KR20130101100A

KR20130101100A - 마그네슘 합금부재, 에어컨용 압축기 및 마그네슘 합금부재의 제조 방법

Info

Publication number: KR20130101100A
Application number: KR1020137013196A
Authority: KR
Inventors: 스에지 히라와타리; 히데노리 호소이; 츠요시 후쿠이; 마코토 후쿠시마; 시게하루 카마도; 토모유키 혼마
Original assignee: 산덴 가부시키가이샤; 고쿠리츠다이가쿠호진 나가오카기쥬츠가가쿠다이가쿠
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-09-12
Also published as: JP2012097309A; CN103180472A; WO2012057329A1; US20130213528A1; EP2631312A1; EP2631312A4

Abstract

본원 발명은, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 적용가능한 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도를 출현가능한 마그네슘 합금부재 및 그 제조 방법을 제공하고, 더욱이, 필요한 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도를 구비한 마그네슘 합금을 기구 부품에 사용하며, 중량을 경감한 자동차 에어컨용 압축기를 제공한다.
구체적으로는, 질량％로, 칼슘(Ｃａ)을 0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)을 0.2~15%, 망간(Ｍｎ)을 0.05~1.5% 함유하고, Ｃａ/Ａｌ의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부가 마그네슘(Ｍｇ) 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재를, 250~500℃에서 소성가공(압출 가공)해서 마그네슘 합금부재를 형성한다. 이것에 의해, 마그네슘 합금부재에 있어서, 실온에 있어서의 0.2% 내력이 300ＭＰａ이상, 150℃에 있어서의 피로 강도가 100ＭＰａ이상을 출현가능하다.

Description

마그네슘 합금부재, 에어컨용 압축기 및 마그네슘 합금부재의 제조 방법{MAGNESIUM-ALLOY MEMBER, COMPRESSOR FOR USE IN AIR CONDITIONER, AND METHOD FOR MANUFACTURING MAGNESIUM-ALLOY MEMBER}

본 발명은, 알루미늄, 칼슘, 망간을 함유하는 마그네슘 합금부재, 해당 마그네슘 합금부재를 기구 부품에 사용한 에어컨(air conditioners)용 압축기, 및, 상기 마그네슘 합금부재의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차 부품에 있어서, 경량화를 위해, 저(低)비중인 마그네슘 합금을 사용하는 경우가 있다. 종래, 마그네슘 합금의 적용 부품은, 고강도나 내열성이 요구되지 않는 케이싱이나 커버 등의 부품이 주된 것이었다. 그러나, 강도나 내열성을 향상시킨 마그네슘 합금이 개발되고 있다.

예컨대, 특허문헌 1~3에는, 주조성(castability) 및 내열성(heat resistance)을 향상시킨 마그네슘 합금이 개시되며, 특허문헌 4에는, 고온에서의 강도(strength) 및 단조성(forgeability)을 향상시킨 마그네슘 합금이 개시되어 있다.

일본 특허공개공보 제2004-232060호 일본 특허공개공보 제2007-197796호 일본 특허공개공보 제2004-162090호 일본 특허공개공보 제2000-104137호 일본 특허공개공보 제2000-109963호

그런데, 자동차 에어컨용 압축기는, 엔진 근방에 설치되어, 폭로 온도가 100~150℃ 정도가 된다. 이 때문에, 압축기의 부품소재에는 내열성이 요구되며, 더욱이, 압축기에 있어서의 압축을 담당하는 기구 부품에서는, 고온에서의 높은 피로 강도(fatigue strength)가 요구된다.

그러나, 특허문헌 1~3에 개시되는 마그네슘 합금은 주조(casting)용이기 때문에, 기계적 강도가 불충분하여, 압축기와 같은 고온에서의 고강도가 요구되는 부품에는 적용할 수 없다.

또한, 특허문헌 4, 5에 개시되는 마그네슘 합금은, 강도 및 단조성이 뛰어나다고 해도, 고온 피로 강도에 관한 검증이 없어, 압축기의 기구 부품에 대한 적용 가능성이 불확실했다.

더욱이, 마그네슘 합금에 고가인 희소금속(rare metal)을 첨가하면, 마그네슘 합금의 강도를 올릴 수 있지만, 이 경우, 가격 상승으로 되어, 압축기의 기구 부품의 소재로서는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명은, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 적용가능한 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도를 출현가능한, 마그네슘 합금부재 및 마그네슘 합금부재의 제조 방법을 제공하는 것, 및, 필요한 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도를 구비한 마그네슘 합금제의 기구 부품을 구비한 에어컨용 압축기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 질량％로, 칼슘을 0.3~10%, 알루미늄을 0.2~15%, 망간을 0.05~1.5% 함유하고, 칼슘/알루미늄의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부(殘部)가 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재를, 250~500℃로 소성가공(plastic working)하는 것을 특징으로 한다.

칼슘(Ｃａ)과 알루미늄(Ａｌ)의 쌍방을 첨가함으로써, Ｍｇ-Ｃａ계 화합물과, Ｍｇ-Ａｌ-Ｃａ계 화합물이 입계(grain boundaries)에 정출(晶出)되어, 실온에서의 기계적 강도 및 내열성이 향상한다.

이들의 정출물은, Ｃａ/Ａｌ의 질량비가 변함으로써 변화되고, 특히, Ｃａ/Ａｌ의 질량비를 0.6~1.7로 한 경우, Ｍｇ-Ｃａ계 화합물인 Ｍｇ₂Ｃａ과, Ｍｇ-Ａｌ-Ｃａ계 화합물인 (Ｍｇ, Ａｌ)₂Ｃａ이 동시에 정출되어, 기계적 강도와 내열성의 향상에 큰 효과가 있다.

한편, Ｃａ/Ａｌ의 질량비가 1.7보다도 커지면, Ｍｇ₂Ｃａ만, 혹은, 약간의 (Ｍｇ, Ａｌ)₂Ｃａ이 정출될 정도이며, 기계적 강도의 향상 효과는 기대할 수 없다. 또한, Ｃａ/Ａｌ의 질량비가 0.6보다도 작아지면, Ｍｇ-Ａｌ계 화합물인 β-Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂이 정출되어, 내열성에 악영향을 미친다.

또한, 망간(Ｍｎ)을 소량 첨가함으로써, 결정 입자직경이 미세화하여, 기계적 강도가 향상한다. 망간(Ｍｎ)의 첨가량은, 0.05~1.5%의 범위가 적절하며, 이 범위를 벗어나면, 결정 입자직경의 미세화의 효과가 낮아져, 기계적 강도의 향상 효과는 기대할 수 없다.

그리고, 상기 조성의 마그네슘 합금으로 이루어지는 주조(鑄造) 소재에, 250~500℃로 소성가공을 실시하면, 고온에서의 높은 피로 강도를 출현가능하다. 그리고, 250~500℃에서의 소성가공 후의 마그네슘 합금부재는, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 요구되는 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도인, 실온에 있어서의 0.2% 내력(耐力)이 300ＭＰａ이상, 150℃에 있어서의 피로 강도가 100ＭＰａ이상을 출현시킨다.

한편, 소성가공의 온도가 250℃를 하회(下回)하면, 충분한 왜곡량(strain amount)을 확보할 수 없기 때문에 성형이 불가능하며, 크랙(cracks) 등이 발생하고, 또한, 500℃를 상회하면, 고온 산화나 부분적인 용해가 발생하며, 피로 강도의 향상 효과는 기대할 수 없다.

여기서, 상기 소성가공 후에, 용체화 처리(solution heat treatment) 및 인공시효 처리(artificial aging treatment)를 실시할 수 있고, 바람직하게는, 소성가공 후에, 450~510℃의 처리 온도에 0.08시간 이상 유지하는 용체화 처리를 실시한 후, 150~250℃의 처리 온도에 0.3시간 이상 유지하는 인공시효 처리를 실시하는 것이 바람직하다.

용체화 가열의 처리 온도가 450~510℃의 범위이면, 입계 및 입자 내부가 미세한 석출물에 의해 강화되어, 국소변형이 억제되며, 균일 변형 영역이 커지기 때문에, 고온에서의 가공 연화(軟化)가 일어나기 어려워져, 고온 피로 강도가 향상한다.

용체화 가열의 처리 온도가 450℃를 하회하면, 고용체(solid solution)가 형성되기 어려워져, 입계 및 입자 내부의 석출물의 양이 저하하며, 적정한 상태로 되지 않아, 고온 피로 강도의 향상은 기대할 수 없다. 한편, 용체화 가열의 처리 온도가 510℃를 상회하면, 합금의 일부가 용융하는 버닝(burning)이 발생하여, 기공 결함(pore defects)이 생긴다.

또한, 용체화 가열의 처리 시간은, 0.08시간을 하회하면, 충분한 용체화 처리를 할 수 없으므로, 유지시간은 0.08시간보다도 긴 것이 바람직하다.

또한, 담금질(hardening)에 사용하는 냉각은, 온수이어도 좋고, 얼마간의 첨가제를 가한 것이어도 좋으며, 공지의 담금질용의 냉각이면 다양한 것을 적용할 수 있다.

인공시효 처리에 있어서의 처리 온도가 150℃를 하회하면, 적정한 경도(hardness)로 향상시키기 위해서 처리 시간이 길어지며, 처리 온도가 250℃를 상회하면, 경도 및 강도가 저하하므로, 인공시효 처리에 있어서의 처리 온도는, 150~250℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 인공시효 처리의 유지시간이 0.3시간을 하회하면, 충분한 시효 경화가 얻어지지 않으므로, 인공시효 처리에 있어서의 유지시간은, 0.3시간 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 소성가공으로서, 압출 가공(extrusion processing)을 실시할 수 있고, 압출 가공을 250~500℃에서 행하면, 크랙이나 표면 산화를 억제하면서, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

또한, 상기의 마그네슘 합금부재를, 에어컨용 압축기의 기구 부품에 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 적용가능한 기계적 강도 및 고온에서의 피로 강도, 구체적으로는, 실온의 0.2% 내력이 300ＭＰａ이상, 150℃의 피로 강도가 100ＭＰａ이상을 출현가능한 마그네슘 합금부재를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 마그네슘 합금부재를 기구 부품에 사용한 에어컨용 압축기를 제공할 수 있다.

그리고, 본 발명에 의하면, 고강도 알루미늄 합금과 거의 동등한 기계적 강도 및 고온 피로 강도를 마그네슘 합금부재에 있어서 출현가능하기 때문에, 고강도 알루미늄 합금에 비해서 저비중인 마그네슘 합금부재로의 치환이 가능하게 되어, 자동차 에어컨용 압축기의 대폭적인 중량 저감을 실현할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 상세하게 설명한다.

표 1은, 마그네슘 합금에 있어서의 알루미늄(Ａｌ), 칼슘(Ｃａ), 망간(Ｍｎ)의 함유율(질량％）을 변경한 복수 종의 시료 각각에 있어서의 실온, 예컨대 10~35℃에서의 인장강도(ＭＰａ) 및 0.2% 내력(ＭＰａ)을 나타낸다.

표 1의 「판정」은, 0.2% 내력이, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 요구되는 값인 300ＭＰａ이상인 것을 ○표시로 나타내고, 0.2% 내력이 300ＭＰａ미만인 것을 ×표시로 나타내는 것이다.

0.2% 내력의 요구 값으로서의 300ＭＰａ은, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 이용되고 있는, 용체화 처리 후에 인공시효 처리를 실시하는 Ｔ6처리가 실시된 알루미늄 합금 단조재의 0.2% 내력을 기준으로서 설정했다.

표 1의 결과를 얻은 시료는, 표 중의 함유율로 한 마그네슘 합금의 주조품을 제작하고, 이 주조 소재에 소성가공, 구체적으로는, 열간 간접 압출 가공(hot indirect extrusion processing)을 실시한 것이며, 열처리(T6처리)를 실시하지 않은 것이다.

보다 상세하게는, 합금 용제(alloy melting)는 전기 저항로(electric resistance furnace)를 이용하여 대기 중에서 행하고, 용탕(molten metal)의 산화 방지에는, ＳＦ₆과 ＣＯ₂의 혼합 가스를 이용했다. 그리고, 교반(攪拌) 후에, Ｃａ첨가시의 산화물 제거를 위해 Ａｒ가스를 흘려보내서 버블링(bubbling)을 행하며, 300℃로 가열한 빌렛용 금형(billet mold)에 주입(鑄入)하여, 주조 소재를 제작했다.

또한, 간접 압출 가공에는 유압 프레스기를 이용하여, 350℃로 가열한 금형 중에, 압출 가공용의 시료를 투입하고, 10분간 유지하고 나서, 압출비(比)를 20으로 한 압출 가공을 개시하였다. 한편, 압출비란, 소성가공 전의 단면적/소성가공 후의 단면적이다.

또한, 압출재의 인장특성을 평가하기 위한 인장시험(tensile test)에 있어서는, 만능시험기(universal tester)를 이용하였다. 또한, 압출 방향과 하중 부하 방향(load applying direction)이 평행하게 되도록 시험편을 채취하고, 시험부 지름 4mm, 평점 거리(gauge length) 20mm의 ＪＩＳ14A호 시험편을 제작했다. 더욱이, 시험 속도는, 초기 왜곡 속도(initial strain rate) 1×10^-3s^- ¹으로 했다.

표 1의 최하단은, ＪＩＳ규정 소재인 Ａｌ합금 단조재(A4032-T6)에서의 인장강도(ＭＰａ) 및 0.2% 내력(ＭＰａ)을 참고값으로서 나타내고 있다. 또한, 표 중의 「판정」은, 이 Ａｌ합금 단조재(A4032-T6)의 0.2% 내력인 300ＭＰａ이상인지 여부를 나타낸다.

표 1에 있어서, 실시예 1~11의 시료는, 칼슘(Ｃａ)을 0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)을 0.2~15%, 망간(Ｍｎ)을 0.05~1.5% 함유하고, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부가 마그네슘(Ｍｇ) 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재에, 350℃의 소성가공(압출 가공)을 실시한 것이다.

한편, 비교예 1~7의 시료는, 칼슘(Ｃａ)의 함유율, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율, 망간(Ｍｎ)의 함유율, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비의 중 적어도 하나가, 상기 범위에서 벗어나 있는 마그네슘 합금의 주조 소재에, 350℃의 소성가공(압출 가공)을 실시한 것이다.

한편, 표 1에 있어서의 「Ｃａ+Ａｌ」은, 칼슘(Ｃａ)과 알루미늄(Ａｌ)의 합계의 질량％을 나타낸다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 칼슘(Ｃａ)의 함유율=0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율=0.2~15%, 망간(Ｍｎ)의 함유율=0.05~1.5%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비 0.6~1.7을 충족시키는 실시예 1~7의 시료는, 모두 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ이상이며, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 요구되는 기계적 강도를 충족시키고 있어, 압축기의 기구 부품으로서 이용할 수 있는 것을 나타내고 있다.

이에 대하여, 칼슘(Ｃａ)의 함유율이 0.3~10%의 범위를 벗어나는 비교예 1 및 비교예 4, 또한, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율이 0.2~15%의 범위를 벗어나는 비교예 2 및 비교예 3에서는, 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ을 하회하고, 압축기의 기구 부품으로서 이용할 수 없는 것을 나타내고 있다.

또한, 칼슘(Ｃａ)의 함유율 및 알루미늄(Ａｌ)의 함유율이, 0.2~15%의 범위내이더라도, 비교예 5 및 비교예 6과 같이, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.6~1.7의 범위를 벗어나면, 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ을 하회하여, 압축기의 기구 부품으로서 이용할 수 없는 것을 나타내고 있다.

더욱이, 칼슘(Ｃａ)의 함유율 및 알루미늄(Ａｌ)의 함유율이 0.3~10%의 범위내이며, 또한, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.6~1.7의 범위내이더라도, 망간(Ｍｎ)을 함유하지 않는 비교예 7에서는, 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ을 하회하여, 압축기의 기구 부품으로서 이용할 수 없는 것을 나타내고 있다.

즉, 상기 인장시험의 결과로부터, 칼슘(Ｃａ)의 함유율=0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율=0.2~15%, 망간(Ｍｎ)의 함유율=0.05~1.5%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비=0.6~1.7을 만족하는 마그네슘 합금인 것이, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 요구되는 기계적 강도, 구체적으로는, 0.2% 내력이 300ＭＰａ이상을 얻기 위한 조건으로 되는 것을 알 수 있다.

칼슘(Ｃａ)과 알루미늄(Ａｌ)의 쌍방을 첨가함으로써, Ｍｇ-Ｃａ계 화합물과, Ｍｇ-Ａｌ-Ｃａ계 화합물이 입계에 정출되어, 실온에서의 기계적 강도 및 내열성이 향상한다. 실시예 1~11과 같이, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비를 0.6~1.7로 한 경우, Ｍｇ-Ｃａ계 화합물인 Ｍｇ₂Ｃａ과, Ｍｇ-Ａｌ-Ｃａ계 화합물인 (Ｍｇ, Ａｌ)₂Ｃａ이 동시에 정출되어, 기계적 강도와 내열성이 향상한 것이라고 추정된다.

이에 대하여, 비교예 6과 같이 , 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 1.7보다도 커지면, Ｍｇ₂Ｃａ만, 혹은, 약간의 (Ｍｇ, Ａｌ)₂Ｃａ이 정출될 정도가 됨으로써, 기계적 강도를 충분히 향상시킬 수 없다. 또한, 비교예 5와 같이, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.6보다도 작아지면, Ｍｇ-Ａｌ계 화합물인 β-Ｍｇ₁₇Ａｌ₁₂이 정출되어, 내열성에 악영향을 미친 것으로 추정된다.

또한, 비교예 7과 같이 , 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비를 0.6~1.7의 범위내로 하여도, 망간(Ｍｎ)을 첨가하지 않는 경우에는 기계적 강도가 부족하다. 이에 대하여, 실시예 1~11과 같이, 망간(Ｍｎ)을 소량 첨가함으로써, 0.2% 내력을 300ＭＰａ이상으로 할 수 있다. 이것은, 망간(Ｍｎ)을 소량 첨가함으로써, 결정 입자직경이 미세화하며, 기계적 강도가 향상한 것으로 추정된다. 망간(Ｍｎ)의 첨가량은, 0.05~1.5%의 범위가 적절하며, 이 범위를 벗어나면, 결정 입자직경의 미세화의 효과가 낮아지며, 기계적 강도의 향상 효과는 기대할 수 없다.

표 2는, 표 1에 나타낸 실시예 3의 함유율, 즉, 칼슘(Ｃａ)을 3.3%, 알루미늄(Ａｌ)을 3.7%, 망간(Ｍｎ)을 0.33%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.89, 칼슘(Ｃａ)과 알루미늄(Ａｌ)의 합계를 7%로 한 마그네슘 합금의 주조 소재를 시료로 한다. 그리고, 이 주조 소재에 실시한 압출 가공(소성가공)에 있어서의 압출비 및 압출 온도를 복수 종으로 다르게 하며, 압출 가공 후의 시료 각각에 있어서의 0.2% 내력을 구한 시험 결과를 나타낸다.

표 2에 나타내는 시험에서는, 압출비를 10,20,40,60의 4종류로 설정했지만, 각각의 압출비에 있어서의 압출 온도가, 250~500℃의 범위 내이면, 크랙이나 표면 산화가 발생하지 않고, 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ을 상회했다.

이에 대하여, 압출비를 20으로 했을 때에, 압출 온도를 250~500℃의 범위를 하회하는 230℃로 하면 크랙이 발생해서 기계적 강도가 얻어지지 않고, 또한, 압출 온도를 250~500℃의 범위를 상회하는 517℃로 하면, 표면 산화가 발생하며, 0.2% 내력이 요구 값인 300ＭＰａ을 하회하였다.

즉, 소성가공(압출 가공)의 온도를, 250~500℃의 범위 내로 함으로써, 300ＭＰａ이상의 0.2% 내력을 출현가능한 것을 알 수 있다. 소성가공의 온도가 250℃를 하회할 경우에는, 충분한 왜곡량을 확보할 수 없기 때문에 성형이 불가능하며, 크랙 등이 발생한다. 또한, 소성가공의 온도가 500℃를 상회할 경우에는, 고온 산화나 부분적인 용해가 발생함으로써, 피로 강도의 향상 효과는 기대할 수 없다.

표 3은, 250~500℃의 소성가공 후(압출 가공 후)에, 열처리(T6처리)를 실시한 경우와, 열처리(T6처리)를 실시하지 않은 경우에서, 각각 150℃ 피로 강도(고온 피로 강도)를 계측한 결과를 나타낸다.

한편, 시료로서는, 표 1에 나타낸 실시예 3의 함유율, 즉, 칼슘(Ｃａ)을 3.3%, 알루미늄(Ａｌ)을 3.7%, 망간(Ｍｎ)을 0.33%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비가 0.89, 칼슘(Ｃａ)과 알루미늄(Ａｌ)의 합계를 7%로 한 마그네슘 합금의 주조 소재를, 압출비를 20, 압출 온도를 350℃로 하여 압출 가공한 것을 이용하였다.

더욱이, 표 3에는, 비교 대상으로서, ＪＩＳ규정 소재인 Ａｌ합금 단조재(A4032-T6)에 있어서의 150℃ 피로 강도를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, Ａｌ합금 단조재(A4032-T6)는, 자동차 에어컨용 압축기에 이용되고 있기 때문에, 이 Ａ4032-T6의 150℃ 피로 강도(100ＭＰａ)이상의 150℃ 피로 강도를 출현가능하다면, A4032-T6를 대신하는 부재로서 이용할 수 있게 된다.

표 3의 피로 강도를 얻은 피로 시험(회전 벤딩 시험, rotary bending test) 및 피로 강도의 산출은, 일본 기계학회편 「일본 기계학회기준 통계적 피로 시험 방법(개정판)ＪＳＭＥ S-002-1994」에 준해서 행하고, 시험 온도 150℃, 회전수 3000rpm, 주파수 50Hz, 응력비 R=-1에서 행하였다. 표 3의 피로 강도는, 10⁷회에서의 결과이다.

피로 시험에 이용한 시험편은, 환봉형(rod-type) 시험편이며, 척부(chuck portion)의 지름을 8.5mm, 파단부(breaking portion)의 지름을 4mm로 하여, 압출 방향과 하중 부하 방향이 수직이 되도록 채취하고, 파단부는, 절삭에 의한 기다란 자국(streaks)의 영향을 없애기 위해서, 내수 연마지(waterproof abrasive paper)로 연마한 후, 마무리로 버프(buffing) 연마하였다.

또한, T6처리로서, 횡형 관상로(horizontal tubular furnace)를 이용해서 500℃의 Ａｒ가스 기류 중에 30분(0.5시간) 유지하는 용체화 처리 후, 180℃의 오일배스(oil bath)를 이용해서 2시간의 인공시효 처리를 실시하였다. 한편, 열처리 시간(유지시간)은, 시료를 투입하고 나서의 시간이다.

표 3에 나타낸 바와 같이, A4032-T6의 150℃ 피로 강도가 100ＭＰａ인 것에 대하여, 250~500℃의 온도로 소성가공, 구체적으로는, 350℃에서의 압출 가공을 행한 후, 열처리(T6처리)를 행하지 않은 마그네슘 합금부재의 150℃ 피로 강도는 117ＭＰａ인 것에 대하여, 동일한 소재로 동일한 소성가공을 실시한 후에, 더욱이 열처리(T6처리)를 실시한 마그네슘 합금부재의 150℃ 피로 강도는 132ＭＰａ이었다.

즉, 칼슘(Ｃａ)의 함유율=0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율=0.2~15%, 망간(Ｍｎ)의 함유율=0.05~1.5%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비=0.6~1.7인 마그네슘 합금의 주조 소재에 대하여, 250~500℃의 소성가공을 실시하면, 열처리(T6처리)를 실시하지 않아도 A4032-T6를 상회하는 150℃ 피로 강도를 출현가능하다. 그리고, 열처리(T6처리)를 실시하면, 열처리(T6처리)를 실시하지 않은 경우에 비해서 150℃ 피로 강도를 더욱 향상시킬 수 있다.

환언하면, 칼슘(Ｃａ)의 함유율=0.3~10%, 알루미늄(Ａｌ)의 함유율=0.2~15%, 망간(Ｍｎ)의 함유율=0.05~1.5%, 칼슘(Ｃａ)/알루미늄(Ａｌ)의 질량비=0.6~1.7인 마그네슘 합금의 주조 소재에 대하여, 250~500℃의 소성가공을 실시하여 형성한 마그네슘 합금부재는, 열처리(T6처리)를 실시하지 않아도, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 이용할 수 있는 실온에서의 0.2% 내력 및 고온에서의 피로 강도, 구체적으로는, 300ＭＰａ이상의 실온 0.2% 내력 및 100ＭＰａ이상의 150℃ 피로 강도를 출현가능하며, 더욱이, 열처리(T6처리)를 실시하면, 고온에서의 피로 강도가 보다 강해진다.

따라서, 고강도 알루미늄 합금을 이용하고 있었던 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품을, 마그네슘 합금부재로 형성할 수 있고, 이것에 의해 압축기의 대폭적인 중량 저감을 실현할 수 있다.

그런데, 열처리(T6처리)에서는, 소성가공(압출 가공) 후에 행하는 용체화 처리에 있어서, 450~510℃의 처리 온도로 0.08시간 이상 유지하는 것이 바람직하고, 또한, 담금질 처리 후에 행하는 인공시효 처리에 있어서, 150~250℃의 처리 온도로 0.3시간 이상 유지하는 것이 바람직하다.

용체화 가열의 처리 온도가 450~510℃의 범위이면, 입계 및 입자 내부가 미세한 석출물에 의해 강화되어, 국소변형이 억제되며, 균일 변형 영역이 커지기 때문에, 고온에서의 가공 연화가 일어나기 어려워져, 고온 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

이에 대하여, 용체화 가열의 처리 온도가 450℃를 하회하면, 고용체가 형성되기 어려워져, 입계 및 입자 내의 석출물이 저하하며, 적정한 상태로 되지 않아, 고온 피로 강도의 향상은 기대할 수 없다. 한편, 용체화 가열의 처리 온도가 510℃를 상회하면, 합금의 일부가 용융하는 버닝이 생겨, 기공 결함이 생겨버린다.

또, 인공시효 처리에 있어서의 처리 온도가 150℃를 하회하면, 적정한 경도로 향상시키기 위해서 처리 시간이 길어지며, 처리 온도가 250℃를 상회하면, 경도 및 강도가 저하해버리므로, 인공시효 처리에 있어서의 처리 온도는, 150~250℃의 범위로 하는 것이 바람직하다.

표 3의 결과를 얻은 열처리(T6처리)에 있어서의 온도 및 유지시간은, 상술한 온도범위 및 시간범위를 만족하고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 마그네슘 합금부재 및 마그네슘 합금부재의 제조 방법에 의하면, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 요구되는, 실온에 있어서의 0.2% 내력이 300ＭＰａ이상, 150℃에 있어서의 피로 강도가 100ＭＰａ이상을 출현가능하여, 종래 사용하고 있었던 Ａｌ합금 단조재 A4032와 치환하여 이용할 수 있다.

그리고, 마그네슘 합금부재의 비중은, Ａｌ합금 단조재 A4032보다도 작으므로, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품을, 마그네슘 합금으로 형성하면, 압축기의 중량을 크게 저감할 수 있어, 차량의 경량화, 나아가서는 연비성능의 개선에 기여할 수 있다.

본 발명에 관한 마그네슘 합금부재 및 마그네슘 합금부재를 적용하는 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품으로서는, 사판식 압축기용 슈(shoes for swash plate compressors)나 피스톤, 및, 스크롤식 압축기용 나선체(spiral bodies for scroll type compressors) 등이 있다.

한편, 본 발명에 관한 마그네슘 합금부재 및 마그네슘 합금부재의 제조 방법은, 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품에 적용하는 것을 전제로 하여 개발된 것이지만, 적용 대상을 자동차 에어컨용 압축기의 기구 부품으로 한정하는 것이 아니고, 정치식 에어컨(stationary air conditioners)용 압축기의 기구 부품에 적용하는 것도 가능하다.

또한, 소성가공을 압출 가공으로 한정하는 것도 아니며, 단조 가공(forging), 압연 가공(rolling), 인발 가공(drawing processing) 등이어도 좋다.

Claims

질량％로, 칼슘을 0.3~10%, 알루미늄을 0.2~15%, 망간을 0.05~1.5% 함유하고, 칼슘/알루미늄의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부(殘部)가 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재를, 250~500℃에서 소성가공해서 형성한 마그네슘 합금부재.
제1항에 있어서,
상기 소성가공 후에, 용체화 처리 및 인공시효 처리를 실시한 마그네슘 합금부재.
제2항에 있어서,
상기 소성가공 후에, 450~510℃의 처리 온도로 0.08시간 이상 유지하는 용체화 처리를 실시한 후, 150~250℃의 처리 온도로 0.3시간 이상 유지하는 인공시효 처리를 실시한 마그네슘 합금부재.
질량％로, 칼슘을 0.3~10%, 알루미늄을 0.2~15%, 망간을 0.05~1.5% 함유하고, 칼슘/알루미늄의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부가 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재를 소성가공해서 이루어지고, 실온에 있어서의 0.2% 내력이 300ＭＰａ이상, 150℃에 있어서의 피로 강도가 100ＭＰａ이상인 마그네슘 합금부재.
제1항에 있어서,
상기 소성가공이 압출 가공인 마그네슘 합금부재.
제1항에 기재된 마그네슘 합금부재를 기구 부품에 사용한 에어컨용 압축기.
질량％로, 칼슘을 0.3~10%, 알루미늄을 0.2~15%, 망간을 0.05~1.5% 함유하고, 칼슘/알루미늄의 질량비가 0.6~1.7이며, 잔부가 마그네슘 및 불가피 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금의 주조 소재를, 250~500℃에서 소성가공을 행하는 마그네슘 합금부재의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 소성가공 후에, 용체화 처리 및 인공시효 처리를 행하는 마그네슘 합금부재의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 소성가공 후에, 450~510℃의 처리 온도로 0.08시간 이상 유지하는 용체화 처리를 행한 후, 150~250℃의 처리 온도로 0.3시간 이상 유지하는 인공시효 처리를 행하는 마그네슘 합금부재의 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 소성가공이 압출 가공인 마그네슘 합금부재의 제조 방법.