KR101722320B1 - 항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금 - Google Patents

항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Mg-Al-Sn 합금계를 기본으로 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 미시메탈(Mm) 또는 실리콘(Si) 등의 합금원소를 첨가하고 합금계를 구성하는 합금원소의 첨가 비율 조절을 통해, 고용 강화 효과와 더불어 결정립계에 다양한 고온 안정상을 형성하여 기존 상용 마그네슘합금 대비 경제성이 뛰어나면서도 상/고온 항복강도와 내크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 마그네슘합금은 3.0 ~ 6.5 중량%의 Al, 3.0 ~ 8.0 중량%의 Sn, 0.1 ~ 2.0 중량%의 Ca, 0.1 ~ 0.5 중량%의 Mn, 0.01 ~ 1.0 중량%의 Sr, 0.01 ~ 0.5 중량%의 희토류금속을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금 {Magnesium Casting Alloy Having Good Yield Strength and Creep Resistance}
본 발명은 차량이나 전자부품과 같이 높은 기계적 및 열적 특성이 요구되는 분야에 사용할 수 있는 고강도/내크리프 마그네슘합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘에 첨가되는 합금원소의 선정과 각 성분 간의 비율의 조절을 통해 우수한 상온 및 고온 강도와 내크리프성 및 주조성을 구비하여, 특히 다이캐스팅 및 중력주조에 적합한 마그네슘합금에 관한 것이다.
마그네슘합금은 현재 상용화된 구조용 금속 중 가장 가벼운 합금으로서 자동차 및 전자기기 분야에서 경량화를 극대화하기 위한 부품에 사용된다. 또한, 최근에는 부품의 일체화를 통한 대형화나, 내열 합금 개발에 따른 차량용 엔진 부품 적용과 가공재를 이용한 차체 부품 적용 등으로 인해 마그네슘합금을 적용한 자동차 부품의 수요가 급격히 증가하고 있다.
한편, 고온용 자동차 부품으로의 적용을 위한 내열 마그네슘합금 개발에 있어서 상온용 부품에 적용되는 것과 달리 여러 가지 사항을 동시에 고려하여야 하는데, 우선적으로 내열 마그네슘합금은 상온 및 고온에서의 기계적 특성과 크리프 특성이 우수하여야 할 뿐만 아니라, 뛰어난 주조성과 사용 환경에 적합한 내식성을 지녀야 한다.
현재 개발되고 있는 다이캐스팅용 내열 마그네슘합금은 주로 Mg-Al계 합금을 기본 조성으로 하고, 여기에 Si, Ca, Sr 혹은 RE(희토류, Rare-Earth) 원소 등을 첨가하여 합금의 제반 특성을 향상시키는 방향으로 개발되고 있다. 즉, 대부분의 다이캐스팅용 내열 마그네슘합금은 Al을 주 합금원소로 하고 있는데, 이는 Al의 첨가가 마그네슘합금의 상온 강도와 함께 주조성을 향상시키기 때문이다. 그러나 Al은 고온에서 크리프 특성을 저하시키는 단점이 있는 관계로 적정량의 Al을 첨가하는 것이 매우 중요하다.
이와 같이 Al을 주 합금원소로 첨가하여 개발된 상용 마그네슘합금은 AZ(Mg-Al-Zn)와 AM(Mg-Al-Mn) 계열의 AZ91, AM60, AM50 합금 등이 있는데, 이들 합금은 고온에서 강도가 급격하게 저하되기 때문에 최대 사용온도가 120℃ 정도이며　그 이상의 온도에서 사용되는 자동차 부품에는 적용할 수 없는 한계가 있다.
따라서 Al을 주 합금원소로 하는 마그네슘합금에 비해 고온강도가 우수하고 주조성과 부식저항성이 우수한 내열 마그네슘합금의 개발이 요구되고 있으며, 이러한 목적으로 개발된 마그네슘합금에는 Al 또는 Zn을 주 합금원소로 하고, 여기에 Ca, Si, RE, Sr 등의 원소를 소량 첨가한 합금들이 있다.
또한, 최근에는 기존의 내열 마그네슘합금과 동등한 수준의 기계적 강도 및 내열성을 유지하면서, 생산원가를 낮추고 주조성을 개선하는 것이 내열 마그네슘 합금의 중요한 개발 목적이 되고 있다. 이러한 목적으로 개발된 150℃용 내열 마그네슘합금으로는 다음과 같은 예가 알려져 있다.
하이드로마그네슘(Hydro Magnesium)사는 다이캐스팅용 마그네슘합금으로 AS 및 AE계 합금의 개량에 초점을 맞추어, AS21 합금에 Mn 함량을 줄이는 대신에 소량의 미시메탈(Misch metal)을 첨가함으로써 내식성이 향상된 AS21X 합금을 개발하였으며, 또한 AE42 합금의 특성을 향상시킨 AE44 합금을 개발하였다.
또한, 혼다(Honda)사는 미쓰이마이닝스멜팅(Mitsui Mining Smelting)사와 함께 AM50 합금에 2.5 중량%의 RE와 2.0 중량%의 Ca을 첨가한 ACM522 합금을 개발하여 오일팬에 적용하였는데, 이 부품은 혼다사의 하이브리드카인 인사이트(Insight) 엔진에 적용된 예가 있다. 하지만 이 합금은 상대적으로 가격이 비싼 RE의 함량이 높을 뿐만 아니라 금형소착(Die Sticking) 및 열크랙(Hot Cracking) 발생 등과 같은 제조 공정상의 문제점이 있다.
또한, 지엠(GM)사는 AM50 합금에 1.7 내지 3.3 중량%의 Ca과 0.2 중량%의 Sr을 첨가한 AXJ 합금을 개발하였으나, 이 경우에도 높은 Ca 함량에 따른 Die Sticking 및 Hot Cracking 발생 등의 문제점이 있다.
또한, 마그네슘엘렉트론(Magnesium Elektron)사는 2.5 중량%의 RE, 0.35 중량%의 Zn, 0.3 중량%의 Mn에 소량의 Sr과 Ca을 첨가한 MEZ 합금을 개발하였는데, 이 합금은 양호한 내열 특성을 나타내지만, 항복강도가 낮은 단점이 있다.
현재까지 개발된 150℃용 내열 마그네슘합금 중 경제성이 좋은 합금으로는 데드씨마그네슘(Dead Sea Magnesium)사에서 개발한 MRI153 및 MRI230D 합금이 있다. 이 합금은 마그네슘합금에 Sr, Ca 등을 첨가한 합금으로서 비교적 높은 하중에서도 우수한 내크리프 특성을 나타낸다. 또한 현재까지 개발된 고강도 내열 합금 중에서는 고온 특성이 매우 우수한 것으로 알려졌으나, 주조성이나 가격 및 부품 적용 측면에는 여전히 개선할 여지가 있다.
한편, 특허문헌에는 이트륨(Y)과 니오디뮴(Nd)와 같은 고가의 희토류 금속을 상당량 합금화하여 고강도와 함께 우수한 내크리프성을 구현한 마그네슘 합금을 개시하고 있으나, 제조비용이 높은 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2012-0026495
본 발명은 Mg-Al-Sn 합금계를 기본으로 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 희토류 금속(RE) 또는 실리콘(Si) 등의 합금원소를 첨가하고, 합금계를 구성하는 합금원소의 첨가 비율의 조절을 통해, 우수한 상온 항복강도와 150℃에서 사용할 수 있는 고온 항복강도와 내크리프성을 나타내면서도 저비용으로 제조할 수 있는 고강도/내크리프 마그네슘합금을 제공하는 것을 해결과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 5.5 ~ 8.0 중량%의 Al, 3.0 ~ 8.0 중량%의 Sn, 0.5 ~ 2.0 중량%의 Ca, 0.1 ~ 0.5 중량%의 Mn을 필수적으로 첨가하고, 0.1 ~ 1.0 중량%의 Sr, 0.1 ~ 0.6 중량%의 희토류금속, 0.01 ~ 1.0 중량%의 Si을 선택적으로 함유하며, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물을 포함하는 고강도/내크리프 마그네슘합금을 제공한다.
본 발명에 따르면 각 합금원소의 첨가에 따른 다이캐스팅용 고강도/내크리프 Mg-Al-Sn-Ca-(Sr,Mm) 마그네슘합금은 비교적 저렴한 비용으로 제조가 가능할 뿐 아니라, 우수한 상온 및 고온 항복강도와 내크리프 특성을 나타내어, 특히 차량용이나 전자기기용 부품용 중에서 사용온도 150℃에서 높은 기계적 특성 및 열적 특성이 요구되는 부품에 적합하게 사용될 수 있다.
도 1(a)는 본 발명의 비교예 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 1(b)는 본 발명의 실시예 No. 2 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 1(c)는 본 발명의 실시예 No. 5 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 1(d)는 본 발명의 실시예 No. 6 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 1(e)는 본 발명의 실시예 No. 9 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 1(f)는 본 발명의 실시예 No. 13 합금의 광학 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명의 비교예 및 실시예 No. 2, No. 5 합금의 마그네슘 기지 내 용질 분포 변화에 관한 결과이다.
도 3은 본 발명의 실시예 No. 5 및 No. 6 합금의 투과전자현미경 사진 및 Selected Area Diffraction Pattern 결과이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명자들은 고가의 합금원소 사용을 최소화하면서도 기존에 개발된 내열 마그네슘합금에 상응하는 상온 및 고온 항복강도, 내크리프 특성을 구비할 수 있도록, 합금성분과 각 합금성분의 비율을 조절하였을 때의 석출물(Mg17Al12, Al8Mn5, Al11Mn4, Mg2Sn, CaMgSn, (Mg,Al)2Ca, Al4Sr, AlMgSr, Al2Ce, Al11Ce3 등)의 종류와 부피 분율 등을 고려하여 최소한의 비용으로 최대한의 기계적 특성(상온 및 고온 항복강도, 내크리프 특성)을 얻을 수 있는 주조용 마그네슘합금을 연구한 결과, 아래와 같은 조성의 마그네슘을 개발하게 되었다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금은, 3.0 ~ 6.5 중량%의 Al, 3.0 ~ 8.0 중량%의 Sn, 0.1 ~ 2.0 중량%의 Ca, 0.1 ~ 0.5 중량%의 Mn와, 나머지는 마그네슘과 불가한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마그네슘 합금은 0.1 ~ 0.6 중량%의 희토류금속 및/또는 0.1 ~ 1.0 중량%의 Sr을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 마그네슘 합금에 있어서 Ca 함량은 1.0 ~ 2.0 중량%이고, 이때 Ca에 대한 Sn의 함량비(Sn/Ca)를 4 이하으로 포함될 경우, 결정립계에 고온안정상인 (Mg,Al)2Ca 상을 형성할 수 있어 보다 바람직하다. 상기 Ca에 대한 Sn의 함량비(Sn/Ca) 3이하가 보다 바람직하고, 2.5 이하가 가장 바람직하다.
또한, 상기 마그네슘 합금은 1.0 중량% 이하의 Sr과 0.6 중량% 이하의 Mm, 그리고 1.0 중량% 이하의 Si 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 마그네슘합금에 있어서, 상기 희토류 금속은 미시메탈(Mm)일 수 있다.
또한, 상기 마그네슘합금은 다이캐스팅, 사형 주조, 금형 주조, 반응고 주조 및 단조 또는 용탕 단조로 사용될 수 있다.
또한, 상기 마그네슘합금은, 상온 및 150℃에서의 항복강도가 각각 150MPa 및 130MPa 이상일 수 있다.
또한, 상기 마그네슘합금은, 불순물로 포함되는 Fe의 함량이 0.005 중량% 이하, Cu의 함량이 0.003 중량% 이하, Ni의 함량이 0.001 중량% 이하로 유지되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 마그네슘합금을 구성하는 각 성분의 조성 범위를 상기와 같이 한정한 이유는 다음과 같다.
알루미늄(Al): 3.0 ~ 6.5 중량%
알루미늄은 마그네슘 기지 내에 최대 고용한이 437℃에서 대략 12 중량% 정도로, Mg-Al 이원계 합금의 경우 최대 9 중량% 이내로 마그네슘 기지 내에 고용되어 고용강화 효과를 나타낸다.
알루미늄 함량이 3.0 중량% 이하로 낮아진다면 다이캐스팅 합금의 주조성이 나빠지며 상온강도가 저하하여 5.5 중량% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, 알루미늄은 마그네슘과 반응하여 Mg17Al12상을 형성하여, 상온에서의 강도 향상에 기여하나 고온에서는 낮은 용융점으로 인한 입계 연화로 고온 특성을 저해하므로 6.5 중량%까지로 한정하는 것이 바람직하다.
주석( Sn ): 3.0 ~ 8.0 중량%
Mg-Al계 합금에 주석을 첨가할 경우, 고용 강화로 인해 상온 및 고온 항복강도가 증가하는 효과가 있어 기존 Al의 첨가량을 최소화할 수 있으며, 열적으로 안정한 Mg2Sn 석출상이 입계에 형성되어 고온 인장특성 및 크리프 특성이 향상된다. 주석은 마그네슘에 첨가 시 무게 분율에 비해 원자 분율이 낮아 석출상 형성을 통한 강도 향상을 위해서는 최소 3.0 중량% 이상 첨가할 필요가 있으나, 다량 첨가하면 다소 조대한 형태의 Mg2Sn이 형성될 수 있으므로, 최대 8.0 중량%가 되도록 첨가하며, 보다 바람직하게는 4.0 중량% 내외로 첨가한다.
칼슘(Ca): 0.1 ~ 2.0 중량%
칼슘은 마그네슘합금 용탕 표면에 산화막을 형성하여 주조 공정 시 내산화성을 향상시켜 마그네슘 용해시 보호가스로 사용되는 SF6가스의 소비량을 줄일 수 있다. 또한 Mg-Al-Sn계 합금에 칼슘 첨가 시, Ca : Sn 함량비에 따라 입내에 CaMgSn을 형성하거나 입계에 (Mg,Al)2Ca과 같은 고온 안정상을 생성하여 마그네슘합금의 상온 및 고온 항복강도 및 크리프 특성을 향상시키는 역할을 한다. 한편, 칼슘이 2.0 중량% 이상이 되면 다이캐스팅 금형과의 반응으로 인해 금형흡착(Die-sticking) 현상이 심해져 금형의 마모와 함께 마그네슘합금의 회수율이 저하된다.
상기한 칼슘의 효과를 얻기 위해 본 발명에서는 칼슘을 0.1 중량% 이상으로 첨가하고 칼슘에 의한 금형흡착 현상을 억제하기 위하여 최대 2.0 중량%까지로 제한하되, 입계에 (Mg,Al)2Ca 상의 형성을 유도하기 위해 Ca:Sn 함량비가 0.25 이상이 되도록 제어하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.1 ~ 0.5 중량%
망간은 마그네슘합금의 내식성에 악영향을 미치는 철(Fe)과 반응하여 Al-Mn-Fe 화합물을 형성하고 이 화합물은 슬러지로 걸러져 마그네슘합금의 Fe 함량을 낮추기 때문에 마그네슘합금의 내식성을 개선하는 역할을 한다. 망간의 함량이 너무 낮으면 상기한 효과를 얻을 수 없기 때문에 최소 0.1 중량% 이상으로 첨가한다. 한편, 망간을 1.0 중량%를 초과하여 첨가하게 되면 초정 Mn을 생성하여 기계적 성질을 떨어뜨리므로 0.5 중량 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
스트론튬(Sr): 0.1 ~ 1.0 중량% 이하
스트론튬은 마그네슘합금의 결정립을 미세하게 하는 작용을 하여 마그네슘합금의 강도를 향상시킨다. 또한 알루미늄이나 마그네슘과 반응으로 입계에 열적으로 안정한 Al4Sr 및 MgAlSr과 같은 화합물을 생성하여 고온에서 전위 이동을 억제하거나 입계의 미끄러짐을 방해함으로써 고온 특성 향상에 기여한다. 함량이 지나치게 낮을 경우에는 상기한 효과를 기대하기 어려워 최소 0.1 중량% 이상으로 하였으며, 함량이 많아지면 연신율이 감소하고 제조비용이 상승하므로 최대 1.0 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
희토류금속(RE): 0.1 ~ 0.6 중량% 이하
본 발명에 첨가되는 희토류금속은 0.1 내지 0.6 중량%로 일반적으로 원자번호 57(La, 란탄) 내지 71(Lu, 루테튬)에 속하는 원소의 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있다. 한편, 세륨리치 미시메탈(Mm)은 대략 50 중량%의 Ce(세륨), 25 중량%의 La(란탄), 20 중량%의 Nd(네오디뮴), 5 중량%의 Pr(프라세오디뮴)으로 이루어져 있는데, 다른 희토류금속에 비해 저렴하기 때문에 바람직한 예라고 할 수 있다. 희토류금속은 알루미늄과의 반응으로 입계에 Al11RE3의 중간상을 생성하여 고온에서 입계 미끄러짐을 방해하여 고온강도, 크리프 특성 및 내식성을 향상시키고 조대한 CaMgSn 상을 효과적으로 미세화할 수 있기 때문에 최소한 0.1 중량% 이상을 마그네슘에 첨가하는 것이 바람직하며, 지나치게 많이 첨가하게 되면 마그네슘합금의 제조비용이 상승하는 문제점이 있어 최대 0.6 중량%까지로 제한한다.
실리콘( Si ): 1.0 중량% 이하
마그네슘합금에 실리콘을 첨가할 경우, 상온 강도가 증가하는 효과가 있으나 다량 첨가하면 고온 강도가 감소하므로, 최대 1.0 중량%가 되도록 첨가하며, 보다 바람직하게는 0.4 중량% 이내로 첨가한다.
기타 불가피한 불순물
본 발명에 따른 마그네슘합금에는 합금의 원료 또는 제조과정에서 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 마그네슘합금에 포함될 수 있는 불순물 중에서 Fe, Cu, Ni는 마그네슘합금의 내식성을 악화시키는 역할을 하는 성분이다. 따라서 Fe의 함량은 0.005 중량% 이하, Cu의 함량은 0.003 중량% 이하, Ni의 함량은 0.001 중량% 이하를 유지하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 마그네슘합금에 대해서 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
마그네슘합금의 제조
본 발명의 실시예에서는 320톤 콜드챔버(Cold Chamber) 다이캐스팅 장비와, 240리터급 진공탱크를 구비한 장비를 사용하여, 용탕온도 660~690℃, 금형온도 170~230℃, 사출압력 260kgf/㎠ 조건을 적용하여 하기 표 1의 조성을 갖는 다이캐스팅 마그네슘합금을 제조하였다.
미세조직 분석
상기와 같은 조성으로 제조한 마그네슘합금의 미세조직을 관찰하기 위하여, 다이캐스팅 공정으로 제조한 합금 시편에서 미세조직 관찰용 시편을 채취하였으며, 각 시편은 수지에 마운팅(Mounting)하여 100 ~ 4000번 사포 및 0.05νm 알루미나 분말로 기계적 연마를 한 후, 0.5% 나이탈(Nital) 용액으로 에칭하였다. 투과전자현미경 관찰용 시편은 다이캐스팅 공정으로 제조한 합금 시편에서 채취하였으며, 약 15~20νm 두께로 기계적 연마 후, 이온밀러(Ion miller)를 이용하여 홀(hole) 발생 시까지 추가적으로 연마하였다.
상온 및 고온 인장 특성 평가
본 발명의 실시예에 따른 마그네슘합금의 상온 및 고온 인장실험은 20mm의 표점거리와 4mm의 직경(ASTM B557M)을 가진 봉상 시편을 사용하여 수행하였으며, 인장시험 중 시편의 외부결함에 의한 조기 파단을 막기 위하여 실험 전에 시편의 표면을 2,000번 사포를 사용하여 연마하였다.
인장시험은 상온에서 2×10-4/s의 공칭변형률속도로 수행하였으며, 실험결과의 재현성을 위하여 5개 이상의 시편을 동일한 조건에서 실험하였다. 고온(150℃) 인장시험의 경우에는, 고온 챔버의 내부 온도를 150℃에서 1시간 이상 유지한 후, 시편을 지그에 장착하고 다시 20분간 유지하여 시편 온도가 목적 온도에 도달한 것을 확인한 후 인장시험을 수행하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
하기 표 1에서 확인된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅 마그네슘합금의 상온 항복강도는 최저 136.0MPa에서 최대 178.4MPa이고, 고온(150℃) 항복강도도 최저 101.1MPa에서 최대 145.5MPa이므로, 고온 환경에서 사용할 수 있는 충분한 강도를 나타냄을 알 수 있다.
제조 마그네슘합금의 조성 및 상온 및 고온 인장 특성
합금
번호		 조성 25 (oC) 150 (oC)
항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율
(%)		 항복강도 (MPa) 인장강도 (MPa) 연신율
(%)
1 Mg-6Al-2Sn 136.0 171.9 2.5 101.1 124.3 11.3
2 Mg-6Al-4Sn 144.6 240.4 7.8 108.4 137.1 17.9
3 Mg-6Al-8Sn 159.3 254.8 6.3 128.4 151.6 17.3
4 Mg-6Al-4Sn-0.5Ca 147.5 268.2 9.9 114.7 143.5 26.2
5 Mg-6Al-4Sn-1.0Ca 157.2 240.5 6.3 124.8 146.3 26.9
6 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca 158.8 229.6 4.9 132.7 159.6 11.4
7 Mg-6Al-4Sn-0.5Ca-0.5Sr 155.7 242.9 6.0 121.7 145.4 24.6
8 Mg-6Al-4Sn-1.0Ca-0.5Sr 161.1 233.7 5.2 124.8 145.6 15.4
9 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca-0.5Sr 168.1 247.4 6.6 143.1 177.1 22.0
10 Mg-6Al-4Sn-0.5Ca-1.0Sr 178.4 217.2 2.6 145.5 182.1 6.5
11 Mg-6Al-4Sn-0.5Ca-0.5Mm 149.4 237.6 6.9 115.0 141.2 20.9
12 Mg-6Al-4Sn-1.0Ca-0.5Mm 150.3 238.5 7.2 117.4 140.9 19.8
13 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca-0.5Mm 152.9 216.3 4.4 134.5 157.2 10.1
14 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca-0.5Mm-0.4Si 154.9 212.6 4.5 130.3 150.9 9.2
15 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca-0.5Mm-0.7Si 158.0 193.5 2.3 125.3 139.3 4.3
16 Mg-6Al-4Sn-2.0Ca-0.5Mm-1.0Si 163.5 210.0 3.3 124.6 145.3 10.8
17 Mg-3Al-8Sn-0.5Ca-1.0Si 157.0 189.0 2.3 108.0 121.0 1.3
18 Mg-3Al-8Sn-1.0Ca-0.5Si 153.0 173.0 1.4 106.0 120.0 2.5
19 Mg-3Al-8Sn-1.0Ca-1.0Si 152.0 186.0 2.4 109.0 130.0 4.8
20 Mg-5Al-8Sn-1.0Ca-0.3Mm 150.0 224.0 7.7 103.0 130.0 16.5
21 Mg-5Al-8Sn-1.0Ca-0.6Mm 161.0 231.0 7.9 109.0 132.0 11.5
22 Mg-5Al-8Sn-1.0Ca-1.0Sr-0.3Mm 156.0 216.0 5.0 113.0 140.0 11.2
23 Mg-5Al-8Sn-1.0Ca-1.0Sr-0.6Mm 174.0 218.0 4.8 117.6 136.7 16.0
비교예 Mg-6.0Al-0.3Mn 131.9 198.6 5.3 98.4 125.0 10.5
크리프 특성 평가
본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅 마그네슘합금의 크리프 시험은 온도 150℃, 인가응력 70MPa의 조건하에서 실시하였다. 크리프 시험기는 20:1의 레버타입(Lever Type)으로 시험조건의 응력에 맞는 하중이 시편에 인가되도록 제작하였다. 시편의 변형량은 LVDT(Linear Variable Differential Transformer)를 이용하여 측정하였다. 모든 크리프 시험은 시편이 목표 온도에 유지되도록 시편 장착 후 목표 온도에서 1시간 유지한 후 실시하였으며, 실험 결과는 하기 표 2와 같다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네슘합금의 크리프 특성 평가 결과
합금
번호		 실험 조건 최소 크리프
속도(/s)		 크리프 변형량(%)
(200hr)		 비고
온도 인가응력
2 150oC 70MPa 1.38E-07 3.75 실시예
5 1.19E-07 2.65 실시예
6 2.94E-09 0.39 실시예
9 1.59E-09 0.23 실시예
13 1.31E-09 0.25 실시예
23 1.26E-08 1.27 실시예
AM60B 2.59E-07 4.40 비교예
상기 표 2에서 확인된 바와 같이, 본 발명에 의한 마그네슘합금의 크리프 속도는 1.38×10-7/s에서 1.31×10-9/s 이내로 비교예인 2.59×10-7/s보다 우수한 수준임을 알 수 있다.
즉, 본 발명에 의한 합금은 고가의 합금원소 사용을 최대한 억제하여 경제적이면서도 150oC의 사용온도에서 요구되는 고온강도 및 내크리프성을 얻을 수 있다.
도 1(a)은 비교예의 광학 미세조직 사진이다. 미세조직 사진에서 확인되는 바와 같이, 대부분의 석출상들이 입내보다는 입계에 많이 분포되어 있다. 공정 조직인 Mg17Al12 역시 주로 입계에 형성되어 있으며, 이는 다이캐스팅 공정의 특성상 빠른 냉각속도로 인해 생성되는 상의 대부분이 입계에 집중적으로 형성되었기 때문이다. 이와 같은 현상은 다른 실시예 No.1 ~ 23에서도 대부분 유사하게 관찰되었다.
도 1(b)은 실시예 No.2의 광학 미세조직 사진이다. 이 합금은 비교예인 Mg-6Al 합금에 4 중량%의 Sn이 첨가된 합금으로 대부분의 석출상들이 입내보다는 입계에 많이 분포되어 있으며, Mg17Al12 상 외에도 Mg2Sn 상이 부분적으로 미세한 형태(흑색)로 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 1(c)은 실시예 No.5의 광학 미세조직 사진이다. 이 합금은 실시예 No.2에 1 중량%의 Ca이 첨가된 합금으로, 판상형태의 CaMgSn 석출상이 다양한 크기로 입내 및 입계에 석출된 것으로 관찰되었다.
도 1(d)은 실시예 No.6의 광학 미세조직 사진이다. 이 합금은 실시예 No.2에 2 중량%의 Ca이 첨가된 합금으로, 판상형태의 석출상이 다양한 크기로 입내 및 입계에 석출된 것으로 관찰되었으며, 거시적으로 실시예 No.5 합금과 유사한 형태의 미세조직을 나타내었다.
도 1(e)은 실시예 No.9의 광학 미세조직 사진이다. 이 합금은 실시예 No.6에 0.5 중량%의 Sr이 첨가된 합금으로, 실시예 No 5. 및 No. 6 합금과 대비하여 매우 우수한 수준으로 결정립이 미세화 되었음을 나타내는 사진이다.
도 1(f)은 실시예 No.13의 광학 미세조직 사진이다. 이 합금은 실시예 No.6에 0.5 중량%의 Mm이 첨가된 합금으로, 실시예 No 5. 및 No. 6 합금에서 다소 조대하게 석출된 CaMgSn 상이 효과적으로 미세화 되었음을 나타낸다.
도 2는 비교예, 실시예 No.2 및 No.5 합금의 미세조직 사진으로부터 SEM/EDS 분석을 통해 마그네슘 기지 및 결정립계의 용질 분포를 조사한 결과이다. 비교예인 Mg-6Al 합금에 Sn과 Ca이 복합적으로 첨가됨에 따라 마그네슘 기지 내 용질의 조성이 증가하였으며, 보다 구체적으로는 마그네슘 기지 내 Al의 조성이 증가하였다. 이는 Sn과 Ca의 복합 첨가에 의해 기지 내 Al 함량을 증가시킴에 따라 고용강화를 유도할 수 있으며, 상온 및 고온 항복강도 뿐만 아니라 내크리프 특성을 향상시킬 수 있음을 의미한다.
도 3은 실시예 No.5 및 No.6 합금의 투과전자현미경 미세조직 및 SADP(Selected Area Diffraction Pattern) 결과이다. 도 1(c) 및 (d)에서 거시적으로 관찰한 광학 미세조직 사진에서 유사한 결과를 보인 것과는 다르게 실시예 No. 6의 경우 결정립계에 열적으로 안정한 (Mg,Al)2Ca 상이 석출되었으나, 실시예 No.5에서는 열적으로 불안정한 Mg17Al12 상이 주로 석출되었다. 실시예 No. 5 및 No. 6 합금의 Sn/Ca 함량비는 각각 4 및 2로, Sn/Ca 함량비를 4 이하로 제어할 경우, 결정립계에 열적으로 불안정한 Mg17Al12 상 대신 고온 안정상을 형성하여 내크리프 특성이 큰 폭으로 향상될 수 있음을 나타낸다.

Claims (7)

  1. 5.5 ~ 8.0 중량%의 Al, 3.0 ~ 8.0 중량%의 Sn, 1.0 ~ 2.0 중량%의 Ca, 0.1 ~ 0.5 중량%의 Mn을 필수적으로 첨가하고,
    Ca에 대한 Sn의 함량비(Sn/Ca)가 2~4이며,
    0.1 ~ 1.0 중량%의 Sr, 0.1 ~ 0.6 중량%의 희토류금속, 또는 0.01 ~ 1.0 중량%의 Si을 선택적으로 함유하며, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물을 포함하고,
    상온 항복강도 150MPa 이상, 150oC 항복강도 130MPa 이상, 70MPa응력과 150oC 조건하의 크리프 속도가 5.0×10-9/s 이내인, 항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 희토류금속은 미시메탈(Mm)인 항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 Si의 함량이 0.1 ~ 1.0 중량%인 항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 마그네슘합금은 다이캐스팅용, 사형 주조용, 금형 주조용, 반응고 주조용, 단조용 또는 용탕 단조용인 항복강도 및 크리프 특성이 우수한 주조용 마그네슘합금.
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