JP5852039B2

JP5852039B2 - 耐熱マグネシウム合金

Info

Publication number: JP5852039B2
Application number: JP2013071814A
Authority: JP
Inventors: 真堀田; 金孫廖; 一茂早水
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: JP2014196525A

Description

この発明は、耐熱性に優れたマグネシウム合金に関する。

マグネシウムにアルミニウムなどの元素を添加したマグネシウム合金は、軽量で加工しやすく、様々な分野で利用されている。例えば、Ａｌ−Ｍｎ−Ｚｎを添加したＡＺ系合金は耐力、引張強さなどが優れ、機械的強度を求める用途で有用である。また、これにさらに耐熱性を高めた合金として、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉを添加したＡＳ系合金も知られている。

しかし、ＡＳ系合金では耐熱性に限界があり、これをさらに改善する方法として、Ｃａを添加して高温特性を改善させたマグネシウム合金が知られている。

例えば、特許文献１には、Ａｌを２〜１０ｗｔ％、Ｃａを３．０〜５．０ｗｔ％添加し、かつ、Ｃａ／Ａｌ≧０．７にするとともに、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｚｒ、希土類元素やＳｉを選択的に添加したマグネシウム合金が記載されている（特許文献１［００１７］）。Ｓｉや希土類元素などの作用により、さらに耐熱性が向上するものとなっている。

また、特許文献２には、Ａｌを６〜２０質量％とＣａを３〜９質量％に加えて、希土類元素を０．２〜３質量％、又はＳｒを０．１〜３質量％添加することで、耐熱性と靭性を両立させたマグネシウム合金が記載されている（特許文献２［００７６］）。

特開平０６−２５７９０号公報特開２０１０−２４２１４６号公報

しかしながら、Ｃａを添加したマグネシウム合金は高温特性が向上するが、高温特性の物性値だけが高くても実際の用途に用いることはできず、用途に応じて他の様々な機械的特性も一定の水準以上であることが求められる。ここで、他の機械的特性の判断基準としては、引張強度、０．２％耐力、伸びなどが挙げられ、これらができるだけバランスよく、全ての特性に優れていることが望ましい。そこでこの発明は、高温特性だけでなく、できるだけ多くの機械的特性がバランスよく優れたマグネシウム合金を得ることを目的とする。

Ａｌを３．０質量％以上７．０質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．６質量％以下、Ｃａを１．５質量％以上２．５質量％以下、Ｓｉを０．２質量％以上１．３質量％以下、Ｙを０．４質量％以上２．３質量％以下含有するマグネシウム合金により、上記の課題を解決したのである。

ＳｉとＹとを両方添加すると、これらの相乗効果によって高温特性に優れると共に、引張強度や０．２％耐力、伸びなどにもバランスがよいマグネシウム合金を得ることが出来る。このＳｉとＹとの配合量は、Ｙが０．７質量％以上２．１質量％以下であると好ましく、Ｙが２．０質量％以下であるとより好ましく、Ｓｉが０．９質量％以下でありかつＹが０．９質量％以上１．８質量％以下であるとさらに好ましいバランスに優れた合金を得ることができる。

この発明により、高温特性だけでなく、さまざまな機械的特性にも優れたマグネシウム合金を得ることができる。

以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、少なくともＡｌ，Ｍｎ，Ｃａ，Ｓｉ，Ｙを含有し、高温特性に優れたマグネシウム合金である。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ａｌを３．０質量％以上含有することが必要であり、５．５質量％以上であると好ましい。Ａｌが少なすぎると強度が低下する。また、マグネシウム合金の融点の低下が小さく、合金を調製する際や、合金を鋳造に用いる際に、高温を必要とすることになるので、作業性が低下するだけでなく、合金が焼き付きなどを起こしやすくなってしまう。３．０質量％以上であればある程度の作業性は確保でき、５．５質量％以上であると、後述するＳｉとの複合により、十分な作業性を確保できる。一方で、Ａｌが多すぎるとβ相が析出し、耐クリープ性が低下しやすくなる傾向にあり、７．０質量％以下であることが必要であり、６．５質量％以下であればこの問題をほぼ無視できる。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｍｎを０．１質量％以上含有することが必要であり、０．２質量％以上含有していると好ましい。Ｍｎは溶湯中の不純物であるＦｅを除去し耐腐食性の低下を抑える効果があり、少なすぎるとＦｅ由来の腐食しやすさが無視できなくなるからである。一方でＭｎの含有量は０．６質量％以下であることが必要である。多すぎると、ＭｎとＡｌの金属間化合物、及びＭｎ単体が多く析出することで脆くなり、強度が低下するためである。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｃａを１．５質量％以上含有することが必要であり、２．０質量％以上含有していると好ましい。Ｃａを含有することで耐熱性が向上するが、１．５質量％未満ではその効果が不十分になるからである。２．０質量％以上であるとこの耐熱性はより確実なものとなる。一方で、Ｃａが過剰に存在すると鋳造時に割れや焼きつきが発生しやすくなるため、２．５質量％以下であることが好ましく、２．３質量％以下であるとより好ましい。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｓｉを０．２質量％以上含有することが必要であり、０．５質量％以上含有していると好ましい。Ｓｉは上記のＡｌとともに融点を低下させる効果があり、少なすぎると作業性が低下し、鋳造に用いることが難しくなってしまう。一方で、Ｓｉ添加量が１．３質量％を越えると、粗大なＭｇ−Ｓｉ化合物が生成することで脆くなり、強度が低下するため、１．３質量％以下であることが好ましい。また、０．９質量％以下であると、機械的強度のバランスがとれた合金を得やすくなるためより好ましい。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｙを０．４質量％以上含有することが必要である。Ｙがマグネシウムに固溶することで、高温特性も機械的強度も向上する。特に、Ｙを０．７質量％以上含有していると機械的強度のバランス上より好ましく、０．９質量％以上含有しているとさらに好ましい。一方で、Ｙが多すぎるとマグネシウムに固溶しきれなくなってしまい、かえって機械的強度のバランスがとりにくくなるため、２．３質量％以下であることが必要である。２．１質量％以下であるとバランスをとりやすくなり、２．０質量％以下であるとより好ましく、１．８質量％以下であるとさらに好ましい。

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記の元素の他に、不可避不純物を含有してもよい。この不可避不純物とは、製造上の問題、あるいは原料上の問題のために、意図に反して含有することが避けられないものである。例えば、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｂ、Ｃｄ、Ｓｅなどの元素が挙げられる。この発明にかかるマグネシウム合金の特性を阻害しない範囲の含有量であることが必要であり、一元素あたり０．２質量％未満であることが好ましく、少ないほど好ましい。

ただし、その他の元素の中でも、上記のＣａとＭｇ以外の第２族元素、すなわち、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａの含有量が出来るだけ少ないことが好ましい。具体的には、これらを合計しても０．０５質量％未満であることが好ましく、個々の元素はいずれも検出限界未満であることが望ましい。これらの第２族元素は高価であり、コストアップ要因となるためである。特にＢａはＡｌと反応してＡｌ―Ｂａ化合物を形成するが、その共晶温度は５２８℃とＡｌ−Ｃａ化合物の共晶温度５４５℃よりも低く、より低温で分解して耐クリープ性を低下させてしまう。さらに、他の第２族元素も期待外の化合物を生じて性質を悪化させるおそれがある。

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記の質量％の範囲となるように上記の元素を含む原料を用いて、一般的な方法で調製可能である。なお、上記の質量比及び質量％は、原料における比及び％ではなく、調製された合金や、それを鋳造などによって製造した製品における比及び％である。

この発明にかかるマグネシウム合金は、融点が適度に抑制されていて焼き付きなどが起こりにくいため、鋳造に用いやすい。また、展伸材の用途でも利用可能である。いずれも、この発明にかかるマグネシウム合金を用いて製造した製品は、高温状況下での耐クリープ性がよいものとなる。

この発明にかかるマグネシウム合金を実際に調製した例を示す。Ｍｇ以外の元素の含有成分が下記の表１のそれぞれに記載の質量％となるようにマグネシウム合金を調製し、重力鋳造により肉厚５０ｍｍの合金素材を作成した。なお、参考例は従来のＡＭＸ合金の例である。それぞれの合金についてＪＩＳＺ２２７１で定めるクリープ試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前述の合金素材に機械加工を施して作成し、クリープ試験機には株式会社テークスグループ製、型番FC−１３を用い、試験温度は１７５℃、与えた応力は５０ＭＰａで、１００時間経過後のクリープ歪（％）を測定した。その結果を併せて表１に示す。クリープ歪≦０．２０％を○、０．２０％＜クリープ歪≦０．２５％を△、０．２５％＜クリープ歪を×と評価した。

また、ＪＩＳＺ２２４１に定める引張試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前述の合金素材に機械加工を施して作成し、試験器には万能試験機（（株）島津製作所製：ＵＨＦ−５００ｋＮＩ）を用いて、引張強度、０．２％耐力、伸びを測定した。その結果を、表２の評価基準に従って○、△、×に分類した。その評価も併せて表１に示す。

さらに、それぞれの実施例及び比較例について、上記の四項目の評価を元に、以下に示す基準にてマグネシウム合金としての総合評価を行った。
・全特性が○又は△で、○を１つ以上示す：☆
・耐熱性（クリープ歪）を含む３つの特性が○又は△で、○を１つ以上示す：◎
・耐熱性を含む３つ以上の特性が△：○
・耐熱性を含む２つの特性が○または△：△
・１つ以下の特性が○または△：×

Claims

Ａｌを３．０質量％以上７．０質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．６質量％以下、Ｃａを１．５質量％以上２．５質量％以下、Ｓｉを０．２質量％以上１．３質量％以下、Ｙを０．４質量％以上２．３質量％以下含有し、残余がＭｇと不可避不純物である、マグネシウム合金。
Ｙの含有量が０．７質量％以上２．１質量％以下である、請求項１に記載のマグネシウム合金。
Ｙの含有量が２．０質量％以下である、請求項２に記載のマグネシウム合金。
Ｓｉの含有量が０．９質量％以下であり、Ｙの含有量が０．９質量％以上１．８質量％以下である、請求項３に記載のマグネシウム合金。