JP7475330B2 - 耐熱性を有する鋳造用マグネシウム合金 - Google Patents

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Description

この発明は、機械的性質及び耐食性に優れた耐熱性マグネシウム合金に関する。
マグネシウム合金は鉄鋼材料やアルミニウム合金よりも軽量であるため、様々な分野で軽量代替材として利用されている。マグネシウム合金として、Al、Mn、Znを添加したAZ系合金や、Al、Mnを添加したAM系合金が知られている。特に、ダイカスト用途としては、室温での強度及び耐食性に優れるAZ91D(Mg-9質量%Al-1質量%Zn)が汎用材として多種の用途に用いられている。しかし、汎用のマグネシウム合金は175℃程度の高温域にて耐熱性(耐クリープ性)が低下し、アルミニウム合金に匹敵する耐熱性を得ることができない。
耐クリープ性を改善する方法として、CaあるいはRE(希土類元素)を添加したマグネシウム合金が知られている。このような例としては、耐クリープ性に優れるAE44(Mg-4%質量Al-4質量%RE)などが用いられている。
さらに、近年では高価なREを含有させないで耐クリープ性を改善したMg-Al-Ca系合金が提案されている。例えば、特許文献1には、耐クリープ特性を確保しつつ、特に成形性、伸び率に優れる耐熱マグネシウム合金として、アルミニウム2~6重量%及びカルシウム0.5~4重量%を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなり、Ca/Al比が0.8、好ましくは0.6以下の半溶融射出成形のマグネシウム合金が提案されている。
また、特許文献2には、半溶融射出成形で軽金属部材を製造するに際して、耐クリープ特性が良好で、また、鍛造性に優れた軽金属として、2重量%以上で6重量%以下のアルミニウム及び0.5重量%以上で4重量%以下のカルシウムを含有するマグネシウム合金が提案されている。
ここで、半溶融射出成形法とは、加熱して固液共存状態にしたものを、加圧して鋳型に射出成形する方法である。このような半溶融加工は、通常の鋳造に比べてコストが割高になる。また、高固相率となる低温環境での品質低下が問題となる。この品質低下としては、具体的には、湯流れが悪くなり湯流れ不良が多く発生することが挙げられる。
特許第3415987号公報 特許第3370009号公報
しかしながら、室温における伸びだけでなく引張強さまで含めた機械的性質と耐クリープ性に代表される耐熱性、さらに耐食性にも優れたマグネシウム合金は、なお需要があり求められている。また、半溶融射出成形ではなく、品質、量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造等に適した鋳造用マグネシウム合金が望まれている。
そこでこの発明は、室温における機械的性質と耐熱性、さらに耐食性に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3.0質量%以上6.0質量%未満、Mnを0.10質量%以上0.60質量%以下、Caを0.50質量%超2.0質量%未満、及び、Siを0.10質量%超0.40質量%未満、含有し、残部がMgと不可避不純物からな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。
また、上記のマグネシウム合金のうち、Alを4.5質量%以上6.0質量%未満含有するマグネシウム合金は、より優れた機械的性質を発揮しやすい。
さらに、上記のマグネシウム合金のうち、Caを0.90質量%以上2.0質量%未満含有するマグネシウム合金は、さらに優れた耐熱性を発揮しやすい。
この発明にかかるマグネシウム合金は、優れた室温での機械的性質、耐熱性、及び耐食性を発揮し、様々な製品の機能を向上させることができ、さらに量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造に適用することができる。
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、Siを含有する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の含有量が、3.0質量%以上である必要があり、4.5質量%以上であると好ましい。Alの含有量が3.0質量%未満になると引張強さが低下しすぎてしまう。Alの含有量が4.5質量%以上であると安定して引張強さを確保しやすくなる。また、Alを含有することで、固溶強化による強度向上効果と、鋳造性の向上も見込まれる。さらに、AlがCaとの化合物を形成することにより、耐熱性の向上も見込まれる。一方で、Alの含有量が6.0質量%未満である必要がある。Alの含有量が6.0質量%以上になると伸びが低下しすぎてしまう。また、Mg17Al12相を晶出させて耐熱性が著しく低下するおそれもある。
この発明にかかるマグネシウム合金は、Mnの含有量が、0.10質量%以上である必要があり、0.20質量%以上であると好ましい。Mnを含有することで、不可避不純物としてFeが含まれた際に、Al-Fe-Mn系化合物を形成することで脱鉄効果を発揮して、合金全体としては耐食性の向上が見込まれる。また、Mnを含有することで結晶粒の微細化も見込まれる。Mnの含有量が0.10質量%未満であると、これらの効果を十分に発揮し得なくなる可能性が高くなる。一方、Mnの含有量が、0.60質量%以下である必要があり、0.50質量%以下であると好ましい。Mnが0.60質量%を超えて過剰に含まれると粗大なAl-Mn系化合物が多く晶出し、機械的性質の低下に繋がるおそれが高くなる。
この発明にかかるマグネシウム合金は、Caの含有量が0.50質量%超である必要があり、Caの含有量が0.90質量%以上であると好ましい。Caを加えることで鋳造時の溶湯の難燃性が向上するが、Caの含有量が0.50質量%以下ではその効果が不十分になってしまう。また、CaはAlとの間で化合物を形成し、この化合物が耐熱性に寄与する。Alの含有量が4.5質量%以上と比較的高いとき、十分な量の金属間化合物を形成させるため、Caの含有量は0.90質量%以上であると好ましくなる。一方、Caの含有量が、2.0質量%未満である必要があり、1.8質量%以下であると好ましい。Caの含有量が2.0質量%以上になると引張強さと伸び、耐食性に問題を生じやすくなる。また、Caが過剰に含まれることで、鋳造時に割れの発生や焼着き性の悪化に繋がるおそれもある。
この発明にかかるマグネシウム合金は、Siの含有量が0.10質量%超である必要がある。SiはCaとの間でMg-Ca-Si系化合物を形成し耐熱性向上が見込めるが、その含有量が0.10質量%未満ではこの効果が十分に発揮されない。一方で、Siの含有量が0.40質量%未満である必要がある。Siが過剰に含有されると、上記Mg-Ca-Si系化合物が粗大に晶出し、靭性の低下を招くおそれが高くなる。
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、Ti、Cr、Fe、Ni、Cu、Sr、Zr、Be、Ba、RE(希土類元素)などの元素が挙げられる。いずれの元素も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0.1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。また、不可避不純物を合計した含有量が、0.5質量%未満であると好ましく、0.2質量%未満であるとより好ましく、0.1質量%未満であるとさらに好ましく、検出限界未満であると特に好ましい。
この発明にかかるマグネシウム合金は、上記質量%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%は、原料における値ではなく、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値である。
この発明にかかるマグネシウム合金は、室温で引張強さと伸びに優れるとともに、耐クリープ性に代表される耐熱性、さらに耐食性にも優れたものとなる。また、マグネシウム合金の汎用材と同程度の手順で製造に用いることができ、室温における優れた機械的性質や優れた耐熱性、優れた耐食性が求められる用途において特に好適に用いることができる。このため、半溶融射出成形ではなく、量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造によって、優れた機械的性質、耐熱性、耐食性を有する鋳造構造材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、JIS H 5203「8.検査」のd「引張試験片の作製に必要な供試材の採取」(ISO16220-5に対応する)に基づき合金素材を作製した。すなわち、表1のそれぞれに記載の質量%となるように調整したマグネシウム合金を重力鋳造法により供試材を採取した。なお、記載以外の元素については検出限界未満であった。
それぞれの合金についてJIS Z 2241(ISO6892-1に対応する)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、試験機には万能試験機((株)島津製作所製:UH-500kNX)を用いて、引張強さおよび伸びを測定した。
また、JIS Z 2271(ISO204:2009に対応する)に定めるクリープ試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前記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神港科学器械(株)製:SK-3を用いて、試験温度は175℃、与えた応力は50MPaとして、100時間経過後のクリープ歪(%)を測定した。
さらに、JIS Z 2371(ISO9227:2012に対応する)に定める塩水噴霧試験法に基づいて試験を行った。試験体は重力鋳造で成形した後、機械加工を施し、作製した。試験機はスガ試験機(株)製を使用し、試験方法は中性塩水噴霧試験、試験時間は96時間とした。試験後、酸化クロム(VI)および硝酸銀の混合水溶液中で1分間煮沸し、腐食生成物を除去し、腐食減量を測定した。
下記表1に各試験体の成分比とともに、引張強さ、伸び、クリープ歪みおよび総合評価を示す。評価は悪い方から「B」Bad、「G」Good、「VG」VeryGoodとする。引張強さは150MPa未満を「B」、150MPa以上170MPa未満を「G」、170MPa以上を「VG」と評価した。伸びは3.5%未満を「B」、3.5%以上4.0%未満を「G」、4.0%以上を「VG」と評価した。クリープ歪みは0.25%超を「B」、0.18%超0.25%以下を「G」、0.18%以下を「VG」と評価した。上記3つの項目について、「B」が一つ以上あれば総合評価を「B」とした。「B」を含まず、全ての項目について「G」あるいは「VG」があれば総合評価を「G」とした。さらに、全ての項目が「VG」の場合、総合評価を「VG」とした。
Figure 0007475330000001
Alの含有量が不足した比較例1では、引張強さと伸びの両方が不十分であった。一方、Alの含有量が過剰となった比較例2と比較例6では、伸びがいずれも悪化した。Caの含有量が過剰であった比較例3、5は伸びと引張強さの両方に問題を生じた。Siの含有量が過剰であった比較例4、5も同様に伸びと引張強さに問題を生じた。
参考例1~5はいずれも「G」以上の評価となったが、Alの含有量を参考例1~5よりもさらに増加させた参考例6および8ならびに実施例7、9~11では、引張強さがいずれも向上することが確認された。ただし、Alの含有量を増加させた参考例6および8ならびに実施例7、9~11の中でも、Caの含有量がやや不足気味の参考例6と8ではクリープ歪みの評価が「G」に留まった。だが参考例6および8ならびに実施例7、9~11の中でも、Caの含有量が多い実施例7、9、10、11では、クリープ歪みの評価が「VG」となった。
下記表2に各試験体の成分比とともに、腐食減量を示す。
Figure 0007475330000002
表2に示すように実施例12および13ならびに参考例14および15は、5.00mcd(mg/cm2/day)未満と良好な耐食性を示した。しかしながら、比較例7は5.11mcdと耐食性は十分でなかった。これはCaの含有量が過剰であったために、耐食性が悪化したと考えられる。

Claims (1)

  1. Alを4.5質量%以上6.0質量%未満、Mnを0.10質量%以上0.60質量%以下、Caを0.90質量%以上2.0質量%未満、及び、Siを0.10質量%超0.40質量%未満、含有し、残部がMgと検出限界未満の不可避不純物からなる鋳造用マグネシウム合金(ただし、半溶融射出成形用マグネシウム合金を除く)
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