(57)【要約】【課題】安価な耐熱性マグネシウム合金を提供する。【解決手段】本発明のマグネシウム合金は、全体を１００質量％としたときに、Ａｌを１〜６質量％、ＣａをＡｌに対する質量比（Ｃａ／Ａｌ）で０．５〜３となる量含み、残部がＭｇと不可避不純物とからなることを特徴とする。本発明の耐熱性マグネシウム合金は、ＡｌおよびＣａのみの適量化によって得られるため、非常に安価である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を１００質量％としたときに、
アルミニウム（Ａｌ）を１〜６質量％、カルシウム（Ｃａ）をＡｌに対する質量比（Ｃａ／Ａｌ）で０．５〜３となる量含み、残部がマグネシウム（Ｍｇ）と不可避不純物とからなることを特徴とする耐熱性マグネシウム合金。
【請求項２】
さらに、マンガン（Ｍｎ）を０．２〜１質量％含む請求項１に記載の耐熱性マグネシウム合金。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、安価な耐熱性マグネシウム合金に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の軽量化ニーズの高まりにより、アルミニウム合金よりさらに軽量なマグネシウム合金が注目を集めている。マグネシウム合金は、実用金属中で最も軽量であり、航空機用材料の他、自動車用材料等としても使用されつつある。例えば、自動車のホイールやエンジンのヘッドカバー等にマグネシウム合金が使用されている。
【０００３】
また、最近の環境意識の高揚に伴って、車両等のさらなる軽量化が求められている。このため、高温域で使用される機器や装置等にまでマグネシウム合金の使用が検討されている。このときに重要となるのが、マグネシウム合金の耐熱性である。従来のマグネシウム合金は、高温強度に乏しく、高温環境下での使用には適さない。特に、構造材のように、大きな応力の作用する部材にマグネシウム合金を使用した場合、大きなクリープ変形等を生じ易かった。
もっとも最近では、マグネシウム合金への添加元素等を適宜選択、調整することで、その耐熱性も相当向上しつつある。例えば、下記の公報に、そのような耐熱性マグネシウム合金が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−２７２９４５号公報
【特許文献２】
特開平９−２９１３３２号公報（特許３２２９９５４号公報）
【特許文献３】
特開平２００２−１５７９７９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１にはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−Ｓｉ系合金が開示されている。上記特許文献２にはＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−ＲＥ−Ｍｎ系合金（ＲＥ：希土類元素）が開示されている。さらに、上記特許文献３にはＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ系合金が開示されている。この他、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金、Ｍｇ−Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｎ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ−Ｃａ系合金、Ｍｇ−ＲＥ−Ｚｎ系合金（ＲＥ：希土類元素）等、含有元素やその含有量の異なる種々の耐熱性マグネシウム合金が、様々な公報や文献等に開示されている。
【０００６】
ところが、従来のいずれのマグネシウム合金も、複数種の含有元素を比較的多く含有し、また、高価なＲＥを含有していたりして、高コストのマグネシウム合金となっていた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、安価な元素を使用して、その含有量を適切に調整することによって、耐熱性に優れた耐熱性マグネシウム合金を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
そこで、本発明者らはこの問題点を解決すべく、鋭意研究し各種系統的実験を重ねた結果、安価なＡｌとＣａとのみを適量含有させることで、十分な耐熱性を有するマグネシウム合金が得られることを見出し、これに基づいて本発明を完成するに至ったものである。
すなわち、本発明の耐熱性マグネシウム合金は、全体を１００質量％としたときに、Ａｌを１〜６質量％、ＣａをＡｌに対する質量比（Ｃａ／Ａｌ）で０．５〜３となる量含み、残部がＭｇと不可避不純物とからなることを特徴とする。
【０００８】
本発明の耐熱性マグネシウム合金は、基本的に、ＡｌおよびＣａのみをＭｇに含有させることで、Ｍｇ合金の耐熱性を向上させている。このように、安価なありふれた元素を少数種使用しているだけであるため、材料費のみならず製造費を含めて考えても、耐熱性マグネシウム合金の低コスト化が図られる。従って、価格競争力の大きな耐熱性マグネシウム合金が得られる。
【０００９】
ところで、ＣａおよびＡｌの含有量を上記範囲に限定することにより耐熱性に優れたマグネシウム合金が得られる理由は必ずしも明らかではないが、現状、次のように考えられる。
Ａｌは、Ｍｇ結晶粒中に固溶して室温強度を向上させる元素である。また、Ａｌは、マグネシウム合金の融点を下げ鋳造性を改善すると共にマグネシウム合金が凝固する際の温度範囲を狭くして凝固収縮に伴う応力を低減し、鋳造割れを抑制する効果がある。従って、マグネシウム合金を金型鋳造する場合のみならず、冷却速度の速いダイキャスト鋳造する場合でも、Ａｌは、その鋳造性を改善する上で非常に有効な元素である。
Ａｌが１質量％未満では上記効果が薄く、Ａｌが６質量％を超えても効果の向上が望めず経済的でない。そして、このＡｌの含有量が２〜４質量％であるとより好ましい。
【００１０】
ところが、マグネシウム合金中のＡｌ含有量が増えると、Ａｌは、そのマトリックス（デンドライトセルやα結晶粒）中に過飽和に固溶してＡｌリッチ相を形成する。このＡｌリッチ相は熱的に不安定であるため、マグネシウム合金が高温になると、Ｍｇ−Ａｌ化合物（Ｍｇ１７Ａｌ１２）となってＭｇマトリックス中やＭｇ結晶粒界中に析出する。そして、そのマグネシウム合金を高温域で長時間放置すると、その金属間化合物は凝集し粗大化し、マグネシウム合金のクリープ変形を増大させる。つまり、マグネシウム合金の耐熱性を低下させる。
【００１１】
しかし本発明では、そのＡｌ含有量に応じてＣａを適量含有させ、このＣａによって、Ａｌの増加に伴う耐熱性の低下を抑制、防止している。これはＣａが上記Ｍｇ−Ａｌ化合物やマトリックスと反応することにより、クリープの低下要因となるＭｇ１７Ａｌ１２を減少させると共に高温域で安定なＣａ−Ａｌ化合物やＭｇ−Ｃａ化合物等を形成するためであると考えられる。
これらの金属間化合物は、主に結晶粒界中にネットワーク状に晶出または析出して、マグネシウム合金の転位運動をくい止める楔作用をすると考えられる。
このような理由により、本発明のマグネシウム合金は、ＡｌおよびＣａをそれぞれ適量含有することにより、高温域でもクリープ変形の少ない優れた耐熱性を発現すると思われる。
【００１２】
ここで、ＣａがＡｌに対する質量比で０．５未満ではクリープの低下要因であるＭｇ１７Ａｌ１２の析出を十分に抑制できず、マグネシウム合金の耐熱性が不十分となる。一方、Ｃａがその質量比で３を超えても、マグネシウム合金の耐熱性の向上が望めず、経済的でもない。また、Ｃａが増え過ぎると、鋳造性の低下、鋳造割れ、金型との焼付き、伸び低下等の要因ともなり好ましくないと思われる。そして、このＣａは、Ａｌとの質量比で１〜２であるとより好ましい。
【００１３】
さらに、本発明のマグネシウム合金は、Ｍｎを０．２〜１質量％、望ましくは０．５〜０．７質量％含有しているとより好適である。
ＭｎもＭｇ結晶粒中に固溶してマグネシウム合金を固溶強化させる元素である。また、ＭｎはＡｌとも反応して、クリープの低下要因であるＭｇ１７Ａｌ１２の析出を抑制すると共に熱的に安定な金属間化合物を形成する。これにより、Ｍｎは、マグネシウム合金の室温強度のみならず高温強度も向上させる元素である。さらに、Ｍｎは、腐食原因となる不純物のＦｅを沈降除去等する効果も期待できる。このＭｎが０．２質量％未満では効果が薄く、１質量％を超えても効果の向上は期待できず経済的でない。
【００１４】
本明細書では、各元素の組成範囲を「ｘ〜ｙ質量％」という形式で示しているが、これは特に断らない限り、下限値（ｘ質量％）および上限値（ｙ質量％）も含む意味である。
本発明でいう「耐熱性」は、高温雰囲気中におけるマグネシウム合金の機械的性質（例えば、応力緩和試験や軸力保持試験によるクリープ特性または高温強度等）で評価されるものである。
【００１５】
本発明のマグネシウム合金は、その製造過程までは問題としない。従って、砂型鋳造、金型鋳造、ダイキャスト鋳造等、いずれの方法で得られたものであっても良い。また、その使用原料も問わず、各種純金属材料を使用しても良いし、より安価なＭｇ−Ａｌ合金等を使用しても良い。
【００１６】
本発明のマグネシウム合金の用途は、宇宙、軍事、航空の分野を初めとして、自動車、家庭電気機器等、各種分野に及ぶ。もっとも、その耐熱性を生かして、高温環境下で使用される製品、例えば自動車のエンジンルーム内に配置されるエンジン、トランスミッション、エアコン用コンプレッサまたはそれらの関連製品に、本発明のマグネシウム合金が使用されると一層好適である。
【００１７】
【実施例】
以下に実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
マグネシウム合金中のＡｌ、ＣａおよびＭｎの含有量（添加量）を種々変更した試験片を製作し、各種試験を行ってそれらの試験片の特性を評価した。
【００１８】
（試験片の製造）
電気炉中で予熱した鉄製るつぼの内面に、塩化物系のフラックスを塗布し、その中に純マグネシウム地金、純ＡｌおよびＭｇ−Ｍｎ合金を選択的に所定量投入して溶解した。
７５０℃に保持した溶湯中に、Ｃａを所定量添加した。このときの添加元素やその量は表１中に示した。この溶湯を十分に攪拌し、それらの添加元素を完全に溶解させた後、同温度でしばらく沈静保持した。この溶解作業中、Ｍｇの燃焼を防止するため、溶湯表面に炭酸ガスとＳＦ６ガスとの混合ガスを吹き付け、適宜、フラックスを溶湯表面に散布した。
こうして得た合金溶湯を金型に流し込み、大気雰囲気中で凝固させた。得られたインゴットから試験素材を切出し、φ１０ｘ１０ｍｍの円柱状の試験片に切削加工した。
【００１９】
（試験片の測定）
▲１▼表１に示したそれぞれの上記試験片について、応力緩和試験を行い、その耐熱性（クリープ特性）を調べた。この応力緩和試験は、１５０℃の大気雰囲気中で、各試験片の変位が一定に保持されるように、時間の経過と共にその試験片に印加する応力を緩和していくものである。すなわち、各試験片に最初１００ＭＰａの圧縮応力を印加し、そのときの試験片の変位が一定に保たれるように、時間の経過に併せてその圧縮応力を低減していった。このとき各試験片について得られた応力−時間関係を図１に示す。
【００２０】
なお、比較のため、市販されている各種合金からなる試験片についても同様の応力緩和試験を行った。その結果を図１に併せて示す。なお、ここで使用した合金は、アルミニウム合金ＡＤＣ１２（Ａｌ−１１Ｓｉ−２．５Ｃｕ）、マグネシウム合金ＡＥ４２（Ｍｇ−４Ａｌ−２．７Ｒ．Ｅ．）、マグネシウム合金ＡＳ２１（Ｍｇ−２Ａｌ−１Ｓｉ）、マグネシウム合金ＡＺ９１（Ｍｇ−９Ａｌ−０．９Ｚｎ）である。
【００２１】
▲２▼各試験片について通常の引張試験を行い、室温域での機械的特性も測定した。この結果を表１に併せて示した。
【００２２】
▲３▼表１に示した試験片Ｎｏ．３（Ｃａ／Ａｌ＝１．０）および試験片Ｎｏ．Ｃ２（Ｃａ／Ａｌ＝０．３）の金属組織を金属顕微鏡（倍率５００）で観察した。これらの金属組織写真を図２（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。
【００２３】
（評価）
図１の応力緩和試験結果を観ると、Ｃａ／Ａｌの質量比が０．５以上のマグネシウム合金は、応力低下率が小さく、十分な耐熱性を有していることが解る。また、その質量比が大きくなる程、その応力低下率は小さくなり、質量比が１．０以上のマグネシウム合金は、アルミニウム合金（ＡＤＣ１２）に匹敵する耐熱性を発揮した。
【００２４】
また、その質量比が０．５であっても、Ｍｎを適量含有したマグネシウム合金は、上記アルミニウム合金と同等の耐熱性を示すことも解った。そして、本発明に係るいずれのマグネシウム合金も、既存の主な耐熱性マグネシウム合金よりクリープ特性に優れることも明らかとなった。
【００２５】
この理由は、図２に示す金属組織写真からもうなずける。すなわち、図２（ｂ）に示すように、質量比が０．３である試験片Ｎｏ．Ｃ２のマグネシウム合金は、金属組織中にクリープ特性を低下させるＭｇ１７Ａｌ１２が大きく析出している。これに対し、図２（ａ）に示すように、質量比が１．０である試験片Ｎｏ．３のマグネシウム合金は、そのＭｇ１７Ａｌ１２  が全て、熱的に安定なＡｌ−Ｃａ化合物またはＭｇ−Ｃａ化合物に置換されている。
【００２６】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【図１】各種マグネシウム合金からなる試験片の応力緩和試験結果を示すグラフである。
【図２】試験片Ｎｏ．３および試験片Ｎｏ．Ｃ２を金属顕微鏡で観察した金属組織写真である。
【図１】
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【図２】
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