JP2007319895A - 耐熱性マグネシウム合金押出し材及び鍛造品並びにそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】連続鋳造における鋳造ビレットの品質と押出し性を確保し、押出し時の黒変を抑制する耐熱性マグネシウム合金連続鋳造ビレット及び押出し材の製造方法、該製造方法で得られる鋳造ビレット及び押出し材、また、鍛造性を確保し、割れや表面の黒変、燃焼を抑制する鍛造品の製造方法、該製造方法で得られる鍛造品を提供すること。
【解決手段】特定組成の耐熱性マグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から円柱状の鋳造ビレットを作製し、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工して押出し材を作製し、該押出し材温度を３００〜５００℃に保持し、金型温度を該押出し材の保持温度より１０〜３０℃低く維持して鍛造により成形する耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法、該製造方法で得られる鍛造品、該製造方法の途中までの押出し材の製造方法、該製造方法で得られる押出し材。
【選択図】 なし

Description

本発明は耐熱性マグネシウム合金の連続鋳造材及び押出し材の製造方法、該製造方法で得られる連続鋳造材及び押出し材、該押出し材を素材とする鍛造品の製造方法及び該製造方法で得られる鍛造品に関し、より詳しくは、本発明は、耐熱性マグネシウム合金押出し材の押出しにおいて押出し性を確保し、押出し時の黒変を抑制し、押出し材の機械的強度を確保し、より安価で高品質な耐熱性マグネシウム合金押出し材を製造する方法、該製造方法で得られる押出し材、また、該押出し材を素材とした鍛造において鍛造性を確保し、割れや表面の黒変、燃焼を抑制し、鍛造材の機械的強度を確保する鍛造品の製造方法、該製造方法で得られる鍛造品に関する。

自動車業界においては燃費向上のための軽量化の必要性から軽量材料のニーズが高まり、樹脂材料や軽量金属材料が用いられてきている。しかし、樹脂材料は一般的にリサイクルが困難であるため地球環境保全の点で問題があるのに対して、金属材料は一般的にリサイクルが容易であるため、その用途の拡大が特に期待されている。軽量金属材料のうち最も軽量であるマグネシウム合金はこれまでステアリングホイール、シートベルト、エアバックリテーナーなど内装部品に用いられてきたが、今後はエンジン部品やトランスミッション部品などパワートレイン系の部品への用途拡大が検討されている。内装品については延性に優れたマグネシウム合金ＡＭ５０、ＡＭ６０系合金をダイカスト鋳造で製品化している。一方、これから用途拡大が期待されているパワートレイン系においては、強度と１５０℃前後での耐クリープ性に優れた耐熱性マグネシウム合金のダイカスト鋳造での製品化が始められている。なお、耐熱性マグネシウム合金としてはマグネシウム−アルミニウム系に希土類金属やカルシウム、ストロンチウムを添加したもの等種々のマグネシウム合金が知られている（例えば、特許文献１参照）。

なお、先行するアルミニウム部材の用途を見ると、自動車のパワートレイン系部品ではピストン、シリンダヘッド、油圧部品などに多くの鍛造品が用いられている。これらはマグネシウム合金ダイカスト製品では対応できない高強度、高信頼性の用途であり、現状ではマグネシウム合金では対応できない。

特許第２６０４６７０号公報

自動車パワートレイン系部材に用いる場合には、その使用温度環境からマグネシウム合金鍛造品も耐熱性マグネシウム合金でなければならない。しかし、鍛造素材となる耐熱性マグネシウム合金の連続鋳造材及び押出し材は生産されていない。実際、耐熱性マグネシウム合金を押出すと次のような問題があった。耐熱性マグネシウム合金では、高温及び室温でのクリープ特性を改善するために、ケイ素、希土類元素、カルシウム、ストロンチウム等を添加しているが、まさにそれ故に塑性加工性が乏しく、化合物が生成している粒界部分での割れが生じやすく、また、これらの元素は活性であるため高温で押出し加工するとダイスからの出口で発火又は黒変が生じてしまう。また、鍛造工程でも同様で塑性加工性が乏しく、粒界での割れの発生が生じやすく、高温にすると発火又は黒変しやすく、鍛造での強度アップも得られない。

本発明はこのような従来技術の有する課題に鑑みて為されたものであり、耐熱性マグネシウム合金押出し材の押出しにおいて押出し性を確保し、押出し時の黒変を抑制し、押出し材の機械的強度を確保し、より安価で高品質な耐熱性マグネシウム合金押出し材を製造する方法、該製造方法で得られる押出し材、また、該押出し材を素材とした鍛造において鍛造性を確保し、割れや表面の黒変、燃焼を抑制し、鍛造材の機械的強度を確保する鍛造品の製造方法、該製造方法で得られる鍛造品を提供することを目的としている。

本発明者らは上記の目的を達成するために種々検討を重ねた結果、鋳造時、押出し加工時、鍛造時の温度条件、雰囲気条件を制御することにより、所望の結果が得られることを見いだし、本発明を完成した。

即ち、本発明の耐熱性マグネシウム合金押出し材の製造方法は、
（１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
（２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
（３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなるマグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により円柱状のマグネシウム鋳造ビレットを作製し、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工することを特徴とする。

また、本発明の耐熱性マグネシウム合金の押出し材は、上記の製造法で得られる耐熱性マグネシウム合金の押出し材である。

更に、本発明の耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法は、上記の耐熱性マグネシウム合金押出し材の製造方法で得られる押出し材を、該押出し材温度を３００〜５００℃に保持し、金型温度を該押出し材の保持温度より１０〜３０℃低く維持して鍛造により成形することを特徴とする１５０℃での引張強さが１８０ＭＰａ以上の耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法である。

また、本発明の耐熱性マグネシウム合金鍛造品は、上記の耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法で得られる、１５０℃での引張強さが１８０ＭＰａ以上の耐熱性マグネシウム合金鍛造品である。

本発明においては、耐熱性マグネシウム合金の連続鋳造において健全な鋳造品質が確保され、押出し材の押出しにおいて押出し性が確保され、押出し時の黒変が抑制され、押出し材の機械的強度が確保され、より安価で高品質な耐熱性マグネシウム合金押出し材が得られ、また、押出し材を素材とした鍛造において鍛造性が確保され、割れや表面の黒変、燃焼が抑制され、鍛造材の機械的強度が確保される。

本発明は、耐熱性マグネシウム合金押出し材及び耐熱性マグネシウム合金鍛造品に関するものであるので、原料のマグネシウム合金として耐熱性マグネシウム合金を用いる必要がある。本発明においては
（１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
（２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
（３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなるマグネシウム合金を用いることが好ましい。

連続鋳造ビレットの鋳造時の溶湯保持にフラックスを用いるとフラックスの混入が生じやすく、また、ガスシールドの場合に溶湯温度が７００℃を超えるとシールド効果が薄れ、燃焼に至らないまでも酸化物が生成しやすく、ビレットへの異物混入の原因となる。一方、６５０℃未満となると熱揺動により生成する化合物相が粗大化し、押出し時又は鍛造加工時の割れの要因となる。

また、注湯時の空気の巻込み、凝固時の引け巣の残存や偏析、凝固割れ、粗大化合物の生成、上記の異物混入などを排除する鋳造条件については、汎用合金の場合と同様の鋳造条件が必要である。

従って、本発明においては、マグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により円柱状の鋳造ビレットを作製することが必須である。

ビレットの押出しにおいては塑性加工による発熱でビレットの設定温度より押出し後の押出し材の温度が上昇する。ダイス出口での押出し材の温度を５００℃程度とすると、ダイス温度を冷却等により４５０〜５５０℃、望ましくは４５０〜５００℃に制御する必要がある。また、ダイス出口での押出し材の酸化、黒変を抑制するためには、炭酸ガス、アルゴンガスによる押出し材の冷却、酸化防止も有効である。一方、ダイス出口での押出し材の温度の制御のためにビレットの温度を下げると押出し加工が困難になるので、実際、ビレットの温度を汎用合金での押出し温度より高い３５０〜４５０℃、望ましくは３５０〜４００℃に設定する必要がある。また、コンテナ温度を３５０〜４５０℃に設定する。なお、ビレットは外削により鋳肌、コールドシャットを除去する必要がある。押出し比や押出し材の形状によるが、押出し圧力は１００〜２５０ｋｇｆ/ｃｍ²であり、押出し速度は２〜１０ｍ/分であることが好ましい。更に、押出し時の曲がり防止や表面性の確保など押出し材としての品 質の確保のための押出し条件は汎用合金の場合と同様の押出し条件が必要である。

鍛造加工時の押出し材（素材）の温度が５００℃を超えると素材マグネシウム合金の粒界が溶解し燃焼するか又は酸化により黒変する。そこで鍛造加工時の素材の温度が５００℃を超える場合には炭酸ガス、アルゴンガスを用いて酸化、燃焼を防止する必要がある。鍛造加工時の素材の温度を汎用合金での素材の温度より高い３００〜５００℃とする必要があり、鍛造加工による鍛造品の強度アップを考慮すると望ましくは３００℃〜４００℃とする。また、金型の温度はこの素材の温度よりも１０〜３０℃低く設定する。均熱処理は特には必要ではないが、素材が均熱となる加熱条件（保持時間）を把握しておく必要がある。なお、鍛造時の熱間割れ、冷間割れの防止、表面性の確保など鍛造品としての品質の確保のための鍛造条件は、上記の温度条件だけでなく、金型設計、成形条件などトータルの条件の検討が必要であることは汎用合金の場合と同じである。

次に、マグネシウム合金の押出し材及び鍛造材の機械的性質について説明する。マグネシウム合金は塑性加工性が劣り、押出し加工時及び鍛造加工時は例えばアルミニウム材と比較して高温に保持する必要がある。また、加工温度域ではマグネシウム合金は回復、再結晶が容易に進む。例えば、汎用合金（ＡＺ３１）の押出し材の引張強さは２５０〜２８０ＭＰａ、伸びは１５％前後であり、引張強さについては鋳造品であるダイカスト材と同等に過ぎない。また、鍛造材についても引張強さは３００ＭＰａ前後、伸びは１５％前後であり、期待される大幅な強度アップが得られない。耐熱性マグネシウム合金では一般論として回復、再結晶は抑制されるが、同時に塑性加工性の確保のためさらに高温での加工となる。本発明で用いる耐熱性マグネシウム合金は鋳造材の段階でも汎用合金を上回る引張強さ、伸びを有しており、押出し及び鍛造の諸条件の調整により、特に、できるだけ低温で加工することにより大幅な引張り強さの向上が実現でき、押出し材で引張強さ２５０ＭＰａ以上、鍛造品で引張強さ３１０ＭＰａ以上、１５０℃での引張強さ１８０ＭＰａ以上となる。

以下に、実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明する。
実施例１及び比較例１〜２
Ｍｇ−５Ａｌ−２Ｃａ−２ＭＭ（ミッシュメタル）−０．２Ｍｎ合金を溶解し金型を用いて下記の条件下でφ１６８×５００ｍｍの円柱状の鋳造ビレットを作製した。

実施例２及び比較例３〜４
実施例１で作製した円柱状連続鋳造ビレットをφ１５０×４００ｍｍの円柱状の押出し用ビレットに加工し、押出し機１６５０Ｔを用いて下記の条件下でφ３０の棒材を作製した。

実施例２においては押出し速度は５ｍ／分であり、得られた押出し材の引張強さは２７０ＭＰａであり、伸びは１０％（長手方向）であった。

実施例３及び比較例５〜６
実施例２で作製した押出し材を切断してφ３０×５０を鍛造用素材とし、プレス鍛造機１００Ｔを用い、下記の条件下で密閉型鍛造でφ４２.５×２５の円柱を作製した。

実施例３で得られた鍛造品の引張強さは３００ＭＰａであり、伸びは１０％であり、１５０℃での引張強さは１６０ＭＰａであった。

実施例４〜１２
下記のマグネシウム合金を用い、実施例１〜３と同じプロセスで、第４表に示す条件下で鍛造品を製造した。なお、いずれの場合にも溶解時の溶湯保持雰囲気としてＳＦ６希釈ガスを用い、押出し時のダイスは冷却管にて温度調節し、ダイス出口でＡｒガスを吹きつけ、鍛造時の鍛造温度が４００℃を超える時もＡｒガスを吹きつけながら行った。得られた鍛造品の特性は第４表に示す通りであった。
（１）Ｍｇ−１０Ａｌ−５ＭＭ−５Ｃａ−０．２Ｍｎ、
（２）Ｍｇ−１０Ａｌ−５ＭＭ−５Ｓｒ−０．５Ｃａ−０．２Ｍｎ、
（３）Ｍｇ−７Ａｌ−２．５ＭＭ−２．５Ｃａ−０．５Ｓｒ−０．２Ｍｎ、
（４）Ｍｇ−１Ａｌ−０．２ＭＭ−０．０２Ｃａ−０．８Ｍｎ、
（５）Ｍｇ−５Ｚｎ−１Ｙ−０．５Ｓｒ−０．８Ｚｒ、
（６）Ｍｇ−０．２Ｚｎ−０．２Ｙ−０．５Ｓｒ−０．６Ｚｒ−０．０２Ｃａ、
（７）Ｍｇ−５Ａｇ−２ＭＭ−０．６Ｚｒ、
（８）Ｍｇ−０．２Ａｇ−２ＭＭ−０．６Ｚｒ−０．０２Ｃａ、
（９）Ｍｇ−１Ｚｎ−５．５Ｙ−２ＭＭ−１．５Ｓｒ−０．６Ｚｒ０．０２Ｃａ
ＭＭはミッシュメタル（Ｃｅ、Ｌａを主成分とする希土類金属の混合物）

Claims (6)

1. （１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
   （２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
   （３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
   を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなるマグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により円柱状の鋳造ビレットを作製し、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工して押出し材を作製し、該押出し材温度を３００〜５００℃に保持し、金型温度を該押出し材の保持温度より１０〜３０℃低く維持して鍛造により成形することにより得られる１５０℃での引張強さが１８０ＭＰａ以上の耐熱性マグネシウム合金鍛造品。
2. （１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
   （２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
   （３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
   を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなるマグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により円柱状の鋳造ビレットを作製し、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工して押出し材を作製し、該押出し材温度を３００〜５００℃に保持し、金型温度を該押出し材の保持温度より１０〜３０℃低く維持して鍛造により成形することを特徴とする１５０℃での引張強さが１８０ＭＰａ以上の耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法。
3. 押出し加工時にダイス出口部のマグネシウム合金押出し材にアルゴンガス又は炭酸ガスを吹き付けることを特徴とする請求項２記載の耐熱性マグネシウム合金鍛造品の製造方法。
4. （１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
   （２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
   （３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
   を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなる耐熱性マグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により作製された円柱状のマグネシウム鋳造ビレット、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工して得られるマグネシウム合金押出し材。
5. （１）アルミニウム１〜１０質量％、亜鉛０．２〜５質量％、及び銀０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも一種、
   （２）希土類金属０．２〜５質量％、カルシウム０．０２〜５質量％、ストロンチウム０．０２〜５質量％及びケイ素０．２〜５質量％よりなる群から選ばれた少なくとも１種、及び
   （３）マンガン１．５質量％以下、ジルコニウム１．５質量％以下よりなる群から選ばれた少なくとも１種
   を含み、残部がマグネシウム及び不可避の不純物からなるマグネシウム合金の溶湯を不活性雰囲気下に温度６５０〜７００℃に維持し、該溶湯から金型鋳造又は連続鋳造により作製された円柱状のマグネシウム鋳造ビレット、該鋳造ビレットをビレット温度３５０〜４５０℃、コンテナ温度３５０〜４５０℃、ダイス温度４５０〜５５０℃の条件下で押出し加工することを特徴とする耐熱性マグネシウム合金押出し材の製造方法。
6. 押出し加工時にダイス出口部のマグネシウム合金押出し材にアルゴンガス又は炭酸ガスを吹き付けることを特徴とする請求項５記載の耐熱性マグネシウム合金押出し材の製造方法。