Zn10Mm4 300 Mg17La2, Mg12Nd, CeMg12, Mg2Zn3 不可 301 14 Mg86Zn10Mm4 400 同上 不可 230 15 Mg88.5Zn7.5Mm4 300 同上 不可 283 16 Mg88.5Zn7.5Mm4 400 同上 不可 227 17 Mg90Zn5Mm5 300 同上 不可 271 18 Mg90Zn5Mm5 400 同上 不可 231 19 Mg90Zn10 300 同上 不可 96 20 Mg95Zn5 300 (Mgのみ) 可能 70 21 Mg97Zn2Mm1 300 Mg17La2, Mg12Nd, CeMg12, Mg2Zn3 可能 68 比較例の材料はすべて脆いかあるいは硬度が低い材料で
あることがわかった。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のMg合金
は高い強度と靭性を兼備し、かつ円柱材などのバルク材
料として提供されるから高い比強度が要求される部品に
好適に適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のZnとX成分の範囲に、本願実施例のN
o.5,6,10の組成点を付記したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C22F 1/00 630 C22F 1/00 630K 681 681 683 683 694 694B 1/06 1/06 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉3丁目8番22号 (72)発明者 井上 明久 宮城県仙台市青葉区川内無番地 川内住 宅11−806 (72)発明者 堀切 秀彦 東京都中央区八重洲1丁目9番9号 帝 国ピストンリング株式会社内 (72)発明者 加藤 晃 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−41701(JP,A) 特開 平5−306424(JP,A) 特開 平5−70880(JP,A) 特開 平3−47941(JP,A) 特開 平3−10041(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 23/00 - 23/06 C22F 1/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式でMgaZnbc(ただし、Xは
    Y,Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm(ミッシュメ
    タル)からなる群から選ばれる1種または2種以上の元
    素、87原子%≦a≦98原子%、b及びcは図1の
    A,B点を結ぶ線上を除くB−C−D−E−F−Aの線
    上及びA−B−C−D−E−Fの線で囲まれた範囲であ
    り、かつ0≦Y(イットリウム)≦4.5原子%、0≦
    Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm≦3原子%で表さ
    れる組成を有し、サブミクロンの微結晶からなる母相に
    Mg−Zn系及びMg−X系金属間化合物が分散したこ
    とを特徴とする靭性に優れた高強度マグネシウム合金粉
    固化材。
  2. 【請求項2】 一般式でMgaZnbc(ただし、Xは
    Y,Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm(ミッシュメ
    タル)からなる群から選ばれる1種または2種以上の元
    素、87原子%≦a≦98原子%、b及びcは図1の
    A,B点を結ぶ線上を除くB−C−D−E−F−Aの線
    上及びA−B−C−D−E−Fの線で囲まれた範囲であ
    り、かつ0≦Y(イットリウム)≦4.5原子%、0≦
    Ce,La,Nd,Pr,Sm,Mm≦3原子%で表さ
    れる組成を有する合金溶湯を急冷凝固し、その後該急冷
    凝固合金に300〜450℃の温度で塑性加工を施し、
    サブミクロンの微結晶からなる母相にMg−Zn系及び
    Mg−X系金属間化合物を分散させたことを特徴とする
    高強度マグネシウム合金粉末固化材の製造方法。
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