(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｙ：１．８〜８．０％、Ｓｍ：１．４〜８．０％を各々含有し、残部Ｍｇおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金であって、マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量が、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％であり、このマグネシウム合金組織の平均結晶粒径が３〜３０μm の範囲であり、これら結晶粒内に３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物が平均で１６０個／μｍ2 以上存在することを特徴とする高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金。
【請求項２】
前記マグネシウム合金を２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上である請求項１に記載の高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金。
【請求項３】
前記マグネシウム合金が、鋳造後に溶体化処理が施され、熱間加工にて所定の形状に成形され、更に時効処理が施されている請求項１または２に記載の高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金。
【請求項４】
質量％で、Ｙ：１．８〜８．０％、Ｓｍ：１．４〜８．０％を各々含有し、残部Ｍｇおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金溶湯を鋳造後、４５０〜５５０℃の温度で溶体化処理を施した後に、３５０〜５５０℃の温度で熱間加工して、所定の製品形状に成形し、更に１５０〜３００℃の温度で時効処理を施すことによって、得られたマグネシウム合金成形品組織のマグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量を、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％とし、このマグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３〜３０μm の範囲とし、これら結晶粒内に３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物が平均で１６０個／μｍ2 以上存在させることを特徴とする高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温での強度と伸びに優れたマグネシウム合金およびその製造方法に関し、高温下で使用されるエンジン部品などの構造材料や、高温下で加工されて使用される構造材料等に好適なマグネシウム合金およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境の観点から、例えば自動車などの車輌の燃費向上を目的として、エンジン、フレーム等を構成する強度部材にマグネシウム合金が適用されている。また、マグネシウム合金は、電気・電子機器の筐体や、自動車、航空機等のエンジン部品（ピストン、コンロッド）などの構成材料としても広く適用されている。
【０００３】
マグネシウムは、構造材として使用する場合、比重が１．８で実用的に最も軽い金属である（アルミニウムの約２／３、鉄の約１／４の比重）。また、比強度、比剛性、熱伝導性にも優れる。
【０００４】
しかし、マグネシウムを、高温雰囲気下で使用される車輌等の構造材として使用する場合、特にエンジンを構成する部材として使用する場合には、特に、２００〜３００℃の高温に曝されるために、この温度領域での耐熱性（高温強度）が要求される。
【０００５】
従来から、マグネシウム合金のクリープ強度を向上した種々の合金は開発されている。例えば、所定量のアルミニウムや亜鉛等を含有するマグネシウム合金にＡｌ、ケイ素、希土類元素、カルシウムなどの元素を添加した耐熱性合金などが知られている (例えば特許文献１、２他多数）。
【０００６】
これらのマグネシウム合金に共通した高温強度向上思想は、これらの元素とＭｇとの金属間化合物を結晶粒界に晶出または析出させるものである。即ち、これらの金属間化合物相はＡｌ、ケイ素、希土類元素、カルシウムなどを含んで高い溶融点を持ち、高温での荷重負荷において、結晶粒がすべること（ｇｒａｉｎｓｌｉｄｉｎｇ）を妨げ、高温強度を向上させる。
【０００７】
一方、２００℃の高温下で使用してもボルト軸力が低下しない耐熱性マグネシウム合金を提供するため、ボルト軸力に大きく影響する高温環境下での耐力の低下を防ぐために、合金元素をマグネシウムマトリックスに固溶させることも提案されている（特許文献３）。より具体的には、マグネシウムに対する一定量大きい半径を有し、かつマグネシウムに対する最大固溶量が２質量％以上である合金元素を添加して、最大固溶量以下で固溶させ、粒内を強化することが提案されている。
【０００８】
そして、特許文献３では、これらの元素として、具体的には、ガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、テルビウム（Ｔｂ）、ホルミウム（Ｈｏ）またはイットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）などが例示されている。また、比較例としては、Ｃａ、Ａｌ、Ｚｎなどが例示されている。
【０００９】
更に、マグネシウム合金は難加工性であるため、所望の形状に成形することが容易ではないという欠点がある。即ち、マグネシウム合金は凝固潜熱が小さく、凝固速度が速いため、鋳造が困難で、得られる鋳造品には巣や湯じわのような欠陥を生じやすいという欠点を持っている。このため、特に外観が重視される製品においては、歩留まりが低く、また、欠陥をパテ処理しなければならないために、コストが高くなるといった問題がある。また、マグネシウム合金は、最密六方晶形であることから、延性が低く、板材や棒材をプレスや鍛造で加工する際には３００〜５００℃という高い温度で行う必要がある。また、そのような高温でも加工速度が遅い、工程数が多くなる、金型寿命が短い等の問題がある。
【００１０】
このようなマグネシウム合金の難加工性の問題を解決するために、アルミニウム含有量６．２〜７．６ｗｔ％の組成を持つＡＺ系マグネシウム合金を連続鋳造してビレットを得る工程で、微細化剤の添加及び／又は冷却速度の制御によりビレットの平均結晶粒径を２００μｍ以下とし、これを鍛造して大型の部品を製造する方法が提案されている（特許文献４参照）。この公報には、最終製品形状に加工した後、溶体化処理とＴ６熱処理を組み合わせることにより、平均結晶粒径を５０μｍ以下にして耐食性を高めることも記載されている。
【００１１】
一方、ダイカスト又はチクソモールディング成形機により、マグネシウム合金を板状に成形し、その板材を常温で圧延してひずみを与えた後、３５０〜４００℃に加熱して結晶を再結晶化し、結晶粒径を０．１〜３０μｍに微細化することにより、延性を向上させ、延性の向上した板材をプレス加工又は鍛造で成形する方法が提案されている（特許文献５参照）。
【００１２】
また、マグネシウム合金の板材を鍛造成形し、荒鍛造と仕上げ鍛造の複数の工程により、成形品主要部の肉厚の７倍もしくは１０倍以下の高さのボスを成形する方法も示されている（特許文献６、７参照）。
【００１３】
しかし、マグネシウム合金により複雑で精密な形状の部品を成形するには、前記特許文献２に記載されるようなビレットから鍛造する方法では、形状、肉厚の点で限界がある。一方、特許文献５、６、７に記載されるようなマグネシウム合金の板材から成形する方法では、薄肉部品の製造は可能であるが、この板材のプレス加工や鍛造によって複雑で精密な形状の成形品を得ることは困難である。
【００１４】
これに対して、近年、マグネシウム合金についても、アルミニウム合金と同様に超塑性発現のメカニズムの解明が進み、結晶粒径を微細化することにより高いひずみ速度で加工できる可能性が示されている（例えば非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２３８６７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２３８６７８号公報
【特許文献３】特開２００３−１２９１６０号公報
【特許文献４】特開平７−２２４３４４号公報
【特許文献５】特開２００１−２９４９６６号公報
【特許文献６】特開２００１−１７０７３４号公報
【特許文献７】特開２００１−１７０７３６号公報
【非特許文献１】「マグネシウム技術便覧」第１１９〜１２５頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ただ、これらの従来技術でも、高温での強度と伸びの特性、言い換えると、高温強度と熱間加工性とを両方満足する（兼備する）マグネシウム合金は未だ実現していない。即ち、例えば、２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上であるようなマグネシウム合金は、未だ実現していない。更に、これらの特性を有した上で、高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金も、未だ実現していない。
【００１６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、高温での強度と伸び（言い換えると高温強度と熱間加工性）とを両方満足させ、また、伸びの確保によって部材としての信頼性を向上させ、更に高温でのクリープ特性をも向上させたマグネシウム合金およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的を達成するために、本発明の高温での強度と伸びに優れたマグネシウム合金の要旨は、質量％で、Ｙ：１．８〜８．０％、Ｓｍ：１．４〜８．０％を各々含有し、残部Ｍｇおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金であって、マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量が、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％であり、このマグネシウム合金組織の平均結晶粒径が３〜３０μm の範囲であり、これら結晶粒内に３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物が平均で１６０個／μｍ2 以上存在することとする。
【００１８】
ここで、本発明の高温での強度と伸びに優れたマグネシウム合金は、定量的には、マグネシウム合金を２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上であることが好ましい。また、このマグネシウム合金が、鋳造後に溶体化処理が施され、熱間加工にて所定の形状に成形され、更に時効処理が施されていることが好ましい。
【００１９】
この溶体化処理および熱間加工によって、上記ＹとＳｍとの固溶量と組織の平均結晶粒径が達成できる。また、この時効処理によって、上記結晶粒内の析出物個数が確保でき、高温でのクリープ特性を向上させることができる。
【００２０】
また、前記目的を達成するために、本発明の高温でのクリープ特性に優れたマグネシウム合金の製造方法の要旨は、質量％で、Ｙ：１．８〜８．０％、Ｓｍ：１．４〜８．０％を各々含有し、残部Ｍｇおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金溶湯を鋳造後、４５０〜５５０℃の温度で溶体化処理を施した後に、３５０〜５５０℃の温度で熱間加工して、所定の製品形状に成形し、更に１５０〜３００℃の温度で時効処理を施すことによって、得られたマグネシウム合金成形品組織のマグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量を、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％とし、このマグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３〜３０μm の範囲とし、これら結晶粒内に３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物が平均で１６０個／μｍ2 以上存在させることである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、ＹとＳｍとをともに合金元素として含有するマグネシウム合金インゴットにおいて、含有するＹとＳｍとの一部を、従来のように、積極的に粒界に金属間化合物として晶出または析出させるのではなく、マグネシウムマトリックスへ固溶させることを特徴とする。これによって、高温での強度と伸びとを向上させる。また、一方では、含有するＹとＳｍとの残りの部分を、析出物としてマグネシウム結晶粒内に析出させ、結晶粒内の析出物個数（平均個数）を確保して、高温でのクリープ特性を向上させることも特徴とする。
【００２２】
本発明でＹやＳｍなどの合金元素の一部を固溶させる点は、前記特許文献３と同じである。しかし、特許文献３の実施例におけるＹやＳｍなどの合金元素を固溶させた場合のマグネシウム合金の２００℃における強度特性は、０．２％耐力が１３５ＭＰａ程度（引張強度は約２００ＭＰａ程度）で、伸びは１１．０％程度と著しく低い。このような材料は、その伸びの低さから当然ながら熱間加工できず、特許文献３の実施例における試験材は熱間加工していない鋳造材でしかない。また、伸びが最も高い例でも１５．５％程度で、０．２％耐力が１４５ＭＰａ程度（引張強度は約２２０ＭＰａ程度）であり、高温での強度と伸びとが兼備できていない。
【００２３】
これに対して、本発明では、ＹとＳｍという二つの特定固溶元素の組み合わせによって、マグネシウム合金を２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上の、高温での強度と伸びとを兼備した機械的な特性が得られる。この違いは、含有するＹとＳｍとのマグネシウムマトリックスへの固溶量の差と、組織の平均結晶粒径との差にある。本発明では、含有するＹとＳｍとを、金属間化合物として粒界への晶出（析出）させずに、実質的にあるいは積極的に（強制的に）マグネシウムマトリックスへ固溶させる。
【００２４】
従来では、特許文献３を含めて、ＹとＳｍとを含有させても、マグネシウムマトリックスへの固溶量の確保と、結晶粒径の微細化とが両立できていない。マグネシウムマトリックスへのＹとＳｍとの固溶量を、上記本発明の規定のように多くしようとすると、ＹとＳｍとを積極的に固溶させるための溶体化処理が必須となる。因みに、特許文献３では鋳造材のままで特性の試験をしており、溶体化処理を施していない。鋳造時にも、含有するＹとＳｍとはマグネシウムマトリックスへ固溶するが、鋳造の際の冷却速度の限界など、製造工程の限界上、固溶量には大きな限界があり、どうしてもＹとＳｍの多くは、従来のように粒界に金属間化合物として晶出してしまい、その固溶量は上記本発明の規定のように多くはならない。このため、特許文献３ではＹとＳｍなどを固溶させると記載しているものの、その固溶量は上記本発明の規定のように多くは確保できておらず、必然的に、上記本発明の規定を大きく下回る。これが、特許文献３がＹとＳｍとを含有させても、高温での強度と伸びとが兼備できていない理由である。
【００２５】
ＹとＳｍとを積極的に固溶させるための溶体化処理を施すと、ＹとＳｍとの固溶量は上記本発明の規定のように確保できる。しかし、このような溶体化処理を施すと、一方では、結晶粒径が粗大化して、組織の平均結晶粒径が、上記本発明規定の３〜３０μm の範囲を超えて大きくなる。したがって、ＹとＳｍとを固溶させ、ＹとＳｍとの固溶量を上記本発明の規定のように大きくできても、組織の平均結晶粒径が上記本発明規定の範囲を超えて大きくなるために、やはり高温での強度と伸びとが兼備できない。
【００２６】
これに対して、ＹとＳｍとの固溶量を上記本発明の規定のように大きくし、かつ、組織の平均結晶粒径を上記本発明規定の範囲に微細化するためには、上記溶体化処理後に熱間加工することが必要となる。即ち、ＹとＳｍとを含むマグネシウム合金を鋳造後に、溶体化処理を施し、更に熱間加工にて所定の形状に成形することが必要となる。このような製造方法をとることによって始めて、上記本発明の規定のような、ＹとＳｍとの固溶量確保と、結晶粒径の微細化とが両立しうる。言い換えると、上記本発明の規定のような、高温での強度と伸びとを兼備した機械的な特性が得られる。
【００２７】
本発明では、鋳造後のインゴットに予め溶体化処理を施し、含有するＹとＳｍとを、前記高温での伸びを確保できる量だけ、マグネシウムマトリックスへ上記本発明規定のように実質量固溶させる。これによって、溶体化処理後のマグネシウム合金の高温強度を向上させるとともに、高温での伸びを向上させ、結晶粒径微細化のための熱間加工性を確保する。
【００２８】
更に、本発明では、含有するＹとＳｍとの一部を固溶させる一方で、含有するＹとＳｍとの残りの部分を、従来技術のような粒界ではなく、マグネシウム結晶粒内に析出物として析出させる。これによって、マグネシウム結晶粒内の析出物個数を確保して、高温でのクリープ特性を向上させる。
【００２９】
このためには、前記した溶体化処理および熱間加工後に、更に時効処理することにによって始めて、マグネシウム結晶粒内にＹとＳｍを析出物として析出させ、結晶粒内の析出物個数が確保できる。このような人工的な時効処理無しには、高温でのクリープ特性を向上させるだけ、マグネシウム結晶粒内のＹとＳｍとの析出物個数を確保できない。
【００３０】
以上のように、本発明では、含有するＹとＳｍとの一部をマトリックスに固溶、残部を結晶粒内に析出させて、含有するＹとＳｍとの固溶と析出との両方をうまくバランスさせる。これによって、結晶粒の微細化とともに、高温での強度と伸びとを向上させ、更に高温でのクリープ特性を向上（兼備）させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
(マグネシウム合金の成分組成)
本発明では、高温強度に優れたマグネシウム合金とし、好ましくは、マグネシウム合金を２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上の高温特性を有し、更に高温でのクリープ特性を向上（兼備）させるために、特定のマグネシウム合金の成分組成とする。
【００３２】
この目的を達成するために、本発明の高温強度に優れたマグネシウム合金は、質量％で、Ｙ：１．８〜８．０％、Ｓｍ：１．４〜８．０％を各々含有し、残部Ｍｇおよび不可避的不純物からなるマグネシウム合金とし、マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量が、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％とする。なお、以下の各元素の説明において記載する％表示は全て質量％である。
【００３３】
Ｙ：１．８〜８．０％
ＹはＳｍと共存してマグネシウム合金の高温強度および高温伸びを確保する。Ｙの含有量が１．８％未満と少な過ぎると、マグネシウムマトリックスへのＹの固溶量が、高温強度および高温伸びを確保するための最低限度の０．８％を確保できない。また、高温でのクリープ特性を確保するための、前記結晶粒内の最低限度の析出物個数１６０個／μｍ2 も確保できない。一方、Ｙの含有量が８．０％を超えて多過ぎると、Ｙ系金属間化合物の粒界への晶出量が増して、却って、高温強度および高温伸びを低下させる。また、Ｙの含有量が８．０％を超えて多くなっても、マグネシウムマトリックスへのＹの固溶量は５．０％を超えず、Ｙをそれ以上含有させる必要もない。
【００３４】
Ｓｍ：１．４〜８．０％
ＳｍはＹと共存してマグネシウム合金の高温強度および高温伸びを確保する。Ｓｍの含有量が１．４％未満と少な過ぎると、マグネシウムマトリックスへのＳｍの固溶量が、高温強度および高温伸びを確保するための最低限度の０．６％を確保できない。また、高温でのクリープ特性を確保するための、前記結晶粒内の最低限度の析出物個数１６０個／μｍ2も確保できない。一方、Ｓｍの含有量が８．０％を超えて多過ぎると、Ｓｍ系金属間化合物の粒界への晶出量が増して、却って、高温強度および高温伸びを低下させる。また、Ｓｍの含有量が８．０％を超えて多くなっても、マグネシウムマトリックスへのＳｍの固溶量は４．０％を超えず、Ｓｍをそれ以上含有させる必要もない。
【００３５】
（ＹとＳｍとの固溶量）
マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量は、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％とする。ＹとＳｍとの固溶量が、これら下限を下回って少な過ぎると、高温強度および高温伸びが確保、兼備できない。一方、本発明では、ＹとＳｍとの前記結晶粒内の析出物量を確保するので、溶体化処理によっても、ＹとＳｍとの固溶量を、これら上限を超えるようにすることは困難であり、また、その効果も飽和する。更に、ＹとＳｍとの固溶量を増すために、溶体化処理が高温、長時間化するために、結晶粒径が著しく粗大化し、続く熱間加工によっても微細化できない可能性が高い。
【００３６】
（固溶量測定）
これらＹとＳｍとの固溶量は、製造された最終のマグネシウム合金（棒、板など）から試料を採取して、電解研磨によりＴＥＭ観察用薄膜サンプルを作製する。そして、このサンプルを、例えば日立製作所製：ＨＦ−２２００電界放出型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）により倍率×３０００００倍で像を得る。次いで、この像の例えばＮｏｒａｎ社製ＮＳＳエネルギー分散型分析装置（ＥＤＸ）による成分定量分析により、マグネシウムの粒界や粒内に析出（晶出）している析出物（金属間化合物）を測定対象から省いて、マグネシウムマトリックス中のＹとＳｍとの固溶量を求める。
【００３７】
（ＹとＳｍとの析出物）
マグネシウムの結晶粒内の、ＹとＳｍとの析出物は、３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物で、平均で160個／μｍ2 以上存在させる。ＹとＳｍとの析出物個数が、この下限を下回って少な過ぎると、高温でのクリープ特性を確保、兼備できない。一方、本発明では、ＹとＳｍとを前記した通り固溶させるので、この固溶量との関係で、時効処理によっても、結晶粒内の析出物量には自ずと限界がある。
【００３８】
（析出物測定）
これら結晶粒の粒内析出物の個数は、製造された最終のマグネシウム合金（棒、板など）から試料を採取して、電解研磨、イオンスパッタなどによりＴＥＭ観察用薄膜サンプルを作製する。そして、このサンプルを、例えば日立製作所製：ＨＦ−２２００電界放出型透過電子顕微鏡（ＦＥ−ＴＥＭ）により、倍率（３０００００倍）で像を得る。次いで、この像の例えばＮｏｒａｎ社製ＮＳＳエネルギー分散型分析装置（ＥＤＸ）による成分定量分析により、マグネシウムの結晶粒の粒内に析出している析出物（金属間化合物）を同定する。そして、直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物の個数を測定し、測定した結晶粒内の視野面積および測定した試料数（Ｎ数は例えば５個）で、１μｍ2 当たりの個数に平均化（個／μｍ2 ）する。なお、本発明において、この析出物個数は、試料の単位面積（／μｍ2 ）当たりの個数とし、ＴＥＭにおいて観察、透過される試料の膜厚ｔ（約０．１ｍｍ程度の薄膜）を考慮した、単位体積（／μｍ3 ）当たりの個数（密度）への換算は行わなかった。
【００３９】
この固溶量や析出物の測定のための、ＴＥＭ観察における、マグネシウム合金やマグネシウム合金成形品の測定部位は特には問わないが、測定部位を同じとすることが好ましい。例えば、測定対象の形状が、丸柱（円柱）形状であれば丸柱の直径ＤのＤ／４〜Ｄ／２部（表面から１／４Ｄ〜１／２Ｄの深さ部分）の任意の部分、板あるいは角柱形状であれば、これらの厚みｔのｔ／４〜ｔ／２部（表面から１／４ｔ〜１／２ｔの深さ部分）の任意の部分とすることが好ましい。
【００４０】
（組織）
本発明では、以上の合金組成を前提に、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３〜３０μm の範囲に微細化させて、マグネシウム合金の高温での強度と伸びを更に向上させる。平均結晶粒径が３０μm を超えた場合、ＹとＳｍとの固溶量が確保できていても、マグネシウム合金の高温強度と伸びが低下する。また、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３μm 以下とすることは、熱間静水圧押出や通常の熱間押出を含めた現状の熱間加工工程の能力では難しい。
【００４１】
（平均結晶粒径測定方法）
本発明で言う結晶粒径とは、押出を含めた熱間加工後のマグネシウム合金材組織における、結晶粒の最大径である。この結晶粒径は、マグネシウム合金材を0.05〜0.1mm 機械研磨した後電解エッチングした表面を、光学顕微鏡を用いて観察し、マグネシウム合金材の押出方向あるいは長手方向に、ラインインターセプト法で測定する。1 測定ライン長さは０．２ｍｍとし、1 視野当たり各３本で合計５視野を観察することにより、全測定ライン長さを０．２ｍｍ×１５の３ｍｍとする。
【００４２】
（製造方法）
本発明マグネシウム合金を得るための、好ましい製造方法、条件について以下に説明する。
本発明では、特定成分組成に調整したマグネシウム合金溶湯のインゴット鋳造後、インゴットを必要により熱間加工するためのビレットへの機械加工、ＹとＳｍとを固溶させるための（固溶量を確保するための）溶体化処理、結晶粒微細化のための押出などの熱間加工を行なう。一般的なマグネシウム合金の製造工程では、これらの製造方法は通常行なわず、鋳造ままで製品として使用するか、これに溶体化処理などの熱処理を施すのみである。
【００４３】
マグネシウム合金の溶体化処理は４５０〜５５０℃の溶体化処理温度で５〜３０時間行なうことが好ましい。より好ましい溶体化処理温度は５００〜５５０℃である。この温度が低過ぎる、あるいは時間が短過ぎると、ＹとＳｍとの固溶量が不足する可能性がある。一方、この温度が高過ぎる、あるいは時間が長過ぎると、結晶粒が粗大化する可能性がある。
【００４４】
熱間静水圧押出や通常の熱間押出などの熱間加工温度は好ましくは３５０〜５５０℃とする。より好ましい熱間加工温度は４００〜５００℃とする。熱間加工温度が３５０℃未満では、高温での伸びが高くても熱間加工が困難となる。また、熱間加工温度を５５０℃を超えて高くする必要は無く、平均結晶粒径を微細化できなくなる。押出比や圧下率などの熱間加工での加工量（加工率）は、歪みの付与による結晶粒の核生成サイトを多数与えて、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３〜３０μm の範囲に微細化できるだけの十分の量とする。
【００４５】
次いで、上記熱間加工によって所定の製品形状に成形されたマグネシウム合金成形品に、更に１５０〜３００℃の温度で時効処理を施す。これによって、結晶粒内に３０００００倍のＴＥＭにより観察される直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物を平均で１６０個／μｍ2 以上析出させる。勿論、この時効処理では、他の要件である、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径を３〜３０μm の範囲とすることや、マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量を、質量％で、Ｙ：０．８〜４．０％、Ｓｍ：０．６〜３．２％の範囲とすることは保持する。このために、時効処理は上記温度範囲とするが、温度が低すぎると、析出物の個数を所定量析出させられない。また、温度が高すぎると、結晶粒径が粗大化したり、前記ＹとＳｍとの固溶量が増し、却って析出物の個数を所定量析出させられない。
【００４６】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。
【実施例】
【００４７】
以下に、本発明の実施例を説明する。マグネシウム合金組成と製造方法、特に溶体化処理条件や熱間加工条件を変えて、マグネシウム合金組織中のＹとＳｍとの固溶量、結晶粒径などを種々変えて、得られたマグネシウム合金の高温での強度、伸びなどの特性を各々評価した。
【００４８】
具体的には、下記表１に示す化学成分組成のマグネシウム合金を、それぞれアルゴン不活性雰囲気下の電気溶解炉において溶解し、鋳鉄製ブックモールドに７５０℃の温度で鋳込み、９５ｍｍφ×１００ｍｍ長さのマグネシウム合金鋳塊を得た。そして、これらの鋳塊の表面を機械加工により面削して、各々６８ｍｍφ×１００ｍｍ長さのマグネシウム合金ビレットとした。
【００４９】
この各ビレットを、表１に示す温度条件で共通して１０時間溶体化処理および、この溶体化処理温度で押出を開始し、また、表１に示す押出比条件で押出す、熱間静水圧押出加工を施して、丸棒状の試験材に成形した。肉厚（径）は押出比によって異なり、押出比１０ではφ２２ｍｍであった。そして、この押出成形後に時効処理を施した。なお、比較例では、これら溶体化処理あるいは熱間静水圧押出加工、更には時効処理を施さない例も実施した。
【００５０】
このようにして製造したマグネシウム合金押出材に対して、各例とも、試験材から切り出した試料を使用して、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径、析出物の平均個数、マグネシウムマトリックスへのＹとＳｍとの固溶量などを各々測定した。
【００５１】
また、２５０℃での高温引張試験によりこの温度での強度と伸び、２００℃でのクリープ特性とを各々測定し、部材としての高温特性を評価した。これらの結果を表２に示す。
【００５２】
ここで、表１に示すマグネシウム合金は、記載元素含有量を除いた残部組成は酸素、水素、窒素などの極微量成分を除きマグネシウムである。なお、表１の各元素含有量において示す「−」は検出限界以下であることを示す。
【００５３】
（固溶量測定）
製造したマグネシウム合金押出材のＹとＳｍとの固溶量は、前記したＦＥ−ＴＥＭとＥＤＸとを用いた成分定量分析により行なった。同一試験片の任意の５箇所を測定し、それらの平均値を採用した。
【００５４】
（平均結晶粒径測定方法）
製造したマグネシウム合金押出材の結晶粒径は、前記したラインインターセプト法で測定した。同一試験片の任意の５箇所を測定し、それらの平均値を採用した。
【００５５】
（析出物の平均個数）
製造したマグネシウム合金押出材の結晶粒内の析出物の平均個数は、これらマグネシウム合金丸柱のＤ／４部から採取した測定用試料組織を、倍率３０００００倍のＴＥＭにより観察した際の、直径が２ｎｍ以上のサイズを有する析出物の個数を測定し、測定した結晶粒内の視野面積および測定した試料数（Ｎ数５個）で、１μｍ2 当たりの個数に平均化した（個／ｎｍ2 ）。ＴＥＭは「日立製作所：Ｈ−８００透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）」を用い、加圧電圧２００ＫＶにて行った。また、各例とも、前記のように採取した測定用試料表面を、機械的に研磨後、精密研磨して、更にイオンスパッタして作成した。前記サイズの析出物の平均数密度の算出は、ＴＥＭの視野を画像解析して行い、画像解析ソフトは、MEDIA  CYBERNETICS社製の「ImagePro Plus 」を用いた。
【００５６】
（クリープ特性）
各例とも、マグネシウム合金から採取した測定用試料を用い、公知の定荷重クリープ試験を行った。設定温度はマグネシウム合金の使用条件を考慮して、１５０℃、２００℃の各温度とした。そして、これら各々の温度で、負荷荷重を８０ＭＰａとして、２００時間までのクリープ試験を実施し、クリープ特性として、最小クリープ速度を求めた。高温では、一定の荷重をかけただけでもマグネシウム合金の変形は進むので、この変形量乃至ひずみ量を表す最小クリープ速度は、小さい方がクリープ特性に優れる。この点、前記した各用途の構成材料としては、２００℃の温度では、最小クリープ速度が１．５×１０ -3 （１．５Ｅ−０３）％／ｈ以下でクリープ特性が合格となる。
【００５７】
（引張試験）
高温での引張試験は、長手方向を押出方向とした試験片を用いて、５８８２型インストロン社製万能試験機により、２５０℃、試験速度０．２ｍｍ／ｍｉｎ、ＧＬ＝６ｍｍの条件で、この高温での強度（引張強度、０．２％耐力：ＭＰａ）と伸び（全伸び：％）とを測定した。これらの値は、同一条件の試験片を３本試験した結果の平均値を採用した。
【００５８】
表１から明らかな通り、発明例は、ＹとＳｍとの含有量が本発明組成内であり、溶体化処理温度および熱間静水圧押出加工の押出比、更には時効処理が好ましい範囲内で行なわれて、製品マグネシウム合金を得ている。このため、発明例の組織は、固溶量前記各測定方法による、マグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量が本発明組成内であり、マグネシウム合金組織の平均結晶粒径や、結晶粒内の析出物平均個数も本発明の範囲内である。
【００５９】
この結果、発明例は、２５０℃で引張試験した際の引張強度が２００ＭＰａ以上で、伸びが２０％以上であり、高温での強度と伸びとに優れている。また、最小クリープ速度が最も小さく、クリープ特性に最も優れている。したがって、発明例は、高温での強度と伸び、クリープ特性を兼備していることが分かる。
【００６０】
これに対して、比較例９〜１３は、発明例と同じ、本発明組成内のマグネシウム合金であるものの、溶体化処理、熱間静水圧押出加工、更には時効処理などの製造条件が外れている。このうち、比較例９、１１は熱間静水圧押出加工しない鋳塊ままである（比較例９は溶体化処理も施していない）。比較例１０、１２、１３は、溶体化処理、熱間静水圧押出加工、更には時効処理などの製造条件が外れている。このため、これら比較例は、その組織がマグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量や平均結晶粒径、あるいは結晶粒内の析出物平均個数が本発明の範囲から外れる。この結果、高温での強度と伸び、あるいはクリープ特性のいずれかが劣っている。したがって、これら比較例は、高温での強度と伸び、クリープ特性を兼備できていないことが分かる。なお、比較例については、強度や伸びの評価において劣っているものについては、クリープ値の測定は行わなかった。したがって、比較例においてクリープ値を測定しているのは比較例１３のみである。
【００６１】
また、比較例１４〜１７は、Ｙ、Ｓｍのいずれかの含有量が本発明組成から外れている。したがって、溶体化処理や熱間静水圧押出加工、更には時効処理などの製造条件が好ましい範囲内で行なわれているにも係わらず、このため、これら比較例は、その組織がマグネシウムマトリックスへの前記ＹとＳｍとの固溶量などが本発明の範囲から外れる。したがって、これら比較例は、高温での強度と伸びを兼備できていないことが分かる。
【００６２】
以上の結果から、高温での強度と伸びとを優れさせ、兼備させるための、本発明マグネシウム合金における、ＹとＳｍとの本発明組成、固溶量、平均結晶粒径析出物量の、各臨界的な意義や、固溶量析出物量とをバランスさせる臨界的な意義が裏付けられる。また、これらの組織を得るための、溶体化処理、熱間静水圧押出などの熱間加工の意義や、各々の好ましい条件の意義も裏付けられる。
【００６３】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、高温での強度と伸び、高温強度と熱間加工性とを兼備し、また、伸びを確保し、更にはクリープ特性に優れて、部材としての信頼性を向上させたマグネシウム合金およびその製造方法を提供できる。この結果、これらの特性が要求される、電気・電子機器の筐体や、自動車、航空機等のエンジン部品（ピストン、コンロッド）などの構成材料に、好適に適用することができる。