特許 7475330 耐熱性を有する鋳造用マグネシウム合金

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-18

(45)【発行日】2024-04-26

(54)【発明の名称】耐熱性を有する鋳造用マグネシウム合金

(51)【国際特許分類】

   C22C 23/02 20060101AFI20240419BHJP

【ＦＩ】

C22C23/02

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021511296

(86)(22)【出願日】2020-03-06

(86)【国際出願番号】 JP2020009662

(87)【国際公開番号】W WO2020203041

(87)【国際公開日】2020-10-08

【審査請求日】2022-12-12

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2019/014100

(32)【優先日】2019-03-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢守 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】宮本 武明

(72)【発明者】

【氏名】金津 安秀

(72)【発明者】

【氏名】閤師 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】山本 匡昭

(72)【発明者】

【氏名】廖 金孫

【審査官】山本 佳

(56)【参考文献】

【文献】特許第３４１５９８７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２００１－３１６７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３１９７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７７３２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１６１４０６４（ＣＮ，Ａ）

【文献】NAKATA, T. et al.，Effect of Si content on microstructures, tensile properties, and creep properties in a cast Mg-6Al-0，Materials Science & Engineering A，2020年01月27日，Vol. 776，p. 1-9，ISSN 0921-5093

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２２Ｃ ２３／００ － ２３／０６

ＣＡｐｌｕｓ／ＲＥＧＩＳＴＲＹ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ａｌを４．５質量％以上６．０質量％未満、Ｍｎを０．１０質量％以上０．６０質量％以下、Ｃａを０．９０質量％以上２．０質量％未満、及び、Ｓｉを０．１０質量％超０．４０質量％未満、含有し、残部がＭｇと検出限界未満の不可避不純物からなる鋳造用マグネシウム合金（ただし、半溶融射出成形用マグネシウム合金を除く）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、機械的性質及び耐食性に優れた耐熱性マグネシウム合金に関する。

【背景技術】

【0002】

マグネシウム合金は鉄鋼材料やアルミニウム合金よりも軽量であるため、様々な分野で軽量代替材として利用されている。マグネシウム合金として、Ａｌ、Ｍｎ、Ｚｎを添加したＡＺ系合金や、Ａｌ、Ｍｎを添加したＡＭ系合金が知られている。特に、ダイカスト用途としては、室温での強度及び耐食性に優れるＡＺ９１Ｄ（Ｍｇ－９質量％Ａｌ－１質量％Ｚｎ）が汎用材として多種の用途に用いられている。しかし、汎用のマグネシウム合金は１７５℃程度の高温域にて耐熱性（耐クリープ性）が低下し、アルミニウム合金に匹敵する耐熱性を得ることができない。

【0003】

耐クリープ性を改善する方法として、ＣａあるいはＲＥ（希土類元素）を添加したマグネシウム合金が知られている。このような例としては、耐クリープ性に優れるＡＥ４４（Ｍｇ－４％質量Ａｌ－４質量％ＲＥ）などが用いられている。

【0004】

さらに、近年では高価なＲＥを含有させないで耐クリープ性を改善したＭｇ－Ａｌ－Ｃａ系合金が提案されている。例えば、特許文献１には、耐クリープ特性を確保しつつ、特に成形性、伸び率に優れる耐熱マグネシウム合金として、アルミニウム２～６重量％及びカルシウム０．５～４重量％を含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなり、Ｃａ／Ａｌ比が０．８、好ましくは０．６以下の半溶融射出成形のマグネシウム合金が提案されている。

【0005】

また、特許文献２には、半溶融射出成形で軽金属部材を製造するに際して、耐クリープ特性が良好で、また、鍛造性に優れた軽金属として、２重量％以上で６重量％以下のアルミニウム及び０.５重量％以上で４重量％以下のカルシウムを含有するマグネシウム合金が提案されている。

【0006】

ここで、半溶融射出成形法とは、加熱して固液共存状態にしたものを、加圧して鋳型に射出成形する方法である。このような半溶融加工は、通常の鋳造に比べてコストが割高になる。また、高固相率となる低温環境での品質低下が問題となる。この品質低下としては、具体的には、湯流れが悪くなり湯流れ不良が多く発生することが挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第３４１５９８７号公報

【文献】特許第３３７０００９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、室温における伸びだけでなく引張強さまで含めた機械的性質と耐クリープ性に代表される耐熱性、さらに耐食性にも優れたマグネシウム合金は、なお需要があり求められている。また、半溶融射出成形ではなく、品質、量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造等に適した鋳造用マグネシウム合金が望まれている。

【0009】

そこでこの発明は、室温における機械的性質と耐熱性、さらに耐食性に優れたマグネシウム合金を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この発明は、Ａｌを３．０質量％以上６．０質量％未満、Ｍｎを０．１０質量％以上０．６０質量％以下、Ｃａを０．５０質量％超２．０質量％未満、及び、Ｓｉを０．１０質量％超０．４０質量％未満、含有し、残部がＭｇと不可避不純物からなるマグネシウム合金により、上記の課題を解決したのである。

【0011】

また、上記のマグネシウム合金のうち、Ａｌを４．５質量％以上６．０質量％未満含有するマグネシウム合金は、より優れた機械的性質を発揮しやすい。

【0012】

さらに、上記のマグネシウム合金のうち、Ｃａを０．９０質量％以上２．０質量％未満含有するマグネシウム合金は、さらに優れた耐熱性を発揮しやすい。

【発明の効果】

【0013】

この発明にかかるマグネシウム合金は、優れた室温での機械的性質、耐熱性、及び耐食性を発揮し、様々な製品の機能を向上させることができ、さらに量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造に適用することができる。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、この発明について詳細に説明する。
この発明は、少なくともＡｌ、Ｍｎ、Ｃａ、Ｓｉを含有するマグネシウム合金である。

【0015】

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ａｌの含有量が、３．０質量％以上である必要があり、４．５質量％以上であると好ましい。Ａｌの含有量が３．０質量％未満になると引張強さが低下しすぎてしまう。Ａｌの含有量が４．５質量％以上であると安定して引張強さを確保しやすくなる。また、Ａｌを含有することで、固溶強化による強度向上効果と、鋳造性の向上も見込まれる。さらに、ＡｌがＣａとの化合物を形成することにより、耐熱性の向上も見込まれる。一方で、Ａｌの含有量が６．０質量％未満である必要がある。Ａｌの含有量が６．０質量％以上になると伸びが低下しすぎてしまう。また、Ｍｇ_１７Ａｌ_１２相を晶出させて耐熱性が著しく低下するおそれもある。

【0016】

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｍｎの含有量が、０．１０質量％以上である必要があり、０．２０質量％以上であると好ましい。Ｍｎを含有することで、不可避不純物としてＦｅが含まれた際に、Ａｌ－Ｆｅ－Ｍｎ系化合物を形成することで脱鉄効果を発揮して、合金全体としては耐食性の向上が見込まれる。また、Ｍｎを含有することで結晶粒の微細化も見込まれる。Ｍｎの含有量が０．１０質量％未満であると、これらの効果を十分に発揮し得なくなる可能性が高くなる。一方、Ｍｎの含有量が、０．６０質量％以下である必要があり、０．５０質量％以下であると好ましい。Ｍｎが０．６０質量％を超えて過剰に含まれると粗大なＡｌ－Ｍｎ系化合物が多く晶出し、機械的性質の低下に繋がるおそれが高くなる。

【0017】

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｃａの含有量が０．５０質量％超である必要があり、Ｃａの含有量が０．９０質量％以上であると好ましい。Ｃａを加えることで鋳造時の溶湯の難燃性が向上するが、Ｃａの含有量が０．５０質量％以下ではその効果が不十分になってしまう。また、ＣａはＡｌとの間で化合物を形成し、この化合物が耐熱性に寄与する。Ａｌの含有量が４．５質量％以上と比較的高いとき、十分な量の金属間化合物を形成させるため、Ｃａの含有量は０．９０質量％以上であると好ましくなる。一方、Ｃａの含有量が、２．０質量％未満である必要があり、１．８質量％以下であると好ましい。Ｃａの含有量が２．０質量％以上になると引張強さと伸び、耐食性に問題を生じやすくなる。また、Ｃａが過剰に含まれることで、鋳造時に割れの発生や焼着き性の悪化に繋がるおそれもある。

【0018】

この発明にかかるマグネシウム合金は、Ｓｉの含有量が０．１０質量％超である必要がある。ＳｉはＣａとの間でＭｇ－Ｃａ－Ｓｉ系化合物を形成し耐熱性向上が見込めるが、その含有量が０．１０質量％未満ではこの効果が十分に発揮されない。一方で、Ｓｉの含有量が０．４０質量％未満である必要がある。Ｓｉが過剰に含有されると、上記Ｍｇ－Ｃａ－Ｓｉ系化合物が粗大に晶出し、靭性の低下を招くおそれが高くなる。

【0019】

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記の元素の他に、不可避不純物を含有してもよい。この不可避不純物とは、製造上の問題あるいは原料上の問題のために、意図に反して含有することが避けられないものである。例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｓｒ、Ｚｒ、Ｂｅ、Ｂａ、ＲＥ（希土類元素）などの元素が挙げられる。いずれの元素もこの発明にかかるマグネシウム合金の特性を阻害しない範囲の含有量であることが必要であり、一元素あたり０．１質量％未満であることが好ましく、少ないほど好ましく、検出限界未満であると特に好ましい。また、不可避不純物を合計した含有量が、０．５質量％未満であると好ましく、０．２質量％未満であるとより好ましく、０．１質量％未満であるとさらに好ましく、検出限界未満であると特に好ましい。

【0020】

この発明にかかるマグネシウム合金は、上記質量％の範囲となるように上記の元素を含む原料を用いて、一般的な方法で調製可能である。なお、上記の質量％は、原料における値ではなく、調製された合金やそれを鋳造などによって製造した製品における値である。

【0021】

この発明にかかるマグネシウム合金は、室温で引張強さと伸びに優れるとともに、耐クリープ性に代表される耐熱性、さらに耐食性にも優れたものとなる。また、マグネシウム合金の汎用材と同程度の手順で製造に用いることができ、室温における優れた機械的性質や優れた耐熱性、優れた耐食性が求められる用途において特に好適に用いることができる。このため、半溶融射出成形ではなく、量産性およびコスト面で優れるダイカスト鋳造によって、優れた機械的性質、耐熱性、耐食性を有する鋳造構造材を得ることができる。

【実施例】

【0022】

この発明にかかるマグネシウム合金を実際に調製した例を示す。Ｍｇ以外の元素の含有成分が下記の表１のそれぞれに記載の質量％となるようにマグネシウム合金を調製し、ＪＩＳ Ｈ ５２０３「８．検査」のｄ「引張試験片の作製に必要な供試材の採取」（ＩＳＯ１６２２０－５に対応する）に基づき合金素材を作製した。すなわち、表１のそれぞれに記載の質量％となるように調整したマグネシウム合金を重力鋳造法により供試材を採取した。なお、記載以外の元素については検出限界未満であった。

【0023】

それぞれの合金についてＪＩＳ Ｚ ２２４１（ＩＳＯ６８９２－１に対応する）に定める引張試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前述の合金素材に機械加工を施して作製し、試験機には万能試験機（（株）島津製作所製：ＵＨ－５００ｋＮＸ）を用いて、引張強さおよび伸びを測定した。

【0024】

また、ＪＩＳ Ｚ ２２７１（ＩＳＯ２０４：２００９に対応する）に定めるクリープ試験方法に基づいて試験を行った。試験体は前記の合金素材に機械加工を施して作製し、クリープ試験機には神港科学器械（株）製：ＳＫ－３を用いて、試験温度は１７５℃、与えた応力は５０ＭＰａとして、１００時間経過後のクリープ歪（％）を測定した。

【0025】

さらに、ＪＩＳ Ｚ ２３７１（ＩＳＯ９２２７：２０１２に対応する）に定める塩水噴霧試験法に基づいて試験を行った。試験体は重力鋳造で成形した後、機械加工を施し、作製した。試験機はスガ試験機（株）製を使用し、試験方法は中性塩水噴霧試験、試験時間は９６時間とした。試験後、酸化クロム（ＶＩ）および硝酸銀の混合水溶液中で１分間煮沸し、腐食生成物を除去し、腐食減量を測定した。

【0026】

下記表１に各試験体の成分比とともに、引張強さ、伸び、クリープ歪みおよび総合評価を示す。評価は悪い方から「Ｂ」Ｂａｄ、「Ｇ」Ｇｏｏｄ、「ＶＧ」ＶｅｒｙＧｏｏｄとする。引張強さは１５０ＭＰａ未満を「Ｂ」、１５０ＭＰａ以上１７０ＭＰａ未満を「Ｇ」、１７０ＭＰａ以上を「ＶＧ」と評価した。伸びは３．５％未満を「Ｂ」、３．５％以上４．０％未満を「Ｇ」、４．０％以上を「ＶＧ」と評価した。クリープ歪みは０．２５％超を「Ｂ」、０．１８％超０．２５％以下を「Ｇ」、０．１８％以下を「ＶＧ」と評価した。上記３つの項目について、「Ｂ」が一つ以上あれば総合評価を「Ｂ」とした。「Ｂ」を含まず、全ての項目について「Ｇ」あるいは「ＶＧ」があれば総合評価を「Ｇ」とした。さらに、全ての項目が「ＶＧ」の場合、総合評価を「ＶＧ」とした。

【0027】

【表1】

【0028】

Ａｌの含有量が不足した比較例１では、引張強さと伸びの両方が不十分であった。一方、Ａｌの含有量が過剰となった比較例２と比較例６では、伸びがいずれも悪化した。Ｃａの含有量が過剰であった比較例３、５は伸びと引張強さの両方に問題を生じた。Ｓｉの含有量が過剰であった比較例４、５も同様に伸びと引張強さに問題を生じた。

【0029】

参考例１～５はいずれも「Ｇ」以上の評価となったが、Ａｌの含有量を参考例１～５よりもさらに増加させた参考例６および８ならびに実施例７、９～１１では、引張強さがいずれも向上することが確認された。ただし、Ａｌの含有量を増加させた参考例６および８ならびに実施例７、９～１１の中でも、Ｃａの含有量がやや不足気味の参考例６と８ではクリープ歪みの評価が「Ｇ」に留まった。だが参考例６および８ならびに実施例７、９～１１の中でも、Ｃａの含有量が多い実施例７、９、１０、１１では、クリープ歪みの評価が「ＶＧ」となった。

【0030】

下記表２に各試験体の成分比とともに、腐食減量を示す。

【0031】

【表2】

【0032】

表２に示すように実施例１２および１３ならびに参考例１４および１５は、５．００ｍｃｄ（ｍｇ／ｃｍ²／ｄａｙ）未満と良好な耐食性を示した。しかしながら、比較例７は５．１１ｍｃｄと耐食性は十分でなかった。これはＣａの含有量が過剰であったために、耐食性が悪化したと考えられる。