KR101680041B1 - 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 나머지 마그네슘(Mg) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재를 제공한다.
본 발명에 따른 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재는 필수 합금원소로서 특정 함량 범위의 알루미늄(Al), 주석(Sn) 및 아연(Zn)을 포함하고, 필요에 따라 망간(Mn) 또는 희토류 금속(rare earth metal, RE) 등을 추가로 포함함으로써, 고용 강화 효과 외에 소성 가공 중에 일어나는 동적 재결정을 통한 결정립 미세화, 및 연성 감소에 영향을 주지 않을 정도로 형성되는 동적 석출상(Mg₂Sn 및 Mg₁₇Al₁₂)에 의한 석출 강화 효과에 따라, 강도 및 연성이 모두 우수해 고인성을 가지므로 마그네슘 합금의 적용 범위를 보다 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Description

고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재 및 그 제조방법{Wrought magnesium alloy having high ductility and high toughness and method for preparing the same}

본 발명은 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

마그네슘은 비중이 1.741인 금속으로서 현재 상용되는 금속 재료 중에서 가장 가벼운 금속일 뿐만 아니라 비강도, 치수안정성, 전자파 차폐성, 방열성 등이 우수하여 경량화의 요구가 증대되고 있는 전자기기의 외장재, 수송기기 또는 우주항공용 소재로 각광받고 있다. 그러나, 순수한 마그네슘은 강도 또는 부식성 등의 일반적인 특성이 구조재로 사용되기에 적합하지 못하여 여러 가지 원소를 첨가하여 합금의 형태로 제조해 사용하고 있다.

이러한 마그네슘 합금은 높은 비강도를 갖는 최경량의 합금으로서 다양한 주조 및 가공 공정에 적용이 가능하며 수송기기, 우주항공재료 또는 전자기 부품 등으로 응용범위가 넓다.

하지만, 마그네슘은 결정구조가 조밀육방구조(hexagonal closed packed, HCP)이기 때문에 결정의 구조적 원인에 기인한 낮은 연성으로 인해 상온에서 취성(brittleness)을 가지며, 이에 의해 낮은 성형성을 나타내어 산업 분야에 확대 적용이 어려운 문제점이 있다.

보다 상세히 설명하면, 일반적으로 마그네슘의 소성 변형은 슬립(slip)에 의한 변형 기구가 지배적이므로, 금속의 결정구조 내에 슬립계의 수가 많을수록 소성 변형이 용이하다. 이때, 슬립이란 어떤 금속의 결정이 다른 결정에 대해 일부가 비가역적인 전단 변위가 될 때 소성 변형되는 과정을 말하며, 상기 슬립은 어느 특정 결정면에서 특정 결정 방향으로 일어나며, 물질의 결정구조에 따라 슬립계의 수는 다르다. 예를 들면, 조밀육방구조인 마그네슘은 3개의 슬립계를 가지고, 입방정(cubic)구조의 금속은 12개의 슬립계를 가지므로, 마그네슘은 입방정 구조의 금속과 비교하여 소성 변형이 어렵다.

이에 따라, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 마그네슘 합금의 연성 및 인성을 향상시켜 산업 전반에 적용범위를 확대시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.

일례로, 종래 기술 문헌1인 한국등록특허공보 제10-0513584호에서는 "연성이 우수한 고강도 마그네슘 복합재료와 그 제조방법"에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다.

상기 문헌 1에서는 주조용 Mg-Al계 마그네슘 합금을 기지재로 하고, 강화재로서 기지재와의 반응 없이 금속간 화합물을 생성시키지 않는 금속재질의 와이어가 사용되어, 마그네슘 합금 기지재의 내부에 다수의 금속 와이어가 등간격을 이루면서 동일방향으로 나란한 상태가 되도록 길게 삽입되어 인장강도와 연성이 우수한 주조 마그네슘 복합재료에 관한 기술 내용을 개시하였다.

하지만, 상기 문헌 1에서 제시한 마그네슘 합금은 인장특성이 향상되었으나 연신율이 15%를 넘지 않아 마그네슘 합금의 성형성을 크게 증가시키지 못한 단점이 있다.

또 다른 예로는 종래 기술 문헌 2인 한국공개특허공보 제10-2001-0019353호에서는 "열간 성형성이 우수한 준결정상 강화 마그네슘계 합금"에 관한 기술 내용이 개시된 바 있다.

상기 문헌 2에서는 준결정상과 금속 고용체의 이상영역이 존재하며, 열간 성형성을 갖는 Mg-(1-10 at%)Zn-(0.1-3at%)Y로 이루어져 준결정상과 고용체의 이상영역이 존재하는 Mg-Zn-Y 합금계에서 응고시 금속 고용체 기지 내에 준결정상이 제2상으로 형성됨과 동시에 열간 성형성이 우수하고, 성형 과정을 통하여 준결정상이 작은 입자로 분리되어 금속 기지 내에 분산 강화됨에 따라 강도와 연신율이 우수한 준결정상 강화 마그네슘계 합금에 관한 기술 내용을 개시하였다.

하지만, 상기 합금이 나타내는 우수한 효과는 준결정상의 존재로 인해 나타나는 것으로서, 상기 준결정상의 함량을 증가시키기 위해서는 아연의 양을 증가시켜야 하는 것이 필수적이다. 따라서, 상기 아연의 함량의 증가에 따라 재료의 연성이 낮아지고 제조된 마그네슘 합금의 품질이 부분별로 균일하지 않은 문제가 있을 수 있다. 또한, 고가의 희토류원소인 이트륨의 첨가로 인해 가격이 상승한다는 문제가 있다.

한국등록특허 제10-0513584호 (공개일 : 2002.10.19) 한국공개특허 제10-2001-0019353호 (공개일 : 2004.10.08) 한국등록특허 제10-0570905호 (공개일 : 2005.03.11) 한국등록특허 제10-0994812호 (공개일 : 2010.11.10)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 마그네슘 합금 재료의 강도 감소를 최소화하면서도 연성을 극대화시켜 우수한 인성을 가지는 마그네슘 합금 가공재 및 이의 제조방법의 제공을 그 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재를 제공한다.

또한, 상기 마그네슘 합금은 망간(Mn) 및 희토류 금속(rare earth metal, RE)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 망간(Mn)은 0.05 내지 1.5 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 희토류 금속은 0.05 내지 1.5 중량%로 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이차상(secondary phase)으로서 Mg₂Sn 및 Mg₁₇Al₁₂ 석출상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마그네슘 합금 가공재는 인장강도·연신율의 값이 7,900MPa·% 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 (a) 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금의 용탕을 주조하여 마그네슘 합금 빌렛을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 마그네슘 합금 빌렛을 균질화 열처리하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 균질화 열처리된 마그네슘 합금 빌렛을 열간 또는 온간 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 단계 (a)의 마그네슘 합금 원료는 0.05 내지 1.5 중량%의 망간(Mn) 또는 0.05 내지 1.5 중량% 희토류 금속(rare-earth metal)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (b)에서는 350 내지 500 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 균질화 열처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단계 (c)에서 열간 또는 온간 가공은 압연, 압출 또는 단조로부터 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재는 필수 합금원소로서 특정 함량 범위의 알루미늄(Al), 주석(Sn) 및 아연(Zn)을 포함하고, 필요에 따라 망간(Mn) 또는 희토류 금속(rare earth metal, RE) 등을 추가로 포함함으로써, 고용 강화 효과 외에 소성 가공 중에 일어나는 동적 재결정을 통한 결정립 미세화 및 연성 감소에 영향을 주지 않을 정도로 형성되는 동적 석출상(Mg₂Sn 및 Mg₁₇Al₁₂)에 의한 석출 강화 효과에 따라, 강도 및 연성이 우수해 고인성을 가지므로 마그네슘 합금의 적용 범위를 보다 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명에 따른 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재 제조방법의 각 단계를 나타낸 공정도이다.
도 2는 본원 실시예 2에 따른 마그네슘 합금 압출재의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 이미지(도 2(a)) 및 상기 압출재의 미세 재결정 영역에 대한 SEM 이미지(도 2(b))이다.
도 3은 본원 실시예 2에 따른 마그네슘 합금 압출재의 X선 회절(X-Ray Diffraction, XRD) 분석 결과이다.
도 4는 본원 실시예 1, 본원 실시예 2 및 비교예 1 내지 23에서 제조된 마그네슘 합금 압출재의 인장강도·연신율 값(MPa·%)을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금 가공재는 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al); 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn); 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn); 마그네슘(Mg) 잔부; 및 불가피한 불순물을 포함한 조성을 가지는 마그네슘 합금을 소성 가공하여 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금 가공재에 있어서 상기와 같이 합금 조성을 제한한 이유는 다음과 같다.

알루미늄(Al)

Al은 Mg 기지(matrix) 내에서 최대 고용량이 437 ℃에서 12.6 중량%로서, 마그네슘 합금에 첨가시 열처리를 통하여 미세한 Mg₁₇Al₁₂ 석출상을 형성시켜 석출강화 효과를 증대시키고 또한 고용강화를 통해 합금의 강도를 증가시킬 수 있다. 마그네슘 합금에 Al을 5.0 중량% 미만으로 첨가할 경우, 석출 강화 현상이 감소하여 높은 강도를 기대할 수 없으며, 7.0 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 주조시 형성된 조대한 Mg₁₇Al₁₂ 상의 분율이 과도하여 이를 열처리를 통해 충분히 제거하기 어려우며 가공열처리 이후에도 이러한 조대한 입자가 상당량 조직 내부에 존재하여 기계적 성질의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al을 5.0 내지 7.0 중량%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

주석(Sn)

Sn은 Mg 기지(matrix) 내에서의 최대 고용량이 561 ℃에서 14.5중량%로서, 1.0 중량% 이상 첨가시 열처리를 통하여 미세한 Mg₂Sn 석출상을 형성시켜 시효강화 거동을 나타낸다. 마그네슘 합금에 Sn을 1.0 중량% 미만으로 첨가할 경우, 석출 강화 현상을 거의 기대할 수 없으며, 3.0 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 주조 시 형성된 조대한 Mg₂Sn 상의 분율이 과도하여 이를 열처리를 통해 충분히 제거하기 어려우며 가공열처리 이후에도 이러한 조대한 입자가 상당량 조직 내부에 존재하여 기계적 성질의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 Sn은 1.0 내지 3.0 중량%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금 가공재는 주석(Sn)을 상기한 함량으로 포함함에 따라 가공 중에 열적으로 안정하고 미세한 Mg₂Sn 석출상을 합금 조직 내에 균일하게 다량 형성시킴으로써 석출상에 의해 강한 피닝 효과(pinning effect)가 유도되어 새롭게 생성되는 재결정립의 성장을 억제하는 역할을 할 수 있다. 이렇게 결정립의 성장이 억제되어 마그네슘 합금 조직에 미세한 동적 재결정립이 형성되는데, 이러한 결정립 미세화로 인한 강화 효과가 발생하고, 석출상에 의한 고용 강화 효과로 인해 Mg-Al계 마그네슘 합금 등 기존의 합금에 비해 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.

아연(Zn)

Zn는 마그네슘-주석계 합금에 첨가될 때 Mg₂Sn 상을 미세화하여 석출강화 효과를 증대시키고, 또한, 고용강화를 통해 합금의 강도 증가에 기여하는 것으로 알려져 있다. 마그네슘 합금에 Zn을 0.2 중량% 미만으로 첨가할 경우에는 이러한 효과를 충분히 기대하기 힘들며, 3.0 중량%를 초과하여 첨가할 경우 고상선 온도가 낮아 360 ℃ 이상의 온도에서 균질화 처리가 어려워 균질화 열처리 후에도 조직 내에 조대한 Mg₁₇Al₁₂ 또는 Mg₂Sn 상의 분율이 증가하여 마그네슘 합금의 연신율이 취약해지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서의 Zn은 0.2 내지 3.0 중량%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

기타 불가피한 불순물

본 발명에 따른 마그네슘 합금에는 합금의 원료 또는 제조과정에서 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함할 수 있으며, 본 발명에 따른 마그네슘 합금에 포함될 수 있는 불순물 중에서도 특히, 철(Fe), 구리(Cu) 및 니켈(Ni)은 마그네슘 합금의 내식성을 악화시키는 역할을 하는 성분이다. 따라서, 철(Fe)의 함량은 0.004 중량% 이하, 구리(Cu)의 함량은 0.005 중량% 이하, 니켈(Ni)의 함량은 0.001 중량% 이하를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 마그네슘 합금 가공재는 마그네슘 합금 가공재의 강도 및 내식성을 개선할 수 있도록 아래와 같이 특정 함량의 망간(Mn) 또는 희토류 금속을 더 포함하도록 구성할 수 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 고용강화 뿐 아니라 알루미늄(Al)과 결합하여 다양한 분산입자를 형성하여 합금의 강도 증가에 기여하며 또한 합금의 내식성을 향상시키는 효과도 얻을 수 있다. 마그네슘 합금에 망간(Mn)을 0.05 중량% 미만으로 첨가할 경우 이러한 효과를 기대하기 힘들며, 1.5 중량%를 초과하여 첨가할 경우 750 ℃이하의 온도에서 용탕 내 조대한 망간(Mn) 입자가 형성되어 합금의 기계적 성질의 저하를 초래하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 망간(Mn)을 0.05 내지 1.5 중량%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

희토류 금속(rare-earth metal)

희토류 금속은 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 사마륨(Sm), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 어븀(Er) 또는 토륨(Th) 등을 구체적인 예로 들 수 있으며, 상기한 희토류 금속은 마그네슘 합금의 조직을 미세화시키고 비저면 슬립계를 활성화시켜 제조되는 마그네슘 합금 가공재의 강도 및 연성을 향상시킬 수 있다. 마그네슘 합금에 희토류 금속을 0.05 중량% 미만으로 첨가할 경우 합금의 항복강도가 저하될 수 있으며 가공 경화 효과 및 내식성이 충분하지 않은 문제가 있고, 마그네슘 합금에 희토류 금속이 1.5 중량%을 초과해 첨가할 경우, 금속간 화합물이 과다하여 기계적 성질의 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 희토류 금속을 0.05 내지 1.5 중량%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재를 제조하기 위해, 본 발명은 (a) 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금의 용탕을 주조하여 마그네슘 합금 빌렛을 제조하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 마그네슘 합금 빌렛을 균질화 열처리하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 균질화 열처리된 마그네슘 합금 빌렛을 열간 또는 온간 가공하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다(도 1).

이하, 각 단계를 보다 상세히 설명하도록 한다.

상기 단계 (a)는 상기한 함량 조성으로 알루미늄(Al), 주석(Sn), 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금의 용탕을 주조하여 마그네슘 합금 빌렛을 제조하는 단계이다.

상기한 조성의 마그네슘 합금의 용탕을 제조한 후 이를 금속 몰드에 주입하여 빌렛을 주조할 수 있으며, 상기 단계 (a)의 주조는 상기 마그네슘 합금 용탕은 650 내지 750 ℃로 열처리하여 주조하는 것이 바람직하다. 마그네슘 합금 용탕을 650 ℃ 미만에서 주조하는 경우에는 마그네슘 합금 용탕의 유동도가 낮아 주조가 어려운 문제가 있다. 또한, 마그네슘 합금 용탕을 750 ℃를 초과하여 주조하는 경우에는 마그네슘 합금 용탕이 급격하게 산화되어 주조시 불순물이 혼합될 수 있어 이로부터 제조된 마그네슘 합금 빌렛의 순도가 낮아지는 문제가 있다.

또한, 마그네슘 합금의 용탕은 마그네슘 합금의 원료를 용융하여 제조할 수 있는데, 상기 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 방법은 당업에서 통상적으로 사용하는 방법이라면 이에 한정되지 않으며, 예를 들면, 중력주조, 연속주조, 사형주조 또는 가압주조 등을 사용할 수 있다.

또한, 본 단계에서는 마그네슘 합금 가공재의 인장 강도 및 연신율을 증가시킬 수 있도록 마그네슘 합금 용탕 제조시 전술한 바와 같이 0.05 내지 1.5 중량%의 망간(Mn) 또는 0.05 내지 1.5 중량% 희토류 금속으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원료를 더 포함하도록 구성할 수 있으며, 상기 희토류 금속은 세륨(Ce), 이트륨(Y) 또는 가돌리늄(Gd) 등을 대표적인 예로 들 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 단계에서 상기한 마그네슘 합금의 조성을 제한한 이유는 상기에서 이미 언급한바, 추가적인 설명을 생략하도록 한다.

상기 단계 (b)는 제조된 마그네슘 합금 빌렛을 균질화 열처리하는 단계로서, 균질화 처리는 마그네슘 합금 용탕을 주조하는 과정에서 발생하는 합금원소의 편석으로 인한 불균질한 조직을 개선하고, 마그네슘 합금의 고온 가공성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

균질화 처리 온도의 범위는 마그네슘 합금 빌렛을 구성하는 구성원소의 종류에 따라 당업자가 적절하게 선택할 수 있는데, 상기 마그네슘 합금 빌렛의 균질화 처리는 바람직하게는 350 내지 500 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 열처리 공정을 수행할 수 있으며, 균질화 처리온도가 350 ℃ 미만인 경우에는 마그네슘 매트릭스에 용해되는 주석의 함량이 적어 고온의 소성가공시 동적 석출에 의한 합금의 강화효과가 크지 않은 문제가 있고, 주조 편석부에 생성된 조대한 Mg₂Sn 상이 열처리 과정에서 충분히 제거되지 않아 제조되는 마그네슘 합금의 연성이 저하될 수 있는 문제가 있다. 또한, 균질화 처리온도가 500 ℃를 초과하는 경우에는 마그네슘 합금의 고상선 온도에 비해 열처리 온도가 높아 마그네슘 합금 주조물의 부분적인 용해가 발생하여 가공재의 조직이 불균일해지는 문제가 있다.

그리고, 균질화 처리시간이 0.5시간 미만인 경우에는 마그네슘 합금 빌렛의 합금원소의 확산이 충분히 일어나지 않아 균질화 처리의 효과가 나타나지 않을 수 있고, 균질화 처리를 96 시간을 초과하여 수행되는 경우에는 수행시간 대비 효과의 상승 폭이 크지 않아 경제적이지 않다.

또한, 상기 방법으로 균질화 열처리된 마그네슘 합금 빌렛은 마그네슘 합금 빌렛의 조직을 급속 냉각하는 단계를 더 포함하도록 구성하여 마그네슘 합금 기지에 조대한 Mg₂Sn 상을 석출시킬 수 있도록, 열처리 후 마그네슘 합금 빌렛을 수냉처리하는 방법을 대표적인 예로 들 수 있으나, 이에 제한 받지 않으며 냉각과정에서 가공시 동적석출에 의한 강화효과를 감소시키지 않는 냉각 방법이라면 제한받지 않고 사용할 수 있다.

그리고, 본 단계에서는 균질화 열처리를 수행하기 전에, 급격한 온도 상승으로 인한 2차상의 국부적 융해 현상을 억제하기 위하여 200 내지 300 ℃의 온도범위에서 선예열하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 단계 (c)에서는 상기 단계 (b)에서 균질화 열처리된 마그네슘 합금 빌렛을 열간 또는 온간 가공하는 단계로서, 본 단계에서는 상기 마그네슘 합금 빌렛을 압연, 압출 또는 단조 등으로부터 선택되는 1종 이상의 공지의 소성 가공 방법을 이용하여 열간 또는 온간 가공을 실시한다. 그리고, 마그네슘 합금 빌렛을 압연, 압출 또는 단조로 소성 가공 방법을 제한하지 않으며, 당업에서 통상적으로 사용하는 방법이라면 당업자의 목적에 따라 다양한 방법을 사용할 수 있다.

또한, 마그네슘 합금 빌렛의 가공시 압출을 사용하는 경우에는 예를 들면, 직접압출, 간접압출 및 연속압출등을 이용할 수 있으나, 이 또한 용도 또는 당업자의 목적에 따라 제한없이 사용할 수 있다.

아울러, 마그네슘 합금 빌렛의 가공이 원활하게 이루어질 수 있도록, 200 내지 450 ℃ 이하에서 선예열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 선예열의 온도가 200 ℃ 미만인 경우에는, 균질화한 마그네슘 합금 빌렛의 가공시 과도한 압출력이 소요되어 가공이 수월하게 이루어지지 않는 문제가 있고, 선예열의 온도가 450 ℃를 초과하는 경우에는, 균질화한 마그네슘 합금 빌렛의 가공시 고온으로 인해 마그네슘 합금의 결정이 성장하여 제조되는 마그네슘 합금의 강도가 저하되는 문제가 있어 적절한 온도에서 선예열하는 것이 바람직하다.

나아가, 본 단계에서 가공된 마그네슘 합금 가공재를 시효처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이러한 시효처리는 용매원자 내에 포함되어 있는 용질원자, 예를 들면, 마그네슘 원자 내에 포함되어 있는 마그네슘 이외의 합금 원소들이 결정립계 또는 전위에 석출되면서 전위의 이동을 억제하여 제조되는 마그네슘 합금 가공재의 강도를 더욱 증가시킬 수 있다.

상기 시효처리는 150 내지 250 ℃의 온도범위에서 1 내지 360 시간 동안 수행하는 것이 바람직하며, 150 ℃ 미만에서 시효처리가 수행되는 경우에는 마그네슘 합금이 최대강도에 도달하기까지 걸리는 시간이 길어 경제적이지 않은 문제가 있고, 250 ℃를 초과하는 온도에서 시효처리가 수행되는 경우에는 마그네슘 합금이 최대강도에 도달하기까지 걸리는 시간은 단축될 수 있으나, 고온으로 인해 석출상의 크기가 커지므로 제조되는 마그네슘 합금의 강도가 감소할 수 있다.

또한, 시효처리가 상기 온도범위에서 1 시간 미만으로 수행될 경우에는 시효처리 효과가 충분하지 않은 문제가 있고, 360 시간을 초과하여 수행되는 경우에는 효과 대비 경제적이지 않은 문제가 있기 때문에, 시효처리 온도 및 시간을 적절히 조절하도록 구성하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명에 따른 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재는 필수 합금원소로서 특정 함량 범위의 알루미늄(Al), 주석(Sn) 및 아연(Zn)을 포함하고, 필요에 따라 망간(Mn) 또는 희토류 금속(rare earth metal, RE) 등을 추가로 포함함으로써, 고용 강화 효과 외에 소성 가공 중에 일어나는 동적 재결정을 통한 결정립 미세화, 및 연성 감소에 영향을 주지 않을 정도로 형성되는 동적 석출상(Mg₂Sn 및 Mg₁₇Al₁₂)에 의한 석출 강화 효과에 따라, 강도 및 연성이 우수해 고연성을 가지므로 마그네슘 합금의 적용 범위를 보다 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 더욱 상세히 설명하도록 한다.

제시된 실시예는 본 발명의 구체적인 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

<실시예 1>

단계 1: 본 발명에 따라 하기 표 1의 '실시예 1'에 기재된 조성을 갖는 마그네슘 합금 빌렛을 제조하였다. 압출을 위한 빌렛은 도가니에 순수 마그네슘을 장입한 후 CO₂와 SF₆ 혼합보호 가스 주입하에 730 내지 750 ℃까지 가열하여 용해시킨 후 하기 표 1에 기재된 바와 같이 합금원소들을 첨가하여 약 20분간 유지하여 용탕을 안정화시키고, 용탕의 온도가 720℃ 내지 730 ℃ 가 되었을 때 210 ℃로 예열된 스틸몰드에 부어 주조하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 주조된 빌렛을 420 ℃에서 24 시간 동안 균질화 열처리 후 수냉하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 균질화 열처리된 빌렛을 간접압출기(최대압출력: 500 tonf)를 이용하여 16 ㎜인 봉상으로 압출하여 마그네슘 합금 압출재를 제조하였다(압출조건: 빌렛 및 다이온도 250 ℃, 압출비 25, 램속도 1.0 ㎜/초).

<실시예 2>

단계 1: 본 발명에 따라 하기 표 1의 '실시예 2'에 기재된 조성을 갖는 마그네슘 합금 빌렛을 제조하였다. 압출을 위한 빌렛은 도가니에 순수 마그네슘을 장입한 후 CO₂와 SF₆ 혼합보호 가스 주입하에 730 내지 750℃까지 가열하여 용해시킨 후 하기 표 1에 기재된 바와 같이 합금원소들을 첨가하여 약 20분간 유지하여 용탕을 안정화시키고, 용탕의 온도가 720 내지 730 ℃ 가 되었을 때 210 ℃로 예열된 스틸몰드에 부어 주조하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 주조된 빌렛을 390 ℃에서 24 시간 동안 균질화 열처리 후 수냉하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 균질화 열처리된 빌렛을 실시예 1과 동일한 방법으로 간접압출하여 16 ㎜인 봉상의 마그네슘 합금 압출재를 제조하였다(압출조건: 빌렛 및 다이온도 250 ℃, 압출비 25, 램속도 1.0 ㎜/초).

[표 1]

<비교예 1 내지 비교예 8>

단계 1 : 하기 표 2의 '비교예 1' 내지 '비교예 8'에 기재된 조성을 가지는 마그네슘 합금 빌렛을 각각 제조하였다. 압출을 위한 빌렛은 도가니에 순수 마그네슘을 장입한 후 CO₂와 SF₆ 혼합보호 가스 주입하에 730 내지 750℃까지 가열하여 용해시킨 후, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 합금원소들을 첨가하여 약 20분간 유지하여 용탕을 안정화시키고, 용탕의 온도가 720 내지 730 ℃ 가 되었을 때 210 ℃로 예열된 스틸몰드에 부어 주조하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 주조된 빌렛을 450 내지 500 ℃에서 12 시간 동안 균질화 열처리 후 수냉하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 균질화 열처리된 빌렛을 간접압출기(최대압출력: 500 tonf)를 이용하여 16 ㎜인 봉상으로 압출하여 마그네슘 합금 압출재를 제조하였다(압출조건: 빌렛 및 다이온도 250 ℃, 압출비 25, 램속도 1.3 ㎜/초).

[표 2]

<비교예 9 내지 비교예 16>

단계 1 : 하기 표 3의 '비교예 9' 내지 '비교예 16'에 기재된 조성을 가지는 마그네슘 합금 빌렛을 각각 제조하였다. 압출을 위한 빌렛은 도가니에 순수 마그네슘을 장입한 후 CO₂와 SF₆ 혼합보호 가스 주입하에 730 내지 750℃까지 가열하여 용해시킨 후, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 합금원소들을 첨가하여 약 20분간 유지하여 용탕을 안정화시키고, 용탕의 온도가 720 내지 730 ℃ 가 되었을 때 210 ℃로 예열된 스틸몰드에 부어 주조하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 주조된 빌렛을 390 내지 430 ℃에서 24 시간 동안 균질화 열처리 후 수냉하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 균질화 열처리된 빌렛을 간접압출기(최대압출력: 500 tonf)를 이용하여 11.3 ㎜인 봉상으로 압출하여 마그네슘 합금 압출재를 제조하였다(압출조건: 빌렛 및 다이온도 250 ℃, 압출비 20, 램속도 1.0 ㎜/초).

[표 3]

<비교예 17 내지 비교예 23>

단계 1 : 하기 표 4의 '비교예 17' 내지 '비교예 23'에 기재된 조성을 가지는 마그네슘 합금 빌렛을 각각 제조하였다. 압출을 위한 빌렛은 도가니에 순수 마그네슘을 장입한 후, CO₂와 SF₆ 혼합보호 가스 주입하에 730 내지 750℃까지 가열하여 용해시킨 후, 하기 표 1에 기재된 바와 같이 합금원소들을 첨가하여 약 20분간 유지하여 용탕을 안정화시키고, 용탕의 온도가 720 내지 730 ℃ 가 되었을 때 210 ℃로 예열된 스틸몰드에 부어 주조하였다.

단계 2: 상기 단계 1에서 주조된 빌렛을 440 내지 480 ℃에서 24 시간 동안 균질화 열처리 후 수냉하였다.

단계 3: 상기 단계 2에서 균질화 열처리된 빌렛을 간접압출기(최대압출력: 500 tonf)를 이용하여 16 ㎜인 봉상으로 압출하여 마그네슘 합금 압출재를 제조하였다(압출조건: 빌렛 및 다이온도 250 ℃, 압출비 25, 램속도 1.0 ㎜/초).

[표 4]

<실험예 1> 본원 실시예 2에서 제조된 마그네슘 합금 압출재의 미세구조 분석

실시예 2에서 제조된 ATZ622 압출재의 미세구조 관찰 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2(a)는 실시예 2에서 제조된 ATZ622 압출재의 전계방사형 주사 전자 현미경(FE-SEM)을 이용해 촬영된 이미지로서, 도 2(a)에 나타난 바와 같이, ATZ622 압출재에는 대략 1.5 ㎛의 결정립 크기를 가지는 미세 재결정 영역(fine DRXed region)과 대략 9 ㎛의 결정립 크기를 가지는 상대적으로 큰 크기의 조대 재결정 영역(coarse DRXed region)으로 이루어져 있는 것을 확인할 수 있다.

그리고, 도 2(b)는 실시예 2에서 제조된 ATZ622 압출재의 미세 재결정 영역에 대한 FE-SEM 이미지로서, 도 2(b)에 따르면 실시예 2에서 제조된 ATZ622 압출재의 미세 재결정 영역에는 수많은 미세 석출물이 결정립계와 결정립 내에 분산되어 있으며, 이러한 수많은 미세 석출물 입자들은 소성 변형 동안 전위의 이동을 방해하는 석출 강화 또는 분산 강화 효과를 가져온다.

한편, 도 3은 본원 실시예 2에서 제조된 ATZ622 압출재에 대한 XRD 분석 결과로서, 도 3으로부터 상기 미세 석출물 입자들은 Mg₂Sn 또는 Mg₁₇Al₁₂으로 이루어졌음을 확인할 수 있다.

<실험예 2> 본원 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 23에서 제조된 마그네슘 합금 압출재의 기계적 물성 분석

본원 실시예 1 및 2와 비교예 1 내지 23의 각각에 따라 제조된 마그네슘 합금 압출재의 인장 특성을 확인하기 위해서, 제조된 마그네슘 합금 압출재를 가공하여 얻어진 게이지 직경 6mm, 게이지 길이 25mm를 가지는 인장 시험편에 대해 INSTRON 4206 시험기를 이용하여 상온에서 0.001/초의 변형률 속도로 인장 시험을 수행하였으며 그 결과를 상기 표 1 내지 4 및 도 4에 나타내었다.

표 1 내지 4에서 알 수 있는 것처럼, 본원 실시예 1 및 2에 따라 제조된 마그네슘 합금 압출재는 300 MPa를 초과하는 인장 강도 및 25%를 초과하는 연신율을 나타내, 비교예 1 내지 23의 마그네슘 합금 압출재와 비교해 고인성 및 고연신율을 동시에 구비함을 알 수 있다.

한편, 도 4는 본원 실시예 1-2 및 비교예 1-23의 각각에 따라 제조된 마그네슘 합금 압출재에 대한 인장강도·연신율 값(MPa·%)을 나타낸 그래프이다.

일반적으로, 금속재료는 연신율이 커지면 인장강도가 작아지고, 인장강도가 커지면 연신율이 작아지는 경향이 있는데, 이러한 상반된 경향을 보이는 인장강도와 연신율을 서로 곱한 값인 인장강도·연신율 값(MPa·%)은 금속재료가 가지는 인장특성을 강도 및 연성의 두 가지 관점에서 비교할 수 있는 값으로서, 상기 인장강도·연신율 값이 클수록 우수한 인장특성을 가지는 것으로 판단할 수 있으며, 상기 값은 금속재료가 파단되는 동안에 흡수할 수 있는 에너지양과 비례하므로 그 값이 클수록 우수한 인성을 가지는 것으로 판단할 수 있다.

도 4에 따르면 본원 실시예 1 및 2에 따른 마그네슘 합금 압출재의 인장강도·연신율 수치는 적어도 7900 MPa·%인 반면, 비교예 1 내지 23의 마그네슘 합금 압출재의 인장강도·연신율 수치는 최대 약 6200 MPa·%에 불과해, 본 발명에 따른 마그네슘 합금 가공재는 종래의 마그네슘 합금 가공재에 비해 강도가 크게 저하되지 않으면서도 연성이 크게 증가되어 훨씬 향상된 인성을 나타냄을 알 수 있다.

Claims (10)

1. 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도·연신율의 값이 7,900 MPa·% 이상인 것을 특징으로 하는 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마그네슘 합금은 0.05 내지 1.5 중량%의 망간(Mn) 및 0.05 내지 1.5 중량%의 희토류 금속(rare earth metal, RE)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 가공재.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   이차상으로 Mg₂Sn 및 Mg₁₇Al₁₂ 석출상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 가공재.
6. 삭제
7. (a) 5.0 내지 7.0 중량%의 알루미늄(Al), 1.0 내지 3.0 중량%의 주석(Sn), 0.2 내지 3.0 중량%의 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 잔부 및 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금의 용탕을 주조하여 마그네슘 합금 빌렛을 제조하는 단계;
   (b) 상기 단계 (a)에서 제조된 마그네슘 합금 빌렛을 균질화 열처리하는 단계; 및
   (c) 상기 단계 (b)에서 균질화 열처리된 마그네슘 합금 빌렛을 열간 또는 온간 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항에 기재된 고연성 및 고인성의 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 단계 (a)의 마그네슘 합금 원료는 0.05 내지 1.5 중량%의 망간(Mn) 또는 0.05 내지 1.5 중량% 희토류 금속(rare-earth metal)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
9. 제 7항에 있어서,
   상기 단계 (b)에서는 350 내지 500 ℃에서 0.5 내지 96 시간 동안 균질화 열처리하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
10. 제 7항에 있어서,
    상기 단계 (c)에서 열간 또는 온간 가공은 압연, 압출 또는 단조로부터 선택되는 1종 이상의 방법을 이용하여 수행하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.

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