JP3611759B2 - 耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金およびマグネシウム合金耐熱部材 - Google Patents
耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金およびマグネシウム合金耐熱部材 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れたクリープ抵抗性とともに良好な鋳造性を有するマグネシウム合金および該合金を原料として金属射出成形やダイカスト、スクイーズキャストなどの各種高圧鋳造法により作製されるマグネシウム合金耐熱部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、クリープ抵抗性等に優れたマグネシウム合金として、ＡＳ系合金（ＡＳ４１、ＡＳ２１等）やＡＥ系合金（ＡＥ４２等）が知られている。
上記ＡＳ系合金は、Ｍｇ２Ｓｉを生成させるために珪素を添加したものであり、ＡＳ４１はＡｌを４％、Ｓｉを１％含有するものであり、ＡＳ２１はＡｌを２％、Ｓｉを１％含有するものである。
また、ＡＥ系合金は、耐熱性を向上させるために希土類元素を添加したものであり、ＡＥ４２は、Ａｌを４％、ミッシュメタルを２％含有するものである。
【０００３】
さらに、下記に示すように、各種添加元素を添加することによってクリープ特性等の特性の向上を図ったマグネシウム合金も提案されている。
（１）特公平３−１７８９０号、特開平９−１０４９４２号
これら文献には、アルミニウムとカルシウムと珪素を添加することによって引張強度およびクリープ強度を増加させたマグネシウム合金が開示されている。ＡｌはＭｇ母相に固溶し、時効硬化性を示して合金の引張強さを高める作用を有し、Ｃａは引張強さとクリープ抵抗性を高め、ＳｉはＭｇとの間で金属間化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）を形成し、引張強さとクリープ抵抗性を高める。また、Ｚｎは耐食性を向上させる作用を有している。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：１〜６％、Ｃａ：０．５〜４％、Ｍｎ：０．１５〜０．５％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｚｎ：０．１〜０．３％、残：Ｍｇ（特公平３−１７８９０号）
Ａｌ：５〜１０％、Ｃａ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、残：Ｍｇ（特開平９−１０４９４２号）
【０００４】
（２）特開平６−２５７９０号
この文献には、アルミニウムとカルシウムとを所定の比率で添加することによって室温及び高温での強度を向上させたマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜１０％、Ｃａ：１．４〜１０％（但し、Ｃａ／Ａｌ≧０．７）、所望によりＳｉ：２％以下、Ｚｎ：２％以下、希土類元素：４％以下、残：Ｍｇ
なお、希土類元素はクリープ抵抗性を向上させる作用がある。
【０００５】
（３）特開平９−２７２９４５号
この文献には、アルミニウムとカルシウムとを所定の比率で添加することによって室温及び高温での強度を向上させるとともに、成形性、伸び性に配慮したマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜６％、Ｃａ：０．５〜４％（Ｃａ／Ａｌ≦０．８）、残：Ｍｇ
【０００６】
（４）特開平９−２７１９１９号
この文献には、アルミニウム、カルシウムに加えて、所望によりＺｎ、Ｍｎ、希土類元素等を添加して室温強度および高温強度を向上させたマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜１０％、Ｃａ：１．０〜１０％、所望により、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒの少なくとも一種：２％以下、希土類元素：４％以下、残：Ｍｇ
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した添加元素を含むマグネシウム合金は一般に高融点となるとため、合金を溶解して部材等を製造する際には、合金を高温に加熱して溶解温度を高くする必要がある。しかし、マグネシウム合金は高温に加熱すると溶湯が空気と接触して激しく酸化し燃焼するという現象があり、溶解作業では細心の注意が必要で取り扱いが面倒であるという問題がある。この対策としては、合金の融点を下げる作用があるＡｌを多く添加して合金の融点を下げ、よって溶解に必要な加熱温度を下げることによってマグネシウム合金溶湯の燃焼の発生を防止する方法が考えられる。しかし、Ａｌの多量添加は、低融点の金属間化合物であるＭｇ１７Ａｌ１２を増加させてクリープ抵抗性を低下させるので、Ａｌの多量添加は現実的ではない。また、Ａｌを十分に含有させるとともに、Ａｌの多量添加によって低下するクリープ抵抗性をＣａやＳｉ、希土類元素を十分に含有させることによって補完することも考えられる。しかし、Ｃａの多量添加は靱性を低下させる上、鋳造割れ感受性が高くする。ＳｉはＣａとの間で化合物を形成しやすく、溶解途中で多量に晶出してＣａの溶解歩留まりが低下する。さらに希土類元素は材料コスト高を招く上、酸化し易いため金型に焼き付きやすくなるという問題がある。したがって、従来は、クリープ特性の低下を招くことなく溶湯の燃焼を有効に防止したマグネシウム合金は得られておらず、合金の溶解作業で取り扱いに過大な注意を払う必要があった。
【０００８】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、溶解時の燃焼が有効に防止されるとともに健全な鋳造性を確保でき、さらに高温における優れたクリープ抵抗性を有するマグネシウム合金と、それを用いて製造される耐熱部材を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マグネシウム合金における添加元素としてＡｌ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｉ、Ｚｎに着目し、各種調査結果をもとに燃焼性、鋳造性、耐熱性の全てにおいて良好な特性を得るべく成分の最適化を行い、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、上記課題を解決するため本発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金のうち第１の発明は、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．５％未満、Ｚｎ：０．５％未満を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．９〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｚｎ：０．１〜０．４％を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のマグネシウム合金耐熱部材のうち第１の発明は、上記第１〜４のいずれかの発明に記載のマグネシウム合金を溶解し高圧鋳造して得られることを特徴とする。
【００１４】
第２の発明の本発明のマグネシウム合金耐熱部材は、上記第１〜４のいずれかの発明に記載のマグネシウム合金を固相率５０％以下の半溶融状態で金型内に射出する射出成形によって得られることを特徴とする。
【００１５】
次に、本発明合金における添加元素の作用について説明する。
Ａｌ：４．５〜７．４％
本発明合金の主要添加元素であるＡｌはＭｇ母相にはほとんど固溶せず、Ｍｇ初晶の凝固前面に濃縮される結果、ＭｇおよびＣａとの共晶化合物が形成されるまで、良好な流動性が得られる。このとき、Ａｌが４．５％未満では合金の融点が高くなるため、合金溶製時や鋳造時の溶解温度を高くする必要があり溶湯の燃焼防止策等のために作業性が低下するので、Ａｌの含有量を４．５％以上とする。また、７．４％を越えると低融点の金属間化合物であるＭｇ１７Ａｌ１２が増加してクリープ抵抗性が低下するので、Ａｌ含有量の上限を７．４％とする。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を５．５％、上限を６．５％とするのが望ましい。
【００１６】
Ｃａ：１．５〜４．４％
ＣａはＭｇおよびＡｌとの間で金属間化合物を形成し、主として結晶粒界にネットワーク状に晶出する。この晶出物が転位の上昇運動に対する障害物として作用してクリープ変形の抵抗性を高める。このとき、Ｃａの含有量が１．５％未満であると上記効果は充分ではなく、一方、４．４％を越えると製造時に鋳造割れが発生しやすくなるので、Ｃａの含有量範囲を１．５〜４．４％の範囲内に定める。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を２．５％、上限を３．５％とするのが望ましい。
【００１７】
Ｍｎ：０．２〜１．０％
ＭｎはＡｌと化合して金属間化合物を形成し、不純物元素であるＦｅを固溶することにより、耐食性の劣化を抑制する。このとき、０．２％未満の含有では効果が充分ではなく、一方、１％を越えるとＭｎの溶解歩留まりが低下するのでＭｎ含有量を０．２〜１．０％の範囲内に定める。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を０．２％、上限を０．９％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ
微量添加されるＢａは、材料のクリープ特性を向上させるとともに、溶湯の酸化を抑制する作用を有し、高いクリープ抵抗性を保持したままで合金溶湯の燃焼防止に役立つ。このとき、Ｂａが１０ｐｐｍ未満では燃焼防止効果が充分ではなく、５００ｐｐｍを越えると鋳造時に割れが発生しやすくなるのでＢａ含有量を１０〜５００ｐｐｍの範囲内に定める。
なお、クリープ特性の向上効果を十分に得るためには上記範囲内においてさらにＢａを１０ｐｐｍ以上含有するのが望ましく、また、上記理由をより顕著にするため、上限を１００ｐｐｍとするのが一層望ましい。
【００１９】
Ｓｉ：０．５％未満、Ｚｎ：０．５％未満
ＳｉとＺｎは、いずれも融点を低下させるので、所望により含有させることができるが、それぞれ０．５％以上含有すると、クリープ抵抗性に対する悪影響が顕著になって該抵抗性を低下させるので、それぞれ含有量を０．５％未満とする。なお、同様の理由でそれぞれ上限を０．４％とするのが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のマグネシウム合金は、上記成分範囲を目標値として溶製される。この溶製方法は本発明としては特に限定されるものではなく、一般に用いられている方法を採用することができる。溶製されたマグネシウム合金は、溶湯のまま、または一旦スラブとした後、後工程である鋳造工程に供することができる。
鋳造工程における鋳造方法としては、一般に知られている各種方法を採用することができるが、本発明のマグネシウム合金は優れた鋳造性を有しているので、高品質材を得ることができるものの材料には高い鋳造性が要求されるダイキャスト、スクイーズキャスト、射出成形法などの高圧鋳造法に好適な材料である。なお、本発明のマグネシウム合金は、燃焼防止効果が高いので、上記鋳造に際し、溶湯の燃焼が効果的に防止されており取り扱いが容易になる。
これら鋳造法での条件は本発明としては特に限定されるものではないが、半溶融射出成形では、溶融金属の固相率を５０％以下とするのが望ましい。これは、固相率が５０％を越えると鋳造性が良好な本発明の合金によっても溶湯の流動性が低くなって良好な射出成形が困難になるためである。
【００２１】
上記の各種鋳造法によって得られた部材は、必要に応じて適宜の機械加工等を施して耐熱性を有する製品として使用することができる。得られた部材は、優れたクリープ抵抗性を有しており、各種用途において耐熱性部材として使用することができる。
例えば、自動車分野で実用化が期待されているトランスミッションケースやオイルパンなどの耐熱性部材に使用することができる。この結果、車体の軽量化が達成され、燃費の向上による地球温暖化の抑制に貢献できる。また、家電分野においては内部に光源を有する液晶プロジェクタなどの筐体として使用することができ、高強度のポータブル機器の拡大に貢献できる。その他、電動工具やレジャー用品などの耐熱性を必要とする軽量部材に広く使用することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す成分で、本発明範囲内のマグネシウム合金と本発明範囲外のマグネシウム合金および従来合金（ＡＥ４２）をそれぞれ溶製し、得られたインゴットを切削してチップ（おおよその大きさ２ｍｍ）を得た。このチップを原料として高圧鋳造法の一つである金属射出成形法（型締め力４５０ｔ）を採用して、図１に示す形状（全長８０ｍｍ、平行部直径６ｍｍ）の丸棒状引張試験片１を製造した。このとき、それぞれ最適な成形条件で射出成形した際の鋳造性を評価した。鋳造性の「良好」、「難」は目視による金型への充填性に基づいて評価した。
なお、この際には、成形条件のうち金型温度（１７０℃）、射出速度（１．７ｍ／ｓ）を一定にしてシリンダ温度のみを変化させた試験を行った（５８０〜６３０℃）。図２は、シリンダ温度とミクロ組織観察の画像処理結果から算出した合金溶湯の固相率の関係を示すグラフであり、該関係におけるＡｌ添加量の影響が理解される。すなわち、この図から、Ａｌ量が増加するにつれて固相率が低下して成形が容易になることが分かる。これはＡｌの含有によって融点が下がることに依る。ただし、Ａｌ含有が４．５％未満（ＡＣａＢ４３０１０）では６００℃で５０％近い固相が存在することになり、鋳造が困難になることが明らかである。したがってＡｌ含有量は５．５％以上にすることが必要である。
【００２３】
また、固相率がほぼ同じ（約０％）になるように上記成形条件を調整して得られた各試験片についてクリープ試験を行った。試験片の一部について、２００℃（４７３Ｋ）、５０Ｍｐａで１００時間まで一定荷重を付加して、各試験片のクリープひずみの変化を測定し、その結果を図３に示した。この試験から一定荷重引張クリープ特性におよぼすＡｌ添加量の影響が理解される。すなわち、Ａｌ量が増加するにつれてクリープ特性（ひずみ量が小さい）が向上しているが、７．４％を越えると逆に低下することがわかる。したがってＡｌ含有量は７．４％以下にすることが必要である。
【００２４】
さらに、試験片の一部について、１５０℃（４２３Ｋ）で付加荷重を変えてクリープ歪みを測定し、荷重応力とクリープ曲線から算出した最小クリープひずみ速度との関係を図４に示した。この図から最小クリープひずむ速度に対するＣａ添加量の影響が理解される。Ｃａ量が１．５％以上の試験片では、７０ＭＰａを越える高応力側で最小クリープ速度がＡＥ４２よりも小さくなっており、従来、最もクリープ特性が優れているとされるＡＥ４２を上回るクリープ特性を示している。しかしＣａ量が４．４％を越えると表１に示すように鋳造割れがおこり、試験片を採取することが困難であった。
【００２５】
図５は１５０℃（４２３Ｋ）、１１０ＭＰａの負荷において、時間とともに変化するクリープ歪みを示すものであり、Ｂａ添加量の影響が理解される。すなわち、Ｂａを含有しないもの（ＡＣａＢ６３０００）対し、Ｂａの微量添加によリクリープ特性が向上しており、１０ｐｐｍ以上の含有によって顕著な効果がある。一方、防燃効果については、８０ｋｇ溶解炉を用い、大気中７００℃において３０分間保持した状態での溶解表面の燃焼の有無において確認した。すなわち、Ｂａを添加しない合金では、大気中で瞬時に燃焼が起こるが、１０ｐｐｍ以上のＢａ添加は、燃焼抑制に有効であった。
しかし、１０００ｐｐｍを越えるＢａの添加は、鋳造割れを促進することが明らかになった。したがって、Ｂａ添加量は１０００ｐｐｍ以下とする必要がある。
【００２６】
図６、７は１５０℃（４２３Ｋ）における荷重応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すものであり、図からは、これら関係に対するＳｉ、Ｚｎ添加量の影響が理解される。すなわち、これらの図からは、０．５％以上のＳｉ、Ｚｎ添加はクリープ抵抗性を大きく低下させることが分かる。したがって、Ｓｉ、Ｚｎの添加量は０．５％未満にする必要がある。
なお、実施例には金属射出成形法に関するデータを示したが、その他の高圧鋳造法であるダイカストやスクウィーズなどにも発明合金が適用可能であることは詳述するまでもない。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のマグネシウム合金によれば、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるので、製造時の溶湯の燃焼が効果的に防止されるとともに鋳造性にも優れた特性を有している。そして、該合金により得られた耐熱部材は、優れたクリープ抵抗性を有しており、各種耐熱用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例に用いた試験片を示す図である。
【図２】図２は、シリンダ温度と溶湯の固相率の関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＡｌ含有量の影響を示している。
【図３】図３は、一定荷重下でのクリープひずみの時間変化を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＡｌ含有量の影響を示している。
【図４】図４は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＣａ含有量の影響を示している。
【図５】図５は、一定荷重下でのクリープひずみの時間変化を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＢａ含有量の影響を示している。
【図６】図６は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＳｉ含有量の影響を示している。
【図７】図７は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＺｎ含有量の影響を示している。
【符号の説明】
１ 引張試験片
【発明の属する技術分野】
本発明は、優れたクリープ抵抗性とともに良好な鋳造性を有するマグネシウム合金および該合金を原料として金属射出成形やダイカスト、スクイーズキャストなどの各種高圧鋳造法により作製されるマグネシウム合金耐熱部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、クリープ抵抗性等に優れたマグネシウム合金として、ＡＳ系合金（ＡＳ４１、ＡＳ２１等）やＡＥ系合金（ＡＥ４２等）が知られている。
上記ＡＳ系合金は、Ｍｇ２Ｓｉを生成させるために珪素を添加したものであり、ＡＳ４１はＡｌを４％、Ｓｉを１％含有するものであり、ＡＳ２１はＡｌを２％、Ｓｉを１％含有するものである。
また、ＡＥ系合金は、耐熱性を向上させるために希土類元素を添加したものであり、ＡＥ４２は、Ａｌを４％、ミッシュメタルを２％含有するものである。
【０００３】
さらに、下記に示すように、各種添加元素を添加することによってクリープ特性等の特性の向上を図ったマグネシウム合金も提案されている。
（１）特公平３−１７８９０号、特開平９−１０４９４２号
これら文献には、アルミニウムとカルシウムと珪素を添加することによって引張強度およびクリープ強度を増加させたマグネシウム合金が開示されている。ＡｌはＭｇ母相に固溶し、時効硬化性を示して合金の引張強さを高める作用を有し、Ｃａは引張強さとクリープ抵抗性を高め、ＳｉはＭｇとの間で金属間化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）を形成し、引張強さとクリープ抵抗性を高める。また、Ｚｎは耐食性を向上させる作用を有している。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：１〜６％、Ｃａ：０．５〜４％、Ｍｎ：０．１５〜０．５％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｚｎ：０．１〜０．３％、残：Ｍｇ（特公平３−１７８９０号）
Ａｌ：５〜１０％、Ｃａ：０．０５〜０．５％、Ｓｉ：０．２〜１．０％、残：Ｍｇ（特開平９−１０４９４２号）
【０００４】
（２）特開平６−２５７９０号
この文献には、アルミニウムとカルシウムとを所定の比率で添加することによって室温及び高温での強度を向上させたマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜１０％、Ｃａ：１．４〜１０％（但し、Ｃａ／Ａｌ≧０．７）、所望によりＳｉ：２％以下、Ｚｎ：２％以下、希土類元素：４％以下、残：Ｍｇ
なお、希土類元素はクリープ抵抗性を向上させる作用がある。
【０００５】
（３）特開平９−２７２９４５号
この文献には、アルミニウムとカルシウムとを所定の比率で添加することによって室温及び高温での強度を向上させるとともに、成形性、伸び性に配慮したマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜６％、Ｃａ：０．５〜４％（Ｃａ／Ａｌ≦０．８）、残：Ｍｇ
【０００６】
（４）特開平９−２７１９１９号
この文献には、アルミニウム、カルシウムに加えて、所望によりＺｎ、Ｍｎ、希土類元素等を添加して室温強度および高温強度を向上させたマグネシウム合金が開示されている。以下に、上記文献に開示されたマグネシウム合金の成分を示す。
Ａｌ：２〜１０％、Ｃａ：１．０〜１０％、所望により、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ｚｒの少なくとも一種：２％以下、希土類元素：４％以下、残：Ｍｇ
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した添加元素を含むマグネシウム合金は一般に高融点となるとため、合金を溶解して部材等を製造する際には、合金を高温に加熱して溶解温度を高くする必要がある。しかし、マグネシウム合金は高温に加熱すると溶湯が空気と接触して激しく酸化し燃焼するという現象があり、溶解作業では細心の注意が必要で取り扱いが面倒であるという問題がある。この対策としては、合金の融点を下げる作用があるＡｌを多く添加して合金の融点を下げ、よって溶解に必要な加熱温度を下げることによってマグネシウム合金溶湯の燃焼の発生を防止する方法が考えられる。しかし、Ａｌの多量添加は、低融点の金属間化合物であるＭｇ１７Ａｌ１２を増加させてクリープ抵抗性を低下させるので、Ａｌの多量添加は現実的ではない。また、Ａｌを十分に含有させるとともに、Ａｌの多量添加によって低下するクリープ抵抗性をＣａやＳｉ、希土類元素を十分に含有させることによって補完することも考えられる。しかし、Ｃａの多量添加は靱性を低下させる上、鋳造割れ感受性が高くする。ＳｉはＣａとの間で化合物を形成しやすく、溶解途中で多量に晶出してＣａの溶解歩留まりが低下する。さらに希土類元素は材料コスト高を招く上、酸化し易いため金型に焼き付きやすくなるという問題がある。したがって、従来は、クリープ特性の低下を招くことなく溶湯の燃焼を有効に防止したマグネシウム合金は得られておらず、合金の溶解作業で取り扱いに過大な注意を払う必要があった。
【０００８】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、溶解時の燃焼が有効に防止されるとともに健全な鋳造性を確保でき、さらに高温における優れたクリープ抵抗性を有するマグネシウム合金と、それを用いて製造される耐熱部材を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、マグネシウム合金における添加元素としてＡｌ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｉ、Ｚｎに着目し、各種調査結果をもとに燃焼性、鋳造性、耐熱性の全てにおいて良好な特性を得るべく成分の最適化を行い、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、上記課題を解決するため本発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金のうち第１の発明は、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１０】
第２の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．５％未満、Ｚｎ：０．５％未満を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明の耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．９〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｚｎ：０．１〜０．４％を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のマグネシウム合金耐熱部材のうち第１の発明は、上記第１〜４のいずれかの発明に記載のマグネシウム合金を溶解し高圧鋳造して得られることを特徴とする。
【００１４】
第２の発明の本発明のマグネシウム合金耐熱部材は、上記第１〜４のいずれかの発明に記載のマグネシウム合金を固相率５０％以下の半溶融状態で金型内に射出する射出成形によって得られることを特徴とする。
【００１５】
次に、本発明合金における添加元素の作用について説明する。
Ａｌ：４．５〜７．４％
本発明合金の主要添加元素であるＡｌはＭｇ母相にはほとんど固溶せず、Ｍｇ初晶の凝固前面に濃縮される結果、ＭｇおよびＣａとの共晶化合物が形成されるまで、良好な流動性が得られる。このとき、Ａｌが４．５％未満では合金の融点が高くなるため、合金溶製時や鋳造時の溶解温度を高くする必要があり溶湯の燃焼防止策等のために作業性が低下するので、Ａｌの含有量を４．５％以上とする。また、７．４％を越えると低融点の金属間化合物であるＭｇ１７Ａｌ１２が増加してクリープ抵抗性が低下するので、Ａｌ含有量の上限を７．４％とする。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を５．５％、上限を６．５％とするのが望ましい。
【００１６】
Ｃａ：１．５〜４．４％
ＣａはＭｇおよびＡｌとの間で金属間化合物を形成し、主として結晶粒界にネットワーク状に晶出する。この晶出物が転位の上昇運動に対する障害物として作用してクリープ変形の抵抗性を高める。このとき、Ｃａの含有量が１．５％未満であると上記効果は充分ではなく、一方、４．４％を越えると製造時に鋳造割れが発生しやすくなるので、Ｃａの含有量範囲を１．５〜４．４％の範囲内に定める。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を２．５％、上限を３．５％とするのが望ましい。
【００１７】
Ｍｎ：０．２〜１．０％
ＭｎはＡｌと化合して金属間化合物を形成し、不純物元素であるＦｅを固溶することにより、耐食性の劣化を抑制する。このとき、０．２％未満の含有では効果が充分ではなく、一方、１％を越えるとＭｎの溶解歩留まりが低下するのでＭｎ含有量を０．２〜１．０％の範囲内に定める。
なお、上記理由をより顕著にするため、さらに下限を０．２％、上限を０．９％とするのが望ましい。
【００１８】
Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ
微量添加されるＢａは、材料のクリープ特性を向上させるとともに、溶湯の酸化を抑制する作用を有し、高いクリープ抵抗性を保持したままで合金溶湯の燃焼防止に役立つ。このとき、Ｂａが１０ｐｐｍ未満では燃焼防止効果が充分ではなく、５００ｐｐｍを越えると鋳造時に割れが発生しやすくなるのでＢａ含有量を１０〜５００ｐｐｍの範囲内に定める。
なお、クリープ特性の向上効果を十分に得るためには上記範囲内においてさらにＢａを１０ｐｐｍ以上含有するのが望ましく、また、上記理由をより顕著にするため、上限を１００ｐｐｍとするのが一層望ましい。
【００１９】
Ｓｉ：０．５％未満、Ｚｎ：０．５％未満
ＳｉとＺｎは、いずれも融点を低下させるので、所望により含有させることができるが、それぞれ０．５％以上含有すると、クリープ抵抗性に対する悪影響が顕著になって該抵抗性を低下させるので、それぞれ含有量を０．５％未満とする。なお、同様の理由でそれぞれ上限を０．４％とするのが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明のマグネシウム合金は、上記成分範囲を目標値として溶製される。この溶製方法は本発明としては特に限定されるものではなく、一般に用いられている方法を採用することができる。溶製されたマグネシウム合金は、溶湯のまま、または一旦スラブとした後、後工程である鋳造工程に供することができる。
鋳造工程における鋳造方法としては、一般に知られている各種方法を採用することができるが、本発明のマグネシウム合金は優れた鋳造性を有しているので、高品質材を得ることができるものの材料には高い鋳造性が要求されるダイキャスト、スクイーズキャスト、射出成形法などの高圧鋳造法に好適な材料である。なお、本発明のマグネシウム合金は、燃焼防止効果が高いので、上記鋳造に際し、溶湯の燃焼が効果的に防止されており取り扱いが容易になる。
これら鋳造法での条件は本発明としては特に限定されるものではないが、半溶融射出成形では、溶融金属の固相率を５０％以下とするのが望ましい。これは、固相率が５０％を越えると鋳造性が良好な本発明の合金によっても溶湯の流動性が低くなって良好な射出成形が困難になるためである。
【００２１】
上記の各種鋳造法によって得られた部材は、必要に応じて適宜の機械加工等を施して耐熱性を有する製品として使用することができる。得られた部材は、優れたクリープ抵抗性を有しており、各種用途において耐熱性部材として使用することができる。
例えば、自動車分野で実用化が期待されているトランスミッションケースやオイルパンなどの耐熱性部材に使用することができる。この結果、車体の軽量化が達成され、燃費の向上による地球温暖化の抑制に貢献できる。また、家電分野においては内部に光源を有する液晶プロジェクタなどの筐体として使用することができ、高強度のポータブル機器の拡大に貢献できる。その他、電動工具やレジャー用品などの耐熱性を必要とする軽量部材に広く使用することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表１に示す成分で、本発明範囲内のマグネシウム合金と本発明範囲外のマグネシウム合金および従来合金（ＡＥ４２）をそれぞれ溶製し、得られたインゴットを切削してチップ（おおよその大きさ２ｍｍ）を得た。このチップを原料として高圧鋳造法の一つである金属射出成形法（型締め力４５０ｔ）を採用して、図１に示す形状（全長８０ｍｍ、平行部直径６ｍｍ）の丸棒状引張試験片１を製造した。このとき、それぞれ最適な成形条件で射出成形した際の鋳造性を評価した。鋳造性の「良好」、「難」は目視による金型への充填性に基づいて評価した。
なお、この際には、成形条件のうち金型温度（１７０℃）、射出速度（１．７ｍ／ｓ）を一定にしてシリンダ温度のみを変化させた試験を行った（５８０〜６３０℃）。図２は、シリンダ温度とミクロ組織観察の画像処理結果から算出した合金溶湯の固相率の関係を示すグラフであり、該関係におけるＡｌ添加量の影響が理解される。すなわち、この図から、Ａｌ量が増加するにつれて固相率が低下して成形が容易になることが分かる。これはＡｌの含有によって融点が下がることに依る。ただし、Ａｌ含有が４．５％未満（ＡＣａＢ４３０１０）では６００℃で５０％近い固相が存在することになり、鋳造が困難になることが明らかである。したがってＡｌ含有量は５．５％以上にすることが必要である。
【００２３】
また、固相率がほぼ同じ（約０％）になるように上記成形条件を調整して得られた各試験片についてクリープ試験を行った。試験片の一部について、２００℃（４７３Ｋ）、５０Ｍｐａで１００時間まで一定荷重を付加して、各試験片のクリープひずみの変化を測定し、その結果を図３に示した。この試験から一定荷重引張クリープ特性におよぼすＡｌ添加量の影響が理解される。すなわち、Ａｌ量が増加するにつれてクリープ特性（ひずみ量が小さい）が向上しているが、７．４％を越えると逆に低下することがわかる。したがってＡｌ含有量は７．４％以下にすることが必要である。
【００２４】
さらに、試験片の一部について、１５０℃（４２３Ｋ）で付加荷重を変えてクリープ歪みを測定し、荷重応力とクリープ曲線から算出した最小クリープひずみ速度との関係を図４に示した。この図から最小クリープひずむ速度に対するＣａ添加量の影響が理解される。Ｃａ量が１．５％以上の試験片では、７０ＭＰａを越える高応力側で最小クリープ速度がＡＥ４２よりも小さくなっており、従来、最もクリープ特性が優れているとされるＡＥ４２を上回るクリープ特性を示している。しかしＣａ量が４．４％を越えると表１に示すように鋳造割れがおこり、試験片を採取することが困難であった。
【００２５】
図５は１５０℃（４２３Ｋ）、１１０ＭＰａの負荷において、時間とともに変化するクリープ歪みを示すものであり、Ｂａ添加量の影響が理解される。すなわち、Ｂａを含有しないもの（ＡＣａＢ６３０００）対し、Ｂａの微量添加によリクリープ特性が向上しており、１０ｐｐｍ以上の含有によって顕著な効果がある。一方、防燃効果については、８０ｋｇ溶解炉を用い、大気中７００℃において３０分間保持した状態での溶解表面の燃焼の有無において確認した。すなわち、Ｂａを添加しない合金では、大気中で瞬時に燃焼が起こるが、１０ｐｐｍ以上のＢａ添加は、燃焼抑制に有効であった。
しかし、１０００ｐｐｍを越えるＢａの添加は、鋳造割れを促進することが明らかになった。したがって、Ｂａ添加量は１０００ｐｐｍ以下とする必要がある。
【００２６】
図６、７は１５０℃（４２３Ｋ）における荷重応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すものであり、図からは、これら関係に対するＳｉ、Ｚｎ添加量の影響が理解される。すなわち、これらの図からは、０．５％以上のＳｉ、Ｚｎ添加はクリープ抵抗性を大きく低下させることが分かる。したがって、Ｓｉ、Ｚｎの添加量は０．５％未満にする必要がある。
なお、実施例には金属射出成形法に関するデータを示したが、その他の高圧鋳造法であるダイカストやスクウィーズなどにも発明合金が適用可能であることは詳述するまでもない。
【００２７】
【表１】
【発明の効果】
以上のように、本発明のマグネシウム合金によれば、重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるので、製造時の溶湯の燃焼が効果的に防止されるとともに鋳造性にも優れた特性を有している。そして、該合金により得られた耐熱部材は、優れたクリープ抵抗性を有しており、各種耐熱用途に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、実施例に用いた試験片を示す図である。
【図２】図２は、シリンダ温度と溶湯の固相率の関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＡｌ含有量の影響を示している。
【図３】図３は、一定荷重下でのクリープひずみの時間変化を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＡｌ含有量の影響を示している。
【図４】図４は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＣａ含有量の影響を示している。
【図５】図５は、一定荷重下でのクリープひずみの時間変化を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＢａ含有量の影響を示している。
【図６】図６は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＳｉ含有量の影響を示している。
【図７】図７は、負荷応力と最小クリープひずみ速度との関係を示すグラフであり、さらにこれら関係におけるＺｎ含有量の影響を示している。
【符号の説明】
１ 引張試験片
Claims (6)
- 重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金
- 重量比で、Ａｌ：４．５〜７．４％、Ｃａ：１．５〜４．４％、Ｍｎ：０．２〜１．０％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．５％未満、Ｚｎ：０．５％未満を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金
- 重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍを含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金
- 重量比で、Ａｌ：５．５〜６．５％、Ｃａ：２．５〜３．５％、Ｍｎ：０．２〜０．９％、Ｂａ：１０〜５００ｐｐｍ、Ｓｉ：０．１〜０．４％、Ｚｎ：０．１〜０．４％を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする耐熱性と鋳造性に優れたマグネシウム合金
- 請求項１〜４のいずれかに記載の合金を溶解し高圧鋳造して得られることを特徴とするマグネシウム合金耐熱部材
- 請求項１〜４のいずれかに記載の合金を固相率５０％以下の半溶融状態で金型内に射出する射出成形によって得られることを特徴とするマグネシウム合金耐熱部材
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