JP4500916B2 - マグネシウム合金及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、高強度と高延性とを兼ね備えるマグネシウム合金及びその製造方法に関するものである。
マグネシウムは、鉄、アルミニウムに比べて軽量であるため、鉄鋼材料、アルミニウム合金材料からなる部材に代わる軽量代替材として用いることが検討されている。ところが、一般のマグネシウム合金は、鉄鋼、アルミニウム合金、チタン合金等の他の金属構造材料に比較して強度が低く、比較的高強度とされるダイキャスト用のＡＺ９１材ですら１６０ＭＰａ程度である。また、産業用部品等の可動部では少なくとも４〜５％の伸びが必要とされるが、一般のマグネシウム合金は延性についても十分とは言えず、前記ＡＺ９１材で３％程度である。
そこで、従来、高強度と高延性とを備えるマグネシウム合金が種々提案されている。
例えば、一般式：Ｍｇ１００−ａ−ｂ−ｃＣａａＺｎｂＸｃ、但し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種以上の元素であり、０．５≦ａ≦５原子％、０＜ｂ≦５原子％、０＜ｃ≦３原子％、但し１≦ａ＋ｂ＋ｃ≦１１原子％である組成を有し、かつ、微細結晶質からなる母相に、Ｍｇ−Ｃａ系、Ｍｇ−Ｚｎ系、Ｍｇ−Ｘ系金属間化合物の１種または２種以上が微細に分散した組織を有するマグネシウム合金が知られている。前記金属間化合物を有するマグネシウム合金は、前記組成を備える溶融合金を、アトマイズ法等により急冷凝固させることにより粉末の高強度マグネシウム合金とすることができ、該粉末を熱間塑性加工することにより、複雑な形状に成形加工することができるとされている（特許文献１参照）。
また、一般式：Ｍｇ１００−ａ−ｂＬｎａＭｂ、但しＭはＡｌ、Ｚｎから選ばれる１種以上の元素であり、ＬｎはＹ、Ｃｅ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｍｍ（ミッシュメタル）からなる群から選ばれる１種以上の元素または希土類元素の混合体であり、０．５≦ａ≦５原子％、０．２≦ｂ≦４原子％、但し１．５≦ａ＋ｂ≦７原子％である組成を有し、かつ、結晶粒径が２０００ｎｍ未満であり、結晶中の一部または全域に長周期六方構造を有するマグネシウム合金が知られている。前記長周期六方構造を有するマグネシウム合金は、前記組成を備える溶融合金を、アトマイズ法等により急冷凝固させることにより粉末の高強度高延性のマグネシウム合金とすることができ、該粉末を押出比３〜２０で塑性加工することにより該マグネシウム合金からなる成形材を得ることができるとされている（特許文献２参照）。
しかしながら、前記マグネシウム合金は、いずれも前記溶融合金を急冷凝固させる際の歩留まりが低く、前記急冷凝固により得られた粉末から成形体を形成しようとするとコストの増大が避けられないという不都合がある。また、前記マグネシウム合金は、いずれも伸びが５％以下で産業用部品の可動部に使用できる限界値に近く、十分な延性を備えているとは言い難いため、設計の自由度が大きく制限されて実用性が低くなるという不都合がある。
一方、前記長周期六方構造を有するマグネシウム合金は、冷却速度の大きな銅製鋳型を用いて鋳造を行うことにより成形体を得ることもできるとされている。しかしながら、前記銅製鋳型を用いる場合には、冷却速度を大きくするために、比較的小型の成形体しか製造することができず、成形体の大きさが制限されるという不都合がある。
特開平９−４１０６５号公報
特開２００２−２５６３７０号公報
長野真之、西田稔、河村能人、急速凝固Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ合金の組織形成に及ぼすＺｎ，Ｙ濃度と熱処理の影響、「日本金属学会講演概要」、日本金属学会、２００３年、ｐ．１８７
本発明は、かかる不都合を解消して、安価で歩留まりが良く、成形体の大きさに制限が無く、しかも高強度と高延性とを兼ね備えるマグネシウム合金及びその製造方法を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明のマグネシウム合金は、全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にある組成を備え、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとを含むことを特徴とする。
本発明のマグネシウム合金は、前記組成を備えると共に、前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの両方を含むことにより、高強度と高延性とを兼ね備えることができる。マグネシウム合金の全量に対して、Ｚｎが１原子％未満または４原子％を超え、Ｙが１原子％未満または４．５原子％を超えるときには、強度または延性のいずれか一方、または両方が不十分になる。
また、マグネシウム合金の全量に対して、ＺｎとＹとが共に前記範囲の組成を備えていても、該マグネシウム合金に前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとのいずれか一方、または両方が含まれていないときには、強度または延性のいずれか一方、または両方が不十分になる。
さらに、本発明のマグネシウム合金は、前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの両方を確実に含むために、前記ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にあることが必要である。前記ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６未満または１．３を超えるときには、前記マグネシウム合金に前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとのいずれか一方、または両方が含まれないことがある。
尚、急速凝固Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ合金において、ＭｇＺｎＹＸ（Ｘ＝２〜４）のＹ濃度＞Ｚｎ濃度の合金ではＹ濃度が大になるほど長周期構造が増加し、ＭｇＺｎＸＹ（Ｘ＝２〜４）のＺｎ濃度＞Ｙ濃度の合金では熱処理により前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３が析出し、ＭｇＺｎＸＹＸ（Ｘ＝１〜４）でありＹ濃度＝Ｚｎ濃度の等原子比合金では熱処理により前記長周期構造が生成することは知られている（非特許文献１参照）。
しかし、本発明者らの検討によれば、前記Ｙ濃度＞Ｚｎ濃度の合金と、前記Ｙ濃度＝Ｚｎ濃度の等原子比合金とでは、前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３が存在せず、前記Ｚｎ濃度＞Ｙ濃度の合金では前記長周期構造が存在しない。従って、前記急速凝固Ｍｇ−Ｚｎ−Ｙ合金では、前記長周期構造と前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３とが共存することはない。
本発明のマグネシウム合金は、優れた高強度と高延性とを兼ね備えるために、全量に対して、Ｚｎ２〜３．５原子％と、Ｙ２〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．８〜１．２の範囲にある組成を備えることが好ましい。
また、本発明のマグネシウム合金は、全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなるものであってもよいが、さらに全量に対して、Ｚｒ０．１〜０．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなるものであってもよい。
本発明のマグネシウム合金は、Ｚｒを前記範囲で含むことにより、合金組織を微細化すると共に、前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３の生成を促進することができる。Ｚｒの含有量が合金全量に対して０．１原子％未満では合金組織を微細化し、前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３の生成を促進する効果を得ることができず、０．５原子％を超えると前記金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３の生成を阻害することがある。
また、本発明のマグネシウム合金は、前記組成にＬａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｙｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素を少量添加することによりさらに高強度化することもできる。また、本発明のマグネシウム合金は、繊維、粒子等の強化材を添加することにより、コンポジット化することもできる。
本発明のマグネシウム合金は、全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にある組成を備えるＭｇ合金を鋳造後、塑性加工することにより、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２Ｚｎとを含む合金組織とする方法により製造することができる。
次に、本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
本実施形態では、まず、合金全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にあり、さらに好ましくはＺｒ０．１〜０．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなる材料をカーボン坩堝に収容し、アルゴン雰囲気下、高周波溶解炉中で例えば７００℃の温度で溶解し、溶融合金を得る。
次に、前記溶融合金を鋳型に注入して鋳造を行う。前記鋳造における冷却速度は、１０Ｋ／秒以下とすることが好ましい。前記冷却速度は、急冷凝固の際のアトマイズ法または双ロール法の１０４Ｋ／秒以上、あるいはロールキャスト法または急冷銅製鋳型法の１０３〜１０２Ｋ／秒に比較して格段に低い。従って、本実施形態において、前記鋳型は、金型、黒鉛型、砂型等の一般的なものを用いることができ、銅製鋳型または水冷銅製鋳型等を用いる必要がなく、コストを低減することができる。
次に、得られた鋳造物を塑性加工することにより成形物を得る。前記成形物は、合金全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にあり、さらに好ましくはＺｒ０．１〜０．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなるマグネシウム合金であり、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの両方を含んでいる。この結果、前記成形物は、高強度と高延性とを兼ね備えることができる。
次に本発明の実施例と比較例、参考例とを示す。
本実施例では、合金全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にあり、さらに好ましくはＺｒ０．１〜０．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、Ｚｎ、Ｙ、Ｚｒをそれぞれ前記範囲内で変量した材料をカーボン坩堝に収容し、アルゴン雰囲気下、高周波溶解炉中で例えば７００℃の温度で溶解した。次に、得られた溶融合金を金型に注入し、１０Ｋ／秒以下の冷却速度で鋳造を行い、丸棒材を得た。次に、前記丸棒材を電気炉で３５０〜４５０℃の範囲の温度に加熱し、押出比１０で押出成形を行って、成形物を得た。
得られた成形物の金属組織をＸ線回折及び透過型電子顕微鏡により同定し、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの有無を確認した。また、前記成形物から試験片を切り出し、常温で引張試験を行って、０．２％耐力、引張強さ、伸びを測定した。結果を表１に示す。
〔比較例〕
本比較例では、合金全量に対して、Ｚｎ０．５〜５原子％と、Ｙ０．５〜５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、Ｚｎ、Ｙをそれぞれ前記範囲内で変量した材料を用いた以外は、前記実施例と全く同一にして丸棒材を得て、該丸棒材に対して前記実施例と全く同一にして押し出し成形を行い、成形物を得た。
〔比較例〕
本比較例では、合金全量に対して、Ｚｎ０．５〜５原子％と、Ｙ０．５〜５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、Ｚｎ、Ｙをそれぞれ前記範囲内で変量した材料を用いた以外は、前記実施例と全く同一にして丸棒材を得て、該丸棒材に対して前記実施例と全く同一にして押し出し成形を行い、成形物を得た。
得られた成形物の金属組織をＸ線回折及び透過型電子顕微鏡により同定し、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの有無を確認した。また、前記成形物から試験片を切り出し、常温で引張試験を行って、０．２％耐力、引張強さ、伸びを測定した。結果を表１に示す。
〔参考例〕
本比較例では、公知のマグネシウム合金、ＷＥ５４−Ｔ６材、ＡＺ９１材の金属組織をＸ線回折及び透過型電子顕微鏡により同定し、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの有無を確認した。また、前記ＷＥ５４−Ｔ６材、ＡＺ９１材から試験片を切り出し、常温で引張試験を行って、０．２％耐力、引張強さ、伸びを測定した。結果を表１に示す。
〔参考例〕
本比較例では、公知のマグネシウム合金、ＷＥ５４−Ｔ６材、ＡＺ９１材の金属組織をＸ線回折及び透過型電子顕微鏡により同定し、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの有無を確認した。また、前記ＷＥ５４−Ｔ６材、ＡＺ９１材から試験片を切り出し、常温で引張試験を行って、０．２％耐力、引張強さ、伸びを測定した。結果を表１に示す。
表１から、合金全量に対し、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にあり、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの両方を含む実施例１〜１４のマグネシウム合金によれば、強度（０．２％耐力、引張強さ）、延性（伸び）のいずれも、公知のＷＥ５４−Ｔ６材、ＡＺ９１材に比較して格段に優れており、高強度と高延性とを兼ね備えていることが明らかである。
前記実施例に比較して、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲外である比較例１〜５のマグネシウム合金は、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとのいずれかを備えず、強度と延性とのいずれかまたは両方が十分に得られないことが明らかである。また、Ｙが１〜４．５原子％の範囲より大きい比較例６のマグネシウム合金は、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３を備えず、延性が十分に得られないことが明らかである。また、Ｚｎが１〜４原子％の範囲より小さく、Ｙも１〜４．５原子％の範囲よりも小さい比較例７のマグネシウム合金は、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３を備えず、強度が十分に得られないことが明らかである。さらに、Ｚｎが１〜４原子％の範囲より大きく、Ｙも１〜４．５原子％の範囲よりも大きい比較例８のマグネシウム合金は、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとの両方を含むものの、延性が十分に得られないことが明らかである。
Claims (4)
- 全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にある組成を備え、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとを含むことを特徴とするマグネシウム合金。
- 全量に対して、Ｚｎ２〜３．５原子％と、Ｙ２〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．８〜１．２の範囲にある組成を備えることを特徴とする請求項１記載のマグネシウム合金。
- 全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％と、Ｚｒ０．１〜０．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にある組成を備え、金属間化合物Ｍｇ ３ Ｙ ２ Ｚｎ ３ と、長周期構造を示すＭｇ １２ ＹＺｎとを含むことを特徴とするマグネシウム合金。
- 全量に対して、Ｚｎ１〜４原子％と、Ｙ１〜４．５原子％とを含み、残部がＭｇと不可避の不純物とからなり、ＺｎとＹとの組成比Ｚｎ／Ｙが０．６〜１．３の範囲にある組成を備えるＭｇ合金を鋳造後、塑性加工することにより、金属間化合物Ｍｇ３Ｙ２Ｚｎ３と、長周期構造を示すＭｇ１２ＹＺｎとを含む合金組織とすることを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
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