JP2007291447A - マグネシウム合金製摺動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のアルミニウム合金製摺動部品と同等の耐摩耗性を有し、マグネシウムの軽量性を活かしたマグネシウム合金製摺動部品を提供する。
【解決手段】少なくとも１種の合金成分を含み、残部がＭｇおよび不可避的不純物であるマグネシウム合金から成り、
結晶粒が、Ｍｇと上記合金成分のうちの少なくも1種との固溶体であり、
結晶粒界が、Ｍｇと上記合金成分とから成る群から選択された少なくとも２種の元素の金属間化合物で実質的に占拠されている
ことを特徴とするマグネシウム合金製摺動部品。
【選択図】図１

Description

本発明は、従来のアルミニウム合金製摺動部品と同等の耐摩耗性を有し、マグネシウムの軽量性を活かしたマグネシウム合金製摺動部品に関する。

マグネシウムは、工業用実用材料中で最も比重が小さいため、航空機や自動車用の材料として期待されており、マグネシウムの軽量性を活用しつつ高強度化したマグネシウム合金が種々開発されている。

例えば、特許文献１には、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ等の合金成分の含有量を最適化することにより、微細結晶質より成る母相中に微細なＭｇ−Ａｌ系、Ｍｇ−Ｃａ系、Ａｌ−Ｃａ系の金属間化合物が析出・分散した高強度マグネシウム合金が提示されている。

また、特許文献２、３には、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎを合金成分とし、Ｍｇを主とするＭｇ結晶粒と、結晶粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系、Ａｌ−Ｍｎ系の金属間化合物とから実質的に成る高強度マグネシウム合金が提示されている。

これらを含め、これまでに種々開発された高強度マグネシウム合金の中には、アルミニウム合金と遜色の無い高強度を発揮するものがあり、これらはアルミニウムより比強度が高いため構造用部品として優れている。

しかし、軸受等の摺動部品に適用できるアルミニウム合金製摺動部品に匹敵する耐摩耗性を有するマグネシウム合金製摺動部品はこれまでに知られていなかった。

特開平０７−０４８６４６号公報 特開２００２−３２７２３１号公報 特開２００５−１１３２６０号公報

本発明は、従来のアルミニウム合金製摺動部品と同等の耐摩耗性を有し、マグネシウムの軽量性を活かしたマグネシウム合金製摺動部品を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、少なくとも１種の合金成分を含み、残部がＭｇおよび不可避的不純物であるマグネシウム合金から成り、
結晶粒が、Ｍｇと上記合金成分のうちの少なくも1種との固溶体であり、
結晶粒界が、Ｍｇと上記合金成分とから成る群から選択された少なくとも２種の元素の金属間化合物で実質的に占拠されている
ことを特徴とするマグネシウム合金製摺動部品を提供する。

Ｍｇと合金成分との固溶体は一般に柔らかいが、この柔らかい固溶体から成る結晶粒を取り巻く結晶粒界を、硬い金属間化合物でほぼ占拠させたことにより、全体として摺動部品用のＡｌ合金に匹敵する高い耐摩耗性を実現できることを本発明者は新規に見出して本発明を完成させた。

本発明のマグネシウム合金製摺動部品は、少なくとも１種の合金成分を含み、残部がＭｇおよび不可避的不純物から成る化学組成の合金で作られている。具体的な化学組成は、一義的に限定する必要はなく、結晶粒が、Ｍｇと上記合金成分のうちの少なくも1種との固溶体であり、結晶粒界が、Ｍｇと上記合金成分とから成る群から選択された少なくとも２種の元素の金属間化合物で実質的に占拠されている金属組織となるように多種多様に選定でき、用途に応じて必要な耐摩耗性が得られるように設定できる。

すなわち、本発明のマグネシウム合金製摺動部品は、３次元網目構造を成す結晶粒界が硬質の金属間化合物によって実質的に占拠されており、３次元網目構造の個々の網目セルの内部が比較的軟質で延性に富むＭｇ基固溶体で充填された複合材料であるとも表現できる。結晶粒界を占拠している金属間化合物は、微細な粒子の集合体であり粒子間の結合は必ずしも強固ではないが、周囲を充填している固溶体の静水圧的な作用により拘束されて３次元網目構造を維持している。

このように本発明のマグネシウム合金製摺動部品は、硬質３次元網目構造を軟質固溶体が充填し拘束した組織を有しているので、合金の表面あるいは任意の断面に硬質２次元網目構造とその平面網目セルを充填する軟質固溶体とから成る組織が現れ、網目構造を構成している硬質の金属間化合物粒子が軟質の固溶体により固定された状態で高い耐摩耗性を発現する。

表１に、本発明の摺動部品を構成するマグネシウム合金の典型例として、１種の合金成分（α）を含み、残部がＭｇおよび不可避的不純物から成る２元系合金（Ｍｇ−α）を示す。ここで合金成分αは、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎである。

表中に示した晶出化合物の硬さは、具体的に文献等により知られている値であり、ＨＶ１００程度あるいはそれ以上であり、表中に特に表示しないものについてもこれと同様の硬さと推測され、少なくともＭｇと添加元素との固溶体の硬さよりは硬い。Ｍｇと添加元素との固溶体の硬さは、添加元素によらずほぼ同等であり、ＨＶ６５〜７５程度である。

本発明においては、晶出化合物として示した金属間化合物が、Ｍｇと添加元素との固溶体である結晶粒を取り巻く結晶粒界を実質的に占拠する晶出状態となるように、個々の合金系について化学組成を選択すればよい。また、上記では金属間化合物を晶出化合物としたが、これはいずれの合金でも鋳造時に液相からの凝固過程において金属間化合物が結晶粒界に生成（晶出）しやすいために、晶出化合物を本発明の金属間化合物の代表例として示したものである。本発明の金属間化合物は、鋳造状態では生成していなくとも、鋳造後の熱処理により固相反応で結晶粒界に生成（析出）する析出化合物であってもよい。同一の合金であっても、晶出化合物と析出化合物とは生成過程が異なるため化合物の組成や形態が異なる場合が多い。

表１に例示したＭｇ−α２元合金においては、晶出または析出により生成する金属間化合物はＭｇとαとの２元化合物のみである。もちろん本発明の摺動部品を構成する材料は２元合金に限定する必要はなく、２種以上の合金成分を含み残部がＭｇおよび不可避的不純物から成る３元系以上の多元系Ｍｇ基合金であってもよい。３元以上の多元合金では、生成する金属間化合物は、Ｍｇと合金成分（１種以上）との化合物の他に、２種以上の合金成分同士の化合物が生成する。例えば３元系の一例としては、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ合金等が挙げられる。その場合、結晶粒界を占拠する状態で生成する金属間化合物の典型例としては、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ合金（特にＡｌ：６wt％超〜１０wt％、Ｃａ：１．８〜５wt％。本出願人により特許文献３に開示。）ではＡｌ_２Ｃａであり、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ合金（特にＡｌ：１〜３wt％、Ｍｎ：１〜３wt％）ではＡｌＭｎである。

以下に実施例により本発明を更に詳細に説明する。

〔実施例１〕
本発明のＭｇ合金製摺動部品サンプルを、Ｍｇ−７wt％Ａｌ−３wt％Ｃａ合金で製造した。手順および条件は下記のとおりであった。溶解−鋳造は常に１％ＳＦ_６＋ＣＯ_２混合ガス雰囲気中で行なった。

先ず、上記組成となるように合金原料に配合し、鉄製るつぼにて溶解した。溶解温度は７００〜７２０℃であった。合金地金が十分に溶解した後、１０〜１５分間静置した。

温度を上記７００〜７２０℃に保持した溶湯を、２００℃に予熱した金型にダイカスト鋳造して１５φ×１２０Ｌ（ｍｍ）の丸棒サンプルとした。

サンプルは凝固完了した後に金型から取り出し、室温まで放冷した。

図１に、得られたサンプルのミクロ組織写真を示す。Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ固溶体から成るほぼ白色の結晶粒を取り囲む結晶粒界が灰色の金属間化合物Ａｌ_２Ｃａにより実質的に占拠されている。硬さ測定の結果、結晶粒：７５ＨＶ０．５、Ａｌ_２Ｃａ：１１７ＨＶ０．５であった。

上記鋳造ままの丸棒サンプルから切り出したブロック状の試験片を用いて摩耗試験を行なった。比較材として、汎用ダイカストＭｇ合金ＡＺ９１Ｄ（ＡＳＴＭ規格：Ｍｇ−９Ａｌ−１Ｚｎ）と、汎用ダイカストＡｌ合金ＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格：Ａｌ−３Ｃｕ−１０Ｓｉ）も同様に試験した。試験条件は下記のとおりであった。

〔摩耗試験条件〕
摩耗試験機：ブロックオンリング型試験機
相手材 ：ＳＵＪ２（ＪＩＳ軸受鋼）
リング周速：０．３ｍ／ｓ
摺動時間 ：３０分
試験温度 ：室温
使用オイル：エンジンオイル（５Ｗ−３０）
面圧 ：１０〜１５０Ｎ／ｍｍ^２
図２に摩耗試験結果を示す。本発明によるＭｇ−７Ａｌ−３Ｃａ合金は、汎用Ａｌ合金ＡＤＣ１２に近い優れた耐摩耗性を示している。特に面圧１２０Ｎ／ｍｍ^２以下の低面圧領域ではＡＤＣ１２とほぼ同等の耐摩耗性を発揮している。これに対して汎用Ｍｇ合金ＡＺ９１Ｄは試験した全面圧範囲で耐摩耗性が遥かに低い。

本発明によるＭｇ−７Ａｌ−３Ｃａ合金製サンプルは、３次元網目構造を成す結晶粒界が硬質（１１７ＨＶ０．５）の金属間化合物Ａｌ_２Ｃａによって実質的に占拠されており、３次元網目構造の個々の網目セルの内部が比較的軟質（７５ＨＶ０．５）で延性に富むＭｇ−Ａｌ−Ｃａ固溶体で充填された複合材料である。

このように、硬質のＡｌ_２Ｃａ３次元網目構造を軟質のＭｇ−Ａｌ−Ｃａ固溶体が充填し拘束した組織を有しているので、合金の表面あるいは任意の断面にＡｌ_２Ｃａの硬質２次元網目構造とその平面網目セルを充填する軟質のＭｇ−Ａｌ−Ｃａ固溶体とから成る組織が現れ、網目構造を構成している硬質の金属間化合物Ａｌ_２Ｃａ粒子が軟質のＭｇ−Ａｌ−Ｃａ固溶体により固定された状態で高い耐摩耗性を発現する。

〔実施例２〕
本発明のＭｇ合金製摺動部品サンプルを、ＡＳＴＭ ＥＺ３３Ａ合金（Ｍｇ−ＲＥ−Ｚｎ−Ｚｒ）で製造した。表１の添加元素のうち、Ｃｅ、Ｌａ、Ｚｎを複合添加した場合にほぼ対応する。製造の手順および条件は下記のとおりであった。なお、溶解−鋳造は常に１％ＳＦ_６＋ＣＯ_２混合ガス雰囲気中で行なった。

先ず、純Ｍｇ原料（純度９９．９wt％）を鋼製るつぼにて所定量溶解した。溶解温度は７００±５℃であった。

得られた純Ｍｇ溶湯に、合金組成がＭｇ−３．３wt％ＲＥ−２．７wt％Ｚｎ−０．６wt％Ｚｒとなるように、合金成分としてミッシュメタル（ＲＥ源）、純Ｚｎ（純度９９．９９wt％）、Ｚｒ（Ｍｇ−１４wt％Ｚｒ）を各々所定量添加した。用いたミッシュメタルの組成は、Ｃｅ：５０wt％、Ｌａ：２７wt％、Ｎｄ：１８wt％であった。

添加原料が完全に溶解するまで静かに攪拌し（約５分）、その後１０〜１５分間静置した。

温度を上記７００±５℃に保持した溶湯を、１００℃に予熱したＪＩＳ４号船型にダイカスト鋳造した。

図３に、得られたサンプルのミクロ組織写真を示す。Ｍｇ基固溶体から成るほぼ淡灰色の結晶粒を取り囲む結晶粒界が暗灰色の金属間化合物Ｍｇ_９ＲＥにより実質的に占拠されている。硬さは、結晶粒：６５〜７５ＨＶ０．５程度、Ｍｇ_９ＲＥ：１００ＨＶ０．５程度と見込まれる。

上記硬さを仮定すれば、実施例１と同様に、汎用ダイカストＡｌ合金ＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格：Ａｌ−３Ｃｕ−１０Ｓｉ）に近い優れた耐摩耗性が得られるものと見込まれる。

〔実施例３〕
本発明のＭｇ合金製摺動部品サンプルを、ＡＳＴＭ ＷＥ４３合金（Ｍｇ−Ｙ−ＲＥ−Ｚｒ）で製造した。表１の添加元素のうち、Ｃｅ、Ｌａ、Ｙを複合添加した場合にほぼ対応する。製造の手順および条件は下記のとおりであった。溶解−鋳造は常に１％ＳＦ_６＋ＣＯ_２混合ガス雰囲気中で行なった。

先ず、純Ｍｇ原料（純度９９．９wt％）を鋼製るつぼにて所定量溶解した。溶解温度は７００±５℃であった。

得られた純Ｍｇ溶湯に、合金組成がＭｇ−４．０wt％Ｙ−３．４wt％ＲＥ−０．７wt％Ｚｒとなるように、合金成分としてＭｇ−Ｙ母合金、ミッシュメタル（ＲＥ源）、Ｚｒ（Ｍｇ−１４wt％Ｚｒ）を各々所定量添加した。用いたミッシュメタルの組成は、Ｃｅ：５０wt％、Ｌａ：２７wt％、Ｎｄ：１８wt％であった。

添加原料が完全に溶解するまで静かに攪拌し（約５分）、その後１０〜１５分間静置した。

温度を上記７００±５℃に保持した溶湯を、１００℃に予熱したＪＩＳ４号船型にダイカスト鋳造した。

図４に、得られたサンプルのミクロ組織写真を示す。Ｍｇ基固溶体から成るほぼ淡灰色の結晶粒を取り囲む結晶粒界が暗灰色の金属間化合物Ｍｇ_９ＲＥにより実質的に占拠されている。硬さは、結晶粒：６５〜７５ＨＶ０．５程度、Ｍｇ_９ＲＥ：１００ＨＶ０．５程度と見込まれる。

上記硬さを仮定すれば、実施例１と同様に、汎用ダイカストＡｌ合金ＡＤＣ１２（ＪＩＳ規格：Ａｌ−３Ｃｕ−１０Ｓｉ）に近い優れた耐摩耗性が得られるものと見込まれる。

本発明によれば、従来のアルミニウム合金製摺動部品と同等の耐摩耗性を有し、マグネシウムの軽量性を活かしたマグネシウム合金製摺動部品が提供される。

実施例１においてＭｇ−７Ａｌ−３Ｃａ合金を用いて作製した本発明の摺動部品サンプルの鋳造ままのミクロ組織を示す金属組織写真である。 実施例１において、作製した本発明の摺動部品サンプルの摩耗試験結果を、比較サンプルと対比して示すグラフである。 実施例２においてＭｇ−３．３wt％ＲＥ−２．７wt％Ｚｎ−０．６wt％Ｚｒ合金を用いて作製した本発明の摺動部品サンプルの鋳造ままのミクロ組織を示す金属組織写真である。 実施例３においてＭｇ−４．０wt％Ｙ−３．４wt％ＲＥ−０．７wt％Ｚｒ合金を用いて作製した本発明の摺動部品サンプルの鋳造ままのミクロ組織を示す金属組織写真である。

Claims (2)

1. 少なくとも１種の合金成分を含み、残部がＭｇおよび不可避的不純物であるマグネシウム合金から成り、
   結晶粒が、Ｍｇと上記合金成分のうちの少なくも1種との固溶体であり、
   結晶粒界が、Ｍｇと上記合金成分とから成る群から選択された少なくとも２種の元素の金属間化合物で実質的に占拠されている
   ことを特徴とするマグネシウム合金製摺動部品。
2. 請求項１において、上記合金成分が、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｕ、Ｌａ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎから成る群から選択された少なくとも１種であることを特徴とするマグネシウム合金製摺動部品。