KR102568957B1 - 시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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    • C22F1/06—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of magnesium or alloys based thereon

Abstract

본 발명은, 인공시효를 수행하여 기계적 특성 강화를 구현한 시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 용해 및 주조하는 단계; 상기 주조된 마그네슘 합금을 용체화 열처리하는 단계; 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성하는 과포화 고용체 형성 단계; 및 상기 과포화 고용체로부터 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성하는 인공시효 단계를 포함한다.

Description

시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법{Age-hardenable magnesium alloy and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 마그네슘 합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
마그네슘 합금은 구조재로 사용 가능한 금속 중 가장 낮은 밀도를 가지며, 열전도율, 진동 흡수성, 절삭성, 리사이클 효율성이 우수한 특성을 가지고 있다. 특히, 마그네슘 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 우수한 진동 흡수성을 가지므로, 수송기기의 부품 경량화 소재로 활용될 수 있다. 그러나, 마그네슘 합금은 다른 금속과 접촉하면 우선적으로 부식되는 특성이 있으므로, 이종(異種) 금속과 접촉되는 구조체에서는 주의가 요구된다. 또한, 마그네슘 합금의 상용화를 위해서는 변형 이방성, 충돌 안전성, 피로강도, 응력부식균열 등의 특성 개선이 요구된다. 특히, 마그네슘 합금 중에서, Mg-Sn 계 합금은 시효 조건에 따라 기계적 특성의 최고점에 도달하기까지 수 일 내지 수십 일이 소요되는 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 아직은 현실적으로 산업 분야 적용에 한계가 있다.
중국특허등록번호 제CN 105039817호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 인공시효를 수행하여 기계적 특성 강화를 구현한 시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조 방법은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 용해 및 주조하는 단계; 상기 주조된 마그네슘 합금을 용체화 열처리하는 단계; 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성하는 과포화 고용체 형성 단계; 및 상기 과포화 고용체로부터 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성하는 인공시효 단계를 포함한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조 방법은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 아연(Zn): 0.1% ~ 2% 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 용해 및 주조하는 단계; 상기 주조된 마그네슘 합금을 용체화 열처리하는 단계; 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성하는 과포화 고용체 형성 단계; 및 상기 과포화 고용체로부터 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성하는 인공시효 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용해 및 주조하는 단계는, 상기 마그네슘 합금을 구성하는 합금 원소들을 각각 개별적으로 첨가하거나, 또는 상기 합금 원소 전체 또는 일부를 모합금의 형태로서 첨가하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 용체화 열처리하는 단계는, 상기 주조된 마그네슘 합금을 불활성 가스 분위기에서 500℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 과포화 고용체 형성 단계는 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금을 수중 급랭하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 인공시효 단계는, 180℃ 내지 240℃ 범위의 온도에서, 20 시간 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주석 또는 상기 비스무트는 상기 마그네슘의 기지에 과포화 고용된 후에 다시 석출되어 형성한 석출상을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 아연(Zn): 0.1% ~ 2% 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 주석, 상기 비스무트, 또는 상기 아연이 상기 마그네슘의 기지에 과포화 고용된 후에 다시 석출되어 형성한 석출상을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조 방법은, Mg-Sn계 합금에 0.5% ~ 4%의 비스무트(Bi)를 포함하거나, 또는 0.5% ~ 4%의 비스무트(Bi)와 0.1% ~ 2%의 아연(Zn) 포함하고, 180℃ 내지 240℃ 범위의 온도에서 24 시간 동안 인공시효를 수행한 경우에 1.3 배 이상의 경도 상승률을 나타내었다. 또한, 상기 함량에서는 마그네슘 합금의 발화를 방지할 수 있어 용체화 처리가 가능하였다. 따라서, 상대적으로 짧은 시효 시간에서도 매우 큰 경도를 가지는 마그네슘 합금을 제조하는 효과를 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 인공시효를 수행한 후의 미세조직을 비교예와 비교한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법에서, 비스무트의 함량이 높은 경우에 발생한 발화 현상을 나타낸 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 시효 강화형 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
시효는 금속 합금을 급랭한 후, 고용된 용질원자가 시간이 경과함에 따라 고용 상태로부터 배출되어 석출상을 형성하고, 이에 따라 금속 합금의 경도 또는 강도가 증가하거나 또는 감소하는 현상을 의미한다. 이러한 석출 현상이 자연 상태로 발생되는 경우를 자연 시효라고 지칭하고, 상온 이상의 적절한 온도로 가열하여 자연 시효에 비하여 석출상 발생을 촉진시키는 경우를 인공시효라고 지칭한다.
이하, 본 발명의 일 측면인 시효 강화형 마그네슘 합금에 대하여 설명한다.
시효 강화형 마그네슘 합금
본 발명의 일 측면인 시효 강화형 마그네슘 합금은, 주석, 비스무트, 아연 및 잔부는 마그네슘과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 시효 강화형 마그네슘 합금은 마그네슘-주석-비스무트의 3원계 합금 또는 마그네슘-주석-비스무트-아연의 4원계 합금을 포함할 수 있다. 본 발명의 주요한 특징 중 하나는 마그네슘-주석 합금계에 비스무트를 첨가하여 형성한 것이다. 예를 들어 마그네슘-주석 또는 마그네슘-주석-아연 합금은 시효온도 조건에 따라 최고 경도 시점 도달에 수 일 내지 수십 일이 소요되는 것으로 알려져 있기 때문에, 현실적으로 산업 분야 적용에 어려움이 있다. 본 발명에 따르면, 마그네슘-주석 합금계를 기준으로 비스무트 또는 아연 첨가 시 석출로 인한 시효 강화의 속도가 향상되는 효과가 있다. 참고로, 마그네슘-주석계 합금에서 아연 첨가 시의 석출 거동에 대하여는 알려져 있으나, 비스무트 첨가에 의한 석출 거동을 알려져 있지 않다.
구체적으로, 상기 시효 강화형 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 상기 시효 강화형 마그네슘 합금은, 상기 주석 또는 상기 비스무트가 상기 마그네슘의 기지에 과포화 고용된 후에 다시 석출되어 형성한 석출상을 포함할 수 있다.
또한, 구체적으로 상기 시효 강화형 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 아연(Zn): 0.1% ~ 2% 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 시효 강화형 마그네슘 합금은, 상기 주석, 상기 비스무트, 또는 상기 아연이 상기 마그네슘의 기지에 과포화 고용된 후에 다시 석출되어 형성한 석출상을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 중량%를 의미한다.
주석(Sn): 4% ~ 12%
주석은 마그네슘 합금 내에 석출상을 형성하여 마그네슘 합금재의 경도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 주석의 함량이 4% 미만인 경우에는, 석출상의 양이 감소하여 마그네슘 합금의 경도 향상 효과를 기대하기 어려울 수 있다. 주석의 함량이 12%를 초과하는 경우에는, 마그네슘의 고용 한도를 초과하여 완전한 용체화 처리가 불가능하게 되고, 잔존하는 조대한 상으로 인해 합금의 연성이 저하되거나, 또한 용체화 과정 중 용융이 일어나 발화를 야기시킬 수 있다. 따라서, 주석은 마그네슘 합금 전체 중량의 4% ~ 12%로 첨가되는 것이 바람직하다.
비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%,
비스무트는 마그네슘 합금 내에 석출상이 형성되는 속도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 비스무트의 함량이 0.5% 미만인 경우에는, 석출 속도 향상 효과가 미미할 수 있다. 예를 들어, 180℃ 내지 240℃의 인공시효 온도 범위 내에서 비스무트가 첨가되지 않은 경우에 비하여 1.3 배 이상의 경도 상승률을 나타내는 것을 기준으로 비스무트 함량의 하한을 설정할 수 있다. 비스무트의 함량이 4%를 초과하는 경우에는 마그네슘의 고용 한도를 초과하여 용체화 처리가 불가능하게 될 수 있고, 또는 용융이 일어나 발화를 야기시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 용체화 처리 가능 여부 또는 발화 여부를 기준으로 비스무트 함량의 상한을 설정할 수 있다. 따라서, 비스무트는 마그네슘 합금 전체 중량의 0.5% ~ 4%로 첨가되는 것이 바람직하다.
아연(Zn): 0.1% ~ 2%
아연은 비스무트와 유사하게 석출상이 형성되는 속도를 향상시키는 역할을 할수 있다. 아연의 함량이 0.1% 미만인 경우에는, 석출 속도 향상 효과가 미미할 수 있다. 예를 들어, 180℃ 내지 240℃의 인공시효 온도 범위 내에서 아연이 첨가되지 않은 경우에 비하여 1.3 배 이상의 경도 상승률을 나타내는 것을 기준으로 아연 함량의 하한을 설정할 수 있다. 아연의 함량이 2%를 초과하는 경우에는 마그네슘의 고용 한도를 초과하여 용체화 처리가 불가능하게 될 수 있고, 또는 용융이 일어나 발화를 야기시킬 수 있다. 예를 들어, 이러한 용체화 처리 가능 여부 또는 발화 여부를 기준으로 아연 함량의 상한을 설정할 수 있다. 따라서, 아연은 마그네슘 합금 전체 중량의 0.1% ~ 2%로 첨가되는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 마그네슘(Mg)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 상기 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법은, 용해 및 주조 단계(S10); 용체화 열처리 단계(S20); 과포화 고용체 형성 단계(S30); 및 인공시효 단계(S40);를 포함한다.
구체적으로, 상기 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법은, 마그네슘 합금을 용해 및 주조하는 단계(S10); 상기 주조된 마그네슘 합금을 용체화 열처리하는 단계(S20); 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성하는 과포화 고용체 형성 단계(S30); 및 상기 과포화 고용체로부터 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성하는 인공시효 단계(S40);를 포함할 수 있다.
상기 용해 및 주조 단계(S10)에서, 상기 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 용해 및 주조 단계(S10)에서, 상기 마그네슘 합금은, 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 0.5% ~ 4%, 아연(Zn): 0.1% ~ 2%, 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 용해 및 주조 단계(S10)는 상기 마그네슘 합금을 구성하는 합금 원소들을 각각 개별적으로 첨가하거나, 또는 상기 합금 원소 전체 또는 일부를 모합금의 형태로서 첨가하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 주석을 각각 순수한 원소상태로서 마그네슘 용탕에 첨가하거나 또는 주석의 함량이 높은 마그네슘-주석 모합금으로서 마그네슘 용탕에 첨가할 수 있다. 이러한 방식은 다른 첨가원소들인 비스무트 및 아연에도 적용될 수 있다. 예를 들어, 마그네슘-주석-비스무트 합금과 순수 마그네슘 합금 또는 마그네슘-주석-비스무트-아연 합금과 순수 마그네슘 합금을 용해하여 원하는 조성의 마그네슘 합금을 형성할 수 있다.
상기 용해 및 주조 단계(S10)에서, 상기 마그네슘 합금은 고주파 유도 용해로를 이용하여 흑연 도가니 내에서 용해될 수 있다. 상기 용해 및 주조 단계(S10)는 상기 마그네슘 합금이 완전히 용해되는 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 용해 및 주조 단계(S10)에서는, 상기 용해된 마그네슘 합금을 원하는 형상, 예를 들어 슬라브 등의 형상으로 주조할 수 있다.
상기 용체화 열처리 단계(S20)는 상기 주조된 마그네슘 합금을 아르곤 또는 질소 등과 같은 불활성 가스 분위기에서, 예를 들어 500℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 530℃ 내지 540℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 1 시간 내지 5 시간 동안 수행될 수 있다. 용체화 열처리 단계(S20)에서, 상기 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 주석, 비스무트, 및 아연 등과 같은 용질 원소가 용체화된 상태를 가질 수 있다.
상기 과포화 고용체 형성 단계(S30)는 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금을 수중 급랭(water quenching)하여 수행될 수 있고, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 이에 따라 상기 마그네슘 합금의 상기 마그네슘 기지에 주석, 비스무트, 및 아연 등과 같은 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성할 수 있다.
상기 인공시효 단계(S40)는, 예를 들어 180℃ 내지 240℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 20 시간 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다. 이에 따라, 상기 과포화 고용체로부터 주석, 비스무트, 및 아연 등과 같은 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성할 수 있다.
상기 인공시효 단계(S40)를 수행한 후에, 상기 마그네슘 합금은 공랭으로, 상온으로, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 인공시효하는 단계(S40)에 의하여, 상기 마그네슘 합금은 석출물을 제어하여 강도를 증가시킬 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예와 비교예에 따라 마그네슘 합금을 제조하였다. 원하는 조성에 따라 구성 원소들을 용해 및 주조한 후에, 530℃ 또는 540℃에서 3시간 동안 용체화 열처리한 후에, 180℃ 또는 240℃에서 24 시간 동안 인공시효를 수행하였다. 인공시효를 수행한 후, 상기 마그네슘 합금을 비커스 (Vickers) 경도시험기를 이용하여 500gf 하중으로 12번 압입하여 최소값과 최대값을 제외하고 10개의 경도 값을 평균하여 비커스 경도 값을 취득하였다.
표 1 및 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 합금 조성, 용체화 처리 조건, 인공시효 조건, 및 경도 변화량과 비교예 대비 경도상승 비율을 나타내는 표이다.
표 1 및 표 2에서, 마그네슘 합금은 다음과 같이 표시되어 있다. 예를 들어, 실시예1의 "Mg-8Sn-0.5Bi"은 8 중량%의 주석, 0.5 중량%의 비스무트, 및 잔부는 마그네슘 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 의미한다. 또한, 경도 변화량은 용체화 처리 후의 경도와 인공시효 처리 후의 경도를 비교한 경도 차이를 의미한다.
구분 합금
(중량%)		 용체화 처리
조건		 인공시효 조건별
경도 변화량 (Hv)		 비교예 대비
경도상승 비율
180℃
24시간		 240℃
24시간		 180℃
24시간		 240℃
24시간
비교예1 Mg-8Sn 540℃, 3시간 0.1 4.8 - -
실시예1 Mg-8Sn-0.5Bi 540℃, 3시간 0.3 12.6 3배 2.6배
실시예2 Mg-8Sn-1Bi 540℃, 3시간 0.7 10.1 7배 2.1배
실시예3 Mg-8Sn-2Bi 540℃, 3시간 0.7 10.0 7배 2.1배
실시예4 Mg-8Sn-3Bi 540℃, 3시간 6.3 7.7 63배 1.6배
실시예5 Mg-8Sn-4Bi 540℃, 3시간 3.0 11.0 30배 2.3배
비교예2 Mg-4Sn 540℃, 3시간 0.5 7.5 - -
실시예6 Mg-4Sn-3Bi 540℃, 3시간 1.6 7.9 3.2배 1.1배
비교예3 Mg-6Sn 540℃, 3시간 2.3 9.0 - -
실시예7 Mg-6Sn-3Bi 540℃, 3시간 7.9 9.7 3.4배 1.1배
비교예4 Mg-10Sn 540℃, 3시간 1.2 13.8 - -
실시예8 Mg-10Sn-3Bi 540℃, 3시간 2.6 11.5 2.2배 -
비교예5 Mg-12Sn 540℃, 3시간 1.1 13.3 - -
실시예9 Mg-12Sn-3Bi 540℃, 3시간 3.4 11.9 3.1배 -
표 1은 본 발명의 실시예가 Mg-Sn-Bi 3원계 마그네슘 합금으로서, Mg-Sn 비교예에 비하여 비스무트(Bi)를 더 포함한 경우이다.
표 1을 참조하면, 비교예와 실시예 모두 인공시효를 수행한 후에 경도가 증가되었다. Mg-Sn 으로 구성된 비교예에 비하여 비스무트를 더 포함하여 Mg-Sn-Bi 로 구성된 실시예가 경도가 더 상승되었으며, 이러한 경도 상승 경향은 인공시효 온도가 240℃인 경우에 비하여 180℃에서 더 크게 나타났다. 이러한 시효 경화 효과를 갖는 조성 범위는, 주석(Sn)은 4 중량% 내지 12 중량% 이고, 비스무트(Bi)는 0.5 중량% 내지 4 중량% 임을 알 수 있다. 또한, 인공시효의 온도 범위는 180℃ 내지 240℃ 임을 알 수 있다.
구분 합금
(중량%)		 용체화 처리
조건		 인공시효 조건별
경도 변화량 (Hv)		 비교예 대비
경도상승 비율
180℃
24시간		 240℃
24시간		 180℃
24시간		 240℃
24시간
비교예6 Mg-8Sn-0.1Zn 540℃, 3시간 1.1 10.0 - -
실시예10 Mg-8Sn-3Bi-0.1Zn 540℃, 3시간 4.7 13.6 4.3배 1.4배
비교예7 Mg-8Sn-0.2Zn 540℃, 3시간 1.4 12.1 - -
실시예11 Mg-8Sn-3Bi-0.2Zn 540℃, 3시간 9.9 16.5 7.1배 1.4배
비교예8 Mg-8Sn-0.5Zn 540℃, 3시간 0.5 12.4 - -
실시예12 Mg-8Sn-3Bi-0.5Zn 540℃, 3시간 6.4 8.7 12.8배 -
비교예9 Mg-8Sn-1Zn 540℃, 3시간 0.8 11.0 - -
실시예13 Mg-8Sn-3Bi-1Zn 540℃, 3시간 17.8 13.8 22.3배 1.3배
비교예10 Mg-8Sn-2Zn 530℃, 3시간 2.8 19.1 - -
실시예14 Mg-8Sn-3Bi-2Zn 530℃, 3시간 18.4 20.5 6.6배 1.1배
비교예11 Mg-8Sn-1Zn 540℃, 3시간 0.8 11.0 - -
실시예15 Mg-8Sn-0.5Bi-1Zn 540℃, 3시간 0.3 15.7 - 1.4배
실시예16 Mg-8Sn-1Bi-1Zn 540℃, 3시간 1.0 15.6 1.3배 1.4배
실시예17 Mg-8Sn-2Bi-1Zn 540℃, 3시간 8.9 19.3 11.1배 1.8배
실시예18 Mg-8Sn-4Bi-1Zn 530℃, 3시간 10.8 19.2 13.5배 1.7배
비교예12 Mg-4Sn-1Zn 540℃, 3시간 0.4 9.1 - -
실시예19 Mg-4Sn-3Bi-1Zn 540℃, 3시간 10.4 13.6 26배 1.5배
비교예13 Mg-6Sn-1Zn 540℃, 3시간 2.4 9.2 - -
실시예20 Mg-6Sn-3Bi-1Zn 540℃, 3시간 10.2 15.7 4.3배 1.7배
비교예14 Mg-10Sn-1Zn 540℃, 3시간 2.7 25.1 - -
실시예21 Mg-10Sn-3Bi-1Zn 530℃, 3시간 5.8 12.4 2.1배 -
비교예15 Mg-12Sn-1Zn 540℃, 3시간 0.3 19.8 - -
실시예22 Mg-12Sn-3Bi-1Zn 530℃, 3시간 5.8 15.3 19.3배 -
표 2는 본 발명의 실시예가 Mg-Sn-Bi-Zn 4원계 마그네슘 합금으로서, Mg-Sn-Zn 비교예에 비하여 비스무트(Bi)를 더 포함한 경우이다.
표 2를 참조하면, 비교예와 실시예 모두 인공시효를 수행한 후에 경도가 증가되었다. Mg-Sn-Zn 으로 구성된 비교예에 비하여 비스무트를 더 포함하여 Mg-Sn-Zn-Bi 로 구성된 실시예가 경도가 더 상승되었으며, 이러한 경도 상승 경향은 인공시효 온도가 240℃인 경우에 비하여 180℃에서 더 크게 나타났다. 이러한 시효 경화 효과를 갖는 조성 범위는, 주석(Sn)은 4 중량% 내지 12 중량% 이고, 비스무트(Bi)는 0.5 중량% 내지 4 중량% 이고, 아연(Zn)은 0.1 중량% 내지 2 중량% 임을 알 수 있다. 또한, 인공시효의 온도 범위는 180℃ 내지 240℃ 임을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 인공시효를 수행한 후의 미세조직을 비교예와 비교한 사진이다.
도 2를 참조하면, 비교예1(Mg-8Sn), 비교예9(Mg-8Sn-1Zn), 실시예4(Mg-8Sn-3Bi), 및 실시예13(Mg-8Sn-3Bi-1Zn)에 대하여 180℃ 및 240℃에서 24 시간 인공시효를 수행한 후의 미세조직이 예시적으로 나타나있다.
상기 비교예1 및 상기 비교예9의 경우에는, 180℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행하여도 석출상의 형성이 거의 관찰되지 않았으며, 240℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행하면 석출상이 형성됨을 알 수 있으나, 상기 석출상의 분율이 적어서 경도가 크게 상승하지 않은 것으로 분석된다.
상기 실시예4의 경우에는, 비스무트의 첨가에 의하여, 석출상이 형성이 증가됨을 알 수 있고, 특히 180℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행한 경우에도 높은 분율의 석출상이 관찰됨을 알 수 있다. 또한, 240℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행한 경우에는, 180℃에서 24시간 동안 인공시효의 경우와 비교하면, 상기 석출상의 크기가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예13의 경우에는, 비스무트의 첨가에 의하여, 석출상이 형성이 증가됨을 알 수 있고, 또한 아연(Zn)을 첨가함에 따라 석출상의 형성이 더 활발해짐을 알 수 있다. 180℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행한 경우에는 작고 조밀하게 밀집되어 있는 석출상을 확인할 수 있다. 또한, 240℃에서 24시간 동안 인공시효를 수행한 경우에는, 180℃에서 24시간 동안 인공시효의 경우와 비교하면, 상기 석출상의 크기가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
결과적으로, Mg-Sn 합금계 기반에서 비스무트를 단독으로 첨가하거나 또는 비스무트와 아연을 함께 첨가함에 따라 석출상의 형성이 증가되는 효과를 제공할 수 있다. 상기 인공시효의 온도가 예를 들어 240℃와 같이 높은 경우에는, 상기 석출상의 성장 속도가 빠르므로, 동일 시간을 기준으로 상기 석출상이 상대적으로 크게 성장할 수 있다. 반면, 상기 인공시효의 온도가 예를 들어 180℃와 같이 낮은 경우에는, 석출상이 조밀하게 성장할 수 있으나, 상기 석출상의 성장 속도가 느리므로, 동일 시간을 기준으로 상기 석출상이 상대적으로 미세하게 성장할 수 있다.
표 3은 본 발명의 실시예에 따른 도 2의 마그네슘 합금의 비커스 경도를 나타내는 표이다.
구분 인공시효 조건
180℃, 24 시간 240℃, 24 시간
비교예1 46.0 ± 2.1 Hv 48.0 ± 3.2 Hv
비교예9 47.2 ± 2.5 Hv 57.4 ± 2.4 Hv
실시예4 54.0 ± 3.9 Hv 55.4 ± 2.1 Hv
실시예13 66.9 ± 2.7 Hv 67.7 ± 1.9 Hv
표 3을 참조하면, 비교예1과 상기 비교예1에 비스무트를 첨가한 실시예4를 비교하면, 180℃ 및 240℃에서 실시예4의 경도가 높음을 알 수 있다. 또한, 비교예9와 상기 비교예9에 비스무트를 첨가한 실시예13을 비교하면, 180℃ 및 240℃에서 실시예13의 경도가 높음을 알 수 있다. 따라서, 비스무트의 첨가에 의하여 마그네슘 합금의 경도가 증가됨을 알 수 있고, 이는 상술한 석출물 형성과 관련된 것으로 분석된다.
추가로, 아연 첨가 효과를 분석하기 위하여, 비교예1과 비교예9를 비교하고, 실시예4와 실시예13을 비교하면, 아연이 첨가되면 마그네슘 합금의 경도가 증가됨을 알 수 있고, 이는 상술한 석출물 형성과 관련된 것으로 분석된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법에서, 비스무트의 함량이 높은 경우에 발생한 발화 현상을 나타낸 사진이다.
도 3을 참조하면, 비스무트의 함량이 4%를 초과하거나, 또는 아연의 함량이 2%를 초과하여 과량으로 첨가된 경우에, 마그네슘 합금에서 발생한 발화가 나타나 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 중량%로, 주석(Sn): 4% ~ 12%, 비스무트(Bi): 1% ~ 4%, 아연(Zn): 0.1% ~ 2% 및 잔부는 마그네슘(Mg) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 용해 및 주조하는 단계;
    상기 주조된 마그네슘 합금을 500℃ 초과 내지 550℃ 범위의 온도에서 용체화 열처리하는 단계;
    상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금의 마그네슘 기지에 용질 원소를 고용시켜 과포화 고용체를 형성하는 과포화 고용체 형성 단계; 및
    상기 과포화 고용체로부터 상기 용질 원소가 추출되어 석출상을 형성하도록, 180℃ 내지 240℃ 범위의 온도에서, 20 시간 내지 30 시간 동안 수행되는 인공시효 단계를 포함하는, 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 용해 및 주조하는 단계는,
    상기 마그네슘 합금을 구성하는 합금 원소들을 각각 개별적으로 첨가하거나, 또는 상기 합금 원소 전체 또는 일부를 모합금의 형태로서 첨가하여 수행되는, 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 용체화 열처리하는 단계는,
    상기 주조된 마그네슘 합금을 불활성 가스 분위기에서 1 시간 내지 5 시간 동안 수행되는, 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 과포화 고용체 형성 단계는 상기 용체화 열처리된 마그네슘 합금을 수중 급랭하여 수행되는, 시효 강화형 마그네슘 합금의 제조방법.
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  10. 삭제
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