WO2020183980A1 - 難燃性マグネシウム合金およびその製造方法 - Google Patents
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- (Silicon: Si) Si is an element necessary for forming the above-mentioned Ca-Mg-Si-based compound phase.
- the Si content is 1.3% by mass or less, and preferably 1.0% by mass or less.
- the Si content is preferably 0.2% or more.
- an oxide film of a rare earth element (RE) is formed on the surface of the casting. Since the oxide film of the rare earth element (RE) does not react with iron that becomes a mold at the time of casting, seizure can be suppressed even at the casting site near the sprue where the temperature is high. That is, the flame-retardant magnesium alloy of the present invention becomes an alloy with improved seizure resistance due to the presence of a specific amount of rare earth element (RE), and the mold temperature at the time of casting can be raised.
- RE rare earth element
- the Mg purity of the Mg matrix means the content ratio of Mg in the crystal grains in the metal structure of the magnesium alloy.
- the higher the Mg purity of the Mg matrix the higher the thermal conductivity of the Mg matrix and the higher the thermal conductivity of the magnesium alloy.
- the thermal conductivity of the magnesium alloy also tends to decrease.
- Example 1 [Making molten metal] A metal material in which 4.5% by mass of Al, 4.0% by mass of Ca, 0.3% by mass of Si, 0.3% by mass of Mn, and 0.6% by mass of mischmetal (Mm) are added to Mg. was inserted into a crucible, high-frequency induction melting was performed in an Ar atmosphere, and the mixture was melted at a temperature of 750 to 850 ° C. to obtain a molten alloy (molten metal).
- Mm mischmetal
- molten alloy (molten metal) was obtained in the same manner as in Example 1 except that mischmetal (Mm) was not added, and an engine block was produced from the obtained molten alloy (molten metal).
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Abstract
鋳造の際の合金溶解中における溶湯燃焼の発生を抑制した難燃性マグネシウム合金およびその製造方法を提供する。 特定の元素を特定量含み、さらに特定量の希土類元素(RE)を特定量含むマグネシウム合金とすることで、溶湯の最表面に、緻密で薄く、割れにくい、希土類元素(RE)の酸化膜を形成する。具体的には、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金とする。
Description
本発明は、難燃性マグネシウム合金およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、溶湯燃焼の発生を抑制するとともに、耐焼付性を有する難燃性マグネシウム合金およびその製造方法に関する。
マグネシウムは、鉄やアルミニウムに比べて軽量であるため、鉄鋼材料やアルミニウム合金材料からなる部材に代わる軽量代替材として検討されている。代表的なマグネシウム合金としては、例えば、アルミニウム9重量%、亜鉛1重量%、マンガン0.3重量%を含むMg-Al-Zn-Mn系合金(AZ91D合金)、アルミニウム6重量%、マンガン0.3重量%を含むMg-Al-Mn系合金(AM60B合金)等が知られている。
しかしながら、マグネシウム合金は、高温で強度が低下するため、耐熱強度が要求される用途への展開には、問題があった。これに対して、希土類元素(RE)を添加して、耐熱強度を改良したマグネシウム合金が提案されている。
特許文献1には、アルミニウム2~10重量%、カルシウム1.4~10重量%を含有し、Ca/Alの比が0.7以上であって、さらにそれぞれ2重量%以下の亜鉛、マンガン、ジルコニウムおよびケイ素を含み、さらに4重量%以下の希土類元素(例えば、イットリウム、ネオジウム、ランタン、セリウム、ミッシュメタル)から選ばれる少なくとも1種の元素を含有するマグネシウム合金が開示されている。
さらに、特許文献2には、アルミニウム1.5~10重量%、希土類元素(RE)2.5重量%以下、カルシウム0.2~5.5重量%を含有するマグネシウム合金が開示されている。
特許文献1および2によれば、マグネシウム合金に希土類元素(RE)を含有させることで、高温でも十分な強度を有し、また、高温における加圧部での耐熱へたり性に優れたマグネシウム合金が得られる。
しかしながら、マグネシウム合金は、鋳造の際の合金溶解中に、溶湯燃焼が発生する場合があり、安全面で大きな問題となる場合があった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、鋳造の際の合金溶解中における溶湯燃焼の発生を抑制した難燃性マグネシウム合金およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、溶湯燃焼の発生メカニズムについて鋭意検討した。そして、溶湯燃焼は、溶湯表面に形成される酸化膜が関係していると考えた。具体的には、溶融した一般的なマグネシウム合金である溶湯の表面には、酸化マグネシウム(MgO)の層が形成される。MgO膜は多孔質であるため、酸素が、形成されたMgO膜を通過し、内部に存在しているマグネシウム金属にまで到達する。このため、一般的なマグネシウム合金は、内部に到達した酸素によって、その溶湯が静置されている場合であっても、溶湯燃焼が発生する場合がある。
次に、難燃性が付与されたカルシウムを含むマグネシウム合金の場合には、溶湯の表面に、酸化マグネシウム(MgO)の層が形成され、その上に、酸化カルシウム(CaO)の層が積層された、積層酸化膜が形成される。最外層となるCaO膜は、酸素を遮断する機能を有するため、溶湯が静置されている状態では、燃焼を抑制することができる。
しかしながら、溶湯表面に存在するCaO膜は、緻密ではあるが、厚く、割れ易い性状である。このため、溶湯を攪拌した場合には、最表面に存在するCaO膜には割れが発生し、CaO膜の割れを通過した酸素は、多孔質のMgO膜を通過し、内部に存在しているマグネシウム金属にまで到達する。その結果、溶湯燃焼が発生すると考えられる。
そこで本発明者らは、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、割れが発生しにくい膜を形成する方法を検討した。その結果、特定の元素を特定量含み、さらに特定量の希土類元素(RE)を特定量含むマグネシウム合金とすれば、溶湯の最表面に希土類元素(RE)の酸化膜を形成することができ、当該希土類元素(RE)の酸化膜は、緻密で薄く、割れにくいため、溶湯を攪拌した場合であっても酸化膜の割れが抑制できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金である。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、AlとCaとの組成比Al/Caが、1.7以下であってもよい。
また別の本発明は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する、難燃性マグネシウム合金である。
また別の本発明は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、熱伝導度が80W/m・K以上であり、かつ、200℃における引張強さが170MPa以上である、難燃性マグネシウム合金である。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mg母相中にCa-Mg-Si系化合物相を有していてもよい。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mg母相のMg純度が98.0%以上であってもよい。
前記希土類元素は、ミッシュメタルであってもよい。
また別の本発明は、上記の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、溶融した金属材料を、103K/秒未満の速度で冷却する冷却工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法である。
また別の本発明は、上記の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、溶融した金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca-Mg-Si系化合物相を含むMg母相と、を晶出させる晶出工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法である。
本発明の難燃性マグネシウム合金の製造方法は、さらに、150~500℃で熱処理を行う、熱処理工程を含んでいてもよい。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、溶湯の最表面に希土類元素(RE)の酸化膜が形成されるため、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、溶湯燃焼を抑制することができる。
さらに、本発明の難燃性マグネシウム合金から鋳造された鋳物は、鋳造時の金型となる鉄とは反応しない希土類元素(RE)の酸化膜が最表面に形成されるため、温度の高い湯口近傍の鋳造箇所であっても、焼付きを抑制することができる。すなわち、本発明の難燃性マグネシウム合金は、耐焼付き性が改善された合金となり、その結果、鋳造時の型温度を上昇させることができる。
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
<難燃性マグネシウム合金>
本発明のマグネシウム合金は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金である。
本発明のマグネシウム合金は、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金である。
[合金組成]
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界には、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相が形成され、また、結晶粒内(Mg母相中)には、Ca-Mg-Si系化合物相が形成された金属組織を有する。これらの金属間化合物相は、マグネシウム合金の高温強度の向上に寄与する。
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界には、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相が形成され、また、結晶粒内(Mg母相中)には、Ca-Mg-Si系化合物相が形成された金属組織を有する。これらの金属間化合物相は、マグネシウム合金の高温強度の向上に寄与する。
(カルシウム:Ca)
Caは、上記の(Mg,Al)2Ca相、上記のCa-Mg-Si系化合物相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Ca含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Caは、9.0質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましい。また、Ca含有量は、2.5%質量以上であることが好ましい。
Caは、上記の(Mg,Al)2Ca相、上記のCa-Mg-Si系化合物相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Ca含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Caは、9.0質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましい。また、Ca含有量は、2.5%質量以上であることが好ましい。
(アルミニウム:Al)
Alは、上記の(Mg,Al)2Ca相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Al含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Alは、5.7質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましく、熱伝導を最重視すると3.0%質量以下であることがより好ましい。また、Al含有量は、0.5質量%以上であり、1.0質量%以上であることが好ましい。
Alは、上記の(Mg,Al)2Ca相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で存在させる。Al含有量が過多であると、Mg母相に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性がある。このため、Alは、5.7質量%未満であり、5.0質量%以下であることが好ましく、熱伝導を最重視すると3.0%質量以下であることがより好ましい。また、Al含有量は、0.5質量%以上であり、1.0質量%以上であることが好ましい。
(カルシウム:Caとアルミニウム:Alとの組成比)
本発明のマグネシウム合金においては、CaおよびAlは、以下の式(1)の関係を満たす必要がある。
Al+8Ca≧20.5% (1)
CaおよびAlが上記式(1)の関係を満たす場合には、上記の(Mg,Al)2Ca相が形成され、その結果、高温強度を向上することができる。Al+8Caは、24.0%以上であることが好ましい。一方、AlおよびCaの含有量が過多であると、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、Al+8Caは、45.0%以下であることが好ましい。45.0%以下であることが好ましい根拠は、Al=5以下、Ca=5以下が好ましいためである。
本発明のマグネシウム合金においては、CaおよびAlは、以下の式(1)の関係を満たす必要がある。
Al+8Ca≧20.5% (1)
CaおよびAlが上記式(1)の関係を満たす場合には、上記の(Mg,Al)2Ca相が形成され、その結果、高温強度を向上することができる。Al+8Caは、24.0%以上であることが好ましい。一方、AlおよびCaの含有量が過多であると、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、Al+8Caは、45.0%以下であることが好ましい。45.0%以下であることが好ましい根拠は、Al=5以下、Ca=5以下が好ましいためである。
本発明のマグネシウム合金においては、Caに対するAlの比であるAl/Caが、1.7以下であることが好ましい。上述したように、Alは、Caとともに(Mg,Al)2Ca相を形成する。しかし、Alを過多に含有させると、余剰のAlがMg母相に固溶する割合が増加して、Mg母相のMg純度を低減させる可能性がある。Al/Caが1.7以下である場合には、AlのMg母相への固溶が抑制され、熱伝導性を向上させることができる。Al/Caは、1.2以下であることがさらに好ましい。なお、上記の(Mg,Al)2Ca相を形成させるためには、Al/Caは、0.2以上であることが好ましい。
(ケイ素:Si)
Siは、上記のCa-Mg-Si系化合物相の形成に必要な元素である。しかし、Si含有量が多い場合には、Caと化合した粗大なSiCa系化合物が生成されるため、(Mg,Al)2Ca相が連続した三次元網目状に形成されるのを阻害し、マグネシウム合金の高温強度を低下させる要因となる。このため、Siの含有量は、1.3質量%以下であり、1.0質量%以下であることが好ましい。なお、Ca-Mg-Si系化合物相を形成させるためには、Siの含有量は、0.2%以上であることが好ましい。
Siは、上記のCa-Mg-Si系化合物相の形成に必要な元素である。しかし、Si含有量が多い場合には、Caと化合した粗大なSiCa系化合物が生成されるため、(Mg,Al)2Ca相が連続した三次元網目状に形成されるのを阻害し、マグネシウム合金の高温強度を低下させる要因となる。このため、Siの含有量は、1.3質量%以下であり、1.0質量%以下であることが好ましい。なお、Ca-Mg-Si系化合物相を形成させるためには、Siの含有量は、0.2%以上であることが好ましい。
(希土類元素:RE)
本発明の難燃性マグネシウム合金は、希土類元素(RE)を含有する。本発明の難燃性マグネシウム合金においては、特定量の希土類元素(RE)が存在することにより、溶湯の最表面に希土類元素(RE)の酸化膜が形成される。このため、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、溶湯燃焼を抑制することができる。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、希土類元素(RE)を含有する。本発明の難燃性マグネシウム合金においては、特定量の希土類元素(RE)が存在することにより、溶湯の最表面に希土類元素(RE)の酸化膜が形成される。このため、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、溶湯燃焼を抑制することができる。
さらに、本発明の難燃性マグネシウム合金から鋳物を作製した場合には、鋳物の表面には、希土類元素(RE)の酸化膜が形成される。希土類元素(RE)の酸化膜は、鋳造時の金型となる鉄とは反応しないため、温度の高い湯口近傍の鋳造箇所であっても、焼付きを抑制することができる。すなわち、本発明の難燃性マグネシウム合金は、特定量の希土類元素(RE)が存在することにより、耐焼付き性が改善された合金となり、鋳造時の型温度を上昇させることができる。
希土類元素の含有量は、0.4質量%以上であり、0.6質量%以上であることが好ましい。また、希土類元素の含有量は、1.3%未満であり、さらには、不要な化合物が作られない量未満であることが好ましく、例えば1.0%未満であることが好ましい。
希土類元素(RE)としては、例えば、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムを挙げることができ、これらの1種または2種以上を用いることができる。本発明においては、マグネシウム合金の耐食性の向上に有効であり、また、ミッシュメタルとして容易に入手可能であることから、これらのなかでは、セリウム(Ce)やランタン(La)が好ましい。
また、本発明の難燃性マグネシウム合金においては、希土類元素は、ミッシュメタル(Mm)として含まれることが好ましい。ミッシュメタル(Mm)は、希土類金属の混合物となっている。具体的には、ミッシュメタルは、Nd精製後に精製される、セリウム(Ce)を40~50%程度、ランタン(La)を20~40%程度含有する混合物である。希土類元素は単体として分離するには高価であるため、比較的安価なミッシュメタルを用いることで、得られる難燃性マグネシウム合金のコストを低減させることができる。
(マンガン:Mn)
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mnを含有することが好ましい。Mnは、マグネシウム合金の耐食性を向上させる作用を有する。Mnの含有量は、好ましくは0.1%以上0.5%以下であり、より好ましくは0.2%以上0.4%以下である。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mnを含有することが好ましい。Mnは、マグネシウム合金の耐食性を向上させる作用を有する。Mnの含有量は、好ましくは0.1%以上0.5%以下であり、より好ましくは0.2%以上0.4%以下である。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、残部がMgと不可避的不純物である。不可避的不純物は、特に限定されるものではなく、本マグネシウム合金の特性に影響を与えない範囲で含まれる。
(Mg母相のMg純度)
Mg母相のMg純度とは、マグネシウム合金の金属組織における結晶粒中のMgの含有割合を意味する。本発明のマグネシウム合金において、Mg母相のMg純度が高いほど、Mg母相の熱伝導率が向上し、マグネシウム合金の熱伝導率が向上することとなる。一方で、Mg母相にMg以外の成分が固溶してMg純度が低下すると、マグネシウム合金の熱伝導率も低下しやすくなる。
Mg母相のMg純度とは、マグネシウム合金の金属組織における結晶粒中のMgの含有割合を意味する。本発明のマグネシウム合金において、Mg母相のMg純度が高いほど、Mg母相の熱伝導率が向上し、マグネシウム合金の熱伝導率が向上することとなる。一方で、Mg母相にMg以外の成分が固溶してMg純度が低下すると、マグネシウム合金の熱伝導率も低下しやすくなる。
本発明の難燃性マグネシウム合金は、Mg母相のMg純度が98.0%以上であることが好ましい。Mg母相のMg純度が98.0%以上である場合には、80.0W/m・K以上の熱伝導率が得られる。より好ましいMg母相のMg純度は、99.0%以上である。
(三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相)
本発明のマグネシウム合金は、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する。三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相は、マグネシウム合金の鋳造時に、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界に、Mg、Ca、およびAlがネットワーク構造を形成して発現する。結晶粒界に、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有することにより、本発明のマグネシウム合金は、高温時の引張強さが向上した合金となる。
本発明のマグネシウム合金は、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する。三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相は、マグネシウム合金の鋳造時に、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界に、Mg、Ca、およびAlがネットワーク構造を形成して発現する。結晶粒界に、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有することにより、本発明のマグネシウム合金は、高温時の引張強さが向上した合金となる。
(Ca-Mg-Si系化合物相)
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相中にCa-Mg-Si系化合物相を有する。Ca-Mg-Si系化合物相により、結晶粒内の強度が補強され、マグネシウム合金の高温強度が向上する傾向にある。
本発明のマグネシウム合金は、Mg母相中にCa-Mg-Si系化合物相を有する。Ca-Mg-Si系化合物相により、結晶粒内の強度が補強され、マグネシウム合金の高温強度が向上する傾向にある。
(熱伝導率)
従来の商用マグネシウム合金であるAZ91Dは、熱伝導率が51~52W/m・Kである。一方で、アルミニウム合金(ADC12材)の熱伝導率は、92W/m・Kであり、AZ91Dの熱伝導率は半分程度にすぎなかった。このため、従来の商用マグネシウム合金は、高温部品の素材としては十分な放熱性を確保できていなかった。
従来の商用マグネシウム合金であるAZ91Dは、熱伝導率が51~52W/m・Kである。一方で、アルミニウム合金(ADC12材)の熱伝導率は、92W/m・Kであり、AZ91Dの熱伝導率は半分程度にすぎなかった。このため、従来の商用マグネシウム合金は、高温部品の素材としては十分な放熱性を確保できていなかった。
これに対して、本発明のマグネシウム合金の熱伝導率は、80.0W/m・K以上となる。このため、本発明のマグネシウム合金は、高温部品の素材として良好な放熱性を有しており、例えば、エンジン部材用の難燃性マグネシウム合金として好適に用いることができる。なお、高温部品の素材として十分な放熱性を確保するには、熱伝導率は、90.0W/m・K以上がより好ましく、100.0W/m・K以上がさらに好ましい。
(高温強度)
一般のマグネシウム合金は、200℃程度の高温域において、引張強さや伸び等の機械的特性が低下し、耐熱アルミニウム合金(ADC12材)に匹敵する高温強度は得られていなかった。これに対して、本発明のマグネシウム合金は、200℃における引張強さが170MPa以上という高温強度を備える。このため、本発明のマグネシウム合金は、例えば、高温環境下で使用されるエンジン部材用の難燃性マグネシウム合金として、好適に用いることができる。200℃における引張強さは、185MPa以上が好ましく、200MPa以上がより好ましい。
一般のマグネシウム合金は、200℃程度の高温域において、引張強さや伸び等の機械的特性が低下し、耐熱アルミニウム合金(ADC12材)に匹敵する高温強度は得られていなかった。これに対して、本発明のマグネシウム合金は、200℃における引張強さが170MPa以上という高温強度を備える。このため、本発明のマグネシウム合金は、例えば、高温環境下で使用されるエンジン部材用の難燃性マグネシウム合金として、好適に用いることができる。200℃における引張強さは、185MPa以上が好ましく、200MPa以上がより好ましい。
<難燃性マグネシウム合金の製造方法>
本発明のマグネシウム合金の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%となる金属材料を、高温で溶解する方法が挙げられる。高温で溶解する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、金属材料を黒鉛るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750~850℃の温度で溶融する方法が挙げられる。
本発明のマグネシウム合金の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%となる金属材料を、高温で溶解する方法が挙げられる。高温で溶解する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、金属材料を黒鉛るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750~850℃の温度で溶融する方法が挙げられる。
得られた溶融合金は、金型に注入して鋳造することができる。鋳造においては、溶融された金属材料を、所定の速度で冷却すればよい。
本発明のマグネシウム合金の製造方法においては、溶融された金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca-Mg-Si系化合物相を含むMg母相と、を晶出させる晶出工程を備えることが好ましい。これにより、機械的特性と熱伝導性を両立しつつ、静置状態の溶湯は勿論のこと、溶湯を攪拌した場合であっても、溶湯燃焼を抑制し、さらに、耐焼付き性が改善されたマグネシウム合金を得ることができる。
なお、冷却速度は103K/秒未満であることが好ましい。103K/秒未満であれば、Mg母相の凝固中に、母相内の固溶元素が晶出相に排出される時間が十分となり、その結果、Mg母相中に固溶元素が残存しにくくなり、得られるマグネシウム合金熱伝導率が低下しにくくなる。冷却速は、好ましくは102K/秒以下である。
本発明のマグネシウム合金の製造方法は、さらに、150~500℃で熱処理を行う熱処理工程を含んでいてもよい。熱処理温度は、200~400℃の範囲であることが好ましい。
熱処理工程の時間は、特に限定されるものではないが、1~6時間の範囲とすることが好ましい。
熱処理工程を実施したマグネシウム合金は、熱処理工程を実施しないマグネシウム合金と比較して、より高熱伝導なものとすることができる。
<用途>
本発明のマグネシウム合金は、高温強度を有するとともに、昇温や熱膨張を抑え、成形品のクリアランスを適正化することができる。また、従来のアルミニウム合金と比較して低比重であり、具体的には、30%以上の軽量化が可能となる。このため、高温強度および軽量化が必要とされる用途に好ましく用いることができ、例えば、自動車等のエンジンブロックや、ピストンやシリンダ等のエンジン部品として、好適に用いることができる。また、本発明のマグネシウム合金は、自動車等の輸送機の燃費向上やエンジンの静粛性にも寄与することができる。
本発明のマグネシウム合金は、高温強度を有するとともに、昇温や熱膨張を抑え、成形品のクリアランスを適正化することができる。また、従来のアルミニウム合金と比較して低比重であり、具体的には、30%以上の軽量化が可能となる。このため、高温強度および軽量化が必要とされる用途に好ましく用いることができ、例えば、自動車等のエンジンブロックや、ピストンやシリンダ等のエンジン部品として、好適に用いることができる。また、本発明のマグネシウム合金は、自動車等の輸送機の燃費向上やエンジンの静粛性にも寄与することができる。
次に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、実施例および比較例記載の「ppm」は「質量ppm」を示す。
<実施例1>
[溶湯の作製]
Mgに、Alを4.5質量%、Caを4.0質量%、Siを0.3質量%、Mnを0.3質量%、ミッシュメタル(Mm)を0.6質量%添加した金属材料を、るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750~850℃の温度で溶融し、溶融合金(溶湯)を得た。
[溶湯の作製]
Mgに、Alを4.5質量%、Caを4.0質量%、Siを0.3質量%、Mnを0.3質量%、ミッシュメタル(Mm)を0.6質量%添加した金属材料を、るつぼに挿入し、Ar雰囲気中で高周波誘導溶解を行い、750~850℃の温度で溶融し、溶融合金(溶湯)を得た。
[鋳物の作製]
続いて、得られた溶融合金(溶湯)を金型に注入して鋳造し、ダイキャスト(DC)鋳造によりエンジンブロックを作製した。
続いて、得られた溶融合金(溶湯)を金型に注入して鋳造し、ダイキャスト(DC)鋳造によりエンジンブロックを作製した。
続いて、得られたエンジンブロックに対して、300℃で4時間の熱処理を実施し、熱処理エンジンブロックを得た。
得られたエンジンブロックおよび熱処理エンジンブロックについて、熱伝導率(室温)、および引張強さ(200℃)を測定した。結果を表1に示す。
<比較例1>
ミッシュメタル(Mm)を添加しない以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
ミッシュメタル(Mm)を添加しない以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
<比較例2>
ミッシュメタル(Mm)の代わりにYを0.3%添加した以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
ミッシュメタル(Mm)の代わりにYを0.3%添加した以外は、実施例1と同様にして、溶融合金(溶湯)を得て、得られた溶融合金(溶湯)からエンジンブロックを作製した。
<評価>
実施例および比較例について、以下の評価を行った。
実施例および比較例について、以下の評価を行った。
[溶湯燃焼の有無]
実施例および比較例で得られた溶融合金(溶湯)について、溶解時(静置状態)、ダイキャスト(DC)鋳造中(攪拌状態)、およびダイキャスト(DC)後の静置状態において、溶湯燃焼の有無を観察した。また、ダイキャスト後の溶湯表面に形成された酸化皮膜を引き上げて、目視で観察した。結果を表2に示す。
実施例および比較例で得られた溶融合金(溶湯)について、溶解時(静置状態)、ダイキャスト(DC)鋳造中(攪拌状態)、およびダイキャスト(DC)後の静置状態において、溶湯燃焼の有無を観察した。また、ダイキャスト後の溶湯表面に形成された酸化皮膜を引き上げて、目視で観察した。結果を表2に示す。
[耐焼付性]
得られたエンジンブロックにつき、目視にて、焼付きの有無を確認した。結果を表1に示す。実施例1で得られたエンジンブロックについては、鋳造時の温度が高くなる湯口付近の領域においても、焼付きは見られなかった。一方で、比較例1および比較例2で得られたエンジンブロックにおいては、湯口付近に焼付きが見られた。
得られたエンジンブロックにつき、目視にて、焼付きの有無を確認した。結果を表1に示す。実施例1で得られたエンジンブロックについては、鋳造時の温度が高くなる湯口付近の領域においても、焼付きは見られなかった。一方で、比較例1および比較例2で得られたエンジンブロックにおいては、湯口付近に焼付きが見られた。
実施例1で得られたエンジンブロックは、その表面に、金型の材料である鉄とは反応しない希土類元素(RE)の酸化膜が形成されており、温度の高い湯口近傍であっても、焼付きが抑制できたことが判る。一方で、比較例1および比較例2で得られたエンジンブロックは、その表面が、酸化カルシウムの膜となっており、このため、金型である鉄との反応が起こり、焼付きが発生した。
Claims (10)
- 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
Al+8Ca≧20.5%である、難燃性マグネシウム合金。 - AlとCaとの組成比Al/Caが、1.7以下である、請求項1に記載の難燃性マグネシウム合金。
- 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する、難燃性マグネシウム合金。 - 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下、希土類元素を0.4%以上1.3%未満含有し、残部がMgおよび不可避的不純物からなり、
熱伝導度が80W/m・K以上であり、かつ、200℃における引張強さが170MPa以上である、難燃性マグネシウム合金。 - Mg母相中にCa-Mg-Si系化合物相を有する、請求項1~4いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- Mg母相のMg純度が98.0%以上である、請求項1~5いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- 前記希土類元素は、ミッシュメタルである、請求項1~6いずれか記載の難燃性マグネシウム合金。
- 請求項1~7いずれか記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融した金属材料を、103K/秒未満の速度で冷却する冷却工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法。 - 請求項1~7いずれか記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融した金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca-Mg-Si系化合物相を含むMg母相と、を晶出させる晶出工程を含む、難燃性マグネシウム合金の製造方法。 - さらに、150~500℃で熱処理を行う熱処理工程を含む、請求項8または9に記載の難燃性マグネシウム合金の製造方法。
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