KR100513584B1 - 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네슘 복합재료를 용탕단조법을 이용하여 제조하되, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 인장강도와 연성을 동시에 가지면서도 상기 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 금속재질의 와이어를 강화재로 사용하여, 상기 마그네슘 합금 기지재의 내부에 다수의 상기 금속 와이어를 등간격 및 동일방향으로 나란히 삽입 설치하여 제조한 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 강화재로 삽입된 금속 와이어의 다중 네킹 현상에 의해 연성이 증가하는 동시에 기지재의 가공경화로 인장강도가 증가하여 고강도와 고연성의 조화가 적절하게 이루어진 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있고, 금속/금속간의 좋은 계면 특성으로 인해 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 가까운 인장강도를 가지는 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있으며, 이러한 마그네슘 복합재료는 자동차 부품 등의 소재에 널리 사용될 수 있다.

Description

연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법{High Strength Magnesium Composite Materials with Excellent Ductility and Manufacturing Process for Them}

본 발명은 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 용탕단조법을 이용하여 제조하되, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 인장강도와 연성을 동시에 가지면서도 상기 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 금속재질의 와이어를 강화재로 사용하여, 상기 마그네슘 합금 기지재의 내부에 다수의 상기 금속 와이어를 등간격 및 동일방향으로 나란히 설치하여 제조한 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것이다.

현재, 운송수단 분야 등에서 소재의 경량화는 에너지 절약 및 효율성 측면에서 매우 중요하기 때문에, 자동차 부품 등의 소재로서 밀도가 알루미늄의 2/3 정도 되는 마그네슘의 중요성이 증대되고 있다.

따라서, 다른 금속재료와 마찬가지로 마그네슘 합금 소재의 고강도 특성을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 지금까지 합금 설계 및 제조방법 개선 그리고 복합화를 통해 그 목적을 이루어 왔다.

특히, 복합화는 그 금속재료 자체가 가질 수 없는 한 단계 높은 우수한 특성(고강도, 내열 특성, 진동흡수성 등)을 가지는 소재를 개발할 수 있다는 이점으로 인해 매우 매력적인 방법으로 알려져 있다.

최근, 불연속적인 강화재 혹은 입자를 통해 강화한 복합재가 혁신적인 발전을 이루어 피스톤 등에서 선택적인 강화재로 응용되고 있거나, 항공분야에서의 응용을 위한 개발 단계에 있다[T. Donomoto, K. Funatani, N. Miuta, and N. Miyake, SAE Technical Paper 830252, Detroit, MI (1993)].

또한, 연속 화이버 강화 복합재의 경우, 일방향의 기계적 성질이 우수하여 이방성 성질이 요구되는 부품에 있어 특히 유용하기 때문에, 이에 대한 새로운 제조방법 및 설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다[P. G. Partridge and C. M. Ward-Close, Inter. Mater. Rev. 38 (1993), 1].

한편, 현재까지 금속기지의 복합재는 대부분 강화재를 세라믹으로 한정하여 연구되어 왔기 때문에, 많은 장점을 가지고 있는 것과 동시에 단점도 가지고 있는 게 사실이다.

즉, 세라믹과 금속계는 완전히 상이한 물질이기 때문에 복합재를 제조하는 과정 혹은 사용하는 동안 특히 고온에서 아주 부적합한 계면을 가지게 된다.

또한, 파괴인성이 기대 이하로 저하되며, 세라믹 강화재와 금속 기지재 사이의 열팽창 계수의 차이로 인해 열처리 후 냉각과정에서 인장잔류응력을 포함하게 되어 복합재의 기계적 성질이 약화되는 문제가 있다.

이와 같은 단점들은 금속기지 복합재의 보편적인 상용화를 저해하는 요인이 되고 있으며, 이를 극복하기 위해 계면 특성의 향상이나 새로운 강화재로의 대체에 대한 고려가 필요하게 되어 알루미늄 복합재에서는 일부 진행 중에 있다[미국 특허 제5,744,734호(1998.4.28); F. Boland, C. Colin and F. Delannay, Metall. Trans. A. 29 (1998), 1727].

그러나, 현재까지 이에 대한 연구가 미비하여 체계화가 되어 있지 못한 상태이며, 근본적인 문제점인 연성이 향상된 구체적인 값을 제시하지 못하고 있다.

특히, 마그네슘 기지 복합재료에 대한 연구는 전무한 실정이며, 카본(carbon) 화이버를 강화재로 이용하여 제조한 복합재들이 제시되고 있을 뿐이다[미국 특허 제5,549,976호].

결론적으로, 현재까지 개발된 화이버 강화 금속 기지 복합재의 연성은 1% 이하로 매우 한정된 변형 특성을 갖고 있으며, 인장강도는 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 훨씬 미치지 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 사용하고, 적정의 인장강도와 연성을 갖는 고강도 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 강화재로 사용하여, 이를 소정의 공정조건으로 용탕단조하여 제조함으로써, 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 가까운 인장강도를 나타내면서 고강도와 고연성의 조화가 적절하게 이루어진 마그네슘 복합재료와 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 강화재를 사용하여 용탕단조법에 의해 제조한 고강도 마그네슘 복합재료에 있어서, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 이 기지재 내부에 삽입되는 강화재로서 인장강도와 연성을 동시에 가지면서도 상기 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 금속재질의 와이어가 사용되어, 상기 마그네슘 합금 기지재의 내부에 다수의 상기 금속 와이어가 등간격을 이루면서 동일방향으로 나란한 상태가 되도록 길게 삽입되어 주조된 것을 특징으로 한다.

특히, 이러한 복합재료에서, 상기 금속 와이어가 1.5 ∼ 2GPa의 인장강도를 갖는 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어인 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 금속 와이어가 1.5 ∼ 2GPa의 인장강도를 갖는 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 600 ∼ 800℃의 온도범위에서 0.5 ∼ 3분간 열처리한 것임을 특징으로 한다.

한편, 본 발명은 용탕단조법에 의해 고강도 마그네슘 복합재를 제조하는 방법에 있어서, (a) 예비성형체 지그에 강화재로 사용되는 다수의 금속 와이어를 등간격 및 동일방향으로 나란히 설치하여 예비성형체를 만드는 과정과; (b) 상기 예비성형체를 몰드 내부에 넣은 후 예열하는 과정과; (c) 소정 온도로 유지된 Mg-Al계 마그네슘 합금 용탕을 상기 금속 와이어가 위치된 예비성형체 지그의 내부 공간을 포함하여 몰드 내부에 주입하는 과정과; (d) 합금 용탕이 예비성형체 지그의 내부 공간에서 등간격으로 유지된 금속 와이어의 사이로 유입될 수 있도록 몰드 내부에 주입된 용탕의 상면을 가압하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 이러한 제조방법에서, 상기 금속 와이어로서 1.5 ∼ 2GPa의 인장강도를 갖는 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 사용함을 특징으로 한다.

또는, 상기 금속 와이어로서 1.5 ∼ 2GPa의 인장강도를 갖는 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 600 ∼ 800℃의 온도범위에서 0.5 ∼ 3분간 열처리하여 사용함을 특징으로 한다.

또한, 용탕단조법으로 제조할 때의 공정조건으로, 상기 예열 과정에서의 몰드예열온도를 200 ∼ 400℃로 하고, 상기 가압 과정에서의 가압지연시간을 7초 이하, 가압력을 100 ∼ 150MPa, 가압유지시간을 30 ∼ 60초로 하여 제조함을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것으로서, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고 기지재 내부에 삽입되는 강화재로서 적절한 인장강도와 연성을 가지며 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 다수의 고강도 금속 와이어가 사용된 고강도 고연성 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 마그네슘 복합재료는 기존의 복합재료가 나타내지 못한 우수한 연성을 나타내며, 이론적인 혼합법칙에 거의 일치하는 우수한 인장강도를 나타낸다.

먼저, 본 발명의 마그네슘 복합재료를 설명하면, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 사용하고, 적정의 인장강도와 연성을 갖는 고강도 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 강화재로 사용하여, 이를 소정의 공정조건으로 용탕단조하여 제조한 것이다.

여기서, 기지재로 사용되는 Mg-Al계 마그네슘 합금은 주조성이 우수한 경량의 마그네슘 합금이어야 하며, AZ91, AZ61, AM60, AS41 등의 상용합금으로 실시 가능하다.

또한, 강화재로 사용되는 금속 와이어는 그 다수개가 기지재 내에서 등간격을 이루면서 동일방향으로 나란한 상태가 되도록 길게 삽입되어 주조되는데, 표면 산화의 문제점이 없어야 함은 물론 대량 생산이 구축되어 경제적으로도 저렴한 금속 와이어가 사용됨이 마땅하다.

또한, 상기 금속 와이어는 신선기를 통해 생산된 것으로 가공 경화로 인해 인장강도가 1.5 ∼ 2GPa로 매우 높아야 하며, 간단한 열처리를 통해 혹은 신선비 조절을 통해 인장강도와 연성의 제어가 용이한 것이어야 한다.

특히, 상기 금속 와이어는 적정의 인장강도와 연성을 동시에 가지면서도 복합재료 제조시 기지재와 반응하지 않아 계면에 화합물 생성이 반드시 없어야 한다.

따라서, 본 발명의 복합재료에서는 마그네슘 합금 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않으면서도 간단한 열처리를 통해 적정 인장강도 및 연성의 조화가 가능한 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어를 사용함이 바람직하다.

특히, 본 발명에 따른 고강도 고연성 마그네슘 복합재료를 제조함에 있어서, 상기 금속 와이어는 최초 생산된 상태, 즉 1.5 ∼ 2GPa의 인장강도를 갖는 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어의 'as-drawn' 상태에서 인장강도가 높은 반면 연신율이 낮으므로, 본 발명 복합재료의 폭 넓은 적용을 위해, 상기 와이어를 600 ∼ 800℃의 온도범위에서 0.5 ∼ 3 분간 열처리하여 강화재의 인장 성질을 변화시켜 사용할 수 있다.

이러한 와이어의 열처리는 와이어를 제조하는 신선 공정시 생성된 과다한 잔류응력과 마르텐사이트 부피분율을 감소시킬 수 있기 때문에 와이어의 인장 성질을 변화시킨다.

여기서, 'as-drawn' 상태에서 1.5GPa 미만의 인장강도를 갖는 와이어가 사용될 경우 효과적인 강화재로서의 역할을 충분하게 하지 못하는 문제가 있고, 2GPa을 초과하는 인장강도를 갖는 와이어는 신선으로 제조하는데 어려운 문제가 있어, 바람직하지 않다.

또한, 상기 금속 와이어의 열처리시 600 ∼ 800℃의 온도범위를 벗어나 실시하는 경우, 충분한 열처리 효과를 얻지 못하는 문제(600℃ 미만의 저온에서 실시)가 있거나, 산화 등으로 인한 표면 오염 및 열효율 측면(800℃ 초과의 고온에서 실시)에서 바람직하지 않다.

또한, 열처리 시간을 상기 범위를 벗어나 짧게 실시하는 경우 충분한 열처리 효과를 얻지 못하여 잔류응력과 마르텐사이트 부피분율이 그대로 있을 수 있고, 길게 실시하는 경우 잔류응력과 마르텐사이트 부피분율을 너무 많이 감소시켜 강도가 현저히 저하될 수도 있다.

상기와 같은 경우 강화재의 부피분율을 감소 혹은 증가시켜 적절한 인장 성질을 얻을 수 있다.

특히, 상기와 같은 본 발명의 마그네슘 복합재료 구조에 의하면, 복합화에 따른 인장강도 증가의 효과는 물론, 인장변형시에 마그네슘 합금 기지재 내에서 발생하는 금속 와이어 강화재의 다중 네킹(necking) 현상(도 5 참조)에 의해 상기 금속 와이어가 자체 변형률보다 더 크게 변형되면서 복합재료의 연성을 크게 향상시킬 뿐 만 아니라, 강화재의 부피분율이 증가하더라도 복합재료의 연성 감소율을 적게 하는 효과를 나타낸다.

다중 네킹 현상의 관점에서 추가적으로 설명하면, 'as-drawn' 와이어가 13%의 부피분율로 첨가된 복합재에서는 다중 네킹이 일어나지만, 19%의 부피분율을 포함한 복합재에서는 다중 네킹이 일어나지 않는다.

또한, 연성이 16%로 높은 와이어를 사용한 복합재(Composite C)에서는 복합재의 연성이 와이어의 연성보다 작기 때문에 어떠한 네킹 현상도 일어나지 않는다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 구조의 마그네슘 복합재료를 제조하는 방법을 포함한다.

즉, 본 발명의 제조방법은 Mg-Al계 마그네슘 합금으로 이루어진 기지재 내에 강화재로서 적정의 인장강도 및 연성을 가지며 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 고강도 금속 와이어가 삽입된 구조의 마그네슘 복합재료를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이를 각 단계별로 구체화하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 구조의 마그네슘 복합재료를 제조하기 위해 용탕단조법을 이용하는데, 이를 위해 첨부한 도 1에 도시한 형태의 예비성형체 지그를 제작한다.

상기 예비성형체 지그는 두 개의 플레이트(11a,11b)가 그 사이에 소정의 내부 공간을 형성하면서 연결부재(13)를 통해 상호 연결 및 고정된 형태로 구성되고, 각 플레이트(11a,11b)에는 강화재로 사용되는 금속 와이어가 삽입 가능한 다수개의 와이어 삽입홀(12)을 등간격으로 분산 배치하여 정밀 가공한다.

상기 와이어 삽입홀(12)은 강화재로서 요구되는 금속 와이어의 직경을 고려함은 물론 해당 와이어 삽입홀을 통해 삽입된 모든 금속 와이어가 두 플레이트(11a,11b) 사이에서 등간격 및 동일방향으로 나란히 배치될 수 있도록 미리 고려하여 가공한다.

다음으로, 상기와 같이 예비성형체 지그를 제작한 후, 금속 와이어를 해당 와이어 삽입홀을 통해 삽입 설치하여 예비성형체를 완성한다.

이후, 상기와 같이 완성된 예비성형체를 몰드 내부에 넣은 후 200 ∼ 400℃로 충분히 예열하고, 700 ∼ 750℃의 온도로 유지된 Mg-Al계 마그네슘 합금 용탕을 예비성형체 지그의 내부 공간을 포함하여 몰드 내부에 주입한다.

여기서, 기지재로 사용하는 Mg-Al계 마그네슘 합금은, 전술한 바와 같이, 주조성이 우수한 경량의 마그네슘 합금이어야 하며, AZ91, AZ61, AM60, AS41 등의 상용합금으로 실시 가능하다.

다음으로, 첨부한 도 2에 도시한 바와 같이, 몰드 내부에 주입된 합금 용탕(20)의 상면을 가압하여, 용탕(20)이 예비성형체 지그에 의해 등간격으로 유지된 금속 와이어(14) 사이로 고르게 유입될 수 있도록 한다.

상기와 같이 용탕을 가압하는 과정에서, 가압지연시간은 7초 이하로 하고, 100 ∼ 150MPa의 압력으로 가압하며, 가압유지시간은 30 ~ 60초로 하는 것이 바람직하다.

여기서, 가압지연시간을 상기 범위를 벗어나게 하여 실시하는 경우 주입된 합금 용탕의 일부분이 응고되어 금속 와이어 사이에 충분히 충진되지 못하면서 결함이 발생하거나 금속 와이어에 굽힘이 일어나는 문제가 있고, 상기 압력의 범위를 벗어나게 하여 가압하는 경우에도 용탕이 금속 와이어 사이에 충분히 충진되지 못하면서 결함이 발생하거나 금속 와이어의 굽힘이 일어나는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

또한, 가압유지시간을 상기 범위를 벗어나게 하여 실시하는 경우 몰드 내의 합금 용탕이 충분히 응고되지 않아 제품 결함이 생성될 수 있는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

마지막으로, 상기와 같이 합금 용탕의 주입 및 가압을 실시한 후에는 통상적인 방법대로 대지 중에서 수 십초 동안 냉각을 실시한 후 몰드 내부에서 제조된 복합재를 분리한다.

첨부한 도 3은 상기와 같이 제조한 본 발명에 따른 마그네슘 복합재료의 단면 조직 사진을 보여주고 있으며, 용탕단조법을 이용하고 전술한 바의 기지재 및 강화재를 사용하여 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 마그네슘 복합재의 미세 조직을 관찰하면, 기공 등의 주조 결함이 전혀 없으며, 와이어의 간격이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

또한, 계면 부근에서는 특별한 반응생성층이나 확산층이 관찰되지 않으나, 마그네슘 액상에서 생성된 Al-Mn 화합물들이 강화재 주변의 기지재 내에 다량으로 존재하고 있다.

그리고, 기지재 내에는 강화재 원소가 수 nm 크기의 입자 형태로 존재하고 있는데, 이러한 현상은 제조 특성상 고온에서 일어나는 확산에 의한 것이다.

이와 같이 하여, 본 발명의 제조방법에 따르면, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고 적절한 인장강도와 연성을 가지며 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 다수의 고강도 금속 와이어가 강화재로 사용된 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있게 되며, 특히 기지재 내부에 금속 와이어 다수개가 등간격 및 동일방향으로 나란히 설치된 고강도 고연성 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있게 된다.

아울러, 용탕을 주입한 후 가압하는 공정을 통해 기지재/강화재 사이의 젖음성 등의 문제점이 있더라도 제조 후 주조 결함이 거의 없는 제품을 생산할 수 있으며, 더욱이 기존의 주조 장비를 사용할 수 있기 때문에 경제적으로도 매우 유용함은 물론 대량 생산이 가능하다.

또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조한 마그네슘 복합재료 중에서, 복합화에 의한 고강도 특성은 물론, 인장변형시 마그네슘 합금 기지재 내에서 발생하는 금속 와이어 강화재의 다중 네킹(necking) 현상에 의해 상기 금속 와이어가 자체 변형률보다 더 크게 변형되면서 복합재료의 연성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라, 강화재의 부피분율이 증가하더라도 복합재료의 연성 감소율을 적게 하는 효과를 나타내는데, 이는 고강도 및 고연성을 동시에 필요로 하는 자동차용 부품에 널리 적용될 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 7

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면, 먼저 도 1에 도시한 예비성형체 지그의 각 와이어 삽입홀에 직경이 0.4mm인 AISI 304H 강화재 와이어를 삽입 설치하여 예비성형체를 완성하였다.

상기 AISI 304H 와이어는 'as-drawn' 상태에서 강도는 매우 높고 연성은 적지만 간단한 열처리로 강도 및 연성을 변화시킬 수 있는 특성을 가지는데, 예비성형체 지그에 설치함에 앞서 복합재료 제조시 요구되는 적정의 강도 및 연성을 가지도록 700℃에서 1분간 열처리한 후 설치하였다.

이후, 와이어가 설치되어 이루어진 예비성형체를 몰드 내부에 넣은 후 300℃로 충분히 예열하고, 이후 750℃로 유지된 AM60(Mg-6Al-Mn) 용탕을 몰드 내부에 주입한 다음, 용탕 상면을 가압하여 복합재료(하기 표 1에서 Composite A 또는 실시예 1 ∼ 3으로 나타냄)를 완성하였다.

용탕 가압시 가압지연시간은 7초로 하였고, 가해지는 압력은 100MPa로 하였으며, 가압유지시간은 60초로 하였다.

한편, 본 발명에서 제조한 복합재료의 인장 성질은 강화재로 사용된 금속 와이어의 인장 성질에 크게 지배를 받으며, 금속 와이어의 특성에 따라 마그네슘 복합재의 인장 성질 및 파괴 특성이 크게 변화하는 바, 금속 와이어의 특성에 따른 복합재료의 인장 성질을 비교하고 폭 넓은 복합재의 성질을 얻기 위하여, 강화재로서 열처리를 실시하지 않은 'as-drawn' 상태의 와이어를 사용한 복합재료(하기 표 1에서 Composite B 또는 실시예 4, 5로 나타냄)와, 실시예 1 ∼ 3과 비교하여 열처리 시간을 달리한 와이어(3분간 열처리 실시)를 사용한 복합재료(하기 표 1에서 Composite C 또는 실시예 6, 7로 나타냄)를 동일한 방법으로 제조하였다.

다음으로, 상기와 같이 제조한 각 복합재료를 사용하여 첨부한 도 4에 도시한 바와 같은 시편으로 제조한 후, 각각 인장시험을 실시하였으며, 그 결과를 와이어 상태 및 와이어 부피분율과 함께 다음의 표 1에 나타내었다.

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조방법에 따라 1분간 어닐링을 실시한 와이어를 사용하여 제조한 복합재료를 Composite A로, 동일한 제조방법으로 'as-drawn' 상태의 와이어를 사용한 복합재료를 Composite B로, 3분간 어닐링을 실시한 와이어를 사용한 복합재료를 Composite C로 나타내었다.

또한, 와이어 상태별 각 복합재료는 제조과정에서 와이어 부피분율을 달리하여 제조하였으며, 부피분율에 따라 각각 실시예 1 ∼ 7로 나타내었다.

측정의 결과를 살펴보면, 각각의 마그네슘 복합재는 기존의 마그네슘 복합재[Y. Kagawa and E. Nakata, J. Mater. Sci., 11 (1992), 176]와는 달리 적은 부피분율에 우수한 고강도 특성을 나타내었으며, 특히 매우 우수한 연성 특성을 보이는 것으로 확인되었다.

또한, 표 1에서, 700℃에서 1분간 열처리한 와이어를 사용한 Composite A, 즉 실시예 1 ∼ 3의 경우에는 실시예 4 ∼ 7에 비해 고강도 및 고연성의 조화가 적절하게 이루어짐을 알 수 있었고, 특히 실시예 1은 인장강도가 480MPa로 높을 뿐만 아니라 연성이 5.2%로서 최적의 강도 및 연성을 나타내었다.

첨부한 도 5는 인장시험 후 본 발명의 마그네슘 복합재료, 보다 명확히는 실시예 1 ∼ 3, 5의 내부에 존재하는 금속 와이어 강화재의 다중 네킹 현상을 보여주는 조직 사진으로서, 사진 (a)는 파단면 부근에 존재하는 와이어의 네킹을 보여주고 있고, 사진 (b)는 파단면에서 멀리 떨어진 내부에 존재하는 와이어의 네킹을 보여주고 있으며, 사진 (c)는 복합재료 내에 나타나는 와이어의 다중 네킹을 보여주고 있다.

도 5는 본 발명의 마그네슘 복합재료의 인장 성질을 잘 보여주고 있다.

즉, 본 발명의 마그네슘 복합재료에서는 인장변형시 기지재 내에 발생하는 금속 와이어의 다중 네킹 현상에 의해 금속 와이어가 자체 변형률보다 더 크게 변형되면서 복합재료의 연성을 크게 향상시킬 뿐만 아니라, 강화재의 부피분율이 증가하더라도 복합재료의 전체적인 연성 감소율을 적게 하고, 결국 복합화에 의한 고강도 특성과 함께 고연성 특성을 보이는 것이다.

첨부한 도 6은 강화재인 금속 와이어의 부피분율이 13%로 동일하지만 사용된 금속 와이어의 상태에 따른 복합재료의 인장곡선으로서, 이를 통해 금속 와이어 상태에 따른 복합재료의 특성을 비교할 수 있다.

첨부한 도 7은 와이어 상태별 각 복합재료의 부피분율에 따른 연성의 감소를 보여주는 그래프로서, 각 복합재에서 강화재인 와이어 부피분율에 따른 연성의 감소 경향은 700℃에서 1분간 열처리한 와이어를 사용한 Composite A의 감소 경향이 가장 적었으며, 그 경향이 다른 복합재보다 민감하지 않는 특성을 나타내었다.

이는 복합재 내에 존재하는 금속 와이어 강화재의 다중 네킹에 의한 것으로, 이로 인해 금속 와이어가 자체의 변형률보다 많은 변형을 일으켜, 복합재의 연성이 증가할 뿐만 아니라 기지재의 가공경화로 인장강도도 증가하고, 결국 고강도와 고연성의 조화가 적절하게 이루어진다.

추가적으로, 본 발명의 제조방법에 따르면, 금속/금속간의 좋은 계면 특성으로 인해 응력 전달이 복합재료의 파손시까지 완벽하게 일어나, 첨부한 도 8a에서 보여 주고 있는 바와 같이, 인장강도가 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 거의 일치하는 이상적인 복합재료를 제조할 수 있게 되며, 이에 대한 설명을 좀 더 상세히 하면 다음과 같다.

첨부한 도 8a 내지 8c는 사용된 금속 와어어의 상태에 따른 각 복합재의 인장강도와 이론적인 혼합법칙으로 계산된 인장강도를 비교하여 나타낸 그래프이다.

일반적으로 세라믹 화이버 강화 금속 기지 복합재에서는 다음의 식 (1)과 같은 혼합법칙을 적용한다.

(1)

여기서, 는 복합재의 인장강도를, 는 와이어의 인장강도를, 는 복합재가 파괴되었을 때 기지의 강도를 의미하며, 는 강화재의 부피분율이다.

세라믹 화이버 강화 복합재는 연성이 거의 없으므로 기지가 인장강도에까지 이르지 못하기 때문에 이를 보정하기 위해 값을 사용한다.

그러기에 값은 기지의 항복강도보다는 크지만 인장강도보다는 작은 값이며, 이처럼 기지의 제한적인 변형을 혼합법칙에 적용함에도 불구하고 카본 화이버 강화 마그네슘 복합재의 경우 이론 값보다 훨씬 작은 값을 나타낸다.

그러나, 본 발명에 따른 마그네슘 복합재료는 연성을 가지므로 변형에 의한 기지의 강화가 충분히 일어나 인장강도 값을 나타낸다.

즉, 식 (1)에서 값 대신 기지재의 인장강도 값을 사용하여 적용하면 다음과 같은 식이 된다.

(2)

상기 식 (1)과 식 (2)에 대해 강화재의 부피분율에 따른 복합재의 인장강도를 계산하여 나타내면 도 8a 내지 도 8c에서 보여주는 것처럼 선으로 그려지게 되며, 계산에 의해 식 (2)의 값들이 식 (1)의 값 보다 높게 그려진다.

또한, 와이어 상태별 각 복합재료의 부피분율에 따른 실제 인장강도 값(표 1에 나타낸 인장강도 값)은 두 식의 인장강도 값 사이에 위치되나 대략 식 (2)의 인장강도 값에 가까우며, 특히 Composite A의 경우에는 이론적인 혼합법칙에 거의 일치하는 인장강도 값을 나타내고 있다(도 8a).

결론적으로, 본 발명의 제조방법에 의하면, 고강도와 고연성의 조화가 적절하게 이루어져 있으면서 인장강도가 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 거의 일치하는 이상적인 고강도 고연성 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법에 의하면, 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 인장강도와 연성을 동시에 가지면서 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 금속재질의 와이어를 강화재로 사용하여, 상기 마그네슘 합금 기지재의 내부에 다수의 상기 금속 와이어를 등간격 및 동일방향으로 나란히 설치하여 제조함으로써, 다음과 같은 효과가 있다.

1) 용탕 주입 후 가압을 실시하므로 기공 등의 주조 결함이 전혀 없으며, 금속/금속간의 좋은 계면 특성으로 인해 인장강도가 혼합법칙으로 계산한 이론 값에 거의 일치하는 이상적인 복합재료를 제조할 수 있다.

2) 적절한 인장 성질을 갖는 금속 와이어를 적절한 부피분율로 첨가한 본 발명의 마그네슘 복합재료에서는 인장 변형시 마그네슘 합금 기지재 내에 금속 와이어의 다중 네킹 현상이 발생하게 되고, 이러한 현상은 금속 와이어가 자체 변형률보다 더 크게 변형되면서 복합재료의 연성을 증가시키는 동시에 기지재의 가공경화로 인장강도를 증가시키는 바, 결국 고강도와 고연성의 조화가 적절하게 이루어진 마그네슘 복합재료를 제조할 수 있다.

3) 일방향의 기계적 성질(고강도, 고연성)이 우수한 마그네슘 복합재료의 제조가 가능하며, 이를 이방성 성질이 요구되는 자동차 부품 등에 적용할 경우, 부품의 고성능화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 제조과정에서 이용 가능한 예비성형체 지그의 일예를 보인 사시도이고,

도 2는 본 발명의 제조과정에서 용탕 주입 후 실시되는 가압 공정을 보인 개략도이며,

도 3은 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 마그네슘 복합재료의 단면 조직을 보여주는 사진이고,

도 4는 복합재료를 제조한 후 가공한 인장시편을 보인 도면이며,

도 5는 인장시험 후 본 발명의 복합재료 내에 존재하는 와이어의 다중 네킹 현상을 보여주는 조직 사진이고,

도 6은 와이어의 부피분율이 13%인 시편의 인장곡선을 와이어 상태에 따라 비교하여 나타낸 그래프이며,

도 7은 와이어 상태별 각 복합재료의 부피분율에 따른 연성의 감소를 보여주는 그래프이고,

도 8a 내지 도 8c는 와이어 상태별 각 복합재의 인장강도와 이론적인 혼합법칙으로 계산된 인장강도를 비교하여 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11a, 11b : 플레이트 12 : 와이어 삽입홀

13 : 연결부재 14 : 금속 와이어

20 : 합금 용탕

Claims (7)

1. 강화재를 사용하여 용탕단조법에 의해 제조한 고강도 마그네슘 복합재료에 있어서,

   주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 상기 기지재의 내부에 인장강도와 연성을 함께 갖고 있으며 기지재와의 반응없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 동시에 1.5∼2GPa의 인장강도를 가지면서 600∼800℃의 온도범위에서 0.5∼3분간 열처리한 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어가 등간격을 이루면서 동일방향으로 나란한 상태가 되도록 길게 삽입되어 주조된 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료.
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4. 용탕단조법에 의해 고강도 마그네슘 복합재를 제조하는 방법에 있어서,

   (a) 예비성형체 지그에 1.5∼2GPa의 인장강도를 가지면서 600∼800℃의 온도범위에서 0.5∼3분간 열처리한 다수의 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어 강화재를 9.1∼19%의 부피분율이 되도록 하면서 등간격 및 동일방향으로 나란히 설치하여 예비성형체를 만드는 과정;

   (b) 상기 예비성형체를 몰드 내부에 넣은 후 200∼400℃로 예열하는 과정;

   (c) 소정 온도로 유지된 Mg-Al계 마그네슘 합금 용탕을 상기 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어가 위치된 예비성형체 지그의 내부 공간을 포함하여 몰드 내부에 주입하는 과정;

   (d) 합금 용탕이 예비성형체 지그의 내부 공간에서 등간격으로 유지된 스테인레스 스틸 또는 타이타늄 합금 와이어의 사이로 유입될 수 있도록 몰드 내부에 주입된 용탕의 상면을 가압하되, 가압지연시간을 7초 이하, 가압력을 100∼150MPa, 가압유지시간을 30∼60초로 하여 가압하는 과정;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료의 제조방법.
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