JP4208649B2

JP4208649B2 - Magnesium alloy with excellent moldability and molded product

Info

Publication number: JP4208649B2
Application number: JP2003162465A
Authority: JP
Inventors: 邦輝鈴木; 博西長; 勤二平井; 健司東
Original assignee: ADVANCED TECHNOLOGIES, INC.
Current assignee: ADVANCED TECHNOLOGIES, INC.
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004360042A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種ダイカストやスクイーズキャストなどの高速加圧鋳造における成形仕上り性を大幅に改善することができる新規マグネシウム合金と、このマグネシウム合金を成形してなる成形品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家電製品の携帯化が急速に進み、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなどが大量生産されている。マグネシウム合金はその密度（比重）がプラスチックとほぼ同等であるにもかかわらず、強度は数倍高く、放熱性、電磁波シールド性などにも優れ、更にはリサイクルも可能であるなどの優れた利点を有し、これらの携帯機器の筐体や部材の構成材料としての需要を急速に伸ばしている。従来、これらの携帯機器用途のマグネシウム合金の成形方法としては、その高い生産性から、各種ダイカストや金属射出成形法、スクイーズキャストなどの高速加圧成形法が多く採用されている。また、これらの成形方法に適用されるマグネシウム合金は、その約９０％がＡＺ９１合金である。ＡＺ９１合金は引張り強度、伸び、耐食性、成形性などを含めバランスの取れた合金であり、その融点は約６００℃である。
【０００３】
ところで、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなどの携帯機器にあっては、より一層の薄肉、軽量化と、生産時のコストダウンが求められている。例えば、現状、ノートパソコンの筐体の厚さは０．７〜１．０ｍｍ程度、携帯電話の筐体の厚さは０．５〜０．７ｍｍ程度とされているが、これらを更に薄肉化することが望まれている。
【０００４】
従来、ＡＺ９１合金のような汎用マグネシウム合金からより一層の薄肉成形品を得るためには、成形時の成形圧力や成形温度を上げることにより対応がなされてきた。しかしながら、工業的な生産においては、成形圧や成形温度の設定にも上限があり、成形圧を上げるためには、耐圧性に優れたより高級な成形機に切り替える必要がある。また、成形温度を上げると、成形機の内壁などの浸食を招き、成形機の故障の原因になるなど、コストアップを引き起こす結果となる。例えば、融点約６００℃のＡＺ９１合金の成形温度は通常６２０〜６８０℃が適当であるとされており、より一層の薄肉化のために、成形温度を上昇させようとしても、成形機の耐熱性等の面から、一般的には約７００℃が上限であり、薄肉化にも限界がある。
【０００５】
このため、成形圧力や成形温度を上げることなく、成形品のより一層の薄肉化を図るために、合金組成の改良が試みられ、より薄肉成形性に優れた合金組成の提案がなされている。例えば、特開２００１−２４７９２６には、Ａｌ：１０．０〜１３．０％、Ｓｉ：０．３〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、残部Ｍｇおよび不可避不純物の、流動性に優れるマグネシウム合金が提案されている。また、特開２００１−２４７９２５には、Ａｌ：５．０〜７．０％、Ｓｉ：０．５〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜１．０％、Ｚｎ：０．５％未満、残部Ｍｇおよび不可避不純物の、流動性に優れたマグネシウム合金が提案されている。更に特開平１０−２０４５５６には、Ａｌ：９．０〜１１．０％、Ｚｎ：０〜１％、Ｍｎ：０〜１％、残部Ｍｇおよび不可避不純物の、流動性に優れたマグネシウム合金が提案されている。この特開平１０−２０４５５６では、引張り強度などの主特性値が大きく変化しない範囲で、Ａｌ含有量を微調整して流動性を改善する。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２４７９２６
【特許文献２】
特開２００１−２４７９２５
【特許文献３】
特開平１０−２０４５５６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来のマグネシウム合金は、いずれも流動性、即ち、成形時の湯流れ性の改善を目的とするものである。即ち、ダイカストやチクソモールディングなどの高速加圧鋳造法では、溶湯は極めて短時間に金型内で固まることとなるため、湯流れ性は、薄肉成形のためには重要な特性である。しかし、単に湯流れ性が良いだけでは、十分な薄肉成形性は得られず、湯流れ性が過度に良いと、溶湯が金型のオーバーフロー側から吹き出し易いといった問題も生じるようになる。
【０００８】
また、上記従来のマグネシウム合金のうち、特開２００１−２４７９２５および特開２００１−２４７９２６に提案されるマグネシウム合金では、塩水噴霧試験における耐食性が、ＡＺ９１合金に比べて著しく劣ることが、本発明者らの研究により判明した。また、特開平１０−２０４５５６に提案されるマグネシウム合金組成のＡｌ含有量では、融点降下は５〜１０℃程度であり、実用上十分な効果が得られているとは言えない。
【０００９】
ところで、湯流れ性の改善を目的としてＡＺ９１合金にＡｌを添加してゆくと、強度や耐食性が急激に劣化し、殆ど実用に耐えない合金となることは公知の技術事項である。
【００１０】
一方で、携帯電話等の携帯家電にあっては、強度や耐食性も重要な特性ではあるが、人の手に触れる身近な機器であることから、外観に優れることが非常に重要な特性となり、表面仕上り性の良好な、商品価値の高い成形品が求められている。
【００１１】
従って、本発明は、各種ダイカストやスクイーズキャストなどの高速加圧鋳造による薄肉成形品として成形性、強度、耐食性に優れると共に、成形仕上り性にも優れ、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなどの携帯機器の構成材として好適な新規マグネシウム合金と、このマグネシウム合金を成形してなる成形品を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の成形仕上り性に優れたマグネシウム合金は、重量比で、Ａｌ：１０．０〜１５．０％、Ｚｎ：０．３〜１．５％、Ｍｎ：０．１〜０．４％、Ｃａ：３．０％以下、およびＳｒ：１．２％以下を含有し（ただし、Ｃａ０．８％以下でかつＳｒ０．７％以下の範囲を除く）、残部がＭｇおよび不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１３】
ＡＺ９１合金の湯流れ性改善を目的にＡｌを増した合金とすると強度や耐食性の劣化が起こるが、本発明では更に所定量のＣａとＳｒを添加して結晶微細化させることにより、強度等の劣化を防ぎ、湯流れ性は改善しつつ、強度等の劣化の少ない成形品を得る。また、Ａｌの添加を増しすぎると熱間割れを起こすので、本発明では、Ａｌ量を１０．０〜１５．０％の適領域とすることにより、成形仕上り性の良好な成形品を得る。
【００１４】
本発明のマグネシウム品は、その結晶サイズ（結晶粒子の粒径）は５〜３２μｍの範囲で、融点は５４５〜５９５℃であることが好ましい。
【００１５】
本発明の成形品は、このような本発明のマグネシウム合金を、好ましくは５７０〜６７０℃の成形温度で高速加圧鋳造法により成形してなるものである。
【００１６】
本発明のマグネシウム合金およびその成形品は、不活性雰囲気下、３７０〜４３０℃の範囲で３〜３０時間溶体化熱処理が施されていることが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明のマグネシウム合金およびその成形品の実施の形態を、本発明のマグネシウム合金組成に到る検討過程にそって詳細に説明する。なお、以下において、合金組成の「％」は「重量％」を示す。また、以下の検討で各種評価を行った各種合金組成は次の通りである。
【００１８】
ＡＺ９１：Ａｌ＝９．３％，Ｚｎ＝０．５９％，Ｍｎ＝０．１３％，Ｍｇ＝残部
ＡＺ９１ＣａＳｒ：Ａｌ＝９．３％，Ｚｎ＝０．８２％，Ｍｎ＝０．２９％，Ｃａ＝１．０７％，Ｓｒ＝０．４８％，Ｍｇ＝残部
ＡＺ１２１ＣａＳｒ：Ａｌ＝１２．２％，Ｚｎ＝０．７８％，Ｍｎ＝０．１９％，Ｃａ＝１．１４％，Ｓｒ＝０．４７％，Ｍｇ＝残部
ＡＺ１４１ＣａＳｒ：Ａｌ＝１４．３％，Ｚｎ＝０．７５％，Ｍｎ＝０．２５％，Ｃａ＝０．９５％，Ｓｒ＝０．５１％，Ｍｇ＝残部
ＡＺ１６１ＣａＳｒ：Ａｌ＝１６．２％，Ｚｎ＝０．７８％，Ｍｎ＝０．３０％，Ｃａ＝１．００％，Ｓｒ＝０．５３％，Ｍｇ＝残部
【００１９】
溶湯が極めて短時間で金型内で凝固する高速加圧鋳造法により、表面仕上り性の良好な製品を効率良く生産するために、本発明者らは次のような検討を行った。一般的に成形性といっても、充填や凝固時間に関連するメカニカルな動的要因が作用する部分と、合金の融点や粘性や凝固後の結晶などが関与する材料特性が作用する部分とがあり、その評価用語も「成形しやすい」、「湯流れが良い」、「成形仕上り性が良い」、などまちまちである。本発明では、マグネシウム合金を高速加圧鋳造成形する際の、成形にかかわる要因を解明し、成形し易くかつ成形仕上り性に優れ、結果として生産性の高い、即ち、歩留りの高いマグネシウム合金を提供することを目的とする。
【００２０】
前述の如く、ＡＺ９１合金の適当な成形温度は６２０〜６８０℃であり、薄肉成形のために成形温度を上げても７００℃が限界である。従って、成形品の更なる薄肉化のためには、合金の融点を下げ、薄肉成形のための成形温度を下げることが考えられる。そこで、本発明者らは、まず、多数の合金の融点を測定し、Ａｌを増していった場合、図１に示す如く、合金の融点（凝固開始温度）は、Ａｌ含有量に対してほぼ直線的に下がることを確認した。なお、図１において、ＡＺ合金は、Ａｌと、Ｚｎ０．７％を含み、残部Ｍｇであり、ＡＺＣａＳｒ合金は、ＡｌとＺｎ０．７％、Ｃａ１．０％およびＳｒ０．５％を含み、残部Ｍｇである。
【００２１】
しかし、Ａｌ含有量を増すと、引張り強度や伸びは低下する。そこで、ＡＺ９１合金よりも低下する傾向にある強度を、Ｃａ，Ｓｒを添加することによってダイカスト品の結晶粒子を微細化させて復元することができないかを検討した。図２は、各種合金の、ａｓ−ｃａｓｔ：鋳造品および溶体化：４２０℃，２時間処理後の、引張り強度を示し、図３は同ａｓ−ｃａｓｔの伸び値（％）を示す。この引張り強度と伸び値の測定は、４５０トンダイカストマシンを用い成形温度６２０〜６６０℃で厚さ１．５ｍｍのＢ５サイズ試験鋳型に鋳込んで得られたダイカスト品について行った。
【００２２】
文献等では、結晶微細化剤は、重力鋳造などの際に有効であるとされ、ダイカスト鋳造の場合は、それ自体が急冷されるので、結晶は自ずと微細化されると記載されている。本発明者らは、Ｃａ，Ｓｒをあえてダイカスト品に添加して、更なる微細化が進行するか否かを調べた。
【００２３】
図８は、ＡＺ１２１合金に微細化剤としてＣａ：１．０％とＳｒ：０．５％を添加したＡＺ１２１ＣａＳｒ合金インゴットをダイカスト成形した場合の成形品の断面顕微鏡写真であり、図９は、Ｃａ，Ｓｒを加えていないＡＺ９１合金の同じ金型による成形品の断面の顕微鏡写真である。このダイカスト成形は４５０トンダイカストマシンを使い、成形温度６５０℃で、厚さ１．５ｍｍのＢ５サイズ試験鋳型に鋳込んで行った。図８，９から判るように、Ｃａ，Ｓｒを複合添加したダイカスト成形品は、通常のＡＺ９１品と比較して、結晶サイズが約１／２のおよそ１０μｍとなった。結晶サイズは、強度に反比例するため、Ａｌ添加によって強度劣化したＡＺ１２１合金にＣａ，Ｓｒを一定量添加することによって、ほぼＡＺ９１合金並の強度を確保することができることが確認された。
【００２４】
次に、Ａｌ量と成形仕上り性との関係を調べたところ、Ａｌを１６％以上の組成にすると、熱間割れが多数発生することが判明した。このときのダイカスト成形は、融点を基準に＋２５℃、＋５０℃、＋７５℃の成形温度条件で実施した。金型はノートパソコン用Ｂ５サイズ試験金型を用い、金型温度は２００℃、製品肉厚は１．５ｍｍで行った。この成形品を各３０枚詳細に検討し、成形仕上り性評価を行った。この結果を図４に示す。
【００２５】
成形仕上り性の評価は、欠点の度合いを調べるもので、表面の欠陥を「湯じわ」、「ショート（湯が満ちていないもの）」、「クラック」に分け、それぞれ詳細に検分した。湯じわは修正可能だが、ショートとクラックはダイカスト品にとって致命的な欠陥であるため、欠点値を下記表１の幅に設定し、観察により、大きな湯じわは３点、小さなものは１点というように採点し、積算した。欠陥が多く、かつ各々の欠陥が大きなものほど点数が大きくなる。図４の数値は、成形した板１枚当りの平均値である。
【００２６】
【表１】

【００２７】
次に、仕上がり性評価を行ったテストピースにつき、各々水置換法によって見掛けの密度を求め、元素の密度値を元に配合量で積算した理論密度値との比から、成形充填率を求め、この結果を図５に示した。
【００２８】
これらの結果、ＡＺ９１やＡＺ９１ＣａＳｒ合金は引張り強度が高く、充填率も高いにもかかわらず、外観仕上り性では、それぞれ欠点７．４，７．２と仕上り性が劣る問題を抱えていることが判った。これに対し、ＡＺ１２１ＣａＳｒ合金は、強度がＡＺ９１合金とＡＺ９１ＣａＳｒ合金の中間の強度を示し、充填率が若干低いにもかかわらず、成形仕上り性は欠点値２．７と優れており、ＡＺ１４１ＣａＳｒ合金は、欠点値が５．８と中間の値を示した。なお、ＡＺ１６１ＣａＳｒ合金の厚さ０．７ｍｍ成形品は、熱間割れが多数発生し、外観仕上り性がスケールアウトした。
【００２９】
従って、Ａｌ量が１０〜１５％の範囲の組成に、目的の成形仕上り性の高い領域が存在することが判った。このことから、ＡＺ９１合金やＡＺ９１ＣａＳｒ合金は、比較的強度指向の高い部品には向いているが、成形品の表面性状は若干劣り、手触りや外観性などを指向する部品には、ＡＺ１２１ＣａＳｒ合金やＡＺ１４１ＣａＳｒ合金が好ましいことが判った。
【００３０】
また、高速加圧鋳造における金型への充填と成形仕上り性との関係を表２に示した。表２はＩからVIに向け湯流れ性が良くなった時の充填状態をまとめたものである。IIからＶの充填良好域の前後に充填不良域を持つが、充填良好域についても、IIはＩの傾向を反映し、ＶはVIの傾向を反映して、多少の欠点がある。最良の充填良好域はIIIとIVであるが、IIIでは表面を詳細に調べると細かな欠陥を持つ。IIIよりも湯流れ性が高いIVでは、表面欠陥が全く見られない程で、金型に全く忠実に成形されるが、湯流れ性が高いために、成形品内部に気泡を含みはじめる。Ｖ以降はこの傾向がさらに強まり、VIでついには吹き出しに至ってしまう。
【００３１】
Ｉ〜VIの状態を合金に当てはめると、ＡＺ９１はII，ＡＺ９１ＣａＳｒはIII，ＡＺ１２１ＣａＳｒはIV，ＡＺ１４１ＣａＳｒはＶ，…に相当する。ＡＺ９１ＣａＳｒは、強度、充填率が高いのに成形仕上り性が良くない。一方、ＡＺ１２１ＣａＳｒは、成形仕上り性が良いが充填率が低いのは、以上のように湯流れ性が大きく関与しているものと考えられる。また、強度、充填率の最適域と、成形仕上り性の最適域がＡｌ量によって若干ずれていることが湯流れ性から説明がつく。
【００３２】
【表２】

【００３３】
以上のような検討の結果、本発明のマグネシウム合金のうち、Ａｌ量については、成形仕上り性の欠点値が、Ａｌ量１０％で４．０と下がり始めたため、１０．０％を下限とし、１６％を超えると成形割れが出てくるため、１５．０％を上限とした。
【００３４】
Ｃａ，Ｓｒの添加量の範囲については、ベースとなるＡＺ９１合金、ＡＺ１２１合金、ＡＺ１４１合金にＣａ，Ｓｒを所定量ずつ加えて合金とし、２５ｍｍφ、５０ｍｍＨの小型金型に重力鋳造して結晶粒径を測定し、以下のような測定結果（図６および図７）から決定した。即ち、最初に小型金型とダイカスト品の結晶サイズを比較したところ、小型金型に重力鋳造したときの結晶粒径が４１μｍのとき、ダイカスト品の方は３０μｍであった。図６は、本発明合金を溶製した場合の各添加金属の結晶微細化効果が判るように、添加の都度、結晶粒径を測定した値を示すものである。サンプルはサンプリング温度６８０℃で小型金型に採り、結晶粒界が明確になるように、溶体化処理を４２０℃で２時間行った。Ｍｎを添加したところで、ＡＺ９１合金が完成し、通常ＡＺ合金の結晶粒径となる。９％Ａｌを１２％Ａｌに修正するために、３％のＡｌを加えると、結晶は粗大化してしまう。結晶粒径と強度は逆比例するので、ＡＺ１２１合金は強度の低い合金であることがこれでも分るが、本発明合金はこれにＣａ，Ｓｒを添加したものであり、Ｃａ，Ｓｒの添加により、合金の結晶粒径が微細化側に転じていくことが明らかであり、最終組成合金の結晶粒径はＡＺ９１合金の半分以下になった。
【００３５】
図７には、図６と同様にして求めた最終結晶サイズをＣａとＳｒの添加量の相互関係で示した。同図から、ＣａとＳｒは単独でも微細化効果があるが、最も細かくなる領域は複合添加したところにあることがわかる。そして、図７から、Ｃａは０．８％以下でかつＳｒは０．７％以下を除いた範囲に結晶が細かくなるところがあるが、Ｃａ，Ｓｒを多目に添加すれば合金価格も高価となるので、上限値をＣａは３．０％、Ｓｒは１．２％とした。従って、本発明では、Ｃａ：３．０％以下およびＳｒ：１．２％以下、ただし、Ｃａ０．８％以下でかつＳｒ０．７％以下の範囲を除く範囲とした。
【００３６】
Ｚｎについては、０．３％未満となると、引張り強度が下がり、１．５％を超えると、伸び値が下がってくるために、０．３〜１．５％とした。
【００３７】
Ｍｎについては、０．１％未満では図６に示した結晶粒微細化効果が低減してしまうこと、０．４％を超えると溶解時にドロスの発生が多く、成形機内にも異結晶が生成し易くなるためか、動きが極端に低下し、トラブルが多発することから、０．１〜０．４％とした。
【００３８】
以上の検討結果から、
Ａｌ：１０．０〜１５．０％、好ましくは１０．０〜１４．０％
Ｚｎ：０．３〜１．５％、好ましくは０．５〜１．０％
Ｍｎ：０．１〜０．４％、好ましくは０．２〜０．３％
Ｃａ，ＳｒはＣａ３．０％以下およびＳｒ１．２％以下、ただし、Ｃａ０．８％以下でかつＳｒ０．７％以下の範囲を除く、とし、好ましくは、Ｃａ１．７〜３．０％およびＳｒ１．２％以下と、Ｃａ０．７〜１．７％およびＳｒ０．７〜１．２％の範囲
で、残部がＭｇおよび不可避不純物の本発明の新規マグネシウム合金組成に到った。
【００３９】
なお、本発明の成形品は、本発明のマグネシウム合金を、低圧鋳造法や溶湯鍛造法などでも十分効果を発揮するが、好ましくは金属射出成形や、各種ダイカスト、チクソモールディング、スクイーズキャストなどの高速加圧鋳造法で成形してなるものである。本発明のマグネシウム合金は、その合金組成によっても異なるが、通常、融点（凝固開始温度）が５４５〜５９５℃程度であるため、この高速加圧鋳造における成形温度は、５７０〜６７０℃で行うことが好ましく、このような７００℃以下の比較的低い温度で、０．３〜１．０ｍｍ程度の薄肉成形品であっても、適度な湯流れ性のもとに、良好な成形仕上り性を得ることができ、成形歩留りだけでなく、最終的な製品の外観検査における歩留りも極めて良好である。
【００４０】
なお、本発明のマグネシウム合金およびその成形品は、不活性雰囲気下、３７０〜４３０℃の範囲で３〜３０時間溶体化熱処理を施すことが好ましく、これにより、成形時の結晶ひずみが除去されて耐食性が改善される。
【００４１】
溶体化の条件は、４３０℃を超えると結晶の粗大化が開始され、３７０℃未満では結晶粒界に金属間化合物が多数残ったままである。時間についても４３０℃、３時間未満では溶体化が不十分であり、３０時間を超えると不経済である。
【００４２】
本発明の成形品は、近年、より一層の薄肉軽量化が求められていると共に、製品外観についても高度な要求がなされている、ノートパソコン、携帯電話、デジタルカメラ、ＰＤＡなどの携帯家電の筐体、各種部品の構成材料をはじめとして、各種用途に工業的に極めて有用である。
【００４３】
【実施例】
以下に実施例および比較例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
【００４４】
実施例１
ＡＺ９１合金に、Ａｌと金属Ｃａ、および１０％Ｓｒ−Ａｌ合金を添加して、ノンフラックス法で溶製することにより、下記組成のＡＺ１２１ＣａＳｒ合金の５ｋｇ塊インゴットを鋳造した。
【００４５】
［ＡＺ１２１ＣａＳｒ合金組成］
Ａｌ：１１．５％
Ｚｎ：０．７５％
Ｍｎ：０．２５％
Ｃａ：１．０３％
Ｓｒ：０．４８％
Ｍｇ：残部
【００４６】
なお、鋳造直前に、直径２５ｍｍφの小金型に注湯してサンプルを採取して４２０℃で２時間溶体化処理し、断面を研磨エッチングして切片法で結晶粒径を測定したところ、２１μｍであった。また、溶解炉側において、冷却過程を測温することにより融点・凝固点を測定したところ、５７５℃であった。
【００４７】
このＡＺ１２１ＣａＳｒ合金のインゴットを用いて、４５０トンのコールドチャンバーダイカストマシンで、厚さ０．７ｍｍの薄肉部を有するＡ４のノートパソコンの筐体を、６２０℃と６５０℃の各成形温度で成形し、各々２００ピースの成形仕上り性を調べ、結果を表３に示した。
【００４８】
比較例１
比較合金として、ＡＺ９１合金を用い、実施例１と同様にして、溶製および溶体化処理を行い、結晶サイズと融点・凝固点を調べたところ、結晶サイズは４０μｍで、融点・凝固点は５９９℃であった。
【００４９】
このＡＺ９１Ｄ合金のインゴットを用いて、実施例１と同様にダイカスト成形を行い、同様に成形仕上り性を調べ、結果を表３に示した。
【００５０】
【表３】

【００５１】
表３より明らかなように、本発明によれば、成形品の合格率が向上するので、従来品に比べて１２．５〜１５．０％のコストダウンが可能である。即ち、本発明によれば、Ａｌ，Ｃａ，Ｓｒを配合することによる原料コストの上昇分を十分に吸収した上で、コストダウンを図ることができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明のマグネシウム合金およびその成形品によれば、
▲１▼ 湯流れ性が改善されるため、成形作業時のトラブルが減少し、成形品の合格率が向上する。
▲２▼ 従来より低い加工温度域での成形条件を採用することができるため、成形機や金型への負荷が軽減され、設備の故障や劣化が防止される。
▲３▼ 成形仕上り性が大幅に向上するため、最終検査での製品歩留りも向上する。
▲４▼ 強度や耐食性は、従来品に比べて遜色がない。
といった効果のもとに、薄肉、複雑形状の成形品であっても生産性が高く、低コストで効率的に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＡＺ合金のＡｌ量と凝固開始温度との関係を示すグラフである。
【図２】各種ＡＺ合金ダイカスト品の引張り強度を示すグラフである。
【図３】各種ＡＺ合金ダイカスト品の伸び値を示すグラフである。
【図４】各種ＡＺ合金ダイカスト品の成形仕上り性（欠点値）を示すグラフである。
【図５】各種ＡＺ合金ダイカスト品の充填率（％）を示すグラフである。
【図６】本発明合金の溶製過程別結晶サイズを示すグラフである。
【図７】結晶サイズに及ぼすＣａ，Ｓｒの添加効果を示すグラフである。
【図８】本発明合金（ＡＺ１２１Ｃａ１．０Ｓｒ０．５）ダイカスト品の断面の顕微鏡写真である。
【図９】従来合金（ＡＺ９１）ダイカスト品の断面の顕微鏡写真である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel magnesium alloy capable of greatly improving the molding finish in high-speed pressure casting such as various die castings and squeeze casts, and a molded product formed by molding this magnesium alloy.
[0002]
[Prior art]
In recent years, household appliances are rapidly becoming portable, and notebook computers, mobile phones, digital cameras, PDAs, and the like are mass-produced. Although magnesium alloy has almost the same density (specific gravity) as plastic, its strength is several times higher, it has excellent heat dissipation, electromagnetic shielding, etc., and it can be recycled. The demand as a constituent material of the casing and members of these portable devices is rapidly increasing. Conventionally, as a method for molding a magnesium alloy for use in portable devices, high-speed pressure molding methods such as various die castings, metal injection molding methods, and squeeze casts are often employed because of their high productivity. Moreover, about 90% of the magnesium alloys applied to these forming methods are AZ91 alloys. The AZ91 alloy is a balanced alloy including tensile strength, elongation, corrosion resistance, formability, etc., and its melting point is about 600 ° C.
[0003]
By the way, portable devices such as notebook computers, mobile phones, digital cameras, and PDAs are required to be thinner and lighter and to reduce production costs. For example, at present, the thickness of the case of a notebook computer is about 0.7 to 1.0 mm, and the thickness of the case of a cellular phone is about 0.5 to 0.7 mm. It is hoped to do.
[0004]
Conventionally, in order to obtain a further thin molded product from a general-purpose magnesium alloy such as AZ91 alloy, measures have been taken by increasing the molding pressure and molding temperature during molding. However, in industrial production, there is an upper limit in the setting of the molding pressure and molding temperature, and in order to increase the molding pressure, it is necessary to switch to a higher-grade molding machine with excellent pressure resistance. In addition, raising the molding temperature causes erosion of the inner wall of the molding machine and causes a failure of the molding machine, resulting in an increase in cost. For example, the molding temperature of an AZ91 alloy having a melting point of about 600 ° C. is usually appropriate to be 620 to 680 ° C. Even if an attempt is made to increase the molding temperature for further thinning, the heat resistance of the molding machine. In general, the upper limit is about 700 ° C., and there is a limit to thinning.
[0005]
For this reason, in order to further reduce the thickness of the molded product without increasing the molding pressure or molding temperature, attempts have been made to improve the alloy composition, and an alloy composition with more excellent thin-wall formability has been proposed. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-247926, Al: 10.0-13.0%, Si: 0.3-1.5%, Mn: 0.1-1.0%, the balance Mg and unavoidable impurities, A magnesium alloy having excellent fluidity has been proposed. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-247925 discloses Al: 5.0 to 7.0%, Si: 0.5 to 1.5%, Mn: 0.1 to 1.0%, Zn: less than 0.5% In addition, a magnesium alloy excellent in fluidity of the remaining Mg and inevitable impurities has been proposed. Further, JP-A-10-204556 proposes a magnesium alloy having excellent fluidity, Al: 9.0 to 11.0%, Zn: 0 to 1%, Mn: 0 to 1%, the balance Mg and inevitable impurities. Has been. In JP-A-10-204556, fluidity is improved by finely adjusting the Al content within a range in which main characteristic values such as tensile strength do not change greatly.
[0006]
[Patent Document 1]
JP2001-247926
[Patent Document 2]
JP2001-247925
[Patent Document 3]
JP-A-10-204556
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Any of the above conventional magnesium alloys is intended to improve the fluidity, that is, the hot-water flow during molding. That is, in high-speed pressure casting methods such as die casting and thixomolding, the molten metal is hardened in the mold in a very short time, so that the flowability of molten metal is an important characteristic for thin wall molding. However, if the molten metal flow is only good, sufficient thin-wall moldability cannot be obtained. If the molten metal flow is excessively good, there is a problem that the molten metal easily blows out from the overflow side of the mold.
[0008]
Further, among the above conventional magnesium alloys, the magnesium alloys proposed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 2001-247925 and 2001-247926 are significantly inferior in corrosion resistance in the salt spray test to the AZ91 alloy. It became clear by study of. Further, with the Al content of the magnesium alloy composition proposed in JP-A-10-204556, the melting point drop is about 5 to 10 ° C., and it cannot be said that a practically sufficient effect is obtained.
[0009]
By the way, it is a known technical matter that when Al is added to the AZ91 alloy for the purpose of improving the hot water flowability, the strength and the corrosion resistance are rapidly deteriorated, and the alloy becomes almost unusable.
[0010]
On the other hand, in mobile home appliances such as mobile phones, strength and corrosion resistance are also important characteristics, but since it is a familiar device that touches human hands, it is a very important characteristic that it is excellent in appearance, There is a demand for molded products with good surface finish and high commercial value.
[0011]
Therefore, the present invention has excellent moldability, strength and corrosion resistance as a thin-walled molded product by high-speed pressure casting such as various die castings and squeeze casts, and is excellent in molding finish, such as notebook computers, mobile phones, digital cameras and PDAs. It is an object of the present invention to provide a novel magnesium alloy suitable as a constituent material for portable devices and a molded product formed by molding the magnesium alloy.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The magnesium alloy excellent in forming finish of the present invention is, by weight ratio, Al: 10.0-15.0%, Zn: 0.3-1.5%, Mn: 0.1-0.4%, Ca: 3.0% or less, and Sr: 1.2% or less (except for the range of Ca 0.8% or less and Sr 0.7% or less), and the balance consisting of Mg and inevitable impurities Features.
[0013]
If the alloy is increased in Al for the purpose of improving the flowability of the AZ91 alloy, the strength and the corrosion resistance deteriorate. However, in the present invention, by adding a predetermined amount of Ca and Sr to refine the crystal, the strength and the like can be reduced. A molded product with less deterioration in strength and the like is obtained while preventing deterioration and improving the flowability of hot water. In addition, since hot cracking occurs when the addition of Al is excessively increased, in the present invention, a molded product with good molding finish is obtained by setting the Al amount within a suitable range of 10.0 to 15.0%.
[0014]
The magnesium product of the present invention preferably has a crystal size (crystal particle size) in the range of 5 to 32 μm and a melting point of 545 to 595 ° C.
[0015]
The molded article of the present invention is formed by molding the magnesium alloy of the present invention by a high-speed pressure casting method at a molding temperature of preferably 570 to 670 ° C.
[0016]
The magnesium alloy of the present invention and the molded product thereof are preferably subjected to a solution heat treatment in an inert atmosphere in the range of 370 to 430 ° C. for 3 to 30 hours.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, embodiments of the magnesium alloy of the present invention and molded articles thereof will be described in detail along the examination process leading to the magnesium alloy composition of the present invention. In the following, “%” of the alloy composition indicates “% by weight”. The various alloy compositions that were evaluated in the following examination are as follows.
[0018]
AZ91: Al = 9.3%, Zn = 0.59%, Mn = 0.3%, Mg = remainder AZ91CaSr: Al = 9.3%, Zn = 0.82%, Mn = 0.29%, Ca = 1.07%, Sr = 0.48%, Mg = balance AZ121CaSr: Al = 12.2%, Zn = 0.78%, Mn = 0.19%, Ca = 1.14%, Sr = 0. 47%, Mg = balance AZ141CaSr: Al = 14.3%, Zn = 0.75%, Mn = 0.25%, Ca = 0.95%, Sr = 0.51%, Mg = balance AZ161CaSr: Al = 16.2%, Zn = 0.78%, Mn = 0.30%, Ca = 1.00%, Sr = 0.53%, Mg = remainder
In order to efficiently produce a product having a good surface finish by the high-speed pressure casting method in which the molten metal solidifies in the mold in a very short time, the present inventors have made the following studies. Generally speaking, moldability has a part where mechanical dynamic factors related to filling and solidification time act, and a part where material characteristics such as melting point and viscosity of the alloy and crystals after solidification act. There are also various evaluation terms such as “easy to mold”, “good hot water flow”, “good moldability”. The present invention elucidates the factors involved in molding at the time of high-speed pressure casting of a magnesium alloy, and provides a magnesium alloy that is easy to mold and excellent in molding finish, resulting in high productivity, that is, high yield. The purpose is to do.
[0020]
As described above, an appropriate molding temperature of the AZ91 alloy is 620 to 680 ° C., and even if the molding temperature is increased for thin wall molding, 700 ° C. is the limit. Therefore, in order to further reduce the thickness of the molded product, it is conceivable to lower the melting point of the alloy and lower the molding temperature for the thin-wall molding. Therefore, the inventors first measured the melting points of many alloys, and when Al was increased, as shown in FIG. 1, the melting point (solidification start temperature) of the alloy was almost equal to the Al content. It confirmed that it fell linearly. In FIG. 1, the AZ alloy contains Al and Zn 0.7% and the balance Mg, and the AZCaSr alloy contains Al and Zn 0.7%, Ca 1.0% and Sr 0.5%, and the balance Mg. It is.
[0021]
However, when the Al content is increased, the tensile strength and elongation decrease. Therefore, it was investigated whether the strength that tends to be lower than that of the AZ91 alloy can be restored by adding Ca and Sr to refine crystal grains of the die-cast product. FIG. 2 shows the tensile strength of each alloy after as-cast: casting and solution treatment: 420 ° C. for 2 hours, and FIG. 3 shows the elongation value (%) of the same as-cast. The measurement of the tensile strength and the elongation value was performed on a die cast product obtained by casting into a B5 size test mold having a thickness of 1.5 mm at a molding temperature of 620 to 660 ° C. using a 450 ton die casting machine.
[0022]
In literatures and the like, it is described that the crystal refining agent is effective at the time of gravity casting and the like, and in the case of die casting, the crystal itself is rapidly cooled, so that the crystal is naturally refined. The present inventors dared to add Ca and Sr to the die-cast product, and examined whether further miniaturization would proceed.
[0023]
FIG. 8 is a cross-sectional photomicrograph of a molded product obtained by die casting an AZ121CaSr alloy ingot added with Ca: 1.0% and Sr: 0.5% as refiner in AZ121 alloy. , Sr is a photomicrograph of a cross section of a molded product of the same mold of AZ91 alloy without adding Sr. This die casting was performed by using a 450 ton die casting machine and casting at a molding temperature of 650 ° C. into a B5 size test mold having a thickness of 1.5 mm. As can be seen from FIGS. 8 and 9, the die-cast molded product to which Ca and Sr are added in combination has a crystal size of about 10 μm, which is about ½, compared with a normal AZ91 product. Since the crystal size is in inverse proportion to the strength, it was confirmed that the strength almost equal to that of the AZ91 alloy can be secured by adding a certain amount of Ca and Sr to the AZ121 alloy whose strength is deteriorated by the addition of Al.
[0024]
Next, when the relationship between the amount of Al and the finish of molding was examined, it was found that a large number of hot cracks occurred when the Al content was 16% or more. Die casting at this time was performed under the molding temperature conditions of + 25 ° C., + 50 ° C., and + 75 ° C. based on the melting point. The mold was a B5 size test mold for a notebook computer, the mold temperature was 200 ° C., and the product thickness was 1.5 mm. Each of the 30 molded products was examined in detail, and the molding finish was evaluated. The result is shown in FIG.
[0025]
The evaluation of molding finish was to examine the degree of defects, and surface defects were divided into “hot water”, “short (not filled with hot water)”, and “cracks”, and each was examined in detail. Although hot water wrinkles can be corrected, shorts and cracks are fatal defects for die-cast products, so the defect value is set to the width shown in Table 1 below. The points were scored and accumulated. The more defects and the larger each defect, the higher the score. The numerical values in FIG. 4 are average values per one molded plate.
[0026]
[Table 1]

[0027]
Next, for each test piece for which the finish property evaluation was performed, the apparent density was determined by the water displacement method, and the ratio of the elemental density value and the theoretical density value integrated by the blending amount was determined, and the molding filling rate was determined. The results are shown in FIG.
[0028]
As a result, AZ91 and AZ91CaSr alloy have high tensile strength and high filling rate, but they have defects 7.4, 7.2 and poor finish in appearance finish, respectively. It was. On the other hand, the AZ121CaSr alloy has an intermediate strength between the AZ91 alloy and the AZ91CaSr alloy, and the molding finish is excellent with a defect value of 2.7, although the filling rate is slightly low. The AZ141CaSr alloy is The defect value was an intermediate value of 5.8. In addition, the AZ161CaSr alloy 0.7 mm-thick molded product had many hot cracks, and the appearance finish scaled out.
[0029]
Therefore, it was found that there is a region having a high target finish in the composition in which the Al content is in the range of 10 to 15%. For this reason, AZ91 alloy and AZ91CaSr alloy are suitable for parts with relatively high strength orientation, but the surface properties of the molded product are slightly inferior, and for parts oriented to the touch and appearance, AZ121CaSr alloy and AZ141CaSr An alloy was found to be preferred.
[0030]
In addition, Table 2 shows the relationship between filling into the mold and molding finish in high speed pressure casting. Table 2 summarizes the filling state when the hot water flow is improved from I to VI. Although there is a poor filling area before and after the good filling area from II to V, II also reflects the tendency of I and V has some drawbacks reflecting the tendency of VI. The best good filling regions are III and IV, but III has fine defects when the surface is examined in detail. In IV, which has higher hot-water flow than III, the surface mold is completely faithful so that no surface defects are observed at all. However, since the hot-water flow is high, bubbles begin to be contained inside the molded product. After V, this tendency is further strengthened, and at VI, it finally reaches a balloon.
[0031]
When the states I to VI are applied to the alloy, AZ91 corresponds to II, AZ91CaSr corresponds to III, AZ121CaSr corresponds to IV, AZ141CaSr corresponds to V,. Although AZ91CaSr has high strength and filling rate, it has poor molding finish. On the other hand, AZ121CaSr has good molding finish, but the low filling rate is considered to be largely related to the hot water flowability as described above. Moreover, it can be explained from the flowability of the molten metal that the optimal range of strength and filling rate and the optimal range of molding finish are slightly different depending on the amount of Al.
[0032]
[Table 2]

[0033]
As a result of the above studies, in the magnesium alloy of the present invention, for the Al amount, the defect value of the molding finish starts to decrease to 4.0 at an Al amount of 10%, so 10.0% is the lower limit, If it exceeds 16%, molding cracks appear, so 15.0% was made the upper limit.
[0034]
Regarding the range of addition amount of Ca and Sr, a predetermined amount of Ca and Sr are added to the base AZ91 alloy, AZ121 alloy and AZ141 alloy to form an alloy, which is then gravity cast into a small mold of 25 mmφ and 50 mmH to obtain a crystal grain size. Was determined from the following measurement results (FIGS. 6 and 7). That is, when the crystal size of the small die and the die-cast product was first compared, when the crystal grain size was 41 μm when gravity cast into the small die, the die-cast product was 30 μm. FIG. 6 shows the values obtained by measuring the crystal grain size at each addition so that the crystal refinement effect of each additive metal when the alloy of the present invention is melted can be understood. The sample was taken in a small mold at a sampling temperature of 680 ° C., and solution treatment was performed at 420 ° C. for 2 hours so that the crystal grain boundaries became clear. When Mn is added, the AZ91 alloy is completed, and usually has a crystal grain size of the AZ alloy. If 3% Al is added to correct 9% Al to 12% Al, the crystal becomes coarse. Since the crystal grain size and the strength are inversely proportional, it can be seen that the AZ121 alloy is a low strength alloy, but the alloy of the present invention is obtained by adding Ca and Sr. It was clear that the crystal grain size of the alloy turned to the finer side, and the crystal grain size of the final composition alloy was less than half that of the AZ91 alloy.
[0035]
In FIG. 7, the final crystal size obtained in the same manner as in FIG. 6 is shown by the correlation between the addition amounts of Ca and Sr. From this figure, it can be seen that Ca and Sr alone have the effect of miniaturization, but the region that becomes the finest is at the point where the compound is added. And from FIG. 7, there is a place where the crystal becomes fine in a range excluding Ca of 0.8% or less and Sr of 0.7% or less. However, if Ca and Sr are added more frequently, the alloy price is also expensive. Therefore, the upper limit was set to 3.0% for Ca and 1.2% for Sr. Therefore, in the present invention, Ca: 3.0% or less and Sr: 1.2% or less, except for the range of Ca 0.8% or less and Sr 0.7% or less.
[0036]
About Zn, when it will be less than 0.3%, tensile strength will fall, and when it exceeds 1.5%, since elongation value will fall, it was set as 0.3-1.5%.
[0037]
For Mn, if less than 0.1%, the crystal grain refining effect shown in FIG. 6 is reduced, and if it exceeds 0.4%, dross is often generated during melting, and different crystals are generated in the molding machine. This is because the movement is extremely reduced and troubles occur frequently.
[0038]
From the above examination results,
Al: 10.0-15.0%, preferably 10.0-14.0%
Zn: 0.3 to 1.5%, preferably 0.5 to 1.0%
Mn: 0.1 to 0.4%, preferably 0.2 to 0.3%
Ca and Sr are Ca 3.0% or less and Sr 1.2% or less, except for Ca 0.8% or less and Sr 0.7% or less, preferably Ca 1.7 to 3.0% and Sr1 The new magnesium alloy composition of the present invention, with the balance being Mg and inevitable impurities with the balance being in the range of 0.2% or less and Ca 0.7 to 1.7% and Sr 0.7 to 1.2%.
[0039]
The molded product of the present invention is sufficiently effective even when the magnesium alloy of the present invention is used in a low pressure casting method or a molten metal forging method, but it is preferably a metal injection molding, various types of die casting, thixo molding, squeeze casting, etc. It is formed by pressure casting. Although the magnesium alloy of the present invention varies depending on the alloy composition, since the melting point (solidification start temperature) is usually about 545 to 595 ° C., the molding temperature in this high speed pressure casting should be 570 to 670 ° C. Even if it is a thin molded product of about 0.3 to 1.0 mm at such a relatively low temperature of 700 ° C. or lower, a good mold finish can be obtained with an appropriate hot water flow. In addition to the molding yield, the yield in the final product appearance inspection is also very good.
[0040]
The magnesium alloy of the present invention and the molded product thereof are preferably subjected to a solution heat treatment in an inert atmosphere in the range of 370 to 430 ° C. for 3 to 30 hours, thereby eliminating crystal distortion during molding. Corrosion resistance is improved.
[0041]
When the solution treatment temperature exceeds 430 ° C., crystal coarsening starts, and when it is less than 370 ° C., many intermetallic compounds remain at the crystal grain boundaries. As for the time, when the temperature is less than 430 ° C. and less than 3 hours, the solution is insufficient, and when it exceeds 30 hours, it is uneconomical.
[0042]
In recent years, the molded product of the present invention has been demanded for further reduction in thickness and weight, and has high demands on the appearance of the product, such as notebook PCs, mobile phones, digital cameras, PDAs, and the like. It is extremely useful industrially for various purposes including body and various components.
[0043]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples.
[0044]
Example 1
A 5 kg ingot of AZ121CaSr alloy having the following composition was cast by adding Al, metal Ca, and 10% Sr—Al alloy to AZ91 alloy and melting them by a non-flux method.
[0045]
[AZ121CaSr alloy composition]
Al: 11.5%
Zn: 0.75%
Mn: 0.25%
Ca: 1.03%
Sr: 0.48%
Mg: balance [0046]
Immediately before casting, a sample was taken by pouring into a small mold with a diameter of 25 mmφ, subjected to solution treatment at 420 ° C. for 2 hours, and the crystal grain size was measured by a section method by polishing and etching. there were. Further, on the melting furnace side, the melting point / freezing point was measured by measuring the temperature of the cooling process and found to be 575 ° C.
[0047]
Using this AZ121CaSr alloy ingot, a 450-ton cold chamber die casting machine was used to mold the A4 notebook computer case with a thickness of 0.7 mm at molding temperatures of 620 ° C. and 650 ° C. The molding finish of each 200 pieces was examined, and the results are shown in Table 3.
[0048]
Comparative Example 1
As a comparative alloy, AZ91 alloy was used, and in the same manner as in Example 1, melting and solution treatment were performed, and the crystal size and the melting point / freezing point were examined. The crystal size was 40 μm and the melting point / freezing point was 599 ° C. there were.
[0049]
Using this ingot of the AZ91D alloy, die casting was performed in the same manner as in Example 1, and the finish of molding was similarly examined. The results are shown in Table 3.
[0050]
[Table 3]

[0051]
As is apparent from Table 3, according to the present invention, since the pass rate of the molded product is improved, the cost can be reduced by 12.5 to 15.0% compared to the conventional product. That is, according to the present invention, it is possible to reduce the cost while sufficiently absorbing the increase in raw material cost due to the blending of Al, Ca, and Sr.
[0052]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the magnesium alloy of the present invention and its molded product,
(1) Since the hot water flow is improved, troubles during the molding operation are reduced and the pass rate of the molded product is improved.
{Circle around (2)} Since molding conditions in a lower processing temperature range than before can be adopted, the load on the molding machine and the mold is reduced, and equipment failure and deterioration are prevented.
(3) Since the finish of molding is greatly improved, the product yield in the final inspection is also improved.
(4) Strength and corrosion resistance are not inferior to conventional products.
Under these effects, even a molded product having a thin wall and a complicated shape has high productivity and can be efficiently manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the amount of Al in an AZ alloy and the solidification start temperature.
FIG. 2 is a graph showing the tensile strength of various AZ alloy die-cast products.
FIG. 3 is a graph showing elongation values of various AZ alloy die-cast products.
FIG. 4 is a graph showing molding finish (defect value) of various AZ alloy die cast products.
FIG. 5 is a graph showing the filling rate (%) of various AZ alloy die-cast products.
FIG. 6 is a graph showing the crystal size of each alloy according to the melting process.
FIG. 7 is a graph showing the effect of addition of Ca and Sr on the crystal size.
FIG. 8 is a photomicrograph of a cross section of an alloy of the present invention (AZ121Ca1.0Sr0.5) die-cast.
FIG. 9 is a micrograph of a cross section of a conventional alloy (AZ91) die-cast product.

Claims

In mass ratio, Al: 10.0~15.0%, Zn: 0.3~1.5%, Mn: 0.1~0.4%, Ca: 3.0% or less, and Sr: 1 . Magnesium alloy excellent in forming finish, characterized by containing 2% or less (excluding the range of Ca 0.8% or less and Sr 0.7% or less), the balance being Mg and inevitable impurities.

The magnesium alloy having excellent forming finish characteristics according to claim 1, wherein the melting point is 545 to 595 ° C.

Claim 1 or moldings, characterized in that by molding the second any one of magnesium alloy.

4. The molded product according to claim 3, wherein the molded product is molded by any one of high-speed pressure casting methods selected from the group consisting of metal injection molding, die-casting, thixomolding, and squeeze casting .

The molded product according to claim 3 or 4, wherein a molding temperature is 570 to 670 ° C.

The molded product according to any one of claims 3 to 5 , wherein a solution heat treatment is performed in an inert atmosphere in a range of 370 to 430 ° C for 3 to 30 hours.