パワートレイン用途向けに新たに開発されたマグネシウム合金

本紹介資料は、「JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society」に掲載された論文「Newly Developed Magnesium Alloys for Powertrain Applications」に基づいています。

1. 概要：

タイトル: Newly Developed Magnesium Alloys for Powertrain Applications (パワートレイン用途向けに新たに開発されたマグネシウム合金)
著者: E. Aghion, B. Bronfin, F. Von Buch, S. Schumann, and H. Friedrich
発行年: 2003年 (11月)
発行ジャーナル/学会: JOM: the journal of the Minerals, Metals & Materials Society
キーワード: Magnesium alloys (マグネシウム合金), Powertrain applications (パワートレイン用途), High-temperature (高温), Creep resistance (耐クリープ性), Die casting (ダイカスト), Gravity casting (重力鋳造), MRI 153M, MRI 230D, MRI 201S, MRI 202S

2. 抄録：

近年、高温用途向けに、ダイカスト性（die castability）、耐クリープ性（creep resistance）、機械的特性、耐食性（corrosion performance）、および経済性（affordability）の最適な組み合わせを得るために、いくつかの新しいマグネシウム合金が開発されてきました。残念ながら、適切な特性の組み合わせを達成することは困難であり、実際、新しい合金のほとんどは、要求される性能とコストを部分的にしか満たすことができません。ほとんどの重力鋳造（gravity-casting）用途に使用されるZE41合金は、良好な鋳造性（castability）と組み合わされた中程度の強度と耐クリープ性を有しています。この合金は耐食性が低いにもかかわらず、特定の用途では依然として好まれています。

3. 緒言：

最も軽量な構造材料として、マグネシウム合金は、車両の軽量化、ひいては良好な燃費が不可欠な自動車産業に非常に適しています。
車両部品用の新しい合金の選択は、技術的要件と目標コストに基づいて行われるべきです。実際には、この選択プロセスは複雑であり、組み合わされた要求特性と最終的な目標コストの一部である特定の特性に与えられる相対的な重みに大きく依存します。アルミニウム合金のような代替材料システムが同じ用途で考慮される場合、この作業はさらに複雑になります。

4. 研究の概要：

研究テーマの背景：

マグネシウム合金は、その低密度のために自動車用途で魅力的です。しかし、パワートレイン部品（例：ギアボックスハウジング、オイルパン、クランクケース）は高温で動作するため、AZ91D、AM60B、AM50Aなどの標準合金と比較して、向上した耐クリープ性とボルト締結力保持（bolt load retention）特性を持つ合金が必要です。合金の不十分なクリープ強度は、ボルト締結部の締結力低下を招き、ベアリングとハウジングの接触不良、オイル漏れ、騒音および振動の増加を引き起こす可能性があります。既存の商用マグネシウム合金は、これらの要求の厳しい用途に必要な特性の組み合わせを欠いていることがよくあります。

従来の研究状況：

一般的なダイカスト合金（AZおよびAMシリーズ）は130°Cを超える温度には適していません。AS21、AS41、AE42などの初期の耐クリープ合金は、低い鋳造性、耐食性、コスト増加、または低強度などの制限がありました。ZE41のような重力鋳造合金は中程度の特性を提供しますが、耐食性が低く、WE43やWE54のような高性能合金は非常に高価です。最近の開発には、AS21X（Hydro Magnesium社、AS21ベース+RE添加）、AJ52X（Noranda社、AM50+Sr）、ACM522（Honda社、AM50+Ce基ミッシュメタル+Ca）、AXJ合金（General Motors社、AM50+Ca+Sr）、およびMEZ（Magnesium Electron社、RE+Zn+Mn+Zr/Ca）が含まれます。これらの合金はいくつかの点で改善を示しましたが、コスト、鋳造性、延性、衝撃強度、高温割れ感受性、または溶湯処理に関する課題に依然として直面していました。

研究の目的：

既存合金の限界に対処するため、Dead Sea Magnesium Ltd. (DSM)とVolkswagen AG (VW)は、学術パートナーと共に、高温で作動するパワートレイン部品に適した、耐クリープ性があり費用対効果の高いダイカストおよび重力鋳造マグネシウム合金を開発するための包括的なプログラムを開始しました。

中核研究：

本研究は、新しいマグネシウム合金の開発と特性評価に焦点を当てました。この研究から4つの合金が生まれました：

MRI 153M: 最大150°Cでの使用を目的とした、ベリリウムフリー、低コスト、耐クリープ性のダイカスト合金。
MRI 230D: エンジンブロックなどの用途向けに、最大190°Cのより高い温度に対応するダイカスト合金。
MRI 201S: T6状態で優れた機械的特性と耐クリープ性を提供し、WE43の費用対効果の高い代替品として開発された重力鋳造合金。
MRI 202S: 中程度の強度と優れたクリープ性能を持つ、高純度、耐食性の重力鋳造合金で、ZE41よりも優れた性能を目指しています。

この研究では、これらの新しい合金の機械的特性（引張、圧縮、疲労、衝撃）、耐クリープ性、耐食性能、および鋳造性を評価し、既存の商用マグネシウム合金（AZ91D、AE42、AS21、ZE41-T5、WE43-T6）およびアルミニウム合金（A380）と比較しました。合金元素（Al、Ca、Sr、REミッシュメタル）が特性とコストに及ぼす影響も分析されました。

5. 研究方法論

データ収集および分析方法：

機械的試験: 室温（20°C）および高温（例：150°C）での引張試験（降伏強度、引張強さ、伸び）および圧縮降伏強度試験。衝撃強度試験。疲労強度試験（回転曲げ、5 × 10⁷ サイクル）。
クリープ試験: 高温（例：150°C, 175°C, 200°C, 250°C）で0.2%のクリープひずみを生じさせるのに必要な応力の測定。
腐食試験: 塩水噴霧試験（200時間、ASTM Standard B-117）による腐食速度（mg/cm²/day）の測定。
比較分析: 新合金の特性を、データ表（Table I, Table II, Table III）および特性図（Figure 1, Figure 2, Figure 3）を用いて、既存の商用マグネシウム合金（AZ91D, AE42, AS21, ZE41-T5, WE43-T6）およびアルミニウム合金A380と体系的に比較。

研究テーマと範囲：

研究範囲は、高温パワートレイン用途向けに特別に設計された新しいマグネシウム合金の開発、特性評価、および比較評価を網羅しました。テーマは以下の通りです：

ダイカストおよび重力鋳造用合金設計。
合金元素（Al, Ca, Sr, RE, Zr）が特性とコストに及ぼす影響。
ダイカスト性、機械的特性（常温および高温）、耐クリープ性、耐食性能の評価。
ベンチマークとなる商用マグネシウムおよびアルミニウム合金との比較。
性能とコストのトレードオフに基づいた新合金（MRI 153M, MRI 230D, MRI 201S, MRI 202S）の位置づけ。

6. 主要な結果：

主要な結果：

4つの新しいマグネシウム合金が開発されました：MRI 153M, MRI 230D（ダイカスト用）、MRI 201S, MRI 202S（重力鋳造用）。
MRI 153Mは、AZ91Dと同等のダイカスト性を示しますが、大幅に優れた高温強度と耐クリープ性（130-150°C、50-85 MPaにて）およびAE42/AS21よりも優れた耐食性を有します。最大150°Cの用途向けの低コストオプションとして位置づけられます。(Table I)
MRI 230Dは、優れた耐クリープ性（150-175°C、70 MPaにてA380アルミニウムに匹敵）、良好な鋳造性、高強度、および優れた耐食性を提供し、最大190°Cの用途に適しています。(Table I)
MRI 201S（T6処理）は、優れた機械的特性、耐クリープ性、鋳造性、耐圧性、溶接性、寸法安定性、および耐食性を提供し、WE43の費用対効果の高い代替品となる可能性があります。(Table II)
MRI 202Sは、中程度の強度ですが優れたクリープ性能を持つ高純度、耐食性の重力鋳造合金であり、クリープおよび耐食性においてZE41よりも大幅に優れています。(Table II)
本研究は、合金設計におけるトレードオフを確認しました：アルミニウム含有量の増加は、鋳造性、常温強度、耐食性を向上させますが、クリープ特性、延性、衝撃強度を低下させます（Figure 1a）。アルカリ土類金属（Ca, Sr）およびREミッシュメタルの合金化は、耐クリープ性と常温強度を向上させますが、鋳造性、延性、衝撃強度を悪化させ、コストを増加させる可能性があります（Figure 1b）。
カルシウムは、SrおよびREと比較して、コスト増加ドルあたりでクリープおよび降伏強度を最大に増加させることが確認されましたが、0.3%を超える濃度は鋳造性と延性に悪影響を与えます。
150°Cおよび180°Cの用途向けに、組み合わせた特性（クリープ、鋳造性、引張、疲労、延性、腐食）対コストに基づいて、新合金および既存合金の相対的な位置を視覚化するための比較図（Figure 2, Figure 3）および評価表（Table III）が提示されました。

図表リスト：

Figure 1. (a) アルミニウムおよび (b) 合金元素がマグネシウムダイカスト合金の特性とコストに及ぼす影響。
Figure 2. 検討されたマグネシウム合金の耐クリープ性 vs. 鋳造性およびコスト（コストの増加に伴い円が大きくなることで表される）。
Figure 3. (a) 150°C および (b) 180°C の用途向けに指定された新しいマグネシウム合金の組み合わせ特性評価 vs. 予測コスト。
Table I. MRI 153M および MRI 230D の機械的特性
Table II. MRI 201S & MRI 202S 合金の機械的特性
Table III. 150°C および 180°C の用途向け新 Mg 合金の組み合わせ特性評価

7. 結論：

本研究は、高温パワートレイン用途を対象とした4つの新しいマグネシウム合金（ダイカスト用 MRI 153M, MRI 230D; 重力鋳造用 MRI 201S, MRI 202S）の開発に成功しました。これらの合金は、コストへの配慮を行いつつ、既存の多くの商用マグネシウム合金と比較して、特に耐クリープ性において改善された特性の組み合わせを提供します。MRI 153Mは、良好な鋳造性を備え、最大150°Cの用途に費用対効果の高いソリューションを提供します。MRI 230Dは、最大190°CまでA380アルミニウムに匹敵する高い耐クリープ性を提供します。MRI 201Sは、重力鋳造においてWE43に対する高性能で費用対効果の高い代替品を提示し、一方MRI 202SはZE41よりも大幅に改善されたクリープおよび耐食性を提供します。本研究は、合金元素（Al, Ca, Sr, RE）の選択と濃度に大きく影響される、耐クリープ性、鋳造性、コストといった相反する特性間の重要なバランスを強調しています。提示されたデータと比較分析（Table I-III, Figure 1-3）は、設計エンジニアが先進的なパワートレイン部品の特定のサービス要件とコスト目標に基づいて最適なマグネシウム合金を選択するための貴重な情報を提供します。

8. 参考文献：

[1.] H. Friedrich and S. Schumann, "The Second Age of Magnesium Research Strategies to Bring the Automotive Industry's Vision to Reality," Proceedings of the Second Israeli International Conference on Magnesium Science & Technology, ed. E. Aghion and D. Eliezer (Beer-Sheva, Israel: The Magnesium Research Institute, 2000), pp. 9-18.
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[5.] B. Powell et al., "Development of Creep-Resistant Magnesium Alloys for Powertrain Applications,” Light Metal Applications for the Automotive Industry: Aluminum and Magnesium, SAE Special Publication SP-1622, paper number 2001-01-0422 (Warrendale, PA: SAE, 2001).
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9. 著作権：

本資料は、「E. Aghion, B. Bronfin, F. Von Buch, S. Schumann, and H. Friedrich」による論文です。「Newly Developed Magnesium Alloys for Powertrain Applications」に基づいています。
論文の出典： https://doi.org/10.1007/s11837-003-0206-8

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