WO2012057329A1 - マグネシウム合金部材、エアコン用圧縮機及びマグネシウム合金部材の製造方法 - Google Patents

マグネシウム合金部材、エアコン用圧縮機及びマグネシウム合金部材の製造方法 Download PDF

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平渡　末二
秀紀 細井
福井　毅
誠 福島
重晴 鎌土
智之 本間
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サンデン株式会社
国立大学法人長岡技術科学大学
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    • F05C2201/028—Magnesium

Definitions

  • the present invention relates to a magnesium alloy member containing aluminum, calcium, and manganese, a compressor for an air conditioner using the magnesium alloy member as a mechanical component, and a method for manufacturing the magnesium alloy member.
  • Patent Documents 1 to 3 disclose a magnesium alloy with improved castability and heat resistance
  • Patent Document 4 discloses a magnesium alloy with improved strength and forgeability at high temperatures.
  • JP 2004-232060 A JP 2007-197796 A JP 2004-162090 A JP 2000-104137 A JP 2000-109963 A
  • the present invention provides a magnesium alloy member and a method for manufacturing the magnesium alloy member that can exhibit mechanical strength and fatigue strength at high temperatures that can be applied to mechanical parts of a compressor for an automobile air conditioner, and are necessary.
  • An object of the present invention is to provide a compressor for an air conditioner including a mechanical component made of a magnesium alloy having mechanical strength and fatigue strength at high temperature.
  • the present invention contains, by mass%, 0.3 to 10% calcium, 0.2 to 15% aluminum, 0.05 to 1.5% manganese, and calcium / aluminum.
  • the mass ratio is 0.6 to 1.7, and the cast material of the magnesium alloy consisting of magnesium and inevitable impurities is plastically processed at 250 to 500 ° C.
  • the Mg—Ca compound and the Mg—Al—Ca compound crystallize at the grain boundary, and the mechanical strength and heat resistance at room temperature are improved.
  • These crystallized substances change when the mass ratio of Ca / Al is changed.
  • Mg 2 Ca which is an Mg—Ca based compound
  • (Mg, Al) 2 Ca which is an Mg—Al—Ca-based compound, crystallize at the same time, which has a great effect on improving mechanical strength and heat resistance.
  • the magnesium alloy member after plastic working at 250 to 500 ° C. has a mechanical strength required for a mechanical part of a compressor for an automobile air conditioner and a fatigue strength at a high temperature, and a 0.2% proof stress at room temperature is 300 MPa. As described above, the fatigue strength at 150 ° C. appears 100 MPa or more. If the plastic working temperature is below 250 ° C., a sufficient amount of strain cannot be secured, so that molding cannot be performed and cracking occurs, and if it exceeds 500 ° C., high temperature oxidation and partial melting occur. However, the improvement effect of fatigue strength cannot be expected.
  • a solution treatment and an artificial aging treatment can be performed.
  • a solution treatment for holding at a processing temperature of 450 to 510 ° C. for 0.08 hours or more is performed.
  • the treatment temperature for solution heating is in the range of 450 to 510 ° C, the grain boundaries and the inside of the grains are strengthened by fine precipitates, local deformation is suppressed, and the uniform deformation region becomes large. Softening hardly occurs and high temperature fatigue strength is improved.
  • the treatment temperature for solution heating is lower than 450 ° C., it is difficult to form a solid solution, the amount of precipitates in the grain boundaries and grains is reduced, and an appropriate state cannot be obtained, and improvement in high temperature fatigue strength cannot be expected.
  • the treatment temperature for solution heating exceeds 510 ° C., burning occurs in which a part of the alloy melts, resulting in pore defects.
  • the solution heat treatment time is less than 0.08 hours, sufficient solution treatment cannot be performed, and therefore the holding time is preferably longer than 0.08 hours.
  • the cooling used for quenching may be warm water or may be added with any additive, and various types of cooling can be applied as long as they are known quenching cooling.
  • the treatment temperature in the artificial aging treatment is lower than 150 ° C, the treatment time becomes longer in order to improve to an appropriate hardness, and when the treatment temperature exceeds 250 ° C, the hardness and strength are reduced.
  • the treatment temperature in the treatment is preferably in the range of 150 to 250 ° C.
  • the retention time of the artificial aging treatment is less than 0.3 hours, sufficient age hardening cannot be obtained. Therefore, the retention time in the artificial aging treatment is preferably 0.3 hours or more.
  • extrusion processing can be performed. When the extrusion processing is performed at 250 to 500 ° C., fatigue strength can be improved while suppressing cracking and surface oxidation.
  • said magnesium alloy member can be used for the mechanism components of the compressor for air conditioners.
  • mechanical strength applicable to mechanical parts of compressors for automobile air conditioners and fatigue strength at high temperature is 300 MPa or more, and fatigue strength at 150 ° C. is 100 MPa.
  • the magnesium alloy member which can appear the above can be provided.
  • an air conditioner compressor using such a magnesium alloy member as a mechanical component can be provided.
  • the mechanical strength and high-temperature fatigue strength substantially the same as those of a high-strength aluminum alloy can appear in a magnesium alloy member, so that it can be replaced with a magnesium alloy member having a lower specific gravity than a high-strength aluminum alloy.
  • the weight of the compressor for an automobile air conditioner can be significantly reduced.
  • Table 1 shows the tensile strength (MPa) at room temperature, for example, 10 to 35 ° C. and 0.2% for each of a plurality of types of samples in which the contents (mass%) of aluminum Al, calcium Ca, and manganese Mn in the magnesium alloy are changed. Yield strength (MPa) is shown. “Decision” in Table 1 indicates that the 0.2% proof stress is 300 MPa or more, which is a value required for a mechanical part of a compressor for an automobile air conditioner, and the 0.2% proof stress is less than 300 MPa. This is indicated by a cross.
  • 300 MPa as a required value of 0.2% proof stress is 0.2 of the aluminum alloy forging material that has been subjected to the T6 treatment that is subjected to the artificial aging treatment after the solution treatment, which is used for a mechanical part of a compressor for an automobile air conditioner.
  • % Proof stress was set as a standard. Samples obtained from the results in Table 1 were prepared by casting magnesium alloys having the contents shown in the table, and this cast material was subjected to plastic working, specifically hot indirect extrusion, Heat treatment (T6 treatment) is not performed.
  • alloy melting was performed in the air using an electric resistance furnace, and a mixed gas of SF 6 and CO 2 was used to prevent oxidation of the molten metal. Then, after stirring, Ar gas was flowed for bubbling to remove oxide when Ca was added, and cast into a billet mold heated to 300 ° C. to prepare a casting material.
  • Ar gas was flowed for bubbling to remove oxide when Ca was added, and cast into a billet mold heated to 300 ° C. to prepare a casting material.
  • For indirect extrusion use a hydraulic press machine and put the sample for extrusion into a mold heated to 350 ° C, hold it for 10 minutes, then start extrusion with an extrusion ratio of 20. did.
  • the extrusion ratio is the cross-sectional area before plastic working / the cross-sectional area after plastic working.
  • the samples of Examples 1 to 11 contain 0.3 to 10% calcium Ca, 0.2 to 15% aluminum Al, and 0.05 to 1.5% manganese Mn.
  • a magnesium alloy casting material having a mass ratio of aluminum Al of 0.6 to 1.7 and the balance of magnesium Mg and unavoidable impurities is subjected to plastic processing (extrusion processing) at 350 ° C.
  • plastic processing extrusion processing
  • at least one of the content ratio of calcium Ca, the content ratio of aluminum Al, the content ratio of manganese Mn, and the mass ratio of calcium Ca / aluminum Al is out of the above range.
  • a magnesium alloy casting material is subjected to plastic processing (extrusion processing) at 350 ° C.
  • Ca + Al in Table 1 represents the total mass% of calcium Ca and aluminum Al.
  • calcium Ca content 0.3-10%
  • aluminum Al content 0.2-15%
  • manganese Mn content 0.05-1.5%
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 4 in which the Ca Ca content is outside the range of 0.3 to 10%
  • Comparative Example 2 in which the Al content is outside the range of 0.2 to 15%
  • the 0.2% proof stress is lower than the required value of 300 MPa, indicating that it cannot be used as a mechanical part of the compressor.
  • the mass ratio of calcium Ca / aluminum Al is 0 as in Comparative Example 5 and Comparative Example 6. Outside the range of .6 to 1.7, the 0.2% proof stress is below the required value of 300 MPa, indicating that it cannot be used as a mechanical part of a compressor.
  • the calcium Ca content and the aluminum Al content are in the range of 0.3 to 10%, and the calcium Ca / aluminum Al mass ratio is in the range of 0.6 to 1.7.
  • the 0.2% proof stress is lower than the required value of 300 MPa, indicating that it cannot be used as a mechanical part of the compressor.
  • the Mg—Ca compound and the Mg—Al—Ca compound crystallize at the grain boundary, and the mechanical strength and heat resistance at room temperature are improved.
  • Mg 2 Ca which is an Mg—Ca compound and Mg—Al—Ca compound are used. It is presumed that (Mg, Al) 2 Ca was crystallized at the same time, and the mechanical strength and heat resistance were improved.
  • Comparative Example 6 when the mass ratio of calcium Ca / aluminum Al is greater than 1.7, only Mg 2 Ca or a slight amount of (Mg, Al) 2 Ca is crystallized.
  • Table 2 shows the content of Example 3 shown in Table 1, that is, calcium Ca 3.3%, aluminum Al 3.7%, manganese Mn 0.33%, calcium Ca / aluminum Al mass ratio.
  • required 0.2% yield strength in each sample after making the extrusion ratio and extrusion temperature in extrusion processing (plastic processing) performed to this casting material differ in multiple types is shown.
  • the extrusion ratios were set to four types of 10, 20, 40, and 60. If the extrusion temperature at each extrusion ratio was within the range of 250 to 500 ° C., cracks and surface oxidation occurred. Without generating, the 0.2% proof stress exceeded the required value of 300 MPa.
  • Table 3 shows the fatigue strength (150 ° C.) after the heat treatment (T6 treatment) and after the heat treatment (T6 treatment) after the plastic working at 250 to 500 ° C. (after the extrusion process). The results of measuring high temperature fatigue strength) are shown.
  • the content rate of Example 3 shown in Table 1 that is, calcium Ca is 3.3%, aluminum Al is 3.7%, manganese Mn is 0.33%, calcium Ca / aluminum Al.
  • Table 3 shows the 150 ° C. fatigue strength of the JIS prescribed material Al alloy forging (A4032-T6) as a comparison object.
  • Al alloy forging material (A4032-T6) is used in a compressor for an automobile air conditioner, if 150 ° C. fatigue strength equal to or higher than 150 ° C. fatigue strength (100 MPa) of this A4032-T6 can appear, It can be used as a member that replaces A4032-T6.
  • the fatigue tests (rotary bending test) and fatigue strength calculations obtained in Table 3 were performed according to the Japan Society of Mechanical Engineers, “The Japan Society of Mechanical Engineers Standard Statistical Fatigue Test Method (Revised Version) JSME S-002-1994”.
  • the test temperature was 150 ° C.
  • the rotation speed was 3000 rpm
  • the frequency was 50 Hz
  • the stress ratio R was ⁇ 1.
  • the fatigue strength in Table 3 is the result at 10 7 times.
  • the test piece used for the fatigue test is a round bar type test piece, the diameter of the chuck part is 8.5 mm, the diameter of the fracture part is 4 mm, and sampled so that the direction of extrusion and the direction of load loading are perpendicular.
  • the fractured portion was polished with water-resistant abrasive paper and then buffed to finish.
  • an artificial aging treatment for 2 hours using a 180 ° C. oil bath is performed. gave.
  • the heat treatment time (holding time) is the time after the sample is introduced.
  • the A4032-T6 has a 150 ° C. fatigue strength of 100 MPa, whereas plastic processing is performed at a temperature of 250 to 500 ° C., specifically, after extrusion at 350 ° C.
  • the 150 ° C. fatigue strength of the magnesium alloy member not subjected to the heat treatment (T6 treatment) is 117 MPa, whereas the magnesium alloy member 150 subjected to the heat treatment (T6 treatment) after being subjected to the same plastic working with the same material.
  • the fatigue strength at ° C. was 132 MPa.
  • magnesium alloy member formed by subjecting a magnesium alloy casting material having a mass ratio of 0.6 to 1.7 to plastic processing at 250 to 500 ° C. without being subjected to heat treatment (T6 treatment) 0.2% proof stress at room temperature and fatigue strength at high temperatures that can be used for mechanical parts of air conditioner compressors, specifically, 0.2% proof stress at room temperature of 300 MPa or higher and 150 ° C. fatigue strength of 100 MPa or higher. Furthermore, if heat treatment (T6 treatment) is performed, the fatigue strength at high temperature becomes stronger. Therefore, the mechanical parts of the compressor for an automotive air conditioner that uses a high-strength aluminum alloy can be formed of a magnesium alloy member, thereby realizing a significant weight reduction of the compressor.
  • the heat treatment in the heat treatment (T6 treatment), in the solution treatment performed after the plastic working (extrusion processing), it is preferable to hold at a processing temperature of 450 to 510 ° C. for 0.08 hours or more, and the artificial aging treatment performed after the quenching treatment In this case, it is preferable to hold at a treatment temperature of 150 to 250 ° C. for 0.3 hour or longer.
  • the treatment temperature for solution heating is in the range of 450 to 510 ° C, the grain boundaries and the inside of the grains are strengthened by fine precipitates, local deformation is suppressed, and the uniform deformation region becomes large. Softening hardly occurs and high temperature fatigue strength can be improved.
  • the treatment temperature for solution heating is lower than 450 ° C.
  • it is difficult to form a solid solution and the precipitates in the grain boundaries and grains are lowered and do not become an appropriate state, and an improvement in high temperature fatigue strength is expected. Can not.
  • the treatment temperature for solution heating exceeds 510 ° C., burning occurs in which a part of the alloy melts, resulting in pore defects.
  • the solution heat treatment time is less than 0.08 hours, sufficient solution treatment cannot be performed, and therefore, the holding time is preferably longer than 0.08 hours.
  • the processing temperature in the artificial aging treatment when the processing temperature in the artificial aging treatment is lower than 150 ° C., the processing time is increased to improve the appropriate hardness, and when the processing temperature is higher than 250 ° C., the hardness and strength are reduced.
  • the treatment temperature in the artificial aging treatment is preferably in the range of 150 to 250 ° C. Further, if the retention time of the artificial aging treatment is less than 0.3 hours, sufficient age hardening cannot be obtained. Therefore, the retention time in the artificial aging treatment is preferably 0.3 hours or more.
  • the temperature and holding time in the heat treatment (T6 treatment) from which the results shown in Table 3 were obtained satisfy the above temperature range and time range.
  • the 0.2% proof stress at room temperature required for the mechanical parts of the compressor for an automotive air conditioner is 300 MPa or more, at 150 ° C.
  • a fatigue strength of 100 MPa or more can appear, and it can be used in place of the conventionally used Al alloy forging material A4032.
  • the specific gravity of the magnesium alloy member is smaller than the Al alloy forging material A4032, if the mechanical parts of the compressor for an automotive air conditioner are formed of a magnesium alloy, the weight of the compressor can be greatly reduced, the weight of the vehicle can be reduced, It can contribute to improving fuel efficiency.
  • Examples of the mechanical parts of the magnesium alloy member and the compressor for an automotive air conditioner to which the magnesium alloy member according to the present invention is applied include a swash plate compressor shoe and a piston, and a scroll compressor spiral.
  • the magnesium alloy member and the manufacturing method of the magnesium alloy member according to the present invention were developed on the premise that they are applied to mechanical parts of a compressor for an automobile air conditioner.
  • the present invention is not limited to mechanical parts, but can be applied to mechanical parts of stationary air conditioner compressors.
  • the plastic processing is not limited to extrusion processing, and may be forging processing, rolling processing, drawing processing, or the like.

Abstract

本願発明は、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に適用可能な機械的強度及び高温での疲労強度を出現できるマグネシウム合金部材及びその製造方法を提供し、更に、必要な機械的強度及び高温での疲労強度を備えたマグネシウム合金を機構部品に使用し、重量を軽減した自動車エアコン用圧縮機を提供する。具体的には、質量％で、カルシウムＣａを０．３～１０％、アルミニウムＡｌを０．２～１５％、マンガンＭｎを０．０５～１．５％含有し、Ｃａ／Ａｌの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウムＭｇ及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材を、２５０～５００℃で塑性加工（押出し加工）してマグネシウム合金部材を形成する。これにより、マグネシウム合金部材において、室温における０．２％耐力が３００ＭＰａ以上、１５０℃における疲労強度が１００ＭＰａ以上を出現できる。

Description

マグネシウム合金部材、エアコン用圧縮機及びマグネシウム合金部材の製造方法
　本発明は、アルミニウム、カルシウム、マンガンを含有するマグネシウム合金部材、当該マグネシウム合金部材を機構部品に使用したエアコン用圧縮機、及び、前記マグネシウム合金部材の製造方法に関する。
　自動車部品において、軽量化のために、低比重であるマグネシウム合金を用いる場合がある。従来、マグネシウム合金の適用部品は、高強度や耐熱性が要求されないケーシングやカバーなどの部品が主であった。しかし、強度や耐熱性を向上させたマグネシウム合金が開発されている。
　例えば、特許文献１～３には、鋳造性及び耐熱性を向上させたマグネシウム合金が開示され、特許文献４には、高温での強度及び鍛造性を向上させたマグネシウム合金が開示されている。
特開２００４－２３２０６０号公報 特開２００７－１９７７９６号公報 特開２００４－１６２０９０号公報 特開２０００－１０４１３７号公報 特開２０００－１０９９６３号公報
　ところで、自動車エアコン用圧縮機は、エンジン近傍に設置され、暴露温度が１００～１５０℃程度になる。このため、圧縮機の部品素材には耐熱性が求められ、更に、圧縮機における圧縮を担う機構部品では、高温での高い疲労強度が求められる。
　しかし、特許文献１～３に開示されるマグネシウム合金は鋳造用であるため、機械的強度が不十分であり、圧縮機のような高温での高強度が要求される部品には適用できない。
　また、特許文献４，５に開示されるマグネシウム合金は、強度及び鍛造性に優れているとしても、高温疲労強度に関する検証がなく、圧縮機の機構部品への適用可能性が不確かであった。
　更に、マグネシウム合金に高価な希少金属を添加すれば、マグネシウム合金の強度を上げることができるが、この場合、コスト高となってしまい、圧縮機の機構部品の素材としては不向きである。
　そこで、本発明は、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に適用可能な機械的強度及び高温での疲労強度を出現できる、マグネシウム合金部材及びマグネシウム合金部材の製造方法を提供すること、及び、必要な機械的強度及び高温での疲労強度を備えたマグネシウム合金製の機構部品を備えたエアコン用圧縮機を提供すること、を目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明は、質量％で、カルシウムを０．３～１０％、アルミニウムを０．２～１５％、マンガンを０．０５～１．５％含有し、カルシウム／アルミニウムの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材を、２５０～５００℃で塑性加工することを特徴とする。
　カルシウムＣａとアルミニウムＡｌとの双方を添加することで、Ｍｇ‐Ｃａ系化合物と、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｃａ系化合物が粒界に晶出し、室温での機械的強度及び耐熱性が向上する。
　これらの晶出物は、Ｃａ／Ａｌの質量比が変わることで変化し、特に、Ｃａ／Ａｌの質量比を０．６～１．７とした場合、Ｍｇ‐Ｃａ系化合物であるＭｇ2Ｃａと、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｃａ系化合物である（Ｍｇ，Ａｌ）2Ｃａとが同時に晶出し、機械的強度と耐熱性の向上に大きな効果がある。
　一方、Ｃａ／Ａｌの質量比が１．７よりも大きくなると、Ｍｇ2Ｃａのみ、若しくは、僅かな（Ｍｇ，Ａｌ）2Ｃａが晶出する程度で、機械的強度の向上効果は期待できない。また、Ｃａ／Ａｌの質量比が０．６よりも小さくなると、Ｍｇ‐Ａｌ系化合物であるβ‐Ｍｇ17Ａｌ12が晶出し、耐熱性に悪影響を及ぼす。
　また、マンガンＭｎを少量添加することで、結晶粒径が微細化し、機械的強度が向上する。マンガンＭｎの添加量は、０．０５～１．５％の範囲が適切であり、この範囲を外れると、結晶粒径の微細化の効果が低くなって、機械的強度の向上効果は期待できない。
　そして、上記組成のマグネシウム合金からなる鋳造素材に、２５０～５００℃で塑性加工を施すと、高温での高い疲労強度を出現できる。そして、２５０～５００℃での塑性加工後のマグネシウム合金部材は、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に要求される機械的強度及び高温での疲労強度である、室温における０．２％耐力が３００ＭＰａ以上、１５０℃における疲労強度が１００ＭＰａ以上を出現する。
　尚、塑性加工の温度が２５０℃を下回ると、充分な歪み量を確保できないために成形ができず、割れなどが発生し、また、５００℃を上回ると、高温酸化や部分的な溶解が発生し、疲労強度の向上効果は期待できない。
　ここで、前記塑性加工後に、溶体化処理及び人工時効処理を施すことができ、好ましくは、塑性加工後に、４５０～５１０℃の処理温度に０．０８時間以上保持する溶体化処理を施した後、１５０～２５０℃の処理温度に０．３時間以上保持する人工時効処理を施すことが好ましい。
　溶体化加熱の処理温度が４５０～５１０℃の範囲であると、粒界及び粒内が微細な析出物によって強化され、局所変形が抑えられ、均一変形領域が大きくなるために、高温での加工軟化が起こり難くなり、高温疲労強度が向上する。
　溶体化加熱の処理温度が４５０℃を下回ると、固溶体が形成し難くなり、粒界及び粒内の析出物の量が低下し、適正な状態とならず、高温疲労強度の向上は期待できない。一方、溶体化加熱の処理温度が５１０℃を上回ると、合金の一部が溶融するバーニングが生じ、気孔欠陥が生じる。
　また、溶体化加熱の処理時間は、０．０８時間を下回ると、十分な溶体化処理ができないので、保持時間は０．０８時間よりも長いことが好ましい。
　また、焼入れに使用する冷却は、温水であってもよいし、なんらかの添加剤を加えたものでもよく、公知の焼入れ用の冷却であれば様々なものを適用できる。
　人工時効処理における処理温度が１５０℃を下回ると、適正な硬さに向上させるために処理時間が長くなり、処理温度が２５０℃を上回ると、硬さ及び強度が低下してしまうので、人工時効処理における処理温度は、１５０～２５０℃の範囲とすることが好ましい。
　また、人工時効処理の保持時間が０．３時間を下回ると、十分な時効硬化が得られないので、人工時効処理における保持時間は、０．３時間以上とすることが好ましい。
　前記塑性加工として、押出し加工を施すことができ、押出し加工を２５０～５００℃で行えば、割れや表面酸化を抑制しつつ、疲労強度を向上させることができる。
　また、上記のマグネシウム合金部材を、エアコン用圧縮機の機構部品に使用することができる。
　本発明によると、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に適用可能な機械的強度及び高温での疲労強度、具体的には、室温の０．２％耐力が３００ＭＰａ以上、１５０℃の疲労強度が１００ＭＰａ以上を出現できるマグネシウム合金部材を提供できる。また、係るマグネシウム合金部材を機構部品に使用したエアコン用圧縮機を提供できる。
　そして、本発明によると、高強度アルミニウム合金と略同等の機械的強度及び高温疲労強度をマグネシウム合金部材において出現できるから、高強度アルミニウム合金に比べて低比重であるマグネシウム合金部材への置き換えが可能となり、自動車エアコン用圧縮機の大幅な重量低減を実現できる。
　以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
　表１は、マグネシウム合金におけるアルミニウムＡｌ、カルシウムＣａ、マンガンＭｎの含有率（質量％）を変更した複数種の試料それぞれにおける室温、例えば１０～３５℃での引張強度（ＭＰａ）及び０．２％耐力（ＭＰａ）を示す。
　表１の「判定」は、０．２％耐力が、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に要求される値である３００ＭＰａ以上であることを○印で示し、０．２％耐力が３００ＭＰａ未満であることを×印で示すものである。
　０．２％耐力の要求値としての３００ＭＰａは、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に用いられている、溶体化処理後に人工時効処理を施すＴ６処理が施されたアルミニウム合金鍛造材の０．２％耐力を基準として設定した。
　表１の結果を得た試料は、表中の含有率としたマグネシウム合金の鋳造品を作成し、この鋳造素材に塑性加工、具体的には、熱間間接押出加工を施したものであり、熱処理（Ｔ６処理）を施していないものである。
　より詳細には、合金溶製は電気抵抗炉を用いて大気中で行い、溶湯の酸化防止には、ＳＦ6とＣＯ2の混合ガスを用いた。そして、攪拌後に、Ｃａ添加時の酸化物除去のためＡｒガスを流してバブリングを行い、３００℃に加熱したビレット用金型に鋳込んで、鋳造素材を作製した。
　また、間接押出加工には油圧プレス機を用い、３５０℃に加熱した金型の中に、押出し加工用の試料を投入し、１０分間保持してから、押出し比を２０とした押出し加工を開始した。尚、押出し比とは、塑性加工前の断面積／塑性加工後の断面積である。
　また、押出し材の引張特性を評価するための引張試験においては、万能試験機を用いた。また、押出し方向と荷重負荷方向とが平行になるように試験片を採取し、試験部直径４mm、評点距離２０mmのＪＩＳ１４Ａ号試験片を作製した。更に、試験速度は、初期ひずみ速度１×１０－3ｓ－1とした。
　表１の最下段は、ＪＩＳ規定素材であるＡｌ合金鍛造材（Ａ４０３２－Ｔ６）での引張強度（ＭＰａ）及び０．２％耐力（ＭＰａ）を参考値として示してある。また、表中の「判定」は、このＡｌ合金鍛造材（Ａ４０３２－Ｔ６）の０．２％耐力である３００ＭＰａ以上であるか否かを示す。
　表１において、実施例１～１１の試料は、カルシウムＣａを０．３～１０％、アルミニウムＡｌを０．２～１５％、マンガンＭｎを０．０５～１．５％含有し、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウムＭｇ及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材に、３５０℃の塑性加工（押出し加工）を施したものである。
　一方、比較例１～７の試料は、カルシウムＣａの含有率、アルミニウムＡｌの含有率、マンガンＭｎの含有率、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比のうちの少なくとも１つが、前記範囲から外れているマグネシウム合金の鋳造素材に、３５０℃の塑性加工（押出し加工）を施したものである。
　尚、表１における「Ｃａ＋Ａｌ」は、カルシウムＣａとアルミニウムＡｌとの合計の質量％を示す。
　表１に示すように、カルシウムＣａの含有率＝０．３～１０％、アルミニウムＡｌの含有率＝０．２～１５％、マンガンＭｎの含有率＝０．０５～１．５％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比０．６～１．７を満たす実施例１～７の試料は、いずれも０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａ以上であり、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に要求される機械的強度を満たしており、圧縮機の機構部品として用いることができることを示している。
　これに対し、カルシウムＣａの含有率が０．３～１０％の範囲を外れる比較例１及び比較例４、また、アルミニウムＡｌの含有率が０．２～１５％の範囲を外れる比較例２及び比較例３では、０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａを下回り、圧縮機の機構部品として用いることができないことを示している。
　また、カルシウムＣａの含有率及びアルミニウムＡｌの含有率が、０．２～１５％の範囲内であっても、比較例５及び比較例６のように、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．６～１．７の範囲を外れると、０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａを下回り、圧縮機の機構部品として用いることができないことを示している。
　更に、カルシウムＣａの含有率及びアルミニウムＡｌの含有率が０．３～１０％の範囲内であり、かつ、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．６～１．７の範囲内であっても、マンガンＭｎを含有しない比較例７では、０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａを下回り、圧縮機の機構部品として用いることができないことを示している。
　即ち、上記引張試験の結果から、カルシウムＣａの含有率＝０．３～１０％、アルミニウムＡｌの含有率＝０．２～１５％、マンガンＭｎの含有率＝０．０５～１．５％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比＝０．６～１．７を満足するマグネシウム合金であることが、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に要求される機械的強度、具体的には、０．２％耐力が３００ＭＰａ以上を得るための条件となることが分かる。
　カルシウムＣａとアルミニウムＡｌとの双方を添加することで、Ｍｇ‐Ｃａ系化合物と、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｃａ系化合物が粒界に晶出し、室温での機械的強度及び耐熱性が向上する。実施例１～１１のように、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比を０．６～１．７とした場合、Ｍｇ‐Ｃａ系化合物であるＭｇ2Ｃａと、Ｍｇ‐Ａｌ‐Ｃａ系化合物である（Ｍｇ，Ａｌ）2Ｃａとが同時に晶出し、機械的強度と耐熱性とが向上したものと推察される。
　これに対し、比較例６のように、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が１．７よりも大きくなると、Ｍｇ2Ｃａのみ、若しくは、僅かな（Ｍｇ，Ａｌ）2Ｃａが晶出する程度となることで、機械的強度を十分に向上させることができない。また、比較例５のように、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．６よりも小さくなると、Ｍｇ‐Ａｌ系化合物であるβ‐Ｍｇ17Ａｌ12が晶出し、耐熱性に悪影響を及ぼしたものと推察される。
　また、比較例７のように、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比を０．６～１．７の範囲内としても、マンガンＭｎを添加しない場合には機械的強度が不足する。これに対し、実施例１～１１のように、マンガンＭｎを少量添加することで、０．２％耐力を３００ＭＰａ以上とすることができる。これは、マンガンＭｎを少量添加することで、結晶粒径が微細化し、機械的強度が向上したものと推定される。マンガンＭｎの添加量は、０．０５～１．５％の範囲が適切であり、この範囲を外れると、結晶粒径の微細化の効果が低くなって、機械的強度の向上効果は期待できない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
  
　表２は、表１に示した実施例３の含有率、即ち、カルシウムＣａを３．３％、アルミニウムＡｌを３．７％、マンガンＭｎを０．３３％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．８９、カルシウムＣａとアルミニウムＡｌとの合計を７％としたマグネシウム合金の鋳造素材を試料とする。そして、この鋳造素材に施す押出し加工（塑性加工）における押出比及び押出温度を複数種に異ならせ、押出し加工後の試料それぞれにおける０．２％耐力を求めた試験結果を示す。
　表２に示す試験では、押出し比を１０，２０，４０，６０の４種類に設定したが、それぞれの押出し比における押出し温度が、２５０～５００℃の範囲内であれば、割れや表面酸化が発生することなく、０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａを上回った。
　これに対し、押出し比を２０としたときに、押出し温度を２５０～５００℃の範囲を下回る２３０℃とすると割れが発生して機械的強度が得られず、また、押出し温度を２５０～５００℃の範囲を上回る５１７℃とすると、表面酸化が発生して、０．２％耐力が要求値である３００ＭＰａを下回った。
　即ち、塑性加工（押出し加工）の温度を、２５０～５００℃の範囲内とすることで、３００ＭＰａ以上の０．２％耐力を出現できることが分かる。塑性加工の温度が２５０℃を下回る場合には、充分な歪み量を確保できないために成形ができず、割れなどが発生する。また、塑性加工の温度が５００℃を上回る場合には、高温酸化や部分的な溶解が発生することで、疲労強度の向上効果は期待できない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
  
　表３は、２５０～５００℃の塑性加工後（押出し加工後）に、熱処理（Ｔ６処理）を施した場合と、熱処理（Ｔ６処理）を施さなかった場合とで、それぞれに１５０℃疲労強度（高温疲労強度）を計測した結果を示す。
　尚、試料としては、表１に示した実施例３の含有率、即ち、カルシウムＣａを３．３％、アルミニウムＡｌを３．７％、マンガンＭｎを０．３３％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比が０．８９、カルシウムＣａとアルミニウムＡｌとの合計を７％としたマグネシウム合金の鋳造素材を、押出し比を２０、押出し温度を３５０℃として押出し加工したものを用いた。
　更に、表３には、比較対象として、ＪＩＳ規定素材であるＡｌ合金鍛造材（Ａ４０３２－Ｔ６）における１５０℃疲労強度を示してある。前述のように、Ａｌ合金鍛造材（Ａ４０３２－Ｔ６）は、自動車エアコン用圧縮機に用いられているから、このＡ４０３２－Ｔ６の１５０℃疲労強度（１００ＭＰａ）以上の１５０℃疲労強度を出現できれば、Ａ４０３２－Ｔ６に代わる部材として用いることができることになる。
　表３の疲労強度を得た疲労試験（回転曲げ試験）及び疲労強度の算出は、日本機械学会編「日本機械学会基準　統計的疲労試験方法（改訂版）ＪＳＭＥ　Ｓ－００２－１９９４」に準じて行い、試験温度１５０℃、回転数３０００rpm、周波数５０Ｈｚ、応力比Ｒ＝－１で行った。表３の疲労強度は、１０7回での結果である。
　疲労試験に用いた試験片は、丸棒型試験片であって、チャック部の径を８．５mm、破断部の径を４mmとし、押出し方向と荷重負荷方向とが垂直になるように採取し、破断部は、切削による条痕の影響を無くすため、耐水研磨紙にて研磨した後、仕上げにバフ研磨した。
　また、Ｔ６処理として、横型管状炉を用いて５００℃のＡｒガス気流中に３０分（０．５時間）保持する溶体化処理後、１８０℃のオイルバスを用いて２時間の人工時効処理を施した。尚、熱処理時間（保持時間）は、試料を投入してからの時間である。
　表３に示したように、Ａ４０３２－Ｔ６の１５０℃疲労強度が１００ＭＰａであるのに対し、２５０～５００℃の温度で塑性加工、具体的には、３５０℃での押出し加工を行った後、熱処理（Ｔ６処理）を施さなかったマグネシウム合金部材の１５０℃疲労強度は１１７ＭＰａであるのに対し、同じ素材で同じ塑性加工を施した後に、更に熱処理（Ｔ６処理）を施したマグネシウム合金部材の１５０℃疲労強度は１３２ＭＰａであった。
　即ち、カルシウムＣａの含有率＝０．３～１０％、アルミニウムＡｌの含有率＝０．２～１５％、マンガンＭｎの含有率＝０．０５～１．５％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比＝０．６～１．７であるマグネシウム合金の鋳造素材に対し、２５０～５００℃の塑性加工を施せば、熱処理（Ｔ６処理）を施さなくてもＡ４０３２－Ｔ６を上回る１５０℃疲労強度を出現できる。そして、熱処理（Ｔ６処理）を施せば、熱処理（Ｔ６処理）を施さなかった場合に比べて更に１５０℃疲労強度を向上させることができる。
　換言すれば、カルシウムＣａの含有率＝０．３～１０％、アルミニウムＡｌの含有率＝０．２～１５％、マンガンＭｎの含有率＝０．０５～１．５％、カルシウムＣａ／アルミニウムＡｌの質量比＝０．６～１．７であるマグネシウム合金の鋳造素材に対し、２５０～５００℃の塑性加工を施して形成したマグネシウム合金部材は、熱処理（Ｔ６処理）を施さなくても、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に用いることができる室温での０．２％耐力及び高温での疲労強度、具体的には、３００ＭＰａ以上の室温０．２％耐力及び１００ＭＰａ以上の１５０℃疲労強度を出現でき、更に、熱処理（Ｔ６処理）を施せば、高温での疲労強度がより強くなる。
　従って、高強度アルミニウム合金を用いていた自動車エアコン用圧縮機の機構部品を、マグネシウム合金部材で形成することができ、これによって圧縮機の大幅な重量低減を実現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
  
　ところで、熱処理（Ｔ６処理）では、塑性加工（押出し加工）後に行う溶体化処理において、４５０～５１０℃の処理温度に０．０８時間以上保持することが好ましく、また、焼入れ処理後に行う人工時効処理において、１５０～２５０℃の処理温度に０．３時間以上保持することが好ましい。
　溶体化加熱の処理温度が４５０～５１０℃の範囲であると、粒界及び粒内が微細な析出物によって強化され、局所変形が抑えられ、均一変形領域が大きくなるために、高温での加工軟化が起こり難くなり、高温疲労強度を向上させることができる。
　これに対し、溶体化加熱の処理温度が４５０℃を下回ると、固溶体が形成し難くなり、粒界及び粒内の析出物が低下し、適正な状態とならず、高温疲労強度の向上は期待できない。一方、溶体化加熱の処理温度が５１０℃を上回ると、合金の一部が溶融するバーニングが生じ、気孔欠陥が生じてしまう。
　また、溶体化加熱の処理時間は、０．０８時間を下回ると、十分な溶体化処理ができないので、保持時間は０．０８時間よりも長いことが好ましい。
　また、人工時効処理における処理温度が１５０℃を下回ると、適正な硬さに向上させるために処理時間が長くなり、処理温度が２５０℃を上回ると、硬さ及び強度が低下してしまうので、人工時効処理における処理温度は、１５０～２５０℃の範囲とすることが好ましい。
　また、人工時効処理の保持時間が０．３時間を下回ると、十分な時効硬化が得られないので、人工時効処理における保持時間は、０．３時間以上とすることが好ましい。
　表３の結果を得た熱処理（Ｔ６処理）における温度及び保持時間は、前述の温度範囲及び時間範囲を満たしている。
　以上説明したように、本発明に係るマグネシウム合金部材及びマグネシウム合金部材の製造方法によると、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に要求される、室温における０．２％耐力が３００ＭＰａ以上、１５０℃における疲労強度が１００ＭＰａ以上を出現でき、従来使用していたＡｌ合金鍛造材Ａ４０３２に置き換えて用いることができる。
　そして、マグネシウム合金部材の比重は、Ａｌ合金鍛造材Ａ４０３２よりも小さいので、自動車エアコン用圧縮機の機構部品を、マグネシウム合金で形成すれば、圧縮機の重量を大きく低減でき、車両の軽量化、引いては燃費性能の改善に寄与できる。
　本発明に係るマグネシウム合金部材及びマグネシウム合金部材を適用する自動車エアコン用圧縮機の機構部品としては、斜板式圧縮機用シューやピストン、及び、スクロール式圧縮機用うず巻体などがある。
　尚、本発明に係るマグネシウム合金部材及びマグネシウム合金部材の製造方法は、自動車エアコン用圧縮機の機構部品に適用することを前提として開発されたものであるが、適用対象を自動車エアコン用圧縮機の機構部品に限定するものではなく、定置式エアコン圧縮機の機構部品に適用することも可能である。
　また、塑性加工を押出し加工に限定するものでもなく、鍛造加工、圧延加工、引き抜き加工などであってもよい。

Claims (10)

  1. 　質量％で、カルシウムを０．３～１０％、アルミニウムを０．２～１５％、マンガンを０．０５～１．５％含有し、カルシウム／アルミニウムの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材を、２５０～５００℃で塑性加工して形成したマグネシウム合金部材。
  2. 　前記塑性加工後に、溶体化処理及び人工時効処理を施した請求項１記載のマグネシウム合金部材。
  3. 　前記塑性加工後に、４５０～５１０℃の処理温度に０．０８時間以上保持する溶体化処理を施した後、１５０～２５０℃の処理温度に０．３時間以上保持する人工時効処理を施した請求項２記載のマグネシウム合金部材。
  4. 　質量％で、カルシウムを０．３～１０％、アルミニウムを０．２～１５％、マンガンを０．０５～１．５％含有し、カルシウム／アルミニウムの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材を塑性加工してなり、室温における０．２％耐力が３００ＭＰａ以上、１５０℃における疲労強度が１００ＭＰａ以上であるマグネシウム合金部材。
  5. 　前記塑性加工が押出し加工である請求項１記載のマグネシウム合金部材。
  6. 　請求項１記載のマグネシウム合金部材を機構部品に使用したエアコン用圧縮機。
  7. 　質量％で、カルシウムを０．３～１０％、アルミニウムを０．２～１５％、マンガンを０．０５～１．５％含有し、カルシウム／アルミニウムの質量比が０．６～１．７であり、残部がマグネシウム及び不可避不純物からなるマグネシウム合金の鋳造素材を、２５０～５００℃で塑性加工に付すマグネシウム合金部材の製造方法。
  8. 　前記塑性加工後に、溶体化処理及び人工時効処理に付す請求項７記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
  9. 　前記塑性加工後に、４５０～５１０℃の処理温度に０．０８時間以上保持する溶体化処理に付した後、１５０～２５０℃の処理温度に０．３時間以上保持する人工時効処理に付す請求項８記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
  10. 　前記塑性加工が押出し加工である請求項７記載のマグネシウム合金部材の製造方法。
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