KR101218875B1 - 고강도 마그네슘 합금 압출재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상용 금속재료 중에서 가장 가볍고 비강도가 우수한 마그네슘합금의 압출재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고 알루미늄(Al)과 아연(Zn)을 주요 합금원소로 하며, 그 외에 망간(Mn), 지르코늄(Zr), 주석(Sn) 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 원료를 용해한 후 빌렛으로 만든 다음, 이를 이용하여 열간 압출 및 열처리를 실시하는 단계로 이루어진다.
따라서, 본 발명은 인장강도 및 연신율이 우수한 기계적 특성과 가공성이 뛰어나므로 수송기기 분야의 재료 및 구조용 재료로서 활용가치가 매우 높은 효과를 가진다.

Description

고강도 마그네슘 합금 압출재 및 그 제조방법{High-strength Magnesium Alloy Extrusion Manufacturing}
본 발명은 상용 금속재료 중에서 가장 가볍고 비강도가 우수한 AZ80계 마그네슘합금의 압출재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고 알루미늄과 아연을 주요 합금원소로 하며, 그 외에 망간, 지르코늄, 주석 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 원료를 용해한 후 빌렛으로 만든 다음, 이를 이용하여 열간 압출 및 열처리를 실시하여 고강도의 높은 연성 및 고내열성 특성을 갖는 마그네슘합금 압출재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마그네슘은 현재 공업적으로 이용되고 있는 금속재료 중에서 가장 낮은 1.74의 비중(밀도 g/㎠, 20℃)을 갖는 초경량소재로서 여러 원소를 첨가하여 합금화함으로써 고강도, 내부식성 등의 특징을 갖는 합금 소재로 제조할 수 있다.
마그네슘은 알루미늄의 융점(667℃)과 비슷한 융점(650℃)을 갖는 소재로서 기존의 알루미늄 압출장비를 이용하여서 압출 가공이 가능한 소재이며, 낮은 융점으로 인하여 재활용시 필요로 하는 에너지가 적게 소모되며, 비강도와 진동흡수율이 우수하고, 전자파 차단성과 가공시의 치수안정성이 우수한 경량화 소재로서 연료저감 및 환경오염의 문제의 해결방안으로서 활용이 가능하여 차세대 수송기기용 금속소재, 휴대용 전기 및 전자기기의 케이스 등에 이용되고 있는 금속재료이다.
이와 같이 마그네슘은 여러 가지 장점에도 불구하고 육방조밀구조(HCP)의 결정구조를 갖기 때문에 소성가공에 필요한 슬립시스템이 제한을 받아 상온에서의 가공이 매우 어려운 단점을 갖고 있어서 마그네슘 합금 제품의 개발과 보급화를 위해서는 성형가공성의 향상이 필수적이며, 이를 위해 합금원소 첨가에 의한 결정립의 미세화와 결정구조의 변화 등 다양한 시도가 이루어지고 있다.
마그네슘합금은 다양한 방법을 이용하여 제조된 합금을 압연 및 압출과 같은 가공을 통하여 각종 형상으로 제조되고 있으며, 특히, 여러 가지 우수한 물리적인 특성을 얻기 위하여 값비싼 희토류 원소를 다량 첨가함으로써 다른 경량소재에 비하여 제조비용이 증가하게 되는 요인이 되고 있다.
또한, 마그네슘합금은 용탕 제조시에 낮은 융점과 대기와의 반응성이 높기 때문에 발화 및 반응을 억제하기 위하여 사용되는 SF6, 프레온가스, SO2, CO2, NovecTM612 또는 이들의 혼합가스와 같은 보호 가스들의 유해성과 높은 가격은 제조원가 상승에 또 다른 주범으로서 작용하고 있다.
특히, 프레온가스와 SF6 가스는 온실효과를 초래하는 온실가스로서 지구온난화의 원인으로도 널리 알려진 유해가스이다. 이러한 온실가스의 이용을 줄이기 위해서 일반적으로 칼슘을 많이 이용하지만, 칼슘의 과다 첨가 시에는 마그네슘 합금의 기계적 특성을 저하시키고, 취성의 증가를 초래하므로 적당량이 제한적으로 사용되어 진다.
한편 마그네슘합금 압출재로서 이용되고 있는 AZ80 계열 마그네슘합금은 ASTM B107/B107M0-6에 따르면 마그네슘에 알루미늄과 아연을 기본 합금원소로 첨가하고, 소량의 망간이 첨가된 합금이다.
그러나 마그네슘합금 압출재를 산업용 부품소재로 다양하게 이용하기 위해서는 비열처리 상태에서 300MPa 이상의 높은 인장강도와 연신율이 요구되며, 이와 같은 특성을 얻기 위하여 일반적으로 구리, 지르코늄, 망간, 주석, 티타늄, 규소, 칼슘, 스칸듐, 인듐, 그리고 희토류원소를 추가로 첨가하여 강도와 연신율이 향상된 소재를 개발하기 위한 다양한 시도가 이루어져 왔다.
그러나 기계적 특성 향상 및 내식성 개선을 위하여 첨가되는 원소들은 대부분 희토류 원소 등이 포함되어 있어 마그네슘 합금 제품의 가격 상승의 원인이 되므로 이들의 첨가에 많은 제약이 뒤따른다. 특히 최근에는 중국 등 희토류 부존자원이 많은 국가에서 자원을 무기화하여 원자재 값의 상승을 주도함에 따라 마그네슘 합금의 제조원가 상승의 주요 원인으로서 작용하고 있다.
KR 1159790B1, 2012. 6. 26. KR 2010-0073476A, 2010. 7. 1
본 발명의 목적은 AZ80계 마그네슘합금 조성을 기초로 하여 희토류가 첨가되지 않아도 인장강도 및 연신율이 우수한 마그네슘합금 압출재 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 고강도 Mg 합금 압출재는 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 ～ 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 ～ 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 "0"을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 ～ 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 ～ 7wt% 첨가하여 구성된다.
또한, 본 발명은 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 ～ 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 ～ 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 "0"을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 ～ 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 ～ 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 원료를 용해하는 단계 (단계 1)
상기 단계 1에서 용융시킨 마그네슘 합금 원료를 주조하는 단계 (단계 2)
상기 단계 2에서 주조된 빌렛을 압출하는 단계(단계 3)
상기 단계 3에서 압출된 압출품을 열처리하는 단계를 추가적으로 실시하는 단계(단계 4)를 포함하여 제조한다.
여기서, 상기 단계 1은 SF6 가스와 CO2 가스를 1:9 이하의 비율로 혼합한 가스를 사용하며, 전기로를 이용하여 700 ～ 850℃ 범위에서 용해작업을 하여 제조한다.
또한, 상기 단계 3은 고속열간압출기를 사용하며 압출 출구 부위에는 균일 가열장치를 설치하며, 빌렛의 온도는 250 ～ 350℃, 콘테이너는 200 ～ 350℃로 가열유지하고, 압출비는 1:7 ～ 1:15의 범위 내에서 시행하여 제조한다.
여기서, 상기 단계 4에서 T5열처리는 120 ～ 350℃ 범위 내에서 30분 ～ 100 시간 이내로 처리하여 제조한다.
본 발명에 의해 제조된 고강도 마그네슘합금 압출재는 인장강도 및 연신율이 우수한 기계적 특성과 가공성이 뛰어나므로 수송기기 분야의 재료 및 구조용 재료로서 활용가치가 매우 높은 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전체 생산공정도
도 2는 도 1에 도시된 용해 및 주조의 모식도
도 3은 도 1에 도시된 압출공정도 및 압출기 예시
도 4는 본 발명의 실시예 따른 주조재(a)와 압출재(b)의 조직사진
도 5는 본 발명의 실시에에 따른 주조재와 압출재의 기계적 성질을 나타낸 도면
이하 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 고강도 마그네슘 합금 압출재는 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 ～ 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 ～ 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 "0"을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 ～ 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 ～ 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함하여 구성된다.
각 합금별 조성비는 아래의 표 1과 같다.
조성(wt %) Mg Al Zn Mn Sn Zr
AZ80+0.3Zr% Bal. 8.5% 0.5% 0.2% 2.0% 0.3%
AZ80+0.5Zr% Bal. 8.5% 0.5% 0.2% 2.0% 0.5%
AZ80+0.7Zr% Bal. 8.5% 0.5% 0.2% 2.0% 0.7%
AZ80+0.9Zr% Bal. 8.5% 0.5% 0.2% 2.0% 0.9%
AZ80+1.5Zr% Bal. 8.5% 0.5% 0.2% 2.0% 1.5%
또한, 본 발명에 의한 고강도 마그네슘 합금 압출재 제조방법은 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 0을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함 마그네슘 합금 원료를 용해하는 단계 (단계 1)
상기 단계 1에서 용융시킨 마그네슘 합금 원료를 주조하는 단계 (단계 2)
상기 단계 2에서 주조된 빌렛을 압출하는 단계(단계 3)
상기 단계 3에서 압출된 압출품을 열처리를 추가적으로 실시하는 단계(단계 4) : 를 포함한다.
본 발명에서 합금원소의 조성범위를 제한하는 이유는 다음과 같다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 알루미늄(Al)은 마그네슘 합금의 총 중량에 대하여 7.8 9.2 wt% 로 포함되는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al)은 강도 및 경도를 증가시켜 주며 주조시 유동성 향상 및 응고 범위를 증가시켜 주조성을 개선시켜준다. 따라서 7.8 9.2 wt%를 만족하지 아니하는 경우 합금의 인장강도에 있어서 큰 차이를 보인다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 아연(Zn)은 마그네슘 합금의 총 중량에 대하여 0.2 0.8 wt% 로 포함되는 것이 바람직하다.
아연(Zn)은 결정립 미세화 및 강도를 증가에 기여한다. 따라서 그 조성범위는 0.2 0.8 wt%로 한정한다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 망간(Mn)은 마그네슘 합금의 총 중량에 대하여 최대 0.2 wt%(0을 포함하지 않음)로 포함되는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 합금의 내식성을 향상시킬 수 있는 물질이다. 따라서 0.2 wt%(0을 포함하지 않음) 이상으로 포함되는 경우에는 용융된 마그네슘 합금 내에 조대한 망간 입자가 형성되어 제조되는 마그네슘 합금의 내식성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 상기 지르코늄(Zr)은 마그네슘 합금의 총 중량에 대하여 최대 0.01 4.0 wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
지르코늄(Zr)은 결정립 미세화효과가 있으므로 최적의 조건은 0.01 4.0wt% 의 범위이다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금에 있어서, 상기 주석(Sn)은 마그네슘 합금의 총 중량에 대하여 최대 0.5 7.0 wt%로 포함되는 것이 바람직하다.
마그네슘합금은 일반적으로 고온(100이상)에서 크리프 특성이 좋지 않다는 문제점을 가지고 있는데 합금원소로 Sn을 추가할 경우, grain boundary sliding현상을 억제함으로써 고온 기계적 특성을 향상시킨다. 합금내 주석(Sn) 함량이 0.5wt% 미만일 경우, 열적으로 안정한 Mg2Sn 절충상의 양이 너무 적기 때문에 마그네슘합금의 내열특성을 향상시키는 효과가 거의 없으며 7.0wt% 이상일 경우, 부정합 2차상의 화합물이 형성되어 인공시효 특성이 감소하며 열간균열이 발생하기 쉽다.
또한, 본 발명은 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 0을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 원료를 용해하는 단계 (단계 1)
상기 단계 1에서 용융시킨 마그네슘 합금 원료를 주조하는 단계 (단계 2)
상기 단계 2에서 주조된 빌렛을 압출하는 단계(단계 3)
상기 단계 3에서 압출된 압출품을 열처리하는 단계를 추가적으로 실시하는 단계(단계 4) : 를 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명에 따른 인장강도와 연신율이 우수한 마그네슘 합금의 제조방법을 각 단계별로 설명한다.
본 발명의 전체 공정은 도면 1의 개략적인 공정에 따라서 진행하게 된다.
도 2는 본 발명에 의해 제조되는 마그네슘합금의 용해 및 빌렛 제조공정을 나타낸 것이다. 마그네슘 합금의 용탕은 세라믹계의 내화물과 반응을 일으키기 때문에 일반적인 알루미나 도가니의 사용이 불가하며, 철제 도가니를 사용하여 용해주조하게 된다. 마그네슘합금의 용해는 마그네슘의 발화를 방지하고 용탕의 산화방지를 목적으로 보호가스를 일부 이용하여 사용하였다. 일반적으로 이용되고 있는 SF6 보호가스와 CO2 가스를 1:9 이하의 비율로 혼합하여 용탕을 안정화시키었으며, 전기로를 이용하여 700 850 범위에서 용해작업을 실시하였다. 이때, 보호가스는 마그네슘 합금의 용탕 표면 산화막의 치밀화 및 특성변화에 의하여 발화를 억제하는 효과를 갖고 있다.
도 3은 용해작업 후, 빌렛으로 만든 마그네슘합금을 열간압출기에 장입하여 고속열간압출하는 공정으로서 마그네슘합금의 압출시에는 출구 부위에 균일 가열장치를 설치하여 출구부분에서 발생하는 불균일 냉각으로 인하여 압출재 조직변화 및 기계적 성질의 변화, 그리고 뒤틀림과 같은 변형이 최소화하도록 한다. 이때의 조건은 다음과 같다. 빌렛의 온도는 250 350, 콘테이너는 200 350로 가열유지하였다. 이때의 압출비는 최소 1:7에서 최대 1:15의 범위내에서 시행하였다.
도 4는 본 발명에 의해 제조된 주조재의 미세조직과 주조재를 인장시험 측정 결과를 나타낸 것이다.
본 발명인 고강도 마그네슘 압출재는 AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 0을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것으로서, 추가되는 성분들이 결정립 미세화에 큰 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는 도 (4)-2의 인장시험결과에 의해서도 잘 나타나 있다.
도 5는 본 발명에 의해 가공된 마그네슘 합금 압출재의 조직사진과 기계적 특성을 나타낸 것으로서 압출방향에 대해서 직각방향의 중심부 단면조직이다.
기계적 특성은 압출재의 경우 주조재 대비 인장강도와 연신율이 크게 향상되었다. 비열처리재의 경우 인장강도는 360MPa이상, 연신율은 12%이상의 물성치를 갖는다.
본 발명에 의해 만들어진 AZ80계 마그네슘합금 압출재는 용도에 따라 열처리하는 단계를 포함한다. 일반적으로 마그네슘합금은 열처리 없이 그대로 사용하기도 하며, 사용 조건 및 용도에 따라서 열처리를 실시하게 된다.
마그네슘 합금은 결정구조가 조밀육방구조로서 입방정 형상의 결정구조를 갖는 일반적으로 상용되는 다른 금속들 예를 들면, 구리, 알루미늄, 철 등과 달리 상온에서의 가공이 어렵기 때문에 고온에서 선가공후 열처리를 실시하는 T5 열처리를 실시한다. 이때 T5 열처리의 온도범위는 120 350범위이며, 열처리시간은 제품의 크기와 굵기(지름), 형상에 따라서 30분 100시간 이내의 범위로 정하게 된다.
열처리는 T5로 Ar gas 분위기에서 350로 24시간 유지시킨다. 열처리 이전과 이후의 특성 차이는 다음 표 2 및 표 3과 같다.
열처리 전
AZ+Zr(wt%)Alloys 인장강도() 연신율(%) 항복강도()
AZ80 351 13.8 301
AZ80+0.3Zr% 365 12.4 320
AZ80+0.5Zr% 358 13.3 313
AZ80+0.7Zr% 363 12.3 334
AZ80+0.9Zr% 357 13.0 314
열처리 후
AZ+Zr(wt%)Alloys 인장강도() 연신율(%) 항복강도()
AZ80 292 17.9 170
AZ80+0.3Zr% 300 19.2 180
AZ80+0.5Zr% 295 17.1 175
AZ80+0.7Zr% 301 18.5 159
AZ80+0.9Zr% 292 20.2 164

Claims (5)

  1. AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 ～ 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 ～ 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 "0"을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 ～ 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 ～ 7wt%, 기타 불가피한 불순물 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금 압출재.
  2. AZ80계 마그네슘합금 조성의 기초 원소인 마그네슘을 주성분으로 하고, 알루미늄(Al) 7.8 ～ 9.2wt%와 아연(Zn) 0.2 ～ 0.8wt%를 기본 합금원소로 첨가하며, 망간(Mn) 0.2wt%이하(단 "0"을 포함하지 않음), 지르코늄(Zr) 0.01 ～ 4.0wt%, 주석(Sn) 0.5 ～ 7wt%, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 원료를 용해하는 단계 (단계 1)
    상기 단계 1에서 용융시킨 마그네슘 합금 원료를 주조하는 단계 (단계 2)
    상기 단계 2에서 주조된 빌렛을 압출하는 단계(단계 3)
    상기 단계 3에서 압출된 압출품을 열처리를 추가적으로 실시하는 단계(단계 4) : 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금 압출재 제조방법
  3. 제2항에 있어서,
    단계 1은 SF6 가스와 CO2 가스를 1:9 이하의 비율로 혼합한 가스를 사용하며, 전기로를 이용하여 700 ～ 850℃ 범위에서 용해작업을 하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금 압출재 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    단계 3은 고속열간압출기를 사용하며 압출 출구 부위에는 균일 가열장치를 설치하며, 빌렛의 온도는 250 ～ 350℃, 콘테이너는 200 ～350℃로 가열유지하고, 압출비는 1:7 ～ 1:15의 범위 내에서 시행하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금 압출재 제조방법.
  5. 제2항에 있어서,
    단계 4중 추가적인 열처리는 120 ～ 350℃ 범위 내에서 30분 ～ 100 시간 이내로 처리하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금 압출재 제조방법.
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