JP2007270159A

JP2007270159A - 耐クリープマグネシウム合金

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Publication number: JP2007270159A
Application number: JP2004166323A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Omura; 博幸大村
Original assignee: Ryobi Ltd
Current assignee: Ryobi Ltd
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2007-10-18
Also published as: WO2005118900A1

Abstract

【課題】耐クリープ性、耐食性及びダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金を提供する。
【解決手段】Ａｌを２．５〜６．５質量％、Ｃａを０．３〜３．０質量％、Ｓｎを０．１５〜３．０質量％、Ｍｎを０．２〜０．５質量％含み、残部がＭｇと不可避的不純物からなる耐クリープマグネシウム合金である。必要に応じ、Ｓｒを０．０１〜０．３質量％含む。本発明品である試料４は、試料１、試料２（特開２００１−３１６７５２号の合金−１、２）、試料３（特開平７−３３７４号の合金）及び試料９（ＡＺ９１Ｄ）よりも優れた耐クリープ性を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、耐クリープマグネシウム合金に関し、特に、高温環境下使用で要求される耐クリープ性及び耐食性を有し、しかも鋳造割れなどの鋳造欠陥が生じない、ダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金に関する。

自動車用部品の素材に使用される合金として、Ｍｇ-Ａｌ-Ｃａ系合金が知られている。また、最近ではＭｇ-Ａｌ-Ｃａ-Ｓｒ-Ｍｎ系合金が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この合金は耐クリープ性及び耐食性に優れ、質量％でＡｌが２．０〜６．０％、Ｃａが０．３〜２．０％、Ｓｒが０．０１〜１．０％、Ｍｎが０．１〜１．０％を含み、残部がＭｇ及び不純物かからなる合金である。また、上記合金に、更にＳｉを質量％で０．１〜１．０％又はＺｎを質量％で０．２〜１．０％添加した合金も提案されている。

また、耐クリープ性に優れた合金として、Ｍｇ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｓｎ系合金が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この合金は、質量％でＡｌが０．０〜４．０％、Ｓｉが０．２〜２．０％、Ｓｎが６．０〜２０．０％を含み、残部がＭｇ及び不純物からなる合金である。

特開２００１−３１６７５２特開平７−３３７４

しかし、従来のＭｇ-Ａｌ-Ｃａ-Ｓｒ-Ｍｎ系合金では、Ｃａを含有するため金型への焼付きや鋳造割れが発生するなどダイカスト性が悪く、実製品のダイカストは困難である。また、Ｓｒを添加することにより割れを防止する効果を多少は得ているが、焼付きなどへの効果が得られていない。湯流れ性を向上させるために、Ａｌを増加させることが考えられるが、耐クリープ性が低下する。そして、この合金にＳｉを添加すると耐クリープ性及び耐食性が低下する。また、この合金にＺｎを添加すると耐クリープ性が低下し、割れが発生する。また、Ｍｇ-Ａｌ-Ｓｉ-Ｓｎ系合金は、耐食性がＭｇ-Ａｌ-Ｃａ-Ｓｒ-Ｍｎ系合金と比較して非常に劣っている。

そこで、本発明は、耐クリープ性、耐食性及びダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、Ａｌを２．５〜６．５質量％、Ｃａを０．３〜３．０質量％、Ｓｎを０．１５〜３．０質量％、Ｍｎを０．２〜０．５質量％含み、残部がＭｇと不可避的不純物からなる耐クリープマグネシウム合金を提供している。更に、Ｓｒを０．０１〜０．３質量％含むことが好ましい。

請求項１に記載の耐クリープマグネシウム合金によれば、Ａｌを２．５〜６．５質量％、Ｃａを０．３〜３．０質量％、Ｓｎを０．１５〜３．０質量％、Ｍｎを０．２〜０．５質量％含、残部がＭｇと不可避的不純物からなる構成とした。即ち、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ−Ｍｎ系合金にＳｎを所定量添加することにより、耐クリープ性及び鋳造性（ダイカスト性）を向上させることができ、耐食性も良好となる。

請求項２に記載の耐クリープマグネシウム合金によれば、Ｓｒを０．０１〜０．３質量％添加することで鋳造性がさらに向上する。

本発明の実施の形態による耐クリープＭｇ合金について説明する。この耐クリープＭｇ合金は、Ａｌ（アルミニウム）が２．５〜６．５質量％、Ｃａ（カルシウム）が０．３〜３．０質量％、Ｓｎ（スズ）が０．１５〜３．０質量％、Ｍｎ（マンガン）が０．２〜０．５質量％、Ｓｒ（ストロンチウム）が０．０１〜０．３質量％含まれ、残部はＭｇ（マグネシウム）と不可避的不純物である。Ａｌ、Ｃａ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｍｇは必須の元素であり、Ｓｒは任意の元素である。

ここで、Ａｌを添加すると割れ性に効果があるが、Ｍｇ_１７Ａｌ_１２化合物を晶出するため耐クリープ性が低下する。Ａｌの添加量が６．０質量％を越えると、Ｍｇ_１７Ａｌ_１２化合物が多く晶出するため高い耐クリープ性が得られない。従って、Ａｌ添加量は６．０質量％以下とした。一方、Ａｌの添加量が２．５質量％未満であると、鋳造性が低下し、ダイカストが困難となる。従って、Ａｌ添加量は２．５質量％以上とした。

Ｃａを添加するとＭｇ合金の難燃性を向上させ、ある程度の高い溶湯温度でも鋳造を可能とする。しかし、添加しすぎると鋳造割れ及び焼付きを起こしやすくなり、健全な鋳造品が得られない。Ｃａの添加量が３．０質量％を越えると、鋳造割れをおこしやすく、健全な鋳造品を得ることができない。従って、Ｃａの添加量は、３．０質量％以下とした。一方で、Ｃａの添加量が０．３質量％未満であると、十分な耐クリープ強度が得られない。従って、Ｃａの添加量は０．３質量％以上とした。

Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ系合金でＡｌとＣａだけでは金型に焼付きが発生し、ダイカストが困難であるが、Ｓｎを添加すると焼付きが激減する。ただ、Ｓｎの添加量が３．０質量％を越えると、耐食性は低下し、ＡＺ９１Ｄ合金並の耐食性が得られない。従って、Ｓｎ添加量は３．０質量％以下とした。一方、Ｓｎの添加量が０．１５質量％未満であると、鋳造割れをおこしやすく、健全な鋳造品を得ることができない。従って、Ｓｎの添加量は０．１５質量％以上とした。

Ｍｎを添加すると耐食性に効果があるが、Ｍｎの添加量が０．５質量％を越えると、鋳造性が低下しダイカストが困難となる。従って、Ｍｎの添加量は、０．５質量％以下とした。一方で、Ｍｎの添加量が０．２質量％未満であると、耐食性が低下する。従って、Ｍｎの添加量は、０．２質量％以上とした。

Ｓｒは、耐クリープ性にあまり効果がないが、Ｓｒを添加するとＭｇ合金の鋳造性を向上させる。Ｓｒの添加量が０．３質量％を越えると、焼付きなどが発生しやすくなる。従って、Ｓｒの添加量は０．３質量％以下とした。一方、Ｓｒの添加量が０．０１質量％未満であると、ひけ割れ等への効果はあまり得られない。従って、Ｓｒの添加量は０．０１質量％以上とした。

なお、最小量の通常存在する不可避的不純物は０．００４質量％未満のＦｅ（鉄）、０．００１質量％未満のＮｉ（ニッケル）、０．０８質量％未満のＣｕ（銅）、０．０１質量％未満のＺｎ（亜鉛）等である。

本発明合金と比較材料について種々の実験を行った。実験に用いた試料の組成比は表１に示すとおりである。ここで、試料１及び試料２は特開２００１−３１６７５２号公報に記載の合金であり、試料３は特開平７−３３７４号公報に記載の合金であり、試料４及び５は本発明の実施の形態による合金であり、試料６及び７は、Ｓｎの添加質量％が本発明の実施の形態の範囲外である合金であり、試料８はＡＤＣ１２合金であり、試料９はＡＺ９１Ｄ合金である。
表１

（実験１）
本発明合金と比較材料について割れ性の評価を行った。表１に示した試料１（特開２００１−３１６７５２号の合金−１）、試料４（本発明の合金−１）、試料５（本発明の合金−２）試料６及び試料７（Ｓｎの添加質量％が本発明の範囲外である合金）それぞれを用いて、表２に示す４種の鋳造条件で、図１（ａ）、図１（ｂ）に示す形状の試片を鋳造し、割れの発生率を調べた。図１（ａ）、図１（ｂ）の試片１の形状は、平行部の長さが１０５ｍｍであり、拘束端部の角部Ｒは、曲率半径０ｍｍである。
表２

割れについては、目視及びカラーチェックによってチェックした。割れ性の評価は、表２の各条件で１０個の試片１を作成し、鋳造後に割れの発生した試片１の数から割れ発生率を算出した。図２は、その結果を示しており、表２の条件１の結果は斜線、条件２の結果は白塗り、条件３の結果は黒塗り、条件４の結果は灰色で示されている。試料４（本発明の合金−１）では、条件１、条件２及び条件４において割れは発生しなかった。また、試料５（本発明の合金−２）及び試料７（Ｓｎ０．３５質量％添加）では、条件１及び条件２において割れは発生しなかった。

試料１（特開２００１−３１６７５２号の合金−１）では、全ての条件かつ１０個の全ての試料において割れが発生した。従って、Ｓｎを添加した試料４（本発明の合金−１）及び試料５（本発明の合金−２）の方が明らかに割れ性が優れていることが分かる。試料１（特開２００１−３１６７５２号の合金−１）は、Ｃａ添加によって割れが発生したものと考えられる。また、Ｃａ添加によってダイカスト性が低下する（特に湯流れ性の低下及び焼付きが増加）。しかし、試料４（本発明の合金−１）及び試料５（本発明の合金−２）では、更にＳｎを添加することにより、割れが減少したものと考えられる。また、Ｓｎを添加することにより、金型への焼付き性が減少し、固相線の低下による湯廻り性が向上する。試料６（Ｓｎ０．１質量％添加）では、全ての条件において２０％以上の割れが発生し、Ｓｎ添加による効果はあまり認められなかった。試料７（Ｓｎ０．３５質量％添加）では、割れ性に効果があることが分かった。

（実験２）
本発明合金と比較材料について耐クリープ性の実験を行った。２５０℃の温度雰囲気で４３時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験Ｉと、２００℃の温度雰囲気で１００時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験IIとを行いそれぞれ変位を測定した。耐クリープ性実験Ｉでは、試料１（特開２００１−３１６７５２号の合金−１）、試料４（本発明の合金−１）及び試料８（ＡＤＣ１２）を用いて図３に示すような試験片２を鋳造した。耐クリープ性実験IIでは、試料１、２（特開２００１−３１６７５２号の合金−１、２）、試料３（特開平７−３３７４号の合金）、試料４（本発明の合金−１）、試料８（ＡＤＣ１２）及び試料９（ＡＺ９１Ｄ）を用いて図３に示すような試験片２を鋳造した。試験片２は、ＡＳＴＭのＢ-８５の引張試験片（平行部の直径６．３５ｍｍ、標点間距離５７.５ｍｍ、長さ２１０ｍｍ）であり、図４に示されるように、試験片２の両端を支持具３ａ、３ｂにて支持し、支持台３ａと３ｂの間の距離は１５０ｍｍとし、試験片２の中央部に２ｋｇの重り４を吊り下げ、所定の時間試験片２に荷重をかけ、試験片２に曲げ変位を生じさせた。

次に、変位の測定方法について説明する。図５に示すように、試験片２の一端側の試験片２の中心から７５ｍｍの位置を固定部材５により固定し、他端側の高さをハイトゲージ６により測定し変位を算出した。図６は耐クリープ性実験Ｉの結果、図７は耐クリープ性実験IIを示している。耐クリープ性実験IIにおいて試料９（ＡＺ９１Ｄ）の変位は３５ｍｍであったが、図７では図示の都合上４．５ｍｍとしている。図７から試料４（本発明の合金−１）の耐クリープ性は、試料１（特開２００１−３１６７５２号の合金−１）よりも優れ、試料３（特開平７−３３７４号の合金）よりも格段に優れているのが分かる。試料４（本発明の合金−１）は、Ｃａ及びＳｎ添加により耐クリープ性が向上したものと考えられ、アルミダイカスト合金である試料８（ＡＤＣ１２）と同程度の耐クリープ性が得られた。

また、試料２（特開２００１−３１６７５２号の合金−２）は、Ｓｉ添加により耐クリープ性が低下したものと考えられる。一般的に、Ｃａ及びＳｉを添加すると耐クリープ性が向上することが知られているが、両者を併用するとその効果は得られず、逆に耐クリープ性は低下するものと考えられる。また、Ｓｉを添加してもＭｇに対する固溶範囲が極めて狭いため固溶しないが、ＳｎはＭｇに対してよく固溶し、Ｍｇと共に固溶体を形成し、Ｓｎ添加によるＭｇ合金の固溶強化が期待できる。

（実験３）
本発明合金と比較材料について、塩水噴霧試験（ＪＩＳＺ２３７１）により耐食性の実験を行った。図８はその結果を示しており、試料４（本発明の合金−１）及び試料５（本発明の合金−２）の耐食性は、試料２（特開２００１−３１６７５２号の合金−２）及び試料３（特開平７−３３７４号の合金）よりも優れているのが分かる。試料３（特開平７−３３７４号の合金−２）の耐食性が低下しているのは、耐食性を低下させるＳｎ及びＳｉが添加されているためである。一般的に、Ｓｎを添加すると耐食性が低下することが知られているが、試料４（本発明の合金−１）及び試料５（本発明の合金−２）の耐食性は、試料９（ＡＺ９１Ｄ）と同程度であり耐食性の低下は見られなかった。

これは、本発明のＳｎの添加範囲においては、Ｍｇマトリックス中にＳｎが固溶して固溶体を形成することにより、Ｍｇマトリックス総体の電位が上がり、Ｍｇマトリックスと金属間化合物などの析出物との電位差が小さくなり、局部腐食が促進されなくなるためだと考えられる。また、Ｍｇに対するＳｎの固溶域が広い高温からダイカストを急冷することにより、耐食性に影響しない固溶体、又は多少は耐食性に効果がある固溶体が得られ、かつ耐食性を低下させる金属間化合物などの析出物があまり生成されないことが考えられる。しかし、試料７（Ｓｎ０．３５質量％添加）では、試料５（本発明の合金−２）と比較して耐食性は劣っており、Ｓｎの添加量が３．０％を越えると耐食性は低下するものと思われる。これは、耐食性に悪影響を及ぼす金属間化合物が晶出するためと考えられる。

本発明による耐クリープマグネシウム合金は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

実験１の割れ性の評価に用いた試片の形状を示す正面図。実験１の割れ性の評価に用いた試片の形状を示す側面図。本発明の実施の形態による耐クリープマグネシウム合金及び比較材料の実験１による割れ性の評価に関する測定結果を示す図。実験２の耐クリープ性の実験に用いた試片の形状を示す図。実験２の耐クリープ性実験の様子を示す側面図。実験２の耐クリープ性実験における試験片の変位の測定方法をしめす側面図。本発明の実施の形態による耐クリープマグネシウム合金及び比較材料の耐クリープ性実験Iの関する測定結果を示す図。本発明の実施の形態による耐クリープマグネシウム合金及び比較材料の耐クリープ性実験IIの関する測定結果を示す図。本発明の実施の形態による耐クリープマグネシウム合金及び比較材料の実験３の耐食性実験に関する測定結果を示す図。

Claims

Ａｌを２．５〜６．５質量％、Ｃａを０．３〜３．０質量％、Ｓｎを０．１５〜３．０質量％、Ｍｎを０．２〜０．５質量％含み、残部がＭｇと不可避的不純物からなることを特徴とする耐クリープマグネシウム合金。
Ｓｒを０．０１〜０．３質量％含むことを特徴とする請求項１に記載の耐クリープマグネシウム合金。