JP3415987B2 - 耐熱マグネシウム合金成形部材の成形方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は耐クリープ性を確保
しつつ、特に成形性、伸び性に優れる耐熱マグネシウム
合金成形部材、その成形に用いる耐熱マグネシウム合金
およびその成形方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】マグネシウム合金は現在実用化されてい
る金属材料の中でも最も低密度であり、今後の自動車用
軽量材として強く期待されている。現在最も一般的に用
いられているマグネシウム合金はＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍ
ｎ系合金（例えばＡＺ９１Ｄ合金）であり、室温強度が
高く、耐食性も良好であるため、自動車用トランスミッ
ションケース、シリンダヘッドカバーなどに適用されて
いる。しかしながら、１２０℃を越える温度域では強度
特性が低下し始め、特に耐クリープ性が劣るという欠点
があり、実部品レベルではネジ締結部の座面がへたるな
どの問題に繋がる。

【０００３】他方、耐熱性を改善した合金としてはＭｇ
−Ａｌ−Ｓｉ系のＡＳ４１マグネシウム合金が使用され
ている。しかしながら、耐クリープ性に関しては上記Ａ
Ｚ９１Ｄよりも良好であるが、使用温度が１５０℃近傍
では不十分な特性となり、しかも室温、高温とも引張強
度特性が低いため、要求強度を確保するには厚肉とせざ
るを得ず、マグネシウムの軽量化効果が減少するという
問題が生ずる。

【０００４】その他、耐熱性を改善した合金として銀や
希土類元素などを添加したＱＥ２２などの合金がある
が、高価であり、鋳造性の点でダイキャストには適さな
いなどの欠点がある。

【０００５】そのため、新たに高温強度に優れる、Ｍｇ
−Ａｌ−Ｃａ−Ｍｎ系合金（特開平６−２５７９０号）
が提案されるに至った。ここでは、特にＣａ／Ａｌの比
を０．７、好ましくは０．７５以上にするとマグネシウ
ム合金中に晶出する析出物の組織形態が変化し、Ｍｇ−
Ｃａ化合物が晶出して優れた高温強度特性を示すように
なるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｃａ／
Ａｌ比の高いマグネシウム合金ではダイキャストにおい
て部材を成形しようとする場合、熱間割れが発生しやす
く、溶湯温度が高いと金型への焼付きが発生しやすいな
どの問題を残している。本発明は、このような従来技術
の有する課題に鑑み、自動車などのエンジン部品等に適
する物性、特に耐クリープ性を確保しつつ、成形性、伸
び性に優れる耐熱マグネシウム合金成形部材を提供する
ことを第１の目的とする。本発明の第２の目的は汎用さ
れるダイキャストに代え、上記耐熱マグネシウム合金成
形部材の適切な成形方法を提供することにある。更に、
本発明の第３の目的は上記耐クリープ性を確保しつつ、
成形性、伸び性に優れる耐熱マグネシウム合金成形部材
を製造するに適する合金組成を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記の課題
を解決するために種々検討を重ねた結果、Ａｌ−Ｃａ系
マグネシウム合金ではダイキャスト法に代え、固相と液
相が混在した状態で射出成形を行う半溶融成形法を適用
とすると、金型の焼き付きを防止できると同時に、成形
される部材に優れた強度を付与することができることを
見い出したが、その固相と液相が混在した状態を維持す
るためにはアルミニウムの添加量を極力増大することが
必要となる。他方、アルミニウムはマグネシウムに固溶
し、時効硬化性を示し、合金の機械的性質を高めるため
に添加するが、マグネシウムへのアルミニウムの添加に
伴い、低下する傾向にある高温強度を増強するためにＣ
ａ／Ａｌ比を０．７以上に保持するようにカルシウムを
添加することが推奨されている（特開平６−２５７９０
号）。しかしながら、このカルシウム量が多いと、成形
時に鋳造割れ及び金型への焼き付きが発生し易い上、Ｍ
ｇ−Ｃａ系化合物が多量に晶出するため、成形物の伸び
が低下する傾向があり、むしろＣａ／Ａｌ比を０．８以
下にする必要があることを見い出した。

【０００８】そこで、本発明は、上記両者の知見に基
き、耐熱マグネシウム合金から成り、平均結晶粒径が３
０μｍ以下かつ引張強度が１８０ＭＰａ以上であり、さ
らに試験温度１５０℃、試験荷重５０ＭＰａでの最小ク
リープ速度が４×１０^−１０／Ｓ以下である耐クリープ
性を有する耐熱マグネシウム合金成形部材の成形方法で
あって、上記耐熱マグネシウム合金が、アルミニウム２
〜６重量％及びカルシウム０．５〜４重量％と、亜鉛、
マンガン、ジルコニウム及びケイ素から成る群から選択
された少なくとも1種の金属を２重量％以下及び／又は
希土類元素を４重量％以下含有し、残部がマグネシウム
と不可避の不純物から成り、Ｃａ／Ａｌ比が０．８以下
であって、上記耐熱マグネシウム合金を切削加工して内
部歪みを導入し、次いでシリンダ及びスクリューを備え
た射出成形機を用い、固相率３０％以下で半溶融射出成
形する耐熱マグネシウム合金成形部材の成形方法を提供
することにある。一般に、マグネシウム合金ではマグネ
シウムに固溶し、時効硬化性を示し、合金の機械的性質
を高めるためにアルミニウム２〜１０重量％を添加する
のが好ましいとされている。これに対し、本発明ではア
ルミニウムは２重量％以上添加される必要があるが、６
重量％を超えると、半溶融射出成形を行っても伸びが低
下する。そのため、半溶融射出成形を行いつつ所期の効
果を達成するため、６重量％以下に制限される。他方、
カルシウムはマグネシウムへのアルミニウムの添加に伴
い、低下する傾向にある高温強度を増強するために添加
されるが、成形性と成形部材の伸びを低下させないよう
にＣａ／Ａｌ比を０．８以下に押さえる必要があり、し
かも０．５〜４重量％に制限される。

【０００９】ストロンチウムはマグネシウムの鋳造にお
いて微細化剤として使用されるが、本発明に係る半溶融
射出成形法においても固相の微細化効果を発揮すること
ができるので、添加するのが好ましい。添加量は０．１
５重量％以下が適当である。

【００１０】上記成形部品は結晶粒径が３０μm以下で
引張強度１８０ＭＰａ（２９８°Ｋ：図９参照）以上に
あり、しかも試験温度１５０℃、試験荷重５０ＭＰａで
の最小クリープ速度４×１０^-10／Ｓ以下である優れた
耐クリープ性を示す（ＪＩＳＺ ２２７１「金属材料の
引張クリープ試験方法」による）。したがって、自動車
用トランスミッション部品またはエンジン部品に適す
る。特に、Ｃａ／Ａｌ比が０．６以下である場合は耐ク
リープ性に優れる。

【００１１】また、本発明では、上記マグネシウム合金
成形部品の成形に用いる合金素材として、アルミニウム
２〜６重量％及びカルシウム０．５〜４重量％を含有
し、残部がマグネシウムと不可避の不純物、好ましくは
更に０．１５重量％以下のＳｒを含有してなり、要すれ
ば、Ｃａ／Ａｌ比が０．８以下、好ましくはＣａ／Ａｌ
比が０．６以下に調整された、半溶融射出成形によって
優れた耐クリープ性を確保しつつ、成形性、伸び性に優
れる耐熱マグネシウム合金を提供しようとするものでも
ある。

【００１２】特に、合金素材としては、半溶融射出成形
法で成形する場合、内部歪みを導入した金属粒またはペ
レット形態であるのが結晶微細化に有効であることが見
い出されている（図１０参照）。その加工法としては切
削加工がコスト的に有利である。

【００１３】さらに、ダイキャスト法に代え、固相と液
相が混在した状態で射出成形を行う半溶融射出成形法を
適用とする場合、ダイキャスト法より低温の液相線以下
の温度で実施することができる。したがって、本発明は
上記記載のマグネシウム合金を液相線温度以下の固相と
液相の混在する状態で半溶融成形することを特徴とする
耐クリープ性を確保しつつ、成形性、伸び性に優れる耐
熱マグネシウム合金部材の成形方法を提供するものでも
ある。

【００１４】ダイキャストは一般的に溶融温度上３０〜
５０℃の溶湯温度で金型中に射出するのに対し、本発明
の半溶融射出成形では液相線以下の温度で射出するた
め、少なくとも射出温度は３０〜６０℃以上低下するこ
とになる。したがって、金型への焼き付きを防止できる
ことになる。

【００１５】そもそも半溶融からの凝固であるので凝固
応力が小さくなることからこの方法を使用することによ
り熱間割れの発生を抑制することができると思われる。

【００１６】特に、これらの防止および効果は半溶融成
形法において固相率３０％以下において流動長に及ぼす
影響が顕著となり（図８参照）、熱間割れの発生を抑制
に効果的である。したがって、この半溶融成形を行う
際、半溶融状態時の固相率が３０％以下であるのが好ま
しい。一般に固相率が高いほど焼付きも凝固応力も有利
と思われるが、本発明方法では固相率が高いと流動性が
低下するため、充填性の低下や湯境いの発生が起こり易
く、健全な成形部材を得ることが困難となる。

【００１７】特にこれらの凝固組織の平均粒径が３０μ
ｍ以下の時、特に伸び値が大きく向上することが見い出
された。

【００１８】上記マグネシウム合金が更に亜鉛、マンガ
ン、ジルコニウム、及びケイ素からなる群から選ばれた
少なくとも１種の元素を２重量％以下、及び／又は希士
類元素（例えば、イットリウム、ネオジウム、ランタ
ン、セリウム、ミッシュメタル）４重量％以下を含有し
てもよい。これらはその上限以下で上記マグネシウム合
金の強度または高温強度を有効に向上させるものであ
る。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１に本発明に係る半溶融成形法
に用いられる成形機１の全体構成を示す。本発明の成形
方法では、図中のホッパー８に機械の切削等の方法で作
製されたマグネシウム合金金属粒またはペレット（径３
ｍｍ以上）の原料３を投入する。原料３はホッパー８か
らアルゴン雰囲気の通入口７を通ってシリンダ４内に供
給される。このシリンダ４内ではスクリュー２によって
原料３は前方に送られながら、加熱される。この加熱ゾ
ーンを１０で示す。加熱温度が略液相線ではマグネシウ
ム合金原料３は溶融状態となるが、液相線以下の温度で
は図示したように固相と液相が混在した半溶融状態とな
る。また、半溶融状態にあるマグネシウム合金はスクリ
ューの回転撹拌により、図示のようにその剪断力が固相
を細かく分断する。ここで、後方の高速射出機構５でス
クリュー２を前方に押し出すと、半溶融状態で細かく固
相が細断された溶湯が図示のようにノズル９より高速射
出され、金型６内に充填されることになる。ここで、凝
固まで金型内を加圧保持し、凝固後型を開き成形製品を
取り出す。

【００２０】実施例１〜７及び比較例１〜５ 低周波炉に鉄ルツボを設置し、ＳＦ₆ガス１％（残はド
ライエア）を溶湯表面に流動させながら実施例および比
較例の成分の合金を溶製した。これらの合金を板上に鋳
造し、フライス加工にて３〜５ｍｍ径のペレットを製造
し、これらを原料として上記成形機を用いて、半溶融成
形を行った。

【００２１】

【表１】

【００２２】半溶融成形は型締め力４５０ｔのマシンを
用い、その条件は共に射出速度は金型ゲート部において
５０ｍ／ｓ、射出圧力約７００ｋｇ／ｃｍ²であり、ノ
ズル部の合金の温度を液相線以下の温度５５０〜５８０
℃に設定した。以上の成形条件にて、引張試験片（ＪＩ
Ｓ４号試験片）を作成し、ＪＩＳ Ｚ ２２７１に基づ
く引張クリープ試験方法により１５０℃、５０ＭＰａで
のクリープ特性を検討した。結果を図２に示す。本発明
に係るマグネシウム合金は比較例３のＡＺ９１Ｄより耐
クリープ性に優れるとされたＡＳ４１より耐クリープ特
性に優れることが分かる。

【００２３】また、インストロン引張試験機によりクロ
スヘッド速度１０ｍｍ／分、測定温度２５℃で破断強度
と破断伸びを測定した。結果を表２に示す。アルミニウ
ムが本発明の範囲２〜６重量を越える比較例２、アルミ
ニウム及びカルシウムは本発明の範囲にあるが、Ｃａ／
Ａｌ比が０．８を越える比較例４に対し、アルミニウム
２〜６重量％、カルシウム０．５〜４重量％を含有し、
Ｃａ／Ａｌ比が０．８以下の実施例は優れた伸びを示す
ことが分かる。

【００２４】

【表２】

【００２５】そこで、実施例と比較例において、Ｃａ／
Ａｌ比率と上記伸びとの関係を図３に図示した。これか
らＣａ／Ａｌ比が０．８を越えると伸びが急激に低下す
ることが分かる。そこで、Ｃａ／Ａｌ比と最小クリープ
歪速度との関係をみると、図６に示すように、Ｃａ／Ａ
ｌ比が０．６以下の場合（実施例２）にはより小さなク
リープ歪速度となり、更に耐クリープ特性に優れること
が分かる。

【００２６】また、図４に示す試験用金型を用い、図示
の湯流れを確保して半溶融成形を行うと、表３に示す結
果が得られた。これよりＣａ／Ａｌ比率が１に近づくと
鋳造割れが円筒部上端オーバーフロー側に生ずるが、Ｃ
ａ／Ａｌが０．８以下ではこのような鋳造割れは一切発
生しなかった。

【００２７】

【表３】

【００２８】一般に鋳造時の滞留時間が長くなると、固
相径が急激に増大する（図５の実施例２）が、ストロン
チウムを添加しておくと、結晶微細化効果が働き、滞留
時間による固相径の増大を抑制することができることが
分かる。

【００２９】実施例２の合金素材を用い、図７に示す湯
流れ性評価用金型に半溶融成形温度を変化させて溶湯中
の固相率を変化させ、図示の方向に溶湯を侵入させ、そ
の湯流れ性を評価した。結果を図８に示す。この結果よ
り固相率３０％を越えると流動長が急激に降下する。こ
の湯流れは成形部材の組織結晶粒径に影響を与えるの
で、半溶融成形法では固相率３０％以下の状態で成形す
るのが好ましいことが分かる。

【００３０】半溶融成形ではマグネシウム合金素材を金
属粒またはペレットの形態にして使用するが、この金属
粒は内部に切削加工などで加工歪を与えておくと、加熱
後しばらくした後再結晶粒の核を生成し、固相径を増大
していくので、加工歪のない金属粒を用いる場合と加工
歪を有する金属粒を比較すると、図１０に示すように固
相の成長速度が異なり、成形部材の結晶粒径の微細化に
は後者のほうが優れていることが理解できる。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ系耐熱マグネシウム合金部材
においてＣａ／Ａｌ比を制御して高温における耐クリー
プ特性に優れる成形部材を得ることができるので、クラ
ッチピストンおよびクラッチドラムなどの自動車用トラ
ンスミッション部品およびロッカーアームなどのエンジ
ン部品を軽量マグネシウム合金で製造して十分な耐久性
を持たせることができる。また、本発明では、液相線以
下の温度で半溶融成形することにより、従来ダイキャス
ト法で熱間割れや金型への焼付きの課題を解決しつつ、
従来法と同等またはそれ以上の常温および高温強度並び
に伸びを保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半溶融成形法及び射出成形法に用
いられる成形機の構成を示す概要図。

【図２】 各種マグネシウム合金成形部材のクリープ特
性を比較するためのグラフである。

【図３】 各種マグネシウム合金成形部材のＣａ／Ａｌ
比と室温伸びの関係を示すグラフである。

【図４】 鋳造割れ試験用金型を示す概略図である。

【図５】 固相径と滞留時間との関係を示すグラフであ
る。

【図６】 各種マグネシウム合金成形部材の最小クリー
プ歪速度を示すグラフである。

【図７】 各種マグネシウム合金の湯流れ性評価用金型
を示す概要図である。

【図８】 図７の金型を使用して測定した実施例２の合
金組成における固相率と流動長との関係を示すグラフで
ある。

【図９】 実施例３の合金組成から成形された部材の平
均結晶粒径と引張強度との関係を示すグラフである。

【図１０】 加工歪のない金属粒と加工歪のある金属粒
を使用した場合の固相成長段階を示す模式図である。

【符号の説明】

１…射出成形機 ２…スクリュー ３…原料ペレット ４…シリンダー ５…高速射出機構 ６…金型 ７…シリンダーへの材料通入路 ８…ホッパ ９…ノズル ｌ０…加熱ゾーン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 平原 庄司 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツ ダ株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−269609（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−25790（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−118785（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−297127（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−285627（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−271919（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−104942（ＪＰ，Ａ) 特表 平２−503331（ＪＰ，Ａ) Ｅ．Ｆ．ＳＴＵＲＣＫＥＮ，ＩＲＲＡ ＤＩＡＴＩＯＮ ＥＦＦＥＣＴＳ ＩＮ ＭＡＧＮＥＳＩＵＭ ＡＮＤ ＡＬＵ ＭＩＮＵＭ ＡＬＬＯＹＳ，ＪＯＵＲＮ ＡＬ ＯＦ ＮＵＣＬＥＡＲ ＭＡＴＥ ＲＩＡＬＳ，1979年，ＶＯＬ．82 Ｎ Ｏ．１，Ｐ．39−53 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 1/02 C22C 23/00 - 23/06 B22D 17/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 耐熱マグネシウム合金から成り、平均結
   晶粒径が３０μｍ以下かつ引張強度が１８０ＭＰａ以上
   であり、さらに試験温度１５０℃、試験荷重５０ＭＰａ
   での最小クリープ速度が４×１０^−１０／Ｓ以下である
   耐クリープ性を有する耐熱マグネシウム合金成形部材の
   成形方法であって、 上記耐熱マグネシウム合金が、アルミニウム２〜６重量
   ％及びカルシウム０．５〜４重量％と、亜鉛、マンガ
   ン、ジルコニウム及びケイ素から成る群から選択された
   少なくとも1種の金属を２重量％以下及び／又は希土類
   元素を４重量％以下含有し、残部がマグネシウムと不可
   避の不純物から成り、Ｃａ／Ａｌ比が０．８以下であっ
   て、 上記耐熱マグネシウム合金を切削加工して内部歪みを導
   入し、次いでシリンダ及びスクリューを備えた射出成形
   機を用い、固相率３０％以下で半溶融射出成形する耐熱
   マグネシウム合金成形部材の成形方法。
2. 【請求項２】 上記Ｃａ／Ａｌ比が０．６以下である請
   求項１記載の成形方法。
3. 【請求項３】 上記マグネシウム合金が、さらに０．０
   ３〜０．１５重量％のＳｒを含有する請求項１又は２に
   記載の成形方法。