JP3664333B2

JP3664333B2 - 高強度マグネシウム合金製の熱間鍛造品及びその製造法

Info

Publication number: JP3664333B2
Application number: JP07617596A
Authority: JP
Inventors: 耕平久保田; 信太郎佐藤; 伊佐夫関; 葆夫濱; 陽小島; 重晴鎌土; 茂弘谷池
Original assignee: Hitachi Metals Ltd; Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd; Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2016-03-29
Also published as: JPH09263871A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は室温強度及び高温強度に優れたマグネシウム合金製の熱間鍛造品及びその製造法に関し、より詳しくは自動車用エンジンのピストン回りの部品などの軽量化において要請されている２００℃あるいは２５０℃程度までの高温でも十分な強度を有するマグネシウム合金製の熱間鍛造品及びその製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保全の意識の高まりから、自動車の燃費向上の要請が強まり、自動車用軽量材料の開発が強く求められようになってきた。
マグネシウム合金は現在実用化されている金属材料の中で最も低密度であり、今後の自動車用軽量材料として強く期待されている。現在、最も一般的に用いられているマグネシウム合金はＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金（例えば、ＡＺ９１合金＝Ｍｇ−９Ａｌ−１Ｚｎ−０．２Ｍｎ）であり、この合金の鋳造技術等の周辺技術は完成段階にあり、自動車軽量化にあたって先ずこの合金が検討されている。また、最近、耐熱用マグネシウム合金としてランタノイド（Ｌｎ）を添加したＭｇ−Ｇｄ−Ｙ系合金（特公平７−１２２１１５号公報に記載の合金）やＭｇ−Ｄｙ−Ｎｄ系合金（特公平７−１２２１１２号公報に記載の合金）が開発、公表され、自動車用エンジン部品として検討され始めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金は１２０℃以上の使用温度条件下では強度が低下するので、自動車用エンジン部品の中でも耐熱性が要求される部品の用途には適さない。従来実用されている耐熱性マグネシウム合金の２５０℃での引張強さは最高でも２３０ＭＰａ程度であり、それ以上の耐熱性が要望されている。また、上記の耐熱性Ｍｇ−Ｇｄ−Ｙ系合金やＭｇ−Ｄｙ−Ｎｄ系合金は鋳造法で成形されているが、鋳造法で成形された部品には鋳造欠陥等による強度低下の不安があり、従って、強度の信頼性が特に要求される自動車用エンジン部品の成形には鋳造法以外の成形法が要請される。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高温と室温の双方について強度の信頼性が要求される自動車用エンジン部品として用いるのに適している室温強度及び高温強度に優れたマグネシウム合金製部品及びその製造法、具体的には、室温から２５０℃の範囲で２３０ＭＰａ以上の引張強さを有するマグネシウム合金製部品及びその製造法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記の課題を解決するために種々のマグネシウム合金の熱間鍛造について種々検討を重ねた結果、ガドリニウム又はジスプロシウムを含有する特定のマグネシウム合金を用い、特定の条件下で鍛造することにより、室温強度及び高温強度に優れているマグネシウム合金製の熱間鍛造品を得ることが可能であることを見出し、本発明に到達した。
【０００６】
即ち、本発明は、（ａ）ガドリニウム又はジスプロシウム４〜１５重量％、及び（ｂ）カルシウム、イットリウム及びランタノイド［（ａ）成分を除く］からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素０．８〜５重量％を含有し、更に所望により（ｃ）ジルコニウム及びマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素２重量％以下を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなり、室温強度及び高温強度に優れているマグネシウム合金製の熱間鍛造品を提供する。
【０００７】
また、本発明は、上記のマグネシウム合金からなる鍛造用材料を４３０〜５７０℃で２〜７時間均質化熱処理し、該鍛造用材料の温度を３８０〜５７０℃とし、好ましくは金型温度を該鍛造用材料の温度よりも低く、２５０〜４００℃の範囲で熱間鍛造することを特徴とする上記のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の製造法を提供する。
更に、本発明は上記の方法で熱間鍛造して得た熱間鍛造品を１８０〜２９０℃で２〜４００時間時効硬化熱処理することを特徴とする上記のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の製造法を提供する。
【０００８】
本発明の熱間鍛造品を構成するマグネシウム合金は特公平７−１２２１１５号公報及び特公平７−１２２１１２号公報に記載されているものであり、それらのマグネシウム合金の組成範囲の限定理由は特公平７−１２２１１５号公報及び特公平７−１２２１１２号公報に記載されている通りであり、それらのマグネシウム合金はコストと室温強度及び高温強度とを両立させるものである。そのような組成範囲のマグネシウム合金からなる材料を用い、特定の熱間鍛造条件を選ぶことにより、鍛造に伴う割れ等の問題は生じることなしで熱間鍛造品を得ることができる。
【０００９】
本発明の熱間鍛造品を構成するマグネシウム合金は鋳造状態では粒界に粗大な化合物が晶出しており、そのままで鍛造すると粒界部で割れが生じる。鍛造の際のこのような割れを防止するためには、マグネシウム合金に対して均質化熱処理を行う必要がある。均質化熱処理の条件については、熱処理温度の下限は熱処理時間との関係で決まり、臨界値はないが、実用的な時間内で均質化熱処理が達成されるためには４３０℃以上であることが好ましい。一方、熱処理温度の上限はマグネシウム合金の酸化や発火の危険性、あるいは熱処理後の冷却時に再度化合物の析出が生じて割れに繋がる危険性を防止するために５７０℃以下であることが好ましい。より好ましくは熱処理温度範囲は４５０〜５５０℃である。熱処理温度を４３０〜５７０℃とした場合に、所望の均質化熱処理効果を達成するのに要する熱処理時間は２〜７時間程度である。
【００１０】
熱間鍛造する際の鍛造用マグネシウム合金材料（例えばビレット）自体の温度が低いと割れが生じやすい。割れの発生を防止するためには鍛造用マグネシウム合金材料自体の温度を３８０℃以上にして鍛造することが好ましい。一方、鍛造用マグネシウム合金材料自体の温度が高過ぎるとマグネシウム合金の酸化や発火の危険性があるので、そのような危険性を防止するために５７０℃以下であることが好ましい。
【００１１】
熱間鍛造する際の金型の温度が低過ぎると鍛造時にマグネシウム合金材料の温度を急激に低下させることになる。従って、金型の温度を鍛造用マグネシウム合金材料自体の温度よりも低いが、２５０℃以上で熱間鍛造することが好ましい。しかし、金型の温度を４００℃よりも高くすることは熱エネルギー及び時間の浪費になり、金型寿命を短くするので好ましくない。また、鍛造速度としては０．２〜１．３ｍ／ｓ程度が望ましい。
【００１２】
本発明の製造法で得られるマグネシウム合金製の熱間鍛造品は時効処理により時効硬化が達成される。その時効処理条件としては１８０〜２９０℃で２〜４００時間程度であることが好ましく、この程度の時効処理で鍛造品の硬さを未処理鍛造品と比較して３０〜４０％向上させることできる。この硬さの向上により機械的強度も向上する。
【００１３】
本発明のマグネシウム合金製の熱間鍛造品は機械的強度が室温から２５０℃の範囲で２３０ＭＰａ以上であり、従って自動車部品、特にエンジン用ピストンとして用いるのに適している。
【００１４】
【実施例】
実施例１〜１２及び比較例１〜６
アルゴン雰囲気の真空溶解炉に、それぞれ表１に示す組成（重量％）の合金となるように原材料を装入し、溶解させた。坩堝としてＳＵＳ３０４材を使用し、フラックス等は使用しなかった。それぞれの溶湯から鋳造によって直径３６ｍｍ×高さ４８ｍｍの試験用ビレットを作製した。このようにして得たそれぞれの試験用ビレットを表２に示す条件下で均質化熱処理し、表２に示すビレット温度、金型温度で図１に示す形状の製品に鍛造した。この際の鍛造速度は０．７ｍ／ｓの一定とした。
このようにして得た鍛造品の表面を観察してミクロクラックやクラックの有無を確認した。このことは鍛造条件の適否の判断基準となる。
【００１５】

【００１６】

【００１７】
実施例１３〜１５及び比較例７〜８
実施例１〜１２及び比較例１〜６に記載のようにして得た合金の種類Ｇ、Ｉ、Ｍのそれぞれの試験用ビレットを熱処理温度５００℃、熱処理時間４時間で均質化し、ビレット温度４７０℃、金型温度３００℃で図１に示す形状の製品に鍛造した。この際の鍛造速度は１．０ｍ／ｓの一定とした。このようにして得た鍛造品を表３に示す条件下で時効処理を実施した。時効処理前及び時効処理後の鍛造品の硬さをマイクロビッカース、試験荷重３００ｇ、荷重保持時間３０秒、ｎ＝５で測定した。その結果は表３に示す通りであった。
【００１８】

【００１９】
実施例１６
実施例１３に記載の方法によって得た鍛造・時効処理の施された合金種Ｇの製品から切り出しによって引張強さ測定用試験片を作成した。又、対照材として、実施例１〜１２及び比較例１〜６に記載した鋳造法によって、前記の合金種Ｇ、ＷＥ５４合金（Ｎｄ４．０重量％、Ｙ５．０重量％、Ｚｒ０．６重量％、残部は不可避の不純物を除いてＭｇである）、及びＡＺ９１Ｃ合金（Ａｌ９．０重量％、Ｚｎ０．７重量％、Ｍｎ０．２重量％、残部は不可避の不純物を除いてＭｇである）からなる試験用ビレットを作成し、鍛造することなしで時効処理を施して得たそれぞれの製品から切り出しによって引張強さ測定用試験片を作成した。これらの４種の試験片について温度と引張強さとの関係を求めたところ、図２に示す通りであった。図２から明らかなように、引張強さについて、本発明による鍛造品は室温から２５０℃の範囲で他の３種の試験片よりも優れており、２５０℃においても３００ＭＰａ程度の引張強さを持っており、耐熱性に優れている。
【００２０】
実施例１７
実施例１〜１２及び比較例１〜６に記載のようにして得た合金の種類Ｇの鍛造材を熱処理温度５３０℃、熱処理時間４時間で均質化し、鍛造材温度５００℃、金型温度３００℃で図３に示す形状のピストンを１０個鍛造した。図３の（Ａ）は底面図であり、（Ｂ）はＡ−Ａ線断面図である。何れのピストンにもクラックやミクロクラックは認められず、また、室温から２５０℃の範囲で充分な耐熱強度を持つピストンであった。
【００２１】
【発明の効果】
本発明の製造法により、高温と室温の双方について強度の信頼性が要求される自動車用エンジン部品として用いるのに適している室温強度及び高温強度に優れているマグネシウム合金製の熱間鍛造品が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１〜１２及び比較例１〜６で鍛造した鍛造品の断面図である。
【図２】実施例１６で得た４種の試験片について温度と引張強さとの関係を示すグラフである。
【図３】実施例１７で成形したピストンの形状を示す底面図（Ａ）及びＡ−Ａ線断面図（Ｂ）である。

Claims

（ａ）ガドリニウム又はジスプロシウム４〜１５重量％、及び（ｂ）カルシウム、イットリウム及びランタノイド［（ａ）成分を除く］からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素０．８〜５重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなり、室温強度及び高温強度に優れているマグネシウム合金製の熱間鍛造品。
（ａ）ガドリニウム又はジスプロシウム４〜１５重量％、（ｂ）カルシウム、イットリウム及びランタノイド［（ａ）成分を除く］からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素０．８〜５重量％、及び（ｃ）ジルコニウム及びマンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素２重量％以下を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなり、室温強度及び高温強度に優れているマグネシウム合金製の熱間鍛造品。
請求項１又は２記載のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の機械的強度が、室温から２５０℃の範囲で２３０ＭＰａ以上であることを特徴とするマグネシウム合金製の熱間鍛造品。
請求項１、２又は３記載のマグネシウム合金製の熱間鍛造品が自動車部品であることを特徴とするマグネシウム合金製の熱間鍛造品。
請求項４記載の自動車部品がエンジン用ピストンであることを特徴とするマグネシウム合金製の熱間鍛造品。
請求項１又は２記載のマグネシウム合金からなる鍛造用材料を４３０〜５７０℃で２〜７時間均質化熱処理し、該鍛造用材料の温度を３８０〜５７０℃として熱間鍛造することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の製造法。
請求項１又は２記載のマグネシウム合金からなる鍛造用材料を４３０〜５７０℃で２〜７時間均質化熱処理し、該鍛造用材料の温度を３８０〜５７０℃とし、金型温度を該鍛造用材料の温度よりも低く、２５０〜４００℃の範囲で熱間鍛造することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の製造法。
請求項６又は７記載の方法で熱間鍛造して得た熱間鍛造品を１８０〜２９０℃で２〜４００時間時効硬化熱処理することを特徴とする請求項１又は２記載のマグネシウム合金製の熱間鍛造品の製造法。