KR20090071903A - 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 - Google Patents

칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘(Mg) 합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 칼슘시아나미드(CaCN2)나 칼슘카바이드(CaC2) 등의 칼슘계(CaX) 화합물을 첨가하여 발화온도(Ignition Temperature)가 크게 향상되어 난연성 특성을 지니고, 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용해시 사용되는 SF6 등의 보호가스 사용을 극단적으로 줄이는 친환경적인 동시에, 더욱이 우수한 내산화성과 우수한 크립(Creep) 특성으로 고온 특성이 향상된, 즉, 난연성, 내산화성, 고온특성, 친환경성, 우수한 기계적 특성을 지니게 된다. 이와 같은 본 발명은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 0.0001 내지 30 중량%의 칼슘계(CaX) 화합물이 함유된 마그네슘 합금으로, 발화온도나 기계적 특성은 물론 내산화성 및 고온 크리프 특성을 크게 높인 것이다.
마그네슘, 마그네슘 합금, 칼슘계(CaX) 화합물, 칼슘시아나미드, 칼슘카바이드, 난연성, 내산화성, 친환경성

Description

칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 {CaX Chemical Compound Added Magnesium and Magnesium Alloys and their Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘(Mg) 합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 CaCN2나 CaC2와 같은 칼슘계(CaX) 화합물을 첨가하여 발화온도(Flame Temperature)가 크게 향상되어 난연성(내열성) 특성을 지니고, 마그네슘 또는 마그네슘 합금의 용해시 사용되는 SF6 등의 보호가스 사용을 극단적으로 줄이는 친환경적인 동시에, 더욱이 우수한 내산화성과 우수한 크립(Creep) 특성으로 고온 특성이 향상되어 연성, 내산화성, 고온특성, 친환경성, 우수한 기계적 특성을 지닌 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
기본적으로 마그네슘 및 마그네슘 합금을 제조하기 위한 과정에서의 마그네슘 합금의 용탕은 쉽게 발화되는 특성을 가지고 있다. 이러한 마그네슘 합금 용탕의 발화를 방지하는 방법으로 용제(Flux)의 사용과 보호가스의 사용이 제안되고 있 다.
특히 용제(Flux)는 용탕과 산소와의 반응차단으로 조업 중 발화를 방지하는 역할을 하는 것으로, 용제의 조성은 MgCl2, KCl 및 기타 금속염화물의 혼합물이며, 경우에 따라서는 소량의 CaF2 와 MgO를 포함하기도 한다.
또한 보호가스는 용탕 표면에 대한 산화막의 치밀화 및 특성 변화 등에 의하여 노출 용탕면적을 최소화함으로써 용탕을 보호하는 역할을 하며, 보호가스 종류로는 SO2, CO2, 비활성기체, SF6, HFC-134a, NovecTM612 및 이들의 혼합가스 등을 들 수 있다.
그러나 이러한 용제의 사용은 마그네슘 용탕과 용제와의 반응에 의해 용탕 일부가 손실될 뿐만 아니라, 주조과정에서 반응 생성물이 유입되어 최종 제품의 기계적 특성과 내식 특성을 떨어뜨린다.
또한 보호가스로 이용되는 SO2 가스는 인체에 유해하며, 철제 장비를 부식시켜 장비의 수명을 단축시키는 문제점을 안고 있어 사용에 제한이 되고 있으며, 특히 SF6 가스는 FWP(Global Warming Potential)가 23,900로 온실가스로 분류되고 있는 가스 중 가장 그 효과가 큰 가스이다.
또한 대기 중에서 분해되지 않고 남아 있는 기간으로 볼 때 이산화탄소 및 프레온 가스 등이 약 100년으로 추정되는 반면, SF6 가스는 3,200년으로 극히 오랜 기간 분해되지 않고 대기 중에 잔존하기 때문에 연간 방출되는 양이 작더라도 오랜 기간 누적되면 그 파장이 엄청난 가스이다.
따라서 지구온난화를 억제할 수 있는 마그네슘 용탕 보호방법으로는 첨가원소를 이용하여 마그네슘 용탕 자체의 산화를 근본적으로 억제하는 기술을 개발하는 것이며, 이를 통하여 보호가스의 사용을 극단적으로 줄이는 동시에 합금 자체의 난연성을 도모하여 공정 및 사용 중의 발화를 억제하는 것이 요구된다.
보통 마그네슘에 첨가원소인 칼슘계(CaX) 화합물을 첨가하게 되면 고온에서도 마그네슘 용탕의 산화 및 발화가 억제되는 것으로 알려져 있다. 그러나 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금은 첨가 소재의 가격이 비쌀 뿐만 아니라 첨가 소재를 대기 중에서 다루기가 쉽지 않으며, 기계적 성질과 내식성에서 기존합금보다 특성이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.
따라서 본 발명은 이러한 사정을 감안하여 개발된 것으로, CaCN2나 CaC2와 같은 칼슘계(CaX) 화합물을 마그네슘 및 마그네슘 합금에 소량 첨가하여 합금의 난연성을 도모하고, 보호가스의 사용을 억제하는 친환경적 용해기술을 확보하는 동시에 합금의 기계적 특성, 내산화성 및 고온 크리프(Creep) 특성까지도 향상시킬 수 있는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금과 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 칼슘계(CaX) 화합물이 포함된 마그네슘 합금은, 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 0.0001 내지 30 중량(wt)%의 칼슘계(CaX) 화합물이 함유되며, 특히 상기 칼슘계(CaX) 화합물은 CaCN2나 CaC2가 적용된다. 또한 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조방법은, 주조공정에 의해 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 칼슘계(CaX)계 화합물로서 CaCN2 또는 CaC2이 첨가된 마그네슘 합금을 제조함에 있어서, 상기 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 도가니에 장입하여 보호가스 분위기에서 600 내지 800의 온도로 용해하는 제 1단계(100)와, 상기 제 1단계(100)후에 0.0001 내지 30 중량%의 CaCN2나 CaC2을 첨가하여 교반하는 제 2단계(200)와, 상기 제 2단계(200)후에 300분 이하의 후교반을 하는 제 3단계(300), 및 상기 후교반된 마그네슘 합금을 600 내지 750의 온도에서 주형 속에 넣어 주조공정을 통하여 빌렛 또는 주조품 또는 주조품을 제조하는 제 4단계를 포함하여 제품 형성된다.
그리고 상기 주형은 금형 또는 세라믹형 및 그라파이트형 중 어느 하나이며, 상기 주조공정은 중력주조 또는 연속주조인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금 및 그의 제조방법에 의하면, 마그네슘 합금에 칼슘계 화합물인 CaCN2나 CaC2를 소량으로 적절하게 첨가함으로서 합금의 난연성을 도모하고 청정 용해기 술을 확보할 수 있으며, 합금의 기계적 특성과 내산화성 그리고 고온 크리프 특성을 크게 높인 청정 고강도 난연성 고온 마그네슘 합금을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 난연성 마그네슘 합금 및 그 제조방법에 대한 구현원리를 상세히 설명한다.
본 발명의 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조공정은 기본적으로 중력주조공정(Gravity Casting)이며, 사용된 마그네슘은 AZ91D 마그네슘 합금이다.
상기 AZ91D 마그네슘 합금은 마그네슘(Mg)을 주재로 하고, 여기에 알루미늄(Al) 8.3 내지 9.7 중량%, 아연(Zn) 0.35 내지 1.0 중량%, 망간(Mn) 0.15 내지 0.5 중량% 및 기타 미량의 불가피한 불순물이 포함되어 이루어진 것으로서, 고강도를 요구하는 자동차 부품 주조재의 제조에 널리 사용되는 합금이다.
상기 AZ91D 마그네슘 합금은 본 발명의 일실시예일 뿐이며, 본 발명에 의해 얻어지는 칼슘계(CaX) 화합물인 CaCN2나 CaC2가 첨가된 고기능, 난연성 마그네슘 합금은 상기 AZ91D 마그네슘 합금뿐만 아니라, 마그네슘 합금 및 Mg 99.999 중량%의 순수 마그네슘에 상기 CaCN2 또는 CaC2 등의 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가되어도 같은 효과를 얻을 수 있다.
첨부 도면중 도 1은 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 제조방법을 나타내는 블록도를 도시한 것으로, 본 발명에 의한 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조는 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 도가니에 장입하여 보호가스 분위기에서 600 내지 800의 온도로 용해하는 제 1단계(100)와, 상기 제 1단계(100)후에 0.0001 내지 30 중량%의 칼슘계(CaX) 화합물을 첨가하여 교반하는 제 2단계(200)와, 상기 제 2단계(200)후에 300분 이하의 후교반을 하는 제 3단계(300), 및 상기 후교반된 마그네슘 합금을 600 내지 750의 온도에서 주형 속에 넣어 주조공정을 통하여 빌렛 또는 주조품을 제조하는 제 4단계(400)에 의해 제조된다.
상기와 같은 제조 방법에 의해서 0.0001 내지 30 중량%의 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금을 얻을 수 있게 된다. 여기서 상기 제 1단계(100)에서 사용되는 보호가스는 SF6, SO2, HFC-134a, CO2, 및 이들의 혼합 가스를 사용하여도 좋다. 또한 상기 제 1단계(100)의 도가니는 철제 도가니 외에 그라파이트 또는 세라믹 도가니를 사용하여도 좋다.
그리고 제 2단계(200)에서의 첨가되는 칼슘계(CaX)은 다양한 형태로 첨가될 수 있으나 분말의 형태가 우선되며, 분말은 입자의 크기가 500 미만인 것이 바람직하며, 산화칼슘(CaX)의 온도는 500 미만인 것이 바람직하다.
특히 첨가되는 칼슘계(CaX) 화합물인 CaCN2 또는 CaC2의 조성비는 0.0001 내지 30 중량%가 바람직하며, 보통 합금을 제조함에 있어 첨가되는 성분의 조성비가 30 중량%가 넘을 경우에는 주재(主材)의 물성(Property)이 사라질 염려가 있다.
그리고 제 4단계(400)에서 주형은 금형, 세라믹형 또는 그라파이트형 중에서 어느 것을 사용하여도 무방하다. 상기 제 4단계(400)에서 사용되는 주조방식은 중 력 주조 또는 연속 주조방식이 사용된다.
한편, 주조공정은 용융금속을 주형 속으로 주입하여 주형 안에서 금속을 응고시켜 원하는 형상을 얻는 제조 방식이다.
첨부 도면중 도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 칼슘시아나미드(CaCN2)가 0.007 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금의 조직사진 및 경도와 함께 질소(N2) 분위기에서의 발화(Flame Resistance) 특성을 보인 그래프를 나타낸 것이며, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 칼슘카바이드(CaC2)가 0.03 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금의 조직사진 및 경도와 함께 질소(N2) 분위기에서의 발화(Flame Resistance) 특성을 보인 그래프를 나타낸 것이다.
아울러 도 4는 본 발명의 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 CaCN2와 CaC2가 각각 0.007 wt%와 0.03 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금에 대한 질소(N2) 분위기에서의 발화(Flame Resistance) 특성을 나타낸 그래프를 도시한 것으로, 특히 도 2b 및 도 3b의 칼슘계(CaX) 화합물 각각의 첨가량에 따른 마그네슘 합금(AZ91D)의 경도(Hardness) 특성을 나타내며, 상온(25)에서의 경도 특성이 통상 64 정도의 경도를 갖는 순수한 마그네슘 함금(AZ91D)에 비해 본 발명의 칼슘계(CaX) 화합물의 첨가량에 따른 특성치(평균 경도)가 66 정도로 향상된 것을 알 수 있다.
또한 질소(N2) 가스의 분위기에서 발화온도를 보인 도 2c 및 도 3c와 도 4의 그래프를 살펴보면, 칼슘계(CaX) 산화물인 CaCN2나 CaC2가 각각 첨가된 마그네슘 합금(AZ91D-0.007 wt%CaCN2/0.03 wt% CaC2) 모두 순수한 마그네슘 합금(AZ91D)와 비교하여 상당히 향상된 내열성의 합금의 발화(Flame Resistance) 특성을 나타내고 있으며, 이는 결국 칼슘계(CaX) 화합물의 첨가량에 따라 발화온도가 크게 향상됨을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조방법을 나타내는 블록도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 CaCN2가 0.007 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금의 조직사진 및 경도와 함께 질소(N2) 분위기에서의 발화(Flame Resistance) 특성을 보인 그래프.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 CaC2가 0.03 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금의 조직사진 및 경도와 함께 질소(N2) 분위기에서의 발화(Flame Resistance) 특성을 보인 그래프.
도 4는 본 발명의 따른 칼슘계(CaX) 화합물인 CaCN2와 CaC2가 각각 0.007 wt%와 0.03 wt% 첨가된 다이캐스팅용 AZ91D 마그네슘 합금에 대한 대기 분위기에서의 내열성(Flame Resistance)을 나타내는 그래프.

Claims (6)

  1. 칼슘계(CaX) 화합물 0.0001 내지 30 중량%와 잔부는 마그네슘 및 기타 불순물을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 칼슘계(CaX) 화합물은 CaCN2 또는 CaC2중 어느 하나인 것을 특징하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 칼슘계(CaX) 화합물은 분말로서 입자의 크기가 500 미만인 것을 특징으로 하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금.
  4. 주조공정에 의해 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 칼슘계(CaX) 화합물이 첨가된 마그네슘 합금을 제조함에 있어서,
    상기 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 도가니에 장입하여 보호가스 분위기에서 600 내지 800의 온도로 용해하는 제 1단계,
    상기 제 1단계 후에 0.0001 내지 30 중량%의 칼슘계(CaX) 화합물 분말을 첨가하여 교반하는 제 2단계,
    상기 제 2단계 후에 300분 이하의 후교반을 하는 제 3단계,
    상기 후교반된 마그네슘 합금을 600 내지 750의 온도에서 주형 속에 넣어 주조공정을 통하여 빌렛 또는 주조품을 제조하는 제 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 주형은 금형, 세라믹형 및 그라파이트형 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 주조공정은 중력주조 또는 연속주조인 것을 특징으로 하는 칼슘계 화합물이 첨가된 마그네슘 합금의 제조방법.
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