JP2016222947A - 耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、一般のマグネシウム合金は、200℃程度の高温域において、引張強度及びクリープ伸び等の機械的特性が低下し、ADC12材、A4032−T6材等の耐熱アルミニウム合金に匹敵する高温強度を得ることができない。
具体的には、本発明は、以下のものを提供する。
(2)質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.0%より大きく3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%であり、CaとSiとの組成比Ca/Siが1.5未満である、耐熱性マグネシウム合金。
(3)質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する、耐熱性マグネシウム合金。
(4)質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、熱伝導度が70W/m・K以上であり、かつ、200℃における引張強さが170MPa以上である、耐熱性マグネシウム合金。
(5)Al/Caが1.70以下である、(1)〜(4)のいずれかの耐熱性マグネシウム合金。
(6)Mg母相中にCa−Mg−Si系化合物相を有する、(1)〜(5)のいずれかの耐熱性マグネシウム合金。
(7)Mg母相のMg純度が98.0%以上である、(1)〜(6)のいずれかの耐熱性マグネシウム合金。
(8)(1)〜(7)のいずれかの耐熱性マグネシウム合金の製造方法であって、溶融された金属材料を103K/秒未満の速度で冷却する工程を備える方法。
(9)(1)〜(7)のいずれかの耐熱性マグネシウム合金の製造方法であって、溶融された金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca−Mg−Si系化合物相と、Mg母相とを晶出させる工程を備える方法。
本発明に係るマグネシウム合金の金属組織は、Mg母相(結晶粒)の周りの結晶粒界には三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相が形成され、また、結晶粒内にはCa−Mg−Si系化合物相が形成される。これらの金属間合物相が高温強度の向上に寄与する。
Caは、上記の(Mg,Al)2Ca相、上記のCa−Mg−Si系化合物相の形成に必要な元素であり、後記するように、Al+8Ca≧20.5%を満たす範囲で含有できる。Ca含有量は、過多であると、Mg母相内に固溶する割合が増加し、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、9.0%未満が好ましく、4.0%以下がより好ましい。また、Caの含有量の下限は、2.5%以上が好ましい。
Al+8Ca≧20.5% 式(1)
Ca及びAlが上記式(1)の関係を満たす場合は、上記の(Mg,Al)2Ca相が形成されて高温強度が向上する。そのため、Al+8Caは、24%以上が好ましい。一方、Al及びCaの含有量が過多であると、Mg母相のMg純度を低下させて熱伝導率を低減させる可能性があるため、Al+8Caの上限は、32%以下が好ましい。
従来の商用マグネシウム合金(AZ91D(比較例5)、WE54(比較例6))は、熱伝導率が51〜52W/m・Kであり、アルミニウム合金(ADC12材)の熱伝導率(92W/m・K)と比べて半分程度であった。そのため、高温部品の素材としての十分な放熱性を確保できなかった。それに対し、本発明のマグネシウム合金は、70.0W/m・K以上の良好な熱伝導率を有しており、高温部品の素材として良好な放熱性が得られるので、エンジン部材用の耐熱性マグネシウム合金として適している。熱伝導率は、高温部品の素材として放熱性を十分確保するには、80.0W/m・K以上がより好ましく、90.0W/m・K以上がさらに好ましい。
一般のマグネシウム合金は、200℃程度の高温域において、引張強さ及び伸び等の機械的特性が低下し、耐熱アルミニウム合金(ADC12材(比較例7)、A4032−T6材等)に匹敵する高温強度を得ることができない。これに対し、本発明のマグネシウム合金は、200℃における引張強さが170MPa以上という高温強度を備える。このため、高温環境下で使用されるエンジン部材用の耐熱性マグネシウム合金として適している。200℃における引張強さは、185MPa以上が好ましく、200MPa以上がより好ましい。
しかしながら、本発明者は、Si含有量が1.0%より大きく3.0%以下と多くなっても、CaとSiとの組成比Ca/Siが1.5未満であれば、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相が維持され、マグネシウム合金の高温強度も維持されることを見出した。Siは、より好ましくは1.5%以上3.0%以下であり、さらに好ましくは1.5%以上2.5%以下である。なお、組成の数値範囲などについては、上述した好ましい範囲を適宜適用できる。
本発明のマグネシウム合金を製造するには、質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、Al+8Ca≧20.5%となる金属材料を高温で溶解してもよい。高温で溶解する工程としては、例えば金属材料を黒鉛るつぼに挿入し、高周波誘導溶解をAr雰囲気中で行い、750〜850℃の温度で溶融すればよい。
本発明のマグネシウム合金は、エンジンブロックやピストンなどの高温強度が必要とされる軽量化部品に適用可能であり、従来のアルミニウム合金製エンジン部品よりも低比重のため、30%以上の軽量化が可能である。また、エンジン部材の昇温や熱膨張を抑え、ピストンやシリンダのクリアランスを適正化でき、燃費向上やエンジンの静粛性にも寄与できる。さらに、鋳造まま材で熱処理を加えずに製造することができ、レアアース無添加で高強度化できることから、従来のマグネシウム合金に比べて安価に製造することも可能である。
Mgに、Alを1質量%、Caを3質量%、Siを1質量%、Mnを0.3質量%添加した金属材料をるつぼに挿入し、高周波誘導溶解をAr雰囲気中で行い、750〜850℃の温度で溶融した。得られた溶融合金を金型に注入して鋳造を行った。鋳造時には、溶融された金属材料を冷却した。鋳造により得られた板状の鋳造合金のサイズは50mm幅、8mm厚であった。冷却速度については、冷却速度とデンドライト2次アーム間隔の関係が既知であるAl−Cu共晶合金を、本願実施例と同一の条件で鋳造し、その2次アーム間隔から類推したところ、55K/秒であった。
表1のとおり組成を変更した以外は、実施例1と同様に溶解及び鋳造を行い、マグネシウム合金を製造した。なお、比較例5〜7については文献値を用いており、以下の組成比である。
比較例5(商用マグネシウム合金AZ91D):Al 9.23%、Zn 0.78%、Mn 0.31%、残部はMg。
比較例6(商用マグネシウム合金WE54):Y 5.23%、RE 1.54%、Nd 1.78%、Zr 0.51%、残部はMg。
比較例7(商用アルミニウム合金ADC12):Cu 1.93%、Si 10.5%、Mg 0.21%、Zn 0.82%、Fe 0.84%、Mn 0.32%、残部はAl。
JIS R 1611に基づき、レーザフラッシュ法で以下のとおり測定した。
1)熱の吸収及び輻射率を良くするため、注号合金試料の表裏面に黒化材(カーボンスプレー)を塗布した。
2)パルスレーザー光を試料表面に照射した。
3)時間と共に試料温度が上昇し,再び下降する温度履歴曲線を得た。
4)式(1)のとおり、温度上昇量θmの逆数から比熱容量Cpを求めた。
Cp=Q/(M・θm) 式(1)
(Q:熱入量(パルス光エネルギー)、M:試料の質量)
5)式(2)のとおり、温度上昇量の1/2だけ温度が上昇するのに要する時間t1/2から熱拡散率αを求めた。
α=0.1388d2/t1/2 式(2)
(d:試験片の厚さ)
6)式(3)のとおり、比熱容量Cp、熱拡散率α、試験片の密度ρから熱伝導率λを求めた。
λ = α・Cp・ρ 式(3)
測定装置:アルバック理工(株)製 TC7000型
レーザパルス幅:0.4ms
レーザパルスエネルギー:10Joule/pulse以上
レーザ波長:1.06μm(Ndガラスレーザ)
レーザビーム径:10φ
温度測定方法:赤外線センサー(熱拡散率測定)、熱電対(比熱容量測定)
測定温度範囲:室温〜1400℃(比熱容量の同時測定は800℃まで)
測定雰囲気:真空
試料:直径10mm、厚さ2.0mm
引張試験片は,平行部径6.35mm,標点間距離25.4mmのASTM E8標準試験片形状とした。高周波加熱コイルにて昇温し、30分保持し温度安定後に試験を行った。
ひずみ速度:5×10−4/sec
試験温度:200±2℃
200℃における引張強さの評価基準は以下のとおりであり、Aであれば引張強さとして優れており、Bであれば引張強さとして十分な強度である。
A:200MPa以上
B:170MPa以上200MPa未満
C:140MPa以上170MPa未満
D:140MPa未満
各試料のMg母相を電子顕微鏡で観察し、Mg母相部分の組成を点分析にて5点測定し、その平均値(Mgの質量%)をMg母相純度とした。
測定装置:日本電子株式会社製、JSM−7100型走査電子顕微鏡
:日本電子株式会社製、JED−2300型エネルギー分散形X線分析装置
加速電圧:15kV
観察視野:400倍
各試料の金属組織を電子線後方散乱回折法(EBSD法)で解析し、画像処理にて結晶粒界の長さL1と、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相の長さL2とを測定した。ネットワーク形成率をL2/L1×100にて算出し、以下のA〜Cで評価した。測定領域は、試料である鋳造合金の中央部断面のおよそ300μm×200μmの領域であり、400倍に拡大し測定した。
A:ネットワーク形成が良好(80%以上)
B:ネットワーク形成が一部寸断(50〜79%)
C:ネットワーク形成が分断(50%未満)
2・・・Mg母相
3・・・Ca−Mg−Si系化合物相。
Claims (9)
- 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.3%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
Al+8Ca≧20.5%である、耐熱性マグネシウム合金。 - 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを1.0%より大きく3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
Al+8Ca≧20.5%であり、
CaとSiとの組成比Ca/Siが1.5未満である、耐熱性マグネシウム合金。 - 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、
三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相を有する、耐熱性マグネシウム合金。 - 質量%で、Caを9.0%未満、Alを0.5%以上5.7%未満、Siを3.0%以下含有し、残部がMg及び不可避的不純物からなり、熱伝導度が70W/m・K以上であり、かつ、200℃における引張強さが170MPa以上である、耐熱性マグネシウム合金。
- Al/Caが1.70以下である、請求項1〜4のいずれか一項記載の耐熱性マグネシウム合金。
- Mg母相中にCa−Mg−Si系化合物相を有する、請求項1〜5のいずれか一項記載の耐熱性マグネシウム合金。
- Mg母相のMg純度が98.0%以上である、請求項1〜6のいずれか一項記載の耐熱性マグネシウム合金。
- 請求項1〜7のいずれか一項記載の耐熱性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融された金属材料を103K/秒未満の速度で冷却する工程を備える方法。 - 請求項1〜7のいずれか一項記載の耐熱性マグネシウム合金の製造方法であって、
溶融された金属材料を冷却して、三次元網目状に連続した(Mg,Al)2Ca相と、Ca−Mg−Si系化合物相と、Mg母相とを晶出させる工程を備える方法。
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