KR101481909B1 - 마그네슘 합금의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네슘 합금의 제조 방법에 관한 것으로, 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계를 포함하여, 높은 강도와 연성을 갖는 마그네슘 합금을 낮은 비용으로 제조할 수 있다.

Description

마그네슘 합금의 제조 방법 {MANUFACTURING METHOD OF MAGNESIUM ALLOY}

본 발명은 강도와 연성이 향상된 마그네슘 합금을 제조하는 기술에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 배기 가스로 인한 환경 문제와 화석연료의 고갈에 따라 국제적으로 자동차, 항공기 등의 운송기기 분야에서 연비향상 등의 목적으로 점차 재료의 경량화가 요구되고 있다. 현재는 경량 구조재로 알루미늄 합금이 주로 사용되고 있으나, 알루미늄 합금보다 35% 이상 가볍고 강도 및 굽힘 탄성율 등이 우수한 마그네슘 합금도 경량 구조재로 사용되고 있으며, 10년간 마그네슘 합금의 사용량은 매년 12% 이상 증가되어 왔다. 특히 자동차 및 항공기 등의 운송기기 분야의 경량화에 큰 비중을 차지하는 동력전달부품은 고강도 및 내열성을 갖추어야 하며 이 조건이 만족되는 마그네슘 합금이 사용되면 그 파급효과는 상당히 클 것이다.

구체적으로, 마그네슘-알루미늄-주석 합금 판재는 자동차, 항공기 등의 운송기기 분야에서 다양한 용도로 사용되고 있다.

최근, 마그네슘-알루미늄-주석 합금 판재는 강도, 내열성, 내식성 및 연성을 향상시키기 위한 연구들이 진행 중에 있으며, 예를 들어, 대한민국등록특허 제0600156호와 같이 열처리 공정을 추가하여, 강도를 보강하거나, 대한민국등록특허 제0757586호와 같이 생산 공정을 최적화함으로써, 제조 비용을 절감시킬 수 있는 제조 방법에 대한 기술이 제시되어 있다.

그러나 종래의 방법들은 별도의 열처리 공정으로 인한 제조비용이 많이 소요됨은 물론, 공정이 복잡하고 효율적이지 못하였으며, 강도와 연성을 모두 만족시키지는 못하였다. 또한, 중심 편석이 발생하거나, 전단띠(Shear band)의 형태가 불균일하게 되어 소성변형이 어려운 문제점이 있다. 즉, 조대한 결정립과 미세한 결정립이 혼재되어 연성 면에서 좋지 않다는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제0600156호 대한민국 공개특허 제0757586호

본 발명의 목적은 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계를 도입하여 마그네슘 합금의 제조 방법을 제공하고, 이를 통해, 높은 강도와 연성을 갖는 마그네슘 합금을 제공하는 것이다.

본 발명은 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금의 제조 방법을 제공한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계를 도입하여, 강도, 연성 및 경제성 면에서 모두 우수한 마그네슘 합금을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 균질화 열처리 온도 및 시간을 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 마그네슘 합금의 응력-변형률 곡선 (Stress-strain curve)을 도시한 그래프이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 하나의 실시예 및 비교예에 따른 마그네슘 합금의 전자현미경 사진이다.

본 발명은 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금의 제조 방법을 제공한다.

본 발명에서 용융 금속은 마그네슘을 주성분으로 하는 마그네슘 합금 조성물이면 특별히 제한을 두지 않으나, 예를 들어, 마그네슘(Mg)을 주 성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 100 중량부에 대하여, 알루미늄(Al) 2.7 내지 3.1 중량부, 주석(Sn) 2.6 내지 3 중량부와 기타 불가피한 불순물로 구성된 물질을 함유한 마그네슘 합금을 판상(板狀) 또는 괴상(塊狀)으로 주조한 것을 사용할 수 있다. 이때, 마그네슘(Mg)은 상기 범위일 때 기계적 물성을 향상시킬 수 있고, 편석의 발생을 줄일 수 있으며, 알루미늄(Al)은 상기 범위일 때, 강도를 향상시킬 수 있고, 편석의 발생을 줄일 수 있으며, 주석(Sn)은 상기 범위일 때 높은 내열성 및 강도를 유지시킬 수 있고, 인장쌍정을 쉽게 유발시켜 성형성을 높일 수 있으며, 편석을 최적으로 줄일 수 있다.

특히, 상기 용융 금속은 수평식 쌍롤 연속 주조법에 의해 제조될 수 있다. 이때, 롤 온도는 100℃ 이하로 하고, 주조된 주조물(주조판)의 두께가 4mm 내지 6mm가 되도록 행해질 수 있으며, 급랭을 통해 평균 결정 입경이 30μm이하의 작은 주조판을 사용할 수 있다.

또한, 롤 압하력(RSF)은 0.7 ton 이상일 수 있고, 0.7 ton 내지 1.5 ton, 0.7 ton 내지 0.85 ton, 또는 0.85 ton 내지 1 ton일 수 있으며, 롤 압하력(RSF)이 상기 범위일 때 높은 기계적 물성 향상, 중심 편석의 감소, 및 균일한 전단띠(Shear band)를 형성할 수 있다.

본 발명에서, 압연하는 단계는 상술한 바와 같이 주조된 주조물인 주조판을 압연하는 공정으로, 300℃에서 열간압연을 통해 압연시킬 수 있다.

본 발명에서는 주조물을 압연하여 압연물을 제조하는 단계를 추가로 포함할 수 있고, 상기 압연물을 제조하는 단계는 복수의 패스로 이루어지고, 각 패스당 압하율이 10 내지 15%일 수 있고, 10 내지 12% 또는 13 내지 14%일 수 있으며, 각 패스당 압하율이 상기 범위일 때, 경제성 면에서 효율적일 수 있고, 강도와 인성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 압연하는 단계는 총 압하율이 50% 이상일 수 있고, 50 내지 80%, 50 내지 65% 또는 60 내지 70%일 수 있으며, 총 압하율이 상기 범위일 때 균일하게 가공할 수 있어 강도를 향상시킬 수 있고, 동적재결정을 생기게 하지 않을 수 있어 연성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 “압하율”이란 가공 전 대비 두께의 감소율로 정의된다. 이러한 압하율은 예를 들어, 압연 전 주조물의 두께가 10mm이고, 압연 후 주조물의 두께가 4mm인 경우, 압하율은 60%이다.

본 발명에서는 압연된 압연물을 균질화 열처리 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 균질화 열처리 단계는 압연된 압연물을 열처리하여 회복(recovery)과 재결정(recrystallization) 지연을 최소화 시킬 수 있고, 조대한 결정립의 형성을 저감하여 기계적 물성(강도, 내식성) 및 연성의 감소를 저감시킬 수 있다.

이러한 균질화 열처리 단계는 400℃ 내지 480℃의 온도에서 12 내지 25시간 열처리 하는 방법일 수 있다. 일 예로, 균질화 열처리 단계는 400 내지 430℃의 목표 온도까지 승온 후, 유지하는 열처리 1단계 430 내지 480℃의 목표 온도까지 승온 후, 유지하는 열처리 2단계를 포함할 수 있고, 이때, 상기 열처리 1단계에서 승온 시간은 1 내지 3시간일 수 있고, 유지하는 시간은 3.5 내지 8시간일 수 있으며, 상기 열처리 2단계에서 승온 시간은 0.5 내지 2시간일 수 있고, 유지하는 시간은 7 내지 12시간일 수 있다. 다른 일 예로, 도 1에 나타낸 바와 같이, 균질화 열처리 단계는 420℃까지 2시간 동안 승온 후, 6시간 동안 유지하고, 이를, 450℃까지 1시간 동안 승온 후, 9시간 동안 유지할 수 있다.

본 발명에서 마그네슘 합금은 상술한 제조방법에 따라 제조될 수 있으며, 상술한 바와 같이, 본 발명에서의 마그네슘 합금은 마그네슘(Mg)을 주 성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 100 중량부에 대하여, 알루미늄(Al) 2.7 내지 3.1 중량부, 주석(Sn) 2.6 내지 3 중량부와 기타 불가피한 불순물로 구성된 물질을 함유한다. 이때, 마그네슘(Mg)은 상기 범위일 때 기계적 물성을 향상시킬 수 있고, 편석의 발생을 줄일 수 있으며, 알루미늄(Al)은 상기 범위일 때, 강도를 향상시킬 수 있고, 편석의 발생을 줄일 수 있으며, 주석(Sn)은 상기 범위일 때 높은 내열성 및 강도를 유지시킬 수 있고, 인장쌍정을 쉽게 유발시켜 성형성을 높일 수 있으며, 편석을 최적으로 줄일 수 있다.

[실시예 및 비교예]

이하, 본 발명에 따른 실시예 및 본 발명을 따르지 않는 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

Mn-Al-Sn계 마그네슘 합금(주조물)	주조 조건			압연 조건		열처리 조건
	롤 온도	시간 (속도)	롤 압하력	각 패스당 압하율	총 압하율	온도 (℃)	시간(h)
실시예 1	100℃	1.1mpm	0.7	10	54	420	24
실시예 2	100℃	1.5mpm	0.78	10	45	420	24
실시예 3	100℃	1.5mpm	0.78	15	45	A
비교예 1	100℃	2mpm	0.62	10	41	420	24
비교예 2	100℃	1.5mpm	0.51	10	54	420	24
주조: 수평식 쌍롤을 통해 두께 40mm의 주조물 제조 롤 압하력 단위: ton 각 패스당 압하율과 총 압하율 단위: % 열처리 조건: A: 도 1에 나타낸 온도와 시간 조건 사용

[실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 1, 비교예 2]

마그네슘을 기본 물질로 사용하고, 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 함량의 알루미늄, 주석 및 기타 불순물을 700℃로 가열하여 용탕(용융 금속)을 제작하고, 이 용탕을 이용하여 불활성 분위기에서 쌍롤 연속 주조법에 의해 두께 4 내지 6mm의 주조판(주조물)을 제작한다.

Al	Zn	Mn	Cu	Fe	Si	Sn	Be
2.80410	0.00370	0.19470	0.00140	0.00440	0.00163	2.96120	0.00060
단위: 마그네슘 100 중량부에 대한 각 물질의 중량부

이때 쌍롤 연속 주조시 롤 온도는 100℃이고, 롤 압하력은 상기 표 1에 나타낸 바와 같다.

상기에서 제조된 주조판을 소재로 하고, 온도, 시간, 각 패스당 압하율, 총 압하율의 조건을 상기 표 1의 조건으로 하여, 압연판을 제작한다. 이때, 상기 표 1에서 각 패스당 압하율은 각 패스당 압하율의 평균값을 의미한다.

이렇게 제조된 압연판을 상기 표 1에 나타낸 바와 같은 열처리 조건으로 하여 균질화 열처리하고, 1 내지 10 K/s의 냉각속도로 상온(약 25℃)까지 냉각하여 마그네슘 합금판을 제조한다.

	항복강도 (MPa)	최대인장강도 (MPa)	연신율(%)
실시예1	200~205	265~270	15.6
실시예2	215~220	265~270	14.7
실시예3	185~190	265~270	14
비교예1	180~185	250~255	4.2
비교예2	195~200	265~270	5.5

상기 조건으로 제조된 마그네슘 합금판에 대하여 항복강도, 최대인장강도 및 연신율을 측정한 뒤, 그 결과를 상기 표 3에 나타내었다.

상기 표 3에서 알 수 있듯이, 0.7 ton 이상의 롤 압하력으로 주조된 실시예 1 내지 3과 같은 경우에는 우수한 강도를 확보하고 있을 뿐만 아니라, 연신율에 있어서, 본 발명의 압하력, 총압하율 등을 만족하지 않는 비교예 1과 비교예 2와 비교하여, 약 2.5배 이상의 연신율 차이를 보이는 것을 확인할 수 있다.

한편, 도 2는 실시예 1와 비교예 1에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 응력-변형률 곡선(Stress-strain curve) 그래프를 나타낸 것으로, 0.7 ton 미만의 롤 압하력(RSF) 및 44%의 총 압하율로 제조된 비교예 1과 비교하여, 본 발명에 따른 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF) 및 54%의 총 압하율로 제조된 실시예 1의 응력과 변형률이 모두 우수한 것을 알 수 있다.

도 3은 실시예 2(도 3a)와 비교예 1(도 3b)에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 전자 현미경 사진으로, 비교예 1는 조대한 결정립과 미세한 결정립이 혼재되어 있는 것을 확연하게 볼 수 있는 반면, 실시예 2에서는 매우 미세한 결정립만이 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 조대한 결정립에 따라 압연후의 연성 및 강도가 낮아지는 비교예 1에 비하여, 미세한 결정립만이 존재하는 실시예 2의 연성 및 강도가 높음을 알 수 있다.

도 4는 실시예 1에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 전자 현미경 사진이고, 도 5는 비교예 1에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 전자 현미경 사진으로, 도 4와 도 5를 비교해 볼 때, 0.7 ton 미만의 롤 압하력(RSF)으로 제조된 비교예 1은 전단띠(shear band)가 생성된 반면, 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 제조된 실시예 1는 전단띠(shear band)가 형성되지 않은 것으로 볼 때, 본 발명 실시예 1에 따른 마그네슘 합금이, 0.7 ton 미만의 롤 압하력(RSF)으로 제조된 비교예 1 보다 연성 및 기계적 물성이 높을 것으로 예상됨을 알 수 있다.

도 6은 실시예 3에 따라 제조된 마그네슘 합금판{생주물(as cast) 형태의 판}에 대한 전자 현미경 사진이고, 도 7은 실시예 3에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 전자 현미경 사진으로, 도 6과 도 7을 비교해 볼 때, 본 발명에 따른 균질화 열처리를 통해 중심 편석의 제거 효과를 나타낼 수 있고, 이를 통해 강도 및 연성을 높일 수 있을 것으로 예상됨을 알 수 있다.

도 8은 비교예 2에 따라 제조된 마그네슘 합금판의 전자 현미경 사진으로, 총압하력 만을 달리한 실시예 1(도 4)과 비교해 볼 때, 본 발명과 같이 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조한 경우가 0.7 ton 미만인 0.68 ton으로 주조한 비교예 2 보다 높은 중심 편석의 제거 효과를 나타낼 수 있고, 이를 통해 강도 및 연성을 높일 수 있을 것으로 예상됨을 알 수 있다.

따라서, 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 방법을 통해, 높은 강도와 연성을 갖는 마그네슘 합금을 낮은 비용으로 제조할 수 있다.

Claims (7)

1. 용융 금속을 0.7 ton 이상의 롤 압하력(RSF)으로 주조하여 주조물을 제조하는 단계;
   주조물을 압연하여 압연물을 제조하는 단계; 및
   압연물을 균질화 열처리 하는 단계를 포함하고,
   상기 압연물을 제조하는 단계는 복수의 패스로 이루어지고, 각 패스당 압하율이 10 내지 15%이며,
   상기 균질화 열처리 단계는 400 내지 430℃의 목표 온도까지 승온 후, 유지하는 열처리 1 단계와 430 내지 480℃의 목표 온도까지 승온 후, 유지하는 열처리 2 단계를 포함하고,
   상기 열처리 1단계에서 승온 시간은 1 내지 3시간이고, 유지하는 시간은 3.5 내지 8시간이며, 상기 열처리 2단계에서 승온 시간은 0.5 내지 2시간이고, 유지하는 시간은 7 내지 12시간인 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금의 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   압연물을 제조하는 단계는 총 압하율이 50% 이상인 마그네슘 합금의 제조 방법.
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5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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