KR20110013431A - Ｍｇ기 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명의 Mg기 합금은 마그네슘에 Zn과 Al을 첨가하여 이루어지는 Mg기 합금으로서, 그 조성을 (100-a-b)wt% Mg-awt% Al-bwt% Zn이라 나타냈을 때 0.5≤b/a인 것을 특징으로 하고, 희토류 원소에 대신에 입수가 용이한 첨가 원소를 사용하여 높은 인장 강도 레벨을 유지한 채 마그네슘 합금 전신재의 중요 과제인 항복 이방성의 저감을 가능하게 하는 Mg기 합금을 제공한다.

Description

Ｍｇ기 합금{Ｍｇ-BASE ALLOY}

본 발명은 항복 이방성을 저감시킨 Mg기 합금에 관한 것이다.

마그네슘은 경량이고 풍부한 자원을 나타내기 때문에 전자기기나 구조부재 등의 경량화 재료로서 주목을 받고 있다.

한편, 철도차량이나 자동차 등의 이동용 구조부재로의 적응을 검토하는 경우, 사용할 때에 안전성·신뢰성의 관점에서 소재의 고강도·고연성·고인성 특성이 요구된다.

도 1에 마그네슘 합금 전신재와 주조재의 강도와 파단 신장값, 도 2에 비강도(=항복응력/밀도)와 파괴 인성값의 관계를 나타낸다. 주조재와 비교하여 전신재 쪽이 큰 연성·인성을 나타내고, 우수한 강도·연성·인성 특성을 얻기 위해서는 전신화 프로세스, 즉, 변형 부여 가공이 유효한 수단 중 하나인 것을 알았다.

그러나, 소재에 압연이나 압출 등의 변형 가공을 실시하는 것은 가공시에 형성되는 저면에 배향하는 집합 조직이 그대로 재료에 남는 문제가 있다. 그 때문에, 일반적인 마그네슘 합금 전신재에서는 실온에 있어서 높은 인장 강도를 나타내는 한편, 압축 강도는 낮다. 따라서, 종래 마그네슘 합금 전신재를 이동용 구조부재에 적응시키는 경우, 압축 변형이 발생하는 개소에서는 취약하고 등방 변형이 곤란한 결점이 있다.

최근, 일반적인 결정상과는 다르고, 정해진 원자 배열이 반복되어 늘어서는 구조(병진 질서성)가 없는 특이한 상: 준결정상이 Mg-Zn-RE(RE=Y, Gd, Dy, Ho, Er, Tb) 합금으로 발현되는 것이 발견되었다.

준결정상은 마그네슘 모상 계면과 양호한 연결, 즉, 정합 계면을 형성하고, 계면끼리는 강고하게 결합하는 특징이 있다. 그 때문에, 준결정상을 마그네슘 모상에 분산시키는 것은 집합 조직의 강도(저면의 집적도 합)를 저감시키고, 높은 인장 강도 레벨을 유지한 채 압축 특성을 개선시키고, 구조 용도의 부재 설계에는 바람직하지 않은 항복 이방성을 해소가능하다.

그러나, 마그네슘 합금에 준결정상을 발현시키기 위해서는 희토류 원소 사용이 불가결이라는 큰 문제를 안고 있다. 희토류 원소는 문자 그대로, 희소 가치가 높은 원소임과 아울러 양호한 특성을 발휘하여 소재 가격의 상승을 부정할 수 없는 것이 현실이다.

구체적으로는, 특허문헌 1∼3에는 마그네슘 모상내에 준결정을 발현시키기 위해서는 희토류 원소(특히, 이트륨) 첨가가 필요하다라고 명기되어 있을 뿐이다.

특허문헌 4에는 마그네슘 모상내에 준결정을 발현시키기 위해서는 이트륨이나 그 밖의 희토류 원소 첨가가 필수적인 것과 준결정 분산 및 결정립 미세화의 효과에 의해 전신재의 항복 이방성이 해소된다라고 나타내어져 있을 뿐이다.

특허문헌 5에는 마그네슘 모상내에 준결정을 발현시키기 위해서는 이트륨이나 그 밖의 희토류 원소 첨가가 필수적인 것과 준결정 분산 마그네슘 합금의 ２차 성형 가공 조건(가공 온도나 속도 등)에 대해서 명기되어 있을 뿐이다.

비특허문헌 1, 2에는 Mg-Zn-Al로 이루어지는 준결정상의 생성에 관한 기재가 있지만, 준결정 단일상이기 때문에 Mg 모상이 존재하지 않는다.

비특허문헌 3에는 주조법에 의한 것이기 때문에, Mg 모상의 결정 입경은 50㎛ 이상이다. 그 때문에, 상기 희토류 원소를 첨가한 것과 동등 이상의 고강도·고인성 특성을 발휘하는 것은 나타내어져 있지 않고, 또한 기술적으로도 곤란하다라고 생각된다.(도 1, 2 참조)

특허문헌 1: 일본특허공개 2002-309332호 공보

특허문헌 2: 일본특허공개 2005-113234호 공보

특허문헌 3: 일본특허공개 2005-113235호 공보

특허문헌 4: 일본특허출원 2006-211523

특허문헌 5: 일본특허출원 2007-238620

비특허문헌 1: G. Bergman, J. Waugh, L. Pauling: ActaCryst. (1957) 10 254.

비특허문헌 2: T. Rajasekharan, D. Akhtar, R. Gopalan, K. Muraleedharan: Nature. (1986) 322 528.

비특허문헌 3: L. Bourgeois, C. L. Mendis, B. C. Muddle, J. F. Nie: Philo.Mag.Lett. (2001) 81 709.

본 발명은 이상의 사정에 비추어 이루어진 것이고, 희토류 원소를 대신하여 입수가 용이한 첨가 원소를 사용해서 높은 인장 강도 레벨을 유지한 채 마그네슘 합금 전신재의 중요 과제인 항복 이방성의 저감을 가능하게 하는 것을 과제로 하고 있다.

본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서, 이하의 것을 특징으로 하고 있다.

발명 1의 Mg기 합금은 마그네슘에 Zn과 Al을 첨가하여 이루어지는 Mg기 합금으로서, 그 조성을 (100-a-b)wt% Mg-awt% Al-bwt% Zn이라 나타냈을 때 0.5≤b/a인 것을 특징으로 한다.

발명 2는 발명 1의 Mg기 합금에 있어서, 5≤b≤55 및 2≤a≤18인 것을 특징으로 한다.

발명 3은 발명 1 또는 2의 Mg기 합금에 있어서, 마그네슘 모상 중에 준결정상 또는 그 근사 결정상이 분산되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

발명 4는 발명 1 내지 3 중 어느 하나의 Mg기 합금에 있어서, Mg 모상의 크기가 40㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 희토류 원소를 대신하여 Zn과 Al을 사용함으로써 희토류 원소를 사용한 것과 동일하거나, 그 이상으로 양호한 항복 이방성의 저감 효과를 발현시킬 수 있다.

도 1은 마그네슘 합금 전신재와 주조재의 강도와 파단 신장의 관계를 나타낸다.
도 2는 마그네슘 합금 전신재와 주조재의 비강도(=항복응력/밀도)와 파괴 인성값의 관계를 나타낸다.
도 3은 실시예 1의 미세조직 관찰 결과를 나타내는 사진이고, 투과형 전자현미경에 의한 모합금의 조직 관찰 결과를 나타낸다.
도 4는 실시예 1의 미세조직 관찰 결과를 나타내는 사진이고, 광학현미경에 의한 압출재의 조직 관찰 결과를 나타낸다.
도 5는 실시예 1의 X선 측정 결과를 나타낸다.
도 6은 실시예 1, 2 및 비교예 1의 실온 인장·압축 시험에 의해 얻어진 공칭응력―공칭변형 곡선도이다.
도 7은 실시예 2의 미세조직 관찰 결과를 나타내는 사진이고, 광학현미경에 의한 압출재의 조직 관찰 결과를 나타낸다.
도 8은 Mg-Zn-Al의 3원 상태도이다.
도 9는 비교예 1의 슐츠(Schulz)의 반사법에 의한 집합조직 측정예를 나타낸다.
도 10은 실시예 2의 투과형 전자현미경에 의한 미세조직 관찰예를 나타낸다.
도 11은 실시예 2의 슐츠의 반사법에 의한 집합조직 측정예를 나타낸다.
도 12는 실시예 4, 5, 7, 8의 X선 측정 결과를 나타낸다.
도 13은 실시예 9, 10, 12의 X선 측정 결과를 나타낸다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 조성을 (100-a-b)wt% Mg-awt% Al-bwt% Zn이라 나타냈을 때, 하기 실험예로부터 명확한 바와 같이 0.5≤b/a일 때 항복 이방성의 해소가 달성된다. 본 발명에서는 바람직하게는 1≤b/a, 보다 바람직하게는 1.5≤b/a이다.

또한, 5≤b≤55 및 2≤a≤18이면, 준결정상 및/또는 그 근사 결정상이 발현되고 있다.

더욱 바람직하게는 2≤b/a≤10이고, 6≤b≤20 및 2≤a≤10이면 준결정상과 그 근사 결정상이 발현되고 있다.

항복 이방성이 해소, 즉, 압축 항복응력/인장 항복응력의 비가 0.8 이상을 보다 확실하게 달성하기 위해서는 마그네슘 모상의 크기가 바람직하게는 40㎛ 이하, 보다 바람직하게는 20㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 10㎛이하이다. 그리고, 준결정상이나 근사 결정상의 함유비율은 바람직하게는 1% 이상 40% 이하, 보다 바람직하게는 2% 이상 30% 이하이다. 또한, 준결정 입자나 근사 결정 입자의 크기는 바람직하게는 5㎛ 이하, 보다 바람직하게는 1㎛ 이하이고, 하한은 바람직하게는 50nm 이상이다.

상기 조직이나 특성을 얻기 위해서는, 부여하는 변형은 1 이상이고, 가공 온도는 200℃∼400℃(50℃ 단위, 이하와 동일)인 것이 바람직하다

종래, 희토류 원소를 포함하는 덴드라이트 조직을 적게 하기 위해서 압출이나 변형 부여 전에 460℃ 이하로 4시간 이상 균질화 처리를 행할 필요가 있었다. 그러나, 본 발명에서는 이 열처리없이 준결정상의 균일 분산이 달성되었다.

또한, 준결정상이나 근사 결정상의 생성은 고화시의 냉각 속도에 크게 영향을 받는다. 본 발명 합금의 경우, 냉각 속도가 느려도 준결정상이나 근사 결정상의 생성은 가능하다. 그 때문에, 모합금 제작시에 비교적 냉각 속도가 느린 일반적인 중력 주조는 물론, 비교적 냉각 속도가 빠른 다이캐스트 주조나 급냉 응고법을 사용해도 좋다.

(실시예)

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 하등 한정되지 않는다.

<실시예 1>

상용 순마그네슘(순도 99.95%)에 8중량% 아연과 4중량% 알루미늄을 용해 주조하여(이하, Mg-8wt% Zn-4wt% Al이라 기재함) 모합금을 제작했다. 모합금을 기계 가공함으로써 직경 40mm의 압출 빌릿(billet)을 준비했다. 압출 빌릿을 300℃로 승온시킨 압출 컨테이너에 투입하고, 1/2시간 유지한 후, 25:1의 압출비로 온간 압출 가공을 실시하여 직경 8mm의 압출재를 얻었다.

압출재의 미세조직 관찰 및 X선 측정을 실시했다. 관찰 부위는 압출 방향에 대하여 평행한 면이다. 모합금에 있어서도 투과형 전자현미경(TEM)을 사용한 조직 관찰 및 X선 측정을 행했다.

도 3에 모합금, 도 4에 압출재의 미세조직 관찰예를 나타낸다. 또한, 도 5에 양 시료의 X선 측정예를 나타낸다. 도 3에서, 마그네슘 모상에 수 마이크론 정도의 입자(P)가 존재하고 제한 시야 회절상으로부터 이 입자(P)는 준결정상인 것을 알았다. 도 4에서, 압출재의 마그네슘 모상의 평균적인 결정 입경은 12㎛이고 등축 입자로 이루어지는 것을 확인할 수 있다. 평균적인 결정 입경은 절편법에 의해 산출했다. 도 5에 나타낸 양 시료의 X선 회절 패턴이 동일하기 때문에 압출 가공을 실시해도 마그네슘 모상 중에 준결정상의 존재를 확인할 수 있다. 도 5에 나타낸 흰 원은 준결정상의 회절 각도를 나타낸다.

압출재로부터 평행부 직경 3mm, 길이 15mm를 나타낸 인장 시험편, 직경 4mm, 높이 8mm를 나타낸 압축 시험편을 채취했다. 각각의 시험편 채취 방향은 압출 방향에 대하여 평행 방향이고, 초기 인장·압축 변형 속도는 1×10^-3s^-1이다. 도 6에 실온 인장·압축 시험에 의해 얻어진 공칭응력―공칭변형 곡선을 나타낸다. 도 6에서 얻어진 기계적 특성을 표 1에 정리한다. 여기서, 항복응력은 공칭변형이 0.2%시의 응력값, 최대 인장력은 공칭응력의 최대값, 파단신장은 공칭응력이 30% 이상 저하했을 때의 공칭변형값으로 한다.

<비교예 1>

비교예로서 전형적인 마그네슘 합금 전신재인 Mg-3wt% Al-1wt% Zn 압출재(초기 결정 입경: 약 15㎛)의 공칭응력―공칭변형 곡선도 아울러 나타냈다. 양 압출재의 결정 입경은 거의 동일한 정도인데도 불구하고, Mg-8wt% Zn-4wt% Al 압출재의 인장, 압축 항복응력은 각각 228, 210MPa이고, 우수한 강도 특성(특히, 압축 특성)을 나타내는 것을 알았다. 또한, Mg-8wt% Zn-4wt% Al 압출재의 압축/인장 항복응력의 비는 0.9이고, 명백한 항복 이방성의 개선을 관찰할 수 있다.

도 9에 비교예 1에서 사용한 Mg-3wt% Al-1wt% Zn 합금 압출재의 슐츠 반사법에 의한 집합조직 측정예를 나타낸다. 압출 방향으로 저면이 집적하고, 전형적인 마그네슘 합금 압출재의 집합조직을 나타내고 있는 것을 알았다. 또한, 최대집적 강도는 8.0이다.

<실시예 2>

상용 순마그네슘(순도 99.95%)에 8중량% 아연과 4중량% 알루미늄을 용해 주조하여 모합금을 제작했다. 모합금을 기계 가공에 의해 직경 40mm의 압출 빌릿을 준비했다. 압출 빌릿을 200℃로 승온시킨 압출 컨테이너에 투입하고, 1/2시간 유지한 후 25:1의 압출비로 온간 압출 가공을 실시하여 직경 8mm의 압출재를 얻었다. 상기 실시예 1과 동일한 조건으로 조직 관찰, 실온 인장·압축 시험을 행했다. 도 7에 압출재의 미세조직 관찰, 도 6에 실온 인장·압축 시험에 의해 얻어진 공칭응력―공칭변형 곡선을 나타낸다.

도 7에서, Mg 모상의 평균적인 결정 입경은 3.5㎛이었다. 도 6에서, 인장·압축 항복응력은 각각 275, 285MPa이고, 모상의 미세화에 의해 강도 향상을 나타낸다. 또한, 압축/인장 항복응력의 비는 1을 초과하고, 강도 이방성의 해소를 확인할 수 있다.

도 10에 투과형 전자현미경에 의한 실시예 2의 압출재의 미세조직 관찰예를 나타낸다. 도 7과 동일하게, 미세한 Mg 모상의 존재를 확인할 수 있다. 또한, 제한 시야 회절상에서 모상내에 존재하는 입자는 준결정 입자인 것을 알았다.

도 11에 실시예 2의 압출재의 슐츠 반사법에 의한 집합조직 측정예를 나타낸다. 도 9와 동일하게 압출 방향으로 저면이 집적하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 9과 비교한 경우, 실시예 2의 집합 조직 형성의 폭(집적폭)이 매우 넓고, 또한 최대 집적 강도는 절반 이하인 것을 알았다. 도 11에 나타내어지는 저면 집합 조직의 브로드화와 집적 강도의 저하는 강도 이방성의 해소에 기여하고 있다고 생각된다.

<실시예 3∼14>

상기 실시예 1, 2 및 비교예 1 이외에, 그 Zn-Al의 첨가량을 변경한 것 이외에는 동일한 제조 조건으로 얻은 것의 평가 결과를 표 1에 정리하여 나타낸다.

표 1은 각 성능을 나타내는 그래프를 작성한 측정 데이터와 동일한 데이터에 기초하고 있다. 또한, 도 12와 도 13에 실시예 4, 5, 7∼10, 12의 X선 측정 결과를 순서대로 나타낸다. 단, 도 중, 검은 원은 마그네슘, 흰 원은 준결정상을 나타내고, 그 이외의 회절 피크는 Mg-Zn-Al로 이루어지는 준결정의 근사 결정상이다.

도 12에서, 준결정상의 존재는 확인할 수 없지만 그 근사 결정상의 존재를 알았다. 또한, 도 13에서, 준결정상 및 그 근사 결정상의 존재를 확인할 수 있다.

준결정상 또는 근사 결정상이 존재하는 시료에 있어서도, 항복강도의 이방성의 해소를 확인할 수 있다. 한편, 실시예 9, 10 등과 같이 준결정상이 존재하는 시료에 있어서는, 보다 높은 항복강도를 나타내는 것을 알았다.

또한, 표 1에 있어서 ZA은 Zn과 Al의 조성(bwt%, awt%)을 나타내고, 실시예 1∼14에 있어서 (bwt%, awt%)=(8,4), (8,4), (4,2), (6,1.5), (6,2), (6,3), (8,2), (10,2.5), (10,5), (12,2), (12,4), (12,6), (16,4), (20,2)를 나타낸다.

Claims (4)

1. 마그네슘에 Zn과 Al을 첨가하여 이루어지는 Mg기 합금으로서:
   그 조성을 (100-a-b)wt% Mg-awt% Al-bwt% Zn이라 나타냈을 때 0.5≤b/a인 것을 특징으로 하는 Mg기 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   5≤b≤55 및 2≤a≤18인 것을 특징으로 하는 Mg기 합금.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   마그네슘 모상 중에 준결정상이 분산되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 Mg기 합금.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   마그네슘 모상의 크기는 40㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 Mg기 합금.

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