JP2008231488A - 塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋳造によって容易に得ることができ、塑性変形性、機械的強度及び耐クリープ性に優れている塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材を提供すること。
【解決手段】 マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であって、該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が５〜１０質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が４．５質量％以下であり、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低下させる量である塑性加工用マグネシウム合金、及びマグネシウム合金塑性加工部材。
【選択図】 なし

Description

本発明は鋳造によって容易に得ることができ、塑性変形性、機械的強度及び耐クリープ性に優れている塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材に関し、具体的には軽量化を必要とする自動車、携帯電話、ノート型パソコンなどの民生電機・情報機器、電動工具、汎用エンジンなどの産業機械等のマグネシウム合金製部材の製造に用いることができる塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材に関する。

上記のようなマグネシウム合金製部材の製造に使用される合金の多くはマグネシウム−アルミニウム系合金であり、鋳造性及び強度を必要とする場合には、アルミニウム含有量が多い合金、例えば、マグネシウム−９質量％アルミニウム（ＡＺ９１）合金が汎用とされている。一方、鍛造など塑性変形性を必要とする場合には、アルミニウム含有量を少なくする必要があり、例えば、マグネシウム−３質量％アルミニウム（ＡＺ３１）合金が汎用とされている。また、鋳造用合金でも自動車のエンジン部品等のように４２３Ｋ前後で使用される耐熱マグネシウム合金もアルミニウム含有量を抑制する必要があり、例えば、マグネシウム−２質量％アルミニウム−２質量％ケイ素（ＡＳ２２）合金やマグネシウム−４質量％アルミニウム−２質量％希土類金属（ＡＥ４２）合金が提案されている（非特許文献１参照）。
ＡＳＴＭ ＡＺ９１、ＡＺ３１、ＡＳ２２、ＡＥ４２

しかしながら、アルミニウム含有量が少ないと機械的強度が低くなり、部品設計上、肉厚を大きくしたりする必要が生じ、軽量化効果が小さくなってしまう。また、耐熱マグネシウム合金においても鋳造性が悪く、機械的強度が低くなるという課題がある。

本発明は鋳造によって容易に得ることができ、塑性変形性、機械的強度及び耐クリープ性に優れている塑性加工用マグネシウム合金及びマグネシウム合金塑性加工部材を提供することを目的としている。

本発明者らは上の課題を解決するための方策を種々検討した結果、次の知見を得るに至った。すなわち、鋳造性、特にダイカスト鋳造性を考慮すると、アルミニウム含有量を５質量％以上、望ましくは６質量％以上にする必要がある。しかし、このようなアルミニウム含有量の範囲では塑性加工性及び耐クリープ性が低下する領域に入ってくる。この要因は、マグネシウム相の格子定数の変化やマグネシウム−アルミニウム相の生成から説明されることが多く、マグネシウム相中のアルミニウム濃度が４．５質量％以下、望ましくは４．３質量％以下、更に望ましくは３．５質量％以下の領域で塑性加工性、耐クリープ性が改善される。このように、鋳造性を考慮した場合と、塑性加工性及び耐クリープ性を考慮した場合とでは、アルミニウム含有量としては０．５質量％以上、望ましくは１．５質量％以上の差が生じる。

そこで、本発明者らはマグネシウム溶湯中のアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素を添加することを検討した。しかし、その金属元素が溶湯中でアルミニウムと金属間化合物を形成する場合には、溶湯中のアルミニウム含有量を実質的に下げてしまい、鋳造性の向上には寄与せず、また金属間化合物が粗大化するため溶湯中で沈殿して強度向上にも寄与しない。しかし、凝固過程の共晶反応でアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素であれば、その金属間化合物は凝固過程で生成し結晶粒周囲に微細で均一に分散するので、鋳造時には高アルミニウム含有量であるが、凝固後のマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低くすることが可能である。また、凝固した金属組織中に微細な金属間化合物が均一に分散するため、塑性加工性、耐クリープ性に加えて合金の高強度化が可能となる。

即ち、本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であって、該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が５〜１０質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が４．５質量％以下であり、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムと金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を４．５質量％以下に低下させる量であることを特徴とする。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、塑性加工性、耐クリープ性、優れた機械的特性を併せ持つものであり、自動車、携帯電話、ノート型パソコンなどの民生電機・情報機器、電動工具、汎用エンジンなどの産業機械等の軽量化の進展が可能になる。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であり、各合金元素を純金属として又は母合金として用い、溶解させて得た溶湯を鋳造することにより得られる。この溶湯中のアルミニウム含有量が５〜１０質量％であるので、鋳造性は良好である。

鋳造後の凝固過程の共晶反応でアルミニウムと上記の金属元素が金属間化合物を形成するので、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が４．５質量％以下となり、残りのアルミニウムが凝固した金属組織中に微細な金属間化合物として均一に分散するので、塑性加工性、耐クリープ性に加えて合金の高強度化が可能となる。

凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素としてはランタン、セリウムなどの希土類金属、あるいはその混合物であるミッシュメタル、カルシウム、ストロンチウム等があり、コスト面からミッシュメタル、カルシウム、ストロンチウムが有利である。これらの金属元素の含有量は一律に決まるものではなく、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を４．５質量％以下、望ましくは４．３質量％以下、更に望ましくは３．５質量％以下に低下させる量である。マグネシウム相中のアルミニウム濃度は例えばＥＰＭＡ（Electron Probe Micro-Analyzer）により分析できる。あるいは、各金属元素が形成する金属間化合物は、例えばＡｌ₂Ｃａ、Ａｌ₄Ｃｅ、あるいはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系などの複合化合物等であり、この原子比から算出することもできる。

また、生成する金属間化合物による強度向上を期待するのであれば、面積分析法により求めた金属組織中の金属間化合物の面積比率が５％以上、望ましくは１０％以上であることが好ましい。

また、本発明の塑性加工用マグネシウム合金において、マグネシウム合金で一般的に用いられている銀、銅、亜鉛、マンガンの少なくとも一種をそれぞれ銀０．１〜３質量％、銅０．１〜４質量％、亜鉛０．１〜２質量％及びマンガン０．１〜１質量％の量で追加添加しても上記のメカニズムは有効である。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、金属組織が微細化しているので塑性変形性、機械的強度の両面から有用であり、また、鋳造、特にダイカスト鋳造の急冷凝固により結晶粒度が５０μｍ以下、望ましくは３０μｍ以下と微細となり塑性加工用合金素材として特に適している。また、このような微細組織のマグネシウム合金は耐食性に優れることも知られている。従って、本発明の塑性加工用マグネシウム合金は押出し、圧延、鍛造又はプレスの塑性加工が可能であり、本発明はこのような塑性加工により得られたマグネシウム合金塑性加工部材も包含する。

また、本発明の塑性加工により得られたマグネシウム合金塑性加工部材は耐クリープ性に優れ、４７３Ｋでの引張強さが１５０ＭＰａ以上であり、４２３Ｋ、５０ＭＰａでのクリープ速度が１×１０^-3％／ｈ以下である耐クリープ性を有し、エンジンオイルの温度である４２３Ｋでの耐クリープ性が必要な自動車エンジン部品等で用いられているアルミニウム（ＡＤＣ１２）合金並である。

本発明の塑性加工用マグネシウム合金は、塑性加工の加工温度・加工比を制御することで再結晶や動的再結晶を生じさせ、マグネシウム合金塑性加工部材の金属組織を５０μｍ以下、望ましくは３０μｍ以下に微細化できる。微細組織の有効性は上記した通りである。このような組織制御を行う塑性加工としては加工温度・加工比の自由度から鍛造加工が有利である。このように本発明のマグネシウム合金鍛造加工部材においては、マグネシウム合金の金属組織の結晶粒度が他の製法では困難な平均５０μｍ以下とすることができ、３０μｍ以下であることが好ましい。また、例えば、ＡＺ６１、ＡＺ９１では困難な５７３Ｋ以下での鍛造成形が可能で、鍛造成形を加工温度５７３Ｋ以下で行って、室温での引張強さが３００ＭＰａ以上であるマグネシウム合金鍛造成形部材を得ることができる。本発明はこのような鍛造成形により得られたマグネシウム合金鍛造成形部材も包含する。

以下に実施例及び比較例に基づいて本発明を具体的に説明する。
実施例１〜８及び比較例１〜２
実施例１〜８及び比較例１〜２の塑性加工用マグネシウム合金を製造するために用いた原料合金組成を第１表に示す。なお、第１表中のＭｍはミッシュメタルである。

鋳鋼鋳物製の坩堝に上記の何れかのマグネシウム原料合金を装入して溶解させ、合金の耐食性を改善するためにその溶湯に０．２質量％のミッシュメタルを添加し且つＡｒガスをバブリングさせ、また、その溶湯の表面に希釈ＳＦ₆を流動させた。溶湯温度を８７３〜９７３Ｋに維持し、金型温度４７３Ｋで第２表に示す鋳造方法によって鋳造した。ダイカスト鋳造の場合には□１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ４ｍｍの板材を作製し、金型鋳造の場合には□１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ５０ｍｍの板材を作製した。また、この金型鋳造で得た厚さ５０ｍｍの板材については、厚さ４ｍｍにカットしたものを後記の鍛造性試験及びクリープ試験に用いた。

作製した各々の板材について、金属組織の平均結晶粒度はＪＩＳ Ｇ ０５５１の定義による結晶粒度であり、マグネシウム相中のアルミニウム濃度はＥＤＸ版定量分析による値であり、金属間化合物の面積比率は顕微鏡組織の画像解析による値である。それらの値は第２表に示す通りであった。

上記実施例及び比較例の各々のマグネシウム合金の厚さ４ｍｍの板材を用い、それぞれ第３表に示す鍛造温度で、底面直径２０ｍｍ、高さ３０ｍｍ以上、側面の抜き勾配５度のコップ形状の試作品を後方押し出しで作製した。この際、端面は処理しなかった。鍛造性を下記の基準で評価した。それらの評価結果は第３表に示す通りであった。
＜鍛造性＞
○：試作品にクラック等の欠陥がない、
△：試作品表面に微細なクラックがある、
×：試作品にクラックがある。

また、上記実施例及び比較例の各々のマグネシウム合金の厚さ４ｍｍの板材を据込み加工により厚さ２ｍｍに加工してＪＩＳ１３Ｂ試験片を作製し、この試験片を用いて試験温度４２３Ｋ、負荷５０ＭＰａでクリープ試験を実施し、クリープ速度を求めた。その試験結果は第３表に示す通りであった。
更に、一部のマグネシウム合金板材について引張強さを測定した。その結果は第３表に示す通りであった。

Claims (9)

1. マグネシウムと、アルミニウムと、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素とからなる溶湯を鋳造して得たマグネシウム合金であって、該マグネシウム合金中の全アルミニウム含有量が５〜１０質量％であり、マグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度が４．５質量％以下であり、残りのアルミニウムが金属間化合物として存在しており、凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素の量がマグネシウム合金の金属組織におけるマグネシウム相中のアルミニウム濃度を低下させる量であることを特徴とする塑性加工用マグネシウム合金。
2. 凝固過程の共晶反応でアルミニウムとの金属間化合物を形成する金属元素が希土類金属、カルシウム及びストロンチウムの少なくとも一種であることを特徴とする請求項１記載の塑性加工用マグネシウム合金。
3. 面積分析法により求めた金属間化合物の面積比率が５％以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の塑性加工用マグネシウム合金。
4. 銀０．１〜３質量％、銅０．１〜４質量％、亜鉛０．１〜２質量％及びマンガン０．１〜１質量％の少なくとも一種を追加含有することを特徴とする請求項１、２又は３記載の塑性加工用マグネシウム合金。
5. マグネシウム合金の金属組織の結晶粒度が平均５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の塑性加工用マグネシウム合金。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の塑性加工用マグネシウム合金を押出し、圧延、鍛造又はプレスの塑性加工により得られたものであることを特徴とするマグネシウム合金塑性加工部材。
7. ４７３Ｋでの引張強さが１５０ＭＰａ以上であり、４２３Ｋ、５０ＭＰａでのクリープ速度が１×１０^-3％／ｈ以下である耐クリープ性を有することを特徴とする請求項６記載のマグネシウム合金塑性加工部材。
8. 塑性加工が鍛造成形であることを特徴とする請求項６又は７記載のマグネシウム合金鍛造成形部材。
9. 鍛造成形を加工温度５７３Ｋ以下で行って得られた、室温での引張強さが３００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項６〜８の何れかに記載のマグネシウム合金鍛造成形部材。