KR101072764B1

KR101072764B1 - 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법 및 금속 제품

Info

Publication number: KR101072764B1
Application number: KR1020040053903A
Authority: KR
Inventors: 모테기데츠이치; 다카야마가즈토시; 다키자와기요토
Original assignee: 각코우호우징 치바고교다이가쿠; 닛세이 쥬시 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2011-10-11
Also published as: US20060272750A1; JP4243983B2; US7343959B2; CN1329147C; JP2005028401A; US20050034837A1; CN1575887A; KR20050007204A

Abstract

본 발명은 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법을 제공한다. 이 방법에서, 마그네슘 합금의 용융체를 고상을 포함하는 반용융 상태로 냉각하고, 그 반용융 상태를 또한 냉각하여 고상이 입상으로 결정화한 고체 재료로 형성한다. 그 고체재료를 성형기에 의해 반용융으로 하여 모울드에 가압 주입한다. 상기 고체재료의 주 결정의 비율을 55~65%로 설정한다. 그 고체재료를 선택된 가열온도로 고액 공존상태로 반용융하여, 주된 고상의 크기가 50~250㎛, 고상율이 30~70%의 반고체로 형성한다. 반고체 상태를 유지하여 노즐을 통해 모울드에 가압 주입하고, 주 결정의 비율이 20~50%의 금속 제품으로 성형한다.

Description

마그네슘 합금의 가압 주입 성형법 및 금속 제품{PRESSURE CASTING METHOD OF MAGNESIUM ALLOY AND METAL PRODUCTS THEREOF}

도 1A는 본 발명에 따른 가압 주입 성형법에 이용하는 마그네슘 합금(AZ91D)의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 1B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 2A는 고액공존상태(570℃)의 반고체를 급냉하여 얻어진 고체의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 2B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 3A는 반고체를 고액공존상태(570℃)에서 30분간 유지한 후 급냉하여 얻어진 고체의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 3B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 4A는 고액공존상태(590℃)의 반고체를 급냉하여 얻어진 고체의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 4B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 5A는 반고체를 고액공존상태(590℃)에서 30분간 유지한 후의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 5B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 6A는 고액공존상태(580℃에서 25분의 유지 시간)의 반고체에 의해 성형한 금속제품의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 6B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 7A는 고액공존상태(585℃에서 25분의 유지 시간)의 반고체에 의해 성형한 금속제품의 금속현미경 사진에 의한 조직도이며, 도 7B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 8A는 고액공존상태(590℃에서 25분의 유지 시간)의 반고체에 의해 성형한 금속제품의 금속현미경 사진에 의해 성형한 조직도이며, 도 8B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

도 9A는 고액공존상태(595℃에서 25분의 유지 시간)의 반고체에 의해 성형한 금속제품의 금속현미경 사진에 의해 성형한 조직도이며, 도 9B는 사진을 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면이다.

본 발명은 입상으로 결정화한 마그네슘 합금 고체를 주입재료로서 이용하여, 그 고체재료를 고액 공존상태(a solid-phase and liquid-phase coexisting state)로 가압주입수단에 의해 금속제품으로 용융하는 성형방법, 및 그 금속 제품에 관한 것이다.

종래의 반용융 성형용 금속 제조 방법에서, 용융합금을, 단열 용기 내에 고 액 공존상태로 소망 시간 동안 유지하여, 미세한 구형 주 결정(primary crystal)을 다수 발생시켜, 이를 소정의 액상율로 다이 캐스트 기계의 모울드 내에 가압 주입하여 성형품을 형성할 수 있다(예컨대, 특허문헌 1 참조).

또, 마그네슘 합금을 이용한 금속 제품의 모울딩에서, 잠재적으로 요변성(thixotropy)을 유지하는 고체재료를 반용융 상태로 가열하고, 얻어진 재료를 사출장치에 의해 모울드에 공급하고 있다(예컨대, 특허문헌 2 참조).

[특허문헌 1]

일본국 특개평9-10893호(페이지 3 내지 5, 도 9 참조)

[특허문헌 2]

일본국 특개 2001-252759호(페이지 6 및 7, 도 1 참조)

상기 특허문헌 1에는, 용융 합금을 용융점보다도 낮은 온도로 유지한 경사 냉각용 지그(tilt cooling jig)에 주입하여 유하(流下)시켜, 단열용기 내에서 액상 선(liquid line) 온도 이하에서 또는 공융 온도(eutectic temperature) 혹은 고상 선(solidus line) 온도보다 높은 온도의 상태로 5초 내지 60분간 유지하는 것에 의해, 액상율이 20 내지 90%, 바람직하게는 30~70%에서, 성형품을 다이 캐스트 주조기계에 의한 가압 성형법이 기재되어 있다.

또, 특허문헌 2에는, 용융 마그네슘 합금을 냉각 경사판에 유하시켜 반용융상태로 냉각하고, 또한 미세 구형 결정을 갖는 금속 슬러리로 되기까지 저류조에 합금을 저류한 후, 급냉에 의해 슬러리를 고체화하여 요변성 성능을 잠재적으로 유지하는 금속재료로 형성하고, 요변성 성능을 나타내는 반용융 마그네슘 합금에 용 융하여 금속재료를 사출장치에 의해 모울드에 공급하는 것이 기재되어 있다.

상기 특허문헌 1에 기재의 종래기술에는, 용융 합금을 반용융상태로 냉각한 후, 단열용기 내에서 바람직한 액상율에 도달하기까지 용융 합금을 유지해야만 한다. 이는, 재료의 용해에서 성형품의 가압성형까지 상당한 시간을 요한다. 시간의 단축을 위해서, 다수의 단열용기와 그 이송수단이 필요하게 된다. 또, 재료를 성형온도 가깝게 낮은 온도로 냉각하고 성형기로 이송하여, 직접적으로 성형을 행하게 되기 때문에, 일부 성형기에 의해 채용하기 어려운 과제를 갖는다.

특허문헌 2에 기재의 종래 기술에도, 반용융 슬러리의 금속 스트립의 고상율이 높게 되고, 요변성 성능을 잠재적으로 유지하기까지에는 그 만큼의 시간을 필요로 하고 있다. 그러나, 급냉 고화하여 얻어진 금속재료를, 성형기에 의해 반용융 상태로 재용융하고, 요변성 성능을 갖는 상태에서 모울드에 가압 주입하기까지의 가압 성형을 단시간에 완료할 수 있다. 또, 금속재료의 성형기로의 공급도 용이하고, 연속 성형도 가능하여, 성형기에 대한 적응성을 갖는다.

그러나, 특허문헌 2에서는 고액 공존하는 온도영역에서 결정화한 금속 슬러리의 결정이, 균일한 구형 결정으로 되는 온도조건과 유지시간의 설정이 어렵고, 또 성형에 바람직한 고상율의 유지에도 과제를 갖는다. 이에 관해서 본 발명자 등은 이런 문제의 연구를 하였다. 결정이 균일한 구형 결정으로 되지 않아도, 고체 재료의 입상으로 결정화한 주 결정의 비율이 특정 범위에 있으면, 그 주 결정이 고액 공존상태에 있어서 구형화한 고상으로 되는 동시에, 주된 고상이 50㎛ 이상의 입도에서 성형에 바람직한 고상율을 갖고, 또 유지시간이 30분 이내이면 설정 조건 을 변경하지 않고 모울드에 가압 주입하여, 주 결정의 분포 상태가 매우 양호한 다수 개의 마그네슘 합금의 금속제품을 성형할 수 있는 것을 알았다.

따라서, 상기의 문제를 감안하여, 본 발명의 목적은, 미리 입상으로 결정화한 고체재료를, 고액 공존상태에서 요변성을 갖는 반용융체(이하에 이를 반고체(semi-solid)라 함)에 용융하고, 그 요변성을 모울드에 가압 주입하는 마그네슘 합금의 성형법에 있어서, 반고체의 고상의 입자 직경 및 고상율을 성형에 바람직한 상태로 설정하여, 양호한 금속조직의 금속제품의 안정적으로 성형할 수 있는 새로운 가압 주입법을 제공하는 데에 있다.

상기 과제에 의한 본 발명은, 마그네슘 합금의 용융체를 고상을 포함하는 반용융 상태에 냉각하고, 그 반용융 상태를 냉각하여 고상이 입상으로 결정화한 고체 재료로 하고, 그 고체재료를 성형기에 의해 반용융으로 하여 모울드에 마그네슘 합금의 가압 주입하는 성형법에 있어서, 상기 고체재료의 주 결정(primary crystal)의 비율을 55 내지 65%로 설정하고, 그 고체재료를 선택된 가열온도에 의해 고액 공존상태로 반용융으로 하여, 주된 고상의 크기가 50 내지 250㎛, 고상율이 30 내지 70%의 반고체로 하고, 그 반고체 상태를 유지하면서 노즐에서 모울드에 가압 주입하고, 주 결정의 비율이 20 내지 50%의 금속 제품으로 성형하는 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법을 제공하는 데에 있다.

또, 본 발명에서, 상기 반고체 상태로 유지하는 성형기에서 가열수단의 온도는, 고체재료의 용융 시작에서 반고체의 가압 주입까지의 시간에 의해, 반고체의 온도보다도 5 내지 15℃ 높게 설정한다. 또한, 상기 반고체를, 직경이 8 내지 15 mm의 노즐에서, 두께가 1mm 이하의 게이트를 지나 모울드로 가압 주입하는 데에 있다.

본 발명의 금속 제품은 상기 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법에 의해 성형한 금속제품에 있어서, 주된 주 결정이 구형상이고 직경이 10㎛ 이상의 금속조직으로 이루어지며, 두께가 0.4 내지 1.5 mm, 바람직하게는 0.6 내지 1.0 mm 로 이루어지는 데에 있다.

각 도면에 있어서, (A)는 금속현미경에 의해 촬영한 금속조직사진, (B)는 사진의 일부를 화상 처리에 의해 흑백으로 2가화한 도면으로, 고상의 입자 직경 및 고상율 또는 초기결정의 비율은 그 흑과 백의 도트수에서 산출한 것이다.

도 1은 본 발명이 고체재료로서 이용하는 마그네슘 합금(AZ91D)의 금속조직을 도시하는 것이다. 이 입상의 결정조직의 고체재료는, 마그네슘 합금을 액상 선 온도 이상의 온도로 가열 용융하고, 그 용융 합금을 냉각(예컨대 60℃)한 경사판 표면에 유하시켜, 고상 선 온도, 액상 선 온도 이하의 고상과 액상이 공존하는 온도(이하 고액 공존 온도라 함)까지 냉각하여 고상을 발생시켜, 그 고상의 비율이 고체재료의 주 결정(a)으로서 55 내지 65%로 되기까지, 고액 공존 온도에 의해 온도 유지를 소망 시간 동안 행한 후, 고상 선 온도 이하로 냉각하여 제조한 것으로 이루어진다. 일례로서, 605℃의 마그네슘 용융 합금을 595℃(액상 선 온도)에 대해 5℃ 내지 25℃ 낮은 온도로 냉각하고, 그 온도범위에서 1분간의 온도 유지를 행 하고, 그 후, 고상 선 온도 이하로 급냉한 것이다.

상기 고체재료의 사용형태로서는, 둥근 바아(round bar), 잉곳(ingot) 등의 고형물, 또한 칩, 펠렛 등의 입상의 고형물의 적절한 형태가 선택될 수 있다. 이에 이용하는 금속성형기의 구조에 의한 재료 형태는 임의로 선택된다. 또 금속성형기로서는 플라스틱의 성형에 이용되는 공지의 인라인 스크루식 사출성형기(inline screw injection molding machine), 플런저식 사출성형기, 프리플라스틱식(pre-plasticizing system) 사출성형기 등과 동일한 구조로 이루어지는 금속성형기, 다이 캐스트 머신 등, 실린더 내에 공급된 반고체를, 노즐에서 게이트를 통해 모울드로 가압 주입할 수 있는 성형기이면, 모두 채용할 수 있다.

상기 고체재료에 의한 금속제품의 성형은 다음 순서로 실행된다. 우선, 고체재료를 선택된 용융온도로 고액공존상태의 반고체에 용융한다. 다음에 반고체의 온도를 액상 선 온도 이하, 고상 선 온도로 유지해 고액공존상태를 유지하고, 노즐에서 게이트를 통해 모울드에 가압 주입한다.

상기 용융공정에 있어서, 고체재료가, 고상 선 온도 이상의 온도로 되면, 금속조직의 공융 결정(b)이 용융하여, 반고체의 액상(b')으로 된다. 액상(b')에 주 결정(a)이 고상(a')으로 되어 분산한다. 선택적으로, 주 결정(a)의 코너가 가열의 영향을 받기 쉽게 되어 구형화한 고상(a')으로 용융된다.

주 고상(a')의 크기(입자직경)와 반고체의 고상율은, 고체재료의 용융온도 및 반고체의 유지온도와 시간에 의해, 주 고상의 입자 직경은 50 내지 250㎛, 고상율은 25 내지 75%의 범위로 변화된다. 그 범위의 크기의 고상(a')(가장 바람직하 게는 50 내지 100㎛, 평균입자직경 80㎛)과, 고상율(바람직하게는 30 내지 70%)이면, 요변성 성능(점성유체성)을 유지하면서 모울드로 가압 주입을 지장 없이 행할 수 있다.

도 2는, 도 1에 도시하는 주 결정(a)의 비율이 61%, 입자직경이 50 내지 100㎛의 고체재료가, 570℃에서 용융한 때에 발생한 반고체를, 유지시간 없이 급냉한 고체의 금속조직이다. 이 고체재료의 용융 이전의 주 결정(a)은 용융에 의해 100 내지 200㎛의 고상(a')으로 되어 고상율도 64%로 증가하고 있다. 또, 반고체를 용융시의 온도 570℃를 30분간 유지하여 급냉한 고체의 금속조직에도, 도 3에 도시한 바와 같이, 고상(a')의 시간 경과에 의해 극단적인 비대화는 없다. 전반적으로 성장은 하고 있다. 그러나, 주된 고상(a')은 150~250㎛의 크기에 도달하고, 고상율도 69%로 증가하고 있다.

도 4는, 고체재료가 590℃에서 용융하여 발생한 반고체를 급냉한 고체의 금속조직에서, 고상(a')의 크기는 다양하지만 100 내지 200㎛의 범위이고, 고상율은 48%로 되어 있다. 또, 이 반고체를 590℃의 온도에서 30분간 유지하여 급냉한 고체의 금속조직에는, 도 5에 도시한 바와 같이, 고상율이 65%까지 현저히 증가하는 반면, 고상(a')의 일부 크기에서는 50 내지 250㎛와 용융 전보다도 입자 직경이 작게 되는 것이다. 이는 유지온도가 액상 선 온도(595℃)에 근접하기 때문에, 열영향을 받기 쉬운 작은 고상이 부분적으로 용융하는 것에 의해 직경의 크기가 감소한 것이라 추측된다.

상기 570℃와 590℃의 온도에서 반고체는, 고체재료와의 비교에 있어서, 그 대부분의 고상(a')이 구형화하고, 고상의 크기 및 고상율도 증가한다. 또, 용융시의 고상율은 590℃에서 48%, 570℃에서 64%이다. 온도가 높은 쪽이 용융부분이 많게 되기 때문에 고상율은 감소한다. 그러나, 30분간 유지의 고체재료의 고상율은 70%를 초과하지 않고, 고상(a')의 크기도 50 내지 200㎛의 범위이다. 이는 반고체가 고액공존상태를 유지하고 있으면, 적어도 30분을 경과하기까지는 동일 설정 조건에서, 반고체를 요변성 성능을 갖는 상태에서 모울드에 가압 주입할 수 있는 것을 의미한다.

또, 재료를 반고체 상태로 유지하는 가열수단의 설정온도는, 고체재료의 용융에서 반고체의 가압 주입까지의 시간에 의해, 반고체의 온도보다도 약 5 내지 15℃ 정도 높게 설정할 수 있다. 요컨대 가압주입까지 공융 공존상태가 유지되고, 이에 의해 요변성 성능이 발생하는 상태가 존재한다.

이에 대해, 고상율이 25% 이하의 낮은 반고체에서는, 반고체가 고액공존상태에 있어도 액상의 비율이 너무 크고 유동성이 증가한다. 이처럼, 반고체가 적절한 요변성 성능으로 되기 어렵고, 가압 주입에 필요한 재료 저항의 부족으로 반고체의 성형이 불안정하게 된다. 그 결과, 양호한 금속제품의 성형이 행해지지 않게 된다. 반대로, 고상율이 75%보다도 높은 반고체에서는, 액상의 개재에 의해 요변성 성능이 상실되고, 노즐에서 모울드로의 반고체의 가압 주입이 매우 곤란하다. 그러나, 반고체의 고상율이 30 내지 70%의 범위에서는, 상한과 하한 사이에 차이가 있지만, 요변성 성능으로 가압 주입을 용이하게 행할 수 있다.

반고체의 모울드로의 가압 주입은, 직경 8 내지 15mm의 노즐과, 두께 1mm 이 하의 게이트를 이용하여 행하는 것이 바람직하다. 이 노즐 직경과 게이트 두께를 사용하면, 그 제한된 노즐 및 게이트를 통과할 때에 반고체가 동시에 전단력을 받기 쉽게 된다. 이에 의해 고상(a')이 세분화되어, 금속제품에 있어서 주 결정(a")의 분포에 편향이 적은 금속 조직으로 형성할 수 있다.

도 6 내지 도 9는, 모울딩 기계에서 가열수단의 온도를, 반고체의 온도보다도 5℃보다 높게 설정한 후, 반고체를 580℃에서 595℃까지 5℃의 온도차를 제공하면서 온도 유지(25분간)하여, 이를 직경 8mm의 노즐에서 두께 0.5mm의 게이트를 통과하여, 모울드에 가압 주입하여 성형한 금속제품의 조직도이다. 도 6 내지 도 9의 금속제품의 성형에 이용된 반고체의 각 조직은, 도면에서 생략하고 있지만, 주된 고상의 크기(입자 직경)는 50㎛ 이상이다.

상기 반고체에 의해 성형된 금속제품에서는, 조직도에서도 분명한 바와 같이, 주된 주 결정(a")의 크기는 10㎛ 이상으로 구형화하고 있고, 결정의 분포상태도 전반적으로 공융 결정(b")으로 균일하게 분산하고 있다. 또 금속제품의 주 결정(a")의 비율은 580℃에서 590℃까지의 반고체까지 온도 증가하여 46%에서 50%로 증가한다. 그러나, 액상 선 온도로 되는 595℃의 반고체에 의해 금속제품의 주 결정(a")은, 용융과 전단력에 의해 미세화되고, 전체의 입자 직경이 작게 되어 있다. 그러나, 주된 주 결정(a")은 10㎛ 이상이고, 그 결정 비율도 28%를 유지하고 있다.

전술한 바와 같이, 주 결정(a")의 비율이 20 내지 50%에서, 주된 주 결정(a")의 크기가 10㎛ 이상의 마그네슘 금속제품에서는, 620℃ 이상의 온도에서 완전 용융한 마그네슘 합금에 의해 성형한 마그네슘 금속 제품과의 비교에 있어서, 제품 두께가 0.8mm의 시험편에서, 신장 60%, 경도 20%, 인장강도 30% 등의 증가라는 효과를 발휘하고, 프레스나 절삭 등의 기계가공이 용이하게 된다. 또, 본 발명에 의하면, 용융 재료를 고액 공존온도로 냉각하여 스크루 회전(screw rotation)에 의해 교반 전단, 이를 모울드에 가압 주입하는 종래 요변성 성형법(thixo-molding method)에 의한 금속제품보다도 주 결정의 분포가 보다 균일하다. 본 발명의 마그네슘 금속 제품의 강도가 보다 우수하게 된다.

Claims

마그네슘 합금의 용융체를 고상을 포함하는 반용융상태에 냉각하고, 그 반용융상태를 냉각하여 고상이 입상으로 결정화한 고체 재료로 형성하고, 그 고체재료를 성형기에 의해 반용융으로 하여 모울드에 마그네슘 합금의 가압 주입하는 성형법에 있어서,

상기 고체재료의 주 결정(primary crystal)의 비율을 55 내지 65%로 설정하고, 그 고체재료를 선택된 가열온도에 의해 고액 공존상태(a solid-phase and liquid-phase coexisting state)로 반용융으로 하여, 주된 고상의 크기가 50 내지 250㎛, 고상율이 30 내지 70%의 반고체로 하고, 그 반고체 상태를 유지하면서 노즐에서 모울드에 가압 주입하고, 주 결정의 비율이 20 내지 50%의 금속 제품으로 성형하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법.
제1항에 있어서,

상기 반고체 상태로 유지하는 성형기에서 가열수단의 온도는, 고체재료의 용융 시작에서 반고체의 가압 주입까지의 시간에 의해, 반고체의 온도보다도 5 내지 15℃ 높게 설정하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법.
제1항에 있어서,

상기 반고체를, 직경이 8 내지 15 mm의 노즐에서, 두께가 1mm 이하의 게이트 를 지나 모울드로 가압 주입하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법.
청구항 1 내지 3 중 어느 한 항 기재의 마그네슘 합금의 가압 주입 성형법에 의해 성형한 금속제품에 있어서, 주된 주 결정이 구형상이고 직경이 10㎛ 이상의 금속조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 금속 제품.
제4항에 있어서, 상기 금속 제품은, 두께가 0.4 ~ 1.5 mm 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 금속 제품.