KR101646267B1

KR101646267B1 - 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금

Info

Publication number: KR101646267B1
Application number: KR1020100050432A
Authority: KR
Inventors: 신광선
Original assignee: 현대자동차주식회사; 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2016-08-05
Also published as: US20110293465A1; KR20110130881A

Abstract

본 발명은 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 내열 특성 및 고인장강도를 나타내고, 동시에 높은 내크리프 특성을 나타낼 수 있도록 한 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.00∼3.00 중량%, 미쉬메탈(Mm) 2.00∼6.00 중량%, 아연(Zn) 0.10∼1.00 중량%, 지르코늄(Zr) 0.10~1.00 중량%, 이트륨(Y) 0.01~0.50 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.10 중량%, 실리콘(Si) 0.008 중량%, 철(Fe) 0.004 중량%, 구리(Cu) 0.003 중량%, 니켈(Ni) 0.001 중량% 가 함유되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금을 제공한다.

Description

내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금{HEAT RESISTING Mg ALLOY FOR GRAVITY CATING WITH HIGH CREEP RESISTANCE}

본 발명은 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 내열 특성 및 고인장강도를 나타내고, 동시에 높은 내크리프 특성을 나타낼 수 있도록 한 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금에 관한 것이다.

마그네슘 합금은 우수한 비강도 및 탄성계수를 가지고 있고, 진동, 충격, 전자파 흡수 능력이 우수하여, 차량을 포함한 각종 운반 및 수송기기의 무게 절감을 위한 경량화 소재로 널리 사용되고 있다.

특히, 상온용 마그네슘 합금의 내열 특성을 개선한 내열 마그네슘 합금 또한 차량의 파워트레인 경량화를 위해 그 적용 가능성이 커지고 있다.

상기 내열 마그네슘 합금 종류는 AJ(Mg-Al-Sr), AE(Mg-Al-Re), MRI153(Mg-Al-Sr-Ca-Re)로 대표되는 다이캐스팅용 합금과, ZE(Mg-Zn-Zr-Re), ZK(Mg-Zn-Zr), MRI202S(Mg-Nd-Zn-Zr-Y-Ca)로 대표되는 중력주조용 합금으로 나눌 수 있다.

위의 중력주조용 합금중 MRI202S 합금은 기존의 내열 마그네슘 합금중 가장 내크리프 특성이 우수한 소재로 평가되고 있고, 따라서 175℃의 주변환경에서 동작되는 엔진용 실린더블록 소재 등으로 적용 가능하다.

그러나, 상기 MRI202S 합금은 가격이 비싸기 때문에, 그리고 MRI202S합금은 전량 해외 수입 의존도가 크기 때문에, 엔진용 실린더블럭 등의 부품 소재 용도로는 그 적용에 어려움이 있다.

따라서, 가격이 보다 저렴하고, 내열 특성이 더 우수한 마그네슘 합금 소재의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 종래의 MRI202S 합금 성분들의 함량을 조절하는 동시에 희토류 금속의 일종인 미쉬메탈을 더 첨가하여, 고온 인장강도 및 내크리프 특성을 향상시킬 수 있고, 시효경화 처리 온도 및 시간을 조절하여 경도를 향상시킬 수 있는 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.00~3.00 중량%, 미쉬메탈(Mm) 2.00~6.00 중량%, 아연(Zn) 0.10~1.00 중량%, 지르코늄(Zr) 0.10~1.00 중량%, 이트륨(Y) 0.01~0.50 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.10 중량%가 함유되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금을 제공한다.

바람직하게는, 본 발명에 따른 마그네슘 합금은, 마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.50~2.50 중량%, 미쉬메탈(Mm) 2.00~4.00 중량%, 아연(Zn) 0.30~0.60 중량%, 지르코늄(Zr) 0.20~0.50 중량%, 이트륨(Y) 0.09~0.20 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.05 중량%가 함유되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래의 MRI202S 합금 성분들의 함량을 조절하는 동시에 희토류 금속의 일종인 미쉬메탈을 더 첨가한 마그네슘 합금을 제공함으로써, 고온 인장강도 및 내크리프 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 마그네슘 합금의 열처리 과정중 시효경화 처리시의 온도 및 시간을 조절하여 경도를 더 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 각각 종래의 마그네슘 합금과 본 발명의 마그네슘 합금에 대한 시효경화 거동 시험의 결과를 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 마그네슘 합금에 대한 SEM 조직사진,
도 4는 본 발명의 마그네슘 합금과 종래의 마그네슘 합금에 대한 상온 항복강도 시험 결과를 대비하여 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 마그네슘 합금과 종래의 마그네슘 합금에 대한 고온 항복강도 시험 결과를 대비하여 나타낸 그래프,
도 6은 종래의 마그네슘 합금에 대한 크리프 특성 시험 결과를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 마그네슘 합금에 대한 크리프 특성 시험 결과를 나타낸 그래프.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금을 제공하고자 한 것으로서, 마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.00~3.00 중량%, 미쉬메탈(Mm) 2.00~6.00 중량%, 아연(Zn) 0.10~1.00 중량%, 지르코늄(Zr) 0.10~1.00 중량%, 이트륨(Y) 0.01~0.50 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.10 중량%, 실리콘(Si) 0.008 중량%, 철(Fe) 0.004 중량%, 구리(Cu) 0.003 중량%, 니켈(Ni) 0.001 중량% 가 함유된다.

본 발명의 마그네슘 합금 성분의 주요 성분에 대한 첨가 이유 및 함량 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) 네오디뮴(Nd) 1.00∼3.00 중량%

네오디뮴은 결정립계 따라 석출되는 고온 안정상 Mg₄₁Nd₅ 생성 이유로 첨가되고, 1.00 중량% 미만이면 상이 생성 안되고, 3.00 중량% 초과이면 조대상 형성 및 부품제조시 핫크랙 발생비율이 높아짐으로, 1.00∼3.00 중량%로 한정하기로 한다.

(2) 미쉬메탈(Mm) 2.00∼6.00 중량%

미쉬메탈은 결정립계 따라 석출되는 고온 안정상 Mg₁₂Ce 생성 이유로 첨가되고, 2.00 중량% 미만이면 상이 형성 안되고, 6.00 중량% 초과이면 조대상 형성 및 부품제조시 핫크랙 발생비율이 높아짐으로, 2.00∼6.00 중량%로 한정하기로 한다.

(3) 아연(Zn) 0.10∼1.00 중량%

아연은 결정립계 따라 석출되는 고온 안정상 Mg₂YZn₆, Ca₂Mg₆Zn 등을 효과적으로 생성시킬 수 있는 이유로 첨가되고, 0.10 중량% 미만이면 상 생성을 유발하지 않고, 1.00 중량% 초과이면 조대상 형성으로 연신율이 낮아짐으로, 0.10∼1.00 중량%로 한정하는 것이 좋다.

(4) 지르코늄(Zr) 0.10~1.00 중량%

지르코늄은 결정립 미세화 이유로 첨가되고, 0.10 중량% 미만이면 효과가 없고, 1.00 중량% 초과이면 조대한 Zn₂Zr상이 형성됨으로 0.10∼1.00 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

(5) 이트륨(Y) 0.01~0.50 중량%

이트늄은 결정립계 따라 석출되는 고온 안정상 MgYZn₆ 생성 이유로 첨가되고, 0.01 중량% 미만이면 상이 형성 안되며, 0.50 중량% 초과이면 조대상 형성으로 연신율이 낮아지고 합금가격이 상승함으로 0.01∼0.50 중량%로 한정하기로 한다.

(6) 칼슘(Ca) 0.01~0.10 중량%

칼슘은 결정립계 따라 석출되는 고온 안정상 Ca₂Mg₆Zn₃ 생성이유로 첨가되고, 0.01 중량% 미만이면 상이 형성안되며, 0.10 중량% 초과이면 조대상 형성으로 연신율이 낮아짐으로, 0.01∼0.10 중량%로 한정한다.

(7) 실리콘(Si) 0.008 중량% 이하

(8) 철(Fe) 0.004 중량% 이하

(9) 구리(Cu) 0.003 중량% 이하

(10) 니켈(Ni) 0.001 중량%

실리콘, 철, 구리, 니켈은 불가피한 불순물로 첨가된다.

이하, 하기의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 하기의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1-5 및 비교예 1-5

실시예 1-5로서 본 발명의 마그네슘 합금을 아래의 표 1에 나타낸 바와 같이 조성한 후, 마그네슘 용탕을 주조재로 가공하는 통상의 방법으로 시편 제작하고, 비교예 1-5로서 종래의 마그네슘 합금 조성은 아래의 표 1에 나타낸 바와 같고 실시예와 동일한 방법으로 시편을 제작하였다.

시험예1

실시예1-5 및 비교예 1-5에 따라 제작된 시편에 대한 시효경화 거동 시험을 하였는 바, 이를 통해 각 합금의 최대강도가 나올 수 있는 열처리 온도를 설정하였다.

그 결고, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 비교예1-5에 따른 합금은 230℃에서 20분 정도 유지할 때 최대강도가 도출되고, 첨부한 도 2에서 보는 바와 같이 실시예1-5에 따른 합금은 250도 온도에서 20분 후 최대강도가 관찰되었다.

시험예2

실시예 1에 따른 마그네슘 합금 시편에 대한 미세조직을 전자현미경을 통해 관찰하였는 바, 첨부한 도 3에서 보는 바와 같이 고온 내열 특성을 유지하도록 작용하는 고온 강화상인 MgNd 및 MgCe가 관찰됨을 알 수 있었고, 이렇게 고온 강화상인 MgNd 및 MgCe가 관찰되는 것은 실시예1의 마그네슘 합금을 175℃의 주변환경에서 동작되는 엔진용 실린더블록 소재로 적용 가능함을 나타낸다.

시험예3

실시예1-5 및 비교예 1-5에 따라 제작된 마그네슘 합금 시편에 대한 상온 항복강도 및 고온 항복강도 측정 시험(인장강도 시험)을 하였는 바, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 비교예1에 따른 합금에 비해 실시예1에 따른 합금의 고온 인장강도(항복강도)가 더 높게 도출됨을 알 수 있었고, 이는 본 발명의 마그네슘 합금을 기존의 합금을 대체하여 엔진용 실린더블록 소재로 사용 가능함을 나타낸다.

시험예4

실시예1-5 및 비교예1-5에 따라 제작된 마그네슘 합금 시편에 대한 크리프 변형율을 측정하였는 바, 비교예1-5에 따른 종래의 마그네슘 합금에 대한 내크리프 특성 시험 결과는 첨부한 도 6에 나타낸 바와 같고, 실시예1-5에 따른 본 발명의 마금네슘 합금에 대한 내크리프 특성 시험 결과는 첨부한 도 7과, 아래의 표 2에 나타낸 바와 같다.

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예1에 따른 마그네슘 합금의 크리프 변형율 즉, 내크리프 특성이 가장 높음을 알 수 있었다.

이와 같은 시험예를 통하여, 본 발명의 마그네슘 합금은 기존의 마그네슘 합금에 비하여 고온인장 및 내크리프 특성이 높음을 확인할 수 있었다.

Claims

마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.00~3.00 중량%, 세륨(Ce)을 함유하는 미쉬메탈(Mm) 2.00~6.00 중량%, 아연(Zn) 0.10~1.00 중량%, 지르코늄(Zr) 0.10~1.00 중량%, 이트륨(Y) 0.01~0.50 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.10 중량%가 함유되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금.
청구항 1에 있어서,
마그네슘(Mg)를 주성분으로 하고, 여기에 네오디뮴(Nd) 1.50~2.50 중량%, 세륨(Ce)을 함유하는 미쉬메탈(Mm) 2.00~4.00 중량%, 아연(Zn) 0.30~0.60 중량%, 지르코늄(Zr) 0.20~0.50 중량%, 이트륨(Y) 0.09~0.20 중량%, 칼슘(Ca) 0.01~0.05 중량%가 함유되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내크리프 특성이 우수한 중력주조용 내열 마그네슘 합금.