KR20100073476A

KR20100073476A - 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금

Info

Publication number: KR20100073476A
Application number: KR1020080132164A
Authority: KR
Inventors: 이재설; 손현택; 김대근; 박슬기; 김영모
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2008-12-23
Publication date: 2010-07-01

Abstract

본 발명은 마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 희토류 원소를 포함하고 있으며, 상기 희토류 원소는 이트륨, 네오디뮴, 사마륨중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)를 주재료로 하는 마그네슘 합금에 희토류 원소인 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm)을 소량 첨가하여 강도 및 연성이 현저히 상승되었기 때문에, 항공기 및 자동차의 동력계통 핵심부품으로 사용가능한 장점이 있고, 이로 인한 항공기 및 자동차의 경량화에 상당한 기여를 할 수 있는 효과가 있다.

마그네슘, 합금, 희토류 원소, 고강도, 고연성

Description

마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금{HIGH STRENGTH ALLOY INCLUDING Al, Ca, RE TO MAGNESIUM ALLOY}

본 발명은 마그네슘 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류 원소가 첨가된 고강도 합금에 관한 것이다.

일반적으로 마그네슘 합금은 비중이 비교 경량제인 알루미늄의 2/3수준인 약 1.74g/㎤으로서, 우수한 비강도, 절삭가공성 및 진동흡수성능을 가지고 있으며, 자원 측면에서도 부족함이 없는 해수를 원료로 하는 금속이다.

또한, 자원의 재활용이 가능하기 때문에, 마그네슘 합금은 자동차 산업에서 철강 및 알루미늄 합금을 대체할 수 있는 친환경적인 초경량 소재로 주목받고 있으며, 경량화를 통한 연비향상이 기대되는 항공기 및 자동차 산업 등에 사용이 급격히 증대되고 있다.

항공기 및 자동차 산업등에 주로 사용되는 마그네슘 합금은 Mg-Al계, Mg-Al-Mn계가 있는데, 상기의 마그네슘 합금은 항공기 및 자동차의 동력계통 부품들에 적용하기에는 상당한 제약이 따르는 문제점이 있었다.

즉, 항공기 및 자동차의 동력계통 핵심부품들은 구동특성상 대부분이 고온에 서 작동되면서 고회전력을 부여받기 때문에, 알루미늄 합금에 비해 고온강도, 인장강도 및 연성이 상대적으로 낮은 마그네슘 합금을 적용하기에는 어려움이 있었다.

이에, 마그네슘 합금에 저가의 칼슘을 첨가하여 알루미늄 합금에 비해 고온 강도를 상대적으로 높인 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)를 주재료로하는 마그네슘 합금이 개발되었다. 그러나, 여전히 항공기 및 자동차의 동력계통 핵심부품으로 사용하기에는 인장강도 및 연성이 상대적으로 낮은 문제점이 있었다.

따라서, 최근에는 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca)를 주재료로하는 마그네슘 합금에 다양한 원소를 첨가하여 고강도와 고연성을 갖는 마그네슘 합금의 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고강도와 고연성을 갖는 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 희토류 원소를 포함하고 있으며, 상기 희토류 원소는 이트륨, 네오디뮴, 사마륨중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

희토류 원소로서 이트륨을 사용한 마그네슘 합금의 중량비율로는 마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 이트륨 1∼3wt%로 이루어진다.

희토류 원소로서 네오디뮴을 사용한 마그네슘 합금의 중량비율로는 마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 네오디뮴 1∼3wt%로 이루어진다.

희토류 원소로서 사마륨을 사용한 마그네슘 합금의 중량비율로는 마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 사마륨 1∼3wt%로 이루어진다.

본 발명은 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 주재료로 하는 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 희토류 원소(이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm))를 첨가하여 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에서 생성되는 거칠고 불규칙적인 조직인

의 공정상(C36)의 형성을 억제시키고, 균일하고 미세한 층상조직(lamella structure)인

의 공정상의 형성을 증대시킬 뿐만 아니라 희토류 원소 첨가에 의한

금속간 화합물을 형성시키고, 결정립 미세화에 의한 고강도와 고연성이 향상되는 고강도 합금에 관한 것이다.

이하에서는, 마그네슘, 알루미늄, 칼슘을 주재료로 하는 마그네슘 합금(비교예)과, 여기에 희토류 원소(이트륨, 네오디뮴, 사마륨)를 첨가한 마그네슘 합금(실시예)을 비교하여 비교예에 비해 실시예가 고강도 및 고연성을 갖고 있음을 설명한다.

비교예와 실시예의 조성비율은 아래의 표 1과 같다.

	Al(wt%)	Ca(wt%)	Y(wt%)	Nd(wt%)	Sm(wt%)	Mg(wt%)
비교예	5	3				92
실시예1	5	3	1			91
실시예2	5	3	2			90
실시예3	5	3	3			89
실시예4	5	3		1		91
실시예5	5	3		2		90
실시예6	5	3		3		89
실시예7	5	3			1	91
실시예8	5	3			2	90
실시예9	5	3			3	89

과

분위기하의 전기로에서 상기 표 1에 표시된 중량비율로 비교예 및 여러 실시예를 750℃로 가열하여 용해시키고, 몰드온도를 200℃로 하여 주조한 다음 380℃에서 압출비 20:1로 열간압출하여 비교예 및 여러 실시예의 시편을 얻었다.

도 1, 도 2는 비교예의 시편조직을 전자현미경인 FESEM장비 및 EDS장비를 이용하여 비교예의 시편조직을 보인 사진과 비교예의 시편조직에서 생성된 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼이다.

도 1, 도 2를 참조하면, 비교예의 공정상인 C36은 마그네슘, 알루미늄, 칼슘이 다량 검출됨을 알 수 있다. 즉, 조대하고 불규칙적인 조직인

의 공정상(C36)이 형성된다.

아래의 표 2는 C36을 구성하는 마그네슘, 알루미늄, 칼슘의 성분비율이다.

성분	wt%	at%
Mg	41.13	47.35
Al	34.05	35.32
Ca	24.82	17.33

도 3, 도 4는 FESEM장비 및 EDS장비를 이용하여 실시예2의 시편조직사진 및 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼이고, 도 5, 도 6은 실시예6의 시편조직사진 및 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼이며, 도 7, 도8은 실시예9의 시편조직사진 및 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼이다.

도 3 내지 도 8을 참조하면, 실시예2의 이트륨 첨가에 의한 금속간화합물은 알루미늄, 이트륨이 상대적으로 다량 검출되고, 실시예6의 네오디뮴 첨가에 의한 금속간화합물은 알루미늄, 네오디뮴이 상대적으로 다량 검출되며, 실시예9의 사마륨 첨가에 의한 금속간화합물은 알루미늄, 사마륨이 다량 검출됨을 알 수 있다.

또한, 실시예1,2,3은

로서

상이 형성되고, 실시예4,5,6은

상이 형성되며, 실시예7,8,9는

상이 형성된다. 또한, 실시예1~9에서 이트륨, 네오디뮴 및 사마륨 첨가에 의한 공정상은 미세한 층상조직(C14 lamella structure)으로 변화된다. Mg-Al-Ca합금에 희토류원소의 첨가량이 증가함에 따라 미세 층상상조직의 공정상의 분율이 증가하였다.

아래의 표 3은 실시예2, 실시예6, 실시예9에서 생성된

금속간화합물의 성분비율이다.

	실시예 2		실시예 6		실시예 9
	wt%	at%	wt%	at%	wt%	at%
Mg	02.72	04.98	04.00	09.48	02.77	06.92
Al	40.30	66.49	29.48	62.87	28.65	64.38
Ca			01.09	01.56	00.93	01.41
Y	56.98	28.53
Nd			65.43	26.10
Sm					67.64	27.28

이와 같이, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 첨가된 희토류 원소(이트륨, 네오디뮴, 사마륨)는 알루미늄과 결합되어 균일한

금속간화합물이 형성되며, 미세한 층상조직(lamella structure)인

공정상(C14)을 형성함으로서, 거칠고 불규칙적인 조직인

의 공정상(C36)의 형성을 억제시키는 것을 알 수가 있다.

도 9는 EBSD장비를 이용하여 측정된 비교예 및 상기 여러 실시예의 시편조직의 입자 크기를 나타낸 그래프이고, 도 10 내지 도 13은 EBSD장비를 이용하여 비교예, 실시예 2, 실시예 5, 실시예 8의 시편조직의 나타낸 이미지이다.

도 9 내지 도 13을 참조하면, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 희토류 원소(이트륨, 네오디뮴, 사마륨)를 첨가하면, 입자크기가 현저히 작아지고 균일해짐을 알 수 있다.

즉, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금은 입자크기가 대략 264㎛인 반면에, 이트륨이 첨가된 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금은 이트륨이 중량비율 3wt%가 첨가될 때, 입자크기가 대략 100㎛로 가장 작은 것을 알 수 있다.

또한, 네오디뮴이 첨가된 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금은 네오디뮴이 중량비율 2wt%가 첨가될 때 입자크기가 대략 72㎛로 가장 작으며, 사마륨이 첨가된 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금은 사마륨이 중량비율 3wt%가 첨가될 때 입자크기가 대략 50㎛로 가장 작음을 알 수 있다.

도 14 내지 도 16은 비교예 및 여러 실시 예를 인장시험을 하여 그 결과를 그래프로 나타낸 것이다.

인장시험은 상온에서 수행하였고, 인장시험에는 ASTM규격에 따른 16㎜의 표점거리와 직경이 4㎜인 봉상 시편이 사용되었다.

도 14를 참조하면, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 이트륨이 첨가될 때, 첨가되는 이트륨의 중량비율(1∼3wt%)에 따라 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 함께 그래프로 나타낸 것으로, 3wt%의 이트륨이 첨가될 때 비교예에 비해 항복강도와 최대인장강도가 각각 326MPa, 331MPa로 증가하나, 연신율이 감소되는 특성을 보였다.

그러나, 1wt%의 이트륨이 첨가될 때에는 비교예에 비해 항복강도에는 별차이가 없으나, 최대인장강도가 증가됨과 아울러 연신율이 크게 증가되는 특성을 보였다.

따라서, 고강도를 얻고자 할 경우에는 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 3wt%의 이트륨을 첨가하고, 고연성을 얻고자 할 경우에는 1wt%의 이트륨을 첨가하여 마그네슘합금을 제조할 수 있다.

도 15를 참조하면, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 중량비율(1∼3wt%)에 따라 네오디뮴을 첨가하여 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 비교하여 그래프로 나타낸 것으로, 2wt%의 네오디뮴이 첨가될 때 비교예에 비해 항복강도와 최대인장강도가 각각 322MPa, 335MPa로 증가하나, 연신율이 감소되는 특성을 보였다.

그러나, 1wt%의 네오디뮴이 첨가될 때, 비교예에 비해 항복강도, 최대인장강도, 연신율이 함께 증가되는 특성을 보였다.

도 16을 참조하면, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 중량비율(1∼3wt%)에 따라 사마륨을 첨가하여 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 비교하여 그래프로 나타낸 것으로, 2wt%의 사마륨이 첨가될 때 비교예에 비해 항복강도와 최대인장강도가 각각 313MPa, 330MPa로 증가하나, 연신율이 감소되는 특성을 보였다.

이와 같이, Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 희토류 원소(이트륨, 네오디뮴, 사마륨)가 첨가되어 균일한

의 공정상을 형성한 본 발명의 마그네슘 합금은 3wt%d의 이트륨, 2wt%의 네오디뮴, 2wt%의 사마륨이 각각 첨가될 때 비교예에 비해 항복강도 및 최대인장강도가 현저히 증가되고, 1wt%d의 이트륨, 1wt%의 네오디뮴, 1wt%의 사마륨이 각각 첨가될 때 비교예에 비해 연신율이 크게 증가되는 특성을 보였다.

따라서, 본 발명의 마그네슘 합금은 비교예에 비해 고강도 및 고연성의 특성을 갖기 때문에, 항공기 및 자동차의 동력계통 핵심부품으로 사용가능하고, 이로 인한 항공기 및 자동차의 경량화에 상당한 기여를 할 수가 있다.

도 1은 FESEM장비를 이용하여 비교예의 시편조직의 사진,

도 2는 EDS장비를 이용하여 비교예의 시편조직에서 생성된 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼,

도 3은 FESEM장비를 이용하여 실시예 2의 시편조직의 사진,

도 4는 EDS장비를 이용하여 실시예 2의 시편조직에서 생성된 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼,

도 5는 FESEM장비를 이용하여 실시예 6의 시편조직의 사진,

도 6은 EDS장비를 이용하여 실시예 6의 시편조직에서 생성된 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼,

도 7은 FESEM장비를 이용하여 실시예 9의 시편조직의 사진,

도 8은 EDS장비를 이용하여 실시예 9의 시편조직에서 생성된 공정상의 원소를 분석한 스펙트럼,

도 9는 EBSD장비를 이용하여 측정된 비교예 및 실시예 1 내지 실시예 9의 시편조직의 입자 크기를 나타낸 그래프,

도 10은 EBSD장비를 이용하여 비교예의 시편조직의 나타낸 이미지,

도 11은 EBSD장비를 이용하여 실시예 2의 시편조직의 나타낸 이미지,

도 12는 EBSD장비를 이용하여 실시예 5의 시편조직의 나타낸 이미지,

도 13은 EBSD장비를 이용하여 실시예 8의 시편조직의 나타낸 이미지,

도 14는 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 이트륨이 첨가될 때, 첨가되는 이트륨 의 중량비율(1∼3wt%)에 따라 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 함께 나타낸 그래프,

도 15는 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 네오디뮴이 첨가될 때, 첨가되는 네오디뮴의 중량비율(1∼3wt%)에 따라 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 함께 나타낸 그래프,

도 16은 Mg-Al-Ca계 마그네슘 합금에 사마륨이 첨가될 때, 첨가되는 사마륨의 중량비율(1∼3wt%)에 따라 항복강도, 최대인장강도, 연신율을 비교예와 함께 나타낸 그래프.

Claims

마그네슘, 알루미늄, 칼슘, 희토류 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금.
제 1항에 있어서,

상기 희토류 원소는 이트륨, 네오디뮴, 사마륨중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금.
제 2항에 있어서,

마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 이트륨 1∼3wt%의 중량비율로 이루어진 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금.
제 2항에 있어서,

마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 네오디뮴 1∼3wt%의 중량비율로 이루어진 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강 도 합금.
제 2항에 있어서,

마그네슘 87∼93wt%, 알루미늄 4∼6wt%, 칼슘 2∼4wt%, 사마륨 1∼3wt%의 중량비율로 이루어진 마그네슘 합금에 알루미늄, 칼슘, 희토류원소가 첨가된 고강도 합금.