KR20070096477A

KR20070096477A - 내열 마그네슘 합금

Info

Publication number: KR20070096477A
Application number: KR1020060027055A
Authority: KR
Inventors: 신광선
Original assignee: (주)이노캐스트
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-02

Abstract

본 발명은 고온에서 내열특성이 우수하며 가격이 저렴하여 상업적 경쟁력이 있는 내열 마그네슘 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 알루미늄 2 ~ 11중량%, 스트론튬 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며, 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금을 제공한다.

내열 마그네슘 합금, 스트론튬, 미시메탈

Description

내열 마그네슘 합금 {MAGNESIUM ALLOY HAVING HEAT RESISTING PROPERTY}

도 1은 Mg-9Al합금을 다이캐스팅한 재료의 미세조직 사진이다.

도 2는 Mg-9Al-1Sr합금을 다이캐스팅한 재료의 미세조직 사진이다.

도 3은 Mg-9Al-1Sr-1Mm합금을 다이캐스팅한 재료의 미세조직 사진이다.

본 발명은 내열 마그네슘 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마그네슘을 기지금속으로 하고 여기에 알루미늄, 스트론튬, 미시메탈과 같은 합금원소를 첨가하여 고온에서도 강도저하가 작고 내크리프성이 우수한 마그네슘 합금에 관한 것이다.

마그네슘 합금은 높은 비강도를 갖는 경량의 합금으로서 최근 자동차 부품, 전자부품, 항공 부품으로의 적용 영역이 넓어지고 있다. 한편 Mg-Al계 합금의 경우 주조성이 뛰어나고 상온강도가 우수하여, 현재 상용 마그네슘 합금의 90% 이상을 차지하고 있다.

그러나, AZ(Mg-Al-Zn)계 합금의 경우, 주 강화상(强化相)인 Mg₁₇Al₁₂상이 열 적으로 불안정하여 상기 합금은 120~180℃ 온도범위에서 강도 및 내크리프성의 저하가 심하기 때문에, 그 적용 온도는 대략 100℃ 정도까지로 제한된다.

이를 개선하기 위하여, Mg-Al-Si(AS)계 또는 고가의 희토류 원소를 첨가하는 Mg-Al-RE(AE)계 합금이 개발되고 있는데, Mg-Al-Si계 합금은 열적으로 안정한 Mg₂Si상이 형성되지만 내열특성의 향상 수준이 낮으며, Mg-Al-RE계 합금은 희토류 원소의 첨가에 따라 형성되는 Al₂(RE) 상으로 인해 우수한 내열특성을 가지나, 희토류 원소의 높은 가격으로 인해 상업적인 적용에 한계가 있다.

본 발명은 전술한 종래의 Mg-Al계 마그네슘 합금의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 150℃ 이상에서 우수한 내열특성을 나타내고, 기존에 개발된 내열 마그네슘 합금보다 가격이 저렴하여 상용화에 적합한 마그네슘 합금을 제공하는 것을 과제로 한다.

전술한 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 알루미늄 2 ~ 11중량%, 스트론튬 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며, 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금을 제공한다.

또한 본 발명은, 알루미늄 2 ~ 11중량%, 미시메탈(Mm) 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금을 제공한다.

바람직하게는 상기 마그네슘 합금에서 알루미늄은 7 ~ 10중량%의 범위로 첨가한다.

또한, 상기 마그네슘 합금은, 스트론튬 0.1 ~ 5.0중량%과 미시메탈(Mm) 0.1 ~ 5.0중량%가 복합적으로 첨가될 수 있다.

또한, 상기 마그네슘 합금은 내식성을 위해, 망간을 1.5중량% 이하로 함유할 수 있다.

이하 본 발명에 따른 마그네슘 합금을 구성하는 각 성분에 대해 구체적으로 설명한다.

알루미늄(Al)

마그네슘에 알루미늄을 첨가하면 강도 및 경도가 증가하고, 주조시 유동성이 향상되며 응고 범위가 넓어져 주조성이 개선된다. 6중량% 이내로 첨가한 알루미늄은 마그네슘 기지 내에 고용되어 고용강화 효과를 나타내고, 그 이상의 범위로 첨가된 것은 열처리를 통해 석출경화의 효과를 가질 수 있다. 알루미늄을 적게 첨가하면 상기 주조성 개선 및 강도향상의 효과가 떨어지므로 2중량% 이상 첨가하며, 바람직하게는 7중량% 이상 첨가한다. 한편 알루미늄은 마그네슘과 반응하여 Mg₁₇Al₁₂상을 형성하는데, 이 상은 상온에서의 강도 향상에는 도움이 되나, 고온에서는 Mg₁₇Al₁₂상의 기지에 재용해되어 고온특성을 저해하므로, 본 발명의 마그네슘합금에서는 11중량% 이하로 첨가하며, 바람직하게는 10중량% 이하로 첨가한다.

스트론튬(Sr)

스트론튬은 응고중에 발생하는 미소 수축 기공의 발생을 억제하는 작용이 있으며, 마그네슘 합금의 결정립을 미세하게 하는 작용을 하여 마그네슘 합금의 강도의 향상에 기여한다. 또한 알루미늄이나 마그네슘과 반응하여 열적으로 안정한 Al₄Sr, MgAlSr과 같은 화합물을 입계에 형성하여, 고온에서 전위 움직임을 막거나 입계의 미끄러짐을 방해함으로써 고온특성의 향상에 기여한다. 한편 스트론튬은 0.1중량% 이하로 첨가되면 상기 효과를 기대하기 어렵고, 5중량%를 초과하여도 그 효과가 포화되므로, 5중량% 이하로 첨가한다.

미시메탈(Mm)

미시메탈(Mm)은 대략 50％의 세륨, 25％의 란탄, 15％의 네오디뮴, 10％의 기타 희토류 금속과 철로 구성된 합금으로 순수한 희토류 원소보다 순도는 떨어지나 가격이 저렴하다. 미시메탈은 마그네슘 합금의 결정립을 미세하게 하므로 마그네슘 합금의 강도 향상에 기여한다. 또한 알루미늄과 반응하여 화학적으로 매우 안정한 Al₁₁RE₃과 같은 화합물을 형성하여 고온에서 전위 움직임을 막거나 입계의 미끄러짐을 방해함으로써 고온강도를 증가시키고 내크리프성을 향상시키는 작용을 한다. 또한 고온에서 안정한 Al₁₁RE₃의 형성은 Mg₁₇Al₁₂상의 부피분율을 감소시키는 역할도 한다.

망간( Mn )

망간은 철 또는 그 외의 중금속 원소와 결합하여 내식성에 비교적 무해한 금속간화합물을 형성하여, 마그네슘 합금의 내식성을 향상시키는 작용을 하며 강도에 는 큰 영향을 주지 않는다. 한편 망간의 함유량이 1.5중량%를 넘어서게 되면, Al-Mn계 화합물이 형성되어 합금의 기계적 특성을 저하시키므로, 망간은 1.5중량% 이하가 되도록 첨가한다.

이하, 본 발명의 실시예를 기초로 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예는 단지 예시에 불과한 것으로서, 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

[실시예]

마그네슘 합금의 용해 작업은 SF₆ 및 CO₂ 분위기하의 용해로에서 680℃의 온도에서 하기 표 1에 표시된 성분을 갖도록 수행하였다.

[표 1] 본 발명에 따른 합금과 비교 합금의 성분

상기 조성의 합금을 용해한 후, 320톤 고압 다이캐스팅 장치로 다이캐스팅하여 시편을 얻었다. 다이온도는 온도 제어기를 통해 200℃로 유지하였고, 다이캐스팅 압력은 대략 260kgf/㎠로 하였다.

이와 같이 얻은 시편들의 미세조직은 광학 현미경을 통해 관찰하였다. 도 1내지 3은 각각, Mg-9Al합금, Mg-9Al-1Sr합금, 및 Mg-9Al-1Sr-1Mm합금을 다이캐스팅 한 재료의 미세조직 사진이다. 도 2 및 도 3에서 알 수 있듯이, Mg-9Al합금에 스트론튬 또는 미시메탈을 첨가하게 되면, 결정립의 크기가 감소하며, 결정립계를 따라 석출상이 형성되었다.

인장시험은 상온, 150℃, 175℃에서 수행하였다. 인장시험에는 ASTM규격에 따르는 16mm의 표점거리와 직경이 4mm인 봉상 시편이 사용되었으며 공칭변형속도는 2×10^-4/sec로 하였다. 고온 인장시험은 인스트론 5582에 부착된 고온 인장시험용 챔버를 사용하여 수행하였다. 아울러 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 고온에서의 내구성을 확인하기 위하여 ATS 크리프 시험기를 통해 온도 150℃, 70MPa하에서 크리프 시험을 실시하였다. 인장시험의 결과는 하기 표 2와 같다.

[표 2] 본 발명에 따른 합금과 비교 합금에 대한 인장시험 결과

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예인 No.1 ~ 3의 마그네슘 합금은 합금성분의 첨가에 따라 상온에서의 항복강도 및 인장강도가 비교예인 No.4에 비해서는 증가하나, No.5(AZ91합금)에 비해서는 다소 낮은 특성을 보인다.

한편, 150℃와 175℃에서의 인장시험결과를 살펴보면, 본 발명의 실시예인 No.1 ~ 3 합금은 비교예인 No.5 합금에 비해 강도의 감소 정도가 작음을 알 수 있다.

[표 3] 본 발명에 따른 합금과 비교 합금에 대한 크리프 시험 결과

또한 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 합금인 Mg-9Al-1Sr-1Mm계 합금은 비교예인 AZ91(Mg-9Al-1Zn)계 합금 및 AE42(Mg-4Al-2RE)계 합금에 비해 8 ~ 9배 정도 크리프 속도가 저하됨을 알 수 있다. 즉 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 고온의 일정 응력하에서 장시간 동안 견디는 성질이 매우 우수하다.

이와 같이, 본 발명에 따른 합금은 상온에서의 강도는 비교예인 AZ91계 합금에 비해 다소 떨어지나, 내크리프성은 비교예에 비해 현저하게 우수하므로, AZ91계 합금과 달리 100℃ 이상에도 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금은 고가의 원소를 첨가하지 않아 저비용으로 생산이 가능하며, 동시에 내크리프성이 우수하여 고온에서도 적용가능한 이점이 있다.

Claims

알루미늄 2 ~ 11중량%, 스트론튬 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며, 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금.
알루미늄 2 ~ 11중량%, 미시메탈(Mm) 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금.
알루미늄 2 ~ 11중량%, 스트론튬 0.1 ~ 5.0중량%, 미시메탈(Mm) 0.1 ~ 5.0중량%를 포함하며, 나머지가 마그네슘 및 불가피한 불순물로 이루어진 내열 마그네슘 합금.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 망간을 1.5중량% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 내열 마그네슘 합금.