JP7321601B1 - マグネシウム合金、マグネシウム合金成形体およびその製造方法、ならびにマグネシウム合金部材 - Google Patents
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Description
<1> マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有する、チクソモールド用のマグネシウム合金。
<2> 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下である、前記<1>に記載のマグネシウム合金。
<3> 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%、炭素を0.05~0.15質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなり、前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下である、前記<1>に記載のマグネシウム合金。
<4> マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有するマグネシウム合金成形体であり、組織中に、断面積が200μm2以上の粗大α相を含有する、マグネシウム合金成形体。
<5> 前記粗大α相の占有率が、0.3~30面積%である、前記<4>に記載のマグネシウム合金成形体。
<6> 熱伝導率が、80~120W/m・Kである、前記<4>または<5>に記載のマグネシウム合金成形体。
<7> 引張強度が200MPa以上であり、かつ、破断伸びが5%以上である、前記<4>から<6>のいずれかに記載のマグネシウム合金成形体。
<8> JIS Z 2248:2022の押曲げ法で曲げ試験を行い、90°に曲げたときに割れを生じない、前記<4>から<7>のいずれかに記載のマグネシウム合金成形体。
<9> 前記<4>から<8>のいずれかに記載のマグネシウム合金成形体を含むマグネシウム合金部材。
<10> ヒートシンク、電子機器の筐体、冷却ファンおよびヘッドランプからなる群から選択されるいずれかである、前記<9>に記載のマグネシウム合金部材。
<11> マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有する合金を用い、チクソモールド法により成形する成形工程を有する、マグネシウム合金成形体の製造方法。
本発明は、マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有する、チクソモールド用のマグネシウム合金(以下、「本発明のマグネシウム合金」と記載する場合がある。)に関するものである。
本発明のマグネシウム合金は、マグネシウム(Mg)が主成分であり、その含有量が90.0~95.3質量%である。
本発明のマグネシウム合金は、亜鉛(Zn)を含む。亜鉛の含有量は、4.0~7.0質量%であり、好ましくは、4.3~6.0質量%であり、より好ましくは4.5~5.5質量%である。亜鉛の含有量が4.0質量%未満であると、機械特性や成形性が低下する。また、亜鉛の含有量が7.0質量%を超えると熱伝導性が低下する。
本発明のマグネシウム合金は、アルミニウム(Al)を含む。アルミニウムの含有量は、0.7~3.0質量%であり、好ましくは、0.7~2.5質量%であり、より好ましくは0.9~2.1質量%である。アルミニウムの含有量が0.7質量%未満であると、機械特性や成形性が低下する。また、アルミニウムの含有量が3.0質量%を超えると、マグネシウム合金の熱伝導率が低下する。
本発明は、マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有するマグネシウム合金成形体であり、組織中に、断面積が200μm2以上の粗大α相を含有する、マグネシウム合金成形体(以下、「本発明のマグネシウム合金成形体」と記載する場合がある。)に関するものである。
本発明のマグネシウム合金成形体は、本発明のマグネシウム合金を用いて、チクソモールド法により成形することで得ることができる。詳しくは、本発明のマグネシウム成形体は、マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有する合金を用い、チクソモールド法により成形する成形工程を有する製造方法(以下、「本発明の製造方法」と記載する場合がある。)によって製造することができる。このような製造方法とすることで、薄肉な部分を有する複雑な形状であっても、欠陥が少なく、精度よく成形することが容易であるため、熱伝導率や機械特性に優れた、種々の形状のマグネシウム合金成形体を製造することができる。
チクソモールド法は、軽金属又はその合金のインゴットを2~5mm程度のチップ状にした原料チップを射出成形機のシリンダ内で加熱して半溶融状態にし、シリンダの先端に設けられたノズルから金型内に射出して成形する方法である。すなわち、成形工程では、マグネシウムを90.0~95.3質量%、亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有する本発明のマグネシウム合金の合金チップを射出成形機に投入し、シリンダ内で半溶融状にし、シリンダの先端に設けられたノズルから金型に射出して、マグネシウム合金成形体を成形する。
図2は、本発明のマグネシウム合金成形体の断面のSEM画像(表面から中心部近傍までの領域)の一例である。図2に示すように、本発明のマグネシウム合金成形体は、断面積が200μm2以上の粗大α相(以下、単に、「粗大α相」と称する場合がある。)とα-β共晶相とからなる。α-β共晶相は、Mg-Zn-Al合金相であるβ相と微小α相とからなる相である。微小α相は、マグネシウム合金全体のZnの平均の含有量よりもZnの含有量%が低く、マグネシウム合金全体のAlの平均の含有量よりもAlの含有量%が低いMg固相であり、かつ、Mg-Zn-Al共晶を粒界とした断面積が200μm2未満のMg固相である。
粗大α相は、マグネシウム合金全体のZnの平均の含有量よりもZnの含有量%が低く、マグネシウム合金全体のAlの平均の含有量よりもAlの含有量%が低いMg固相であり、かつ、Mg-Zn-Al共晶を粒界とした断面積が200μm2以上のものである。このような粗大α相は、チクソモールド法に特有の固相であり、本発明のマグネシウム合金成形体は、チクソモールド法により成形されるチクソモールド成形体といえる。
本発明のマグネシウム合金成形体は、熱伝導率が80~120W/m・Kであることが好ましい。熱伝導率が80W/m・K以上であることで、放熱部材用として好適である。本発明のマグネシウム合金成形体は、マグネシウムの特徴である軽量性を維持しつつ、熱伝導率を向上させることができる。熱伝導率は、85W/m・K以上がより好ましい。
本発明のマグネシウム合金成形体は、引張強度が200MPa以上であり、かつ、破断伸びが5%以上であることが好ましい。このような機械強度を有することで、耐久性に優れたものとすることができる。
本発明のマグネシウム合金成形体は、JIS Z 2248:2022の押曲げ法で曲げ試験を行い、90°に曲げたときに割れを生じない、曲げ強度を有することが好ましい。このような曲げ強度を有することで、耐久性に優れたものとすることができる。曲げ強度は、120°に曲げたときに割れを生じないことが好ましく、150°に曲げたときに割れを生じないことがより好ましく、180°に曲げたときに割れを生じないことがさらに好ましい。
本発明のマグネシウム部材は、上記の本発明のマグネシウム合金成形体を含むものである。例えば、本発明のマグネシウム合金成形体そのものや、その表面にめっき処理や化成処理や陽極酸化処理などの表面処理を施した、表面処理膜(めっき膜、化成処理膜、陽極酸化処理膜)を有するマグネシウム合金成形体などを、本発明のマグネシウム合金部材とすることができる。
[粗大α相の有無]
厚さ2mmの板状のマグネシウム成形体の断面をエポキシ樹脂に包埋し鏡面研磨後に観察した。研磨には耐水研磨紙及びアルミナペーストを使用した。得られた断面から走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製FlexSEM1000)を用いてα相の断面積を確認し、粗大α相の有無を判定した。また、この際エネルギー分散型X線分析を行うことで、α相の成分組成を確認した。
厚さ2mmの板状のマグネシウム成形体の断面を、走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ製FlexSEM1000)を用いて、倍率100倍で上端から下端までの3分割画像を撮影し(図3の(a))、粗大α相のマッチングから3分割画像を合成した画像を得た(図3の(b))。次いで、余剰部分をトリミングして2mm×1mmの範囲とし、二値化処理(粗大α相を白、その他を黒とする処理)して、粗大α相を抽出した(図3の(d))。なお、分割画像の合成やα相を視認しやすいように、適宜、画像のコントラストなどを調整し、画像処理した(図3の(c))。
[比熱容量の測定(1)]
示差走査熱量測定装置(日立ハイテク製DSC7020)を用いて、α-アルミナを標準物質として、DSC法にて比熱容量を測定した。測定温度は26.85℃とした。
厚み2mmの板状試験片からΦ9.8mmの円状試験片を作製後、熱拡散率測定装置(NETZSCH製LFA-457)を用いて、室温で、レーザーフラッシュ(LF)法にて比熱容量を測定した。
厚み2mmの板状試験片からΦ9.8mmの円状試験片を作製後、熱拡散率測定装置(NETZSCH製LFA-457)を用いて、室温で、レーザーフラッシュ(LF)法にて熱拡散率を測定した。
厚み2mmの板状試験片からΦ9.8mmの円状試験片を作製後、体積と重量から密度を算出した。円状試験片の直径(2r)と厚み(t)はマイクロメータ、重量(g)は精密天秤で測定し、g/(r2×π×t)で密度を計算した。
前記方法で測定された比熱容量、熱拡散率、密度を用いて、以下の式より熱伝導率を算出した。
熱伝導率(W/m・K)=密度(g/cm3)×比熱容量(J/g・K)×熱拡散率(mm2/s)
万能材料試験機(Instron製 Instron3382)を用いて、JIS Z 2241:2022に準じて測定をした。測定条件は、温度:25℃、ロードセル移動速度:1mm/min、伸び測定:伸び計による標点間距離測定(測定顕微鏡)とした。試験片は、縦140mm、横40mm、厚み2mmの板状成形体から13B号試験片を切り出して使用した。
成形した板状のマグネシウム合金成形体に対して目視にてクラックの有無を確認した。10枚中何枚でクラックが発生しているかを確認し、以下の基準で評価した。
○:10枚中、クラックが発生しているものはない。
△:10枚中、1~8枚でクラックが発生している。
×:10枚中、9~10枚でクラックが発生している。
マグネシウム合金として、表1に示すNo.1~No.12を用いた。なお、No.1~2とNo.5~10が、本発明のマグネシウム合金であり、No.3~4とNo.11~12が、比較のマグネシウム合金である。また、合金No.3は、代表的なマグネシウム合金であるAZ91Dである。
表2に示すマグネシウム合金の合金チップ(2~5mm程度のチップ状)を用い、チクソモールド法(株式会社日本製鋼所製成形機:JLM220-MG)により、縦140mm、横40mm、厚み2mmの長方形の板状のマグネシウム合金成形体を得た。各実施例の成形温度および金型温度は、表2に示す温度とした。
表4に示すマグネシウム合金の合金チップ(2~5mm程度のチップ状)を用い、チクソモールド法(株式会社日本製鋼所製成形機:JLM220-MG)により、縦140mm、横40mm、厚み2mmの長方形の板状のマグネシウム合金成形体を得た。各実施例の成形温度および金型温度は、表4に示す温度とした。
合金No.1(Alの含有量:1質量%)の合金チップから合金No.4(Alの含有量:0質量%)の合金チップ(2~5mm程度のチップ状)に順次材料を混合置換しながら、チクソモールド法により以下の条件で成形し、Alの含有量が1質量%,0.7質量%,0.3質量%の板状成形体(縦140mm、横40mm、厚さ2mmの長方形)を得た。
・成形機:株式会社日本製鋼所製成形機:JLM650-MG
・成形温度(℃/実温):635℃
・金型温度(℃):200℃
(実施例4-1~実施例4-4、比較例4-1~比較例4-3)
表8に示す条件でマグネシウム成形体を製造し、曲げ試験を行った。曲げ試験は、万能試験機(島津製作所製、R-50)を用いてJIS Z 2248:2022の押曲げ法に従い曲げ試験を行い、サンプルに割れが発生した時点の角度を評価した。サンプルは、縦140mm、横40mm、厚み2mmの板状の成形体を用いた。
放熱試験用のサンプルとして、実施例1-1と同じ条件で成形体を作製した。また、比較サンプルとして、比較例2-1と同じ条件で成形体を作製した。各サンプルの一部を98℃の水中に浸漬し、サーモグラフィ(FLIR製FLIR ONE pro)を用いて大気中への熱伝達の様子(高温部である白色部分からの熱の伝わり)を撮影し、比較した。図5に、時間の経過に伴うサーモグラフの画像を示す。(1)から(5)の順で数字が大きいほど時間が経過している画像である。
Claims (9)
- 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.9~2.1質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金成形体であり、
前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のマンガンの含有量は、0.05質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のケイ素の含有量は、0.030質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の鉄の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の銅の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のニッケルの含有量は、0.005質量%以下であり、
組織中に、断面積が200μm2以上の粗大α相を含有し、
前記粗大α相の占有率が、0.3~50面積%である、マグネシウム合金成形体。 - 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%、炭素を0.05~0.15質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金成形体であり、
前記マグネシウムの含有量が90.0質量%以上であり、
前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のマンガンの含有量は、0.05質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のケイ素の含有量は、0.030質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の鉄の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の銅の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のニッケルの含有量は、0.005質量%以下であり、
組織中に、断面積が200μm2以上の粗大α相を含有し、
前記粗大α相の占有率が、0.3~50面積%である、マグネシウム合金成形体。 - 熱伝導率が、80~120W/m・Kである、請求項1または2に記載のマグネシウム合金成形体。
- 引張強度が200MPa以上であり、かつ、破断伸びが5%以上である、請求項1または2に記載のマグネシウム合金成形体。
- JIS Z 2248:2022の押曲げ法で曲げ試験を行い、90°に曲げたときに割れを生じない、請求項1または2に記載のマグネシウム合金成形体。
- 請求項1または2に記載のマグネシウム合金成形体を含むマグネシウム合金部材。
- ヒートシンク、電子機器の筐体、冷却ファンおよびヘッドランプからなる群から選択されるいずれかである、請求項6に記載のマグネシウム合金部材。
- 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなる合金を用い、チクソモールド法により成形する成形工程を有する、マグネシウム合金成形体の製造方法であって、
前記合金は、
前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のマンガンの含有量は、0.05質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のケイ素の含有量は、0.030質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の鉄の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の銅の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のニッケルの含有量は、0.005質量%以下であり、
前記成形工程における成形温度が、620~650℃であり、
前記成形工程における金型温度が、180~250℃である、マグネシウム合金成形体の製造方法。 - 亜鉛を4.0~7.0質量%、アルミニウムを0.7~3.0質量%、炭素を0.05~0.15質量%含有し、残部がマグネシウムおよび不可避的不純物からなる合金を用い、チクソモールド法により成形する成形工程を有する、マグネシウム合金成形体の製造方法であって、
前記合金は、
前記マグネシウムの含有量が90.0質量%以上であり、
前記不可避的不純物の含有量が0.1質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のマンガンの含有量は、0.05質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のケイ素の含有量は、0.030質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の鉄の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中の銅の含有量は、0.005質量%以下であり、
前記不可避的不純物中のニッケルの含有量は、0.005質量%以下であり、
前記成形工程における成形温度が、620~650℃であり、
前記成形工程における金型温度が、180~250℃である、マグネシウム合金成形体の製造方法。
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