(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐熱性および鋳造性に優れたマグネシウム合金であって、重量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０．５〜３％、Ｓｒを０.２１〜１％、Ｍｎを０.ｌ〜１％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、結晶組織がマグネシウム合金からなるマグネシウム合金結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌとＣａを含む晶出物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記晶出物の占有面積が５〜２５％の範囲であるマグネシウム合金からなる鋳造品であることを特徴とする耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項２】
前記マグネシウム合金が、重量％で０.１〜０.５％未満の希土類元素を含有することを特徴とする請求項１に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項３】
Ｓｉが０.１〜１％含有されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項４】
Ｚｎが０.２〜１％含有されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の耐熱マグネシウム合金鋳造品。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の合金組成のマグネシウム合金を溶製する工程と、該マグネシウム合金を鋳造する工程とを含み、前記鋳造工程におけるマグネシウム合金の冷却速度が、０.１〜１００℃／秒の範囲であることを特徴とする耐熱マグネシウム合金鋳造品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量化が求められる自動車部品、特に耐熱性が求められるトランスミッション部品またはエンジン部品に用いて好適な自動車用耐熱マグネシウム合金鋳造品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の軽量化のために、マグネシウム合金が注目されているが、耐熱性が求められるトランスミッション部品やエンジン部品に使用する場合には、高温強度、特に１５０℃付近（１２５〜１７５℃）でのクリープ強度が低いと、使用中にへたりが生じて部品を締め付けているボルトがゆるむ等の問題が生じる。
このような鋳造用マグネシウム合金としては、２〜６％のＡｌを含むＭｇ-Ａｌ系合金（ＡＳＴＭ規格−ＡＭ６０Ｂ、ＡＭ５０Ａ、ＡＭ２０Ａなど）や、８〜１０％のＡｌおよび１〜３％のＺｎを含むＭｇ-Ａｌ-Ｚｎ系合金（ＡＳＴＭ規格−ＡＺ９１Ｄなど）が挙げられる。これらの合金は鋳造性が良好であり、ダイカストが可能であるが、１５０℃付近でのクリープ強度が低く、エンジン周りの部品には適用することができない。例えば、代表的なダイカスト合金であるＡＺ９１Ｄは、鋳造性、強度、耐食性において良好な特性を有するものの、クリープ強度はＭｇ-Ａｌ系合金よりも劣っている。
【０００３】
あるいは、希土類元素を添加した耐熱ダイカスト合金としてＡＥ４２が知られているが、この合金は希土類元素を含むために高価であり、かつ鋳造性やクリープ強度も十分とはいえない。
最近、Ｍｇ-Ａｌ-Ｍｎ系合金にＣａを添加した合金が開発され、特開平６−２５７９０号公報に開示されている。この公報によれば、特にＣａ／Ａｌ比を０.７以上とする場合に、Ｍｇ-Ｃａの金属間化合物が晶出して高いクリープ強度が得られるとされている。しかしながら、Ｃａ／Ａｌ比の高いマグネシウム合金においては、鋳造割れ（高温割れ）が発生し易いという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決すべく成されたものであって、機械的性質とクリープ特性に優れ、かつ鋳造性とクリープ強度を向上させた自動車用などに好適な耐熱マグネシウム合金鋳造品とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等はＭｇ-Ａｌ-Ｃａ系合金の鋳造性とクリープ強度に及ぼす各種添加元素の効果について鋭意検討を重ねた結果、微量のＳｒを添加することにより、鋳造性とクリープ強度を向上させ得ることを見出した。すなわち、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、重量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０.５〜３％、Ｓｒを０.２１〜１％、Ｍｎを０.ｌ〜１％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなり、結晶組織がマグネシウム合金からなるマグネシウム合金結晶粒と、該結晶粒の粒界に晶出したＡｌとＣａを含む晶出物とから構成されており、前記結晶組織の断面における前記晶出物の占有面積が５〜２５％の範囲であるマグネシウム合金からなる鋳造品であることを特徴とする。次に、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、前記マグネシウム合金が、重量％で０.１〜０.５％未満の希土類元素を含有することを特徴とする。更に本発明のマグネシウム合金鋳造品は、Ｓｉ、Ｚｎを含有する場合もある。
【０００６】
次に、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品の製造方法は、重量％でＡｌを１.５〜６％、Ｃａを０.５〜３％、Ｓｒを０.２１〜１％、Ｍｎを０.ｌ〜１％含有し、残部がＭｇおよび不可避不純物からなるマグネシウム合金を溶製する工程と、該マグネシウム合金を鋳造する工程とを含み、前記鋳造工程におけるマグネシウム合金の冷却速度が、０.１〜１００℃／秒の範囲であることを特徴とする。
次に、本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品の製造方法において、前記マグネシウム合金が、重量％で０.１〜０.５％未満の希土類元素を含有するものでも良い。
【０００７】
以下に本発明に係る耐熱マグネシウム鋳造品に用いられるマグネシウム合金の組成について説明する。
なお、本願明細書において特に指定しない限り、２つの数値を〜で結んで範囲を指定する場合、以上、以下を示すものとする。例えば１〜３％は、特に指定しない限り１％以上、３％以下の範囲を示すものとする。更に、本願明細書において％は特に指定しない限りは重量％を示すものとする。
【０００８】
Ａｌ（１.５〜６重量％）：Ａｌはその含有量が６％まではマグネシウムの地に固溶して固溶体硬化により強度を高め、またＣａと結合して結晶粒界上にＡｌ-Ｃａ系晶出物のネットワークを形成することによりマグネシウム合金のクリープ特性を向上させる。さらに、鋳造性を向上させる作用がある。しかし、その含有量が１.５％未満であるとこれらの効果が小さく、特にその強度が低くなるため実用的ではない。一方、Ａｌの含有量が６％を超えるとクリープ特性が急激に劣化する。従ってＡｌ含有量を１.５〜６％の範囲とした。
【０００９】
また、Ａｌ含有量が１.５〜４.０％の場合には、引張強さや耐力が比較的小さくなるため、高い引張強さや耐力が必要な場合などにおいては、Ａｌ含有量は４.０％を超えて６％以下の範囲とされることがより好ましい。
【００１０】
Ｃａ（０.５〜３重量％）：Ｃａは、その含有量の増加に伴ってクリープ抵抗を向上させる効果を有するが、含有量が重量％で０.５％未満ではその改善効果が小さく、一方、３％を超えるとその改善効果は飽和する。また、Ｃａには、溶湯の難燃性を高める作用があるが、０.５％未満では十分ではない。
ところが、Ｃａ含有量が増加するほど鋳造割れが生じやすい傾向がある。従って、Ｃａ含有量を重量％で０.５〜３％の範囲とした。その範囲の中でも１.０〜２.５％が好ましい。
【００１１】
Ｓｒ（０.２１〜１重量％）：Ｓｒは、その含有量の増加に伴ってクリープ抵抗を増加させ、同時に鋳造割れを生じにくくする効果を有する。また、鋳物に生じるミクロシュリンケージポロシティの発生を抑制し、鋳物の健全性を高め、引張強さ、伸びを向上させる効果がある。しかし、０.２１％未満ではそれらの改善効果が小さく、一方、１％を超えるとそれらの改善効果は飽和する。従ってＳｒ含有量を重量％で０.２１〜１％の範囲とした。更に好ましいのは０.２１〜０.５％の範囲である。
【００１２】
Ｍｎ（０.１〜１重量％）：Ｍｎは耐食性を向上させ、さらにマグネシウムの地に固溶してクリープ強度および耐力、特に高温耐力を向上させる。しかし、０.１％未満ではそれらの効果は少なく、一方、１％を超えると多量のＭｎ単層が晶出するようになるため、マグネシウム合金が脆くなり強度が低下する。従ってＭｎ含有量を０.１〜１％の範囲とした。好ましくは０.４〜０.７％の範囲である。
【００１３】
希土類元素（０.１重量％以上、０.５重量％未満）：希土類元素としては、例えばイットリウム、ネオジウム、ランタン、セリウム、ミッシュメタル（Ｌａ：１５％、Ｃｅ：６０％、Ｎｄ：１５％、Ｐｒ＋Ｓｍ：１０％）などを用いることができる。このような希土類元素を添加すると、アルミニウムと希土類元素の化合物が生成してクリープ特性が向上する。しかし、希土類元素の含有量が０.１％未満の場合には十分な効果が得られず、また、０.５％以上を含有させると鋳造時に割れや焼き付きが発生しやすくなる。更に、０.５％以上の高濃度添加では、ミッシュメタルが高価なため、経済面で問題を生じるおそれがあり、極力少ない量に抑えることが好ましい。従って、希土類元素の含有量は重量％で０.１％以上、０.５％未満の範囲とした。また、希土類元素を添加すると耐食性の著しい改善が認められ、この効果を得るには０.２％以上が好ましく、０.５％以上で効果は飽和するので、０.２％以上、０.５％未満の範囲がより好ましい。
【００１４】
ＳｉやＺｎについては、下記のような割合で含有されていると、下記に述べるような特徴が更に奏される。
即ち、本発明のマグネシウム合金には、上記成分の他にＳｉが０.１〜１％、（好ましくは０.２〜０.６％）含有される場合もある。また、上記成分の他にＺｎが０.２〜１％（好ましくは０.４〜０.８％）含有される場合もある。
即ち、上記のような割合でＳｉが更に含有された本発明のマグネシウム合金は鋳造性が向上し、鋳造割れが起き難くなる傾向が奏される。また、上記のような割合でＺｎが更に含有された本発明のマグネシウム合金は、固溶硬化により強度が向上する特徴が奏される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、先に説明した本発明に係る組成系の耐熱マグネシウム合金からなる鋳造品の結晶組織について述べる。
本発明の耐熱マグネシウム合金鋳造品の結晶組織は主としてＭｇからなる結晶粒と、その粒界に晶出した主としてＡｌとＣａおよびＡｌとＭｎからなる晶出物から構成されており、この晶出物のマグネシウム合金鋳造品断面における面積率が５〜２５％とされている。
これは、ＡｌおよびＣａを含有するマグネシウム合金鋳造品のクリープ機構が、主にＭｇ結晶粒の粒界滑りを起因とするものであり、Ｍｇ結晶粒の粒界に晶出物が存在すると、この晶出物が抵抗となって粒界滑りを抑制する効果を得ることができるためである。また、上記のように晶出物の面積率を限定した理由は、上記面積率が５％未満では粒界滑りを抑制する効果が十分に得られないためにクリープ特性に劣るものとなり、２５％を超えると鋳造性が劣化するとともに、マトリクス中へのＡｌ、Ｃａなどの固溶量が減少し、固溶硬化が低下するとともに、この晶出物が粗大化して強度や伸びが低下するためである。晶出物の面積率において先の範囲の中でも１０〜２０％が好ましい。
【００１６】
上記の合金成分を有する耐熱マグネシウム合金鋳造品は、一般的なマグネシウム合金の鋳造技術によって製造することができる。
例えば、鉄製の坩堝を用いて溶製することができる。また、鋳造においては、ダイカスト法、重力鋳造法などの各種鋳造方法を用いることが可能であり、本願発明では特にダイカスト法、重力鋳造法に限定されるものではないが、ダイカスト法、重力鋳造法により製造することが一般的には有効である。
【００１７】
また、本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品は、鋳造工程における冷却速度が、０.１℃／秒以上、１００℃／秒以下の範囲とされることが好ましい。これは、上記冷却速度が０.１℃／秒未満であると、Ｍｇ結晶粒の粒界に析出する晶出物が多くなり、Ａｌ固溶量が少なくなるために強度が低下するからであり、１００℃／秒を超えるとＭｇ結晶粒の粒界に晶出する晶出物の面積率が低下してクリープ強度が低下するからである。
【００１８】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明の効果を明らかにする。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。後述する表１、２に示す組成のマグネシウム合金を鉄製坩堝を用いてＳＦ6／ＣＯ2／Ａｉｒの混合ガス雰囲気下で電気炉にて溶解し、コールドチャンバーダイカストマシンにより図１（ａ）、（ｂ）に示す形状の鋳物をそれぞれ鋳造した。なお、希土類元素（Ｒ.Ｅ.）についてはミッシュメタルの状態で添加した。尚、本例における鋳造時の冷却速度は７０℃／秒とした。図１（ａ）、（ｂ）に示す鋳造品１は、全体が幅７０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの板材であって、この板材の下部から高さ方向に１／３の部分２が厚さ３ｍｍ、次の１／３の部分３が厚さ２ｍｍ、残りの１／３の部分４が厚さ１ｍｍとされている。そして、溶製した金属を型に注入する側のビスケット部５側に厚さ３ｍｍの部分２が配置されており、厚さ１ｍｍの部分４から外側に鋳込み金属がオーバーフローするようにオーバーフロー部６が形成されている。
【００１９】
上記にて作製された鋳造品の厚さ３ｍｍの部分の板厚中央部について二次電子像を撮影し、その分析から鋳造品内部におけるＡｌとＣａおよびＡｌとＭｎを主成分とする晶出物の鋳造品断面に対する面積率を求めた。また、後述する比較例２５は重力鋳造法で舟型に鋳込み、肉厚中央部の断面で測定した。図２に実施例の鋳造品断面の二次電子像を模式的に示す。
この図に示すように、本例のマグネシウム合金鋳造品は、複数のマグネシウム結晶粒１１…から主に構成されており、隣接する結晶粒１１…が結晶粒界を形成している。そして、粒界にＡｌとＣａの化合物（Ａｌ2Ｃａ）およびＡｌとＭｎの化合物を主成分とする晶出物１２が晶出している。この晶出物１２の面積を測定して視野の全面積で除することにより晶出物の占有面積率を算出することができる。
【００２０】
本発明に係るマグネシウム合金鋳造品のダイカスト鋳造性は、鋳造時の鋳造割れ（高温割れ）と金型への焼き付きにより評価した。鋳造割れは、図１に示す鋳造品の厚さが１ｍｍから２ｍｍに変化する付近において凝固収縮中の応力集中に起因して生じる。以下の表１に示す組成の各合金に対し、それぞれ１００ショット製造し、最初の３０ショットは廃棄して、残りの７０ショットについて一個あたりの平均鋳造割れ長さを求め、鋳造割れの評価とした。各試料のマグネシウム合金鋳造品において金型への焼き付きについては目視で評価した。
【００２１】
また、図１に示す鋳造品１の板厚３ｍｍの部分より板状試験片を切り出し、引張試験とクリープ試験を実施した。
引張試験は１０トンオートグラフ試験機を用いて室温にて引張速度５ｍｍ／分で行った。また、クリープ試験は１５０℃にて荷重５０ＭＰａ、試験時間１００時間で行い、クリープ曲線より最小クリープ速度を求め、クリープ特性の評価とした。以上の条件にて実施した評価の結果を以下の表３、４に示す。また、一部の実施例と比較例については、試験片に対して塩水を２４０時間噴霧した場合の腐食速度を耐食性の指標として示した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
【表２】
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【００２４】
【表３】
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【００２５】
【表４】
0003737440.tif 000005
【００２６】
表３に示すように、本発明の要件を満たす実施例１〜２４の耐熱マグネシウム合金鋳造品は、優れた引張強さと耐力を有し、最小クリープ速度も小さく、鋳造割れ長さも短いことがわかる。また、これら実施例１〜２４の耐熱マグネシウム合金鋳造品においては鋳造時の焼き付きの発生がなく優れた特性を有する鋳造品であることがわかる。
【００２７】
上記実施例の耐熱マグネシウム合金鋳造品に対して、Ａｌ含有量を本発明範囲よりも低い１％とした比較例１〜４の鋳造品は鋳造割れ長さが大きくなった。また、比較例１、３の試料は鋳造時の焼き付きが発生した。
【００２８】
次に、表１に示す実施例１５と同等の合金組成のマグネシウム合金を溶製し、コールドチャンバーダイカストマシーン及び重力鋳造を用いて、鋳造工程における冷却速度を変化させて比較例２５、２６の耐熱マグネシウム合金鋳造品を作製した。但し、比較例２５は重力鋳造法で作製した。これら実施例１５、比較例２５、２６の鋳造品は、鋳造工程における冷却速度を主に変化させ、合金組成はほぼ同一である。
これらの試料の比較から、冷却速度が遅すぎる場合は鋳造割れ長さはほとんど変わらないものの、クリープ特性が悪化し、冷却速度が１００℃／ｓを超えて速くなると鋳造割れ長さが長くなり、クリープ特性も悪化することが明らかである。
【００２９】
比較例５の試料はＣａを本発明範囲よりも低い０.１％含有するので、最小クリープ速度が大きいといった問題がある。
更に希土類元素を０.５％以上含有する比較例３、１３、１６の鋳造品は、焼き付きが発生した。
また、試験例１として作製した希土類元素を０.０５％含む鋳造品は、表４に示すように最小クリープ速度のみがやや大きかった以外は実施例３の鋳造品と同等の特性を示した。
【００３０】
Ａｌ含有量が５％の比較例７、８の鋳造品において、比較例７は、Ｃａ含有量が少ないために最小クリープ速度が大きく、比較例８はＣａ含有量が多すぎて鋳造割れ長さが著しく大きいものであった。
Ａｌ含有量が６％あるいは６％に近い５.９％であるが、Ｃａ含有量の少ない比較例１０、１１および試験例２の鋳造品のうち、比較例１０、１１の鋳造品は最小クリープ速度が大きい。
また、試験例２として作製した希土類元素を０.０５％含む鋳造品は、表４に示すように最小クリープ速度のみがやや大きかった以外は、実施例２２の鋳造品とほぼ同等の特性を示した。
【００３１】
比較例２２、２３の試料はＡｌ含有量が多く、Ｃａ含有量を増加させた試料であるが、いずれも最小クリープ速度が大きくなった。
比較例２４はＣａ、Ｓｒ、Ｍｎを含有していない組成系であるが、いずれも最小クリープ速度が大きく、鋳造割れ長さも長く、焼き付きを生じた。
比較例２５、２６は冷却速度を小さくし過ぎるか大きくし過ぎた試料であるがいずれも最小クリープ速度が大きくなった。
比較例１４、１５はＭｎを多く含んだ試料であるが、引張り強さが低くなるという問題を生じた。
【００３２】
次に、Ｓｒ含有量を０.２１〜１％の範囲に限定したのは以下のような理由による。
図３はＡ１含有量が５％、Ｃａ含有量が１.５％、Ｍｎ含有量が０.３％の場合におけるＭｇ合金の最小クリープ速度に及ぼすＳｒ含有量の影響を示すグラフである。図４はＡｌ含有量が５％、Ｃａ含有量が１.５、Ｍｎ含有量が０.３％の場合におけるＭｇ合金の鋳造割れ性に及ばすＳｒ含有量の影響を示すグラフである。
【００３３】
これらの図３及び図４に示す測定結果から、Ｓｒ含有量の増加に伴って最小クリープ速度は減少する傾向にあり、かつ、鋳造割れも起き難くなることが判る。この効果は、Ｓｒ含有量が０.２０％未満では小さく、逆に、１％を越えると飽和状態に達する。また、図３に示すクリープ速度の低下状況から見れば、０.２１〜１％の範囲で低い状態が維持され、それよりも高い含有量の範囲で若干の上昇が見られる。図４を見ると、Ｓｒを０.１％以下の範囲で微量でも添加すると急激に鋳造割れ長さが低下し、０.１％程度の含有量まで急激な低下が続くが、０.１％を超える含有量であると平均鋳造割れ長さ１０ｍｍを確実に切るようになり、０.２０％を超える含有量、即ち０.２１％以上では殆ど問題にならない程度に低下している。
【００３４】
以上のような背景から、本発明に係る合金の基本組成系においてはＳｒ含有量を０.２１〜１％の範囲が好ましいと判断した。この範囲内でも上述の事情から０.２１〜０.５％の範囲がより好ましい。
【００３５】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、耐熱マグネシウム合金鋳造品の添加元素であるＡｌ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｎあるいは希土類元素の含有量を上記の範囲に設定し、マグネシウムを主成分とするマグネシウム合金の結晶粒の粒界に晶出したＡｌ、Ｃａを主成分とする晶出物の面積率を５％以上、２５％以下としたことにより優れたクリープ強度を有し、自動車のエンジン周りの部品として用いて好適な耐熱マグネシウム合金鋳造品を提供することができる。
【００３６】
また、本発明に係る耐熱マグネシウム合金鋳造品の製造方法は、鋳造時の冷却速度を０.１℃／秒〜１００℃／秒とすることにより、クリープ特性に優れる耐熱マグネシウム合金鋳造品を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１（ａ）は本発明の実施例で得られた鋳造品の側面図、図１（ｂ）は鋳造品の平面図である。
【図２】 図２は、本発明の実施例１２の鋳造品の二次電子像を模式的に示す図である。
【図３】 図３は本発明に係る基本組成系合金のＳｒ含有量と最小クリープ速度との関係を示すグラフである。
【図４】 図４は本発明に係る基本組成系合金のＳｒ含有量ど平均鋳造割れ長さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…鋳造品、 ２…厚さ３ｍｍの部分、 ３…厚さ２ｍｍの部分、４…厚さ１ｍｍの部分、 ５…ビスケット部、 ６…オーバーフロー部、１１…結晶粒、 １２…晶出物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
0003737440.tif 000009