WO2013115593A1

WO2013115593A1 - 고온열처리 가능한 가공용 마그네슘 합금

Info

Publication number: WO2013115593A1
Application number: PCT/KR2013/000826
Authority: WO
Inventors: 김영민; 김하식; 유봉선; 임창동; 박성혁
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-08-08
Also published as: KR101276665B1; US20140116580A1; US10047426B2

Abstract

본 발명은 고온에서 열처리가 가능한 고강도， 고연성 가공용 마그네슘 합금에 관한 것으로， 더욱 상세하게는 석출강화형 고강도 합금인 주석 함유 마그네슘 합금에 칼슘 (Ca)과 이트륨 (Y) 혹은 에르븀 (Er)을 첨가함으로써 액상 혹은 고상의 마그네슘 합금 표면에 안정한 보호 피막을 형성하여 대기 중 혹은 일반적인 불활성 분위기 하에서도 고온열처리가 가능하고， 발화 저항성이 우수하여 칩의 자연발화를 억제할 수 있을 뿐 아니라 우수한 강도와 연성을 동시에 갖는 마그네슘 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 4중량 % 내지 10중량 %의 주석 (Sn), 0.05중량% 내지 1.0중량 %의 칼슘 (Ca), 0.1중량 % 내지 2중량 %의 이트륨 (Υ)과 에르븀 (Er)으로부터 선택되는 적어도 1개의 원소를 함유하고， 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘으로 이루어지며， 상기 '마그네슘 합금은 0.5중량 % 내지 6.5중량 % 이하의 알루미늄 (A1), 0중량 % 초과 및 3중량 % 이하의 아연 (Ζn), 0중량 % 초과 및 0.5중량 % 이하의 망간 (Mn)을 선택적으로 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

【명세세

【발명의 명칭]

고온열처리 가능한 가공용 마그네슘 합금

[기술분야】

본 발명은 고온에서 열처리가 가능한 주석을 함유한 가공용 마그네슘 합금， 더욱 상세하게는 액상 혹은 고상의 마그네슘 합금 표면에 안정한 보호 피막을 형성 하여 대기 중 혹은 일반적인 불활성 분위기 하에서도 고온열처리가 가능하고, 발화 저항성이 우수하여 칩의 자연발화를 억제할 수 있을 뿐 아니라 우수한 강도와 연성 을 동시에 갖는 마그네슘 합금에 관한 것이다.

【배경기술】

마그네슘 합금은 높은 비강도를 갖는 최경량의 합금으로서 다양한 주조 및 가공 공정에 적용이 가능하며 자동차 부품이나 전자기 부품 등 경량화가 요구되는 거의 모든 분야에 적용 가능하고 응용범위가 넓다. 하지만 마그네슘 합금은 전기화 학적으로 전위가 낮고 상당히 활성적인 금속으로서 산소 혹은 물과 접촉 시 강한 활성반웅을 보이며 상용 합금의 경우 발화온도가 대부분 550^°C를 넘지 않아 때로는 화재를 일으키기도 하는 등 재료의 안정성 및 신뢰성 측면에서 아직 한계를 가진다. 이 때문에 그 용용 잠재력에 비해서 아직 웅용범위가 제한적이며， 특히 안전성을 요 구하는 웅용분야에는 사용할 수 없다.

또한， 현재까지의 마그네슘 합금에 대한 연구는 마그네슘의 우수한 주조성을 바탕으로 자동차 엔진이나 기어부품 등에 적용하기 위한 주조용 합금에 치중되어 있으며， 우수한 기계적 특성으로 인해 경량화가 요구되는 부분에 더욱 다양하게 적 용될 수 있는 압출재 또는 판재 형태의 가공용 마그네슘 합금에 대한 연구는 부족 한 실정이다.

석출강화형 합금계인 마그네슘—주석 (Mgᅳ Sn)계 합금은 도 1에서 확인할 수 있듯이 상용합금인 마그네슘―알루미늄 (Mg— A1)계 합금에 비해 공정상의 융점이 높 고 고은안정성이 우수하여 열간가공성아 매우 우수한 합금이다. 도 2에서 확인할 수 있듯이， 마그네슘 -알루미늄계 합금에서 고강도를 위해 알루미늄의 함량을 증가시 키면 압출속도가 크게 감소하는 경향을 보이는 반면， 마그네슘—주석계 합금의 경우 10증량 %의 Sn을 첨가했음에도 불구하고 압출속도가 20m/min 이상으로 매우 높음 을 알 수 있다. 또한, 대한민국 특허 제 10— 0994812호에 의하면， 마그네슘—주석계 합 금에 아연 (Zn), 알루미늄 (A1) 등을 첨가하고 이 합금에 적합한 압출가공 및 열처리 를 행샅 경우 조직 미세화, 석출강화 및 고용강화 효과 극대화함으로써 고강도 고 연성의 마그네슘 합금 압출재를 제조할 수 있다. 특히, 상기 합금을 제조하기 위해 서는 압출 단계 전에 주조된 빌렛을 480^°C ~ 520 ^°C 온도에서 0.5 - 24 시간 동안 균 질화 열처리 과정이 필수적이다. 하지만， 마그네슘 -주석 (Mg-Sn)계 합금의 발화온도가 40CTC 이하로 발화저항 성이 매우 열악하여 480^°C ~ 520 ^°C 온도에서 균질화 열처리를 행하기 위해서는 진 공상태나 SF₆와 같은 보호가스의 사용이 필요하다. 진공상태를 만들기 위해서는 진 공을 만들기 위한 장치가 추가되어야 하는 부담이 있고， SF₆는 고가이면서 지구온실 효과가 CO2의 23,900배나 되는 지구은실유발 물질로 분류되어 있어 향후 사용규제 가 예상되는 문제가. 있다. 더 큰 문제는 현재 상업적으로 판매되는 일반적인 열처 리로를 이용할 경우 열처리로 내부에 보호가스를 홀려주더라도 외부로부터 완벽하 게 밀폐시킬 수 없기 때문에 열처리 시 화재에 대한 위험은 여전히 높은 상태이다. 따라서， 열처리 과정에서의 화재에 대한 위험성을 근본적으로 억제하고 마그 네슘—주석계 합금의 물성을 극대화시키기 위해서는 제반 물성의 저하 없이 합금 자 체의 발화저항성을 향상시켜 480^°C 이상의 온도에서도 대기 혹은 일반적인 불활성 가스 분위기 하에서 열처리가 가능한 합금의 개발이 필요하다.

【발명의 상세한 설명】

[기술적 과제] 따라서， 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위한 마그네슘 합금을 제 공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 Sn을 포함하는 마그네슘 합금으로서， 500 ^°C 이상의 발 화온도를 가지는 고온열처리 가능한 주석 함유 마그네슘 합금을 제공하는 것을 목 적으로 한다.

또한， 본 발명은 Ca와 Y을 최소한으로 사용하는 동시에 SF₆와 같은 환경오 염 유발 물질인 보호가스를 사용하지 않는 친환경 제조공정을 가능하게 하는 주석 함유 마그네슘 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

[기술적 해결 방법】

상기 목적을 달성하기 위한 본 명에 따른 가공용 마그네슘 합금은 4중량 % 내지 10중량 %의 주석 (Sn), 0.05중량 % 내지 1.0 중량 %의 칼슘 (Ca), 이트름 (Y)과 에 르봄 (Er)으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소를 0.1증량 % 내지 2중량 % 함유하고， 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘 (Mg)으로 이루어지며， 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn상을 포함하며， 480 ^°C 이상에서 열처리 가능한 것을 특징으로 한다.

또한， 상기 Sn의 함량은 4.5중량 % 내지 8.5중량 %인 것이 바람직하다.

또한, 상기 Ca의 함량은 0.05증량 % 내지 0.6증량 %인 것이 바람직하다ᅳ 또한, 상기 이트륨 (Y)과 에르붐 (Er)으로부터 선택되는 적어도 1개 원소의 함 량은 0.1중량 내지 1증량 %인 것이 바람직하다.

또한， 상기 마그네슘 합금은 A1을 0.5중량 % 내지 6.5증량 %로 더 포함하는 것 이 바람직하다_,

또한， 상기 마그네슘 합금은 Zn을 0.1증량 % 내지 3증량 %로 더 포함하는 것 이 바람직하다.

또한， 상기 마그네슘 합금은 Mn을 0중량 % 초과 및 으5중량 % 이하로 더 포 함하는 것이 바람직하다.

또한， 상기 마그네슘 합금은 발화온도가 480^°C, 바람직하게는 50( C 이상인 것을 특징으로 한다. ^' 또한， 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가공용 마그네슘 합금의 제조방법 ᄋ■

. 칼슘; 주석; 칼슘; 이트름과 에르봅 증 적어도 하나;를 포함하는 합금 용탕을 형성하는 단계;

상기 마그네슘 합금 용탕으로부터 마그네슘 합금 주조재를 형성하는 단계; 상기 마그네슘 합금 주조재를 48CTC 이상의 은도에서 균질화 열처리 하는 단 계; 및 상기 균질화 열처리된 마그네슘 합금을 압출， 압연, 단조 인발 중 적어도 하 나의 방법을 이용하여 가공하는 단계를 포함하고,

상기 마그네슘 합금 주조재는 4중량 % 내지 10중량 %의 주석 (Sn); 0.05증량 % 내지 l^'.O증량 %의 칼슘 (Ca); 이트륨 (Y)과 에르붐 (Er)으^부터 선택되는 적어도 하나 의 원소를 으1중량 % 내지 2중량 % 함유하고, 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘 으로 이루어지며， 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn 상을 포함하며， 48CTC 이상의 온도 에서 열처리가 가능한 것을 특징으로 한다. 또는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가공용 마그네슘 합금의 제조방법은: 마그네슘 (Mg)과 주석 (Sn)을 적어도 포함하는 마그네슘 합금 용탕을 형성하 는 단계; .

주석 (Sn); 칼슘 (Ca); 및 이트름 (Y)과 에르봄 (Er) 중 적어도 하나;를 포함하는 마그네슘 모합금을 형성하는 단계;

상기. 마그네슘 모합금을 상기 마그네슘 합금 용탕에 투입하여 마그네슘 합금 주조재를 형성하는 단계;

상기 마그네슘 합금 주조재를 480^°C 이상의 온도에서 균질화 열처리 하는 단 계; 및

상기 균질화 열처리된 마그네슘 합금을 압출， 압연, 단조 인발 증 적어도 하 나의 방법을 이용하여 가공하는 단계를 포함하고，

상기 마그네슘 합금 주조재는 4증량 % 내지 10중량 %의 주석 (Sn); 0.05증량 % 내지 1.0 중량 %의 칼슘 (Ca); 이트름 (Y)과 에르붐 (Er)으로부터 선택되는 적어도 하나 의 원소를 0.1증량 % 내지 2증량 % 함유하고， 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘 으로 이루어지며， 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn 상을 포함하며， 480°C 이상의 온도 에서 열처리가 가능한 것을 특징으로 한다ᅳ 또한， 상기 Sn의 함량은 4.5중량 % 내지 8.5중량 %인 것이 바람직하다.

또한， 상기 마그네슘 합금은 알루미늄 (A1)을 0.5증량 % 내지 6.5증량 %로 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한， 상기 마그네슘 합금은 아연 (Zn)을 이중량 % 내지 3중량 %로 더 포함하 는 것을 특징으로 한다.

또한， 상기 마그네슘 합금은 망간 (Μη)을 0중량 % 초과 및 0.5중량 % 이하로 더 포함하는 것을 특 ^ᅵ으로 한다. ^' 본 발명에 따른 마그네슘 합금에서 각 성분의 함량을 한정한 이유는각각 다 음과 같다. 주석 (Sn)

Sn은 도 3에서 확인할 수 있듯이， Mg과 결합하여 Mg₂Sn 상을 형성하지만， 마그네슘 기지 (matrix) 내에서의 고용한 (solubility limit)이 약 10증량 %로서， 10중 량% 이상으로 첨가할 경우에는 웅고 과정에서 형성된 조대한 Mg₂Sn 상의 분율이 과도하여 이를 열처리를 통해 충분히 제거할 수 없으므로 열간가공 과정에서 크랙 을 유발하여 가공성을 저하시키고， 최종 제품에도 상당량 잔존하여 연신을 저하를 초래할 수 있다. 반면， 4증량 % 미만으로 첨가할 경우， Mg₂Sn 상으로 인한 석출 강 화 현상을 거의 기대할 수 없어 강도 저하를 초래한다/ 따라서 본 발명에서의 Sn은 4중량 % 내지 10중량 %로， 더욱 바람직하게는 4.5중량 % 내지 8.5중량 %로 한정하는 것이 바람직하다. 칼슘 (Ca)

Ca은 마그네슘 합금에 첨가될 때 용탕 표면에 얇고 치밀한 CaO 산화층올 형성시켜 용탕의 산화를 억제함으로써 마그네슘 합금의 발화 저항성을 향상시킨다. 하지만 Ca의 함량이 0.05중량 % 미만인 경우 발화저항성 향상 효과가 크지 않고， 1.0 중량 %를 초과할 경우 용탕의 주조성이 떨어지고 열간균열 (hot cracking)이 발생하 며， 금형과의 점착성 (die sticking)이 증가하며 연신을이 크게 떨어지는 둥의 문제가 있다. 특히， Sn이 함유된 마그네슘 합금에서 1중량 % 이상의 Ca 첨가 시 용탕에서 조대한 Ca₂Sn 정출상을 형성시켜 물성을 저하시키고， 특히 연신율의 큰 감소를 불러 온다. 따라서， 본 발명에 따른 마그네슘 합금에서 칼슘은 0.05중량 % 내지 1.0증량 % 의 범위로, 더욱 바람직하게는 0.1중량 % 내지 0.6중량 % 범위로 포함되는 것이 바람 직하다.

^' 이트륨 (Y), 에르븀 (Er)

Y과 Er은 원래 마그네슘에 대하여 큰 고용한을 가지고 있어 주로 석출강화 효과에 의한 고온 내크리프 향상원소로 사용된다. 또한， Y 혹은 Er을 마그네슘 합 금에 첨가 시 용탕 표면에 Y₂0₃나 Er₂0₃ 산화층을 형성하여 발화온도가 크게 향상 되며， 특히 소량의 이트륨을 칼슘과 함께 마그네슘 합금에 첨가하면， MgO, CaO와 Y20₃(Er₂0₃)의 혼합층이 형성되어 발화 저항성이 더욱 증가된다. 한편， 마그네슘 합 금에 상기 원소가 0.05중량 % 미만으로 포함되는 경우 발화온도 증가가 크지 않고, 필요이상으로 많이 첨가될 경우 합금의 가격이 상승하는 문제가 있다. 따라서， 본 발명에 따른 마그네슘 합금에서 Ύ, Er으로부터 선택되는 적어도 1개 원소의 함량은 0.05증량 % 내지 2.0중량 %의 범위로， 더욱 바람직하게는 αι증량 % 내지 1.0중량 %의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 알루미늄 (A1)

A1은 Sn이 함유된 마그네슘 합금에 첨가될 때 Mg₂Sn 상에 의한 석출강화 효과를 증대시키고 고용강화를 통해 합금의 강도 증가에 기여하는 것으로 알려져 있다. 또한， 마그네슘 합금에서 A1 함량이 증가하면 일반적으로 유동성을 향상시켜 주조성이 개선되고， 동시에 발화저항성을 증가시킨다. 하지만, 0.5증량 % 미만으로 첨가될 경우 이러한 효과를 기대하기 힘들며, 6.5증량 %를 초과하여 첨가하게 되면 열적안정성이 열악하고 조대한 Mg₁₇Ali2 공정상의 형성으로 인해 열간가공성 및 인 장특성이 저하된다. 따라서， 본 발명에서 A1은 0.5중량 % 내지 6.5중량 % 범위로 첨 가하는 것이 바람직하다. 아연 (Zn)

Zn은 Sn이 함유된 마그네슘 합금에 첨가될 때 고온안정상인 Mg₂Sn 상을 미 세화하여 석출강화 효과를 증대시키고 또한 고용강화를 통해 합금의 강도 증가에 기여하는 것으로 알려져 있다. 0.1증량 % 미만으로 첨가할 경우 이러한 효과를 기대 하기 힘들며, 3증량 %를 초과하여 첨가하게 되면 합금의 고상선 은도가 480^°C 이하 로 내려가기 때문에 480°C 이상의 고온에서 균질화 열처리가 불가능하며 이로 인해 조직 내 조대한 Mg₂Sn상의 분을이 증가하여 합금의 연신율이 취약하게 된다. 따라 서， 본 발명에서 Zn은 αΐ증량 % 내지 3증량 % 범위로 첨가하는 것이 바람직하다. 기타 블가피한 불순물

본 발명에 따른 마그네슘 합금에는 합금의 원료 또는 제조과정에서 불가피하 게 혼입되는 불순물을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 마그네슘 합금에 포함될 수 있는 불순물 증에서 특히 철 (Fe), 실리콘 (Si) 및 니켈 (Ni)은 마그네슘 합금의 내 식성을 악화시키는 역할을 하는 성분이다. 따라서 Fe의 함량은 0.004 증량 % 이하， Si의 함량은 0.04 중량 %， Ni의 함량은 0.001 증량 % 이하를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

【유리한 효과】

본 발명에 의하면， 석출강화가 가능한 마그네슘-주석계 합금을 기반으로 Ca 과 Y 및 /또는 Er의 복합첨가를 통해 제반 물성의 저하 없이 발화저항성을 크게 향 상시킴으로써， 종래의 마그네슘-주석계 합금에 비해 대기 증이나 일반적인 불활성분 위기 (Ar, N₂)에서 안전하게 고온열처리 및 열간가공이 가능하고， 기계가공 공정에서 쌓이는 칩의 자연발화를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 SF₆ 둥의 가스를 사용하지 않아 비용 감소, 작업자 건강보호， 환경오염방지에 적합하다.

또한， 본 발명에 따른 마그네슘-주석계 합금은 발화저항성이 우수함과 동시 에 열간가공성도 우수하여 가공재로 다양하게 이용될 수 있으며， 특히 고강도 고연 성 및 안정성 특성을 요구하는 차세대 자동차， 고속철도, 도심철도 등에 실제적 적용 이 가능한 압출재， 판재， 단조재 등으로 제조될 수 있다.

【도면의 간단한 설명】 도 1은 계산열역학에 의해 예측된 Mg-10중량 %A1 합금과 Mg-10중량 %Sn 합금의 웅고 시 상 형성 거동을 보여주는 도면이다.

도 2는 마그네슘합금의 종류에 따른 최대 압출속도를 보여주는 도면이다. ' 도 3은 Mg-Sn 이원계 합금의 상태도 및 8^량% Sn이 첨가될 때 균질화 열 처리 가능한 온도 범위를 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 실시예 및 비교예에서 TAZ541 합금과 TAZ541-0.15Ca-0.2Y 합금 압출재의 인장강도를 보여주는 도면이 다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조한 실시예 및 비교예에서 TAZ541 합금과 TAZ541-0.15Ca-0.2Y합금 압출재의 연신을을 보여주는 도면이다. 도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라^' 제조한 실시예 및 비교예에서 TAZ541 합금과 TA2541-0.15Ca-0.2Y 합금 압출재의 발화온도를 보여주는 도면이 다.

【발명을 실시하가위한 촤선와 형태】

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 합금 및 그 제조방법을 이하에 서 상세히 설명한다. 그러나 하기의 실시예는 단지 예시적인 것으로 본 발명을 한 정하는 것이 아니다. 마그네슴 합금의 제조

본 발명의 발명자들은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하고 본 발명의 목적 을 달성하기 위해 다양한 조성을 갖는 마그네슘 합금을 제조하였는데， 본 발명의 바 람직한 실시예에 따른 마그네슘 합금의 제조방법은 아래와 같다.

먼저， Mg(99.9%), Sn(99.99%), Al(99.9%), Zn(99.99%), Ca(99.9%), Y(99.9 ) 및 Er(99.9%)의 원료 물질과 Mg-2.4증량 %Mn 모합금을 준비한 후， 상기 원료를 용 해하고 증력 주조방법을 이용하여 하기 표 1의 비교예 1 내지 비교예 10 및 실시예 1 내지 실시예 12에 기재된 합금조성을 가지는 마그네슘 합금 주조재를 형성하였다. 특히， 융점아 상대적으로 높은 Ca, Y, Er을 직접 용탕에 투입하여 합금화시키가 위 해서， 850^°C 내지 900^°C까지 용탕의 온도를 올려서 '아들—원소를 -완전 용해시킨 후， 주조온도까지 서서히 냉각한 후 주조하여 마그네슘 합금 주조재를 형성하였다.

[표 1]

또는, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, Mg, Sn, Al, Zn, Ca, Y 및 Er의 원료 물질을 용해시켜 용탕을 형성한 후 주조하는 방법 외에 다양한 방법에 따라서 마그네슘 합금을 제조하는 것아 가능하다. 예컨대， 최종 목표보다 Ca, Y 혹은 Er의 함량이 높은 모합금 잉고트를 제조하고， 이와 별도로 Mg, Sn, Al 및 Zn의 원료 물 질 또는 이들의 합금을 이용하여 마그네슘 합금 용탕을 형성한 후 상기 모합금 잉 고트를 상기 마그네슘 합금 용탕에 투입하여 마그네슘 합금 주조재를 형성할 수도 있다. 상기 방법에 따르면 모합금 잉고트의 녹는점은 Ca, Y 혹은 Er원료 물질의 녹는_.점보다 낮으므로 원료물잘을 직접 마그네슘 합금 용탕에 투입할 때보다 낮은 은도에서 모합금 잉고트를 투입할 수 있다는 점에서 특히 유용하다, 그 외에도， 본 발명에 따른 마그네슘 합금의 형성은 다양한 방법을 통해서 구현 가능하며, 본 발명 이 속한 기술분야에서 이미 널리 알려진 마그네슘 합금의 형성 방법은 모두 본 발 명에 일체로 합체된다.

한편， 본 실시예에서 유도용해는 혹연 도가니 (graphite crucible)를 사용하였 으며， 합금화가 마무리되기^' 전까지는 용탕의 산화를 방지하기 위해 SF₆와 C02 혼합 가스를 소량 용탕 상부에 도포하여 용탕과 대기가 접촉하는 것을 차단하였다. 또 한， 용해가 완료된 후에는 철계 금형 (steel mould)을 사용하여 금형 주조하였으며, 압출 ^험을 위해 직경 80mm, 길이 150mm의 원통형 빌렛 (billet)을 제조하였다. 또 한， 본 실시예는 금형주조법을 사용하여 마그네슘 합금을 주조하였으나， 사형주조， 중력주조, 가압주조, 연속주조， 박판주조， 다이캐스팅， 정밀주조， 분무주조， 반웅고주 조 등 다양한 주조법이 사용될 수 있으며， 본 발명에 따른 마그네슘 합금은 반드시 어떠한 특정한 주조 방식에 한정되지는 않는다. 마그네슴 합금의 압출

다음으로， 앞에서 형성한 빌렛을 480 ^°C ~ 500^°C에서 6 시간 동안 균질화 열 처리를 실시하였다. 빌렛의 냉각 과정에서 조대한 석출상의 생성을 억제하기 위해 균질화 열처리 직후 빌렛을 상온의 물로 수냉하였다.^' 이어서， 표 1의 비교예 1 내 지 비교예 10 및 실시예 1 내지 실시예 12는 균질화 열처리된 재료를 압출 온도 250^°C에서 1.3 mm/s의 램속도와 25의 압출비로 압출하여 최종 직경 16mm의 표면 상태가 양호한 봉상 (rod) 압출재를 제조하였다. 압출 실험은 최대 압출력 500 tonf 인 간접 압출기를 이용하여 수행되었다.

한편， 본 발명의 실시예에서는 주조 및 균질화 열처리 후 압출 가공을 실시 하였으나， 예를 들어 압연， 단조, 인발 등 다양한 가공 방법에 의해 제조될 수 있으 며， 반드시 어떠한 특정한 가공 방식에 한정되지는 않는다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 간접압출법을 사용하였으나， 예를 들어 직접압 출법， 정수압압출법， 충격압출법 둥 타 압출공정에 의해 제조될 수 있으며， 반드시 어떠한 특정한 압출방식에 한정되지는 않는다.

또한， 본 발명의 실시예에서는 봉상 형태의 압출재를 제조하몄으나， 예를 들 어 파이프， 각재， 판재, 이형류 둥 다양한 형태로 제조될 수 있으며， 반드사 어떠한 특정한 압출재 형태에 한정되지는 않는다.

또한， 본 발명의 실시예에서는 25의 압출비와 1.3 mm/s의 램속도를 적용하였 으나， 반드시 어떠한 특정한 압출바나 램속도에 한정되지는 않는다. 발화온도 측정

상기 마그네슘 합금의 발화은도를 측정하기 위하여， 앞에서 제조된 원통형 빌렛의 외각을 깊이 a5mm, 피치 0.1mm, 350rpm의 일정한 속도로 칩 가공하여 일 정한 크기의 칩을 얻었다. 상기 방법으로 얻은 칩 o.ig을 locxrc로 유지되는 가열 로 안으로 일정한 속도로 넣어서 승온시켰다. 그 과정에서 발화로 인해 급격한 은 도 상승이 시작되는 온도를 발화온도로 측정하고， 그 결과를 표 2에 나타내었다.

【표 2】

표 2에서 비교예 1의 Mg— 8증량 %Sn 합금의 발화온도는 281^°C로 순 마그네 슘 (약 450)에 비해 발화저항성이 매우 열악하다. 일반적으로 발화저항성은 소재 표 면에 형성된 산화층의 종류와 구조에 따라 달라지는데， Mg-Sn계 합금에서 주도적 으로 형성되는 표면산화층이 MgO가 아닌 Sn을 함유하는 산화층으로 구성되어 있 고， Sn 산화물의 구조가 MgO 보다도 더 열적으로 불안정한 다공성 구조를 가짐으 로 인해서 외부 산소와의 반응을 차단하지 못하기 때문에 Mg-Sn계 합금의 발화저 항성이 매우 열악한 것으로 판단된다. 반면, Mg-8중량 %Sn합금에 A1와 Zn을 첨가 한 비교예 5와 비교예 9의 경우 발화은도가 비교예 1에 비해 증가하였고， 특히 A1의 함량이 증가함에 따라 발화온도 증가량이 큰 것을 확인할 수 있다. 하지만， 그럼에 도 불구하고 비교예 5와 비교예 9의 발화은도는 46CTC 이하로서 여전히 낮은 수준 에 있다.

비교예 ί에 1증량 %의 Ca을 첨가한 비교예 2의 발화온도^ 359 °C 정도로 Ca 첨가 전에 비해 발화온도가 약 80^°C 증가하였다. Mg-Al계 합금에서 Ca 첨가에 따 른 발화온도 상승에 관한 기존 연구에서 AZ31 합금에 1증량 %의 Ca올 첨가하면 발 화온도가 490^°C에서 708^°C로 약 220^°C 증가하는 것에 비해， 표 2에서 Mg— 8Sn 합금 에 동일한 양의 Ca을 첨가한 비교예 2의 발화온도 증가량은 매우 낮은 것을 알 수 있다. 또한， 비교예 2와 유사하게 비교예 5의 Mg-8Sn-lAl-lZn 합금에 Ca를 0.3증 량% 첨가한 비교예 6의 경우도 마찬가지로 Ca 첨가에 따른 발화온도 증가는 약 9 0°C 정도로 크쪄 않다: 이처럼, 일반적으로 마그네슘 합금의 발화쩌항성을 향상시 키는데 가장 효과적인 원소로 알려져 있는 Ca의 첨가로도 Mg-Sn계 합금의 발화온 도는 여전히 낮은수준쎄 머물러 있음을 알 수 있다.

반면, 표 2에서 소량의 Ca과 Y을 복합첨가한 실시예 1과 실시예 3 내지 실 시예 6을 비교예 2과 비교예 6과 비교해 보면， 칼슘 1증량 % 첨가한 비교예 2에 비 해 칼슘의 양을 0.3증량 %로 줄이고 Y을 1중량 % 복합첨가한 실시예 1의 발화온도가 훨씬 증가한 것을 확인할 수 있다. 발화온도의 증가량 역시 Mg-§Sn 합금에 1중 량% Ca만 첨가했을 경우 약 80^°C인 것에 비해 0.3증량 %의 Ca과 1중량 %의 Y을 첨 가한 합금은 약 240^°C의 발화온도 증가가 있었다. 또한， 실시예 1의 발화온도는 520^°C로서 도 3의 균질화 열처리 가능 은도인 50CTC 보다 높다. 표 2의 실시예 3 내지 5를 보면， 실시예 1의 합금에 Al, Zn를 선택적으로 혹은 동시에 첨가할 경우 Ca과 Y의 복합첨가 효과는 보다 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 실시예 5의 발화 온도는 5731：로서 Ca과 Y이 첨가되지 않은 비교예 5에 비해 Ca과 Y의 복합첨가로 인해 200^°C의 발화온도의 상승이 있었다. 실시예 6은 실시예 5에서 Y의 첨가량을 1증량%에서 0.3증량 %로 줄인 합금이며， 실시예 6의 발화온도는 560^°C로 Y 함량의 큰 감소에도 불구하고 발화은도 감소량은 13에 불과해 고가의 원소인 Y 첨가량을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

Y 외에도 희토류 금속원소를 Ca과 복합첨가하여 발화은도 변화를 측정하였 다. 회토류 금속원소 가운데 Sm과 Gd의 경우， 표 2의 비교예 3과 비교예 4에서 볼 수 있듯이 발화온도가 각각 427^°C와 399^°C로 Y의 첨가효과에 비해 Sm과 Gd의 첨 가효과는 크지 않은 것으로 확인되었다. 마찬가지로, 비교예 6과 비교예 7 및 비교 예 8을 비교하면， 오히려 Ca만 첨가된 비교예 ^'6에 비해 Sm 혹은 Gd 첨가에 의해 발화은도가 감소한 결과를 보인다. 따라서 Sm과 Gd의 경우 Mg-Sn계 합금에서 Ca과 함께 첨가하는 원소로 적합하지 않은 것으로 판단된다. 반면， 표 2의 실시예 2와 실시예 7에서 볼 수 있듯이， Ca과 Er을 동시에 첨가할 경우 발화온도 상승은 Ca만 첨가한 합금에 비해 더욱 향상되었다. 따라서， 본 발명의 연구결과에 의하면， Mgᅳ 8Sn 합금의 발화온도는 Ca과 Y 혹은 Ca과 Er을 첨가함에 따라서 발화온도가 520 ^°C 이상으로 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.

Sn와 함량이 5증량 %로 감소하고 A1의 함량이 4증량 %로 증가한 비교예 9의 경우, A1 함량의 증가로 인해 발화온도가 461^°C로 다른 Mgᅳ 8Sn계 합금에 비해 상 대적으로 발화저항성이 우수한 편이지만 여전히 고온 균질화 열처리가 가능한 수준 에는 미치지 못한다. 표 2에서 비교예 9에 Ca와 Y을 첨가한 실시예 8 내지 실시예 11의 발화온도를 살펴보면， 발화온도가 합금의 녹는점 이상으로 향상된 것을 확인할 수 있다. Y의 첨가량을 감소시킴에 따라 발화온도는 점차 감소하는 경향을 보이지 만， 실시예 5와 실시예 6의 비교와 유사하게， Ca과 Y의 함량을 각각 0.3증량 %와 1 중량 %에서 0.15증량 %와 0.2중량 %로 감소시켰을 때 발화온도의 감소량은 약 30°C에 불과하고 발화온도 역시 여전히 합금의 녹는점 이상인 625°C로 우수한 발화저항성 을 보인다.

또한, 표 2에서 A1의 함량을 6증량 %, Zn의 함량이 1중량 %， Mn의 함량이 0.22증량 % 첨가된 합금 (AZ61 합금)에 Sn을 4중량 % 첨가한 비교예 10의 발화온도가 468^°C인 것에 비해， 0.6중량 %의 Ca와 0.3중량 %의 Y을 동시에 첨가할 경우 실시예 12의 발화온도는 719^°C까지 증가하는 것을 확인할 수 있다. 기계적 특성 평가

앞에서 설명한 방법에 의하여 제조된 압출재를 게이지부 길이가 25mm인 ASTM-E— 8M 규격의 sub-size 시편을 제조하였고, 통상의 인장시험기를 사용하여 Ι^χΚΓ³^¹의 변형를로 상은 인장시험을 실시하였다.

도 4내지 도 6은 비교예 9와 실시예 11의 상온인장 특성을 비교해서 보여준 다. 도 6에서 미량의 Ca과 Y의 첨가를 통해서도 실시예 11의 발화온도는 비교예 9 의 발화온도 보다 164^°C 증가한 반¾, 도 4와 도 5에서 인장강도와 연신율은 거의 변화가 없음을 알 수 있다. 이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마그네슘 합금 및 그 제조방법 을 첨부한 도면을 참고로 상세하게 설명하였다. 하지만， 본 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예가 본 발명의 일례를 예시하는 것에 불과하고 다른 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims

[특허청구범위： I

[청구항 1】

4중량 % 내지 10증량 %의 주석 (Sn), 0Ό5중량 % 내지 1.0중량 %의 칼슘 (Ca), 이트름 (Y)과 에르붐 (Er)으로부^ 선택되는 적어도 하나의 원소를 0.1증량 % 내지 2중량 % 함유하고, 나머지는 불가괴한 불순물과 마그네슘으로 이루어지며， 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn상을 포함하며， 48CTC 이상의 온도에서 열처리가 가능한 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 ²】

청구항 1에 있어서， 상기 Sn의 함량은 4.5중량 % 내지 8.5증량 %인 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 3】

청구항 1에 있어서， 상기 칼슘의 함량은 0.05중량 % 내지 으6중량 % 이하인 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 4】

청구항 1에 있어서, 상기 이트름 (Y)과 에르븀 (Er)으로부터 선택되는 적어도 1개 원소의 함량은으1중량 내지 1증량 %인 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 5]

청구항 1 내지 청구항 4증 어느 한 항에 있어서， 상기 마그네슘 합금은 알루미늄 (A1)을 으5중량 % 내지 6.5증량 %로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 6】

청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 아연 (Zn)을 0.1중량 % 내지 3중량 %로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금..

[청구항 7]

청구항 1 내지 청구항 4중 어느 한 항에 있어서， 상기 마그네슘 합금은 망간 (Mn)을 0중량 % 초과 및 0.5증량 % 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 8】

청구항 1 내지 청구항 4^'중 어느 한 항에 있어서， 상기 마그네슘 합금은 발화온도가 500°C 이상인 것을 특징 로 하는 가공용 마그네슘 합금.

[청구항 9】

마그네슘 (Mg); 주석 (Sn); 칼슘 (Ca); 및 이트름 (Y)과 에르봅 (Er) 중 적어도 하나;를 포함하는 합금 용탕을 형성하는 단계;

상기 마그네슘 합금 용탕으로부터 마그네슘 합금 주조재를 형성하는 단계; 상기 마그네슘 합금 주조재를 480°C 이상의 온도에서 균질화 열처리. 하는 단 계; 및

상기 마그네슘 합금 주조 ^'재는 4증량 % 내지 10증량 %의 주석 (Sn); 0.05중량 % 내지 1.0증량 %의 칼슘 (Ca); 이트름 (Y)과 에르붐 (Er)으로부터 선택되는 적어도 하나 의 원소를 αι중량 % 내지 2중량 % 함유하고， 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘 으로 이루어지며， 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn 상을 포함하며， 480°C 이상의 온도 에서 열처리가 가능한 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.

【청구항 10】

마그네슘 (Mg)과 주석 (Sn)을 적어도 포함하는 마그네슘 합금 용탕을 형성하는 단계;

주석 (Sn); 칼슘 (Ca); 및 이트름 (Y)과 에르붐 (Er) 증 적어도 하나;를 포함하는 마그네슘 모합금을 형성하는 단계;

상기 마그네슘 모합금을 상기 마그네슘 합금 용탕에 투입하여 마그네슘 합금 주조재를 형성하는 단계;

상기 마그네슘 합금 주조재를 480°C 이상의 온도에서 균질화 열처리 하는 단 계; 및

상기 균질화 열처리된 마그네슘 합금을 압출， 압연， 단조 인발 중 적어도 하 나의 방법을 이용하여 가공하는 단계를 포함하고， 상기 마그네슘 합금 주조재는 4증량 % 내지 10중량 %의 주석 (Sn); 0.05중량 % 내지 1.0 증량 %의 칼슘 (Ca); 이트름 (Y)과 에르븀 (Er)으로부터 선택되는 적어도 하나 의 원소를 αι중량 % 내지 2증량 % 함유하고， 나머지는 불가피한 불순물과 마그네슘 으로 이루어지며, 열적 안정성이 우수한 Mg₂Sn 상을 포함^'하며， 480°C 이상의 온도 에서 열처리가 가능한 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.

[청구항 11】

청구항 9또는 청구항 10에 있어서， 상기 Sn의 함량은 4.5중량 % 내지

8.5증량 %인 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.

【청구항 12】

청구항 9또는 청구항 10에 있어서， 상기 마그네슘 합금은 알루미늄 (A1)을 0.5증량 % 내지 6.5증량 %로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.

【창구항 13】

청구항 9또는 청구항 10에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 아연 (Zn)을

0.1증량 % 내지 3증량 %로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.

【청구항 14】

청구항 9또는 청구항 10에 있어서， 상기 마그네슘 합금은 망간 (Mn)을 0중량 % 초과 및 0.5증량 % 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가공용 마그네슘 합금의 제조방법.