JP5290764B2 - Casting method and alloy composition for forming a cast part having a combination of excellent high temperature deformation characteristics, malleability and corrosion performance - Google Patents

Casting method and alloy composition for forming a cast part having a combination of excellent high temperature deformation characteristics, malleability and corrosion performance Download PDF

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Description

本発明は、2.0〜6.00質量%のアルミニウム、3.00〜8.00質量%の希土類金属(RE金属)、ここで、質量%で表したアルミニウムの量に対するRE金属の量の比は0.8よりも大きく、RE金属の少なくとも40質量%はセリウムであり、及び0.5質量%未満のマンガン、1.00質量%未満の亜鉛、0.01質量%未満のカルシウム、0.01質量%未満のストロンチウム、並びに、マグネシウム及び不可避的不純物である残余からなり、全不純物レベルが0.1質量%未満であるマグネシウム合金を鋳造する方法に関する。   The present invention relates to 2.0 to 6.00 mass% aluminum, 3.00 to 8.00 mass% rare earth metal (RE metal), wherein the amount of RE metal relative to the amount of aluminum expressed in mass%. The ratio is greater than 0.8, at least 40% by weight of the RE metal is cerium, and less than 0.5% manganese, less than 1.00% zinc, less than 0.01% calcium, 0% The present invention relates to a method of casting a magnesium alloy comprising less than 0.01% by weight of strontium and magnesium and the remainder being an inevitable impurity and having a total impurity level of less than 0.1% by weight.

マグネシウムを基礎とする合金は、航空宇宙や自動車産業の鋳造部品として広く使用されている。マグネシウムを基礎とする合金の鋳造部品は、ダイカスト、砂型鋳造、永久・半永久鋳型鋳造、石膏型鋳造、及びインベストメント鋳造などの従来の鋳造方法によって製造することができる。Mgを基礎とする合金は、自動車産業におけるマグネシウムを基礎とする合金の鋳造部品についての増大する要求を促進している多くの特に有益な特性を実証している。これらの特性には、低密度、高い強度/重量の比、良好な鋳造性、容易な機械加工性、及び良好な減衰特性が挙げられる。Mg−Al合金やMg−Al−Zn合金のような最も一般的なマグネシウムのダイカスト合金は、120℃より高い温度で耐クリープ性を失うことが知られている。Mg−Al−Si合金は、より高温での用途に開発され、耐クリープ(変形)性においては、限られた改良のみを提示する。Mg−Al−Ca系とMg−Al−Sr系の合金は、耐クリープ性においてさらなる改良を提示するが、これらの合金の大きな欠点は、鋳造性の問題である。これは、いわゆるウォーターハンマー効果といわれ、金型表面に直接衝突する高い金属速度で特に問題である。   Magnesium-based alloys are widely used as casting parts in the aerospace and automotive industries. Magnesium-based alloy cast parts can be manufactured by conventional casting methods such as die casting, sand casting, permanent / semi-permanent casting, gypsum casting, and investment casting. Mg-based alloys have demonstrated many particularly beneficial properties that are driving the increasing demand for magnesium-based alloy cast parts in the automotive industry. These properties include low density, high strength / weight ratio, good castability, easy machinability, and good damping properties. Most common magnesium die-cast alloys, such as Mg-Al alloys and Mg-Al-Zn alloys, are known to lose creep resistance at temperatures above 120 ° C. Mg-Al-Si alloys have been developed for higher temperature applications and present only limited improvements in creep (deformation) resistance. Although Mg-Al-Ca and Mg-Al-Sr alloys present a further improvement in creep resistance, the major drawback of these alloys is a castability problem. This is the so-called water hammer effect and is particularly problematic at high metal velocities that directly impact the mold surface.

合金AE48(4%のAP、2〜3%のRE)は、高温特性と腐食にかなりの改良を提示することが知られている。   Alloy AE48 (4% AP, 2-3% RE) is known to present significant improvements in high temperature properties and corrosion.

SrやCaのような元素を含むMg−Al合金は、クリープ特性においてさらなる改良を提示するが、しかしながら、鋳造性の低下を犠牲にする。Mg−Al−Ca系とMg−Al−Sr系の合金は、耐クリープ性にさらなる改良を提示するが、これらの合金の大きな欠点は、鋳造性の問題である。これは、いわゆるウォーターハンマー効果といわれ、金型表面に直接衝突する高い金属速度で特に問題である。   Mg-Al alloys containing elements such as Sr and Ca present a further improvement in creep properties, but at the expense of reduced castability. Although Mg-Al-Ca and Mg-Al-Sr alloys present a further improvement in creep resistance, the major drawback of these alloys is the problem of castability. This is the so-called water hammer effect and is particularly problematic at high metal velocities that directly impact the mold surface.

添付の図1Aと図1Bに、コールドチャンバーとホットチャンバーのダイカスト機がそれぞれ概略で示されており、各機器は、それぞれ水圧減衰システム11、21を備えた金型10、20を有する。溶融金属が、それぞれピストン13、23を備えたショットシリンダー12、22によって金型に導入される。コールドチャンバーシステムにおいては、水平ショットシリンダーへの金属を計量するための補助システムが必要である。ホットチャンバー機(図1B)は、溶融合金において、垂直ピストンシステム(12、23)を直接使用する。   1A and 1B of the accompanying drawings schematically show a cold chamber and a hot chamber die casting machine, each of which has a mold 10, 20 with a hydraulic damping system 11, 21, respectively. Molten metal is introduced into the mold by shot cylinders 12, 22 with pistons 13, 23, respectively. In a cold chamber system, an auxiliary system for metering metal into a horizontal shot cylinder is required. The hot chamber machine (FIG. 1B) uses the vertical piston system (12, 23) directly in the molten alloy.

Mg−Al−Re合金の優れた性能を得るためには、非常な急冷条件下で合金を鋳造することが必須である。このことは、高圧ダイカストプロセスについての場合である。スチール金型10、20は、金型の温度を200〜300℃の範囲に制御するオイル(又は水)冷却システムを備える。良好な品質のための必要条件は、充填中の金属の凝固を避けるための短い金型充填時間である。10−2秒×平均部品肉厚(mm)のオーダーの金型充填時間が推奨される。これは、典型的に、30〜300m/秒の範囲の高速で合金を強制的にゲートを通すことによって得られる。必要とされる短い充填時間のための、ショットシリンダーにおける望まれる体積流量を得るために、十分に大きい直径を有する10m/秒以下のプランジャー速度が使用されている。20〜70MPaの静的金属圧力と150MPa以下までのその後の圧力増加を用いることが一般的である。このキャスティング法を用いると、構成要素の結果的な冷却速度は、鋳造される構成要素の厚さにもよるが、典型的に、10〜1000℃/秒の範囲である。AE合金について、このことは、部品の一般的な大きい冷却速度と、特に表面層の極めて大きい冷却速度の両方の理由により、特性を決める上で重要な要素である。添付の図2に、凝固範囲と微細構造との関係が示されている。横軸上に、℃/秒で表した凝固速度が示され、左手の縦軸上に、μmで表した二次的樹枝状結晶のアームの間隔が示され、一方で、右手の縦軸に、μmで表した粒の直径が示されている。ライン30は、得られる粒度を示し、一方で、ライン31は、二次的樹枝状結晶のアームの間隔について得られた値である。ダイカストを用いると、冷却速度により、粒の微細化が得られる。上述のように、通常は、10〜1000℃/秒の範囲の冷却速度が得られる。これは、典型的に、5〜100μmの範囲の粒度をもたらす。 In order to obtain the excellent performance of the Mg—Al—Re alloy, it is essential to cast the alloy under extremely rapid cooling conditions. This is the case for the high pressure die casting process. The steel molds 10, 20 are provided with an oil (or water) cooling system that controls the temperature of the molds in the range of 200-300 ° C. A prerequisite for good quality is a short mold filling time to avoid solidification of the metal during filling. A mold filling time of the order of 10 -2 seconds x average part thickness (mm) is recommended. This is typically obtained by forcing the alloy through the gate at a high speed in the range of 30-300 m / sec. In order to obtain the desired volume flow in the shot cylinder for the short filling time required, a plunger speed of 10 m / sec or less with a sufficiently large diameter is used. It is common to use a static metal pressure of 20 to 70 MPa and a subsequent pressure increase to 150 MPa or less. Using this casting method, the resulting cooling rate of the component is typically in the range of 10 to 1000 ° C./second, depending on the thickness of the component being cast. For AE alloys, this is an important factor in determining properties, both because of the general high cooling rate of the parts and in particular the extremely high cooling rate of the surface layer. FIG. 2 of the accompanying drawings shows the relationship between the solidification range and the microstructure. On the horizontal axis the solidification rate in ° C / sec is shown, on the left hand vertical axis the secondary dendritic arm spacing in μm is shown, while on the right hand vertical axis The particle diameter in μm is shown. Line 30 shows the resulting particle size, while line 31 is the value obtained for the spacing of the secondary dendritic arm. When die casting is used, grain refinement can be achieved depending on the cooling rate. As described above, a cooling rate in the range of 10 to 1000 ° C./second is usually obtained. This typically results in a particle size in the range of 5-100 μm.

合金の延性にとって微細な粒度が有益であることがよく知られている。この関係を、添付の図3に例証しており、粒度と相対的伸びとの関係が示されている。横軸に調整粒度がμmで表されて示され、一方で、縦軸は、%で表した相対的伸びを与える。グラフには2つの異なる組成が示され、第1の純Mgのライン35と、AZ91と表示したMg合金のライン36である。   It is well known that fine grain size is beneficial for alloy ductility. This relationship is illustrated in the attached FIG. 3, which shows the relationship between grain size and relative elongation. The abscissa shows the adjusted particle size in μm, while the ordinate gives the relative elongation in%. The graph shows two different compositions, a first pure Mg line 35 and a Mg alloy line 36 labeled AZ91.

また、微細な粒度は、合金の引張降伏強度にとって有益であることがよく知られている。この関係は、添付の図4に示されている(Hall−Petch)。横軸に、μmで表され、d(−0.5)として表された粒の直径が示され、縦軸に、MPaで表された引張降伏強度が示されている。   It is also well known that fine grain size is beneficial to the tensile yield strength of the alloy. This relationship is shown in the accompanying FIG. 4 (Hall-Petch). The horizontal axis indicates the diameter of the grains expressed in μm and expressed as d (−0.5), and the vertical axis indicates the tensile yield strength expressed in MPa.

したがって、ダイカスト法によって促進された非常に大きい冷却速度によって与えられる微細な粒度が、引張強度と延性を得るために必要であることが明らかである。   Thus, it is clear that a fine grain size given by the very high cooling rate facilitated by the die casting process is necessary to obtain tensile strength and ductility.

鋳造性の用語は、必要とされる機能性と特性を持つ最終製品に合金を鋳造する能力を記載する。一般に3つのカテゴリーを含む。
(1)全ての望まれる幾何的特徴と寸法を持つ部品を形成する能力
(2)望まれる特性を持つ緻密な部品を製造する能力、及び
(3)ダイカスト工具、鋳造装置、及びダイカスト法の効率に及ぼす効果
The term castability describes the ability to cast an alloy into a final product with the required functionality and properties. Generally includes three categories.
(1) Ability to form parts with all desired geometric features and dimensions (2) Ability to produce dense parts with desired characteristics, and (3) Efficiency of die casting tools, casting equipment, and die casting processes Effect on

ドイツ特許出願2122148は、Mg−Al−RE類の合金、主として、RE含有率が3質量%未満のMg−Al−RE合金を記載しており、ただし、より高いRE含有率を持つ合金もまた述べられている。合金AE42(4%のAl、2〜3%のRE)は、高温特性と腐食特性にかなりの改良を提示することが知られている。Mg−Al合金への僅かなREの添加は、腐食特性のかなりの改良をもたらすが、金型付着の問題がより頻繁に生じて鋳造性が低下することが経験されている。添付の図5に、Mg−Al−Re系における優れた、乏しい、及び非常に乏しい鋳造性の領域が示されている。横軸に、質量%で表したAlの量が示され、一方で、縦軸に、質量%で表したREの量が示されている。ライン40は、680℃でのREの溶解性を表示するラインであり、一方で、ライン41は、640℃でのREの溶解性を表示する。領域(暗)42は、非常に乏しい鋳造性を持つ組成を表す。領域(中間)43は、乏しい鋳造性を持つ組成を表し、領域(明)44は、優れた鋳造性を持つ組成を表す。図5に例証するように、鋳造性は、合金のRE含有率が増加すると悪化する。しかしながら、図5が表示するように、高圧の金型鋳造性が優れた、3.5質量%を上回るRE(上限はREの溶解性によって制約)、2.5%〜5.0%の範囲のAl、なおかつ0.8を上回るRE%/Al%の比で表される領域が存在する。   German patent application 2122148 describes alloys of the Mg-Al-RE class, mainly Mg-Al-RE alloys with an RE content of less than 3% by weight, although alloys with a higher RE content are also included. It is stated. Alloy AE42 (4% Al, 2-3% RE) is known to present significant improvements in high temperature and corrosion properties. Although the slight addition of RE to the Mg-Al alloy results in a significant improvement in corrosion properties, it has been experienced that mold adhesion problems occur more frequently and castability is reduced. In the attached FIG. 5, the excellent, poor and very poor castability regions in the Mg—Al—Re system are shown. The horizontal axis shows the amount of Al expressed in mass%, while the vertical axis shows the amount of RE expressed in mass%. Line 40 is a line that displays the solubility of the RE at 680 ° C., while line 41 displays the solubility of the RE at 640 ° C. Region (dark) 42 represents a composition with very poor castability. Region (intermediate) 43 represents a composition having poor castability, and region (bright) 44 represents a composition having excellent castability. As illustrated in FIG. 5, the castability deteriorates as the RE content of the alloy increases. However, as shown in FIG. 5, the high-pressure mold castability is excellent, the RE exceeding 3.5 mass% (the upper limit is limited by the solubility of RE), the range of 2.5% to 5.0% Al, and there is a region represented by a ratio of RE% / Al% greater than 0.8.

したがって、本発明の目的は、改良された高温性能と改良された鋳造性を持つ比較的低コストのマグネシウムを基礎とする合金を提供することである。   Accordingly, it is an object of the present invention to provide a relatively low cost magnesium based alloy with improved high temperature performance and improved castability.

AlxREy分散質相の生成により、本発明の組成物は、脆いMg17Al12相の体積割合を最小限にする(分散質相のRE/Alの比は合金中のRE%/Al%含有率が増加するにつれて増加する)。共晶のMg17Al12相が420℃付近で溶融することから、AM50、AM60、及びAZ91のような従来のMg−Al合金は、添付の図6に示すように、ほぼ200℃の凝固範囲を有する。図6は、いくつかの合金について、横軸の固相率(質量%で表示)とそれに対する縦軸の温度(℃)を示す。本発明において特定されるRE%/Al%の比を持つMg−Al−RE合金は、570℃付近で完全に凝固し、このため、凝固範囲はわずかに約50℃である。 Due to the generation of the AlxREy dispersoid phase, the composition of the present invention minimizes the volume fraction of the brittle Mg 17 Al 12 phase (the RE / Al ratio of the dispersoid phase is the RE% / Al% content in the alloy). Increases as the number increases). Since the eutectic Mg 17 Al 12 phase melts around 420 ° C., conventional Mg—Al alloys such as AM50, AM60, and AZ91 have a solidification range of approximately 200 ° C., as shown in FIG. Have FIG. 6 shows the solid fraction (expressed in mass%) on the horizontal axis and the temperature (° C.) on the vertical axis with respect to several alloys. The Mg-Al-RE alloy with the RE% / Al% ratio specified in the present invention is completely solidified around 570 ° C, so the solidification range is only about 50 ° C.

一般に、Mg−Alダイカスト合金のアルミニウム含有率の増加は、金型の鋳造性を改良する。これは、Mg−Al合金が広い凝固範囲を有することによるものであり、このことは、凝固の最後に十分な多量の共晶が存在しなければ、鋳造を本質的に困難にする。これは、図6に示す冷却曲線と一貫性のあるAZ91Dの良好な鋳造性を説明することができる。AM60、AM50、及びAM20において、それぞれAl含有率が6%、5%、及び2%まで減少すると、凝固の最終段階に供給が困難になるレベルまで、残存する共晶が減少し、このことは、肉厚の部品については、微細孔、及びより大きい空隙さえもが存在し得ることを意味する。薄肉の部品については、体積収縮が金型壁からの収縮による厚さの減少によって部分的に吸収されるため、最終段階の際の供給能力は、それ程重要ではない(合金の流動性が重要な因子になるが)。AE44合金とAE35合金は、Mg−Al合金とは非常に異なる冷却特性を示す。凝固の間隔はかなり小さめであり、凝固の際に、集中した収縮孔を低下させ得ることを示唆する。これらの合金は、金型充填の際に良好な流動性を有し、このため、鋳物欠陥を少なくして最終製品まで容易に鋳造することができる。AE44とAE35の鋳造性は、AZ91Dのそれと比較的に同等である。   In general, increasing the aluminum content of the Mg-Al die cast alloy improves the moldability of the mold. This is due to the fact that the Mg-Al alloy has a wide solidification range, which makes casting essentially difficult if there is not a sufficient amount of eutectic at the end of solidification. This can explain the good castability of AZ91D consistent with the cooling curve shown in FIG. In AM60, AM50, and AM20, decreasing the Al content to 6%, 5%, and 2%, respectively, reduces the remaining eutectic to a level that makes it difficult to supply in the final stage of solidification. For thick parts, this means that there can be micropores and even larger voids. For thin-walled parts, the capacity to supply in the final stage is not so important because volume shrinkage is partially absorbed by thickness reduction due to shrinkage from the mold wall (alloy fluidity is important) It becomes a factor). The AE44 alloy and the AE35 alloy exhibit very different cooling characteristics from the Mg—Al alloy. The interval between coagulations is rather small, suggesting that concentrated coagulation pores can be reduced during coagulation. These alloys have good fluidity when filling the mold, and therefore can be easily cast to the final product with fewer casting defects. The castability of AE44 and AE35 is relatively equivalent to that of AZ91D.

狭い凝固間隔に関するさらなる問題は、AZ91DのみならずAM合金においても生じる一般に観察される逆偏析が生じないことである。これは、高いRE含有率を持つAE合金が、Mg−Al共晶相の分離のない光沢表面を有することによって例証される。表面層は、金型充填の途中と直後に凝固し、温度は、固相温度より下に迅速に低下し、それにより、収縮が開始したときに、溶融金属が金型表面の方に強制されるのを防止する。このことは、金型付着に帰着することがある金型壁と溶融金属との反応を防止するのに有益である。   A further problem with narrow solidification intervals is that the commonly observed reverse segregation that occurs in AM alloys as well as AZ91D does not occur. This is illustrated by the fact that AE alloys with high RE content have a glossy surface without separation of the Mg—Al eutectic phase. The surface layer solidifies during and immediately after mold filling, and the temperature quickly drops below the solid phase temperature, thereby forcing molten metal towards the mold surface when shrinkage begins. Is prevented. This is beneficial in preventing reaction between the mold wall and molten metal that can result in mold adhesion.

AE44において異なる微細構造を持ち、3層を示す約3mmの肉厚を持つ例を添付の図7に示す。表面層は、約50μmの厚さを有し、約10μmの大きさの等軸粒からなる。これは、かなり小さい粒度であり、金型壁上の急冷条件によって説明することができる。中間層は、約100μmの厚さであり、極めて微細な粒状である。この形態は、前者とは異なり、2〜4μmの範囲のDASが観察される。圧力による平衡融点の変化により、この観察を説明してもよい。金属が加圧されると、平衡融点が上昇し、即ち、金属が突然に過冷却になる。理論上は、このことは、全てのMg合金について同じであるが、合金の中で、凝固特性には依然としてかなりの相違が存在したままである。コアは、約20μmの等軸粒からなる。コアの凝固は、コアから金型に流出する熱によって制約される。既に凝固した層を通る熱輸送と鋳物/金型の界面を越える熱輸送は、双方とも、表皮よりも遅い冷却速度を与えるため、より粗い微細構造が生成する。   An example with different microstructures in AE44 with a wall thickness of about 3 mm showing 3 layers is shown in FIG. The surface layer has a thickness of about 50 μm and consists of equiaxed grains having a size of about 10 μm. This is a fairly small particle size and can be explained by the quenching conditions on the mold wall. The intermediate layer has a thickness of about 100 μm and is extremely fine granular. This form is different from the former, and DAS in the range of 2 to 4 μm is observed. This observation may be explained by the change in equilibrium melting point with pressure. As the metal is pressurized, the equilibrium melting point increases, i.e., the metal suddenly becomes supercooled. Theoretically, this is the same for all Mg alloys, but among the alloys, there are still significant differences in solidification characteristics. The core consists of equiaxed grains of about 20 μm. The solidification of the core is limited by the heat flowing out of the core into the mold. Both heat transport through the already solidified layer and heat transfer across the casting / mold interface provides a slower cooling rate than the skin, thus producing a coarser microstructure.

RE含有率が低い、又はAE42もしくはAE63のようにRE%/Al%の比が低い場合、表面に分別して付着をもたらし得る共晶Mg−Alが存在する可能性がある。このことは、AE42が、より乏しい鋳造性を現す理由を説明することができる。   If the RE content is low, or the ratio of RE% / Al% is low, such as AE42 or AE63, there may be eutectic Mg-Al that can be fractionated on the surface to cause adhesion. This can explain why AE42 exhibits poorer castability.

図8において、図の(上側)部分に、ボックス金型が示されている。下記に示すような合金AM60、AM40、AE63、AE44、及びAE35についてのノード3(ゲートの近く)からの例の顕微鏡写真。高温割れがAM40とAE63に観察される。   In FIG. 8, the box mold is shown in the (upper) portion of the figure. Example micrograph from node 3 (near the gate) for alloys AM60, AM40, AE63, AE44, and AE35 as shown below. Hot cracks are observed in AM40 and AE63.

図8は、AE44とAE35が、AM合金よりも熱間割れの影響を受けないことを実証する。このことは、上記のような相対的に微細な粒状構造に帰結する表面層のかなり急速な凝固から説明される。   FIG. 8 demonstrates that AE44 and AE35 are less susceptible to hot cracking than AM alloys. This is explained by the fairly rapid solidification of the surface layer resulting in a relatively fine granular structure as described above.

一部には微細な粒構造により、また一部には脆いMg17Al12相が存在しないことにより、この層は、非常に延性になり、したがって、凝固の際に熱ひずみが発生すると変形することができる。より大きい凝固間隔を持つ合金で典型的に現れるような、より粗い粒を持つ表面層、及び/又はMg17Al12に富む層は、ずっと低い延性を有し、変形するよりも割れて熱間亀裂を生じ易いであろう。 Due to the fine grain structure in part and the absence of the brittle Mg 17 Al 12 phase in part, this layer becomes very ductile and therefore deforms when thermal strain occurs during solidification. be able to. Surface layers with coarser grains and / or layers rich in Mg 17 Al 12 , such as typically appearing in alloys with larger solidification intervals, have much lower ductility and are hot to crack than deform. It will be prone to cracking.

大きい(約1.5m)薄肉部品(厚さ約3mm)の試験は、AE44とAE35の金型充填特性が優れていることを示しており、上述のように、薄肉の部品には長距離の供給が必要でないため、この合金は、金型充填が最も重要なこれらの種類の構成部品について、実行可能な代替であると期待される。   Tests on large (about 1.5 m) thin parts (thickness about 3 mm) show that the mold filling characteristics of AE44 and AE35 are excellent, and as mentioned above, Because no supply is required, this alloy is expected to be a viable alternative for these types of components where mold filling is most important.

種々のAE合金の特性は、Al単独では固溶体の強化を提供し、その一方で、REはAlと結合して、粒界領域に分散質相を形成するといった観察から説明される。合金AE44とAE35において、分散質相(主としてAlRE)は、連続した三次元網状構造を構成し、熱活性化と粒界滑りから生じるクリープを効果的に防止する。このことは、AE44、AE35、及びAE63のダイカスト微細構造を示す(左から右)SEM−BEC(後方散乱電子組成)の像である図9に示される。Al単独では固溶体の強化を提供するが、その一方で、REはAlと結合して、粒界領域に分散質相を形成する。 The properties of various AE alloys are explained by the observation that Al alone provides solid solution strengthening while RE combines with Al to form a dispersoid phase in the grain boundary region. In alloys AE44 and AE35, the dispersoid phase (mainly Al 2 RE) constitutes a continuous three-dimensional network structure and effectively prevents creep resulting from thermal activation and grain boundary sliding. This is shown in FIG. 9, which is a SEM-BEC (backscattered electron composition) image showing the die-cast microstructures of AE44, AE35, and AE63 (from left to right). Al alone provides solid solution strengthening, while RE combines with Al to form a dispersoid phase in the grain boundary region.

AE44についてのSEM−BEC像のさらなる拡大が図10に示されており、AE44のAlxREy相のラメラ構造もまた示している。図10から分かるように、AE合金の分散質AlxREy相は、非常に微細なラメラ構造からなる。このサブミクロンのラメラ構造は、粒界を強化し、それによってクリープを防止する。他方で、ダイカストAE44合金が、AE42と同じような延性を呈するように、これらのラメラは脆くはない(又は共晶Mg−Alと同じように脆くはない)。AE63において、網状構造(主としてAl11RE)は寸断され、粒界領域は、恐らく、相当な量の共晶Mg−Alによって影響され、延性とクリープ特性を低下する。また、AE42において、恐らく、クリープ特性を制限するかなりの量の共晶Mg−Alが存在する。合金AE35は、AE44よりも若干低いが、それでもAE63より高い延性を有する。 A further magnification of the SEM-BEC image for AE44 is shown in FIG. 10 and also shows the lamellar structure of the AlxREy phase of AE44. As can be seen from FIG. 10, the dispersoid AlxREy phase of the AE alloy has a very fine lamellar structure. This submicron lamellar structure strengthens the grain boundaries and thereby prevents creep. On the other hand, these lamellae are not brittle (or not as brittle as eutectic Mg-Al) so that die cast AE44 alloy exhibits ductility similar to AE42. In AE63, the network structure (mainly Al 11 RE 3 ) is shattered and the grain boundary regions are probably affected by a substantial amount of eutectic Mg—Al, reducing ductility and creep properties. Also, in AE42, there is probably a significant amount of eutectic Mg-Al that limits the creep properties. Alloy AE35 is slightly lower than AE44 but still has higher ductility than AE63.

AE合金の延性、引張強度、耐クリープ性、腐食特性などの機械的特性の多数の例を以降に示す。既存の合金に比較した耐クリープ性と延性のユニークな組み合わせを、図11に例証する。図11において、公知のいくつかのMg合金についての耐クリープ性と対比して、延性(横軸)を示す。ゾーン50は、AM合金を含み、ゾーン51はAE合金、ゾーン52はAZ91合金、ゾーン53は他の高温合金を含む。本発明のAE合金は、この仕方で延性と高温特性を組み合わせた唯一のダイカスト合金であり、したがって、特に自動車産業において、コンストラクターとデザイナーに多くの新規で未踏査の機会を提示する。   A number of examples of mechanical properties such as ductility, tensile strength, creep resistance and corrosion properties of AE alloys are given below. A unique combination of creep resistance and ductility compared to existing alloys is illustrated in FIG. In FIG. 11, the ductility (horizontal axis) is shown in contrast to the creep resistance of some known Mg alloys. Zone 50 includes an AM alloy, zone 51 includes an AE alloy, zone 52 includes an AZ91 alloy, and zone 53 includes another high temperature alloy. The AE alloy of the present invention is the only die casting alloy that combines ductility and high temperature properties in this manner, thus presenting many new and unexplored opportunities for constructors and designers, particularly in the automotive industry.

より特有の目的は、優れた鋳造性、特に少なくとも150℃の高温での、良好な耐クリープ性、引張降伏強度、及びボルト荷重保持を持つ比較的低コストのダイカストのマグネシウム−アルミニウム−希土類合金を提供することである。   A more specific objective is to provide a relatively low cost die-cast magnesium-aluminum-rare earth alloy with excellent castability, particularly good creep resistance, tensile yield strength, and bolt load retention at high temperatures of at least 150 ° C. Is to provide.

したがって、本発明は、以下のものを提供し、即ち、合金が、温度が180〜340℃の範囲で制御される金型で鋳造され、前記金型は、ミリ秒で表した時間が、5〜500の間の数値とミリメートルで表した平均部品厚さとの掛算の積に等しい時間で充填され、静的金属圧力が、鋳造の間に20〜70MPaに維持され、次いで180MPa以下まで増加される。   Accordingly, the present invention provides the following: the alloy is cast in a mold whose temperature is controlled in the range of 180-340 ° C., said mold having a time expressed in milliseconds of 5 Filled in a time equal to the product of a value between ˜500 and the average part thickness in millimeters, the static metal pressure is maintained between 20 and 70 MPa during casting and then increased to below 180 MPa .

特定のMg−Al−RE合金と特殊な鋳造法との組み合わせを用いることにより、高温での優れた耐クリープ性、高い延性、及び概して良好な機械的特性のみならず腐食特性もまた有する製品を得ることができる。   By using a combination of specific Mg-Al-RE alloys and special casting methods, products with excellent creep resistance at high temperatures, high ductility, and generally good mechanical properties as well as corrosion properties Can be obtained.

一般に、例えば、Ce、La、Nd、及び/又はPr、及びこれらの混合物のような多くのRE金属を使用することができる。しかしながら、セリウムを十分な量で使用することが好ましく、この金属が、最も良好な機械的特性を与えるためである。Mnは、耐腐食性を改良するために添加されるが、その添加は、限られた溶解性のため制限される。   In general, many RE metals can be used, such as, for example, Ce, La, Nd, and / or Pr, and mixtures thereof. However, it is preferred to use a sufficient amount of cerium, as this metal gives the best mechanical properties. Mn is added to improve corrosion resistance, but its addition is limited due to limited solubility.

好ましくは、アルミニウム含有率は、2.0〜600質量%、より好ましくは、2.60〜4.50質量%である。   Preferably, the aluminum content is 2.0 to 600 mass%, more preferably 2.60 to 4.50 mass%.

より多量のアルミニウムが存在するならば、これは容易にMg17Al12相の生成をもたらすことができ、クリープ特性にとって有害である。少なすぎるAlは、鋳造性にとって否定的である。RE金属に関し、RE含有率は、3.50〜7.00質量%であることが好ましく、上限は、図1に示したように、Mg−Al−RE系におけるREの溶解性によって制約される。 If higher amounts of aluminum are present, this can easily lead to the formation of Mg 17 Al 12 phase, which is detrimental to the creep properties. Too little Al is negative for castability. Regarding the RE metal, the RE content is preferably 3.50 to 7.00 mass%, and the upper limit is limited by the solubility of RE in the Mg-Al-RE system as shown in FIG. .

3.50質量%を上回るREが存在するならば、これは、クリープ特性のかなりの改良を与える。7.00質量%を上回ることは、液体のマグネシウム−アルミニウム合金中のRE金属の限られた溶解性のため、実用的でない。   If there is more than 3.50% by weight of RE, this gives a considerable improvement in creep properties. Above 7.00% by weight is impractical due to the limited solubility of RE metal in liquid magnesium-aluminum alloys.

さらに、RE/Alの比は0.9より大きいことが好ましい。   Furthermore, the RE / Al ratio is preferably greater than 0.9.

特定の用途について、合金の組成は、アルミニウム含有率が3.6〜4.5質量%であり、かつRE含有率が3.6〜4.5質量%であるように選択され、さらにRE/Alの比が0.9より大きいといった付加的な制約がある。   For specific applications, the composition of the alloy is selected such that the aluminum content is 3.6-4.5% by mass and the RE content is 3.6-4.5% by mass, and further RE / There is an additional constraint that the Al ratio is greater than 0.9.

この種類の合金は、175℃以下であって、依然として優れたクリープ特性と引張強度を示す用途に使用することができる。しかも、この合金は、経時によるその特性の劣化を全く示さず、かつ良好な鋳造性を有する。   This type of alloy can be used for applications below 175 ° C. and still exhibiting excellent creep properties and tensile strength. Moreover, this alloy does not show any deterioration of its properties over time and has good castability.

175℃を上回る用途については、合金の組成は、アルミニウム含有率が2.6〜3.5質量%であり、かつRE含有率が4.6質量%より多い。   For applications above 175 ° C, the alloy composition has an aluminum content of 2.6-3.5 wt% and an RE content of greater than 4.6 wt%.

優れたクリープ特性と引張強度は別として、この合金は、経時による特性の劣化を全く示さない。   Apart from excellent creep properties and tensile strength, this alloy shows no deterioration of properties over time.

好ましくは、RE金属は、セリウム、ランタン、ネオジム、及びプラセオジムの群から選択される。   Preferably, the RE metal is selected from the group of cerium, lanthanum, neodymium, and praseodymium.

RE金属は、合金化の容易さに寄与しているが、耐腐食性と耐クリープ性もまた高め、かつ機械的特性を改良する。   RE metal contributes to ease of alloying, but also enhances corrosion and creep resistance and improves mechanical properties.

好ましくは、ランタンの量は、RE金属の全含有率の少なくとも15質量%、より好ましくは、少なくとも20質量%である。好ましくは、ランタンの量は、RE金属の全含有率の35質量%未満である。   Preferably, the amount of lanthanum is at least 15% by weight of the total content of RE metal, more preferably at least 20% by weight. Preferably, the amount of lanthanum is less than 35% by weight of the total content of RE metal.

好ましくは、ネオジムの量は、RE金属の全含有率の少なくとも7質量%、より好ましくは、少なくとも10質量%である。好ましくは、ネオジムの量は、RE金属の全含有率の20質量%未満である。   Preferably, the amount of neodymium is at least 7% by weight of the total content of RE metal, more preferably at least 10% by weight. Preferably, the amount of neodymium is less than 20% by weight of the total content of RE metal.

好ましくは、プラセオジムの量は、RE金属の全含有率の少なくとも2質量%、より好ましくは、少なくとも4質量%である。好ましくは、プラセオジムの量は、RE金属の全含有率の10質量%未満である。   Preferably, the amount of praseodymium is at least 2% by weight of the total content of RE metal, more preferably at least 4% by weight. Preferably, the amount of praseodymium is less than 10% by weight of the total content of RE metal.

好ましくは、セリウムの量は、RE金属の全含有率の50質量%より多く、好ましくは、50〜55質量%である。   Preferably, the amount of cerium is more than 50% by weight of the total content of RE metal, preferably 50-55% by weight.

カルシウムとストロンチウムは、耐クリープ性の向上を与えることが知られており、少なくとも0.5質量%のカルシウムの添加は、引張強度を改良する。   Calcium and strontium are known to provide improved creep resistance, and the addition of at least 0.5% calcium by weight improves tensile strength.

しかしながら、CaとSrは、非常に少ない濃度であっても、これらの元素がかなりの付着問題をもたらし、それにより合金の鋳造性に影響するため、避けるべきである。   However, Ca and Sr should be avoided, even at very low concentrations, because these elements cause considerable adhesion problems, thereby affecting the castability of the alloy.

本発明を、以下の実施例に関してより詳細に説明するが、例証の目的に過ぎなく、本願に記載の本発明に、何らかの制限を示唆する又は暗示するものと理解するべきでない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, which are for purposes of illustration only and are not to be construed as suggesting or suggesting any limitation to the invention described herein.

合金化元素の影響を構成するため、表1に示す組成で、多くのMg合金を調製した。   In order to configure the influence of alloying elements, many Mg alloys were prepared with the compositions shown in Table 1.

各々の合金の目的で、多くの試験片を作成し、以下の実施例に記載の試験を行った。行った試験は以下の通りである。引張強度と延性ASTMにしたがって6mmの試験片を作成し、以下のようにした。
使用した試験条件
・10kNのインストロン機
・室温から210℃まで
・各温度で少なくとも5つを平行
・ひずみ速度
0.5%以下のひずみ 1.5mm/分
0.5%超のひずみ 10mm/分
・ISO6892に従った試験
For each alloy purpose, a number of test specimens were prepared and tested as described in the following examples. The tests performed are as follows. A 6 mm test piece was prepared in accordance with tensile strength and ductility ASTM, and was as follows.
Test conditions used ・ Instron machine of 10kN ・ From room temperature to 210 ℃ ・ Parallel at each temperature ・ Strain rate Strain of 0.5% or less 1.5mm / min Strain of more than 0.5% 10mm / min Test according to ISO 6892

引張クリープ試験
このテキストについて、以下の試験材料を使用する。
・直径 6mm
・ゲージ長 32.8mm
・曲率半径 9mm
・グリップヘッド直径 12mm
・全長 125mm試験は、ASTM E139に従って行う。
Tensile creep test For this text, the following test materials are used.
・ Diameter 6mm
・ Gauge length 32.8mm
-Curvature radius 9mm
・ Grip head diameter 12mm
-Total length 125mm test is performed according to ASTM E139.

応力緩和試験
・試験材料
12mmの直径
6mmの長さクリープ片の自由端から切断
・ASTM E328−86に従った試験
Stress relaxation test ・ Test material 12mm diameter 6mm length Creep piece from the free end ・ Test according to ASTM E328-86

腐食特性腐食をASTM117に従って試験する。   Corrosion properties Corrosion is tested according to ASTM 117.

多くの組成について、温度の関数として強度を測定した。結果を図12、図13、及び図14に示す。これらの図において、Y軸は、MPaで表した引張強度を示し、一方で、X軸は℃で表した温度を示す。   For many compositions, the strength was measured as a function of temperature. The results are shown in FIG. 12, FIG. 13, and FIG. In these figures, the Y-axis indicates the tensile strength expressed in MPa, while the X-axis indicates the temperature expressed in ° C.

多くの組成について、時間の関数としてクリープひずみを測定した。結果を図15と図16に示す。図15において、測定は、40MPaの力で175℃において行い、図16において、測定は、90MPaの力で150℃において行った。これらの図において、Y軸は、百分率で表したクリープひずみを示し、一方でX軸は時間で表した期間を示す。   For many compositions, creep strain was measured as a function of time. The results are shown in FIG. 15 and FIG. In FIG. 15, the measurement was performed at 175 ° C. with a force of 40 MPa, and in FIG. 16, the measurement was performed at 150 ° C. with a force of 90 MPa. In these figures, the Y axis indicates the creep strain expressed as a percentage, while the X axis indicates the time period expressed in time.

表1による多くの組成について、応力緩和を明確にし、時間に対する残存荷重として表した。結果を図17、図18、及び図19に示す。これらの図において、Y軸は、初期荷重の百分率で表した残存荷重を示し、一方でX軸は時間で表した期間を示す。   For many compositions according to Table 1, the stress relaxation was clarified and expressed as a residual load over time. The results are shown in FIG. 17, FIG. 18, and FIG. In these figures, the Y-axis indicates the remaining load expressed as a percentage of the initial load, while the X-axis indicates the time period expressed in time.

多くの組成について、ASTM B117にしたがって腐食特性を明確にした。この試験において、Al含有量に対するRE含有量の影響を明確にする目的で、大量のデータを取り込んだ。結果を図20に示す。この図において、Y軸は、質量%で表したRE含有率を示し、X軸は、やはり質量%で表したAl含有率を示す。異なる陰影を持つゾーン間の境界線は、同等の耐腐食性のラインを示す。   For many compositions, the corrosion properties were defined according to ASTM B117. In this test, a large amount of data was taken in order to clarify the effect of RE content on Al content. The results are shown in FIG. In this figure, the Y-axis indicates the RE content expressed in mass%, and the X-axis indicates the Al content expressed in mass%. Borders between zones with different shading show equivalent corrosion resistance lines.

これらの試験結果から、高温クリープ特性、延性、及び腐食性能の優れた組み合わせを持った製品が得られるマグネシウム合金の鋳造法が提供されることが明らかである。   From these test results, it is clear that a magnesium alloy casting method is provided that provides a product with an excellent combination of high temperature creep properties, ductility and corrosion performance.

Figure 0005290764
Figure 0005290764

本発明のダイカスト機を示す図である。It is a figure which shows the die-casting machine of this invention. 凝固範囲と微細構造との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a solidification range and a fine structure. 粒度と相対的伸びとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a particle size and relative elongation. 引張降伏強度を示す図である。It is a figure which shows the tensile yield strength. Mg−Al−Re系の鋳造性の領域を示す図である。It is a figure which shows the area | region of the castability of Mg-Al-Re type | system | group. 固相率と温度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between a solid-phase rate and temperature. AE44において異なる微細構造を持ち、3層を示す約3mmの肉厚を持つ例を示す図である。It is a figure which shows the example which has a different fine structure in AE44, and has a thickness of about 3 mm which shows three layers. いくつかの合金の状態を示す顕微鏡写真である。It is a microscope picture which shows the state of some alloys. ダイカスト微細構造を示すSEM−BEC像である。It is a SEM-BEC image which shows a die-cast fine structure. AE44の拡大部分を示すSEM−BEC像である。It is a SEM-BEC image which shows the enlarged part of AE44. Mg合金についての耐クリープ性と延性を示す図である。It is a figure which shows the creep resistance and ductility about Mg alloy. 強度測定を示す図である。It is a figure which shows intensity | strength measurement. 強度測定を示す図である。It is a figure which shows intensity | strength measurement. 強度測定を示す図である。It is a figure which shows intensity | strength measurement. クリープひずみ測定を示す図である。It is a figure which shows a creep distortion measurement. クリープひずみ測定を示す図である。It is a figure which shows a creep distortion measurement. 残存荷重を示す図である。It is a figure which shows a residual load. 残存荷重を示す図である。It is a figure which shows a residual load. 残存荷重を示す図である。It is a figure which shows a residual load. 耐腐食性を示す図である。It is a figure which shows corrosion resistance.

符号の説明Explanation of symbols

10 金型
11 水圧減衰システム
12 ショットシリンダー
13 ピストン
20 金型
21 水圧減衰システム
22 ショットシリンダー
23 ピストン
35 純Mgのライン
36 Mg合金のライン
40 680℃でのREの溶解性
41 640℃でのREの溶解性
42 領域(暗)
43 領域(中間)
44 領域(明)
10 Mold 11 Hydraulic Damping System 12 Shot Cylinder 13 Piston 20 Mold 21 Hydraulic Damping System 22 Shot Cylinder 23 Piston 35 Pure Mg Line 36 Mg Alloy Line 40 Solubility of RE at 680 ° C 41 RE of 640 ° C Solubility 42 area (dark)
43 area (middle)
44 area (bright)

Claims (18)

2.0〜6.00質量%のアルミニウム、
3.50〜8.00質量%の希土類金属(RE金属)、及び
0.5質量%未満(但し0%を含む)のマンガン、
1.00質量%未満(但し0%を含む)の亜鉛、
0.01質量%未満(但し0%を含む)のカルシウム、
0.01質量%未満(但し0%を含む)のストロンチウム、並びに、
マグネシウム及び不可避的不純物である残余からなり、
ここで、質量%で表したアルミニウムの量に対するRE金属の量の比は0.8よりも大きく、RE金属の少なくとも40質量%はセリウムであり、
前記不可避的不純物の全レベルが0.1質量%未満であるものからなるマグネシウム合金の鋳造方法であって、前記合金が、温度が170〜390℃の範囲で制御される金型で鋳造され、前記金型は、ミリ秒で表した時間が5〜500の間の数値とミリメートルで表した平均部品厚さとの掛算の積に等しい時間で充填され、静的金属圧力が鋳造の間に20〜70MPaに維持され、次いで180MPa以下まで増加される、方法。
2.0 to 6.00 mass% aluminum,
3.50 to 8.00 mass% rare earth metal (RE metal), and less than 0.5 mass% (including 0%) manganese,
Zinc of less than 1.00% by mass (including 0%),
Calcium of less than 0.01% by mass (including 0%),
Less than 0.01% by mass (including 0%) of strontium, and
Consisting of magnesium and the remainder being an inevitable impurity,
Here, the ratio of the amount of RE metal to the amount of aluminum in mass% is greater than 0.8, and at least 40 mass% of the RE metal is cerium,
A method for casting a magnesium alloy comprising a total level of unavoidable impurities of less than 0.1% by weight, wherein the alloy is cast in a mold whose temperature is controlled in the range of 170 to 390 ° C. The mold is filled in a time equal to the product of a value between 5 and 500 in milliseconds and an average part thickness in millimeters, and a static metal pressure between 20 and 20 during casting. A process that is maintained at 70 MPa and then increased to 180 MPa or less.
前記金型の温度が180〜340℃に制御される、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the temperature of the mold is controlled at 180 to 340 ° C. ミリ秒で表される前記金型への充填時間が8〜200の間の数値とミリメートルで表した平均部品厚さとの掛算の積に等しい時間である、請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the filling time of the mold expressed in milliseconds is a time equal to a product of a value between 8 and 200 and an average part thickness expressed in millimeters. 前記静的金属圧力が鋳造の間中30〜70MPaに維持される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   4. A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the static metal pressure is maintained at 30 to 70 MPa throughout casting. 鋳造後の冷却速度が10〜1000℃/秒である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 4, wherein a cooling rate after casting is 10 to 1000 ° C / second. アルミニウム含有率が2.50〜5.50質量%である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。   The method of any one of Claims 1-5 whose aluminum content rate is 2.50-5.50 mass%. RE含有率が3.50〜7.00質量%である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the RE content is 3.50 to 7.00 mass%. アルミニウム含有率が3.6〜4.5質量%であり、RE含有率が3.6〜4.5質量%であり、RE/Alの比が0.9より大きい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   The aluminum content is 3.6 to 4.5 mass%, the RE content is 3.6 to 4.5 mass%, and the ratio RE / Al is greater than 0.9. The method according to any one of the above. アルミニウム含有率が2.6〜3.5質量%であり、RE含有率が4.6質量%より大きい、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the aluminum content is 2.6 to 3.5% by mass and the RE content is greater than 4.6% by mass. 前記RE金属が、セリウム、ランタン、ネオジム及びプラセオジムの群からから選ばれる、請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the RE metal is selected from the group of cerium, lanthanum, neodymium and praseodymium. ランタンの量は、RE金属の全含有率の少なくとも15質量%である、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the amount of lanthanum is at least 15% by weight of the total content of RE metal. ランタンの量は、RE金属の全含有率の35質量%未満である、請求項10又は11に記載の方法。   The method according to claim 10 or 11, wherein the amount of lanthanum is less than 35% by mass of the total content of RE metal. ネオジムの量は、RE金属の全含有率の少なくとも7質量%である、請求項10〜12のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 10 to 12, wherein the amount of neodymium is at least 7% by weight of the total content of RE metal. ネオジムの量は、RE金属の全含有率の20質量%未満である、請求項10〜13のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 10 to 13, wherein the amount of neodymium is less than 20 mass% of the total content of RE metal. プラセオジムの量は、RE金属の全含有率の少なくとも2質量%である、請求項10〜14のいずれか1項に記載の方法。   15. A method according to any one of claims 10 to 14, wherein the amount of praseodymium is at least 2% by weight of the total content of RE metal. プラセオジムの量は、RE金属の全含有率の10質量%未満である、請求項10〜15のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 10 to 15, wherein the amount of praseodymium is less than 10% by mass of the total content of RE metal. セリウムの量は、RE金属の全含有率の50質量%より多い、請求項10〜16のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 10 to 16, wherein the amount of cerium is more than 50 mass% of the total content of RE metal. カルシウム及び/又はストロンチウムの量は0.01質量%以下である、請求項10〜17のいずれか1項に記載の方法。   The method according to any one of claims 10 to 17, wherein the amount of calcium and / or strontium is 0.01% by mass or less.
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