KR100638342B1 - 고강도, 고인성의 기계적 특성이 우수한 마그네슘 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 준결정상과 고용체의 이상영역이 존재하는 Mg-Zn-Y계의 마그네슘이 풍부한 영역에서 제 4원소(Misch metal(Mm), 구리)를 첨가하여 저렴하면서도 기계적 특성이 우수한 마그네슘 합금에 관한 것이다.

본 발명의 마그네슘계 합금은 응고시 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘)가 초정으로 형성되어 기지조직을 이루고 준결정상이 제 2상으로 마그네슘기 고용체와 공정상을 형성하는 합금으로 열간 압연이 가능한 성형성을 가지며, 제 4원소(Misch Metal, 구리)를 첨가함으로써 준결정상과 제 3상을 생성하여 우수한 기계적 성질을 나타내었다.

준결정상 강화 마그네슘 합금, 제 3상, 미쉬 메탈, 구리

Description

고강도, 고인성의 기계적 특성이 우수한 마그네슘 합금{Mg-Based Metallic Alloy Exhibiting High Strength and Large Elongation}

도 1은 본 발명에 따른 Mg-Zn-Y-Mm계 주조 합금으로 Mm의 첨가량에 따른 각 상의 분률을 나타내는 광학현미경 사진이다.

(1)Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y,(2)Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y-1wt%Mm,(3)Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y-2wt%Mm,(4)Mg-6wt%Zn-0.6wt%Y-0.6wt%Mm, (5)Mg-6wt%Zn-1.2wt%Mm

도 2는 본 발명에 따른 Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y-1wt%Mm 주조 합금의 SEM 사진과 정량적 분석결과를 나타내는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y-1wt%Mm 주조 합금의 XRD를 통한 상 분석 결과를 나타내는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 Mg-6wt%Zn-1.2wt%Y-1wt%Mm 합금의 열간 압연 전(a)과 열간 압연 후(b)의 광학현미경 사진이다.

본 발명은 고강도, 고연성의 마그네슘 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 Mg-Zn-Y 3원계 마그네슘 합금에 제 4원소로서 미쉬 메탈(Misch Metal) 또는 구 리(Cu)를 첨가함으로써 제조단가가 저렴할 뿐 아니라 준결정상과 금속간화합물상에 의하여 고강도, 고연성의 기계적 특성이 우수한 마그네슘 합금에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘 합금은 육방조밀 충진(HCP)구조를 가지므로 상온에서 판재로의 성형성이 떨어지기 때문에 열간 압연의 방법으로 판재를 만들며 그 대표적인 마그네슘 합금은 AZ31이 있다.

그러나, 최근의 휴대폰 케이스 등의 휴대용 전자제품의 케이스나 자동차 부품 등의 소재는 특별히 경량성, 고강도, 고인성 및 고성형성이 요구되고 있으나 상기 AZ31 합금은 이러한 시대적 요구에 부응하기에는 기계적 특성에 한계가 있다.

이에 따라 고강도, 고인성과 함께 열간성형성이 우수한 Mg-Zn-Y계의 마그네슘 합금이 본 출원인에 의해 한국특허공개 제 2002-78936 호로 제안된 바 있다. 여기에는 준결정상과 고용체의 이상영역(2-phase region)이 형성되고, 성형과정을 통하여 준결정상이 작은 입자로 분리되어 기지금속 내에 분산됨에 의해 강화효과에 의해 열간 성형성이 우수하고 강도와 연신율이 뛰어난 준결정상 강화 마그네슘 합금이 개시되어 있다.

그러나, 상기 종래의 Mg-Zn-Y계에서 준결정상의 특성을 최대한 활용하기 위해서는 첨가되는 아연과 이트륨 양이 많아야 한다. 그러나 이트륨은 50g에 134.0$로서 마그네슘(250g; 34$) 그리고 아연(100g; 16.4$)에 비해 고가일 뿐 아니라, 아연(7.13g/cm²)과 이트륨(4.47g/cm²)은 비중이 큰 원소로써 그 양이 증가하면 경량재료로서의(마그네슘 비중;1.74g/cm²) 적용에 제한을 준다. 그러나 아연과 이트륨 양 을 감소시킨 준결정상을 포함한 마그네슘계 합금은 상대적으로 낮은 강도를 가지므로 공업적 이용에 한계가 있다. 이에 준결정상의 성질을 최대한 구현하면서도 더욱 높은 경쟁력을 가질 수 있는 마그네슘 합금의 개발 필요성이 제기되고 있다.

본 발명자들은 아연과 이트륨량이 상대적으로 적고 준결정을 기지 안에 포함한 3원계 Mg-Zn-Y계 마그네슘 합금에 제 4의 원소로 Misch metal(Ce-rich)과 구리를 첨가함으로써 강도강화의 효과가 있는 제 3상이 생성되어 상온에서의 기계적 특성을 향상시킴과 동시에 이트륨과 아연의 다량 첨가에 의한 고비용의 문제를 해결할 수 있음을 발견하여 본 발명을 완성하였다.

따라서 본 발명의 목적은 종래기술과 동일하게 준결정상과 금속 고용체가 이상영역(2-phase region)을 이루는 미세조직을 지니고 있는 열간 성형성이 우수한 Mg-Zn-Y계 마그네슘 합금에 Misch metal(Mm) 또는 구리를 소량 첨가하여 저가이면서도 상온에서 우수한 기계적 특성을 가지는 마그네슘 합금을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르면, Zn이 3∼8중량%, Y이 1.6중량%이하, 그리고 잔부가 Mg으로 이루어지는 마그네슘 합금에 제 4의 첨가원소로써 미쉬 메탈(Misch metal) 또는 Cu를 2중량%이하로 첨가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고연성의 마그네슘 합금이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 합금에 제 5의 첨가원소로써 Li, Al, Nd, Zr, Mn 또는 Ca를 0.5중량%이하로 더 첨가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고연성의 마그네슘 합금이 제공된다.

본 발명은 Mg-Zn-Y 3원계 합금으로써 아연/이트륨 비에 따라 상 분석을 한 기존의 논문을 바탕으로 아연과 이트륨의 양이 적고 또한 준결정상과 금속 고용체의 이상영역이 존재하며, 주조방법에 의해 응고시 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘)가 초정으로 형성되어 기지조직을 이루고 있고, 준결정상이 제2상으로 마그네슘기 고용체와 공정상을 형성하여 기지 내에 준결정 입자상이 강화 상으로 형성되고 열간 성형성이 우수한 종래의 준결정상 강화 마그네슘 합금인 Mg-3∼8wt%Zn-1.6wt%이하Y 합금을 선택하였다.

상기 마그네슘기 합금의 조성을 상기와 같이 한정한 이유는, Zn의 함량을 3wt% 미만으로 하는 경우 아연의 양이 적어 마그네슘 기지 안에 고용되어 준결정상을 생성할 수 없으며, 8wt%를 초과하는 경우에는 아연의 양이 지나치게 많아져 오히려 준결정상이 생성될 수 있는 영역을 벗어나 금속간화합물인 Mg₇Zn₃상이 생성되고 비중이 증가하는 문제가 있어 바람직하지 못하다.

또한 Y의 함량이 1.6wt%를 초과하는 경우에는 준결정상의 부피가 지나치게 많아져 재료의 취성이 증가하며 또한 마그네슘 합금의 비중과 제조비용이 증가하는 문제가 있다.

이 3원계 합금에 기존의 2상 미세구조를 유지하면서 기존의 합금과 비교하여 적어도 동등한 정도의 기계적 특성을 구현하고자 강도강화의 효과가 있는 상을 생성하는 것으로 보고된 Misch metal(Mm) 또는 구리를 첨가하여 제 3상을 생성시켜 상온에서 높은 강도와 연신율을 나타내는 우수한 기계적 특성을 갖도록 하였다.

이를 위해 Misch metal(Mm) 또는 구리의 첨가량은 준결정상을 유지할 수 있도록 2wt% 이내로 제한한다. 만약 2wt%를 초과하게 되면 준결정상이 존재하지 않는 구조를 형성할 것으로 예상되어 강도 및 열간 성형성에 나쁜 영향을 끼칠 것으로 판단되기 때문이다.

본 발명을 실시예에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같으며, 본 발명이 실시예

에 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

Mg-Zn-Y-X (X=Misch metal(Mm) 또는 구리)합금의 조성을 표 1과 같이 하여 용탕을 준비하고 주조방법에 의해 잉고트를 제조하였다.

합금 번호	합금조성(wt%)						압연가능 여부
	Mg	Zn	Y	X		제 5원소
				Mm	Cu
1	92.8	6	1.2	-	-	-	O
2	91.8	6	1.2	1	-	-	O
3	90.8	6	1.2	2	-	-	O
4	92.8	6	0.6	0.6	-	-	O
5	92.8	6	-	1.2	-	-	O
6	91.4	6	1.2	1	-	0.4 Al	O
7	91.6	6	1.2	1	-	0.2 Ca	O
8	91.6	6	1.2	1	-	0.2 Zr	O
9	90.8	6	1.2	0.9		-	O
10	92.8	6	1.2	1.8		-	O
11	92.8	6	0.6	0.6		-	O

표 1의 모든 합금은 Misch metal(Mm)과 구리 첨가량에 관계없이 초정이 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘 기지)이며 이트륨이 존재하지 않는 합금번호 5를 제외한 다른 합금들에서는 준결정상과 제 3상이 형성되었다. 따라서 응고조직으로 판단할 때 본 발명에서 얻고자 하는 준결정상과 제 3상이 동시에 존재하는 마그네슘 합금을 얻을 수 있었다.

좀더 자세히 설명하면, 도 1은 표 1에서 Misch metal(Mm)을 첨가 또는 치환한 주조 합금의 광학현미경 사진으로써 Misch metal(Mm)을 첨가할수록 초정의 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘 기지) 이외의 상 분률이 증가하지만 Misch metal(Mm)을 이트륨 대신에 치환한 경우 초정의 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘 기지) 이외의 상이 일정한 분율을 가지고 있다.

도 2는 Misch metal(Mm)을 Mg-6wt%-1.2wt%Y에 1wt%Mm을 첨가한 주조합금의 주사전자현미경 사진과 정량적 분석으로써 준결정상과 마그네슘과의 전형적인 공정조직을 관찰하였다. 또한 주사전자현미경을 통한 정량적 분석에서 Ce-rich Misch metal의 구성 성분인 란탄늄(La)과 세리윰(Ce)이 제 2상에서 관찰되어 이 원소들이 준결정상의 생성처로 작용하였음을 관찰하였다.

도 3은 Misch metal(Mm)을 Mg-6wt%-1.2wt%Y에 1wt%Mm을 첨가한 주조합금의 X-선 회절실험 결과로 도 2에서 얻은 결과와 마찬가지로 준결정상이 관찰되었고 또한 Mg-Zn-Y상인 W-상(Mg₂Zn₃Y₃)이 관찰("▼"로 표시됨)되어 Misch metal의 구성 성분인 란탄늄(La)과 세리윰(Ce)이 W-상(Mg₂Zn₃Y₃)의 핵 생성처로도 작용하였음을 관찰하였다.

한편, 표 1의 합금을 금속재료의 일반적인 성형온도인 융점의 1/2 이상의 온 도 즉, 400℃의 노(furnace)에서 30분간 예열 후 100℃의 압연롤(지름; 30cm, 속도; 10rpm)에 일반적인 재료의 압연공정에 준하여 압연을 행하였다. 즉, 예열 후 두께 5%를 감소시키는 작업을 5회에 걸쳐서 수행하였으며 이후 10%, 15%, 20%의 두께감소로 각각 5회에 걸쳐 수행하여 88%까지 감소시켜 두께가 1.2㎜인 판재를 제조하였다.

도 4는 2번 합금인 Mg-6wt%-1.2wt%Y-1wt%Mm합금의 주조합금(a)과 열간 압연된 판재합금(b)의 광학현미경 사진으로서 준결정상이 압연공정에 의해 효과적으로 분산되어 있어 열간 성형성이 우수하고 준결정상과 Misch metal(Mm)의 첨가로 생성된 제3상이 분산된 미세구조를 형성함을 확인할 수 있다.

상기 제조된 판재를 400℃에서 30분간 균질화 처리한 후 길이 게이지 길이 10㎜의 인장시험편을 만들어 인장시험기에서 테스트를 하여 항복강도, 최대 인장강도, 연신률을 측정하였으며 그 결과를 표 2에 나타내었다.

합금 번호	항복강도(MPa)	최대인장강도(MPa)	연신율(%)
1	135	333	27.5
2	146	336	25.7
3	150	308	21.8
4	127	347	26.7
5	111	328	24.0
6	148	340	23.9
7	147	330	25.0
8	146	346	24.1
9	150	346	24.4
10	126	291	22.4
11	130	330	25.1

상기 표 2의 결과로부터 본 발명의 합금은 상온에서 항복강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 성질이 우수함을 알 수 있다. 또한 Misch metal(Mm)을 첨가하여 도 준결정상이 존재하므로 연신율에 큰 변화가 없었고 준결정상과 마그네슘기 고용체(알파 마그네슘 기지) 이외의 상분률이 증가함으로써 합금의 항복강도가 향상되었다. 그러나 기지금속과 안정한 계면을 이루고 있어서 강도증가의 역할을 하는 준결정상이 상대적으로 많은 2번 합금(1wt%Mm)의 인장강도는 향상되었지만 상대적으로 적은 양을 포함한 3번 합금(2wt%Mm)의 인장강도는 감소하였다. 구리를 첨가한 합금에서도 비슷한 결과를 얻었다.

본 발명은 표 1에서 제시하였듯이 준결정상이 포함되어 있고 이 준결정상이 기지금속과 안정한 계면을 이루고 있어서 강도증가의 역할을 하는 3원계 마그네슘 합금에 Misch metal(Mm) 또는 구리를 첨가함으로써 준결정상의 우수한 성질과 상분률 증가로 인한 강도증가 효과를 동시에 구현하여 종래기술과 동등한 수준의 연신율을 유지하면서 강도가 증가함으로써 공업적으로 유용하게 활용될 수 있다.

또한, 표 1에서 제시한 본 발명의 Misch metal(Mm)이 첨가된 마그네슘 합금에서 마그네슘기지에 고용되는 제 5의 원소들, 예를 들어, 리튬 (Li ; 5.5 wt% 고용), 알루미늄(Al ; 12.7 wt% 고용), 니오디움(Nd ; 3 wt% 고용), 지르코늄(Zr ; 3.8 wt% 고용), 망간(Mn ; 2.2 wt% 고용), 칼슘(Ca ; 1.35 wt% 고용) 등을 소량으로, 바람직하기로는 전체 합금에 대하여 0.5wt% 이하로 첨가하면 이 원소들이 마그네슘 기지에 고용되어 고용강화에 의한 효과에 의해 강도가 증가된다. 이때 첨가되는 제 5원소의 첨가량을 0.5wt%로 제한한 이유는 지나치게 과량으로 첨가되면 마그네슘 기지에 고용되지 못한 잔류 성분으로 인해 금속간 화합물과 같은 또 다른 상이 생성되어 오히려 연신율이 감소하기 때문이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 강화 상으로 우수한 특성을 갖는 준결정상과 제 3의 결정상이 응고시 금속 고용체내에 형성되고 열간 성형을 통하여 준결정상과 제 3의 결정상이 강화 상으로 분산되어 기존의 다양한 방법으로 제조된 재료의 근본적인 장점들인 우수한 기계적인 성질을 나타내고 또한 Misch metal(Mm) 또는 구리를 이트륨과 치환한 경우에도 유사한 기계적 특성과 성형성을 나타내어 고가의 이트륨 함량으로 인해 제약되어 있는 Mg-Zn-Y 3원계 마그네슘 합금의 활용에 있어 매우 효과적이다.

따라서 본 발명의 합금은 경량성, 고강도, 고인성, 고성형성 및 내식성이 요구되는 부품, 예들 들면 노트북이나 휴대폰 케이스 등 포터블 전자기기의 부품이나 자동차 부품 등에 활용되어 질 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 소하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (2)

1. Zn이 3∼8중량%, Y이 1.6중량%이하, 그리고 잔부가 Mg으로 이루어지는 마그네슘 합금에 제 4의 첨가원소로써 Ce-rich 미쉬 메탈(Misch metal) 또는 Cu를 2중량%이하로 첨가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고연성의 마그네슘 합금.
2. 제1항에 있어서,

   상기 합금에 제 5의 첨가원소로써 Li, Al, Nd, Zr, Mn, 및 Ca에서 선택된 어느 1종을 0.5중량%이하로 더 첨가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고강도, 고연성의 마그네슘 합금.

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