KR100421102B1 - 다이 캐스팅 마그네슘 합금 - Google Patents

다이 캐스팅 마그네슘 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내열성과 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금을 제공하는 것이며, 본 발명의 합금은 1.5 내지 6중량%의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.01 내지 1중량%의 Sr, 0.1 내지 1중량%의 Mn, 나머지량의 Mg, 및 불가피한 불순물을 포함하는, 내열성과 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금이다. 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같은 조성에 희토류 원소가 더 첨가되면 보다 더 탁월한 효과를 얻을 수 있다.

Description

다이 캐스팅 마그네슘 합금{Die casting magnesium alloy}
본 발명은 내열성과 캐스팅성이 우수한 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 관한 것이다.
최근, 자동차를 포함하는 운송 수단에서의 경량화와 관련하여 마그네슘 합금이 주목받고 있다.
이러한 마그네슘 합금으로는, 예를 들면 알루미늄 함량이 2 내지 6중량%인 Mg-Al 합금 (예를 들면, ASTM (American Society for Testing and Materials) 표준에서 정의된 AM60B, AM50A, 또는 AM20A) 또는 Al 함량이 8 내지 10중량%이고 Zn 함량이 1 내지 3중량%인 Mg-Al-Zn 합금 (예를 들면, ASTM 표준에서 정의된 AZ91D)과 같은 캐스팅 마그네슘 합금이 알려져 있다. 이들 마그네슘 합금은 우수한 캐스팅성을 가지며 다이 캐스팅용으로 사용될 수 있다.
그러나, 이러한 마그네슘 합금은 125 내지 175℃ 범위의 고온, 예를 들면 150℃의 고온에서의 크립 강도(creep strength)가 낮기 때문에 이 합금을 엔진 부근의 부품으로서 사용하게 되면 사용중에 항복 현상이 일어나서 부품을 조여주는 볼트가 느슨해진다.
예를 들면, 통상적인 다이 캐스팅 합금인 AZ91D는 캐스팅, 인장 강도 및 내부식성은 우수하지만 크립 강도가 불량하다.
AE42는 희토류 금속을 포함하는 내열성 다이 캐스팅 합금으로서 알려져 있는데, 캐스팅성이 우수하지 않을 뿐 아니라 크립 강도가 불량하다.
따라서, 최근에는 Ca를 Mg-Al 합금에 첨가한 합금이 제안되었다 (일본 특허 출원 공개공보 평7-11374호 및 일본 특허 출원 공개공보 평 9-291332호).
그러나, 이들 Mg-Al-Ca 합금은 크립 강도가 개선되기는 하지만 알루미늄 합금 ADC12 (Al-1.5-3.5Cu-9.6-12.0Si; AA A384.0에 상응함)에 비해서는 크립 강도가 불량하다. 게다가, 이들 Mg-Al-Ca 합금은 다이-캐스팅성 악화에 의하여 미스런 (misrun)과 캐스팅 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 이들 합금은 희토류 원소를 필수 성분으로서 포함하고 있는데 희토류 원소를 다량으로 첨가하면 가격이 상승한다.
최근들어 전술한 다이 캐스팅 기법과는 다른 딕소캐스팅 기법 (thixocastingtechnique)이 마그네슘 합금의 캐스팅에 적용되기 시작하였다. 이 기법은 반고체 상태에서 사출 성형을 실시하는 방법이기 때문에 Mg-Al-Ca 합금에 캐스팅 크랙이 발생하는 것을 방지하는데 효과적일 것으로 생각된다.
그러나, 이 기법은 결코 완전한 방법이 아니며 현재 자동차 부품에는 적용되지 않는 방법이다. 따라서, Mg 합금을 캐스팅하는 방법으로는 다이 캐스팅 기법이 여전히 광범위하게 사용되고 있다.
일본국 특허 출원 공개공보 평4-231435호 (미국 특허 번호 제5,147,603호)에 개시된 것처럼, 인장 파열 하중이 290 MPa 이상, 인장 파열 연신율이 5% 이상이고, 2 내지 11중량%의 Al, 0 내지 1중량%의 Mn, 0.1 내지 6중량%의 Sr, 나머지량의 Mg, 및 주요 불순물 성분인 0.6중량% 미만의 Si, 0.2중량% 미만의 Cu, 0.1중량% 미만의 Fe 및 0.01중량% 미만의 Ni를 필수적으로 포함하는 마그네슘 합금이 이미 출원되어 있다.
상기 특허 출원의 마그네슘 합금은 급속 응고법 (rapid solidification method)에 의해 생산되는데 기계적 강도가 우수하고 내부식성이 탁월한 합금이며, 롤러 퀸칭법 (roller quenching), 분무법 또는 원자화 방법(automization method)에 의하여 용융 합금으로부터 밴드, 분말 및 팁의 형태로 제조된다. 전술한 특허는 생성된 밴드, 분말 또는 팁을 압축하여 빌렛 (billet)을 형성하고 형성된 빌렛을 통상의 방법대로 압출 또는 정수 압출 (hydrostatic extrusion)시켜서 원하는 형태를 갖는 생성물을 수득하는 기법을 개시하고 있다.
상기 특허 출원의 합금은 급속 응고 공정에 의해 생산되며 290 MPa 이상의매우 높은 인장 파열 하중을 가지고 있으나, 급속 응고법에 의해 밴드, 분말 또는 팁 형태의 고체로서만 얻어지는 금속이다. 생성물을 소망하는 형태로 성형하기 위해서는 급속 응고 공정에 의해 수득된 밴드, 분말 또는 팁 형태의 합금 분말 또는 합금 과립을 통상의 압출 또는 정수 압출과 같은 가열 압축 몰딩법에 의해 압축시켜야 한다. 또한, 최종적으로 얻어질 수 있는 형태가 제한적이다.
본 발명이 이루고자 하는 목적은 내열성과 캐스팅성이 탁월할 뿐 아니라 크립 특성도 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 전술한 바와 같은 탁월한 특성들을 가지며 캐스팅에 의해 자유자재의 형태로 성형될 수 있을 뿐 아니라 저렴한 가격에 공급할 수 있는 다이 캐스팅 마그네슘 합금을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 목적은 엔진 주변의 복잡한 형태를 갖는 부품 또는 얇은 벽층 구조를 갖는 부품들을 제조하기에 적당하며 내열성과 캐스팅성이 탁월할 뿐 아니라 크립 특성도 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금을 제공하는 것이다.
도 1은 Ca 함량과 최소 크립율 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 Ca 함량과 평균 캐스팅 크랙 길이 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 Sr 함량과 최소 크립율 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 Sr 함량과 평균 캐스팅 크랙 길이 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 구현예에서 얻은 캐스팅을 나타내는 도면으로서, 도 5a는 캐스팅의 측면을 나타내고, 도 5b는 캐스팅의 평면을 나타낸다.
Ca를 포함하는 Mg-Al-Ca 합금에서 추가 성분이 이 합금의 캐스팅성과 크립 강도에 미치는 영향에 대한 집중적인 연구 결과, 본 발명자들은 Ca의 첨가에 의해 열화된 다이 캐스팅 특성이 Sr의 첨가에 의해 현저하게 개선될 수 있으며 크립 강도 역시 더 개선되었음을 발견하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 전술한 바와 같은 사실에 근거하여 얻어졌으며, 전술한 목적들은,
1.5 내지 6중량% (이하에서, "내지"란 별도의 언급이 없는한 상한값과 하한값을 포함하는 수치 제한 범위를 의미하며, "1.5 내지 6중량%"란 1.5중량% 이상이면서 6중량% 이하인 범위를 나타낸다)의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.01 내지 1중량%의 Sr, 0.1중량% 내지 1중량%의 Mn, 나머지량의 Mg 및 불가피하게 발생하는 불순물을 포함하는, 내열성과 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 의하여 달성될 수 있다.
후술하는 테스트 결과에 근거하여, Al 함량을 "1.5 내지 6중량%"로 한정하였다.
Al 함량이 6중량% 이하이면 상당 부분의 Al이 고체 상태의 Mg 매트릭스로 도입된다. 합금의 인장 강도는 고용체 경화 (solid-solution hardening)에 의해 향상된다. 또한, 합금의 크립 특성은 Ca와의 결합으로 인해 과립 경계면에서 결정화되어 석출되는 Al-Ca 화합물의 네트워크형 구조에 의해 개선된다. Al은 합금의 캐스팅성을 개선하기도 한다.
그러나, Al 함량이 6중량%를 초과하면 크립 특성이 급격하게 악화된다. 반대로, Al 함량이 1.5중량% 미만이면, 전술한 효과들 (고용체 경화에 의한 합금의 인장 강도 개선 효과, 크립 특성 개선 효과)가 불량하다. 특히, Al 함량이 1.5중량% 미만이면 생성되는 합금의 강도가 낮고 실용성이 떨어지기 쉽다.
전술한 배경들을 고려하여, Al 함량의 범위를 1.5 내지 6중량%로 한정하였다. Al 함량은 상기 범위 중에서도 4.0중량%보다는 많고 6중량% 이하인 범위가 바람직하다.
크립 특성은 Ca 함량이 증가함에 따라 개선된다. Ca 함량이 0.3중량% 미만이면 개선 효과가 미미하다. 그러나, Ca 함량이 2중량%를 초과하면 캐스팅 크랙이 발생하기 쉽다.
전술한 배경들을 고려하여, Ca 함량의 범위를 0.3 내지 2중량%로 한정하였다. Ca 함량은 전술한 범위 중에서도 0.5 내지 1.5중량% 범위인 것이 바람직하다.
또한, 크립 특성은 Sr 함량 증가에 따라 개선되며 캐스팅 크랙이 일어나지 못하도록 한다. Sr 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 이 효과가 미미하다. 반면에, Sr 함량이 1중량%를 초과하더라도 이 효과는 포화 상태가 되어 더 좋아지지 않는다.
본 발명에 있어서, Sr 함량을 0.01 내지 1중량%의 범위로 한정하였다. 전술한 조건하에서, Sr 함량 범위는 바람직하게는 0.15중량%를 초과하면서 1중량% 이하, 더 바람직하게는 0.2중량%를 초과하면서 1중량% 이하, 보다 더 바람직하게는 0.2중량%를 초과하면서 0.4중량% 이하이다.
Mn을 이 합금에 첨가하면, 내부식성이 개선되며 크립 강도 역시 개선된다. 또한, 보정 응력 (proof stress), 특히 고온에서의 보정 응력이 개선된다.
Mn 함량이 0.1중량% 미만이면 이 효과는 미미하다. 그러나, Mn이 1중량%를 초과하는 경우에는 주 원소인 Mn 입자 다량이 결정화된다. 따라서, 생성되는 합금이 쉽게 부서짐으로써 인장 강도가 저하된다.
전술한 이유로 인하여 Mn 함량을 0.1 내지 1중량% 범위로 한정하였다. Mn 함량 범위는 0.2 내지 0.7중량%인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 Mg 합금에서 필수 원소는 Mg 이외에 Al, Ca, Sr 및 Mn이다. 그외 원소들로는 불가피한 불순물이 포함된다.
그러나, Si, Zn, 및 희토류 원소들이 전술한 바와 같은 비율로 포함되는 경우에는 다음과 같은 잇점이 있다.
때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 이외에도 0.001 내지 1중량%, 바람직하게는 0.01중량%를 초과하면서 1중량% 이하, 더 바람직하게는 0.1 내지 1중량%, 보다 더 바람직하게는 0.1 내지 0.6중량%의 Si를 더 포함한다. 때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 이외에도 0.2 내지 1중량% (바람직하게는 0.4 내지 0.8중량%)의 Zn을 더 포함한다. 때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 이외에도 0.1 내지 3중량% (바람직하게는 0.1중량% 이상 내지 1.0중량% 미만, 더 바람직하게는 0.1중량% 이상 내지 0.5중량% 미만)의 희토류 원소들을 더 포함한다.
전술한 함량만큼의 Si를 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 캐스팅성이 더 개선되어 캐스팅 크랙이 일어나기 어려워지는 잇점을 얻을 수 있다.
전술한 함량만큼의 Zn을 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 고용체 경화에 의해 인장 강도가 개선되는 잇점을 얻을 수 있다.
전술한 함량만큼의 희토류 금속을 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 크립 강도가 더 개선되는 잇점을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 희토류 원소를 포함하는 합금은 1.5 내지 6중량%의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.01 내지 1중량%의 Sr, 0.1 내지 1중량%의 Mn, 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소 (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu중 1종 이상), 나머지량의 Mg 및 불가피한 불순물을 포함한다. 희토류 원소의 함량이 3중량%를 초과하면 캐스팅 크랙이 증가하고 다이-점착이 심해져서 캐스팅성이 악화된다. 또한, 구성 중에 Al-RE 화합물의 조립화 (coarsening)가 발생하여 기계적 강도를 악화시킨다. 게다가 희토류 원소는 가격이 비싸기 때문에 가격 면에서 볼때 소량 사용할수록 더 좋다.
Mg-Al-Ca-Mn-Sr 합금과 같은 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 통상의 Mg 합금 용융 기법에 따라서 만들어진다. 예를 들어, 합금은 SF6/CO2/공기와 같은 보호 기체를 이용하여 철 도가니에서 용융시켜서 얻을 수 있다.
본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 인장 강도, 보정 응력, 연신율 등과 같은 기계적 특성이 탁월하며, 캐스팅시에 다이 점착이 일어나지 않는 탁월한 캐스팅성을 가질 뿐 아니라, 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 대하여 특히 탁월한 특성인 크립 특성과 내부식성을 갖는다. 본 발명의 마그네슘 합금에 따르면, 박막 구조의 벽을 갖는 캐스트 부품을 제조하는 경우에도 크랙킹 또는 결함이 없는 탁월한 캐스팅성을 얻을 수 있다.
본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 엔진 주변의 부품을 다이 캐스팅에 의해 제조하는데 사용되는 합금으로서 특히 바람직하며 탁월한 다이 캐스팅성 제품을 제공할 수 있다.
바람직한 구현예에 대한 설명
본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은, 예를 들면, 실린더 블럭, 실린더헤드, 실린더 헤드 커버, 오일 팬, 오일 펌프 본체, 오일 펌프 커버 및 흡입 매니폴드와 같은 엔진 주변의 구조 부재들; 및 케이스들, 즉 트란스미션 케이스, 트란스퍼 케이스, 체인 케이스, 스티어링 케이스, 조인트 커버 및 오일 펌프 커버 등과 같은 엔진 주변의 케이스 부재들과 같은 엔진 주변의 부품에 적용될 수 있다.
Al 함량을 후술하는 테스트의 결과에 근거하여 "1.5 내지 6중량%"로 한정하였다.
Al 함량이 6중량% 이하이면 Al의 상당 부분이 고체상태인 Mg 매트릭스로 도입된다. 합금의 인장강도는 고용체 경화에 의해 향상된다. 또한, 합금의 크립 특성은 Ca와의 결합으로 인해 과립 경계면에서 결정화되어 석출되는 Al-Ca 화합물의 네트워크-유사 구조에 의해 개선된다. Al은 합금의 캐스팅성을 개선하기도 한다.
그러나, Al 함량이 6중량%를 초과하게 되면 크립 특성이 급격하게 악화된다. 반대로, Al 함량이 1.5중량% 미만이면, 전술한 효과들 (고용체 경화에 의해 합금의 인장 강도가 개선되는 효과, 크립 특성이 개선되는 효과)이 불량해진다. 구체적으로. Al 함량이 1.5중량% 미만이면 생성되는 합금의 강도가 낮아지고 실용성이 불량해지기 쉽다.
전술한 바로부터, Al 함량을 1.5 내지 6중량%의 범위로 한정하였다. Al 함량은 전술한 범위중에서도 4.0중량%를 초과하면서 6중량% 이하인 것이 바람직하다.
Ca 함량을 0.3 내지 2중량% 범위로 한정하는 이유는 다음과 같다.
도 1은 Al 함량이 5중량%인 경우에 Ca 함량이 Mg 합금의 최소 크립율에 미치는 영향을 나타내는 그래프이고, 도 2는 Al 함량이 5중량%인 경우에 Ca 함량이 Mg합금의 평균 캐스팅 크랙 길이에 미치는 영향을 나타내는 그래프이다.
도 1로부터 명백하게 알 수 있듯이, 최소 크립율은 Ca 함량 증가에 따라 감소된다. Ca 함량이 0.3중량% 미만이면, 최소 크립율 개선 효과가 미미하다. 그러나, Ca 함량이 2중량%를 초과하더라도 상기 개선 효과는 포화상태가 되어 더 좋아지지 않으며 도 2에 나타낸 것처럼 캐스팅 크랙이 발생하기 쉽다.
전술한 바로부터, Ca 함량을 0.3 내지 2중량% 범위로 한정하였다. Ca 함량은 상기 범위 중에서도 0.5 내지 1.5중량% 범위인 것이 바람직하다.
Sr 함량을 0.01 내지 1중량% 범위로 한정하는 이유는 다음과 같다.
도 3은 Al 함량이 5중량%이고 Ca 함량이 1.5중량%인 경우에 Sr 함량이 Mg 합금의 최소 크립율에 미치는 영향을 나타내며, 도 4는 Al 함량이 5중량%이고 Ca 함량이 1.5중량%인 경우에 Sr 함량이 Mg 합금의 평균 캐스팅 크랙 길이에 미치는 영향을 나타낸다.
도 3 및 도 4로부터 명백하게 알 수 있듯이, 최소 크랙율은 Sr 함량 증가에 따라 감소하는 경향이 있으며 캐스팅 크랙을 발생시키기 어렵다. 이 효과는 Sr 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 미미하다. 반대로, Sr 함량이 1중량%를 초과하면 이 효과가 포화 상태에 도달하게 된다. 도 3에 나타낸 크립율의 감소로부터 명백하게 알 수 있는 것처럼, 0.1 내지 0.5중량%의 범위에서 낮은 크립율이 유지되고 그보다 함량이 높을 경우에는 크립율이 약간 증가하는 것으로 관측되었다. 도 4를 참조하면, Sr 함량이 0.1중량% 이하의 범위내에서 약간 증가하면 캐스팅 크랙 길이는 급격하게 감소하며 이러한 급격한 감소는 약 0.5중량%까지 지속된다. 반대로, Sr함량이 0.05중량%를 초과하는 경우에는 평균 캐스팅 크랙 길이가 분명히 10㎜ 미만이다. Sr 함량이 0.1중량%를 초과하면 비록 캐스팅 크랙 길이의 감소율은 약간 줄어들지만 캐스팅 크랙 길이는 충분하게 작은 값으로 감소한다. Sr 함량이 0.2중량%를 초과하면 캐스팅 크랙 길이는 실용상 문제가 되지 않을 정도로 감소한다.
전술한 바로부터, 본 발명에서 Sr 함량을 0.01 내지 1중량% 범위로 한정하였다. 전술한 상황으로부터, Sr 함량은 전술한 범위 중에서도 0.2중량%를 초과하면서 0.4중량% 이하의 범위인 것이 바람직하다.
Mn을 이러한 종류의 합금 화합물에 첨가하면 내부식성이 개선되고 크립 특성 또한 개선된다. 또한, 보정 응력, 특히 고온에서의 보정 응력이 개선된다.
Mn 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 이러한 효과가 적다, 그러나, Mn 함량이 1중량%를 초과하는 경우에는 주요 원소인 Mn 입자 다량이 결정화된다. 따라서, 생성되는 합금은 부서지기 쉬어서 인장 강도를 저하시킨다.
전술한 바와 같은 연유로, Mn 함량을 0.1 내지 1중량% 범위로 한정하였다. Mn 함량은 0.2 내지 0.7중량%의 범위 내인 것이 더 바람직하다.
본 발명의 Mg 합금의 필수 원소로는 Mg 외에 Al, Ca, Sr 및 Mn을 포함한다. 그외 다른 원소로는 불가피한 불순물들이 기본적으로 포함되어 있다.
그러나, Si, Zn 및 희토류 원소들이 후술하는 바와 같은 비율로 포함되면, 다음과 같은 잇점이 있다.
때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 외에 0.001 내지 1중량%, 바람직하게는 0.01중량%를 초과하면서 1중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.1 내지 1중량%, 보다 더 바람직하게는 0.1 내지 0.6중량%의 Si를 더 포함한다. 때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 외에 0.2 내지 1중량% (바람직하게는 0.4 내지 0.8중량%)의 Zn을 더 포함한다. 때때로, 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 전술한 성분들 이외에 0.1 내지 3중량% (바람직하게는 0.1중량% 이상 내지 1.0중량% 미만, 더 바람직하게는 0.1중량% 이상 내지 0.5중량% 미만)의 희토류 원소를 더 포함한다.
Si를 전술한 비율 범위로 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 캐스팅성이 더 향상되어 캐스팅 크랙이 발생하기 어려워진다는 잇점을 얻을 수 있다.
Zn을 전술한 비율 범위로 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 인장 강도가 고용체 경화에 의해 개선된다는 잇점을 얻을 수 있다.
희토류 원소를 전술한 범위로 더 포함하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금에 있어서는 크립 특성이 더 개선되는 잇점을 얻을 수 있다. 구체적으로는, 희토류 원소를 포함하는 합금은 1.5 내지 6중량%의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.01 내지 1중량%의 Sr, 0.1 내지 1.0중량%의 Mn, 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소 (La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 및 Lu중 1종 이상), 나머지량의 Mg와 불가피한 불순물들을 포함한다. 희토류 원소의 함량이 3중량%를 초과하는 경우에는 캐스팅 크랙이 증가하고 다이에 대한 다이-점착이 심해져서 캐스팅성을 악화시킨다. 또한, 조성 중에서 Al-RE 화합물의 조립화가 발생해서 기계적 특성을 악화시킨다. 또한, 희토류 원소는 고가이기 때문에 원가면에서 볼때 적을 양을 사용할수록좋다.
Mg-Al-Ca-Mn-Sr 합금과 같은 본 발명의 다이 캐스팅 마그네슘 합금은 Mg 합금을 용융시키는 일반적인 기법에 의해 제조된다. 예를 들어, SF6/CO2/공기와 같은 보호 기체를 이용하여 철제 도가니에서 용융시켜서 이 합금을 얻을 수 있다.
보다 구체적인 구현예를 들어 본 발명을 설명할 것이나, 본 발명이 후술하는 이들 구현예들로서 한정되지는 않는다.
하기의 표 1 및 표 2에 나타낸 조성을 갖는 Mg 합금을 SF6/CO2/공기의 혼합 기체 분위기 하에서 전기로를 이용하는 철제 도가니에서 용융시켜서 용융 합금을 형성한 다음, 냉각 챔버 다이 캐스팅기를 이용하여 캐스팅함으로써 도 5a 및 도 5b에 나타낸 것과 같은 형상을 갖는 캐스팅(1)을 수득한다.
도 5a 및 도 5b에 나타낸 캐스팅 (1)은 통상적으로 폭이 70㎜이고 높이가 150㎜인 판상재이며, 상기 판상재의 ⅓에 해당하는 부분은 두께가 3㎜인 제1부 (2)이고 다른 ⅓에 해당하는 부분은 두께가 2㎜인 제2부(3)이며, 나머지 ⅓에 해당하는 부분은 두께가 1㎜인 제3부(4)이다. 두께가 3㎜인 제1부는 비스킷(biscuit) 부분(5) 쪽에 배열되는데, 이쪽은 용융 금속을 다이에 쏟아부은 다음 두께가 2㎜인 제2부(3) 및 두께가 1㎜인 제3부(4)를 연속적으로 형성하고, 용융 금속이 제3부(4)의 팁 말단에서 흘러넘치는 곳에는 오버플로우부(6)가 더 형성된다.
희토류 원소를 미슈 금속 (52.8%의 Ce, 27.4%의 La, 15%의 Nd, 4.7%의 Pr 및 0.1%의 Sm) 형태의 용융 금속에 가하였다.
캐스팅하는 중에 캐스팅 크랙 (핫 크랙킹) 및 다이-점착이 발생하는지 여부에 따라서 다이 캐스팅성을 평가하였다.
캐스팅 크랙은 도 5a 및 도 5b에 도시된 캐스팅(1)의 두께가 1㎜에서 2㎜로 변화하는 곳 부근에서 응고 수축하는 동안의 응력 농도에 의해 의해서 일어난다. 각 합금의 샘플에 있어서, 100샷의 캐스팅을 실시하고 초기 30샷을 폐기하였다. 나머지 70샷에 대하여 각 샷마다 평균 캐스팅 크랙 길이를 측정하고 이 캐스팅 크랙 길이에 의해 캐스팅 크랙성을 평가하였다.
다이-점착 현상을 육안으로 관찰하였다.
또한, 캐스팅이 끝난, 두께 3㎜인 부분으로부터 판상 테스트 샘플을 잘라낸 다음, 인장 강도 테스트와 크립 테스트를 실시하였다.
인장 강도 테스트는 실온에서, 10톤 인스트론형 테스트기 (Instron-type testing machine)를 이용하여 크로스 헤드 속도가 5㎜/분인 조건 하에서 실시되었다.
크립 테스트는 150℃의 온도하에서 50 Mpa의 하중하에 100시간 동안 실시되었으며, 크립 곡선으로부터 크립율을 측정하고 최소 크립율에 의해 크립 특성을 평가하였다. 최소 크립율이 작을수록 크립 특성은 좋다.
염수를 240시간 동안 샘플 상에 분사한 다음, 부식에 의한 중량 손실량을 측정한 다음 내부식성 지표로서 나타낸다.
이들 결과를 하기 표 3 및 표 4에 나타낸다.
표 3에서*, 구현예 1 내지 33은 표 1에 나타낸 구현예 1 내지 33의 합금으로부터 수득한 샘플의 테스트 결과에 해당한다.
표 4에서*, 비교 구현예 1 내지 14는 표 2에 나타낸 비교 구현예 1 내지 14의 합금으로부터 수득한 샘플의 테스트 결과에 해당한다.
표 4에서*, 테스트 구현예 1 내지 6은 표 2에 나타낸 테스트 구현예 1 내지 6의 합금으로부터 수득한 샘플의 테스트 결과에 해당한다.
표 3 및 표 4에서*, 인장 강도와 보정 응력의 단위는 MPa이고, 연신율 단위는 %이며, 최소 크립율 단위는 10-9/s이고, 캐스팅 크랙 길이의 단위는 ㎜이며, 부식에 의한 중량 손실량의 단위는 ㎎/㎠/240시간이다.
표 1 내지 4에 나타낸 결과로부터 명백하게 알 수 있듯이, 본 발명의 범위 내에 있는 조성을 갖는 합금에 의하면 인장 강도와 보정 응력이 탁월하며 최소 크립율이 낮고 캐스팅 크랙 길이가 짧으며 내부식성이 탁월 (부식에 의한 중량 손실이 적음)하고 캐스팅시 다이-점착을 일으키지 않는 다이 캐스팅 합금을 생산할 수 있다.
비교 구현예 1의 샘플은 Al 함량이 본 발명의 범위중에서 하한값인 1.5중량%보다 낮은 1.0중량%인 샘플인데 최소 크립율이 높고 캐스팅 크랙 길이가 길며 다이-점착과 인장 강도 저하를 일으킬 뿐 아니라 부식에 의한 중량 손실량도 많았다.
비교 구현예 2의 샘플은 Al 함량이 본 발명의 범위중 상한값인 6중량%보다도 높은 7중량%인 샘플인데, 최소 크립율이 증가하였다.
비교 구현예 3의 샘플은 본 발명의 범위중 하한값인 0.3중량%보다도 낮은 0.1중량%의 Ca 함량을 갖는 샘플인데, 최소 크립율이 증가하였다. 반면에 비교 구현예 4의 샘플은 본 발명의 범위중 상한값인 2중량%보다도 많은 2.5중량%의 Ca 함량을 갖는 샘플인데, 캐스팅 크랙 길이가 현저하게 길었으며 다이-점착도 발생하였다.
비교 구현예 5의 샘플은 Sr을 포함하지 않은 샘플인데, 최소 크립율이 높고 캐스팅 크랙 길이 또한 길었다. 반면에, 비교 구현예 6의 샘플은 본 발명의 범위인 1.0중량%보다 많은 1.5중량%의 Mn 함량을 갖는 샘플인데, 보정 응력이 저하되었고 최소 크립율은 증가하였다.
실시예 7, 8, 9 및 10의 샘플은 희토류 원소의 함량이 3중량%를 초과하고 Mn, Si 및 Zn중 어느 것을 첨가하였거나 어느 하나는 첨가하지 않은 샘플들인데, 이들은 크립 특성은 탁월하지만 캐스팅 크랙 길이가 약간 길어졌으며 다이-점착도 발생하였다.
비교 구현예 12의 샘플은 본 발명의 범위중 하한값보다도 낮은 Sr 함량을 갖는 샘플인데, 이 샘플은 최소 크립율이 약간 높았고 캐스팅 크랙 길이도 길어졌다.
비교 구현예 13은 Si가 포함된 상태에서 Ca 함량이 본 발명 범위의 하한값보다도 적은 샘플의 측정결과를 나타내는 반면, 비교 구현예 14는 Zn이 포함된 상태에서 Sr 함량이 본 발명 범위의 하한값보다도 낮은 샘플의 측정결과를 나타낸다.비교 구현예 13의 샘플은 약간 높은 최소 크립율을 나타내었고, 비교 구현예 14의 샘플은 약간 높은 최소 크립율과 긴 캐스팅 크랙 길이를 나타내었다.
본 발명에 개시된 바로부터 명백하게 알 수 있듯이, 본 발명의 범위를 벗어나는 조성을 갖는 합금들 (비교 구현예의 합금들)은 인장 강도, 보정 응력, 연신율, 크립 특성, 캐스팅 크랙 길이, 다이-점착성 및 내부식성중 어느 하나가 구현예의 조성을 갖는 합금에 비하여 불량하다.
본 발명에 의하면 내열성과 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금을 얻을 수 있다.

Claims (16)

  1. 2 내지 6중량%의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.2 초과 내지 1중량%의 Sr, 0.1 내지 1중량%의 Mn, 나머지량의 Mg와 불가피한 불순물을 포함하는, 내열성, 크립 특성 및 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  2. 제1항에 있어서, 0.1 내지 1중량%의 Si를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  3. 제1항에 있어서, 0.2 내지 1중량%의 Zn을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  4. 제1항에 있어서, 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  5. 제1항에 있어서, 0.1 내지 1중량%의 Si 및 0.2 내지 1중량%의 Zn을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서, 0.1 내지 1중량%의 Si, 0.2 내지 1중량%의 Zn 및 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이 캐스팅 마그네슘 합금.
  9. 제1항 내지 5항 및 제8항중 어느 한항에 있어서, 그의 인장 강도가 89 내지 225 MPa인 것을 특징으로 하는 합금.
  10. 2 내지 6중량%의 Al, 0.3 내지 2중량%의 Ca, 0.2 초과 내지 1중량%의 Sr, 0.1 내지 1중량%의 Mn, 나머지량의 Mg과 불가피한 불순물을 포함하는, 내열성, 크립 특성 및 캐스팅성이 탁월한 다이 캐스팅 마그네슘 합금으로 만들어진 엔진 주변의 구조재.
  11. 제10항에 있어서, 상기 합금이 0.1 내지 1중량%의 Si를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
  12. 제10항에 있어서, 상기 합금이 0.2 내지 1중량%의 Zn을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
  13. 제10항에 있어서, 상기 합금이 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
  14. 제10항에 있어서, 상기 합금이 0.1 내지 1중량%의 Si 및 0.2 내지 1중량%의 Zn을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
  15. 제10항에 있어서, 상기 합금이 0.1 내지 1중량%의 Si, 0.2 내지 1중량%의 Zn 및 0.1 내지 3중량%의 희토류 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
  16. 제10항 내지 15항중 어느 한항에 있어서, 상기 합금의 인장 강도가 89 내지 225 MPa인 것을 특징으로 하는 엔진 주변 구조재.
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