JP4154480B2 - Heat-resistant magnesium alloy and method for producing the same - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、耐クリープ性や高温強度に優れた耐熱性マグネシウム合金に関するものであり、更に詳しくは、結晶粒のアスペクト比が5以上の伸長な結晶粒群から構成される組織に制御して高温強度を付与した耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法に関するものである。本発明は、自動車をはじめとする輸送機部品、宇宙・航空機部品、電気・電子機器部品等の幅広い分野で利用することが可能な耐熱性マグネシウム合金を製造し、提供するものとして有用である。
【0002】
【従来の技術】
一般に、マグネシウムは、実用化されている構造用金属材料の中で最も低密度(=1.7g/cm3 )であり、金属特有の優れたリサイクル性を有し、資源も豊富に存在することから、次世代の構造用軽量材料として注目されている材料である。現在のところ、日本におけるマグネシウム製品の多くは、鋳造法により製造されている。主なマグネシウム製品としては、例えば、ステアリングホイール、シリンダーヘッド等の自動車部品及びパソコンや携帯電話の筐体等の家電製品の部品が挙げられる。しかし、マグネシウム合金の耐熱性は、高温になると急激に低下するため、マグネシウム製品のほとんどが100℃以下の環境でしか使用できない。エンジンブロックなどの高温環境下で使用する部品をマグネシウム合金で製造するためには、耐熱性の向上が不可欠である。
【0003】
現在のマグネシウム製品に使用されているマグネシウム合金は、主にMg−Al−Zn(−Mn)系及びMg−Zn−Zr系である。これらのマグネシウム合金の各元素の添加量は、一般に、Al:15mass%以下、Zn:10mass%以下、Mn:3mass%以下、Zr:3mass%以下である。これらの実用化されているマグネシウム合金の強度は、150℃以上の温度になると急激に低下するため、特殊な元素等を添加することにより耐熱性の向上が図られてきた。
【0004】
具体的には、マグネシウム合金の耐熱性向上の手法として、(1)高温強度に優れたセラミックス繊維や粒子で強化する複合強化マグネシウム(例えば、H.Ferkel and B.L.Mordike、”Magnesium strengthened by SiC nanoparticles”、Mater.Sci.Eng.A、Vol.A298(2001)、pp.193−199)、(2)マグネシウム中の拡散係数が小さいイットリウムや希土類金属等の添加元素をマグネシウムに固溶させることにより強化する固溶強化マグネシウム(例えば、T.Mohri et al.、”Microstructureand mechanical properties of a Mg−4Y−3RE alloy processed by thermomechanical treatment”、 Mater.Sci.Eng.A、Vol.A257(1998)、pp.287−294)が提案されている。
【0005】
更に、(3)シリコンやカルシウム、希土類金属等を構成元素とする高温で安定な析出物を析出させ強化する析出強化マグネシウム(例えば、M.Mabuchi and K.Higashi、”Strengthening machanism of Mg−Si alloy”、Acta.Mater.、Vol.44(1996)、pp.4611−4618.)、(4)上記(1)〜(3)を複合したマグネシウム(例えば、J.G.Wang et al.,”Creep of a heat treated Mg−4Y−3RE alloy”、Mater.Sci.Eng.、Vol.A315(2001)pp.81−88)、が提案されている。
【0006】
しかし、これまでのマグネシウム合金の耐熱性向上の手法は、マグネシウムに特殊な元素等を添加することにより耐熱性が向上することに注目したものである。そして、このような特殊元素等の添加は、マグネシウムが元来有するリサイクル性を阻害するものであり、実用上大きな問題となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術の諸問題を抜本的に解決することを可能とする新しい方法を開発することを目標として鋭意研究を重ねた結果、マグネシウムの耐熱性の低下が粒界すべりに起因することに着目し、結晶粒形態制御による粒界すべりの抑制を積極的に利用することで所期の目的を達成し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、溶湯マグネシウムを一方向から凝固させることにより、結晶粒のアスペクト比が5以上の伸長な結晶粒組織に制御し、粒界すべりが発生しにくくすることより優れた耐熱性の実現を可能とした耐熱性マグネシウム合金の製造方法及びその材料を提供することを目的とするものである。本発明の方法では、特別な元素等を添加することなく耐熱性の向上が達成できるため、耐熱性向上のためにリサイクル性が損なわれることはない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)アルミニウムを0超〜15mass%、亜鉛を0超〜10mass%、マンガンを0超〜3mass%含有し、残部マグネシウム及び、不可避的不純物からなる、溶解したマグネシウム合金を、温度勾配(K/mm)と凝固速度(mm/s)の商(温度勾配/凝固速度)の値が1.0×10 0 (K・s)から1.0×10 4 (K・s)の条件で、一方向凝固することにより作製された合金であって、アスペクト比(=結晶粒の長軸の長さ/結晶粒の短軸の長さ)が5以上の伸長な結晶粒群を有し、面積比で当該合金の50%以上が上記伸長な結晶粒群により構成されることを特徴とする耐熱性マグネシウム合金。
(2)アルミニウムを0超〜15mass%、亜鉛を0超〜10mass%、マンガンを0超〜3mass%含有し、残部マグネシウム及び、不可避的不純物からなる、溶解したマグネシウム合金を、温度勾配と凝固速度の商(温度勾配/凝固速度)の値が1.0×100(K・s)から1.0×104(K・s)の条件で、一方向凝固することにより作製する合金の製造方法であって、アスペクト比(=結晶粒の長軸の長さ/結晶粒の短軸の長さ)が5以上の伸長な結晶粒群を有し、面積比で当該合金の50%以上が上記伸長な結晶粒群により構成されることを特徴とする耐熱性マグネシウム合金の製造方法。
(3)前記(1)に記載の耐熱性マグネシウム合金を構成要素として含むことを特徴とするマグネシウム合金製構造用部材。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明者らは、粒界すべりの抑制によるマグネシウム合金の耐熱性向上を目的に、結晶粒がある方向に伸長した結晶粒の形態制御に着目した。本発明では、具体的には、適度な冷却速度で溶湯マグネシウム合金を一方向から冷却し、結晶粒のアスペクト比が5以上の伸長な結晶粒群から構成される組織を有するマグネシウム合金を作製することを試みた。本発明では、マグネシウム合金材料を、温度勾配と凝固速度の商(温度勾配/凝固速度)の値が1.0×100 (K・s) から1.0×104 (K・s)の条件で、一方向凝固することにより、一方向に伸長した結晶粒群を有する結晶粒組織を作製し、それにより、粒界すべりを発生しにくくすることにより、優れた耐熱性を有する耐熱性マグネシウム合金を製造した。
【0010】
本発明の方法では、マグネシウム合金材料として、好適には、アルミニウムを0超〜15mass%、亜鉛を0超〜10mass%、マンガンを0超〜3mass%を含有し、残部マグネシウム及び、不可避的不純物からなるマグネシウム合金が用いられる。本発明の方法は、例えば、実用マグネシウム合金として需要の多いAZ91(Mg−9mass%Al−1mass%Zn−0.3mass%Mn)やAM60(Mg−6mass%Al−0.3mass%Mn)合金等に適応可能である。
【0011】
本発明の方法においては、マグネシウム合金を溶解後、所定の条件で、一方向に凝固させるが、具体的な例で説明すると、側面が断熱壁であり、底面に冷やし金が設置されたるつぼ内部でマグネシウム合金を溶解し、冷やし金を冷媒に曝すことによりマグネシウム合金を凝固させる。冷やし金部より一方向凝固が始まり、形成された結晶粒の形態は、冷やし金から溶湯方向に伸長した形態となる。以上のプロセスにより伸長した結晶粒が得られる状態を図1に模式的に示す。本プロセスによれば、冷やし金として利用する金属の材質、及び冷やし金を冷却する冷媒を選択することにより、比較的自由に、溶湯の冷却条件を制御することが可能である。
【0012】
金属材料の結晶を一方向に凝固させる際に制御しなければならない因子としては、当該金属の凝固界面(液相と固相の界面)付近における温度勾配(K/mm)、及び凝固界面の進行速度(凝固速度(mm/s))が挙げられる。温度勾配と凝固速度の商(温度勾配/凝固速度)は、デンドライト組織の形状を制御するパラメータとして広く知られている(例えば:W.Kurz and D.J.Fisher、 Fundermentals of Solidification、Trans Tech Publications Ltd、Switzerland、1989、pp.63−92.)。
【0013】
例えば、温度勾配と凝固速度の商(温度勾配/凝固速度)の値が約1より小さい場合、金属組織は等軸晶を有する組織となり、約1より大きく約10,000より小さい値の場合では、金属組織は指行的なデンドライト成長を呈することが知られている。なお、約10,000以上の値では見かけ上凝固界面は進行しない。
【0014】
本発明において、上記マグネシウム合金の一方向凝固を実施するための一方向凝固装置としては、所定の冷却速度で溶湯マグネシウム合金を一方向から冷却し、伸長な結晶粒群から構成される組織を作製できるものであれ適宜の装置を用いることができ、これらの装置の具体的構成は、その使用目的、製品の種類等に応じて適宜設計することができる。
【0015】
本発明の方法により、アスペクト比(=結晶粒の長軸の長さ/結晶粒の短軸の長さ)が5以上の伸長な結晶粒群を有し、当該材料の組織の50%以上がその伸長な組織により構成されること、温度200℃において、引張り強度150MPa以上を示すこと、を特徴とする耐熱性マグネシウム合金が得られる。上記一方向凝固により高アスペクト比の結晶粒組織とすることにより、粒界すべりが抑制され、それにより、高い高温強度を有する耐熱性アルミニウム合金が得られる。結晶粒のアスペクト比が5以上の結晶粒群により、当該材料の組織の50%以上が構成される場合に、高温強度の急激な低下を防ぐことが可能となる。また、本発明では、従来、マグネシウム合金の耐熱性を向上させるために添加されていた希土類金属等の特殊な元素やセラミックスを使用することなく、耐熱性マグネシウム合金を作製することができるので、易リサイクル性の製品を作製し、提供することが可能となる。本発明に係る耐熱性アルミニウム合金は、マグネシウム合金を構成要素として含むあらゆる種類の構造用の部材として使用することができる。
【0016】
リサイクル性を損なうことなくマグネシウム合金の耐熱性を向上させることは、マグネシウム製品の需要を伸ばす上できわめて重要である。本発明は、結晶粒の形態制御により耐熱性の向上をはかったマグネシウム合金及びその製造方法に関するものである。具体的には、本発明は、結晶粒のアスペクト比を5以上にすることにより、温度200℃において、引張り強度150MPa以上を示すマグネシウム合金を得ることを特徴とする。本発明により、特殊な元素等を添加することなく、易リサイクル性を保持したまま、優れた耐熱性マグネシウム合金を得ることが可能である。
【0017】
【実施例】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
実施例1
直径40mm、高さ100mmであり、側面が断熱壁(マグネシア壁)であり、底面が銅製冷やし金で構成される一方向凝固装置中で、AZ91マグネシウム合金を溶解後、冷やし金を水冷することにより当該マグネシウム合金の一方向凝固を実施した。なお、るつぼ内部に熱電対を複数設置し、高さ方向の温度分布を測定した結果、凝固時の温度勾配と凝固速度の商は、約100(K・s)であった。得られたマグネシウム合金の微視組織写真を図2に示す。(a)は、断熱壁及び冷やし金が設置されたるつぼ内部で一方向凝固させた後の微視組織写真である。凝固後の結晶粒のアスペクト比は約5であり、画像解析の結果、アスペクト比5以上の結晶粒は、材料内に少なくとも60%(面積比)存在することが確認された。一方、(b)は、底に冷やし金を持たない、直径40mm、高さ100mmのアルミナ坩堝内で空冷したAZ91マグネシウム合金の代表的な組織を示す。凝固後の結晶粒のアスペクト比は約1であった。
【0018】
実施例2
実施例1にて作製された材料を平行部長さ10mm、平行部直径4mmの丸棒試験片に加工し、室温から400℃の温度範囲で引張り試験を行った。結晶粒のアスペクト比が5のAZ91マグネシウム合金(発明材)と結晶粒のアスペクト比が1のAZ91マグネシウム合金(比較材)の引張り強度と温度の関係を図3に示す。図3の発明材とは、本発明を利用して作製されたアスペクト比5以上の結晶群を有するAZ91マグネシウム合金を指す。アスペクト比5以上の結晶群の占める割合は60%であった。図3の比較材とは、実施例1にて通常のアルミナ坩堝内で当該合金を空冷することにより作製されたアスペクト比1の試料を指す。発明材の引張り強度はいずれの温度においても比較材よりも大きな値を取った。また、発明材の強度は200℃においても200MPa以上の高強度を示した。図3に示される引張り強度の向上は、アスペクト比が5以上の結晶群を材料内に50%(面積比)以上有する時に顕著に表れた。
【0019】
実施例3
200℃で引張り試験した後の試験片の側面を観察した写真を図4に示す。(a)は、図3における発明材の試験片の側面を、(b)は、比較材の試験片の側面を示す。発明材では粒界すべりの痕跡は全く見られないのに対し、比較材には粒界すべりの痕跡(結晶粒とほぼ同じ形の試料表面のゆがみ)が確認された。以上の結果から、高アスペクト比の結晶粒組織により粒界すべりが抑制され、高い高温強度が得られたことがわかる。
【0020】
なお、粒界すべりとは、金属結晶自体の形状は基本的に変化せず、結晶同士が界面間で滑ることにより変形が達成される現象を指す。伸長な結晶粒組織のため粒界すべりが抑制されるメカニズムを、図5に模式的に示す。実施例2及び実施例3の結果より、高温強度の急激な低下を防ぐためには、結晶粒のアスペクト比が5以上でなければならないことが確認できる。
【0021】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、耐熱性マグネシウム合金及びその製造方法に係るものであり、本発明によれば、1)マグネシウム合金の高温強度を実用合金の組成でも得ることができる、2)本発明の耐熱性マグネシウム合金は、軽量であるとともに、リサイクル性に優れた材料であり、環境負荷の低い材料として有用である、3)本発明は、希土類金属等の特殊な元素やセラミックスを添加することなく、易リサイクル性を保持したまま優れた耐熱性を示すマグネシウム合金を提供することを可能とする、4)それにより、本発明の耐熱性マグネシウム合金の工業的意義はきわめて大きいと言える、という格別の効果が奏される。
【図面の簡単な説明】
【図1】冷やし金により一方向から凝固が始まり、冷やし金から溶湯方向に伸長した結晶粒が得られるプロセスを模式的に示した図である。
【図2】AZ91マグネシウム合金の組織写真を示す。
【図3】引張り強度と温度の関係を示す図である。
【図4】200℃で引張り試験を行った後のAZ91マグネシウム合金試験片の側面を観察した図である。
【図5】結晶粒が伸長な形状をしているため粒界すべりが生じにくくなることを模式的に示した図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat-resistant magnesium alloy having excellent creep resistance and high-temperature strength. More specifically, the present invention relates to a structure composed of elongated crystal grains having an aspect ratio of 5 or more. The present invention relates to a heat-resistant magnesium alloy imparted with strength and a method for producing the same. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for manufacturing and providing a heat-resistant magnesium alloy that can be used in a wide range of fields such as transportation equipment parts including automobiles, space / aircraft parts, and electrical / electronic equipment parts.
[0002]
[Prior art]
In general, magnesium has the lowest density (= 1.7 g / cm 3 ) among structural metal materials in practical use, has excellent recyclability unique to metals, and has abundant resources. Therefore, it is a material attracting attention as a next-generation structural lightweight material. At present, many magnesium products in Japan are manufactured by casting. Examples of main magnesium products include automobile parts such as steering wheels and cylinder heads, and parts of household electrical appliances such as personal computers and mobile phone casings. However, since the heat resistance of magnesium alloys rapidly decreases at high temperatures, most magnesium products can only be used in an environment of 100 ° C. or lower. In order to manufacture parts used in high-temperature environments such as engine blocks with magnesium alloy, it is essential to improve heat resistance.
[0003]
Magnesium alloys used in current magnesium products are mainly Mg—Al—Zn (—Mn) and Mg—Zn—Zr. The addition amount of each element of these magnesium alloys is generally Al: 15 mass% or less, Zn: 10 mass% or less, Mn: 3 mass% or less, and Zr: 3 mass% or less. The strength of these magnesium alloys in practical use rapidly decreases when the temperature reaches 150 ° C. or higher. Therefore, heat resistance has been improved by adding special elements or the like.
[0004]
Specifically, as a technique for improving the heat resistance of a magnesium alloy, (1) composite reinforced magnesium reinforced with ceramic fibers and particles having excellent high-temperature strength (for example, H. Ferkel and B. L. Mordike, “Magnesium strongened by” SiC nanoparticulates ", Mater.Sci.Eng.A, Vol.A298 (2001), pp.193-199), (2) Additive elements such as yttrium and rare earth metals with small diffusion coefficients in magnesium are dissolved in magnesium. Solid solution strengthened magnesium (for example, T. Mohri et al., “Microstructure and mechanical properties of a Mg-4Y-3RE alloy processed”). by thermomechanical treatment ", Mater.Sci.Eng.A, Vol.A257 (1998), pp.287-294).
[0005]
Further, (3) precipitation-strengthened magnesium that precipitates and strengthens high-temperature precipitates containing silicon, calcium, rare earth metals and the like as constituent elements (for example, M. Mabuchi and K. Higashi, “Strengthening machinism of Mg-Si alloy”). Acta. Mater., Vol. 44 (1996), pp. 4611-4618.), (4) Magnesium combined with the above (1) to (3) (for example, JG Wang et al., “ "Creep of a heat treated Mg-4Y-3RE alloy", Mater. Sci. Eng., Vol. A315 (2001) pp. 81-88).
[0006]
However, the conventional techniques for improving the heat resistance of magnesium alloys have focused on the improvement of heat resistance by adding special elements or the like to magnesium. And addition of such special elements etc. inhibits the recyclability which magnesium originally has, and becomes a big problem practically.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Under such circumstances, the present inventors have conducted intensive research with the goal of developing a new method capable of drastically solving the problems of the prior art in view of the prior art. As a result of this, we focused on the fact that the decrease in heat resistance of magnesium is caused by grain boundary sliding, and that the intended purpose can be achieved by actively utilizing the suppression of grain boundary sliding by controlling the grain shape. The headline and the present invention were completed.
In the present invention, the molten magnesium is solidified from one direction to control the crystal grain to have an elongated crystal grain structure with an aspect ratio of 5 or more, thereby realizing superior heat resistance than making grain boundary sliding difficult to occur. An object of the present invention is to provide a method for producing a heat-resistant magnesium alloy and a material thereof. In the method of the present invention, since heat resistance can be improved without adding a special element or the like, recyclability is not impaired for improving heat resistance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-described problems comprises the following technical means.
(1) A molten magnesium alloy containing aluminum in an amount of more than 0 to 15 mass%, zinc in an amount of more than 0 to 10 mass% and manganese in an amount of more than 0 to 3 mass%, and the balance magnesium and unavoidable impurities is subjected to a temperature gradient (K / mm) and the solidification rate (mm / s) quotient (temperature gradient / solidification rate) is 1.0 × 10 0 (K · s) to 1.0 × 10 4 (K · s). An alloy produced by directional solidification , having an elongated crystal grain group with an aspect ratio (= long grain length / short grain length) of 5 or more, and an area ratio in heat resistant magnesium alloy at least 50 percent of the alloy, characterized in that it is constituted by the extension of grain group.
( 2 ) A molten magnesium alloy containing more than 0 to 15 mass% of aluminum, more than 0 to 10 mass% of zinc, more than 0 to 3 mass% of manganese, and the balance magnesium and unavoidable impurities , temperature gradient and solidification rate in terms of the quotient value of the (temperature gradient / solidification rate) of 1.0 × 10 0 (K · s ) from 1.0 × 10 4 (K · s ), alloy you prepared by unidirectional solidification The aspect ratio (= length of major axis of crystal grain / length of minor axis of crystal grain) is an elongated crystal grain group having an aspect ratio of 5 or more, and the area ratio is 50% of the alloy. A method for producing a heat-resistant magnesium alloy, comprising the above-described elongated crystal grain group.
( 3 ) A magnesium alloy structural member comprising the heat-resistant magnesium alloy according to (1 ) as a constituent element.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in more detail.
The present inventors paid attention to the form control of crystal grains elongated in a certain direction for the purpose of improving heat resistance of the magnesium alloy by suppressing grain boundary sliding. In the present invention, specifically, the molten magnesium alloy is cooled from one direction at an appropriate cooling rate, and a magnesium alloy having a structure composed of elongated crystal grains having an aspect ratio of crystal grains of 5 or more is produced. I tried to do that. In the present invention, the magnesium alloy material has a quotient of temperature gradient and solidification rate (temperature gradient / solidification rate) of 1.0 × 10 0 (K · s) to 1.0 × 10 4 (K · s). Heat-resistant magnesium having excellent heat resistance by producing a grain structure having a group of grains elongated in one direction by solidifying in one direction under conditions, thereby making it difficult for grain boundary sliding An alloy was produced.
[0010]
In the method of the present invention, as the magnesium alloy material, preferably, aluminum 0 super ~15Mass%, zinc 0 super ~10Mass%, manganese containing 0 super ~3Mass%, balance magnesium and unavoidable impurities A magnesium alloy is used. The method of the present invention includes, for example, AZ91 (Mg-9 mass% Al-1 mass% Zn-0.3 mass% Mn) and AM60 (Mg-6 mass% Al-0.3 mass% Mn) alloy, which are in great demand as practical magnesium alloys. Can be adapted to.
[0011]
In the method of the present invention, the magnesium alloy is melted and then solidified in one direction under a predetermined condition. In a specific example, the side surface is a heat insulating wall, and the inside of the crucible in which a cooling metal is installed on the bottom surface. The magnesium alloy is melted and the chilled gold is exposed to a coolant to solidify the magnesium alloy. Unidirectional solidification starts from the chill metal part, and the form of the formed crystal grains extends from the chill metal in the molten metal direction. A state in which elongated crystal grains are obtained by the above process is schematically shown in FIG. According to this process, it is possible to control the cooling condition of the molten metal relatively freely by selecting the material of the metal used as the cooling metal and the refrigerant for cooling the cooling metal.
[0012]
Factors that must be controlled when solidifying a crystal of a metal material in one direction are temperature gradient (K / mm) near the solidification interface of the metal (interface between liquid phase and solid phase), and progress of the solidification interface. Speed (coagulation speed (mm / s)). The quotient of temperature gradient and coagulation rate (temperature gradient / coagulation rate) is widely known as a parameter that controls the shape of dendritic tissue (eg: W. Kurz and DJ Fisher, Fundamentals of Solidification, Trans Tech Publications). Ltd., Switzerland, 1989, pp. 63-92.).
[0013]
For example, when the value of the quotient of temperature gradient and solidification rate (temperature gradient / solidification rate) is less than about 1, the metal structure becomes a structure having equiaxed crystals, and in the case of a value greater than about 1 and less than about 10,000. It is known that the metallographic structure exhibits finger-like dendrite growth. In addition, the solidification interface does not proceed apparently at a value of about 10,000 or more.
[0014]
In the present invention, the unidirectional solidification apparatus for carrying out the unidirectional solidification of the magnesium alloy described above produces a structure composed of elongated crystal grains by cooling the molten magnesium alloy from one direction at a predetermined cooling rate. Appropriate apparatuses can be used as long as they can be used, and specific configurations of these apparatuses can be appropriately designed according to the purpose of use, types of products, and the like.
[0015]
According to the method of the present invention, an aspect ratio (= length of major axis of crystal grain / length of minor axis of crystal grain) has an elongated crystal grain group having 5 or more, and 50% or more of the structure of the material is A heat-resistant magnesium alloy characterized by being composed of the stretched structure and exhibiting a tensile strength of 150 MPa or more at a temperature of 200 ° C. is obtained. By making the grain structure of a high aspect ratio by the above-mentioned unidirectional solidification, the grain boundary slip is suppressed, thereby obtaining a heat resistant aluminum alloy having high high temperature strength. When a crystal grain group having an aspect ratio of 5 or more constitutes 50% or more of the structure of the material, it is possible to prevent a rapid decrease in high-temperature strength. Further, in the present invention, a heat-resistant magnesium alloy can be produced without using special elements such as rare earth metals and ceramics that have been added to improve the heat resistance of magnesium alloys. It becomes possible to produce and provide recyclable products. The heat-resistant aluminum alloy according to the present invention can be used as any kind of structural member including a magnesium alloy as a constituent element.
[0016]
Improving the heat resistance of magnesium alloys without impairing recyclability is extremely important for increasing the demand for magnesium products. The present invention relates to a magnesium alloy whose heat resistance is improved by controlling the form of crystal grains and a method for producing the same. Specifically, the present invention is characterized in that a magnesium alloy exhibiting a tensile strength of 150 MPa or more at a temperature of 200 ° C. is obtained by setting the aspect ratio of the crystal grains to 5 or more. According to the present invention, it is possible to obtain an excellent heat-resistant magnesium alloy while maintaining easy recyclability without adding a special element or the like.
[0017]
【Example】
EXAMPLES Next, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited at all by the following Examples.
Example 1
By melting the AZ91 magnesium alloy and then cooling the cooling metal with water in a unidirectional solidification device having a diameter of 40 mm, a height of 100 mm, a side surface being a heat insulating wall (magnesia wall), and a bottom surface made of copper chiller Unidirectional solidification of the magnesium alloy was performed. As a result of installing a plurality of thermocouples inside the crucible and measuring the temperature distribution in the height direction, the quotient of the temperature gradient during solidification and the solidification rate was about 100 (K · s). A micrograph of the obtained magnesium alloy is shown in FIG. (A) is a microscopic structure | tissue photograph after making it solidify unidirectionally in the crucible in which the heat insulation wall and the cooling metal were installed. The aspect ratio of the crystal grains after solidification was about 5. As a result of image analysis, it was confirmed that crystal grains having an aspect ratio of 5 or more existed in at least 60% (area ratio) in the material. On the other hand, (b) shows a typical structure of an AZ91 magnesium alloy that is air-cooled in an alumina crucible having a diameter of 40 mm and a height of 100 mm that does not have a cooling metal at the bottom. The aspect ratio of the crystal grains after solidification was about 1.
[0018]
Example 2
The material produced in Example 1 was processed into a round bar test piece having a parallel part length of 10 mm and a parallel part diameter of 4 mm, and a tensile test was performed in a temperature range from room temperature to 400 ° C. FIG. 3 shows the relationship between the tensile strength and the temperature of an AZ91 magnesium alloy (invention material) having an aspect ratio of 5 and an AZ91 magnesium alloy (comparative material) having an aspect ratio of 1. The invented material of FIG. 3 refers to an AZ91 magnesium alloy having a crystal group having an aspect ratio of 5 or more produced by using the present invention. The proportion of the crystal group having an aspect ratio of 5 or more was 60 %. The comparative material in FIG. 3 refers to a sample having an aspect ratio of 1 produced by air-cooling the alloy in a normal alumina crucible in Example 1. The tensile strength of the inventive material was larger than that of the comparative material at any temperature. In addition, the strength of the inventive material showed a high strength of 200 MPa or more even at 200 ° C. The improvement in tensile strength shown in FIG. 3 was noticeable when a crystal group having an aspect ratio of 5 or more had 50% (area ratio) or more in the material.
[0019]
Example 3
The photograph which observed the side surface of the test piece after carrying out the tension test at 200 degreeC is shown in FIG. (A) shows the side of the test piece of the inventive material in FIG. 3, and (b) shows the side of the test piece of the comparative material. In the inventive material, no trace of grain boundary slip was observed, whereas in the comparative material, a trace of grain boundary slip (distortion of the sample surface having almost the same shape as the crystal grain) was confirmed. From the above results, it can be seen that the grain boundary slip was suppressed by the high aspect ratio crystal grain structure, and high high-temperature strength was obtained.
[0020]
The grain boundary sliding refers to a phenomenon in which the shape of the metal crystal itself does not basically change, and the deformation is achieved by the crystals sliding between the interfaces. The mechanism by which grain boundary sliding is suppressed due to the elongated crystal grain structure is schematically shown in FIG. From the results of Example 2 and Example 3, it can be confirmed that the aspect ratio of the crystal grains must be 5 or more in order to prevent a rapid decrease in high temperature strength.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, the present invention relates to a heat-resistant magnesium alloy and a method for producing the same, and according to the present invention, 1) the high-temperature strength of the magnesium alloy can be obtained even with a composition of a practical alloy. 2) The heat-resistant magnesium alloy of the present invention is lightweight and excellent in recyclability, and is useful as a material with low environmental impact. 3) The present invention adds special elements such as rare earth metals and ceramics. It is possible to provide a magnesium alloy that exhibits excellent heat resistance while maintaining easy recyclability, and the industrial significance of the heat-resistant magnesium alloy of the present invention can be said to be extremely large. This is an exceptional effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a process in which solidification starts from one direction by chilling metal and crystal grains extending from chilling metal in a molten metal direction are obtained.
FIG. 2 shows a structure photograph of AZ91 magnesium alloy.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between tensile strength and temperature.
FIG. 4 is a view of a side surface of an AZ91 magnesium alloy test piece after a tensile test at 200 ° C. is observed.
FIG. 5 is a diagram schematically showing that grain boundary slip is less likely to occur because crystal grains have an elongated shape.
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