JP3204572B2

JP3204572B2 - 耐熱マグネシウム合金

Info

Publication number: JP3204572B2
Application number: JP18913493A
Authority: JP
Inventors: 俊男堀江; 弘昭岩堀; 洋司粟野; 康行鈴木; 正竹内; 英紀射場; 彰松井
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: JPH0718364A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、クリープ特性に優れた
鋳造用マグネシウム合金に関し、さらに詳しくは、熱処
理なしでも使用に耐える、成分として亜鉛（Ｚｎ）とカ
ルシウム（Ｃａ）を含有する耐熱マグネシウム合金に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、材料の軽量化へのニーズが高ま
り、実用合金中最も密度の小さいマグネシウム合金が注
目されている。しかしながら、このマグネシウム合金
は、一般に高温（１００℃以上）下でのクリープ特性が
よくないという問題を有している。

【０００３】そこで、この問題を解決するため、重量％
で、カルシウム：0.２〜４％、アルミニウム：１〜６
％、珪素：0.５〜１.5％、マンガン：0.１５〜0.５％、
亜鉛：0.３％以下、銅：0.０６％以下、ニッケル：0.０
３％以下、その他不純物0.３％以下、残りマグネシウム
である「ダイカスト用マグネシウム基合金」（特開昭61
−3863号公報）が提案されている。この合金は、高いク
リープ抵抗を有するとしている。

【０００４】また、従来の他の改良技術として、アルミ
ニウム：２〜１１％、亜鉛：０〜１２％、マンガン：０
〜0.６％、カルシウム：０〜７％の範囲内にあり（但
し、少なくともＺｎ及び／又はＣａが存在し）、主要部
の不純物の含有量が、ケイ素：0.１〜0.６％、銅＜0.２
％、鉄＜0.１％、ニッケル＜0.０１％の範囲内にあり、
及び残りはマグネシウムである「機械抵抗の高いマグネ
シウム合金及び該合金の急速凝固による製造方法」（特
表平２−503331号公報）が提案されている。これより、
耐蝕性が改善され、かつ高い機械的特性を有するマグネ
シウム合金を製造することができるとしている。

【０００５】また、従来の他の改良技術として、アルミ
ニウム：２〜１１％、亜鉛：０〜１２％、マンガン：０
〜１％、カルシウム：0.５〜７％、希土類元素(RE)：0.
１〜４％の範囲内にあり、主要部の不純物の含有量が、
ケイ素＜0.６％、銅＜0.２％、鉄＜0.１％、ニッケル＜
0.０１％の範囲内にあり、及び残りはマグネシウムであ
る「機械的強度の高いマグネシウム合金及び該合金の急
速凝固による製造方法」（特開平３− 90530号公報）が
提案されている。これより、耐蝕性が改善され、かつ高
い引抜き温度で機械的特性の改善された合金を製造する
ことができるとしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
61−3863号に記載のダイカスト用マグネシウム基合金
は、既存の耐熱用合金であるＭｇ−Ａｌ−Ｓｉ合金を改
良したもので、クリープ特性はそれほど良くはないとい
う問題を有している。これは、静的機械強度を向上させ
るために添加しているＡｌがクリープ特性を悪化させて
しまうためと考えられる。

【０００７】また、特表平２−503331号および特開平３
− 90530号に記載のマグネシウム合金は、機械的性質を
向上されるためにＡｌ，ＺｎというＭｇの強化に有効な
元素を多量に含有させている。しかし、これらの元素を
強制的に固溶させても熱的に不安定な組織となり、クリ
ープ特性は悪い。また、この合金組成は、引張強さ、耐
力を重視してＡｌ含有量を２％以上としており、このた
めクリープ特性は悪化するという欠点を有している。

【０００８】そこで、本発明者らは、上述の如き従来技
術の問題点を解決すべく鋭意研究し、各種の系統的実験
を重ねた結果、本発明を成すに至ったものである。

【０００９】（発明の目的）本発明の目的は、熱処理を
しない鋳造のままでクリープ特性に優れた耐熱マグネシ
ウム合金を提供するにある。

【００１０】本発明者らは、上述の従来技術の問題に対
して、以下のことに着眼した。すなわち、まず、マグネ
シウム合金のクリープ特性の挙動について検討した。そ
の結果、クリープ特性を改善するためには、二次クリー
プ速度が小さいことが不可欠であることに着眼し、この
二次クリープ速度を小さくする添加成分として、Ｚｎが
顕著な効果があることを見いだした。そして、従来のダ
イカスト合金に多く含有され、過多に含有させるとマグ
ネシウム合金のクリープ特性を悪化させるＡｌを第一添
加元素とせずに、Ｚｎを第一添加元素とすることによ
り、クリープ特性に優れたマグネシウム合金を開発する
に至った。

【００１１】ところで、従来よりＺｎを第一添加元素と
する砂型鋳造用合金が知られている(ZE41A等、ASTMB93
）が、これらの合金は、複雑な溶解を行い、鋳造した
鋳物には熱処理を施すことが前提となっている。しかし
ながら、この従来のＭｇ−Ｚｎ合金の鋳放し材のクリー
プ特性を調査したところ、クリープ特性は良好ではなか
った。

【００１２】そこで、本発明者らは、Ｍｇ−Ｚｎ合金に
対して、クリープ特性の改善に有効であるとともに、鋳
放しのままでも良好なクリープ特性を発現できる合金用
添加元素としてＣａに着目し、熱処理をしない鋳造のま
までクリープ特性に優れた耐熱マグネシウム合金得るに
至った。

【００１３】

【課題を解決するための手段】（第１発明の構成）本第１発明の耐熱マグネシウム合金は、重量％でＺｎ：
１.0〜３.0％未満、Ｃａ：0.５〜２.0％を含み、残部が
マグネシウムと不可避物質とからなり、ＺｎとＣａによ
り優れたクリープ特性を有してなることを特徴とする。
この耐熱マグネシウム合金において、亜鉛を１．０〜
２．５％未満、Ｃａを０．５〜１．０％とすることもで
きる。

【００１４】（第２発明の構成）本第２発明の耐熱マグネシウム合金は、重量％でＺｎ：
１.0〜３.0％未満、Ｃａ：0.５〜２.0％と、少なくとも
Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｒ，希土類元素のうちの一種以上
を含み、残部がマグネシウムと不可避物質とからなり、
前記Ａｌは１.0％以下、前記Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｒは２.0％
以下、前記希土類元素は３.0％以下であり、ＺｎとＣａ
により優れたクリープ特性を有してなることを特徴とす
る。この耐熱マグネシウム合金において、亜鉛を１．０
〜２．５％未満、Ｃａを０．５〜１．０％とすることも
できる。

【００１５】

【作用】本第１発明および第２発明の耐熱マグネシウム
合金が優れた効果を発揮するメカニズムについては、未
だ必ずしも明らかではないが、次のように考えられる。

【００１６】（第１発明の作用）本発明の耐熱マグネシウム合金は、溶質元素量が、既存
のダイカスト合金に比較して少なく、鋳放しでもα−Ｍ
ｇ結晶粒内の溶質濃度の偏析が小さい。従って、二次ク
リープ変形の駆動力となる溶質拡散速度を支配する濃度
勾配が小さい。また、溶質濃度が比較的高い粒界近傍で
はクリープ変形進行と同時にβ1'、β2'、ＭｇＺｎ、Ｚ
ｎ2 Ｃａ等が析出し、粒界および母相が強化される。こ
れらが変形に対する抵抗となり、本合金のクリープ特性
が良好なものになるものと考えられる。

【００１７】亜鉛（Ｚｎ）の含有量は、１.0重量％以上
３.0％未満である。Ｚｎは、固溶強化により母相である
α−Ｍｇ相を強化する元素である。Ｚｎの含有量が１.0
重量％未満の場合は、静的強度が著しく低いため実用に
耐えない。また、該含有量が６.0重量％を超える場合
は、Ｚｎの固溶量増加にともなう拡散速度の増加と、強
度の低い低融点粒界化合物の晶出が増加しクリープ特性
が悪化する。

【００１８】カルシウム（Ｃａ）の含有量は、0.５重量
％以上２.0重量％以下である。Ｃａは、Ｍｇ基地中に固
溶し、α−Ｍｇを強化するとともに残りは未固溶のＺｎ
とともに粒界相を形成し、粒界化合物を強固なものとす
る。このＣａの含有量が0.５重量％未満の場合は、粒界
の強化が不十分で定常クリープ速度は大きくなり、従来
のダイカスト用耐熱マグネシウム合金と同程度になる。
また、該含有量が５.0重量％を超える場合は、脆弱なＭ
ｇ−Ｃａ化合物が多量に生成して、二次クリープ速度お
よび初期変形量がともに増加する。また、静的機械強度
特性である伸びも減少し、構造材としては靱性が不足す
る。

【００１９】以上により、本発明の耐熱マグネシウム合
金は、熱処理をしない鋳造のままでクリープ特性に優れ
た耐熱マグネシウム合金とすることができるものと考え
られる。

【００２０】（第２発明の作用）本第２発明の耐熱マグ
ネシウム合金の作用は、前記第１発明の作用と同様の作
用を奏するのに加えて、下記のような作用を奏する。

【００２１】すなわち、本発明の耐熱マグネシウム合金
は、重量％で１.0〜３．０％未満のＺｎと0.５〜２．0
％のＣａに加えて、さらに第４元素として、少なくとも
Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｒ，希土類元素のうちの一種以上
を含んでなる。これら第４元素を含有することにより、
固溶強化、粒界での晶出物形成、組織の微細化等によ
り、室温強度および高温強度が向上し、さらに本合金の
クリープ特性が良好なものになるものと考えられる。

【００２２】アルミニウム（Ａｌ）の含有量は、１.0重
量％以下である。Ａｌは、α−Ｍｇ中に固溶して、静的
強度を向上させる元素である。Ａｌは含有量が増加する
に従って室温での引張強さや耐力は大きくなるが、Ａｌ
の含有量が１.0重量％を超えると二次クリープ速度が大
きくなる。

【００２３】

【００２４】マンガン（Ｍｎ）の含有量は、２.0重量％
以下である。Ｍｎは、僅かに固溶することにより耐熱性
を向上させる元素である。Ｚｒの含有量が２.0重量％を
超えると、粗大なＭｎが晶出して機械的強度を劣化させ
る。

【００２５】珪素（Ｓｉ）の含有量は、２.0重量％以下
である。Ｓｉは、主に粒界に高融点の化合物を形成して
粒界を強化する元素である。Ｓｉの含有量が２.0重量％
を超えると、脆弱な化合物の増加により靱性が低下す
る。また、ＳｒはＳｉと同様の作用を奏する元素であ
り、含有量およびその理由も同様である。

【００２６】希土類元素（Ｒ．Ｅ．）の含有量は、３.0
重量％以下である。この希土類元素は、固溶および粒界
への晶出によって耐熱強度を向上させる元素である。希
土類元素の含有量が３.0重量％を超えると、靱性が劣化
する。

【００２７】以上により、本発明の耐熱マグネシウム合
金は、熱処理をしない鋳造のままでクリープ特性に優れ
た耐熱マグネシウム合金とすることができるものと考え
られる。

【００２８】

【発明の効果】本第１発明および第２発明の耐熱マグネ
シウム合金は、熱処理をしない鋳造のままでクリープ特
性に優れた耐熱マグネシウム合金とすることができる。
また、本発明の耐熱マグネシウム合金は、従来のＡｌを
多く含有するダイカスト用マグネシウム合金に比べ、ク
リープ特性が優れるため、耐熱ダイカスト用合金として
も使用できる。これより、マグネシウムダイカスト品の
適用範囲が拡大し、各種部品の軽量化が可能となる。

【００２９】また、本発明の耐熱マグネシウム合金を使
用することにより、熱処理を施して使用されるＡｇやＺ
ｎ、Ｒ．Ｅ．を含む高価な砂型鋳造合金よりも単純な溶
解作業でクリープ特性の優れた部品を作製することがで
きるので、地金の低コスト化、溶解作業の効率化を達成
することができる。

【００３０】さらに、本第２発明の耐熱マグネシウム合
金は、第４元素として少なくともＡｌ，Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓ
ｒ，希土類元素のうちの一種以上を含んでなるので、前
記第１発明の耐熱マグネシウム合金に比べて、静的強度
が優れ、かつクリープ特性がさらに改善される。

【００３１】

【実施例】以下に、前記第１発明および第２発明をさら
に具体的にした発明（具体例）について説明する。

【００３２】（発明の具体的説明）本第１発明および第２発明の耐熱マグネシウム合金にお
いて、Ｚｎの含有量が１．０重量％以上３.０重量％未
満である。Ｚｎの含有量を１．０重量％〜３．０重量％
未満とすることにより、Ｚｎによる固溶強化を十分に行
うことができるとともに、二次クリープ速度が小さく、
鋳造時の熱間割れが起こらないので好適である。

【００３３】カルシウム（Ｃａ）の含有量は、０．５重
量％以上２.0重量％以下である。Ｃａの含有量を０．５
重量％〜２.0重量％とすることにより、靱性の劣化が見
られず、また二次クリープ速度が極めて低くなるので好
適である。

【００３４】また、本第１発明および第２発明の耐熱マ
グネシウム合金において、ＺｎとＣａの両方が粒界を強
化する化合物を形成することが好ましい。従って、固溶
強化に関与しないＺｎをＣａで粒界に固定するために、
（Ｚｎ含有量）／（Ｃａ含有量）＝１〜８であることが
好ましい。

【００３５】本発明の耐熱マグネシウム合金の製造方法
の一例を簡単に示すと、以下のようである。すなわち、
本合金は、各元素を純金属、合金または塩化物やフッ化
物の形態で溶融Ｍｇに添加し、鋳造することにより、良
好なクリープ特性を有する耐熱マグネシウム合金を得る
ことができる。なお、溶解作業中には、従来のマグネシ
ウム合金と同様にＳＦ₆ガスやフラックス等による防燃
や精錬を必要において行うことが好ましい。

【００３６】第１実施例電気炉中で予熱した高クロム合金鋼（SUS430）製坩堝
（内径：80mm，高さ：230 mm）の内面に、塩化マグネシ
ウム系のフラックスを塗布し、その中に純Ｍｇ地金を投
入して溶解した。７００℃に保持した溶湯に金属Ｚｎ、
Ｃａを所定量添加し、これらが完全に溶解したことを確
認してから、精錬を行った。精錬終了後、７００℃から
７５０℃に昇温・保持した。添加金属が溶解したことを
確認したのち、１０分間保持してから１５０℃に予熱し
た舟金型に注湯し、自然冷却することにより鋳造した。
なお、溶解・鋳造作業中は、燃焼防止のために溶湯表面
にＳＦ₆ガスを0.２ｌ／min.吹きつけるとともに、適宜
フラックスを溶湯表面に散布した。

【００３７】次いで、舟型鋳物から、φ８mm，ｌ＝１０
０mmの試験片を採取し、等分布荷重が作用する条件で曲
げクリープ試験を行った。この時の最大作用応力は、６
０ＭＰａ（弾性式による）であった。得られた結果を、
Ｚｎの添加量を種々変化させたもの（Ｃａは１重量％）
の初期変形量（試験開始１時間後のたわみ量）と二次ク
リープ変形速度（試験開始５０時間−１５０時間での一
時間当りの平均たわみ量）を表１に、Ｃａの添加量を種
々変化させたもの（Ｚｎは４重量％）の結果を表２に、
それぞれ示す。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【表２】

【００４０】なお、比較のために、ＺｎおよびＣａ含有
量を本発明の範囲外の量としたほかは、前記実施例と同
様にして比較用マグネシウム合金を得、同様に性能評価
試験をクリープ試験によって行った。得られた結果を、
同様に表１および表２に併せて示す。

【００４１】また、本参考例のＭｇ−４％Ｚｎ−１％Ｃ
ａ合金（試料番号８）と比較例として従来合金４種、Ａ
Ｓ４１（試料番号：Ｃ６）、ＺＥ４１（試料番号：Ｃ
７）、ＡＥ４２（試料番号：Ｃ８）、ＡＺ９１（試料番
号：Ｃ９）との試験結果を、図１に示す。

【００４２】図１より、従来合金（比較例：試料番号Ｃ
６〜Ｃ９）の１５０時間でのたわみ量が１.5 mm である
のに対し、本参考例のＭｇ−４％Ｚｎ−１％Ｃａ合金で
は１mm以下であり、本参考例の耐熱マグネシウム合金は
クリープ特性に大変優れていることが分かる。また、表
１より、Ｚｎの含有量が１重量％未満では初期変形量が
極端に大きく、８重量％を超えると再び初期変形量が大
きくなり、６重量％を超えると二次クリープ速度が大き
くなりはじめることが分かる。また、表２より、Ｃａの
含有量が0.５重量％未満では該元素の添加による効果が
見られず、５重量％を超えると二次クリープ速度が大き
くなりはじめることが分かる。また、この時靱性も低下
する。

【００４３】第２参考例前記第１実施例と同様にして、前記参考例の試料番号８
のＭｇ−４％Ｚｎ−１％Ｃａ合金に対して、さらにＺ
ｒ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｒ，Ｒ．Ｅ．を添加し、同様
にして本第２参考例の耐熱マグネシウム合金を鋳造し
た。得られたマグネシウム合金の性能評価試験を、前記
第１実施例と同様にしてクリープ試験により行った。そ
の結果を、図２に示す。

【００４４】図２より明かのように、それぞれの添加元
素Ｚｒ，Ｓｉ，Ａｌ，Ｍｎ，Ｓｒ，Ｒ．Ｅ．は、マグネ
シウム合金のクリープ特性改善に有効であり、特に、Ｚ
ｒ，Ｓｒ，Ｒ．Ｅ．，Ｍｎ，Ｓｉは初期の変形、二次ク
リープ速度ともに改善することが分かる。Ａｌは、初期
の変形量を小さくするが、二次クリープ速度を大きくす
ることが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例のＭｇ−Ｚｎ−Ｃａ合金と比較用Ｍ
ｇ合金の試験経過時間とたわみ量との関係を示す図であ
る。

【図２】第２参考例により得られた耐熱マグネシウム合
金のクリープ試験結果を示す図である。

【符号の説明】

８・・・試料番号８Ｃ６・・・試料番号Ｃ６Ｃ７・・・試料番号Ｃ７Ｃ８・・・試料番号Ｃ８Ｃ９・・・試料番号Ｃ９

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木康行愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者竹内正愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者射場英紀愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者松井彰愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内審査官小川武 (56)参考文献特開平６−235041（ＪＰ，Ａ) 特開平６−25791（ＪＰ，Ａ) 特開昭52−92811（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−3863（ＪＰ，Ａ) 特開平７−11374（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C22C 23/00 - 23/06 ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重量％でＺｎ：１.0〜３.0％未満、Ｃ
ａ：0.５〜２.0％を含み、残部がマグネシウムと不可避
物質とからなり、ＺｎとＣａにより優れたクリープ特性
を有してなることを特徴とする耐熱マグネシウム合金。
【請求項２】重量％でＺｎ：１．０〜２．５％未満、
Ｃａ：０．５〜１．０％を含み、残部がマグネシウムと
不可避物質とからなり、ＺｎとＣａにより優れたクリー
プ特性を有してなることを特徴とする耐熱マグネシウム
合金。
【請求項３】重量％でＺｎ：１.0〜３.0％未満、Ｃ
ａ：0.５〜２.0％と、少なくともＡｌ、Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓ
ｒ，希土類元素のうちの一種以上を含み、残部がマグネ
シウムと不可避物質とからなり、前記Ａｌは１．０％以下、前記Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｒはそれ
ぞれ２.0％以下、前記希土類元素は３.0％以下であり、
ＺｎとＣａにより優れたクリープ特性を有してなること
を特徴とする耐熱マグネシウム合金。
【請求項４】重量％でＺｎ：１．０〜２．５％未満、
Ｃａ：０．５〜１．０％と、少なくともＡｌ、Ｍｎ，Ｓ
ｉ，Ｓｒ，希土類元素のうちの一種以上を含み、残部が
マグネシウムと不可避物質とからなり、前記Ａｌは１．０％以下、前記Ｍｎ，Ｓｉ，Ｓｒはそれ
ぞれ２.0％以下、前記希土類元素は３.0％以下であり、
ＺｎとＣａにより優れたクリープ特性を有することを特
徴とする耐熱マグネシウム合金。
【請求項５】熱処理なしで優れたクリープ特性を有す
る請求項１〜４記載の耐熱マグネシウム合金。