KR100452263B1 - 고강도 마그네슘 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘-아연(Mg-Zn) 이원계 합금에 새로운 합금원소 첨가에 따른 합금 개량화를 달성하는데 있어서, 새로운 조직 미세화 및 강화기구의 도입으로 기존 방식보다 제조원가 측면에서 유리한 새로운 마그네슘 합금을 얻을 수 있는 고강도 마그네슘 합금에 관한 것이다. 본 발명은 불가피한 불순물 및 마그네슘을 포함하여 구성하는 고강도 마그네슘 합금에 있어서, 상기 마그네슘 합금을 이루는 3.0∼10.0wt.%의 아연(Zn)과; 상기 마그네슘 합금에 첨가되어 압출상태에서 결정립 미세화를 통한 강도향상을 이루는 0.25∼4.0wt.%의 망간(Mn)과; 상기 마그네슘 합금에 첨가되어 침상 석출상의 크기를 줄이고 밀도를 증가시켜 추가적인 강도향상을 달성하는 0.05∼0.3wt.%의 티탄(Ti)과; 1.0∼5.0wt.%의 인듐(In)을 포함하여 구성한다.

Description

고강도 마그네슘 합금{STRENGTHENING WROUGHT MAGNESIUM ALLOY}

본 발명은 차량 부품에 사용되는 마그네슘 합금에 관한 것으로서, 특히 고강도 마그네슘 합금에 관한 것이다.

통상적으로, 마그네슘 합금은 밀도가 1.8 g/㎤ 정도이며, 초경량 구조용 재료로서 연비향상 요구가 증대되는 차량 산업의 경량화 소재 측면에서 중요한 위치를 점하고 있다.

특히, 차량 부품에 사용되는 마그네슘 합금은 구조적 안전성 확보를 위하여구조용 재료로서의 일정 수준 이상의 고강도를 가져야 한다.

이를 위하여 주조용 마그네슘 합금이 가지는 강도향상의 한계를 극복하기 위하여 압출, 압연, 단조 등의 가공 공정을 통하여 강도 및 연성을 향상시킬 수 있는 가공용 합금의 개발이 이루어져 왔다.

특히, 마그네슘-아연(Mg-Zn)계 합금은 마그네슘 합금 중에서 시효강화 효과가 가장 우수하고 시효처리 후에 고강도와 고연성의 조합을 얻을 수 있어 구조용 재료로서 각광을 받고 있다.

그러나 아연(Zn) 첨가에 따라 주조 시 미소 기공의 생성이 용이하고, 합금원소 첨가 및 과열처리 등을 통한 결정립 미세화가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 지금까지 이를 극복하기 위하여 지르코늄(Zr), 희토류금속, 토륨(Th), 구리(Cu) 등의 새로운 합금원소를 첨가하는 연구들이 진행되어 왔지만, 합금원소 첨가가 어렵고 주로 고가의 합금원소가 사용됨으로써 원가가 상승한다는 등의 문제점을 가지고 있어 본격적인 고강도 재료로의 적용에 한계가 있었다.

또한, 고합금화를 위한 급속 응고법이 적용되기도 하지만 공정 특성상 높은 제조단가를 극복할 수 없었고, 아울러 복합재료 형태의 합금들이 개발되었지만 낮은 연신율로 인하여 적용범위가 매우 국한되었다.

마그네슘 합금이 그 경량화의 장점으로 인하여 차량 파워 트레인 부품 및 더 나아가 후드(Hood), 트렁크 리드(Trunk Lid), 도어(Door) 등의 내외판재로의 적용범위가 확대되고 있는 현실에서, 안전성을 확보하기 위한 재료의 기본적인 강도 및 연성 확보가 절실히 요구되는데, 가공용으로 적용하기 위한 마그네슘-아연(Mg-Zn)계 합금에서 이들에 대한 종래 기술이 미미한 실정이다.

본 발명의 목적은 마그네슘-아연(Mg-Zn) 이원계 합금에 새로운 합금원소 첨가에 따른 합금 개량화를 달성하는데 있어서, 새로운 조직 미세화 및 강화기구의 도입으로 기존 방식보다 제조원가 측면에서 유리한 새로운 마그네슘 합금을 얻을 수 있는 고강도 마그네슘 합금을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금 압출재의 미세구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금의 석출상 분포를 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금의 시효경화거동을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금과 기존 상용 합금과의 상온강도를 비교하여 나타낸 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 불가피한 불순물 및 마그네슘을 포함하여 구성하는 고강도 마그네슘 합금에 있어서, 상기 마그네슘 합금을 이루는 3.0∼10.0wt.%의 아연(Zn)과; 상기 마그네슘 합금에 첨가되어 압출상태에서 결정립 미세화를 통한 강도향상을 이루는 0.25∼4.0wt.%의 망간(Mn)과; 상기 마그네슘 합금에 첨가되어 침상 석출상의 크기를 줄이고 밀도를 증가시켜 추가적인 강도향상을 달성하는 0.05∼0.3wt.%의 티탄(Ti)과; 1.0∼5.0wt.%의 인듐(In)을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명 및 첨부 도면과 같은 많은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예는 3.0∼10.0wt.%의 아연(Zn)과, 0.25∼4.0wt.%의 망간(Mn)과, 0.05∼0.3wt.%의 티탄(Ti)과, 1.0∼5.0wt.%의 인듐(In)과 불가피한 불순물 및 마그네슘으로 구성되는 나머지로 이루어지는 고강도 마그네슘 합금을 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예는 마그네슘 용탕에 망간(Mn)을 첨가하는데 있어서 아연-망간(Zn-Mn) 모합금 형태로 첨가하는 상기 고강도 마그네슘 합금의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 고강도 마그네슘 합금은 마그네슘 용탕에 아연(Zn) -10∼20wt.%의 망간(Mn) 모합금과 티탄(Ti)과 인듐(In)을 670~720℃에서 첨가하고, 교반자를 이용하여 5분간 용탕을 교반하고, 660~670℃까지 노냉한 후 아연(Zn)을 첨가한 후 다시 5분간 용탕을 교반하여 주조재로 만들어진다.

합금의 용해시 CO2 + 0.5% SF6(SF6 ; Sulphur Hexafluoride)혼합가스를 2 l/min.의 유량으로 용탕 표면에 도포시키는 무용제 용해법에 의하여 용탕표면을 보호하였으며, 스틸(Steel) 도가니를 이용하였다.

바람직하게는 상술한 바와 같이 만들어진 주조재를 그 후 340∼410℃에서 6∼12시간 균질화 처리하여 합금원소 편석 등에 의한 주조재의 조직 불균일성을 제거할 수 있다.

본 발명에서 합금원소의 조성범위가 상술한 바와 같이 제한되는 이유는 다음과 같다.

아연(Zn): 3.0 ~ 10.0wt.%

아연(Zn)은 마그네슘(Mg) 기지 내에 최대 고용한이 340℃에서 6.2wt.%로서,3.0wt.% 이상 첨가시 열처리를 통하여 침상 석출상을 형성시켜 시효강화 거동을 나타낸다.

일반적으로 고용한을 기준으로 그 첨가량을 정하고 있으며, 최대 고용한에 가까운 대략 5.0∼7.0wt.% 첨가시 시효강화 거동을 극대화시킬 수 있다.

3.0wt.% 미만 첨가할 경우, 이는 일반적인 시효 온도에서 고용한 미만에 해당함으로 인하여 석출상의 생성이 미약하여 석출강화 현상을 거의 기대할 수 없으며, 10.0wt.% 이상 첨가할 경우에는 결정립계에 조대한 평형상의 석출이 조장되어 기계적 성질의 저하를 가져올 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에서 아연(Zn)의 첨가범위는 3.0~10.0wt.%로 제한된다.

망간(Mn): 0.25 ~ 4.0wt.%

망간(Mn)은 마그네슘(Mg) 기지 내에 최대 고용한이 마그네슘(Mg)의 용융점인 650℃에서 2.2wt.% 정도로, 온도저하에 따라 고용한이 급격히 저하하여 마그네슘 (Mg) 기지 내에 alpha -Mn 형태로 존재한다.

일반적으로 상용 마그네슘(Mg) 합금에서는 망간(Mn)이 0.1 wt.% 이상 첨가되어 내식성 향상에 기여하는 것으로 알려져 있으며, 내식성 이외의 목적, 예를 들어 결정립 미세화에 의한 강도향상을 목적으로 첨가되는 경우, 0.25~4.0wt.% 첨가시 합금의 강도향상에 기여한다.

즉, 일차적으로 기지 내에 alpha -Mn 형태로 존재하는 망간(Mn)은 합금의 응고 시에 결정립의 핵 생성 위치로 작용함과 아울러 주조재를 압출 등에 의하여가공할 때 발생하는 동적 재결정의 핵 생성 위치로 작용하여 결정립 미세화 효과를 얻을 수 있다.

아울러 부가적으로 망간(Mn) 첨가를 통하여 용체화 처리후 시효 처리시 이원계 마그네슘-아연(Mg-Zn) 합금의 석출상을 미세화 시켜 강도 향상 및 연신율 향상의 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에서 합금의 강화를 목적으로 망간(Mn)을 첨가한 바, 최소 첨가량을 0.25wt.%로 설정하였다.

한편 망간(Mn)의 최대 고용한과 합금의 제조공정을 고려할 때 4.0wt.% 이상 다량의 망간(Mn) 첨가는 일반적인 용해 공정으로는 첨가하기 곤란하여 최대 첨가량은 4.0wt.%로 설정하였다.

결국, 본 발명의 실시예에서 망간(Mn)의 첨가범위는 0.25~4.0wt.%로 제한된다.

티탄(Ti): 0.05 ~ 0.3wt.%

티탄(Ti)은 마그네슘(Mg) 기지 내에 최대 고용한이 마그네슘(Mg)의 용융점인 650℃에서 0.2wt.% 정도이며 상온에서는 고용한이 거의 존재하지 않는다.

특히, 티탄(Ti)은 마그네슘-티탄(Mg-Ti) 이원계 상태도 상에서 전 조성범위에 걸쳐 어떠한 화합물도 형성하지 않으면서 마그네슘(Mg) 기지 내에 alpha -Ti 형태로 존재하는 특징을 가지고 있다.

본 발명의 실시예에서 티탄(Ti)은 일반적으로 합금 제조 시에 석출상의 미세화를 위하여 극소량 첨가하는 '트레이스(Trace) 원소'의 역할을 위하여 첨가하였다.

즉, 일반적으로 고강도 합금으로 사용되는 알루미늄-구리(Al-Cu) 합금에서 주된 석출상인 침상의 theta '은 비스무트(Bi), 카드뮴(Cd), 주석(Sn)을 0.3wt.% 미만으로 극소량 첨가하여 미세화 시킬 수 있으며, 이때 첨가되는 극소량의 합금원소를 '트레이스(Trace) 원소'라하고 이들은 모두 알루미늄(Al)과의 이원계 상태도 상에서 전 조성범위에 걸쳐서 화합물을 생성하지 않는 특성을 가지고 있다.

따라서, 본 발명에서는 마그네슘-아연(Mg-Zn)계 합금에서의 주된 강화상인 침상의 beta '을 같은 원리에 의하여 미세화 시키기 위하여 티탄(Ti)을 소량 첨가하였으며, 그 최소량은 첨가 효과를 나타내는 최소치인 0.05wt.%로 정하였고 최대량은 고용한 및 다른 합금원소와의 화합물 형성 경향을 실험적으로 검토하여 0.3wt.%로 정하였다.

결국, 본 발명의 실시예에서 티탄(Ti)의 첨가범위는 0.05~0.3wt.%로 제한된다.

인듐(In): 1.0 ~ 5.0wt.%

인듐(In)은 마그네슘(Mg) 기지 내에 최대 고용한이 334℃~484℃의 온도범위에서 대략 53wt.%이고 상온에서도 35wt.% 이상 다량의 고용한을 가진다.

이렇듯 고용도가 높은 인듐(In)은 치환형 원소로서 마그네슘(Mg) 기지 내에 존재하며, 이때 인듐(In)은 마그네슘(Mg)보다 원자반경이 대략 4.4% 정도 크기 때문에 효과적인 고용강화 원소로 작용한다.

본 발명의 실시예에서는 이러한 인듐(In)의 특성을 이용하여 고용강화에 의한 마그네슘-아연(Mg-Zn) 합금의 강화를 위하여 인듐(In)을 첨가하였으며, 실험을 통하여 고용강화 효과를 얻을 수 있는 최소 첨가량은 1.0wt.%로 정하였고, 인듐(In) 이외에 첨가되는 합금원소와의 화합물 형성 경향을 고려하여 최대 첨가량을 5.0wt.%로 정하였다.

결국, 본 발명의 실시예에서 인듐(In)의 첨가범위는 1.0~5.0wt.%로 제한된다.

본 발명의 실시예에서는 이렇게 개발된 합금 주조재를 대상으로 가공재를 제조한다.

주조재를 300∼400℃에서 30분∼2시간 동안 예열한 후 같은 온도 구간에서 압출, 압연, 단조, 스웨이징(Swaging) 및 인발 등의 가공을 수행하는 것이 바람직하다.

일반적으로 마그네슘 합금은 상온에서 가공성을 확보할 수 없으므로, 건전한 가공재를 얻기 위하여 고온 가공을 행하게 되며, 상기 가공 온도는 실험을 통하여 가공재의 건전성을 확보할 수 있는 범위에서 설정되었다.

본 발명에서는 개발된 합금의 가공 방법으로서 압출방식을 택하였다.

압출 조건으로는 압출비 25 : 1, 압출 다이각 180도, 램속도(Ram Speed) 2.5 cm/min.을 적용하였으며, 압출전 빌렛은 350℃에서 1시간 동안 예열하였고 압출기 컨테이너 및 다이는 빌렛의 예열온도와 같은 350℃로 설정하였다.

이러한 압출공정 온도는 압출 후 마그네슘-아연(Mg-Zn) 석출상의 석출강화 효과를 얻을 수 있고, 첨가된 망간(Mn)이 압출공정 중에 용이하게 동적 재결정의핵 생성 위치로 작용할 수 있도록 실험을 통하여 설정되었다.

제조된 가공재를 대상으로 먼저 340∼410℃에서 6∼12시간 동안 용체화처리를 행하는 것이 바람직하다.

아울러 용체화처리 후에 70∼100℃에서 24∼96 시간동안 1차 시효 처리를 행한 후, 곧바로 150∼180℃에서 48시간 이상 2차 시효 처리를 행하는 것이 바람직하다.

이러한 열처리는 마그네슘-아연(Mg-Zn)계 합금에서 주된 석출상인 beta '상이 강화에 기여하는 효과를 극대화시키기 위함이다.

본 발명에서 용체화처리 조건은 가공재를 대상으로 한 경도측정 실험을 통하여 선정하였다.

또한 1차 시효 처리 온도 구간은 일반적으로 알려진 beta '상의 지피 존(G.P. Zone) 온도보다 약간 낮은 구간인 70∼100℃으로 제한하였으며, 시효 처리 시간은 경도 측정을 통하여 지피 존(G.P. Zone) 형성을 통한 일정 정도의 경도 향상을 기대하기에 충분한 구간으로 설정하였다.

한편, 본 발명의 실시예에서 2차 시효 처리 온도 구간은 150∼180℃로 설정하였는데, 150℃ 미만의 온도에서는 최대 경도에 도달하는데 많은 시간을 요구하여 공정상의 문제점을 유발하며, 180℃를 초과하는 온도에서는 최대 경도에는 빨리 도달하지만 최대경도가 저하되게 된다.

본 발명의 실시예에서는 압출재를 400℃에서 8시간 동안 용체화 처리한 후에, 곧바로 70℃에서 48시간 동안 1차 시효 처리를 행하고 이를 다시 2차 시효 처리로서 150℃에서 96시간 동안 시효 처리를 행하였다.

본 발명의 실시예에서는 이러한 열처리상태를 "T6D"라 명명하였다.

이러한 열처리 과정에서 첨가된 망간(Mn)은 결정립 미세화 효과 이외의 부가적인 효과로서 석출상 미세화 효과를 나타내며, 소량 첨가한 티탄(Ti)은 석출상 미세화 효과를 나타낸다.

아울러 첨가된 인듐(In)은 기지 내에 고용되어 고용강화 효과를 나타내며 다른 합금원소와 화합물을 형성하지는 않았다.

이상 발명의 구성 내용 및 효과를 실시예를 통하여 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예는 마그네슘(Mg)-6.0wt.% 아연(Zn) 합금으로 합금원소 첨가의 효과를 보여주기 위한 기본합금에 해당한다.

또한, 본 발명의 제2 실시예는 마그네슘(Mg)-6.0wt.% 아연(Zn)-1.0wt.% 망간(Mn) 합금으로 망간(Mn) 첨가의 효과를 살펴보기 위한 합금이다.

본 발명의 제3 실시예는 제2 실시예에 추가적으로 0.1wt.%의 티탄(Ti)을 첨가한 합금이고 본 발명의 제4 실시예는 본 발명의 제3 실시예에 추가적으로 3.0wt.%의 인듐(In)을 첨가한 합금에 해당한다.

도 1은 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금 압출재의 미세구조를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 제1 실시예의 합금에 1.0wt.% 망간(Mn)을 첨가한 제2 실시예 합금에서 압출 후에 결정립 크기가 22㎛에서 12㎛으로 현저히 감소하고 있음을 알 수 있으며, 이를 통하여 가공용 마그네슘-아연(Mg-Zn) 합금에의 망간(Mn) 첨가를 통하여 가공재의 결정립 크기를 효과적으로 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금의 석출상 분포를 나타내는 주사전자현미경 사진을 보여준다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 제2 실시예에 해당하는 마그네슘-아연-망간(Mg-Zn-Mn) 삼원계 합금에 '트레이스(Trace) 원소'로서 소량의 티탄(Ti)을 첨가함으로써 주된 석출상인 침상의 beta '상을 효과적으로 미세화 시킬 수 있음을 알 수 있으며, 이를 통하여 전술한 티탄(Ti) 첨가 목적 달성 여부를 확인할 수 있다.

또한, 도 3은 본 발명에 따라 제조된 마그네슘 합금의 시효경화거동을 나타낸다.

제조된 압출재를 대상으로 용체화처리 후 1차 시효처리를 행하고 이를 다시 2차 시효처리를 행하면서 각 합금에 대한 시간에 따른 경도변화를 측정하였다.

도 3을 참조하면 본 발명에 따른 제2 실시예 합금에 티탄(Ti)을 첨가하여 석출상을 미세화시킨 제3 실시예 합금의 경도가 현저히 증가하고 있고, 아울러 제3 실시예 합금에 고용강화를 목적으로 추가적으로 3.0wt.% 인듐(In)을 첨가한 제4 실시예 합금에서 경도가 더욱 향상됨으로써 본 발명에서 합금 개량화 원소로 첨가한 티탄(Ti)과 인듐(In)의 효과를 확인할 수 있다.

이상에서 언급한 본 발명에 따른 실시예 합금들의 상온 인장강도를 기존 상용 합금을 비교재로 비교하여 도 4에 나타내었다.

도 4를 참조하면, 전술한 도 3의 시효경화거동 결과와 부합하게 티탄(Ti)과인듐(In)을 첨가함으로써 상온 강도를 향상시킬 수 있으며 동시에 우수한 연신율을 확보하여 고강도/고인성의 조합을 가지는 새로운 가공용 마그네슘 합금을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.

또한, 이렇게 제조한 합금과 비교재 1∼3과의 비교를 통하여 본 발명에서 제조한 합금이 기존 상용합금에 필적할만한 강도 및 우수한 연신율을 가지고 있음을 알 수 있다.

결국 본 발명을 통하여 마그네슘-아연(Mg-Zn) 이원계 마그네슘 합금에, 기존에 첨가가 어려웠던 망간(Mn)을 아연-망간(Zn-Mn) 모합금 형태로 보다 용이하게 첨가하여 결정립 미세화 효과를 얻고, 추가적으로 석출상 미세화에 의한 강화 및 고용강화를 목적으로 티탄(Ti)과 인듐(In)을 첨가하며, 이러한 합금 가공재를 적절히 열처리함으로써 가공용 마그네슘 합금의 강도를 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 고강도 마그네슘 합금은 마그네슘-아연 (Mg-Zn) 이원계 합금에 망간(Mn)을 첨가하고 추가적으로 티탄(Ti) 또는 티탄(Ti)과 인듐(In)을 첨가하여 상온 강도가 현저히 향상되고 더불어 신율이 개선된 새로운 가공용 마그네슘 합금을 제공할 수 있다.

이러한 가공 및 열처리 상태에서의 우수한 강도 및 연성의 조합은 망간(Mn) 첨가에 따라 가공재의 결정립이 현저히 미세화 되고, 아울러 티탄(Ti) 첨가에 의하여 마그네슘-아연(Mg-Zn)계 합금에서 주된 강화상인 침상의 beta '상이 미세화 되며, 또한 인듐(In) 첨가에 의하여 추가적으로 고용강화 효과를 얻을 수 있음에 기인한다.

본 발명을 통하여 마그네슘 합금을 차량 파워 트레인 부품 및 내외판재로의 적용시 요구되는 고강도 및 고인성이 확보된 새로운 가공용 마그네슘 합금을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 불순물 및 마그네슘을 포함하여 구성하는 고강도 마그네슘 합금에 있어서,

   상기 마그네슘 합금을 이루는 3.0∼10.0wt.%의 아연(Zn)과;

   상기 마그네슘 합금에 첨가되어 압출상태에서 결정립 미세화를 통한 강도향상을 이루는 0.25∼4.0wt.%의 망간(Mn)과;

   상기 마그네슘 합금에 첨가되어 침상 석출상의 크기를 줄이고 밀도를 증가시켜 추가적인 강도향상을 달성하는 0.05∼0.3wt.%의 티탄(Ti)과;

   1.0∼5.0wt.%의 인듐(In)을 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 고강도 마그네슘 합금.