KR102469771B1 - 시효처리 시간의 단축을 위한 공정을 포함하는 고강도 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 제조함에 있어서, 시효처리 시간의 단축을 위한 공정 단계로서 시효처리에 앞서 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 대한 것으로서, 본 발명에 따른 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법은, Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 시효처리 하기 전에 압축 변형을 통해 소재 내에 {10-12} 쌍정을 형성시킴으로써, 시효처리 시간을 대폭 단축시키고, 시효처리된 소재의 강도와 물성을 동시에 향상시킬 수 있다.

Description

시효처리 시간의 단축을 위한 공정을 포함하는 고강도 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH-STRENGTH PRECIPITATION HARDENING WROUGHT Mg-Al MAGNESIUM ALLOY INCLUDING PROCESS FOR SHORTENING AGING TREATMENT TIME}

본 발명은 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 시효처리 시간의 단축을 위한 공정을 포함하는 고강도 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 대한 것이다.

Mg-Al계 마그네슘 합금은 마그네슘 합금 중 가장 많이 사용되는 합금계로, Mg에 Al의 최대 고용한도가 12.7 wt%로 높기 때문에 석출 경화형 합금으로 많이 사용되고 있다.

AZ80 (Mg-8Al-0.5Zn, wt%), AZ91 (Mg-9Al-1Zn, wt%) 합금이 대표적인 Mg-Al계 합금으로 시효처리(aging treatment)를 통해 Mg₁₇Al₁₂상을 석출시켜 강도를 증가시키고 있다.

Mg-Al계 합금을 시효처리 시 Mg₁₇Al₁₂ 상이 불연속석출물(discontinuous precipitate)와 연속석출물(continuous precipitate)로 두 가지 형태로 형성될 수 있으며, 불연속석출물은 결정립계를 따라 조대하게 형성되어 기계적 물성을 저하시킬 수 있다. 또한, 시효처리 시간이 길어지면 공정 비용이 증가하므로, 공정시간 단축을 위해서는 최대 경도를 가지는 시효처리 시간(peak aging time)의 단축이 요구된다.

한국 공개특허공보 제10-2016-0055113호 (공개일: 2016.05.17) 한국 공개특허공보 제10-2016-0089794호 (공개일: 2016.07.28)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 최대 경도를 가지는 시효처리 시간(peak aging time)을 단축시키고 불연속석출물 형성을 억제시켜 짧은 시간의 시효처리를 통해 보다 우수한 기계적 물성을 가지는 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서, 본 발명은 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 제조함에 있어서, 시효처리 시간의 단축을 위한 공정 단계로서 시효처리에 앞서 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 시효처리 시간의 단축 공정 단계를 포함하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법으로서 (a) 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 균질화 열처리(homogenization heat treatment)하는 단계; (b) 상기 균질화 열처리한 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계; 및 (c) 상기 {10-12} 쌍정이 형성된 마그네슘 합금 가공재를 시효처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단계 (a)에서 350 내지 550 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 균질화 열처리하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단계 (b)에서 균질화 열처리한 마그네슘 합금 가공재의 폭 방향(transverse direction, TD) 또는 길이 방향(longitudinal direction, LD)으로 압축 응력을 인가해 {10-12} 쌍정을 형성시키는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단계 (c)에서 최고 경도(peak hardness)를 가지는 마그네슘 합금 가공재를 얻을 때까지 시효처리하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 마그네슘 합금 가공재는 5 wt% 이상의 알루미늄(Al)을 포함하는 Mg-Al계 마그네슘 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 제조방법에 의해 제조된 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 제공한다.

본 발명에 따른 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법은, Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 시효처리 하기 전에 압축 변형을 통해 소재 내에 {10-12} 쌍정을 형성시킴으로써, 시효처리 시간을 대폭 단축시키고, 시효처리된 소재의 강도와 물성을 동시에 향상시킬 수 있다.

도 1(a)는 비교예 1에서 시효처리 전의 AZ80 마그네슘 합금 압출재에 대한 역극점도지도(inverse pole figure map) 및 (0001) 극점도(pole figure)이고, 도 1(b)는 실시예에서 쌍정 형성 후 시효처리하기 전의 AZ80 마그네슘 합금 압출재에 대한 역극점도지도 및 (0001) 극점도이다.
도 2는 비교예 1에서 제조되어 쌍정이 없는 AZ80 마그네슘 합금 압출재 및 실시예에서 제조되어 쌍정이 형성된 AZ80 마그네슘 합금 압출재의 시효 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과이다.
도 3은 (a) 피크 시효(peak aging)된 비교예 1에서 제조된 AZ80 마그네슘 합금 압출재 및 (b) 피크 시효(peak aging)된 실시예에서 제조된 AZ80 마그네슘 합금 압출재 각각에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.
도 4는 비교예 2에서 제조되어 쌍정이 형성된 AZ31 마그네슘 합금 압출재 및 비교예 3에서 제조되어 쌍정이 없는 AZ31 마그네슘 합금 압출재의 시효 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과이다.
도 5는 비교예 1에서 peak aging된 AZ80 마그네슘 합금 압출재와 실시예 1에서 쌍정 형성 후 시효처리 전 상태와 쌍정 형성 후 peak aging된 AZ80 마그네슘 합금 압출재의 인장 응력-변형률 그래프이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예를 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금 가공재의 제조방법은, 시효처리 시간의 단축을 위한 공정 단계로서 시효처리에 앞서 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명은 시효처리를 통해 Mg₁₇Al₁₂ 등의 이차상이 석출되는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재(압출재, 압연재, 단조재 등)를 시효처리 하기 전에 특정 방향으로 압축 변형을 부과하여 마그네슘 합금 가공재 내에 {10-12} 쌍정을 형성시킨 후 시효처리 함으로써, 이차상의 석출 거동을 촉진시켜 최대 경도(peak hardness)를 달성하는데 필요한 피크 시효 시간(peak aging time)을 크게 단축시키고, 불연속석출물(discontinuous precipitate, DP)의 양의 감소시키고, 더 미세한 연속석출물(continuous precipitate, CP)을 보다 많이 형성시켜 강도와 연신율을 동시에 향상된 마그네슘 합금 가공재를 제조할 수 있다.

상기 본 발명에 따라 제조되는 마그네슘 합금 가공재를 이루는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금은, AZ31 등의 소량의 Al 함량을 가지는 저합금계 Mg-Al 합금과 달리 시효처리를 통해 Mg₁₇Al₁₂ 상 등의 이차상을 석출시킬 수 있도록 Al 함량이 5 wt% 이상인 AZ61, AZ80 및 AZ91 등의 고합금계 Mg-Al 합금이다.

상기 시효처리 시간의 단축 공정 단계를 포함하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법의 일례로서, (a) 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 균질화 열처리(homogenization heat treatment)하는 단계; (b) 상기 균질화 열처리한 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계; 및 (c) 상기 {10-12} 쌍정이 형성된 마그네슘 합금 가공재를 시효처리하는 단계;를 포함하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 들 수 있다.

이때, 상기 단계 (a)에서 350 내지 550 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 균질화 열처리하는 것이 바람직하다.

균질화 열처리 온도가 350 ℃ 미만인 경우에는 온도가 낮아 합금원소 편석의 균질화와 응고 중 형성된 이차상의 기지로의 고용이 충분히 이루어지지 않고, 550 ℃를 초과하는 경우에는 마그네슘 합금 가공재의 국부적인 용해가 발생하여 물성이 저하될 수 있는 문제가 있다.

그리고, 균질화 처리시간이 0.5 시간 미만인 경우에는 마그네슘 합금 가공재의 합금원소의 확산이 충분히 일어나지 않아 균질화 처리의 효과가 나타나지 않을 수 있고, 균질화 처리를 96 시간을 초과하여 수행되는 경우에는 수행시간 대비 효과의 상승 폭이 크지 않아 경제적이지 않다.

다음으로, 상기 단계 (b)에서는 후술한 시효처리 시간의 단축을 위해 마그네슘 합금 가공재 내에 {10-12} 쌍정을 형성시킨다.

본 단계에서 마그네슘 합금 가공재 내에 {10-12} 쌍정을 발생시키기 위해서 기저면(basal plane)이 압축되는 방향의 응력, 즉 c축이 인장되는 방향으로 응력을 가해야 한다.

예를 들면, 마그네슘 합금 압출재의 경우 기저면이 압출 방향(extrusion direction, ED)에 평행하게 배열된 집합조직을 가져 c축이 압출 방향과 수직을 이루기 때문에, 마그네슘 합금 압출재의 폭 방향(transverse direction, TD) 또는 압출 방향(extrusion direction, ED)으로 압축 응력을 인가하면 c축이 인장되어 마그네슘 합금 가공재 내에 {10-12} 쌍정을 발생시킬 수 있다.

이어서, 상기 단계 (c)에서는 전 단계에서 {10-12} 쌍정이 형성된 마그네슘 합금 가공재를 시효처리한다.

본 단계에서 이루어지는 시효처리는 150 내지 250 ℃의 온도에서 실시하는 것이 바람직한데, 이는 150 ℃ 미만의 온도에서 시효 처리를 실시할 경우에는 석출물 형성 속도가 느려져 오랜 시간 열처리가 요구되어 비효율적이며, 250 ℃ 이상의 온도에서 시효 처리를 실시할 경우에는 형성되는 석출물의 크기가 과도하게 커서 시효 처리에 따른 기대한 효과를 얻기 어려울 수 있기 때문이다.

또한, 본 단계에서 이루어지는 시효처리 수행 시간은, 상기 온도 범위에 속하는 임의의 온도에서 최고 경도(peak hardness)를 가지는 마그네슘 합금 가공재를 얻을 때까지 수행하는 피크 시효(peak aging)에 소요되는 시간인 것이 바람직하며, 해당 피크 시효 시간은 상기 단계 (b)에서의 {10-12} 쌍정 형성에 의해 현저히 단축된다.

상기 본 발명에 따른 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 따르면, Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 시효처리 하기 전에 압축 변형을 통해 소재 내에 {10-12} 쌍정을 형성시킴으로써, 시효처리 시간을 대폭 단축시키고, 시효처리된 소재의 강도와 물성을 동시에 향상시킬 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

<실시예>

상용 AZ80 (Mg-8Al-0.5Zn, wt%) 마그네슘 압출 판재를, 압출 방향(extrusion direction, ED), 폭 방향(transverse direction, TD), 압출면 법선 방향(normal direction, ND)의 길이가 각각 30 mm, 35 mm 및 11 mm인 사각 바(rectangular bar) 형상 시편으로 가공한 후 410 ℃에서 24시간 동안 균질화 열처리하였다.

상기 균질화 열처리한 시편을 폭 방향(TD)으로 6% 압축을 하여 {10-12} 쌍정을 소재 내에 형성시킨 후 200 ℃에서 0.5~200시간 시간별로 시효처리하고 각 시효처리 시간에서의 마그네슘 압출재 경도를 측정하여 경도 곡선을 그린 후 가장 높은 경도를 가지는 시간에서 시효처리 후 상온 인장실험을 실시하였다.

<비교예 1>

압출재 시편의 시효처리 전에 쌍정 형성을 위한 시편 압축 변형을 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 시편을 제조한 후 경도 측정 및 인장 실험을 실시하였다.

<비교예 2>

압출재 시편이 상용 AZ31 (Mg-3Al-1Zn, wt%) 마그네슘 합금으로 이루어진 것을 제외하고는 상기 실시예와 동일하게 압출재 시편을 제조한 후 경도 측정 및 인장 실험을 실시하였다.

<비교예 3>

압출재 시편의 시효처리 전에 쌍정 형성을 위한 시편 압축 변형을 실시하지 않은 것을 제외하고는 상기 비교예 2와 동일하게 시편을 제조한 후 경도 측정 및 인장 실험을 실시하였다.

<실험예>

도 1(a)는 비교예 1에서 시효처리 전의 AZ80 마그네슘 합금 압출재에 대한 역극점도지도(inverse pole figure map) 및 (0001) 극점도(pole figure)이고, 도 1(b)는 실시예에서 쌍정 형성 후 시효처리하기 전의 AZ80 마그네슘 합금 압출재에 대한 역극점도지도 및 (0001) 극점도이다.

도 1을 참조하면, 균질화 열처리 후 6%의 압축을 부과함에 따라 {10-12} 쌍정이 소재 내에 형성되어 집합조직이 변하고 쌍정으로 인해 평균 결정립 크기가 크게 감소한 것을 알 수 있다.

도 2는 비교예 1에서 제조되어 쌍정이 없는 AZ80 마그네슘 합금 압출재 및 실시예에서 제조되어 쌍정이 형성된 AZ80 마그네슘 합금 압출재의 시효 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과이다.

도 2를 참조하면, 비교예 1에 따른 AZ80 마그네슘 합금 압출재는 최대 경도(peak hardness)를 나타내는 시효(peak aging)까지 24 시간이 걸리는 반면, 쌍정을 형성시켜 놓은 실시예에 따른 AZ80 마그네슘 합금 압출재는 peak aging이 4시간 만에 가능해 비교예 1에 비해 시효 열처리 시간이 크게 감소하는 것으로 확인되었다.

도 3은 (a) 피크 시효(peak aging)된 비교예 1에서 제조된 AZ80 마그네슘 합금 압출재 및 (b) 피크 시효(peak aging)된 실시예에서 제조된 AZ80 마그네슘 합금 압출재 각각에 대한 주사 전자 현미경(SEM) 사진이다.

도 3에 따르면, peak aging된 비교예 1의 AZ80 마그네슘 합금 압출재는 결정립계를 따라 취성(brittle)을 가지는 불연속석출물(DP)이 다량(면적분율로 18%) 존재하고, 결정립 내부에 형성된 연속석출물(CP) 또한 크기가 다소 조대하다. 반면, peak aging된 실시예의 AZ80 마그네슘 합금 압출재는 결정립계를 따라 DP가 매우 소량(면적분율로 2.7%)만 형성되고, 쌍정과 결정립 내부에는 매우 미세한 CP가 다량 형성되어 있다.

즉, 시효처리 전 쌍정을 형성시킴으로써 물성 저하를 야기시키는 DP 형성을 억제하고 강도 증가를 야기하는 CP의 수를 증가시킬 수 있다.

도 4는 비교예 2에서 제조되어 쌍정이 형성된 AZ31 마그네슘 합금 압출재 및 비교예 3에서 제조되어 쌍정이 없는 AZ31 마그네슘 합금 압출재의 시효 시간에 따른 경도 변화를 측정한 결과이다.

도 4에 따르면, 열처리에 의해 석출이 일어나는 실시예의 AZ80 마그네슘 합금과 달리 저합금계 Mg-Al 합금인 AZ31 마그네슘 합금은 석출이 일어나지 않아 시효처리 전 쌍정 형성에 따른 피크 시효 시간 단축이라는 효과가 사실상 전무한 것을 알 수 있다.

도 5는 비교예 1에서 peak aging된 AZ80 마그네슘 합금 압출재와 실시예 1에서 쌍정 형성 후 시효처리 전 상태와 쌍정 형성 후 peak aging된 AZ80 마그네슘 합금 압출재의 인장 응력-변형률 그래프이다.

도 5를 참조하면, 쌍정을 형성시킨 후 짧은 시간인 4시간 동안 peak aging 시킨 실시예에 따른 마그네슘 합금 압출재가, 쌍정을 형성시키지 않고 보다 긴 12시간 동안 peak aging 시킨 비교재 1에 따른 마그네슘 합금 압출재에 비해 항복강도, 인장강도, 연신율이 모두 다 높은 것으로 나타났으며, 이는 시효처리 전 쌍정을 형성시킴으로써 peak aging 시간이 24시간에서 4시간으로 크게 줄어들었음에도 불구하고 더 우수한 강도와 연신율을 가지는 소재를 제조할 수 있음을 의미한다.

특히, 실시예에 따라 쌍정 형성 후 4시간 열처리 시, AZ80 압출재의 항복강도를 178 MPa에서 251 MPa로 41% 대폭 향상시킬 수 있는 것으로 확인되었다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

1. (a) 5 wt% 이상의 알루미늄(Al)을 포함하는 Mg-Al계 마그네슘 합금으로 이루어진 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재를 균질화 열처리(homogenization heat treatment)하는 단계;
   (b) 시효처리 시간의 단축을 위한 공정 단계로서, 상기 균질화 열처리한 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 형성시키는 단계; 및
   (c) 상기 {10-12} 쌍정이 형성된 마그네슘 합금 가공재를 시효처리하는 단계;를 포함하며,
   상기 마그네슘 합금 가공재는 압출재, 압연재 또는 단조재인 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 단계 (a)에서 350 내지 550 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 균질화 열처리하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단계 (b)에서 균질화 열처리한 마그네슘 합금 가공재의 폭 방향(transverse direction, TD) 또는 길이 방향(longitudinal direction, LD)으로 압축 응력을 인가해 {10-12} 쌍정을 형성시키는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단계 (c)에서 최고 경도(peak hardness)를 가지는 마그네슘 합금 가공재를 얻을 때까지 시효처리하는 것을 특징으로 하는 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
6. 삭제
7. 제1항 및 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 방법에 의해 제조된 석출 경화형 Mg-Al계 마그네슘 합금 가공재.

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