JPH07122114B2 - ガドリニウム含有高強度マグネシウム合金 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は室温及び高温強度に優れ
たマグネシウム合金に関し、より詳しくは自動車エンジ
ンのピストン回りの部品などの軽量化において要請され
ている５７３Ｋ程度までの高温でも十分な強度を有する
マグネシウム合金に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年地球環境保全の意識の高まりから、
自動車の燃費向上の要請が強まり、自動車用軽量材料の
開発が強く求められようになってきた。

【０００３】マグネシウム合金は現在実用化されている
金属材料の中で最も低密度であり、今後の自動車用軽量
材料として強く期待されている。現在、最も一般的に用
いられているマグネシウム合金はＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍ
ｎ系合金（例えば、ＡＺ９１合金＝Ｍｇ−９Ａｌ−１Ｚ
ｎ−０．５Ｍｎ）であり、この合金の鋳造技術等の周辺
技術は完成段階にあり、自動車軽量化にあたって先ずこ
の合金が検討されている。また、最近、耐熱用マグネシ
ウム合金としてマグネシウムにランタノイド（Ｌｎ）を
添加したＭｇ−Ｙ−Ｌｎ系合金（例えば、ＷＥ５４＝Ｍ
ｇ−５Ｙ−４Ｎｄ）等が開発され、自動車用エンジン部
品として検討され始めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
Ｍｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金は３９３Ｋ以上で強度が
低下し、自動車エンジン部品の中でも耐熱性が要求され
る用途には適さない。また、上記の耐熱性Ｍｇ−Ｙ−Ｌ
ｎ系合金等のＬｎ含有合金においては、Ｌｎは重元素で
あるため溶湯中でＬｎが下部に偏る傾向があり、また鋳
造組織の微細化のために必須成分として用いられている
Ｚｒは添加歩留りが不安定であり、コスト高になるとい
う問題がある。更に、このようなＭｇ−Ｙ−Ｎｄ−Ｚｒ
系合金では、高価なＹを４重量％以上、Ｎｄを３重量％
以上含有するためコスト的に自動車などの量産用には使
いにくく、更に５７３Ｋで若干の強度不足である。

【０００５】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、耐熱
性と室温強度の両方が要求される自動車エンジン部品用
材料に適した新規な耐熱性高強度マグネシウム合金を提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記の課題
を解決するために種々検討を重ねた結果、マグネシウム
に適量のガドリニウムを添加することにより、室温及び
高温強度が向上することを見出し、また、カルシウム、
イットリウム及びランタノイド（ガドリニウムを除く）
からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素を併用す
ることによりガドリニウムの添加量を減少させても同等
の効果が得られることを見出し、本発明に到達した。

【０００７】即ち、本発明の室温及び高温強度に優れた
マグネシウム合金は、ガドリニウム１５〜２５重量％を
含有するか、又は（イ）ガドリニウム４〜１５重量％及
び（ロ）カルシウム、イットリウム及びランタノイド
（ガドリニウムを除く）からなる群から選ばれた少なく
とも１種の元素０．８〜５重量％を含有し、残部がマグ
ネシウムと不可避の不純物からなることを特徴とする。

【０００８】本発明の室温及び高温強度に優れたマグネ
シウム合金は、所望により、更に、ジルコニウム及びマ
ンガンからなる群から選ばれた少なくとも１種の元素２
重量％以下を含有することができる。

【０００９】本発明の室温及び高温強度に優れたマグネ
シウム合金は鋳造及びダイカスト部品の製造に用いるこ
とができる。

【００１０】本発明のマグネシウム合金においてガドリ
ニウムは室温及び高温強度、特に高温強度の向上に有効
な元素であり、その添加量の増加につれて強度が増大
し、１５重量％以上のガドリニウムの添加で５７３Ｋ程
度までの高温でも十分な強度を有するようになる。しか
し、２５重量％を越えて添加しても、添加量の増加に対
応した強度の増大は得られなくなり、コスト高となり、
従って技術的にあまり意味がない。本発明のマグネシウ
ム合金において合金成分としてガドリニウムのみを用い
る場合にはその添加量は１５〜２５重量％、好ましくは
１６〜２４重量％である。

【００１１】本発明のマグネシウム合金においては、カ
ルシウム、イットリウム及びランタノイド（ガドリニウ
ムを除く）（例えば、ネオジム、ランタン、セリウム、
ミッシュメタル）からなる群から選ばれた少なくとも１
種の元素を０．８〜５重量％添加することによりガドリ
ニウムの添加量を４〜１５重量％に減少させても、ガド
リニウムを１５〜２５重量％添加した場合と同じ効果を
得ることができ、コストを下げることができる。このよ
うな効果は添加量が０．８重量％以上の時に有意義にな
る。しかし添加量が５重量％を越えると合金が脆化し始
めるので好ましくない。このような態様のマグネシウム
合金においてはガドリニウムの添加量は４〜１５重量
％、好ましくは５〜１４重量％であり、カルシウム、イ
ットリウム及びランタノイド（ガドリニウムを除く）か
らなる群から選ばれた少なくとも１種の元素の添加量は
０．８〜５重量％、好ましくは１〜４重量％である。

【００１２】マグネシウム合金に一般に２重量％以下の
量で添加されているジルコニウム及び／又はマンガンも
本発明のマグネシウム合金に有効に用いることができ、
それらは組織の微細化に有効であり、強度を向上させる
効果がある。

【００１３】

【実施例】実施例１〜２１及び比較例１〜４ アルゴン雰囲気の真空溶解炉に、表１に示す組成の合金
となるように原材料を装入し、溶解させた。尚、ランタ
ノイド（ガドリニウムを除く）としてミッシュメタルを
用い、坩堝としてＳＵＳ３０４材を使用し、フラックス
等は使用しなかった。その溶湯を２５mm×５０mm×３０
０mmの金型中に鋳込んで試験用鋳物を作成した。このよ
うにして得た試験用鋳物からＪＩＳ４号試験片を作成し
た。なお、熱処理はいずれも５００Ｋ、１０時間であ
る。これらの試験片を用いて以下の試験を実施した： 引張試験：インストロン引張試験機によりクロスヘッド
速度１０mm/min、測定温度３００Ｋ及び５７３Ｋ、引張
強度の測定単位＝ＭＰａ。 測定結果は表１に示す通りであった。

【００１４】

【表１】 合 金 組 成 ３００Ｋ ５７３Ｋ 例番号 Ｇｄ Ｃａ Ｙ Ｍｍ Ｍｇ その他 引張強度 引張強度 実施例１ １６ − − − 残 − ３４０ ２３０ 実施例２ ２４ − − − 残 − ３６０ ２４０ 実施例３ ２０ − − − 残 Zr：１ ３５０ ２３５ 実施例４ ２０ − − − 残 Mn：１ ３５０ ２３４ 実施例５ ６ １ − − 残 − ３３０ ２１０ 実施例６ ６ ４ − − 残 − ３４０ ２３０ 実施例７ ６ − １ − 残 − ３３０ ２２０ 実施例８ ６ − ４ − 残 − ３４０ ２３５ 実施例９ ６ − − １ 残 − ３３０ ２１５ 実施例10 ６ − − ４ 残 − ３４０ ２２５ 実施例11 １４ １ − − 残 − ３５０ ２３５ 実施例12 １４ ４ − − 残 − ３６０ ２４０ 実施例13 １４ − １ − 残 − ３５０ ２４０ 実施例14 １４ − ４ − 残 − ３６０ ２４５ 実施例15 １４ − − １ 残 − ３５０ ２３０ 実施例16 １４ − − ４ 残 − ３６０ ２３５ 実施例17 １０ ２ ２ − 残 − ３５０ ２３０ 実施例18 １０ ２ − ２ 残 − ３５０ ２２５ 実施例19 １０ − ２ ２ 残 − ３５０ ２３５ 実施例20 １０ ２ − − 残 Zr：１ ３３５ ２３５ 実施例21 １０ ２ − − 残 Mn：１ ３３５ ２３５ 比較例１ １０ − − − 残 − ３１０ １１０ 比較例２ ２ ２ − − 残 − ２３０ ８０ 比較例３ − − − − 残 − ２７５ ９０ (AZ91＝Mg−９Al−１Zn−0.6Mn) 比較例４ − − − − 残 − ２５５ １７６ (WE54＝Mg−５Ｙ−４Nd−0.4Zr)

【００１５】上記の実施例１〜２１及び比較例１〜４か
ら明らかなように、マグネシウムに１５重量％以上のガ
ドリニウムを添加することにより室温強度及び高温強度
の両方、特に高温強度について著しい向上が見られ、ま
た（イ）ガドリニウム４〜１５重量％及び（ロ）カルシ
ウム、イットリウム及びランタノイド（ガドリニウムを
除く）からなる群から選ばれた少なくとも１種の元素
０．８〜５重量％を添加することにより室温強度及び高
温強度の両方について、ガドリニウムを１５〜２５重量
％添加した場合と同等の向上が見られる。この理由につ
いてはいまだ明確には解明されていないが、ガドリニウ
ム、カルシウム、イットリウム及びランタノイド（ガド
リニウムを除く）は全て室温強度及び高温強度を向上さ
せる添加元素であるが、そのメカニズム、特に晶出及び
析出する金属間化合物の種類が異なるため添加効果が畳
重し、相乗効果を達成し、また必要な元素添加量そのも
のを相互に抑制しあう効果を達成することによるものと
推測される。また、ジルコニウム及びマンガンは同等に
作用し、組織の微細化に有効であり、強度を向上させる
効果がある。

【００１６】

【発明の効果】本発明のマグネシウム合金は、従来実用
されている汎用のＭｇ−Ａｌ−Ｚｎ−Ｍｎ系合金や高温
用の各種のランタノイド含有マグネシウム合金よりも室
温及び高温強度に優れており、軽量且つ耐熱性が要求さ
れる自動車エンジン部品に適した汎用の新しい耐熱性軽
量マグネシウム合金である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 久保田 耕平 埼玉県上尾市原市1333−２ 三井金属鉱業 株式会社総合研究所内 (72)発明者 ギュンター ナイテ ドイツ連邦共和国 Ｄ−6350 バッド ナ ウハイム マイヌスストラッセ ９ (72)発明者 エバハード イー シュミット ドイツ連邦共和国 Ｄ−8755 アルゼナウ アイウンターフランクフルト イグラウ ワー ストラッセ ２Ｅ (72)発明者 小島 陽 新潟県長岡市上富岡町1603−１ 長岡技術 科学大学内 (72)発明者 鎌土 重晴 新潟県長岡市上富岡町1603−１ 長岡技術 科学大学内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガドリニウム１５〜２５重量％を含有
   し、残部がマグネシウムと不可避の不純物からなること
   を特徴とする室温及び高温強度に優れたマグネシウム合
   金。
2. 【請求項２】 （イ）ガドリニウム４〜１５重量％及び
   （ロ）カルシウム、イットリウム及びランタノイド（ガ
   ドリニウムを除く）からなる群から選ばれた少なくとも
   １種の元素０．８〜５重量％を含有し、残部がマグネシ
   ウムと不可避の不純物からなることを特徴とする室温及
   び高温強度に優れたマグネシウム合金。
3. 【請求項３】 ジルコニウム及びマンガンからなる群か
   ら選ばれた少なくとも１種の元素２重量％以下を更に含
   有することを特徴とする請求項１又は２記載の室温及び
   高温強度に優れたマグネシウム合金。