(57)【要約】【課題】鋳造時の冷却速度が小さな鋳造体であっても、耐熱性、室温強度、及びクリープ特性が良好な鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品を提供するものである。【解決手段】本発明に係る鋳造用マグネシウム合金は、重量％で、Ａｌを４．０〜６．０％、Ｚｎを３．０〜５．０％、Ｃａを２．０〜３．０％、Ｚｒを０．３〜１．２％、及び、Ｍｎを０．１〜０．５％含有するものである。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、及び、
Ｍｎを０．１〜０．５％含有することを特徴とする鋳造用マグネシウム合金。
【請求項２】
重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、
Ｍｎを０．１〜０．５％、及び、
０．３％以下の不純物を含有することを特徴とする鋳造用マグネシウム合金。
【請求項３】
上記０．３％以下の不純物の内、Ｃｕが０．１％以下、Ｎｉが０．０１％以下である請求項２記載の鋳造用マグネシウム合金。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載の鋳造用マグネシウム合金を用いて鋳造したことを特徴とする鋳造品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品に係り、特に、砂型鋳造にも適用可能な鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車においては、更なる軽量化のニーズが高まっており、アルミ合金よりも軽量なマグネシウム合金が多く使用されるようになってきている。
【０００３】
自動車構成部材の内、エンジンユニットのカバー類では、既に一般の鋳造用のマグネシウム合金を使用し、量産化が行われている。また、エンジンユニットのカバー類以外に、エンジンの構造部品（例えば、シリンダブロック及びシリンダヘッド等）においても軽量化のニーズが非常に高いことから、これらの部分にもマグネシウム合金を適用する試みがなされている。特に、エンジンの構造部品は、高圧、高温の環境下で使用されるため、高耐熱性、高強度のマグネシウム合金の開発が必要となってくる。
【０００４】
マグネシウムに、Ｃａ、Ａｇ、又はＺｒ等の元素や、Ｌａ又はＣｅ等の希土類元素を添加し、耐熱性を高めた耐熱マグネシウム合金が知られている。特に、マグネシウムに、ＺｎやＣｕを添加することで室温強度を向上させた耐熱マグネシウム合金がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２５６０９９号公報（第２頁請求項２）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、これらのマグネシウム鋳造合金の鋳造方法としては、一般的に、量産性及び成形性に優れたダイカスト鋳造法が用いられる。これに対して、多品種の製品を少量ずつ生産したい場合には、ダイカスト鋳造法よりも、砂型鋳造法の方が適している。
【０００７】
しかしながら、砂型鋳造法では鋳造後の冷却速度を、ダイカスト鋳造法のように大きくすることができないという問題があった。つまり、ダイカスト鋳造法では、金型自体の高い熱伝導性又は金型に設けた冷却装置により、鋳造体の冷却速度を大きくすることができるが、砂型鋳造法では、砂型の熱伝導性が金型のそれと比べて悪く、かつ、冷却装置を設けることが難しいことから、鋳造体の冷却速度を大きくすることができない。
【０００８】
ここで、鋳造体の冷却速度が小さいと、結晶粒が粗大になってしまい、ダイカスト鋳造法で製造した鋳造体と比べて室温における引張強度が低下してしまう。また、シリンダブロックやシリンダヘッド等については、厚肉製品であることから、ダイカスト鋳造法を用いて鋳造を行っても冷却速度が小さくなってしまい、同様の問題が生じてしまう。
【０００９】
前述した特開平９−２５６０９９号公報に記載された耐熱マグネシウム合金を含め、現在開発されている耐熱、高強度のマグネシウム合金は、ダイカスト鋳造法による鋳造が前提となっているため、これらの合金からなる鋳造体を砂型鋳造法で製造したり、これらの合金で肉厚品を鋳造した場合、前述した結晶粒の粗大化に伴う室温強度の低下を避けることはできなかった。
【００１０】
以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、鋳造時の冷却速度が小さな鋳造体であっても、耐熱性、室温強度、及びクリープ特性が良好な鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明に係る鋳造用マグネシウム合金は、重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、及び、
Ｍｎを０．１〜０．５％含有するものである。
【００１２】
また、本発明に係る鋳造用マグネシウム合金は、重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、
Ｍｎを０．１〜０．５％、及び、
０．３％以下の不純物を含有するものである。
【００１３】
具体的には、請求項３に示すように、上記０．３％以下の不純物の内、Ｃｕが０．１％以下、Ｎｉが０．０１％以下であることが好ましい。
【００１４】
一方、本発明に係る鋳造品は、上述した鋳造用マグネシウム合金を用いて鋳造したものである。
【００１５】
以上のような化学組成の鋳造用マグネシウム合金を用いて鋳造を行うことで、鋳造時の冷却速度が小さな鋳造体、例えば、砂型鋳造品又は厚肉鋳造品であっても、良好な耐熱性、室温強度、及びクリープ特性を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適一実施の形態を説明する。
【００１７】
本発明に係る鋳造用マグネシウム合金は、重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、及び、
Ｍｎを０．１〜０．５％含有するものであり、
好ましくは、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、
Ｍｎを０．１〜０．５％、及び、
０．３％以下の不純物を含有するものである。
【００１８】
本発明に係る合金の、化学組成の数値範囲を限定した理由を以下に述べる。
【００１９】
Ａｌは、その添加・含有によって組織の微細化を図ることができ、本発明に係る合金の静的強度、特に室温の引張強度を改善する。ここで、Ａｌの含有量を４．０〜６．０重量％としたのは、含有量が４．０重量％未満だと、静的強度の改善効果が不十分であり、また、含有量が６．０重量％を超えるとクリープ特性が悪化するためである。また、Ａｌを含有させることで、焼入れ、焼き戻しにより、粒界にＭｇ３２（Ａｌ，Ｚｎ）４９化合物相がパーライト状に優先析出することから、耐食性を向上させることもできる。好ましいＡｌの含有量は、充分に静的強度が向上し、かつ、クリープ特性が殆ど劣化しない４．０〜６．０重量％、より好ましくは４．０〜５．０重量％とする。
【００２０】
Ｚｎは、本発明に係る合金の室温強度及び鋳造性を改善する元素である。ここで、Ｚｎの含有量を３．０〜５．０重量％としたのは、含有量が３．０重量％未満だと、室温強度及び鋳造性の改善効果が不十分となると共に、鋳造割れも発生し易くなるためである。また、Ｚｎの含有量が５．０％を超えるとクリープ特性が劣化するためである。好ましいＺｎの含有量は、充分に室温強度が向上し、かつ、クリープ特性が殆ど劣化しない３．０〜５．０重量％、より好ましくは３．０〜４．０重量％とする。
【００２１】
Ｃａは、本発明に係る合金の静的強度及びクリープ特性を改善するための元素である。ここで、Ｃａの含有量を２．０〜３．０重量％としたのは、含有量が２．０重量％未満だと、静的強度及びクリープ特性を向上させる効果が不十分であり、また、含有量が３．０重量％を超えると、伸びが低下すると共に、鋳造割れが生じ易くなるためである。好ましいＣａの含有量は、充分に静的強度及びクリープ特性が向上し、かつ、伸びが殆ど低下しない２．０〜３．０重量％、より好ましくは２．２〜２．８重量％とする。
【００２２】
Ｚｒは、Ｍｇとの包晶反応により結晶粒の微細化と結晶粒の球状化を図る元素である。ここで、Ｚｒの含有量を０．３〜１．２重量％としたのは、含有量が０．３重量未満だと、結晶粒微細化の効果が十分に得られず、また、含有量が１．２重量％を超えると、合金の融点が高くなり、Ｚｒを合金中に均一分散できなくなるためである。好ましいＺｒの含有量は、十分に結晶粒が微細化し、かつ、Ｚｒを合金中に均一分散できる０．３〜１．２重量％、より好ましくは０．５〜１．０重量％とする。
【００２３】
Ｍｎは、本発明に係る合金の耐食性及びクリープ特性を改善するための元素である。ここで、Ｍｎの含有量を０．１〜０．５重量％としたのは、含有量が０．１重量％未満だと、耐食性及びクリープ特性を向上させる効果が不十分であり、また、Ｍｎは、室温におけるＭｇ中への固溶度が低く、０．５重量％がほぼ固溶の上限であるためである。好ましいＭｎの含有量は、充分に耐食性及びクリープ特性が向上する０．１〜０．５重量％、より好ましくは０．２〜０．５重量％とする。
【００２４】
本発明に係る合金中に含まれる不純物の含有量は、０．３重量％以下が好ましく、より好ましくは０．１重量％以下である。特に、Ｃｕ、Ｎｉは本発明に係る合金の耐食性を害する元素であるため、含有量をそれぞれ０．１％以下、０．０１％以下とする。
【００２５】
次に、本発明に係る鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品の製造方法を説明する。
【００２６】
マグネシウム合金は酸化燃焼し易いため、溶解、精錬作業の際には、フラックスを用い酸化を防止する。
【００２７】
実際の溶解、精錬方法として、なべ法、及びるつぼ法が挙げられる。なべ法は、主に合金の調整や、スクラップの回収処理に利用されており、るつぼ法は、主に鋳物鋳造に利用されているが、両者の本質的な違いはない。加熱源としては、重油やガスによるバーナ加熱、抵抗加熱、又は誘導加熱などが用いられている。
【００２８】
るつぼ溶解法に用いるるつぼは、軟鋼材を溶接したものを使用する。これは、ＭｇはＦｅとの溶解度が低く、両者は殆ど合金化しないためである。また、るつぼ、ひしゃく、攪拌棒などの溶解に用いる器材も軟鋼製のものを用いることが好ましい。
【００２９】
溶剤を用いた溶解の具体的な手順は、先ず、るつぼ内に溶解用フラックス（ＭｇＣｌ２が主成分）を入れ、温度を上げてフラックスを溶解する。
【００３０】
次に、そのるつぼ内に純Ｍｇ地金をできるだけ密に積み上げた後、純Ｍｇ地金にフラックスを振りかけ、空気との接触を遮断しながら純Ｍｇ地金の溶解を行う。その後、純Ｍｇ溶湯に、Ａｌ、Ｚｎ、金属Ｃａ、Ｃｕ、及びＮｉを所定量添加して溶解した後、更に昇温してＭｎ及びＺｒの合金材（又はフラックス材）を所定量添加して溶解し、重量％で、
Ａｌを４．０〜６．０％、
Ｚｎを３．０〜５．０％、
Ｃａを２．０〜３．０％、
Ｚｒを０．３〜１．２％、
Ｍｎを０．１〜０．５％、
Ｃｕを０．１％以下、及び、
Ｎｉを０．０１％以下含有するマグネシウム合金の溶湯を作製する。
【００３１】
次に、合金溶湯が完全に溶解した後、７００〜７３０℃の温度範囲で精錬用フラックスを添加し、攪拌及び滓上げを必要に応じて適宜行う。脱ガス処理は、この攪拌及び滓上げ工程中に行う。
【００３２】
次に、Ｍｇ特有の過熱処理による結晶粒微細化を行うべく、溶湯温度を昇温（例えば、８５０〜９００℃×１５ｍｉｎ保持）した後、鋳造温度に急速に下げ、直ちに、合金溶湯を砂型（又はダイカスト金型）内に注湯し、鋳造温度まで冷却して鋳造を行う。その後、砂型を取り除くことによって、本発明に係る鋳造用マグネシウム合金を用いて鋳造してなる鋳造品が得られる。
【００３３】
ここで、合金溶湯の冷却時、徐冷を行うと結晶粒微細化の効果が減少するため、所定値以上の冷却速度（例えば、５０〜１００℃／ｓｅｃ）で合金溶湯の冷却を行う。具体的には、２０〜１００℃／ｓｅｃの冷却速度を得るべく、例えば、熱容量が大きいことで知られるＺｒ砂を用いて砂型を作製（又はキャビティ部近傍をＺｒ砂で形成した砂型を作製）するといった方法や、砂型内に冷却パイプを設けるといった方法等で冷却を行う。
【００３４】
また、鋳造時の湯汲みのひしゃくは、底部に穴を有する穴あき構造のものを用い、フラックスが湯中に混入しないよう細心の注意を行う。このひしゃくの表面には、防燃剤を振りかけ等の手段で塗布しておく。また、湯汲み後の合金溶湯には絶対にフラックスを添加しない。
【００３５】
次に、本発明に係る鋳造用マグネシウム合金及びその鋳造品の作用を説明する。
【００３６】
本発明に係る合金は、組織を微細化し、室温の引張強度の向上を図るべく、Ａｌを４．０〜６．０ｗｔ％の範囲で含有させている。また、静的強度、クリープ特性、鋳造性、及び耐食性を良好とすべく、Ｚｎ、Ｃａ、Ｚｒ、及びＭｎを所定範囲で含有させている。
【００３７】
これによって、従来の砂型鋳造品は結晶粒が２０μｍ以上であったのに対して、本発明に係る合金からなる砂型鋳造品は、結晶粒を１５μｍ以下に形成することができ、その結果、良好な室温強度、クリープ特性、及び伸び特性が得られる。
【００３８】
具体的には、本発明に係る合金を用いた鋳造品は、鋳造時の冷却速度が小さな砂型鋳造法等によって形成したものであっても、室温の引張強度が２００ＭＰａ以上、好ましくは２８０ＭＰａ以上、降伏強度が１４０ＭＰａ以上、好ましくは１９０ＭＰａ以上、及び伸びが５％以上となる。また、本発明に係る合金を用いた鋳造品は、砂型鋳造品の他に、厚肉鋳造品においても、良好な室温強度、クリープ特性、及び伸び特性が得られる。
【００３９】
また、本発明に係る合金を用いた鋳造品の鋳造方法は、砂型鋳造法のみに限定するものではなく、ダイカスト鋳造法や、一般の重力鋳造法を用いてもよい。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、他にも種々のものが想定されることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、鋳造時の冷却速度が小さな鋳造体、例えば、砂形鋳造品又は厚肉鋳造品であっても、良好な耐熱性、室温強度、及びクリープ特性を得ることができるという優れた効果を発揮する。