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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Magnesiumlegierung mit hoher
Festigkeit und hoher Duktilität
und ein Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Technischer Hintergrund
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Bislang
wurde als Material für
motorbetriebene Konstruktionen, wie Kraftfahrzeuge, Magnesiumlegierungen,
die leichtgewichtig sind, vielfach verwendet. Um für solche
Konstruktionen eine Magnesiumlegierung einzusetzen, muss sie eine
die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit garantieren
und hierfür
wurden hochfeste Magnesiumlegierungen vorgeschlagen.
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Beispielsweise
offenbart Patentdokument 1 eine hochfeste Magnesiumlegierung, umfassend
(a) 4 bis 15 Masse-% Gd oder Dy und (b) 0, 8 bis 5 Masse-% von mindestens
einem Element, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Ca, Y und Lanthanoiden [vorausgesetzt,
dass die Komponente (a) ausgenommen ist] und weiterhin, falls erwünscht, 2
Masse-% oder weniger von mindestens einem Element, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus Zr und Mn, und als Restmenge Mg. Diese
hochfeste Magnesiumlegierung wird hergestellt, indem man Materialien
der vorstehend genannten Schmiedezusammensetzung einer Homogenisierungsbehandlung
bei 430 bis 570°C
für 2 bis
7 Stunden, Warmschmieden der Schmiedematerialien bei einer Temperatur
der Schmiedematerialien von 380 bis 570°C und bei einer Formtemperatur
von 250 bis 400°C,
die geringer ist als die Temperatur der Schmiedematerialien, und Alterungshärten des
erhal tenen warmgeschmiedeten Produkts bei 180 bis 290°C für 2 bis
400 Stunden unterzogen wird.
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Zudem
offenbart Patentdokument 2 eine hochfeste Magnesiumlegierung, worin
die mittlere Zusammensetzung der gesamten Legierung durch die Zusammensetzungsformel
Mg100-a-bLnaZnb (worin Ln mindestens ein Seltenerdenelement
ist, ausgewählt
aus Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu
und einem Mischmetall 0,5 ≤ a ≤ 5, 0,2 ≤ b ≤ 0,4 und 1,5 ≤ a + b ≤ 7) wiedergegeben wird
und der mittlere Kristallkorndurchmesser der Mutterphase 5 μm oder weniger
ist. In dieser hochfesten Magnesiumlegierung liegt in einem Teil
der Kristallkörner
der Mutterphase eine Konzentrationsmodulierung vor, sodass die Konzentration
in den Kristallkörnern
ohne Ausscheidung einer neuen Verbindung verändert wird, und die Gesamtkonzentration
des Seltenerdenelements (Ln) ist um 1 bis 6 Atom-% erhöht und/oder
die Konzentration an Zn ist um 1 bis 6 Atom-% erhöht, verglichen
mit der mittleren Zusammensetzung der gesamten Legierung. Diese
hochfeste Magnesiumlegierung wird durch schnelles Verfestigen einer
geschmolzenen Magnesiumlegierung mit der vorstehend genannten Zusammensetzung
bei einer Kühlrate
von 100 K/s oder höher,
Erzeugen einer pulverförmigen
Legierung mit einem mittleren Korndurchmesser von etwa 30 μm mithilfe
einer Zerkleinerungsvorrichtung, wie einer Rotormühle, Füllen eines
Extrusionsbehälters
mit der pulverförmigen
Legierung und Ausführen
von Extrusion mit einem Extrusionsverhältnis (durch Querschnittsverhältnis) von
3 bis 20 unter Erhitzen hergestellt. Ferner hat diese hochfeste
Magnesiumlegierung eine Zugdehnung von 3 bis 4 %.
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Weiterhin
offenbart Patentdokument 3 eine hochfeste Magnesiumlegierung, die
durch Unterziehen einer Magnesiumlegierung, wie einem Mg-Zn-Zr-System,
z.B. ZK60, einem Mg-Al-Zn-System,
z.B. AZ61, oder einem Mg-Mn-System, einer Verflüssigungsbehandlung, Anwenden
einer Vordehnung von mindestens 0,4 in einem Temperaturbereich von
250 bis 400°C
in einem ersten Schmiedeschritt, dann Ausführen von Alterung und dann
Ausführen
eines zweiten Schmiedens bei einer vorbestimmten Temperatur, nicht
höher als
die Temperatur bei dem vorangehenden Schmiedeschritt, sodass die Legierung
eine feine Kristallkornstruktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser
von 10 μm
oder weniger aufweist, hergestellt. Gemäß der Erfindung, die in der
Veröffentlichung
offenbart wird, wird die Komponentensegregation durch Ausführen einer Verflüssigungsbehandlung
beseitigt, sodass die Magnesiumverbindung, die ungleichmäßig in dem
Material ausgeschieden wurde, in der Struktur ausreichend Feststoff-solubilisiert
ist. Dann wird eine Vordehnung auf das Material in dem Schmiedeschritt
angewendet und in der anschließenden
Alterungsbehandlung werden kugelförmige feine Körner der
Magnesiumlegierung mit einem kleinen Längen-Breiten-Verhältnis ausgeschieden,
um die Struktur zu egalisieren. Durch die in dem Schmiedeschritt
ausgeschiedenen feinen Körner
wird das Kristallkornwachstum in dem Übererhitzungsverfahren auf
eine Temperatur, bei der das Material geschmiedet wird, dann gehemmt,
wodurch eine stabile, feine Kristallkornstruktur durch den Kristallkornverfeinerungseffekt
durch das Schmieden gebildet wird.
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Nichtpatentdokument
1 offenbart dagegen einen Mg-0,9-Masse-%-Ca(entsprechend
0,55 Atom-%)-Gusswerkstoff und die Wirkung der Zugabe einer kleinen
Menge Ca zu Mg wird erörtert.
Auf diese Magnesiumlegierung wird keine weitere Wärmebehandlung
angewendet. Diese Magnesiumlegierung hat bei Raumtemperatur eine
Fließspannung von
100 MPa und eine Zugdehnung (tensile elongation) von einigen Prozent.
Der Verfestigungsmechanismus erfolgt durch Ausscheidungsverfestigen
aufgrund der lamellaren Phase von Mg2Ca,
jedoch ist die Duktilität
aufgrund des Vorliegens von Ausscheidungen mit einer hohen Volumenfraktion
sehr niedrig.
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Weiterhin
offenbart Nichtpatentdokument 2 Mg-Y-binäre Gusslegierungen mit Y-Konzentrationen von
5 und 8 Masse-% (entsprechend 1,4 bzw. 2,2 Atom-%) und teilt die
Fließspannung
von dem Gussmaterial und einem T6-alterungsbehandelten Material
mit. Die Fließspannung
der Legierung, die 8 Masse-% Y enthält, ist etwa 130 MPa bzw. etwa
240 MPa als das Gussma terial und das T6-alterungsbehandelte Material,
und die Duktilität
wird nicht offenbart. Das hohe Verfestigen dieser Legierung erfolgt
auch aufgrund von Ausscheidungen.
- Patentdokument 1: Japanische
Patentanmeldung, Offenlegung-Nr. 9-363871
- Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldung, Offenlegung-Nr.
2004-99941
- Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldung, Offenlegung-Nr.
2003-277899
- Nichtpatentdokument 1: Materials Transaction, Band 43, Nr. 10
(2002), Seiten 2643–2646
(Yasumasa Chino et al.)
- Nichtpatentdokument 2: Materials Transaction, Band 42, Nr. 7
(2001), Seiten 1332–1338
(Si-Young Chang et al.)
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorstehend beschriebenen herkömmlich vorgeschlagenen
hochfesten Magnesiumlegierungen haben hohe Festigkeit hauptsächlich durch
Nutzen von Kristallisierung oder Ausscheidung einer groben intermetallischen
Verbindung durch eine Kombination von übersättigten verschiedenen Elementen
oder durch gleichförmiges
Dispergieren von Hochkonzentrationsausscheidungen angenommen. Die
meisten im Stand der Technik entwickelten Magnesiumlegierungen hängen von
einer Dispersionsverfestigung der intermetallischen Verbindung ab, wodurch
leichter Bruch auftreten wird, z.B. an der Grenzfläche der
dispersen Verbindung, und im Ergebnis wird die Legierung in der
Duktilität
schlecht sein. Insbesondere, wenn die Magnesiumlegierung auf eine
motorbetriebene Konstruktion angewendet wird, ist es erforderlich,
dass nicht nur hohe Festigkeit, sondern auch hohe Duktilität vorliegt,
um eine die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit zu
garantieren.
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Unter
diesen Umständen
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Magnesiumlegierung
bereitzustellen, die sowohl hohe Festigkeit als auch hohe Duktilität realisiert,
und ein Verfahren zur Herstellung dafür.
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Um
die vorstehend genannte Aufgabe zu lösen, stellt die vorliegende
Erfindung als einen ersten Aspekt eine Magnesiumlegierung mit hoher
Festigkeit und hoher Duktilität
bereit, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst 0,03 bis 0,54 Atom-%
von einem Typ von gelösten
Atomen, die zu der Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoiden des Periodensystems gehören und
einen Atomradius größer als
jener von Magnesium aufweisen, und den Rest Magnesium und die eine
feine Kristallkornstruktur aufweist, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser
1,5 μm oder
weniger ist und die gelösten
Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei
einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach von jener der gelösten Atome
in den Kristallkörnern
lokalisiert sind.
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In
der vorliegenden Beschreibung ist die „Konzentration" der gelösten Atome
die mittlere Konzentration bis zu den dritten benachbarten Atomen
in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, gemessen mithilfe
von Nano-EDS (Energie-Disperse
Röntgenspektroskopie)
mit einem Elektronenstrahldurchmesser, fokussiert auf 0,5 bis 1,0
nm.
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Die
vorliegende Erfindung stellt als einen zweiten Aspekt die vorstehend
genannte Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität gemäß dem ersten
Aspekt bereit, worin die gelösten Atome
ein Typ von Atomen, ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,
Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung
einer Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität bereit,
umfassend 0,03 bis 0,54 Atom-% von einem Typ von gelösten Atomen,
die zu der Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoiden des Periodensystems
gehören
und einen Atomradius größer als
jener von Magnesium aufweisen, und den Rest Magnesium, wobei das
Verfahren umfasst Herstellen einer Mutterlegierung, umfassend Magnesium
und gelöste
Atome, Unterziehen der erhaltenen Mutterlegierung, Homogenisierungsbehandlung
bei einer Temperatur von 450 bis 550°C für 1,5 bis 8 Stunden, gefolgt
von Abschrecken und weiterem Anwenden einer Warmdehnung bei einer Temperatur
von 150 bis 350°C
zur Bildung einer feinen Kristallkornstruktur, worin der mittlere
Kristallkorndurchmesser 1,5 μm
oder weniger ist und die gelösten
Atome bei Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach zu jener der gelösten Atome
in den Kristallkörnern
lokalisiert sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt weiterhin als einen vierten Aspekt
das vorstehend genannte Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung
mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität gemäß dem vorstehend genannten
dritten Aspekt bereit, die als gelöste Atome einen Typ von Atomen,
ausgewählt
aus der Gruppe, bestehend aus Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd,
Pm, Sm, Eu, Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm, Yb und Lu, nutzt.
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Außerdem stellt
die vorliegende Erfindung als einen fünften Aspekt das vorstehend
genannte Verfahren zum Herstellen einer Magnesiumlegierung mit hoher
Festigkeit und hoher Duktilität
gemäß dem vorstehend
genannten dritten oder vierten Aspekt bereit, worin die Warmdehnung
durch Anwenden von Wärmeextrusion
mit einem Extrusionsverhältnis (durch
Querschnittsflächenverhältnis) von
16:1 bis 100:1 angewendet wird.
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Kurzbeschreibung von Zeichnungen
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1(a) und 1(b) sind
Darstellungen, die die Ergebnisse der Bewertung von mechanischen
Eigenschaften von Legierungen in Beispielen mithilfe eines Zugtests
erläutern
und 1(a) gibt Mg-0,3Y wieder und 1(b) gibt Mg-0,3Ca wieder.
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2 ist
eine Darstellung, die den Ausgleich zwischen der spezifischen Festigkeit
(Streckspannung/relative Dichte) und der Zugdehnung von Legierungen
in Beispielen verglichen mit dem herkömmlichen Magnesiumgussmaterial,
geschmiedeten Magnesiumwerkstoff, Aluminiumlegierung und Stahl erläutert.
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3(a) und 3(b) sind
Bilder, die die Beispiele der Kristallstruktur von Legierungen in
Beispielen veranschaulicht und 3(a) gibt
Mg-0,3Y wieder und 3(b) gibt Mg-0,3Ca
wieder.
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4(a) und 4(b) sind
Bilder, die Beispiele der Korngrenzenstruktur von Legierungen in
Beispielen erläutern
und Ergebnisse der Atomkonzentrationsmessung mithilfe von Nano-EDS,
und 4(a) gibt Mg-0,3Y wieder und 4(b) gibt Mg-0,3Ca wieder.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat wie vorstehend beschriebene Eigenschaften
und sie wird nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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Die
Magnesiumlegierung mit hoher Festigkeit und hoher Duktilität der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,03 bis 0,54 Atom-%
von einem Typ von gelösten
Atomen, die zu Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoid des Periodensystems
gehören,
und mit einem Atomradius größer als
jener von Magnesium, und der Restmenge an Magnesium und eine feine
Kristallkornstruktur aufweist, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser
1,5 μm oder
weniger ist und gelöste
Atome an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen bei
einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach von jener der gelösten Atome
in den Kristallkörnern
lokalisiert sind.
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Die
Atome, die zur Gruppe 2 des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener
von Magnesium aufweisen (Atomradius: 1,60 Angstrom, nachstehend
gibt der Zahlenwert in Klammern nach dem chemischen Symbol den Atomradius wieder),
schließen
Ca (1,97 Angstrom), Sr (2,15 Angstrom) und Ba (2,18 Angstrom) ein.
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Die
Atome, die zur Gruppe 3 des Periodensystems gehören und einen Atomradius größer als jener
von Magnesium aufweisen, schließen
Sc (1,65 Angstrom) und Y (1,82 Angstrom) ein.
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Die
Atome, die zu Lanthaniden des Periodensystems gehören und
einen Atomradius größer als
jener von Magnesium aufweisen, schließen La (1,88 Angstrom), Ce
(1,83 Angstrom), Pr (1,83 Angstrom), Nd (1,82 Angstrom), Pm (1,8
Angstrom), Sm (1,79 Angstrom), Eu (1,99 Angstrom), Gd (1,78 Angstrom),
Tb (1,76 Angstrom), Dy (1,75 Angstrom), Ho (1,75 Angstrom)), Er
(1,74 Angstrom), Tm (1,76 Angstrom), Yb (1,94 Angstrom) und Lu (1,73
Angstrom) ein.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Verfestigen der Magnesiumlegierung realisiert
durch (1) Verfeinerung der Kristallkornstruktur und (2) Verfestigen
der Kristallkorngrenzen durch Lokalisation von verschiedenen Atomen
mit einem großen
Unterschied in dem Atomradius an den Kristallkorngrenzen. Weiterhin
wird hohe Duktilität
ohne Verschlechterung von hoher Festigkeit durch (3), Beibehalten der
Verformbarkeit in den Körnern
durch Unterdrücken
der Konzentrationen von verschiedenen Elementen der Kristallkörner garantiert.
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Die
erfindungsgemäße Magnesiumlegierung nutzt
gelöste
Atome mit einem Atomradius größer als jener
von Magnesium. Je größer der
Atomradius als jener von Magnesium als das Muttermaterial, umso wesentlicher
sind die Gitterfehlstellen aufgrund des Unterschiedes in dem Atomradius,
wobei die Kristallkorngrenzen wahrscheinlich bei dem Rekristallisationsvorgang
gebildet werden und weiterhin die Wirkung des Unterdrückens des
Gleitens an den Kristallkorngrenzen nach der Bildung der feinen
Struktur. Als ein spezielles Beispiel zeigt ein Vergleich der Wirkungen
von zwei Typen von gelösten
Atomen, die in 1 gezeigt werden, dass starkes
Verfestigen durch Calcium mit einem Atomradius größer als
jener von Yttrium auch bei der gleichen Konzentration von 0,3 Atom-%
stärker
ist.
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Weiterhin
ist der Gehalt der vorstehend genannten gelösten Atome 0,03 bis 0,54 Atom-%,
bevorzugter 0,2 bis 0,5 Atom-%. Der Gehalt der gelösten Atome
ist für
die nachstehenden Zwecke auf diesen Bereich begrenzt. Das heißt, die
Konzentration der Metallkomponente, die muss zu Magnesium gege ben
werden, wird so gering wie möglich
gehalten und auf eine Menge begrenzt, die dem Volumen der Kristallkorngrenzen
entspricht, wodurch die Bildung der intermetallischen Verbindung
unterdrückt
wird und Ausgangspunkte zur Zerstörung möglichst vermindert werden.
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Wenn
weiterhin der Gehalt an gelösten
Atomen innerhalb dieses Bereichs liegt, ist es möglich, die Anteile in der Nachbarschaft
der Korngrenzen abzudecken, wenn die gelösten Atome um die Nachbarschaft
der Kristallkorngrenzen der Kristallkornstruktur mit Submikrometerdurchmesser
aufgenommen werden. Hier in dieser Beschreibung gibt die „Nachbarschaft" der Korngrenzen
Schichten von bis zu den dritten benachbarten Atomen wieder. Wenn
der Gehalt der gelösten
Atome zu hoch ist, wird die Bildung der intermetallischen Verbindung
nicht unterdrückt und
die Duktilität
wird abnehmen. Wenn der Gehalt der gelösten Atome zu hoch ist, werden
Anteile in der Nachbarschaft der Korngrößen nicht mit den gelösten Atomen
abgedeckt.
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Weiterhin
hat die Magnesiumlegierung der vorliegenden Erfindung eine feine
Kristallkornstruktur, worin der mittlere Kristallkorndurchmesser
1,5 μm oder
weniger, vorzugsweise 0,2 bis 0,8 μm, ist. Wenn der mittlere Kristallkorndurchmesser
größer als
1,5 μm ist,
kann starkes Verfestigen durch Verfeinerung der Kristallkörner inhibiert
werden.
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Die
Erhöhung
der Festigkeit durch Verfeinerung der Kristallkörner wird auch durch die nominalen Spannungs-Dehnungs-Diagramme,
die bezüglich des
Gussmaterials und des feinen Kristallkornmaterials bei der gleichen
Konzentration erhalten werden, deutlich, wie in 1 gezeigt.
Es wird verständlich, dass
sehr hohes Verfestigen ohne Beeinträchtigung der Duktilität durch
Miniaturisierung der Kristallkörner realisiert
wird.
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Weiterhin
werden in der feinen Kristallkornstruktur von der Magnesiumlegierung
der vorliegenden Erfindung die gelösten Atome an Teilen in der Nachbarschaft
der Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach,
bevor zugter 2,5 bis 10, der gelösten
Atome in den Kristallkörnern
lokalisiert. Wenn die Konzentration von gelösten Atomen an Teilen in der
Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen unterhalb jener des vorstehend
genannten Bereichs ist, ist es nicht möglich, die Struktur derart
zu steuern, dass die gelösten
Atome bei einer hohen Konzentration bei Anteilen in der Nachbarschaft
von den Kristallkorngrenzen abgeschieden werden, wodurch die Bildung
und Ausbreitung von Rissen an den Korngrenzen nicht unterdrückt wird.
Wenn weiterhin die Konzentration der gelösten Atome an Teilen in der
Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen höher als der vorstehend genannte
Bereich ist, werden Ausscheidungen an den Korngrenzen gebildet,
wobei die Duktilität
ansteigen wird.
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Um
die gelösten
Atome bei einer hohen Konzentration an Anteilen in der Nachbarschaft
der Kristallkorngrenzen abzuscheiden, kann ein Mittel zum Anwenden
von Wärmedehnung
durch z.B. Wärmeextrusion
angewendet werden. Durch Lokalisierung der gelösten Atome bei einer hohen
Konzentration bei Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
in der feinen Kristallkornstruktur, sodass ein ausgearbeitetes verfestigendes
Korngrenzennetzwerk aufgebaut wird, ist es möglich, die Kristallkornstruktur zu
verfeinern und die Festigkeit ebenfalls deutlich zu steigern.
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In 2 wird
der Ausgleich zwischen der spezifischen Festigkeit (Streckgrenze/relative
Dichte) und der Zugdehnung von erfindungsgemäßen Magnesiumlegierungen, verglichen
mit herkömmlicher
Magnesiumgusslegierung, Magnesiumschmiedelegierung, Aluminiumlegierung
und Stahl, gezeigt. In der Figur gibt „neu entwickelte Legierung" die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung
wieder. Es ist selbstverständlich,
dass die Figur, die die erfindungsgemäße Magnesiumlegierung darstellt,
sowohl in der Festigkeit als auch der Duktilität ausgezeichnet ist.
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Nun
wird nachstehend ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der
erfindungsgemäßen Magnesiumlegierung
beschrieben. Es ist natürlich selbstverständlich,
dass die vor liegende Erfindung nicht auf das nachstehend beispielhaft
angegebene Verfahren begrenzt ist.
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Erstens
werden die vorstehend beschriebenen gelösten Atome mit Magnesium schmelzgegossen,
um eine Mutterlegierung herzustellen. Dann wird die erhaltene Mutterlegierung
Homogenisierungsbehandlung, z.B. in einem Ofen, bei einer Temperatur
von 450 bis 550°C
für etwa
1,5 bis 8 Stunden unterzogen. Nach der Homogenisierungsbehandlung wird
das Produkt aus dem Ofen genommen und abgeschreckt, beispielsweise
durch abschrecken mit Wasser, um die gleichförmig dispergierte Struktur einzufrieren.
Dann wird Wärmebeanspruchung
bei einer Temperatur von 150 bis 350°C durch beispielsweise Wärmeextrusion
angewendet, um eine angestrebte Magnesiumlegierung zu erhalten.
wenn die Temperatur, bei der die Warmdehnung angewendet wird, innerhalb
dieses Bereichs liegt, ist es möglich, die
Struktur sicher zu steuern, sodass die gelösten Atome bei einer hohen
Konzentration bei Anteilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
abgeschieden werden. In einem Fall ist es, indem Wärmeextrusion
angewendet wird, außerdem
bevorzugt, dass das Extrusionsverhältnis (durch Querschnittsflächenverhältnis) 16:1
bis 100:1 ist. Wenn das Extrusionsverhältnis innerhalb dieses Bereichs
liegt, wird die Warmdehnung zweckmäßigerweise angewendet.
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Nun
wird die vorliegende Erfindung mit Bezug auf Beispiele beschrieben.
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Beispiel 1
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0,3
Atom-% Yttrium wurden mit kommerziellem reinem Magnesium (Reinheit
99,94 %) schmelzgegossen, um eine Mutterlegierung zu erhalten. Anschließend wird
die Legierung mit dieser Zusammensetzung als Mg-0,3Y bezeichnet.
Die Mutterlegierung wurde in einem Ofen bei 500°C für 2 Stunden gehalten, um Homogenisierungsbehandlung
von Yttriumatomen auszuführen.
Nachdem die Legierung aus dem Ofen genommen wurde, wurde Wasserabschrecken
ausgeführt,
um die gleichförmig
Gelöstes
enthaltende Struktur einzufrieren. Dann wurde ein Extrusionsroh ling
(Durchmesser 40 mm, Länge
70 mm) durch Drehen hergestellt. Der Rohling wurde auf etwa 290°C erhitzt
und dann wurde Wärmeextrusion bei
einem Extrusionsverhältnis
von 25:1 ausgeführt, um
ein extrudiertes Material mit einem Durchmesser von 8 mm zu erhalten.
Ein Testprobenstück
für den Zugfestigkeitstest
wurde von dem extrudierten Material spanabhebend bearbeitet bzw.
gedreht und die Zugprofile wurden bei einer Zugrate von 10–3 s–1 bewertet.
Im Ergebnis wurden hohe Festigkeit und hohe Duktilität mit einer
Streckspannung von 380 MPa und einer Zugdehnung von 14 % bestätigt (siehe 1(a)). Im Ergebnis der Beobachtung der
Struktur wurde die Bildung einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser
von 1 μm
oder weniger bestätigt
(siehe 3(a)). Weiterhin wurde die
Elementkonzentrationsverteilung mithilfe von Hochauflösungsbeobachtung
und Nano-EDS (Energie-Disperse Röntgenspektroskopie)
geprüft
und im Ergebnis war die Konzentration 0,3 Atom-% in den Kristallkörnern und
0,90 Atom-% an den Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen,
wodurch bestätigt wurde,
dass Yttrium an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
bei einer hohen Konzentration von etwa 3,0-fach jener in den Kristallkörnern lokalisiert
war (siehe 4(a)).
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Weiterhin
werden Ergebnisse der Bewertung der mechanischen Eigenschaften bezüglich Mg-0,3Y mit
einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger,
hergestellt in Beispiel 1, und eines Mg-0,3Y-Gussmaterials mit einem
mittleren Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr (mithilfe eines
Zugtests in 1(a)) gezeigt.
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Beispiel 2
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In
der gleichen Weise wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, dass 0,3
Atom-% Calcium anstelle von 0,3 Atom-% Yttrium verwendet wurden
und dass die Materialtemperatur vor der Extrusion etwa 250°C war, wurden
Herstellung einer Mutterlegierung, Homogenisierungsbehandlung, Wasserabschrecken, spanabhebende
Verarbeitung und Wärmeextrusion ausgeführt. An schließend wird
die Legierung mit dieser Zusammensetzung als Mg-0,3Ca bezeichnet.
Ein Testprobestück
zum Zugtest wurde aus dem extrudierten Material spanabhebend bearbeitet
bzw. gedreht und die Zugeigenschaften werden bei einer Zugrate von
10–3 s–1 bewertet.
Im Ergebnis wurden hohe Festigkeit und hohe Duktilität mit einer
Streckspannung von 390 MPa und einer Zugdehnung von 12 % bestätigt (siehe 1(b)). Im Ergebnis der Beobachtung der
Struktur wurde die Bildung einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser
von 1 μm oder
weniger bestätigt
(siehe 3(b)). Weiterhin wurde die
Elementkonzentrationsverteilung mithilfe von Hochauflösungsbeobachtung
und Nano-EDS im Ergebnis geprüft.
Die Konzentration war 0,27 Atom-% in den Kristallkörnern und
0,74 Atom-% bei Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, wodurch
bestätigt
wurde, dass Calcium an Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
bei einer hohen Konzentration von etwa 2,7-fach von jener in den
Kristallkörnern
lokalisiert war (siehe 4(b)).
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Weiterhin
werden Ergebnisse der Bewertung der mechanischen Eigenschaften bezüglich Mg-0,3Ca
mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von
1 μm oder
weniger, hergestellt in Beispiel 2, eines Mg-0,3Ca-Gussmaterials (mittlerer
Kristallkorndurchmesser von 100 μm
oder mehr), reinen Magnesiums (Reinheit: 99,94 %) mit einer Struktur
mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger
und eines reinen Magnesiumgussmaterials mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser
von 100 μm
oder mehr mithilfe eines Zugtests in 1(b) gezeigt.
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Im
Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Mg-0,3Ca mit einer Struktur
mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 1 μm oder weniger,
hergestellt in Beispiel 2, und reinem Magnesium (Reinheit: 99,94
%) mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser
von 1 μm
oder weniger, ist die durch die gelösten Atome hervorgebrachte
Wirkung deutlich. Es ist verständlich,
dass die hohe Festigkeit zweimal jener ist, die ohne gelöste Stoffe
erreicht wird. Im Ergebnis des Vergleichs zwischen dem Mg-0,3Ca
mit einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von
1 μm oder
weniger, hergestellt in Beispiel 2, und dem Mg-0,3Ca-Gussmaterial mit
einer Struktur mit einem mittleren Kristallkorndurchmesser von 100 μm oder mehr,
ist es zudem verständlich,
dass die Verfeinerung der Kristallkörner auch für das starke Verfestigen von
Bedeutung ist.
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Beispiel 3
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In
der gleichen Weise wie in Beispiel 2 mit der Ausnahme, dass 0,2
Atom-% Calcium anstelle von 0,3 Atom-% Calcium verwendet wurden,
wurden eine Herstellung einer Mutterlegierung, Homogenisierungsbehandlung,
Wasserabschrecken, spanabhebende Verarbeitung und Wärmeextrusion
ausgeführt.
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Bezüglich des
extrudierten Materials wurde die Struktur beobachtet und im Ergebnis
wurde eine Struktur mit einem mittleren Korndurchmesser von 1 μm oder weniger
gebildet. Im Ergebnis der Messung mithilfe von Nano-EDS unter Anwendung
von Elektronenstrahlen, die auf 0,5 nm fokussiert wurden, war zudem
die Konzentration 0,18 Atom-% in den Kristallkörnern und 1,55 Atom-% mit Anteilen
in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen, wodurch bestätigt wurde,
dass Calcium an den Teilen in der Nachbarschaft der Kristallkorngrenzen
bei einer Konzentration von etwa 8,6-fach von jener der Kristallkörner lokalisiert
war.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird das Gewicht irgendeiner motorbetriebenen Konstruktion durch
Anwenden einer hochfesten Magnesiumlegierung drastisch vermindert
und gleichzeitig werden durch Verleihen von Duktilität dem Material
die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit und Sicherheit zum
Zeitpunkt der Anwendung garantiert. Deshalb findet die vorliegende
Erfindung vorzugsweise für
Raumschiffe, Flugzeuge, Züge,
Kraftfahrzeuge, Rollstühle
usw. Verwendung.
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Weiterhin
kann gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Magnesiumlegierung, die sowohl in hoher Festigkeit
als auch hoher Duktilität
ausgezeichnet ist, realisiert werden, und durch Anwenden einer geschmiedeten
Legierung davon ist es möglich,
eine große
Konstruktion zu erzeugen und insbesondere, wenn die geschmiedete
Legierung auf eine motorbetriebene Konstruktion angewendet wird,
können
ausgezeichnete, die Konstruktion beibehaltende Verlässlichkeit
und Sicherheit erwartet werden.
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Weiterhin
können
gemäß der vorliegenden Erfindung,
da eine feine Kristallkornstruktur gebildet wird, die nachstehenden
Vorteile erhalten werden: Ausgezeichnete Warmformbarkeit kann erwartet werden,
die Materialkosten können
vermindert werden, da die Volumenfraktion des Additivmetalls sehr niedrig
ist, und die Anwendung der geschmiedeten Legierung wird ausgeweitet
und Energieeinsparung und Verminderung an Abgas werden erreicht.
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Zusammenfassung
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Eine
Magnesiumlegierung, die hohe Festigkeit und hohe Duktilität zeigt,
dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst 0,03 bis 0,54 Atom-% von
bestimmten gelösten
Atomen, die zu der Gruppe 2, Gruppe 3 oder Lanthanoiden des Periodensystems gehören und
mit einem Atomradius größer als
jener von Magnesium, und den Rest Magnesium und eine feine Kristallkornstruktur
aufweist, worin die gelösten Atome
einen mittleren Kristallkorndurchmesser 1,5 μm oder weniger aufweisen und
ungleichmäßig in der Nachbarschaft
von Kristallkorngrenzen bei einer Konzentration von 1,5- bis 10-fach
von dem innerhalb der Kristallkörner
vorliegen, wobei ein Atom, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend
aus Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho,
Er, Tm, Yb und Lu, als das vorstehend genannte gelöste Atom
verwendet werden kann, und ein Verfahren zum Herstellen der Magnesiumlegierung.
Die vorstehend genannte Magnesiumlegierung ist neu und erreicht
gleichzeitig hohe Festigkeit und hohe Duktilität.