JP4788047B2 - 高靱性マグネシウム合金 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金に関し、特に靱性が高いマグネシウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウム（Ｍｇ）は、実用金属材料の中で最も軽量であることから、自動車部品等を始めとして幅広い分野への使用が期待される材料である。なかでも、珪素（Ｓｉ）を含むマグネシウム合金は、ＳｉとＭｇとの化合物であるＭｇ2Ｓｉが多く晶出することから、優れた耐熱性を有することが知られている。
【０００３】
しかし、晶出する共晶化合物は、針状または骸骨状の結晶が複雑に組み合わさったような、いわゆる漢字状の形状を有する。さらに、合金におけるＳｉの含有割合が多く、共晶組成を超える場合には、初晶化合物であるＭｇ2Ｓｉも晶出する。この初晶化合物は鱗片状の結晶が積層したような粗大な塊状に晶出する。かかる形状の共晶化合物等では、合金に応力が加わった場合にはその共晶化合物等に応力が集中し、化合物の破壊による亀裂の伝播が容易に生じて、合金の破壊は容易となる。つまり、共晶化合物等が漢字状等の形状を有するものであるため、マグネシウム合金の靱性は著しく低下することとなる。
【０００４】
Ｓｉを含むマグネシウム合金を改良する試みとして、例えば、特開平６−２７９８８９号公報には、１．５％以下のＳｉを含有するマグネシウム合金に、ストロンチウム（Ｓｒ）を０．００５〜０．２％添加して、共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉを微細化する方法が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が追試したところ、上記特開平６−２７９８８９号公報に示された、Ｓｒを０．００５〜０．２％添加する方法では、充分に共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉを微細化することはできなかった。つまり、上記方法では、マグネシウム合金の靱性を充分に向上させることはできない。
【０００６】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、共晶化合物等であるＭｇ2Ｓｉを微細化かつ粒状化して、優れた靱性を有するマグネシウム合金を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高靱性マグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなることを特徴とする。
【０００８】
つまり、本発明の高靱性マグネシウム合金は、安価なＭｇにＳｉ、Ｓｒ、ＡｌおよびＭｎを添加した合金である。ここで、Ｓｉは主に合金の耐熱性および鋳造性を向上させる役割を果たす。また、Ｓｒは、漢字状に晶出する共晶化合物や粗大な塊状に晶出する初晶化合物を微細化かつ粒状化して、合金の靱性を向上させる役割を果たす。
【０００９】
Ｓｒの含有割合を０．２質量％を超え０．５質量％以下と大きくすることで、充分に共晶化合物等であるＭｇ２Ｓｉを微細化かつ粒状化することができる。特に、より優れた耐熱性が要求されるマグネシウム合金は、合金の主要構成元素であるＡｌの含有量が少ないために、少量のＳｒの添加では、共晶化合物等の微細化効果を充分に得ることがより困難となる。したがって、本発明のマグネシウム合金は、安価で耐熱性および鋳造性に優れることに加え、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下の割合で含有することにより、極めて靱性に優れたマグネシウム合金となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の高靱性マグネシウム合金について、その組成、調整方法および用途を説明する。
【００１１】
〈マグネシウム合金の組成〉
本発明のマグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなる。
【００１２】
Ｓｉは、本発明のマグネシウム合金の必須構成元素であり、上述したように、合金の耐熱性および鋳造性を向上させる役割を果たす。Ｓｉの含有割合は、０．１質量％以上５質量％以下とする。Ｓｉの含有割合が０．１質量％未満の場合には、耐熱性および鋳造性を充分なものとすることができないからであり、反対に５質量％を超えると、初晶化合物であるＭｇ２Ｓｉが多く晶出するとともに、液相線温度が上昇して溶解鋳造が極めて困難となるからである。なお、特に、マグネシウム合金の取扱い易さや、高温における酸化・燃焼、鋳造性等を考慮した場合には、Ｓｉの含有割合は、０．５質量％以上３質量％以下とすることが望ましい。
【００１３】
Ｓｒは、本発明のマグネシウム合金の必須構成元素であり、上述したように、共晶化合物や初晶化合物を微細化かつ粒状化して、合金の靱性を向上させる役割を果たす。Ｓｒの含有割合は、０．２質量％を超え０．５質量％以下とする。Ｓｒの含有割合が０．２質量％以下の場合には、充分に共晶化合物等を微細化かつ粒状化することができず、反対に０．５質量％を超えると、粗大なＭｇ−Ｓｒ化合物が晶出して、靱性の低下を招くからである。なお、より共晶化合物等の微細化等の効果を発揮させるためには、Ｓｒの含有割合は、０．３質量％以上とすることが望ましく、また、Ｓｒは高価であることからマグネシウム合金のコストを考慮した場合には、０．４質量％以下とすることが望ましい。
【００１４】
また、本発明のマグネシウム合金は、ＳｉおよびＳｒに加えて、さらにＳｂを含有する態様とすることが望ましい。Ｓｂは、Ｓｒと同様に、晶出する共晶化合物や初晶化合物を微細化かつ粒状化する役割を果たす元素であり、特に、当該化合物を粒状化する効果が大きいと考えられる。したがって、Ｓｂをさらに含有することによって、本発明のマグネシウム合金は、より靱性の高い合金となる。
【００１５】
Ｓｂをさらに含有する場合、その含有割合は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることが望ましい。Ｓｂの含有割合が０．１質量％未満の場合には、Ｓｂを加えたことによる、さらなる共晶化合物等の粒状化等の効果を得ることができず、また、０．５質量％を超えて添加しても、さらなる微細化等の効果は得られず、過剰のＳｂ添加はマグネシウム合金のコストアップとなるからである。なお、より共晶化合物等の粒状化等の効果を発揮させるためには、Ｓｂの含有割合は、０．２質量％以上とすることが望ましい。
【００１６】
なお、マグネシウム合金にＳｒを添加しないで、Ｓｂを単独で添加することにより、共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉの微細化等を行うことも考えられる。しかし、Ｓｂを単独で添加した場合には、共晶化合物等であるＭｇ2Ｓｉは粒状化するものの、粗大なＭｇ2Ｓｉは充分に微細化されない。つまり、Ｓｂを単独で添加してもマグネシウム合金の靱性は充分とはいえず、Ｓｒと共に添加することにより、Ｓｂの添加効果を得ることができる。
【００１７】
また、本発明のマグネシウム合金は、ＡｌおよびＭｎを含有する。例えば、Ａｌを含有すると、合金の鋳造性、耐食性、強度等が向上する。加えて、Ａｌは鋳造組織を微細にする効果があるため、Ａｌを含有することにより、Ｍｇ２Ｓｉ化合物は分断され、粒状化し易くなる。その場合、Ａｌの含有割合は、１質量％以上６質量％以下とすることが望ましい。Ａｌの含有割合が１質量％未満の場合には、Ａｌ添加による耐食性や強度向上の効果がほとんど得られないからである。反対に、６質量％を超えると、Ｍｇ２Ｓｉ化合物による耐熱性向上の効果がほとんど得られなくなるからである。
【００１８】
ちなみに、予備的な実験により、合金中のＡｌの含有割合が２質量％程度と小さい場合は、共晶化合物等を充分に微細化かつ粒状化させるためには、Ｓｒをより大きな割合で含有させる必要があることがわかっている。具体的には、Ａｌの含有割合が２質量％程度の場合は、Ｓｒの含有割合を０．３質量％以上とすることが望ましい。一方、Ａｌの含有割合が大きいほど、少量のＳｒで共晶化合物等を微細化かつ粒状化することができるが、Ａｌの含有割合が６質量％程度になると粒状化した共晶化合物等が粗大化しやすい。したがって、共晶化合物等を充分に微細化かつ粒状化させるためには、Ａｌの含有割合は６質量％以下とすることが望ましい。
【００１９】
また、本発明のマグネシウム合金は、耐食性を向上させるために、Ｍｎを含有することができる。Ｍｎの含有割合は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることが望ましい。Ｍｎの含有割合が０．１質量％未満の場合には、耐食性を改善する効果はほとんどみられず、反対に０．５質量％を超えると、さらなる耐食性の向上は望めず、逆に耐食性が低下する傾向があるからである。
【００２０】
〈マグネシウム合金の調製方法および用途〉
本発明のマグネシウム合金は、その調製方法を特に限定するものではなく、通常、合金を調製する方法に従えばよい。例えば、純ＭｇやＳｉ粉末、およびＳｒ等の所定の構成元素を含む合金等を、るつぼ炉や誘導炉等を使用して溶解して調製することができる。
【００２１】
本発明のマグネシウム合金は、特に、鋳造用合金として適したものであり、鋳造方法は、特に制限するものではなく、重力金型、重力砂型、ダイカスト等種々の鋳造方法を用いることができる。
【００２２】
ダイカスト鋳造において、例えば、コールドチャンバーダイカストマシンを使用した場合には、注湯してから射出するまでの間にスリーブ面に接した溶湯の一部が凝固する場合がある。このスリーブ内で凝固した組織は、冷却速度が比較的遅いことから、通常は粗大な結晶が晶出した組織となる。また、巻き込み欠陥の防止や引け巣の低減を目的として、冷却速度を遅くし、意図的に固相を晶出させて鋳造する半凝固鋳造法等も多く用いられる。このような粗大な晶出物が予想される鋳造法においても、本発明のマグネシウム合金は、Ｓｒ等を含有するため、晶出する共晶化合物等が微細化かつ粒状化され、靱性の高いマグネシウム合金となる。
【００２３】
本発明のマグネシウム合金から鋳造される鋳物は、特に耐熱性および高い靱性が要求される部品等に最適であり、例えば、自動車のトランスミッションケースやオイルパン等に使用することができる。
【００２４】
以上、本発明のマグネシウム合金の実施形態について説明したが、上記実施形態は一実施例にすぎず、本発明のマグネシウム合金は、上記実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の形態で実施することができる。
【００２５】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、合金組成、鋳造条件の異なる種々のマグネシウム合金を鋳造した。そして、鋳造したマグネシウム合金鋳物の組織観察を行い、さらに引張強さおよび伸びを測定することにより靱性を評価した。以下、鋳造したマグネシウム合金鋳物のシリーズごとに説明する。なお、本実施例の記載において、特にことわりのない限り％は質量％を意味するものとする。
【００２６】
〈第１シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
マグネシウム合金を、基本組成をＭｇ−４％Ａｌ−１％Ｓｉ−０．２％Ｍｎとし、さらに含有するＳｒの割合が種々異なるように調製した。具体的には、純Ｍｇ、純Ａｌ、Ｓｉ粉末、Ｍｎを３．３％含むＭｇ−Ｍｎ合金、およびＳｒを１０％含むＡｌ−Ｓｒ合金や金属Ｓｒを、ＳＵＳ４３０製のるつぼ炉の中で、溶解温度を７５０℃として、それぞれ所定量溶解した。なお、Ａｌ−Ｓｒ合金や金属Ｓｒの溶解量を変えることにより、Ｓｒ含有割合を調整した。さらにＳｂを含有させる場合には、金属ＳｂあるいはＳｂを１０％含むＡｌ−Ｓｂ合金を所定量溶湯に添加した。そして、調製したマグネシウム合金を７００℃とした後、その合金を１５０℃に予熱したＪＩＳ舟型（ＪＩＳ Ｈ ５２０３）に注湯し、冷却することによりマグネシウム合金鋳物を得た。
【００２７】
得られたマグネシウム合金鋳物を第１シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃１１〜１８と番号付けした。＃１１〜１８のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表１に示す。なお、本シリーズにおいては、＃１４、１５、１７、１８の各マグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００２８】
【表１】
【００２９】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第１シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃１１〜１８の合金鋳物の組織写真を図１〜８に示す。
【００３０】
これらの写真からわかるように、＃１１〜１３の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％以下であるため、粗大な共晶化合物の多くが漢字状に晶出している（図１〜３）。一方、＃１６の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．５％を超えているため、針状のＭｇ−Ｓｒ化合物が晶出している（図６）。これに対して、＃１４、１５、１７、１８の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下であるため、共晶化合物は微細化かつ粒状化されている（図４、５、７、８）。さらに＃１７、１８の合金鋳物はＳｂをも含有するため、粒状化がより顕著に観察できる（図７、８）。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、共晶化合物が微細化かつ粒状化することが確認できた。
【００３１】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第１シリーズのマグネシウム合金鋳物について、ＪＩＳ Ｚ ２２４１による引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表１に併せて示す。
【００３２】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃１４、１５、１７、１８の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合がかかる範囲以外の合金鋳物と比べて、引張強さ、伸びともに大きな値となっている。特に＃１７、１８の合金鋳物はＳｂをも含有するため、伸びの増大が顕著である。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、共晶化合物は充分に微細化かつ粒状化され、合金の靱性が大幅に向上することが確認できた。また、さらにＳｂを含有した場合には、より合金の靱性が向上することが確認できた。
【００３３】
〈第２シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、合金元素であるＡｌの含有割合を増減した以外は、第１シリーズと同様に鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第２シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃２１〜２５と番号付けした。＃２１〜２５のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表２に示す。なお、本シリーズにおいては、＃２２、＃２３、＃２５のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００３４】
【表２】
【００３５】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第２シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃２１〜２５の合金鋳物の組織写真を図９〜１３に示す。
【００３６】
図９、１２の写真からわかるように、＃２１、２４の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％以下であるため、粗大な共晶化合物が漢字状に晶出している。また、＃２５の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超えているため、化合物は分断、粒状化しているが、Ａｌの含有割合が約６％と大きいため、化合物が粗大化する傾向がみられた（図１３）。一方、図１０、１１の写真に示すように、＃２２、＃２３の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超えているため、共晶化合物は微細化かつ粒状化されている。なお、＃２２の合金鋳物は、Ａｌの含有割合が約２％と小さいことから、Ｓｒの含有割合が０．２８％、つまり、０．３％未満では、若干微細化等の効果が少ないと考えられる。
【００３７】
〈第３シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、合金元素であるＳｉの含有割合を約２％に増加し、さらに、Ｓｉの溶解を促すため、溶解温度を８００℃に変更した以外は、第１シリーズと同様に鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第３シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃３１、３２と番号付けした。＃３１、３２のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表３に示す。なお、本シリーズにおいては、＃３２のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００３８】
【表３】
【００３９】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第３シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃３１、３２の合金鋳物の組織写真を図１４、１５に示す。
【００４０】
図１４の写真からわかるように、Ｓｉの含有割合が大きい＃３１の合金鋳物は、Ｓｒを含有しないために、漢字状の共晶化合物とともに粗大な塊状の初晶化合物が晶出している。一方、図１５の写真に示すように、＃３２の合金鋳物は、同様にＳｉの含有割合が大きくても、Ｓｒを０．２％を超えて含有しているため、初晶化合物および共晶化合物は微細化かつ粒状化されている。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金組成中のＳｉが多く、粗大な初晶化合物が晶出した場合であっても、共晶化合物と同様に、微細化かつ粒状化されることが確認できた。
【００４１】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第３シリーズのマグネシウム合金鋳物について、上記同様の引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表３に併せて示す。
【００４２】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃３２の合金鋳物は、Ｓｒを含有しない＃３１の合金鋳物と比べて、引張強さ、伸びとも増大した。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金の靱性は向上することが確認できた。
【００４３】
〈第４シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、鋳造方法のみを変更した。すなわち、第１シリーズと同様に調製したマグネシウム合金を６５０℃とした後、断熱材を設置したスリーブ内に注湯し、６１０℃まで冷却してから射出、加圧成形することにより鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第４シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃４１、４２と番号付けした。＃４１、４２のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表４に示す。なお、本シリーズにおいては、＃４２のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００４４】
【表４】
【００４５】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第４シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃４１、４２の合金鋳物の組織写真を図１６、１７に示す。
【００４６】
図１６の写真に示すように、Ｓｒを含有しない＃４１の合金鋳物の表面近傍は、溶湯が急冷されたために微細な組織となっているが、鋳物の中央部分には、スリーブ内で凝固したと考えられる粗大なα−Ｍｇ粒と共晶化合物が観察される。一方、図１７の写真に示すように、Ｓｒを含有する＃４２の合金鋳物は、同様の条件で鋳造されても、共晶化合物が分断され粒状化している。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、スリーブ内で凝固が生じた場合、あるいは冷却速度が遅い場合であっても、共晶化合物は微細化かつ粒状化されることが確認できた。
【００４７】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第４シリーズのマグネシウム合金鋳物について、同様に引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表４に併せて示す。
【００４８】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃４２の合金鋳物は、Ｓｒを含有しない＃４１の合金鋳物と引張強さはほぼ同等であったが、伸びが増大した。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金の靱性は向上することが確認できた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のマグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなることにより、漢字状に晶出する共晶化合物や粗大な塊状に晶出する初晶化合物が微細化かつ粒状化されるため、安価で耐熱性に優れることに加え、極めて靱性に優れたマグネシウム合金となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＃１１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図２】 ＃１２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図３】 ＃１３の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図４】 ＃１４の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図５】 ＃１５の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図６】 ＃１６の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図７】 ＃１７の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図８】 ＃１８の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図９】 ＃２１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１０】 ＃２２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１１】 ＃２３の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１２】 ＃２４の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１３】 ＃２５の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１４】 ＃３１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１５】 ＃３２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１６】 ＃４１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１７】 ＃４２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【発明の属する技術分野】
本発明は、マグネシウム合金に関し、特に靱性が高いマグネシウム合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マグネシウム（Ｍｇ）は、実用金属材料の中で最も軽量であることから、自動車部品等を始めとして幅広い分野への使用が期待される材料である。なかでも、珪素（Ｓｉ）を含むマグネシウム合金は、ＳｉとＭｇとの化合物であるＭｇ2Ｓｉが多く晶出することから、優れた耐熱性を有することが知られている。
【０００３】
しかし、晶出する共晶化合物は、針状または骸骨状の結晶が複雑に組み合わさったような、いわゆる漢字状の形状を有する。さらに、合金におけるＳｉの含有割合が多く、共晶組成を超える場合には、初晶化合物であるＭｇ2Ｓｉも晶出する。この初晶化合物は鱗片状の結晶が積層したような粗大な塊状に晶出する。かかる形状の共晶化合物等では、合金に応力が加わった場合にはその共晶化合物等に応力が集中し、化合物の破壊による亀裂の伝播が容易に生じて、合金の破壊は容易となる。つまり、共晶化合物等が漢字状等の形状を有するものであるため、マグネシウム合金の靱性は著しく低下することとなる。
【０００４】
Ｓｉを含むマグネシウム合金を改良する試みとして、例えば、特開平６−２７９８８９号公報には、１．５％以下のＳｉを含有するマグネシウム合金に、ストロンチウム（Ｓｒ）を０．００５〜０．２％添加して、共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉを微細化する方法が示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、本発明者が追試したところ、上記特開平６−２７９８８９号公報に示された、Ｓｒを０．００５〜０．２％添加する方法では、充分に共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉを微細化することはできなかった。つまり、上記方法では、マグネシウム合金の靱性を充分に向上させることはできない。
【０００６】
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、共晶化合物等であるＭｇ2Ｓｉを微細化かつ粒状化して、優れた靱性を有するマグネシウム合金を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高靱性マグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなることを特徴とする。
【０００８】
つまり、本発明の高靱性マグネシウム合金は、安価なＭｇにＳｉ、Ｓｒ、ＡｌおよびＭｎを添加した合金である。ここで、Ｓｉは主に合金の耐熱性および鋳造性を向上させる役割を果たす。また、Ｓｒは、漢字状に晶出する共晶化合物や粗大な塊状に晶出する初晶化合物を微細化かつ粒状化して、合金の靱性を向上させる役割を果たす。
【０００９】
Ｓｒの含有割合を０．２質量％を超え０．５質量％以下と大きくすることで、充分に共晶化合物等であるＭｇ２Ｓｉを微細化かつ粒状化することができる。特に、より優れた耐熱性が要求されるマグネシウム合金は、合金の主要構成元素であるＡｌの含有量が少ないために、少量のＳｒの添加では、共晶化合物等の微細化効果を充分に得ることがより困難となる。したがって、本発明のマグネシウム合金は、安価で耐熱性および鋳造性に優れることに加え、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下の割合で含有することにより、極めて靱性に優れたマグネシウム合金となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の高靱性マグネシウム合金について、その組成、調整方法および用途を説明する。
【００１１】
〈マグネシウム合金の組成〉
本発明のマグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなる。
【００１２】
Ｓｉは、本発明のマグネシウム合金の必須構成元素であり、上述したように、合金の耐熱性および鋳造性を向上させる役割を果たす。Ｓｉの含有割合は、０．１質量％以上５質量％以下とする。Ｓｉの含有割合が０．１質量％未満の場合には、耐熱性および鋳造性を充分なものとすることができないからであり、反対に５質量％を超えると、初晶化合物であるＭｇ２Ｓｉが多く晶出するとともに、液相線温度が上昇して溶解鋳造が極めて困難となるからである。なお、特に、マグネシウム合金の取扱い易さや、高温における酸化・燃焼、鋳造性等を考慮した場合には、Ｓｉの含有割合は、０．５質量％以上３質量％以下とすることが望ましい。
【００１３】
Ｓｒは、本発明のマグネシウム合金の必須構成元素であり、上述したように、共晶化合物や初晶化合物を微細化かつ粒状化して、合金の靱性を向上させる役割を果たす。Ｓｒの含有割合は、０．２質量％を超え０．５質量％以下とする。Ｓｒの含有割合が０．２質量％以下の場合には、充分に共晶化合物等を微細化かつ粒状化することができず、反対に０．５質量％を超えると、粗大なＭｇ−Ｓｒ化合物が晶出して、靱性の低下を招くからである。なお、より共晶化合物等の微細化等の効果を発揮させるためには、Ｓｒの含有割合は、０．３質量％以上とすることが望ましく、また、Ｓｒは高価であることからマグネシウム合金のコストを考慮した場合には、０．４質量％以下とすることが望ましい。
【００１４】
また、本発明のマグネシウム合金は、ＳｉおよびＳｒに加えて、さらにＳｂを含有する態様とすることが望ましい。Ｓｂは、Ｓｒと同様に、晶出する共晶化合物や初晶化合物を微細化かつ粒状化する役割を果たす元素であり、特に、当該化合物を粒状化する効果が大きいと考えられる。したがって、Ｓｂをさらに含有することによって、本発明のマグネシウム合金は、より靱性の高い合金となる。
【００１５】
Ｓｂをさらに含有する場合、その含有割合は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることが望ましい。Ｓｂの含有割合が０．１質量％未満の場合には、Ｓｂを加えたことによる、さらなる共晶化合物等の粒状化等の効果を得ることができず、また、０．５質量％を超えて添加しても、さらなる微細化等の効果は得られず、過剰のＳｂ添加はマグネシウム合金のコストアップとなるからである。なお、より共晶化合物等の粒状化等の効果を発揮させるためには、Ｓｂの含有割合は、０．２質量％以上とすることが望ましい。
【００１６】
なお、マグネシウム合金にＳｒを添加しないで、Ｓｂを単独で添加することにより、共晶化合物であるＭｇ2Ｓｉの微細化等を行うことも考えられる。しかし、Ｓｂを単独で添加した場合には、共晶化合物等であるＭｇ2Ｓｉは粒状化するものの、粗大なＭｇ2Ｓｉは充分に微細化されない。つまり、Ｓｂを単独で添加してもマグネシウム合金の靱性は充分とはいえず、Ｓｒと共に添加することにより、Ｓｂの添加効果を得ることができる。
【００１７】
また、本発明のマグネシウム合金は、ＡｌおよびＭｎを含有する。例えば、Ａｌを含有すると、合金の鋳造性、耐食性、強度等が向上する。加えて、Ａｌは鋳造組織を微細にする効果があるため、Ａｌを含有することにより、Ｍｇ２Ｓｉ化合物は分断され、粒状化し易くなる。その場合、Ａｌの含有割合は、１質量％以上６質量％以下とすることが望ましい。Ａｌの含有割合が１質量％未満の場合には、Ａｌ添加による耐食性や強度向上の効果がほとんど得られないからである。反対に、６質量％を超えると、Ｍｇ２Ｓｉ化合物による耐熱性向上の効果がほとんど得られなくなるからである。
【００１８】
ちなみに、予備的な実験により、合金中のＡｌの含有割合が２質量％程度と小さい場合は、共晶化合物等を充分に微細化かつ粒状化させるためには、Ｓｒをより大きな割合で含有させる必要があることがわかっている。具体的には、Ａｌの含有割合が２質量％程度の場合は、Ｓｒの含有割合を０．３質量％以上とすることが望ましい。一方、Ａｌの含有割合が大きいほど、少量のＳｒで共晶化合物等を微細化かつ粒状化することができるが、Ａｌの含有割合が６質量％程度になると粒状化した共晶化合物等が粗大化しやすい。したがって、共晶化合物等を充分に微細化かつ粒状化させるためには、Ａｌの含有割合は６質量％以下とすることが望ましい。
【００１９】
また、本発明のマグネシウム合金は、耐食性を向上させるために、Ｍｎを含有することができる。Ｍｎの含有割合は、０．１質量％以上０．５質量％以下とすることが望ましい。Ｍｎの含有割合が０．１質量％未満の場合には、耐食性を改善する効果はほとんどみられず、反対に０．５質量％を超えると、さらなる耐食性の向上は望めず、逆に耐食性が低下する傾向があるからである。
【００２０】
〈マグネシウム合金の調製方法および用途〉
本発明のマグネシウム合金は、その調製方法を特に限定するものではなく、通常、合金を調製する方法に従えばよい。例えば、純ＭｇやＳｉ粉末、およびＳｒ等の所定の構成元素を含む合金等を、るつぼ炉や誘導炉等を使用して溶解して調製することができる。
【００２１】
本発明のマグネシウム合金は、特に、鋳造用合金として適したものであり、鋳造方法は、特に制限するものではなく、重力金型、重力砂型、ダイカスト等種々の鋳造方法を用いることができる。
【００２２】
ダイカスト鋳造において、例えば、コールドチャンバーダイカストマシンを使用した場合には、注湯してから射出するまでの間にスリーブ面に接した溶湯の一部が凝固する場合がある。このスリーブ内で凝固した組織は、冷却速度が比較的遅いことから、通常は粗大な結晶が晶出した組織となる。また、巻き込み欠陥の防止や引け巣の低減を目的として、冷却速度を遅くし、意図的に固相を晶出させて鋳造する半凝固鋳造法等も多く用いられる。このような粗大な晶出物が予想される鋳造法においても、本発明のマグネシウム合金は、Ｓｒ等を含有するため、晶出する共晶化合物等が微細化かつ粒状化され、靱性の高いマグネシウム合金となる。
【００２３】
本発明のマグネシウム合金から鋳造される鋳物は、特に耐熱性および高い靱性が要求される部品等に最適であり、例えば、自動車のトランスミッションケースやオイルパン等に使用することができる。
【００２４】
以上、本発明のマグネシウム合金の実施形態について説明したが、上記実施形態は一実施例にすぎず、本発明のマグネシウム合金は、上記実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の形態で実施することができる。
【００２５】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、合金組成、鋳造条件の異なる種々のマグネシウム合金を鋳造した。そして、鋳造したマグネシウム合金鋳物の組織観察を行い、さらに引張強さおよび伸びを測定することにより靱性を評価した。以下、鋳造したマグネシウム合金鋳物のシリーズごとに説明する。なお、本実施例の記載において、特にことわりのない限り％は質量％を意味するものとする。
【００２６】
〈第１シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
マグネシウム合金を、基本組成をＭｇ−４％Ａｌ−１％Ｓｉ−０．２％Ｍｎとし、さらに含有するＳｒの割合が種々異なるように調製した。具体的には、純Ｍｇ、純Ａｌ、Ｓｉ粉末、Ｍｎを３．３％含むＭｇ−Ｍｎ合金、およびＳｒを１０％含むＡｌ−Ｓｒ合金や金属Ｓｒを、ＳＵＳ４３０製のるつぼ炉の中で、溶解温度を７５０℃として、それぞれ所定量溶解した。なお、Ａｌ−Ｓｒ合金や金属Ｓｒの溶解量を変えることにより、Ｓｒ含有割合を調整した。さらにＳｂを含有させる場合には、金属ＳｂあるいはＳｂを１０％含むＡｌ−Ｓｂ合金を所定量溶湯に添加した。そして、調製したマグネシウム合金を７００℃とした後、その合金を１５０℃に予熱したＪＩＳ舟型（ＪＩＳ Ｈ ５２０３）に注湯し、冷却することによりマグネシウム合金鋳物を得た。
【００２７】
得られたマグネシウム合金鋳物を第１シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃１１〜１８と番号付けした。＃１１〜１８のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表１に示す。なお、本シリーズにおいては、＃１４、１５、１７、１８の各マグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００２８】
【表１】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第１シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃１１〜１８の合金鋳物の組織写真を図１〜８に示す。
【００３０】
これらの写真からわかるように、＃１１〜１３の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％以下であるため、粗大な共晶化合物の多くが漢字状に晶出している（図１〜３）。一方、＃１６の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．５％を超えているため、針状のＭｇ−Ｓｒ化合物が晶出している（図６）。これに対して、＃１４、１５、１７、１８の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下であるため、共晶化合物は微細化かつ粒状化されている（図４、５、７、８）。さらに＃１７、１８の合金鋳物はＳｂをも含有するため、粒状化がより顕著に観察できる（図７、８）。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、共晶化合物が微細化かつ粒状化することが確認できた。
【００３１】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第１シリーズのマグネシウム合金鋳物について、ＪＩＳ Ｚ ２２４１による引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表１に併せて示す。
【００３２】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃１４、１５、１７、１８の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合がかかる範囲以外の合金鋳物と比べて、引張強さ、伸びともに大きな値となっている。特に＃１７、１８の合金鋳物はＳｂをも含有するため、伸びの増大が顕著である。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、共晶化合物は充分に微細化かつ粒状化され、合金の靱性が大幅に向上することが確認できた。また、さらにＳｂを含有した場合には、より合金の靱性が向上することが確認できた。
【００３３】
〈第２シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、合金元素であるＡｌの含有割合を増減した以外は、第１シリーズと同様に鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第２シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃２１〜２５と番号付けした。＃２１〜２５のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表２に示す。なお、本シリーズにおいては、＃２２、＃２３、＃２５のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００３４】
【表２】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第２シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃２１〜２５の合金鋳物の組織写真を図９〜１３に示す。
【００３６】
図９、１２の写真からわかるように、＃２１、２４の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％以下であるため、粗大な共晶化合物が漢字状に晶出している。また、＃２５の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超えているため、化合物は分断、粒状化しているが、Ａｌの含有割合が約６％と大きいため、化合物が粗大化する傾向がみられた（図１３）。一方、図１０、１１の写真に示すように、＃２２、＃２３の合金鋳物は、Ｓｒの含有割合が０．２％を超えているため、共晶化合物は微細化かつ粒状化されている。なお、＃２２の合金鋳物は、Ａｌの含有割合が約２％と小さいことから、Ｓｒの含有割合が０．２８％、つまり、０．３％未満では、若干微細化等の効果が少ないと考えられる。
【００３７】
〈第３シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、合金元素であるＳｉの含有割合を約２％に増加し、さらに、Ｓｉの溶解を促すため、溶解温度を８００℃に変更した以外は、第１シリーズと同様に鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第３シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃３１、３２と番号付けした。＃３１、３２のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表３に示す。なお、本シリーズにおいては、＃３２のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００３８】
【表３】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第３シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃３１、３２の合金鋳物の組織写真を図１４、１５に示す。
【００４０】
図１４の写真からわかるように、Ｓｉの含有割合が大きい＃３１の合金鋳物は、Ｓｒを含有しないために、漢字状の共晶化合物とともに粗大な塊状の初晶化合物が晶出している。一方、図１５の写真に示すように、＃３２の合金鋳物は、同様にＳｉの含有割合が大きくても、Ｓｒを０．２％を超えて含有しているため、初晶化合物および共晶化合物は微細化かつ粒状化されている。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金組成中のＳｉが多く、粗大な初晶化合物が晶出した場合であっても、共晶化合物と同様に、微細化かつ粒状化されることが確認できた。
【００４１】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第３シリーズのマグネシウム合金鋳物について、上記同様の引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表３に併せて示す。
【００４２】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃３２の合金鋳物は、Ｓｒを含有しない＃３１の合金鋳物と比べて、引張強さ、伸びとも増大した。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金の靱性は向上することが確認できた。
【００４３】
〈第４シリーズのマグネシウム合金鋳物〉
（１）マグネシウム合金の鋳造
上記第１シリーズのマグネシウム合金の鋳造において、鋳造方法のみを変更した。すなわち、第１シリーズと同様に調製したマグネシウム合金を６５０℃とした後、断熱材を設置したスリーブ内に注湯し、６１０℃まで冷却してから射出、加圧成形することにより鋳造した。得られたマグネシウム合金鋳物を第４シリーズのマグネシウム合金鋳物とし、＃４１、４２と番号付けした。＃４１、４２のマグネシウム合金鋳物の化学成分を表４に示す。なお、本シリーズにおいては、＃４２のマグネシウム合金鋳物が本発明のマグネシウム合金の実施例に該当する。
【００４４】
【表４】
（２）マグネシウム合金鋳物の組織観察
第４シリーズのマグネシウム合金鋳物の組織観察を行った。＃４１、４２の合金鋳物の組織写真を図１６、１７に示す。
【００４６】
図１６の写真に示すように、Ｓｒを含有しない＃４１の合金鋳物の表面近傍は、溶湯が急冷されたために微細な組織となっているが、鋳物の中央部分には、スリーブ内で凝固したと考えられる粗大なα−Ｍｇ粒と共晶化合物が観察される。一方、図１７の写真に示すように、Ｓｒを含有する＃４２の合金鋳物は、同様の条件で鋳造されても、共晶化合物が分断され粒状化している。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、スリーブ内で凝固が生じた場合、あるいは冷却速度が遅い場合であっても、共晶化合物は微細化かつ粒状化されることが確認できた。
【００４７】
（３）マグネシウム合金鋳物の靱性の評価
第４シリーズのマグネシウム合金鋳物について、同様に引張試験を行い、引張強さと伸びを求めた。その結果を上記表４に併せて示す。
【００４８】
Ｓｒの含有割合が０．２％を超え０．５％以下である＃４２の合金鋳物は、Ｓｒを含有しない＃４１の合金鋳物と引張強さはほぼ同等であったが、伸びが増大した。したがって、Ｓｒを０．２％を超え０．５％以下の割合で含有することにより、合金の靱性は向上することが確認できた。
【００４９】
【発明の効果】
本発明のマグネシウム合金は、Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなることにより、漢字状に晶出する共晶化合物や粗大な塊状に晶出する初晶化合物が微細化かつ粒状化されるため、安価で耐熱性に優れることに加え、極めて靱性に優れたマグネシウム合金となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＃１１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図２】 ＃１２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図３】 ＃１３の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図４】 ＃１４の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図５】 ＃１５の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図６】 ＃１６の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図７】 ＃１７の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図８】 ＃１８の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図９】 ＃２１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１０】 ＃２２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１１】 ＃２３の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１２】 ＃２４の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１３】 ＃２５の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１４】 ＃３１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１５】 ＃３２の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１６】 ＃４１の合金鋳物の組織を示す写真である。
【図１７】 ＃４２の合金鋳物の組織を示す写真である。
Claims (3)
- Ｓｉを０．１質量％以上５質量％以下、Ｓｒを０．２質量％を超え０．５質量％以下、Ａｌを１質量％以上６質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有し、残部がＭｇと不可避不純物とからなることを特徴とする高靱性マグネシウム合金。
- 前記Ｓｒの含有割合は０．３質量％以上０．４質量％以下である請求項１に記載の高靱性マグネシウム合金。
- さらにＳｂを０．１質量％以上０．５質量％以下の割合で含有する請求項１または請求項２に記載の高靱性マグネシウム合金。
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