JP6778675B2

JP6778675B2 - 耐熱マグネシウム合金

Info

Publication number: JP6778675B2
Application number: JP2017502411A
Authority: JP
Inventors: 友也岩本; 安秀金津; 昭彦閤師; 金孫廖
Original assignee: Kurimoto Ltd
Current assignee: Kurimoto Ltd
Priority date: 2015-02-26
Filing date: 2016-02-24
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2036-02-24
Also published as: US20180016663A1; US10550453B2; EP3263725A1; KR20170118847A; WO2016136781A1; JPWO2016136781A1; EP3263725B1; CN107250402A; ES2913529T3; EP3263725A4

Description

この発明は、耐熱性に優れたマグネシウム合金に関する。

マグネシウムにアルミニウムなどの元素を添加したマグネシウム合金は、軽量で加工しやすく、様々な分野で利用されている。例えば、Ａｌ−Ｍｎ−Ｚｎを添加したＡＺ系合金は耐力、引張強さなどが優れ、機械的強度を求める用途で有用である。また、これにさらに耐熱性を高めた合金として、Ａｌ−Ｍｎ−Ｓｉを添加したＡＳ系合金も知られている。

しかし、ＡＳ系合金では耐熱性に限界があり、これをさらに改善する方法として、Ｃａを添加して高温特性を改善させたマグネシウム合金が知られている。

例えば、下記特許文献１には、Ａｌを２〜１０ｗｔ％、Ｃａを３．０〜５．０ｗｔ％添加し、かつ、Ｃａ／Ａｌ≧０．７にするとともに、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｚｒ、希土類元素やＳｉを選択的に添加したマグネシウム合金が記載されている（特許文献１［００１７］）。Ｓｉや希土類元素などの作用により、さらに耐熱性が向上するものとなっている。

また、下記特許文献２には、Ａｌを３．０〜９．０質量％とＣａを２．５〜７．０質量％に加えて、Ｓｎを１．６〜５．０質量％含むマグネシウム合金が記載されている。Ｓｎの添加により、さらにクリープ特性を向上させることができることが記載されている（特許文献２［００２１］）。

特開平０６−２５７９０号公報特開２００８−１６３３９３号公報

しかしながら、また、Ｃａを添加したマグネシウム合金は高温特性が向上するが、高温特性の物性値だけが高くても実際の用途に用いることはできず、用途に応じて他の様々な機械的特性も一定の水準以上であることが求められる。Ｓｎを添加した特許文献２では、Ｓｎを含む金属間化合物が増加しすぎてしまい、クリープ特性は確保できても、引張強さや０．２％耐力などその他の機械的特性に問題を生じるおそれがある。

そこでこの発明は、高温特性だけでなく、できるだけ多くの機械的特性がバランスよく優れたマグネシウム合金を得ることを目的とする。

この発明は、Ａｌを４．０質量％以上８．５０質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．６質量％以下、Ｃａを１．５質量％以上６．０質量％以下、Ｓｎを０．１質量％以上０．５質量％以下含有するマグネシウム合金により、上記の課題を解決したのである。

Ｓｎは比較的融点が低い金属であり、添加によって流動性が増すと思われるが、実際に上記の範囲で添加すると、クリープ特性を維持しながら、引張強さなどの機械的特性を向上させる効果を発揮することがわかった。特に、Ｓｎが０．１０質量％以上０．４５質量％以下、さらに好ましくは０．１０質量％以上０．４０質量％以下だと、引張強さに加えて０．２％耐力も十分に優れたものとなる。

この発明により、高温特性だけでなく、さまざまな機械的特性にも優れたマグネシウム合金を得ることができる。

以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、少なくともＡｌ，Ｍｎ，Ｃａ，Ｓｎを含有し、高温特性に優れたマグネシウム合金である。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ａｌを４．０質量％以上含有することが必要であり、５．５質量％以上であると好ましい。Ａｌが少なすぎると強度が低下する。また、マグネシウム合金の融点の低下が小さく、合金を調製する際や、合金を鋳造に用いる際に、高温を必要とすることになるので、作業性が低下するだけでなく、合金が焼き着きなどを起こしやすくなってしまう。４．０質量％以上であればある程度の作業性は確保でき、５．５質量％以上であると、十分な作業性を確保できる。一方で、Ａｌが多すぎるとβ相が析出し、耐クリープ性及び引張強さが低下しやすくなる傾向にあるため、８．５０質量％以下であることが必要であり、７．０質量％以下であればこの問題をほぼ無視できる。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｍｎを０．１質量％以上含有することが必要であり、０．２質量％以上含有していると好ましい。Ｍｎは溶湯中の不純物であるＦｅを除去し耐腐食性の低下を抑える効果があり、少なすぎるとＦｅ由来の腐食しやすさが無視できなくなるからである。一方で、Ｍｎの含有量は０．６質量％以下であることが必要である。多すぎると、ＭｎとＡｌの金属間化合物、及びＭｎ単体が多く析出することで脆くなり、強度が低下するためである。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｃａを１．５質量％以上含有することが必要であり、２．０質量％以上含有していると好ましい。Ｃａを含有することでクリープ伸びが小さくなるが、１．５質量％未満ではその効果が不十分になるからである。２．０質量％以上であるとこの耐熱性はより確実なものとなる。一方で、Ｃａが過剰に存在すると鋳造時に割れや焼き着きが発生しやすくなるため、６．０質量％以下であることが好ましく、５．０質量％以下であるとより好ましい。

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｓｎを０．１質量％以上含有することが必要であり、０．２質量％以上含有していると好ましい。Ｓｎを添加するとクリープ特性を低下させずに引張強さを改善させる効果があり、少なすぎると機械的性質が不十分となってしまう。一方で、０．５０質量％以下であることが必要であり、０．４５質量％以下であると好ましく、０．４０質量％以下であると特に好ましい。Ｓｎが０．５０質量％を超えて含まれると、引張強度や０．２％耐力が不十分になる。０．４５質量％以下にすることで、０．２％耐力まで良好なバランスのよい合金を得ることができる。

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記の元素の他に、不可避不純物を含有してもよい。この不可避不純物とは、製造上の問題、あるいは原料上の問題のために、意図に反して含有することが避けられないものである。例えば、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｂ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｙなどの元素が挙げられる。この発明にかかるマグネシウム合金の特性を阻害しない範囲の含有量であることが必要であり、一元素あたり０．２質量％未満であることが好ましく、少ないほど好ましく、検出限界未満であると特に好ましい。

ただし、その他の元素の中でも、上記のＣａとＭｇ以外の第２族元素、すなわち、Ｂｅ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａの含有量が出来るだけ少ないことが好ましい。具体的には、これらを合計しても０．０５質量％未満であることが好ましく、個々の元素はいずれも検出限界未満であることが望ましい。これらの第２族元素は高価であり、コストアップ要因となるためである。特にＢａはＡｌと反応してＡｌ―Ｂａ化合物を形成するが、その共晶温度は５２８℃とＡｌ−Ｃａ化合物の共晶温度５４５℃よりも低く、より低温で分解して耐クリープ性を低下させてしまう。さらに、他の第２族元素も期待外の化合物を生じて性質を悪化させるおそれがある。

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記の質量％の範囲となるように上記の元素を含む原料を用いて、一般的な方法で調製可能である。なお、上記の質量比及び質量％は、原料における比及び％ではなく、調製された合金や、それを鋳造などによって製造した製品における比及び％である。

この発明にかかるマグネシウム合金は、融点が適度に抑制されていて焼き着きなどが起こりにくいため、鋳造に用いやすい。また、展伸材の用途でも利用可能である。いずれも、この発明にかかるマグネシウム合金を用いて製造した製品は、高温状況下での耐クリープ性がよいものとなる。

この発明にかかるマグネシウム合金を実際に調製した例を示す。Ｍｇ以外の元素の含有成分が下記の表１のそれぞれに記載の質量％となるようにマグネシウム合金を調製し、重力鋳造により肉厚５０ｍｍの合金素材を作製した。

それぞれの合金についてＪＩＳＺ２２７１（ＩＳＯ２０４）で定めるクリープ試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前述の合金素材に機械加工を施して作製し、クリープ試験機には株式会社テークスグループ製、型番FC−１３を用い、試験温度は１７５℃、与えた応力は５０ＭＰａで、１００時間経過後のクリープ伸び：A_f（％）を測定した。

また、ＪＩＳＺ２２４１（ＩＳＯ６８９２−１）に定める引張試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前述の合金素材に機械加工を施して作製し、試験器には万能試験機（（株）島津製作所製：ＤＶＥ―２００）を用いて、引張強さ：R_m、０．２％耐力：R_0.2を測定した。その結果を、引張強さが１５０ＭＰａ以上でありかつ０．２％耐力が８０ＭＰａ以上であるものを「very good」、引張強さが１５０ＭＰａ以上でありかつ０．２％耐力が７５ＭＰａ以上８０ＭＰａ未満であるものを「good」、引張強さが１５０ＭＰａ未満であるものを「bad」と評価した。

Ｓｎが検出限界未満であった比較例１では、引張強さが不足してしまった。Ｓｎが０．１質量％以上０．５０質量％以下含まれる参考例１〜７、実施例１では、十分な引張強さを確保することができた。また、その中でもＳｎが０．１質量％以上０．４５質量％以下である参考例１〜４、６、７、実施例１では、０．２％耐力も十分に高い値となった。ただし、Ｓｎがやや増加した参考例５では引張強さは十分であったものの、０．２％耐力はやや低下する傾向が示された。Ｓｎがさらに多くなった比較例２は、引張強さと０．２％耐力のいずれも不十分なものとなった。また、ＳｎとＡｌとが上限をわずかに超えた比較例３でもやはり引張強さが不十分なものとなってしまった。一方、Ａｌが４．０質量％を下回った比較例４も、引張強さが不十分で０．２％耐力もやや低い値となった。

なお、いずれの実施例でも割れや焼き着きは見られず、Ｆｅ由来の腐食も見られなかった。

Claims

Ａｌを６．８０質量％以上８．５０質量％以下、Ｍｎを０．１質量％以上０．６質量％以下、Ｃａを１．５質量％以上２．６５質量％以下、Ｓｎを０．１質量％以上０．２６質量％以下含有し、残余がＭｇと不可避不純物である、マグネシウム合金。