JP6373557B2 - Magnesium wrought alloy and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、準結晶相が分散したMg合金に関し、特に詳しくは、微量の添加元素を含み、簡単な製造プロセスで得ることができる、十分な延性を備えた超高強度マグネシウム合金およびその製造方法に関する。
The present invention relates to an Mg alloy in which a quasicrystalline phase is dispersed, and more particularly, an ultrahigh strength magnesium alloy having a sufficient ductility and containing a small amount of additive elements and obtained by a simple manufacturing process, and a method for manufacturing the same. About.

マグネシウムは軽量金属であり、地球上に豊富に存在している。したがって、それは構造部品、電子機器などの軽量化材料として重要性を増している。これらの応用分野の中でも、自動車や鉄道車両のような移動体構造部品の適用する場合には、安全かつ信頼性の高い動作のため、材料は、高強度で高延性を有することが求められる。材料の強化方法のうち、母相のミクロ組織寸法を小さくすること、例えば結晶粒径を微細化することが最も一般的である。母相内の微細粒子の分散は、材料の特性を向上させる重要な方法の一つである。後者の場合には、延性を犠牲にして、合金の強度を増加させている。   Magnesium is a lightweight metal and is abundant on the earth. Therefore, it is gaining importance as a light weight material for structural parts, electronic devices and the like. Among these application fields, when a mobile structural component such as an automobile or a railway vehicle is applied, the material is required to have high strength and high ductility for safe and reliable operation. Of the material strengthening methods, it is most common to reduce the microstructure dimension of the matrix, for example, to refine the crystal grain size. The dispersion of fine particles in the matrix phase is one of the important methods for improving the material properties. In the latter case, the strength of the alloy is increased at the expense of ductility.

最近では、分散粒子として準結晶粒子の利用が、注目されてきている。準結晶は、所定の原子配列の繰り返し単位の構成を有しておらず、すなわち、通常の結晶相のような並進対称性を有していない。これに起因し、準結晶の格子が様々な結晶格子とマッチして結合するため、他の種類の分散粒子とは違って、準結晶分散粒子は材料の破壊の起点になることはほとんどない。マグネシウム合金に関しては、準結晶粒子の分散によって、強度と延性のバランスに優れた機械的性質を有すると共に非常に高い破壊靭性を示すことが知られている。これは、例えば、特開2002−309332号公報、特開2005−113234号公報、特開2005−113235号公報に示されている。   Recently, the use of quasicrystalline particles as dispersed particles has attracted attention. The quasicrystal does not have a constitution of a repeating unit having a predetermined atomic arrangement, that is, it does not have a translational symmetry like a normal crystal phase. As a result, the quasicrystal lattice matches and bonds with various crystal lattices, and unlike other types of dispersed particles, the quasicrystal dispersed particles rarely serve as a starting point of material destruction. Regarding magnesium alloys, it is known that the dispersion of quasicrystalline particles has mechanical properties with an excellent balance between strength and ductility and exhibits very high fracture toughness. This is shown, for example, in JP-A-2002-309332, JP-A-2005-113234, and JP-A-2005-113235.

しかし、これらの展伸合金の引張降伏強度は、250から300MPaの範囲に制限されており、約13%の伸びで破断する。十分な延性を有しながら400MPa程度の高い降伏強度が、多くの構造用途に必要とされている。過酷な塑性変形や粉末冶金などのようなエネルギ−消費と高価なプロセスによって、機械的強度のさらなる向上がなされている。   However, the tensile yield strength of these drawn alloys is limited to a range of 250 to 300 MPa and breaks at an elongation of about 13%. A high yield strength of about 400 MPa while having sufficient ductility is required for many structural applications. Due to energy consumption and expensive processes such as severe plastic deformation and powder metallurgy, the mechanical strength is further improved.

Mg−6原子%Zn−1原子%Y合金(Zn14.3質量%、Y3.24質量%)では、延性と優れた機械的性質が報告されている。急冷凝固鋳造材を押出加工した場合に、引張りと圧縮における降伏強度が約400MPaで、破断時の伸びの範囲が12から16%となる(A. Singh, Y. Osawa, H. Somekawa and T. Mukai, Scripta Mater. 64 (2011) 661)。しかし、この合金は、高密度(合金元素の量が多い)を有しており、急冷凝固鋳造による製造が必要となり、重くて高価なものになる。   In the Mg-6 atomic% Zn-1 atomic% Y alloy (Zn 14.3 mass%, Y 3.24 mass%), ductility and excellent mechanical properties have been reported. When a rapidly solidified cast material is extruded, the yield strength in tension and compression is about 400 MPa, and the elongation at break is 12 to 16% (A. Singh, Y. Osawa, H. Somekawa and T. Mukai, Scripta Mater. 64 (2011) 661). However, this alloy has a high density (a large amount of alloying elements), requires production by rapid solidification casting, and is heavy and expensive.

以下では引張降伏強度が400MPaレベルで、伸びが12から16%の高い機械的性質を示す、より制限の少ない鋳造プロセスと共に低密度合金の発明が記載されている。   The following describes the invention of a low density alloy with a less restrictive casting process that exhibits high mechanical properties with a tensile yield strength of 400 MPa level and an elongation of 12 to 16%.

本発明の目的は、以下のMg合金を用意することである。
(1)単純で、エネルギ−とコスト効率的な手法により、
(2)合金元素の量が少なく、
(3)約1ミクロンサイズの結晶粒組織の特性と、
(4)適度の延性(12%を超える全伸び)を伴うと共に、350MPaを超える高い引張降伏強度を示すこと。
An object of the present invention is to prepare the following Mg alloy.
(1) With a simple, energy and cost efficient approach,
(2) The amount of alloy elements is small,
(3) the characteristics of the grain structure of about 1 micron size;
(4) To be accompanied by moderate ductility (total elongation exceeding 12%) and exhibiting high tensile yield strength exceeding 350 MPa.

本発明の一態様によれば、組成範囲がMg−y原子%Zn−x原子%Yであって、ここで、yは5x≦y≦7xの範囲内、xが0.2≦x≦0.5の範囲内にあり、残りの部分は商用グレ−ド金属マグネシウムと不可避不純物から成るマグネシウム展伸合金であって、前記マグネシウム展伸合金の母相中に亜鉛の過飽和領域をもつデンドライト組織を有しており、準結晶相のリッチ領域と、立方晶相または六方晶相から成り、デンドライト鋳造組織を230℃から280℃の温度範囲で押出または圧延する展伸プロセスにより調製され、370 MPa以上の引張降伏強度を有するマグネシウム展伸合金が示される
準結晶相は、1μm以下の大きさであって、典型的には200nmであり、20nmのナノスケ−ルの準結晶相が合金中に分散されている。合金の平均粒径は約1μmである。合金中では、サイズが典型的には15nmのナノサイズの粒子が析出分散されている。
According to one embodiment of the present invention, the composition range is Mg-y atom% Zn-x atom% Y, where y is in the range of 5x ≦ y ≦ 7x and x is 0.2 ≦ x ≦ 0. The remaining portion is a magnesium extended alloy composed of commercial grade metal magnesium and unavoidable impurities, and a dendrite structure having a supersaturated region of zinc in the parent phase of the magnesium extended alloy. And having a Y- rich region of a quasicrystalline phase and a cubic or hexagonal phase, prepared by a drawing process of extruding or rolling a dendritic cast structure in a temperature range of 230 ° C. to 280 ° C., and 370 MPa A magnesium wrought alloy having the above tensile yield strength is shown .
The quasicrystalline phase has a size of 1 μm or less , typically 200 nm, and a 20 nm nanoscale quasicrystalline phase is dispersed in the alloy. The average grain size of the alloy is about 1 μm. In the alloy, nano-sized particles typically having a size of 15 nm are precipitated and dispersed.

本発明の一態様によれば、Mg−Zn−RE合金中の亜鉛の過飽和は、押出や圧延などの展伸プロセスによる更なる処理中の微細析出につながる。これら析出物は展伸プロセス中の結晶成長を防止し、最終合金製品を強化する。
本発明の一態様によれば、合金三元相は、準結晶相であり、合金の結晶粒径が1ミクロン程度である。
本発明の一態様によれば、合金は、破断伸び値が12%以上を示し、好ましくは12〜16%の範囲である。
本発明のマグネシウム展伸合金の製造方法は組成範囲が(100−x−y)原子%Mg−y原子%Zn−x原子%Yであって、ここで、yは5x≦y≦7xの範囲内、xが0.2≦x≦0.5の範囲内にあり、残りの部分は、商用グレ−ド金属のMgおよび不可避不純物から成るマグネシウム展伸合金の製造方法であって、デンドライト鋳造構造を有する鋳造材を230℃から280℃の温度範囲で押出する展伸工程により調製され、押出比が、2:1〜50:1の間であり、前記マグネシウム展伸合金の組織中に亜鉛の過飽和領域をもつデンドライト組織を有しており、準結晶相のYリッチ領域と、立方晶相または六方晶相から成り、370MPa以上の引張降伏強度を有することを特徴とする
According to one aspect of the present invention, supersaturation of zinc in the Mg—Zn—RE alloy leads to fine precipitation during further processing by extension processes such as extrusion and rolling. These precipitates prevent crystal growth during the drawing process and strengthen the final alloy product.
According to one embodiment of the present invention, the ternary phase of the alloy is a quasicrystalline phase, and the crystal grain size of the alloy is about 1 micron.
According to one aspect of the present invention, the alloy has a breaking elongation value of 12% or more, preferably in the range of 12-16%.
The method for producing a magnesium wrought alloy of the present invention has a composition range of (100-xy) atomic% Mg-y atomic% Zn-x atomic% Y, where y is 5x ≦ y ≦ 7x. Within the range, x is in the range of 0.2 ≦ x ≦ 0.5, and the remaining part is a method for producing a magnesium extended alloy composed of commercial grade metal Mg and inevitable impurities, Prepared by a drawing process in which a cast material having a structure is extruded in a temperature range of 230 ° C. to 280 ° C., the extrusion ratio is between 2: 1 to 50: 1, and zinc is contained in the structure of the magnesium drawn alloy. And having a tensile yield strength of 370 MPa or more, consisting of a quasicrystalline Y-rich region and a cubic or hexagonal phase .

合金の機械的性質(引張降伏強度>370MPa、破断伸び値>12%)は、図1に示されている全組成範囲で保持される。したがって、超高強度の超軽量合金が、低コストで製造できる。
合金の製造プロセスは、凝固および押出又は圧延のみで、非常に単純でコスト効率的である。製造は凝固と押出の2段階のみのプロセスであるため、製造コストが低くなっている。
そこで、次の理由で製造コストも低くなっている:(1)一般的に高い温度(400℃を超える)で行われる均質処理が存在しないこと、(2)押出温度が低いこと、(3)押出後の熱処理が必要でないこと。
結果として、延性と相まって非常に高い強度を有するが、低密度のマグネシウム合金が、非常に低い生産コストで得られる。
The mechanical properties of the alloy (tensile yield strength> 370 MPa, elongation at break> 12%) are maintained over the entire composition range shown in FIG. Therefore, an ultra-high strength ultra-light alloy can be manufactured at low cost.
The alloy manufacturing process is very simple and cost effective, with only solidification and extrusion or rolling. Manufacturing is a two-step process of solidification and extrusion, so manufacturing costs are low.
Therefore, the production cost is also low for the following reasons: (1) that there is no homogeneous treatment generally performed at a high temperature (above 400 ° C.), (2) the extrusion temperature is low, (3) No heat treatment after extrusion is required.
As a result, a low density magnesium alloy with very high strength combined with ductility is obtained at a very low production cost.

図1は、亜鉛とイットリウムの合金成分に対する押出合金の密度、引張降伏強度(YS)と破断伸びのプロット図である。引張降伏強さと伸びは合金成分について一定のままである。FIG. 1 is a plot of density, tensile yield strength (YS) and elongation at break for extruded alloys versus zinc and yttrium alloy components. Tensile yield strength and elongation remain constant for the alloy components.

図2は、光学顕微鏡で撮影した実施例1の急冷凝固鋳造によるMg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW82)合金鋳物の鋳造組織の偏光写真である。様々な結晶粒とそのデンドライト組織が明瞭に区別される。FIG. 2 is a polarized photograph of the cast structure of an Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% Y (ZW82) alloy cast by rapid solidification casting of Example 1 taken with an optical microscope. Various crystal grains and their dendrite structures are clearly distinguished.

図3は、(a)急冷凝固鋳造鋳型、(b)通常又は従来の鋳型、(c)水冷鋳型で固化した後の、光学顕微鏡で撮影した実施例1のMg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW82)合金の鋳造組織の写真である。3 shows (a) a rapidly solidified casting mold, (b) a normal or conventional mold, (c) an Mg-3 atomic% Zn-0. It is a photograph of the cast structure of 5 atomic% Y (ZW82) alloy.

図4は、急冷凝固鋳造鋳型で鋳造した後の、実施例1の鋳造組織の写真で、走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影してある。(a)はデンドライト凝固組織に起因する母相中の組成の不均一性を示すもので、後方散乱モ−ドで撮影している。(b)は線に沿うエネルギ−分散分光法(EDS)による化学組成で、この線に沿うMg、Zn及びYの濃度プロファイルを示している。FIG. 4 is a photograph of the cast structure of Example 1 after casting with a rapid solidification casting mold, taken with a scanning electron microscope (SEM). (A) shows the non-uniformity of the composition in the matrix due to the dendrite solidified structure, and is taken in the backscattering mode. (B) is the chemical composition by energy dispersive spectroscopy (EDS) along the line, and shows the concentration profiles of Mg, Zn and Y along this line.

図5は、(a)Mg−Zn系合金系および(b)Mg−Y合金系の標準的な二元状態図を示している。(a)のMg−3原子%Znおよび(b)のMg−0.5原子%Yに対応する線がマークされている。FIG. 5 shows a standard binary phase diagram of (a) Mg—Zn alloy system and (b) Mg—Y alloy system. Lines corresponding to Mg-3 atomic% Zn in (a) and Mg-0.5 atomic% Y in (b) are marked.

図6は、SEMで撮影した実施例1の水冷鋳型での鋳造組織の写真である。1から11でマークされた様々な点で、EDSによって決定された組成を表2に掲載する。FIG. 6 is a photograph of the cast structure in the water-cooled mold of Example 1 taken by SEM. The compositions determined by EDS at various points marked 1 to 11 are listed in Table 2.

図7は、Mg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW82)をSEMで撮影した実施例1の押出後の合金の写真である。明るい粒子が三元相の分布で、主に準結晶相である。(a)は急冷凝固鋳造鋳型で鋳造後に235℃で押出した組織を示している。(b)は水冷鋳型で鋳造後に266℃で押出した組織を示している。FIG. 7 is a photograph of the alloy after extrusion of Example 1, in which Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% Y (ZW82) was photographed by SEM. Bright particles have a ternary phase distribution, mainly a quasicrystalline phase. (A) has shown the structure | tissue extruded at 235 degreeC after casting with the rapid solidification casting mold. (B) shows the structure extruded at 266 ° C. after casting with a water-cooled mold.

図8は、実施例1の(a)急冷凝固鋳造鋳型、(b)従来の鋳型、および(c)水冷鋳型で鋳造されたインゴットの押出後のMg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW82)合金のミクロ組織を示す写真であり、明視野モードで透過型電子顕微鏡(TEM)により撮影された。FIG. 8 shows Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% after extrusion of Example 1 (a) rapidly solidified casting mold, (b) conventional mold, and (c) water cooled mold ingot. It is the photograph which shows the microstructure of Y (ZW82) alloy, and was image | photographed with the transmission electron microscope (TEM) in bright field mode.

[図9]図9は、実施例1の押出されたMg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW8
2)合金の母相中における微細な析出物(ナノメ−トルスケ−ル)の分布を示す写真で、(a)急冷凝固鋳造鋳型と(b)その中での析出物のサイズ分布、(c)従来の鋳型、および(d)水冷鋳型、で凝固した後のものを示しており、明視野モ−ドのTEMで撮影された。
[FIG. 9] FIG. 9 shows the extruded Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% Y (ZW8) of Example 1.
2) A photograph showing the distribution of fine precipitates (nanometer scale) in the parent phase of the alloy, (a) Rapid solidification casting mold and (b) Size distribution of precipitates in it, (c) A solidified mold with a conventional mold and (d) a water-cooled mold is shown, and was taken with a TEM in bright field mode.

[図10]図10は、実施例1の、従来の鋳型、急冷凝固鋳型及び水冷鋳型で凝固した
Mg−3原子%Zn−0.5原子%Y(ZW82)合金を押出後の引張により得られた公称応力−ひずみ曲線である。
[FIG. 10] FIG. 10 shows the Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% Y (ZW82) alloy solidified by the conventional mold, the rapid solidification mold and the water-cooled mold of Example 1 and obtained by tensile after extrusion. Is a nominal stress-strain curve.

[図11]図11は、実施例2で、急冷凝固鋳造後に257℃で押出したMg−2.6
原子%Zn−0.34原子%Y(ZW61)合金のミクロ組織を示す写真で、TEMで撮影した写真である。(a)は一般的な結晶粒組織および三元相(主に準結晶で、暗い粒子であり、その一つを矢印で示している)の分布、(b)は母相中の微細析出物を示している。析出物のサイズ分布は(b)に挿入されている。
[FIG. 11] FIG. 11 shows Mg-2.6 extruded in Example 2 at 257 ° C. after rapid solidification casting.
A photograph showing the microstructure of an atomic% Zn-0.34 atomic% Y (ZW61) alloy, taken with a TEM. (A) Distribution of general grain structure and ternary phase (mainly quasicrystals, dark particles, one of which is indicated by an arrow), (b) Fine precipitates in the parent phase Is shown. The size distribution of the precipitate is inserted in (b).

[図12]図12は、実施例2で、急冷凝固鋳造鋳型で凝固後に257℃で押出した
g−2.26原子%Zn−0.34原子%Y(ZW61)合金の引張により得られた代表的な公称応力−ひずみ曲線を示す。
[FIG. 12] FIG. 12 is a diagram showing Example 2 in which M was extruded at 257 ° C. after solidification in a rapidly solidified casting mold
2 shows a representative nominal stress-strain curve obtained by tensioning a g-2.26 atom% Zn-0.34 atom% Y (ZW61) alloy.

[図13]図13は、実施例3で、急冷凝固鋳造後に250℃で押出したMg−1.2
原子%Zn−0.2原子%Y(ZW31)合金のミクロ組織を示す写真で、TEMで撮影された。(a)一般的な結晶粒組織と対角線に沿って細長いクラスタとして分布している粗大な三元相(主に準結晶)、(b)は母相中の微細析出物を示す。
[FIG. 13] FIG. 13 shows Mg-1.2 extruded in Example 3 at 250 ° C. after rapid solidification casting.
A photograph showing the microstructure of an atomic% Zn-0.2 atomic% Y (ZW31) alloy, taken with a TEM. (a) Coarse ternary phase (mainly quasicrystal) distributed as elongated clusters along a general crystal grain structure and diagonal line, (b) shows fine precipitates in the matrix.

[図14]図14は、実施例3で、急冷凝固鋳造後に250℃で押出したMg−1.2
原子%Zn−0.2原子%Y(ZW61)合金の引張により得られた代表的な公称応力−ひずみ曲線を示す。
[FIG. 14] FIG. 14 shows Mg-1.2 extruded in Example 3 at 250 ° C. after rapid solidification casting.
2 shows a representative nominal stress-strain curve obtained by tensioning an atomic% Zn-0.2 atomic% Y (ZW61) alloy.

Mg合金は、準結晶相を含むように調製されている。これを達成するために、以下の組成では、一般式(100−x−y)原子%Mg−y原子%Zn−x原子%REを有するのが好ましい。ここで、REは希土類元素Y、Gd、Tb、Dy、HoまたはErの何れか一つであり、yが範囲5x≦y≦7xで、xが範囲0.2≦x≦1.5である。   The Mg alloy is prepared to include a quasicrystalline phase. In order to achieve this, the following composition preferably has the general formula (100-xy) atomic% Mg-y atomic% Zn-x atomic% RE. Here, RE is any one of rare earth elements Y, Gd, Tb, Dy, Ho or Er, y is in the range 5x ≦ y ≦ 7x, and x is in the range 0.2 ≦ x ≦ 1.5. .

溶融合金は、鋳型、通常は鋼製鋳型、に流し込まれ、鋳造される。鋳型は、デンドライト凝固構造を形成するのに十分な冷却速度を提供する。亜鉛の過飽和領域も形成され、最終的な特性のために有益である。デンドライト凝固形態が達成される限りは、凝固冷却速度は、4K/sから25K/sまで、並びにこれを超えて変更しても構わない。押出または別の展伸プロセスの間での効果的なミクロ組織の微細化のために、凝固組織が初期構造として重要である。   The molten alloy is poured into a mold, usually a steel mold, and cast. The mold provides a cooling rate sufficient to form a dendrite solidified structure. A supersaturated region of zinc is also formed, which is beneficial for the final properties. As long as the dendritic solidification form is achieved, the solidification cooling rate may be varied from 4 K / s to 25 K / s and beyond. The solidified structure is important as the initial structure for effective microstructural refinement during extrusion or another stretching process.

微細凝固組織(小さい結晶粒やデンドライト突起サイズ)は、一般的に押出後のミクロ組織の微細化につながる。よく知られているように、デンドライト組織の生成は、セル状の結晶粒組織に比べ、凝固速度と溶質濃度に依存する。デンドライト組織には早い凝固速度と濃い溶質濃度が好まれる。それぞれのデンドライト突起は、単一結晶粒であるが、薄いデンドライトア−ムのため、当該構造は結晶サイズよりもはるかに微細である。   A finely solidified structure (small crystal grains and dendrite protrusion size) generally leads to refinement of the microstructure after extrusion. As is well known, the formation of a dendrite structure depends on the solidification rate and the solute concentration as compared with the cellular grain structure. For dendritic structures, fast solidification rates and dense solute concentrations are preferred. Each dendrite protrusion is a single crystal grain, but due to the thin dendrite arm, the structure is much finer than the crystal size.

デンドライト組織はまた、合金中の三元相(主に準結晶相)の微細な分散を確実にする。三元相はデンドライトア−ムの間に形成されるため、より均一に分布している。これはまた、押出後の母相中での微細な分散を促進する。合金における準結晶相の微細分散は強化に不可欠である。   The dendrite structure also ensures a fine dispersion of the ternary phase (mainly quasicrystalline phase) in the alloy. Since the ternary phase is formed between the dendrite arms, it is more uniformly distributed. This also promotes fine dispersion in the matrix after extrusion. Fine dispersion of the quasicrystalline phase in the alloy is essential for strengthening.

また、凝固時には、進展する凝固界面の前方に、溶質原子の過飽和が発生する。この過飽和は、二つの理由のために有益である:(1)押出時に、もしくは押出後に、その場で微細析出を生成できる。(2)溶質は押出中に形成される集合組織を変化させることができるため、結果としては望ましい弱い集合組織となる。   Further, during solidification, supersaturation of solute atoms occurs in front of the progressing solidification interface. This supersaturation is beneficial for two reasons: (1) Fine precipitates can be generated in situ during or after extrusion. (2) The solute can change the texture formed during extrusion, resulting in a desirable weak texture.

押出中のその場析出は、非常に微細なナノサイズの析出物を生成する。これら析出物は、結晶粒界をピン止めするため、押出中の再結晶後の結晶粒成長を防止する。このように、非常に微細な粒径は、合金の押出後に得られる。さらに、これらの微細な析出物は、大きな数密度を有しており、微細な析出物が、転位の動きをピン止めするので、合金に高い強度が付与される。押出中に形成される析出物は、針状やディスク形状の細長いものというよりは、形状に丸みを帯びており、優れた延性のために有利である。
In situ precipitation during extrusion produces very fine nano-sized precipitates. These precipitates pin the grain boundaries and prevent grain growth after recrystallization during extrusion . Thus, a very fine particle size is obtained after extrusion of the alloy. Furthermore, these fine precipitates have a large number density and the fine precipitates pin the movement of dislocations, thereby imparting high strength to the alloy. Precipitates formed during extrusion are rounded in shape rather than needle-like or disk-shaped elongated, which is advantageous for excellent ductility.

その後、凝固合金はビレットに機械加工されて、25:1の比率で押出される。低押出温度により、微細なミクロ組織が結果として得られ、優れた機械的特性となる。低温の範囲は230から280℃が推奨され、その平均粒径を1ミクロン以下に微細化する。   The solidified alloy is then machined into billets and extruded in a 25: 1 ratio. The low extrusion temperature results in a fine microstructure and excellent mechanical properties. A low temperature range of 230 to 280 ° C. is recommended, and the average particle size is refined to 1 micron or less.

三元相は、主に準結晶MgZnREであるが、立方晶相MgZnREと六方晶相が合金内に分散している。α−Mgの母相結晶粒の中には、準結晶相のナノサイズ析出物(サイズは一般的に20nm程度)と単斜晶系MgZn相が分散されている。 The ternary phase is mainly quasicrystalline Mg 3 Zn 6 RE, but the cubic phase Mg 3 Zn 3 RE 2 and the hexagonal phase are dispersed in the alloy. In the α-Mg matrix crystal grains, quasicrystalline nanosized precipitates (size is generally about 20 nm) and monoclinic Mg 4 Zn 7 phase are dispersed.

表1は、実施例として研究された合金組成を示している。合金ZW82は、3つの異なるタイプの鋳型に流し込んで鋳造した。鋳造合金を直径8mmの丸棒に押出した。平行部の長さが25ミリメ−トル、直径3ミリメ−トルの引張試験片を丸棒から機械加工した。複数回の圧縮試験を、高さ8mmで直径4mmの寸法からなる円柱試験片を用いて行なった。機械的試験は、室温で初期ひずみ速度10−3 / 秒にてインストロン試験機で行った。 Table 1 shows the alloy compositions studied as examples. Alloy ZW82 was cast by casting into three different types of molds. The cast alloy was extruded into a round bar with a diameter of 8 mm. A tensile specimen having a parallel part length of 25 mm and a diameter of 3 mm was machined from a round bar. A plurality of compression tests were performed using a cylindrical test piece having a height of 8 mm and a diameter of 4 mm. The mechanical test was performed on an Instron testing machine at an initial strain rate of 10 −3 / sec at room temperature.

押出合金は、12%以上の破断伸び(延性)を伴う370MPaを超える引張降伏強さを示している。機械的特性は、図1中の合金組成に対してプロットされている。引張降伏強さは全ての組成において370MPaを超える高さのままである。同じことは破断伸びにも当てはまり、どちらも12%を超えている。こうして非常に低い濃度の合金元素の組成で、適度の延性を有しながら、非常に高い強度のマグネシウム合金が得られる。個々の実施例を以下に記載する。   Extruded alloys exhibit a tensile yield strength exceeding 370 MPa with a break elongation (ductility) of 12% or more. The mechanical properties are plotted against the alloy composition in FIG. The tensile yield strength remains higher than 370 MPa for all compositions. The same applies to the elongation at break, both exceeding 12%. In this way, a magnesium alloy having a very high strength can be obtained with a composition of a very low concentration of alloy elements and an appropriate ductility. Individual examples are described below.

表1で示すように、3原子%の亜鉛と0.5原子%のイットリウムと商用グレ−ドの純マグネシウム(純度99.5%)(ZW82で指定される8質量%の亜鉛、2質量%のイットリウム、密度1.861g/cmである)を溶融鋳造して合金を作製した。この合金は、3種類の鋳型を利用し、三つの異なる凝固速度で鋳造された:
(1)厚鋼板鋳型(急冷凝固鋳造鋳型)、
(2)従来の鋼製鋳型、
(3)水冷(WC)の鋳型。
750℃の温度の溶融物を、鋳型に流し込んだ。冷却速度は、鋳型の3つの場所で熱電対により測定された。全体的な冷却速度は4.1K/秒から25K/秒の範囲であった。水冷の鋳型の冷却速度が最も遅かった。
As shown in Table 1, 3 atomic percent zinc, 0.5 atomic percent yttrium, and commercial grade pure magnesium (purity 99.5%) (8 mass percent zinc specified by ZW82, 2 mass percent) Of yttrium with a density of 1.861 g / cm 3 ) was melt cast to produce an alloy. The alloy was cast at three different solidification rates using three different molds:
(1) Thick steel plate mold (rapidly solidified casting mold),
(2) Conventional steel mold,
(3) Water-cooled (WC) mold.
The melt at a temperature of 750 ° C. was poured into the mold. The cooling rate was measured by thermocouples at three locations on the mold. The overall cooling rate ranged from 4.1 K / sec to 25 K / sec. The cooling rate of the water-cooled mold was the slowest.

偏光顕微鏡で観察した急冷凝固鋳造合金の鋳造組織を図2に示す。異なるコントラストによって、異なる結晶粒が区別される。明るいコントラストの結晶粒は特に左上部分で際立っている。各結晶粒では、デンドライトア−ムが視認できる。結晶粒径(またはデンドライトサイズ)は約500μmであるが、デンドライトア−ムは、約50μmの厚さである。   The cast structure of the rapidly solidified cast alloy observed with a polarizing microscope is shown in FIG. Different contrasts distinguish different grains. The bright contrast crystal grains stand out especially in the upper left part. In each crystal grain, a dendrite arm is visible. The crystal grain size (or dendrite size) is about 500 μm, while the dendrite arm is about 50 μm thick.

走査電子顕微鏡(SEM)により観察された鋳造組織を図3に示す。これらの写真は、デンドライト凝固構造を示す。デンドライトは、樹状突起の間に明色相によって輪郭を描いており、当該明色相は三元相で、主に準結晶相である。3種の鋳型の中でも、水冷鋳型によるミクロ組織は粗い。 The cast structure observed by a scanning electron microscope (SEM) is shown in FIG. These photographs show the dendrite solidification structure. Dendrites are outlined by light hues between dendrites, which are ternary phases, mainly quasicrystalline phases. Among the three types of molds, the microstructure of the water-cooled mold is rough.

これらの凝固構造をSEMで詳細に調べた。SEMにおける後方散乱組成コントラスト下での、急冷凝固鋳造の詳細なミクロ組織を、図4(a)に示す。第二相(三元相)(主に準結晶相)である明るい白のパタ−ンとは別に、母相の暗い部分で明るいバンドが認められるが、これらはデンドライトア−ムの延長上にあるように見える。二つの明るいバンドを、矢印で示す。
暗い領域はおおよそMg−1.8原子%Znの組成を示すが、これは室温でのマグネシウムにおける亜鉛の溶解度に近い。明るい灰色の領域は、Mg−2.4原子%Znに近い組成を示しているが、これはより高い(共晶)温度におけるマグネシウムへの亜鉛の最大溶解度である(図5(a)の状態図を参照)。
線分に沿った組成を、図4(b)に示す。この写真中の水平線に沿って、Mg、Zn並びにYの濃度プロファイルは、下図中へ個別にプロットしている。線分が三元相と交差する場所(右の三本の矢印で示される)では、亜鉛とイットリウムの両方のレベルが急増する。さらに、母相中の溶質の豊富な領域が存在し、そのうちの3つは矢じりが付いている。これらの領域では、亜鉛濃度は高いが、イットリウム含有量はそうでない(一定のままである)。したがって、亜鉛過飽和の領域が、母相中に形成される。
These solidification structures were examined in detail by SEM. FIG. 4A shows a detailed microstructure of the rapid solidification casting under the backscattering composition contrast in the SEM. Apart from the bright white pattern which is the second phase (ternary phase) (mainly quasicrystalline phase), a bright band is observed in the dark part of the matrix, but these are on the extension of the dendritic arm. Looks like there is. Two bright bands are indicated by arrows.
The dark region shows a composition of approximately Mg-1.8 atomic% Zn, which is close to the solubility of zinc in magnesium at room temperature. The light gray area shows a composition close to Mg-2.4 atomic% Zn, which is the maximum solubility of zinc in magnesium at higher (eutectic) temperatures (state of FIG. 5 (a)). (See figure).
The composition along the line segment is shown in FIG. Along the horizontal line in this photograph, the concentration profiles of Mg, Zn and Y are individually plotted in the figure below. Where the line intersects the ternary phase (indicated by the three arrows on the right), both zinc and yttrium levels increase rapidly. In addition, there are solute-rich regions in the matrix, three of which are arrowheaded. In these regions, the zinc concentration is high, but the yttrium content is not (it remains constant). Thus, a zinc supersaturated region is formed in the parent phase.

このような構造は、凝固過程によって引き起こされる。図5(a)においては、Mg−Zn系状態図のMgに富む部分が簡略化して示してある。本合金の亜鉛の濃度(3原子%Zn)では、縦線が温度軸と平行に描かれている。凝固の進行と共に、最初にα−Mg系結晶が溶融物中に形成される。温度の低下とともに、これらの結晶は溶融液の濃度の増加とともに平衡状態にある。例えば、600℃(線分A1)では、溶融液濃度は、約6.2原子%であり、400℃(線分A2)では、α−Mg系結晶粒が亜鉛で6.3原子%の溶融液と平衡状態にある。共晶相は、300℃(線分A3)で形成され、亜鉛濃度で約2.4原子%の、α−Mgと平衡状態にある。そこで、共晶相は(デンドライト突起の間で)高い濃度のα−Mgの母相と共存する。部分的なMg−Yの二元状態図を図5(b)に示す。イットリウムが0.5原子%の二元Mg−Y合金の場合には、イットリウムは、室温での溶解度はほぼゼロであっても、100℃以上では固溶している。   Such a structure is caused by the solidification process. In FIG. 5A, the Mg-rich portion of the Mg—Zn phase diagram is shown in a simplified manner. At the zinc concentration of this alloy (3 atomic% Zn), vertical lines are drawn parallel to the temperature axis. As the solidification progresses, α-Mg based crystals are first formed in the melt. With decreasing temperature, these crystals are in equilibrium with increasing melt concentration. For example, at 600 ° C. (line segment A1), the melt concentration is about 6.2 atomic%, and at 400 ° C. (line segment A2), the α-Mg based crystal grains are melted at 6.3 atomic% with zinc. It is in equilibrium with the liquid. The eutectic phase is formed at 300 ° C. (line segment A3) and is in equilibrium with α-Mg at a zinc concentration of about 2.4 atomic%. Therefore, the eutectic phase coexists with a high concentration α-Mg matrix (between dendrite protrusions). A partial Mg—Y binary phase diagram is shown in FIG. In the case of a binary Mg—Y alloy containing 0.5 atomic% yttrium, yttrium is in solid solution at 100 ° C. or higher even though the solubility at room temperature is almost zero.

図6はSEMにおける後方散乱組成コントラストで観察して水冷鋳型鋳造材の詳細なミクロ組織を示す。マ−クされた点の番号で組成を測定し、表2に記載している。1、2、3をマ−クした点は三元相で、非常に明るいコントラストを示す。僅かなコントラストが母相の内部で観察されるが、これは亜鉛濃縮の領域と同様に、二元相に起因する。母相の明るい領域では2.53±0.17原子%Znであるのに対し、母相の暗い領域での平均濃度は1.86±0.03原子%Znと測定された。平均して、体積にして約7%が共晶であり、17%が過飽和状態の母相である。   FIG. 6 shows the detailed microstructure of the water-cooled mold casting as observed by backscattering composition contrast in SEM. The composition was measured by the number of the marked point and is listed in Table 2. The points marked 1, 2 and 3 are ternary phases and show very bright contrast. A slight contrast is observed inside the matrix, which is attributed to the binary phase, as is the region of zinc enrichment. The average concentration in the dark region of the parent phase was measured to be 1.86 ± 0.03 atomic percent Zn, while it was 2.53 ± 0.17 atomic percent Zn in the bright region of the parent phase. On average, about 7% by volume is eutectic and 17% is the supersaturated matrix.


鋳物を直径40mmのインゴットに機械加工し、その後、25:1の押出比で約250℃の温度で直径8mmの丸棒に押出加工した。   The castings were machined into 40 mm diameter ingots and then extruded into 8 mm diameter round bars at a temperature of about 250 ° C. with an extrusion ratio of 25: 1.

押出した合金のミクロ組織は、図7、8、9に示されている。図7は、235℃で押出された急冷凝固鋳造合金と、266℃で押出された水冷鋳型鋳造合金の、押出合金における三元相の分布を、走査型電子顕微鏡によって示している。共晶相の面積率は約14%であると推定される。透過型電子顕微鏡で観察した押出合金の結晶粒組織を図8に示す。それぞれの写真の黒い断片は三元相で、主に準結晶相である。これらの分散相は非常に微細であり、1μmから微細なものでは50nmである。結晶粒径は約1ミクロン以下(表3)である。   The microstructure of the extruded alloy is shown in FIGS. FIG. 7 shows the distribution of the ternary phase in the extruded alloy of the rapidly solidified cast alloy extruded at 235 ° C. and the water-cooled mold cast alloy extruded at 266 ° C. by a scanning electron microscope. The area ratio of the eutectic phase is estimated to be about 14%. The crystal grain structure of the extruded alloy observed with a transmission electron microscope is shown in FIG. The black pieces in each photo are ternary phases, mainly quasicrystalline phases. These dispersed phases are very fine, from 1 μm to 50 nm for fine ones. The crystal grain size is about 1 micron or less (Table 3).

図9の透過型電子顕微鏡で撮影した写真では、合金中に形成される微細な析出物を示す。これらの析出物は、サイズ範囲が5−20nmである。押出温度が300℃未満であるとき、これらの析出物が押出工程中に形成される。押出前の母相が過飽和固溶体であることにより、これら析出物が高密度で形成される。これらの析出物は、変形中に転位を押さえつけるのに有効である。これら析出物はサイズが小さいこととその形態により、合金の延性にあまり影響を与えない。図9(a)は、急冷凝固鋳造によって凝固し、次に235℃で押出した合金を高倍率で示している。この顕微鏡写真での析出物の粒度分布を図9(b)に示す。平均サイズは12.66±3.21nmである。図9(c)は、従来の鋳型で鋳造し、その後に240℃で押出した合金中の、微細な析出物を示している。図9(d)は、水冷鋳型で鋳造し、その後に266℃で押出した合金中の微細な析出物を示している。   The photograph taken with the transmission electron microscope in FIG. 9 shows fine precipitates formed in the alloy. These precipitates have a size range of 5-20 nm. These precipitates are formed during the extrusion process when the extrusion temperature is below 300 ° C. These precipitates are formed at a high density because the parent phase before extrusion is a supersaturated solid solution. These precipitates are effective in suppressing dislocations during deformation. Due to their small size and form, these precipitates do not significantly affect the ductility of the alloy. FIG. 9 (a) shows the alloy solidified by rapid solidification casting and then extruded at 235 ° C. at high magnification. The particle size distribution of the precipitate in this micrograph is shown in FIG. The average size is 12.66 ± 3.21 nm. FIG. 9 (c) shows fine precipitates in an alloy cast with a conventional mold and then extruded at 240 ° C. FIG. 9 (d) shows fine precipitates in the alloy cast in a water-cooled mold and then extruded at 266 ° C.

押出した丸棒から、平行部の直径が3mmで長さ15mmを有する引張試験片と、直径4mmで高さ8mmを有する圧縮試験片を作製した。室温にて、試験片の引張りおよび圧縮特性について評価した。試験片を採取した方向は押出方向に平行であり、初期の引張りおよび圧縮のひずみ速度は1×10−3s−1とした。 From the extruded round bar, a tensile test piece having a parallel part diameter of 3 mm and a length of 15 mm and a compression test piece having a diameter of 4 mm and a height of 8 mm were prepared. The tensile and compressive properties of the test pieces were evaluated at room temperature. The direction in which the test piece was collected was parallel to the extrusion direction, and the initial tensile and compressive strain rate was 1 × 10 −3 s −1 .

図10は、急冷凝固鋳造、従来の鋳型鋳造及び水冷鋳型鋳造の後に押出した合金Mg−3原子%Zn−0.5原子%Yの引張りおよび圧縮試験により得られる公称応力−ひずみ曲線を示す。引張降伏強さは、370MPaから400MPaを超える範囲で、伸びは12〜16%の範囲である。これらの値は、表3に記載されている。   FIG. 10 shows the nominal stress-strain curve obtained by tensile and compression tests of alloy Mg-3 atomic% Zn-0.5 atomic% Y extruded after rapid solidification casting, conventional mold casting and water-cooled mold casting. The tensile yield strength ranges from 370 MPa to over 400 MPa, and the elongation ranges from 12 to 16%. These values are listed in Table 3.

合金は、組成がMg−2.26原子%Zn−0.34原子%Y(5.8質量%の亜鉛、1.2質量%のイットリウム、ZW61と呼称され、密度1.81g/cm)(表1)から成る。これは、実施例1に記載の方法を用いて、急冷凝固鋳造され、その後に257℃で押出加工した。この合金は、約1.1μmの平均結晶粒径を有していた。結晶粒組織を示すミクロ組織は、透過型電子顕微鏡で撮影されたもので、図11(a)に示している。図11(b)に示す別の詳細なTEM写真には母相中の微細析出物を示している。析出物のサイズ分布をこの図に挿入している。平均析出物のサイズは8.8±2.0nmである。引張試験で得られた代表的な公称応力−ひずみ曲線を図12に示す。約13%の伸び値と377MPaの引張降伏強度を有していた(表3)。 The alloy has a composition of Mg-2.26 atomic% Zn-0.34 atomic% Y (5.8 mass% zinc, 1.2 mass% yttrium, called ZW61, density 1.81 g / cm 3 ). (Table 1). This was rapidly solidified and cast using the method described in Example 1 and then extruded at 257 ° C. This alloy had an average grain size of about 1.1 μm. The microstructure showing the crystal grain structure was taken with a transmission electron microscope and is shown in FIG. Another detailed TEM photograph shown in FIG. 11B shows fine precipitates in the matrix phase. The size distribution of the precipitate is inserted in this figure. The average precipitate size is 8.8 ± 2.0 nm. A typical nominal stress-strain curve obtained in the tensile test is shown in FIG. It had an elongation value of about 13% and a tensile yield strength of 377 MPa (Table 3).

合金は、組成がMg−1.2原子%Zn−0.2原子%Y(3.2質量%の亜鉛、0.7質量%のイットリウム、ZW31と呼称され、密度1.785g/cm3)(表1)から成る。これは、実施例1に記載の方法で急冷凝固鋳造された。押出だけでなく、引張および圧縮試験は、実施例1で述べた方法と同様の条件で実施した。TEMで撮影したミクロ組織を、図13(a)に示す。平均結晶粒径は1ミクロン程度である。図13(b)の高倍率写真で示すように、高密度の微細なナノサイズ析出物が明瞭に観察される。引張試験による公称応力−ひずみ線図を図14に示す。この合金は、伸び値12.3%で、引張降伏強さ389MPaを示した(表3)。したがって、密度は1.785g/cmであり、軽量で非常に高強度合金であるといえる。
The alloy has a composition of Mg-1.2 atomic% Zn-0.2 atomic% Y (3.2 mass% zinc, 0.7 mass% yttrium, called ZW31, density 1.785 g / cm 3) ( Table 1). This was rapidly solidified and cast by the method described in Example 1. In addition to extrusion , tensile and compression tests were performed under the same conditions as described in Example 1. A microstructure taken by TEM is shown in FIG. The average crystal grain size is about 1 micron. As shown in the high-magnification photograph of FIG. 13 (b), high-density fine nano-sized precipitates are clearly observed. A nominal stress-strain diagram by the tensile test is shown in FIG. This alloy had an elongation value of 12.3% and a tensile yield strength of 389 MPa (Table 3). Therefore, the density is 1.785 g / cm 3 , and it can be said that the alloy is lightweight and very high strength.

上記については、主に例示の目的のために提供されている。合金組成および処理過程と条件の様々なパラメ−タの更なる変更と変動によっても、引続いて本発明の基本的かつ新規な概念を具体化することが可能である。これらは、当業者に容易に想起されるものであり、本発明の範囲内に含まれる。 The above is provided primarily for illustrative purposes. Further changes and variations in various parameters of the alloy composition and process and conditions can continue to embody the basic and novel concepts of the present invention. These will readily occur to those skilled in the art and are within the scope of the present invention.

本発明は、超高強度と延性の組み合わせを有する準結晶相の分散を有するMg合金に適用される。本発明のMg合金は、構造部材として信頼性の高いアプリケ−ションに適している。本発明のMg合金は、自動車のドアフレームやシートフレームなどの各種フレームなどの構造用途に適している。   The present invention is applied to an Mg alloy having a quasicrystalline phase dispersion having a combination of ultrahigh strength and ductility. The Mg alloy of the present invention is suitable as a structural member for highly reliable applications. The Mg alloy of the present invention is suitable for structural uses such as various types of frames such as automobile door frames and seat frames.

特開2002−309332号公報JP 2002-309332 A 特開2005−113234号公報JP 2005-113234 A 特開2005−113235号公報JP 2005-113235 A

A. Singh, Y. Osawa, H. Somekawa and T. Mukai, Scripta Materialia 64 (2011) 661.A. Singh, Y. Osawa, H. Somekawa and T. Mukai, Scripta Materialia 64 (2011) 661.

Claims (4)

組成範囲が(100−x−y)原子%Mg−y原子%Zn−x原子%Yであって、ここで、yは5x≦y≦7xの範囲内、xが0.2≦x≦0.5の範囲内にあり、残りの部分は、商用グレ−ド金属のMgおよび不可避不純物から成るマグネシウム展伸合金であって、
前記マグネシウム展伸合金の組織中に亜鉛の過飽和領域をもつデンドライト組織を有しており、準結晶相のYリッチ領域と、立方晶相または六方晶相から成り、
デンドライト鋳造構造を有する鋳造材を230℃から280℃の温度範囲で押出または圧延する展伸工程により調製され、370MPa以上の引張降伏強度を有することを特徴とするマグネシウム展伸合金。
The composition range is (100-xy) atomic% Mg-y atomic% Zn-x atomic% Y, where y is in the range of 5x ≦ y ≦ 7x, and x is 0.2 ≦ x ≦ 0. .5, the remainder being a magnesium extended alloy consisting of the commercial grade metal Mg and inevitable impurities,
It has a dendrite structure having a supersaturated region of zinc in the structure of the magnesium extended alloy, and consists of a Y-rich region of a quasicrystalline phase and a cubic or hexagonal phase,
A magnesium expanded alloy having a tensile yield strength of 370 MPa or more, prepared by a stretching process in which a cast material having a dendrite cast structure is extruded or rolled in a temperature range of 230 ° C to 280 ° C.
前記マグネシウム展伸合金の三元相は準結晶相であり、合金の結晶粒径が1ミクロン以下であることを特徴とする請求項1に記載のマグネシウム展伸合金。   The magnesium wrought alloy according to claim 1, wherein the ternary phase of the magnesium wrought alloy is a quasicrystalline phase, and the crystal grain size of the alloy is 1 micron or less. 前記マグネシウム展伸合金は、破断伸び値が12%以上を示すことを特徴とする請求項1又は2に記載のマグネシウム展伸合金。   The magnesium extended alloy according to claim 1 or 2, wherein the magnesium extended alloy has a breaking elongation value of 12% or more. 組成範囲が(100−x−y)原子%Mg−y原子%Zn−x原子%Yであって、ここで、yは5x≦y≦7xの範囲内、xが0.2≦x≦0.5の範囲内にあり、残りの部分は、商用グレ−ド金属のMgおよび不可避不純物から成るマグネシウム展伸合金の製造方法であって、  The composition range is (100-xy) atomic% Mg-y atomic% Zn-x atomic% Y, where y is in the range of 5x ≦ y ≦ 7x, and x is 0.2 ≦ x ≦ 0. The remaining part is a method for producing a magnesium extended alloy comprising the commercial grade metal Mg and inevitable impurities,
デンドライト鋳造構造を有する鋳造材を230℃から280℃の温度範囲で押出する展伸工程により調製され、  It is prepared by a drawing process in which a cast material having a dendrite cast structure is extruded in a temperature range of 230 ° C. to 280 ° C.,
押出比が、2:1〜50:1の間であると共に、  The extrusion ratio is between 2: 1 and 50: 1,
前記マグネシウム展伸合金の組織中に亜鉛の過飽和領域をもつデンドライト組織を有しており、準結晶相のYリッチ領域と、立方晶相または六方晶相から成り、370MPa以上の引張降伏強度を有するマグネシウム展伸合金の製造方法。  It has a dendrite structure with a zinc supersaturated region in the structure of the magnesium wrought alloy, consisting of a Y-rich region of a quasicrystalline phase and a cubic or hexagonal phase, and has a tensile yield strength of 370 MPa or more. Manufacturing method of magnesium wrought alloy.
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