JP5699722B2

JP5699722B2 - マグネシウム合金

Info

Publication number: JP5699722B2
Application number: JP2011062352A
Authority: JP
Inventors: 将人野口; 谷澤　元治; 元治谷澤; 啓太山名; 正則原田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: JP2012197483A

Description

本発明は、マグネシウムを主体とするマグネシウム合金に関し、特に良好な機械的強度と共に優れた延性を有するマグネシウム合金に関する。

マグネシウム合金は実用金属の中でも最も比重が小さい部類に属するため、従来から鉄鋼材料やアルミニウム合金等に替わる軽量材料として各種分野において使用されている。その一例として、例えば自動車においても、排気ガスの低減や燃費の向上等のために軽量化が求められており、エンジンプロックやトランスミッションケース等の内燃機関用部材やその他の構造部材としてマグネシウム合金が使用されている。このように自動車等の構造部材としてマグネシウム合金を使用する場合、構造持続信頼性や安全性などの観点からマグネシウム合金には引張り強度などの機械的強度のみならず延性も要求される。そこで、異種金属の添加や特殊な製造方法等により機械的強度及び延性を高めた高強度高延性マグネシウム合金が、下記特許文献１や特許文献２に提案されている。

特許文献１では、マグネシウムに、アルミニウム又は亜鉛を０．２〜４原始％と、ランタノイド等の希土類元素を０．５〜５原始％添加し、急冷凝固アトマイズ法によってマグネシウム合金を製造している。特許文献２では、ＡＺ９１系やＡＺ３１系などのマグネシウム合金に０．５〜５重量％のカルシウムを添加することで難燃性としながら、これを粉砕してからパルス通電焼結法によって成形焼結し、得られた焼結体を押出し加工や引き抜き加工などによって永久変形させる塑性加工することで、高強度及び高延性化している。なお、ＡＺ９１系やＡＺ３１系等のマグネシウム合金は日本工業規格（ＪＩＳ）や米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）によって規格化されたマグネシウム合金である。例えばＡＺ９１系は鋳造用マグネシウム合金であり、その基本的組成はアルミニウム８．５〜９．５重量％、亜鉛０．４５〜０．９重量％、マンガン０．１７〜０．４０重量％、残部がマグネシウムからなる。

特開２００２−２５６３７０号公報特開２００８−８１８４２号公報

しかしながら、特許文献１では極めて高価な希土類元素を添加しているので、材料コストが嵩む。また、急冷凝固アトマイズ法といった特殊且つ高度な技術を使用しなければならない。特許文献２でも、粉砕、焼結、塑性加工という工程を経て製造しなければならず、製造工程が煩雑である。

しかも、特許文献１や特許文献２ではある程度の延性は有するが、比較的多量に異種金属を添加していることで粗大金属間化合物が晶出ないし析出する。そのため、結晶粒界において破壊が進展し易くなり、高い延性までは得られていない。具体的には、特許文献１では破断伸びが４％程度しかなく、特許文献２ではＡＺ９１系のマグネシウム合金を用いた場合の伸び率は７．５％程度しかない。

そこで、本発明は上記課題を解決するものであり、高価な希土類元素を含有せず、良好な機械的強度と共に優れた延性を有する、製造が容易なマグネシウム合金を提供することを目的とする。

そのための手段として、本発明のマグネシウム合金は、ケイ素（Ｓｉ）０．１〜０．７重量％と、亜鉛（Ｚｎ）０．３〜０．７重量％と、マンガン（Ｍｎ）０．３〜０．７重量％とを含み、残部がマグネシウム（Ｍｇ）となっている。このような組成であれば、引張強さが１２０ＭＰａ以上であり、且つ破断伸びが１０％以上であるマグネシウム合金を得ることができる。

また、本発明のマグネシウム合金は、上記組成とすることで、高強度化や高延性化のための工程として鋳造以外の工程を経ずに容易に製造することができる。但し、積極的な高強度化や高延性化のための工程でなければ、所定の基本形状に鋳造した後の最終形状への仕上げ加工として、切削加工や研削加工等の機械加工、圧延加工、又は鍛造などの後処理を行うことを否定するものではない。

本発明によれば、マグネシウムに添加する異種金属の濃度を必要最低限に抑えることで金属間化合物の生成をできるだけ抑制し、破壊の起点を可能な限り少なくすることで、良好な機械的強度を担保しながら優れた延性を有するマグネシウム合金を容易に得ることができる。また、本発明のマグネシウム合金では、ケイ素添加時に析出する粒界析出物が、例えばＡＥ４２系マグネシウム合金などにおけるニッケル（Ｎｉ）や銅（Ｃｕ）に由来する粒界析出物に比べてマグネシウムとの電位差が小さいため、耐食性も高くなる。

試料１〜５の引張強さ及び破断伸び結果である。試料６〜７の引張強さ及び破断伸び結果である。試料８〜９の引張強さ及び破断伸び結果ある。

以下に、本発明について詳しく説明する。本発明のマグネシウム合金は、適量のケイ素（Ｓｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びマンガン（Ｍｎ）を含み、残部がマグネシウム（Ｍｇ）となっている。なお、マグネシウム合金中には極微量の不可避的不純物も含まれる。

ケイ素は、微細な金属間化合物であるマグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）として合金中に分散している。当該マグネシウムシリサイドはマグネシウムに対する固体溶解度が非常に低く、主として合金の機械的強度増大に寄与する。

亜鉛は、マグネシウム合金中において金属間化合物（ＭｇＺｎ化合物）の状態で存在し、当該金属間化合物が結晶粒界の滑りを防止することで、主として延性に寄与する。

マンガンも、主として機械的強度の向上に寄与する。しかも、ケイ素と併用することで、その相乗効果により効率良く機械的強度を向上することができる。すなわち、マンガンを少量添加することで、ケイ素の添加量を抑えながらマグネシウム合金の機械的強度を効率良く向上することができる。

マグネシウムへの各異種金属の添加量は、ケイ素を０．１〜１．０重量％、亜鉛を０．３〜０．７重量％、マンガンを０．３〜０．７重量％とする。各異種金属の添加量がこの範囲より少ないと、添加金属による作用効果が得られず、強度及び延性が低下する。一方、各異種金属の添加量が上記範囲より多いと、合金が脆化して強度が低下すると共に、延性も低下する。各異種金属の添加量が上記範囲であれば、常温（室温）において、引張強さが１２０ＭＰａ以上という良好な機械的強度を得ながら、破断伸びが１０％以上という優れた延性を得ることができる。

マグネシウムへの各異種金属の添加量は、好ましくはケイ素を０．３〜０．７重量％、亜鉛を０．３〜０．７重量％、マンガンを０．３〜０．７重量％とする。この範囲であれば、常温（室温）において、引張強さが１４０ＭＰａ以上に向上するばかりか、破断伸びが１５％以上というより優れた延性を得ることができる。

このようなマグネシウム合金は、従来から最も一般的な鋳造によって得ることができる。すなわち、電気炉等において溶融したマグネシウムにケイ素、亜鉛、マンガンを添加した溶湯を、所定形状の型に鋳込むことで製造できる。鋳造方法としては、金型や砂型を用いた重力式鋳造、加圧式鋳造のいずれでもよい。なお、本発明のマグネシウム合金は、積極的な高強度化や高延性化のための処理工程として、鋳造以外の処理工程は不要である。上記組成とするだけで、高強度化と高延性化を実現できるからである。積極的な高強度化や高延性化のための工程でなければ、所定の基本形状に鋳造した後、最終形状への仕上げ加工として、切削加工や研削加工等の機械加工、圧延加工、又は鍛造などの後処理を行うことはある。

本発明のマグネシウム合金は、自動車、航空機、列車などの動力駆動する車両の構造部材として好適に使用することができる。特に、エンジンブロックやトランスミッションケース等の内燃機関用部材として好適に使用できる。

以下、本発明の具体的な実施例について説明する。
各金属を表１に示す組成で配合した試料１〜９と、比較例１として９９．９％の純マグネシウムと、比較例２としてダイカスト用マグネシウム合金であるＡＺ９１を、鋳造により製造した。詳しくは、電気炉において７５０℃で溶解したマグネシウムに、マンガン、亜鉛、ケイ素を所定量添加した溶湯を十分に攪拌し、５分間沈静した。その後、１０分間アルゴンガスにてバブリングし、１５分間沈静後にインゴット形状に注湯した。

得られた各試料及び比較例について、引張り強度と破断伸びを測定した。その結果を図１〜３に示す。なお、図１〜３において、棒グラフは引張強さを示し、◆は破断伸びを示す。

図１の結果から、純マグネシウム（比較例１）では、機械的強度と延性の双方が低かった。一方、従来からあるＡＺ９１（比較例２）では強度は良好であったが、やはり延性は低かった。これに対し、図１〜３における試料１〜９の結果から、ケイ素含有量が０．１〜１．０重量％であり、亜鉛含有量が０．３〜０．７重量％であり、且つマンガン含有量が０．３〜０．７重量％であれば、引張強さが１２０ＭＰａ以上で、破断伸びが１０％以上のマグネシウム合金を得られることがわかった。さらに、ケイ素含有量を０．３〜０．７重量％、亜鉛含有量を０．３〜０．７重量％、且つマンガン含有量を０．３〜０．７重量％とすると、引張強さが１４０ＭＰａ以上で、破断伸びが１５％以上というより優れた延性を有するマグネシウム合金を得られることがわかった。特に、ケイ素含有量が０．５重量％、亜鉛含有量が０．５重量％、且つマンガン含有量が０．５重量％であれば、引張強さが１６０ＭＰａ以上で、破断伸びが２０％以上という極めて優れた延性を有するマグネシウム合金を得られた。

Claims

ケイ素０．１〜０．７重量％と、亜鉛０．３〜０．７重量％と、マンガン０．３〜０．７重量％とを含み、残部がマグネシウムであるマグネシウム合金。
引張強さが１２０ＭＰａ以上であり、破断伸びが１０％以上である、請求項１に記載のマグネシウム合金。