JPS6154101B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はマグネシウム合金に関するものであ
る。機械的性質を改善するために意図して種々の
成分を含有させた多くの公知マグネシウム合金が
ある。しかしながら一般的にこれらの合金は鋳造
前に最適特性を得るために、結晶粒微細化段階を
必要とする。結晶粒微細化は多数の方法、例えば
鋳造前に鉄容器中で約900℃に過熱、小量の鉄接
種（例えば塩化鉄の添加による）、炭素接種（例
えばヘキサクロロエタン処理）及びジルコニウ
ム、チタニウム等の結晶粒微細化合金元素添加に
よつて行なうことが出来る。これらすべての方法
は合金で作られた鋳造物のコストを増す。鋳造ジ
ルコニウム及びチタニウムのような添加物は、そ
れらが硬化剤合金成分又は純金属として添加され
るにせよ高価である。 一つの公知マグネシウム合金“AZ91”は主要
合金添加物として約９％アルミニウム及び１％亜
鉛を含み、95N/mm²以上の耐力を持ち、125N/mm²以
上の抗張力を持ち且つ鋳造状態で1/2ないし２％
の伸びを有する。高温溶解熱処理、焼入れ及び時
効後に得られた最小値は耐力120N/mm²、抗張力
200N/mm²及び伸び1/2ないし２％である。しかし
ながら砂、ダイキヤストの場合、この合金は結晶
粒微細化を必要とし、比較的延性が低く、微小孔
が生じやすくなる。 NL工業株式会社で開発された他のマグネシウ
ム合金と英国特許1423127号及び1452671号の合金
はアルミニウムとともに亜鉛を含んでいる。これ
らの合金はダイキヤスト用に作られたが砂キヤス
トの場合は不充分である。 本発明の目的は良好な機械的性質、少なくとも
AZ91と同様な性質を有し、且つそれより低コス
トで砂キヤストとダイキヤストの両方に少なくと
も上記の良好な性質の鋳造作用を提供することが
出来るマグネシウム合金を提供することである。 本発明によれば不純物は別として２ないし10重
量％の亜鉛と0.5ないし５重量％の銅で、残りは
マグネシウムからなる合金を提供することであ
る。 得られる合金の種々の特性を改善するために、
他の元素が添加されてもよい。２％以下のマンガ
ン（好ましくは0.2ないし１％マンガン）が合金
の耐力及び腐食に耐する抵抗、特に熱処理合金の
腐食抵抗を改善するために添加されてもよい。腐
食抵抗は又、３％以下のビスマス及び／又は１％
以下のアンチモンの添加によつても改善される。
５％以下のカドミウムが合金の鋳造作用を改善す
るために添加されてもよい。１％以下のシリコン
及び／又は１％以下の希土類金属（好ましくはネ
オジミウム及び少量ランタン又はセリウムの希土
類金属の高配合混合物）は合金のクリープ及び高
温機械的性質を改善する。２％以下の錫も又添加
されてもよい。 ジルコニウム及びチタニウムのような結晶粒微
細化元素が必要とされず又アルミニウムが実質的
に存在しないことは注目すべきことである。 結晶粒微細化処理をせずに本発明の合金を鋳造
する際に得られる粒子の大きさは満足な性質を得
るのに充分に小さく、従つて結晶粒微細化段階が
不必要であることが見い出された。同様な銅を含
まないマグネシウム／亜鉛合金は低級粒度で機械
的性質も悪いことが公知であり、鋳造の際に微小
孔を作りやすく、熱間割れ又は亀裂を生じやす
い。 最適性質は亜鉛含有量５ないし７％、及び銅含
有量１ないし3.5％で得られることがわかつた。 本発明の合金は砂キヤスト及びダイキヤストを
含む多数の方法で鋳造せしめられる。砂キヤスト
の性質は比較すべき金属の性質特に微小孔成形に
関して、より優れていることがわかつた。本発明
の合金では６％亜鉛及び２ないし３％の銅の合金
が最も孔成形が少ないことがわかつた。 最適な機械的性質を得るためには鋳造合金の熱
処理が一般的に必要である。この熱処理は好まし
くは、実用的最高温度（例えば合金の固相線以下
約20℃）で焼入れが行なわれる溶体化処理及び時
効からなる。湯中焼入后、約180℃で時効されれ
ば充分なものであることがわかつた。 亜鉛を含むマグネシウム合金に銅を添加すれば
固相線温度が上昇し、又可能な溶解熱処理温度も
上昇することに注目すべきである。銅の量も増加
させて、亜鉛を６、８及び10％含有させたマグネ
シウム合金の固相線温度に対する影響が第１図に
示されている。上昇固相線は熱処理上良好な機械
的性質得るのに重要な要素である。低い温度（例
えば330℃）での固相線熱処理は機械的性質を改
善するのに効果が少ないことがわかつた。 好ましい熱処理及び種々の条件は２ないし８時
間の固相線以下、５ないし40℃での溶体化処理で
あり、その後焼入れ、及び少なくとも２時間、
120ないし250℃の時効が行なわれる。 適当な熱処理操作は約４ないし８時間、固相線
より約20℃低い温度での溶体化熱処理と水焼入れ
及び24時間180℃での時効からなる。 本発明の熱処理合金の塩水中での腐食速度は鋳
造ままの合金のそれよりも驚くべきことに遅いこ
とがわかつた。これは（亜鉛及びアルミニウムの
ような）比較合金が経験的にもつ、腐食は熱処理
によつて増大するということに反することであ
る。マンガン添加、例えば0.2ないし１％の添加
によつて特に腐食速度が低くなるのが見い出され
た。ビスマス及び／又はアンチモン添加は更に有
利な効果を持つ。 本発明の合金は銅を含まない類似合金よりも溶
接性がすぐれている。 本発明による合金を次の実施例に記載する。 実施例 １ 第１表に与えられた種々の成分を有するマグネ
シウム合金はマグネシウム溶解、その温度を780
℃に上昇し、表に記載された成分添加を行ない、
撹拌し、それから塩化鉄を適当な形で溶解物に注
入して鉄の豊富な核を形成するためにマグネシウ
ム合金と反応させる結晶粒微細化工程にその溶解
物をかけることによつて作られた。種々の合金が
標準試験棒を作るために780℃で砂キヤストされ
た。（合金14の場合、結晶粒微細化工程は実施さ
れなかつた。） そのキヤストされた試験棒は抗張力試験片用に
加工され鋳造ままで英国標準第18に従う方法によ
つて試験された。更にその棒は第１表で与えられ
た温度で溶体化処理、180℃24時間の時効、抗張
力試験片用に加工が行なわれ、英国標準第18によ
り試験された。 合金の固相線温度と粒子の大きさは確立された
方法で測定された。 得られた結果を第１表に示す。その表でY.S.は
0.2％降伏応力、上限降伏力、最大抗張力（U.T.
S）及びＥ％破断伸びを示す。ＡないしＥ合金は
比較される合金で本発明には入らない。英国標準
3L125で規定されているように比較されるAZ91合
金の最小抗張力特性が又示されている。 これらの結果から本発明の合金が鋳造ままでは
低い耐力を示したが、請求範囲での全ての合金の
最小の抗張力及び伸びは比較合金AZ91の最小値
より実質的によいことが認識された。熱処理後請
求範囲内で銅添加された全ての合金は鋳造ままの
値と比較して予想に反して降伏応力がかなりの増
加を示した。抗張力特性は亜鉛及び銅の相対的水
準に極めて依存していることがわかつた。亜鉛を
増加すれば合金の降伏応力は増加したが、U.T.S
は減少し、銅が増加するにつれて伸びは改善し続
けたが１1/2％銅付近で最大値を経験した。６％
亜鉛を含むかなり多くの合金の抗張力特性に及ぼ
す銅成分の増加にともなう効果を示す第２図に垂
直にハツチされたバンドを参考にしてより明確に
示される。 第１表に示された合金14の粒子の大きさは、そ
の合金が結晶粒微細化処理がなされなかつたが他
の合金から得られた粒子の大きさの範囲に充分入
つていた。全ての合金の粒子の大きさがマグネシ
ウム−亜鉛の二元合金から得られるものより結晶
粒微細化せずに実質的に細かかつたので、銅添加
の結晶粒微細化効果を示しているのである。この
比較合金の機械的性質は明記された最小値より一
般的に、特に熱処理后はより劣つていた。 実施例 ２ マグネシウム合金は実施例１と同様に作られ鋳
造され試験された。試験片は第２表に説明された
種々の熱処理が実施された。いくつかの合金はそ
の表に示した量だけマンガン、錫又はアンチモン
を含ませた。 高温溶体化熱処理とそれに続く焼入れ及び時効
が最適な機械的特性を得るのに必要である。低温
度での熱処理及び焼入れ、時効もしない熱処理に
よつても特性改善はある程度されるがこれらの特
性は最適なものではない。 実施例 ３ マグネシウム−亜鉛−銅からなる合金にマンガ
ンを添加すれば抗張力、腐食抵抗ともに特に有効
であつた。前者は次の試験で実証される。 あるマグネシウム合金は結晶粒微細化工程がな
され他のものはされずに、実施例１に記載された
技術を用いて、亜鉛、銅、マンガンを種々の水準
を含んだ多くのマグネシウム合金が砂キヤストさ
れた試験棒形状に鋳造された。諸成分と結晶粒微
細化処理は第３表に示されている。鋳造された試
験棒は表中の温度で溶体化処理され、湯焼入れさ
れ、24時間180℃で時効された。抗張力試験片は
熱処理された棒から加工され、英国標準第18によ
つて抗張力試験が行なわれた。マンガン添加のな
いマグネシウム−亜鉛−銅相当合金に比較して第
３表に抗張力の結果が示されている。 全ての場合マンガン添加はU.T.Sと靫性がいく
らか減少したが降伏強度は大きい改善を示した。
靫性は英国規格3L125における比較合金AZ91の最
小値よりまだ高いものであつた。 降伏強度の改善が結晶粒微細化工程の行なわれ
なかつたマンガン添加合金において得られ又、マ
ンガンを含有しない合金（合金22）のような結晶
粒微細化工程が行なわれた合金においても得られ
たことが第３表から理解されよう。本発明の成分
範囲の合金にとつて注目される抗張力特性を開発
するために結晶粒微細化段階が不必要であること
も示している。 実施例 ４ 実施例１の操作が行なわれ種々の量の添加合金
元素が第４表に示されるようにマグネシウム亜鉛
銅又はマグネシウム亜鉛銅マンガンを含む合金に
添加された。 そのデータから次の結論が得られる。 (1) アルミニウムの存在は0.5％と低い水準でも
次のように望ましくない。 (イ) 鋳造ままの状態ではU.T.S及び靫性が減少
する。 (ロ) 合金の固相線温度がかなり低下し、高温溶
体化処理の応用を妨げ、熱処理特性を低下さ
せる。 (2) Ce／La豊富な希土類混合物添加鋳造まま又
は熱処理ままのどちらでも又U.T.S及び靫性の
ある程度のロス引きおこすことが特殊な効果
（例えばクリープ抵抗の改善）が必要とされる
低い水準で許容されるとしても、合金の降伏強
度にほとんど影響がなく、 (3) １％以下のビスマス添加、及び２％以下のカ
ドミウム添加によつてマンガン含有合金の降伏
強度が増大せしめられ又有益な添加物にもなろ
う。シリコン添加は0.2％水準では合金の降伏
強度を低下させ、例えば元素が望ましい場合、
高温クリープ特性を改善するためにシリコン添
加が低い水準に限定される。 実施例 ５ 本発明による合金の腐食抵抗を試験するため
に、第５表で与えられる成分を有する合金が実施
例１のように作られ熱処理された。鋳造まま及び
熱処理ままの試片の腐食抵抗はマグネシウム水酸
化物で飽和した塩化ナトリウム３重量％水溶液中
に室温で28日間浸漬し単位面積当たりの重量減量
を測定することによつて評価された。鋳造ままの
６％亜鉛、２％銅合金に対する重量減量の比率を
100として第５表にその結果を示した。 第５表から次のことが注目されよう： (1) 本発明による亜鉛、銅の範囲の全ての合金で
は、熱処理後の腐食速度が大きい比較合金
AZ91と対照的に鋳造ままよりかなり小さいも
のであつた。 (2) 熱処理条件でマグネシウム−亜鉛−銅合金に
マンガンを添加すればかなり腐食速度が減少し
た。 (3) マグネシウム−亜鉛−銅−マンガン合金にビ
スマス又はカドミウムを添加すれば添加しない
ものと比較して更に腐食速度が減少した。 (4) 対照のために鋳造ままの条件では腐食速度を
減少するが、マグネシウム−亜鉛−銅−マンガ
ン合金にアルミニウムを添加すると熱処理後に
かなり腐食速度を増加させた。 (5) マグネシウム−亜鉛−銅合金にアンチモン
（Sb）を添加すると鋳造ままでは腐食速度を減
少させた。 実施例 ６ 鋳造物の微小孔を試験するために、鋳造物の孔
をはつきさせるためシヨートライザー
（shortriser）を用いて、2.5cmの厚みを有する冷
硬させない板にするため第６表の諸合金が砂キヤ
ストされた。ASTM規格微小収縮放射線写真に
よつて検査される、孔によつて影響された鋳造物
の面積％が測定され最も悪い孔の面積及び孔の割
合の積で得られる“孔関数”が出された。その結
果を第６表に示す。 これらの結果は約６％亜鉛の場合最も孔が少な
いことを示している。銅添加合金より添加されて
いない合金の方が孔部が多く、銅含有を増加する
につれて孔が減少した。 ２％銅の場合、孔はマンガン添加によつて更に
改善された。錫、ネオジミウム又はビスマス添加
は孔に対しほとんど害はなく、他の目的で添加さ
れても許容される。 実施例 ７ 鋳造物において無孔試験として多数のマグネシ
ウム−亜鉛−銅−マンガン合金の溶解が何ら特殊
な結晶粒微細化段階も行なわず、従来の技術で溶
解され合金化された。 American Foundry Society会報1967年75巻の
75ページ17ないし20行目に記載されている
“SPitaler Box”として公知の標準端部開放矩形
箱を試験鋳造するために底動技術を用いて諸合金
が砂キヤストされた。 比較合金AZ91において同一の鋳造技術を用い
て、類似鋳造が行なわれた。この場合、溶解物は
ヘキサクロロエタンを投入されて結晶粒微細化さ
れた。その技術はAZ91にとつて一般に容認され
た結晶粒微細化技術である。 フエツトリングの後、水で満たされ50psiの内
部気圧を調整され約10分間、ガスケツトを有する
平板の間に箱がしめられた。孔があるため鋳造物
の壁を通して水漏れが観察された。 結果を第７表に示す。 実施例 ８ 実際の鋳物工場の条件下で生ずるような材料の
再生利用に対して銅の結晶粒微細化効果は悪化し
ないことを確かめるために、試験が行なわれたが
その試験では27Kg大の溶解物がマグネシウム−亜
鉛−銅−マンガン合金で行なわれた。溶解は前実
施例に記載された従来の溶解方法を用いて行なわ
れた。初めの溶解では新しい材料が使われた。ス
ピタラー箱鋳造は実施例７に試験されているよう
に多数の規格砂キヤストされた試験棒とともに砂
キヤストされた。種々の試験棒は鋳造物から採取
され、実施例１及び２に記載されているように熱
処理され、試験された。試験箱鋳造の試験後、鋳
造物と湯溝等からのスクラツプが、第２回の溶解
に75％スクラツプ、25％新材料になるように、再
利用された。この方法は各溶解物から試験棒を採
取しながら三度くり返された。最終溶解後、試験
片がスピタラー箱試験鋳造物から切断され、熱処
理され抗張力試験片に加工され且つ同じ溶解で得
られた標準鋳造試験棒と比較して試験された。 結果を第８表に示す。 これらの結果から次のことが云える： (1) いかなる特殊な結晶粒微細化工程もない材料
の再生利用は合金の抗張力特性に大な影響をも
たないし、注目すべき熱処理による特性が維持
される。 (2) 鋳造ままで得られた諸特性間及び同じ溶解で
得られた標準試験棒に関して得られた諸特性間
にほとんど違いがない。 実施例 ９ 溶接鋳造マグネシウム合金の場合、亜鉛高含有
のマグネシウム合金は割れを生じやすいことが公
知である。その一つの合金はZ5Z（マグネシウム
−4.5％亜鉛−0.7％ジルコニウム）として知られ
る。その合金Z5Zと比較するため次のパラメータ
ーを用いて名目上６％亜鉛、２1/2％銅、1/2％マ
ンガンを含む合金から鋳造された平板上で溶接試
験が行なわれた。 (1) 材料の厚さ６mm、 (2) 板サイズ165mm×125mm、 (3) アルゴンアーク溶接電流135A、 (4) ９mmのセラミツクガスノズルを有する電極サ
イズ３mm、 (5) 溶接時間30秒。 細かい割れがZ5Z板に見られたが、マグネシウ
ム−亜鉛−銅−マンガン板では見とめられず、溶
接性に銅が有効であることを示していた。

【表】

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【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 【図面の簡単な説明】

第１図はマグネシウム／亜鉛合金に銅添加した
場合の固相線温度に対する影響を示し、第２図は
マグネシウム／６％亜鉛合金に銅を添加した場合
の抗張力特性に及ぼす影響を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 亜鉛を２ないし10重量％、銅を0.5ないし５
   重量％、残部はマグネシウムでアルミニウムは実
   質的に含有しないことを特徴とする結晶粒微細化
   不要な良好な抗張力を得るマグネシウム合金。 ２ ５ないし７重量％の亜鉛、及び１ないし3.5
   重量％の銅を含んでなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のマグネシウム合金。 ３ 亜鉛を２ないし10重量％、銅を0.5ないし５
   重量％、マンガン２重量％以下、残部はマグネシ
   ウムでアルミニウムは実質的に含有しないことを
   特徴とする結晶粒微細化不要な良好な抗張力を得
   るマグネシウム合金。 ４ マンガンを0.2ないし１重量％含んでいるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第３項記載のマグ
   ネシウム合金。 ５ 亜鉛を２ないし10重量％、銅を0.5ないし５
   重量％、更に少なくとも次の成分のうちの一つ：
   ３％以下のビスマス、１％以下のアンチモン、２
   ％以下の錫、５％以下のカドミウム、１％以下の
   シリコン及び１％以下の希土類金属、を含み、残
   部はマグネシウムでアルミニウムは実質的に含有
   しないことを特徴とする結晶粒微細化不要な良好
   な抗張力を得るマグネシウム合金。 ６ 亜鉛を２ないし10重量％、銅を0.5ないし５
   重量％、マンガン２重量％以下、更に少なくとも
   次の成分のうちの一つ：３％以下のビスマス、１
   ％以下のアンチモン、２％以下の錫、５％以下の
   カドミウム、１％以下のシリコン及び１％以下の
   希土類金属、を含み残部はマグネシウムでアルミ
   ニウムは実質的に含有しないことを特徴とする結
   晶粒微細化不要な良好な抗張力を得るマグネシウ
   ム合金。