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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Technischer Hintergrund
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Bislang wurden als Material für motorbetriebene Konstruktionen, wie Kraftfahrzeuge, Magnesiumlegierungen, die leichtgewichtig sind, vielfach verwendet. Um für solche Konstruktionen eine Magnesiumlegierung einzusetzen, muss sie eine die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit garantieren und hierfür wurden hochfeste Magnesiumlegierungen vorgeschlagen.
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Beispielsweise offenbart Patentdokument 1 eine hochfeste Magnesiumlegierung, umfassend (a) 4 bis 15 Masse-% Gd oder Dy und (b) 0,8 bis 5 Masse-% von mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Y und Lanthanoiden [vorausgesetzt, dass die Komponente (a) ausgenommen ist] und weiterhin, falls erwünscht, 2 Masse-% oder weniger von mindestens einem Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zr und Mn, und als Restmenge Mg. Diese hochfeste Magnesiumlegierung wird hergestellt, indem man Materialien der vorstehend genannten Schmiedezusammensetzung einer Homogenisierungsbehandlung bei 430 bis 570°C für 2 bis 7 Stunden, Warmschmieden der Schmiedematerialien bei einer Temperatur der Schmiedematerialien von 380 bis 570°C und bei einer Formtemperatur von 250 bis 400°C, die geringer ist als die Temperatur der Schmiedematerialien, und Alterungshärten des erhaltenen warmgeschmiedeten Produkts bei 180 bis 290°C für 2 bis 400 Stunden unterzogen wird.
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Zudem offenbart Patentdokument 2 eine hochfeste Magnesiumlegierung, worin die mittlere Zusammensetzung der gesamten Legierung durch die Zusammensetzungsformel Mg100-a-bLnaZnb (worin Ln mindestens ein Seltenerdenelement ist, ausgewählt aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu und einem Mischmetall 0,5 ≤ a ≤ 5, 0,2 ≤ b ≤ 0,4 und 1,5 ≤ a + b ≤ 7) wiedergegeben wird und der mittlere Kristallkorndurchmesser der Mutterphase 5 μm oder weniger ist. In dieser hochfesten Magnesiumlegierung liegt in einem Teil der Kristallkörner der Mutterphase eine Konzentrationsmodulierung vor, sodass die Konzentration in den Kristallkörnern ohne Ausscheidung einer neuen Verbindung verändert wird, und die Gesamtkonzentration des Seltenerdenelements (Ln) ist um 1 bis 6 Atom-% erhöht und/oder die Konzentration an Zn ist um 1 bis 6 Atom-% erhöht, verglichen mit der mittleren Zusammensetzung der gesamten Legierung. Diese hochfeste Magnesiumlegierung wird durch schnelles Verfestigen einer geschmolzenen Magnesiumlegierung mit der vorstehend genannten Zusammensetzung bei einer Kühlrate von 100 K/s oder höher, Erzeugen einer pulverförmigen Legierung mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa 30 μm mithilfe einer Zerkleinerungsvorrichtung, wie einer Rotormühle, Füllen eines Extrusionsbehälters mit der pulverförmigen Legierung und Ausführen von Extrusion mit einem Extrusionsverhältnis (durch Querschnittsverhältnis) von 3 bis 20 unter Erhitzen hergestellt. Ferner hat diese hochfeste Magnesiumlegierung eine Zugdehnung von 3 bis 4%.
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Weiterhin offenbart Patentdokument 3 eine hochfeste Magnesiumlegierung, die durch Unterziehen einer Magnesiumlegierung, wie einem Mg-Zn-Zr-System, z. B. ZK60, einem Mg-Al-Zn-System, z. B. AZ61, oder einem Mg-Mn-System, einer Verflüssigungsbehandlung, Anwenden einer Vordehnung von mindestens 0,4 in einem Temperaturbereich von 250 bis 400°C in einem ersten Schmiedeschritt, dann Ausführen von Alterung und dann Ausführen eines zweiten Schmiedens bei einer vorbestimmten Temperatur, nicht höher als die Temperatur bei dem vorangehenden Schmiedeschritt, sodass die Legierung eine feine Kristallkornstruktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 10 µm oder weniger aufweist, hergestellt ist. Gemäß der Erfindung, die in der Veröffentlichung offenbart wird, wird die Komponentensegregation durch Ausführen einer Verflüssigungsbehandlung beseitigt, sodass die Magnesiumverbindung, die ungleichmäßig in dem Material ausgeschieden wurde, in der Struktur ausreichend Feststoff-solubilisiert ist. Dann wird eine Vordehnung auf das Material in dem Schmiedeschritt angewendet und in der anschließenden Alterungsbehandlung werden kugelförmige feine Körner der Magnesiumlegierung mit einem kleinen Längen-Breiten-Verhältnis ausgeschieden, um die Struktur zu egalisieren. Durch die in dem Schmiedeschritt ausgeschiedenen feinen Körner wird das Kristallkornwachstum in dem Übererhitzungsverfahren auf eine Temperatur, bei der das Material geschmiedet wird, dann gehemmt, wodurch eine stabile, feine Kristallkornstruktur durch den Kristallkornverfeinerungseffekt durch das Schmieden gebildet wird.
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Nichtpatentdokument 1 offenbart dagegen einen Mg-0,9-Masse-%-Ca(entsprechend 0,55 Atom-%)-Gusswerkstoff und die Wirkung der Zugabe einer kleinen Menge Ca zu Mg wird erörtert. Auf diese Magnesiumlegierung wird keine weitere Wärmebehandlung angewendet. Diese Magnesiumlegierung hat bei Raumtemperatur eine Fließspannung von 100 MPa und eine Zugdehnung (tensile elongation) von einigen Prozent. Der Verfestigungsmechanismus erfolgt durch Ausscheidungsverfestigen aufgrund der lamellaren Phase von Mg2Ca, jedoch ist die Duktilität aufgrund des Vorliegens von Ausscheidungen mit einer hohen Volumenfraktion sehr niedrig.
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Weiterhin offenbart Nichtpatentdokument 2 Mg-Y-binäre Gusslegierungen mit Y-Konzentrationen von 5 und 8 Masse-% (entsprechend 1,4 bzw. 2,2 Atom-%) und teilt die Fließspannung von dem Gussmaterial und einem T6-alterungsbehandelten Material mit. Die Fließspannung der Legierung, die 8 Masse-% Y enthält, ist etwa 130 MPa bzw. etwa 240 MPa als das Gussmaterial und das T6-alterungsbehandelte Material, und die Duktilität wird nicht offenbart. Das hohe Verfestigen dieser Legierung erfolgt auch aufgrund von Ausscheidungen.
Patentdokument 1:
Japanische Patentanmeldung, Offenlegung-Nr. 9-263871 Patentdokument 2:
Japanische Patentanmeldung, Offenlegung-Nr. 2004-99941 Patentdokument 3:
Japanische Patentanmeldung, Offenlegung-Nr. 2003-277899 Patentdokument 4:
US 5 693 158 A ;
US 5 693 158 A beschreibt eine Magnesiumlegierung, die Strontium enthält.
Nichtpatentdokument 1: Materials Transaction, Band 43, Nr. 10 (2002), Seiten 2643–2646 (Yasumasa Chino et al.)
Nichtpatentdokument 2: Materials Transaction, Band 42, Nr. 7 (2001), Seiten 1332–1338 (Si-Young Chang et al.)
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend beschriebenen herkömmlich vorgeschlagenen hochfesten Magnesiumlegierungen haben hohe Festigkeit hauptsächlich durch Nutzen von Kristallisierung oder Ausscheidung einer groben intermetallischen Verbindung durch eine Kombination von übersättigten verschiedenen Elementen oder durch gleichförmiges Dispergieren von Hochkonzentrationsausscheidungen angenommen. Die meisten im Stand der Technik entwickelten Magnesiumlegierungen hängen von einer Dispersionsverfestigung der intermetallischen Verbindung ab, wodurch leichter Bruch auftreten wird, z. B. an der Grenzfläche der dispersen Verbindung, und im Ergebnis wird die Legierung in der Duktilität schlecht sein. Insbesondere, wenn die Magnesiumlegierung auf eine motorbetriebene Konstruktion angewendet wird, ist es erforderlich, dass nicht nur hohe Festigkeit, sondern auch hohe Duktilität vorliegt, um eine die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit zu garantieren.
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Unter diesen Umständen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Magnesiumlegierung bereitzustellen, die sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Duktilität realisiert, und ein Verfahren zur Herstellung dafür.
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Um die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende Erfindung als einen ersten Aspekt eine Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität bereit, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst
0,03 bis 0,54 Atom-% von einem Typ von gelösten Atomen, die zu der Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoiden des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener von Magnesium aufweisen, und
den Rest Magnesium und
die eine feine Kristallkornstruktur aufweist, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser 1,5 μm oder weniger ist und die gelösten Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach von jener der gelösten Atome in den Kristallkörnern lokalisiert sind.
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In der vorliegenden Beschreibung ist die „Konzentration” der gelösten Atome die mittlere Konzentration bis zu den dritten benachbarten Atomen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, gemessen mithilfe von Nano-EDS (Energie-Disperse Röntgenspektroskopie) mit einem Elektronenstrahldurchmesser, fokussiert auf 0,5 bis 1,0 nm.
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Die vorliegende Erfindung stellt als einen zweiten Aspekt die vorstehend genannte Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität gemäß dem ersten Aspekt bereit, worin die gelösten Atome ein Typ von Atomen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität bereit, umfassend
0,03 bis 0,54 Atom-% von einem Typ von gelösten Atomen, die zu der Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoiden des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener von Magnesium aufweisen, und
den Rest Magnesium, wobei das Verfahren umfasst
Herstellen einer Mutterlegierung, umfassend Magnesium und gelöste Atome,
Unterziehen der erhaltenen Mutterlegierung einer Homogenisierungsbehandlung bei einer Temperatur von 450 bis 550°C für 1,5 bis 8 Stunden, gefolgt von
Abschrecken und weiterem Anwenden einer Warmdehnung bei einer Temperatur von 150 bis 350°C zur Bildung einer feinen Kristallkornstruktur, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser 1,5 μm oder weniger ist und die gelösten Atome bei Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach zu jener der gelösten Atome in den Kristallkörnern lokalisiert sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin als einen vierten Aspekt das vorstehend genannte Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität gemäß dem vorstehend genannten dritten Aspekt bereit, die als gelöste Atome einen Typ von Atomen, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, nutzt.
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Außerdem stellt die vorliegende Erfindung als einen fünften Aspekt das vorstehend genannte Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität gemäß dem vorstehend genannten dritten oder vierten Aspekt bereit, worin die Warmdehnung durch Anwenden von Wärmeextrusion mit einem Extrusionsverhältnis (Querschnittsflächenverhältnis) von 16:1 bis 100:1 angewendet wird.
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Kurzbeschreibung von Zeichnungen
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1(a) und 1(b) sind Darstellungen, die die Ergebnisse der Bewertung von mechanischen Eigenschaften von Legierungen in Beispielen mithilfe eines Zugtests erläutern und 1(a) gibt Mg-0,3Y wieder und 1(b) gibt Mg-0,3Ca wieder.
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2 ist eine Darstellung, die den Ausgleich zwischen der spezifischen Festigkeit (Streckspannung/relative Dichte) und der Zugdehnung von Legierungen in Beispielen verglichen mit dem herkömmlichen Magnesiumgussmaterial, geschmiedeten Magnesiumwerkstoff, Aluminiumlegierung und Stahl erläutert.
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3(a) und 3(b) sind Bilder, die die Beispiele der Kristallstruktur von Legierungen in Beispielen veranschaulicht und 3(a) gibt Mg-0,3Y wieder und 3(b) gibt Mg-0,3Ca wieder.
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4(a) und 4(b) sind Bilder, die Beispiele der Korngrenzenstruktur von Legierungen in Beispielen erläutern und Ergebnisse der Atomkonzentrationsmessung mithilfe von Nano-EDS, und 4(a) gibt Mg-0,3Y wieder und 4(b) gibt Mg-0,3Ca wieder.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat wie vorstehend beschriebene Eigenschaften und sie wird nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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Die Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,03 bis 0,54 Atom-% von einem Typ von gelösten Atomen, die zu Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoid des Periodensystems gehören, und mit einem Atomradius größer als jener von Magnesium, und der Restmenge an Magnesium und eine feine Kristallkornstruktur aufweist, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser 1,5 μm oder weniger ist und gelöste Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach von jener der gelösten Atome in den Kristallkörnern lokalisiert sind.
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Die Atome, die zur Gruppe 2 des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener von Magnesium aufweisen (Atomradius: 1,60 Angstrom, nachstehend gibt der Zahlenwert in Klammern nach dem chemischen Symbol den Atomradius wieder), schließen Ca (1,97 Angstrom), Sr (2,15 Angstrom) und Ba (2,18 Angstrom) ein.
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Die Atome, die zur Gruppe 3 des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener von Magnesium aufweisen, schließen Sc (1,65 Angstrom) und Y (1,82 Angstrom) ein.
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Die Atome, die zu Lanthanoiden des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener von Magnesium aufweisen, schließen La (1,88 Angstrom), Ce (1,83 Angstrom), Pr (1,83 Angstrom), Nd (1,82 Angstrom), Pm (1,8 Angstrom), Sm (1,79 Angstrom), Eu (1,99 Angstrom), Gd (1,78 Angstrom), Tb (1,76 Angstrom), Dy (1,75 Angstrom), Ho (1,75 Angstrom)), Er (1,74 Angstrom), Tm (1,76 Angstrom), Yb (1,94 Angstrom) und Lu (1,73 Angstrom) ein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Verfestigen der Magnesiumlegierung realisiert durch (1) Verfeinerung der Kristallkornstruktur und (2) Verfestigen der Kristallkorngrenzen durch Lokalisation von verschiedenen Atomen mit einem großen Unterschied in dem Atomradius an den Kristallkorngrenzen. Weiterhin wird hohe Duktilität ohne Verschlechterung von hoher Festigkeit durch (3), Beibehalten der Verformbarkeit in den Körnern durch Unterdrücken der Konzentrationen von verschiedenen Elementen der Kristallkörner garantiert.
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Die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung nutzt gelöste Atome mit einem Atomradius größer als jener von Magnesium. Je größer der Atomradius als jener von Magnesium als das Muttermaterial, umso wesentlicher sind die Gitterfehlstellen aufgrund des Unterschiedes in dem Atomradius, wobei die Kristallkorngrenzen wahrscheinlich bei dem Rekristallisationsvorgang gebildet werden und weiterhin die Wirkung des Unterdrückens des Gleitens an den Kristallkorngrenzen nach der Bildung der feinen Struktur. Als ein spezielles Beispiel zeigt ein Vergleich der Wirkungen von zwei Typen von gelösten Atomen, die in 1 gezeigt werden, dass starkes Verfestigen durch Calcium mit einem Atomradius größer als jener von Yttrium auch bei der gleichen Konzentration von 0,3 Atom-% stärker ist.
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Weiterhin ist der Gehalt der vorstehend genannten gelösten Atome 0,03 bis 0,54 Atom-%, bevorzugter 0,2 bis 0,5 Atom-%. Der Gehalt der gelösten Atome ist für die nachstehenden Zwecke auf diesen Bereich begrenzt. Das heißt, die Konzentration der Metallkomponente, die zu Magnesium gegeben werden muss, wird so gering wie möglich gehalten und auf eine Menge begrenzt, die dem Volumen der Kristallkorngrenzen entspricht, wodurch die Bildung der intermetallischen Verbindung unterdrückt wird und Ausgangspunkte zur Zerstörung möglichst vermindert werden.
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Wenn weiterhin der Gehalt an gelösten Atomen innerhalb dieses Bereichs liegt, ist es möglich, die Anteile in der Nachbarschaft der Korngrenzen abzudecken, wenn die gelösten Atome um die Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen der Kristallkornstruktur mit Submikrometerdurchmesser aufgenommen werden. Hier in dieser Beschreibung gibt die „Nachbarschaft” der Korngrenzen Schichten von bis zu den dritten benachbarten Atomen wieder. Wenn der Gehalt der gelösten Atome zu hoch ist, wird die Bildung der intermetallischen Verbindung nicht unterdrückt und die Duktilität wird abnehmen. Wenn der Gehalt der gelösten Atome zu hoch ist, werden Anteile in der Nachbarschaft der Korngrößen nicht mit den gelösten Atomen abgedeckt.
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Weiterhin hat die Magnesiumlegierung der vorliegenden Erfindung eine feine Kristallkornstruktur, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser 1,5 μm oder weniger, vorzugsweise 0,2 bis 0,8 μm, ist. Wenn der mittlere Kristallkorndurchmesser größer als 1,5 μm ist, kann starkes Verfestigen durch Verfeinerung der Kristallkörner inhibiert werden.
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Die Erhöhung der Festigkeit durch Verfeinerung der Kristallkörner wird auch durch die nominalen Spannungs-Dehnungs-Diagramme, die bezüglich des Gussmaterials und des feinen Kristallkornmaterials bei der gleichen Konzentration erhalten werden, deutlich, wie in 1 gezeigt. Es wird verständlich, dass sehr hohes Verfestigen ohne Beeinträchtigung der Duktilität durch Miniaturisierung der Kristallkörner realisiert wird.
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Weiterhin werden in der feinen Kristallkornstruktur von der Magnesiumlegierung der vorliegenden Erfindung die gelösten Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach, bevorzugter 2,5 bis 10, der gelösten Atome in den Kristallkörnern lokalisiert. Wenn die Konzentration von gelösten Atomen an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen unterhalb jener des vorstehend genannten Bereichs ist, ist es nicht möglich, die Struktur derart zu steuern, dass die gelösten Atome bei einer hohen Konzentration bei Anteilen in der Nachbarschaft von den Kristallkorngrenzen abgeschieden werden, wodurch die Bildung und Ausbreitung von Rissen an den Korngrenzen nicht unterdrückt wird. Wenn weiterhin die Konzentration der gelösten Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen höher als der vorstehend genannte Bereich ist, werden Ausscheidungen an den Korngrenzen gebildet, wobei die Duktilität ansteigen wird.
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Um die gelösten Atome bei einer hohen Konzentration an Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen abzuscheiden, kann ein Mittel zum Anwenden von Wärmedehnung durch z. B. Wärmeextrusion angewendet werden. Durch Lokalisierung der gelösten Atome bei einer hohen Konzentration bei Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen in der feinen Kristallkornstruktur, sodass ein ausgearbeitetes verfestigendes Korngrenzennetzwerk aufgebaut wird, ist es möglich, die Kristallkornstruktur zu verfeinern und die Festigkeit ebenfalls deutlich zu steigern.
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In 2 wird der Ausgleich zwischen der spezifischen Festigkeit (Streckgrenze/relative Dichte) und der Zugdehnung von erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen, verglichen mit herkömmlicher Magnesiumgusslegierung, Magnesiumschmiedelegierung, Aluminiumlegierung und Stahl, gezeigt. In der Figur gibt „neu entwickelte Legierung” die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung wieder. Es ist selbstverständlich, dass die Figur, die die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung darstellt, sowohl in der Festigkeit als auch der Duktilität ausgezeichnet ist.
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Nun wird nachstehend ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung beschrieben. Es ist natürlich selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf das nachstehend beispielhaft angegebene Verfahren begrenzt ist.
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Erstens werden die vorstehend beschriebenen gelösten Atome mit Magnesium schmelzgegossen, um eine Mutterlegierung herzustellen. Dann wird die erhaltene Mutterlegierung einer Homogenisierungsbehandlung, z. B. in einem Ofen, bei einer Temperatur von 450 bis 550°C für etwa 1,5 bis 8 Stunden unterzogen. Nach der Homogenisierungsbehandlung wird das Produkt aus dem Ofen genommen und abgeschreckt, beispielsweise durch abschrecken mit Wasser, um die gleichförmig dispergierte Struktur einzufrieren. Dann wird Wärmebeanspruchung bei einer Temperatur von 150 bis 350°C durch beispielsweise Wärmeextrusion angewendet, um eine angestrebte Magnesiumlegierung zu erhalten. Wenn die Temperatur, bei der die Warmdehnung angewendet wird, innerhalb dieses Bereichs liegt, ist es möglich, die Struktur sicher zu steuern, sodass die gelösten Atome bei einer hohen Konzentration bei Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen abgeschieden werden. In einem Fall ist es, indem Wärmeextrusion angewendet wird, außerdem bevorzugt, dass das Extrusionsverhältnis (durch Querschnittsflächenverhältnis) 16:1 bis 100:1 ist. Wenn das Extrusionsverhältnis innerhalb dieses Bereichs liegt, wird die Warmdehnung zweckmäßigerweise angewendet.
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Nun wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Beispiele beschrieben.
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Beispiel 1
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0,3 Atom-% Yttrium wurden mit kommerziellem reinem Magnesium (Reinheit 99,94%) schmelzgegossen, um eine Mutterlegierung zu erhalten. Anschließend wird die Legierung mit dieser Zusammensetzung als Mg-0,3Y bezeichnet. Die Mutterlegierung wurde in einem Ofen bei 500°C für 2 Stunden gehalten, um Homogenisierungsbehandlung von Yttriumatomen auszuführen. Nachdem die Legierung aus dem Ofen genommen wurde, wurde Wasserabschrecken ausgeführt, um die gleichförmig Gelöstes enthaltende Struktur einzufrieren. Dann wurde ein Extrusionsrohling (Durchmesser 40 mm, Länge 70 mm) durch Drehen hergestellt. Der Rohling wurde auf etwa 290°C erhitzt und dann wurde Wärmeextrusion bei einem Extrusionsverhältnis von 25:1 ausgeführt, um ein extrudiertes Material mit einem Durchmesser von 8 mm zu erhalten. Ein Testprobenstück für den Zugfestigkeitstest wurde von dem extrudierten Material spanabhebend bearbeitet bzw. gedreht und die Zugprofile wurden bei einer Zugrate von 10–3 s–1 bewertet. Im Ergebnis wurden hohe Festigkeit und hohe Duktilität mit einer Streckspannung von 380 MPa und einer Zugdehnung von 14% bestätigt (siehe 1(a)). Im Ergebnis der Beobachtung der Struktur wurde die Bildung einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger bestätigt (siehe 3(a)). Weiterhin wurde die Elementkonzentrationsverteilung mithilfe von Hochauflösungsbeobachtung und Nano-EDS (Energie-Disperse Röntgenspektroskopie) geprüft und im Ergebnis war die Konzentration 0,3 Atom-% in den Kristallkörnern und 0,90 Atom-% an den Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, wodurch bestätigt wurde, dass Yttrium an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer hohen Konzentration von etwa 3,0-fach jener in den Kristallkörnern lokalisiert war (siehe 4(a)).
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Weiterhin werden Ergebnisse der Bewertung der mechanischen Eigenschaften bezüglich Mg-0,3Y mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger, hergestellt in Beispiel 1, und eines Mg-0,3Y-Gussmaterials mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr (mithilfe eines Zugtests in 1(a)) gezeigt.
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Beispiel 2
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In der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass 0,3 Atom-% Calcium anstelle von 0,3 Atom-% Yttrium verwendet wurden und dass die Materialtemperatur vor der Extrusion etwa 250°C war, wurden Herstellung einer Mutterlegierung, Homogenisierungsbehandlung, Wasserabschrecken, spanabhebende Verarbeitung und Wärmeextrusion ausgeführt. Anschließend wird die Legierung mit dieser Zusammensetzung als Mg-0,3Ca bezeichnet. Ein Testprobestück zum Zugtest wurde aus dem extrudierten Material spanabhebend bearbeitet bzw. gedreht und die Zugeigenschaften werden bei einer Zugrate von 10–3 s–1 bewertet. Im Ergebnis wurden hohe Festigkeit und hohe Duktilität mit einer Streckspannung von 390 MPa und einer Zugdehnung von 12% bestätigt (siehe 1(b)). Im Ergebnis der Beobachtung der Struktur wurde die Bildung einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger bestätigt (siehe 3(b)). Weiterhin wurde die Elementkonzentrationsverteilung mithilfe von Hochauflösungsbeobachtung und Nano-EDS im Ergebnis geprüft. Die Konzentration war 0,27 Atom-% in den Kristallkörnern und 0,74 Atom-% bei Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, wodurch bestätigt wurde, dass Calcium an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer hohen Konzentration von etwa 2,7-fach von jener in den Kristallkörnern lokalisiert war (siehe 4(b)).
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Weiterhin werden Ergebnisse der Bewertung der mechanischen Eigenschaften bezüglich Mg-0,3Ca mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger, hergestellt in Beispiel 2, eines Mg-0,3Ca-Gussmaterials (mittlerer Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr), reinen Magnesiums (Reinheit: 99,94%) mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger und eines reinen Magnesiumgussmaterials mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr mithilfe eines Zugtests in 1(b) gezeigt.
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Im Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Mg-0,3Ca mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger, hergestellt in Beispiel 2, und reinem Magnesium (Reinheit: 99,94%) mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger, ist die durch die gelösten Atome hervorgebrachte Wirkung deutlich. Es ist verständlich, dass die hohe Festigkeit zweimal jener ist, die ohne gelöste Stoffe erreicht wird. Im Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Mg-0,3Ca mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger, hergestellt in Beispiel 2, und dem Mg-0,3Ca-Gussmaterial mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr, ist es zudem verständlich, dass die Verfeinerung der Kristallkörner auch für das starke Verfestigen von Bedeutung ist.
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Beispiel 3
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In der gleichen Weise wie in Beispiel 2 mit der Ausnahme, dass 0,2 Atom-% Calcium anstelle von 0,3 Atom-% Calcium verwendet wurden, wurden eine Herstellung einer Mutterlegierung, Homogenisierungsbehandlung, Wasserabschrecken, spanabhebende Verarbeitung und Wärmeextrusion ausgeführt.
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Bezüglich des extrudierten Materials wurde die Struktur beobachtet und im Ergebnis wurde eine Struktur mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 μm oder weniger gebildet. Im Ergebnis der Messung mithilfe von Nano-EDS unter Anwendung von Elektronenstrahlen, die auf 0,5 nm fokussiert wurden, war zudem die Konzentration 0,18 Atom-% in den Kristallkörnern und 1,55 Atom-% mit Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, wodurch bestätigt wurde, dass Calcium an den Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von etwa 8,6-fach von jener der Kristallkörner lokalisiert war.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Gewicht irgendeiner motorbetriebenen Konstruktion durch Anwenden einer hochfesten Magnesiumlegierung drastisch vermindert und gleichzeitig werden durch Verleihen von Duktilität dem Material die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit zum Zeitpunkt der Anwendung garantiert. Deshalb findet die vorliegende Erfindung vorzugsweise für Raumschiffe, Flugzeuge, Züge, Kraftfahrzeuge, Rollstühle usw. Verwendung.
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Weiterhin kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Magnesiumlegierung, die sowohl in hoher Festigkeit als auch hoher Duktilität ausgezeichnet ist, realisiert werden, und durch Anwenden einer geschmiedeten Legierung davon ist es möglich, eine große Konstruktion zu erzeugen und insbesondere, wenn die geschmiedete Legierung auf eine motorbetriebene Konstruktion angewendet wird, können ausgezeichnete, die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit erwartet werden.
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Weiterhin können gemäß der vorliegenden Erfindung, da eine feine Kristallkornstruktur gebildet wird, die nachstehenden Vorteile erhalten werden: Ausgezeichnete Warmformbarkeit kann erwartet werden, die Materialkosten können vermindert werden, da die Volumenfraktion des Additivmetalls sehr niedrig ist, und die Anwendung der geschmiedeten Legierung wird ausgeweitet und Energieeinsparung und Verminderung an Abgas werden erreicht.
