JP2012207253A - マグネシウム合金 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アルミニウム(Al):14.0〜23.0質量%、カルシウム(Ca):11.0質量%以下(0質量%を含まず)、ストロンチウム(Sr):12.0質量%以下(0質量%を含まず)、および亜鉛(Zn):0.2〜1.0質量%を含むことを特徴とするマグネシウム合金。
【選択図】図4
Description
マグネシウム合金の部品は、多くの場合、鋳造やダイカスト法によって成形される。
高温下で使用されるマグネシウム合金であっても、環境温度は、必ず室温から高温までの範囲を含むため、マグネシウム合金の引張り特性は、実用上は室温および高温の両方の環境において優れていることが必要である。このため、室温および高温において充分な強度を有するマグネシウム合金が求められていた。
を含むことを特徴とするマグネシウム合金である。
0.8×<Al>≦1.35×<Ca>+1.23×<Sr>+8.5≦1.2×<Al> (1)
(但し、<Al>は質量%で表したアルミニウム(Al)の含有量であり、<Ca>は質量%で表したカルシウム(Ca)の含有量であり、<Sr>は質量%で表したストロンチウム(Sr)の含有量である。)
すなわち、アルミニウムとストロンチウムとカルシウムの含有量を適正に制御することで固溶強化機構と析出強化機構の両方を効果的に作用させることを検討した。
以下にその詳細を説明する。
マグネシウム合金の高温における変形において、積層欠陥エネルギーが低いと、転位の移動が阻害され、変形が困難となることから、積層欠陥エネルギーを低下させることができると、耐熱性(高温強度およびクリープ)向上させることができる。
マグネシウム合金に固溶させて積層欠陥エネルギーを下げることができる元素として、In、Tl、Sc、Pb、Al、Y、Sn、Biをあげることができる。これらの中で、安全性および経済性の観点からアルミニウム(Al)が好ましい。
このような変形方向に整列したAl2CaおよびAl4Srを含む析出物は、高温強度の向上に寄与する。
アルミニウムが14.0質量%以上であれば、たとえ8.5質量%程度のアルミニウムがマトリクスに固溶しても充分な量のアルミニウムが、カルシウムおよびストロンチウムと金属間化合物Al2CaおよびAl4Srを形成できるからである。また、アルミニウム量が23.0質量%以下であれば、伸び等の延性を確保できる。
この範囲であればより確実に金属間化合物Al2CaおよびAl4Srを形成できかつ延性を確保できるからである。
カルシウムの含有量は、11.0質量%以下(0質量%を含まず)である。
カルシウムの最大含有量11.0質量%は、固溶しなかったアルミニウムがほとんど全てAl2Caを形成するのに必要なカルシウム量((アルミニウムの上限−最大固溶量)/Alの原子量×Al2CaのAlに対するCaの原子比×Caの原子量=10.9)に概ね等しい。これにより固溶しないアルミニウムを確実に所望の金属間化合物として析出させることが可能となる。
一方、カルシウムが必ず含有されているよう、0質量%は除外してある。
ストロンチウムの含有量は、12.0質量%以下(0質量%を含まず)である。
ストロンチウムの最大含有量12.0質量%は、固溶しなかったアルミニウムがほとんど全てAl4Srを形成するのに必要なカルシウム量((アルミニウムの上限−最大固溶量)/Alの原子量×Al4SrのAlに対するSrの原子比×Srの原子量=11.9)に概ね等しい。これにより固溶しないアルミニウムを確実に所望の金属間化合物として析出させることが可能となる。
一方、ストロンチウムが必ず含有されているよう、0質量%は除外してある。
本願発明に係るマグネシウム合金は、亜鉛(Zn)を0.2〜1.0質量%含有している。
亜鉛には、強度向上、鋳造性向上の効果があるからである。
・カルシウムとストロンチウムの比率
金属間化合物Al2CaとAl4Srの両方を、より適した比率(Al2CaとAl4Srの生成量の比)で形成するように、好ましくは、カルシウムの含有量:ストロンチウムの含有量の比率(カルシウムの含有量を1としてときのストロンチウムの含有量)は質量比で、1:0.3〜1:1.5であり、より好ましくは質量比で、1:0.5〜1:1.1である。
本願発明に係るマグネシウム合金において、含有するストロンチウムとカルシウムとがそれぞれ、全てAl2CaとAl4Srとして析出するには、以下の(2)式のyで表されるアルミニウム量(質量%)が必要である。
=1.35×<Ca>+1.23×<Sr>+8.5 (2)
また、式中の数値の物理的意味は数値の後の( )内に示した。
すなわち、のストロンチウムとカルシウムとがそれぞれ、全てAl2CaとAl4Srとして析出するのに必要な(2)式で示されるアルミニウム量yが、アルミニウム含有量の0.8〜1.2倍の範囲内となるようにアルミニウムを含有させることが好ましい。
アルミニウム含有量が(1)式に示される範囲内だと、アルミニウム、カルシウムおよびストロンチウムのいずれの元素も概ね過不足なく、化学量論組成に概ね近いAl2CaとAl4Srとを析出させ、かつアルミニウムが充分にマトリクスに固溶するからである。
ここで<Al>は質量%で示したアルミニウムの含有量である。
本願発明の合金は、上述のアルミニウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛を含有し、残部はマグネシウム(Mg)と不可避の不純物からなってもよい。
マグネシウムを40%以上含有し、アルミニウム、カルシウム、ストロンチウムおよび亜鉛を上記に規定した量含有するマグネシウム合金は、他の任意の元素を含んでも、その元素の種類によらず、ほとんどの場合、上述の本願発明の効果を示すことが可能である。
シリコン(Si):0.1〜1.5質量%、
レアアース(RE):0.1〜1.2質量%、
ジルコニウム(Zr):0.2〜0.8質量%、
スカンジウム(Sc):0.2〜3.0質量%、
イットリウム(Y):0.2〜3.0 質量% 、
スズ(Sn):0.2〜3.0質量%、
バリウム(Ba):0.2〜3.0質量%および
アンチモン(Sb):0.1〜1.5質量%
からなる群から選択される少なくとも1つを含有してよい。
Al2CaおよびAl4Srは、結晶粒界に網目状にAl2CaおよびAl4Srを含む第2相として析出することが多い。そして、上述したように塑性加工を受けると、網目状のAl2CaおよびAl4Srを含む第2相(析出物)は、破壊(分断)され変形方向に整列する傾向がある。
このような分断された、Al2CaおよびAl4Srを含む析出物は、高温強度の向上に寄与することから、塑性加工(塑性変形)により得たマグネシウム合金物品(マグネシウム合金展伸材)も高い高温強度を有する。
表1に示す実施例サンプル(実施例1および実施例2)の(2)式に示すyの値については、実施例1が15.5であり、実施例が20.9となっており、(1)式を満足している。また、実施例1および実施例2のいずれも、カルシウムの含有量:ストロンチウムの含有量の比率が、質量比で1:1となっている。
均質化熱処理の影響をみるために、上述の実施例1のサンプル(押し出し丸棒)について、押し出しまま、400℃×48時間の均質化熱処理を行った材料、420℃×48時間の均質化熱処理を行った材料を作製した。
押し出しまま材では、Al2CaおよびAl4Srを含む析出物(第2相)が、分断されて押し出し方向(図の上下方向)に整列している。これに対して、400℃×48時間均質化熱処理材と420℃×48時間均質化熱処理材では、Al2CaおよびAl4Srを含む析出物(第2相)が分散しており、特に400℃×48時間均質化熱処理材では、比較的微細なAl2CaおよびAl4Srを含む粒状の析出物が粒界に沿って均一に互いに間隔を空けて分布している。
表2にそれぞれの合金サンプルの結晶粒径を示す。
結晶粒径の測定は、EBSD(Electron back scattered diffraction patterns)法により求めた。15°以上の方位のずれを結晶粒界とし、結晶粒を定義した。
平均結晶粒径は全面積を単純に結晶粒の数で割ることにより求めた。
図3は、室温における引張り強度の測定結果である。それぞれの合金サンプルの引張り強さ、0.2%耐力、伸びの測定結果を示す。比較例2および3では、材料が脆くて0.2%耐力を測定することができなかった。
また、高強度マグネシウム合金として知られているAZ91合金を実施例1および2サンプルと同程度の押し出し温度360℃および同程度の押出し比22で押し出して作製したサンプルの引張り強さが295MPaであることが知られており(Hanlin Ding et.al, Journal of alloys and compounds, 456(2008) 400-406)、これからも実施例1および2のサンプルが高い室温強度を有することが判る。
図4は高温引張り強さの測定結果である。高温引張試験は、測定温度175℃、ひずみ速度1×10−4/秒で実施した。
比較例3のサンプルは引張り応力を付与して間もなく破断したため、高温強度を測定できなかった。
実施例1および実施例2は、175℃における高温強度が210MPa以上と比較例と比べて高い高温強度を示した。
Claims (5)
- アルミニウム(Al):14.0〜23.0質量%、
カルシウム(Ca):11.0質量%以下(0質量%を含まず)、
ストロンチウム(Sr):12.0質量%以下(0質量%を含まず)、および
亜鉛(Zn):0.2〜1.0質量%
を含むことを特徴とするマグネシウム合金。 - シリコン(Si):0.1〜1.5質量%、
レアアース(RE):0.1〜1.2質量%、
ジルコニウム(Zr):0.2〜0.8質量%、
スカンジウム(Sc):0.2〜3.0質量%、
イットリウム(Y):0.2〜3.0 質量% 、
スズ(Sn):0.2〜3.0質量%、
バリウム(Ba):0.2〜3.0質量%および
アンチモン(Sb):0.1〜1.5質量%
からなる群から選択される少なくとも1つを更に含むことを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム合金。 - カルシウム(Ca)の含有量に対するストロンチウム(Sr)の含有量の比率が質量比で1:0.3〜1:1.5であることを特徴とする請求項1または2に記載のマグネシウム合金。
- アルミニウム(Al)の含有量とカルシウム(Ca)の含有量とストロンチウム(Sr)の含有量とが、以下の(1)式に示す関係を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマグネシウム合金。
0.8×<Al>≦1.35×<Ca>+1.23×<Sr>+8.5≦1.2×<Al> (1)
(但し、<Al>は質量%で表したアルミニウム(Al)の含有量であり、<Ca>は質量%で表したカルシウム(Ca)の含有量であり、<Sr>は質量%で表したストロンチウム(Sr)の含有量である。) - 結晶粒界にAl2CaおよびAl4Srを含む析出物が互いに間隔を空けて析出していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のマグネシウム合金。
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