JP2005213535A - 高性能マグネシウム合金及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 マグネシウム合金材料の弾性率を向上させた、強度特性及び剛性特性に優れた高性能マグネシウム合金、それを用いた部材並びにそれらの製造方法を提供する。
【解決手段】 イットリウムを５原子％から１２原子％（５原子％≦Ｙ≦１２原子％）、亜鉛を１原子％から１２原子％（１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％）含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなる、特定組成の高強度マグネシウム合金を、公知の鋳造法により鋳込むことにより作製する。
【効果】 本発明の高性能マグネシウム合金は、マグネシウムとイットリウムと亜鉛で構成される金属間化合物を、合金内部に析出させたものであり、マグネシウム合金の強度及び弾性率を、同時に向上させることを可能とする。
【選択図】なし。

Description

本発明は、高性能マグネシウム合金及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、強度特性及び剛性特性がともに優れた高性能マグネシウム合金、その製造方法及びそれを用いた部材に関するものである。本発明は、実用構造金属材料の技術分野において、その高性能化が期待されているマグネシウム合金について、従来の製品は、例えば、安定した強度、剛性及び弾性率等の点で、更なる高性能化が強く求められていることを踏まえ、その強度と弾性率を向上させることで、次世代の構造用材料として好適に使用することを可能とする、新規高性能マグネシウム合金の製造方法及びその製品を提供するものであり、例えば、自動車をはじめとする輸送機部品及び宇宙・航空機部品、電気・電子機器部品等の幅広い分野で利用することが可能な高性能マグネシウム合金を提供するものとして有用である。

マグネシウムは、実用構造金属材料中、最も低密度（＝１．７ｇ／ｃｍ^３）であり、金属特有の優れたリサイクル性を有し、資源も豊富に存在することから、次世代の構造用材料として注目されている材料である。現在のところ、日本におけるマグネシウム製品の多くは、鋳造法により製造されている。主なマグネシウム製品としては、例えば、ステアリングホイール、シリンダーヘッド等の自動車部品及び携帯電話筐体等の家電製品部品が挙げられる。現在、マグネシウム製品に使用されているマグネシウム合金は、主にＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ（−Ｍｎ）系合金、例えば、ＡＺ９１合金（＝Ｍｇ−９重量％Ａｌ−１重量％Ｚｎ−０．５重量％Ｍｎ）、ＡＭ６０合金（＝Ｍｇ−６重量％Ａｌ−０．５重量％Ｍｎ）である。これらの合金の鋳造技術は、完成段階にあり、製品部材のマグネシウム化を図る際は、先ず、上記合金が検討される。

しかしながら、上記合金は、その室温強度（ＡＺ９１Ｅ−Ｔ６：２７５ＭＰａ、ＡＭ６０Ｂ−Ｆ：２０５ＭＰａ）が、従来のアルミニウム合金（例えば、６０６１−Ｔ６：３１５ＭＰａ）と比較して劣ること、また、３９３Ｋ以上で、強度の劣化が始まること等の欠点を抱えており、安定した強度が必要とされる自動車部品等への適用は、制限されている。また、マグネシウムは、その弾性率（約４４．３ＧＰａ）が、アルミ（７５．８ＧＰａ）、チタン（１１４ＧＰａ）、鉄（１９０ＧＰａ）と比べると低い値であり、剛性を保証する必要がある構造部材への適用が、制限されている。

強度向上を目的として提案されたマグネシウム合金としては、希土類金属（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）を、マグネシウムに固溶させて強化を図る固溶強化型マグネシウム合金（例えば、非特許文献１参照）、シリコンやカルシウムを添加元素とし、安定な析出物を析出させる析出強化型マグネシウム合金（例えば、非特許文献２参照）が挙げられる。また、固溶強化と析出強化を同時に達成する手法も提案されている。その例として、マグネシウム合金中に、マグネシウムとイットリウム等の希土類金属及び亜鉛やカルシウムとの金属間化合物を析出させたマグネシウム合金を、急冷凝固法により作製する方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３３７５号公報 T.Mohri et al., "Microstructure and mechanical properties of a Mg-4Y-3RE alloy processed by thermomechanical treatment", Mater. Sci. Eng. A, Vol.A257 (1998), pp.287-294 、M.Mabuchi and K.Higashi, "Strengthening machanism of Mg-Si alloy", Acta. Mater., Vol.44 (1996), pp.4611-4618.

しかし、上記の手法は、いずれも、材料の常温引張り強度及び高温引張り強度（クリープ強度）の向上を目的としたものであり、材料の弾性率を向上させる手法ではない。このような状況下にあって、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、マグネシウム合金の弾性率を向上させて、強度特性及び剛性特性がともに優れた高性能マグネシウム合金を得ることを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、マグネシウムに適量の亜鉛及びイットリウムを添加し、公知の鋳造法により、冷却速度として、比較的遅い冷却速度を選択して凝固させることにより、高弾性率の組織を含有する、高強度マグネシウム合金を作製することに成功した。具体的には、上記手法により、通常のマグネシウム合金の弾性率（約４４．３ＧＰａ）よりも高い値を有するマグネシウム合金を作製する手法を開発することに成功し、更に研究を重ねて、本発明を完成するに至った。本発明は、強度特性及び剛性特性がともに優れた高性能マグネシウム合金を製造する方法及びその製品を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）高強度と高弾性率の組織を含有する高性能マグネシウム合金であって、イットリウム（Ｙ）を５原子％から１２原子％（５原子％≦Ｙ≦１２原子％）及び亜鉛（Ｚｎ）を１原子％から１２原子％(１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％)含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなることを特徴とする高性能マグネシウム合金。
（２）弾性率が５０ＧＰａ以上の組織を含有することを特徴とする、前記（１）に記載の高性能マグネシウム合金。
（３）強度と弾性率を向上させた高性能マグネシウム合金を製造する方法であって、マグネシウムに、イットリウム（Ｙ）及び亜鉛（Ｚｎ）を、５原子％≦Ｙ≦１２原子％及び１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％となるように配合し、鋳造法により溶解・凝固させることを特徴とする高性能マグネシウム合金の製造方法。
（４）凝固速度が５０Ｋ／秒未満であることを特徴とする、前記（３）に記載の製造方法。
（５）高純度アルゴン雰囲気中で溶解・凝固させることを特徴とする、前記（３）に記載の高性能マグネシウム合金の製造方法。
（６）前記（３）〜（５）のいずれかに記載の製造方法により製造された、４４．３ＧＰａを超える高い弾性率を有する高性能マグネシウム合金からなることを特徴とする高性能マグネシウム合金部材。

次に、本発明について、更に詳細に説明する。
本発明者らは、マグネシウム合金の強度及び弾性率を向上させる手段として、粉末冶金法、急冷凝固法及び加工熱処理を利用して作製されるＭｇ−Ｙ−Ｚｎ合金（特許文献１参照）に注目した。この合金は、Ｙを０原子％以上４．５原子％以下含有したＭｇ−Ｙ−Ｚｎ系合金であり、微結晶かつＭｇ−Ｙ、Ｍｇ−Ｚｎ系金属間化合物を有する合金である。上記組成及び手法で作製されるマグネシウム合金は、約６００ＭＰａ程度の引張り強度を発現する。これは、商用チタン合金（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ）鋳造材の強度に匹敵する。

上記マグネシウム合金が高強度を有する理由としては、具体的に以下の項目；（１）作製された合金が、微結晶であること、（２）マグネシウムと原子半径が異なるイットリウム及び亜鉛を強制固溶させて、固溶強化が達成していること、（３）Ｍｇ−Ｙ系、Ｍｇ−Ｚｎ系金属間化合物が、合金内部に均一に析出しており、析出強化が達成していること、が挙げられる。

従来、Ｍｇ−Ｙ−Ｚｎ系高強度マグネシウム合金を作製するためには、結晶粒を微細にする必要があり、また、イットリウムと亜鉛を、急冷法により強制固溶させる必要があった。そのため、従来の方法は、大量生産される自動車部材等への適用は、困難とされていた。また、従来法で作製される合金の母相は、マグネシウム固溶体であるため、マグネシウム合金の剛性（弾性率）を向上させることは困難であった。そこで、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、イットリウムと亜鉛の添加量及び冷却速度を調整すること、それにより、大量生産される部材等への適用が困難とされていた急冷法に依らなくとも、高い強度を有し、高い弾性率を有する高性能マグネシウム合金を作製し得ること、を見出した。

本発明は、溶融マグネシウム中に、イットリウムを５原子％から１２原子％（５原子％≦Ｙ≦１２原子％）、亜鉛を１原子％から１２原子％（１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％）投入し、公知の鋳造法により凝固させることでマグネシウム合金の強度と弾性率を向上させることを特徴とするものである。ここで、公知の鋳造法とは、例えば、ダイカスト法等の金型鋳造法、ロストワックス法等の砂型鋳造法などの鋳造法のことを意味する。

本発明では、高純度アルゴン雰囲気で、溶融マグネシウム中に、イットリウムを５原子％から１２原子％（５原子％≦Ｙ≦１２原子％）、より好ましくは、５原子％から８原子％（５原子％≦Ｙ≦８原子％）、亜鉛を１原子％から１２原子％（１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％）、より好ましくは、１原子％から７原子％（１原子％≦Ｚｎ≦７原子％）投入し、公知の鋳造速度の５０Ｋ／秒未満という、冷却速度として、比較的遅い冷却速度を選択して凝固させることにより、マグネシウム合金内部に、マグネシウムとイットリウムと亜鉛により構成される金属間化合物（主に、Ｍｇ_１２ＹＺｎであり、一部、マグネシウム、イットリウム、亜鉛の三層による長周期構造を有する）を析出させることが可能であり、その金属間化合物を合金内部に析出させることにより、強度の向上及び弾性率の向上が可能となる。

本発明は、マグネシウムへの固溶限界より大きい割合のイットリウム及び亜鉛を溶融マグネシウムに投入し、Ｍｇ_１２ＹＺｎに代表される金属間化合物、特に、マグネシウム、イットリウム、亜鉛の三層による長周期構造を積極的に析出させ、マグネシウム合金材料の強化を図るものである。この場合、イットリウム及び亜鉛を１２原子％より多く添加すると、合金組成は、マトリクス部（後記する実施例１参照）のみにより形成される。マトリクス部のみにより合金が形成される場合、材料の巨視的な延性を期待できなくなるため、本発明では、Ｍｇ固溶体が発現する１２原子％以下に、イットリウム及び亜鉛の投入量を制限すべきである。また、イットリウムが５原子％未満及び亜鉛が１原子％未満では、Ｍｇ_１２ＹＺｎに代表される金属間化合物が有効に析出しないため、イットリウム及び亜鉛の投入量は、それぞれ、５原子％以上及び１原子％以上とすべきである。

本発明の方法において、公知の鋳造法により凝固させるときの凝固速度は、好適には、５０Ｋ／秒未満であり、それにより、マトリックス部（金属間化合物内部）に、重元素（Ｙ或いはＺｎ）が偏析する層と他の層により構成されている６周期の長周期構造を有するマグネシウム合金を、効率よく作製することが可能となる。本発明により、純マグネシウムの弾性率（４１．３ＧＰａ：後記する表２の測定値）及び通常のマグネシウム合金の弾性率（約４４．３ＧＰａ）よりも高い値を有する高弾性率のマグネシウム合金、例えば、４６．３〜６７．８ＧＰａの弾性率のマグネシウム合金を作製することができる。また、本発明により、高硬度のマグネシウム合金、例えば、ビッカース硬度が、純マグネシウム（３１ＨＶ）の２．５倍を超える７９〜１１６ＨＶであるマグネシウム合金を作製することができる。

本発明により、（１）強度及び弾性率を向上させた高性能マグネシウム合金を製造することができる、（２）本発明の製造方法によれば、所定の合金添加によるマグネシウム合金を、公知の鋳造法により鋳込むだけで、マグネシウムとイットリウムと亜鉛による金属間化合物を析出させて、マグネシウム合金の強度と弾性率を向上させることができる、（３）本発明の製造方法は、鋳造特性を阻害するカルシウムやシリコン、リサイクル性を阻害するセラミックスを添加せずに、高性能マグネシウム合金の作製を可能にするものである、（４）本発明の高性能マグネシウム合金は、弾性率が高く、強度特性及び剛性特性がともに優れている、という格別の効果が奏される。

次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。

（マグネシウム合金の調製）
９９．９重量％のマグネシウム塊(１ｍｍ〜５ｍｍの粒状)、イットリウム塊（１ｍｍ〜７ｍｍの粒状）、亜鉛塊（３ｍｍ〜７ｍｍ）を、Ｍｇ−８原子％Ｙ−４原子％Ｚｎの割合で混合した。混合を終えた試料を、φ３０ｍｍ×Ｌ１５ｍｍの水冷式銅るつぼ内部に充填し、高純度アルゴン雰囲気で、アーク溶解・凝固させることにより、試料を作製した。作製した際の、溶解処理温度は９９３Ｋ、凝固速度は約１０Ｋ／ｓであった。

（測定結果）
作製された試料の光学顕微鏡写真を、図１に示す。図１の観察結果及びＥＤＳ元素分析の結果から、鋳造された試料は、針状組織（マトリクス部）とＭｇ固溶体（デンドライト部：図１の白色部）により構成されており、マトリクス部の組成は、Ｍｇ：８０．１±１．０原子％、Ｙ：７．１±１．０原子％及びＺｎ：１２．８±１．０原子％であり、デンドライト部の組成は、Ｍｇ：９７．３±１．０原子％、Ｙ：２．７±１．０原子％及びＺｎ：０．１±１．０原子％であった。Ｘ線回折の結果、マトリクス部の組成は、主に、Ｍｇ_１２ＹＺｎであり、他に、Ｍｇ_２４Ｙ_５、Ｍｇ_３ＹＺｎ_６も検出された。また、マトリクス部のＨＲ−ＴＥＭ観察により得られたＨＡＡＤＦ像を、図２に示す。このＨＡＡＤＦ像では、重元素が明るい像で示され、軽金属が暗い像で示される。図２から、マトリクス部内部に、マグネシウムと比較して重金属であるイットリウム又は亜鉛が、層状に存在し、６周期の長周期構造を構成していることが確認された。

表１に示される組成のマグネシウム合金を、実施例１と同様の手法で作製した。図１に示されるマトリクス部とデンドライト部の２相が確認された合金に関しては、表１の右端欄（「組織」欄）に、“２相”と記述した。それ以外の合金（「比較例２−１」）に関しては、同欄に、観察された相を記述した。イットリウム及び亜鉛を、１２原子％よりも多く添加すると、マトリクス相のみで合金は形成された。ある程度の延性を合金に付与するためには、イットリウム及び亜鉛の添加量を、１２原子％以下とするべきことが確認された。

実施例２で作製したマグネシウム合金群（実施例２−１から実施例２−１０）に対して、大気中にて溶体化処理を実施した。処理温度は６７３Ｋ、処理時間は２４時間とした。処理後の試料組織を観察した結果、実施例２のものと比較して、試料中に大きな組織変化は確認できなかった。以上の結果より、凝固組織は、熱的に平衡組織であり、金型鋳造法、砂型鋳造法等の比較的冷却速度の遅い鋳造法でも、容易に作製可能であることが確認された。

実施例２においてデンドライト部とマトリクス部が確認されたマグネシウム合金群（実施例２−１から実施例２−１０）に対して、試料の弾性率を測定した。
（測定法）
測定法は、ビッカース型微小圧子による負荷−除荷試験を採用した。圧子を押し込む際の試験力は５０ｍＮ、押し込み速度は５ｍＮ／秒、押し込み後の保持時間は１０秒とした。除荷過程で測定される圧子の変位と試験力の傾きより、デンドライト部とマトリクス部の２相により構成される試料の弾性率を測定した。

(測定結果)
測定結果を、表２にまとめて示す。比較のため、純マグネシウム（９９％）で、同様の試験を実施した結果も示す。イットリウムの添加量を５原子％以上、亜鉛の添加量を１原子％以上とすることにより、マグネシウム合金の弾性率は５０ＧＰａよりも高い値を示した。なお、測定された純マグネシウムの弾性率は、４１．３ＧＰａであった。文献値（４４．３ＧＰａ）との差異は、実験誤差によるものと考慮される。

実施例４において、５０ＧＰａより大きい弾性率を示し、マトリクス部とデンドライト部の２相で形成される試料（実施例４−３から４−１０）について、試料のビッカース硬度を測定した。測定手法は、実施例４と同様である。すなわち、実施例４と同様の手法で作製した圧痕から、ビッカース硬度を算出した。その結果を、表３に示す。比較として、同様の手法で測定された、純マグネシウムの硬度も示す。純マグネシウムの硬度(３１ＨＶ)と比較して、本発明によるマグネシウム合金 (平均：９９ＨＶ)は、約３倍の硬度を有した。すなわち、本発明による合金は、純マグネシウム合金よりも高い強度を有することが確認された。

以上詳述したように、本発明は、高性能マグネシウム合金及びその製造方法に係るものであり、本発明により、強度及び弾性率を向上させた高性能マグネシウム合金を製造することができる。本発明のマグネシウム合金は、弾性率が高く、強度特性及び剛性特性がともに優れた高性能マグネシウム合金であり、特定の合金添加によるマグネシウム合金を、公知の鋳造法により鋳込むだけで製造することができ、鋳造特性を阻害するカルシウムやシリコン、リサイクル性を阻害するセラミックスを添加する必要がない。本発明のマグネシウム合金は、自動車をはじめとする輸送機部品及び宇宙・航空機部品、電気・電子機器部品等の幅広い分野で利用することが可能な、次世代の構造用部材を提供するものとして有用である。

アーク溶解炉を利用して作製した、Ｍｇ−８原子％Ｙ−４原子％Ｚｎ合金の光学顕微鏡組織であり、針状の組織（マトリクス部）とＭｇ固溶体（デンドライト部：白色部の組織）により、材料が構成されていることを示した図である。 アーク溶解炉を利用して作製した、Ｍｇ−８原子％Ｙ−４原子％Ｚｎ合金のマトリクス部のＨＡＡＤＦ像であり、明るい像で示される重元素（Ｙ又はＺｎ）が、暗い像で示されるＭｇ元素と、層状に６周期の長周期構造を構成していることを示した図である。

Claims (6)

1. 高強度と高弾性率の組織を含有する高性能マグネシウム合金であって、イットリウム（Ｙ）を５原子％から１２原子％（５原子％≦Ｙ≦１２原子％）及び亜鉛（Ｚｎ）を１原子％から１２原子％(１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％)含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなることを特徴とする高性能マグネシウム合金。
2. 弾性率が５０ＧＰａ以上の組織を含有することを特徴とする、請求項１に記載の高性能マグネシウム合金。
3. 強度と弾性率を向上させた高性能マグネシウム合金を製造する方法であって、マグネシウムに、イットリウム（Ｙ）及び亜鉛（Ｚｎ）を、５原子％≦Ｙ≦１２原子％及び１原子％≦Ｚｎ≦１２原子％となるように配合し、鋳造法により溶解・凝固させることを特徴とする高性能マグネシウム合金の製造方法。
4. 凝固速度が５０Ｋ／秒未満であることを特徴とする、請求項３に記載の高性能マグネシウム合金の製造方法。
5. 高純度アルゴン雰囲気で溶解・凝固させることを特徴とする、請求項３に記載の高性能マグネシウム合金の製造方法。
6. 請求項３〜５のいずれかに記載の製造方法により製造された、４４．３ＧＰａを超える高い弾性率を有する高性能マグネシウム合金からなることを特徴とする高性能マグネシウム合金部材。