KR20220030244A - 마그네슘 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

마그네슘 합금 및 이의 제조 방법 Download PDF

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클레멘스 심슨
사이먼 프랭크
알렉산더 그로스알베르
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엘케이알 라이히트메탈콤페텐젠트럼 란쇼펜 게엠베하
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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금에 관한 것이다. 고강도 및 또한 높은 변형성을 모두 나타내는 마그네슘 합금을 얻기 위해, (at%로) 15.0% 내지 70.0%의 리튬, 0.0%를 초과하는 알루미늄, 및 나머지로 마그네슘 및 생산-관련 불순물을 포함하며, 여기서, 알루미늄 대 마그네슘의 비가 (at%로) 1:6 내지 4:6인, 마그네슘 합금은 본 발명에 따라 제공된다. 본 발명은 또한 마그네슘 합금의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

마그네슘 합금 및 이의 제조 방법
본 발명은 마그네슘 합금에 관한 것이다.
본 발명은 또한 마그네슘 합금의 제조 방법에 관한 것이다.
특히, 마그네슘 합금의 저밀도 및 우수한 기계적 특성으로 인해, 마그네슘 합금은, 특히 자동차 산업 및 항공기 산업 분야에서 자주 사용되는 구조용 합금 또는 구조용 물질(structural materials)을 구성한다. 마그네슘 합금의 연성(ductility)은 리튬(Li)을 첨가시켜 개선될 수 있는 것으로 알려져 있으며, 여기서, 육각형 결정 시스템으로부터 체-심 입방 결정 시스템(body-centered cubic crystal system)으로의 전환은 통상적으로 리튬 양이 증가함에 따라 마그네슘 합금에서 발생한다. 이는 슬립면(slip planes)의 수가 증가하는 것과 관련이 있으며, 이에 의해 리튬 양이 증가함에 따라 현저히 개선된 연성의 발생은 설명될 수 있다. 그러나, 이러한 접근법은 마그네슘 합금의 강도 및 내부식성에서 감소를 동반할 수 있는바, 이러한 단점들을 줄이고, 보통 적어도 적당한 강도 및 내부식성을 달성하기 위해, 예를 들어, 알루미늄 또는 아연과 같은, 다른 함금 원소가 종종 첨가된다.
이것은 본 발명에 의해 해결된다. 본 발명의 목적은 고강도, 특히, 높은 압축 강도, 및 우수한 변형성(deformability)을 갖는 마그네슘 합금을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 이러한 타입의 마그네슘 합금을 제조하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은, (at%로),
15.0% 내지 70.0%의 리튬,
0.0%를 초과하는 알루미늄,
나머지로 마그네슘 및 생산-관련 불순물(production-related impurities)을 포함하고,
여기서, 알루미늄 대 마그네슘의 비는 (at%로) 1:6 내지 4:6인, 마그네슘 합금으로 달성된다.
부가적인 특색, 장점, 및 효과는 이하 기재되는 대표적인 구현예에 따른다. 이에 의해 참조되는 도면에서:
도 1은, 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 조성 범위가 표시된, Mg-Li-Al에 대한 개략적인 상 평형도(phase diagram)를 나타낸다;
도 2는, 본 발명에 따른 마그네슘 합금 유래의 다중 마그네슘 합금 시편의 항복 응력 다이어그램(yield stress diagram)을 나타낸다;
도 3 및 도 4는, 다른 배율에서 본 발명에 따른 마그네슘 합금 유래의 마그네슘 합금 시편의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다;
도 5는, 열처리가 완료된 후 본 발명에 따른 마그네슘 합금 유래의 마그네슘 합금 시편의 항복 응력 다이어그램을 나타낸다;
도 6은, 열처리가 완료된 후 본 발명에 따른 또 다른 마그네슘 합금 유래의 마그네슘 합금 시편의 항복 응력 다이어그램을 나타낸다;
도 7은, 본 발명에 따른 마그네슘 합금 유래의 마그네슘 합금 시편의 경도 다이어그램을 나타낸다.
본 발명의 기반은, 특정의, 전술한 알루미늄-대-마그네슘 비 범위에서 상응하는 양의 리튬(Li) 뿐만 아니라 필수량의 알루미늄(Al)을 갖는 마그네슘 합금의 전술한 합금 조성으로, 마그네슘 합금에서 미-규모 미세조직(micro-scale microstructure) 또는 미세, 특히, 미세 라멜라(fine lamellar), 미세조직 형성을 발견한 것이다. 이러한 특징의 이론적 토대는 전술된 알루미늄 대 마그네슘의 비에서 발생하는 마그네슘 합금의 공정 변태(eutectic transformation)인 것으로 고려된다. 미세-규모 미세조직은, 고강도, 특히, 높은 압축 강도가 동반되며, 여기서, 마그네슘 합금의 우수한 변형성은 동시에 마그네슘 합금 내에 상응하는 전술된 양의 리튬에서 보장된다. 이 경우에, 상 평형도에서 배향 조성 또는 배향선(orientation line)은 특히 대략 3:6의 (at%로 약칭되는, 원자 퍼센트로) 알루미늄 대 마그네슘의 비율인데, 이는 특별한 균질한 미세-규모 또는 균질한 미세 라멜라 미세조직 또는 형태(morphology)가 이러한 비에서 발견되기 때문이다. 이러한 비를 포괄하는 범위에서, 무엇보다도 1:6 내지 4:6의 (at%로) 알루미늄-대-마그네슘 비에서, 미세, 특히, 미세 라멜라, 미세조직 또는 형태는 또한 다양하게 현저한 정도로 발견되며, 이는 그런 이유로 마그네슘 합금의 변형성 또는 연성뿐만 아니라, 다양한 현저한 강도의 크기, 특히 압축 강도의 크기와 보통 관련된다. 명시된 조성 범위에서 이러한 특별한 형태학적 특징으로 인해, 고강도, 특히, 압축 강도, 및 또한 우수한 변형성을 모두 갖는 마그네슘 합금의 형성은 따라서 가능하게 된다.
유리하게는, 마그네슘 합금은 (at%로) 30.0% 내지 60.0%, 특히, 40% 내지 50%의 리튬을 포함하는 것으로 제공된다. 그 결과, 현저한 강도 및 특히 현저한 변형성은 달성될 수 있다. 이것은 특히 미세하게 조직화된 형태 및 명시된 리튬 범위에서 체-심 입방 결정 시스템으로의 변태의 조합에 기인하는 것이다. 마그네슘 합금이 (at%로) 45% 내지 50%, 특히, 45% 내지 48%의 리튬을 포함하는 경우, 고강도 및 또한 높은 변형성은 특히 강하게 나타난다.
통상적으로, 마그네슘 합금은 (at%로) 0.05% 초과, 특히, 0.1% 초과, 보통 1% 초과의 알루미늄을 포함한다.
마그네슘 합금이 마그네슘-계 합금으로 구현되는 경우, 높은 유용성을 갖는 구조용 합금은 달성될 수 있다. 통상적으로 실제 사용되는 표기법에 따르면, 마그네슘-계 합금은 이에 의해 단위로서 중량 퍼센트(wt%)로 이의 합금량을 취하여, 주원소로 또는 최대 합금량으로 마그네슘을 함유하는, 마그네슘 합금을 의미한다. 특히, 명시된 리튬의 양, 특히, 위에서 언급된 양과 조합하여, 매우 높은 강도 특성 및 현저한 변형성을 갖는 실현 가능한 구조용 합금은 달성될 수 있다.
알루미늄 대 마그네슘의 비가 (at%로) 1.2:6 내지 4:6, 특히, 1.4:6 내지 4:6, 바람직하게는 1.5:6 내지 4:6인 경우, 특히, 고도의 분말도(fineness)를 갖는 라멜라, 미세조직은 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 알루미늄 대 마그네슘의 비가 (at%로) 1.8:6 내지 3.5:6, 특히, 2:6 내지 3.5:6, 바람직하게는, 2.5:6 내지 3.5:6인 경우, 현저한 분말도 또는 미세, 특히, 라멜라 미세조직에 더 이롭다. 따라서, 특별히 높은 강도, 특히, 압축 강도는, 달성될 수 있다. 이것은, 매우 균질한 미세 형태 또는 미세조직이 얻어질 수 있는, 2.8:6 내지 3.3:6, 바람직하게는, 대략 3:6의 (at%로) 알루미늄-대-마그네슘 비에서 특히 사실이다. 이러한 목적을 위해, 마그네슘 합금이 (at%로) 30.0% 내지 60.0%의 리튬 및 알루미늄 대 마그네슘의 비가 (at%로) 2.5:6 내지 3.5:6, 특히, 2.8:6 내지 3.3:6, 바람직하게는, 대략 3:6인 경우, 특히 유리하다. 마그네슘 합금이 이에 의해 (at%로) 40.0% 내지 60.0%의 리튬을 포함하는 경우, 특히 현저한 균질성은 또한 달성될 수 있다.
명시된 알루미늄 대 마그네슘의 비는, 특히 캐스팅 공정(casting processes)이 사용되는, 합금의 생산에서 통상적인 것과 같은 상응하는 불확실성이 수반되며, 따라서, 완전히 정확한 값으로 해석될 수 없고, 오히려, 이들은, 상응하는 마그네슘 합금을 생산하기 위해, 특히 캐스팅 공정이 사용되는, 합금 생산의 분야에서 신중한 기술자가 편의상 적용되는 것과 같이, 실제로 유용한 전통적인 반올림 방식이 적용되는 것으로 이해되어야 한다.
마그네슘 합금이 0.0 초과 내지 3.0 wt%, 특히, 0.0 초과 내지 2.0 wt%, 바람직하게는 0.0 초과 내지 1.5 wt%의 칼슘(Ca)을 포함하는 경우, 효과적인 것으로 입증되었다. 이러한 방식에서, 마그네슘 합금의 개선된 내부식성은 달성될 수 있다. 통상적으로, 칼슘에 대한, 함량 범위의 하한, 특히, 전술된 범위는 0.05 wt%를 초과한다. 특히, 마그네슘 합금의 감소된 산화 경향은 따라서 실현될 수 있으며, 이는 통상적으로 마그네슘 합금의 표면 상에 안정적인 산화층이 형성된다는 점에서 유리하다. 부가적으로, 전술된 칼슘의 양으로, 마그네슘 합금에서 결정립-미세화 효과(grain-refining effect)는 활용되거나 달성될 수 있어, 미세-규모 미세조직의 높은 안정성이 달성될 수 있고, 마그네슘 합금의 강도는 더욱 증가될 수 있다. 마그네슘 합금이 0.5 wt% 내지 1.0 wt%의 칼슘을 포함하는 경우, 높은 내산화성 및 또한 증가된 강도 또는 강도 특성의 안정화는 달성될 수 있다. 칼슘이 마그네슘 합금에 존재할 때, 위에서 언급된 효과는 특히 CaO의 형성에 기반을 둔 것이다. 따라서, 이것은, 칼슘이 합금량으로서 마그네슘 합금에 첨가되거나 또는 CaO의 형태로, 적어도 부분적으로, 특히 주로, 바람직하게는 전적으로 마그네슘 합금에 함유되는 것으로 구체적으로 제공될 수 있다. 따라서, 마그네슘 합금에서 칼슘 또는 CaO의 균일한 분포는 촉진될 수 있다. 따라서, 마그네슘 합금이 칼슘에 대해 위에서 언급된 양으로 CaO를 포함하는 경우에 특히 유리하다.
산화 경향의 감소를 위해, 마그네슘 합금이 0.0 초과 내지 3.0 wt%, 바람직하게는 1.0 wt% 내지 2.0 wt%의 희토류 금속, 특히 이트륨(Y)을 포함하는 경우에 이롭다. 통상적으로, 희토류 금속, 특히 이트륨에 대한, 함량 범위, 특히, 전술된 범위의 하한은 0.05 wt%를 초과한다. 여기서, 마그네슘 합금에서 발생하는 Y2O3의 형성은 특히 관련이 있다. 따라서, 이트륨이 마그네슘 합금에 합금량으로 첨가되거나 또는 마그네슘 합금에, Y2O3의 형태로, 적어도 부분적으로, 특히 주로, 바람직하게는 전적으로 함유되는 것으로 구체적으로 제공될 수 있다. 따라서, 마그네슘 합금이 이트륨에 대해 위에서 언급된 양으로 Y2O3를 포함하는 경우 유리하다.
특히 CaO의 형태로의 칼슘, 및 또한 희토류 금속, 특히 바람직하게는 Y2O3의 형태로의 이트륨 모두가 전술한 함량 범위에 따라 마그네슘 합금에 각각 함유되는 경우, 산화 경향은 감소될 수 있고, 여기서, 특히 0.0 초과, 특히 0.05 wt% 초과 내지 1.5 wt%의 칼슘, 및 1.0 wt% 내지 2.0 wt%의 이트륨은 효과적인 것으로 입증되었다.
마그네슘 합금이 칼슘 및 희토류 금속, 특히 이트륨을 함유하는 경우, 특별히 현저한 내부식성은 달성될 수 있으며, 여기서, 칼슘 및 희토류 금속, 특히 이트륨의 총량은, 0.0 초과, 특히, 0.05 wt% 초과 내지 3.0 wt%, 바람직하게는 1.0 wt% 내지 2.5 wt%이다.
특히 실온에서, 마그네슘 합금의 압축 강도는 적어도 300 MPa, 특히 적어도 350 MPa, 바람직하게는 적어도 380 MPa, 특히 바람직하게는 적어도 400 MPa인 경우 유리하다. 이것은, 특히 캐스팅에 의한 마그네슘 합금의 제조에 따라, 미세하게 조직화된 미세조직의 결과로서 마그네슘 합금에 대해 본 발명에 따라 제공되는 합금 조성물로 달성될 수 있다. 바람직하게는, 전술된 값은 마그네슘 합금의 최대 압축 강도, 구체적으로 압축 항복점 또는 압축 항복 강도에 적용된다. 유리하게는, 마그네슘 합금의 압축 강도 또는 최대 압축 강도, 또는 압축 항복점 또는 압축 항복 강도는 적어도 410 MPa, 구체적으로 적어도 430 MPa일 수 있다. 이것은, 특히 이하 기재된 바와 같은, 열처리로 통상적으로 실현 가능하게 달성될 수 있다.
마그네슘 합금은 우수한 숙성 용량(aging capacity)을 갖는 것으로 나타났으며, 여기서, 마그네슘 합금의 강도, 특히 압축 강도, 및/또는 변형성은 마그네슘의 열처리에 의해, 더욱 최적화될 수 있거나, 또는 바람직하게는 증가될 수 있다. 따라서, 특히 실온에서, 숙성 상태에서, 마그네슘 합금의 비압축 강도(specific compressive strength), 특히, 최대 비압축 강도가 적어도 300 Nm/g, 특히 적어도 330 Nm/g, 바람직하게는 적어도 350 Nm/g인 것이 유리하게 제공된다. 숙성 상태는 이에 의해 마그네슘 합금의 열처리가 완료된 후에 마그네슘 합금의 상태를 의미한다. 이에 유리한 열처리의 경계 조건은, 특히 마그네슘 합금을 제조하는 방법의 일부로서, 이하 더욱 설명되며, 적절히 적용될 수 있다.
마그네슘 합금에 대해 언급된 물질 특징, 주로, 압축 강도 또는 비압축 강도에 대한 값은, 이에 의해 특히 통상적으로 20℃ 내지 25℃, 보통 대략 20℃인 실온을 기반으로 한다.
마그네슘 합금이 18.0 wt% 내지 24.0 wt%, 특히, 18.0 wt% 내지 22 wt%의 리튬 및 15.0 wt% 내지 30.0 wt%, 특히, 16.5 wt% 내지 28.0 wt%의 알루미늄을 포함하는 경우, 특별히 높은 강도, 특히, 압축 강도, 및 유리하게는 높은 변형성은 달성될 수 있는 것으로 나타났다. 여기서, 또한, 부가적인 양의 칼슘과 함께, 마그네슘 합금의 경도는, 특히 수행되는 열처리의 일부로서, 최적화될 수 있거나 또는 목표 방식으로 설정될 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 목적을 위해, 마그네슘 합금은 0.0 초과, 특히, 0.05 wt% 초과 내지 2.5 wt%, 특히, 0.1 wt% 내지 2.0 wt%, 바람직하게는 0.3 wt% 내지 1.5 wt%의 칼슘을 또한 포함하는 것이 유리하다. 따라서, 리튬 및 알루미늄의 이러한 함량 범위에서 구체적으로 칼슘을 사용하여 내부식성 또는 산화 경향에 영향을 미치거나 개선시킬 뿐만 아니라, 마그네슘 합금의 경도에도 영향을 미치는 것이 가능하다. 이는, 특히 마그네슘 합금이 18.0 wt% 내지 22 wt%의 리튬 및 16.5 wt% 내지 28.0 wt%의 알루미늄, 특히, 두드러지게 0.1 wt% 내지 2.0 wt%, 특히, 0.3 wt% 내지 1.5 wt%의 칼슘을 포함하는 경우, 명백해진다. 열처리 동안에, 경도는 통상적으로 열처리의 지속시간이 증가함에 따라 증가하므로, 마그네슘 합금의 경도는 열처리의 지속시간의 함수에 따라 설정될 수 있다. 200℃ 내지 450℃의 열처리가 1시간 초과, 특히, 3시간을 초과하는 열처리 지속시간을 갖는 경우, 높은 경도에 이롭다. 구체적으로, 마그네슘 합금이 20 wt%의 리튬 및 15.0 wt% 내지 30.0 wt%, 특히, 16.5 wt% 내지 28.0 wt%, 특히 바람직하게는, 18.0 wt% 내지 26.0 wt%의 알루미늄을 포함하는 경우, 용이하게 관리 가능하고 용이하게 가공 가능한 조성물 또는 마그네슘 합금은 얻어질 수 있다. 이는, 칼륨이 또한 위에서 언급한 바와 같이 마그네슘 합금에 함유되는 경우 특히 그렇다.
마그네슘 합금의 기계적 특성은, 다른 합금 원소의 첨가를 통해 특정의 의도된 적용에 대해 최적화될 수 있다. 마그네슘 합금의 강도, 특히, 압축 강도의 미세-조정을 위해, 마그네슘 합금은 3.0 wt% 내지 10.0 wt%의 아연을 포함하는 경우 이롭다. 특히 변형성을 특별히 제한하지 않으면서, 압축 강도의 최적화는, 마그네슘 합금이 7.0 wt% 내지 10.0 wt%의 아연을 포함하는 경우, 달성될 수 있다. 아연에 선택적으로 또는 부가적으로, 마그네슘 합금이 2.0 wt% 내지 10.0 wt%, 바람직하게는, 3.0 wt% 내지 7.0 wt%의 규소를 포함하는 경우 이롭다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금의 제조 방법은, 보통 마그네슘 합금의 출발 물질을 혼합하는 단계, 및 액체 또는 반-액상으로부터 진행하여 냉각시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금, 또는 상기 마그네슘 합금을 갖거나 또는 이로부터 만들어진 공급원료, 반-제품, 또는 구성요소는, 통상적인 캐스팅 공정, 예를 들어, 몰드 캐스팅 공정, 다이-캐스팅 공정, 연속 캐스팅 공정 또는 영구 몰드 캐스팅 공정을 사용하여 쉽게 제조될 수 있다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 제조가 강도, 특히, 압축 강도, 또는 변형성과 관련하여 마그네슘 합금의 미세조직 또는 형태를 최적화하기 위한 열처리를 포함하는 경우, 특히 유리한 것으로 입증되었다.
본 발명의 다른 목적은, 마그네슘 합금의 강도, 특히, 압축 강도, 및/또는 변형성을 최적화하거나 증가시키기 위해 마그네슘 합금의 열처리가 수행되는, 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 제조 방법으로 달성된다. 마그네슘 합금의 열처리를 통해, 마그네슘 합금의 강도, 특히, 압축 강도, 및 변형성은, 이들이 목표한 방식으로 설정될 수 있도록, 특히 바람직하게는 이들이 마그네슘 합금의 의도된 적용에 맞게 조정되도록, 더욱 최적화되거나 증가될 수 있는 것으로 나타났다.
본 발명에 따른 방법은, 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 범주 내에서, 특히 전술된 바와 같이, 기재된 특색, 장점, 실행, 및 효과에 상응하거나 유사하게 구현될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에 따른 기재된 방법, 특히, 이하 기재된 바와 같은 방법과 관련된 본 발명에 따른 마그네슘 합금, 및 이의 개별 처리 단계 또는 제조 단계에도 동일하게 적용된다.
열처리가 200℃ 초과, 특히, 200℃ 내지 450℃의 온도에서, 20분 초과, 특히, 1시간 초과 동안 수행되는 경우, 강도, 특히, 압축 강도의 현저한 증가에 이롭다. 250℃ 내지 400℃, 바람직하게는, 270℃ 내지 350℃의 온도에서의 열처리는, 강도, 특히, 압축 강도의 현저한 증가에 특히 적합한 것으로 입증되었다. 여기서, 열처리가, 강도를 효율적으로 설정하기 위해서, 1시간(h) 초과, 바람직하게는, 1시간 내지 10시간, 특히 바람직하게는, 1시간 내지 6시간 동안 수행되는 것이 유리하다. 2시간 내지 5시간 동안, 300℃ 내지 350℃, 바람직하게는, 320℃ 내지 340℃의 열처리는, 마그네슘 합금의 변형성의 동시 최적화와 함께 강도에서 지속적인 증가를 위해 특히 효율적인 것으로 입증되었다. 원칙적으로, 더 긴 열처리 지속시간은 또한 일반적일 수 있지만; 그러나, 위에서 언급된 열처리 지속시간은, 기계적 특성의 시간-효율적인 최적화와 관련하여 특히 실현 가능한 것으로 나타난 것으로 이해되어야 한다.
공급원료, 반-제품, 또는 구성요소는, 유리하게는 본 발명에 따른 마그네슘 합금을 갖는 것으로, 특히 본 발명에 따른 마그네슘 합금으로 제조된 것으로 실현되거나, 또는 이것은 본 발명에 따른 마그네슘 합금을 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법을 사용하여 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금 또는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 마그네슘 합금의 설명, 특색, 및 효과에 따르면, 마그네슘 합금으로 형성된 공급원료, 반-제품, 또는 구성요소는 또한 유리하게는 고강도, 특히, 압축 강도, 및 우수한 변형성을 갖는다.
도 1은, 통상적인 삼원 상 평형도 설계에 따른 마그네슘-리튬-알루미늄(Mg-Li-Al)에 대한 (at%로) 개략적인 상 평형도를 나타내며, 여기서, 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 합금 양의 조성 범위 또는 함량 범위는 표시된다. 상 평형도에서, (at%로) 대략 3:6의 알루미늄-대-마그네슘 비를 갖는 Mg-Li-Al 합금의 배향 조성은, 점-선 A로 표시되는데, 그 이유는, 본 발명이 기반이 되는 발견에 따르면, 특별히 균질하고, 미세-규모, 특히 미세 라멜라의, 미세조직 또는 형태가 알루미늄 대 마그네슘의 이러한 비에서 15.0 at% 내지 70.0 at%의 리튬의 함량 범위에서 발견되기 때문이다. (at%로) 1:6 내지 4:6의 알루미늄-대-마그네슘 비로 표시되는, 이러한 비를 포괄하는 범위에서, 이러한 미세-규모 또는 미세하게 조직화된 미세조직은, 더욱이 다양하게 현저한 정도로 발견되고, 이러한 범위에서 마그네슘 합금의 유리한 고강도, 특히, 압축 강도, 및 우수한 변형성을 설명한다. (at%로) 15.0% 내지 70.0%의 리튬의 조성 범위 및 (at%로) 1:6 내지 4:6의 알루미늄-대-마그네슘 비는, 참조 번호 1로 나타낸, 실선으로 표시된 사각형으로 도 1에 명확하게 예시된다. 현저한 강도 및 특별히 현저한 변형성은, 특히 (at%로) 30.0% 내지 60.0%의 리튬의 조성 범위 및 (at%로) 1:6 내지 4:6의 알루미늄-대-마그네슘 비에서 발견된다. 이러한 조성 범위는, 참조 번호 2로 나타낸, 점선으로 표시된 사각형으로 도 1에 예시된다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금의 개발 과정에서, 일련의 시험은, 마그네슘 합금의 다른 합금 조성, 특히, 본 발명에 따라 상응하게 정의된 합금 조성으로 수행된다. 이하, (wt%로) Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0.5%Y 및 (wt%로) Mg-20%Li-24%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편의 특징은, 전술된 조성 범위를 나타내는 것으로 제시된다. 마그네슘 합금 시편은 영구 몰드 캐스팅에 의해 제조되며, 여기서, 특히, 5 ㎜의 직경 및 10 ㎜의 길이를 갖는, 원통형 형상을 갖는 마그네슘 합금 시편은 제작된다. 마그네슘 합금 시편은, 실온, 대략 20℃에서 압축 시험에 적용되며, 그 결과로서, 변형의 정도(%)의 함수에 따라, 항복 응력(MPa)을 나타내는 항복 곡선은 계산된다.
도 2는, (wt%로) Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편을 사용하여 실온에서 압축 시험의 결과로서 항복 곡선으로 항복 응력 다이어그램을 나타낸다. (주물로) 마그네슘 합금 시편의 생산 직후에 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은 예시되며, 참조 번호 3으로 표시되어, 도 2에서 실선으로 나타낸다. 부가하여, 마그네슘 합금 시편의 완성된 열처리(숙성된) 후에 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은 예시되며, 참조 번호 4로 표시되어, 도 2에서 점선으로 나타낸다. 이를 위해, 마그네슘 합금 시편은 330℃에서 3시간 동안 열처리에 적용되고, 항복 곡선은 그 다음 압축 시험에 의해 계산된다. 마그네슘 합금 시편의 압축 강도 및 변형성에 대한 열처리의 분명한 영향은 명백하며, 이의 결과로서, 특히 최종적인 의도된 적용을 위해, 열처리를 사용하여 최적화된 방식으로 압축 강도 및 변형성을 설정할 가능성이 있다.
도 3 및 도 4는, 다른 배율로 (wt%로) Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편의 주사 전자 현미경 사진을 나타낸다. 한편으로는, Al-Ca로 확인된 밝은 입계상(희끄무레한-회색)이 분명하고, 다른 한편으로는, 특히 도 4에서 명확하게 드러난, 입계상으로 둘러싸인 영역에서, 특히, 상기 영역의 중앙 섹션에서, 또는 혼합된 결정상의 내부에서, 현저한 미세 결정질 조직 또는 형태가 분명하다. 또한, 식별할 수 있는 것은, 특히, 입계상 근처에서 현저하게 다른 미세 조직이다.
도 5는, (wt%로) Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편을 사용하여 실온에서 압축 시험의 결과로서 항복 곡선으로 항복 응력 다이어그램을 나타내며, 여기서, 마그네슘 합금 시편은 다른 열처리 온도에서 열처리가 완료된 후 조사된다. 270℃에서 4시간 동안 열처리에 적용된 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은 예시되며, 참조 번호 5로 표시되어, 도 5에서 점선으로 도시되고, 330℃에서 4시간 동안 열처리에 적용된 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은, 참조 번호 6으로 표시되어, 도 5에서 실선으로 도시된다. 마그네슘 합금 시편의 기계적 특성에 대한 열처리 온도의 현저한 영향은 분명하며, 270℃의 더 낮은 열처리 온도와 비교한 330℃의 열처리 온도는, 압축 강도에서 현저한 개선으로 이어지며, 또한 동시에 마그네슘 합금 시편의 매우 우수한 변형성으로 이어진다.
도 6은, (wt%로) Mg-20%Li-24%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편을 사용하여 실온에서 압축 시험의 결과로서 항복 곡선으로 항복 응력 다이어그램을 나타내며, 여기서, 마그네슘 합금 시편은 다른 열처리 온도에서 열처리가 완료된 후 시험된다. 270℃에서 4시간 동안 열처리에 적용된 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은 예시되며, 참조 번호 7로 표시되어, 도 6에서 점선으로 도시되고, 330℃에서 4시간 동안 열처리에 적용된 마그네슘 합금 시편의 항복 곡선은, 참조 번호 8로 표시되어, 도 6에서 실선으로 도시된다. 여기서, 도 5에 예시된 결과와 유사하게, 마그네슘 합금 시편의 기계적 특성에 대한 열처리 온도의 현저한 영향은 한번 더 발견되며, 여기서, 270℃의 더 낮은 열처리 온도와 비교한 330℃의 열처리 온도는, 압축 강도에서 개선으로 이어지며, 또한 동시에 마그네슘 합금 시편의 우수한 변형성으로 이어진다.
도 7은, (wt%로) Mg-20%Li-15%Al-1%Ca-0.5%Y로 제작된 마그네슘 합금 시편을 사용하여, 실온, 대략 20℃에서 비커스(Vickers) 경도 시험의 결과로서 경도 다이어그램을 나타내며, 여기서, 마그네슘 합금 시편은 다른 열처리 지속시간으로 열처리가 완료된 후 시험된다. 열처리 온도로서 330℃는 사용된다. 경도 다이어그램에서, 여러 측정으로부터의 비커스 경도의 평균 값(HV 0.1)은 각각 마그네슘 합금 시편의 0분(min)에서 300분까지의, 다른 열처리 지속시간(t)의 함수로 나타낸다. 열처리 지속시간에 따른 경도에서 연속적인 증가는 명확하고, 여기서, 고경도는 특히 60분을 초과하는 열처리 지속시간에서 달성될 수 있다. 도 3 및 도 4에 나타낸 이미지 묘사와 관련하여, 이러한 특징은 잠재적으로 혼합된 결정상의 내부 영역으로의 칼슘 확산으로 설명될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 유리하게는, 특히 열처리에 의해, 최적화되거나 또는 바람직하게는 증가될 수 있는, 고강도 및 또한 우수한 변형성을 모두 나타낸다. 구체적으로, 마그네슘 합금의 경도를 정의된 방식으로 설정하거나, 또는 최적화할 가능성도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 마그네슘 합금, 또는 본 발명에 따른 마그네슘 합금을 갖거나 이로부터 만들어진 구성요소는, 특히, 자동차 산업, 항공기 산업, 및/또는 우주 산업에서, 바람직하게 목적의, 견고하고 탄력적인 구성성분, 특히 구조적 구성성분에 적합하도록 실현할 가능성을 제공한다.

Claims (11)

  1. (at%로), 15.0% 내지 70.0%의 리튬,
    0.0%를 초과하는 알루미늄,
    나머지로 마그네슘 및 생산-관련 불순물을 포함하며,
    여기서, 알루미늄 대 마그네슘의 비는 (at%로) 1:6 내지 4:6인, 마그네슘 합금.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 (at%로) 30.0% 내지 60.0%, 특히, 40% 내지 50%의 리튬을 포함하는, 마그네슘 합금.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 알루미늄 대 마그네슘의 비는 (at%로) 2:6 내지 3.5:6인, 마그네슘 합금.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 0.0 초과 내지 3.0 wt%의 칼슘을 포함하는, 마그네슘 합금.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 0.0 초과 내지 3.0 wt%의 희토류 금속, 특히 이트륨을 포함하는, 마그네슘 합금.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금은 칼슘 및 희토류 금속, 특히 이트륨을 함유하고, 여기서, 상기 칼슘 및 희토류 금속, 특히, 이트륨의 총량은 0.0 초과 내지 3.0 wt%인, 마그네슘 합금.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금의 압축 강도는 적어도 300 MPa, 특히 적어도 350 MPa인, 마그네슘 합금.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금의 비압축 강도는 숙성 상태에서 적어도 300 Nm/g인, 마그네슘 합금.
  9. 마그네슘 합금의 강도 및/또는 변형성을 최적화하기 위해 마그네슘 합금의 열처리를 수행하는 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 마그네슘 합금의 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열처리는 200℃ 초과, 특히, 200℃ 내지 400℃의 온도에서 20분 초과, 특히 1시간을 초과하여 수행되는, 마그네슘 합금의 제조 방법.
  11. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 따른 마그네슘 합금을 갖거나 또는 청구항 9 또는 10에 따른 방법을 사용하여 얻을 수 있는 공급원료, 반-제품, 또는 구성요소.
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