JP2009174023A

JP2009174023A - 高機能マグネシウム合金

Info

Publication number: JP2009174023A
Application number: JP2008015392A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sumida; 雅樹住田; Sanfun Chon; 想勲鄭; Toshimitsu Okane; 利光岡根
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】公知のマグネシウム合金を用いて、熱伝導特性、機械的特性に優れる新しいマグネシウム合金を提供する。
【解決手段】Al（２．５〜９．５）質量％Zn（０．１〜３．３）質量％残部Mgである合金１００質量％に対して、Gdを１０〜２５質量％を添加して溶融凝固したMg- Gd- Al- Zn系合金。
【選択図】図１

Description

本発明は高機能マグネシウム合金に関するものであり、熱伝導特性、機械的特性に優れるマグネシウム合金に関するものである。本発明は、構造用金属材料の技術分野において、その高機能化が期待されているマグネシウム合金について、従来の製品では、放熱性、強度、剛性、硬度の面で高機能化が強く求められていることを踏まえ、熱伝導率と硬度を向上させることで、新しい構造材料として好適に使用することを可能とするものである。例えばデジタル磁気記録媒機など電気・電子部品、航空機他の輸送機器の構造部品等幅広い分野で利用可能なマグネシウム合金素材を提供する。

従来、マグネシウム合金は実用金属材料中で密度が最小であり、比強度が大きいという特性を利用して航空機や自動車材料、ノートパソコンなど電気・電子機器の筐体、内部部品として広く使用されている。さらに高剛性、高熱伝導性、振動吸収性、電磁シールド性、リサイクル性などから用途が拡大している。例えば光ディスクのピックアップベースの光学部品においては軽量でクリープ特性に優れるマグネシウム合金が使用され、中でも精密成形品を得るために、鋳造性、機械的特性に優れるAZ91合金が多く用いられている。しかしながらこれらには使用中加熱を伴う部品が多くあり、これによる熱変形などの問題を低減することが製品性能を向上するための大きな課題である。このような技術的背景の中、従来材料を越える放熱性、機械的特性に優れるマグネシウム合金素材が求められている。

既存マグネシウム合金の特性改善のため、合金化法や組織微細化、強化材との複合化などが提案されている（特許文献１及び２、３参照）。上述の課題を解決するためには添加元素によりマグネシウム合金の組織を制御することが有効な手段である。ガドリニウムはマグネシウムに対し高い固溶度があり、共晶温度以下の固相線が緩やかであることから析出物制御しやすい添加元素であることが考えられている。しかしながら、AZ91D合金にガドリニウムを添加したさいの凝固組織と熱伝導特性、機械的特性については明らかにされていない。
特開２００５−２１３５３５号公報特開２００２−２１６６２公報特開２００６−２９１３２７公報

本発明は、従来から存在しているAZ91B、AZ91C、AZ91D、AZ91E、AZ63A、AZ92A、AM100A、AM60B、AS41B、AZ31B、AZ61A、AZ80Aなどの公知のマグネシウム合金を用いて、熱伝導特性、機械的特性に優れる新しいマグネシウム合金を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明者らは、前記の好ましい性質を有するマグネシウム合金を開発すべく、特定の方法で高い熱伝導率とビッカース硬さを有するガドリニウム添加マグネシウム合金を得た。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、Al（２．５〜９．５）質量％Zn（０．１〜３．３）質量％残部Mgである合金１００質量％に対して、Gdを１０〜２５質量％を添加して溶融凝固したMg-
Gd- Al- Zn系合金である。
また、本発明においては、Al₂Gd粒子がMg基に微細に分散した組織とMg基内の添加元素濃度が顕著に低いことを特長とするMg- Gd- Al- Zn系合金とすることができる。
さらに本発明においては、Al９質量％Zn１質量％残部Mg であるAZ91D合金１００質量％に対して、20質量％のGdを添加して溶融凝固させてMg- Gd- Al- Zn系合金とすることができる。
また本発明は、AZ91B、AZ91C、AZ91D、AZ91E、AZ63A、AZ92A、AM100A、AM60B、AS41B、AZ31B、AZ61A、AZ80Aから選ばれる合金１００質量％に対して、１０〜２５質量％のガドリニウム（Gd）を添加して溶融凝固することを特徴とするマグネシウム合金の製造方法である。

本発明によれば、高い熱放散性と機械的硬さを有するマグネシウム合金を提供することができる。本発明の合金素材は熱伝導性、機械的特性の高い部品の製造に適している。

本発明によるマグネシウム合金を作るための原料としては、アルミニウムを主添加元素に含み、溶融、凝固するプロセスを経て作製されるマグネシウム合金素材、地金やビレットなどはいずれも使用可能である。代表的には、例えば、AZ91B、AZ91C、AZ91D、AZ91E、AZ63A、AZ92A、AM100A、AM60B、AS41B、AZ31B、AZ61A、AZ80Aなど当業者によく知られているマグネシウム合金がいずれも使用できる。
次いで、本発明のマグネシウム合金の製造方法を以下詳細に説明する。
合金の溶製方法は通常用いられる方法であればいずれも可能であり、例えば静置徐冷法、砂型鋳造法、ダイキャスト法が有効である。本実験では合金試料溶製に真空ガス置換炉による静置徐冷法を用いた。
炉内をAr雰囲気に置換した後1SLMフローし、AZ91B、AZ91C、AZ91D、AZ91E、AZ63A、AZ92A、AM100A、AM60B、AS41B、AZ31B、AZ61A、AZ80Aなど当業者によく知られているマグネシウム合金１００質量％にGdを１０〜２５質量％添加して溶融凝固してMg- Gd- Al- Zn系合金を得る。

炉冷した試料はレーザーフラッシュ法による熱伝導率測定、微小ビッカース硬さ試験による硬さ測定、樹脂埋め、研磨したのち光学顕微鏡、SEM-EDS（JEOL, JSM-7400F）による組織観察、定性，定量分析を行った。

本発明について実施例を用いてさらに詳しく説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
合金試験片の作製は以下のように行った。
削状AZ91D（0.1-10mm）と塊状ガドリニウム(5-10mm)をAZ91D+１０質量%Gd、AZ91D+１５質量%Gd、AZ91D+20質量%Gd、AZ91D+２５質量%Gd、及びAZ91Dについてそれぞれ計30gになるように秤量したのち炉内に装入した。静置徐冷法は電熱式真空ガス置換炉（SMA20S・島津製作所）、アルミナ製るつぼ（16mmφ×150mmt）を用いた。真空ガス置換炉内の排気とArガス充填を3回繰り返したのちArを１SLMフローした。炉内をArガス雰囲気にするのはマグネシウム合金が溶融した際燃焼するのを防止するためである。700℃で1時間保持して溶解したのち、室温まで炉冷し凝固体を得た。

（比較例）
比較例としてAZ91Dをアルミナるつぼ中で700℃、１時間保持した後炉冷した。
また、従来例として、AZ91Dそのものを用いた。

この凝固体を切り出して樹脂埋め乾式研磨した試料は金属組織観察、SEM-EDSによる定性・定量分析を行った。SEM−EDSはJEOL社製 JSM-7400Fを用い、加速電圧15kVとし、MgKα線、AlKα線、ZnKα線、GdLα線の計測を行った。
またφ10mm×1mm厚の円板状に切り出し加工し、これらに対し室温における熱伝導率測定を行った。測定はレーザーフラッシュ法熱伝導率測定装置（TC-7000、ULVAC社製）を用いた。また凝固体の一部は樹脂埋めの後ビッカース硬さ試験を行った。硬さ試験は微小ビッカース硬さ試験機（HM114、AKASHI社製）を用いた。試験条件は加重100g、保持時間15秒とし、20測定点の平均値を求めた。
表１に実施例１、比較例、従来例の熱伝導率、ビッカース硬さの特性を示す。

金属組織写真（図1）が示すようにAZ91D+20質量%Gd合金ではMg基にAl₂Gd粒子が微細に分散した組織を呈した。AZ91D合金はMgグレインの粒界部にMg+Mg₁₇Al₁₂共晶が網目状に分布する組織を呈した。
SEM-EDSによる線分析の結果から、AZ91D+20質量%Gd合金では図2に示すようMgグレイン内のAl濃度がAZ91D合金に比べ顕著に低下していた。また図３に示すよう、Gd含有量とともにMgグレイン中の平均Al濃度は低下し、平均Gd濃度は増加した。平均Mg濃度はAZ91D+20質量%Gd合金で最大値を示した。

熱伝導率はAZ91D合金の測定値が45.1W/mKであったのに対し、Gd含有により増加しAZ91D+20質量%Gdでは129.1W/mKであった。
ビッカース硬さはHV63.7に対しGd含有量とともに単調増加し、AZ91D+２５質量%Gd ではHV107.6であった。
本マグネシウム合金の熱伝導率が顕著に高い理由はマグネシウム合金グレイン中のAl、Gd濃度がともに低く、相対的にMg濃度が高いことによると考えられる。本マグネシウム合金の硬さが高い理由は硬度の大きいAl₂Gd粒子が分散強化材として作用したことによると考えられる。

本発明によれば、高い熱放散性と機械的硬さを有する新しいマグネシウム合金を提供することができる。
本発明のマグネシウム合金は特にダイキャスト用、砂型鋳造用マグネシウム合金の素材として有用である。

(a)AZ91D+20質量%Gd合金と(b)AZ91D合金の金属組織。(a)はMg基にAl₂Gd粒子が微細に分散した組織を呈したのに対し、(b)はMgグレインの粒界部にMg+Mg₁₇Al₁₂共晶が網目状に分布する組織を呈した。 AZ91D+20質量%Gd合金とAZ91D合金のSEM-EDSによるAl濃度分布の比較図。 Gd含有量とMgグレイン中の平均Al濃度、平均Gd濃度。 Gdの含有量と熱伝導率の関係図。 Gdの含有量と硬さの関係図。

Claims

Al（２．５〜９．５）質量％Zn（０．１〜３．3）質量％残部Mgである合金１００質量％に対して、Gdを１０〜２５質量％を添加して溶融凝固したMg-
Gd- Al- Zn系合金。
Al₂Gd粒子がMg基に微細に分散した組織とMg基内の添加元素濃度が顕著に低いことを特長とする請求項１に記載したMg-
Gd- Al- Zn系合金。
Al９質量％Zn１質量％残部Mg であるAZ91D合金１００質量％に対して、20質量％のGdを添加して溶融凝固した請求項１に記載したMg- Gd- Al- Zn系合金。
AZ91B、AZ91C、AZ91D、AZ91E、AZ63A、AZ92A、AM100A、AM60B、AS41B、AZ31B、AZ61A、AZ80Aから選ばれる合金１００質量％に対して、１０〜２５質量％のガドリニウム（Gd）を添加して溶融凝固することを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。