KR20030074385A - 마그네슘합금의 성형방법 - Google Patents

마그네슘합금의 성형방법 Download PDF

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KR20030074385A
KR20030074385A KR10-2003-0015392A KR20030015392A KR20030074385A KR 20030074385 A KR20030074385 A KR 20030074385A KR 20030015392 A KR20030015392 A KR 20030015392A KR 20030074385 A KR20030074385 A KR 20030074385A
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magnesium alloy
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KR10-2003-0015392A
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켄지 히가시
히라이킨지
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다카다 가부시키가이샤
켄지 히가시
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22F1/06Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

주조가 가능하며, 또한 단조성에 우수한 마그네슘합금조성에 있어서, 주조와 단조를 조합시켜서 마그네슘합금을 성형함으로써, 복잡하고 정밀한 형상을 가지며, 또한 물성의 신뢰성이 높고, 내식성을 충분히 만족하는 제품을 수율좋게 제조한다.
알루미늄함유량 2~10질량%인 마그네슘합금을, 결정입자지름 30㎛이하로 주조하고, 단조품을 용체화처리한 후, 단조하여 결정입자지름 10㎛이하로 하고, 그 후, 또한 원하는 형상으로 단조한다. 알루미늄함유량 2~10질량%인 마그네슘합금을, 결정입자지름 10㎛이하로 주조하고, 주조품을 용체화처리한 후에 단조한다.

Description

마그네슘합금의 성형방법{METHOD OF FORMING MAGNESIUM ALLOY}
본 발명은, 마그네슘합금을 주조하고, 이 주조품을 단조함으로써 원하는 형상으로 하는 마그네슘합금의 성형방법에 관한 것이다.
마그네슘(Mg)은 비중 1.8이며, 경량금속의 대표로 되는 알루미늄(Al)의 비중 2.7에 비해서 더욱 작기 때문에, 마그네슘합금은 매우 경량이다. 또한, 마그네슘합금은 알루미늄합금에 비해서 비강성이 높고, 열전도성에도 우수하기 때문에, 전기ㆍ전자기기의 하우징, 부품의 구성재료로서 널리 적용되고 있다.
또한, 마그네슘합금은, 난가공성(難加工性) 때문에, 원하는 형상으로 성형하는 것이 용이하지 않다라는 결점이 있다. 즉, 마그네슘합금은 응고잠열이 작고, 응고속도가 빠르기 때문에, 주조가 곤란하며, 얻어지는 주조품에는 구멍이나 용융주름과 같은 결함이 생기기 쉽다라는 결점을 가지고 있다. 이 때문에, 특히 외관이 중시되는 제품에 있어서는, 수율이 낮고, 또한, 결함을 퍼티처리해야만 하기 때문에, 비용이 높게 된다라는 문제가 있다. 또한, 마그네슘합금은, 최밀 입방결정형이기 때문에, 연성이 낮고, 판재나 봉재를 프레스나 단조로 가공할 때에는 300~500℃라는 높은 온도로 행해야만 하고, 가공속도가 느리며, 공정수가 많게 되고, 금형수명이 짧은 등의 문제가 있다.
이와 같은 마그네슘합금의 난가공성의 문제를 해결하기 위하여, 일본 특개평7-224344호 공보에는, 알루미늄함유량 6.2~7.6wt%의 조성을 가지는 AZ계 마그네슘합금을 연속주조하여 빌릿을 얻는 공정에서, 미세화제의 첨가 및/또는 냉각속도의 제어에 의해 빌릿의 평균결정입자지름을 200㎛이하로 하고, 이것을 단조하여 대형의 부품을 제조하는 방법이 제안되어 있다. 이 공보에는, 최종제품형상으로 가공한 후, 용체화처리와 T6열처리를 조합시킴으로써, 평균결정입자지름을 50㎛이하로 하여 내식성을 높이는 것도 기재되어 있다.
한편, 일본 특개2001-294966호 공보에는, 다이캐스팅 또는 틱소몰딩성형기에 의해, 마그네슘합금을 판형상으로 성형하고, 그 판재를 상온에서 압연하여 변형을 준 후, 350~400℃로 가열하여 결정을 재결정화하고, 결정입자지름을 0.1~30㎛으로 미세화함으로써, 연성을 향상시키고, 연성을 향상한 판재를 프레스가공 또는 단조로 성형하는 방법이 제안되어 있다. 또한, 일본 특개2001-170734호 공보 및 동 170736호 공보에는, 마그네슘합금의 판재를 단조성형하고, 거친단조와 마무리단조의 복수의 공정에 의해, 성형품 주요부의 두께의 7배 또는 10배 이하의 높이의 보스를 성형하는 방법이 나타내져 있다.
또한, 마그네슘합금에 의해 복잡하고 정밀한 형상의 부품을 성형하기에는, 일본 특개평7-224344호 공보에 기재된 빌릿으로부터 단조하는 방법에서는, 형상, 두께의 점에서 한계가 있고, 한편, 일본 특개2001-294966호 공보, 동 170734호 공보 및 동 170736호 공보에 기재된 마그네슘합금의 판재로부터 성형하는 방법에서는, 두께가 얇은 부품의 제조는 가능하지만, 이 판재의 프레스가공이나 단조에 의해서 복잡하고 정밀한 형상의 성형품을 얻는 것은 곤란하다.
최근, 마그네슘합금에 관해서도, 알루미늄합금과 마찬가지로 초소성발현의 메카니즘의 해명이 진행되고, 결정입자지름을 미세화함으로써, 높은 변형속도로 가공할 수 있는 가능성이 나타내져 있다(예컨대, 「마그네슘 기술편람」 제119~225페이지).
일반적으로, 합금을 복잡 또한 정밀한 형상으로 성형하기에는, 다이캐스팅과 같은 사출속도, 즉 충전속도가 빠른 주조법을 적용하는 것이 바람직하다. 또한, 앞에 기술한 바와 같이, 마그네슘합금은 응고되기 쉽기 때문에, 다이캐스팅과 같은 주조법에서는 용융주름이 생기기 쉽고, 또한, 형상에 따라서는 금형의 구석구석까지 충전하는 것이 어렵기 때문에, 성형품의 크기, 두께에 제약이 있다. 또한, 사출속도를 빠르게 하면, 용탕에 공기나 가스를 말려들어가기 쉽게 되고, 구멍이 생겨서, 물성의 신뢰성에 문제가 생긴다.
한편, 판재를 프레스가공하는 경우에는, 판재의 폭까지의 크기의 제품을 성형할 수 있지만, 마그네슘합금은 연성이 낮고 난가공성이기 때문에, 복잡한 형상, 예컨대, 보스를 주조와 동일하도록 형성하는 것은 곤란하다.
합금조성의 면에서 바라보면, 마그네슘합금의 주조성과 전신성(展伸性)은 이복의 관계로 있고, 주조재로서는, 알루미늄함유량이 많고, 용융온도가 낮기 때문에 주조하기 쉬운 AZ91,AM50,AM60재 등이 선택사용되고, 또한, 프레스ㆍ단조재로서는, 알루미늄함유량이 적고, 연성이 높은 AZ31재가 사용되고 있다. 내식성의 면에서는, 알루미늄함유량이 많은 쪽이 내식성에 우수하다. 따라서, AZ91재에 비하면 AZ31재의 쪽이 내식성은 열악하다. 또한, 이것이 AZ91재의 용도를 좁히는 이유의 하나로 되어 있다.
본 발명은, 상기 종래의 실상을 감안하여 이루어진 것으로서, 주조가 가능하며, 또한 단조성에 우수한 마그네슘합금조성에 있어서, 주조와 단조를 조합시켜서 마그네슘합금을 성형함으로서, 복잡하고 정밀한 형상을 가지며, 또한 물성의 신뢰성이 높고, 내식성을 충분히 만족하는 제품을 수율좋게 제조할 수 있는 마그네슘합금의 성형방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은, 실시예1에 있어서의 틱소몰딩 주조품(용체화처리후)의 결정입자지름을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 실시예1에 있어서의 용체화처리품의 300℃, ε'=1.0×10-2s-1에 있어서의 인장시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은, 실시예2에 있어서의 다이캐스트 주조품(용체화처리후)의 결정입자지름을 나타내는 그래프이다.
청구항1의 마그네슘합금의 성형방법은, 알루미늄함유량이 2~10질량%인 마그네슘합금을 주조하여 결정입자지름이 30㎛이하인 주조품을 얻고, 이 주조품을 그조성에서의 고용온도(固溶溫度)와 고상선 범위의 온도에서 용체화처리한 후, 단조하여 결정입자지름 10㎛이하인 단조품으로 하고, 이 단조품을 원하는 형상으로 더욱 단조하는 것을 특징으로 한다.
주조에 의해 30㎛이하로 한 주조품을 용체화처리하면, 결정입자는 조대화하지만, 주조시에 형성된 조대(粗大)에서, 취약한 입계의 제2상입자를 삭감하는 것으로 신장이 크게 되고, 소성가공성이 향상한다. 이와 같이 하여 용체화처리에 의해 소성가공성을 높인 주조품을 단조에 의한 동적 재결정으로 결정입자지름 10㎛이하로 미세화함으로써, 단조성형성을 더욱 높일 수 있다. 따라서, 청구항1의 방법에서는, 주조에 의해 결정입자지름을 30㎛이하로 한 주조품을 용체화처리하고, 그 후 단조에 의해 결정입자지름을 10㎛이하로 하고, 또한 단조를 행하여 원하는 형상으로 한다.
이 방법에 있어서, 마그네슘합금의 바람직한 알루미늄함유량은 2.5~6질량%이고, 주조는, 다이캐스팅법 또는 틱소몰딩법에 의해 행하는 것이 바람직하다. 또한, 용체화처리는 380~440℃에서 1~24시간 행하는 것이 바람직하고, 용체화처리후의 결정입자 미세화를 위한 단조 및 그 후의 성형을 위한 단조는, Z값이 109~1013의 변형속도 및 온도의 조건에서 행하는 것이 바람직하다.
청구항7의 마그네슘합금의 성형방법은, 알루미늄함유량이 2~10질량%인 마그네슘합금을 주조하여 결정입자지름이 10㎛이하인 주조품을 얻고, 이 주조품을 그 조성에서의 고용온도와 고상선 범위의 온도에서 용체화처리한 후, 원하는 형상으로단조하는 것을 특징으로 한다.
주조에 의해 결정입자지름 10㎛이하로 한 주조품을 용체화처리하면, 결정입자는 조대화하지만, 주조시에 형성된 조대에서, 취약한 입계의 제2상입자를 삭감하는 것으로 신장이 크게 되고, 소성가공성이 향상한다. 이와 같이 하여 용체화처리에 의해 소성가공성을 높인 주조품을 단조함으로서, 원하는 형상으로 성형할 수 있다. 따라서, 청구항7의 방벙에서는, 주조에 의해 결정입자지름을 10㎛이하로 한 주조품을 용체화처리하고, 그 후 단조에 의해 원하는 형상으로 한다.
이 방법에 있어서, 마그네슘합금의 바람직한 알루미늄함유량은 2~6질량%이고, 주조는, 다이캐스팅법에 의해 행하는 것이 바람직하다. 또한, 용체화처리는 380~440℃에서 1~24시간 행하는 것이 바람직하고, 그 후의 성형을 위한 단조는, Z값이 1013미만의 변형속도 및 온도의 조건에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, Z값은, 온도와 변형속도의 관계를 표시하는 온도보상 변형속도에서, 유동응력에 미치는 온도와 변형속도의 효과를 표시하는 관계식으로서 일반적으로 이용되는 Zener-Hollomon 파라미터이고, 하기 식(I)에서 정의된다.
Z = ε' exp(Q/RT) ... (I)
여기서
ε' : 변형속도(sec-1)
Q : 격자확산활성화 에너지
R : 가스정수
T : 절대온도
이고, Q의 값으로서는, 마그네슘합금의 값이 구해지지 않기 때문에 일반적으로 순마그네슘의 135kjoule/mol의 값이 이용된다.
이하에 본 발명의 마그네슘합금의 성형방법의 실시형태를 상세하게 설명한다.
우선, 청구항1의 마그네슘합금의 성형방법의 실시형태를 설명한다.
청구항1의 방법에서는, 우선, 알루미늄함유량 2~10질량%인 마그네슘합금을 주조하여 결정입자지름이 30㎛이하인 주조품을 얻는다.
이 마그네슘합금의 알루미늄이 2질량%미만에서는 내식성에 열악한 것으로 되고, 또한, 용융온도가 높게 되어서, 주조에 부적당하다. 마그네슘합금의 알루미늄함유량이 10질량%를 넘으면 다음 공정의 용체화처리에 의해 소성가공성을 충분히 높일 수 없고, 단조성에 우수한 용체화처리품을 얻을 수 없다. 따라서, 마그네슘합금의 알루미늄함유량은, 2~10질량%, 바람직하게는 2.5~6질량%이다.
이와 같은 마그네슘합금의 주조법에는 특별히 제한은 없지만, 결정입자지름 30㎛이하인 주조품을 얻기 위하여, 냉각ㆍ응고속도가 비교적 빠르고, 결정입자를 미세화할 수 있는 다이캐스팅법 또는 틱소몰딩법을 채용하는 것이 바람직하다.
즉, 중력주조에서는, 일반적으로 두께에서, 용융한 마그네슘합금의 응고가 느리기 때문에 냉각ㆍ응고 사이에 결정이 성장하여 결정입자지름이 200㎛으로 조대하게 되지만, 다이캐스팅법이나 틱소몰딩법과 같이, 금형에 용융 또는 반용융상태의 용탕을 사출하는 주조법에서는, 냉각ㆍ응고속도가 빠르기 때문에 결정입자가 미세화되어, 결정입자지름 30㎛이하로 주조할 수 있다.
주조품의 결정입자지름은 작은 쪽이 바람직하지만, 30㎛이하이면 좋고, 채용하는 주조법 및 합금조성에 따라서, 일반적으로는 결정입자지름 15~30㎛으로 주조가 행해진다.
주조에 의해 얻어진 결정입자지름 30㎛이하인 주조품은, 다음으로 용체화처리를 행한다.
용체화처리온도는, 그 조성에서의 고용온도와 고상선 범위의 온도이면 좋고, 최적온도는 380~430℃이다. 용체화처리온도가 고용온도미만 혹은 380℃미만에서는, 알루미늄과 마그네슘의 거대한 화합물이 석출되므로, 소성가공성을 저해하고, 그 조성의 고상선을 넘는 온도 혹은 430℃을 넘는 온도에서는, 액상이 생겨서 소성가공성을 저해한다. 용체화처리시간은 1~24시간이 적당하고, 온도가 낮은 경우에는 길고, 온도가 높은 경우에는 짧게 하는 것이 바람직하다. 용체화처리에 의해, 모상의 α상의 결정입계로 석출한 β상이 모상에 용해되고, 모상의 결정입자가 조대화되지만, 소성가공에 있어서의 입계 미끄러짐을 저해하는 β상이 적게 됨으로써, 가공성이 향상하는 효과가 얻어진다.
용체화처리후는, 단조를 행하여, 결정입자지름 10㎛이하인 단조품을 얻고(이하, 이 결정입자 미세화를 위한 단조를 「결정입자 미세화 단조」라 칭하는 경우가 있다.), 이 단조품을 더욱 원하는 형상으로 단조하여 제품을 얻는다(이하, 이 원하는 형상으로 성형하기 위한 단조를 「성형단조」라 칭하는 경우가 있다.).
결정입자 미세화 단조는, 동적 재결정화에 의해 단조품의 결정입자를 미세화시키기 위한 것이고, 이 결정입자 미세화 단조도 성형단조도, 마그네슘합금의 조성에 따라서, 단조가공이 가능한 조건범위에서 행할 필요가 있다.
결정입자 미세화 단조의 조건은, 마그네슘합금 조성에 따라서 다르지만, Z값이 109~1013의 범위, 바람직하게는 1010~1013의 범위로 되는 변형속도 및 온도조건에서 행하는 것이 바람직하다.
또한, 성형단조의 조건도, 마그네슘합금 조성에 따라서 다르지만, Z값이 1013이하, 바람직하게는 108~1013, 보다 바람직하게는 109~1012의 범위로 되는 변형속도 및 온도조건에서 행하는 것이 바람직하다.
결정입자 미세화 단조 및 성형단조 중 어느 것에 있어서도, 단주조건이 상기 바람직한 Z값의 범위 외에서는, 균열, 깨짐 등의 결함이 생기고, 단조불가능으로 되는 경우가 있다.
통상의 경우, 결정입자 미세화 단조는 변형속도 10-3~10-1sec-1, 온도 200~500℃의 범위에서 상기 Z값의 바람직한 범위로 되도록, 합금조성에 따라서 조건설정이 이루어지고, 성형단조는, 변형속도 10-3~10-2sec-1, 온도 200~400℃의 범위에서 상기 Z값의 바람직한 범위로 되도록, 합금조성에 따라서 조건설정이 이루어진다.
결정입자 미세화 단조에 의해 결정입자지름을 10㎛이하로 함으로써, 단조에 의해 소성가공성이 개선되고, 성형단조가 가능하게 된다. 이 결정입자지름은 10㎛이하이면 좋고, 일반적으로는 결정입자지름 1~10㎛정도로 결정입자 미세화 단조가행해진다.
다음으로, 청구항7의 마그네슘합금의 성형방법의 실시형태를 설명한다.
이 마그네슘합금의 알루미늄이 2질량%미만에서는 내식성에 열악한 것으로 된다. 마그네슘합금의 알루미늄함유량이 10질량%를 넘으면 다음 공정의 용체화처리에의해 소성가공성을 충분히 높일 수 없고, 단조성에 우수한 용체화처리품을 얻을 수 없다. 따라서, 마그네슘합금의 알루미늄함유량은, 2~10질량%, 바람직하게는 2~6질량%이다.
또한, 이용하는 마그네슘합금의 알루미늄 이외의 성분함유량에 관해서는, 상기 청구항1의 방법에 있어서의 상기와 마찬가지이다.
이와 같은 마그네슘함급의 주조법은, 결정입자지름 10㎛이하인 주조품을 얻기 위하여, 냉각ㆍ응고속도가 매우 빠르고, 결정입자를 현저하게 미세화할 수 있는 다이캐스팅법을 채용하는 것이 바람직하다.
주조품의 결정입자지름은 작은 쪽이 바람직하지만, 10㎛이하이면 좋고, 채용하는 합금조성에 따라서, 일반적으로는 결정입자지름 5~10㎛으로 주조가 행해진다.
주조에 의해 얻어진 결정입자지름 10㎛이하인 주조품은, 다음으로 그 조성에서의 고용온도와 고상선 범위의 온도에서 용체화처리를 행하여 가공성을 높인다. 이 용체화처리조건은, 상기 청구항1의 방법에 있어서의 용체화처리와 마찬가지의 이유때문에, 380~430℃에서 1~24시간으로 하는 것이 바람직하고, 용체화처리후는, 원하는 형상으로 단조하여 제품을 얻는다.
이 단조도, 청구항1의 방법의 단조와 마찬가지로, 마그네슘합금의 조성에 따라서, 단조가공이 가능한 조건범위에서 행할 필요가 있다.
단조의 조건은, 마그네슘합금조성에 따라서 다르지만, Z값이 1013미만의 범위, 바람직하게는 106~1012의 범위로 되는 변형속도 및 온도조건에서 행하는 것이 바람직하고, Z값이 1013이상에서는, 균열, 깨짐 등의 결함이 생기고, 단조불가능하게 되는 경우가 있다.
통상의 경우, 이 단조는 변형속도 10-3~10-1sec-1, 온도 200~500℃의 범위에서 상기 Z값의 바람직한 범위로 되도록, 합금조성에 따라서 조건설정이 이루어진다.
이하에 실시예를 들어서 본 발명에 의해 구체적으로 설명한다.
또한, 이하의 실시예에 있어서, 이용한 Mg합금 잉곳은, 시판의 AZ91합금 잉곳에 마그네슘과 아연을 첨가하여 성분조정을 행함으로써 제작하고, 이로써, AZ81에서 AZ21까지의 조성의 Mg함금 잉곳을 제작하였다. 이용한 AZ91합금 잉곳과 제작한 잉곳의 성분분석결과를 표1에 나타낸다.
잉곳의 성분분석결과(질량%)
잉곳 Al Zn Mn Si Cu Fe Ni Be
AZ91 8.9 0.70 0.21 0.310 0.0400 0.0020 0.0004 0.0008
AZ81 7.6 0.70 0.30 0.025 0.0010 0.0017 tr 0.0034
AZ71 6.9 0.72 0.24 0.024 0.0011 0.0003 tr 0.0019
AZ61 5.7 0.79 0.30 0.024 0.0010 0.0029 tr 0.0026
AZ51 4.8 0.78 0.29 0.018 0.0009 0.0013 tr 0.0022
AZ41 3.6 0.68 0.27 0.013 0.0008 0.0012 tr 0.0014
AZ31 2.6 0.60 0.28 0.010 0.0004 tr tr 0.0016
AZ21 2.1 0.83 0.28 0.003 0.0052 tr tr 0.0030
실시예1
(1) 주조 및 용체화처리
AZ91에서 AZ21까지의 잉곳을 연삭함으로써, 틱소몰딩용 칩을 작성하고, 주조에 공급하였다. 니혼세이코소 제작의 틱소몰딩성형기 JMG-450에 의해, 사출속도를 공타(空打)조건에서 최고의 4m/sec로 설정하고, 금형온도를 250℃로 설정하여 종 181mm×횡255mm×높이10mm의 바닥이 있고 덮개가 없는 상자형상이며, 두께 1.5mm의 주조품을 얻었다. 또한, 주조에 있어서는, 잉곳마다 융점이 다르므로, 성형기의 몸통과 노즐온도를 조정하여, 성형가능한 조건을 찾으면서 주조를 행하였다. 각 합금의 주조시의 몸통 앞끝의 온도를 표2에 표시한다.
틱소몰딩주조의 몸통 앞끝부의 온도
합금 온도(℃)
AZ91 620
AZ81 618
AZ71 619
AZ61 624
AZ51 627
AZ41 640
AZ31 638
그 결과, AZ91에서 AZ31까지는 주조를 행하였지만, AZ21은 융점이 645℃이고, 성형기의 몸통의 가열한계 내에서 용융할 수 없고, 주조할 수 없었다. 따라서, AZ계 합금의 틱소몰딩 성형기에 의한 주조한계는, 알루미늄함유량 2.5%로 생각된다.
틱소몰딩 주조에서 얻어진 주조품의 결정입자지름을 측정하기 위해서, 각 주조품의 중앙부에서 샘플을 취하고, 수지에 매립하여 연마한 후, 샘플의 조성에 의해 피크르산 또는 초산계 에칭제로 에칭하고, 500배의 전자현미경 사진을 찍고,JIS G0522의 「강의 페라이트 결정입도 시험법」의 절편법에 따라서 측정하고, 1.74배로 하여 결정입자지름을 구하였다.
또한, 용체화처리의 효과를 확인하기 위하여, 각 주조품을 430℃에서 1시간 열처리한 후, 마찬가지로 하여 결정입자지름을 측정하였다.
이들 결과를 표 3 및 도 1에 나타내었다.
틱소몰딩주조품의 결정입자지름
합금 결정입자지름(㎛)
용체화처리전 용체화처리후
AZ91 13.1 28.3
AZ81 12.3 19.1
AZ71 10.2 16.4
AZ61 13.1 24.6
AZ51 10.1 13.7
AZ41 12.4 20.2
AZ31 10.5 17.9
표 3 및 도 1로부터 명확해지는 바와 같이, 용체화처리전의 결정입자지름은 조성에 따른 차가 작지만, 용체화처리에 의해, 결정입자지름이 조대화된다. 이것은 용체화처리를 행하면, 입계에 존재하는 β상이 모상의 α상에 용해되어 결정입자를 조대화시키기 때문이다. 이 결정입자지름은, 용탕이 급냉되어서 응고되는 속도가 빠를수록 작게 되는 것으로 생각되고, 다음과 같은 결과로 된다. 즉, AZ91에서 AZ31을 향하여 알루미늄의 함유량이 감소하고, 융점이 상승한다. 이 때문에, 성형기의 앞끝의 몸통온도를 높게 하지만, 용탕온도와 금형온도의 온도차에 의한 급냉효과 때문에, 이 온도차가 작은 AZ91의 결정입자지름 28㎛에서, 온도차가 큰 AZ51의 결정입자지름 14㎛까지 결정입자지름은 작게 되는 경향이 있다. 또한, AZ41,AZ31로 되면, 반대로 고온의 용탕이 냉각지연작용을 나타내기 때문에, 결정입자지름은 18~20㎛으로 크게 된다.
또한, 용체화처리품의 소성가공성을 조정하기 위하여, 각 주조품에서 인장 시험편을 잘라내고, 420℃에서 1시간 용체화처리한 후, 300℃, 변형속도 1.0×10-2sec-1에서 인장시험을 행하고, 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2로부터 명확해지는 바와 같이, 알루미늄함유량이 많은 AZ91에서 AZ71의 신장은 15~24%로 낮지만, AZ61에서 AZ31에서는 신장이 40%이상으로 되고, 소성가공성이 현격하게 향상한다.
따라서, 단조에 공급하는 주조품의 알루미늄함유량의 범위는, 주조성에서는 2.5질량%이상, 소성가공성에서 6질량%이하가 바람직하다.
(2) 단조
상기 (1)에 있어서, 틱소몰딩범으로 주조한 AZ61에서 AZ31의 주조품을 420℃에서 1시간 용체화처리한 후, 20mm×20mm의 샘플을 잘라내서 전기로에서 균일하게 가열하고, 표 4에 나타내는 소정의 단조온도로 유지된 금형에 두고, 변형속도가 3.3×10-2sec-1의 일정조건에서 단조를 행하였다. 단조후의 샘플로부터 시편을 잘라내고, 상기 (1)에 있어서와 마찬가지의 방법으로 결정입자지름의 측정을 행하고, 결과를 표4에 표시하였다. 또한, 상기 변형속도를 상기 (I)식에 대입하여 구한 Z값은 표 1에 나타내는 바와 같았다. 여기서 계산에 적용한 Q값은, 135Kjoule/mol이다. 표 4에는, 각 샘플의 단조전(용체화처리후)의 결정입자지름을 병기하였다.
단조에 의한 결정입자의 미세화
단조후의 결정입자지름(㎛) 용체화처리후(단조전)결정입자지름(㎛)
단조조건 단조온도(℃) 150 200 250 300 350
변형속도(sec-1) 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2
Z값 1.5×1015 2.7×1013 1.0×1012 6.7×1010 6.9×109
AZ61 * * * 6.1 12.9 24.6
AZ51 * * 3.2 7.3 10.0 13.7
AZ41 * * 4.0 10.4 18.8 20.2
AZ31 * 1.0 4.6 14.2 15.1 17.9
* : 단조 중에 샘플이 깨져버리고, 단조불가능.
표 4에 의해 다음의 것이 명확해진다.
즉, 동일 단조온도에서는, 알루미늄함유량이 많은 합금쪽이, 단조에 의해 결정이 미세화되기 쉬운 현상이 보여졌다. 한편, 알루미늄함유량이 많음 합금은, 온도가 낮으면 단조가공 중에 깨짐이 생기고, 실험의 변형속도에서는, AZ61에서는 300℃이상에서 단조가능한 것에 대해서, AZ31에서는 200℃에서도 단조가능하고, 결정입자 미세화의 효과를 얻을 수 있었다.
이 결과로부터, 결정입자지름을, 초소성단조가 가능하게 되는 10㎛이하로 되도록 결정입자 미세화를 행할 수 있는 단조의 조건은, AZ61에서 AZ31의 합금에서는, Z값이 109~1013의 범위이고, 바람직하게는, 1010~1013의 범위인 것이다.
상기 단조에 의해, 결정입자를 미세화한 샘플과 미세화가 충분하지 않은 것을 선택하고, 20mm×20mm×1.5mm두께의 판형상 샘플을 잘라내고, 이 샘플을 단조금형의 하형의 20mm×20mm의 공동에 삽입하고, 표 5에 나타내는 조건에서 진변형 -1.1까지, 직경 3mm, 높이 10mm의 원통형의 오목부를 갖는 상형에서 단조하여 보스의 형상으로 성형하고, 단조가공시의 단조성의 좋고나쁨을 표 5에 나타내었다.
틱소몰딩 주조품의 단조성
단조성 *2
단조조건 단조온도(℃) 150 200 300 350 400 500
변형속도(sec-1) 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2
Z값 1.5×1015 2.7×1013 6.7×1010 6.9×109 9.9×108 4.4×107
AZ61 6.1 *1 ×
12.9 *1 × × × × × ×
AZ51 3.2 *1 ×
7.3 *1 ×
10 *1 ×
AZ41 4.0 *1 ×
18.8 *1 × × × × ×
AZ31 1.0 *1 ×
4.6 *1 ×
14.2 *1 × × × ×
*1 : 결정입자 미세화를 위한 단조후의 결정입자지름(표 4에 나타내는 값)
*2 : 단조성의 평가
O : 단조후, 결함없이 보스가 형성가능하였다.
△ : 단조후, 가느다란 균열발생하고, 보스의 형성이 불완전
× : 단조후, 큰 깨짐발생
표 5로부터 다음의 것이 명확해졌다.
입계에 β상이 석출되기 쉽고, 입계 미끄러짐이 저해되기 쉬운 알루미늄함유량이 많은 조성일수록 높은 가공온도, 즉, 큰 Z값으로 하지 않으면 보스를 형성할 수 없었다. 한편, 결정입자지름이 10㎛을 넘고 있어도, 합금에 따라서는, 높은 가공온도를 가지는 것으로 보스를 형성할 수 있었다.
그러나, 공업적으로는, 금형온도를 400℃이상으로 하면, 금형의 내구성이 나쁘고, 실용적이지 않다. 내열성 재료 또는 표면을 처리하는 것에서 금형의 고온내구성을 개선하는 것도 가능하지만, 금형비용이 높게 되어 바람직하지 않다.
이 결과로부터, 원하는 형상으로 성형하기 위한 단조의 조건은, AZ61에서 AZ31의 합금에서는 Z값이 1013이하의 범위이고, 바람직하게는 108~1013의 범위인 것을 알았다.
실시예2
(1) 주조 및 용체화처리
실시예1의 틱소몰딩법을 대신해서 다이캐스팅법으로 주조시험을 행하였다. 틱소몰딩 성형시와 동일 성형품 형상의 금형을 사용하고, 합금은, 틱소몰딩 성형기에 사용한 것과 동일한 로드의 잉곳을, 칩으로 하는 일없이, 그대로 사용하였다. 토시바기카이 제작의 DC650tCLS콜드챔버ㆍ다이캐스팅성형기를 사용하고, 용탕온도를 700℃, 고속시의 사출속도를 5.0m/sec로 설정하고, 금형온도 250℃의 조건에서, 순차 주조하였다. 주조품의 치수, 형상은 실시예1과 마찬가지이다.
다이캐스팅법에서는, 틱소몰딩법으로 성형할 없던 AZ21재도 주조할 수 있었다. 이것은, 틱소몰딩 성형기와 같이 재료의 용융을 성형기의 몸통 내에서 행하지않고, 성형기와는 별도로 설치한 급탕장치로 재료를 용융시켰으므로, 용융온도를 700℃까지 올리는 것이 가능하게 되고, 융점이 높은 AZ21에서도 용융시킬 수 있었기 때문이다.
각 주조품에 관해서, 실시예1과 마찬가지로 하여 용체화처리 전후의 결정입자지름을 측정하고, 결과를 표 6 및 도 3에 나타내었다. 또한, 용체화처리는 430℃에서 1시간 행하였다.
다이캐스팅주조품의 결정입자지름
합금 결정입자지름(㎛)
용체화처리전 용체화처리후
AZ91 7.3 14.9
AZ81 6.4 13.1
AZ71 7.0 13.8
AZ61 7.8 15.2
AZ51 6.9 10.4
AZ41 6.1 11.3
AZ31 5.7 9.5
AZ21 5.8 9.7
표 6 및 도 3으로부터 명확해지는 바와 같이, 다이캐스팅 주조품의 결정입자지름은, 틱소몰딩 주조품의 결정입자지름보다 작고, 결정입자 미세화의 단조처리할 필요도 없이, 용체화처리 전에, 이미 10㎛미만이었다. 이것은, 성형기의 충전속도가 빠르기 때문이고, 급냉효과가 있기 때문으로 추정된다.
(2) 단조
얻어진 주조품은, 이미 결정입자가 미세하므로, 주조품을 단조하기 쉬운 목적을 얻기 때문에, 실시예1에 있어서의 틱소몰딩 주조품의 결정입자 미세화 단조와동일 조건에서 단조를 행하고, 깨짐이 생기는 일없이 단조할 수 있지만, 시험을 행하였다. 용체화처리전의 샘플에 관해서, 예비적으로 단조시험하였지만, 입계에 석출된 β상이 두껍고, 입계 미끄러짐이 일어나기 어렵기 때문에, 깨짐이 생기기 쉬웠다. 그 경향은, 알루미늄의 함유량이 많을수록, 현저하였다. 그 때문에, 용체화처리후의 샘플에 관해서만, 시험을 행하였다. 그 결과를 표 7에 표시한다. 이 때의 샘플은, 다이캐스팅 주조품으로부터 잘라낸 20mm×20mm×1.5mm두께의 판형상으로, 이 샘플을 일정한 변형속도로 성형하였다. 단조의 진변형은, -1.1이다.
다이캐스팅 주조품의 단조성
단 조 성 *
단조조건 단조온도(℃) 150 200 250 300 350
변형속도(sec-1) 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2 3.3×10-2
Z값 1.5×1015 2.7×1013 1.0×1012 6.7×1010 6.9×109
AZ91 X X X X X
AZ81 X X X
AZ71 X X
AZ61 X O O
AZ51 X O O O
AZ41 X O O O
AZ31 X O O O O
AZ21 X O O O O
* : 단조성의 평가
O : 단조후, 결함없음
△ : 단조후, 가느다란 균열발생
X : 단조후, 큰 깨짐발생
표 7로부터 다음의 것이 명확해진다.
즉, 용체화처리전의 샘플과 마찬가지로, 알루미늄함유량이 많으면, 단조성이 나쁜 경향이 있고, 변형속도가 3.3×10-2의 조건에 있어서는, AZ91에서 AZ71에서는, 가공온도를 350℃로 올리더라도, 단조하면 결함이 생긴다. 단, 알루미늄함유량이 감소함에 따라 단조성이 좋게 되고, AZ91에서는, 모든 온도에서 단조품에 깨짐이 생겼지만, AZ81에서는 300℃이상(즉 Z값이 6.7×1010미만), AZ71에서는 250℃이상(즉 Z값이 1.0×1012미만)으로 되면 깨짐이 없게 되었지만, 가느다란 균열이 생겼다.
또한, 알루미늄함유량이 감소하면, 결함이 생기는 일없이 단조하는 것이 가능하고, AZ61, AZ51 및 AZ41에서는 250℃이상(즉 Z값이 1.0×1012미만)에서, AZ31과 AZ21에서는 200℃이상(즉 Z값이 1.0×1013미만)에서 단조한 것에는 결함이 없고, 우수한 단조성형성을 나타내었다.
이상의 결과로부터, 결정입자지름이 10㎛이하로 단조한 다이캐스트 주조품의 단조에 적합한 조성은, 알루미늄함유량이 2~6질량%이고, 적합한 단주조건은, Z값이 1.0×1013미만이다.
이상 상기한 바와 같이, 본 발명의 마그네슘합금의 성형방법에 의하면, 주조가 가능하고, 또한 단조성에 우수한 마그네슘합금조성에 있어서, 주조와 단조를 조합시켜서 마그네슘합금을 성형함으로써, 복잡하고 정밀한 형상을 가지며, 또한 물성의 신뢰성이 높고, 내식성을 충분히 만족하는 제품을 수율좋게 제조하는 것이 가능하다.

Claims (11)

  1. 알루미늄함유량이 2~10질량%인 마그네슘합금을 주조하여 결정입자지름이 30㎛이하인 주조품을 얻고, 이 주조품을 그 조성에서의 고용온도와 고상선 범위의 온도에서 용체화처리한 후, 단조하여 결정입자지름 10㎛이하인 단조품으로 하고, 이 단조품을 원하는 형상으로 더욱 단조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘합금의 알루미늄함유량이 2.5~6질량%인 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주조를 다이캐스팅법 또는 틱소몰딩법으로 행하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용체화처리를 380~440℃에서 1~24시간 행하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, Z값이 109~1013의 변형속도와 온도의 조건에서 단조하여 결정입자지름 10㎛이하인 결정미세화 단조품을 얻는 것을특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 결정미세화 단조품을 Z값이 1013이하의 변형속도와 온도의 조건에서 원하는 형상으로 단조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  7. 알루미늄함유량이 2~10질량%인 마그네슘합금을 주조하여 결정입자지름이 10㎛이하인 주조품을 얻고, 이 주조품을 그 조성에서의 고용온도와 고상선 범위의 온도에서 용체화처리한 후, 원하는 형상으로 단조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 마그네슘합금의 알루미늄함유량이 2~6질량%인 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 주조를 다이캐스팅법에 의해 행하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용체화처리를 380~440℃에서 1~24시간 행하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, Z값이 1013미만의 변형속도와 온도의 조건에서 단조하는 것을 특징으로 하는 마그네슘합금의 성형방법.
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