(57)【要約】【課題】耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法を提供する。【解決手段】温度勾配（Ｋ／ｍｍ）と凝固速度（ｍｍ／ｓ）の商（温度勾配／凝固速度）の値が１（Ｋ・ｓ）　から１０、０００（Ｋ・ｓ）の条件で一方向凝固させることにより、結晶粒のアスペクト比５以上のマグネシウム合金を作製する。【効果】高アスペクト比の結晶粒群で構成されるマグネシウム合金は、高温においても粒界すべりを生じることはなく、温度増加にともなう急激な強度低下が生じない。結晶粒アスペクト比５のＡＺ９１マグネシウム合金において、２００℃で２００ＭＰａ以上の高強度が得られる。【選択図】　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アスペクト比（＝結晶粒の長軸の長さ／結晶粒の短軸の長さ）が５以上の伸長な結晶粒群を有し、当該材料の組織の５０％以上がその伸長な組織により構成されることを特徴とする耐熱性マグネシウム合金。
【請求項２】
温度２００℃において、引張り強度１５０ＭＰａ以上を示すことを特徴とする、請求項１記載の耐熱性マグネシウム合金。
【請求項３】
添加元素として、アルミニウムを０〜１５ｍａｓｓ％、亜鉛を０〜１０ｍａｓｓ％、マンガンを０〜３ｍａｓｓ％、ジルコニウムを０〜３ｍａｓｓ％を含有するマグネシウム合金を利用することを特徴とする、請求項１記載の耐熱性マグネシウム合金。
【請求項４】
溶解したマグネシウム合金を、温度勾配（Ｋ／ｍｍ）と凝固速度（ｍｍ／ｓ）の商（温度勾配／凝固速度）の値が１．０×１００　（Ｋ・ｓ）から１．０×１０４　（Ｋ・ｓ）の条件で、一方向凝固することにより作製されたものであることを特徴とする、請求項１記載の耐熱性マグネシウム合金。
【請求項５】
溶解したマグネシウム合金を、温度勾配と凝固速度の商（温度勾配／凝固速度）の値が１．０×１００　（Ｋ・ｓ）　から１．０×１０４　（Ｋ・ｓ）の条件で、一方向凝固することを特徴とする耐熱性マグネシウム合金の製造方法。
【請求項６】
添加元素として、アルミニウムを０〜１５ｍａｓｓ％、亜鉛を０〜１０ｍａｓｓ％、マンガンを０〜３ｍａｓｓ％、ジルコニウムを０〜３ｍａｓｓ％を含有するマグネシウム合金を用いることを特徴とする、請求項５記載の方法。
【請求項７】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の耐熱性マグネシウム合金を構成要素として含むことを特徴とするマグネシウム合金製構造用部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐クリープ性や高温強度に優れた耐熱性マグネシウム合金に関するものであり、更に詳しくは、結晶粒のアスペクト比が５以上の伸長な結晶粒群から構成される組織に制御して高温強度を付与した耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法に関するものである。本発明は、自動車をはじめとする輸送機部品、宇宙・航空機部品、電気・電子機器部品等の幅広い分野で利用することが可能な耐熱性マグネシウム合金を製造し、提供するものとして有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、マグネシウムは、実用化されている構造用金属材料の中で最も低密度（＝１．７ｇ／ｃｍ３　）であり、金属特有の優れたリサイクル性を有し、資源も豊富に存在することから、次世代の構造用軽量材料として注目されている材料である。現在のところ、日本におけるマグネシウム製品の多くは、鋳造法により製造されている。主なマグネシウム製品としては、例えば、ステアリングホイール、シリンダーヘッド等の自動車部品及びパソコンや携帯電話の筐体等の家電製品の部品が挙げられる。しかし、マグネシウム合金の耐熱性は、高温になると急激に低下するため、マグネシウム製品のほとんどが１００℃以下の環境でしか使用できない。エンジンブロックなどの高温環境下で使用する部品をマグネシウム合金で製造するためには、耐熱性の向上が不可欠である。
【０００３】
現在のマグネシウム製品に使用されているマグネシウム合金は、主にＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ（−Ｍｎ）系及びＭｇ−Ｚｎ−Ｚｒ系である。これらのマグネシウム合金の各元素の添加量は、一般に、Ａｌ：１５ｍａｓｓ％以下、Ｚｎ：１０ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：３ｍａｓｓ％以下、Ｚｒ：３ｍａｓｓ％以下である。これらの実用化されているマグネシウム合金の強度は、１５０℃以上の温度になると急激に低下するため、特殊な元素等を添加することにより耐熱性の向上が図られてきた。
【０００４】
具体的には、マグネシウム合金の耐熱性向上の手法として、（１）高温強度に優れたセラミックス繊維や粒子で強化する複合強化マグネシウム（例えば、Ｈ．Ｆｅｒｋｅｌ　　ａｎｄ　　Ｂ．Ｌ．Ｍｏｒｄｉｋｅ、”Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ　　ｂｙ　　ＳｉＣ　　ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ”、Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．Ａ、Ｖｏｌ．Ａ２９８（２００１）、ｐｐ．１９３−１９９）、（２）マグネシウム中の拡散係数が小さいイットリウムや希土類金属等の添加元素をマグネシウムに固溶させることにより強化する固溶強化マグネシウム（例えば、Ｔ．Ｍｏｈｒｉ　　ｅｔ　　ａｌ．、”Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ　　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　　ｏｆ　　ａ　　Ｍｇ−４Ｙ−３ＲＥ　　ａｌｌｏｙ　　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　　ｂｙ　　ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ”、　　Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．Ａ、Ｖｏｌ．Ａ２５７（１９９８）、ｐｐ．２８７−２９４）が提案されている。
【０００５】
更に、（３）シリコンやカルシウム、希土類金属等を構成元素とする高温で安定な析出物を析出させ強化する析出強化マグネシウム（例えば、Ｍ．Ｍａｂｕｃｈｉ　　ａｎｄ　　Ｋ．Ｈｉｇａｓｈｉ、”Ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　　ｍａｃｈａｎｉｓｍ　　ｏｆ　　Ｍｇ−Ｓｉ　ａｌｌｏｙ”、Ａｃｔａ．Ｍａｔｅｒ．、Ｖｏｌ．４４（１９９６）、ｐｐ．４６１１−４６１８．）、（４）上記（１）〜（３）を複合したマグネシウム（例えば、Ｊ．Ｇ．Ｗａｎｇ　　ｅｔ　　ａｌ．，”Ｃｒｅｅｐ　　ｏｆ　　ａ　　ｈｅａｔ　　ｔｒｅａｔｅｄ　　Ｍｇ−４Ｙ−３ＲＥ　ａｌｌｏｙ”、Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｅｎｇ．、Ｖｏｌ．Ａ３１５（２００１）ｐｐ．８１−８８）、が提案されている。
【０００６】
しかし、これまでのマグネシウム合金の耐熱性向上の手法は、マグネシウムに特殊な元素等を添加することにより耐熱性が向上することに注目したものである。そして、このような特殊元素等の添加は、マグネシウムが元来有するリサイクル性を阻害するものであり、実用上大きな問題となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を抜本的に解決することを可能とする新しい方法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、マグネシウムの耐熱性の低下が粒界すべりに起因することに着目し、結晶粒形態制御による粒界すべりの抑制を積極的に利用することで所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、溶湯マグネシウムを一方向から凝固させることにより、結晶粒のアスペクト比が５以上の伸長な結晶粒組織に制御し、粒界すべりが発生しにくくすることより優れた耐熱性の実現を可能とした耐熱性マグネシウム合金の製造方法及びその材料を提供することを目的とするものである。本発明の方法では、特別な元素等を添加することなく耐熱性の向上が達成できるため、耐熱性向上のためにリサイクル性が損なわれることはない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）アスペクト比（＝結晶粒の長軸の長さ／結晶粒の短軸の長さ）が５以上の伸長な結晶粒群を有し、当該材料の組織の５０％以上がその伸長な組織により構成されることを特徴とする耐熱性マグネシウム合金。
（２）温度２００℃において、引張り強度１５０ＭＰａ以上を示すことを特徴とする、前記（１）記載の耐熱性マグネシウム合金。
（３）添加元素として、アルミニウムを０〜１５ｍａｓｓ％、亜鉛を０〜１０ｍａｓｓ％、マンガンを０〜３ｍａｓｓ％、ジルコニウムを０〜３ｍａｓｓ％を含有するマグネシウム合金を利用することを特徴とする、前記（１）記載の耐熱性マグネシウム合金。
（４）溶解したマグネシウム合金を、温度勾配（Ｋ／ｍｍ）と凝固速度（ｍｍ／ｓ）の商（温度勾配／凝固速度）の値が１．０×１００　（Ｋ・ｓ）　から１．０×１０４　（Ｋ・ｓ）の条件で、一方向凝固することにより作製されたものであることを特徴とする、前記（１）記載の耐熱性マグネシウム合金。
（５）溶解したマグネシウム合金を、温度勾配と凝固速度の商（温度勾配／凝固速度）の値が１．０×１００　（Ｋ・ｓ）　から１．０×１０４　（Ｋ・ｓ）の条件で、一方向凝固することを特徴とする耐熱性マグネシウム合金の製造方法。
（６）添加元素として、アルミニウムを０〜１５ｍａｓｓ％、亜鉛を０〜１０ｍａｓｓ％、マンガンを０〜３ｍａｓｓ％、ジルコニウムを０〜３ｍａｓｓ％を含有するマグネシウム合金を用いることを特徴とする、前記（５）記載の方法。
（７）前記（１）から（４）のいずれかに記載の耐熱性マグネシウム合金を構成要素として含むことを特徴とするマグネシウム合金製構造用部材。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明者らは、粒界すべりの抑制によるマグネシウム合金の耐熱性向上を目的に、結晶粒がある方向に伸長した結晶粒の形態制御に着目した。本発明では、具体的には、適度な冷却速度で溶湯マグネシウム合金を一方向から冷却し、結晶粒のアスペクト比が５以上の伸長な結晶粒群から構成される組織を有するマグネシウム合金を作製することを試みた。本発明では、マグネシウム合金材料を、温度勾配と凝固速度の商（温度勾配／凝固速度）の値が１．０×１００　（Ｋ・ｓ）　から１．０×１０４　（Ｋ・ｓ）の条件で、一方向凝固することにより、一方向に伸長した結晶粒群を有する結晶粒組織を作製し、それにより、粒界すべりを発生しにくくすることにより、優れた耐熱性を有する耐熱性マグネシウム合金を製造した。
【００１０】
本発明の方法では、マグネシウム合金材料として、好適には、アルミニウムを０〜１５ｍａｓｓ％、亜鉛を０〜１０ｍａｓｓ％、マンガンを０〜３ｍａｓｓ％、ジルコニウムを０〜３ｍａｓｓ％を含有するマグネシウム合金材料が用いられる。しかし、これらに制限されない。本発明の方法は、各種マグネシウム合金に適応できる。本発明の方法は、例えば、実用マグネシウム合金として需要の多いＡＺ９１（Ｍｇ−９ｍａｓｓ％Ａｌ−ｌｍａｓｓ％Ｚｎ−０．３ｍａｓｓ％Ｍｎ）やＡＭ６０（Ｍｇ−６ｍａｓｓ％Ａｌ−０．３ｍａｓｓ％Ｍｎ）合金等に適応可能である。
【００１１】
本発明の方法においては、マグネシウム合金を溶解後、所定の条件で、一方向に凝固させるが、具体的な例で説明すると、側面が断熱壁であり、底面に冷やし金が設置されたるつぼ内部でマグネシウム合金を溶解し、冷やし金を冷媒に曝すことによりマグネシウム合金を凝固させる。冷やし金部より一方向凝固が始まり、形成された結晶粒の形態は、冷やし金から溶湯方向に伸長した形態となる。以上のプロセスにより伸長した結晶粒が得られる状態を図１に模式的に示す。本プロセスによれば、冷やし金として利用する金属の材質、及び冷やし金を冷却する冷媒を選択することにより、比較的自由に、溶湯の冷却条件を制御することが可能である。
【００１２】
金属材料の結晶を一方向に凝固させる際に制御しなければならない因子としては、当該金属の凝固界面（液相と固相の界面）付近における温度勾配（Ｋ／ｍｍ）、及び凝固界面の進行速度（凝固速度（ｍｍ／ｓ））が挙げられる。温度勾配と凝固速度の商（温度勾配／凝固速度）は、デンドライト組織の形状を制御するパラメータとして広く知られている（例えば：Ｗ．Ｋｕｒｚ　ａｎｄ　Ｄ．Ｊ．Ｆｉｓｈｅｒ、　Ｆｕｎｄｅｒｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ、Ｔｒａｎｓ　Ｔｅｃｈ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｌｔｄ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ、１９８９、ｐｐ．６３−９２．）。
【００１３】
例えば、温度勾配と凝固速度の商（温度勾配／凝固速度）の値が約１より小さい場合、金属組織は等軸晶を有する組織となり、約１より大きく約１０，０００より小さい値の場合では、金属組織は指行的なデンドライト成長を呈することが知られている。なお、約１０，０００以上の値では見かけ上凝固界面は進行しない。
【００１４】
本発明において、上記マグネシウム合金の一方向凝固を実施するための一方向凝固装置としては、所定の冷却速度で溶湯マグネシウム合金を一方向から冷却し、伸長な結晶粒群から構成される組織を作製できるものであれ適宜の装置を用いることができ、これらの装置の具体的構成は、その使用目的、製品の種類等に応じて適宜設計することができる。
【００１５】
本発明の方法により、アスペクト比（＝結晶粒の長軸の長さ／結晶粒の短軸の長さ）が５以上の伸長な結晶粒群を有し、当該材料の組織の５０％以上がその伸長な組織により構成されること、温度２００℃において、引張り強度１５０ＭＰａ以上を示すこと、を特徴とする耐熱性マグネシウム合金が得られる。上記一方向凝固により高アスペクト比の結晶粒組織とすることにより、粒界すべりが抑制され、それにより、高い高温強度を有する耐熱性アルミニウム合金が得られる。結晶粒のアスペクト比が５以上の結晶粒群により、当該材料の組織の５０％以上が構成される場合に、高温強度の急激な低下を防ぐことが可能となる。また、本発明では、従来、マグネシウム合金の耐熱性を向上させるために添加されていた希土類金属等の特殊な元素やセラミックスを使用することなく、耐熱性マグネシウム合金を作製することができるので、易リサイクル性の製品を作製し、提供することが可能となる。本発明に係る耐熱性アルミニウム合金は、マグネシウム合金を構成要素として含むあらゆる種類の構造用の部材として使用することができる。
【００１６】
リサイクル性を損なうことなくマグネシウム合金の耐熱性を向上させることは、マグネシウム製品の需要を伸ばす上できわめて重要である。本発明は、結晶粒の形態制御により耐熱性の向上をはかったマグネシウム合金及びその製造方法に関するものである。具体的には、本発明は、結晶粒のアスペクト比を５以上にすることにより、温度２００℃において、引張り強度１５０ＭＰａ以上を示すマグネシウム合金を得ることを特徴とする。本発明により、特殊な元素等を添加することなく、易リサイクル性を保持したまま、優れた耐熱性マグネシウム合金を得ることが可能である。
【００１７】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例１
直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍであり、側面が断熱壁（マグネシア壁）であり、底面が銅製冷やし金で構成される一方向凝固装置中で、ＡＺ９１マグネシウム合金を溶解後、冷やし金を水冷することにより当該マグネシウム合金の一方向凝固を実施した。なお、るつぼ内部に熱電対を複数設置し、高さ方向の温度分布を測定した結果、凝固時の温度勾配と凝固速度の商は、約１００（Ｋ・ｓ）であった。得られたマグネシウム合金の微視組織写真を図２に示す。（ａ）は、断熱壁及び冷やし金が設置されたるつぼ内部で一方向凝固させた後の微視組織写真である。凝固後の結晶粒のアスペクト比は約５であり、画像解析の結果、アスペクト比５以上の結晶粒は、材料内に６０％以上（面積比）存在することが確認された。一方、（ｂ）は、底に冷やし金を持たない、直径４０ｍｍ、高さ１００ｍｍのアルミナ坩堝内で空冷したＡＺ９１マグネシウム合金の代表的な組織を示す。凝固後の結晶粒のアスペクト比は約１であった。
【００１８】
実施例２
実施例１にて作製された材料を平行部長さ１０ｍｍ、平行部直径４ｍｍの丸棒試験片に加工し、室温から４００℃の温度範囲で引張り試験を行った。結晶粒のアスペクト比が５のＡＺ９１マグネシウム合金（発明材）と結晶粒のアスペクト比が１のＡＺ９１マグネシウム合金（比較材）の引張り強度と温度の関係を図３に示す。図３の発明材とは、本発明を利用して作製されたアスペクト比５以上の結晶群を有するＡＺ９１マグネシウム合金を指す。アスペクト比５以上の結晶群の占める割合は約６０％であった。図３の比較材とは、実施例１にて通常のアルミナ坩堝内で当該合金を空冷することにより作製されたアスペクト比１の試料を指す。発明材の引張り強度はいずれの温度においても比較材よりも大きな値を取った。また、発明材の強度は２００℃においても２００ＭＰａ以上の高強度を示した。図３に示される引張り強度の向上は、アスペクト比が５以上の結晶群を材料内に５０％（面積比）以上有する時に顕著に表れた。
【００１９】
実施例３
２００℃で引張り試験した後の試験片の側面を観察した写真を図４に示す。（ａ）は、図３における発明材の試験片の側面を、（ｂ）は、比較材の試験片の側面を示す。発明材では粒界すべりの痕跡は全く見られないのに対し、比較材には粒界すべりの痕跡（結晶粒とほぼ同じ形の試料表面のゆがみ）が確認された。以上の結果から、高アスペクト比の結晶粒組織により粒界すべりが抑制され、高い高温強度が得られたことがわかる。
【００２０】
なお、粒界すべりとは、金属結晶自体の形状は基本的に変化せず、結晶同士が界面間で滑ることにより変形が達成される現象を指す。伸長な結晶粒組織のため粒界すべりが抑制されるメカニズムを、図５に模式的に示す。実施例２及び実施例３の結果より、高温強度の急激な低下を防ぐためには、結晶粒のアスペクト比が５以上でなければならないことが確認できる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法に係るものであり、本発明によれば、１）マグネシウム合金の高温強度を実用合金の組成でも得ることができる、２）本発明の耐熱性マグネシウム合金は、軽量であるとともに、リサイクル性に優れた材料であり、環境負荷の低い材料として有用である、３）本発明は、希土類金属等の特殊な元素やセラミックスを添加することなく、易リサイクル性を保持したまま優れた耐熱性を示すマグネシウム合金を提供することを可能とする、４）それにより、本発明の耐熱性マグネシウム合金の工業的意義はきわめて大きいと言える、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷やし金により一方向から凝固が始まり、冷やし金から溶湯方向に伸長した結晶粒が得られるプロセスを模式的に示した図である。
【図２】ＡＺ９１マグネシウム合金の組織写真を示す。
【図３】引張り強度と温度の関係を示す図である。
【図４】２００℃で引張り試験を行った後のＡＺ９１マグネシウム合金試験片の側面を観察した図である。
【図５】結晶粒が伸長な形状をしているため粒界すべりが生じにくくなることを模式的に示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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