KR100343124B1 - 고강도 Ｍｇ-Ｚｎ-Ｃａ계 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5.0∼6.5중량%의 Zn과, 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 미만의 Ca를 포함하며 그 나머지가 Mg로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 Mg-Zn-Ca계 합금에 관한 것으로서, 이는 경량으로서 자동차, 항공기 등의 수송기기의 구조재료로서 적합하며, 현재 알려진 Mg 합금 중 최고강도를 나타내는 Mg-Zn-Zr계 합금과 거의 비슷한 수준이며, 생산비 측면에서 유리하므로 기존 Mg 합금 구조재료의 대체품으로 적용 가능하다.

Description

고강도 Ｍｇ-Ｚｎ-Ｃａ계 합금{High Strength Mn-Zn-Ca based alloys}

본 발명은 고강도 Mg-Zn-Ca계 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 Mg-Zn계 합금에 Ca를 첨가하여 상온강도 및 연신율이 우수한 합금에 관한 것이다.

현재 새로운 수송기기용 구조재료개발의 목표는 경량화에 의한 연비감소와 환경문제 해결에 있는 바, 이에 가장 적합한 Mg 합금의 사용이 최근 급격히 증가하고 있다.

이중 대표적 고강도 Mg 합금인 ZK(Mg-Zn-Zr)계는 지르코늄 첨가로 인한 결정립 미세화 효과로 인해 현재 개발·상용화된 합금 중에서 상온강도가 가장 우수한 합금계로 알려져 있다.

또 다른 Mg-Zn계 합금으로서, 제 3원소로 희토류 금속을 첨가하여 결정립 미세화 시켜 고온강도를 향상시킨 ZE(Mg-Zn-RE)계 합금이 개발되어 실용화되어 있다.

그리고, Mg-Zn 합금에 Cu 첨가한 ZC(Mg-Zn-Cu)계 합금도 개발되어 있다.

그러나, 이중 Zr을 첨가한 합금은 현저한 결정립 미세화에 의해 강도 및 연신율은 증가하지만, Zr의 높은 융점으로 인하여 생산비가 증가되는 문제점이 있다.

그리고, Mg-Zn-Re계 합금이나 Mg-Zn-Cu계 합금의 경우는 비교적 최근에 개발된 합금으로서, 고온강도 특성은 우수하다고 알려져 있으나, 상온 강도 특성은 Mg-Zn-Zr합금에 미치지 못하는 문제점이 있다.

이에 본 발명자는 이미 개발되어 실용화되어 있는 Mg-Zn-Zr(ZK)계 및 Mg-Zn-RE(ZE)계 합금과 상온 강도 및 연신율이 동등하거나 그 이상인 Mg합금을 개발하고자 노력한 결과, 현재까지 개발되어 있지 않은 합금원소로서 Ca을 첨가한 결과 우수한 상온 강도 및 연신율을 가짐을 알게되어 본 발명을 완성하게 되었다.

본 발명은 상온 강도가 우수하고 연신율이 우수한 Mg-Zn-Ca계 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 Mg-Zn-Ca계 합금은 본 발명은 5.0∼6.5중량%의 Zn과, 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 미만의 Ca를 포함하며 그 나머지가 Mg로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 Mg-Zn계 합금에 Ca를 첨가하여 조성된 합금에 관한 것으로서, Zn의 첨가량은 5,0∼6.5중량%인 것이 바람직하다.

일반적으로 Zn은 고용강화에 의한 강도 향상을 위해 첨가되는 것으로서, 그 첨가량이 5.0중량% 미만이면 적은 Zn 함량에 따른 강도 저하 및 열처리 효과의 감소 등의 문제가 있고 6.5중량% 초과면 공정상의 정출에 의해 재료가 취약해지는 문제가 발생될 수 있다.

한편, Ca는 결정립 미세화에 의한 강도 증가 및 가공성 증가 등의 역할을 하는 원소로서, 그 첨가량이 0.1중량% 미만이면 Ca 첨가 효과가 적으므로 조대한 결정립에 의한 강도 저하 및 취약한 문제가 있고, 0.5중량% 이상이면 Ca 함유 화합물의 생성에 의해 재료가 적은 충격에도 파괴되는 취약성을 나타내는 문제가 있다.

이와같은 조성의 합금을 제조하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

합금 제조에는 순 Mg(순도 99.8%)과 Zn(순도 99.9%), 그리고 Mg-15wt%Ca(Ca의 순도는 99.9%) 모합금을 이용하여 제조한다.

합금 용해는 전기저항로를 이용하여 아르곤 가스 분위기로 행하며, 중력금형주조한다. 이때 Ar 가스는 용해시에는 0.4ℓ/분, 주조시에는 0.8ℓ/분을 흘려 주며, 용해 온도는 740℃로 하고, 720℃에서 1시간 유지한 다음 주조한다.

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

본 실시예에서,

인장 특성 평가를 위한 인장시험편의 제조는 평행부 길이 15.2mm, 표점거리 12.6mm, 두께 2mm, 평행부 폭이 5mm인 판상형 시험편으로 하였으며, 시험편 표면부의 균일성을 유지하기 위해 표면부를 정밀연마하여 두께오차를 1/100로 하였다.

실시예 1∼4 및 비교예 1∼4

다음 표 1, 2에 나타낸 바와 같은 조성비로 상기와 같은 방법에 따라 합금을 주조하고 주방상태에 있어서 상온에서 기계적 성질을 측정하였으며, 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

	합금조성	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)	파단연신율(%)
실시예 1	Mg-6wt%Zn-0.1wt%Ca	225	72	9.3
실시예 2	Mg-6wt%Zn-0.3wt%Ca	255	112	19.8
실시예 3	Mg-6wt%Zn-0.5wt%Ca	159	71	7.6
실시예 4	Mg-6wt%Zn-0.7wt%Ca	161	69	7.5
비교예 1	Mg-6wt%Zn	214	92	8.9

한편, T6열처리한 시험편의 상온 기계적 성질을 측정하여 다음 표 2에 나타내었다.

	합금조성	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	파단연신율(%)
실시예 1	Mg-6wt%Zn-0.1wt%Ca	283	180	7.5
실시예 2	Mg-6wt%Zn-0.3wt%Ca	276	174	7.2
실시예 3	Mg-6wt%Zn-0.5wt%Ca	191	111	5.1
비교예 2	Mg-6wt%Zn-0.8wt%Zr	270	180	5
비교예 3	Mg-6wt%Zn-3wt%Cu-0.5wt%Mn	240	145	5
비교예 4	Mg-6wt%Zn-3wt%RE-0.7wt%Zr	300	190	10

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이 Ca량이 증가함에 따라 Ca 첨가에 의한 결정립 미세화 효과에 의해 인장강도 및 연신율은 Mg-6wt.%Zn 2원계 합금에 비해 많이 증가함을 알 수 있다. 그러나, Ca의 량이 0.5wt% 이상이 되면 생성되는 화합물이 취성파괴를 유발하므로 오히려 강도와 연신율은 감소하는 결과를 보였다. 또한, 현재까지 알려진 대표적인 Mg-Zn계 합금인 ZK61(비교예 1) 및 ZC63 합금(비교예 3)과 비슷한 수준이거나 그 이상의 상온 인장특성을 나타냄을 알 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 Mg-Zn-Ca계 합금은 경량으로서 자동차, 항공기 등의 수송기기의 구조재료로서 적합하며, 현재 알려진 Mg 합금 중 최고강도를 나타내는 Mg-Zn-Zr계 합금과 거의 비슷한 수준이며, 생산비 측면에서 유리하므로 기존 Mg 합금 구조재료의 대체품으로 적용 가능하다.

Claims (1)

1. 5.0∼6.5중량%의 Zn과, 0.1 중량% 이상 0.5 중량% 미만의 Ca를 포함하며, 그 나머지가 Mg로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 Mg-Zn-Ca계 합금.