JP2000319744A

JP2000319744A - 耐クリープマグネシウム合金のダイカスト

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Publication number: JP2000319744A
Application number: JP2000084033A
Authority: JP
Inventors: Bob P Powell; ボブ・ピー・パウエル; Vadim Rezhets; ヴァディム・レズヘッツ; Aihua A Luo; アイフア・エイ・ルオ; Basant L Tiwari; バサント・エル・ティワリ
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2000-11-21
Also published as: AU725991B1; DE60009783D1; EP1048743B1; EP1048743A1; DE60009783T2; US6264763B1

Abstract

(57)【要約】【課題】液体として金属ダイまたは鋳型内で成功裏
に鋳造できるマグネシウム合金であって、比較的に高温
の用途のための耐クリープ性を有する鋳物を提供できる
マグネシウム合金を提供する。【解決手段】ダイカスト可能な耐クリープマグネシ
ウム合金の系列を、自動車のエンジン及び変速装置ケー
ス等の高温構造用途のために開発した。こうした合金
は、３％と６％の間のアルミニウムと、１．７％と３．
３％の間のカルシウムと、０．２％までのストロンチウ
ムとを含む。これは、市販のアルミニウム希土類元素含
有マグネシウム合金であるＡＥ４２よりも２５％大きい
耐引張クリープ性及び耐圧縮クリープ性と、ＡＺ９１Ｄ
と同程度に良好な耐食性とを証明した。こうした合金は
ＡＺ９１Ｄよりも低コストであると見積もられ、永久鋳
型鋳造及びダイカストに使用すると、金属鋳型内で良好
な鋳造性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、耐クリープマグネ
シウム合金のダイカストに関する。特に本発明は、液体
として金属ダイまたは鋳型内で成功裏に鋳造できるマグ
ネシウム合金であって、比較的に高温の用途のための耐
クリープ性を有する鋳物を提供できるマグネシウム合金
に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の重量を低減するためのマグネシ
ウムの使用は、１９９０年代初頭以来年率約２０％増加
してきた。この増加の大部分は、内部構成要素の用途に
関するものであり、現在のところ、製造中の唯一のマグ
ネシウム製の動力伝達系列は非構造用であり、比較的に
低温用途である。Volkswagenは、マグネシウム合金ＡＳ
４１Ａ及びＡＳ２１（それぞれＭｇ−４％Ａｌ、１％Ｓ
ｉ及びＭｇ−２％Ａｌ、１％Ｓｉ）を１９７０年代に、
空冷エンジンブロックを鋳造するために使用した。こう
した合金の使用は、エンジン動作温度が上昇し、マグネ
シウムのコストが増大した時に終了した。マグネシウム
の利点を例えば現在のエンジン及び自動変速装置構成要
素にまで拡大したいなら、幾つかの既存の課題を解決し
なければならない。

【０００３】マグネシウムの永久鋳型鋳造またはダイカ
スト合金を自動車の動力伝達系列構成要素に使用する際
の４つの問題は、（１）クリープ（すなわち、応力下で
の連続したひずみ）、（２）コスト、（３）鋳造性及び
（４）腐食である。例えば、現在自動車に使用されてい
る市販のダイカストマグネシウム合金（ＡＺ９１Ｄはア
ルミニウム、亜鉛及びマンガンを含む；ＡＭ６０及びＡ
Ｍ５０は両方ともアルミニウム及びマンガンを含む）
は、ほぼ室温の用途に限定されており、というのはその
機械的性質はより高温では低下し、動力伝達系列の動作
温度でクリープ現象を起こしやすいからである。ＡＥ４
２は希土類元素含有マグネシウムダイカスト合金であり
（Ｅはミッシュメタルを意味する）、自動変速装置の動
作温度（１５０℃まで）にとって十分な耐クリープ性を
有するが、エンジンの温度（１５０℃を超える）にとっ
て十分ではない。

【０００４】砂型鋳造または永久鋳型鋳造のために配合
された数種類のマグネシウム合金は確かに良好な高温特
性を提供し、航空宇宙産業及び原子炉において使用され
ている。こうした合金中に使用される特殊な元素（Ａ
ｇ、Ｙ、Ｚｒ及び希土類元素）は高コストであるため
に、自動車における使用が妨げられている。

【０００５】コストも、動力伝達系列構成要素用にマグ
ネシウムを検討する際の主要な障壁となっている。しか
しながら、マグネシウム合金とアルミニウムまたは鉄と
の間のコスト差は、同体積基準でコストを比較した場合
には、予想した程大きくはない。ポンド当り基準では、
マグネシウムは鉄及びアルミニウムよりかなり高価であ
る。しかしながら、金属の密度を考慮してコストを単位
体積当り基準に調整した場合には、コスト差ははるかに
小さくなる。その上、時々計画されるマグネシウム合金
のコストを使用すると、マグネシウムとアルミニウムと
の間のポンド当りの差は、アルミニウムと鉄との間の差
よりさらに小さくなる。あいにく、希土類元素を含有す
るＡＥ４２は低温マグネシウム合金よりも高価であり、
それ故高温強度（high-temperature strength）マグネ
シウム合金のコストは依然として問題のままである。

【０００６】鋳造性は、現在の低温マグネシウム合金の
利点となっている。こうした合金は流体であり、容易に
流れ込んで薄い鋳型部分を充填する。非動力伝達系列用
途の多くにおいて、Ｍｇへの転換は、部品統合：多くの
より単純な部品を組み立てるのではなく複雑な部品を鋳
造する、によるコスト低減を可能にした。こうした低温
マグネシウム合金の優れた鋳造性も、設計の柔軟性とよ
り薄い肉の使用とを増加させており、その両方は、耐ク
リープ合金が同じ良好な鋳造性を有する場合、動力伝達
系列構成要素において有益である。あいにくＡＥ４２及
びその他の提案されている耐クリープ合金は、ＡＺ９１
Ｄ、ＡＭ６０及びＡＭ５０と同程度に良好な鋳造性を有
しない。例えば、事情が異なれば耐クリープ合金となっ
たかもしれない幾つかのものは、金属ダイに溶結するか
またはくっつく（seize）傾向があり、その鋳物は割れ
を形成し、不合格にしなければならなくなる。

【０００７】マグネシウムの構成要素に関する第４の主
要な懸念は、その腐食挙動である。これは、動力伝達系
列構成要素は、道路条件と塩水噴霧にさらされるからで
ある。腐食は低温合金においては解決されており、とい
うのはその純度は注意深く制御されており、ガルバニッ
ク対（galvanic coupling）を防ぐための固定技術が確
立しているからである。いかなる動力伝達系列用の合金
も、この同じレベルの耐食性を有する必要がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、耐クリープ
性、コスト、鋳造性及び耐食性は、内燃エンジンブロッ
クまたはヘッドにまたは変速装置ケースに適したＭｇ合
金の主要な問題であると予想でき、使用される合金のた
めに規定される要件は例えば以下の通りである：・クリ
ープ強さ−１５０℃でＡＥ４２よりも２０％大きい・コ
スト、鋳造性及び耐食性−ＡＺ９１Ｄと同等液体として
ダイの中に押し込むかまたは永久鋳型の中に注ぎ、凝固
させて、クリープ強度と耐食性とを提供する鋳物を生じ
ることができるマグネシウム合金が依然として必要であ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、ダイカストま
たは永久鋳型鋳造に適したＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−Ｘ合金
（従ってＡＣＸ合金と呼ばれる）の系列を提供する。本
鋳造製品は、自動車の動力伝達系列構成要素等の１５０
℃以上の温度で動作する構造用部品のための要件を満た
す。本発明の合金は、鋳造性及び適度なコストという有
用でありかつ有益な特性を組合せて提供する。本合金か
ら製造した鋳物は、一般的に動力伝達系列構成要素に要
求される上述の温度及び環境条件に長時間さらされる間
中、耐クリープ性及び耐食性を示す。

【００１０】上述のように、一般に永久鋳型鋳造におけ
るように低圧で行おうとまたはダイカストにおけるよう
に高圧で行おうと、かかる合金は鋳造作業における使用
に適する。しかし本合金は、ダイカストか、または溶融
マグネシウム合金をその液相線温度をかなり超える温度
で金属鋳型（ダイ）中に導入し、冷却し、溶融体が凝固
する時にスクイージングかまたは圧力をかける同様の鋳
造方法における使用に特に適している。そのような圧力
鋳造法またはスキーズキャスティング法を使用して、自
動車及びトラックのエンジンブロック及びヘッド並びに
変速装置ケースのような、しばしば薄肉部分を有する複
雑な形状の鋳物を製造する。

【００１１】幾つかのそのような鋳物用途のために、適
切な合金は、重量で、約３％〜６％のアルミニウムと、
約１．７％〜３．３％のカルシウムと、鉄の含有量を制
御するための、主要でない量（例えば０．３５％まで）
のマンガンと、最小量の通常存在する不純物の例えば鉄
（＜０．００４％）、ニッケル（＜０．００１％）及び
銅（＜０．０８％）と、残余のマグネシウムとを含む。
各成分は、他の成分の含有量とは独立に、指定された範
囲内で変化させてよい。少量のケイ素、例えば約０．３
５重量％まで、も適切に使用してよい。このマグネシウ
ム、アルミニウム及びカルシウム合金の系列は、多くの
高温構造用鋳物用途のための、鋳造性、耐クリープ性、
耐食性及びコストの要件を満足する。冶金学的ミクロ構
造は、マグネシウムに富むマトリックス相及び（Ｍｇ，
Ａｌ）₂Ｃａの混入（entrained）相または結晶粒界相の
存在を特徴とする。しかしながら、適切には約０．０１
％〜０．２重量％、好ましくは０．０５％〜０．１５％
の比較的に少量のストロンチウムを加えることは、特に
使用温度１５０℃〜１７５℃以上で合金の耐クリープ特
性の大幅な改良を提供する。かかるＭｇ−Ａｌ−Ｃａ−
Ｓｒ合金のこの特性によって、この組成の鋳物は、上述
の温度に何百時間もさらされた後に有用性を保持でき
る。

【００１２】本発明の他の目的と利点とは、後に続く詳
細な説明からより明白になろう。後節において説明する
図面を参照されたい。

【００１３】

【実施例】約４％のアルミニウムと２％のミッシュメタ
ルとを含む市販のマグネシウムダイカスト合金ＡＥ４２
は、自動変速装置の用途に適した耐クリープ性を有する
と上記に説明した。より良好な耐クリープ性がエンジン
ブロックの用途及びその他同様なもののために必要なの
で、高温での圧縮応力保持（compressive stress reten
tion）（ＣＳＲ）試験においてＡＥ４２の冶金学の研究
を行った。

【００１４】耐クリープ性は、引張応力であろうとまた
は圧縮応力であろうと、動力伝達系列構成要素にＭｇ合
金を使用するための主要な要件である。圧縮荷重下での
耐クリープ性は、車両運転最中に鋳造体のボルトトルク
と寸法安定性とを維持するために必要である。機能的ク
リープ試験（functional creep test）を本発明の譲受
人が開発しており、これはボルト止めした組立品中でマ
グネシウムフランジが経験するクランプ負荷をシミュレ
ートする。Sieracki, E. G., Velazquez, J. J., and K
abri, K., "Compressive Stress Retention Characteri
stics of HighPressure Die Cracking Magnesium Alloy
s," SAE Technical Publication No. 960421 (1996)。
マグネシウム合金のＣＳＲ角形ブロック試料を、Ｍｇ試
料ブロック中の鋳造した穴を通してはめたねじ込み鋼ロ
ッド上の座金とナットとの間に挟む。荷重を試料にかけ
るために、ボルトの端部でナットを締める。鋼ロッドの
伸びを測定することで、クランプ負荷（圧縮応力）を決
定できる。試料に所望の圧縮応力を加え、恒温槽中に７
５０〜１０００時間まで置く。もちろん試料が荷重下で
降伏する（すなわちクリープ現象を起こす）につれて、
鋼ロッドはより短くなる。

【００１５】ＡＥ４２のダイカスト製のＣＳＲ試験片に
関するミクロ構造分析によって、圧縮応力保持における
耐クリープ性と試験後のミクロ構造との間の相関が明ら
かになった。ダイカスト製の試験片のミクロ構造は、本
質的にマグネシウム樹枝状晶及びＡｌ₁₁Ｅ₃のラメラ樹
枝状晶間相からなった。ラメラＡｌ₁₁Ｅ₃相は、ＣＳＲ
試料のミクロ構造において優位を占めていた。

【００１６】１５０℃を超えると、耐クリープ性は劣化
した。１５０℃を超えるＡＥ４２の耐クリープ性におけ
る破壊は、この合金のミクロ構造における相変化を伴う
ことが示されている；具体的には、Ａｌ₁₁Ｅ₃の分解と
Ａｌ₂Ｅ及びＭｇ₁₇Ａｌ₁₂の形成である。Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂
は低溶融温度相であり、市販の合金ＡＺ９１Ｄ、ＡＭ６
０、及びＡＭ５０中に存在し、こうした合金の不満足な
クリープ挙動はこの相に起因すると考えられる。こうし
た結果は、Ａｌ ₁₁Ｅ₃の熱安定性を高めることが、ＡＥ
４２の耐クリープ性を１５０℃を超える温度にまで拡大
するための手段となるかもしれないことを示唆した。ま
た、Ａｌ ₁₁Ｅ₃型強化相も形成するより高価でない元素
でＡＥ４２中の希土類元素を置き換えることによってよ
り低コストの耐クリープ合金を開発する可能性も示唆さ
れた。

【００１７】Ａｌ₁₁Ｅ₃型相は、Ａｌ−アルカリ土類
（Ｃａ、Ｓｒ、及びＢａ）化合物において報告されてい
る。３種のアルカリ土類のうち、カルシウムはポンド当
りコスト基準で最も高価でない。これはまた、最も低い
密度と原子量とを有し、その結果「Ｃａの原子当りのコ
スト」はＳｒまたはＢａのものよりもかなり低い。こう
した理由で、この研究のためにＣａを選択した。析出物
を変更し合金をさらに改良するために、ストロンチウム
とケイ素とを、この研究において可能な第４の元素添加
として含めた。

【００１８】以前の研究では、ＣａはＭｇ−Ａｌ合金に
耐クリープ性を与えると報告されているが、また、生成
した合金は鋳造が困難であることも報告されており、と
いうのは鋳物はダイに融着（stick）し、高温割れする
傾向があるからである。幾人かの研究者はダイ融着と高
温割れとを防ぐために、Ｃａレベルを０．５％未満に制
限した。こうした鋳造の問題はまた、亜鉛を加えること
によって低減されたが、生成した合金は、１５０℃まで
でしか満足な耐クリープ性を実現しなかった。

【００１９】従来技術の合金の欠陥を解決するため、マ
グネシウム−アルミニウム−カルシウム基合金の群を作
製した。実験手順組成の範囲と溶融体の作製合金をコールドチャンバダイカストで鋳造した。鋳造し
た組成物を表１に示す。合金化において使用した金属
は、ＡＭ５０、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｓｒ（Ｓｒ１０−Ａ
ｌとして）、及びＳｉ（約１％のＳｉを含むＡＳ４１合
金として）だった。歩留りは９５％を超えた。表には報
告していないが、各合金はまた、約０．３重量％までの
マンガン、並びに非常に少量の鉄、ニッケル及び銅を含
んだ。

【００２０】

【表１】

【００２１】溶融及び合金化は、ＳＦ₆カバーガスを用
いて行った。ダイ設計及び鋳造条件上記の新規で従来鋳造されていない合金のために制作し
た第１のダイ鋳ぐるみは、４つのキャビティを含んだ：
直径１２mmの１つの引張用の棒、直径６mmの１つの引張
用の棒、２つのそれぞれ１２及び１６mm厚さで３８mmの
角形の圧縮応力保持（ＣＳＲ）用のクーポンである。最
初は鋳型に充填するのが困難だった。両方の引張用の棒
のキャビティは、ポロシティ及び湯回り不良を示した。
湯口系への変更を行ったが、充填は改良しなかった。Ｃ
ＳＲ用クーポン及び少数の６mmの引張用の棒のみが試験
に適していた。加えて鋳造手順は、試料中に大きな介在
物を生じた。

【００２２】第２の組のダイカスト実験の前に、ダイ鋳
ぐるみを修正した。特に、引張用の棒にエンドゲートを
用い（end-gated）、６mm厚さのＣＳＲ用クーポンは系
から成形した（blocked out of the system）。こうし
た変更を行って、鋳物の健全性を改良した。異なるダイ
カストユニット（７００トンLester装置）を用い、これ
はより良好に計装されており（QPC Princeダイ温度制
御）、鋳造条件をより良好に制御した。溶融温度を１２
５０°F（６７７℃）プラス／マイナス５°Fで制御し、
ダイ表面温度は約６６０°F（３５０℃）に維持した。
鋳ぐるみの設計、鋳造条件及び手順の変更によって、良
好な鋳物が得られた。この研究において報告する特性
は、第２の群の鋳造した試料について測定したものであ
る。

【００２３】第３の組の鋳造の試みにおいて、下記に示
すマグネシウム合金を使用してノート型コンピュータの
ケースを鋳造した：

【００２４】

【表２】

【００２５】こうした組成物（表１の合金と区別するた
めに、各合金の前に*で識別した合金）を、前のように
溶融体中で合金化した。ノート型コンピュータのケース
をアルミニウム用に設計したが、幾分修正してＡＺ９１
Ｄを鋳造した。部品設計もダイ中の湯口及び湯道系の設
計もさらに変更することはせずに、溶融温度１２５０°
F（６７７℃）と１２９０°F（６９９℃）の間でケース
を合金から鋳造した。試験片の分析誘導結合プラズマ／原子吸光分光法（ＩＣＰ／ＡＥＳ）
を使用して、試料の化学的性質を各鋳物組成物に関して
測定した。Ｘ線回折（ＸＲＤ）を使用して、ミクロ構造
における相を同定した。α−Ｍｇの格子定数と重量％と
をリートベルト法を使用して計算した。追加のミクロ構
造分析は、エネルギー分散型分光法及び電子線回折を用
いた分析電子顕微鏡法（ＡＥＭ）を使用して行った。Ａ
ＥＭ用の試料はイオンミリングによって作製した。クリープ試験クリープ強度は、特定の時間と所定の温度とにおいて特
定の量のクリープを生じるのに必要な応力である。これ
は、長時間における限定されたクリープ変形のために、
材料の耐荷重能力（load-carrying ability）を評価す
るために設計技術者がしばしば必要とするクリープパラ
メータである。一般的な方法として、１００時間と所定
の温度とにおいて０．１％の全クリープ伸び（total cr
eep extension）を生じる応力として、クリープ強度を
報告する。本発明のマグネシウム合金に関し、これと他
のクリープデータを下記に報告する。

【００２６】引張クリープ試験を１５０℃、１７５℃、
及び２００℃で行った。各試験用の試料は、Ｘ線検査に
よって決定した鋳造品質に基づいて選択した。ねじ山を
直径６mmの引張用の棒のグリップ領域内に機械加工し
て、引張用の棒を試験用取付具中に保持できるようにし
た。引張クリープ試験を一定荷重、一定温度条件下で行
った。１００hの間、試験温度における全クリープ伸び
を記録し、クリープ曲線の第一次及び第二次領域も記録
した。

【００２７】圧縮クリープを、１５０℃及び１７５℃に
おける圧縮応力保持（ＣＳＲ）測定によって特徴付けし
た。ＣＳＲは、合金のボルト荷重保持性能をシミュレー
トするもので、動力伝達系列構成要素にボルト止めした
部品の完全性に関する、動力伝達系列構成要素の臨界機
能試験である。腐食挙動数種類かの金属系に関する１０年の腐食への露出に相当
するものをシミュレートするための、周期的条件（塩溶
液、様々な温度、湿度、及び周囲環境）の組合せを用い
た加速実験室腐食試験（General Motors試験ＧＭ９５
４０Ｐ）を使用して、ＣＳＲ試料を評価した。この試験
は、ＡＣＸ合金とＡＺ９１Ｄの腐食挙動を比較する基礎
として役立つと思われると結論付けられた。鋳造性の等級付け鋳物を目視及びＸ線によって検査した。幾つかの部品の
薄片を作って、高温割れ対低温割れ等の欠陥型を確認し
た。存在した各欠陥には、０（最も重い）から５（欠陥
が無い）の範囲にわたる重大度のレベルを与えた。結果
及び検討引張クリープ挙動図１は、合金ＡＣ５２に関して、一定荷重及び一定温度
の試験から得られた典型的なクリープひずみ対時間曲線
である。図１に示すように、全クリープ伸び（ε_t）
は、一定荷重下で所定の温度における特定の時間の間の
材料の全時間依存性ひずみ（クリープひずみ）の尺度と
なるもので、マグネシウム合金に関するクリープ特性を
報告するために文献において最も頻繁に使用されるパラ
メータである。図１はまた、ＡＣ５２合金が、大部分の
他の金属及び合金のように、クリープの２つの段階、す
なわち第一次または遷移クリープ及び第二次または定常
クリープを呈することを示す。かかる合金に関する第一
次及び第二次クリープひずみ（それぞれε₁及びε₂）は
以下の式によって説明できる： ε₁＝αｔ^b ε₂＝ｃ＋ｄｔ式中、ｔは時間であり、ａ、ｂ、ｃ及びｄは定数であ
る。これらの４つの定数の中で、ｄは第二次クリープ速
度を表わし、クリープ曲線から得られる最も重要な設計
パラメータである。ε_t及びｄのデータの両方を、以下
の表３においてかかる合金に関して報告する。表４は、
１７５℃における引張クリープ強度を報告する。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】上記の両方の表で分かるように、ＡＥ４２
及びＡＳ合金と比較すると、各ＡＣＸ合金は引張クリー
プ強度が高められていた。新しい合金は各々、１５０℃
でＡＥ４２よりも少なくとも２０％大きいクリープ強度
を有した。この温度におけるＡＥ４２の０．１％クリー
プ強度は、９．４ksiである；すなわち荷重９．４ksi、
１５０℃でのＡＥ４２の全クリープ伸びは、１００hrの
間に０．１％未満になろう。１２ksiにおいて（２８％
大きい荷重）、ＡＣＸ合金のクリープひずみは平均で
０．０５％であり、ＡＥ４２試験片のものの半分未満で
ある。１７５℃では、ＡＣＸ合金はＡＥ４２よりもほぼ
５０％良好である。このクリープデータは、約０．１５
％を超えるＳｒを用いたマイクロアロイングはさらに耐
クリープを改良するが、その効果は非常に小さいという
ことを示している。Ｓｉに関して得られた限定されたデ
ータは、著しい効果を示していない。圧縮クリープ挙動上述のように、耐圧縮クリープ性（compressive creep
resistance）は、ブロック材料に関する重要な基準であ
り、というのはこれは、組み立てたエンジン中にボルト
がどのくらいしっかり残っているかの尺度だからであ
る。圧縮応力保持（ＣＳＲ）によって測定したところ、
ＡＣＸ合金はＡＥ４２よりもはるかに良好である（図２
及び３を参照されたい）。これらの図においては、ＣＳ
Ｒは、ボルト止めした試料中に残る荷重のパーセント
（伸び）として提示され、示された温度における最大７
５０hrまでの露出時間の関数である。ＡＺ９１Ｄ及びア
ルミニウムＡ３８０に関して以前に発表されたＣＳＲ挙
動を、比較のために図に含ませてある。

【００３１】１５０℃、７５０時間で、ＡＥ４２は初期
荷重の５８％を保持し、一方、ＡＣＸ合金のＣＳＲは６
８％〜８２％の範囲にわたり、全てＡＥ４２より良好だ
った。１７５℃で、ＡＥ４２のＣＳＲはかなり下がって
４０％になった。これは、Ａｌ₁₁Ｅ₃の分解とそれに続
くＭｇ₁₇Ａｌ₁₂の形成が原因である。ＡＣＸ合金は温度
の上昇によって同じ劣化を示さない。これは、１５０℃
で保持したものとほぼ同量の荷重を保持し、６５％対７
２％だった。引張クリープの結果の場合のように、Ｓｒ
を加えることは耐クリープ性をさらに改良するようだ
が、その効果はＣＳＲ結果においてはるかにより明らか
である。実際、ＳｒマイクロアロイングしたＡＣ５３試
料は、市販のアルミニウム鋳造合金Ａ３８０とほとんど
同程度に良く機能した。

【００３２】図４は、砂型鋳造した際及びダイカストで
鋳造した際の、ＡＣ５３合金に関する、７５０時間の間
のＣＳＲ試験の結果を要約する。また要約するのは、永
久鋳型内で鋳造したＡＣ５３＋０．５Ｓｉ合金に関する
ＣＳＲデータ、並びにダイカストで鋳造した際のＡＣ５
３＋０．３Ｓｉ＋０．１Ｓｒ合金に関するデータであ
る。こうした結果は、砂型鋳造または永久鋳型鋳造法に
よって作製されたＡＣＸ合金は、ダイカストした合金の
ものと同様の耐クリープ性を有することを示唆する。腐食挙動ＡＣＸ合金は、エンジン及び変速装置用途に使用するた
めの優れた耐クリープ性を有する。他の主要な性能に関
する懸念は、その腐食挙動である。かかるＡＣＸ合金
を、１０年相当の加速腐食試験における基準としてのＡ
Ｚ９１Ｄと本明細書において比較した。データを以下の
表５に要約する。

【００３３】

【表５】

【００３４】表５によると、Ｓｒを用いてマイクロアロ
イングしたＡＣＸ合金はＡＺ９１Ｄと同程度に良く機能
することが示される。２つの独立した試験系列にわたっ
て、ＡＺ９１Ｄでは平均で０．５％の重量損失だった。
ＡＭ５０はＡＺ９１Ｄとほぼ同程度に良く機能した。Ｘ
が０．０５％〜０．１％の範囲のＳｒであるようなＡＣ
Ｘ合金も、このレベルの耐食性を実現した。データによ
ると、Ｓｒレベルを上げることで耐食性を改良したこと
と、Ｓｉは有害であるらしいこととが示される。個々の
結果によりばらつきがあったので、２％対３％のＣａの
影響は明白ではない。各系列において報告された各々の
値は、概して３つの試料の平均だった。

【００３５】腐食試験における他のデータは、Ｍｇの腐
食速度に鉄含有量が及ぼす影響について得た教訓を再確
認するものである。鉄は、Ｎｉ及びＣｕのように、ＡＺ
及びＡＭ合金の腐食速度をかなり増大させる。マグネシ
ウムの腐食を最小にする鍵は、鉄、ニッケル、及び銅の
存在を最小にすることである。ミクロ構造及び鋳物の特徴付けこの研究の初期の段階においては、Ｍｇ−Ａｌ−Ｃａ三
元体（ternary）をミクロ構造の特徴に関して調査する
ために、溶融体にＣａを連続的に加えた後に、Ｍｇ−４
％Ａｌ溶融体からピン試料を引き抜いた。ピン試料を集
めるために、溶融体から直径５mmのガラス管の中へ真空
吸引した。Ｃａが１％未満の場合、ＸＲＤ図形において
α−Ｍｇのみを同定した。Ｃａが１％及び１％を超える
場合、第２の相であるＭｇ₂Ｃａも同定し、その量は、
溶融体中のＣａレベルが上昇するにつれて増大した。観
察された格子定数の移動は、相中のＭｇ位置上のＡｌの
置換、すなわち（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａと矛盾しない。溶
融体のＣａ含有量が増大するにつれて、格子定数はより
低い置換の方向、すなわち相中でよりＡｌが少ない方向
に移動した。しかしながら、同時にこの相の量は、ゼロ
からほぼ２０％に増大した。これは、第一次ＭｇからＭ
ｇ−Ａｌ−Ｃａ三元体へのＡｌの移動を生じると思われ
る。

【００３６】対応して、Ｃａ含有量が増大してα−Ｍｇ
の量が１００％から８０％に低下するにつれて、Ｍｇ相
もその格子定数が変化し、このことは、この相における
溶液からのＡｌの除去に対応した。

【００３７】新しい金属間相である（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃ
ａは、比較的に高い融点（７１５℃）を有し、良好な熱
安定性を示す。これは、マグネシウムマトリックスと同
じ結晶構造（六方晶）とＭｇ／（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ界
面における小さな格子不整合（３％〜７％）とを有し、
整合な界面を生じる。（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａの熱安定性
と界面整合性との両方は、マグネシウム結晶粒界におけ
るピンニング効果（pinning effect）を与え、それによ
って合金の耐クリープ性を改良する。

【００３８】他の相は同定されず、Ａｌ₄Ｃａ及びＭｇ
₁₇Ａｌ₁₂の証拠は検出されなかった。しかしながらこう
した結果は、上述のように、ダイカストの凝固速度をシ
ミュレートするためにのみ使用されたピン試料の分析に
基づくものである。ダイカストしたＡＣ５３のそれに続
くＡＥＭ分析によって、合金の共晶領域における三元ラ
メラが明確に明らかになった。こうしたラメラは六方晶
系Ｍｇ₂Ｃａ相構造を有し、そのＭｇ原子の約半分がＡ
ｌで置き換えられていた。従ってＡｌ₄Ｃａは検出され
ず、同時にＭｇ₁₇Ａｌ₁₂も検出されなかった。このこと
とα−Ｍｇ中にＡｌ固溶体の無いこととによって示され
るのは、Ｃａは合金からＡｌを機能的に除去するその役
割をなお果たし、Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂の形成を防いでおり、そ
れによって改良された耐クリープ性の原因となるという
ことである。鋳造性及び鋳造品質本発明のＡＣＸ合金は、優れた耐クリープ性、耐食性、
及び引張特性を有する。これは希土類元素を必要としな
いので、こうした合金はＡＺ９１Ｄよりも高価ではない
と見積もられる。鋳造性は追加の要件である。

【００３９】現在までのところ、ＡＣＸ合金を用いたダ
イカスト実験においては、優れた鋳造性が示された。研
究は、小さな単純な部品、例えば引張用の棒及び圧縮応
力保持試料の鋳造に限定されているが、こうした鋳物に
よって、ダイ融着、高温割れ、及び流動性（ダイの薄い
部分を充填する能力の尺度）等の鋳造性パラメータの評
価が可能になる。ダイ融着は、Ｃａが低い合金組成物に
限定されており、Ｃａレベルが２％を超えた場合には起
きなかった。小さな試料によってさえも、高温割れがあ
れば部品の表面状態によって示されただろう。全ての試
料は平滑な表面を示し、割れの証拠は示されなかった。
時々中心線のポロシティが引張用の棒において検出され
たが、これは、ダイ温度を上昇することで除去した。そ
れ以外の点では鋳物は概して健全だった。

【００４０】コンピュータケース用ダイ内での合金の鋳
造性に関して、幾つかの欠陥型が確認された。欠陥の多
くは、部品設計の変更、湯口及び湯道系の設計の変更、
または鋳造パラメータの変更によって除去されると思わ
れるが、こうした因子を全て一定に保持して、合金組成
が鋳造性に及ぼす影響のみを評価した。図５〜７による
と、欠陥重大度は一般に組成に敏感であることが示され
る。特に、湯境、鋳物表面の汚染（staining）、高温割
れ、ダイ融着及びダイへの鋳物の焼き付き（solderin
g）は全て、１％のＣａをＡＭ５０に加えた場合にはよ
り重くなる。もちろんＡＭ５０は、良質なダイカストま
たは永久鋳型鋳造合金として認められている合金であ
る。しかし、Ｃａレベルを〜２％に上げた場合に欠陥は
減少する。こうした結果は、引張及びクリープ試験片の
みを鋳造した先の鋳造の試みと一致していた。湯回り不
良及び収縮の場合には、Ｃａを用いた合金化（Ｓｒを用
いるかまたは用いずに）の効果はより小さい。Ｃａの最
適レベルは約２％である。このレベルはまた耐クリープ
性及び耐食性に関しても最適である。Ｓｒは耐クリープ
性及び耐食性に関して有益なことが示されているが、鋳
物欠陥に及ぼすその影響はごくわずかである。

【００４１】こうした実験に基づいて、小さな部品に関
するこうした合金の鋳造性は優れており、少なくともＡ
Ｚ９１Ｄのものと同程度に良好であると、また、薄肉部
品であるノート型コンピュータのケースに関しては、合
金の鋳造性はＡＭ５０のものとほぼ同じであると結論付
けられた。ＡＺ９１Ｄはノート型の鋳造の試みにおいて
鋳造しなかったが、供給業者の従来の経験では、ケース
はＡＺ９１Ｄを用いて成功裏に鋳造できたことが示され
ている。

【００４２】本発明を幾つかの特定の実施例に関して説
明してきたが、当業者であれば他の形態を容易に適合さ
せることができることは了解できよう。従って本発明の
範囲は、請求の範囲によってのみ限定されるとみなすべ
きである。

【図面の簡単な説明】

【図１】１５０℃、１７５℃及び２００℃の一定温度
で、それぞれ１２ksi、１０ksi及び８ksiの一定荷重下
での、マグネシウム−アルミニウム（５％）−カルシウ
ム（２％）合金に関するクリープひずみ曲線のグラフで
ある。

【図２】ダイカストした市販のアルミニウム合金３８
０、市販のマグネシウム合金ＡＥ４２及びＡＺ９１Ｄ並
びに本発明の様々なＡＣＸ合金の、１５０℃で７５０時
間までの時間の間の圧縮応力保持のグラフである。

【図３】ダイカストした市販のアルミニウム合金３８
０、市販のマグネシウム合金ＡＥ４２及びＡＺ９１Ｄ並
びに本発明の様々なＡＣＸ合金の、１７５℃で７５０時
間までの時間の間の圧縮応力保持のグラフである。

【図４】様々に鋳造したＡＣＸ合金の、１５０℃及び１
７５℃で７５０時間の間の圧縮応力保持のブロックグラ
フである。

【図５】非常に良好な鋳造特性を有するとみなされてい
る市販のマグネシウム合金であるＡＭ５０、ＡＣ５１合
金及び様々なＡＣＸ合金に関する鋳造性の等級付け（湯
回り不良、湯境及び汚染に関して）のブロックグラフで
ある。

【図６】ＡＭ５０合金、ＡＣ５１合金及び様々なＡＣＸ
合金に関する鋳造性の等級付け（収縮及び割れに関し
て）のブロックグラフである。

【図７】ＡＭ５０合金、ＡＣ５１合金及び様々なＡＣＸ
合金に関する鋳造性の等級付け（融着及び焼き付きに関
して）のブロックグラフである。

フロントページの続き (72)発明者ヴァディム・レズヘッツアメリカ合衆国ミシガン州48328，ウォーターフォード，ロスデイル 1440 (72)発明者アイフア・エイ・ルオアメリカ合衆国ミシガン州48307，ロチェスター・ヒルズ，ウッドサイド・コート 278 (72)発明者バサント・エル・ティワリアメリカ合衆国ミシガン州48310，スターリング・ハイツ，ドビン・ドライブ 3464

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属鋳型内で耐クリープマグネシウム合
金鋳物を製造する方法であって、重量で３％〜６％のア
ルミニウムと、１．７％〜３．３％のカルシウムと、０
％〜０．２％のストロンチウムと、０．３５％までのマ
ンガンと、マグネシウムとから本質的になる溶融合金を
用いて前記鋳型に充填することと、前記鋳型内で前記合
金を凝固させることと、を含む前記方法。
【請求項２】前記溶融合金は、重量で３％〜６％のア
ルミニウムと、２％〜３％のカルシウムと、０．０５％
〜０．１５％のストロンチウムと、マグネシウムとから
本質的になる、請求項１に記載の耐クリープマグネシウ
ム合金鋳物を製造する前記方法。
【請求項３】前記鋳物は（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ相を含
む、請求項２に記載の耐クリープマグネシウム合金鋳物
を製造する方法。
【請求項４】前記溶融合金は、重量で３％〜６％のア
ルミニウムと、１．７％〜３．３％のカルシウムと、
０．０１％〜０．２％のストロンチウムと、０％〜０．
３５％のケイ素と、０．３５％未満のマンガンと、０．
００４％未満の鉄と、０．００１％未満のニッケルと、
０．０８％未満の銅と、残余の、重要でない不純物を別
にして、マグネシウムとを含む、請求項１に記載の耐ク
リープマグネシウム合金鋳物を製造する方法。
【請求項５】前記合金は０．０５％〜０．１５％のス
トロンチウムを含む、請求項４に記載の耐クリープマグ
ネシウム合金鋳物を製造する方法。
【請求項６】前記合金は（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ相を含
む、請求項４に記載の耐クリープマグネシウム合金鋳物
を製造する方法。
【請求項７】耐クリープマグネシウム合金鋳物を製造
する方法であって、溶融マグネシウム合金をダイキャビ
ティ内に押し込むことと、該キャビティ内の前記合金を
冷却して凝固させてそれを前記鋳物にすることと、その
ような冷却及び凝固の最中に前記溶融合金に圧力をかけ
ることと、を含み、前記合金は、重量で３％〜６％のア
ルミニウムと、１．７％〜３．３％のカルシウムと、０
％〜０．２％のストロンチウムと、０％〜０．３５％の
ケイ素と、０．１〜０．３５％のマンガンと、０．００
４％未満の鉄と、０．００１％未満のニッケルと、０．
０８％未満の銅と、残余の、重要でない不純物を別にし
て、マグネシウムとを含む組成を有する、前記方法。
【請求項８】前記合金は０．０５％〜０．１５％のス
トロンチウムを含む、請求項７に記載の耐クリープマグ
ネシウム合金鋳物を製造する方法。
【請求項９】前記鋳物は（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ相を含
む、請求項７に記載の耐クリープマグネシウム合金鋳物
を製造する方法。
【請求項１０】溶融マグネシウム合金を金属ダイキャ
ビティ内に押し込むことと、該キャビティ内の前記合金
を冷却して凝固させてそれを鋳物にすることと、そのよ
うな冷却及び凝固の最中に前記溶融合金に圧力をかける
ことと、によって製造される耐クリープマグネシウム合
金圧力鋳物であって、前記合金は、重量で３％〜６％の
アルミニウムと、１．７％〜３．３％のカルシウムと、
０％〜０．２％のストロンチウムと、０％〜０．３５％
のケイ素と、０．３５％未満のマンガンと、０．００４
％未満の鉄と、０．００１％未満のニッケルと、０．０
８％未満の銅と、残余の、重要でない不純物を別にし
て、マグネシウムとを含む組成を有する、前記圧力鋳
物。
【請求項１１】０．０５〜０．１５％のストロンチウ
ムを含む、請求項１０に記載の耐クリープマグネシウム
合金圧力鋳物。
【請求項１２】（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ相をさらに含
む、請求項１０に記載の耐クリープマグネシウム合金鋳
物。
【請求項１３】溶融マグネシウム合金を金属鋳型キャ
ビティ内に注ぐことと、該キャビティ内の前記合金を冷
却して凝固させてそれを鋳物にすることと、によって製
造される耐クリープマグネシウム合金圧力鋳物であっ
て、前記合金は、重量で３％〜６％のアルミニウムと、
１．７％〜３．３％のカルシウムと、０％〜０．２％の
ストロンチウムと、０％〜０．３５％のケイ素と、０．
３５％未満のマンガンと、０．００４％未満の鉄と、
０．００１％未満のニッケルと、０．０８％未満の銅
と、残余の、重要でない不純物を別にして、マグネシウ
ムとを含む組成を有する、前記圧力鋳物。
【請求項１４】０．０５〜０．１５％のストロンチウ
ムを含む、請求項１３に記載の耐クリープマグネシウム
合金鋳物。
【請求項１５】（Ｍｇ，Ａｌ）₂Ｃａ相を含む、請求
項１３に記載の耐クリープマグネシウム合金鋳物。