JP2008260976A - 塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金鍛造成形部材 - Google Patents

Abstract

【課題】
鋳造によって得ることができ、低い温度での塑性変形性及び耐クリープ性に優れている塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材を提供すること。
【解決手段】
マグネシウム、アルミニウム、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素からなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金で、マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が２〜５質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度がマグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも０．５質量％以上低くなっており、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低下させる量である塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材。
【選択図】 なし

Description

本発明は鋳造によって容易に得ることができ、マグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度での塑性変形性及び耐クリープ性に優れている塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金鍛造成形部材に関し、具体的には軽量化を必要とする自動車、携帯電話、ノート型パソコンなどの民生電機・情報機器、電動工具、汎用エンジンなどの産業機械等のマグネシウム合金製部材の製造に用いることができる塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金鍛造成形部材に関する。

上記のような産業分野のマグネシウム合金製部材の製造に使用される合金の多くはマグネシウム−アルミニウム系合金であり、鋳造性及び強度を必要とする場合にはアルミニウム含有量が多い合金が汎用されている。一方、鍛造など塑性変形性を必要とする場合にはアルミニウム含有量が少ない合金が汎用されている。

マグネシウム合金は一般的に塑性変形性に乏しいので、一般に５７３Ｋ以上に加熱して塑性加工を実施している。そのため金型の寿命が短く、潤滑剤の選定が難しく、成形精度に課題がある等多くの問題がある。特にマグネシウム合金の鍛造において、鍛造を５７３Ｋ以上で実施することは、マグネシウム合金の再結晶温度を超えているので鍛造加工後の強度向上が得られないか、あるいは逆に硬さが低下することさえもある。一方、塑性加工温度を５７３Ｋ未満にすると、低い加工率でも割れが生じやすく、多様な成形に対応できないという問題があった。

本発明は鋳造、特にダイカスト鋳造によって容易に得ることができ、マグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度での塑性変形性及び耐クリープ性に優れており、特に鍛造成形に適している塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金鍛造成形部材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の方策を種々検討した結果、次の知見を得るに至った。すなわち、マグネシウム合金中のアルミニウム量が低下することで塑性加工性は向上し、鋳造性、特にダイカスト鋳造性を考慮した場合と、塑性加工性、特に鍛造成形性及び耐クリープ性を考慮した場合とでは、マグネシウム合金中のアルミニウム含有量として０．５質量％以上、望ましくは１質量％以上の差が生じる。また、溶湯を鋳造、特にダイカスト鋳造して得たマグネシウム合金は結晶組織が微細化しているので可能な鍛造加工率は向上している。これらの組合せにより、鍛造温度４７３Ｋ以下で圧縮加工率５０％以上の鍛造加工が可能となることが明らかになった。一方、マグネシウム合金中のアルミニウム含有量の低下は合金強度の低下を招くが、鍛造温度４７３Ｋ以下での鍛造加工による加工硬化により補うことができる。

本発明者らはマグネシウム溶湯中のアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素を添加することを検討した。しかし、その金属元素が溶湯中でアルミニウムと金属間化合物を形成する場合には、溶湯中のアルミニウム含有量を実質的に下げてしまい、鋳造性の向上には寄与せず、また金属間化合物が粗大化するため溶湯中で沈殿して強度向上にも寄与しない。しかし、凝固過程の共晶反応でアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素であれば、その金属間化合物は凝固過程で生成し結晶粒周囲に微細で均一に分散するので、鋳造時には比較的高アルミニウム含有量であるが、凝固後のマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低くすることが可能である。また、凝固した金属組織中に微細な金属間化合物が均一に分散するため、塑性加工性、耐クリープ性に加えて合金の高強度化が可能となる。

即ち、本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であって、該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が２〜５質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも０．５質量％以上低くなっており、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低下させる量であることを特徴とする。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、マグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度での塑性変形性及び耐クリープ性に優れており、鍛造温度４７３Ｋ以下、特に３７３Ｋ以下での鍛造成形性に優れているものであり、自動車、携帯電話、ノート型パソコンなどの民生電機・情報機器、電動工具、汎用エンジンなどの産業機械等の軽量化の進展が可能になる。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であり、各合金元素を純金属としてあるいは母合金として用いるか又は各成分を含む合金として用い、溶解させて得た溶湯を鋳造することにより得られる。この溶湯中のアルミニウム含有量を２〜５質量％とする。

鋳造後の凝固過程の共晶反応でアルミニウムと上記の金属元素が金属間化合物を形成するので、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも０．５質量％以上、望ましくは１質量％以上低くなり、残りのアルミニウムが凝固した金属組織中に微細な金属間化合物として均一に分散するので、マグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度での塑性加工性、耐クリープ性に加えて強度も改善される。

凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素としてはランタン、セリウムなどの希土類金属、あるいはその混合物であるミッシュメタル、カルシウム、ストロンチウム等があり、コスト面からミッシュメタル、カルシウム、ストロンチウムが有利である。これらの金属元素の含有量は一律に決まるものではなく、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも０．５質量％以上、望ましくは１質量％以上低くさせる量である。マグネシウム相中のアルミニウム濃度は例えばＥＰＭＡ（Electron Probe Micro-Analyzer）により分析できる。あるいは、各金属元素が形成する金属間化合物は、例えばＡｌ₂Ｃａ、Ａｌ₄Ｃｅ、あるいはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系などの複合化合物等であり、この 原子比から算出することもできる。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、金属組織が微細化しているのでマグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度での塑性変形性、機械的強度の両面から有用であり、また、鋳造、特にダイカスト鋳造の急冷凝固により結晶粒度が５０μｍ以下、望ましくは３０μｍ以下と微細となり、塑性加工用、特に鍛造成形用合金素材として適している。また、このような微細組織のマグネシウム合金は耐食性に優れることも知られている。従って、本発明の塑性加工用マグネシウム合金はマグネシウム合金の再結晶温度よりも低い温度、具体的には４７３Ｋ以下、特に３７３Ｋ以下の温度での押出し、圧延、鍛造又はプレスの塑性加工、特に鍛造成形が可能であり、本発明はこのような塑性加工により得られたマグネシウム合金塑性加工部材も包含する。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、塑性加工の加工温度・加工比を制御することにより再結晶や動的再結晶を生じさせ、マグネシウム合金塑性加工部材の金属組織を５０μｍ以下、望ましくは３０μｍ以下に微細化できる。微細組織の有効性は上記した通りである。このような組織制御を行う塑性加工としては加工温度・加工比の自由度から鍛造加工が有利である。このように本発明のマグネシウム合金鍛造加工部材においては、マグネシウム合金の金属組織の結晶粒度が他の製法では困難な平均５０μｍ以下とすることができ、３０μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、４７３Ｋ以下、特に３７３Ｋ以下の温度での鍛造成形、据込み鍛造で、圧縮率３０％程度、殊に条件の制御により圧縮率５０％程度でも割れが生じず、鍛造後の硬さを加工硬化により３０％以上、条件により５０％以上向上させることができる。本発明はこのような鍛造成形により得られたマグネシウム合金鍛造成形部材も包含する。

また、マグネシウム合金塑性加工部材の成形形状又は強度の必要な部位が限定されている場合には、本発明の塑性加工用マグネシウム合金を５７３Ｋ以上の熱間鍛造で成形し、強度の必要な部位を４７３Ｋ以下で冷間鍛造を付与することも可能である。このような方法を自由に組合わせることで本発明の塑性加工用マグネシウム合金の鍛造方法の幅が広がり、鍛造による強度・信頼性の向上を得ることもできる。

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１〜４及び比較例１
実施例１〜４及び比較例１の塑性加工用マグネシウム合金を製造するために用いた原料合金組成を第１表に示す。なお、第１表中のＭｍはミッシュメタルである。

第１表に示す原料マグネシウム合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥについて、鋳鋼鋳物製の坩堝に先ずマグネシウムとアルミニウムとを装入して溶解させ、その溶湯にカルシウム、ミッシュメタル及びストロンチウムを添加し（原料マグネシウム合金Ａ及びＣの場合はストロンチウム無添加）、溶解を確認した後にマグネシウム−マンガン母合金を添加し、撹拌を行った後Ａｒガスを１０分間バブリングさせ、その後１０分間静置し、表面のドロスを除去してそれぞれ原料合金Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの溶湯を作製した。

溶湯温度を８７３〜９７３Ｋに維持し、溶湯表面に希釈ＳＦ₆を流動させながら鋳造を行った。金型温度４７３Ｋで第２表に示す鋳造方法によって鋳造した。ダイカスト鋳造の場合にはΦ７０×１００ｍｍの丸棒を作製し、金型鋳造の場合にはΦ１００×１００ｍｍの丸棒を作製した。各々の丸棒をそれぞれ高さ５０ｍｍに切断して試験片を作製した。

作製した各々の試験片についての金属組織の平均結晶粒度はＪＩＳ Ｇ ０５５１の定義による結晶粒度であり、マグネシウム相中のアルミニウム濃度はＥＤＸ版定量分析による値である。それらの値は第２表に示す通りであった。

上記実施例及び比較例の各々の試験片について、それぞれ第３表に示す鍛造温度で据込み鍛造加工を行った。圧縮率を１０％単位で上昇させて実施し、割れが発生した時点でその試験片について試験を終了した。第３表には各々の試験片、鍛造温度に対し割れが発生しなかった最大の圧縮率を示す。また、硬さは鍛造前の試験片の硬さと最大圧縮率を示した鍛造後の試験片の硬さをマイクロビッカース試験（３００ｇ、３０秒）で測定した。測定結果は第３表に示す通りであった。

Claims (10)

1. マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であって、該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が２〜５質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも０．５質量％以上低くなっており、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低下させる量であることを特徴とする塑性加工用マグネシウム合金。
2. 凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素が希土類金属、カルシウム及びストロンチウムの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１記載の塑性加工用マグネシウム合金。
3. 溶湯をダイカスト鋳造して得たマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１又は２記載の塑性加工用マグネシウム合金。
4. マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量よりも１質量％以上低くなっていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の塑性加工用マグネシウム合金。
5. マグネシウム合金の金属組織の結晶粒度が平均５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の塑性加工用マグネシウム合金。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の塑性加工用マグネシウム合金を押出し、圧延、鍛造又はプレスの塑性加工により得られたものであることを特徴とするマグネシウム合金塑性加工部材。
7. 塑性加工が鍛造成形であることを特徴とする請求項６記載のマグネシウム合金鍛造成形部材。
8. 鍛造温度が４７３Ｋ以下であることを特徴とする請求項７記載のマグネシウム合金鍛造成形部材。
9. 鍛造温度が３７３Ｋ以下であることを特徴とする請求項８記載のマグネシウム合金鍛造成形部材。
10. 請求項７〜９の何れかに記載のマグネシウム合金鍛造成形部材を用いた輸送機器、情報家電、産業機械の部品。