KR101860167B1

KR101860167B1 - 마그네슘 합금재 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR101860167B1
Application number: KR1020137020338A
Authority: KR
Inventors: 유키히로 오이시; 노부유키 모리; 류이치 이노우에; 노조무 가와베
Original assignee: 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2018-05-21
Also published as: WO2012115191A9; TW201302334A; CN103380223A; JP2012172255A; DE112012000987T5; JP5757105B2; US20130333809A1; KR20140004710A; WO2012115191A1; CN103380223B

Abstract

두께가 두껍고, 내식성 및 내 표면 거침성이 우수한 마그네슘 합금재, 및 그의 제조 방법을 제공한다. 두께가 1.5 ㎜ 이상의 판형부를 갖는 마그네슘(Mg) 합금재(대표적으로는 Mg 합금판)로서, 판형부의 표면으로부터 두께 방향으로 두께의 1/4까지의 영역을 표면 영역, 나머지부를 내부 영역으로 할 때, 내부 영역의 바닥면 피크비(O_C)[(002)면의 배향 정도]에 대한 표면 영역의 바닥면 피크비(O_F)의 비율: O_F/O_C가 1.05<O_F/O_C를 만족시킨다. 이 Mg 합금재는, 판형부의 표면이 내부에 비교하여 Mg 합금 결정의 바닥면인 (002)면이 강하게 배향된 집합 조직에 의해 구성되고, 대표적으로는 표면 영역의 결정 입경이 내부 영역보다 작아 내식성이 우수한 데다가, 내 표면 거침성이 우수하여, 프레스 가공을 실시하면 표면 성상이 우수한 성형체가 얻어진다. 쌍롤 연속 주조재에 전체 패스의 압하율이 25% 이하의 압연을 복수 패스함으로써 판형의 Mg 합금재가 얻어진다.

Description

마그네슘 합금재 및 그의 제조 방법{MAGNESIUM ALLOY MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 자동차나 철도 차량, 비행기 등의 수송 기기의 부품이나 자전거 부품, 전자·전기 기기의 하우징, 그 외의 구조 부재와 같은 각종 부재, 및 이 부재의 구성 재료에 적합한 마그네슘 합금재와 그의 제조 방법에 관한 것이다. 특히, 두께가 두껍고, 내식성 및 내 표면 거침성이 우수한 마그네슘 합금재에 관한 것이다.

휴대 전화나 노트형 퍼스널 컴퓨터와 같은 휴대용 전자·전기 기기류의 하우징, 휠 커버나 패들 시프트 등의 자동차 부품, 철도 차량 부품, 프레임 등의 자전거 부품과 같은 각종 부재의 구성 재료로서, 경량이며, 비강도, 비강성이 우수한 마그네슘 합금이 검토되고 있다. 마그네슘 합금으로 이루어지는 부재는, 다이캐스트법이나 틱소몰드법에 의한 주조재(ASTM 규격의 AZ91 합금)가 주류이다. 최근, ASTM 규격의 AZ31 합금으로 대표되는 전신(展伸)용 마그네슘 합금으로 이루어지는 판에 프레스 가공을 실시한 프레스 가공재가 계속 사용되고 있다. 특허문헌 1에서는, 쌍롤 주조법을 이용하여, AZ91 합금 등의 각종 마그네슘 합금으로 이루어지는 연속 주조재를 제작하고, 이 연속 주조재에 압연을 실시하여 얻어진 압연판에 프레스 가공을 실시하는 것을 개시하고 있다.

특허문헌 1: 국제 공개 제2006/003899호

종래, 마그네슘 합금의 경량성에 착안하여, 프레스 가공재와 같은 소성 가공재의 소재에는, 두께 1 ㎜ 이하의 비교적 얇은 판재가 검토되어 있다. 그러나, 마그네슘 합금의 용도 범위의 확대에 따라, 전술한 바와 같은 박판뿐만 아니라, 비강도, 비강성에 착안하여 두께가 두꺼운 것, 구체적으로는, 두께 1.5 ㎜ 이상의 두꺼운 판재의 개발이 요구된다. 종래, 이러한 두께가 두꺼운 마그네슘 합금판과 같은 소재, 및 그의 제조 방법과 이 판을 이용하여 제작한 프레스 가공재와 같은 소성 가공재에 대해서 충분히 검토되어 있지 않다.

다이캐스트법이나 틱소몰드법을 이용하면, 두께가 두꺼운 마그네슘 합금판이 얻어진다. 그러나, 다이캐스트재와 같은 주조재에서는, 구멍과 같은 내부 결함이 존재하기 쉬운 데다가, 첨가 원소 성분이 국소적으로 고농도가 되거나, 결정립이 랜덤하게 배향되는 등, 조성이나 조직이 불균일해지기 쉽다. 이 때문에 다이캐스트재와 같은 주조재는, 압연재와 같은 소성 가공이 실시된 것과 비교하여, 내식성이 뒤떨어진다. 또한, 다이캐스트재와 같은 주조재는, 상기 내부 결함 등에 의해, 소성 가공성이 뒤떨어져, 소성 가공용 소재에 적합하다고 할 수 없다.

그래서, 본 발명의 목적 중 하나는, 두께가 두껍고 내식성 및 내 표면 거침성이 우수한 마그네슘 합금재나 소성 가공이 실시된 두께가 두꺼운 마그네슘 합금재를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 두께가 두껍고 내식성 및 내 표면 거침성이 우수한 마그네슘 합금재가 얻어지는 마그네슘 합금재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

다이캐스트재나 틱소몰드재에 비교하여, 압연 등의 소성 가공(1차 가공)이 실시된 마그네슘 합금재는, 주조시의 결함이 저감되거나, 결정이 미세화됨으로써, 동일한 조성이어도, 강도나 경도, 인성 등의 기계적 특성, 내식성, 소성 가공성이 우수하다. 또한, 상기 1차 가공을 실시한 마그네슘 합금재에 프레스 가공 등의 소성 가공(2차 가공)을 실시한 마그네슘 합금재도, 상기 기계적 특성이나 내식성이 우수하다. 특히, 1차 가공재의 소재로서 쌍롤 주조법과 같은 연속 주조법에 의해 제조한 연속 주조재를 이용하면, 이 연속 주조재는, 편석이나 조대한 결정 석출물이 다이캐스트재 등에 비교하여 적어, 소성 가공성이 우수하다. 그래서, 본 발명자들은, 연속 주조재에 여러 가지의 조건으로 압연을 실시하여, 두께 1.5 ㎜ 이상의 두께가 두꺼운 마그네슘 합금판을 제작하였다. 그 결과, 특정한 조건으로 제작한 마그네슘 합금판은, 두께가 두껍고, 내식성이 우수한 데다가, 프레스 가공이나 굽힘 가공과 같은 소성 가공을 실시한 경우, 얻어진 소성 가공재는 그 표면에 요철이 작고 적어, 매끄러운 표면을 갖고 있고(대표적으로는 광택을 가지며 고운 표면을 가짐), 내 표면 거침성도 우수하다는 지견을 얻었다. 본 발명은, 상기 지견에 기초하는 것이다.

본 발명의 마그네슘 합금재는, 마그네슘 합금으로 이루어지고, 두께가 1.5 ㎜ 이상의 판형부를 가지며, 이 판형부가 이하의 배향성을 만족시킨다.

[배향성]

상기 판형부의 표면으로부터 두께 방향으로 두께의 1/4까지의 영역을 표면 영역, 나머지부의 영역을 내부 영역으로 하고,

상기 표면 영역에서의 (002)면, (100)면, (101)면, (102)면, (110)면 및 (103)면의 X선 회절의 피크 강도를 각각 I_F(002), I_F(100), I_F(101), I_F(102), I_F(110) 및 I_F(103)으로 하고,

상기 내부 영역에서의 (002)면, (100)면, (101)면, (102)면, (110)면 및 (103)면의 X선 회절의 피크 강도를 각각 I_C(002), I_C(100), I_C(101), I_C(102), I_C(110) 및 I_C(103)으로 하며,

상기 표면 영역에서의 (002)면의 배향 정도: I_F(002)/{I_F(100)+I_F(002)+I_F(101)+I_F(102)+I_F(110)+I_F(103)}을 바닥면 피크비(O_F),

상기 내부 영역에서의 (002)면의 배향 정도: I_C(002)/{I_C(100)+I_C(002)+I_C(101)+I_C(102)+I_C(110)+I_C(103)}을 바닥면 피크비(O_C)로 할 때,

상기 내부 영역의 바닥면 피크비(O_C)에 대한 상기 표면 영역의 바닥면 피크비(O_F)의 비율: O_F/O_C가 1.05<O_F/O_C를 만족시킨다.

상기 본 발명의 마그네슘 합금재는, 예컨대 이하의 본 발명의 제조 방법에 의해 제조할 수 있다. 본 발명의 마그네슘 합금재의 제조 방법은, 마그네슘 합금으로 이루어지는 소재에 압연을 실시하여 마그네슘 합금재를 제조하는 방법에 관한 것이며, 이하의 준비 공정과, 압연 공정을 구비한다.

준비 공정: 용해한 마그네슘 합금을 쌍롤 주조법에 의해 연속 주조한 판형의 소재를 준비하는 공정.

압연 공정: 상기 소재에 복수 패스의 압연을 실시하여, 두께 1.5 ㎜ 이상의 판형의 마그네슘 합금재를 제조하는 공정.

이 압연 공정에서는, 상기 각 패스의 압하율을 모두 25% 이하로 한다.

또한, 압하율(%)이란, {[압연 전 소재의 두께(t_b)-압연 후의 소재의 두께(t_a)]/압연 전 소재의 두께(t_b)}×100을 말한다.

상기 본 발명의 제조 방법에 의하면, 갈라짐 등의 기점이 되는 결함이나 결정 석출물, 편석이 적거나, 또는 실질적으로 존재하지 않는 연속 주조재를 소재로 함으로써, 복수 패스의 압연을 양호하게 실시할 수 있다. 또한, 각 패스의 압하율을 비교적 작게 하고, 복수 패스에 걸쳐 압연을 실시함으로써, 압연재의 표면 부분에는 내부에 비교하여, 압연에 의한 소성 가공이 충분히 가해진다. 즉, 압하율이 비교적 작은 압연을 반복하여 행함으로써, 압연재의 표면 조직과 내부 조직을 상이하게 할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 표면 영역을 구성하는 조직과 내부 영역을 구성하는 조직이 상이한 조직에 의해 구성된 마그네슘 합금재[대표적으로는 압연판(본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태)]가 얻어진다. 보다 구체적으로는, 표면 영역을 구성하는 조직은, 압연에 의한 소성 가공이 충분히 가해짐으로써, 마그네슘 합금 결정의 바닥면이 압연 방향(압연되는 소재가 진행하는 방향)으로 평행하도록 주로 배열된 집합 조직(상기 결정의 c축이 압연 방향에 직교하도록 배열된 집합 조직)이고, 내부 영역을 구성하는 조직은, 상기 바닥면이 표면 영역보다 랜덤하게 배열된 조직이다.

본 발명의 마그네슘 합금재가 전술한 특정 압연이 실시된 압연판인 경우(즉, 본 발명의 마그네슘 합금재 전체가 판형부로 구성되는 형태인 경우), 전술한 바와 같이 표면 영역의 조직이 특정 배향성을 갖는 집합 조직, 보다 구체적으로는, 마그네슘 합금 결정의 바닥면인 (002)면이 강하게 배향된 집합 조직이며, 내부 영역의 조직은, 이 표면 영역보다 (002)면의 배향이 적은 조직에 의해 구성된다. (002)면이 강하게 배향된 집합 조직이란, 압연 등의 소성 가공시에 소성 가공에 수반하는 변형이 충분히 가해진 것을 나타내는 지표의 하나가 된다. 압연 등의 가공이 충분히 실시될수록, 마그네슘 합금의 결정 입경이 미세하게 되는 경향이 있고, 이 미세화에 의해 결정립계의 전체 면적이 증대한다. 그 결과, 결정립계에 대한 불순물 원소의 존재 비율이 상대적으로 저하함으로써, 상기 특정 조직을 갖는 본 발명의 마그네슘 합금재는 내식성이 우수하다. 특히, 외부 분위기에 노출되는 표면 영역이 내부보다 미세 조직이어서, 내식성에 보다 우수하다. 이 때문에 본 발명의 마그네슘 합금재는, 두께가 두껍고 내식성이 우수하다. 또한, 이 마그네슘 합금재는, 전술한 바와 같이 표면 부분과 내부가 상이한 조직으로 구성됨으로써, 표면 부분과 내부가 상이한 특성(경도나 강도, 내충격성, 인성 등의 기계적 특성, 내식성, 제진성 등)을 갖는다. 이러한 특성차를 이용하여, 본 발명의 마그네슘 합금재는, 여러 가지의 부재, 및 이들 부재의 소재에의 이용을 기대할 수 있다. 또한, 본 발명의 마그네슘 합금재는, 내부 영역의 바닥면[(002)면]의 배향 정도가 작아서(집합 조직에서의 집적도가 작아서), 프레스 가공이나 굽힘 가공과 같은 소성 가공성이 양호해지기 때문에, 프레스 가공이나 굽힘 가공과 같은 소성 가공용 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 그리고, 표면 영역이 미세한 결정 조직으로 구성됨으로써, 프레스 가공 등의 소성 가공을 실시하여도, 소재 표면에 큰 요철이 생기기 어려워, 매끄러운 표면을 갖는 소성 가공재(본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태)가 얻어진다. 따라서, 본 발명의 마그네슘 합금재는, 내 표면 거침성이 우수하다. 또한, 얻어진 소성 가공재도 우수한 표면 성상을 갖는다.

본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태로서, 상기 표면 영역의 평균 결정 입경을 D_F, 상기 내부 영역의 평균 결정 입경을 D_C로 할 때, 상기 표면 영역의 평균 결정 입경(D_F)에 대한 상기 내부 영역의 평균 결정 입경(D_C)의 비율: D_C/D_F가 1.5<D_C/D_F를 만족시키는 형태를 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 내부 영역의 결정 입경이 표면 영역보다 큰, 바꿔 말하면, 표면 영역의 결정 입경이 내부 영역보다 충분히 작기 때문에, 전술한 바와 같이 결정립계가 길어져, 내식성이 우수하다. 또한, 상기 형태에 의하면, 표면 영역이 미세한 결정 조직에 의해 구성됨으로써 소성 가공성이 양호해지는 데다가, 내 표면 거침성이 우수하며, 내측 영역의 결정 입경이 표면 영역보다 크기 때문에 내열성도 우수하다.

본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태로서, 상기 표면 영역의 비커스 경도(Hv)를 H_F, 상기 내부 영역의 비커스 경도(Hv)를 H_C로 할 때, 상기 표면 영역의 비커스 경도(H_F)에 대한 상기 내부 영역의 비커스 경도(H_C)의 비율: H_C/H_F가 H_C/H_F<0.85를 만족시키는 형태를 들 수 있다.

상기 형태에 의하면, 내부 영역의 비커스 경도가 표면 영역보다 작기 때문에, 바꿔 말하면, 표면 영역의 비커스 경도가 내부 영역보다 충분히 크기 때문에, 내마모성이 우수하다.

본 발명의 마그네슘 합금재는, 여러 가지의 원소를 첨가 원소로 하는 마그네슘 합금(나머지부 Mg 및 불순물)으로 구성될 수 있다. 특히, 첨가 원소의 농도가 높은 합금, 구체적으로는 합계 함유량이 5.0 질량% 이상인 마그네슘 합금은, 첨가 원소의 종류에도 의하지만, 강도나 경도와 같은 기계적 특성, 내식성, 난연성, 내열성과 같은 여러 가지의 특성이 우수하다.

구체적인 첨가 원소는 Al, Zn, Mn, Si, Be, Ca, Sr, Y, Cu, Ag, Sn, Li, Zr, Ce, Ni, Au 및 희토류 원소(Y, Ce를 제외)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 들 수 있다. 불순물은, 예컨대, Fe 등을 들 수 있다.

특히, Al을 함유하는 Mg-Al계 합금은, 내식성이 우수한 데다가, 강도나 경도와 같은 기계적 특성도 우수하다. 따라서, 본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태로서, 상기 마그네슘 합금이 첨가 원소에 Al을 5.0 질량% 이상 12 질량% 이하 함유하는 형태를 들 수 있다. Al의 함유량이 많을수록 상기 효과가 높은 경향이 있고, 7 질량% 이상, 또한 7.3 질량% 이상이 바람직하다. 단, Al의 함유량이 12 질량%를 초과하면 소성 가공성의 저하를 초래하기 때문에, 상한은 12 질량%, 또한 11 질량%가 바람직하다. 특히, Al을 8.3 질량%∼9.5 질량% 함유하는 형태는, 강도 및 내식성이 보다 우수하다. Al 이외의 각 원소의 함유량은, 합계 0.01 질량% 이상 10 질량% 이하, 바람직하게는 0.1 질량% 이상 5 질량% 이하를 들 수 있다.

Mg-Al계 합금의 보다 구체적인 조성은, 예컨대 ASTM 규격에서의 AZ계 합금(Mg-Al-Zn계 합금, Zn: 0.2 질량%∼1.5 질량%, 예컨대 AZ31 합금, AZ61 합금, AZ91 합금 등), AM계 합금(Mg-Al-Mn계 합금, Mn: 0.15 질량%∼0.5 질량%), AS계 합금(Mg-Al-Si계 합금, Si: 0.01 질량%∼20 질량%), Mg-Al-RE(희토류 원소)계 합금, AX계 합금(Mg-Al-Ca계 합금, Ca: 0.2 질량%∼6.0 질량%), AJ계 합금(Mg-Al-Sr계 합금, Sr: 0.2 질량%∼7.0 질량%) 등을 들 수 있다. Al을 8.3 질량%∼9.5 질량% 함유하는 합금으로서, 또한 Zn을 0.5 질량%∼1.5 질량% 함유하는 Mg-Al-Zn계 합금, 대표적으로는 AZ91 합금을 들 수 있다.

그 외에, Y, Ce, Ca, Si, Sn 및 희토류 원소(Y, Ce를 제외)로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 합계 0.001 질량% 이상, 바람직하게는 합계 0.1 질량% 이상 5 질량% 이하 함유하고, 나머지부가 Mg 및 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금은, 내열성, 난연성이 우수하다. 희토류 원소를 함유하는 경우, 그 합계 함유량은 0.1 질량% 이상이 바람직하고, 특히 Y를 함유하는 경우, 그 함유량은 0.5 질량% 이상이 바람직하다.

본 발명의 마그네슘 합금재는, 두께가 두껍고, 내식성 및 내 표면 거침성이 우수하다. 본 발명의 마그네슘 합금재의 제조 방법은, 두께가 두껍고, 내식성 및 내 표면 거침성이 우수한 마그네슘 합금재를 제조할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[마그네슘 합금재]

(조성)

본 발명의 마그네슘 합금재는, 50 질량% 이상의 Mg과, 대표적으로는 전술한 첨가 원소를 함유하는 마그네슘 합금에 의해 구성된다.

(형태)

본 발명의 마그네슘 합금재에 구비하는 판형부란, 평행하는 한 쌍의 면을 구비하고, 양면의 간격(양면 사이의 거리)이 실질적으로 균일한, 즉, 두께가 균일한 부분을 말한다. 본 발명의 마그네슘 합금재는, 그 일부에 판형부를 갖고 있으면, 그 타부에, 보스 등이 접합된 형태, 홈을 갖는 형태, 표리에 관통하는 구멍을 갖는 형태 등, 절삭 가공 등의 가공에 의해, 국소적으로 두께가 상이한 부분을 갖는 형태를 허용한다.

상기 판형부를 갖는 본 발명의 마그네슘 합금재의 대표적인 형태는, 그 전체가 판형인 형태(마그네슘 합금판)를 들 수 있다. 이 마그네슘 합금판의 형상(평면 형상)은, 직사각형, 원 형상 등 여러 가지의 형상을 취할 수 있다. 또한, 이 마그네슘 합금판은, 연속하는 장척재를 권취한 코일재, 정해진 길이·형상의 단척재 중 어느 형태나 취할 수 있다. 이 마그네슘 합금판은, 제조 공정에 의해서도 여러 가지의 형태를 취할 수 있다. 대표적으로는, 압연판, 압연판에 후술하는 열처리나 교정을 실시한 열처리판이나 교정판, 상기 압연판이나 열처리판, 교정판에 연마나 도장을 실시한 연마판, 도장판 등을 들 수 있다.

그 외에, 본 발명의 마그네슘 합금재는, 상기 마그네슘 합금판에, 굽힘 가공이나 드로잉 가공과 같은 프레스 가공 등의 소성 가공(2차 가공)을 실시한 성형체, 상기 소성 가공이 일부에 실시되어, 소성 가공부를 갖는 부분 가공재를 들 수 있다(단, 적어도 일부에 상기 판형부를 가짐). 상기 성형체는, 예컨대 천판부(바닥면부)와, 천판부의 둘레 가장자리로부터 세워져 설치되는 측벽부를 갖는 단면 ]형의 상자체나 ]형의 프레임, 천판부가 원판형이며, 측벽부가 원통형인 덮개를 갖는 통형체 등을 들 수 있다. 적어도 상기 천판부가 판형부에 상당한다. 원하는 용도에 따라, 마그네슘 합금재의 형태를 선택할 수 있다.

(두께)

본 발명의 마그네슘 합금재는, 상기 판형부의 두께가 1.5 ㎜ 이상인 것을 특징의 하나로 한다. 이 두께는, 원하는 용도 등에 따라서, 1.5 ㎜ 이상의 임의의 값을 선택할 수 있다. 단, 상기 판형부를 두껍게 하기 위해서는, 소재가 되는 주조재도 두껍게 해야 한다. 주조재를 두껍게 하면, 전술한 바와 같이 결함 등으로 압연성의 저하를 초래한다. 따라서, 상기 두께는 10 ㎜ 이하, 특히 5 ㎜ 이하이면, 두께가 두꺼운 압연판(본 발명의 마그네슘 합금재의 일 형태)을 생산성 좋게 제조할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 마그네슘 합금재가 상기 성형체나 상기 부분 가공재인 경우, 소성 가공에 수반하는 변형이 적은 개소(대표적으로는 판형부)는, 소성 가공의 소재가 된 상기 마그네슘 합금판의 조직이나 기계적 특성을 대략 유지한다.

(조직)

<배향성>

본 발명의 마그네슘 합금재는, 적어도 상기 판형부의 표면 영역이 전술한 바와 같이 바닥면의 집합 조직을 갖는 조직에 의해 구성되고, 내부 영역은 바닥면의 배향 정도가 작은 조직으로 구성되는 것을 특징의 하나로 한다. 외부 분위기에 노출되는 표면 영역이, (002)면이 강하게 배향된 조직에 의해 구성됨으로써 전술한 바와 같이 내식성이 우수하다. 또한, 표면 영역과 내부 영역에서 배향 정도의 차가 클수록, 내식성이나 표면 경도, 내 표면 거침성을 높일 수 있는 것으로 기대된다. 단, 상기 배향 정도의 차가 너무 커지면, 프레스 가공과 같은 소성 가공을 균일적으로 실시하기 어려워지기 때문에, 전술한 바닥면 피크비의 비율 O_F/O_C는 O_F/O_C≤1.2를 만족시키는 것이 바람직하다.

<평균 결정 입경>

본 발명의 마그네슘 합금재의 대표적인 형태로는, 내부 영역의 결정 입경이 표면 영역보다 큰 형태를 들 수 있다. 이 형태는, 내부 영역이 내열성이 우수하고, 결정 입경이 상대적으로 작은 표면 영역이 전술한 바와 같이 높은 내식성이나 높은 경도를 갖는다. 특히, 표면 영역이 상대적으로 미세 조직이어서, 고경도가 되고, 내마모성이 우수하기 때문에, 흠집 등이 나기 어려워, 표면 성상이 우수하다. 이 때문에 본 발명의 마그네슘 합금재는, 내구성이 요구되는 구조재 등에 적합하게 이용할 수 있는 것으로 기대된다. 표면 영역과 내부 영역에서 평균 결정 입경의 차가 클수록, 내식성이나 내 표면 거침성, 표면 경도를 높일 수 있는 것으로 기대된다. 단, 상기 평균 결정 입경의 차가 커지면, 프레스 가공과 같은 소성 가공을 균일적으로 실시하기 어려워지기 때문에, 전술한 평균 결정 입경의 비율: D_C/D_F는 D_C/D_F≤2.0이 바람직하다.

또한, 전술한 바와 같이 압연을 실시하여, 두께가 1.5 ㎜ 이상인 두께가 두껍고 판형인 마그네슘 합금재를 제조하는 경우, 두께 방향의 전역에 걸쳐 균일적인 입경이고, 미세한 입경으로 하는 것에 한계가 있어, 본 발명의 마그네슘 합금재에서는, 표면 영역 및 내부 영역의 평균 결정 입경은 3.5 ㎛ 이상이 될 수 있다. 그러나, 결정 입경이 작을수록, 소성 가공성이 우수한 경향이 있기 때문에, 상기 판형부의 표면 영역 및 내부 영역의 평균 결정 입경은 모두, 20 ㎛ 이하, 특히 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 평균 결정 입경은, 압연 공정에서의 압하율이나 소재의 가열 온도에 따라 변화되어, 압하율이 클수록, 또한 가열 온도가 낮을수록, 작아지는 경향이 있다.

(기계적 특성)

본 발명의 마그네슘 합금재는, 압연이 실시됨으로써 다이캐스트재 등의 주조재에 비교하여, 강도나 경도, 인성 등의 기계적 특성도 우수하다. 예컨대 전술한 바와 같이 표면 영역의 비커스 경도가 내부 영역보다 높다. 표면 영역과 내부 영역에서 비커스 경도의 차가 클수록, 표면 경도가 상대적으로 높아진다. 단, 상기 비커스 경도의 차가 너무 커지면(표면 경도를 너무 크게 하면), 반대로 프레스 가공성을 손상시키기 때문에, 비커스 경도(Hv)의 비율: H_C/H_F는 0.7≤H_C/H_F가 바람직하다. 비커스 경도의 절대값은 압하율이나 소재의 가열 온도 등의 압연 조건에도 의하지만, 첨가 원소의 함유량이 많을수록, 커지는 경향이 있다. 본 발명의 마그네슘 합금재가 소성 가공재(성형체)나 부분 가공재인 경우, 가공 경화에 의해, 경도가 더 높아지는 경향이 있다.

(그 외의 구성)

본 발명의 마그네슘 합금재의 표면의 적어도 일부에 화성 처리나 양극 산화 처리와 같은 방식 처리를 실시하여 방식층을 구비하는 형태로 하면, 내식성이 보다 우수하다. 또한, 본 발명의 마그네슘 합금재의 표면의 적어도 일부에 도장을 실시하여 도장층을 구비하는 형태로 하면, 의장성이나 상품 가치를 높일 수 있다.

[제조 방법]

이하, 전술한 본 발명의 제조 방법의 각 공정을 보다 상세히 설명한다.

(준비 공정)

<주조>

본 발명의 제조 방법에서는, 출발재에 연속 주조재를 이용한다. 연속 주조법은, 급냉 응고가 가능하기 때문에, 첨가 원소의 함유량이 많은 경우라도 편석이나 산화물 등을 저감할 수 있고, 갈라짐의 기점이 될 수 있는 10 ㎛ 초과와 같은 조대한 결정 석출물의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 압연 등의 소성 가공성이 우수한 주조재가 얻어진다. 또한, 연속 주조법에서는, 장척의 주조재를 연속하여 제조 가능하고, 이 연속 주조법에 의해 얻어진 장척재를 압연의 소재에 이용할 수 있다. 소재가 장척인 경우, 장척의 압연재를 제조 가능하다. 연속 주조법에는, 쌍롤법, 트윈벨트법, 벨트 앤드 휠법과 같은 여러 가지의 방법이 있지만, 판형의 주조재의 제조에는, 쌍롤법이나 트윈벨트법, 특히 쌍롤법이 적합하고, 특히 특허문헌 1에 기재된 주조 방법으로 제조한 연속 주조재를 이용하는 것이 바람직하다. 주조재의 두께, 폭, 길이는 원하는 압연재(압연판)가 얻어지도록 적절하게 선택할 수 있다. 주조재의 두께는, 너무 두꺼우면 편석이 생기기 쉽기 때문에, 10 ㎜ 이하, 특히 5 ㎜ 이하가 바람직하다. 얻어진 연속 주조재를 장척재로 하는 경우, 원통형으로 권취하여 코일재로 하면, 다음 공정에 반송하기 쉽다. 주조재에서의 권취 직전의 지점을 100℃∼200℃ 정도로 가열한 상태에서 권취하면, AZ91 합금과 같은 첨가 원소의 함유량이 높아, 갈라짐이 생기기 쉬운 합금종이어도 구부리기 쉬워져, 권취 직경이 작은 경우라도, 갈라짐 등을 발생시키지 않고 권취할 수 있다. 얻어진 연속 주조재를 적절한 길이로 절단한 시트재를 압연의 소재로 할 수도 있다. 이 경우, 정해진 길이의 압연재(압연판)가 얻어진다.

<용체화>

상기 주조재에 압연을 실시하기 전에 용체화 처리를 실시하면, 주조재의 조성을 균질화하거나, Al과 같은 원소를 충분히 고용(固溶)시켜 인성을 높이거나 할 수 있다. 용체화 처리의 조건은, 예컨대 가열 온도: 350℃ 이상, 특히 380℃ 이상 420℃ 이하, 유지 시간: 1시간 이상 40시간 이하를 들 수 있다. Mg-Al계 합금인 경우, Al의 함유량이 많을수록 유지 시간을 길게 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 유지 시간 경과 후, 상기 가열 온도로부터의 냉각 공정에서, 수냉이나 충풍(air blast)과 같은 강제 냉각 등을 이용하여, 냉각 속도를 빠르게 하면(바람직하게는 50℃/min 이상), 조대한 석출물의 석출을 억제할 수 있다.

<압연>

상기 주조재나 용체화 처리재를 소재로 하고, 이 소재에 복수 패스의 압연을 실시한다. 적어도 1패스는, 소재(주조재나 용체화 처리재, 압연 도중의 가공재)를 150℃ 이상 400℃ 이하로 가열하여 행하는 온간 압연, 또는 열간 압연을 포함하는 것이 바람직하다. 소재를 상기 온도로 가열함으로써, 1패스당 압하율을 높인 경우에도 압연중에 갈라짐 등이 생기기 어렵고, 상기 온도를 높일수록, 갈라짐 등이 적어지며, 400℃ 이하로 함으로써, 소재 표면의 시징(seizing) 등에 의한 열화나, 압연롤의 열 열화를 억제할 수 있다. 따라서, 상기 가열 온도는 350℃ 이하, 또한 300℃ 이하, 특히 150℃ 이상 280℃ 이하가 바람직하다. 소재뿐만 아니라 압연롤도 가열하여도 좋다. 압연롤의 가열 온도는, 100℃∼250℃를 들 수 있다.

특히, 본 발명의 제조 방법에서는, 각 패스의 압하율을 모두 25% 이하로 한다. 압하율이 비교적 작은 압연을 복수 패스에 걸쳐 실시함으로써, 특히, 소재의 표면 부분에 집중적으로 소성 가공을 실시할 수 있다. 각 패스의 압하율은, 25% 이하의 범위에서 적절하게 선택할 수 있지만, 너무 작으면 원하는 두께로 할 때까지의 패스 수가 많아져, 생산성의 저하를 초래하기 때문에, 10% 이상이 바람직하다.

패스마다, 소재의 가열 온도나 압연롤의 온도, 압하율 등의 조건을 변경할 수 있다. 따라서, 각 패스의 압하율은 동일하여도 좋고, 상이하게 하여도 좋다. 또한, 패스간에 중간 열처리를 행하여도 좋다. 중간 열처리를 행함으로써, 이 열처리까지 소재에 도입된 변형이나 잔류 응력 등을 제거·저감하여, 이 열처리 이후의 압연을 실시하기 쉽게 할 수 있다. 중간 열처리의 조건은, 가열 온도: 150℃∼350℃(바람직하게는 300℃ 이하, 보다 바람직하게는 250℃∼280℃), 유지 시간: 0.5시간∼3시간을 들 수 있다. 또한, 압연 후에도 상기 조건으로 최종 열처리를 행하여도 좋다. 그 외에, 상기 압연은, 윤활제를 적절하게 이용하면, 압연시의 마찰 저항을 저감할 수 있고, 소재의 시징 등을 방지하여, 압연을 실시하기 쉽다.

그 외에, 압연 전의 주조재의 가장자리부를 트리밍하여, 압연시, 가장자리부에 갈라짐이 존재한 경우에 그 갈라짐이 진전되지 않도록 하여도 좋고, 압연 공정 도중, 압연 후 등에서, 폭을 적절하게 조정하기 위해 트리밍하여도 좋다.

<그 밖의 가공>

≪연마≫

상기 압연 후, 연마를 실시하여도 좋다. 연마를 행함으로써, 압연시에 사용한 윤활제나 압연재 표면에 존재하는 흠이나 산화막 등을 제거, 저감할 수 있다. 연마에는, 연삭 벨트를 이용하면, 소재가 장척재여도, 연속하여 용이하게 연마를 실시시켜 바람직하다. 또한, 연마는, 분말의 비산을 방지하기 위해 습식이 바람직하다.

≪교정≫

상기 압연 후나 상기 연마 후, 교정을 실시하여도 좋다. 교정을 행함으로써 평탄성을 높일 수 있어, 프레스 가공 등의 소성 가공을 정밀도 좋게 행할 수 있다. 교정에는, 복수의 롤러가 지그재그형으로 배치된 롤 레벨러 장치를 적합하게 이용할 수 있다. 또한, 교정은, 예컨대 소재를 100℃∼300℃, 특히 150℃∼280℃로 가열한 상태(온간 교정)에서 행하여도 좋다.

≪소성 가공≫

상기 본 발명의 마그네슘 합금재를 성형체나 소성 가공부를 구비하는 부분 가공재로 하는 경우, 전술한 압연 공정을 거친 소재(전술한 압연재, 연마재, 교정재)의 적어도 일부에 프레스 가공과 같은 소성 가공을 실시하는 소성 가공 공정을 구비하는 제조 방법에 의해, 제조할 수 있다. 이 소성 가공은, 200℃∼300℃의 온도역에서 행하면, 소재의 소성 가공성을 높일 수 있어 바람직하다. 또한, 이 소성 가공 후에 열처리를 실시하여, 소성 가공에 의해 도입된 왜곡이나 잔류 응력의 제거, 기계적 특성의 향상을 도모할 수 있다. 이 열처리 조건은, 가열 온도: 100℃∼300℃, 가열 시간: 5분∼60분 정도를 들 수 있다.

≪표면 처리≫

상기 본 발명의 마그네슘 합금재를 상기 방식층이나 도장층을 구비하는 형태로 하는 경우, 전술한 압연 공정을 거친 소재의 적어도 일부, 또는 상기 소성 가공 공정을 거친 소재의 적어도 일부에 방식 처리나 도장을 실시하는 표면 처리 공정을 구비하는 제조 방법에 의해, 제조할 수 있다. 그 외에, 상기 소재의 적어도 일부에, 헤어라인 가공, 다이아몬드 커트 가공, 쇼트 블라스트 가공, 에칭 가공 및 스핀 커트 가공으로부터 선택되는 적어도 1종의 가공을 실시하여도 좋다. 이들의 표면 처리를 행함으로써, 내식성이나 기계적 보호 기능을 높이거나, 의장성이나 금속 질감, 상품 가치를 높일 수 있다.

이하, 시험예를 들어, 본 발명의 보다 구체적인 실시형태를 설명한다.

[시험예]

이하의 조성의 마그네슘 합금으로 이루어지는 소재에, 여러 가지의 조건으로 압연을 실시하여 두께 1.5 ㎜ 이상의 마그네슘 합금판을 제작하고, 배향성, 결정 입경 및 비커스 경도를 조사하였다.

이 시험에서는 AZ91 합금 상당의 조성을 갖는 마그네슘 합금(Mg-9.0 질량% Al-0.6 질량% Zn)으로 이루어지는 마그네슘 합금판과, AZ31 합금 상당의 조성을 갖는 마그네슘 합금(Mg-3.1 질량% Al-0.7 질량% Zn)으로 이루어지는 마그네슘 합금판을 제작하였다.

상기 각 조성의 마그네슘 합금을 이용하여, 쌍롤 연속 주조법에 의해 장척의 주조판[두께 4.5 ㎜(4.50 ㎜∼4.51 ㎜)×폭 320 ㎜]을 제작하고, 일단 권취하여, 주조 코일재를 제작하였다. 각 주조 코일재에 400℃×24시간의 용체화 처리를 실시하였다. 용체화 처리를 실시한 고용 코일재를 푼 소재에, 표 1에 나타내는 압연 조건으로 복수 패스의 압연을 실시하여, 두께 2.0 ㎜(2.00 ㎜∼2.01 ㎜) 또는 1.5 ㎜의 압연재(마그네슘 합금판)를 제작하였다. 각 패스는 온간 압연으로 하였다(소재의 가열 온도: 250℃∼280℃, 압연롤의 온도: 100℃∼250℃). 주조재의 두께, 압연 도중의 가공재의 두께, 얻어진 마그네슘 합금판의 두께는 모두, 측정 대상이 되는 판재의 폭 방향의 중앙부, 및 폭 방향의 양 가장자리로부터 50 ㎜ 지점의 합계 3점의 두께의 평균으로 하였다.

[배향성]

얻어진 각 마그네슘 합금판에 대해서 X선 회절을 행하고, 내부 영역의 바닥면 피크비(O_C)에 대한 표면 영역의 바닥면 피크비(O_F)의 비율: O_F/O_C를 조사하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 표면 영역의 바닥면 피크비(O_F)는, 각 마그네슘 합금판의 표면에 대하여 X선 회절을 행하고, 내부 영역의 바닥면 피크비(O_C)는, 각 마그네슘 합금판의 표면으로부터 두께 방향으로 두께의 1/4까지의 영역(표면 영역)을 화학적으로 제거하여, 내부를 노출시키고, 이 노출면에 대하여 X선 회절을 행하였다. 그리고, 각 영역의 (002)면, (100)면, (101)면, (102)면, (110)면 및 (103)면의 피크 강도를 각각 측정하고, 이 측정 결과를 이용하여 O_F/O_C를 구하였다.

바닥면 피크비(O_F): I_F(002)/{I_F(100)+I_F(002)+I_F(101)+I_F(102)+I_F(110)+I_F(103)}

바닥면 피크비(O_C): I_C(002)/{I_C(100)+I_C(002)+I_C(101)+I_C(102)+I_C(110)+I_C(103)}

[평균 결정 입경]

얻어진 각 마그네슘 합금판에 대해서 내부 영역 및 표면 영역의 평균 결정 입경(㎛)을 「강(steel)-결정 입도의 현미경 시험 방법 JIS G 0551(2005)」에 기초하여 측정하였다. 여기서는, 각 마그네슘 합금판에 대하여 두께 방향의 단면(횡단면 및 종단면)을 취하고, 각 단면을 광학 현미경으로 관찰하며(400배), 상기 각 단면에서의 표면 영역(표면으로부터 두께 방향으로 두께의 1/4까지의 영역) 및 내부 영역(표면 영역을 제외한 나머지부의 영역)의 각각에 대해서 3 시야씩 취하고(각 영역의 합계 시야 수: 6), 시야마다 평균 결정 입경을 구하였다. 표면 영역에서의 합계 6 시야의 평균 결정 입경의 평균값(D_F), 내부 영역에서의 합계 6 시야의 평균 결정 입경의 평균값(D_C)을 표 2에 나타낸다. 또한, 표면 영역의 평균 결정 입경(D_F)에 대한 내부 영역의 평균 결정 입경(D_C)의 비율: D_C/D_F도 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

[비커스 경도]

얻어진 각 마그네슘 합금판에 대해서 내부 영역 및 표면 영역의 비커스 경도(Hv)를 조사하였다. 비커스 경도는, 평균 결정 입경의 측정과 마찬가지로, 각 마그네슘 합금판에 대하여 두께 방향의 단면(횡단면 및 종단면)을 취하고, 표면 영역의 비커스 경도(H_F)는, 상기 각 단면에서의 표면 영역에 압자를 세게 눌러 측정하고, 내부 영역의 비커스 경도(H_C)는, 상기 각 단면에서의 내부 영역에 압자를 세게 눌러 측정하였다. 표면 영역에서의 상기 양단면의 비커스 경도의 평균값(H_F), 내부 영역에서의 상기 양단면의 비커스 경도의 평균값(H_C)을 표 2에 나타낸다. 또한, 표면 영역의 비커스 경도(H_F)에 대한 내부 영역의 비커스 경도(H_C)의 비율: H_C/H_F도 구하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

[부식 시험]

얻어진 각 마그네슘 합금판에 대해서 내식성을 조사하였다. 여기서는, JIS Z 2371(2000)에 준거하여 시험편을 제작하고(두께는 제작한 판 두께로 함), 96시간의 염수 분무 시험을 행하여, 시험 후의 부식 감량(㎎/㎠)을 조사하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 연속 주조재에, 1패스당 압하율이 25% 이하의 압연을 복수 패스에 걸쳐 실시함으로써, 두께 1.5 ㎜ 이상의 두께가 두꺼운 마그네슘 합금판(마그네슘 합금재)으로서, 그 두께 방향에서의 내부 영역의 조직(바닥면 피크비)과 표면 영역의 조직(바닥면 피크비)이 상이한 것이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 이 마그네슘 합금판은, 상기 내부 영역의 기계적 특성과 표면 영역의 기계적 특성이 상이한 것을 알 수 있다.

얻어진 각 마그네슘 합금판에 프레스 가공을 실시했더니(마그네슘 합금판의 가열 온도: 250℃∼270℃), 어느 시료나 프레스 가공을 실시할 수 있었다. 또한, 얻어진 각 프레스 가공재에서 평탄한 부분의 조직을 조사했더니, 프레스 가공 전의 각 마그네슘 합금판의 조직과 실질적으로 마찬가지이며, 동일한 바닥면 피크비나 평균 결정 입경을 갖고 있었다. 또한, 얻어진 각 프레스 가공재에서, 굽힘 가공 부분의 표면 거칠기(Ra)를 조사하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 표면 영역과 내부 영역이 상이한 조직을 갖는 시료, 구체적으로는 표면 영역의 입경이 작은 조직으로 구성된 시료 No. B, C, E, F, H, I, K, L은 표면 거칠기(Ra)가 대략 0.5 ㎛ 이하로 작아, 매끄러운 표면을 갖는 것을 알 수 있다.

상기 시험 결과로부터, 두께 1.5 ㎜ 이상의 두께가 두꺼운 판형부를 갖는 마그네슘 합금재로서, 이 판형부의 조직이 두께 방향으로 상이하고, 특정 배향성을 갖는 조직으로 구성된 것은, 내 표면 거침성이 우수한 것이 확인되었다. 또한, 표면 영역이 상대적으로 미세 조직으로 구성됨으로써 이 마그네슘 합금재는, 내식성이 우수한 것이 확인되었다.

또한, 전술한 실시형태는, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 적절하게 변경하는 것이 가능하며, 전술한 구성에 한정되는 것이 아니다. 예컨대 마그네슘 합금의 조성, 마그네슘 합금재의 두께·형상, 압연 공정에서의 각 패스의 압하율, 패스 수 등을 적절하게 변경할 수 있다.

본 발명의 마그네슘 합금재는, 자동차 부품, 철도 차량 부품, 항공기 부품, 자전거 부품, 각종 전자·전기 기기류의 부품 등, 특히 내식성이나 내마모성이 요구되는 여러 가지 분야의 부재, 및 이 부재의 구성 재료, 가방 등이나 그 소재에 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명의 마그네슘 합금재의 제조 방법은, 상기 본 발명의 마그네슘 합금재의 제조에 적합하게 이용할 수 있다.

Claims

마그네슘 합금으로 이루어지고, 판형부를 갖는 마그네슘 합금재로서,
상기 마그네슘 합금은 AZ91 합금이고,
상기 판형부의 두께가 1.5 ㎜ 이상이고,
상기 판형부는, 이하의 배향성을 만족시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금재.
[배향성]
상기 판형부의 표면으로부터 두께 방향으로 두께의 1/4까지의 영역을 표면 영역, 나머지부를 내부 영역으로 하고,
상기 표면 영역에서의 (002)면, (100)면, (101)면, (102)면, (110)면 및 (103)면의 X선 회절의 피크 강도를 각각 I_F(002), I_F(100), I_F(101), I_F(102), I_F(110) 및 I_F(103)으로 하고,
상기 내부 영역에서의 (002)면, (100)면, (101)면, (102)면, (110)면 및 (103)면의 X선 회절의 피크 강도를 각각 I_C(002), I_C(100), I_C(101), I_C(102), I_C(110) 및 I_C(103)으로 하며,
상기 표면 영역에서의 (002)면의 배향 정도: I_F(002)/{I_F(100)+I_F(002)+I_F(101)+I_F(102)+I_F(110)+I_F(103)}을 바닥면 피크비(O_F),
상기 내부 영역에서의 (002)면의 배향 정도: I_C(002)/{I_C(100)+I_C(002)+I_C(101)+I_C(102)+I_C(110)+I_C(103)}을 바닥면 피크비(O_C)로 할 때,
상기 내부 영역의 바닥면 피크비(O_C)에 대한 상기 표면 영역의 바닥면 피크비(O_F)의 비율: O_F/O_C가 1.05<O_F/O_C를 만족시킨다.
제1항에 있어서, 상기 표면 영역의 평균 결정 입경을 D_F, 상기 내부 영역의 평균 결정 입경을 D_C로 할 때, 상기 표면 영역의 평균 결정 입경(D_F)에 대한 상기 내부 영역의 평균 결정 입경(D_C)의 비율: D_C/D_F가 1.5<D_C/D_F를 만족시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면 영역의 비커스 경도(Hv)를 H_F, 상기 내부 영역의 비커스 경도(Hv)를 H_C로 할 때, 상기 표면 영역의 비커스 경도(H_F)에 대한 상기 내부 영역의 비커스 경도(H_C)의 비율: H_C/H_F가 H_C/H_F<0.85를 만족시키는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, 첨가 원소로 Al을 5.0 질량% 이상 12 질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금재.
제3항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은, 첨가 원소로 Al을 5.0 질량% 이상 12 질량% 이하 함유하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금재.
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