JP2005240130A - 耐熱マグネシウム合金鋳造品 - Google Patents

Abstract

【課題】 機械的性質とクリープ特性に優れ、かつ鋳造性とクリープ強度を向上させた耐熱マグネシウム合金鋳造品を提供する。
【解決手段】 Ａｌを１.５〜６％、Ｃａを０．３〜３％、Ｍｎを０.１〜１％、Ｓｒを０.２１〜１％、Ｇｅを０．１〜１％含有し、所望によりＳｉを０.１〜１％、Ｚｎを０.２〜１％、Ｂｅを１〜１００ｐｐｍ含有し、さらに所望により希土類元素０．１〜３％を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなる。さらに、所望により不可避不純物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの含有量をそれぞれ５０ｐｐｍ以下に規制する。良好な鋳造性を有し、鋳造割れを招くことなくダイカスト成型などによって所望形状の鋳造品として得られる。鋳造品は高温クリープ強度に優れ、自動車のエンジン周りの部品などに用いることができ、耐食性にも優れている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、軽量化が求められる自動車部品、特に耐熱性が求められるトランスミッション部品またはエンジン部品に用いて好適な耐熱マグネシウム合金鋳造品に関するものである。

近年、自動車を始めとする輸送機器などにあっては、軽量化の為に、マグネシウム合金が注目され出してきている。このようなマグネシウム合金、特に鋳造用のマグネシウム合金としては、２〜６ｗｔ％のＡ１を含むＭｇ−Ａｌ系合金（ＡＳＴＭ規格ＡＭ６０Ｂ，ＡＭ５０Ａ，ＡＭ２０Ａ等）、あるいは、８〜１０ｗｔ％のＡ１及び１〜３ｗｔ％のＺｎを含むＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金（ＡＳＴＭ規格ＡＺ９１Ｄ等）が知られている。これらのマグネシウム合金は、鋳造性が良好で、ダイカスト成型も可能である。
また、その他に、希土類元素を添加したＡＥ４２合金や、Ｍｇ−Ａｌ合金にＣａを添加した合金（例えば特許文献１、２）、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ系合金にＣａを添加した合金が開発されている（例えば特許文献３）。特に、特許文献３では、Ｃａ／Ａｌ比を０.７以上とする場合に、Ｍｇ−Ｃａの金属間化合物が晶出して高いクリープ強度が得られるとされている。
特開平７−１１３７４号公報 特開平９−２９１３３２号公報 特開平６−２５７９０号公報

しかし、上記したＡＭ、ＡＺ規格合金は、１２５〜１７５℃、例えば１５０℃と言った高温でのクリープ強度が低く、エンジン回りの部品に使用された場合、使用中にへタリが起き易く、部品を締め付けているボルトが緩む可能性がある等の問題を生じるおそれがある。例えば、ダイカスト用の合金として代表的なＡＺ９１Ｄは、鋳造性、強度、耐食性が良好であるものの、クリープ強度が劣っている。
また、希土類元素を添加したＡＥ４２規格合金は、希土類元素を含むために高価であり、かつ鋳造性やクリープ強度も十分とはいえない。
また、Ｃａを添加したＭｇ合金は、クリープ強度が向上しているものの、ＡＤＣ１２アルミニウム合金に比べて十分とは言えず、更にＣａ添加により湯回り不良や鋳造割れが生じやすいという問題を有している。

本発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、機械的性質とクリープ特性に優れ、かつ鋳造性とクリープ強度を向上させた自動車用などに好適な耐熱マグネシウム合金鋳造品を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、耐熱性および鋳造性に優れたマグネシウム合金であって、質量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０．３〜３％、Ｍｎを０．１〜１％、Ｓｒを０.０１〜１％、Ｇｅを０．１〜１％含有し、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。

なお、本発明の耐熱マグネシウム鋳造品は、さらに成分としてＳｉを０.１〜１％含有することができる。また本発明の耐熱マグネシウム鋳造品は、さらに成分としてＺｎを０.２〜１％含有することができる。また本発明の耐熱マグネシウム鋳造品は、さらに成分として、質量比でＢｅを１〜１００ｐｐｍ含有することができる。また本発明の耐熱マグネシウム鋳造品は、さらに成分として、質量％で希土類元素を０．１〜３％含有することができる。
また、本発明の耐熱マグネシウム鋳造品は、不可避不純物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの含有量をそれぞれ５０ｐｐｍ以下に規制するのが好ましい。

以下に本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品に用いられるマグネシウム合金の組成について説明する。なお、本願明細書において特に指定しない限り、２つの数値を〜で結んで範囲を指定する場合、以上、以下を示すものとする。例えば１〜３％は、特に指定しない限り１％以上、３％以下の範囲を示すものとする。更に、本願明細書において％は特に指定しない限りは質量％を示すものとする。

Ａｌ（１.５〜６質量％）：Ａｌはその含有量が６％まではマグネシウムの地に固溶して固溶体硬化により強度を高め、またＣａと結合して結晶粒界上にＡｌ-Ｃａ系晶出物のネットワークを形成することによりマグネシウム合金のクリープ特性を向上させる。さらに、鋳造性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が１.５％未満であるとこれらの効果が小さく、特にその強度が低くなるため実用的ではない。一方、Ａｌの含有量が６％を超えるとクリープ特性が急激に劣化する。従ってＡｌ含有量を１.５〜６％の範囲とした。
また、Ａｌ含有量が１.５〜４.０％の場合には、引張強さや耐力が比較的小さくなるため、高い引張強さや耐力が必要な場合などにおいては、Ａｌ含有量は４.０％を超えて６％以下の範囲とされることがより好ましい。

Ｃａ（０.３〜３質量％）：Ｃａは、その含有量の増加に伴ってクリープ抵抗を向上させる効果を有するが、含有量が質量％で０.３％未満ではその改善効果が小さく、一方、３％を超えるとその改善効果は飽和する。また、Ｃａには、溶湯の難燃性を高める作用があるが、０.３％未満では十分ではない。Ｃａは本来、鋳造性を低下させる傾向があるが、後述するＳｒの含有によりこの鋳造性の低下を大幅に改善することができる。ただし、３％を超えるＣａ含有ではＳｒの含有によっても鋳造性の低下が顕著になる。従って、Ｃａ含有量を質量％で０.３〜３％の範囲とした。その範囲の中でも下限０．５％、上限２．５％が好ましく、さらに下限１.０％、上限２.０％が一層好ましい。さらには上限１．５％が一層好ましい。

Ｍｎ（０.１〜１質量％）：Ｍｎは耐食性を向上させ、さらにマグネシウムの地に固溶してクリープ強度および耐力、特に高温耐力を向上させる。しかし、０.１％未満ではそれらの効果は少なく、一方、１％を超えると多量のＭｎ単層が晶出するようになるため、マグネシウム合金が脆くなり強度が低下する。従ってＭｎはその含有量を０.１〜１％の範囲とした。好ましくは０.４〜０.７％の範囲である。

Ｓｒ（０.０１〜１質量％）：Ｓｒは、その含有量の増加に伴ってクリープ抵抗を増加させ、同時に鋳造割れを生じにくくする効果を有する。また、鋳物に生じるミクロシュリンケージポロシティの発生を抑制し、鋳物の健全性を高め、引張強さ、伸びを向上させる効果がある。しかし、０.０１％未満ではそれらの改善効果が小さく、一方、１％を超えるとそれらの改善効果は飽和する。従ってＳｒ含有量を質量％で０.０１〜１％の範囲とした。更に好ましいのは０.２１〜０.５％の範囲である。

Ｇｅ（０．１〜１質量％）：Ｇｅは、鋳造性を向上させ、鋳造割れを起こりにくくする作用があり、またＭｇ_２Ｇｅを形成してクリープ特性を向上させる。これらの作用を十分に得るためには、０．１％以上のＧｅ含有が必要である。一方、１％を超えると、効果がほぼ飽和するため、Ｇｅの含有量を０．１〜１％に限定する。

Ｓｉ：０.１〜１％
Ｚｎ：０.２〜１％
ＳｉやＺｎについては、上記のような割合で含有されていると、下記に述べるような特徴が更に奏される。即ち、本発明のマグネシウム合金には、上記成分の他にＳｉが０.１〜１％、（好ましくは０.２〜０.６％）含有される場合もある。また、上記成分の他にＺｎが０.２〜１％（好ましくは０.４〜０.８％）含有される場合もある。即ち、上記のような割合でＳｉが更に含有された本発明のマグネシウム合金は鋳造性が向上し、鋳造割れが起き難くなる傾向が奏される。また、上記のような割合でＺｎが更に含有された本発明のマグネシウム合金は、固溶硬化により強度が向上する特徴が奏される。

Ｂｅ（１〜１００ｐｐｍ）
Ｂｅは鋳造時の酸化を防止して鋳造性を向上させ、また強度を向上させる効果があるので所望により含有させる。ただし、１ｐｐｍ未満ではその効果が少なく、一方、１００ｐｐｍを超えると、過剰なＢｅ添加で生じた酸化皮膜のまき込みを生じ、強度、伸びの低下を生じるため１〜１００ｐｐｍの範囲とする。なお、同様の理由で下限を５ｐｐｍ、上限を５０ｐｐｍとするのが好ましい。

希土類元素０．１〜３％
希土類元素はアルミニウムと化合物を生成してクリープ特性を向上させるので所望により含有させる。しかし、希土類元素の含有量が０.１％未満の場合には十分な効果が得られず、また、３％を超えて含有させると鋳造時に割れや焼き付きが発生しやすくなる。また、希土類元素を添加すると耐食性の著しい改善が認められ、この効果を得るには０.２％以上が好ましい。なお、上記のクリープ特性の向上、耐食性の改善のためには、さらに下限を０．５％とするのが望ましく、上記と同様の理由で上限を１．５％とするのが望ましい。

Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ：各５０ｐｐｍ以下
Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕは、微量の添加によっても耐食性を劣化させる特性を有しており、それぞれ５０ｐｐｍ以下に規制するのが好ましい。好適には２０ｐｐｍ以下とする。

以上説明したように、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品によれば、質量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０．３〜３％、Ｍｎを０．１〜１％、Ｓｒを０.２１〜１％、Ｇｅを０．１〜１％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるので、鋳造性が良好で、ダイカスト鋳造を含め多くの鋳造法で良好な鋳造が可能になる。また、鋳造品は高温でのクリープ強度に優れ、エンジン回りの部品にも使用が可能であり、耐食性にも優れている。

上記説明の本発明のマグネシウム合金は、一般的なＭｇ合金の溶解技術によって製造することができる。例えば、鉄製坩堝を用い、又、ＳＦ_６／ＣＯ_２／Ａｉｒの混合ガス等の酸化防止用ガスを用いて溶解することによって得られる。

上記の合金成分を有する耐熱マグネシウム合金鋳造品は、一般的なマグネシウム合金の鋳造技術によって製造することができる。例えば、鉄製の坩堝を用いて溶製することができる。また、鋳造においては、ダイカスト法、重力鋳造法などの各種鋳造方法を用いることが可能であり、本願発明では特にダイカスト法、重力鋳造法に限定されるものではないが、ダイカスト法、重力鋳造法により製造することが一般的には有効である。
また、本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品は、鋳造工程における冷却速度が、０.１℃／秒以上、１００℃／秒以下の範囲とされることが好ましい。これは、上記冷却速度が０.１℃／秒未満であると、Ｍｇ結晶粒の粒界に析出する晶出物が多くなり、Ａｌ固溶量が少なくなるために強度が低下するからであり、１００℃／秒を超えるとＭｇ結晶粒の粒界に晶出する晶出物の面積率が低下してクリープ強度が低下するからである。

次に、前述の組成のダイカスト用マグネシウム合金の具体的用途としては、自動車関連のエンジンまわりの部品として、シリンダーブロック、シリンダーヘッド、シリンダーヘッドカバー、オイルパン、オイルポンプボディー、オイルポンプカバー、インテークマニフォールドなどのエンジン回りの構造部材、あるいは、ケース類としては、トランスミッションケース、トランスファーケース、チェーンケースステアリングケース、ジョイントカバー、オイルポンプカバー等のエンジン回りのケース部材などに適用することができる。

以下、実施例を用いて本発明の効果を明らかにする。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。下記の表１に示す組成のマグネシウム合金を鉄製坩堝を用いてＳＦ_６／ＣＯ_２／Ａｉｒの混合ガス雰囲気下で電気炉にて溶解し、コールドチャンバーダイカストマシンにより図１（ａ）、（ｂ）に示す形状の鋳物をそれぞれ鋳造した。なお、本例における鋳造時の冷却速度は７０℃／秒とした。図１（ａ）、（ｂ）に示す鋳造品１は、全体が幅７０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの板材であって、この板材の下部から高さ方向に１／３の部分４が厚さ３ｍｍ、次の１／３の部分３が厚さ２ｍｍ、残りの１／３の部分２が厚さ１ｍｍとされている。そして、溶製した金属を型に注入する側のビスケット部５側に厚さ３ｍｍの部分４が配置されており、厚さ１ｍｍの部分２から外側に鋳込み金属がオーバーフローするようにオーバーフロー部６が形成されている。

本発明に係るマグネシウム合金鋳造品のダイカスト鋳造性は、鋳造時の鋳造割れ（高温割れ）と金型への焼き付きにより評価した。鋳造割れは、図１に示す鋳造品の厚さが１ｍｍから２ｍｍに変化する付近において凝固収縮中の応力集中に起因して生じる。以下の表１に示す組成の各合金に対し、それぞれ１００ショット製造し、最初の３０ショットは廃棄して、残りの７０ショットについて一個あたりの平均鋳造割れ長さを求め、鋳造割れの評価とした。各試料のマグネシウム合金鋳造品において金型への焼き付きについては目視で評価した。

また、図１に示す鋳造品１の板厚３ｍｍの部分より板状試験片を切り出し、引張試験とクリープ試験を実施した。引張試験は１０トンオートグラフ試験機を用いて室温にて引張速度５ｍｍ／分で行った。また、クリープ試験は１５０℃にて荷重５０ＭＰａ、試験時間１００時間で行い、クリープ曲線より最小クリープ速度を求め、クリープ特性の評価とした。以上の条件にて実施した評価の結果を以下の表２に示す。また、一部の実施例と比較例については、試験片に対して塩水（５％ＮａＣｌ溶液）を２４０時間噴霧した場合の腐食速度を耐食性の指標として示した。

表２に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜４の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、優れた引張強さと耐力を有し、最小クリープ速度も小さく、鋳造割れ長さも短いことがわかる。また、これら実施例の耐熱マグネシウム合金鋳造品においては鋳造時の焼き付きの発生がなく優れた特性を有する鋳造品であることがわかる。
上記実施例の耐熱マグネシウム合金鋳造品に対して、Ａｌ含有量を本発明範囲よりも低い１．１％とした比較例１の鋳造品は鋳造割れ長さが大きくなった。また、比較例１、４の試料は鋳造時の焼き付きが発生した。

比較例３の試料はＣａを本発明範囲よりも低い０.１％含有するので、Ｃａ含有量が少なくて最小クリープ速度が大きいといった問題がある。比較例４はＣａ含有量が多すぎて鋳造割れ長さが著しく大きいものであった。

比較例２の試料はＡｌ含有量が多く、最小クリープ速度が大きくなった。比較例６はＭｎを多く含んだ試料であるが、引張強さが低くなるという問題を生じた。また、比較例５の試料は、Ｇｅ量が少ないことから、最小クリープ速度が大きくなった。

（ａ）は本発明の実施例で得られた鋳造品の側面図、（ｂ）は同鋳造品の平面図である。

符号の説明

１ 鋳造品
２ 厚さ１ｍｍの部分
３ 厚さ２ｍｍの部分
４ 厚さ３ｍｍの部分
５ ビスケット部
６ オーバーフロー部

Claims (6)

1. 耐熱性および鋳造性に優れたマグネシウム合金であって、質量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０．３〜３％、Ｍｎを０．１〜１％、Ｓｒを０.０１〜１％、Ｇｅを０．１〜１％含有し、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耐熱マグネシウム合金鋳造品。
2. 成分としてさらに、質量％でＳｉを０.１〜１％含有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
3. 成分としてさらに、質量％でＺｎを０.２〜１％含有することを特徴とする請求項１または２に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
4. 成分としてさらに、質量比でＢｅを１〜１００ｐｐｍ含有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
5. 成分としてさらに、質量％で希土類元素を０．１〜３％含有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
6. 不可避不純物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕの含有量をそれぞれ５０ｐｐｍ以下に規制することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。

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