KR20150071215A - 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법 - Google Patents

마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금 판재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이에, 본 발명에서는 합금성분을 최적화하여 상온 변형에 유리한 조직을 확보함으로써 상온 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공할 수 있다.

Description

마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법 {MAGNESIUM ALLOYS PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 마그네슘 합금 판재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
경량 합금으로 주목받고 있는 마그네슘 합금 판재는 구조용, 자동차, 항공기 및 기타 전자기기 등 그 적용이 다양하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 마그네슘 합금 판재는 경량화 면에서 활용도가 큰 장점이 있지만, 내식성, 내열성, 성형성 등에 한계가 있어 사용에 제한적이거나 제조 비용이 크게 증가하는 단점이 있다. 특히, 상온 성형에 어려움이 있어, 대부분 마그네슘 합금 판재의 제조 단계부터 가공 단계까지 온간 압연 및 가공을 행하는 실정이며, 이때 공정 조건에 어려움이 있다.
마그네슘 합금 판재의 성형성 저하는 상온에서 HCP(hexagonal close-packing) 구조의 변형기구가 적어 주로 기저 조직으로만 변형이 일어나기 때문으로, 즉 다양한 방향으로의 변형이 일어나지 않아 외압을 받았을 경우 파괴가 일어나게 되는 것이다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 공정 조건을 개선하거나 합금 원소를 통한 개선들이 이루어져 왔으며, 크게 두 가지 개선방안으로 나눌 수 있다. 첫째는 심한 소성 변형을 일으켜 결정립을 미세화하는 방법이고, 두 번째는 희토류 원소의 첨가에 따른 집합조직 랜덤화하는 방법이다. 그러나, 전자의 경우 공정 비용이 크게 증가하므로 상업화에 유리하지 않으며, 후자의 경우에도 희토류 원소의 사용으로 인한 재료비 및 제품 가격의 상승이 불가피하다.
한편, 최근에는 리튬(Li)을 활용한 상온 성형성 개선을 위한 노력이 증가하고 있으며, 일 예로 특허문헌 1에서는 6.0~10.5중량%의 Li을 첨가하여 HCP 상과 BCC 상의 공존 조직을 형성함으로써 성형성을 개선할 수 있다고 개시하고 있으나, 이때 첨가되는 Li의 함량이 너무 높아 제조비용의 상승이 불가피할 뿐만 아니라, 반응성이 매우 좋은 Li의 다량 첨가는 용탕 제조 및 주조시 폭발의 위험이 있어 제조가 쉽지 않은 문제가 있다. 또한, 특허문헌 1은 프레스 부품 제조에 국한한 것으로서, 판재의 제조에는 적합하지 못하다.
따라서, 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
일본공개특허공보 제2000-087199호
본 발명의 일 측면은, 합금성분을 최적화하여 상온 변형에 유리한 조직을 확보함으로써 강도 및 연성을 동시에 확보하면서, 상온 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 리튬(Li): 0.1~5.5%, 알루미늄(Al): 0.1~9.0%, 칼슘(Ca): 0.1~1.0%, 아연(Zn): 0.1~2.0%, 주석(Sn): 0.1~2.0%, 망간(Mn): 0.1~2.0%, 철(Fe): 0.005% 이하(0% 포함), 니켈(Ni): 0.005% 이하(0% 포함), 코발트(Co): 0.005% 이하(0% 포함), 구리(Cu): 0.05% 이하(0% 포함), 잔부 마그네슘(Mg) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 면적분율로 95% 이상의 HCP 결정립을 포함하는 마그네슘 합금 판재를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 마그네슘 합금을 250~450℃에서 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 마그네슘 합금을 열간압연하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 합금성분의 최적화를 통하여 기존 마그네슘 합금 판재와는 다른 조직을 형성함으로써, 강도 및 연성을 동시에 확보하면서 상온에서의 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 마그네슘 합금 판재는 경량성 및 고성형성이 요구되는 부품 등의 소재로 적절하게 적용될 수 있다.
도 1은 발명재 1의 열처리 후 미세조직을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
본 발명자들은 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성의 개선을 위해 깊이 연구하였으며, 그 결과 상온 변형에 유리한 조직을 얻는데 유리한 리튬(Li)을 최적의 함량으로 적극 활용하면서, 그외 첨가되는 성분들을 최적화하는 경우, 상온 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 마그네슘 합금 판재는 중량%로, 리튬(Li): 0.1~5.5%, 알루미늄(Al): 0.1~9.0%, 칼슘(Ca): 0.1~1.0%, 아연(Zn): 0.1~2.0%, 주석(Sn): 0.1~2.0%, 망간(Mn): 0.1~2.0%, 철(Fe): 0.005% 이하(0% 포함), 니켈(Ni): 0.005% 이하(0% 포함), 코발트(Co): 0.005% 이하(0% 포함), 구리(Cu): 0.05% 이하(0% 포함)를 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에서 마그네슘 합금 판재의 성분조성을 상기와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 각 성분들의 함량은 특별한 언급이 없는 한 중량%를 의미한다.
Li: 0.1~5.5%
본 발명에서 리튬(Li)은 마그네슘 합금 판재의 성형성 개선 및 연성의 확보를 위해 첨가하는 중요한 원소이다.
Li은 마그네슘 합금 내에서 대부분 고용 상태로 존재하며, c/a ratio를 감소시켜 성형성을 향상시키는 역할을 한다. 이와 같이, Li의 첨가로 성형성이 개선되는 원리는 다양한 슬립 방향의 임계분해전단응력의 감소로 슬립 방향에 따른 임계분해전단응력 값의 이방성이 감소하여 다양한 방향으로 슬립이 일어나기 때문이다. 즉, Li은 적층 결합 에너지나 쌍정(twin) 형성에 미치는 영향이 미비하여 주된 성형성 향상은 주로 슬립 방향의 다양성에 의해 얻어지는 것이다.
이러한 Li의 함량이 0.1% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 5.5%를 초과하게 되면 조직이 주로 BCC 구조로 형성되어 강도가 감소하고 이상의 존재로 인한 조직 제어에 어려움이 있으며, Li의 높은 폭발성으로 인해 용탕 및 주조 과정의 제어에 어려움이 있다. 따라서, 본 발명에서 Li의 함량은 0.1~5.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기에서 'c/a ratio'는 Mg 기지의 단위정의 변의 길이(a)와 단위정의 높이(c)의 상대적 비를 나타내며, '임계분해전단응력'은 슬립(slip)을 일으키는데 필요한 최소 전단응력을 의미한다.
Al: 0.1~9.0%
알루미늄(Al)은 강도 증가 및 주조성의 향상을 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없다. 다만, 그 함량이 너무 과다하여 9.0%를 초과하게 되면 다량의 석출물이 형성되어 성형성을 감소시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Al의 함량은 0.1~9.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ca: 0.1~1.0%
칼슘(Ca)은 마그네슘 합금의 강도 개선과 더불어, 용탕의 난연화 효과를 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상술한 효과를 기대하기 어렵다. 반면, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 주조 균열이 발생할 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서 Ca의 함량은 0.1~1.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Zn: 0.1~2.0%
아연(Zn)은 결정립 미세화 및 강도 향상에 유리한 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없다. 반면, 그 함량이 2.0%를 초과하게 되면 다른 첨가 원소들과의 석출물을 형성하여 강도 확보에 불리한 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Zn의 함량은 0.1~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Sn: 0.1~2.0%
주석(Sn)은 균열 억제 및 내열 특성의 확보를 위해 첨가하는 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상술한 효과를 얻을 수 없다. 반면, 그 함량이 2.0%를 초과하게 되면 Mg과 반응하여 과도한 석출물을 형성하여 성형성을 감소시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Sn의 함량은 0.1~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn: 0.1~2.0%
망간(Mn)은 결정립 미세화에 유리한 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없다. 반면, 그 함량이 2.0%를 초과하게 되면 Li의 고용성을 충분히 확보할 수 없게 되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서 Mn의 함량은 0.1~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.
Fe: 0.005% 이하(0% 포함), Ni: 0.005% 이하(0% 포함), Co: 0.005% 이하(0% 포함) 및 Cu: 0.05% 이하(0% 포함)
철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 구리(Cu)는 마그네슘 합금 판재의 내식성을 크게 감소시키는 원소들로서, 이들의 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명의 마그네슘 합금 판재에서 이들 원소의 허용 가능한 범위는 Fe, Ni 및 Co는 0.005% 이하, Cu는 0.05% 이하이므로, 상기 함량 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 마그네슘(Mg)이다.
상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 마그네슘 합금 판재는 그 미세조직이 면적분율로 95% 이상의 HCP 결정립으로 이루어져 있으며, 이때 상기 HCP 결정립은 10~70㎛의 크기를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명은 마그네슘 합금 조성 중 Li을 0.1~5.5중량%로 포함함으로써, 상기 Li의 고용에 의한 저면(Basal slip) 및 비저면(Non-basal slip) 슬립 발생이 촉진되어 미세한 크기의 HCP 결정립을 95% 이상으로 얻을 수 있다. 만일, HCP 결정립의 분율이 95% 미만이면 상대적으로 BCC 구조의 결정립이 증가하여 강도가 크게 감소하는 문제가 있다.
또한, 결정립 크기는 작을수록 유리하나 열처리 과정에 의한 성장이 불가피하며, 본 발명에서는 Li의 첨가와 더불어 Zn, Mn 등의 첨가에 의해 10~70㎛로 확보할 수 있다. 만일, 결정립 크기가 70㎛를 초과하게 되면 다양한 방향으로 슬립이 일어나지 않게 되어 원하는 성형성을 얻기 어려워진다.
　
이와 같이, 주로 HCP 결정립으로 이루어지는 본 발명의 마그네슘 합금 판재는 슬립(slip) 방향별 임계분해전단응력(Critical Resolved Shear Stress, CRSS) 값의 차이가 30% 이하로, 슬립 방향의 다양성을 확보할 수 있다.
일반적으로, Li을 첨가하지 않을 경우 basal(0001면 평행 방향), prismatic(0001면 수직 방향), pyramidal(0001면 대각선 방향)에 대한 CRSS 값이 각각 5, 15, 170 MPa 수준으로, 이와 같이 basal 면의 값은 낮고 pyramidal 면은 높아 basal 방향의 슬립만 일어나므로 성형성이 매우 낮다.
그러나, 본 발명에서는 0.1~5.5%의 Li을 첨가하는 것으로부터 상기 세 슬립면에 대한 CRSS 값의 차이를 줄일 수 있으며, 이로 인해 모든 방향으로의 슬립이 잘 일어나게 되어 성형성을 확보할 수 있는 것이다. 이때, CRSS 값의 차이가 30% 이하일 때 원하는 성형성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 마그네슘 합금 판재는 인강강도 150MPa 이상, 연신율 20% 이상으로 강도와 연성을 동시에 우수하게 확보할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명에서 제공하는 마그네슘 합금 판재를 제조하는 방법에 대하여, 바람직한 일 예로 상세히 설명한다.
본 발명의 마그네슘 합금 판재는 상술한 성분조성을 만족하는 마그네슘 합금을 열처리한 후 열간압연하는 공정으로부터 제조할 수 있으며, 이하에서는 상기 각 공정에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 상술한 성분조성을 갖는 마그네슘 합금을 준비한 후, 이를 열처리하여 균질화하는 단계를 거치는 것이 바람직하다. 상기 열처리는 후속하는 열간압연을 원활히 수행하기 위한 것으로서, 이때 열처리 온도 250~450℃에서 2~10시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.
상기 열처리 온도가 250℃ 미만이면 후속하는 열간압연시의 압연온도를 확보하기 어려우며, 온도 감소에 의한 압연하중이 증가하는 문제가 있다. 반면, 열처리 온도가 450℃를 초과하게 되면 결정립이 조대해지는 문제가 있다.
또한, 상기한 온도범위로 열처리를 행함에 있어서, 열처리 시간이 2시간 미만이면 마그네슘 합금 전체에 대한 균질화가 어려우며, 반면 10시간을 초과하게 되면 결정립이 너무 조대하게 되어 강도 및 연신율 확보에 어려움이 있다.
이후, 상기 열처리된 마그네슘 합금을 열간압연하여 판재 형태로 제조하는 것이 바람직하다. 이때, 열간압연은 일반적인 마그네슘 합금의 압연공정에 준하여 실시할 수 있으며, 바람직하게는 250~450℃에서 패스당 10~30%의 압연율로 실시할 수 있으며, 보다 바람직하게는 350~450℃에서 행할 수 있다.
상기 열간압연시 다양한 방향으로의 슬립이 충분히 발생할 수 있는 정도의 온도에서 압연을 실시하는 것이 바람직하며, 본 발명의 경우 250~450℃에서 실시하였을 때 상기 목표를 달성할 수 있다. 또한, 상기 온도로 압연시 그 압하율이 너무 높으면 에지부 크랙이 발생할 수 있으므로, 적정 압연율로, 바람직하게는 10~30%의 압연율로 실시하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 마그네슘 합금 원료를 준비한 후 용해하여 잉곳으로 제조하였다. 상기 잉곳을 400℃에서 2시간 열처리한 다음, 일반적인 마그네슘 합금의 압연공정에 준하여 370℃에서 열간압연하여 두께 2.1mm의 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
상기 제조된 각각의 마그네슘 합금 판재에 대해 미세조직과 기계적 물성(인장강도 및 연신율)을 측정하고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
이때, 미세조직은 광학현미경을 이용하여 측정하였으며, 상기 기계적 물성 측정을 위한 시편은 JIS5호 규격을 준수하여 가공하였다.
구분 성분조성 (중량%) HCP 분율
(%)		 기계적 물성
Li Al Ca Zn Sn Mn 잔부 인장강도(MPa) 연신율(%)
발명재 1 2.5 3.0 0.5 1.1 0.52 0.59 Mg 97 185 24
발명재 2 3.1 2.5 0.7 1.4 0.23 0.45 Mg 98 174 23
발명재 3 3.6 4.7 0.8 0.8 0.35 0.39 Mg 96 166 21
발명재 4 4.5 1.9 0.7 1.3 0.28 0.33 Mg 98 157 29
발명재 5 2.9 3.6 0.3 1.2 0.34 0.46 Mg 95 160 26
비교재 1 0.03 3.4 0.4 1.1 0.19 0.57 Mg 99 230 7
비교재 2 6.0 2.7 0.9 0.7 0.37 0.49 Mg 89 130 31
비교재 3 7.5 2.8 1.2 0.9 0.24 0.25 Mg 81 97 29
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금 성분을 모두 만족하는 경우, 특히 Li의 함량이 0.1~5.5%를 만족하는 발명재 1 내지 4는 모두 강도 및 연성이 우수하였으며, HCP의 분율도 모두 95% 이상으로 확보하였다.
반면, Li 함량이 너무 적은 비교재 1의 경우에는 강도는 크게 증가하는 반면 연신율이 7%로 연성이 매우 열위한 것을 확인할 수 있다. 또한, 너무 과다하게 Li이 첨가된 비교재 2 및 3의 경우에는 Li 첨가에 의한 연성은 확보할 수 있는 반면 오히려 강도가 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 1은 발명재 1의 열처리 후 미세조직을 관찰한 것으로서, 20~50㎛ 크기의 HCP 결정립들이 형성된 것을 확인할 수 있다.

Claims (7)

  1. 중량%로, 리튬(Li): 0.1~5.5%, 알루미늄(Al): 0.1~9.0%, 칼슘(Ca): 0.1~1.0%, 아연(Zn): 0.1~2.0%, 주석(Sn): 0.1~2.0%, 망간(Mn): 0.1~2.0%, 철(Fe): 0.005% 이하(0% 포함), 니켈(Ni): 0.005% 이하(0% 포함), 코발트(Co): 0.005% 이하(0% 포함), 구리(Cu): 0.05% 이하(0% 포함), 잔부 마그네슘(Mg) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    면적분율로 95% 이상의 HCP 결정립을 포함하는 마그네슘 합금 판재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 HCP 결정립은 10~70㎛의 크기를 갖는 것인 마그네슘 합금 판재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금 판재는 150Mpa 이상의 인장강도 및 20% 이상의 연신율을 갖는 것인 마그네슘 합금 판재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금 판재는 슬립(slip) 방향별 임계분해전단응력(Critical Resolved Shear Stress) 값의 차이가 30% 이하인 마그네슘 합금 판재.
  5. 중량%로, 리튬(Li): 0.1~5.5%, 알루미늄(Al): 0.1~9.0%, 칼슘(Ca): 0.1~1.0%, 아연(Zn): 0.1~2.0%, 주석(Sn): 0.1~2.0%, 망간(Mn): 0.1~2.0%, 철(Fe): 0.005% 이하(0% 포함), 니켈(Ni): 0.005% 이하(0% 포함), 코발트(Co): 0.005% 이하(0% 포함), 구리(Cu): 0.05% 이하(0% 포함), 잔부 마그네슘(Mg) 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금을 250~450℃에서 열처리하는 단계 및 상기 열처리된 마그네슘 합금을 열간압연하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 열처리는 2~10시간 실시하는 것인 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 열간압연은 250~450℃에서 패스당 10~30%의 압연율로 실시하는 것인 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
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