JP2020147780A - 難燃性マグネシウム合金およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のマグネシウム合金は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金である。
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界には、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相が形成され、また、結晶粒内(Mg母相中)には、Ca−Mg−Si系化合物相が形成された金属組織を有する。これらの金属間化合物相は、マグネシウム合金の高温強度の向上に寄与する。
Caは、上記の(Mg,Al)2Ca相、上記のCa−Mg−Si系化合物相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Ca含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Caは、9.0質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましい。また、Ca含有量は、2.5%質量以上であることが好ましい。
Alは、上記の(Mg,Al)2Ca相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Al含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Alは、5.7質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましく、熱伝導を最重視すると3.0%質量以下であることがより好ましい。また、Al含有量は、0.5質量%以上であり、1.0質量%以上であることが好ましい。
本発明のマグネシウム合金においては、CaおよびAlは、以下の式(1)の関係を満たす必要がある。
Al+8Ca≧20.5% (1)
CaおよびAlが上記式(1)の関係を満たす場合には、上記の(Mg,Al)2Ca相が形成され、その結果、高温強度を向上することができる。Al+8Caは、24.0%以上であることが好ましい。一方、AlおよびCaの含有量が過多であると、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、Al+8Caは、45.0%以下であることが好ましい。45の根拠はAl=5以下、Ca=5以下が好ましいため
Siは、上記のCa−Mg−Si系化合物相の形成に必要な元素である。しかし、Si含有量が多い場合には、Caと化合した粗大なSiCa系化合物が生成されるため、(Mg,Al)2Ca相が連続した三次元網目状に形成されるのを阻害し、マグネシウム合金の高温強度を低下させる要因となる。このため、Siの含有量は、1.3質量%以下であり、1.0質量%以下であることが好ましい。なお、Ca−Mg−Si系化合物相を形成させるためには、Siの含有量は、0.2%以上であることが好ましい。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、希土類元素(RE)を含有する。本発明の難燃性マグネシウム合金においては、特定量の希土類元素(RE)が存在することにより、溶湯の最表面に希土類元素(RE)の酸化膜が形成される。このため、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、溶湯燃焼を抑制することができる。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mnを含有することが好ましい。Mnは、マグネシウム合金の耐食性を向上させる作用を有する。Mnの含有量は、好ましくは0.1%以上0.5%以下であり、より好ましくは0.2%以上0.4%以下である。
Mg母相のMg純度とは、マグネシウム合金の金属組織における結晶粒中のMgの含有割合を意味する。本発明のマグネシウム合金において、Mg母相のMg純度が高いほど、Mg母相の熱伝導率が向上し、マグネシウム合金の熱伝導率が向上することとなる。一方で、Mg母相にMg以外の成分が固溶してMg純度が低下すると、マグネシウム合金の熱伝導率も低下しやすくなる。 ←熱伝導の良いAgであろうと固溶すればMg合金の熱伝導は悪化するため
本発明のマグネシウム合金は、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する。三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相は、マグネシウム合金の鋳造時に、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界に、Mg、Ca、およびAlがネットワーク構造を形成して発現する。結晶粒界に、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有することにより、本発明のマグネシウム合金は、高温時の引張強さが向上した合金となる。
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相中にCa−Mg−Si系化合物相を有する。Ca−Mg−Si系化合物相により、結晶粒内の強度が補強され、マグネシウム合金の高温強度が向上する傾向にある。
従来の商用マグネシウム合金であるAZ91Dは、熱伝導率が51〜52W/m・Kである。一方で、アルミニウム合金(ADC12材)の熱伝導率は、92W/m・Kであり、AZ91Dの熱伝導率は半分程度にすぎなかった。このため、従来の商用マグネシウム合金は、高温部品の素材としては十分な放熱性を確保できていなかった。
一般のマグネシウム合金は、200℃程度の高温域において、引張強さや伸び等の機械的特性が低下し、耐熱アルミニウム合金(ADC12材)に匹敵する高温強度は得られていなかった。これに対して、本発明のマグネシウム合金は、200℃における引張強さが170MPa以上という高温強度を備える。このため、本発明のマグネシウム合金は、例えば、高温環境下で使用されるエンジン部材用の難燃性マグネシウム合金として、好適に用いることができる。200℃における引張強さは、185MPa以上が好ましく、200MPa以上がより好ましい。
本発明のマグネシウム合金の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%となる金属材料を、高温で溶解する方法が挙げられる。高温で溶解する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、金属材料を黒鉛るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750〜850℃の温度で溶融する方法が挙げられる。
本発明のマグネシウム合金は、高温強度を有するとともに、昇温や熱膨張を抑え、成形品のクリアランスを適正化することができる。また、従来のアルミニウム合金と比較して低比重であり、具体的には、30%以上の軽量化が可能となる。このため、高温強度および軽量化が必要とされる用途に好ましく用いることができ、例えば、自動車等のエンジンブロックや、ピストンやシリンダ等のエンジン部品として、好適に用いることができる。また、本発明のマグネシウム合金は、自動車等の輸送機の燃費向上やエンジンの静粛性にも寄与することができる。
[溶湯の作製]
Mgに、Alを4.5質量%、Caを4.0質量%、Siを0.3質量%、Mnを0.3質量%、ミッシュメタル(Mm)を0.6質量%添加した金属材料を、るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750〜850℃の温度で溶融し、溶融合金(溶湯)を得た。
続いて、得られた溶融合金(溶湯)を金型に注入して鋳造し、ダイキャスト(DC)鋳造によりエンジンブロックを作製した。
ミッシュメタル(Mm)を添加しない以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
ミッシュメタル(Mm)の代わりにYを0.3%添加した以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
実施例および比較例について、以下の評価を行った。
実施例および比較例で得られた溶融合金(溶湯)について、溶解時(静置状態)、ダイキャスト(DC)鋳造中(攪拌状態)、およびダイキャスト(DC)後の静置状態において、溶湯燃焼の有無を観察した。また、ダイキャスト後の溶湯表面に形成された酸化皮膜を引き上げて、目視で観察した。結果を表2に示す。
得られたエンジンブロックにつき、目視にて、焼付きの有無を確認した。結果を表1に示す。実施例1で得られたエンジンブロックについては、鋳造時の温度が高くなる湯口付近の領域においても、焼付きは見られなかった。一方で、比較例1および比較例2で得られたエンジンブロックにおいては、湯口付近に焼付きが見られた。
本発明のマグネシウム合金においては、CaおよびAlは、以下の式(1)の関係を満たす必要がある。
Al+8Ca≧20.5% (1)
CaおよびAlが上記式(1)の関係を満たす場合には、上記の(Mg,Al)2Ca相が形成され、その結果、高温強度を向上することができる。Al+8Caは、24.0%以上であることが好ましい。一方、AlおよびCaの含有量が過多であると、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、Al+8Caは、45.0%以下であることが好ましい。45.0%以下であることが好ましい根拠は、Al=5以下、Ca=5以下が好ましいためである。
Mg母相のMg純度とは、マグネシウム合金の金属組織における結晶粒中のMgの含有割合を意味する。本発明のマグネシウム合金において、Mg母相のMg純度が高いほど、Mg母相の熱伝導率が向上し、マグネシウム合金の熱伝導率が向上することとなる。一方で、Mg母相にMg以外の成分が固溶してMg純度が低下すると、マグネシウム合金の熱伝導率も低下しやすくなる。
Claims (10)
- 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金。 - AlとCaとの組成比Al/Caが、1.7以下である、請求項1に記載の難燃性マグネシウム合金。
- 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する、難燃性マグネシウム合金。 - 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
熱伝導度が80W/m・K以上であり、かつ、200℃における引張強さが170MPa以上である、難燃性マグネシウム合金。 - Mg母相中にCa−Mg−Si系化合物相を有する、請求項1〜4いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- Mg母相のMg純度が98.0%以上である、請求項1〜5いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- 前記希土類元素は、ミッシュメタルである、請求項1〜6いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- 請求項1〜7いずれか記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融した金属材料を、103K/秒未満の速度で冷却する冷却工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法。 - 請求項1〜7いずれか記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融した金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca−Mg−Si系化合物相を含むMg母相と、を晶出させる晶出工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法。 - さらに、150〜500℃で熱処理を行う熱処理工程を含む、請求項8または9に記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法。
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