JPH04323338A - Ｍｇ２ Ｓｉ含有合金の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、Ｍｇ２　Ｓｉを含み
、金属間化合物Ｍｇ２　Ｓｉ相が一次凝固すると共に、
微粒結晶性、不均質性および延性を備えた合金の溶融冶
金的製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】金属間化合物相をベースとする材料は、
それ自身のなかに金属的性質とセラミック的性質を兼ね
備えている。例えば、熱伝導性が良いこと、溶融温度が
高いことおよび部分的ながら満足すべき延性を有するこ
とである。

【０００３】したがって金属間化合物相をベースとする
材料は、従来の耐熱性金属材料と、耐熱性は有るが脆性
を有するセラミックとの間の中間領域を埋める材として
適しているように思われる。

【０００４】上記の諸性質は、材料が改良されると運転
温度が向上し、従って熱効率の向上が可能になるガスタ
ービンおよび内燃機関に特に関係が有る。またこの諸性
質は、高温度で腐食性の大きい物質が関与するような反
応に使用される化学装置にも関係がある。またその結果
として生まれるエネルギー利用度の改善は、はかりしれ
ない程の大きな意義を持つ。

【０００５】上記金属間化合物相をベースとする材料に
ついての従来の考えは、特にガスタービン翼のようなも
のを１１００℃またはそれ以上の運転温度で使用すると
いう課題に向っていた。それ故従来は、特にＴｉＡｌ（
融点１４６０℃）およびＮｉＡｌ（融点１６３８℃）で
例示されるような高融点化合物に関心が払われてきた。

【０００６】ところでピストン式内燃機関の場合には、
部品温度はずっと低くて、現在では例えばピストン頭部
においてさえ約３００℃であるが、種々の境界条件に制
約されて思いどうりに温度を高めることができない。し
たがって、もし特に高荷重のかかる部分の温度を１００
ないし２００℃程度高めることができれば、これは画期
的な進歩と云えるだろう。なおセラミック材料は、この
ような目的に適した材料であるが、特に重量が大きいと
云う難点、あるいは成形に手間が掛かり製造コストが高
くなると云う難点を有する。

【０００７】ＤＥ３７０２７２１Ａに記載の金属間化合
物相合金Ｍｇ２　Ｓｉは、従来の軽金属材料と比較する
と同等の密度を有し、また熱間強度が高く、しかも成形
性が良好で、製造が容易である。またこの合金の融点は
１０９２℃で、密度は１．９５ｇ／ｃｍ３　あり、実質
的に均質な領域をほとんど有していない。

【０００８】ところでＭｇ２　Ｓｉは、常温でＨＶ４５
０、３６０℃でＨＶ１８０という高い硬度を有し、また
常温で７×１０−６Ｋ−１、３６０℃で１２×１０−６
Ｋ−１という低い熱膨張係数を有する。また高温ガスに
対しては良好な耐蝕性を有する。

【０００９】したがってこの材料は、高い熱的および機
械的負荷に曝される内燃機関の構造部分の製造、特に内
燃機関の燃焼室のライニング部分やピストンの製造に適
している。なおＭｇ２　Ｓｉの常温圧縮強度は１６００
ｍＰａである。

【００１０】Ｍｇ２　Ｓｉで作られる成形体の脆性を減
少させ、またその延性を向上させるには、結晶の微粒化
（Ｋｏｒｎｆｅｉｎｕｎｇ）が望ましい。そしてこれは
、４２重量％までのアルミニウムおよび／または２２重
量％までのケイ素を添加することによって可能となる。

【００１１】次に上記Ｍｇ２　Ｓｉ合金の組成は、アル
ミニウム−マグネシウム−ケイ素の三元系において、共
晶谷（ｅｕｔｅｋｔｉｓｃｈｅ　　Ｒｉｎｎｅ）、擬似
二元系断面（ｑｕａｓｉｂｉｎａｅｒｅｒ　　Ｓｃｈｎ
ｉｔｔ）および４２重量％によって規定される面内に在
ることが好ましい。

【００１２】また、上記延性は、上記ケイ素をゲルマニ
ウム、錫、鉛のうちの１つ又は１つ以上、またはこれら
と物理化学的性質の類似した複数の元素の０．１〜１０
重量％と置換することによってさらに改善することがで
きる。

【００１３】また上記結晶の微粒化は、結晶化促進剤（
Ｋｒｉｓｒａｌｌｉｓａｔｏｒ）、たとえばホウ素、チ
タン、リチウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウ
ム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデンおよびタン
グステンの一種または複数種を０．０１ないし１重量％
の割合でＭｇ２　Ｓｉに添加することによっても可能で
ある。さらにＭｇ２　Ｓｉの上記硬度は、ニッケル、銅
および／またはセリウムの添加によってさらに改善する
ことができる。

【００１４】最後にＭｇ２　Ｓｉ合金の溶融冶金的製造
は、不活性気体雰囲気中で通常のるつぼ材料を使用し、
２０ないし５０℃の加熱を与えながら行う。なお鋳型材
料には、特に鉄または銅が使用される。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
にして製造されたＭｇ２　Ｓｉ合金は、Ｍｇ２　Ｓｉ結
晶子（Ｋｒｉｓｔａｌｌｉｔ）が樹枝状組織を持つ凝固
体であり、また結晶子の平均粒径は、最大２００μｍ程
度となる。

【００１６】さらに軽金属、例えばアルミニウムおよび
マグネシウムのごとき金属と組合された不均質なＭｇ２
　Ｓｉ合金では、上記結晶子が上記アルミニウム又はマ
グネシウムのマトリツクス内で明らかに不均質に分布さ
れる。そしてこのような合金では、その成分内気体溶解
度、特に水素ガス溶解度が高くなるから、過共析濃度（
ｕｅｂｅｒｅｕｋｔｉｓｃｈｅ　　Ｋｏｎｚｅｎｔｒａ
ｔｉｏｎ）を実現するのは容易ではない。

【００１７】さらにこのようなＭｇ２　Ｓｉ合金は、Ｍ
ｇ２　Ｓｉ含量が３０モル％以上の場合に、特に銅鋳型
を使用し、しかも１０４Ｋ×Ｓ−１を超える高い冷却速
度で凝固させても、甚しい気孔を生じる傾向がある。

【００１８】本発明は、Ｍｇ２　Ｓｉ合金の溶融冶金的
製造方法において、Ｍｇ２　Ｓｉ結晶子の樹枝状組織の
生成を抑止すると共に、このＭｇ２　Ｓｉ結晶子の最大
平均粒径を３０μｍ又はそれ以下にすることが可能な製
造方法を提供するものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は、Ｍｇ２　Ｓｉ
を含み、金属間化合物Ｍｇ２　Ｓｉ相が一次凝固すると
共に、微粒結晶性、不均質性および延性を備えた合金の
溶融冶金的製造方法において、上記合金の溶融体に０．
０５〜２．００重量％のリンを配量するＭｇ２　Ｓｉ含
有合金の製造方法に係るものである。

【００２０】本発明によると、上記合金の溶融体が凝固
する際に、先づリンを含む極微小な結晶核が生成される
。そしてこの結晶核のまわりにＭｇ２　Ｓｉ結晶子が一
次凝固する。したがってＭｇ２　Ｓｉ結晶子の粒径最大
値は３０μｍを超えない。とり分け１３〜１５μｍの範
囲に存在する。

【００２１】これは、不均質でかつ結晶核となるリン化
物が生成されることによって、結晶が微粒化するという
ことである。このリン化物は、上記金属溶融体内に微細
に分散して存在し、またＭｇ２　Ｓｉ結晶子は、凝固に
際してこのリン化物上に、包晶反応の結果として晶出す
る。かくして結晶の微粒化が、付加的結果として発生す
る。

【００２２】上記リンの配量は、０．１５〜０．３０重
量％の範囲にあるのがよい。その結果として上記合金組
織内に、Ｍｇ２　Ｓｉの最適な微細結晶子を得ることが
できる。そして、上記配量が０．１５重量％を下廻ると
、リンによる結晶微粒化作用が僅かに低下し始めるだろ
うから、Ｍｇ２　Ｓｉ結晶子の最大平均結晶粒径が、上
記合金の凝固に際して増大することになろう。またその
結果として、樹枝状組織が増加するであろう。なお上記
配量が０．０５重量％よりも小になれば、上記結晶微粒
化作用は認められない。

【００２３】次に高い蒸気圧を持つリンが、上記Ｍｇ２
　Ｓｉ合金の溶融体から蒸発されないように、上記リン
はカプセルに入れて上記溶融体に加えられるのがよい。

【００２４】次に３０モル％又はそれ以上のＭｇ２　Ｓ
ｉを含む上記合金に０．３〜２．０重量％のリンを配量
するのがよい。かくして上記合金の気孔を減少させるこ
とができる。

【００２５】次に上記リンは、含リン共晶組成合金前駆
体、例えばＣｕＰ又はこれに類する物質と、あるいは含
リン塩、例えばリン化物、亜リン酸塩、リン酸塩又はこ
れらに類する物質と置換することができる。また時効硬
化性を改善するため、上記溶融体に５重量％はそれ以下
の銅を配量してもよい。

【００２６】ところでＭｇ２　Ｓｉ含有合金の溶融体を
高温に曝したり、過熱したりすると、リンと溶存水素間
の反応によって生成されるリン化物の蒸発が生じ、上記
溶融体の水素含量が減少する。したがってこの蒸発を制
御することによって、上記溶融体のリン濃度が、結晶微
粒化に必要な下限を下回らないようにしなければならな
い。

【００２７】また製造されるＭｇ２　Ｓｉ合金の時効硬
化性を改善するため上記Ｍｇ２　Ｓｉ合金の溶融体に５
重量％またはそれ以下の銅を配量するとよい。なおこの
銅の含有量が５重量％を超えると、脆化が起こり、また
耐蝕性や温度安定性も減少する。

【００２８】次に上記Ｍｇ２　Ｓｉ含有合金の溶融体に
は、１〜８５重量％のアルミニウムおよび／または２〜
５８重量％のケイ素を加えることができる。

【００２９】

【実施例】Ｍｇ２　Ｓｉ含有合金の溶融体から型体を製
造するため、一般的な材料、たとえば炭素又はアルミナ
−黒鉛から成るるつぼ中で上記合金成分を溶融した。

【００３０】次に攪拌効果および鋳込み能を改善するた
め、この溶融体を２０〜５０℃高い温度に過熱した後、
一般的な材料、例えば銅又は鉄から成りかつ水冷された
金型に鋳込んだ。なおこの鋳込操作は、不活性ガス流中
で行うのがよい。

【００３１】第２の例では先づマグネシウムの溶融体に
、４２重量％のアルミニウム、カプセルに収容した１重
量％のリンおよび２２重量％のケイ素を順に添加した。 次にこの溶融体をアルミナ−黒鉛るつぼ中で８７４℃、
すなわち液化温度より５０℃高い温度に加熱した。

【００３２】次に上記溶融体を不活性ガス流中で金型に
鋳込み、内燃機関用ピストンを製造した。

【００３３】

【発明の効果】本発明は上述のような構成であるから、
Ｍｇ２　Ｓｉ結晶子における樹枝状組織の発生を抑止で
きると共に、このＭｇ２　Ｓｉ結晶子の最大平均粒径を
３０μｍ又はそれ以下にすることができる。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｍｇ２　Ｓｉを含み、金属間化合物Ｍｇ２
   　Ｓｉ相が一次凝固すると共に、微粒結晶性、不均質性
   および延性を備えた合金の溶融冶金的製造方法において
   、上記合金の溶融体に０．０５〜２．００重量％のリン
   を配量することを特徴とするＭｇ２　Ｓｉ含有合金の製
   造方法。
2. 【請求項２】上記合金の溶融体に０．１５〜０．３０重
   量％のリンを配量する請求項１記載の製造方法。
3. 【請求項３】３０モル％又はそれ以上のＭｇ２　Ｓｉを
   含む上記合金の溶融体に０．３〜２．０重量％のリンを
   配量する請求項１記載の製造方法。
4. 【請求項４】上記リンをカプセルに入れて上記合金の溶
   融体中に加えることを特徴とする請求項１、２又は３記
   載の製造方法。
5. 【請求項５】上記リンの全部又は部分を含リン共晶組成
   合金前駆体、例えばＣｕＰ又はこれに類する物質と置換
   することを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の製
   造方法。
6. 【請求項６】上記リンの全部又は部分を含リン塩、例え
   ばリン化物、亜リン酸塩、リン酸塩又はこれらに類する
   物質と置換することを特徴とする請求項１、２、３又は
   ４記載の製造方法。
7. 【請求項７】上記合金の溶融体に５重量％又はそれ以下
   の銅を配量する請求項１、２、３、４、５又は６記載の
   製造方法。
8. 【請求項８】上記合金の溶融体が０．５〜８５重量％の
   アルミニウムおよび／又は２〜５８重量％のケイ素を含
   有する請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の製造
   方法。