KR101906594B1 - 마그네슘 합금 판재 및 마그네슘 합금 성형체 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 소성 가공성 및 강성이 우수한 마그네슘 합금 판재와, 강성이 우수한 마그네슘 합금 성형체를 제공한다. 본 발명에 따른, 마그네슘 합금으로 이루어지는 판재는, 마그네슘 합금으로 이루어지는 모재중에 경질 입자를 함유하고 있다. 이 판재 표면으로부터 두께 방향으로 판재 두께의 40%까지의 영역을 표면 영역으로 하고, 잔부의 영역을 중앙 영역으로 할 때, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자는, 그 최대 직경이 20 ㎛ 초과 50 ㎛ 미만이며, 표면 영역에 존재하는 경질 입자는 최대 직경이 20 ㎛ 이하이다. 표면측의 경질 입자가 미립이므로, 이들 입자가 소성 가공시에 균열 등의 기점이 되기 어렵고, 중심 부분에 조대한 입자가 존재함으로써, 이들 입자에 의해 판재의 강성을 높일 수 있다.

Description

마그네슘 합금 판재 및 마그네슘 합금 성형체{MAGNESIUM ALLOY SHEET MATERIAL AND MAGNESIUM ALLOY FORMED BODY}

본 발명은 마그네슘 합금 판재와, 이 판재에 소성 가공을 실시하여 이루어지는 성형체에 관한 것이다. 특히, 소성 가공성이 우수하고 강성이 높은 마그네슘 합금 판재에 관한 것이다.

마그네슘에 여러 첨가 원소를 함유시킨 마그네슘 합금이, 휴대전화나 노트북 컴퓨터와 같은 휴대 전기 기기류의 케이스나 자동차 부품 등에 이용되어 왔다. 마그네슘 합금은, 육방정의 결정 구조(hcp 구조)를 갖기 때문에 상온에서의 소성 가공성이 부족하므로, 상기 케이스 등의 마그네슘 합금 제품은, 다이캐스트법이나 틱소몰드법에 의한 주조재(鑄造材)재가 주류이다.

마그네슘 합금의 소성 가공성을 향상시키기 위해, 특허문헌 1에서는 마그네슘 합금의 결정립 내에 25×10^-12π㎡ 이상 2500×10^-12π㎡ 이하(면적 상당 원직경 10 ㎛∼100 ㎛)의 석출물을 복수 분산시키는 것을 제안하고 있다. 또한, 특허문헌 2는 마그네슘 합금중의 결정 석출물의 최대 직경을 20 ㎛ 이하로 미세하게 함으로써 소성 가공성(성형성)을 우수하게 한 것을 개시하고 있다.

일본 특허 공개 제2003-239033호 공보 국제 공개 제06/003899호 팜플렛

일반적인 소성 가공에서, 크랙의 발생이 잘 일어나지 않는 대표적인 가공으로서는 단조 가공을 들 수 있다. 이 단조 가공에서도, 석출물의 최대 직경은 20 ㎛ 이하가 바람직하다고 고려된다. 그러나, 특허문헌 1에 기재되는 마그네슘 합금 소형재는, 그 전체에 걸쳐 균일적으로 석출물을 존재시키고 있고, 표면측에 비교적 조대한 석출물이 존재할 우려가 있다. 소재의 표면측에 20 ㎛를 초과하는 조대한 석출물이 존재하면, 소성 가공시에 균열 등이 생기기 쉬워져, 소성 가공성이 저하된다.

한편, 특허문헌 2에 기재되는 마그네슘 합금재는, 그 전체에 걸쳐 결정 석출물을 존재시키고 있지만, 그 최대 직경이 20 ㎛ 이하이기 때문에, 소성 가공시에 균열 등이 잘 생기지 않고, 소성 가공성이 우수하다. 그러나, 예컨대 경량화를 위해 마그네슘 합금재의 두께를 보다 얇게 한 경우, 강성이 작아지고, 충격을 받았을 때에 마그네슘 합금재가 우그러드는 등의 변형이 생길 우려가 있다.

그래서, 본 발명의 목적 중 하나는, 소성 가공성 및 강성 모두가 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 강성이 우수한 마그네슘 합금 성형체를 제공하는 것이다.

판재를 구부린 경우, 굽힘의 내측에 위치하는 한쪽 표면측에는 압축 응력이 작용하고, 굽힘의 외측에 위치하는 다른쪽 표면측에는 인장 응력이 작용한다. 예컨대, 석출물과 같은 입자가 존재하는 판재로서, 그 표면측에 조대한 석출물이 존재하면, 상기 응력이 작용했을 때에 균열의 기점이 되기 쉽다. 그러나, 이 판재의 두께 방향의 중심 및 그 근방은, 실질적으로 상기 응력이 작용하지 않거나, 또는 작용하는 응력이 표면측과 비교하여 작다. 이 때문에, 판재의 중심 및 그 근방 부분에 비교적 조대한 석출물이 존재하여도, 균열 등이 잘 생기지 않는 것으로 고려된다. 또한, 석출물은, 모재인 마그네슘 합금 자체와 비교하여 강성이 높고, 환언하면 탄성률이 크기 때문에, 이러한 고강성물이 판재의 중심 및 그 근방에 존재함으로써, 판재의 강성을 높일 수 있다. 특히, 이 고강성물이 어느 정도 조대하면, 판재의 강성을 효과적으로 높일 수 있다. 이러한 지견에 기초하여, 본 발명의 판재는, 표면측과 중심 부분에서 크기가 상이한 입자가 존재하는 것으로 한다.

본 발명의 마그네슘 합금 판재는, 마그네슘 합금으로 이루어지는 모재중에, 모재의 합금보다 탄성률이 높은 경질(硬質) 입자를 함유한다. 이 판재의 두께 방향에서, 판재의 각 표면으로부터 판재 두께의 40%까지의 영역을 표면 영역으로 하고, 잔부의 영역을 중앙 영역으로 할 때, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경은 20 ㎛ 초과 50 ㎛ 미만이며, 표면 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경은 20 ㎛ 이하이다. 최대 직경의 측정 방법은 후술한다.

본 발명의 판재는, 표면 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경이 20 ㎛ 이하로 작기 때문에, 경질 입자가 소성 가공시에 균열 등의 기점이 되기 어렵고, 소성 가공성이 우수하다. 또한, 본 발명의 판재는, 중앙 영역에 강성이 높고 비교적 큰 입자, 특히 표면 영역에 존재하는 입자보다 큰 입자가 존재하지만, 이 중앙 영역은 굽힘 등을 가했을 때에 응력이 잘 작용하지 않는 지점이기 때문에, 소성 가공성이 잘 저해되지 않는다. 또한, 본 발명의 판재는, 중앙 영역에 상기 조대한 입자가 존재함으로써, 판재의 강성을 높일 수 있다. 이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[마그네슘 합금 판재]

<마그네슘 합금>

본 발명의 판재는, 실질적으로 마그네슘 합금과 경질 입자로 구성된다. 마그네슘 합금은, 50 질량% 초과의 마그네슘(Mg)과 첨가 원소와 불가피적 불순물로 구성되는 합금이고, 첨가 원소로서는, 예컨대 알루미늄(Al), 아연(Zn), 망간(Mn)을 들 수 있다. Al을 함유하는 마그네슘 합금은 내식성이 우수하다. 특히, Al을 2.5 질량% 이상 6.5 질량% 미만 함유하는 경우, 소성 가공이 용이하고, 6.5 질량% 이상 20 질량% 이하 함유하는 경우, 내식성이 보다 높다. 2.5 질량% 이상이면, 후술하는 바와 같이 경질 입자를 석출물로 하는 경우, 석출물이 생성되기 쉽고, 20 질량% 이하로 함으로써, 소성 가공성의 저하를 억제한다. Al에 추가하여 Zn, Mn과 같은 원소를 함유하는 마그네슘 합금은, 마그네슘 단체(單體)보다 강도나 연신율과 같은 기계적 특성이나 내식성이 우수하다. 이러한 마그네슘 합금으로서, ASTM 규격의 AZ계 합금이나 AM계 합금, 구체적으로는 AZ31, AZ61, AZ63, AZ80, AZ81, AZ91이나 AM60, AM100 등을 들 수 있다. 첨가 원소의 함유량을 조정함으로써, 원하는 특성을 갖는 마그네슘 합금으로 할 수 있다.

상기 마그네슘 합금은, 실리콘(Si) 및 칼슘(Ca)의 함유량이 가능한 한 적은 편이 바람직하다. Si 및 Ca이 적으면, 내식성이 잘 열화되지 않고, 내열성의 향상에 수반되는 성형 온도의 고온화 등도 잘 일어나지 않는다. 구체적으로는, 합계로 0.5 질량% 이하가 바람직하다.

표면 영역을 구성하는 모재의 마그네슘 합금과, 중앙 영역을 구성하는 모재의 마그네슘 합금은 상이한 조성이어도 좋고, 동일 조성이어도 좋다. 예컨대, 표면 영역을 소성 가공성이 우수한 AZ31로 하고, 중앙 영역을 부식 방지성이 우수한 AZ91로 하여도 좋다.

<경질 입자>

《조성》

경질 입자는, 모재인 마그네슘 합금(예컨대, AZ91: 탄성률 45 GPa)보다 탄성률이 높은 것으로 한다. 이러한 경질 입자로서, 예컨대 Al₁₇Mg₁₂과 같은 Al-Mg계 석출물, 그 외 Al-Mn계 석출물, Mg-Zn계 석출물 등의 금속간 화합물을 들 수 있다. 이들 금속간 화합물은 200 GPa 정도의 탄성률을 갖는 것으로 고려된다. 그 외의 경질 입자로서, 마그네슘과 잘 반응하지 않는 화합물, 예컨대 탄화규소(SiC: 탄성률 260 GPa), 질화알루미늄(AlN: 탄성률 200 GPa), 질화붕소(BN: 탄성률 369 GPa)와 같은 세라믹스나, 다이아몬드(C: 탄성률 444 GPa) 등의 단일 원소 물질을 들 수 있다. 이들 세라믹스 입자나 단일 원소 입자는, 금속간 화합물인 석출물보다 탄성률이 높고, 판재의 강성을 보다 높일 수 있다.

《경질 입자를 판재에 존재시키는 방법》

경질 입자를 석출에 의해 생성하는 경우, 본 발명 판재의 제조 조건을 조정함으로써 경질 입자(석출물)를 생성한다. 이 경우, 별도로 입자 재료를 준비할 필요가 없다. 마그네슘 합금의 모재에 경질 입자를 존재시키는 다른 방법으로서는, 예컨대 경질 입자를 전술한 마그네슘과 잘 반응하지 않는 화합물이나 물질로 하는 경우, 판재의 중앙 영역에 경질 입자가 존재할 수 있는 범위로 이들 화합물이나 물질을 용해중인 모재의 임의의 장소에 삽입하여 모재에 혼합함으로써, 강성이 우수한 본 발명의 판재를 제조할 수 있다. 본 발명의 판재는, 석출물로 이루어지는 입자와 세라믹스로 이루어지는 입자가 혼재되어 있어도 좋다. 또한, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자와, 표면 영역에 존재하는 경질 입자가 상이한 조성으로 이루어지는 것이어도 좋다.

《탄성률》

본 발명의 판재는, 강성을 높이기 위해 모재보다 경도가 높은 경질 입자를 함유한다. 판재의 강성을 보다 높이기 위해서는, 경질 입자는 모재 경도의 2배 이상인 것이 바람직하고, 10배 이상인 것이 더 바람직하다. 또한, 경질 입자는, 그 탄성률이 50 GPa 이상인 것이 바람직하다. 탄성률이 50 GPa 이상이면, 판재의 강성을 높이는 효과가 크고, 탄성률이 높을수록 같은 효과를 얻을 수 있기 때문에, 100 GPa 이상이 보다 바람직하다.

판재 제조시의 반응에 의해 경질 입자를 생성하는 경우, 판재중의 경질 입자는, 그 구성물의 조성비나 결정 구조에 따라 탄성률이 상이할 가능성이 있다. 따라서, 판재 제조 후, 판재중의 경질 입자의 탄성률을 적절하게 측정하여 확인하는 것이 좋다. 탄성률의 측정 방법으로서는, 예컨대 제작한 판재의 중앙 영역을 기계 가공 등으로 취출하고, 약액에 의해 모상(母相)(마그네슘 합금)을 용해한 후의 잔사를 이용하여, 경질 입자의 체적 측정과, 중앙 영역의 굽힘 시험에 의한 탄성 측정을 행하고, 이들 측정 결과의 복합칙에 의한 방법을 채용할 수 있다. 이 복합칙에 의한 방법으로 원하는 정밀도가 잘 얻어지지 않는 경우는, 전술한 잔사의 물성값을 마이크로 비커스 경도계 등으로 직접 측정하여도 좋다. 한편, 용해 중인 모재에 경질 입자가 되는 원료 입자를 삽입하는 경우는, 미리 원료 입자의 탄성률을 측정해 둘 수 있어, 재료 설계를 하기가 용이하다. 이 때, 원료 입자의 선정은, 탄성률로 행할 수 있지만, 예컨대 원료 입자가 미세하여, 탄성률의 측정이 어려운 경우는, 예컨대 주조재의 모상(마그네슘 합금)을 약액에 의해 용해하여 잔사(입자)의 경도를 측정함으로써 탄성률을 추정할 수 있다.

《크기》

본 발명의 판재는, 표면측에 존재하는 경질 입자와, 내부에 존재하는 경질 입자의 크기(최대 직경)가 상이한 것을 최대의 특징으로 한다. 우선, 판재의 두께 방향에서 판재의 각 표면으로부터 판재 두께의 40% 이상 떨어진 영역, 즉 판재의 두께 방향의 중심을 포함하는 판재 두께의 20% 영역을 중앙 영역으로 하고, 판재의 각 표면으로부터 판재 두께의 40% 미만의 영역, 즉 중앙 영역을 사이에 두도록 존재하는 영역으로서, 판재 표면을 포함하는 판재 두께의 40%까지의 영역을 각각 표면 영역으로 한다. 석출물이나 세라믹스는, 연신율과 같은 인성(靭性)이 낮은 것이 많고, 경질 입자가 이러한 석출물 등으로 구성되는 경우, 중앙 영역을 너무 크게 하면, 소성 가공성이 저하될 우려가 있다. 그래서, 본 발명의 판재에서는, 판 두께의 20%의 영역을 중앙 영역으로 하지만, 중앙 영역을 판 두께의 10%의 영역, 즉 표면 영역을 판재의 표면으로부터 판 두께의 45%까지의 영역으로 하면, 소성 가공성이 더 우수하여 바람직하다. 그리고, 표면 영역에 존재하는 경질 입자(이하, 표면 입자라 함)는, 소성 변형성을 저해하지 않도록 최대 직경을 20 ㎛ 이하로 한다. 경질 입자의 최대 직경은 판재의 두께 방향의 최대 길이로 한다. 표면 입자는 가능한 한 작은 편이 바람직하고, 5 ㎛ 이하가 더 바람직하다. 특히, 판재의 내식성이나 도장성과 같은 의장성을 고려하면, 판재의 최외 표면에 노출되는 경질 입자는 가능한 한 적고, 그 최대 직경은 5 ㎛ 이하가 바람직하며, 1 ㎛ 이하가 더 바람직하다. 또한, 상기 의장성을 고려하면, 판재의 최외 표면에 경질 입자가 실질적으로 존재하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 실제 사용시에 판재 표면이 평활하지 않은 경우, 절삭이나 연마 등의 수정 가공이 행해지는 경우가 있다. 이 경우, 수정 가공 후에, 중앙 영역 및 표면 영역을 결정한다.

여기서, 마그네슘 합금을 주조하면, 통상 석출물이 석출된다. 따라서, 표면 입자를 석출물로 하는 경우, 제조 조건을 제어함으로써, 표면 입자의 크기를 상기 소정 크기로 조정할 수 있다. 또한, 세라믹스 입자가 표면 입자에 포함되는 경우, 상기 소정 범위 내의 세라믹스 입자를 이용하면 좋다. 또한, 표면 입자는, 표면 영역의 전역에 걸쳐 균일하게 분산되어 있어도 좋고, 표면에 가까울수록 적어지도록, 즉 중심을 향해 갈수록 많아지도록 경사적으로 존재하고 있어도 좋다. 분산 상태는, 예컨대 제조 조건을 제어함으로써 조정할 수 있다. 상세한 제어 방법은 후술한다.

한편, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자(이하, 내부 입자라 함)는, 강성을 높이기 위해, 최대 직경을 20 ㎛ 초과로 한다. 내부 입자는, 큰 편이 강성을 높일 수 있지만, 너무 크면, 소성 가공성이 저하하기 때문에, 50 ㎛ 미만으로 한다. 바람직하게는, 20 ㎛ 초과 40 ㎛ 이하이다.

《함유량》

표면 입자의 함유량은, 판재의 총체적에서 차지하는 비율이 0.5 체적% 이상 15 체적% 이하인 것이 바람직하다. 표면 입자의 함유량이 상기 범위를 만족시킴으로써, 중앙 영역과의 재료 특성의 차를 작게 하고, 판재의 소성 가공성의 저하를 억제할 수 있다. 한편, 중앙 영역에서는 어느 정도 경질 입자가 존재하지 않으면, 충분히 강성을 높일 수 없고, 너무 많으면, 취약해지기 쉽다. 내부 입자의 구체적인 함유량은, 판재의 총체적에서 차지하는 비율이 0.5 체적% 이상 15 체적% 미만인 것이 바람직하다. 경질 입자를 석출물로 이루어지는 것으로 하는 경우, 마그네슘 합금의 조성을 조정하거나, 제조 조건을 제어함으로써 경질 입자의 함유량을 조정할 수 있고, 경질 입자를 세라믹스 입자로 이루어지는 것으로 하는 경우, 혼합량을 조정함으로써 경질 입자의 함유량을 조정할 수 있다.

《형태》

본 발명의 판재는, 주조재, 이 주조재에 압연이나 압출과 같은 1차 소성 가공과, 추가로 열처리를 실시한 1차 가공재가 대표적인 형태이다. 상기 주조재는, 표면측의 경질 입자가 미립이고, 비교적 조대한 경질 입자가 실질적으로 표면 영역에 존재하지 않기 때문에, 압연시 등에 균열 등이 잘 일어나지 않으며, 소성 가공성이 우수하다. 또한, 이러한 주조재에 1차 소성 가공을 실시함으로써, 주조시의 결함 등을 제거하여, 표면 성상을 향상시킬 수 있다. 특히, 총 압하율 30% 이상의 압연 가공을 실시한 판재는, 표면 성상이 높아질 뿐만 아니라, 인장 강도나 연신율과 같은 기계적 특성이 주조재보다 우수하다. 주조재에 압연 등의 소성 가공을 실시하면 스트레인이 도입되기 때문에, 본 발명의 판재는 소성 가공 후, 스트레인 제거를 목적으로 하는 열처리를 실시한 것이어도 좋다. 얻어진 1차 가공재도 주조재와 마찬가지로 소성 가공성이 우수하고, 프레스 가공이나 단조 가공과 같은 2차 소성 가공시에 균열 등이 잘 생기지 않는다.

《두께》

본 발명의 판재는, 제조 조건을 조정함으로써 여러 두께를 갖는다. 특히, 압연 등을 실시함으로써 1 ㎜ 이하의 박판으로 할 수 있다. 그리고, 본 발명의 판재는, 중앙 영역에 비교적 조대한 내부 입자가 존재함으로써 강성이 높아지며, 전술한 바와 같이 박판으로 하여도, 우그러짐 등의 변형이 잘 일어나지 않는다.

《피복층》

본 발명의 판재는, 그 표면에 피복층을 구비하고 있어도 좋다. 피복층은, 대표적으로는 부식 방지 처리(화성 처리 또는 양극 산화 처리)에 의한 부식 방지 피막과, 장식 등을 목적으로 한 도장막을 들 수 있다. 부식 방지 피막을 구비하면, 내식성을 높일 수 있고, 도장막을 구비하면, 상품 가치를 높일 수 있다. 본 발명의 판재에 소성 가공을 실시하는 경우, 부식 방지 피막은 소성 가공에 의해 잘 손상되지 않기 때문에, 소성 가공 전에 형성하여도 좋고, 소성 가공 후에 형성하여도 좋다. 소성 가공 전에 부식 방지 피막을 구비하면, 소성 가공시에 부식 방지 피막이 윤활제로서 기능하는 경향이 있다. 도장막은, 소성 가공에 의해 손상될 우려가 있기 때문에, 소성 가공 후에 형성하는 것이 바람직하다.

[성형체]

압연 등의 1차 소성 가공이 실시된 1차 가공재(본 발명의 판재)에 프레스 가공이나 단조 가공과 같은 2차 소성 가공을 실시함으로써, 본 발명의 마그네슘 합금 성형체를 얻을 수 있다. 이러한 본 발명의 성형체는, 본 발명의 판재와 마찬가지로 중앙 영역에 비교적 조대한 내부 입자가 존재하기 때문에, 강성이 높고, 변형 등이 잘 일어나지 않는다.

본 발명의 성형체는, 피복층을 구비하고 있어도 좋다. 피복층은, 특히 부식 방지 피막과 도장막을 구비하는 것이 바람직하다.

[제조방법]

본 발명의 마그네슘 합금 판재를 주조재로 하는 경우, 예컨대 이하의 제조방법에 의해 제조할 수 있다.

<주조재의 제조>

《양 영역 모두에서의 경질 입자를 석출물로 하는 경우》

본 발명의 마그네슘 합금 판재에 존재하는 경질 입자를 석출물로 이루어지는 것으로 하는 경우, 예컨대 마그네슘 합금으로 이루어지는 용탕을 준비하는 공정과, 이 용탕을 주조하여 판재로 하는 공정을 구비하고, 주조 공정에서, 용탕 표면의 냉각 속도가 50 K/초 이상 1000 K/초 이하가 되도록 냉각하며, 최종 응고에 요하는 시간을 제어한다. 단적으로 말하면, 표면측과 중심 부분에 온도차를 두어 용탕을 응고한다. 특히, 표면측을 급랭함으로써, 표면측에 조대한 석출물이 석출되는 것을 방지하고, 내부가 천천히 냉각되도록 응고 시간을 제어함으로써, 판재의 두께 방향의 중심 및 그 근방에 조대한 석출물이 석출되도록 한다. 응고 시간의 제어는, 예컨대 주조 속도를 조정함으로써 행할 수 있다.

또한, 냉각 속도를 늦추면, 중앙 편석이 생긴다. 이 중앙 편석은 판재의 길이 방향 및 폭 방향으로 분산적으로 존재하고, 통상 결함으로서 취급한다. 이에 비하여, 전술한 바와 같이 냉각 속도나 주조 속도를 제어함으로써, 중앙 편석을 제어하고, 비교적 조대한 석출물이 판재의 길이 방향 및 폭 방향으로 연속적으로 이어지도록 판재를 형성한다. 따라서, 석출물로 이루어지는 경질 입자의 크기가, 두께 방향 이외의 방향, 예컨대 길이 방향이나 폭 방향으로 커질 수 있지만, 본 발명에서는, 경질 입자의 두께 방향의 크기를 직경으로 한다. 또한, 경질 입자에 있어서 판 두께 방향에 수직한 방향(길이 방향, 폭 방향)의 크기가 너무 커지면, 경질 입자와 모재의 계면에서 박리가 일어나는 등 균열의 기점이 되기 쉬워진다. 따라서, 경질 입자에 있어서 판 두께 방향에 수직한 방향의 최대값은 2 ㎜ 이하가 바람직하다. 특히, 인장 강도의 저하를 억제하면서 강성을 높이기 위해서는, 경질 입자의 최대 직경(판 두께 방향의 최대 길이)과, 경질 입자가 가장 큰 방향(두께 방향, 길이 방향 및 폭 방향 중 어느 한 방향)의 최대값과의 어스펙트비가 1:10 이하인 것이 바람직하다. 강성을 보다 높이기 위해서는, 상기 어스펙트비가 1:20 이상인 것이 바람직하지만, 이 경우 체적에 대한 입자수가 적어져 소성 가공시의 응력의 분산점이 감소함으로써, 인장 강도가 저하되는 경향이 있다.

주조는, 가동 주형을 이용하는 쌍롤법(트윈 롤법), 쌍벨트법(트윈 벨트법), 차륜 벨트법(벨트 앤드 휠법)과 같은 연속 주조법으로 행하는 것이 바람직하다. 이들 주조법은, 주형면(용탕과 접촉하는 면)의 위치를 일정하게 유지하기 쉽고, 주형의 회전에 따라 용탕에 접촉하는 면이 연속적으로 나타나는 구성이기 때문에, 상기 냉각 속도나 주조 속도를 소정 범위로 제어하기 쉽다. 또한, 가동 주형의 제작 정밀도가 높기 때문에, 주조재를 고정밀도로 제조할 수 있다. 또한, 주조는, 용탕을 수직 방향으로 이동시키는 수직식 주조이어도 좋고, 용탕을 수평 방향으로 이동시키는 수평식 주조이어도 좋다.

상기 주조 공정에서 응고재의 표면측 부분(주로 판재의 표면 영역을 형성하는 부분)의 냉각 속도를 50 K/초 이상으로 함으로써, 판재의 표면측에 최대 직경이 20 ㎛를 초과하는 조대한 석출물이 석출되는 것을 억제하고, 상기 표면측 부분이 응고하기 시작하고 나서, 응고재의 중앙 부분(주로 판재의 중앙 영역을 형성하는 부분)의 응고가 완료되기까지의 시간을 0.1초 이상으로 함으로써, 판재의 중심 부분에 최대 직경이 20 ㎛를 초과하는 조대한 석출물을 존재시키기 쉽고, 강성을 충분히 향상시킬 수 있다. 냉각 속도는 응고재(용탕)의 조성에 따라 적절하게 선택할 수 있지만, 바람직하게는 200 K/초 이상 1000 K/초 이하이다. 냉각 속도의 조정은, 주조재의 목표 판 두께, 용탕이나 가동 주형의 온도, 가동 주형의 구동(회전) 속도, 주형과 용탕과의 접촉 길이 등을 조정하거나, 가동 주형의 재질 등을 적절하게선택하거나, 주형의 표면 상태나 냉각제, 이형제 등을 조정함으로써 행할 수 있다.

주조 속도는, 주조재의 크기나 조성, 냉각 속도 등을 고려하여 적절하게 선택할 수 있다. 주조 속도가 너무 느리면, 주조재의 중심 부분도 상기 표면측과 같은 정도의 냉각 속도로 냉각되어 버려, 20 ㎛를 초과하는 석출물을 존재시키기가 어려워지고, 너무 빠르면 중심 부분의 냉각이 늦어짐으로써 50 ㎛를 초과하는 매우 조대한 석출물이 존재할 우려가 있다.

전술한 바와 같이 냉각 속도나 주조 속도를 제어하여, 가동 주형으로부터 배출되었을 때에 용탕의 응고가 완료되어 있지 않도록 한다. 즉, 가동 주형으로부터 배출된 시점에, 용탕의 표면측은 응고되고 중심 부분은 응고되지 않은 상태로 하며, 중심 부분은 주형으로부터 배출 후, 서냉에 의해 응고하도록 냉각 속도, 주조 속도를 제어한다. 예컨대, 가동 주형을 한 쌍의 롤로 하는 경우, 롤 사이가 가장 근접하는 최소 갭을 용탕이 통과할 때, 즉 롤의 회전축을 포함하는 평면과 주탕구의 선단 사이(오프셋 구간) 안에 응고 완료점이 존재하지 않도록 용탕을 응고시켜, 중앙 영역에 큰 석출물을 생성한다. 예컨대, 주형으로부터 방출된 단계에서 응고재 전체가 고화되지 않도록 한다. 이 때, 예컨대 가동 주형을 한 쌍의 롤로 하는 경우, 두 롤의 사이를 통과하는 응고재는 내부가 응고하지 않은 것이며, 주조 하중이 비교적 작아진다.

《중앙 영역에 있어서 경질 입자가 석출물 이외의 것을 포함하는 경우》

석출물 이외의 것으로 이루어지는 경질 입자, 예컨대 세라믹스 입자로 이루어지는 경질 입자를 함유하는 본 발명의 판재는, 세라믹스 입자와 마그네슘 합금의 혼합 용탕을 이용하여 제조할 수 있다. 보다 구체적으로는, 원하는 세라믹스 입자와, 원하는 조성의 마그네슘 합금으로 이루어지는 용탕을 혼합한 혼합 용탕을 준비하고, 표면 영역을 구성하는 마그네슘 합금으로 이루어지는 모재 용탕 사이에 상기 혼합 용탕을 끼워서 동시에 주조한다. 이 때, 전술한 제조방법과 마찬가지로, 냉각 속도나 주조 속도를 제어한다. 얻어진 판재는, 중앙 영역이 마그네슘 합금과 세라믹스 입자의 복합 재료로 이루어진다. 이와 같이 원하는 경질 입자를 이용함으로써, 입자의 조성이나 크기를 간단히 변화시킬 수 있다.

《주조재의 두께》

주조재의 두께는 3 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하가 바람직하다. 두께가 이 범위이면, 안정적으로 긴 부재를 형성할 수 있고, 원하는 조직으로 제어하기 쉽다.

<열처리>

얻어진 주조재에, 조성의 균질화나, 소성 가공성을 향상시킬 목적으로 주조 조직을 재결정 조직으로 하기 위한 열처리나 시효 처리, 그 밖에, 후술하는 바와 같이 석출물 등의 입자 크기를 조정하기 위한 열처리를 실시하여도 좋다. 입자의 크기를 조정하는 열처리의 구체적인 조건은 후술한다. 온도나 시간은 합금 조성에 따라 적절하게 선택하면 좋다.

<1차 소성 가공>

상기 주조재(주조 후 열처리가 실시된 것을 포함)는, 압연이나 압출 등의 소성 가공성이 우수하고, 이러한 소성 가공을 실시함으로써, 표면 성상을 개선하거나, 인장 강도나 연신율과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 특히, 총 압하율 20% 이상의 압연을 실시하면, 주조 조직을 실질적으로 압연 조직(재결정 조직)으로 할 수 있다. 보다 바람직한 총 압하율은 30% 이상이다. 압연은 1패스 이상 행하고, 1패스당 압하율은 3%∼30%가 바람직하며, 또한 7%∼20%로 하면, 압연재의 가장자리부의 균열이 적거나, 혹은 균열이 잘 생기지 않으며, 평활성이 우수한 압연재가 얻어져 더 바람직하다. 또한, 압연시에 피가공재의 표면 온도를 150℃∼350℃, 롤의 온도를 150℃∼350℃로 해 두면, 균열 등이 잘 생기지 않아 가공성을 높일 수 있고, 가공시의 열에 의한 결정 조직의 조대화를 억제하여, 프레스 가공이나 단조 가공 등의 2차 가공성이 우수한 압연재를 얻을 수 있다. 얻어진 1차 가공재(대표적으로는 압연재)의 두 영역에 존재하는 경질 입자의 크기는, 주조재의 경우와 대략 동일한 크기이거나, 또는 소성 가공에 의해 분쇄되어 더 미세하다. 1차 가공재의 두께는, 예컨대 0.4 ㎜ 이상 4.8 ㎜ 이하일 수 있다. 원하는 두께가 되도록 주조재에 압연 등을 실시한다.

상기 압연 등의 1차 소성 가공은, 주조에 이어 연속적으로 행하면, 주조재가 갖는 여열을 이용할 수 있어 에너지 효율이 우수하다. 또한, 연속 주조에 이어서 1차 소성 가공을 행하지 않는 경우는, 1차 소성 가공 전에 피가공재에 250℃∼600℃이며 피가공재 구성 재료의 고상선(固相線) 온도 이하인 온도로 30분 이상 50시간 이하 정도의 비교적 장시간 열처리를 실시하면, 소성 가공성이 높아져 1차 소성 가공시에 피가공재가 갈라지거나 변형되는 것을 방지할 수 있다. 피가공재의 구성 재료의 조성에 따라서는, 이 열처리를 행하지 않아도 좋다.

1차 소성 가공을 복수 패스에 걸쳐 행하는 경우, 소정 패스마다 피가공재에 열처리를 실시하거나, 얻어진 1차 가공재에 열처리를 행하면, 1차 가공에 의해 도입된 잔류 응력이나 스트레인을 제거하여, 기계적 특성의 향상을 도모하거나, 2차 소성 가공성을 높일 수 있다. 열처리 조건은, 예컨대 가열 온도: 100℃∼600℃이고 피가공재의 구성 재료의 고상선 온도 이하, 가열 시간: 5분∼5시간 정도일 수 있다.

상기 압연이나 압연 후에 열처리가 실시된 압연재에 있어서 특히 표면 영역은, 평균 입경이 0.5 ㎛ 이상 30 ㎛ 이하라는 미세한 결정 조직을 갖고 있고, 2차 소성 가공성이 우수하다. 평균 입경은, 압연재의 단면에서, JIS G 0551에 규정된 절단법에 의해 표면 영역의 결정립 직경을 구하고, 그 평균값을 이용한다. 평균 입경은 압연 조건(총 압하율이나 온도 등), 열처리 조건(온도나 시간 등)을 조정함으로써 변화시킬 수 있다.

얻어진 1차 가공재에 피복층, 특히 부식 방지 피막을 형성한 후 후술하는 2차 소성 가공을 실시하여도 좋다.

<2차 소성 가공>

상기 1차 가공재(소성 가공 후에 열처리된 것도 포함)는, 프레스 가공이나 단조 가공과 같은 소성 가공성이 우수하고, 이러한 소성 가공을 실시하여 얻어진 성형체는, 경량이 요망되는 여러 분야에 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 이 성형체는 두께가 0.3 ㎜∼1.2 ㎜ 정도로 얇아도 강성이 높기 때문에, 휨 혹은 변형 등이 잘 일어나지 않고, 상품 가치가 높다. 또한, 성형체의 두께는, 성형체 전체에 걸쳐 균일하지 않아도 상관없다. 소성 가공에 의해 부분적으로 얇아지거나 두꺼워진 부분을 포함하고 있어도 좋다.

2차 소성 가공은, 1차 가공재를 실온 이상 500℃ 미만으로 가열하여, 소성 가공성을 높인 상태에서 행하는 것이 바람직하고, 가공 후에 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 열처리 조건은, 가열 온도: 200℃∼450℃, 가열 시간: 5분∼40시간 정도일 수 있다. 2차 소성 가공이 실시된 2차 가공재에 피복층을 형성하여, 피복층을 구비하는 성형체로 만들면, 부식 방지성이나 상품 가치를 높일 수 있다. 1차 가공재가 부식 방지 피막을 구비하는 경우, 2차 소성 가공시에서 부식 방지 피막이 윤활제로서 기능하여, 가공하기 쉬워진다. 또한, 도장막을 형성하는 경우는, 2차 소성 가공 후에 형성하면, 2차 소성 가공시에 도장막이 손상되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 또는, 1차 가공재에 2차 소성 가공을 실시한 후, 부식 방지 피막, 도장막을 순서대로 형성하여도 좋다.

본 발명의 마그네슘 합금 판재는 소성 가공성이 우수하고, 강성이 우수하다. 본 발명의 마그네슘 합금 성형체는 강성이 우수하고, 잘 변형되지 않는다.

도 1은 혼합 용탕과 표면 용탕을 이용하여 본 발명의 판재를 제조할 때에 이용하는 연속 주조 장치를 도시하는 모식적인 설명도이다.
도 2는 시료 No.5의 단면 현미경 사진이다.
도 3은 실시형태에 따라 제작한 시료의 고온역에서의 연신율을 도시하는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

여러 조성의 마그네슘 합금 및 적절한 세라믹스 입자를 이용하여 주조재를 제작하고, 얻어진 주조재에 적절하게 압연을 실시하여, 여러 특성을 조사하였다.

주조재는, 이하와 같이 제작하였다. 표 1에 나타내는 조성의 마그네슘 합금(잔부 Mg)의 용탕을 준비하고, 준비한 용탕을 표 1에 나타내는 조건으로 연속 주조하여 주조재(폭 200 ㎜)를 제작한다. 두께는 적절하게 상이하게 하고 있다.

시료 No.1∼6의 주조재는, 용탕을 제작하는 용해로와, 용해로로부터의 용탕을 일시적으로 저류하는 용탕 저장소(턴디시)와, 용해로와 턴디시 사이에 배치되는 이송 홈통과, 턴디시로부터의 용탕을 가동 주형에 공급하는 주탕구와, 공급된 용탕을 주조하는 가동 주형을 구비하는 연속 주조 장치를 이용하여 제작된다. 여기서는, 쌍롤 주조 장치를 이용한다. 용해로, 이송 홈통, 주탕구 등의 외주에는, 용탕의 온도를 유지할 수 있는 가열 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 주조는, 마그네슘 합금이 산소와 잘 결합되지 않도록 산소가 5 체적% 미만인 저산소 분위기, 예컨대 아르곤, 질소 및 이산화탄소로부터 선택되는 1종으로 이루어지는 분위기가 바람직하다. 혼합 분위기라도 좋다. 또한, SF₆이나 하이드로플루오로카본 등을 0.1 체적%∼1.0 체적% 정도 포함하여 방연성(防燃性)을 높여도 좋다. 후술하는 시료 No.7∼9에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 불소나 유황으로 마그네슘 합금 용탕의 표면에 불화 피막이나 황화 피막을 생성하는 경우는, 이 피막과 닿는 기체(분위기)의 산소 농도를 높일 수 있다. 구체적으로는, 21 체적%까지 높여도(잔부: 주로 질소), 즉 대기 분위기로서도 문제없이 시작(試作)을 행할 수 있었다.

시료 No.1∼6의 주조재에서는, 롤 사이로부터 연속적으로 나오는 응고재의 표면에 열전대(안리츠계기 주식회사 제조)의 접점을 항상 접촉할 수 있도록 배치하고, 열전대의 온도와 응고재의 이동 거리로부터 표면측의 냉각 속도를 구한다. 구체적으로는, 이하와 같이 한다. 출탕구 내면 및 응고재의 표면(여기서는, 용탕이 주형과 접촉하는 지점 S와, 응고재가 주형과의 접촉을 종료하는 지점 E)에 있어서, 출탕구로부터 연속적으로 나오는 응고재의 폭 방향의 중앙 부분에 각각 열전대(여기서는 0.05 ㎜의 용접품)를 배치한다. 응고재가 주형과 접촉하는 구간(상기 지점 S와 지점 E 사이, 예컨대 롤의 최소 갭으로부터 하류측으로 소정 거리 진행한 지점까지의 구간)을 이동하는 시간에 대한 응고재의 온도 변화를 측정하고, 이하의 식 (1)로 구해지는 값을 표면측의 냉각 속도로 한다.

식 (1) (출탕구 내면의 용탕 온도와 응고재가 주형과의 접촉을 종료하는 시점에서의 열전대의 측정 온도의 차)/(응고재가 주형과 접촉하는 구간을 이동하는 시간(sec))

상기 지점 S의 온도는, 주입(鑄入) 시작 온도를 나타내고, 지점 E의 온도는 열전대가 응고재와 동일한 속도로 이동함으로써, 구체적으로는 반응고 상태에 있는 응고재를 따라 열전대가 이동하는 것에 의해 측정할 수 있다(후술하는 시료 No.7∼9도 마찬가지임).

또한, 주조재의 횡단면 조직을 관찰하여, 덴드라이트(dendrite)의 간격을 측정하고, 이하의 식 (2)에 적용시킴으로써 냉각 속도를 시산(試算)했는데, 상기 열전대에 의한 실측값과 대략 정합성이 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 이 조직 관찰에 의한 방법으로 냉각 속도를 관리하여도 좋다.

식 (2) (냉각 속도)=[덴드라이트 간격(㎛)/35.5]^(-3.23)

여기서, 냉각 속도는, 롤의 온도, 롤의 표면 피복재, 롤의 재질, 롤 직경, 롤간의 최소 갭 및 용탕 온도로부터 선택되는 1종의 조건, 또는 여러 종류의 조건을 조합시켜 변화시킴으로써 상이하게 하고 있다. 또한, 주조 속도는, 주조 장치에 인가하는 전류값을 변화시킴으로써 상이하게 하고 있다. 또한, 비교적 느린 주조 속도로 주조하면, 롤간 간극에서 용탕이 응고되는 등의 문제가 생길 우려가 있기 때문에, 수직식 쌍롤 주조 장치를 사용하는 것이 바람직하다.

시료 No.7∼9의 주조재는, 표면 영역을 구성하는 용탕(이하, 표면 용탕이라 함)과, 중앙 영역을 구성하는 혼합 용탕을 이용하여 제작한다. 표면 용탕은 표 1에 나타내는 모재 조성의 것을 준비하고, 혼합 용탕은 표 1에 나타내는 모재 조성의 용탕에 첨가 입자로서 최대 직경 40 ㎛ 이하의 SiC 입자를 혼합한 것을 준비한다. 그리고, 도 1에 도시하는 바와 같이 두 용탕(20, 21)을 저류하는 용해 유지로(11)와, 로(11)의 중앙에 배치되는 칸막이벽(12)과, 로(11)의 아래쪽에 형성된 출탕구(13) 근방에 마련된 냉각 기구(14)를 구비하는 연속 주조 장치(10)를 이용하여, 시료 No.7∼9의 주조재를 제작한다. 로(11)의 외주에는, 도시하지 않는 가열 수단을 구비하여 용탕(20, 21)을 소정 온도로 유지할 수 있도록 하고 있다. 칸막이벽(12)은, 출탕구(13)까지 연장 형성되어, 두 용탕(20, 21)의 혼합을 방지하며, 출탕구(13)를 나와 응고된 양쪽 용탕이 도 1에 도시하는 바와 같이 적층 상태가 되도록 마련되어 있다. 칸막이벽(12) 안에 혼합 용탕(20)을 공급하고, 칸막이벽(12)의 외주면과 로(11)의 내주면으로 둘러싸이는 공간에 표면 용탕(21)을 공급한다. 냉각 기구(14)는, 내부에 순환 냉매(예컨대 물)가 충전되어 있고, 출탕구(13) 근방의 용탕을 연속적으로 효율적으로 냉각할 수 있는 구성이다. 이 주조 장치(10)는, 수직식 주조 장치로 되어 있다.

시료 No.7∼9의 주조재도, 시료 No.1∼6과 마찬가지로 열전대를 배치하여, 표면측의 냉각 속도를 구한다. 구체적으로는, 출탕구 내면 및 응고재 표면(여기서는, 용탕이 주형과 접촉하는 지점 S와, 응고재의 표면이 고상선 온도가 되는 지점 E)에 있어서, 출탕구로부터 연속적으로 나오는 응고재의 폭 방향의 중앙 부분에 각각 열전대(여기서는, 0.05 ㎜의 용접품)를 배치하고, 응고재 표면이 모상의 고상선 온도가 될 때까지의 구간 길이를 측정하며, 이하의 식 (3)으로 구하는 값을 표면측 냉각 속도로 한다.

식 (3) (출탕구 내면의 용탕 온도와 주조재의 모상의 고상선 온도의 차)/(주조재 표면이 모상의 고상선 온도가 될 때까지의 구간 길이를 이동하는 시간(sec))

얻어진 시료 No.1∼8의 주조재에, 표 2, 3에 나타내는 가공도[여기서는 총 압하율(%)]의 소성 가공(여기서는 압연)을 실시하고, 1차 가공재(여기서는 압연재)를 얻는다. 압연은 주조재를 300℃로 가열하고, 롤러를 200℃로 가열하며, 복수 패스 행한다(1패스당 압하율: 5%∼30%). 시료 No.9의 주조재는, 상기 소성 가공을 실시하지 않으며, 주조재의 두께 그대로이다. 얻어진 시료 No.1∼8의 압연재 및 시료 No.9의 주조재 두께(최종 두께: ㎜), 표면 영역 및 중앙 영역에 존재하는 경질 입자의 조성 및 최대 직경(㎛), 중앙 영역에 존재하는 최대 직경 20 ㎛ 초과의 경질 입자의 체적 비율(체적%), 실온에서의 인장 강도(MPa), 실온에서의 연신율(%), 강성, 및 성형성을 조사하였다. 그 결과를 표 2, 3에 나타낸다.

경질 입자의 존재는, 예컨대 시료의 임의의 단면을 취하고, 이 단면을 X선 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 단면은 경질 입자가 나타나도록 취한다. 구체적으로는, 두께 방향에 평행한 면이 나타나도록 판재를 절단한다. 확인된 경질 입자의 조성은, 단면을 경면(鏡面) 연마한 후, 예컨대 EDX 등으로 대표되는 정성 분석과 반정량 분석을 이용하여 구할 수 있다. 표 2, 3에서 「Al-Mg계」, 「Mg-Zn계」의 입자는 석출물로 고려되고, 「Si-C계」의 입자는, 첨가한 SiC 입자라고 고려된다. 상기 조성으로 이루어지는 각 입자는, 모재인 마그네슘 합금보다 탄성률이 충분히 높고, 50 GPa 이상인 것으로 고려된다.

경질 입자의 최대 직경(㎛)은, 판재의 단면을 소정 배율(여기서는 400배)의 광학 현미경으로 관찰함으로써 확인할 수 있다. 광학 현미경으로의 관찰이 곤란한 경우, X선 현미경을 이용할 수 있다. 단면의 소정 측정 영역(여기서는, 두께×폭 3 ㎜의 영역)에서, 하나의 경질 입자를 통과하는 판재의 두께 방향의 선분을 그 경질 입자의 직경으로 하고, 가장 긴 선분을 그 경질 입자의 최대 직경으로 한다. 측정 영역에 있어서, 판재의 표면으로부터 두께의 45%까지의 표면 영역과, 2개의 표면 영역 사이에 끼워져 판재의 중앙에 위치하는 두께의 10%의 중앙 영역 각각에 대해서, 존재하는 모든 경질 입자의 최대 직경을 측정하고, 가장 큰 최대 직경을 조사한다. 도 2에, 시료 No.5의 단면 현미경 사진을 도시한다. 도 2에 도시하는 사진은 판재의 중앙 영역을 포함하는 중심 부분을 도시하고(두께 0.15 ㎜의 부분만), 검은 입자나 흰 빛을 띤 입자가 경질 입자이다.

최대 직경 20 ㎛ 초과의 경질 입자의 체적 비율(함유량)은, 시료의 임의의 단면(적층 구조가 보이는 면)을 취하고, 이 단면에 대해서 X선 현미경으로 1 ㎟ 이상의 단면적 S(㎟)를 관찰하며, 단면적 S(㎟)중에 존재하는 입자의 총면적 S₁(㎟) 및 입자의 개수(n)를 산출한다. 얻어진 입자의 총면적 S₁(㎟)을 개수(n)로 나눠, 입자의 평균 단면적 S₀(㎟)을 구하고, 이 평균 단면적 S₀(㎟)을 이하의 식에 도입하여, 체적 비율을 구한다.

식 (체적 비율)=(4×n×S₀ ^1.5)/(3×S×π)

강성은, 시료 No.1(압연재)을 기준(1.00)으로 하여, 판형의 각 시료를 박편 형상으로 가공하며, 굽힘 시험법으로 강성률을 측정하고, 시료 No.1에 대한 상대값을 구하여 평가한다. 이 굽힘 시험은 JIS Z 2248에 준하여 실시하고, 일정 거리(250 ㎜)만큼 이격하여 마련된 2개의 원통형 지지체에 시트형 시험편을 배치하며, 선단부가 반원기둥형(반경 10 ㎜)으로 형성된 압박 금구를 상기 시험편 중앙부에 대고, 이 압박 금구를 서서히 압입하여 상기 시험편을 소정의 굽힘 각도(5˚)에 이르기까지 구부림으로써, 상기 시험편의 굽힘 반력을 측정하였다. 또한, 시험편이 소정 형상보다 작은 경우, 굽힘 시험은, 예컨대 원통형 지지체와 시험편이 접하는 지점의 거리(이하, 접촉 거리라 함)를 바꿔 시료 No.1과 비교 측정을 행함으로써 평가할 수 있는 것으로 확인되었다. 구체적으로는, 접촉 거리가 25 ㎜인 경우에 전술한 조건과 동등한 측정 결과가 얻어지는 것으로 확인되었다. 성형성(소성 가공성)은, 시료 No.1(압연재)을 기준(△)으로 하여, 시료 No.1∼8은 200℃ 이상 300℃ 미만의 온도로 R=5, Dia=40, 드로잉 깊이 30 ㎜의 컵 드로잉 시험을 실시하며, n=5 중, 가장 건전한 성형품에 대해서, 표면의 크랙, 주름, 형상 정밀도 등의 일반적으로 성형체에 대하여 실시되는 평가를 행하고, 시료 No.1보다 크랙의 깊이가 얕으며, 주름이 적고, 형상 정밀도가 양호한 경우를 ○으로 평가한다. 시료 No.1∼8과 두께가 상이한 시료 No.9는, 판 두께에 비례하여 코너(R)가 큰 금형을 이용하고, 압하 속도도 바꿔 200℃ 이상 300℃ 이하의 온도로 컵 드로잉 시험을 실시하며, n=5 중, 가장 건전한 성형체에 대해서, 동일한 조건으로 컵 드로잉 시험을 행한 시료 No.1과 비교하여, 표면 크랙의 깊이가 얕고, 주름이 적으며, 형상 정밀도가 양호한 경우를 ○으로 평가한다. 또한, 성형성의 시험은, 상기 굽힘 시험에 준한 시트형 시험편과 2개의 원통형 지지체를 이용한 방법을 채용할 수 있다. 구체적으로는, 시험편 전체를 150℃∼350℃로 가열한 후, 이 시험편을 상기 지지체로 지지하여, 시험편 중앙부에 시험편 두께의 4배의 압하 부재에 의해 굽힘각 90˚의 가공을 행한 후, 시험편을 상기 지지체로부터 분리하고, 시험편에 있어서 굽힘 축에 수직한 방향의 단면에 대해서 만곡 부분의 외측의 찢어짐, 흠집, 그 외의 결점의 유무를 루페(loupe), 현미경이나 광학 현미경과 같은 기기로 관찰한다. 이 관찰 결과가 상기 드로잉 시험의 결과와 같은 경향이 있는 것으로 확인되었다.

표 2, 표 3에 나타내는 바와 같이, 표면 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경이 20 ㎛ 이하이고, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경이 20 ㎛ 초과 50 ㎛ 미만이면, 주조재이어도 압연재이어도 성형성이 우수하며, 강성이 높은 것을 알 수 있다. 특히, 탄성률이 보다 높은 경질 입자가 존재함으로써, 강성이 높고, 인장 강도와 같은 기계적 특성이 우수한 것도 알 수 있다. 또한, 최대 직경이 20 ㎛ 초과인 경질 입자가 중앙 영역에만 존재하고, 표면 영역에는 20 ㎛ 이하의 미세한 경질 입자가 존재하고 있는 시료는, 상기 조대한 입자가 균열 등의 기점이 되기 어려우며, 성형성이 우수한 것으로 고려된다.

또한, 시료 No.1, 2, 4, 5에 대해서, 고온에서의 연신율(200℃, 250℃)을 조사하였다. 그 결과를 도 3에 도시한다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 표면 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경이 20 ㎛ 이하이고, 중앙 영역에 존재하는 경질 입자의 최대 직경이 20 ㎛ 초과 50 ㎛ 미만인 시료 No.2, 4, 5는 고온에서의 기계적 특성도 우수한 것을 알 수 있다.

상기 압연재(시료 No.2, 4∼8)는 성형성이 우수하기 때문에, 예컨대 프레스 가공용 소재로서 적합하게 이용할 수 있는 것으로 기대된다. 특히, 고온에서의 기계적 특성이 우수한 시료는, 예컨대 프레스 성형이나 딥 드로잉 가공에 있어서, 코너 부분에서의 파단을 저감할 수 있는 것으로 고려된다. 또한, 얻어진 프레스 가공재(성형체)는, 부식 방지 피막이나 도장막을 구비함으로써, 부식 방지성이나 상품 가치를 높일 수 있다.

또한, 얻어진 시료 No.1∼9의 주조재에, 250℃∼600℃이며 그 고상선 온도 이하인 온도 범위에서, 30분∼50시간의 열처리를 실시하였다. 상기 온도 범위 및 시간 범위에서 복수의 조건으로 각 시료에 열처리를 실시했지만, 상기 온도 범위 및 시간 범위에서는, 변화 정도가 작지만, 주조재의 내부에 존재하는 입자(석출물)의 크기가 작아지는 것으로 확인되었다. 이것을 통해, 주조재에 존재하는 입자의 크기(직경)와, 최종 제품에 존재시키는 입자의 크기(직경)로부터, 원하는 열처리 조건을 적절하게 선택할 수 있다. 예컨대, 최종 제품에 존재하는 입자를 작게 하기 위해서는, 열처리를 가능한 한 많이 실시하면 된다. 단, 기둥형 결정 조직은 열처리에 의해 입상으로 재결정되어, 조대화가 진행된다. 예컨대, 알루미늄을 9 질량%, 아연을 1 질량%, 잔부가 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금에서는, 결정이 300 ㎛ 이상으로 조대화되면 소성 가공성이 악화된다. 또한, 과도하게 장시간 열처리하는 것은 에너지 이용 면에서 바람직하지 않다. 따라서, 주조재에 열처리를 실시하는 경우, 바람직한 온도 범위는 250℃∼600℃이며 고상선 온도 이하인 온도이고, 안전하고 효율적으로 단시간에 열처리를 행하기 위해서는 300℃∼400℃가 더 바람직하다. 또한, 바람직한 시간 범위는 30분∼50시간이고, 전술한 바와 같이 안전과 효율을 고려하면 3∼30시간이 더 바람직하며, 10∼15시간이 특히 바람직하다. 이 열처리의 종료시에는, 급속히 냉각하면, 주조재 표면의 산화를 방지하여 표면 성상이 우수한 제품을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 결정 계면에 취약한 입자가 생성되는 것을 억제하고, 소성 가공성을 향상시킬 수 있어 바람직하다. 이 냉각 속도는 10℃/분 이상이 바람직하고, 전술한 바와 같이 안전과 효율을 고려하면, 50℃/분 이상이 보다 바람직하며, 500℃/분 이상이 특히 바람직하다.

또한, 전술한 실시형태는, 본 발명의 요지를 일탈하지 않으면서, 적절하게 변경할 수 있으며, 전술한 구성에 한정되는 것이 아니다. 예컨대, 마그네슘 합금의 조성이나 첨가하는 경질 입자의 조성 등을 적절하게 변경할 수 있다.

본 발명의 마그네슘 합금 판재는, 프레스 가공이나 단조 가공과 같은 소성 가공성이 우수하기 때문에, 이러한 성형 가공용 소재로서 적합하게 이용할 수 있다. 본 발명의 마그네슘 합금 성형체는, 휴대 전기 기기의 케이스나 자동차 부품 등의 경량화가 요구되는 분야의 구조재로서 적합하게 이용할 수 있다.

10: 연속 주조 장치
11: 용해 유지로
12: 칸막이벽
13: 출탕구
14: 냉각기구
20: 혼합 용탕
21: 표면 용탕

Claims (10)

1. 마그네슘 합금으로 이루어지는 판재로서,
   마그네슘 합금으로 이루어지는 모재중에 경질(硬質) 입자를 함유하고 있고,
   상기 판재의 두께 방향에서, 판재의 각 표면으로부터 판재 두께의 40%까지의 영역을 표면 영역으로 하며, 잔부의 영역을 중앙 영역으로 할 때,
   상기 중앙 영역에 존재하는 경질 입자는, 그 최대 직경이 20 ㎛ 초과 50 ㎛ 미만이고,
   상기 표면 영역에 존재하는 경질 입자는, 그 최대 직경이 20 ㎛ 이하이며,
   상기 중앙 영역에 존재하는 경질 입자가 판재의 총체적에서 차지하는 체적 비율이 0.5% 이상 15% 미만인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
2. 제1항에 있어서, 상기 표면 영역에 존재하는 경질 입자는, 그 최대 직경이 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 판재는, 총 압하율 20% 이상의 압연 가공이 실시되어 있는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
4. 제1항에 있어서, 상기 표면 영역을 구성하는 모재는, 알루미늄을 2.5 질량% 이상 6.5 질량% 미만 함유하고 실리콘 및 칼슘을 합계로 0.5 질량% 이하 함유하는 마그네슘 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
5. 제1항에 있어서, 상기 표면 영역을 구성하는 모재는, 알루미늄을 6.5 질량% 이상 20 질량% 이하 함유하고 실리콘 및 칼슘을 합계로 0.5 질량% 이하 함유하는 마그네슘 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 상기 중앙 영역에 존재하는 경질 입자는 석출물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
8. 제1항에 있어서, 상기 판재 표면에 부식 방지 피막 또는 도장막을 포함하는 피복층을 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
9. 제1항에 기재된 마그네슘 합금 판재에 소성 가공을 실시하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 성형체.
10. 제9항에 있어서, 그 표면에 부식 방지 피막 또는 도장막을 포함하는 피복층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 성형체.

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