KR20110122855A - Ｍｇ 합금 부재 - Google Patents

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Abstract

Mg 합금 부재에서는 석출 입자가 분산되어 있으며, 마그네슘 모상의 크기에 관계없이 인장 강도가 향상되어 있다.

Description

Ｍｇ 합금 부재{Mg ALLOY MEMBER}
본 발명은 준결정상을 갖는 Mg 합금으로 형성되는 Mg 합금 부재에 관한 것이다.
마그네슘은 경량이며, 자원으로서 풍부한 점에서 전자기기나 구조부재 등의 경량화 재료로서 주목을 받고 있다. 그 중에서도 철도차량이나 자동차 등의 이동용 구조부재에의 적응을 검토한 경우, 사용에 있어서의 안전성·신뢰성의 관점에서 소재의 고강도·고연성 특성이 요구되어지고 있다. 금속재료에 있어서의 이들의 특성 개선에는 모상(母相)의 크기를 미세하게 하는 소위 결정립 미세화가 잘 알려져 있다. 또한, 미세한 입자를 모상에 분산시키는 미세 입자 분산 강화법도 금속재료의 특성 개선의 하나의 방법이다.
최근, 일반적인 결정상과는 달리 정해진 원자의 배열이 반복해서 배열되는 구조, 즉, 병진 질서성을 나타내지 않는 준결정상을 분산 입자로서 사용하는 것이 주목받고 있다. 그 최대의 이유는 모상 결정 격자와 매칭이 좋고, 격자끼리가 강고하게 결합되어 소성 변형중 파괴의 핵이나 기점으로 되기 어렵다. 마그네슘 합금에 대해서도 하기 특허문헌 1∼5에 나타내어지는 바와 같이, 준결정 입자를 분산시킴으로써 우수한 기계적 특성을 나타내는 것을 알 수 있었다.
그리고, 성능을 더욱 향상시키기 위해서 마그네슘 모상의 크기를 미세하게 하는 것이 시도되고 있다.
일본 특허 공개 2002-309332호 공보 일본 특허 공개 2005-113234호 공보 일본 특허 공개 2005-113235호 공보 WO 2008-16150 공보 일본 특허 공개 2009-084685호 공보
그러나, 결정 입경을 미세하게 하기 위해서는 강변형 가공법을 사용하지만, 강변형 가공법에서는 일반적인 온간 변형 부여법에 비해 컨테이너나 금형의 수명이 짧고, 에너지 손실이 커진다고 여겨진다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 마그네슘 모상의 크기에 관계없이 인장 강도가 향상된 Mg 합금 부재를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서 제 1 발명은 준결정상을 갖는 Mg 합금으로 형성되는 Mg 합금 부재로서, 석출 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 2 발명은 제 1 발명의 특징에 추가해서 상기 석출 입자는 바늘형상의 형태이며, Mg-Zn으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 3 발명은 제 2 발명의 특징에 추가해서 상기 석출 입자는 마그네슘 모상에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제 4 발명은 제 3 발명의 특징에 추가해서 상기 마그네슘 모상의 크기는 10∼50㎛인 것을 특징으로 하는 것이다.
제 5 발명은 제 2 발명의 특징에 추가해서 상기 석출 입자는 애스펙트비가 5∼500이며, 길이가 10∼1500nm이며, 굵기가 2∼50nm인 것을 특징으로 하는 것이다.
제 6 발명은 제 1 발명의 특징에 추가해서 상기 Mg 합금은 일반식 (100-x-y)at% Mg-yat% Zn-xat% RE로 나타내어지며, 식 중 RE는 Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er 중 어느 1종의 희토류 원소이며, x, y는 각각 원자%이며, 0.2≤x≤1.5 및 5x≤y≤7x인 것을 특징으로 하는 것이다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 석출 입자가 분산되어 있지 않은 종래의 Mg 합금에 비해 훨씬 높은 기계적 특성이 얻어진다.
도 1은 실시예 1의 열 처리재의 광학 현미경에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 2는 실시예 1의 압출재의 광학 현미경에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 3은 실시예 1의 압출재의 고각 산란 환상 암시야법에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 4는 실시예 1의 시효 처리재의 고각 산란 환상 암시야법에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 5는 실시예 1의 시효 처리재의 투과형 전자 현미경에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 6은 실시예 1에서 행한 실온 인장·압축 시험에 의해 얻어진 공칭 응력-공칭 변형 곡선이다.
도 7은 실시예 2의 시효 처리재의 투과형 전자 현미경에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 8은 실시예 3의 압출재의 광학 현미경에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
도 9는 실시예 3의 압출재의 고각 산란 환상 암시야법에 의한 미세 조직 관찰 사진이다.
Mg 합금에 있어서 준결정상을 형성시키기 위해서는 다음의 조성역이 바람직하다. 일반식 (100-x-y)at% Mg-yat% Zn-xat% RE로 나타내어지는 Mg 합금에 있어서(식중, RE는 Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er 중 어느 1종의 희토류 원소이며, x, y는 각각 원자%이다), Mg-Zn-RE로 이루어지는 준결정상이 발현되는 조성역은 0.2≤x≤1.5 및 5x≤y≤7x이다.
상기 조성역 내의 Mg 합금에 대해서 압출이나 압연 등의 온간 변형 부여 가공 전에 아희토류 원소를 마그네슘 모상에 고용시켜 주조 조직인 덴드라이트 조직을 적게 함과 아울러 준결정 입자나 금속간 화합물 입자 등의 입자가 마그네슘 모상에 분산되는 비율을 작게 한다. 이러한 조직을 얻기 위해서는 열 처리 온도는 460℃ 이상 520℃ 이하, 바람직하게는 480℃ 이상 500℃ 이하로 하고, 유지 시간은 12시간∼72시간, 바람직하게는 24시간∼48시간으로 하는 것이 바람직하다.
상기 조직을 얻은 후, 압출이나 압연 등의 온간 변형 부여 가공을 행하여 10∼50㎛, 바람직하게는 20∼40㎛의 크기의 마그네슘 모상 내나 입계에 준결정상 입자가 분산되는 조직을 형성시킨다. 이러한 조직의 형성에는 변형 부여시의 온도를 420℃ 이상 460℃ 이하, 바람직하게는 430℃ 이상 450℃ 이하로 한다. 부여하는 변형은 1 이상이 바람직하다. 변형은 성형 가공하기 전에 원재료에 부여하거나, 소정 형상으로 성형할 때에 부여하거나 할 수 있다.
그리고, 시효 처리를 실시한다. 이 시효 처리에서는 처리 온도는 100℃ 이상 200℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이상 150℃ 이하이며, 유지 시간은 24∼168시간, 바람직하게는 24시간∼72시간으로 한다. 이러한 시효 처리에 의해 Mg 합금에는 미세한 석출 입자가 마그네슘 모상 내에 균일하게 분산된 조직이 형성된다. 석출 입자는 Mg-Zn으로 이루어지는 것이며, 예를 들면, 애스펙트비가 3 이상인 바늘형상의 형태를 갖고, 굵기(석출 입자의 단경)가 2∼50nm이며, 길이방향이 일정한 방향으로 맞춰져서 마그네슘 모상 내에 분산된다.
바늘형상의 길이방향이 일정한 방향으로 맞춰진다는 것은 압출 가공 후의 것을 시효 처리한 것에 의한 것이라고 여겨진다. 단조나 압연, 압출 등에 의해 변형을 부여한 상태에서는 석출 입자가 등축형상 또는 애스펙트비가 3 이하인 작은 바늘형상의 것이 되고, 랜덤한 방향으로 분산된다고 여겨진다.
또, 상기 시효 처리는 Mg 합금을 소정 형상으로 성형한 후의 최종적인 열 처리로서 행해지는 경우에는 생성된 석출 입자상을 보유하는 Mg 합금 부재가 된다.
석출 입자의 애스펙트비는 5∼500, 바람직하게는 5∼100, 보다 바람직하게는5∼10이다. 또한, 석출 입자의 길이(석출 입자의 장축의 길이)는 10∼1500nm, 바람직하게는 10∼500nm, 보다 바람직하게는 10∼1000nm이다. 애스펙트비와 크기는 아연과 희토류 원소의 첨가 농도, 온간 변형 부여 전의 열 처리 온도나 온간 부여시의 온도, 시효 처리의 온도나 유지 시간 등에 의해 조정할 수 있다.
이렇게 하여 얻어진 조직을 갖는 Mg 합금 부재는 비교적 조대한 마그네슘 모상을 나타내지만, 강도·연성의 트레이드 오프 밸런스화를 발휘한다.
[실시예 1]
상용 순마그네슘(순도 99.95%)에 6원자% 아연과 1원자% 이트륨을 용해 주조하여 모 합금을 제작했다. 그 후, 480℃에서 24시간 로 내에서 열 처리를 행하여 열 처리재를 얻었다.
열 처리재로부터 기계 가공에 의해 직경 40mm의 압출 빌릿을 제작했다. 이 압출 빌릿을 430℃로 승온한 압출 컨테이너에 투입하고, 30분 정도 유지한 후, 25:1의 압출비로 온간 압출 가공을 실시하여 직경 8mm의 압출재를 얻었다. 얻어진 압출재를 150℃에서 24시간 오일배스에서 시효 처리를 행하여 시효 처리재를 얻었다.
광학 현미경에 의해 열 처리재 및 압출재의 미세 조직 관찰을 행하여 도 1 및 도 2에 이들의 미세 조직 사진을 나타낸다.
열 처리재(도 1)에서는 전형적인 주조 조직인 덴드라이트 조직의 점유율이 적고, 압출재(도 2)에서는 등축으로 이루어지는 결정립이 생성되어 있는 것을 알 수 있다.
절편법에 의한 양 시료의 결정 입경은 약 350㎛(열 처리재), 25.5㎛(압출재)이다. 또한, 투과형 전자 현미경이나 고각 산란 환상 암시야법에 의한 압출재 및 시효 처리재의 미세 조직 관찰 결과를 도 3∼도 5에 나타낸다.
도 3에 나타내어져 있는 백색의 콘트라스트는 인장 강도-Zn-Y로 이루어지는 준결정상(i상:Mg3Zn6Y1)이며, 미세한 준결정 입자가 입계나 입자 내에 존재하는 것이 확인된다. 한편, 도 4에 나타내어져 있는 백색의 콘트라스트는 Mg-Zn으로 이루어지는 석출상(β상)이며, 바늘형상의 형태를 갖고 있는 것이 확인된다. 또한, 도 5로부터 석출 입자는 마그네슘 모상 내에 치밀하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다.
도 4 및 도 5로부터 이 석출 입자의 평균 애스펙트비는 5이며, 석출 입자의 길이(장축의 길이)는 12∼30nm, 굵기(단경)는 3∼15nm였다.
이어서, 압출재 및 시효 처리재로부터 평행부의 직경이 3mm, 길이가 15mm인 인장 시험편과, 직경 4mm, 높이 8mm의 압축 시험편을 채취하여 실온에 있어서의 인장·압축 특성을 평가했다.
각각의 시험편의 채취 방향은 압출방향에 대하여 평행방향으로 하고, 초기 인장·압축 변형 속도는 1×10-3s-1로 했다.
도 6에 실온 인장·압축 시험에 의해 얻어진 공칭 응력-공칭 변형 곡선을 나타낸다. 양 시료의 인장 항복 응력, 압축 항복 응력은 압출재에서 213MPa, 171MPa이며, 시효 처리재에서 352MPa, 254MPa였다. 시효 처리에 의한 석출 입자(β상)의 미세 분산에 기인해서 인장 특성, 압축 특성은 각각 65, 48% 향상되는 것을 알 수 있다. 단, 인장·압축 항복 응력은 0.2% 변형의 오프셋값을 사용했다.
[실시예 2]
압출 온도가 380℃인 것을 제외하고 실시예 1과 같은 순서·조건으로 압출재와 시효 처리재를 제작했다.
투과형 전자 현미경에 의한 시효 처리재의 미세 조직 관찰 사진을 도 7에 나타낸다. 도 4 및 도 5와 마찬가지로 마그네슘 모상 내에 Mg-Zn으로 이루어지고, 바늘형상의 형태를 갖는 석출 입자(β상)의 분산이 확인된다.
또, 석출 입자의 평균 애스펙트비는 50이며, 석출 입자의 길이(장축의 길이)가 150∼1100nm, 굵기(단경)가 3∼25nm였다.
한편, 도 4 및 도 5에 나타낸 석출 입자의 형태를 비교하면 크기가 약간 조대하며, 밀도가 비교적 낮다.
또, 실시예 1과 동 형상·조건으로 압출재의 실온 기계적 특성의 평가를 행했다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내는 바와 같다. 압출 가공 후 시효 처리를 행함으로써 인장·압축 특성의 개선이 확인된다.
[실시예 3]
상용 순마그네슘(순도 99.95%)에 3원자% 아연과 0.5원자% 이트륨을 용해 주조하여 모 합금을 제작했다. 그 후, 로 내에서 480℃에서 24시간의 열 처리를 행했다. 열 처리 후 압출 온도가 420℃인 것을 제외하고 실시예 1, 2와 마찬가지로 압출재와 시효 처리재를 제작했다. 광학 현미경 및 고각 산란 환상 암시야법에 의한 압출재의 미세 조직 관찰 결과를 도 8과 도 9에 나타낸다.
도 8로부터 Mg 모상은 등축이며, 그 평균 결정 입경은 36.2㎛인 것을 알 수 있다. 도 9에 나타내어져 있는 백색의 콘트라스트가 준결정 입자이며, 균일하고 미세한 분산의 양상을 나타내고 있지만, Mg-Zn으로 이루어지는 석출 입자의 존재는 확인되지 않는다. 시효 처리를 행하고 있지 않은 것이 그 원인이다.
실시예 1, 2와 동 형상·조건으로 압출재의 실온 기계적 특성의 평가를 행하여 얻어진 결과를 표 1에 정리했다. 압출 가공 후 시효 처리를 행함으로써 실시예 1, 2와 마찬가지로 Mg 합금 부재의 인장·압축 특성의 개선이 확인된다.
Figure pct00001
(산업상의 이용 가능성)
본 발명의 Mg 합금 부재는 경량인 것에 추가해서, 인장 강도가 향상된 것이며, 전자기기나 구조부재, 또한, 철도차량이나 자동차 등의 이동용 구조부재로서 유효한 것이다.

Claims (6)

  1. 준결정상을 갖는 Mg 합금으로 형성되는 Mg 합금 부재로서:
    석출 입자가 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 석출 입자는 바늘형상의 형태이며, Mg-Zn으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 석출 입자는 마그네슘 모상에 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 마그네슘 모상의 크기는 10∼50㎛인 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 석출 입자는 애스펙트비가 5∼500이며, 길이가 10∼1500nm이며, 굵기가 2∼50nm인 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 Mg 합금은 일반식 (100-x-y)at% Mg-yat% Zn-xat% RE로 나타내어지며, 식 중 RE는 Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er 중 어느 1종의 희토류 원소이며, x, y는 각각 원자%이며, 0.2≤x≤1.5 및 5x≤y≤7x인 것을 특징으로 하는 Mg 합금 부재.
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