JPH07316713A - 高強度高耐食性Ｍｇ基合金及び該合金よりなる鋳物の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 Ａｌ：４〜１０％（重量％、以下同じ）、Ｍ
ｎ：０．４〜０．７％、Ｚｎ：３％以下（０％を含む）
を含み、残部がＭｇおよび不可避不純物からなる高強度
高耐食性のＭｇ基合金鋳物、および上記成分組成を満足
するＭｇ基合金を、８５０℃以上の温度に保持した後、
７５０℃以下の温度まで急冷してから鋳込み、耐食性を
低下させることなく加熱処理による結晶粒の微細化によ
って高強度を得る。 【効果】 Ｍｇ中に適量のＡｌと共にＭｎを添加し、Ｍ
ｇ中に固溶しているＦｅをＡｌＦｅとして固定し、更に
はＡｌ₈ Ｍｎ₅ に捕捉してＭｇ溶湯からＦｅを効率よく
除去することができ、Ｆｅに起因する耐食性の低下を生
じることなく加熱処理による結晶粒微細化によって強度
向上を図ることができ、強度特性と耐食性の両特性を兼
ね備えたＭｇ基合金鋳物を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度高耐食性のＭｇ
基合金および該合金よりなる鋳物の製法に関し、この合
金は、飛行機やヘリコプター等の航空機あるいは自動車
等の如く軽量性が要求されるエンジン部品等として有効
に活用することができる。

【０００２】

【従来の技術】合金元素としてＡｌあるいはＡｌとＺｎ
を含有するＭｇ基合金は、安価且つ軽量で高強度を有し
ているところから、軽量、高強度の要求される前述の様
な用途に広く用いられているが、その最大の難点は耐食
性が不足することである。そこで、不純物元素として混
入してくるＦｅが耐食性に著しく影響を及ぼすという知
見から、Ｆｅ含有量の極力少ない地金を使用することに
よって耐食性を高めることも考えられたが、溶解設備と
して鉄系坩堝を使用する汎用の溶解設備では、地金を高
純度化したとしても、高強度化に必要とされる結晶粒微
細化のための過熱処理（８５０℃程度以上の高温保持）
工程で坩堝からのＦｅ成分の混入が避けられないため、
問題の解決にはならない。

【０００３】そこで、結晶粒微細化のための他の手法と
して種結晶を添加する方法も検討されているが、工業的
に実用化されるまでには至っておらず、しかもこの方法
はリサイクル性に問題がある。また、Ｍｎを添加するこ
とによってＦｅの除去を図る方法も知られており、通常
はＦｅ含有量を５０ｐｐｍ程度以下に抑えると共に、
０．２〜０．３重量％程度のＭｎを含有させることが推
奨されている。

【０００４】この様に、Ｍｎ添加によって耐食性を高め
ようとする考え方は、コスト面においても又リサイクル
性からしても非常に有効な方法と思われるが、Ｍｎ添加
によってもたらされる耐食性向上の機構等については、
ＦｅやＭｎの好適含有比率などを含めて必ずしも詳細な
検討がなされている訳ではなく、現状では、Ｆｅ／Ｍｎ
比を０．０３２以下にすることが好ましいと規定されて
いる程度に過ぎない。

【０００５】他方、純Ｍｇにおける耐食性については、
Ｆｅ含有量が１０ｐｐｍ程度以下であれば、耐食性の問
題は生じないといわれており、０．０１５重量％を超え
る多量になると耐食性が急激に悪くなることが確認され
ている。こうしたＦｅによる耐食性の悪化は、ＭｇとＦ
ｅ含有相との間で生じる電解腐食に起因するものと考え
られているが、いずれにしても腐食を理論的に究明し、
腐食理論に基づいてＭｎ添加量等の好適範囲を割り出す
といった統一的研究はなされておらず、前述の如くＦｅ
／Ｍｎ比を目安にしてこの値を０．０３２以下にすると
いった規定がなされているに過ぎない。

【０００６】上記の様に、Ｍｇ基合金中のＦｅに起因す
る耐食性不足がＭｎ添加によってどの様な理由で改善さ
れるか、という点については理論的究明がなされていな
いところから、結局のところ、Ｍｎ添加による耐食性向
上効果が十分に発揮されていないのが実情である。その
ため、現状ではＦｅ含有量の少ない地金を用い、溶解工
程では、前述の様な結晶粒微細化による高強度化のため
の過熱処理（８５０℃程度以上）を省略することによっ
て、鉄系坩堝からのＦｅ成分の混入を抑制し、Ｆｅ成分
混入による耐食性の劣化を防止している。しかしながら
この方法では、過熱処理による高強度化を達成すること
ができないので、得られるＭｇ基合金鋳物は強度不足に
ならざるを得ない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の様な
状況に着目してなされたものであって、その目的は、Ｍ
ｎ添加によるＭｇ基合金の耐食性向上効果を理論的に究
明し、それによってＭｎの適正な添加量等を明確にする
と共に、高強度化のための過熱処理を採用した場合でも
良好な耐食性を保証できる様な技術を確立しようとする
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決すること
のできた本発明に係る高強度高耐食性Ｍｇ基合金の構成
はＡｌ：４〜１０％、Ｚｎ：３％以下（０％を含む） Ｍｎ：０．４〜０．７％、を含み、残部がＭｇおよび不
可避不純物からなるところに要旨を有するものであり、
また本発明に係る製法の構成は、上記成分組成の要件を
満足するＭｇ基合金を、８５０℃以上の温度に保持した
後、７５０℃以下の温度まで急冷してから鋳込むところ
に要旨が存在する。

【０００９】

【作用】本発明者等は上記の様な状況の下で種々考察を
重ねたところ、Ｍｇ基合金中のＦｅ含有量と耐食性につ
いては、特にＭｇ中に固溶するＦｅ量が影響を及ぼすこ
と、そしてこの合金中へＭｎを添加すると、以下に示す
様な理由によってＭｇ中のＦｅ固溶量が低減し、Ｆｅに
よってもたらされる耐食性低減作用が著しく抑えられる
ことを知った。以下、その経緯を追って本発明の構成及
び作用効果を明確にする。

【００１０】前述の如くＭｎ添加の作用効果が理論的に
不鮮明であることの理由には、Ｍｇ基合金に関する熱力
学的データやミクロ組織の解析が十分に解明されておら
ず、単に結果として現れる耐食性の結果だけを元にして
好適Ｍｎ量等が議論されており、理論立った研究がなさ
れていないところにあるものと思われる。そこで、まず
Ａｌ，Ｍｎ，Ｆｅを含有するＭｇ基合金の溶製及び鋳込
み工程で晶出する晶出物について詳細に検討した。その
結果、晶出物はＦｅＡｌとＡｌ₈ Ｍｎ₅ を主体とするも
のであり、Ａｌ₈ Ｍｎ₅ 中にＦｅが取り込まれているこ
とが確認された。そして、これらのうちＡｌ₈ Ｍｎ₅ は
鋳込み温度に相当する７００℃前後では全て液相として
Ｍｇ中に固溶しており、それ以下の温度で晶出するのに
対し、ＦｅＡｌは８５０℃以下の温度で晶出を開始し、
７００℃前後で晶出が完了する。

【００１１】このことから、鉄系坩堝からＦｅがＭｇ溶
湯中へ混入した場合でも、約７００℃におけるＦｅの固
溶限（０．０１〜０．０１５％）までは、Ｍｇ中に固溶
しているＦｅはＦｅＡｌとなって晶出することによりＭ
ｇ溶湯から除去され、その後はＡｌ₈ Ｍｎ₅ 中に取り込
まれて除去されること、またＡｌ₈ Ｍｎ₅ の生成量はＭ
ｎ添加量に依存しており、Ｍｇ合金中へＭｎを０．４％
以上添加すると、添加されたＭｎは全てがＡｌ₈ Ｍｎ₅
となって晶出することが確認された。

【００１２】尚、Ａｌ₈ Ｍｎ₅ 中に取り込まれるＦｅ量
は５％未満であり、Ｍｇ中のＦｅ固溶量が減少するにつ
れてその捕捉率は低減してくるので、Ｍｇ中の固溶Ｆｅ
量低減という趣旨からすると、Ｍｎ添加量はできるだけ
多くすることが望ましい。即ち固溶Ｆｅ量に対してＭｎ
量を多くすればするほど、Ｍｇ中の固溶Ｆｅ量を低減す
ることが可能となる。但し、Ｍｎ量を多くし過ぎると、
Ａｌ₈ Ｍｎ₅ 晶出物の過度の増大によって機械的特性に
悪影響が現れてくるので、こうした物性の低下を許容範
囲内に抑えるには、Ｍｎ添加量を０．７％以下にするこ
とが必要となる。

【００１３】尚従来例では、耐食性を高めるための制御
要素としてＭｇ基合金中のＦｅ／Ｍｎ比を０．０３２以
下にする、という考え方があったことは先に説明した通
りであるが、後記実施例でも明らかにする様にこうした
考え方は必ずしも正しいものとはいえず、Ｆｅ／Ｍｎ比
がたとえ上記の要件を満足するものであっても、Ｍｎの
絶対量が本発明で規定する上記範囲を外れる場合は、本
発明で意図する様な優れた耐食性を得ることはできな
い。

【００１４】上記のことから、本発明ではＭｇ中の固溶
Ｆｅの効率的捕捉という観点から、Ｍｎ量の下限を全て
がＡｌ₈ Ｍｎ₅ として晶出する０．４％とし、一方上限
については、過度の晶出による機械的特性の劣化を起こ
すことのない０．７％と定めた。かくして本発明によれ
ば、適量のＭｎ添加によって生成するＡｌ₈ Ｍｎ₅ によ
る固溶Ｆｅの捕捉によってＭｇ中の固溶Ｆｅ量を低減す
ることができ、高強度でしかも耐食性に優れたＭｇ基合
金鋳物を得ることが可能となる。しかも、このＭｇ基合
金はコスト的に見ても安価であり、また過熱処理工程で
鉄系坩堝から混入してＭｇ中に固溶するＦｅは、ＦｅＡ
ｌとなって鋳込み温度までにＭｇ溶湯から晶出除去され
るので、そのまま鋳込み原料として使用することができ
る。更にＡｌ₈ Ｍｎ₅ は、鋳込み温度である７００℃前
後でＭｇ溶湯に固溶し、それ以下の温度で晶出して固溶
Ｆｅを捕捉除去する作用を発揮するものであり、該可逆
反応を利用することによって永久にリサイクルすること
が可能となる。

【００１５】次に、本発明におけるＭｇ基合金中に含ま
れるその他の合金元素の含有量を定めた理由について説
明する。 Ａｌ：４〜１０％ Ａｌは、Ｍｇ基合金としてのクリープ強度を高めると共
に、前述の如くＦｅＡｌとして固溶Ｆｅを除去し、また
Ａｌ₈ Ｍｎ₅ の生成によって固溶Ｆｅを捕捉除去するの
に不可欠の元素であり、これらの効果を有効に発揮させ
るには少なくとも４％以上含有させなければならない。
しかしＡｌを過度に含有させると、Ａｌ ₈ Ｍｎ₅ を生成
させるのに多量のＭｎを添加しなければならなくなり、
晶出物（Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂）の過度の増大によって機械的特
性、殊に延性に悪影響が現われてくるので、１０％を上
限とする。Ａｌのより好ましい含有率は６〜９％の範囲
である。

【００１６】Ｚｎ：３％以下 Ｚｎは、本発明において必ずしも必須という訳ではない
が、適量のＺｎは、本発明合金系で析出するＭｇ₁₇Ａｌ
₁₂化合物の析出を促進し、引張特性やクリープ特性を一
段と高める作用を発揮する。こうした効果は０．３％程
度以上含有させることによって有効に発揮されるが、多
過ぎると鋳造性を著しく悪化させるので、３％以下に抑
えなければならない。

【００１７】上記の様に本発明では、適量のＡｌを添加
することによって、鋳込み温度以上の条件下での固溶Ｆ
ｅ（鉄系坩堝からの混入物を含む）をＦｅＡｌとして晶
出除去し、また適量のＭｎを含有させてＡｌ₈ Ｍｎ₅ を
生成させることにより鋳込み温度以下の温度で残存する
固溶Ｆｅの捕捉を行ない、更には必要により添加される
ＺｎによるＭｇ₁₇Ａｌ₁₂化合物の析出促進によって引張
強度やクリープ特性の更なる向上を図るものである。

【００１８】従ってこうした特徴は、当該成分組成を満
足するＭｇ基合金溶湯を用いて鋳造を行なう際に、従来
例では固溶Ｆｅ量の増大による耐食性の低下を防止する
ために採用できなかった、結晶粒微細化のための高温過
熱処理を、積極的に採用することによって有効に生かす
ことができる。即ち、上記成分組成を満足するＭｇ基合
金溶湯を、８５０℃以上の温度で保持し、７５０℃以下
の鋳込み温度にまで急冷してから鋳込む方法を採用すれ
ば、高温保持後の急冷によって結晶粒の微細化が達成さ
れて高強度化を達成することができ、該高温保持工程で
鉄系坩堝から混入してくる固溶Ｆｅの殆どは、前述の如
くＦｅＡｌとして鋳込み温度までに晶出除去され、更に
残存する固溶ＦｅはＡｌ₈ Ｍｎ₅ に捕捉されれることに
なり、固溶Ｆｅによる耐食性劣化の問題も解消され、高
強度高耐食性のＭｇ基合金鋳物を得ることが可能とな
る。

【００１９】尚上記では、合金元素として適量のＭｎを
添加することによって、鋳込み温度以下の温度条件下で
の固溶Ｆｅの除去を行なう場合について説明したが、こ
うしたＭｎの効果は、その代替元素としてＳｉ，Ｙ，Ｌ
ａ，Ｔｈ，Ｔｉ等を使用することによっても得ることが
可能である。即ち、これらの元素もＡｌと金属間化合物
を形成して固溶Ｆｅ捕捉効果を発揮し、Ｍｎ添加の場合
とほぼ同様の耐食性改善効果を享受することができる。
これら各元素の好ましい添加量は、Ｍｎの場合と同様の
理由から、Ｓｉは０．５〜１．５％、Ｙは１〜５％、Ｌ
ａは０．５〜１％、Ｔｈは０．５〜１％、Ｔｉは０．５
〜１％の範囲が夫々適当であり、必要によってはこれら
の２種以上を併用することも可能である。

【００２０】

【実施例】次に本発明の実施例を示すが、本発明はもと
より下記実施例によって制限を受けるものではなく、前
後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施
することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の
技術的範囲に含まれる。 実施例１ 鉄系坩堝を使用し、代表的なＭｇ基合金であるＡＺ９１
（Ｍｇ−９％Ａｌ−０．７％Ｚｎ）合金にＭｎを０．０
０１〜１％添加してなる合金溶湯を使用し、９００℃で
１０分間の 処理を施した後１℃／ｓｅｃで鋳込み温
度（７００℃）まで急冷してから鋳込みを行なって得た
鋳物と、７００℃で溶解した後鋳込みを行なって得た鋳
物について、塩水噴霧試験（３％ＮａＣｌ水溶液を７日
間噴霧）による腐食減量を調べた。結果は表１に示す通
りであり、いずれの場合もＭｎ添加量を増大するにつれ
て腐食減量は少なくなり耐食性は高まっていることが分
かる。また、過熱処理の有無でＭｎ添加の影響は殆ど変
わっておらず、本発明の考え方、即ち過熱処理工程で鉄
系坩堝から混入してくるＦｅ成分はＦｅＡｌとして固定
され、Ｍｇ中の固溶Ｆｅによる耐食性の低下が生じない
ことを確認することができる。

【００２１】

【表１】

【００２２】実施例２ 鉄系坩堝を使用し、Ｍｇ−９％Ａｌ合金をベースとしこ
れにＭｎ添加量を種々変えたものについて、９００℃×
５分間の加熱処理後５０℃／分で急冷し、７５０℃で鋳
込み鋳造を行なったものについて、下記の方法で物性試
験を行なった。 試験片形状 ：ＪＩＳ Ｚ ２２０１ 引張試験 ：ＪＩＳ Ｚ ２２４１ 結果は表２に示す通りであり、引張強度、０．２％耐
力、伸び率の何れにおいてもＭｎ添加量が０．７％まで
は殆ど変わらないが、０．７％を超えると急激な低下が
認められる。この結果より、強度特性の低下を抑えるに
は、Ｍｎ量を０．７％以下に抑えるべきであることが分
かる。

【００２３】

【表２】

【００２４】実施例３ 過熱処理工程でのＦｅ成分の混入を抑えるため黒鉛坩堝
を使用し、Ｍｇ−９％Ａｌ合金にＦｅのみを添加したも
のと、Ｆｅを１５０ｐｐｍ（鋳込み温度でのＦｅ固溶
量）添加すると共に０．００１〜１％のＭｎを添加した
ものについて、実施例２と同様の条件で過熱処理、急
冷、鋳込みを行ない、得られた各鋳物の腐食減量を実施
例１と同様にして測定した。

【００２５】結果は表３に示す通りであり、Ｍｎ無添加
の場合、Ｆｅ添加量が多くなるにつれて腐食減量は明ら
かに増大しており、耐食性の低下を確認することができ
る。しかし相当量のＦｅを含有する場合でも、同時に適
量のＭｎを添加してやると固溶Ｆｅ量の増大が抑えら
れ、高レベルの耐食性を確保し得ることが分かる。ま
た、Ｍｎ添加による耐食性向上効果はＭｎ添加量が約
０．７％で飽和しており、それ以上の添加は、前記表２
の結果からも好ましくない。

【００２６】

【表３】

【００２７】実施例４ Ｆｅ含有量が４０ｐｐｍ、Ｍｎ含有量が０．２３％のＡ
Ｚ９１系Ｍｇ基合金地金（Ｆｅ／Ｍｎ：約０．０２）
と、それにＦｅとＭｎを夫々追加してＦｅ含有量を１１
０ｐｐｍ、Ｍｎ含有量を０．５％としたＭｇ基合金（Ｆ
ｅ／Ｍｎ：約０．０２）を夫々溶製し、その耐食性を上
記実施例３と同様にして調べた。結果は表４に示す通り
であり、Ｆｅ／Ｍｎ比が略同じのものであっても、Ｍｎ
添加量を多くしたものの方が明らかに優れた耐食性を示
しており、Ｆｅ／Ｍｎ比よりもＭｎの添加量そのものが
Ｆｅ含有Ｍｇ基合金の耐食性に大きく影響を及ぼすこと
が確認できる。

【００２８】

【表４】

【００２９】実施例５ 鉄系坩堝を使用し、Ｍｇ−６％Ａｌ−０．５％Ｍｎ合金
をベースとし、これにＺｎを種々の添加量で加えたもの
について、実施例２と同様の過熱処理、急冷及び鋳込み
条件で鋳造を行ない、夫々について上記と同様にして物
性試験を行なった。結果は表５に示す通りであり、適量
のＺｎを添加すると、引張特性やクリープ強度を一段と
高め得ることが分かる。但し、Ｚｎ添加量が３％を超え
ると、引張延性の低下および鋳造性が悪くなる傾向が現
われてくるので、Ｚｎは３％程度以下に抑えることが望
ましい。

【００３０】

【表５】

【００３１】

【発明の効果】本発明は以上の様に構成されており、Ｍ
ｇ中に適量のＡｌと共にＭｎを添加し、Ｍｇ中に固溶し
ているＦｅをＡｌＦｅとして固定し、更にはＡｌ₈ Ｍｎ
₅ によって捕捉することにより、Ｆｅに起因する耐食性
の低下を最小限に抑えることができ、耐食性の良好なＭ
ｇ基合金を提供し得ることになった。しかもこの合金を
用いて鋳造を行なうに当たっては、過熱処理工程で鉄系
容器から混入してくるＦｅも確実に捕捉除去されるの
で、耐食性を低下させることなく過熱処理を行なって結
晶粒微細化による強度向上を図ることができ、強度特性
と耐食性の両特性を兼ね備えたＭｇ基合金鋳物を得るこ
とができる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ａｌ：４〜１０％（重量％、以下同じ）、 Ｚｎ：３％以下（０％を含む） Ｍｎ：０．４〜０．７％、を含み、残部がＭｇおよび不
   可避不純物からなることを特徴とする高強度高耐食性Ｍ
   ｇ基合金。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の成分組成を満足するＭ
   ｇ基合金よりなる溶湯を、８５０℃以上の温度に保持し
   た後、７５０℃以下の温度まで急冷してから鋳込むこと
   を特徴とする高強度高耐食性Ｍｇ基合金鋳物の製法。