JP5700005B2 - 複合マグネシウム合金部材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、合金組成の異なるマグネシウム合金が融合してなる複合マグネシウム合金部材とその製造方法等に関する。

マグネシウム（Ｍｇ）は、実用金属中で最も軽量で比強度に優れ、資源も豊富である。軽量化や環境負荷の低減等が強く求められる昨今、マグネシウムは有望な金属材料であり、各種製品にマグネシウム合金が使用されつつある。

マグネシウム合金はその合金組成により特性が異なり、各製品に適した合金組成が選択されてきた。もっとも、これまでのマグネシウム合金製品は、全体が同じ合金組成からなるか、強度や剛性等の必要な部位に鉄鋼材等からなる異種部材（被鋳込材）を鋳込んだ鋳込み部材（複合部材）であった。後者の鋳込み部材については、例えば、下記の特許文献に関連した記載がある。

特開平９−１８３３７９号公報

特許文献１にあるような鋳込み部材は、被鋳込材（鉄鋼材）と鋳造材（マグネシウム合金）の接合界面に剥離等が生じ易く、液密性や気密性等が要求される製品には用いることができない。また、その鋳込み部材では、被鋳込材へ予め抜け止め溝等を機械加工で形成しておかなければならず、製造コストが高くなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来の鋳込み部材等とは異なり、合金組成の異なるマグネシウム合金同士が一体化した複合マグネシウム合金部材とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、高耐熱性のマグネシウム合金部材（被鋳込材）を高鋳造性のマグネシウム合金溶湯で鋳込むことにより、耐熱性および鋳造性を備えた複合マグネシウム合金鋳物を得ることに成功した。この複合マグネシウム合金鋳物は、被鋳込材と鋳造材との間に明瞭な接合界面がなく、両者が連続的に融合した状態となっていることがわかった。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。

《複合マグネシウム合金部材》
（１）本発明の複合マグネシウム合金部材は、第一合金組成を有する第一マグネシウム合金からなる第一部と、該第一合金組成と異なる第二合金組成を有する第二マグネシウム合金からなる第二部と、該第一合金組成と該第二合金組成の中間合金組成を有する中間マグネシウム合金からなり、該第一部と該第二部に融合して隣接する該第一部と該第二部の境界となる境界部とからなり、該第一合金組成は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ａｌ：５〜１８％、Ｃａ：１〜１２％、残部：Ｍｇおよび不可避不純物からなり、該第二合金組成は、全体を１００％としたときに、Ａｌ：２．５〜１５％、残部：Ｍｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。

（２）本発明の複合マグネシウム合金部材（適宜「複合部材」という。）は、合金組成の異なるマグネシウム合金が境界部を介して一体化したものである。この本発明の複合部材によれば、従来の単一合金組成からなるマグネシウム合金部材とは異なり、部位によって異なる特性を発現させることができる。例えば、鋳造性に優れるマグネシウム合金で大部分を構成して生産性を確保しつつ、高温強度等が要求される部位は耐熱性に優れるマグネシウム合金で構成することができる。

従って本発明によれば、適切なマグネシウム合金を適所に配置でき、機械的特性の向上等のみならず、原料コストの削減、鋳造性等の生産性の向上などを図れる複合部材が得られる。勿論、本発明の複合部材は、全体がマグネシウム合金からなるため、軽量性が損なわれることはなく、熱処理や機械加工等も従来と同様に行え、廃棄時のリサイクル性等も良好である。

ところで、隣接する第一部と第二部の間にある本発明に係る境界部は、第一部を構成する第一マグネシウム合金と第二部を構成する第二マグネシウム合金が融合したものであり、圧着や接着等による接合部とは異なる。具体的にいうと、境界部は、第一マグネシウム合金（第一合金組成）と第二マグネシウム合金（第二合金組成）の中間合金組成を有する中間マグネシウム合金からなる。この中間マグネシウム合金は、通常、第一マグネシウム合金から第二マグネシウム合金にかけて合金組成が連続的または傾斜的に変化したものである。逆にいうと、本発明に係る境界部は、合金組成や組織等が急変する明瞭な界面からなるものではない。このため本発明に係る境界部は、隣接するマグネシウム合金間で合金組成が比較的緩やかに変化する境界領域（幅が数〜数十μｍ程度）から構成される。このような境界部によって第一部と第二部が一体化している状態を本明細書では「融合」といっている。

いずれにしても、本発明の複合部材は、合金組成の異なるマグネシウム合金が、まるで一つのマグネシウム合金塊であるように連続的に一体化してなる。このため、従来の鋳込み部材とは異なり、境界部で剥離、液漏れ等が生じることはない。また、境界部の両側は同種金属（マグネシウム合金同士）からなるため、基本的に、異種金属間で形成され易い金属間化合物（晶出物や析出物）等がその境界部に形成されることもなく、境界部が破壊起点等になることもない。さらに、本発明に係る第一部と第二部は、境界部で一体的に融合しているため、第一部と第二部の間における熱伝導性や導電性等も良好である。

《複合マグネシウム合金部材の製造方法》
（１）上述した複合マグネシウム合金部材は、その製法を問わないが、例えば、次のような本発明の製造方法により容易に得られる。すなわち、本発明の複合マグネシウム合金部材の製造方法は、第一合金組成を有する第一マグネシウム合金からなる被鋳込材を金型のキャビティ内に配置する配置工程と、該キャビティへ液相線温度が該第一マグネシウム合金より高い第二合金組成を有する第二マグネシウム合金からなる溶湯を注湯する注湯工程と、該溶湯を冷却凝固させて 該被鋳込材が該第二マグネシウム合金からなる鋳造材により鋳込まれた複合マグネシウム合金部材を得る凝固工程と、を備えることを特徴とする。

（２）本発明の製造方法によれば、被鋳込材を構成する第一マグネシウム合金の液相線温度が、溶湯を構成する第二マグネシウム合金の液相線温度よりも低いため、注湯工程から凝固工程にかけて、被鋳込材の表面近傍で溶融した第一マグネシウム合金と第二マグネシウム合金の溶湯が混在した状態となる。この部分がその状態のまま凝固することにより、被鋳込材と鋳造材が融合して接合された状態となり、上述した本発明の複合マグネシウム合金部材が得られる。

なお、本発明の製造方法では、被鋳込材の形態、キャビティの形状、鋳造条件等は問わない。また、注湯工程前に、被鋳込材の少なくとも一部を加熱して、被鋳込材と鋳造材の間に形成される接合部（境界部）の形態を調整してもよい。さらに、凝固工程後に得られた複合マグネシウム合金部材へ、別途、熱処理や塑性加工等の後工程を少なくとも一つ施してもよい。

《その他》
（１）本明細書でいう「マグネシウム合金部材」には、鋳物製品（鋳造のままでも、それに熱処理や加工を加えたものでもよい）の他、インゴット、バルク材、棒状、管状、板状等の素材も含まれる。「鋳物」は、その鋳造方法を問わず、重力鋳造でも加圧鋳造（ダイカスト鋳造等）でもよく、鋳型は金型でも砂型でもよい。

（２）本明細書でいう「第一」、「第二」は、本発明を説明するための便宜的な表記に過ぎず、境界部を挟んで隣接するマグネシウム合金は二種に限らず、三種以上でもよい。例えば、合金組成の異なる第一マグネシウム合金と第二マグネシウム合金が第一境界部により融合しており、合金組成の異なる第二マグネシウム合金と第三マグネシウム合金が第二境界部により融合している場合でもよい。

（３）本明細書中でいう「改質元素」は、Ａｌ、Ｃａなどの他、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｒ.Ｅ.（希土類元素）、Ｂｅ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｂｉ、Ｚｒ等であって、マグネシウム合金の特性改善に有効な元素である。改善される特性の種類は問わないが、強度、靱性、延性、耐熱性、鋳造性などがある。各元素の組合せは任意であり、通常その含有量は微量である。また「不可避不純物」は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等であって、原料中に含まれる不純物や製造工程時に混入等する不純物などであって、コスト的または技術的に除去困難な元素である。

（４）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。

試料１に係る複合部材の接合部（境界部）およびその近傍を示す金属組織写真である。 試料Ｃ１に係る複合部材の接合部（界面）およびその近傍を示す金属組織写真である。 試料Ｃ２に係る複合部材の接合部（境界層）およびその近傍を示す金属組織写真である。

発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。本明細書で説明する内容は、複合マグネシウム合金部材のみならず、その製造方法にも適宜適用される。製造方法に関する構成要素は、プロダクトバイプロセスクレームとして理解すれば物に関する構成要素ともなり得る。上述した本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一つまたは二つ以上の構成要素を付加し得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。

《合金組成》
（１）本発明に係る境界部が形成される限り、隣接するマグネシウム合金の合金組成は問わない。もっとも、本発明者の研究により、隣接するマグネシウム合金の液相線温度差が一定以上であるときに、良好な境界部が形成されることがわかっている。例えば、隣接するマグネシウム合金は、第一マグネシウム合金の液相線温度（ＴＬ１）と第二マグネシウム合金の液相線温度（ＴＬ２）との温度差（｜ＴＬ１−ＴＬ２｜）が１０℃以上、１５℃以上、３０℃以上さらには４０℃以上となる合金組成（第一合金組成と第二合金組成）であると好ましい。なお、いうまでもないが、本明細書でいう液相線温度は合金組成に応じて状態図から定まる温度であって、当該合金が完全に溶解する最小温度である。

このような液相線温度差を生じる限り、具体的な合金組成は問わないが、例えば、第一合金組成は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ａｌ：５〜１８％、Ｃａ：１〜１２％、残部：Ｍｇおよび改質元素若しくは不可避不純物からなると好ましい。この合金組成を有するマグネシウム合金は、高価な希少元素等を用いるまでもなくＣａにより優れた耐熱性を発現し、また、その液相線温度（ＴＬ１）を相対的に低くする。合金組成によるが、その液相線温度は５３０〜６００℃程度となる。

また第二合金組成は、全体を１００％としたときに、Ａｌ：２．５〜１５％、残部：Ｍｇおよび改質元素若しくは不可避不純物からなると好ましい。この合金組成を有するマグネシウム合金は、汎用性があり鋳造性に優れ、マグネシウム合金製品をダイカスト等によって効率的に低コストで生産できる。その液相線温度（ＴＬ２）は相対的に高く、合金組成によるが５８０〜６４０℃程度となる。

（２）境界部を構成する中間マグネシウム合金は、上述した第一合金組成と第二合金組成の中間である中間合金組成からなる限り、その具体的な合金組成を問わない。中間合金組成は、通常、一定ではなく、第一合金組成と第二合金組成を上下限とする範囲内で変化する。ちなみに、本明細書でいう合金組成は、金属組織を構成するミクロ的（局所的な）な領域の合金組成ではなく、ある程度の広がりをもつマクロ的な領域の合金組成である。なお、境界部の合金組成や幅は、液相線温度（ＴＬ１、ＴＬ２）、複合部材の製造条件（溶湯温度、溶湯保持時間、凝固速度等）により調整可能である。

《用途》
本発明の複合部材は、その用途を問わない。もっとも、本発明の複合部材は、部位により要求される特性が異なる部材に適している。例えば、他部材と連結される部位のみに耐熱性や強度が要求される各種のケースや容器等である。

《試料の製造》
表１に示すように、種々の合金組成（第一合金組成）からなる被鋳込材を、それとは異なる合金組成（第二合金組成）からなる鋳造材で鋳込んだ複合部材を複数製造し、これらを試料とした。

被鋳込材は、鋼舟型で重力鋳造して得られた鋳塊から切り出した円柱状片（φ２０×１０ｍｍ）である。なお、鋳造時の溶湯調製には、市販されている合金または純金属を原料とした。これは後述する鋳造材についても同様である。表１の合金組成欄に示した記号は、各合金組成を示すＡＳＴＭ規格またはＪＩＳ規格である。

上記の円柱状片を、円筒形状（φ５０×３０ｍｍ）のキャビティを有するダイキャスト金型の中央部にセットした（配置工程）。このキャビティへ、表１に示した鋳造材の溶湯を、同表に示す溶湯温度で注湯した（注湯工程）。この後、金型を冷却し、その鋳造材を凝固させることにより円柱状片を鋳込んだ複合部材を得た（凝固工程）。

この際のダイカスト条件は、射出速度：０．４ｍ／ｓ、射出圧力：６４ＭＰａとした。

《観察》
得られた複合部材の中央部を切断し、その切断面を光学顕微鏡により組織観察した。これにより得られた被鋳込材と鋳造材の接合部を示す金属組織写真を図１Ａ〜図１Ｃに示した。なお、試料２の金属組織は試料１の金属組織（図１Ａ）とほぼ同様な形態であった。

《評価》
図１Ａ（試料１）からわかるように、液相線温度が低い被鋳込材（第一マグネシウム合金／第一部）を、それよりも液相線温度が高い鋳造材（第二マグネシウム合金／第二部）で鋳込むと、ある幅の領域内で両マグネシウム合金が融合し、連続的に合金組成が変化した溶融接合部（境界部）が形成されることが確認できた。

一方、図１Ｂ（試料Ｃ１）からわかるように、被鋳込材と鋳造材がマグネシウム合金同士でも、被鋳込材の液相線温度が鋳造材の液相線温度よりも高いと、非融合的な未溶融接合部（界面）が形成されることがわかった。また表１から明らかなように、鋳込み時の鋳造材の溶湯温度が、被鋳込材の液相線温度よりも高いときでも、図１Ｂに示すような金属組織となることもわかった。なお、このことから、溶湯温度が被鋳込材の液相線温度よりも低いとき、接合部の金属組織は当然に図１Ｂと同様なものになると考えられる。

図１Ｃ（試料Ｃ２）から明らかなように、被鋳込材の液相線温度が鋳造材の液相線温度より低くても、両者の主成分（系統）が異なる場合、図１Ａに示すような接合部（境界部）とはならないこともわかった。そして、被鋳込材と鋳造材の接合部には、それら主成分に基づく金属間化合物（Ａｌ−Ｍｇ化合物）からなる境界層が出現することもわかった。このような境界層は、複合部材の強度を低下させる原因となる。

以上のことから、被鋳込材と鋳造材の間で融合的な境界部が形成される場合は限られていることが確認できた。すなわち、被鋳込材と鋳造材が共にマグネシウム合金からなり、被鋳込材の液相線温度より鋳造材の液相線温度が高い場合に本発明でいう良好な境界部が形成されることがわかった。

Claims (5)

1. 第一合金組成を有する第一マグネシウム合金からなる第一部と、
   該第一合金組成と異なる第二合金組成を有する第二マグネシウム合金からなる第二部と、
   該第一合金組成と該第二合金組成の中間合金組成を有する中間マグネシウム合金からなり、該第一部と該第二部に融合して隣接する該第一部と該第二部の境界となる境界部とからなり、
   該第一合金組成は、全体を１００質量％（単に「％」という。）としたときに、Ａｌ：５〜１８％、Ｃａ：１〜１２％、残部：Ｍｇおよび不可避不純物からなり、
   該第二合金組成は、全体を１００％としたときに、Ａｌ：２．５〜１５％、残部：Ｍｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする複合マグネシウム合金部材。
2. 前記第一合金組成と前記第二合金組成は、前記第一マグネシウム合金の液相線温度（ＴＬ１）と前記第二マグネシウム合金の液相線温度（ＴＬ２）との温度差（｜ＴＬ１−ＴＬ２｜）が１０℃以上となる組成である請求項１に記載の複合マグネシウム合金部材。
3. 第一合金組成を有する第一マグネシウム合金からなる被鋳込材を金型のキャビティ内に配置する配置工程と、
   該キャビティへ液相線温度が該第一マグネシウム合金より高い第二合金組成を有する第二マグネシウム合金からなる溶湯を注湯する注湯工程と、
   該溶湯を冷却凝固させて該被鋳込材が該第二マグネシウム合金からなる鋳造材により鋳込まれた複合マグネシウム合金部材を得る凝固工程と、
   を備えることを特徴とする複合マグネシウム合金部材の製造方法。
4. 前記注湯工程前に、前記被鋳込材の少なくとも一部は加熱されている請求項３に記載の複合マグネシウム合金部材の製造方法。
5. さらに、前記凝固工程後の複合マグネシウム合金部材へ熱処理または塑性加工の少なくとも一方を施す請求項３または４に記載の複合マグネシウム合金部材の製造方法。