JPH07107185B2 - 複合材料用マグネシウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、ウイスカ強化複合材料用マグネシウム（本明
細書においてはマグネシウムを単にMgと表す場合があ
る。）合金に関し、更に詳細にはβ型窒化珪素ウイスカ
を強化繊維とし、マグネシウム合金をマトリックスとす
る複合材料用のマグネシウム合金に関する。

従来の技術 繊維強化金属複合材料のマトリックスを成すマグネシウ
ム合金としては、例えばMDC1A（ASTM規格ではAZ91A相
当）、MC7（ASTM規格ではZK61A相当）、MC8（ASTM規格
ではEZ33A相当）などのJIS規格合金、或いはAM60A、AS4
1A、QE22AなどのASTM規格合金が使用されていた。

しかし、これらのマグネシウム合金とβ型窒化珪素ウイ
スカとの組合わせの場合、例えば溶湯鍛造機（鋳込圧が
高い鍛造機）などを用いて複合材に鋳造してもなお耐熱
性が低く、200℃以上の比較的高温では使用できない。

発明が解決しようとする課題 β型窒化珪素ウイスカは、繊維強化金属複合材料の製造
に使用されている種々の強化繊維の中でも高強度を有
し、高温安定性に優れ、かつ熱膨張率が小さい。本発明
者等は、このようなβ型窒化珪素ウイスカの特性を生か
したマグネシウム合金との複合材料について鋭意検討し
た。そして、低熱膨張を必要とする比較的高温、例えば
200℃以上の温度での使用に耐えるβ型窒化珪素ウイス
カ強化マグネシウム複合材料（以下、単に複合材料と記
す場合がある。）の提供を目的にマグネシウム合金成分
について研究を行い、本発明に到達した。

課題を解決するための手段 上述の目的は、本発明によれば、 （１）１〜10％のNdまたはNd系金属を含有し、残りが実
質的にMgであるβ型窒化珪素ウイスカ強化複合材料用マ
グネシウム合金、 （２）マグネシウム合金が更に0.2〜３％のMnを含有す
るものである上記（１）に記載の複合材料用マグネシウ
ム合金、 （３）マグネシウム合金が更に0.5〜６％のＹを含有す
るものである上記（１）および（２）に記載の複合材料
用マグネシウム合金、 （４）マグネシウム合金が更に0.5〜５％のSmを含有す
るものである上記（１）、（２）および（３）に記載の
複合材料用マグネシウム合金、によって達成される。

更に、本発明の目的は、 （５）マグネシウム合金が更に0.5〜８％のCeまたはCe
系金属を含有するものである上記（１）〜（４）に記載
の複合材料用マグネシウム合金、 （６）３〜10％のCe系金属を含有し、残りが実質的にMg
であるβ型窒化珪素ウイスカ強化複合材料用マグネシウ
ム合金、 （７）マグネシウム合金が更に0.2〜３％のMnを含有す
るものである上記（６）に記載の複合材料用マグネシウ
ム合金、 によってより好ましく達成される。上記（１）〜（７）
に記載の複合材料用マグネシウム合金は、マグネシウム
合金としては５％以下のPr、Gd又はScを含んでも一向に
差し支えない。また、（６）および（７）に記載のβ型
窒化珪素ウイスカ強化マグネシウム複合材料は、５％以
下のＹ又はSmを含んでも差し支えない。これらの合金元
素は、希土類元素か又はそれに近い性質の元素であり、
含有量にもよるが、必らずしも有害ではなく場合によっ
ては有益でさえある。なお、本明細書におけるNd、Ｙ、
Sm、Ce、Pr、GdおよびScはそれぞれ原子番号60、39、6
2、58、59、64および21のIII B族の元素であり、Ｙ、Sc
以外は希土類元素である。また、Nd系金属とはNd金属含
有量が70％以上のディディミウムを指し、Ce系金沿とは
Ce含有量が50％以上のミッシュメタルである。

表１にディディミウムおよびミッシュメタルの組成の１
例を示す。

本発明によれば、強化繊維として高強度を有し、高温安
定性に優れ、かつ熱膨張率が低いβ型窒化珪素ウイスカ
を使用し、マトリックスとしてNd含有量が１％以上10以
下であり、残りが実質的にMgであるマグネシウム合金を
使用し、β型窒化珪素ウイスカの体積率を５〜25容量％
に設定することにより、後述する本発明者等が行なった
実験の結果より明らかなように、比較的高温での使用に
耐える複合材料を得ることができる。

複合材料のマトリックスとしてのMgにNdが添加されてで
きるマグネシウム合金は、機械的性質及び耐熱性がかな
り高いが、β型窒化珪素ウイスカで強化すると、それら
の特性がより一層向上する。しかし、Nd含有量が１％未
満ではその効果が充分ではなく、10％を越えると脆くな
り複合材料は実用には適さなくなる。従って、本発明の
複合材料におけるマトリックスとしてのマグネシウム合
金のNd含有量は１％以上10％以下、好ましくは３〜７％
とされる。なお、この場合にNdの代りにNd含有量70％以
上のディディミウムを使用しても同じ効果が得られる。
また、３〜10％のCe系金属（ミッシュメタル）を含有す
る場合には、後述するMg−Nd合金をマトリックスするβ
型窒化珪素ウイスカ強化マグネシウム複合材料のNd含有
量に相応する強度以上の強度、特にクリープ強度が得ら
れる。しかしながら、Ce系金属の含有量が３％より少な
いと、強度が不充分であり、10％を超えるとマグネシウ
ム合金及びその複合材料は脆掛し不適当である。

更に、上述のようなNd含有量のMg−Nd合金をマトリック
スとする複合材料および上述の３〜10％のCe系金属を含
有するマグネシウム合金をマトリックスとする複合材料
においては、β型窒化珪素ウイスカの体積率が５容量％
未満の場合には充分な強度、低い熱膨張率を確保するこ
とができず、この体積率が５〜25容量％の範囲では、複
合材料の強度は体積率の増加とともにほぼ直線的に増加
するが、体積率が25容量％を超えると溶湯の浸透に対す
るβ型窒化珪素ウイスカの抵抗が増し、健全な複合材料
の製造が困難になる。

なお、本明細書におけるパーセンテージは、繊維の体積
率の表現の場合を除きすべて重量％であり、マグネシウ
ム合金の化学成分の表現における「実質的にMg」とは、
マトリックスとしてのマグネシウム合金中に含まれるN
d、Mn、ディディミウム等の添加成分以外の不可避的に
含有されるZn、Si、Fe、Cu、Ni等の不純物の合計が0.5
％以下で残りがMgであることを意味する。

なお、１〜10％のNd又はNd系金属を含有し、残りが実質
的にMgであるβ型窒化珪素ウイスカ強化複合材料用マグ
ネシウム合金に、更に0.2〜３％のMn、0.5〜６％のＹ、
0.5〜５％のSm、0.5〜８％のCeまたはCe系金属を含有さ
せたマグネシウム合金は、β型窒化珪素ウイスカ強化複
合材料用として好適である。

ここで、Mnが0.2％より少ないとMn添加の効果はなく、
３％を超えると脆化の原因となる。Ｙが0.5％より少な
いとＹ添加の効果はなく、６％を超えても耐熱性向上の
効果はない。Smが0.5％より少ないと添加効果はなく、
５％を超えるとマグネシウム合金は脆くなる。Ceまたは
Ce系金属が0.5％より少ないと添加の効果はなく、８％
を超えるとマグネシウム合金は脆くなる。

また、３〜10％のCe系金属を含有し、残りが実質的にMg
であるβ型窒化珪素ウススカ強化複合材料用マグネシウ
ム合金に、更に0.2〜３％のMnを含有させたマグネシウ
ム合金は、β型窒化珪素ウイスカ強化複合材料として好
適である。

ここで、Mnが0.2％より少ないとMn添加の効果はなく、
３％を超えると脆化の原因となる。

以下に本発明を実施例について詳細に説明する。

実施例 実施例１〜８、比較例１〜５ マグネシウム合金AZ92、AZSK1010（宇部興産（株）製造
合金）、AS21、EZ33A、QE22A、Mg−５％Nd、Mg−５％Nd
−１％Mn、Mg−５％Nd−１％Ｙ、Mg−４％Nd−２％MM、
およびMg−５％MM−２％Mn（注…MMはミッシュメタル）
について、250トン堅型ダイカストマシンにより、β型
窒化珪素ウイスカ成形体を用いて、β型窒化珪素ウイス
カ強化マグネシウム複合材料を製造した。使用したマト
リックス合金の組成、製造条件、250トン堅型ダイカス
トマシン金型キャビティ模式図およびβ型窒化珪素ウイ
スカ強化マグネシウム複合材料の模式図を、それぞれ表
２、表３、図１および図２に示す。なお、上記β型窒化
珪素ウイスカ成形体は、宇部興産（株）製β型窒化珪素
ウイスカ（平均繊維長10〜50μｍ、平均繊維径0.1〜1.5
μｍ、100％β−Si₃N₄）をバインダーを使用しないで１
軸プレスにより作製した。

形状は約100mmφ×20mmtの円板状、繊維体積率は約10％
であり、窒化珪素ウイスカは三次元ランダムに配向して
いる。

以下に製造方法を具体的に述べる。まず、図１に示した
250トン堅型ダイカストマシンのスリ ーブにマグネシウム合金溶湯をひしゃくで入れる。
スリーブの内部には上記溶湯の温度低下を防止する
ためセラミックペーパーが置かれている。次に図１に示
すように置中子をセットし、その上にβ型窒化珪素ウイ
スカ成形体を載せる。直ちに図１に示すように、可動
金型が上がら降りて来て閉じられ、キャビティに、
プランジャーの押し上げにより溶湯が押し込まれ
る。型閉時間の45秒が経過後可動金型が上方に移動
し、図２に示されたβ型窒化珪素ウイスカ強化マグネシ
ウム複合材料が取出される。

図２に示したβ型窒化珪素ウイスカ成形体強化マグネシ
ウム複合材料において、円板状の成形体が存在する部分
より、成形体の円形面に平行に試験片を切出して、JIS
規格に準じて200℃で引張り試験、250℃でクリープ破断
試験を行なった。表４に試験結果を示したが、引張試
験、クリープ破断試験ともに、EZ33A以外はＦ材（熱処
理を施していない材料）に依った。

実施例９〜15、比較例６〜９ 実施例１〜８の場合と同様にして、繊維体積率約10容量
％のβ型窒化珪素ウイスカ成形体と表５に示す化学成分
のマグネシウム合金とから250トン堅型ダイカストマシ
ンで複合材料を製造した（繊維強化した場合）。又、表
５の組成のマグネシウム合金を単独で250トン堅型ダイ
カストマシンで鋳造した（繊維強化していない場合）。
この二系列製造物より、実施例１〜８の場合と同じ方法
で試験片を切出し、Ｆ材について、200℃引張試験およ
び250℃クリープ破断試験を実施した。その結果を繊維
強化していない場合を表６（参考例）に、繊維強化した
場合を表７にそれぞれ示した。また、これらの実験結果
のうち、引張試験結果のみを図３にまとめた。

図３より、Ndの適当な含有量は１％以上、10％以下、特
に３〜７％であることが分かる。

実施例16〜20、比較例10 実施例９〜15の実験結果より適当なNd含有量が分かっ
た。そこで適当な成形体繊維体積率を求めるため、まず
繊維体積率が５容量％、10容量％、15容量％、20容量
％、25容量％および30容量％のβ型窒化珪素ウイスカ成
形体を作った。この成形方法は一軸プレスだけか、又は
繊維体積率が不充分な場合は更にラバープレスを併用し
た。このようにして用意したβ型窒化珪素ウイスカ成形
体を用いて、Mg−５％Nd合金について実施例１〜８の場
合と同じようにして複合材料を製造し、その複合材料
（Ｆ材）より試験片を切出して、200℃で引張試験およ
び250℃でクリープ破断試験を行なった。その結果を表
８および図４に示す。

図４より、引張強さおよび耐力は繊維体積率の増加とと
もに繊維体積率25容量％迄は増加するが、それ以上では
増加しない。これは繊維体積率の増加とともに成形体へ
の溶湯の浸透抵抗が増加し、その結果繊維体積率が30容
量％で終に複合材料内部の溶湯不充填等の欠陥が表面化
したためと考えられる。また、繊維体積率が５容量％未
満では引張強さは繊維強化していない合金と余り違いが
ない。これらの結果と、クリープ破断試験結果とを考え
合わせると、繊維体積率平均５〜25容量％が適当と考え
られる。

発明の効果 β型窒化珪素ウイスカを圧縮成形して作った成形体に、
Nd等を添加したマグネシウム合金を高圧下で含浸、凝固
させることにより、本発明の耐熱性に優れた高強度の繊
維強化マグネシウム複合材料が得られた。この複合材料
は200℃引張強さが約30kgf/mm²であり、200℃引張試験
値のバランスが良く、優れたクリープ強度を有してい
る。

従って、軽量、低熱膨張と耐熱性が要求される用途、例
えば自動車用エンジン部品、汎用エンジン部品等の用途
に適している。

【図面の簡単な説明】

図１は250トン堅型ダイカストマシン金型キャビティ部
模式図、図２はβ型窒化珪素ウイスカ強化マグネシウム
複合材料模式図、図３はNd含有量の異なるMg−Nd合金を
繊維強化していない場合と繊維強化した場合の200℃引
張試験結果、そして図４はMg−５％Nd合金をマトリック
スとする複合材料の繊維体積率と200℃引張強さの関係
を示す。 図１および図２において、 ……可動金型、……キャビティ、……固定金型、
……プラテン、……スリーブ、……プランジャ
ー、……置中子、……β型窒化珪素ウイスカ成形
体、……セラミック・ペーパー、……マグネシウム
合金溶湯 を表わす。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１〜10％のNdまたはNd系金属を含有し、残
   りが実質的にMgであるβ型窒化珪素ウイスカ強化複合材
   料用マグネシウム合金。
2. 【請求項２】マグネシウム合金が更に0.2〜３％のMnを
   含有するものである請求項（１）に記載の複合材料用マ
   グネシウム合金。
3. 【請求項３】マグネシウム合金が更に0.5〜６％のＹを
   含有するものである請求項（１）および（２）に記載の
   複合材料用マグネシウム合金。
4. 【請求項４】マグネシウム合金が更に0.5〜５％のSmを
   含有するものである請求項（１）、（２）および（３）
   に記載の複合材料用マグネシウム合金。