KR100325421B1

KR100325421B1 - 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조를 위한 성형장치

Info

Publication number: KR100325421B1
Application number: KR1020000002544A
Authority: KR
Inventors: 박은수; 강형구; 김원태; 김도향
Original assignee: 방우영; 학교법인연세대학교
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2002-02-21
Also published as: KR20010073728A

Abstract

본 발명은 구리, 이트륨을 함유하면서 그 성분조성에 적량의 은, 니켈, 아연 등의 제 4 원소가 함유되어 있는 것을 기본으로 하는 벌크 비정질 마그네슘 합금을 제조하는 장치에 있어서: 내부에 진공압이 형성되도록 로터리펌프(15) 및 디퓨젼펌프(16)와 연결되고, 진공압의 해제를 위한 배기밸브(17)를 구비하는 밀폐 가능한 구조의 케이싱(10); 시료를 용융하기 위한 유도코일(14)과 함께 상기 케이싱(10)의 내부에 수용되고, 용융합금(M)을 가압하기 위한 플런저(13)를 구비하는 흑연도가니(11); 및 상기 흑연도가니(11)의 일단에 연통되도록 결합되고, 소정의 형상으로 성형하기 위한 캐비티 외측으로 외부의 냉각수관(19)과 연통되는 냉각공(12a)을 구비하는 구리몰드(12)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 고압주조법의 공정상의 이점을 비정질 제조에 응용하여 우수한 비정질 형성능을 가지는 마그네슘 합금의 벌크 비정질 제조능을 향상시키는 효과가 있다.

Description

벌크 비정질 마그네슘 합금 제조를 위한 성형장치{Apparatus for manufacturing amorphous magnesium-based alloy}

본 발명은 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조를 위한 성형장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고압주조법의 공정상의 이점을 비정질 제조에 응용하여 우수한 비정질 형성능을 가지는 마그네슘 합금의 벌크 비정질 제조능을 향상시키기 위한 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조를 위한 성형장치에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘 합금은 높은 비강도를 갖는 최경량의 합금으로서 진동, 충격, 전자 파동에 대한 흡진성이 탁월하고, 전기·열전도도, 가공성 및 고온에서의 피로충격 등이 우수하여 자동차 부품이나 항공기 등의 수송 수단, 방위산업 및 일반 기계 등의 무게 절감을 위한 경량화 소재로서 그 응용범위가 넓다.

특히 비정질 금속재료는 결정질 금속재료보다 훨씬 더 높은 인장 강도를 가지며, 인성 및 내식성 또한 우수한 것으로 알려져 마그네슘 비정질 합금이 벌크화할 경우 경량 구조용 소재로 사용될 수 있는 가능성을 제시하고 있다.

미합중국 특허 제 5,296059호에 따르면 비정질 마그네슘 합금을 제조하는 공정은 합금의 유리천이온도 범위에서 정해진 스트레인 비율로 설정된 스트레인을 작용하여 과냉각 액체범위를 지니는 비정질 합금에 유연성을 부여하는 것을 특징으로 한다. 비정질 합금은 구형이거나 불규칙한 형상의 분말상 또는 얇은 리본이나 그 결합상 혹은 비정질 합금 물질 주조물의 형태이다. 스트레인의 크기 및 스트레인 비율은 각각 50% 이상 및 2.time.10.sup.-2/sec 이상으로 하고, 비정질 합금 물질은 노(furnace)내에서 자연냉각하는 것이 바람직하다. 적용할 비정질 합금의 적절한 예로는 Al-TM-Ln, Mg-TM-Ln, Zr-TM-Al 및 Hf-TM-Al 합금이 포함되며 여기서 TM은 천이금속 성분이고 Ln은 희토류 금속 성분이다. 그렇게 얻어진 비정질 합금은 특정의 고온 작업에 따른 취성을 방지하는데 큰 효과가 있다.

그리고 또 다른 미합중국 특허 제 5,350,468호에 따르면 다양한 합금 분말, 얇은 리본 또는 비정질상으로 된 벌크 물질을 금속간 화합물이나 기타 화합물이 생성되지 않는 온도로 가열하여 고강도 및 인성을 지니는 비정질 합금 물질을 제조하는 공정이 개시된다. 가열과정에서 주합금 성분 및 첨가 성분으로 된 과포화 고상액으로 이루어진 입경 5nm∼500nm의 미세결정 입자가 비정질 소지내에 5∼50%의 부피 비율로 침강되고 균일하게 확산된다. 공정중에 가열과 동시에 가압 및 다른 작용이 동시에 수행되고 동일한 공정으로 합금 결과물의 결합 및 강화가 가능하다.공정에 적용되는 비정질 합금은 주성분으로 Al, Mg 또는 Ti을 포함하고 첨가 성분으로 희토류 및 다른 성분을 포함한다.

그러나, 종래의 마그네슘계 비정질 합금은 대부분이 melt spinning, splat quenching, 그리고 liquid atomization과 같은 급속응고법을 이용하여 수십 ㎛ 정도의 두께인 리본 또는 분말형태로 밖에 비정질화 하지 못하여 실용화에 한계가 있었다.

한편 고압주조법은 금형내에 주입된 용탕에 유압프레스 등을 이용하여 기계적인 고압력을 가하거나 별도로 설치된 주형 캐비티로 용탕을 서서히 압입시켜 성형, 응고를 완료시키는 제조법이다. 이는 액상에서 고상으로 불연속적인 체적변화를 하는 응고과정에 프레스 단조를 조합시킨 복합 가공법으로서 공정 초반은 중력주조, 후반에는 형단조와 유사하다. 이처럼 용융금속을 가압하는 경우에 고려될 수 있는 현상으로는 융점의 상승, 확산계수의 감소, 기포발생의 억제, 가스의 용해도 증가, 열전도와 응고속도의 증가, 공극(air gap)의 감소, 고액계면에서의 젖음성의 개선에 의한 응고조직의 미세화 등이 있다.

그러나 용탕단조법 등 종래의 고압주조/성형법에 의해서는 합금 용해시 비산화성 분위기, 적절한 몰드 예열 등 공정인자의 제한 때문에 벌크 비정질 합금의 제조에 활용하기 위해서는 문제점이 있다.

이에 본 발명자들은 비정질 마그네슘 합금의 벌크 비정질 제조능을 향상시키기 위하여 연구 노력한 결과, 우수한 비정질 형성능을 갖는 마그네슘 합금을 개발하게 되었으며 고압주조법의 공정상의 이점을 비정질 제조에 응용하여 비정질 마그네슘 합금의 벌크 비정질 제조능을 향상시킬 수 있는 고압주조/성형법에 의한 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조법을 개발하게 되었다.

본 발명은 비정질 마그네슘 합금의 벌크화에 고압주조/성형법을 도입함으로써 고압주조법의 공정상 이점에 의해 비정질 제조능을 향상시켜 수십 K/sec 이하의 냉각속도를 가지는 금형주조(Metallic Mold Casting)로도 비정질 마그네슘 합금을 벌크화 하는데 그 목적이 있다.

도 1은 급속응고를 통해서 제조된 마그네슘 합금에서 첨가한 제 4 원소에 따른 비정질화 거동을 X-선 회절기를 이용하여 분석한 결과를 나타내는 그래프로서, 각각 (a) 구리 함량 25원자량%, (b) 구리함량 15원자량%, 은 함량 10원자량%, (c) 구리함량 15원자량%, 니켈 함량 10원자량%, (d) 구리함량 15원자량%, 아연 함량 10원자량%일 경우이고,

도 2는 본 발명에 따른 벌크 비정질 마그네슘 합금을 제조하기 위한 성형장치를 나타내는 구성도이고,

도 3은 본 발명에 따라 제조된 벌크 비정질 마그네슘 합금(직경 10mm, 시편길이 75mm)의 표면형상을 나타내는 사진으로, 구리함량 15원자량%, 은 함량 10원자량%일 경우이고,

도 4는 도 3의 합금을 시차열분석기를 이용하여 분석한 결과를 나타내는 그래프로서, 구리함량 15원자량%, 은 함량 10원자량%일 경우이고,

도 5는 종래의 장치 및 본 발명의 장치에 의해 각각 제조된 벌크 비정질 마그네슘 합금을 직경에 따라 X-선 회절기를 이용하여 분석한 결과를 나타내는 그래프로서, 여기서 (a) 및 (c)는 종래의 방법에 의해, (b) 및 (d)는 본 발명에 따라제조된 구리함량 15원자량%, 은 함량 10원자량%이고 그 직경이 각각 5mm 및 7mm와 7mm 및 10mm인 시편에 대한 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

10 : 케이싱 11 : 흑연도가니

12 : 구리몰드 12a : 냉각공

13 : 플런저 14 : 유도코일

15 : 로터리펌프 16 : 디퓨젼펌프

17 : 배기밸브 18 : 서모커플

19 : 냉각수관

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 구리, 이트륨을 함유하면서 그 성분조성에 적량의 은, 니켈, 아연 등의 제 4 원소가 함유되어 있는 것을 기본으로 하는 비정질 마그네슘 합금을 제조하는 장치에 있어서: 내부에 진공압이 형성되도록 로터리펌프(15) 및 디퓨젼펌프(16)와 연결되고, 진공압의 해제를 위한 배기밸브(17)를 구비하는 밀폐 가능한 구조의 케이싱(10); 시료의 용융을 위한 유도코일(14)과 함께 상기 케이싱(10)의 내부에 수용되고, 용융합금(M)을 가압하기 위한 플란저(13)를 구비하는 흑연도가니(11); 및 상기 흑연도가니(11)의 일단에 연통되도록 결합되고, 소정의 형상으로 성형하기 위한 캐비티 외측으로 외부의 냉각수관(19)과 연통되는 냉각공(12a)을 구비하는 구리몰드(12)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하자 한다.

본 발명은 고압주조/성형법에 의한 벌크 비정질 마그네슘 합금의 제조장치에 관한 것으로, 구리 0∼25원자량%, 이트륨 0∼15원자량%을 함유하는 마그네슘 합금에 있어서, 은 0∼25원자량%, 니켈 0∼25원자량% 및 아연 0∼25원자량% 가 제 4 원소로 함유되어 있는 비정질 마그네슘 합금조성을 기본으로 하고 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이 급속응고를 통해서 제조된 시편의 경우, 제 4 원소로 은, 니켈, 아연을 첨가한 합금 조성 모두에서 전형적인 비정질상에 대한 할로 패턴(halo pattern)이 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 본 발명의 기본 조성이 비정질 형성 영역내에 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 조성으로 이루어진 비정질 마그네슘 합금은 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명에 해당하는 성형장치를 이용해 벌크 비정질화 할 수 있다. 본 발명의 성형장치는 시료의 용융을 위한 가열수단과, 유압프레스에 의해 가압을 하는 가압수단과, 수냉되며 높은 가압력을 받는 몰드와, 조업 분위기 제어를 위한 진공배기수단으로 이루어진다.

도 2에서, 본 발명은 구리, 이트륨을 함유하면서 그 성분조성에 적량의 은, 니켈, 아연 등의 제 4 원소가 함유되어 있는 것을 기본으로 하는 비정질 마그네슘 합금을 제조하는 장치에 있어서 케이싱(10)은 내부에 진공압이 형성되도록 로터리펌프(15) 및 디퓨젼펌프(16)와 연결되고, 진공압의 해제를 위한 배기밸브(17)를 구비한다. 케이싱(10)은 밀폐 가능한 구조로서 필요에 따라 도어를 개방하여 시료를 넣고 완성된 주조물을 꺼낼 수 있도록 한다. 케이싱(10)의 소재는 고온, 고압에 견디는 강도를 지녀야 한다.

또한, 본 발명에 따르면 용융합금(M)을 가압하기 위한 플란저(13)를 구비하는 흑연도가니(11)가 외면을 감싸는 유도코일(14)과 함께 상기 케이싱(10)의 내부에 수용된다. 플런저(13)는 케이싱(10) 외부에서 유압프레스(도시 생략)에 연결한다. 유도코일(14)은 고주파 유도에 의해 충분한 발열량을 확보할 수 있을 정도의 권수로 권취한다. 유도코일(14)을 통한 정확한 온도제어를 위해 흑연도가니(11) 상에 서모커플(18)을 설치한다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 흑연도가니(11)의 일단에 구리몰드(12)가 연통되도록 결합된다. 구리몰드(12)는 소정의 형상으로 성형하기 위한 캐비티 외측으로 외부의 냉각수관(19)과 연통되는 냉각공(12a)을 구비한다. 냉각공(12a)은 구리몰드(12) 벽면에 나선형으로 형성한다.

이러한 성형장치를 사용하는 경우 고상의 시료를 플란저(13)에 넣고 아르곤 분위기하에서 유도코일(14)에 통전하면 용융합금(M)이 생성되고, 소정의 시간후 플런저(13)가 작동하면 용융합금(M)이 수냉되어지고 있는 구리몰드(12) 내부의 캐비티에 충진되면서 원하는 형상으로 벌크 비정질화를 가능하게 한다.

이와 같은 성형장치를 이용한 공정은 벌크 비정질상의 형성을 가능케 하는 공정의 한 방법으로써 간주될 수 있으며, 다음과 같은 특징을 지닌다.

(1) 용융합금을 몰드안으로 충진하는 것이 수 초내에 이루어져서, 이로 인해 커다란 급냉효과와 높은 벌크 비정질 생성 속도를 얻을 수 있다.

(2) 고압으로 가압하는 것이 용융금속과 몰드 사이에 접촉을 향상시켜서 net shape 합금 형성이 용이할 뿐만 아니라 몰드와 용탕사이의 계면에 열이동과 열전달계수를 증가시킴으로써 냉각능를 향상시킨다.

(3) 응고 중에 수축공으로 인해서 생성되는 주조결함이 감소된다.

(4) 복잡한 형상을 원하는 경우에도 액체상태로부터 직접 생산할 수 있다.

위와 같은 공정상의 이점은 첨부도면 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 벌크 비정질 마그네슘 합금의 표면 형상을 통해 확인할 수 있는 바, 시편 표면에 어떤 기공이나 통공이 없고 좋은 광택 특성을 가짐을 알 수 있다.

또한 본 발명에 의해 제조된 벌크 비정질 마그네슘 합금을 시차열분석기를 이용하여 분석한 결과, 도 4에 나타낸 바와 같이 시편의 상, 중, 하부의 가운데 부분, 바깥 부분 모두에서 균일하게 비정질화가 이루어졌음을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 본 발명에 의한 성형장치가 비정질 형성능을 향상시키면서 균일한 벌크 비정질상을 만드는데 용이한 것을 확인할 수 있었다.

위와 같은 결과를 통해 고압주조/성형법에 의한 본 발명의 벌크 비정질 마그네슘 합금의 성형장치는 벌크 비정질 제조에 우수한 것을 알 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예 1∼2

표 1에 나타낸 바와 같은 조성으로 마그네슘 합금을 본 발명에 의해 개발된 성형장치(실시예)와 종래의 인젝션 주조장치(비교예 1), 그리고 급속응고장치(비교예 2)를 통하여 제조하였다. 본 비교예 1에서 사용된 인젝션 주조장치는 시료를 아르곤 분위기하의 고주파 유도코일에서 용해한 후, 일정한 주사압을 가해주어 수냉되고 있는 구리몰드에 충진하여 65mm의 일정한 길이를 가진 봉상 시편들을 얻을 수 있도록 설계된 장치이고, 급속응고장치는 직경이 약 230mm인 동으로 이루어진 단롤을 가진 멜트스피닝 장치로서 롤의 회전 속도를 3000r.p.m.으로 조절하여 두께가 약 45㎛, 폭이 약 2mm의 리본상으로 시편을 제조하였다.

상기와 같은 방법으로 제조된 마그네슘 합금에 대하여 비정질 형성능을 평가하는 인자인 과냉각액체영역 구간(), T_rg()값, K() 값 및 벌크 비정질 형성 직경을 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

구 분	실시예	비교예 1	비교예 2
합금조성(원자량%)	구리	15	15	15
	은	10	10	10
	이트륨	10	10	10
	마그네슘	나머지	나머지	나머지
ΔT_x	44.7	43.9	45.2
벌크 비정질화 거동	T_rg	0.61	0.60	0.62
	K	0.19	0.17	0.17
	d_max(mm)	≥10	＜ 6	＜ 1

상기 표 1의 결과로부터 본 발명에 의한 성형장치를 이용하여 제조된 시편의 경우, 급속응고법에 의해 제조된 시편(비교예 2)과 비교해 비정질 형성능을 대변하는 인자인 ΔT_x, T_rg및 K값이 유사한 값을 가짐을 확인할 수 있었고, 이에 따라 본 발명에서 개발된 장치의 비정질 형성능이 급속응고법과 견줄 만큼 우수한 것을 확인할 수 있었다.

그리고, 본 발명에 의해 제조된 시편(실시예)의 경우가 비정질 합금의 벌크화에 기존에 사용되던 인젝션 주조장치에 의해 제조된 시편(비교예 1)에 비해 비정질 형성능을 나타내는 d_max가 우수함을 통해 본 발명에서 개발된 장치가 벌크 비정질 제조능을 향상시키는 것을 확인할 수 있었다.

상기 실시예와 비교예 가에 따라 제조된 벌크 비정질 마그네슘 합금에 대하여 X-선 회절기를 이용하여 분석을 행하였으며, 그 결과는 첨부도면 도 5에 나타낸 바와 같다.

도 5의 결과로부터 본 발명에 의해 개발된 고압주조/성형장치에 의해 제조된 시편(실시예)에서는 직경 7mm(b)와 10mm(d)인 경우 모두에서 전형적인 비정질상에 대한 할로 패턴이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 결정상이 포함되어 있음을 암시하는 회절피크는 나타나지 않았다. 반면에 인젝션 주조장치에 의해 제조된 시편(비교예 1)의 경우, 직경 5mm(a)인 경우에서는 전형적인 비정질상에 대한 할로 패턴이 나타나 비정질이 형성되었음을 확인할 수 있었지만, 직경 7mm(c)인 경우는 결정상이 포함되어 있음을 암시하는 회절피크가 나타났으며, Mg₂Cu, AgMg₃및 Cu₂Y 등의 결정상들이 석출됨을 확인할 수 있었다.

상기와 같은 결과로부터 본 발명의 성형장치는 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조하는데 적합하며, 기존에 제안된 벌크 비정질 제조장치보다 우수한 벌크 비정질 제조능을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

또한 10mm 이상의 벌크 비정질 마그네슘 합금의 제조에 성공함으로써 비정질 경량소재의 성형에 적용하는 것이 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 고압주조법의 공정상의 이점을 비정질 제조에 응용하여 우수한 비정질 형성능을 가지는 마그네슘 합금의 벌크 비정질 제조능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

구리, 이트륨을 함유하면서 그 성분조성에 적량의 은, 니켈, 아연 등의 제 4 원소가 함유되어 있는 것을 기본으로 하는 비정질 마그네슘 합금을 제조하는 장치에 있어서:

내부에 진공압이 형성되도록 로터리펌프(15) 및 디퓨저펌프(16)와 연결되고, 진공압의 해제를 위한 배기밸브(17)를 구비하는 밀폐 가능한 구조의 케이싱(10);

시료의 용융을 위한 유도코일(14)과 함께 상기 케이싱(10)의 내부에 수용되고, 용융합금(M)을 가압하기 위한 플란저(13)를 구비하는 흑연도가니(11); 및

상기 흑연도가니(11)의 일단에 연통되도록 결합되고, 소정의 형상으로 성형하기 위한 캐비티 외측으로 외부의 냉각수관(19)과 연통되는 냉각공(12a)을 구비하는 구리몰드(12)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 벌크 비정질 마그네슘 합금 제조를 위한 성형장치.