KR20150090379A - 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 마그네슘이 용해된 마그네슘 용탕에 일정 중량%의 합금원소를 용융시키는 단계; 상기 합금원소가 용융된 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계; 교반된 상기 마그네슘 용탕을 일정온도에서 안정화시키는 단계; 안정화된 상기 마그네슘 용탕을 냉각시켜 일정형상의 마그네슘 합금을 제조하는 단계; 및 제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계를 포함하되, 상기 합금원소는 알루미늄, 주석, 미시메탈 및 망간으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금 및 그의 제조방법{Method of manufacturing high strength Mg alloy with good formability}

본 발명은 강도와 성형성을 동시에 만족시키는 기계적 특성이 우수한 마그네슘 합금 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 통상적인 AZ계 마그네슘 합금에서 탈피, 아연(Zn)을 첨가하지 않는 마그네슘-알루미늄(Mg-Al)계 합금에 새로운 합금원소를 첨가하여, 제조원가 측면에서 불리하지 않고, 성형성을 크게 향상시키면서 고강도를 동시에 구현시키는 고기능성의 마그네슘 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

통상적으로 마그네슘 합금은 알루미늄 합금에 비해 약 2/3의 밀도를 지니는 초경량 구조용 재료로 주조성, 기계가공성이 우수하며, 진동 및 충격, 전자파에 대한 흡수능이 탁월한 장점을 갖고 있어 마그네슘 합금 개발 및 제조 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

또한 전기전도도, 열전도도 등에서도 우수한 성질을 갖기 때문에 자동차, 항공기 등의 연비 향상이 필요한 장치산업과 방위산업, 그리고 노트북, 휴대폰 등의 휴대용 전자기 부품의 케이스 류에 활용이 가능하다.

그러나 이러한 우수한 특성을 갖는 매력적인 재료임에도 불구하고 성형의 어려움과 상대적으로 낮은 강도로 인해 그 사용이 제한되고 있는 문제가 있었다.

지금까지 마그네슘을 이용한 판재용 합금은 알루미늄(Al)-아연(Zn)계 합금에 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr) 등의 여러 가지 원소들을 첨가하여 제조한 AZ31 합금이 주를 이루고 있고, 현재도 AZ31합금의 성능 향상을 위한 연구가 많이 진행되고 있다.

그러나 상기 AZ31합금의 근본적인 성형능 향상을 위한 연구는 고유의 AZ31 합금이 갖는 성형능 보다 크게 주목받게 향상되지 못하고 있는 실정이었으며, 또한 기존의 AZ31 상용 합금은 상온에서 최대인장강도 및 연신율이 각각 245MPa과 10% 정도여서 성형성 및 강도를 동시에 더욱더 향상시킨 새로운 마그네슘 합금의 개발이 절실히 요구되고 있었다.

한편, 상온에서 비교적 성형성이 우수한 마그네슘 합금을 제조하기 위해서는 AZ31합금에 Ag(은)이나 세륨(Ce) 등 고가의 희토류원소(RE)를 첨가해야 그 특성의 뚜렷한 향상을 나타낼 수 있다.

따라서 지금까지 이를 극복하기 위하여 Ag, RE 등의 첨가는 성형능 향상에 영향을 미치나, 마그네슘 합금의 제조원가 상승과 맞물려 마그네슘 합금의 시장수요가 발생할 수 없게 하는 직접적인 요인으로 작용하였다.

또한, 강도를 향상시키기 위해 일반적으로 Al의 함량을 6~9%의 무게비 만큼 많이 첨가된 AZ61, AZ80 등의 합금을 제조하여 사용하고 있으나, 이들은 각각 250~320MPa의 최대인장 강도와 6~7%의 연신특성을 갖는 것으로 보고되고 있기에 고강도 합금으로는 적합하나, 성형성이 우수한 마그네슘 합금을 요구하는 시장 상황에 비춰 볼 때 많이 불리하였다.

아울러 Mg-Zn계 합금은 마그네슘 합금 중 시효강화 효과가 가장 우수하고, 적절한 시효처리 공정 후에 고강도와 고연성을 갖는 합금을 얻을 수 있지만, Zn 첨가 함량에 따라 주조시 미소기공의 생성될 수 있는 단점이 있고, 미세립 결정립도를 갖는 합금을 설계하기 어렵다.

따라서 이를 극복하기 위해 Zr, RE, Th, Cu, Ca 등의 새로운 합금 원소를 첨가하는 연구들이 진행되어 왔지만 근본적으로 성형성을 향상된 Mg-Zn계 합금 개발보다는 고강도의 특성을 갖는 합금으로 그 개발에 한계가 있었다.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위해 창안된 것으로, 상용화되어 있는 AZ계열의 마그네슘 합금에서 주 합금원소 중의 하나인 아연(Zn)을 배제시키고, 추가의 합금원소들을 적절히 혼합하여 고성형성 또는 고강도의 물성을 갖는 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 제공을 일 목적으로 한다.

또한, 첨가되는 합금원소로 저가의 미시메탈(MM), 망간(Mn) 그리고 주석(Sn)을 사용하여 종래의 마그네슘 합금제조와 제조원가 대비시 경제적인 마그네슘 합금 및 그의 제조방법 제공을 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일실시 예에 따른 마그네슘의 제조방법은 상술한 목적들을 달성하기 위하여, 마그네슘이 용해된 마그네슘 용탕에 일정 중량%의 합금원소를 용융시키는 단계, 상기 합금원소가 용융된 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계, 교반된 상기 마그네슘 용탕을 일정온도에서 안정화시키는 단계 및 안정화된 상기 마그네슘 용탕을 냉각시켜 일정형상의 마그네슘 합금을 제조하는 단계, 제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계를 포함하되, 상기 합금원소는 알루미늄, 주석, 미시메탈 및 망간으로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 합금원소는 알루미늄 6~9중량%, 주석 0.01~3중량%, 미시메탈 0.01~1중량% 및 망간 0.01~1중량%로 첨가되며 나머지 중량%는 마그네슘으로 이루어질 수 있다.

바람직하게는 상기 마그네슘 용탕의 표면에는 상기 합금원소가 용융되기 전에 CO₂ + 0.3~0.5%SF₆의 혼합가스가 분당 1ℓ의 유량으로 도포될 수 있다.

바람직하게는 상기 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계는 5 ~ 10분 동안 아르곤 가스를 투입하면서 교반될 수 있으며, 제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계는 350℃에서 2시간 동안 균질화 처리 후 급냉한 다음 200℃에서 6 ~ 12시간 동안 열처리 되고 밀링선반으로 표면 처리될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 마그네슘 합금은 먼저, 상용화되어 있는 AZ계열의 마그네슘 합금에서 주 합금원소 중의 하나인 아연(Zn)을 배제시키고, 추가의 합금원소들을 적절히 혼합함으로써 성형성 및 강도를 포함하는 기계적 물성이 우수하다.

아울러, 첨가되는 합금원소로 저가의 미시메탈(MM), 망간(Mn) 그리고 주석(Sn)을 사용함으로써 종래의 마그네슘 합금제조와 제조원가 대비시 경제적인 우수한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 마그네슘 합금의 제조방법의 전체 공정도다.
도 2는 도 1에 의해 제조되는 마그네슘 합금을 시험편으로 하여 최대인장강도 및 연신율의 측정값을 나타내는 그래프다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

이와 관련하여 먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법의 전체 공정도이며, 도 2는 도 1에 의해 제조되는 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금을 시험편으로 하여 최대인장강도 및 연신율의 측정값을 나타내는 그래프다.

상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 마그네슘이 용해된 마그네슘 용탕에 일정 중량%의 합금원소를 용융시키는 단계(S100)를 포함한다.

이때, 상기 마그네슘 용탕은 순도 99.9wt% 이상의 순 마그네슘 괴를 적당한 크기로 절단한 후 도가니에 장입(裝入)하고 마그네슘이 장입된 도가니를 700℃까지 가열하여 상기 마그네슘을 용해시킴으로써 얻어진다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 마그네슘 합금의 최대인장강도 및 연신율과 같은 기계적 특성을 향상시키고자 상술한 마그네슘 용탕에 일정 중량%의 합금원소가 첨가되어 용융된다.

이때, 상기 합금원소는 상기 마그네슘 합금의 기계적 특성을 향상시키기 위한 다양한 원소를 첨가할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 합금원소는 알루미늄, 주석, 미시메탈 및 망간으로 이루어지고, 바람직하게는 알루미늄 6~9중량%, 주석 0.01~3중량%, 미시메탈 0.01~1중량% 및 망간 0.01~1중량%로 첨가되며 나머지 중량%는 마그네슘으로 이루어진다.

이처럼 첨가되는 합금원소의 중량%를 상술한 바와 같이 한정하는 이유는 다음과 같다.

먼저, 마그네슘 합금에서 알루미늄(Al)의 첨가는 아연(Zn)의 대체효과가 있으며 강도와 경도를 증가시키고, 주조시 유동성을 향상시켜 응고범위를 확대시키는 역할을 하여 마그네슘의 주조성을 개선시키는 역할을 한다.

이때, 일반적인 판재용으로 성형성이 유리한 마그네슘 합금을 설계하기 위해서는 6중량% 미만의 알루미늄을 첨가하여 제조하는데, 상술한 범위 내에서는 마그네슘 합금에 요구되는 강도를 담보할 수 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 높은 강도를 요하는 마그네슘 합금을 제조하기 위해 6~9중량% 범위의 알루미늄을 첨가하며, 상기 6~9중량% 범위의 알루미늄을 첨가하면 열처리에 의한 석출경화 효과에 의해 향상된 강도를 갖는 마그네슘 합금의 제조가 가능하다.

한편, 주석(Sn)은 주로 알루미늄이 포함된 마그네슘 합금에 첨가되는 것으로 알려져 있으며, 마그네슘 합금 제작에 따른 주석의 고용범위는 14중량% 내외로 알려져 있다.

주석이 첨가된 마그네슘 합금은 열간가공 시 균열발생을 억제시키고 연신율 증가에 효과가 있는 것으로 알려져 있으나, 주석 첨가의 량이 증가하면 압연 공정에서 압연 롤 관리에 곤란함이 발생하며 주석이 포함된 마그네슘 합금의 온간 압연시 압연 롤에 마그네슘 피막층이 형성되어 연속작업이 어렵다는 문제점이 있다.

이에 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위해 주석의 첨가범위를0.01 ~ 3중량% 범위로 한정하였으며, 이를 통해 알루미늄이 첨가된 고강도 마그네슘 합금의 압출성, 압연성 및 성형성을 크게 향상시킨다.

한편, 마그네슘 합금에서 희토류 원소(Rare Earth : RE)의 첨가는 주로 고온 강도 및 내크리프(creep) 특성을 향상시키는 목적으로 사용되어 왔으며, 이트륨(Y), 토륨(Th), 세륨(Ce) 등이 마그네슘 합금 설계 시 많이 이용되는 대표적인 희토류 원소이다.

상기 희토류 원소를 첨가함으로써 우수한 물성을 갖는 마그네슘 합금을 설계할 수 있으나, 희토류 원소를 첨가에 따른 제조원가의 상승은 마그네슘 합금의 시장 진입에 최대의 걸림돌로 작용하기에 정제된 고가의 희토류 원소를 적용한 상용 마그네슘 합금 개발은 적합하지 않다.

따라서 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법에서는 고가의 희토류 원소를 배제하고, 그와 비슷한 특성을 확보할 수 있는 미시메탈(misch metal)을 첨가하여 우수한 특성의 마그네슘 합금을 제조함을 특징으로 한다.

이때, 첨가되는 상기 미시메탈은 세륨(Ce)계 미시메탈로 30 ~ 60중량%의 세륨을 함유하고 있다.

한편, 통상적으로 사용되는 세륨계 미시메탈은 수많은 산화물을 포함하고 있어 마그네슘 용해 시 그 사용이 제한적이어야 하므로 본 발명에 있어서 상기 세륨계 미시메탈의 첨가 범위는 0.01 ~ 1중량%로 한정된다.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 첨가되는 합금원소로 망간을 더 포함한다.

이때, 상기 망간은 알루미늄과 함께 아연(Zn) 대체효과가 있으며, 고용강화 효과가 크고 알루미늄과 내식성을 해치지 않은 화합물을 형성하는 특성이 있다.

한편, 마그네슘 합금에서 최대 고용범위 2.2중량% 정도인 망간(Mn)은 마그네슘 합금에서 내식성을 향상시키는 특징이 있는데, 그 이유는 망간이 철 또는 그 외의 중금속 원소와 결합하여 내식성에 비교적 무해한 금속 화합물을 형성하기 때문이다.

따라서 망간의 첨가로 인해 용해 시 미시메탈이나 마그네슘 잉곳(Ingot) 등으로부터 유입될 수 있는 철(Fe)에 의한 내식성 저하를 막기 위해 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 0.01 ~ 1중량%의 망간이 첨가됨을 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 상기 마그네슘 용탕의 온도가 680 ~ 730℃일 때 상기 합금원소가 첨가되나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 적절한 온도범위에서 첨가될 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 상기 합금원소가 상기 마그네슘 용탕에 용융되기 전에 CO₂ + 0.3~0.5%SF₆의 혼합가스를 분당 1ℓ의 유량으로 상기 마그네슘 용탕 표면에 도포하며, 상술한 바와 같이 CO₂ + 0.3~0.5%SF₆의 혼합가스를 분당 1ℓ의 유량으로 도포하는 무용제 용해법을 수행함으로써 상기 마그네슘 용탕의 표면을 보호한다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 상기 합금원소가 용융된 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계(S200)를 포함한다.

이때, 상기 합금원소가 용융된 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계(S200)는 다양한 교반기 또는 교반방식을 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 아르곤(Ar) 가스를 투입할 수 있는 교반기를 이용하여 5 ~ 10분 동안 교반됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 교반된 상기 마그네슘 용탕을 일정온도에서 안정화시키는 단계(S300)를 포함하는데, 이때 안정화시키는 단계(S300)는 700 ~ 750℃의 로 내에서 20분 동안 교반된 상기 마그네슘 용탕을 안정화시킨다.

그리고 안정화된 상기 마그네슘 용탕은 냉각되어 일정형상의 마그네슘 합금으로 제조(S400)되는데, 이때 마그네슘의 합금의 형상은 빌렛(billet) 또는 슬라브(slab)를 포함하는 다양한 형상으로 제조될 수 있으므로 이에 대한 특별한 한정은 두지 아니한다.

마지막으로 본 발명의 일실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계(S500)를 포함한다.

이때, 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계(S500)는 다양한 방식 또는 방법들을 통해 수행될 수 있음은 물론이나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 상기 마그네슘 합금을 350℃에서 2시간 동안 균질화 처리 후 급냉한 다음 200℃에서 6 ~ 12시간 동안 열처리 되고 밀링선반을 이용하여 표면 가공처리된다.

이하에서는 상술한 본 발명의 일실시 예 또는 바람직한 실시 예를 통해 제조된 마그네슘 합금의 최대인장강도 및 연신율의 측정결과에 대해 상세히 설명한다.

이와 관련하여 먼저, 상기 최대인장강도 및 연신율 측정을 위해 상술한 본 발명의 일실시 예 또는 바람직한 실시 예를 통해 제조된 직경 150㎜의 빌렛을 390℃로 가열된 전기로에서 2시간 동안 열처리 한 후 급냉처리 하였고, 그 후 200℃에서 수시간 균질화 처리하여 목적하는 마그네슘 합금 빌렛을 준비하였다.

한편, 준비된 빌렛을 이용하여 판상형태로 압출하기 위해 1000톤의 압출기를 이용하였으며, 이때 준비된 빌렛과 압출기의 콘테이너는 모두 370℃로 예열 한 후 압출을 하였다.

아울러, 두께 1.5㎜, 넓이 220㎜의 판상형태로 압출하기 위해 기 준비된 금형을 사용했으며, 이때 압출비는 60:1, 램 속도 2㎜/sec의 속도로 압출하였으며, 압출된 두께 1.5㎜의 마그네슘 압출 판재의 물성을 측정하기 위하여 만능시험기를 이용하여 상온에서 KSB0802 시험 규격으로 일축 인장 시험을 하였으며, 그 결과는 도 2에 도시된 바와 같다.

상기 도 2를 참조하면, 통상적으로 제조되는 마그네슘 합금은 압출공정을 통해 제조되는 판재와 스트립 캐스팅을 통한 연속주조 후의 압연공정으로 제조되는 판재, 또는 슬라브 압연법으로 제조되는 판재가 있는데, 이들 대부분의 마그네슘 합금은 통상적인 AZ31 마그네슘 합금으로, 압출공정과 압연 후 별도의 열처리 공정을 취하지 않았을 때 상온에서 약 10%의 내외의 연신율을 갖는 것으로 보고되고 있다.

그러나, 본 발명의 일실시 또는 바람직한 실시 예를 통해 제조되는 마그네슘 합금의 경우, 전술한 바와 같이 압출 한 후 일축 인장시험을 통해 판재의 물성을 측정할 결과 상온에서 23.5%의 연신율을 갖는 것으로 나타났으며 이때의 강도 또한 통상의 마그네슘 판재가 갖는 강도보다 더 우수한 289MPa로 측정되었다.

결과적으로 본 발명의 실시 예에 따른 고성형성을 갖는 고강도 마그네슘 합금의 제조방법은 상용화되어 있는 AZ계열의 마그네슘 합금에서 주 합금원소 중의 하나인 아연(Zn)을 배제시키고, 추가의 합금원소들을 적절히 혼합함으로써 성형성 및 강도를 포함하는 기계적 물성이 우수하고 아울러, 첨가되는 합금원소로 저가의 미시메탈(MM), 망간(Mn) 그리고 주석(Sn)을 사용함으로써 종래의 마그네슘 합금제조와 제조원가 대비시 경제적인 마그네슘 합금을 제조할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

Claims (6)

1. 마그네슘이 용해된 마그네슘 용탕에 일정 중량%의 합금원소를 용융시키는 단계;
   상기 합금원소가 용융된 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계;
   교반된 상기 마그네슘 용탕을 일정온도에서 안정화시키는 단계;
   안정화된 상기 마그네슘 용탕을 냉각시켜 일정형상의 마그네슘 합금을 제조하는 단계; 및
   제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계를 포함하되,
   상기 합금원소는 알루미늄, 주석, 미시메탈 및 망간으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 합금원소는 알루미늄 6~9중량%, 주석 0.01~3중량%, 미시메탈 0.01~1중량% 및 망간 0.01~1중량%로 첨가되며 나머지 중량%는 마그네슘으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네슘 용탕의 표면에는 상기 합금원소가 용융되기 전에
   CO₂ + 0.3~0.5%SF₆의 혼합가스가 분당 1ℓ의 유량으로 도포되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 마그네슘 용탕을 일정시간 동안 교반하는 단계는 5 ~ 10분 동안 아르곤 가스를 투입하면서 교반되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   제조된 상기 마그네슘 합금의 균질화 및 표면 처리하는 단계는 350℃에서 2시간 동안 균질화 처리 후 급냉한 다음 200℃에서 6 ~ 12시간 동안 열처리 되고 밀링선반으로 표면 처리되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조방법.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 마그네슘 합금의 제조방법으로 제조되는 마그네슘 합금.

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