JP2013514463A - 発火抵抗性と機械的特性に優れているマグネシウム合金及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、溶湯表面に安定した保護被膜を形成することで大気中あるいは一般の不活性雰囲気下でも溶解や鋳造が可能となり、発火抵抗性に極めて優れていてチップの自然発火を抑制できるのみならず、優れた強度と軟性を併せ持つマグネシウム合金に関する。本発明に係るマグネシウム合金は、7.0重量%〜11.0重量%のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物とを含み、前記CaとYとの合計含量は、前記マグネシウム合金の全重量に対して0.1重量%以上2.5重量%未満であることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯にCa及びYの原料物質を添加するステップ;
前記Ca及びYの原料物質が添加されたマグネシウム合金溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とする。
Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
Mg、Al、Zn、Ca、及びYを含み、750℃以下で溶解可能な母合金インゴットを形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯に前記750℃以下で溶解可能な母合金インゴットを投入するステップ;
前記母合金インゴットが含まれた溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とする。
Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯にCa化合物及びY化合物を添加するステップ;
前記Ca化合物及びY化合物が添加されたマグネシウム合金溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とする。
アルミニウムはマグネシウム合金の強度の増大及び流動性を向上させ、且つ凝固範囲を増大させることで鋳造性を改善させる元素であって、一般にアルミニウム添加量の増加に伴い、共晶相であるMg17Al12相の分率が増大する。また、既存の研究結果によると、他の合金元素と複合して添加されると、アルミニウムの含量が増加するほど発火抵抗性が増大する。したがって、強度だけでなく発火抵抗性を同時に満足させるためには、アルミニウムの含量を7重量%以上添加する必要がある。一方、アルミニウムの固溶限である11重量%を超過すると、粗大なMg17Al12共晶相により引張特性が大きく低下するので、アルミニウムは7.0重量%〜11.0重量%の範囲で含まれることが好ましい。
カルシウムはMg-Al系合金においてMg-Al-Ca金属間化合物を形成することで強度及び耐熱特性を向上させ、且つ、溶湯表面に薄くて緻密なMgOとCaO複合酸化層を形成させて溶湯の酸化を抑制することでマグネシウム合金の発火抵抗性を向上させる。しかしながら、カルシウムの含量が0.05重量%未満であると、発火抵抗性の向上効果は大きくなく、2重量%を超過すると、溶湯の鋳造性が劣化し熱間割れ(hot cracking)が生じ、金型との粘着性(die sticking)が増大し延伸率が大きく低下するなどの不具合が生じる。このため、本発明に係るマグネシウム合金におけるカルシウムは、0.05重量%〜2.0重量%の範囲で含まれることが好ましい。
イットリウムはマグネシウムに対して大きな固溶限を持っており、主に析出強化効果による高温耐クリープ向上元素として使用される。ところが、イットリウムをカルシウムとともにマグネシウム合金に添加すると、粗大なカルシウム含有共晶相の分率が減り、0.4重量%以上添加されると、鋳造材の結晶粒を微細化させるAl2Y粒子が形成され、引張特性を改善させるという効果が奏される。また溶湯表面にY2O3酸化層を形成してCaOと混合層を形成することで発火抵抗性を増大させる。一方、マグネシウム合金に0.05重量%未満のイットリウムが含まれると溶湯表面への安定した酸化層の形成が難しくなり発火抵抗性の向上効果が大きくない。また、イットリウムが2重量%を超過して含まれると合金のコストがアップし、粗大なAl2Y粒子が形成されるためクラック敏感性が増大する。このため、本発明に係るマグネシウム合金におけるイットリウムは、0.05重量%〜2.0重量%の範囲で含まれることが好ましい。
亜鉛はアルミニウムとともに添加されると、結晶粒を微細化し且つ強度を増大させる効果を奏する。また一般に、マグネシウム合金中の亜鉛の最大固溶限は6.2重量%であり、これを超過してマグネシウム合金に亜鉛を添加すると、鋳造時に生成された粗大な共晶相が機械的特性を劣化させるため、亜鉛は6重量%以下に添加されることが好ましい。
マンガンはMg-Al系合金において耐食性に有害な不純物元素であるFeと結合して耐食性を向上させ、早い冷却速度でAl-Mn金属間化合物を形成することで強度を向上させる。しかしながら、マンガンを1.0重量%を超過して添加すると、マグネシウム合金中に粗大なβ-Mn相あるいはAl8Mn5相が形成されて機械的特性を劣化させるため、マンガンは1.0重量%以下に含まれることが好ましい。
本発明に係るマグネシウム合金には、合金の原料または製造過程で不可避に混入される不純物を含んでいてよい。しかしながら、本発明に係るマグネシウム合金に含まれていてよい不純物のうち、特に鉄(Fe)、シリコン(Si)、及びニッケル(Ni)は、マグネシウム合金の耐食性を悪化させる役割をする成分である。このため、Feの含量は0.004重量%以下、Siの含量は0.04重量%、Niの含量は0.001重量%以下を維持させることが好ましい。
一般にCaだけを単独添加した固相または液相のマグネシウム合金表面に薄くて緻密なMgO/CaO複合酸化層を形成することで、発火温度を上昇させると知られている。これに対し、カルシウムとイットリウムとを複合添加すると、後述するが、MgO/CaO酸化層と固相あるいは液相合金表面との間に緻密なCaO/Y2O3複合酸化層がさらに形成され、カルシウムあるいはイットリウムを独立して添加した合金に比べて遥かに優れた発火抵抗性を示す。またカルシウムあるいはイットリウムを独立して添加する場合、優れた発火抵抗性を得るためには、最小2重量%以上添加しなければならないが、この場合、粗大な金属間化合物を形成することから、引張特性が大きく低下するという不具合が生じる。しかし、カルシウムとイットリウムとを複合添加すると、少量の添加でも発火抵抗性に優れ且つ金属間化合物の分率と大きさを大幅に減らして引張特性を向上させることができるという長所がある。一方、マグネシウム合金に、合計含量0.1重量%未満のカルシウムとイットリウムを添加した場合、カルシウムとイットリウムとの複合添加効果が奏されず、発火温度が650℃以下と低いため、大気中あるいは一般の不活性ガス雰囲気下では溶解することができなくなる。また、カルシウムとイットリウムとの合計含量が2.5重量%以上である場合、超過する含量によるさらなる発火温度の上昇といった長所はない反面、合金コストのアップをもたらすことから、好ましくない。したがって、本発明に係るマグネシウム合金におけるカルシウムとイットリウムとの合計含量は、0.1重量%以上及び2.5重量%未満、より好ましくは、0.2重量%〜1.5重量%の範囲で含まれることが好ましい。
次いで、前記マグネシウム合金の発火温度を測定するために、先に製造された円筒状ビレットの外郭を深さ0.5mm、ピッチ0.1mm、350rpmの一定の速度でチップ加工を行い、所定の大きさのチップを得た。前記方法で得たチップ0.1gを1000℃に保持される加熱炉内に一定の速度で装入して昇温させた。その過程で発火によって急激な温度上昇が始まる温度を発火温度と測定し、その結果を表2に表した。表2に表された発火温度値は、同一の組成に対して最小5回以上の実験を通じて測定された値の平均値を示す。
前述した方法により製造された比較例1ないし比較例7及び実施例1ないし実施例6に係るマグネシウム合金を用いてゲージ部の長さが25mmでASTM−E−8M規格の棒状試片を製造し、通常の引張試験機を使用して1×10-3s-1の変形率で常温引張試験を実施した。または、圧延材の場合、圧延した1mm厚の板材を250℃で30分間熱処理を施した後、ゲージ部の長さが25mmのサブサイズ(sub-size)板状試片を製造した後、棒状試片と同一の条件で引張試験を実施し、その結果を表3に表した。
Claims (13)
- 溶融鋳造法により製造されるマグネシウム合金であって、
前記マグネシウム合金は、7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6.0重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物とを含み、
前記CaとYとの合計含量は、前記マグネシウム合金の全重量に対して0.1重量%以上2.5重量%未満であることを特徴とするマグネシウム合金。 - 前記Caの含量は、0.1重量%〜1.0重量%であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム合金。
- 前記Yの含量は、0.1重量%〜1.0重量%であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム合金。
- 前記CaとYの含量は、前記マグネシウム合金の全重量に対して0.2%以上1.6%以下であることを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のマグネシウム合金。
- 前記マグネシウム合金は、0重量%超過1重量%以下のMnをさらに含むことを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載のマグネシウム合金。
- Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯にCa及びYの原料物質を添加するステップ;
前記Ca及びYの原料物質が添加されたマグネシウム合金溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
前記方法により製造されたマグネシウム合金は、7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。 - 前記マグネシウム合金溶湯にCa及びYの原料物質を添加するステップでは、800℃より高い温度でCa及びYの原料物質を添加することを特徴とする請求項6に記載のマグネシウム合金の製造方法。
- Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
Mg、Al、Zn、Ca、及びYを含み、750℃以下で溶解可能な母合金インゴットを形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯に前記750℃以下で溶解可能な母合金インゴットを投入するステップ;
前記母合金インゴットが含まれた溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
前記方法により製造されたマグネシウム合金は、7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。 - 前記Mg、Al、Zn、Ca、及びYが含まれた母合金インゴットは、750℃以下で溶解可能なものであり、前記母合金インゴットは、750℃より低い温度で前記マグネシウム合金溶湯に投入されることを特徴とする請求項8に記載のマグネシウム合金の製造方法。
- Mg、Al、及びZnを含むマグネシウム合金溶湯を形成するステップ;
前記マグネシウム合金溶湯にCa化合物及びY化合物を添加するステップ;
前記Ca化合物及びY化合物が添加されたマグネシウム合金溶湯から所定の鋳造方法を用いてマグネシウム合金鋳造材を製造するステップを含み、
前記方法により製造されたマグネシウム合金は、7.0重量%以上9.5重量%未満のAlと、0.05重量%〜2.0重量%のCaと、0.05重量%〜2.0重量%のYと、0重量%超過6重量%以下のZnと、残部としてのMg、及びその他不可避な不純物を含むことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。 - 前記Ca原料物質及びY原料物質、Mg、Al、Zn、Ca、及びYが含まれた母合金インゴット、または前記Ca化合物及びY化合物を前記マグネシウム合金溶湯に投入するステップは、前記マグネシウム合金溶湯を周期的に撹拌するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6ないし10の何れかに記載のマグネシウム合金の製造方法。
- 前記鋳造方法は、金型鋳造法、砂型鋳造法、重力鋳造法、加圧鋳造法、連続鋳造法、薄板鋳造法、ダイカスト法、精密鋳造法、噴霧鋳造法、及び半凝固鋳造法のいずれかであることを特徴とする請求項6ないし10の何れかに記載のマグネシウム合金の製造方法。
- 前記方法は、前記鋳造方法により形成されたマグネシウム合金鋳造材を熱間加工するステップをさらに含むことを特徴とする請求項6ないし10の何れかに記載のマグネシウム合金。
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