(57)【要約】【課題】  機械的性質とクリープ特性に優れ、かつ鋳造性とクリープ強度を向上させた耐熱マグネシウム合金鋳造品を提供する。【解決手段】  Ａｌ６．１〜８％、Ｃａ０．５〜１．８％未満、Ｓｒ０．１〜１％、Ｍｎ０．１〜０．５％を含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、結晶組織がα−Ｍｇ結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系からなる金属間化合物とから構成され、前記結晶組織の断面における金属間化合物の占有面積が１０〜２５％の範囲である。鋳造品は高温クリープ強度に優れ、自動車のエンジン周りの部品などに用いることができ、耐食性にも優れている。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％でＡｌを６．１〜８％、Ｃａを０．５〜１．８％未満、Ｓｒを０．１〜１％、Ｍｎを０．１〜０．５％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、かつ結晶組織が
α−Ｍｇ結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系からなる金属間化合物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記金属間化合物の占有面積が１０〜２５％の範囲であることを特徴とする耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項２】
さらに、組成中に質量％で、Ｓｎが０．１〜２％含有されてなることを特徴とする請求項１に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項３】
さらに、組成中に質量％で、希土類元素が０．１〜２％含有されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項４】
さらに、組成中に質量％で、Ｓｉが０．１〜１％含有されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項５】
さらに、組成中に重量％で、Ｚｎが０．１〜１％含有されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項６】
さらに、組成中に質量比で、Ｂｅを１〜１００ｐｐｍ含有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。 
【請求項７】
さらに、組成中に質量％で、Ｇｅを０．１〜１％含有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項８】
不可避不純物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕの含有量をそれぞれ５０ｐｐｍ以下に規制することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項９】
平均結晶粒径が１〜３０μｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量化が求められる自動車部品、特に耐熱性が求められるトランスミッション部品またはエンジン部品に用いて好適な耐熱マグネシウム合金鋳造品に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車においては軽量化のために、マグネシウム合金が注目されているが、耐熱性が求められるトランスミッション部品またはエンジン部品に使用する場合には、高温強度、特に１５０℃付近（大凡１２５〜１７５℃の範囲）のクリープ強度が低いと、使用中にへたりが生じ、部品を締め付けているボルトが緩むなどの問題が生じる。
鋳造用マグネシウム合金としては２〜６％のＡｌを含むＭｇ−Ａｌ系合金（ＡＳＴＭ規格−ＡＭ６０Ｂ、ＡＭ５０Ａ、ＡＭ２０Ａ等）と、Ａｌを８〜１０％、Ｚｎを１〜３％含むＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金（ＡＳＴＭ規格−ＡＺ９１Ｄ等）がある。
また、希土類元素を添加した耐熱鋳造合金としてＡＥ４２が知られており、最近、Ｍｇ−Ａｌ−Ｍｎ系にＣａを添加した合金が開発されている（例えば、特許文献１、２、３）。しかしながら、これら提案のＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系合金においては、クリープ強度は向上しているものの、Ｃａ添加により機械的性質および鋳造性が悪化し、鋳造割れ（高温割れ）や金型への焼付きが発生し易いという問題点があった。また、後２者の合金は加えて希土類元素を必須成分として含んでいるが、その添加がさらに鋳造性を悪化させている。
【特許文献１】特開平６−２５７９０号公報
【特許文献２】特開平７−１１３７４号公報
【特許文献３】特開平９−２９１３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記したＡＭ、ＡＺ規格合金は、鋳造性も良好で鋳造が可能であるが、１５０℃付近でのクリープ強度が低く、エンジン回りの部品には適用できない。例えば、代表的な鋳造合金であるＡＺ９１Ｄは鋳造性、強度、耐食性は良好であるが、クリープ強度はＭｇ−Ａｌ系合金よりも劣っている。次に、希土類元素を添加したＡＥ４２合金は、希土類元素を含むため高価であり、かつ鋳造性もクリープ強度も必ずしも十分とは言えない。さらに、特許文献１、２、３に示されるようなＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系合金においては、クリープ強度は向上しているものの、Ｃａ添加により機械的性質および鋳造性が悪化し、鋳造割れ（高温割れ）や金型への焼付きが発生し易いという問題点があった。また、後２者の合金は加えて希土類元素を必須成分として含んでいるが、その添加がさらに鋳造性を悪化させている。
【０００４】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためになされたものであって、優れた鋳造性と耐クリープ性を兼ね備えた鋳造用のマグネシウム合金を提供することを第１の課題にしている。また、本発明が解決しようとする他の課題は、トランスミッションケースなどの複雑な形状あるいは薄肉の大型部品を鋳造法によって製造するために好適であり、鋳造性に優れ、耐クリープ性にも優れたマグネシウム合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ系合金の鋳造性とクリープ強度に及ぼす各種添加元素の効果について鋭意検討を重ねた結果、各種元素の含有量を適切にするとともに、さらにＳｒを添加することにより、鋳造性とクリープ強度を向上させることが出来ることを見出した。
すなわち、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品のうち、請求項１記載の発明は、質量％でＡｌを６．１〜８％、Ｃａを０．５〜１．８％未満、Ｓｒを０．１〜１％、Ｍｎを０．１〜０．５％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、かつ結晶組織がα−Ｍｇ結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系からなる金属間化合物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記金属間化合物の占有面積が１０〜２５％の範囲であることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１記載の発明において、さらに、組成中に質量％で、Ｓｎが０．１〜２％含有されてなることを特徴とする。
【０００７】
請求項３記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１または２記載の発明において、さらに、組成中に質量％で、希土類元素が０．１〜２％含有されてなることを特徴とする。
【０００８】
請求項４記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、さらに、組成中に質量％で、Ｓｉが０．１〜１％含有されてなることを特徴とする。
【０００９】
請求項５記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、さらに、組成中に重量％で、Ｚｎが０．１〜１％含有されてなることを特徴とする。
【００１０】
請求項６記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、さらに、組成中に質量比で、Ｂｅを１〜１００ｐｐｍ含有することを特徴とする。
【００１１】
請求項７記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の発明において、さらに、組成中に質量％で、Ｇｅを０．１〜１％含有することを特徴とする。
【００１２】
請求項８記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、不可避不純物中のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕの含有量をそれぞれ５０ｐｐｍ以下にする規制することを特徴とする。
【００１３】
請求項９記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、平均結晶粒径が１〜３０μｍであることを特徴とする。
【００１４】
以下に本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品に用いられるマグネシウム合金の組成について説明する。なお、本願明細書において特に指定しない限り、％は質量％を示すものとする。
【００１５】
Ａｌ：６．１〜８％
Ａｌには鋳造性を向上する作用があり、また、Ｍｇの地に固溶し、固溶体硬化により強度を高める。しかし、Ａｌ含有量が６．１％未満ではそれらの効果が少ない。一方、Ａｌ含有量が増加するに伴いβ−Ｍｇ１７Ａｌ１２の不連続析出が顕著に生じるようになり、それにより８％を超えると耐クリープ性が急激に低下する。したがって、Ａｌ含有量を６．１〜８％の範囲とした。
【００１６】
Ｃａ：０．５〜１．８％未満
Ｃａ含有量の増加に伴い耐クリープ性は向上するが、０．５％未満ではその改善効果が少ない。一方、Ｃａ含有量が増加するに伴い鋳造割れおよび金型への焼付きが生じ易くなり、１．８％以上になると後述するＳｒの添加によってもそれらを抑制できなくなる。また、Ｃａ含有量が増加するに伴い引張強さと伸びが低下する。したがって、Ｃａ含有量を０．５〜１．８％未満の範囲とした。
【００１７】
Ｓｒ：０．１〜１％
Ｓｒ含有量の増加に伴いＣａ添加により悪化した鋳造性が改善され、特に鋳造割れが生じにくくなり、同時に耐クリープ性が向上する。しかし、０．１％未満ではそれらの改善効果は少なく、一方、１％を超えるとそれらの改善効果は飽和する。したがって、Ｓｒ含有量を０．１〜１％の範囲とした。好ましくは下限０．２％、上限０．７％である。
【００１８】
Ｍｎ：０．１〜０．５％
ＭｎはＦｅと結合して金属間化合物を生成して耐食性を向上させる。また、地に固溶したＭｎは耐クリープ性を向上する。しかし、０．１％未満ではそれらの効果は少なく、一方、０．５％を超えるとその効果は飽和するようになる。したがって、Ｍｎ含有量を０．１〜０．５％の範囲とした。好ましくは下限０．２％、上限０．４％である。
【００１９】
本発明のＭｇ合金における必須元素は、Ｍｇの他にはＡｌ、Ｃａ、ＳｒおよびＭｎである。その他の元素は基本的には不可避不純物として含まれる程度である。しかしながら、Ｓｎ、希土類元素、ＳｉやＺｎが含有される場合もあり、その場合には下記のような特徴がさらに付与される。
【００２０】
Ｓｎ：０．１〜２％
Ｓｎ含有量の増加に伴い、流動性と鋳造性が向上し、特に金型への焼付きが生じにくくなり、さらに強度が増加する。しかし、０．１％未満ではそれらの向上効果は少なく、一方、２％を超えるとそれらの改善効果は飽和し、そして伸びが著しく低下する。したがって、Ｓｎ含有量を０．１〜２％の範囲とした。好ましくは下限０．５％、上限１．５％である。
【００２１】
希土類元素：０．１〜２％
希土類元素としてはＣｅ、Ｌａ、Ｎｄなどを用いることができる。また、それらの混合物であるミッシュメタルを用いても良く、それがコスト的に有利である。これら希土類元素を添加するとＦｅと希土類元素の金属間化合物が生成して耐食性が向上し、さらにＡｌと希土類元素の金属間化合物が生成して耐クリープ性が向上する。しかし、その含有量が
０．１％未満の場合には十分な効果が得られず、一方、２％を超えると鋳造時に割れや焼付きが発生しやすくなる。したがって、希土類元素の含有量を０．１〜２％の範囲とした。
【００２２】
Ｓｉ：０．１〜１％
Ｓｉがこの範囲で含有された場合、鋳造性がさらに向上し、鋳造割れが生じにくくなる。
Ｚｎ：０．１〜１％
Ｚｎがこの範囲で含有された場合、強度がさらに向上するようになる。
【００２３】
Ｂｅ：１〜１００ｐｐｍ
さらに、本発明のＭｇ合金は酸化防止の目的、鋳造性の向上、強度の向上のためにＢｅを１００ｐｐｍまで含んでもよい。ただし、１ｐｐｍ未満ではその効果が少なく、一方、１００ｐｐｍを超えると、過剰なＢｅ添加で生じた酸化皮膜のまき込みを生じ、強度、伸びの低下を生じるため１〜１００ｐｐｍの範囲とする。なお、同様の理由で下限を５ｐｐｍ、上限を５０ｐｐｍとするのが好ましい。なお、本発明合金はＣａを含むことによりＢｅを含まなくとも難燃性を有している。
【００２４】
Ｇｅ：０．１〜１％
Ｇｅは、鋳造性を向上させ、鋳造割れを起こりにくくする作用があり、またＭｇ２Ｇｅを形成してクリープ特性を向上させるので所望により含有させる。ただし、０．１％未満の含有では上記作用が十分に得られず、一方、１％を超えると、その効果が飽和するため、Ｇｅを含有させる際には、その含有量を０．１〜１％に限定する。
【００２５】
また、不可避不純物としてはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕが典型的なものであるが、これらは耐食性を著しく損なうことが知られている。したがって、これらの含有量については、５０ｐｐｍ以下とするのが好ましく、さらに、Ｆｅは４０ｐｐｍ以下、Ｎｉは１０ｐｐｍ以下、Ｃｕは３０ｐｐｍ以下に抑えるのが一層好ましい。
【００２６】
次に、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品の結晶組織について述べる。
本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品の結晶組織はα−Ｍｇ結晶粒と、その粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系の金属間化合物とから構成されており、これら晶出物の該鋳造品断面における占有面積率が１０〜２５％とされている。これは、該鋳造品の低応力下でのクリープ機構が、主として結晶粒の粒界すべりに起因するものであり、粒界に晶出物が存在すると、この晶出物が抵抗となり粒界すべりを抑制する効果を得ることができるためである。また、上記のように晶出物の面積率を限定した理由は、面積率が１０％未満ではその効果が不十分なため耐クリープ性に劣るものとなり、一方、２５％を超えると鋳造性が低下すると共に、この晶出物が粗大化して強度や伸びが低下するためである。
【００２７】
上記の合金成分を有する耐熱マグネシウム合金鋳造品は、一般的なマグネシウム合金の鋳造技術によって製造することができる。例えば、鉄製の坩堝を用いて溶製することができる。また、鋳造においては、ダイカスト法、高圧鋳造法、重力鋳造法などの各種鋳造方法を用いることが可能であり、本願発明では特にダイカスト法、高圧鋳造法、重力鋳造法に限定されるものではないが、いずれの鋳造法を用いた場合においても、本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品においては、平均結晶粒径が１〜３０μｍ、好ましくは５〜２０μｍ、の範囲にあることが好ましい。これは、上記平均結晶粒径が１μｍ未満であるとＡｌ固溶量が多くなり、クリープ変形中にβ‐Ｍｇ１７Ａｌ１２の不連続析出が生じてクリープ変形が促進され、その結果耐クリープ性が低下するからであり、一方、３０μｍを超えると機械的性質が低下するからである。
【発明の効果】
【００２８】
以上説明したように本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、質量％でＡｌを６．１〜８％、Ｃａを０．５〜１．８％未満、Ｓｒを０．１〜１％、Ｍｎを０．１〜０．５％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、かつ結晶組織がα−Ｍｇ結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系からなる金属間化合物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記金属間化合物の占有面積が１０〜２５％の範囲であるので、鋳造性が良好で、ダイカスト鋳造を含め多くの鋳造法で良好な鋳造が可能になる。また、鋳造品は高温でのクリープ強度に優れ、エンジン回りの部品にも使用が可能であり、耐食性にも優れている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
上記説明の本発明のマグネシウム合金は、一般的なＭｇ合金の溶解技術によって製造することができる。例えば、鉄製坩堝を用い、又、ＳＦ６／ＣＯ２／Ａｉｒの混合ガス等の酸化防止用ガスを用いて溶解することによって得られる。
【００３０】
上記の合金成分を有する耐熱マグネシウム合金鋳造品は、一般的なマグネシウム合金の鋳造技術によって製造することができる。例えば、鉄製の坩堝を用いて溶製することができる。また、鋳造においては、ダイカスト法、重力鋳造法などの各種鋳造方法を用いることが可能であり、本願発明では特にダイカスト法、重力鋳造法に限定されるものではないが、ダイカスト法、重力鋳造法により製造することが一般的には有効である。
また、本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品は、鋳造工程における冷却速度が、０.１℃／秒以上、１００℃／秒以下の範囲とされることが好ましい。これは、上記冷却速度が０.１℃／秒未満であると、α−Ｍｇ結晶粒の粒界の晶出物が多くなり、Ａｌ固溶量が少なくなるために強度が低下するからであり、１００℃／秒を超えるとα−Ｍｇ結晶粒の粒界に晶出する晶出物の面積率が低下してクリープ強度が低下するからである。
【００３１】
上記耐熱マグネシウム合金鋳造品は、結晶組織がα−Ｍｇ結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌ−Ｃａ系およびＡｌ−Ｓｒ系からなる金属間化合物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記金属間化合物の占有面積が１０〜２５％の範囲になる。上記鋳造時冷却速度が０．１℃／秒未満になると、上記占有面積が２５％超となり、１００℃／秒を越える上記占有面積は１０％未満となる。
【００３２】
次に、前述の組成からなるマグネシウム合金鋳造品の具体的用途としては、自動車関連のエンジンまわりの部品として、シリンダーブロック、シリンダーヘッド、シリンダーヘッドカバー、オイルパン、オイルポンプボディー、オイルポンプカバー、インテークマニフォールドなどのエンジン回りの構造部材、あるいは、ケース類としては、トランスミッションケース、トランスファーケース、チェーンケースステアリングケース、ジョイントカバー、オイルポンプカバー等のエンジン回りのケース部材などに適用することができる。
【実施例１】
【００３３】
以下に本発明の実施例について説明する。
表１に示す組成のマグネシウム合金を鉄製坩堝にてＳＦ６／ＣＯ２／Ａｉｒの混合ガス雰囲気下で溶製し、コールドチャンバーダイカストマシーンにより図１（ａ）、（ｂ）に示す形状の鋳物をそれぞれ鋳造した。希土類元素（ＲＥ）についてはミッシュメタルで添加した。
図１（ａ）、（ｂ）に示す鋳造品１は、全体が幅７０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの板状であって、その溶湯が金型に注入されるゲート側６から溶湯が金型の外にオーバーフローするオーバーフロー側５に１／３の部分２が厚さ３ｍｍ、次の１／３の部分３が厚さ２ｍｍ、残りの１／３の部分４が厚さ１ｍｍである。
【００３４】
上記にて作製された鋳造品における３ｍｍ厚さ部分の板厚中央部について二次電子像を撮影し、その分析から鋳造品内部におけるＡｌとＣａおよびＡｌとＳｒを主成分とする晶出物の鋳造品断面に対する面積率を求めた。図２に実施例の鋳造品断面の二次電子像を模式的に示す。この図に示すように、本例のマグネシウム合金鋳造品は複数のマグネシウム結晶粒と結晶粒界とから構成されており、そしてその結晶粒界１１にＡｌとＣａおよびＡｌとＳｒを主成分とする金属間化合物１２が晶出している。これらの晶出物の面積を測定して視野の全面積で除することにより晶出物の占有面積率を算出することができる。なお、平均結晶粒径についてはいずれの鋳造品も７〜１５μｍの範囲にあった。              
【００３５】
本発明に係るマグネシウム合金鋳造品の鋳造性は、鋳造凝固時の鋳造割れ（高温割れ）と金型への焼付きにより評価した。鋳造割れは図１に示した鋳造材の厚さが１ｍｍから２ｍｍに変わる付近において、凝固収縮中の応力集中により生じる。表１に示す各合金に対し、１００ショット鋳造し、最初の３０ショットはスクラップとし、残りの７０ショットを用いて一個当たりの平均鋳造割れ長さを求め、鋳造割れの評価とした。金型への焼付けは目視にて評価した。
【００３６】
また、図１に示す鋳造品の板厚３ｍｍの部分より板状試験片を切り出し、引張試験とク
リープ試験を実施した。引張試験は１０トンオートグラフ試験機により、室温にて引張速
度５ｍｍ／ｍｉｍで行った。クリープ試験は、１５０℃にて荷重５０ＭＰａ、試験時間１００ｈｒで行い、クリープ曲線より最小クリープ速度を求め、クリープ特性の評価とした。
以上の条件により実施した実験結果を表２に示した。また、一部の実施例と比較例については、試験片に対して塩水（５％ＮａＣｌ溶液）を２４０時間噴霧した場合の腐食速度を耐食性の指標として示した。
表２に示すように、本発明合金は開発目標とする機械的性質が引張強さ２１０ＭＰａ以上、耐力１６０ＭＰａ以上、伸び４％以上、耐クリープ性が最小クリープ速度５×１０−９／ｓ以下、および鋳造性が鋳造割れ１ｍｍ以下、焼付きなしをいずれも満足している。これに対し、比較合金は機械的性質、耐クリープ性、鋳造性の何れかが開発目標に達していない。
【００３７】
【表１】
2006291327.tif 000002
【００３８】
【表２】
2006291327.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（ａ）は本発明の実施例で得られた鋳造品の側面図、（ｂ）は同鋳造品の平面図である。
【図２】同じく、実施例の鋳造品断面の二次電子像の模式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  鋳造品
１１  結晶粒界
１２  金属間化合物
【図１】
2006291327.tif 000004
【図２】
2006291327.tif 000005