JP2008280565A - マグネシウム合金およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アルミニウム合金を代替し得る耐食性に優れた高強度のマグネシウム合金とその製造方法を提供する。
【解決手段】ガドリニウムを５〜２０重量％含有し、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種を０．１〜５重量％含有し、必要に応じさらにジルコニウムを１．５重量％未満含有し、残部がマグネシウムからなるものである。さらにこのマグネシウム合金に処理温度が４００〜５５０℃である溶体化処理を行い、その後処理温度が１８０〜２５０℃の時効熱処理を行うものである。また内部欠陥の除去のためなど必要に応じて、上記溶体化処理の前に、処理温度が４００〜５５０℃かつ処理圧力が０．０５〜１ＧＰａのＨＩＰ処理を施すマグネシウム合金の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐食性に優れた高強度マグネシウム合金およびその製造方法に関するものである。

マグネシウムは、密度が鉄の４分の１、アルミニウムの３分の２程度と軽量であるため、航空機や自動車などの輸送機器などへ適用した場合には、軽量化により省エネやＣＯ２排出量の削減が期待できる。

マグネシウム合金によりアルミニウム合金の代替を想定した場合、強度特性においてマグネシウム合金の比強度（強度と密度の比）が想定しているアルミニウム合金の１３０％以上となると、部材の形状変更なしに代替でき、なおかつ３０％程度の部材を軽量化することができるため、そのようなマグネシウム合金は、実用上非常に有効な材料となる。

すでに実用化されているマグネシウム合金として、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金（ＡＺ９１合金：Ａｌ９％、Ｚｎ：１％、Ｍｎ：０．３５％）がある。

また、特許文献１および特許文献２には、強度特性、耐熱性を改善させたマグネシウム合金として、Ｍｇ−Ｇｄ−Ｙ系合金が提案されている。

また、特許文献３には、耐食性を向上させたマグネシウム合金としてＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｙ系合金が提案されている。

特開平６−４９５７９号公報 特開平１０−１４７８３０号公報 特表平３−５０３６６１号公報

しかしながら、上述したマグネシウム合金には以下のような問題があった。

ＡＺ９１合金などのＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金は、強度特性が低く、耐食性も不十分であるため、低強度アルミニウム合金においても形状変更なしで代替適用することは不可能である。

また、特許文献１や特許文献２のＭｇ−Ｇｄ−Ｙ系合金は、強度が３６０ＭＰａ程度と高いが、耐食性に関しては記載がなく、未知である。

また、特許文献３のＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｙ系合金は、Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金よりも耐食性を改善しているものの、強度が２８０ＭＰａ程度と低く、構造部材として形状変更なしにアルミニウム合金を代替することは不可能である。

そこで、本願発明者らは、強度特性および耐食性を総合的に向上させたマグネシウム合金として、マグネシウム−ガドリニウム合金（Ｍｇ−Ｇｄ合金）に亜鉛（Ｚｎ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１種を複合添加した合金を開発し、その結果、アルミニウム合金を代替し得る強度特性および耐食性を有する合金組成を見出した。

すなわち、本発明の目的は、上記課題を解決し、アルミニウム合金を代替し得る耐食性に優れた高強度のマグネシウム合金およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、ガドリニウムを５〜２０重量％含有し、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種を０．１〜５重量％含有し、残部がマグネシウムからなることを特徴とするマグネシウム合金である。

請求項２に係る発明は、亜鉛と銀、もしくは亜鉛と銅を合計０．１〜５重量％含有する請求項１記載のマグネシウム合金である。

請求項３に係る発明は、ジルコニウムを１．５重量％未満含有する請求項１または２記載のマグネシウム合金である。

請求項４に係る発明は、比強度をＡ２０１合金の１３０％以上にすべく、亜鉛を０．５〜４重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金である。

請求項５に係る発明は、比強度をＡＣ４Ｃ合金の１３０％以上にすべく、銀を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金である。

請求項６に係る発明は、比強度をＡＣ４Ｃ合金の１３０％以上にすべく、銅を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金である。

請求項７に係る発明は、請求項１から６いずれかに記載のマグネシウム合金に溶体化処理を行い、その後時効熱処理を行うことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法である。

請求項８に係る発明は、上記溶体化処理の処理温度が４００〜５５０℃であり、上記時効熱処理の処理温度が１８０〜２５０℃である請求項７記載のマグネシウム合金の製造方法である。

請求項９に係る発明は、上記溶体化処理の前に、処理温度が４００〜５５０℃かつ処理圧力が０．０５〜１ＧＰａのＨＩＰ処理（Ｈｏｔ Ｉｓｏｓｔａｔｉｃ Ｐｒｅｓｓｉｎｇ，熱間等方圧加圧法）を施す請求項７または８記載のマグネシウム合金の製造方法である。

請求項１０に係る発明は、上記溶体化処理前に、圧延処理を施す請求項７から９いずれかに記載のマグネシウム合金の製造方法である。

本発明によれば、耐食性に優れると共に高強度を有しアルミニウム合金を代替することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を詳述する。

本発明のマグネシウム合金は、ガドリニウムを５〜２０重量％含有し、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種を０．１〜５重量％含有し、残部がマグネシウムと不可避の不純物とからなるものである。

ガドリニウムは、マグネシウムに添加すると、強度特性、耐食性を向上させる効果があるが、添加しすぎると密度が大きくなり軽量性を失い、また金属間化合物が出現し、強度が低下する。

そこで、軽量性を保たせたまま優れた耐食性および高強度を発現する範囲として、ガドリニウムの含有量を５〜２０重量％とした。

これは、ガドリニウムの含有量が５重量％未満だと、強度特性、耐食性の向上が十分でなく、他方、２０重量％を超えると、マグネシウム合金が重くなり、また金属間化合物により強度が低下してしまうためである。

また、亜鉛、銀、銅は、ガドリニウムと複合的にマグネシウムに添加すると、原子レベルで周期性を持った特殊な組織が現れ、強度特性をさらに向上させる効果が期待できるが、添加しすぎると結晶粒界に金属間化合物が析出し、強度特性の低下を招く。

そこで、本発明のマグネシウム合金では、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種を０．１〜５重量％含有するものとした。

これは、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種の含有量が０．１重量％未満の場合、強度特性の向上が十分でなく、他方、５重量％を超える場合、金属間化合物により強度が低下してしまうためである。

また、本発明のマグネシウム合金は、結晶粒の微細化および強度特性の改善のための組織微細化材として、ジルコニウムを１．５重量％未満含有する。

ジルコニウムの含有量を１．５重量％未満としたのは、ジルコニウムの含有量が１．５重量％以上の場合、ジルコニウムと合金元素とからなる化合物が発生し、合金の特性を低下させるためである。

上述した添加元素（Ｇｄ、Ｚｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｒ）の種類と量を調整することによって、代替したいアルミニウム合金の強度と延性のバランスとマッチした合金の提供が可能である。

例えば、高強度アルミニウム合金であるＡ２０１合金（ＡＳＴＭ規格）を代替するマグネシウム合金としては、比強度をＡ２０１合金の１３０％以上にすべく、亜鉛を０．５〜４重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有するものが好ましい。

汎用アルミニウム合金であるＡＣ４Ｃ合金（ＪＩＳ規格）を代替するマグネシウム合金としては、比強度をＡＣ４Ｃ合金の１３０％以上にすべく、銀を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有したもの、或いは銅を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有したものが好ましい。

次に、本発明に係るマグネシウム合金の製造方法を説明する。

まず、ガドリニウムが５〜２０重量％、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種が０．１〜５重量％、残部がマグネシウムからなるマグネシウム合金材料を溶解し、その溶湯を、鋳型（砂型、石膏型、金型など）に鋳込んでマグネシウム合金を鋳造する。

次に、鋳造されたマグネシウム合金（鋳造品）の溶体化処理を行い、その後、溶体化処理されたマグネシウム合金の時効熱処理を行う。

具体的には、溶体化処理を４００〜５５０℃の処理温度で２〜２４ｈ行った後、時効熱処理を１８０〜２５０℃の処理温度で８〜１００ｈ行う。なお、溶体化処理および時効熱処理の処理時間は、合金のサイズや形状を考慮して適宜設定される。

このように、鋳造後に熱処理（溶体化処理および時効熱処理）を行うことで、合金は、結晶内部に微細な時効析出物が生成された組織となり、引張強さを最高で４００ＭＰａ程度に向上させることができる。

さらに、溶体化処理前に、圧延処理を施すことで、より高い強度を発現させるようにしてもよい。ここで、圧延処理は、処理温度が３００〜５２０℃の熱間圧延処理が好ましい。

このように圧延処理を施した場合は、粒界に生成した金属間化合物を微細かつ均質に分散させることができるため、引張強さが鋳造品よりもさらに高くなり、４５０ＭＰａ程度の引張強さ特性を発現させることができる。

また、内部欠陥除去のためなど必要に応じて、溶体化処理の前に、鋳造されたマグネシウム合金にＨＩＰ処理を施すようにしてもよく、ＨＩＰ処理は、処理温度を４００〜５５０℃かつ処理圧力を０．０５〜１ＧＰａで行うことが好ましい。

以上の本発明によると、強度特性が向上し、マグネシウム合金からなる鋳物が形状変更なしに汎用アルミニウム合金鋳物を代替し得るレベルに到達する。同時に、本発明のマグネシウム合金では、耐食性も向上し、強度と耐食性が両立するマグネシウム合金を実現できる。

また、イットリウムを含まないためフラックス精錬が可能となり、マグネシウム合金の清浄度（純度）を高めることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、亜鉛、銀、銅のうちの２種或いは３種を含有するマグネシウム合金が考えられ、具体的には、亜鉛と銀、もしくは亜鉛と銅を合計０．１〜５重量％含有するものが考えられる。

また、ガドリニウムを、他のＲ．Ｅ．元素とガドリニウムの複合添加で代替することも考えられ、このときの添加量は、ガドリニウムと他のＲ．Ｅ．元素の総量で５〜２０重量％とするのが好ましい。

次に、本発明に係るマグネシウム合金の実施例を説明する。

表１は、高強度アルミニウム合金（例えば、Ａ２０１合金）を代替するための合金について、引張強さ（引張強度）と０．２％耐力と破断伸びとの試験を行った結果を示す。

表１の実施例１〜４および比較例１は、表１に示す組成でマグネシウム合金を鋳造し、その鋳造品に５１５℃×８ｈ＋５２０℃×８ｈの溶体化処理を行った後、２２５℃×８ｈの時効熱処理を行ったものである。鋳造の鋳型は、実施例２では砂型を使用し、それ以外の実施例１、３、４および比較例１では金型を使用した。

表１に示すように、実施例１〜４の合金は、引張強さが３６３〜４００ＭＰａと良好であり、４００ＭＰａ程度の引張強さを達成している。また、０．２％耐力についても２７２〜２７８ＭＰａと良好で、破断伸びも１〜２．９％と良好であった。

以上から実施例１〜４は、高強度アルミニウム合金を代替するのに十分な強度特性を有していることが確認できた。

これに対して、比較例１の合金は、亜鉛の含有量が５．０％を超えるため、引張強さが１０５ＭＰａと低かった。また、０．２％耐力は２４８ＭＰａと実施例１〜４に比べて低く、破断伸びも５．２％と実施例１〜４に比べ大きかった。

表２は、汎用アルミニウム合金（例えば、ＡＣ４Ｃ合金）を代替するための合金について、引張強さと０．２％耐力と破断伸びとの試験を行った結果を示す。

表２の実施例５、６および比較例２、３は、表２に示す組成でマグネシウム合金を金型で鋳造し、その鋳造品に４３０℃×２４ｈの溶体化処理行った後、２２５℃×８ｈの時効熱処理を行ったものである。

表２に示すように、実施例５、６の合金は、引張強さが３７８〜３９３ＭＰａと良好であった。また、０．２％耐力についても２７６〜２７８ＭＰａと良好で、破断伸びも１．３〜１．８％と良好であった。

以上から実施例５、６の合金は、汎用アルミニウム合金を代替するのに十分な強度特性を有していることが確認できた。

これに対して、比較例２の合金は、０．２％耐力が２９１ＭＰａ、破断伸びが１．３％と良好なものの、銀の含有量が５．０％を超えるため、引張強さが２５３ＭＰａと低かった。

また、比較例３の合金は、０．２％耐力が２６７ＭＰａ、破断伸びが１．０％と良好なものの、銅の含有量が５．０％を超えるため、引張強さが２２０ＭＰａと低かった。

このように、亜鉛、銀、銅の量が多い場合（５．０％を超える場合）、合金の強度が低下することが確認された。

次に、図１に示すように、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に則った塩水噴霧試験を実施して耐食性の確認を行った。

図１のグラフでは、横軸に時間（ｈ）、縦軸に腐食減量（ｍｇ／ｃｍ３）とした。このグラフにおいて、十字印は高強度アルミニウム合金であるＡ２０１−Ｔ７合金（ＡＳＴＭ規格）、丸印はＡＺ９１−Ｔ６合金（ＡＳＴＭ規格）、四角印は実施例１を各々示す。

塩水噴霧試験は、３５℃±１℃の５０±５g／Ｌ ＮａＣｌ溶液を噴霧し、所定の間隔ごとに平均腐食減量を測定して行った。

図１に示すように、実施例１は、ＡＺ９１−Ｔ６合金（従来のマグネシウム合金）よりも大幅に耐食性が改善され、Ａ２０１−Ｔ７合金（高強度アルミニウム合金）に迫る耐食性特性を有している。

以上から本発明のマグネシウム合金は、アルミニウム合金と同程度の良好な耐食性を有していることが確認できた。

次に、図２に示すように、高温引張試験を実施して耐熱性の確認を行った。

図２は、２５〜２５０℃における降伏応力（Ｙ．Ｓ．）、最大引張応力（Ｕ．Ｔ．Ｓ．）および破断伸び（Ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ）を測定した結果を示し、横軸が温度（℃）、左側の縦軸が降伏応力（Ｐａ）と最大引張応力（Ｐａ）、右側の縦軸が破断伸び（％）である。

図２において、丸印は降伏応力、三角印は最大引張応力、四角印は破断伸びであり、白抜きは実施例１を示し、黒塗りは実施例１にＨＩＰ処理を施したＨＩＰ処理品を示す。

ＨＩＰ処理は、溶体化処理前に、５０５℃×０．１ＧＰａで行った。

図２に示すように、実施例１およびＨＩＰ処理品はともに、１５０℃までは降伏応力および破断伸びについては強度低下がみられず、最大引張応力については２００℃前後まで、強度低下がみられなかった。

以上から本発明のマグネシウム合金は良好な耐熱性を示すことを確認できた。

また、２５℃では、ＨＩＰ処理品のほうが実施例１より高い強度特性を有することが確認できた。

図１は、本発明に係るマグネシウム合金の塩水噴霧試験による平均腐食減量を説明するためのグラフである。 図２は、本発明に係るマグネシウム合金の高温引張特性を説明するためのグラフである。

Claims (10)

1. ガドリニウムを５〜２０重量％含有し、亜鉛、銀、銅のうち少なくとも１種を０．１〜５重量％含有し、残部がマグネシウムからなることを特徴とするマグネシウム合金。
2. 亜鉛と銀、もしくは亜鉛と銅を合計０．１〜５重量％含有する請求項１記載のマグネシウム合金。
3. ジルコニウムを１．５重量％未満含有する請求項１または２記載のマグネシウム合金。
4. 比強度をＡ２０１合金の１３０％以上にすべく、亜鉛を０．５〜４重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金。
5. 比強度をＡＣ４Ｃ合金の１３０％以上にすべく、銀を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金。
6. 比強度をＡＣ４Ｃ合金の１３０％以上にすべく、銅を０．１〜５重量％含有し、ジルコニウムを０．２〜１重量％含有した請求項３記載のマグネシウム合金。
7. 請求項１から６いずれかに記載のマグネシウム合金に溶体化処理を行い、その後時効熱処理を行うことを特徴とするマグネシウム合金の製造方法。
8. 上記溶体化処理の処理温度が４００〜５５０℃であり、上記時効熱処理の処理温度が１８０〜２５０℃である請求項７記載のマグネシウム合金の製造方法。
9. 上記溶体化処理の前に、処理温度が４００〜５５０℃かつ処理圧力が０．０５〜１ＧＰａのＨＩＰ処理を施す請求項７または８記載のマグネシウム合金の製造方法。
10. 上記溶体化処理前に、圧延処理を施す請求項７から９いずれかに記載のマグネシウム合金の製造方法。

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