(57)【要約】【課題】制振性に優れ高強度を示す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、０．６％以上５％以下のＳｉと、０．０５％以上０．７％以下のＺｎと、０％を超え１％以下のＭｎと、残部がＭｇと不可避不純物および／または改質元素とからなる。このマグネシウム合金は、高強度で、低歪振幅においても高い損失係数を示す。【選択図】図２
2012092367.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全体を１００質量％としたときに（以下単に「％」という。）、
０．６％以上５％以下の珪素（Ｓｉ）と、
０．０５％以上０．７％以下の亜鉛（Ｚｎ）と、
０％を超え１％以下のマンガン（Ｍｎ）と、
残部がマグネシウム（Ｍｇ）と不可避不純物および／または改質元素とからなる制振性に優れることを特徴とするマグネシウム合金。
【請求項２】
前記Ｓｉは０．６５％以上３％以下である請求項１に記載のマグネシウム合金。
【請求項３】
前記Ｚｎは０．２％以上０．６５％以下である請求項１または２に記載のマグネシウム合金。
【請求項４】
前記Ｍｎは０．２％以上０．７％以下である請求項１〜３のいずれかに記載のマグネシウム合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のマグネシウム合金からなるマグネシウム合金部材であって、
１×１０−７〜１×１０−３の歪振幅域での制振性の指標となる損失係数が０．００１５以上の制振部材であることを特徴とするマグネシウム合金部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、優れた制振性などを示すマグネシウム合金、および、そのマグネシウム合金からなるマグネシウム合金部材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
機械的に可動する可動部を有する装置や機器などは、その可動部が加振源となって、各部に多かれ少なかれ振動を生じることが多い。このような振動は、一般的に様々な騒音の原因となったり、疲労寿命の低下等につながったり、好ましくない。このような振動を抑制するために、制振材が用いられることが多い。
【０００３】
このような制振材として、例えば、強度や剛性などの機械的特性や耐熱性などがあまり厳しく要求されない部材には、振動を吸収し易い樹脂材や、その樹脂を部分的に用いた素材（例えば、鋼板間に樹脂材を挟持した制振鋼板）が用いられる。
【０００４】
しかし、強度などの機械的特性が要求され、高温雰囲気で使用される部材には、そのような制振材を安易に用いることはできない。そのため、金属材料からなる制振材が求められる。例えば、純マグネシウム（Ｍｇ）は、優れた振動減衰能（制振性）を有することが知られている。これは、転位の運動に起因する振動の減衰によると報告されている。その一方で、強度の向上を目的として種々の合金元素を添加したマグネシウム合金は、転位の運動を抑制することで高強度を発揮するため、純Ｍｇに比べて制振性が低下する傾向にある。
【０００５】
特許文献１には、合金元素としてニッケル（Ｎｉ）または銅（Ｃｕ）を添加したマグネシウム制振合金が開示されている。多くのマグネシウム合金は、最密六方構造（ｈｃｐ）をとり、ｈｃｐ金属では、最密面である底面の｛０００１｝面をすべり面とした、底面すべりが発生しやすい。特許文献１のマグネシウム制振合金は、初晶マグネシウム中の底面すべり転位が、不純物原子による弱い固着点から離脱して運動するときに起こる振幅依存内部摩擦に基づき、顕著な制振性を発揮する。
【０００６】
また、特許文献２には、珪素（Ｓｉ）を含有する高強度のＭｇ−Ｓｉ系合金が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５２−１１９４０９号公報
【特許文献２】特開平  ６−３１６７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のマグネシウム合金は、制振性に優れる。しかし、合金元素として添加されるＮｉは高価であるため、Ｍｇ−Ｎｉ合金はコストの面で不利である。また、ＮｉのかわりにＣｕを添加したＭｇ−Ｃｕ合金は、Ｍｇ−Ｎｉ合金と比べて制振性が劣る。これは、Ｃｕが初晶マグネシウムに固溶して存在することで、振幅依存内部摩擦が消滅するためであると考えられる。
【０００９】
さらに、特許文献１のＭｇ−Ｎｉ合金およびＭｇ−Ｃｕ合金において特に問題なのは、大気中に放置するだけで腐食が発生する点である。Ｍｇ−Ｎｉ合金およびＭｇ−Ｃｕ合金は、Ｍｇ結晶粒と粒界晶出物との電位差が大きいため、非常に腐食しやすい。
【００１０】
特許文献２には、高強度のＭｇ−Ｓｉ系合金として、Ｍｇ−３．５％Ｓｉ合金、Ｍｇ−１２％Ｓｉ−１０％Ｚｎ合金、Ｍｇ−１２％Ｓｉ−０．５％Ｍｎ合金、等（単位は全て重量％）が例示されている。しかし、特許文献２では、制振性が考慮されておらず、これらの合金がどの程度の制振性を示すかは不明である。
【００１１】
一般に、制振材は、振幅が小さくなるほど制振性が低下する傾向にある。マグネシウム合金においても、１×１０−５を超える高歪振幅域よりも、１×１０−５以下の低歪振幅域での制振性は低く、組成によっては、低歪振幅域での制振性が極端に低い。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、従来の合金とは異なる新規な組成からなり、低歪振幅域であっても十分な減衰性能が得られる高強度のマグネシウム合金、および、そのマグネシウム合金からなるマグネシウム合金部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、Ｍｇ−Ｓｉ合金が、高歪振幅域ではもちろん、低歪振幅域においても優れた制振性を示すことを見出した。そして、Ｍｇ−Ｓｉ合金に対してＺｎおよびＭｎを添加することで、制振性に大きな影響がない程度の少ないＺｎ添加量でも、高強度化できることが新たにわかった。
【００１４】
すなわち、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（以下単に「％」という。）、０．６％以上５％以下の珪素（Ｓｉ）と、０．０５％以上０．７％以下の亜鉛（Ｚｎ）と、０％を超え１％以下のマンガン（Ｍｎ）と、残部がマグネシウム（Ｍｇ）と不可避不純物および／または改質元素とからなり、制振性に優れることを特徴とする。
【００１５】
本発明のマグネシウム合金は、前述の振幅依存内部摩擦に基づき、顕著な制振性を発揮すると推測される。ＺｎおよびＭｎはいずれも初晶マグネシウムに固溶しにくいが、その含有割合は、初晶マグネシウムへの固溶を避けられるように極力低減すべきである。その一方で、Ｚｎは強度の向上に寄与し、Ｍｎは強度の向上とともに耐食性の向上に寄与するため、積極的な添加が望まれる。上記の割合でＳｉ、ＺｎおよびＭｎを含有する本発明のマグネシウム合金は、ＺｎおよびＭｎを含有しても、低歪振幅域における制振性の低下を抑制されるとともに、優れた強度を有する。
【００１６】
ところで本発明のマグネシウム合金（あるいはマグネシウム合金部材）は、低歪振幅域での制振性が特に良好である。具体的には、低歪振幅域（１×１０−７〜１×１０−５）において、減衰性の指標となる損失係数（η）が０．００１５以上となるのが好ましく、０．００２以上、０．００２５以上さらには０．００３以上ともなる。
【００１７】
なお、この損失係数は中央加振法により求めた（図１参照）。すなわち、試験片（マグネシウム合金部材）の中央を種々の周波数で加振したときの加振周波数（ｆ０）に対する、試験片の端部で測定した測定周波数（ｆ１、ｆ２）の差分（Δｆ＝ｆ２−ｆ１）の割合（η＝Δｆ／ｆ０）である。
【００１８】
ちなみに、振動減衰能を示す指標として、本明細書で主に用いた損失係数ηの他に、対数減衰率δや比減衰能Ｗ等がある。これらは相互に関係があり、δ＝πηまたはＷ＝２πηという関係式により、関連付けられる。従って、振動減衰能の指標が異なる場合でも、それら関係式を用いて換算することにより相互に比較することは可能である。
【００１９】
本発明のマグネシウム合金は、Ｍｇ−Ｓｉ合金をベースにしている。Ｍｇ−Ｓｉ合金では、Ｍｇ−Ｎｉ合金およびＭｇ−Ｃｕ合金に比べて、Ｍｇ結晶粒と粒界晶出物との電位差が小さい。そのため、本発明のマグネシウム合金は、Ｍｇ−Ｎｉ合金およびＭｇ−Ｃｕ合金よりも耐食性が高い。さらに、Ｍｎは、耐食性を低下させる原因となる不純物である鉄（Ｆｅ）を除去するため、本発明のマグネシウム合金は、耐食性に優れる。
【００２０】
ここで「改質元素」は、Ｍｇ、Ｓｉ、ＺｎおよびＭｎ以外であって、マグネシウム合金の特性改善に有効な元素である。改善される特性の種類は問わないが、制振性、硬さ、強度、靱性、延性、高温安定性などがある。改質元素となり得る各元素の組合せは任意であり、それら元素は通常微量である。本発明のマグネシウム合金であれば、例えば、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｙ、Ｓｒなどが挙げられる。また、「不可避不純物」は、原料中に含まれる不純物や各工程時に混入等する不純物などであって、コスト的または技術的な理由等により除去することが困難な元素である。本発明のマグネシウム合金であれば、例えば、Ｆｅ、Ｓ、Ｐ、Ｃｌなどが挙げられる。なお当然ながら不可避不純物は少ないほど好ましく、その組成は特に限定されない。
【００２１】
特に断らない限り、本明細書に記載した下限および上限は任意に組み合わせて「ａ〜ｂ」のような範囲を構成し得る。さらに、数値範囲内から任意に選択した数値を上下限値とすることができる。
【００２２】
本明細書でいう「マグネシウム合金」または「マグネシウム合金部材」はその形態を問わない。例えば、バルク状、板状、棒状、管状等の素材であってもよいし、最終的な形状またはそれに近い構造部材自体であってもよい。
【００２３】
また、それらの素材となるマグネシウム合金素材は、溶製材でも焼結材でもよいが、溶製材であれば、緻密で安定した品質の素材が安価で得られる。一方、焼結材であれば、（ニア）ネットシェイプにより最終製品形状に近い状態のマグネシウム合金素材が得られる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のマグネシウム合金は、低歪振幅域における制振性の低下が抑制されるとともに、優れた強度を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】制振性の指標となる損失係数の算出方法を示す説明図である。
【図２】成分組成の異なるマグネシウム合金の制振性を示すグラフであって、汎用材およびＺｎ含有割合の異なるＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金に関し、振幅に対する損失係数の変化を示すグラフである。
【図３】成分組成の異なるマグネシウム合金の制振性を示すグラフであって、Ｓｉ含有割合の異なるＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金に関し、振幅に対する損失係数の変化を示すグラフである。
【図４】成分組成の異なるマグネシウム合金の引張強さを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
発明の実施形態を挙げて本発明をより詳しく説明する。
【００２７】
なお、以下の実施形態を含め、本明細書で説明する内容は、本発明に係るマグネシウム合金のみならず、マグネシウム合金部材およびその製造方法にも適宜適用される。このため、下記から選択される構成は、いずれの発明にも、また、カテゴリーを越えて、重畳的または任意的に、上述した本発明の構成に付加可能である。例えば、マグネシウム合金の組成に関する構成であれば、マグネシウム合金部材は勿論、その製造方法にも関連する。また、製造方法に関する構成のように見えても、プロダクトバイプロセスとして理解すれば、マグネシウム合金に関する構成ともなり得る。なお、いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２８】
本発明のマグネシウム合金（マグネシウム合金部材およびマグネシウム合金素材を含む）は、主成分であるＭｇと、Ｓｉ、ＺｎおよびＭｎからなる。具体的には、本発明のマグネシウム合金は、０．６％以上５％以下のＳｉと、０．０５％以上０．７％以下のＺｎと、０％を超え１％以下のＭｎと、残部がＭｇと不可避不純物および／または改質元素とからなる。単位「％」は全て「質量％」である。これらの必須元素について以下に説明する。
【００２９】
Ｓｉは、マグネシウム合金において、マグネシウム合金の制振性を大きく向上させるのに有効な元素であって、特に、低歪振幅域における制振性の低下を抑制する。しかし、含有割合が過少であると低歪振幅域において制振性が低下するため、Ｓｉ含有割合を０．６５％以上、０．６９％以上、１．３％以上さらには１．５％以上が好ましい。Ｓｉ含有割合が大きい方が制振性は高くなるが、Ｓｉが多いと、ＳｉはＭｇと化合物（Ｍｇ２Ｓｉ）を形成しやすい。この化合物は、マグネシウム合金の脆化の原因となり、延性を低下させる。さらに、Ｍｇ−Ｓｉ合金においてＳｉ含有割合が５％を超えると、Ｍｇ−Ｓｉ合金の融点はマグネシウムの融点よりも高くなり、鋳造品質が著しく悪化する。したがって、Ｓｉ含有割合は、５％以下、３％以下、２％以下、１．９％以下、１．８％以下さらには１．６％以下が好ましい。
【００３０】
Ｚｎは、マグネシウム合金の強度（引張強さ）を向上させる。本発明のマグネシウム合金のようなＭｇ−Ｓｉ系合金に対しては、Ｚｎの含有量が少なくても、強度の向上に寄与することが新たにわかった。０．０５％以上のＺｎの添加でマグネシウム合金の強度は向上し、Ｚｎ含有割合が多いほど高い強度を示す。好ましいＺｎ含有割合は、０．２％以上、０．２５％以上、０．３％以上、０．４％以上さらには０．５％以上である。しかし、前述の通り、Ｚｎ含有量が過剰では、Ｚｎが初晶マグネシウムに固溶し、制振性、特に低歪振幅域での制振性に大きく影響する。そのため、Ｚｎ含有量は、０．７％以下、好ましくは０．６５％以下、０．６％以下、０．４％以下さらには０．３５％以下である。
【００３１】
Ｍｎは、合金溶湯に含まれることでＦｅなどの不純物が除去されることは知られている。本発明のおいても、ＭｎによるＦｅの除去により、マグネシウム合金の耐食性が向上する。また、本発明のマグネシウム合金においては、Ｍｎは、強度の向上にも関与すると考えられる。Ｍｎは、マグネシウム合金に少しでも含まれていれば（つまり含有割合にして０％を超える）耐食性の向上効果が得られるが、好ましいＭｎの含有割合は、０．１％以上、０．２％以上さらには０．３％以上である。しかし、Ｍｎについても含有量が過剰では、Ｍｎが初晶マグネシウムに固溶し、制振性、特に低歪振幅域での制振性に大きく影響する。そのため、好ましいＭｎ含有量は、１％以下、０．７％以下、０．６％以下さらには０．５％以下である。
【００３２】
マグネシウム合金素材は、上述した組成を有するものであれば、溶製材でも焼結材でもよい。溶製または焼結中の酸化を防止するために、マグネシウム合金素材は酸化防止雰囲気さらには真空雰囲気で鋳造または焼結されてもよい。また、マグネシウム合金素材を製造する場合、その冷却速度に特に限定はなく、例えば、大気中で徐冷するとよい。
【００３３】
このマグネシウム合金素材は、鋳造または焼結させたマグネシウム合金に熱間加工（熱間圧延、熱間鍛造等）または冷間加工などの塑性加工を施したものでもよい。特に、Ｓｉを１．９％以下さらには１．６％以下に抑えた本発明のマグネシウム合金は、優れた延性を示すため、冷間圧延や冷間鍛造などの冷間加工が可能である。
【００３４】
なお、本発明のマグネシウム合金の制振性および強度を向上させるか、極端に低下させない範囲で各種熱処理をさらに行ってもよい。例えば、塑性加工により最終的な製品（マグネシウム合金部材）形状またはそれに近い形状とされたマグネシウム合金素材を熱処理して、塑性加工により導入された加工歪みを解消するとよい。
【００３５】
本発明のマグネシウム合金部材はその形状や用途などは問わないが、一例として、制振部材がある。
【００３６】
制振部材に係る具体例を挙げると、内燃機関の振動部位に介在させる振動緩衝体がある。より具体的には、エンジンのオイルパンをシリンダブロックへ固定するボルトに介在させるワッシャ、燃料用インジェクタとシリンダヘッドとの間に介在させるワッシャ、エンジンの排気熱を遮蔽するインシュレータやそれを固定するボルトに介在させるワッシャの他、オイルパン、吸気パイプ、ヘッドカバー等などである。
【００３７】
本発明のマグネシウム合金部材は金属製であるから、上述したような制振性の他に、強度、剛性、靱性、伸びなど、各種の機械的特性にも優れる。このように各種の機械的特性に優れるので本発明のマグネシウム合金は構造部材としても十分利用可能である。
【実施例】
【００３８】
実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００３９】
（１）マグネシウム合金素材の溶製
原料として純Ｍｇ鋳塊、純Ｓｉ粉末、純Ｚｎ鋳塊およびＭｇ−２％Ｍｎ合金鋳塊を用意して、表１および表２に示す種々の配合組成（残部はＭｇ）に調製した。これらの配合原料を鉄製坩堝に入れて大気溶解炉で溶解した。このときの溶解温度は７００℃とし、一度の溶解で１Ｋｇの溶湯を調製した。
【００４０】
こうして得られたマグネシウム合金溶湯を、鉄製の鋳型へ注湯し、大気中で自然冷却により凝固させた。こうして、舟形形状（最大長さ：２００ｍｍ）の試験片素材（マグネシウム合金素材）を得た。
【００４１】
なお、いずれの試験片素材も、大気中に放置しただけでは、腐食は観察されなかった。
【００４２】
（２）合金組成の分析
蛍光Ｘ線（ＸＲＦ）分析による元素分析を行い、得られた試験片素材の合金組成を分析した。Ｓｉ、ＺｎおよびＭｎの分析組成を表１および表２に示した。
【００４３】
（３）損失係数の測定
上記の各種試験片を用いて、中央加振法により、損失係数を測定した。中央加振法は、試験片（１６０ｍｍ×１０ｍｍ×３０ｍｍ）の中央を三角治具で支持して、その三角治具に所定の振動を付与し、試験片の端部で伝達された振動の周波数を測定する方法である。本実施例で付与した振動は、周波数：０〜２００００Ｈｚ（ランダム）、歪振幅：１×１０−７〜１×１０−３とした。
【００４４】
周波数を変化させて前記の周波数域内における周波数応答関数を求めた。その周波数応答関数から半値幅法により損失係数を算出した。この算出方法の概要を図１に示した。また、測定結果を図２および図３に示した。
【００４５】
（４）引張試験による引張強さおよび伸びの測定
ＪＩＳＺ２２０１の７号引張試験片を作製し、引張試験を行い、引張強さおよび伸びを求めた。結果を表１および表２に示した。また、引張強さを図４に示した。
【００４６】
【表１】
2012092367.tif 000003
【００４７】
【表２】
2012092367.tif 000004
【００４８】
図２および図３は、振幅に対する損失係数（η）の変化を示すグラフである。いずれのマグネシウム合金も、振幅が小さくなるにつれてηの値は低下し、１×１０−５以下の低歪振幅域では、高歪振幅域に比べて制振性が低かった。
【００４９】
表１および図２に示す＃１−１〜＃５−１は、Ｚｎ含有量の異なるＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金からなる。Ｚｎはマグネシウム合金の強度を向上させる元素であるが、図２より、Ｚｎの含有量が多くなるほど、制振性は低下する傾向にあった。＃３−１、＃４−１および＃５−１は、低歪振幅域での制振性の低下が抑制された。つまり、Ｚｎの含有量を０．６％程度までに収めることで、制振性の低下が抑制されることがわかった。一方、Ｚｎを含むマグネシウム合金からなる＃１−１〜＃４−１の引張強さが高かったことから、Ｚｎ含有量が０．３％程度でも、強度が向上することがわかった。
【００５０】
比較材であるＡＺ９１およびＭｇ−Ｓｉ合金についても、（３）および（４）に記載と同様の測定を行った。ＡＺ９１は、高強度であっても制振性が非常に低いことがわかった。Ｍｇ−Ｓｉ合金は、測定した全ての歪振幅領域にわたって高い制振性を示したが、その強度は低く、純マグネシウムと大差はなかった。
【００５１】
＃５−１は、Ｍｇ−Ｓｉ合金にＭｎを０．５％添加したマグネシウム合金からなる。＃５−１とＭｇ−Ｓｉ合金とは、制振性にも強度にも大きな差はなかった。つまり、０．５％程度のＭｎ添加は、制振性および強度に影響はほとんど無く、耐食性の向上の観点から、適量のＭｎを添加することは好ましいことがわかった。
【００５２】
表２および図３に示す＃３−１〜＃３−５は、Ｓｉ含有量の異なるＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金からなる。図３より、Ｓｉの含有量が少ない＃３−５は、振幅が低くなるほどηの値の低下が顕著であった。一方、＃３−１〜＃３−４は、低歪振幅域での制振性の低下が抑制された。つまり、Ｓｉが０．７％程度あるいはそれ以上含まれるＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金であれば、低歪振幅域において十分な制振性を維持できることがわかった。特に、Ｓｉを１．５％以上添加したマグネシウム合金からなる＃３−１および＃３−２は、低歪振幅域での制振性が他の試料よりも高かった。
【００５３】
また、図４より、Ｓｉの添加量を抑えることで、Ｚｎ添加による強度の向上効果が顕著になることがわかった。特に、Ｓｉ添加量を１．６％以下に抑えたマグネシウム合金からなる＃３−２〜＃３−５は、高い引張強さだけでなく、高い延性を示すことがわかった。
【００５４】
＃３−２は、制振性にも強度にも優れた。すなわち、Ｓｉを１．４％以上１．６％以下、Ｚｎを０．５５％以上０．６５％以下、Ｍｎを０．３％以上０．５％以下、含むＭｇ−Ｓｉ−Ｚｎ−Ｍｎ合金は、制振性にも強度にも優れることがわかった。
【図１】
2012092367.tif 000005
【図２】
2012092367.tif 000006
【図３】
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【図４】
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