KR20150118603A - 마그네슘 재료 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서, Mg-N-A계 마그네슘 재료가 제공되는데, A는 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소이며, N은 상기 질화물에서 비롯되는 질소이며, 상기 마그네슘 재료는 Mg-A-N 구형 공정상을 포함하고 있고, 마그네슘 기지 중에 질소 원자가 분산되어, 질소 원자가 포함되어 있지 않은 상기 금속 또는 비금속 원소만이 포함된 마그네슘 재료 또는 순 마그네슘 재료와 비교하여, 기계적 특성 및 발화특성이 개선된 것을 특징으로 한다.

Description

마그네슘 재료{MAGNESIUM MATERIAL}

본 발명은 마그네슘 재료에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발화 특성 및 기계적 특성을 개선한 마그네슘 재료에 관한 것이다.

마그네슘은 철의 5분의 1, 알루미늄의 2/3에 불과하는 밀도 1.74g/cm³ 로 강도가 우수하고 재활용(recycling)이 매우 쉬운 대표적인 친환경 소재이다. 또한, 초경량 구조용 재료로서 알루미늄 합금 등 다른 경량재료와 비교하여 손색이 없는 비강도 및 탄성계수를 가지고 있다. 아울러 진동, 충격, 전자파 등에 대한 흡수 능력이 탁월하고 전기 및 열전도도가 우수하다.

그러나, 마그네슘 및 마그네슘 합금(마그네슘 재료)은 위에서 언급한 우수한 특성에도 불구하고 내식성이 떨어진다는 근본적인 문제점을 갖고 있다. 마그네슘은 EMF(Electromotive Force)와 갈바닉 반응에서 아주 반응성이 좋아 부식이 잘 일어나는 것으로 알려져 있어, 부식환경 조건이 엄격하지 않은 내장 부품이나, 강도, 내열성, 내식성이 요구되지 않는 부위에 국한되고 있다. 이에 따라 마그네슘 및 그 합금의 내식성을 근본적으로 향상시키는 기술이 여전히 필요하지만, 이러한 조건을 충족시키지 못하고 있는 것이 현재 기술의 실정이다.

한편, 내식성을 개선하기 위하여, 재료의 표면에 코팅을 형성하는 것이 알려져 있다. 예컨대, 공개특허 제10-2008-66580호는 알루미늄 합금의 표면처리 방법을 개시하고 있다. 알루미늄 산화피막의 제거, 니켈도금 피막 형성, 무전해 구리 도금 피막 형성 등 코팅층을 형성하여, 알루미늄 기지를 보호한다.

또한, 고온으로 용해한 마그네슘 재료, 즉 용탕은 쉽게 발화되는 특성이 있다. 통상, 마그네슘은 640℃에서 용융되면 바로 발화하고, 마그네슘 합금은 400℃ 전후에서 발화되는 경우가 많다. 이러한 발화 온도를 높이기 위해, SF6, SO2 등과 같은 보호 가스가 사용되고 있다. 그러나, 보호가스는 인체에 유해하고 장비를 부식시키는 등의 부작용이 있어, 그 사용이 엄격히 제한되고 있다. 이와 관련하여, 등록특허 제10-1045218호는 보호가스의 사용량을 줄이고 발화특성을 개선하기 위하여, CaC2, CaCO3 등의 첨가제를 마그네슘 용탕에 투입하는 기술을 개시하고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 상황을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 한 가지 목적은 별도의 첨가제를 첨가하지 않고, 나노분말 입자를 이용하여 발화특성 및 기계적 특성을 개선한 마그네슘 재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 산업적 응용 가능성이 우수한 캐스팅 법을 이용하여 질화물 입자를 마그네슘 재료 용탕에 투입하여, 발화특성 및 기계적 특성을 개선한 마그네슘 재료 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서, Mg-N-A계 마그네슘 재료가 제공되는데, A는 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소이며, N은 상기 질화물에서 비롯되는 질소이며, 상기 마그네슘 재료는 Mg-A-N 구형 공정상을 포함하고 있고, 마그네슘 기지 중에 질소 원자가 분산되어, 질소 원자가 포함되어 있지 않은 상기 금속 또는 비금속 원소만이 포함된 마그네슘 재료 또는 순 마그네슘 재료와 비교하여, 기계적 특성 및 발화특성이 개선된 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 마그네슘 재료는 Mg_{100 -x- y}N_x-A_y로 표현되며, x, y는 각각 20 wt% 이하일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 질화물은 SiNx, CuNx, ZnNx, YNx, ZrNx, CNx, MgNx, AlNx, TiNx, CuNx 중 선택되는 하나 이상의 질화물일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 마그네슘 재료는 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 규소(Si), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 이트륨(Y), 게르마늄(Ge), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 비스무스(Bi), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 인(P), 붕소(B), 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 질화물 입자의 크기는 100 nm 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 마그네슘 재료의 용탕을 준비하는 단계와; 질화물 입자를 상기 용탕 내에 투입하고 상기 질화물 입자를 분해시켜, 그 질화물 입자를 구성하는 질소 원자가 상기 마그네슘 재료 기지 내부로 분산되도록 함과 아울러, 상기 질소 원자 및 상기 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소가 상기 마그네슘과 구형의 공정상을 형성하도록 하여, 질소 원자가 분산되어 있고 상기 공정상을 포함하는 주조재를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법이 제공된다.

상기 방법에 있어서, 상기 방법에 따라 제조되는 마그네슘 재료는 질소 원자가 포함되어 있지 않은 상기 금속 또는 비금속 원소만이 포함된 마그네슘 재료 또는 순 마그네슘 재료와 비교하여, 기계적 특성 및 발화특성이 개선된다.

상기 방법에 있어서, 상기 질화물은 SiNx, CuNx, ZnNx, YNx, ZrNx, CNx, MgNx, AlNx, TiNx, CuNx 중 선택되는 하나 이상의 질화물일 수 있다.

상기 방법에 있어서, 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 규소(Si), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 이트륨(Y), 게르마늄(Ge), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 비스무스(Bi), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 인(P), 붕소(B), 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 용탕에 투입하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 방법에 있어서, 상기 질화물 입자의 크기는 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.

본 발명에 따른 마그네슘 재료는 기존의 마그네슘 재료와 비교하여, 질소 원자가 그 기지 중에 고용되어 분산되어 있고, 또 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소 및 상기 질소원자와 함께 공정상을 형성하여, 발화 특성 및 기계적 특성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 질소원자가 고용된 마그네슘 재료를 제조하는 과정을 개략적으로 보여주는 흐름도이다.
도 2는 상기 실시예에 따라 제조한 마그네슘 재료의 발화특성을 시험한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3은 마그네슘 재료의 용탕 사진으로서, 50℃ 간격으로 촬영한 것이다.
도 4는 Si만을 첨가한 마그네슘 재료(비교예)와 질화규소 나노입자를 투입하여 형성한 마그네슘 재료의 미세조직을 보여주는 현미경 사진이다.
도 5는 Si만을 첨가한 마그네슘 재료와 질화규소 나노입자를 투입하여 형성한 마그네슘 재료의 기계적 특성을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 6은 상기 실시예의 마그네슘 재료에 칼슘을 투입한 용탕 사진이다.

이하에서는, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에서 널리 알려진 기술 등에 대한 설명은 생략한다. 그러나 당업자라면 이하의 실시예를 통해 본 발명의 특징적 구성 내지 그 효과를 쉽게 이해할 수 있을 것이고, 또 특별한 어려움 없이 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.

도 1에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따라 마그네슘 재료를 제조하는 과정이 개략적으로 도시되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명자는 마그네슘(금속 재료)과 질화규소(Si₃N₄, 50nm)를 각각 기지 재료 및 질화물 나노 입자로 선정하여, 이하의 과정에 따라 재료를 제조하고 그 특성을 평가하였다.

먼저, 본 발명자는 일반적인 주조방법을 이용하여 기지 재료 용탕에 질화물 나노입자를 투입하였고, 그 결과 예기치 않은 결과를 얻을 수 있었다. 구체적으로, 순 마그네슘을 전기 용해로를 이용하여 용해한 후 질화물(질화규소) 나노입자 분말(Si₃N₄, 50nm)을 1%의 부피 분율로 용탕 속에 투입하였다. 이때 질화규소 나노입자 분말을 바로 용탕에 투입하는 것이 아니라, 질화규소 나노입자 분말의 부유를 방지하기 위해 상기 분말이 손상되지 않는 범위 내의 압력을 인가하여 벌크재를 일단 제조한 다음에, 그 벌크재 형태로 용탕에 투입하였다. 상기 입자가 마그네슘 용탕 속으로 투입될 수 있도록 용탕의 온도를 약 700℃로 높여주었으며 상기 입자가 분해될 수 있도록 60분 동안 유지한 후 주조하여 주조재를 제조하였다. 모든 제조공정에는 마그네슘 재료의 산화 및 발화를 방지하기 위해 보호가스(SF₆+CO₂)를 사용하였다.

도 2는 상기 제조한 마그네슘재료를 보호가스 없이 재용해하여(즉 상기 제조한 주조재를 응고시켜 고상으로 한 다음에, 다시 용융시켰다) 재료의 발화성을 검사한 결과를 나타낸다. 구체적으로 상기 제조한 마그네슘 재료는 약 678℃에서 용융되었으며 850℃ 까지 용탕이 열적 안정성을 나타내었고, 850℃ 이상의 온도에서 발화가 시작된 것을 도 2에서 알 수 있으며, 이는 기존의 마그네슘 재료와 비교하여 그 발화 온도가 상당히 높아진 것을 나타낸다.

도 3은 상기 제조한 마그네슘 재료의 용탕사진으로 680℃에서 850℃까지 50℃ 간격으로 용탕을 촬영한 것이다.

상기와 같이, 발화특성이 개선된 이유를 분석하기 위하여, 본 발명자는 그 미세구조를 분석하였다. 구체적으로, 상기 마그네슘 재료(질화규소 나노입자 분말을 투입하여 제조한 재료)와 마그네슘에 상기 재료와 같은 질량비의 실리콘(Si) 만을 첨가한 재료를 주사전자현미경을 통해 관찰하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.

도 4에 도시한 바와 같이, Si만을 첨가하여 주조한 마그네슘 재료와 상기 실시예에 따라 제조한 마그네슘 재료는 그 조직이 완전히 다르다는 것을 알 수 있다. 즉, 실리콘만 첨가한 마그네슘재료(도 4의 A)는 마그네슘과 실리콘의 라멜라 구조의 공정상(Mg₂Si)만이 관찰되나 질화규소를 첨가하여 제조한 마그네슘 재료(도 4의 B)는 이와 달리 공정상이 응집되어 구형의 공정상을 이루고 있다. 또한, 공정상은 Mg-Si-N으로 이루어져 있고(도 4의 삽입 도면 참조), 마그네슘 기지에는 질화규소로부터 비롯되는 질소가 분산되어 있다. 즉 질화물이 분해되어, 그 질화물을 구성하는 질소가 마그네슘 기지 중으로 확산하여 분산되는 것으로 보인다. 이러한 미세조직으로 인하여, 상기 실시예에 따른 마그네슘 재료의 발화특성이 개선되는 것으로 보인다. 즉, 질화물 나노입자가 용탕에 투입되면, 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소(상기 실시예의 경우, Si)와 질소가 마그네슘 재료와 구형의 공정상을 형성하고, 일부 질소가 마그네슘 기지 중에 분산되어, 예외적인 발화 특성 개선 효과를 일으키는 것으로 보인다. 한편, 질화물 나노입자의 크기가 100 nm보다 큰 경우, 확산을 위한 에너지 배리어가 충분히 낮아지지 못하여, 열 에너지가 인가되어도 확산을 잘 하지 못한다. 따라서, 본 발명에 따른 제조 방법에서는 에너지 배리어와 관련하여, 질화물 나노입자는 그 크기가 약 100 nm 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 마그네슘 재료는 Mg_{100 -x- y}N_x-A_y의 식으로 표현 가능한데, A는 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소이며, N은 상기 질화물에서 비롯되는 질소이며, x, y는 상기 마그네슘 재료 전체 중량 중 20 wt% 이하이다. 그러나, 본 발명의 마그네슘 재료에서 상기 함량 범위가 본 발명을 제한하는 것은 아니다. 즉, 통상적으로 마그네슘 재료 대비 첨가원소의 양이 20% 이상일 때에는 마그네슘 재료라고 부르기 곤란하기 때문이다.

본 발명자는 추가로, 상기 제조한 마그네슘 재료의 기계적 특성을 분석하기 위해 인장 시험을 수행하였고, 그 결과를 비교한 그래프를 도 5에 나타내었다.

도 5에서 나타낸 바와 같이, 실리콘만 들어간 마그네슘 재료의 항복강도보다 상기 실시예의 마그네슘 재료는 그 항복 강도가 약 30MPa이 증가되었는데, 이는 마그네슘 기지 중에 고용되어 분산된 질소원자 영향에서 비롯되는 것으로 판단된다.

또한, 본 발명자는 상기 제조한 마그네슘 재료와 첨가 원소간의 열적 안정성 유지를 확인하기 위하여 질량비 0.5%의 칼슘(Ca)을 첨가하여 Mg-N-Si-Ca의 조성을 갖는 마그네슘재료를 상기한 과정에 따라 제조하였고, 발화성 검사 및 인장 시험을 수행하였으며, 그 결과 상기 제조한 마그네슘재료와 동일한 경향을 나타낸다는 것을 확인하였다. 도 6은 칼슘을 첨가한 마그네슘재료의 발화성을 검사한 용탕 사진으로서, 보호가스 없이 용융되어 있는 마그네슘 용탕 사진이다. 도시한 바와 같이, 소정의 목적을 위해 특정 원소(Ca)을 추가하여도, 발화가 일어나지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 예컨대, 상기 실시예에서 세라믹 입자, 즉 질화규소(Si₃N₄)를 예로 들어 설명하였지만, 금속/비금속 기지를 기반으로 형성될 수 있는 질화물 즉, CuNx, ZnNx, YNx, ZrNx, CNx, MgNx, AlNx, TiNx, CuNx 등 금속 및 비금속원소와 질소원자로 이루어진 질화물자로부터 선택되는 하나 또는 그 이상의 질화물 나노입자 역시 본 발명에 적용할 수 있으며, 이들 입자 역시 상기 본 발명에 따라 질화물 입자가 분해되어 기계적 특성 및 용탕의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.

한편, 소정의 목적을 위해 추가하는 원소로서 Ca을 예시하였지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 마그네슘 합금에 소정의 특성을 부여하기 위하여, 칼슘 외에도, 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 규소(Si), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 이트륨(Y), 게르마늄(Ge), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 비스무스(Bi), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 인(P), 붕소(B), 스트론튬(Sr) 중에서 하나 이상의 원소를 선택하여 추가할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims (10)

1. Mg-N-A계 마그네슘 재료로서, A는 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소이며, N은 상기 질화물에서 비롯되는 질소이며, 상기 마그네슘 재료는 Mg-A-N 구형 공정상을 포함하고 있고, 마그네슘 기지 중에 질소 원자가 분산되어, 질소 원자가 포함되어 있지 않은 상기 금속 또는 비금속 원소만이 포함된 마그네슘 재료 또는 순 마그네슘 재료와 비교하여, 기계적 특성 및 발화특성이 개선된 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 마그네슘 재료는 Mg_{100 -x- y}N_x-A_y로 표현되며, x, y는 각각 20 wt% 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 질화물은 SiNx, CuNx, ZnNx, YNx, ZrNx, CNx, MgNx, AlNx, TiNx, CuNx 중 선택되는 하나 이상의 질화물인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 마그네슘 재료는 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 규소(Si), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 이트륨(Y), 게르마늄(Ge), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 비스무스(Bi), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 인(P), 붕소(B), 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 입자의 크기는 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료.
6. 마그네슘 재료의 용탕을 준비하는 단계와;
   질화물 입자를 상기 용탕 내에 투입하고 상기 질화물 입자를 분해시켜, 그 질화물 입자를 구성하는 질소 원자가 상기 마그네슘 재료 기지 내부로 분산되도록 함과 아울러, 상기 질소 원자 및 상기 질화물을 구성하는 금속 또는 비금속 원소가 상기 마그네슘과 구형의 공정상을 형성하도록 하여, 질소 원자가 분산되어 있고 상기 공정상을 포함하는 주조재를 제조하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.
7. 청구항 6에 있어서, 상기 방법에 따라 제조되는 마그네슘 재료는 질소 원자가 포함되어 있지 않은 상기 금속 또는 비금속 원소만이 포함된 마그네슘 재료 또는 순 마그네슘 재료와 비교하여, 기계적 특성 및 발화특성이 개선된 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.
8. 청구항 6에 있어서, 상기 질화물은 SiNx, CuNx, ZnNx, YNx, ZrNx, CNx, MgNx, AlNx, TiNx, CuNx 중 선택되는 하나 이상의 질화물인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.
9. 청구항 8에 있어서, 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 알루미늄(Al), 규소(Si), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 갈륨(Ga), 이트륨(Y), 게르마늄(Ge), 팔라듐(Pd), 은(Ag), 카드뮴(Cd), 인듐(In), 주석(Sn), 안티몬(Sb), 납(Pb), 비스무스(Bi), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 코발트(Co), 인(P), 붕소(B), 스트론튬(Sr) 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 용탕에 투입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.
10. 청구항 6 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질화물 입자의 크기는 100 nm 이하인 것을 특징으로 하는 마그네슘 재료 제조 방법.
    
    

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