KR102078910B1

KR102078910B1 - 마그네슘 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102078910B1
Application number: KR1020180017708A
Authority: KR
Inventors: 신광선; 바마니 아마드
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2018-02-13
Filing date: 2018-02-13
Publication date: 2020-02-20
Also published as: KR20190098306A

Abstract

본 발명은 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지고, 스크류 롤링(Screw rolling) 공정으로 가공된, 마그네슘 합금을 제공한다.

Description

마그네슘 합금 및 그 제조방법{MAGNESIUM-ALLOY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

마그네슘 합금은 우수한 강도로 인해 의료, 자동차, 전자제품 등 여러 산업에서 각광받고 있는 구조 재료이다. 특히 마그네슘은 우수한 생체적합성으로 인해 생체소재에 적합한 재료라는 평가를 받고 있다.

그러나, 마그네슘은 부식에 취약한 특성을 지니고 있어 그동안 의료분야에서 사용이 제한되어 왔다. 마그네슘의 낮은 내식성에 대한 주요 원인은 이차상, 결함, 불순물 등으로 인한 갈바닉 부식이다. 또 다른 원인은 알루미늄, 티타늄 등의 표면에 형성되는 부동태 피막과 달리 마그네슘의 표면에 형성되는 수산화물 피막이다.

고순도의 마그네슘은 우수한 내식성을 가지나, 낮은 기계적 특성과 연성으로 인해 생체재료를 위한 강도를 얻기 위해서는 필수적으로 합금원소를 첨가해야 한다.

강소성 가공 공정 중 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 공정이나 MDF(Multi-Directional Forging) 공정 등은 결정립을 미세화시켜 마그네슘 합금의 강도를 향상시킬 수 있으나, 마그네슘 합금의 내식성을 향상시키는 방법으로는 부족한 점이 있다.

한국 등록특허공보 제10-1700419호(2017.01.20.)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 스크류 롤링(Screw rolling) 공정을 이용한 결정립의 미세화와 이차상 형성의 조절로 인해 우수한 강도 및 내식성을 동시에 얻을 수 있는 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지고, 스크류 롤링 공정으로 가공된, 마그네슘 합금을 제공한다.

또한, 상기 마그네슘 합금의 경도는 80~150Hv이고, 인장강도는 250~400MPa일 수 있다.

또한, 상기 마그네슘 합금에 있어서, 부식속도가 1mm/y 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금을 용해하여 주조하는 단계, 상기 마그네슘 합금을 300 ~ 350℃에서 0~12 시간 동안 열처리하는 단계, 상기 열처리된 마그네슘 합금을 250 ~ 300℃에서 0~1 시간 동안 예열하는 단계, 상기 예열된 마그네슘 합금을 압출비 5:1 ~ 30:1으로 압출하는 단계, 상기 압출된 마그네슘 합금을 200 ~ 300℃에서 0~1 시간 동안 예열하는 단계, 및 상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 스크류 롤링 단계에서는 원래 직경의 70% 이하가 되도록 상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링할 수 있다.

본 발명은 스크류 롤링을 통한 결정립의 미세화와 이차상 형성의 조절로 인해 우수한 강도 및 내식성을 얻을 수 있는 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스크류 롤링을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강도 및 인장 특성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 부식속도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 부식이 발생하는 전류밀도 및 전압을 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 마그네슘 합금과 비교하여 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금의 강도 및 내식성을 나타내는 도면이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 예에 불과한 것으로 이에 의해 본 발명의 권리범위가 축소되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 마그네슘 합금은 Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지고, 스크류 롤링(Screw rolling) 공정으로 가공된다.

특히, 본 발명의 마그네슘 합금은 경도가 약 110~130Hv이고, 인장강도가 약 300~350MPa일 수 있다. 또한, 본 발명의 마그네슘 합금은 부식속도가 약 1mm/y 이하일 수 있다.

여기서, Zn은 기계적 특성에 큰 효과를 나타내는 원소로써, 3.0중량% 미만일 경우 강도 증가현상을 기대하기 힘들고, 6.0중량%를 초과할 경우 석출상이 대량 형성되어 내식성을 저하시키기 때문에 3.0~6.0중량%로 함유되는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 3.5~4.5중량%를 함유하는 것이 좋다.

Al은 표면에 부동태 피막을 형성시켜 내식성을 향상시키는 원소로써, 첨가하지 않을 경우 내식성 향상효과를 기대하기 힘들고, 3.0중량%를 초과할 경우 석출상이 형성되어 내식성을 저하시키기 때문에 0.0~3.0중량%로 함유되는 것이 바람직하다.

Ca은 집합조직 및 미세조직을 제어하는 원소로써, 0.3중량% 미만일 경우 효과를 기대하기 힘들고, 2.0중량%를 초과할 경우 이차상을 형성하여 내식성을 떨어뜨리기 때문에 0.3~2.0중량%로 함유되는 것이 바람직하다.

Mn은 마그네슘 합금의 내식성에 악영향을 미치는 철(Fe)과 반응하여 FeMn화합물을 형성함으로써 내식성을 향상시키는 원소로써, 0.1중량% 미만일 경우 효과를 기대하기 힘들고, 1.5중량%를 초과할 경우 Al-Mn 화합물이 정출되기 때문에 0.1~1.5중량%로 함유되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 마그네슘 합금의 제조방법은 Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금을 용해하여 주조하는 단계, 마그네슘 합금을 약 300 ~ 450℃에서 약 0~12 시간 동안 열처리하는 단계, 열처리된 마그네슘 합금을 약 250 ~ 300℃에서 약 0~1 시간 동안 예열하는 단계, 예열된 마그네슘 합금을 압출비 약 5:1 ~ 30:1으로 압출하는 단계, 압출된 마그네슘 합금을 약 200 ~ 300℃에서 약 0~6시간 동안 예열하는 단계, 및 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링하는 단계를 포함한다.

상기 열처리의 온도는 300℃미만일 경우 열처리에 소요되는 시간이 상당히 늘어나며 450℃를 초과해서는 부분적인 용해가 발생할 수 있어 열처리 온도는 300 ~ 450℃가 바람직하다. 이때 열처리 시간이 12시간을 초과하면 결정립이 조대화되기 때문에 12시간 미만이 바람직하다.

상기 마그네슘 합금을 예열하는 온도는 250℃미만일 경우 압출 시 결함이 발생하며 300℃를 초과해서는 압출 시 윤활이 곤란하고 압출에 의한 미세화 효과가 적어짐으로 250~300℃가 바람직하다. 이때 예열시간이 1시간을 초과하면 재결정에 의한 미세화 효과가 적어짐으로 예열시간은 1시간 미만이 바람직하다.

상기 압출비는 5:1미만일 경우 압출로 인한 결정립 효과가 적으며 30:1을 초과할 경우 압출시 결함이 발생할 수 있어 5:1~30:1이 바람직하다.

상기 압출된 마그네슘을 예열하는 온도는 200℃미만일 경우 롤링 시 결함이 발생하며 300℃를 초과해서는 롤링에 의한 미세화 효과가 적어짐으로 200~300℃가 바람직하다. 이때 예열시간이 1시간을 초과하면 재결정에 의한 미세화 효과가 적어짐으로 예열시간은 1시간 미만이 바람직하다.

여기서, 예열된 마그네슘 합금을 압출하는 단계에서는 약 25㎜의 직경으로 압출할 수 있다.

또한, 스크류 롤링하는 단계에서는 1패스당 약 20% 이하의 비율로 최종적으로 원래 면적의 약 70% 이하가 되도록 상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링할 수 있다. 여기서, 1패스는 스크률 롤링을 진행하는 단위이며, 압출된 마그네슘 합금의 면적을 과도하게 줄여 미세화 효과가 저하되지 않도록 약 20% 이하의 비율로 면적을 줄여나갈 수 있다. 만약, 원래 면적의 약 70 초과되도록 상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링할 경우 롤링에 의한 미세화 효과가 저하될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예들을 기초로 본 발명을 상세하게 설명한다.

마그네슘 합금 압출재의 제조

먼저, 순 Mg(99.9%)와, 순 Zn(99.99%), 순 Al(99.995%), 순 Ca(99.99%), 순 Mn(99.99%)을 이용하여 Zn: 3.71중량%, Al: 2.04중량%, Ca: 0.63중량%, Mn: 0.62중량%가 되도록 전기 용해로를 이용하여 80mm직경의 철제 도가니에서 CO2와 SF6의 보호가스 아래에 용해한다. 이후 상기 마그네슘 합금을 340℃에서 12시간 균질화 처리하고 원형 빌렛 형태로 가공하였다. 상기 마그네슘 합금 빌렛을 280℃에서 0.5시간 예열 하여 260℃에서 10:1의 압출비로 25mm 직경으로 압출한다.

마그네슘 합금 압출재의 스크류 롤링

압출된 마그네슘 합금을 220℃, 300℃로 각각 0.5시간 예열 후 6번의 과정을 거쳐 15mm직경이 되도록 스크류 롤링 과정을 실시한다. 스크류 롤링된 합금은 각각의 예열온도에 따라 SR220, SR330으로 명명한다.

경도 및 인장특성 평가

상기과 같이 스크류 롤링된 마그네슘 합금의 기계적 특성을 평가하기 위해 상온에서 경도시험과 2ㅧ10^-4/s의 공칭변형률속도로 인장시험을 실시한다.

하기 표 1은 상기과 같은 방법으로 측정된 경도 및 인장 특성을 나타낸다.

샘플	결정립 (㎛)	경도 (Hv)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
압출재 (비교군)	2.50	87.9	225.3	878.0	23.9
SR220 (실험군)	1.73	124.9	308.6	327.4	8.3
SR300 (실험군)	2.20	113.5	272.7	317.1	8.3

표 1을 참조하면, 동일 조성의 합금 압출재(비교군)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 롤링재 SR220, SR300은 결정립의 미세화로 인해 경도와 강도가 향상됨을 알 수 있다.

부식특성 평가

스크류 롤링된 마그네슘 합금의 내식성을 평가하기 위해 산소방출량, 무게감소량, 전기화학적 방법으로 부식시험을 실시하였다. 여기서, 용액은 수산화마그네슘이 포화된 3.5 중량% NaCl 용액을 사용하였고 실온에서 168시간 동안 수소방출량을 측정한다. 도 3은 수소방출량에 따른 부식속도를 나타내며, 도 4에 측정된 전압과 전류밀도를 나타내었다. 도 4를 참조하면 동일 조성의 합금 압출재(비교군)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 롤링재 SR220, SR300은 i_corr가 왼쪽으로 이동한 것을 확인할 수 있다. 하기 표 2에는 측정된 전압과 타펠외삽법(Tafel extrapolation method)에 의한전류밀도 및 식 1을 이용하여 계산한 부식속도를 나타내었다.

샘플	i_corr (㎛/㎠)	E_corr (V)	P_i (㎜/y)
압출재 (비교군)	76.81	-1.4378	1.76
SR220 (실험군)	29.52	-1.4636	0.67
SR300 (실험군)	15.52	-1.4258	0.35

표 2에서 i_corr는 부식이 발생되는 전류밀도, E_corr는 부식이 발생되는 전압, P_i는 부식속도를 나타낸다.

도 3 및 표 2를 참조하면, 동일 조성의 합금 압출재(비교군)에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 롤링재 SR220, SR300은 부식속도가 현저히 저하됨을 알수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 롤링재 SR220, SR300은 종래에 연구된 마그네슘 합금과 비교하여 강도 및 내식성이 상당히 우수하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 미세조직 제어가 가능한 조성 및 함량의 합금원소를 포함하는 마그네슘 합금을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 스크류 롤링을 통한 결정립의 미세화와 이차상 형성의 조절로 인해 우수한 강도 및 내식성을 갖는 마그네슘 합금을 얻을 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만, 이는, 본 발명의 바람직한 실시예을 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지고, 스크류 롤링(Screw rolling) 공정으로 가공되며,
상기 마그네슘 합금의 경도는 80~150Hv이고, 인장강도는 250~400MPa인, 마그네슘 합금.
삭제
제1항에 있어서,
상기 마그네슘 합금에 있어서, 부식속도가 1mm/y 이하인, 마그네슘 합금.
Zn: 3.0~6.0중량%, Al: 0.0~3.0중량%, Ca: 0.3~2.0중량%, Mn: 0.1~1.5중량%을 함유하고, 나머지는 마그네슘과 불가피한 불순물로 이루어지는 마그네슘 합금을 용해하여 주조하는 단계,
상기 마그네슘 합금을 300 ~ 450℃에서 0~12 시간 동안 열처리하는 단계,
상기 열처리된 마그네슘 합금을 250 ~ 300℃에서 0~6 시간 동안 예열하는 단계,
상기 예열된 마그네슘 합금을 압출비 5:1 ~ 30:1으로 압출하는 단계,
상기 압출된 마그네슘 합금을 200 ~ 300℃에서 0~6 시간 동안 예열하는 단계,
상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링하는 단계를 포함하는,
마그네슘 합금의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 스크류 롤링 단계에서는 원래 직경의 70% 이하가 되도록 상기 압출된 마그네슘 합금을 스크류 롤링하는, 마그네슘 합금의 제조방법.