JP2007270159A - 耐クリープマグネシウム合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】耐クリープ性、耐食性及びダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金を提供する。
【解決手段】Alを2.5〜6.5質量%、Caを0.3〜3.0質量%、Snを0.15〜3.0質量%、Mnを0.2〜0.5質量%含み、残部がMgと不可避的不純物からなる耐クリープマグネシウム合金である。必要に応じ、Srを0.01〜0.3質量%含む。本発明品である試料4は、試料1、試料2(特開2001−316752号の合金−1、2)、試料3(特開平7−3374号の合金)及び試料9(AZ91D)よりも優れた耐クリープ性を備える。
【選択図】図7
【解決手段】Alを2.5〜6.5質量%、Caを0.3〜3.0質量%、Snを0.15〜3.0質量%、Mnを0.2〜0.5質量%含み、残部がMgと不可避的不純物からなる耐クリープマグネシウム合金である。必要に応じ、Srを0.01〜0.3質量%含む。本発明品である試料4は、試料1、試料2(特開2001−316752号の合金−1、2)、試料3(特開平7−3374号の合金)及び試料9(AZ91D)よりも優れた耐クリープ性を備える。
【選択図】図7
Description
本発明は、耐クリープマグネシウム合金に関し、特に、高温環境下使用で要求される耐クリープ性及び耐食性を有し、しかも鋳造割れなどの鋳造欠陥が生じない、ダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金に関する。
自動車用部品の素材に使用される合金として、Mg-Al-Ca系合金が知られている。また、最近ではMg-Al-Ca-Sr-Mn系合金が提案されている(例えば、特許文献1参照)。この合金は耐クリープ性及び耐食性に優れ、質量%でAlが2.0〜6.0%、Caが0.3〜2.0%、Srが0.01〜1.0%、Mnが0.1〜1.0%を含み、残部がMg及び不純物かからなる合金である。また、上記合金に、更にSiを質量%で0.1〜1.0%又はZnを質量%で0.2〜1.0%添加した合金も提案されている。
また、耐クリープ性に優れた合金として、Mg-Al-Si-Sn系合金が提案されている(例えば、特許文献2参照)。この合金は、質量%でAlが0.0〜4.0%、Siが0.2〜2.0%、Snが6.0〜20.0%を含み、残部がMg及び不純物からなる合金である。
しかし、従来のMg-Al-Ca-Sr-Mn系合金では、Caを含有するため金型への焼付きや鋳造割れが発生するなどダイカスト性が悪く、実製品のダイカストは困難である。また、Srを添加することにより割れを防止する効果を多少は得ているが、焼付きなどへの効果が得られていない。湯流れ性を向上させるために、Alを増加させることが考えられるが、耐クリープ性が低下する。そして、この合金にSiを添加すると耐クリープ性及び耐食性が低下する。また、この合金にZnを添加すると耐クリープ性が低下し、割れが発生する。また、Mg-Al-Si-Sn系合金は、耐食性がMg-Al-Ca-Sr-Mn系合金と比較して非常に劣っている。
そこで、本発明は、耐クリープ性、耐食性及びダイカスト性に優れた耐クリープマグネシウム合金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、Alを2.5〜6.5質量%、Caを0.3〜3.0質量%、Snを0.15〜3.0質量%、Mnを0.2〜0.5質量%含み、残部がMgと不可避的不純物からなる耐クリープマグネシウム合金を提供している。更に、Srを0.01〜0.3質量%含むことが好ましい。
請求項1に記載の耐クリープマグネシウム合金によれば、Alを2.5〜6.5質量%、Caを0.3〜3.0質量%、Snを0.15〜3.0質量%、Mnを0.2〜0.5質量%含、残部がMgと不可避的不純物からなる構成とした。即ち、Mg−Al−Ca−Mn系合金にSnを所定量添加することにより、耐クリープ性及び鋳造性(ダイカスト性)を向上させることができ、耐食性も良好となる。
請求項2に記載の耐クリープマグネシウム合金によれば、Srを0.01〜0.3質量%添加することで鋳造性がさらに向上する。
本発明の実施の形態による耐クリープMg合金について説明する。この耐クリープMg合金は、Al(アルミニウム)が2.5〜6.5質量%、Ca(カルシウム)が0.3〜3.0質量%、Sn(スズ)が0.15〜3.0質量%、Mn(マンガン)が0.2〜0.5質量%、Sr(ストロンチウム)が0.01〜0.3質量%含まれ、残部はMg(マグネシウム)と不可避的不純物である。Al、Ca、Sn、Mn、Mgは必須の元素であり、Srは任意の元素である。
ここで、Alを添加すると割れ性に効果があるが、Mg17Al12化合物を晶出するため耐クリープ性が低下する。Alの添加量が6.0質量%を越えると、Mg17Al12化合物が多く晶出するため高い耐クリープ性が得られない。従って、Al添加量は6.0質量%以下とした。一方、Alの添加量が2.5質量%未満であると、鋳造性が低下し、ダイカストが困難となる。従って、Al添加量は2.5質量%以上とした。
Caを添加するとMg合金の難燃性を向上させ、ある程度の高い溶湯温度でも鋳造を可能とする。しかし、添加しすぎると鋳造割れ及び焼付きを起こしやすくなり、健全な鋳造品が得られない。Caの添加量が3.0質量%を越えると、鋳造割れをおこしやすく、健全な鋳造品を得ることができない。従って、Caの添加量は、3.0質量%以下とした。一方で、Caの添加量が0.3質量%未満であると、十分な耐クリープ強度が得られない。従って、Caの添加量は0.3質量%以上とした。
Mg−Al−Ca系合金でAlとCaだけでは金型に焼付きが発生し、ダイカストが困難であるが、Snを添加すると焼付きが激減する。ただ、Snの添加量が3.0質量%を越えると、耐食性は低下し、AZ91D合金並の耐食性が得られない。従って、Sn添加量は3.0質量%以下とした。一方、Snの添加量が0.15質量%未満であると、鋳造割れをおこしやすく、健全な鋳造品を得ることができない。従って、Snの添加量は0.15質量%以上とした。
Mnを添加すると耐食性に効果があるが、Mnの添加量が0.5質量%を越えると、鋳造性が低下しダイカストが困難となる。従って、Mnの添加量は、0.5質量%以下とした。一方で、Mnの添加量が0.2質量%未満であると、耐食性が低下する。従って、Mnの添加量は、0.2質量%以上とした。
Srは、耐クリープ性にあまり効果がないが、Srを添加するとMg合金の鋳造性を向上させる。Srの添加量が0.3質量%を越えると、焼付きなどが発生しやすくなる。従って、Srの添加量は0.3質量%以下とした。一方、Srの添加量が0.01質量%未満であると、ひけ割れ等への効果はあまり得られない。従って、Srの添加量は0.01質量%以上とした。
なお、最小量の通常存在する不可避的不純物は0.004質量%未満のFe(鉄)、0.001質量%未満のNi(ニッケル)、0.08質量%未満のCu(銅)、0.01質量%未満のZn(亜鉛)等である。
本発明合金と比較材料について種々の実験を行った。実験に用いた試料の組成比は表1に示すとおりである。ここで、試料1及び試料2は特開2001−316752号公報に記載の合金であり、試料3は特開平7−3374号公報に記載の合金であり、試料4及び5は本発明の実施の形態による合金であり、試料6及び7は、Snの添加質量%が本発明の実施の形態の範囲外である合金であり、試料8はADC12合金であり、試料9はAZ91D合金である。
表1
表1
(実験1)
本発明合金と比較材料について割れ性の評価を行った。表1に示した試料1(特開2001−316752号の合金−1)、試料4(本発明の合金−1)、試料5(本発明の合金−2)試料6及び試料7(Snの添加質量%が本発明の範囲外である合金)それぞれを用いて、表2に示す4種の鋳造条件で、図1(a)、図1(b)に示す形状の試片を鋳造し、割れの発生率を調べた。図1(a)、図1(b)の試片1の形状は、平行部の長さが105mmであり、拘束端部の角部Rは、曲率半径0mmである。
表2
本発明合金と比較材料について割れ性の評価を行った。表1に示した試料1(特開2001−316752号の合金−1)、試料4(本発明の合金−1)、試料5(本発明の合金−2)試料6及び試料7(Snの添加質量%が本発明の範囲外である合金)それぞれを用いて、表2に示す4種の鋳造条件で、図1(a)、図1(b)に示す形状の試片を鋳造し、割れの発生率を調べた。図1(a)、図1(b)の試片1の形状は、平行部の長さが105mmであり、拘束端部の角部Rは、曲率半径0mmである。
表2
割れについては、目視及びカラーチェックによってチェックした。割れ性の評価は、表2の各条件で10個の試片1を作成し、鋳造後に割れの発生した試片1の数から割れ発生率を算出した。図2は、その結果を示しており、表2の条件1の結果は斜線、条件2の結果は白塗り、条件3の結果は黒塗り、条件4の結果は灰色で示されている。試料4(本発明の合金−1)では、条件1、条件2及び条件4において割れは発生しなかった。また、試料5(本発明の合金−2)及び試料7(Sn0.35質量%添加)では、条件1及び条件2において割れは発生しなかった。
試料1(特開2001−316752号の合金−1)では、全ての条件かつ10個の全ての試料において割れが発生した。従って、Snを添加した試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)の方が明らかに割れ性が優れていることが分かる。試料1(特開2001−316752号の合金−1)は、Ca添加によって割れが発生したものと考えられる。また、Ca添加によってダイカスト性が低下する(特に湯流れ性の低下及び焼付きが増加)。しかし、試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)では、更にSnを添加することにより、割れが減少したものと考えられる。また、Snを添加することにより、金型への焼付き性が減少し、固相線の低下による湯廻り性が向上する。試料6(Sn0.1質量%添加)では、全ての条件において20%以上の割れが発生し、Sn添加による効果はあまり認められなかった。試料7(Sn0.35質量%添加)では、割れ性に効果があることが分かった。
(実験2)
本発明合金と比較材料について耐クリープ性の実験を行った。250℃の温度雰囲気で43時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験Iと、200℃の温度雰囲気で100時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験IIとを行いそれぞれ変位を測定した。耐クリープ性実験Iでは、試料1(特開2001−316752号の合金−1)、試料4(本発明の合金−1)及び試料8(ADC12)を用いて図3に示すような試験片2を鋳造した。耐クリープ性実験IIでは、試料1、2(特開2001−316752号の合金−1、2)、試料3(特開平7−3374号の合金)、試料4(本発明の合金−1)、試料8(ADC12)及び試料9(AZ91D)を用いて図3に示すような試験片2を鋳造した。試験片2は、ASTMのB-85の引張試験片(平行部の直径6.35mm、標点間距離57.5mm、長さ 210mm)であり、図4に示されるように、試験片2の両端を支持具3a、3bにて支持し、支持台3aと3bの間の距離は150mmとし、試験片2の中央部に2kgの重り4を吊り下げ、所定の時間試験片2に荷重をかけ、試験片2に曲げ変位を生じさせた。
本発明合金と比較材料について耐クリープ性の実験を行った。250℃の温度雰囲気で43時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験Iと、200℃の温度雰囲気で100時間曲げ荷重を負荷する耐クリープ性実験IIとを行いそれぞれ変位を測定した。耐クリープ性実験Iでは、試料1(特開2001−316752号の合金−1)、試料4(本発明の合金−1)及び試料8(ADC12)を用いて図3に示すような試験片2を鋳造した。耐クリープ性実験IIでは、試料1、2(特開2001−316752号の合金−1、2)、試料3(特開平7−3374号の合金)、試料4(本発明の合金−1)、試料8(ADC12)及び試料9(AZ91D)を用いて図3に示すような試験片2を鋳造した。試験片2は、ASTMのB-85の引張試験片(平行部の直径6.35mm、標点間距離57.5mm、長さ 210mm)であり、図4に示されるように、試験片2の両端を支持具3a、3bにて支持し、支持台3aと3bの間の距離は150mmとし、試験片2の中央部に2kgの重り4を吊り下げ、所定の時間試験片2に荷重をかけ、試験片2に曲げ変位を生じさせた。
次に、変位の測定方法について説明する。図5に示すように、試験片2の一端側の試験片2の中心から75mmの位置を固定部材5により固定し、他端側の高さをハイトゲージ6により測定し変位を算出した。図6は耐クリープ性実験Iの結果、図7は耐クリープ性実験IIを示している。耐クリープ性実験IIにおいて試料9(AZ91D)の変位は35mmであったが、図7では図示の都合上4.5mmとしている。図7から試料4(本発明の合金−1)の耐クリープ性は、試料1(特開2001−316752号の合金−1)よりも優れ、試料3(特開平7−3374号の合金)よりも格段に優れているのが分かる。試料4(本発明の合金−1)は、Ca及びSn添加により耐クリープ性が向上したものと考えられ、アルミダイカスト合金である試料8(ADC12)と同程度の耐クリープ性が得られた。
また、試料2(特開2001−316752号の合金−2)は、Si添加により耐クリープ性が低下したものと考えられる。一般的に、Ca及びSiを添加すると耐クリープ性が向上することが知られているが、両者を併用するとその効果は得られず、逆に耐クリープ性は低下するものと考えられる。また、Siを添加してもMgに対する固溶範囲が極めて狭いため固溶しないが、SnはMgに対してよく固溶し、Mgと共に固溶体を形成し、Sn添加によるMg合金の固溶強化が期待できる。
(実験3)
本発明合金と比較材料について、塩水噴霧試験(JISZ2371)により耐食性の実験を行った。図8はその結果を示しており、試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)の耐食性は、試料2(特開2001−316752号の合金−2)及び試料3(特開平7−3374号の合金)よりも優れているのが分かる。試料3(特開平7−3374号の合金−2)の耐食性が低下しているのは、耐食性を低下させるSn及びSiが添加されているためである。一般的に、Snを添加すると耐食性が低下することが知られているが、試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)の耐食性は、試料9(AZ91D)と同程度であり耐食性の低下は見られなかった。
本発明合金と比較材料について、塩水噴霧試験(JISZ2371)により耐食性の実験を行った。図8はその結果を示しており、試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)の耐食性は、試料2(特開2001−316752号の合金−2)及び試料3(特開平7−3374号の合金)よりも優れているのが分かる。試料3(特開平7−3374号の合金−2)の耐食性が低下しているのは、耐食性を低下させるSn及びSiが添加されているためである。一般的に、Snを添加すると耐食性が低下することが知られているが、試料4(本発明の合金−1)及び試料5(本発明の合金−2)の耐食性は、試料9(AZ91D)と同程度であり耐食性の低下は見られなかった。
これは、本発明のSnの添加範囲においては、Mgマトリックス中にSnが固溶して固溶体を形成することにより、Mgマトリックス総体の電位が上がり、Mgマトリックスと金属間化合物などの析出物との電位差が小さくなり、局部腐食が促進されなくなるためだと考えられる。また、Mgに対するSnの固溶域が広い高温からダイカストを急冷することにより、耐食性に影響しない固溶体、又は多少は耐食性に効果がある固溶体が得られ、かつ耐食性を低下させる金属間化合物などの析出物があまり生成されないことが考えられる。しかし、試料7(Sn0.35質量%添加)では、試料5(本発明の合金−2)と比較して耐食性は劣っており、Snの添加量が3.0%を越えると耐食性は低下するものと思われる。これは、耐食性に悪影響を及ぼす金属間化合物が晶出するためと考えられる。
本発明による耐クリープマグネシウム合金は、上述した実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。
Claims (2)
- Alを2.5〜6.5質量%、Caを0.3〜3.0質量%、Snを0.15〜3.0質量%、Mnを0.2〜0.5質量%含み、残部がMgと不可避的不純物からなることを特徴とする耐クリープマグネシウム合金。
- Srを0.01〜0.3質量%含むことを特徴とする請求項1に記載の耐クリープマグネシウム合金。
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- 2005-03-23 WO PCT/JP2005/006007 patent/WO2005118900A1/ja active Application Filing
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