AM-HP2: 自動車パワートレイン用途のための新しいマグネシウム高圧ダイカスト合金

このドキュメントは、Mark A. Gibson、Colleen J. Bettles、Morris T. Murray、Gordon L. Dunlopによって2006年1月に発表された論文 "AM-HP2: 自動車パワートレイン用途のための新しいマグネシウム高圧ダイカスト合金" を詳細に要約したものです。

1. 概要:

  • タイトル: AM-HP2: 自動車パワートレイン用途のための新しいマグネシウム高圧ダイカスト合金
  • 著者: Mark A. Gibson、Colleen J. Bettles、Morris T. Murray、Gordon L. Dunlop
  • 発表年: 2006年
  • 発表誌/学会: 画像に記載なし
  • キーワード: マグネシウム合金、高圧ダイカスト、クリープ

2. 研究背景:

自動車業界は軽量化を継続的に追求しています。マグネシウム合金は軽量化に有効な材料ですが、高温特性がエンジンの用途には不十分であることがしばしばあります。エンジン クランクケースの製造には、低圧/重力鋳造と高圧ダイカストの2つの主要なプロセスがあります。低圧鋳造は複雑な設計と鋳造後の熱処理が可能ですが、コストが高くなります。高圧ダイカストは高速でコストが低くなりますが、合金の特性を鋳造プロセス中に開発する必要があります。従来の高圧ダイカストマグネシウム合金は主にMg-Al系であり、アルミニウムの存在が、高温クリープ抵抗を損なうという欠点があります。そのため、これらの制限を克服するための新しい合金の開発が必要とされていました。

3. 研究目的と研究課題:

  • 研究目的: 自動車パワートレイン用途に適した、優れたダイカスト性と150～200℃での優れたクリープ抵抗性を兼ね備えた新しいマグネシウムダイカスト合金（AM-HP2）を開発すること。
  • 主要な研究課題: 自動車パワートレイン用途に関連する温度（150～200℃）で、優れたダイカスト性とクリープ抵抗性を同時に満たすマグネシウム合金を開発できるか？
  • 研究仮説: 改良されたMg-希土類合金は、既存のMg-Al系合金と比べて、優れたダイカスト性とクリープ抵抗性を同時に達成できる。

4. 研究方法:

  • 研究設計: AM-HP2合金と、他の市販の高温クリープ抵抗性マグネシウム合金（AZ91D、AE42、AJ62）を比較検討する研究。
  • データ収集方法: 酸化試験、ダイカスト性評価、引張試験（室温、100℃、150℃、177℃）、定荷重引張クリープ試験（600時間）、ボルト荷重保持率（BLR）試験（150℃および177℃で100時間）。ミクロ組織分析も行われた。
  • 分析方法: 機械的性質の統計分析、光学顕微鏡を用いたミクロ組織観察。
  • 研究対象と範囲: AM-HP2合金および比較対象合金（AZ91D、AE42、AJ62）。自動車パワートレイン用途に関連する機械的性質、特に高温クリープ抵抗性に重点を置いた。

5. 主要な研究結果:

  • 主要な発見: AM-HP2は、改良されていない合金と比べて、酸素化抵抗性が大幅に向上した。ダイカスト性はAZ91Dと類似していた。100℃以上の温度では、AM-HP2はAE42およびAJ62よりも0.2%耐力が高いことを示した。AM-HP2はAE42およびAJ62よりも延性は低いものの、パワートレイン用途には十分な延性を有していた。AM-HP2のクリープ抵抗性は、厳しい試験条件（177℃、90 MPa）下で、成功した砂型鋳造合金であるAM-SC1と匹敵した。ボルト荷重保持率（BLR）は、AJ52よりも優れていた。AM-HP2のミクロ組織は、連続的な金属間化合物相を持つマグネシウムリッチマトリックスから成り、クリープ抵抗性に寄与している。
  • 統計的/定性的分析結果: 表1は、様々な温度におけるAM-HP2の引張試験データを示している。図4は、AM-HP2、AE42、AJ62の0.2%耐力、引張強さ、伸びを比較している。図5は、AM-HP2とAM-SC1のクリープ応答を比較している。表2は、AM-HP2と他の合金のクリープ挙動を比較している。図6はBLRの結果を示している。図7は、様々なマグネシウム合金のダイカスト性/クリープ性能空間を示している。図1と図3は、ミクロ組織画像を示している。
  • データ解釈: 高温での優れたクリープ抵抗性は、ミクロ組織、特に連続的な金属間化合物相によるものと考えられる。優れたダイカスト性は、凝固過程における酸化を低減する合金組成の変更によるものと考えられる。
  • Figure List:
    • Figure 1: (a) Photograph of the as-solidified top surface of AM-HP2; (b) Optical photomicrograph showing limited oxidation.
    • Figure 2: AM-HP2 part showing high-quality surface finish.
    • Figure 3: Optical micrographs of AM-HP2 microstructure at low and high magnification.
    • Figure 4: Comparison of tensile properties (0.2% proof stress, UTS, elongation) of AM-HP2, AE42, and AJ62 at various temperatures.
    • Figure 5: Comparison of creep response of AM-HP2 and AM-SC1.
    • Figure 6: Comparison of bolt load retention (BLR) behavior of AM-HP2 and AM-SC1.
    • Figure 7: Schematic representation of castability/creep performance space for various magnesium alloys.
Figure 1. a) Photograph of the as-solidified top surface of a sample of AM-HP2 cast in air and b) an optical photomicrograph near the ‘free’ surface of a section through the diameter of the casting shown in (a) and showing a very limited extent of oxidation.
Figure 1. a) Photograph of the as-solidified top surface of a sample of AM-HP2 cast in air and b) an optical photomicrograph near the ‘free’ surface of a section through the diameter of the casting shown in (a) and showing a very limited extent of oxidation.
Figure 2. AM-HP2 part showing a high quality reflective surface finish in the as-cast condition (plate is 70 mm wide).
Figure 2. AM-HP2 part showing a high quality reflective surface finish in the as-cast condition (plate is 70 mm wide).

6. 結論と考察:

AM-HP2は、自動車パワートレイン用途に関連する温度において、優れたダイカスト性と高温クリープ抵抗性を両立した合金である。AE42やAJ62よりも高温で優れた性能を示し、鋳造後の熱処理を必要としないAM-SC1と同等のクリープ抵抗性を示した。優れたクリープ抵抗性は、そのミクロ組織と関連している。

7. 研究の限界:

本研究は、特定の合金と試験条件に限定されている。より幅広い合金とプロセスパラメータに関するさらなる研究が必要である。

8. 今後の研究:

様々な荷重と温度条件下でのAM-HP2の長期間クリープ挙動の調査が必要である。様々なプロセスパラメータがミクロ組織と機械的性質に与える影響を調査する必要がある。実世界の自動車部品における合金の性能評価が重要である。

9. 参考文献:

画像には参考文献1～6がリストアップされているが、完全な参考文献情報は画像には完全に記載されていない。一部表示されている情報は、マグネシウム合金、ダイカスト、クリープ挙動に関する出版物を参照している。

  1. M.A. Gibson, C.J. Bettles, M.T. Murray, G.L. Dunlop, S.P. Cashion, “AM-HP2: A New Magnesium Alloy with Improved Diecastability and Creep Strength for Powertrain Applications”, (Paper presented at the 13th Magnesium Automotive and End User Seminar, Aalen, 22nd-23rd September 2005).
  2. K. Pettersen and S. Fairchild “Stress relaxation in Bolted Joints of Die Cast Magnesium Components” SAE Technical Paper 970326, 1997.
  3. P. Labelle, “Compliation of AJ62A Typical Alloy Properties”, Noranda Inc., December 2004.
  4. P. Bakke and H. Westengen, “The Role of Rare Earth Elements in Structure and Property Control of Magnesium Die Casting Alloys”, Magnesium Technology 2005, ed. N.R. Neelameggham, H.I. Kaplan, and B.R. Powell (Warrendale, PA: The Minerals, Metals & Materials Society, 2005), 291-296.
  5. P. Labelle, “Compliation of AJ52A Typical Alloy Properties”, Noranda Inc., December 2004.
  6. E. Aghion, B. Bronfin, H. Friedrich and Z. Rubinovich, “The Environmental Impact of New Magnesium Alloys on the Transportation Industry”, Magnesium Technology 2004, ed. A.A. Luo (Warrendale, PA: The Minerals, Metals & Materials Society, 2004), 167-172.
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Tags: Applications; ,AZ91D; ,Die casting; ,High pressure die casting; ,Magnesium alloys; ,Microstructure; ,자동차; ,자동차 산업; ,해석