JPH0790463A

JPH0790463A - 高比剛性、高比強度マグネシウム基合金及びその製造方法

Info

Publication number: JPH0790463A
Application number: JP24085793A
Authority: JP
Inventors: Akira Kato; 晃加藤; Takeshi Masumoto; 健増本; Akihisa Inoue; 明久井上; Hidehiko Horikiri; 秀彦堀切
Original assignee: Teikoku Piston Ring Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; TPR Co Ltd
Priority date: 1993-09-28
Filing date: 1993-09-28
Publication date: 1995-04-04

Abstract

(57)【要約】【目的】高比剛性、高比強度のマグネシウム基合金を
提供する。【構成】一般式Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ_cにおいて、原子％
で、ａ＝１００−（ｂ＋ｃ）、１０≦ｂ≦２５、２≦ｃ
≦７の範囲にそれぞれ限定した組成を持つ急冷凝固マグ
ネシウム基合金に熱間塑性加工を施し、微細結晶質から
なる母相にＭｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金属間化合物の
１種又は２種以上を析出・分散させた。微細結晶質より
なる母相中に微細な金属間化合物が充分に析出・分散し
ているので、３０ＧＰａ以上の比剛性、３００ＭＰａ以
上の比強度を発揮すると共に高温においても強度低下が
少ない。また、遷移金属を含んでいないので、耐食性に
も優れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、強度に優れた高比剛
性、高比強度マグネシウム基合金、及びその製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】マグネシウムの比重は１．７４で、工業
用金属材料中最も軽量である上、機械的性質もアルミニ
ウム基合金に比較して見劣りしないので、主として航空
機あるいは自動車材料に、特に軽量化や低燃費化に対応
する材料として注目されてきた。しかし、マグネシウム
基合金は強度的に不十分であり、例えば、Ａｌを５〜１
０％、Ｚｎを１〜３％含有するＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系（Ａ
Ｚ９１Ｃ、鋳造材、Ｔ６処理）でも、引張強さが２８０
ＭＰａ、引張耐力（０．２％耐力）が１２０ＭＰａにし
か過ぎない。さらに、高温強度については、温度の上昇
と共に引張強さが低下し、１００℃において２５ｋｇ／
ｍｍ²を割り、２５０℃においては僅かに１０ｋｇ／ｍ
ｍ²までに低下する。

【０００３】そこで、急冷凝固粉末を用いた耐熱性高強
度マグネシウム基合金が種々提案されている。例えば特
開平３−９０５３０号公報には、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系の
合金溶湯を急冷凝固して得た粉末を、２００〜３５０℃
でプレス引抜きし、平均結晶粒径３μｍ未満の微細結晶
質母相に微細金属間化合物粒子を析出・分散させた高強
度マグネシウム基合金で、破壊荷重が５７０〜５９０Ｍ
Ｐａのものが開示されている。

【０００４】また、特開平３−２３６４４２号公報に
は、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ系の合金溶湯を急冷凝固して得た
粉末を、真空中で１５０〜３００℃の温度で熱間圧縮す
ることによりバルク形状物とし、微細結晶質母相に微細
金属間化合物粒子を均一に分散させた高強度マグネシウ
ム基合金で、硬度が約７０〜８２Ｒｓ、０．２％降伏強
さが５３〜７０ｋｓｉ（約４９０ＭＰａ）のものが開示
されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
急冷凝固粉末を用いた高強度マグネシウム合金の発明に
おいては、０．２％耐力が最も高いもので５６０ＭＰａ
であり、またヤング率：Ｅが約４６ＧＰａである。そし
て、比重：ρが約１．８であるため、比強度：σ _0.2／
ρが約３１１ＭＰａ、比剛性：Ｅ／ρが約２５．５ＧＰ
ａであり、航空機、鉄道車両、自動車等の軽量化を進め
る上で、さらに高い比強度、比剛性のマグネシウム基合
金の出現が望まれている。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みてなされたもので
あり、従来のマグネシウム基合金よりもさらに高い比強
度、比剛性を維持した高比剛性、高比強度マグネシウム
基合金を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の高比剛性、高比強度マグネシウム基合金は、一般式
で、Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ_c、ただし、ａ＝１００−（ｂ＋
ｃ）、１０≦ｂ≦２５、２≦ｃ≦７、（ａ、ｂ、ｃはい
ずれも原子％）、の組成を持ち、微細結晶質からなる母
相に、Ｍｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金属間化合物の１種
又は２種以上が分散した組織を有することを特徴とする
ものである。

【０００８】上記一般式Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ_cにおいて、
原子％でｂ、ｃをそれぞれ限定したのは以下の理由によ
る。つまり、ｂが上記範囲より大きい場合は、延性を有
するβ相（体心立方構造）が過剰のため伸びは十分とな
るが強度が不足するからであり、一方ｂが上記範囲より
小さい場合は、β相の量が不十分のため伸びが不十分と
なり脆くなるからである。また、ｃが上記範囲より大き
い場合は、硬さは十分となるが、金属間化合物が粗大化
するため靱性が低下して脆くなるからであり、一方ｃが
上記範囲より小さい場合は、溶質元素量が少ないため金
属間化合物の分散が不十分となり、強度が不足するから
である。

【０００９】また、本発明の高比剛性、高比強度マグネ
シウム基合金の製造方法は、一般式で、Ｍｇ_aＬｉ_bＣ
ａ_c、ただし、ａ＝１００−（ｂ＋ｃ）、１０≦ｂ≦２
５、２≦ｃ≦７、（ａ、ｂ、ｃはいずれも原子％）、の
組成を持つ急冷凝固マグネシウム基合金に、熱間塑性加
工を施し、微細結晶質からなる母相にＭｇ−Ｃａ及びＬ
ｉ−Ｃａの金属間化合物の１種又は２種以上を析出・分
散させることを特徴とするものである。

【００１０】上記急冷凝固マグネシウム基合金として
は、非晶質、非晶質と微細結晶質との混合相、又は微細
結晶質のいずれかの組織を有するものを用いることがで
きる。このような急冷凝固マグネシウム基合金は、例え
ば、上記組成を有する合金溶湯を少なくとも１０²℃／
秒の冷却速度で急速に冷却する液体急冷凝固法により得
ることができる。液体急冷凝固法としては、数１００ｍ
ｇ程度の薄片を得るガン法、ピストン・アンビル法、あ
るいは薄帯を連続的に得ることができる遠心法、単ロー
ル法、双ロール法、粉体が得られるスプレー法、細線と
して得られる回転液中紡糸法などがある。

【００１１】本発明には、単ロール法、双ロール法また
は高圧溶湯噴霧法が特に有効である。これらの方法では
１０²〜１０⁶℃／秒程度の冷却速度が得られる。この
単ロール法、双ロール法により薄帯を製造するには、ノ
ズル孔を通して約３００〜１００００ｒｐｍの範囲の一
定速度で回転している直径３０〜３００ｍｍの銅あるい
は鋼製のロールに溶湯を噴出する。これにより幅が約１
〜３００ｍｍ、厚さが約５〜５００μｍの急冷凝固薄片
を製造することができる。

【００１２】回転液中紡糸法により、急冷凝固細線を得
るには、約５０〜５００ｒｐｍで回転するドラム内に遠
心力により保持された深さ１〜１０ｃｍの冷却液層を形
成し、この回転する冷却液層中に、ノズル孔を通じ、ア
ルゴン背圧にて、溶湯を噴出することにより得られる。
高圧溶湯噴霧法により急冷凝固粉末を得るには、滴下さ
せた溶湯に３．９〜１４．７ＭＰａの高圧の窒素、アル
ゴン、ヘリウムガス、空気などを吹きつけ溶湯を急冷凝
固させる。

【００１３】液体急冷凝固法等によって得られた急冷凝
固マグネシウム基合金が、非晶質であるか、非晶質と微
細結晶質との混合相であるか、又は微細結晶質であるの
かの区別は、通常のＸ線回折法によって知ることができ
る。すなわち、非晶質の存在は、非晶質組織特有のハロ
ーパターンを示し、微細結晶質相が含まれる場合は、そ
れに起因する回折ピークが観察される。

【００１４】急冷凝固マグネシウム基合金に熱間塑性加
工を施す手段としては、引抜き、圧延、鍛造、押出等を
採用することができる。この熱間塑性加工は、液体急冷
凝固法等によって得られた急冷凝固マグネシウム基合金
にそのまま施すことも可能であるが、急冷凝固マグネシ
ウム基合金をＣｕ、Ａｌ又はそれらの合金製の金属缶に
充填して行うことが好ましい。つまり液体急冷凝固法等
によって得られた急冷凝固マグネシウム合金が粉末であ
ればそのまま金属缶に充填し、リボン、薄片、線材等で
あればそのまま若しくは粉砕した後、金属缶に充填して
熱間塑性加工することが好ましい。なお、急冷凝固して
から粉末等を金属缶に充填するに到るまで、粉末等の酸
化を防ぐため、酸素量１ｐｐｍ以下の高清浄度の雰囲気
中で行うことが好ましい。また、金属缶に充填された粉
末等は塑性加工に先立って真空脱ガスすることが好まし
い。さらに、熱間塑性加工時の加工温度は２００〜４５
０℃とすることが好ましい。２００℃未満では粉末固化
が充分でなくバルク化が不十分となり、また非晶質が微
細結晶化しない上に金属間化合物が充分に析出しない。
加工温度が４５０℃を越えると母相の微細結晶が粗大化
して強度が低下する。

【００１５】

【作用】本発明の高比剛性、高比強度マグネシウム基合
金は、一般式Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ _cにおいて、ａ、ｂ、ｃ
がそれぞれ原子％で所定の範囲に限定されているので、
微細結晶質よりなる母相中に、微細なＭｇ−Ｃａ及びＬ
ｉ−Ｃａの金属間化合物の１種又は２種以上が充分に析
出・分散され、最適な微細結晶質組織とされている。

【００１６】したがって、本発明の高比剛性、高比強度
マグネシウム基合金は、極めて高い強度を維持すること
ができるとともに、高い靱性を維持することができ脆く
なることもない。そして、上記ａ、ｂ、ｃの範囲内で
は、比剛性３０ＧＰａ以上、比強度３００ＭＰａ以上の
高比剛性、高比強度のマグネシウム基合金を得ることが
できる。

【００１７】ここで、母相が非晶質の場合、結晶化温度
以上では相変態により結晶化してしまい、強度が低下す
る。しかし、本発明の高比剛性、高比強度マグネシウム
基合金は、母相が微細結晶質よりなるので、このような
相変態が起こらず、高温での熱的安定性が高い。また、
母相中に微細で熱的安定性の高い金属間化合物が充分に
分散しており、この金属間化合物が高温で母相中の変形
を充分に抑制するため、高強度を発揮するとともに、高
温においても強度低下が少ない。

【００１８】さらに、本発明の高比剛性、高比強度マグ
ネシウム基合金は、耐食性を低下させるＣｕやＮｉ等の
遷移金属を含んでいないので、遷移金属を含むものと比
べて耐食性が優れる。また、本発明の高比剛性、高比強
度マグネシウム基合金の製造方法は、一般式Ｍｇ_aＬｉ
_bＣａ_cにおいて、ａ、ｂ、ｃがそれぞれ原子％で所定
の範囲に限定された組成をもつ急冷凝固マグネシウム基
合金に、熱間塑性加工を施すものであり、これにより微
細結晶質の母相が得られるとともに、この母相中に微細
なＭｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金属間化合物の１種又は
２種以上が充分に析出・分散された最適な微細結晶質組
織を有する高比剛性、高比強度マグネシウム基合金が得
られる。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を比較例と対比して説明し本
発明の効果を明らかにする。（実施例）表１に示す化学成分のＭｇ合金を、雰囲気高
周波溶解により溶解し、母合金を作製した。この母合金
をアルゴンガス雰囲気下で高周波炉にて７５０℃に溶解
後、アルゴンガスの圧力１００ｋｇｆ／ｃｍ²の条件下
で、高圧溶湯噴霧法により、急冷凝固マグネシウム基合
金よりなる非平衡相粉末（非晶質単相、非晶質と結晶質
との混合相、又は微細結晶質）を作製した。

【００２０】

【表１】得られた粉末のうち、２５μｍ以下に分級した粉末をＣ
ｕ製の缶に充填し、温度２００〜４００℃、加圧力５０
０〜１０００ＭＰａ、押出比１０：１で押し出し、直径
６ｍｍ、長さ２７０ｍｍの円柱材を得た。押し出しによ
って得た円柱材は真密度であった。なお、粉末作製から
押し出しまで供試材は常に酸素量、水分量ともに１ｐｐ
ｍ以下のアルゴンの高清浄度の雰囲気下で実施した。

【００２１】得られた円柱材について、Ｘ線回折を実施
した結果、それぞれα相（稠密六方構造のＭｇ相）、β
相（体心立方構造のＬｉ相）と、Ｍｇ₂Ｃａ、あるいは
Ｍｇ ₂ＣａとＣａＬｉ₂とからなる３相又は４相より構
成されていた。またＴＥＭ（Transmission Electron Mi
croscopy：透過電子顕微鏡）観察を実施した結果、平均
粒径が約０．５μｍのＭｇ母相中に、粒径約５０ｎｍの
Ｍｇ₂Ｃａの金属間化合物が観察された。

【００２２】次に、円柱材の引張試験を円柱材より作製
した引張試験片により、インストロン型試験機を用いて
行った。得られた結果を表２に示す。

【００２３】

【表２】表２に示したように、本発明の組成の範囲内にある本実
施例に係るマグネシウム基合金は、常温における比剛
性：Ｅ／ρが３０〜３１ＧＰａ、比強度：σ_0.2／ρが
３００〜３１０ＭＰａであって、極めて高比剛性、高比
強度を達成していることが判明し、本発明の効果が確認
された。

【００２４】また、本実施例に係る高比剛性、高比強度
マグネシウム基合金は、上記したように微細な結晶質よ
りなる母相中に、微細な金属間化合物が析出・分散して
いることから、熱的安定性に富み、高温においても強度
低下が少ないと予想される。さらに、遷移金属を含んで
いないことから、耐食性にも優れると予想される。（比較例）表３に示す化学成分のＭｇ合金を、上記実施
例と同様の方法により溶解し、同様の条件で急冷凝固し
て作製した非平衡相粉末から実施例１と同様の条件で熱
間塑性加工して円柱材を得て、円柱材より作製した引張
試験片により、インストロン型試験機を用いて行った。
得られた結果を表４に示す。また、超々ジュラルミン
（Ａ７０７５−Ｔ６）及び一般的なチタン材（Ｔｉ−６
Ａｌ−４Ｖ−Ｔ６）についての試験結果も併せて表４に
示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】

【表４】これらの結果から、本発明の組成の範囲外にある比較例
に係る高強度マグネシウム基合金は、比剛性及び比強度
が低いことが確認された。また、本発明の組成の範囲内
にある実施例に係る高強度マグネシウム基合金は、超々
ジュラルミン（Ａ７０７５−Ｔ６）や一般的なチタン材
（Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ−Ｔ６）などと比べてもより高強
度を達成していることが判明し、本発明の効果が確認さ
れた。

【００２７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る高比
剛性、高比強度マグネシウム基合金は、Ｍｇ、Ｌｉ、Ｃ
ａの最適組成範囲により、微細結晶質よりなる母相中
に、微細なＭｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金属間化合物の
１種又は２種以上が充分に析出・分散され、最適な微細
結晶質組織とされている。

【００２８】このため、本発明の高比剛性、高比強度マ
グネシウム基合金は、極めて高い強度を維持することが
できるとともに、高い靱性を維持することができ脆くな
ることもなく、比剛性３０ＧＰａ以上、比強度３００Ｍ
Ｐａ以上の高比剛性、高比強度を達成することができ
る。また、高温での熱的安定性が高く、高温においても
強度低下が少ない。さらに、本発明の高比剛性、高比強
度マグネシウム基合金は、耐食性を低下させるＣｕやＮ
ｉ等の遷移金属を含んでいないので、遷移金属を含むも
のと比べて耐食性が優れる。

【００２９】したがって、本発明に係る高比剛性、高比
強度マグネシウム基合金を採用すれば、軽量化が進めら
れる航空機や自動車等の要請に有効に応えることができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000215785 帝国ピストンリング株式会社東京都中央区八重洲１丁目９番９号 (72)発明者加藤晃愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者増本健宮城県仙台市青葉区上杉３丁目８番22号 (72)発明者井上明久宮城県仙台市青葉区川内無番地川内住宅 11−806 (72)発明者堀切秀彦宮城県仙台市青葉区米ケ袋２丁目２番55号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一般式で、Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ_c、ただ
し、ａ＝１００−（ｂ＋ｃ）、１０≦ｂ≦２５、２≦ｃ≦７、（ａ、ｂ、ｃはいずれも原子％）、の組成を持ち、微細
結晶質からなる母相に、Ｍｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金
属間化合物の１種又は２種以上が分散した組織を有する
ことを特徴とする高比剛性、高比強度マグネシウム基合
金。
【請求項２】一般式で、Ｍｇ_aＬｉ_bＣａ_c、ただ
し、ａ＝１００−（ｂ＋ｃ）、１０≦ｂ≦２５、２≦ｃ≦７、（ａ、ｂ、ｃはいずれも原子％）、の組成を持つ急冷凝
固マグネシウム基合金に、熱間塑性加工を施し、微細結
晶質からなる母相にＭｇ−Ｃａ及びＬｉ−Ｃａの金属間
化合物の１種又は２種以上を析出・分散させることを特
徴とする高比剛性、高比強度マグネシウム基合金の製造
方法。