KR20150017143A

KR20150017143A - 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘합금 빌렛 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20150017143A
Application number: KR1020130093051A
Authority: KR
Inventors: 이인영; 김강형
Original assignee: 이인영
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2013-08-06
Publication date: 2015-02-16

Abstract

본 발명은 아연(Zn)과 이트륨(Y)을 첨가하여서 된 마그네슘 합금과 관련한 것으로서, 특히, 가공경화성 및 고온에서의 소성가공성이 우수하여 통상의 압출기에서도 압출이 가능한 압출용 마그네슘 합금과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로 아연 2.5∼6.0%, 이트륨 0.3∼1.7%, 나머지는 마그네슘으로 이루어지되, 상기 아연과 이트륨의 비율은 3:1~8:1 범위로서 그 합계가 7% 이하이며, 그 조직은 고온석출물이 부피분율로 1~4% 분산석출되어 있는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금과,
또한, 전기로에 빌렛주조용 도가니를 위치시킨 후, 상기 도가니에 마그네슘 지금을 넣고 대기와 차단한 상태에서 용해하는 단계와, 상기 마그네슘 용탕에 아연을 첨가하여 용해하는 단계와, 상기 마그네슘-아연 용탕에 무게비로 이트륨이 20-30% 함유된 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 용해하는 단계와, 상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕의 도가니를 인출한 후, 냉각시키어서 빌렛을 제조하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금은 마그네슘 고용체가 강화되어 500℃ 이상의 융점을 가지는 미세 고온 석출상을 만드는 것이 가능하여 가공경화성이 우수함은 물론, 고온에서의 소성가공성이 우수하여 알루미늄 압출용으로 사용되는 통상의 압출기에서도 압출 성형이 가능한 효과가 있고, 이에 따라 휴대용 가전제품이나 자동차, 항공기 부품등에 적용되어 경량화 하는데 유용하게 이용되는 마그네슘 합금 압출재를 품질이 우수하면서도 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘합금 및 그 제조방법{MAGNESIUM ALLOY FOR EXTRUSION WITH EXCELLENT PLASTICITY―WORKABILITY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 아연(Zn)과 이트륨(Y)을 첨가하여서 된 마그네슘 합금과 관련한 것으로서, 특히, 가공경화성 및 고온에서의 소성가공성이 우수하여 통상의 압출기에서도 압출이 가능한 압출용 마그네슘 합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 마그네슘 합금은 현재 실용화되고 있는 금속재료 중 가장 경량의 금속으로 한층 더 경량화를 달성하려는 금속재료 사용처에 있어서 알루미늄을 대체하여 각종 부품의 재료로 급속히 그 사용이 확대되고 있는 추세이다. 또한, 환경에 대한 이슈로 리사이클링에 많은 문제가 있는 플라스틱을 대체하여 전자제품에의 수요가 급격히 늘고 있다.

마그네슘 합금은 상용되고 있는 구조용 합금 가운데 가장 가벼운 밀도인 1.74g/cc을 가지고 있으며, 이는 알루미늄의 2/3에 해당된다. 또, 마그네슘 합금은 우수한 기계 가공성과 높은 진동 감쇠성, 진동 및 충격에 대한 탁월한 흡수성, 우수한 전자파 차단 기능 등을 구비하고 있다. 또한, 최근 급속히 마그네슘 합금이 컴퓨터나 휴대전화, 자동차 부품 등으로 확대되는 이유는 경량성, 재생성의 우수함과 함께 전자파에 대한 차폐능력을 가지고 있으며, 얇은 판재로서의 성형이 가능하기 때문이다.

이를 통해 볼 때 마그네슘 합금은 최근 소비자들로부터 인기를 얻고 있는 휴대용 전자제품의 구조재로 더할 나위 없이 좋은 소재임을 알 수 있다.

일반적으로 휴대용 전자제품 내장 구조재, 자동차 부품 또는 항공기 부품 등의 재료는 경량성과 고강도성, 고인성, 고성형성이 요구된다. 그런데 마그네슘은 소성변형에 필수적인 슬립시스템이 적은 조밀육방격자 구조를 지니고 있어 압출성이나 성형성이 나빠 주조에 의한 성형이 주로 이루어 졌다. 그러나 사형주조는 형상에 많은 제약이 따르고, 다이캐스팅에 의한 성형은 주조조직이 다공성이므로 표면처리에서 많은 문제를 야기한다.

그러던 중 알루미늄과 아연 또는 망간을 합금한 AZ31, AM20등의 재료가 개발되면서 단상고용체의 연성을 이용한 소성 가공이 가능하게 되었다. 그러나 이들은 단상 고용체에 400℃이하 저융점인 공정상들을 포함하게 된다. 따라서 가공성이 우수하고 연성이 풍부함에도 불구하고 판재의 경우 이방성이 강하고 가공경화능이 적어 실제적으로는 소성가공성에 문제가 많아 상용화가 느리게 진행되고 있다. 압출에서는 350℃ 이상 온도에서 압출할 경우 다이와의 마찰열로 표면에 미세한 균열들이 지문처럼 존재하는 표면결함이 나타나 깨끗하고 결함없는 제품을 얻기가 어려웠다. 이런 미세한 주름형태의 표면균열들은 피로강도를 저하시키므로 제거해야 하는데 실제 현장에서는 비용문제 등으로 제거가 용이하지 않다.

이런 문제를 해결하기 위해 마그네슘합금 분말을 이용하여 액상과 고상 공존영역에서 사출하는 식소몰딩(Thixo-moulding)법이 제안되었다. 그러나 이는 다이캐스팅과 마찬가지로 다공성 조직이 얻어지며 원료분말의 가격이 높아 제조원가가 높아지는 단점 때문에 널리 응용되지 않고 있다.

또한, 소성가공이 가능한 체심입방격자 구조를 얻어 소성가공성을 개선한 리튬첨가 합금이 있다. 리튬은 마그네슘에 대한 고용도가 크고 효과가 있다. 하지만 온도에 따른 고용도의 차이가 작고 격자상수의 차이가 작아 5~20중량%의 다량을 첨가해야 효과가 있다. 그리고 상기 합금은 고가의 리튬을 다량 첨가해야 하고 특유의 전지반응 특성 때문에 실제로는 상용으로 이용되지 않고 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 많은 마그네슘 합금들이 새로 고안되었다.

그 중 대한민국 특허출원 제2001-0019353호 특허에서는 마그네슘 합금을 Mg-Zn-Y 합금의 조성으로 하여 Zn 1~10at%, Y 0.1~3 at% 의 조성범위로 함으로써, 450℃ 이하의 고온에서 안정한 준결정상을 포함하고 있어 고온에서도 미세한 결정입도를 가짐으로써 열간성형성과 고온에서의 강도도 우수하다. 그러나 준결정상을 얻기 위해서는 아연양을 많이 첨가해야 하는데 이 경우 아주 작은 시편 크기가 아니라면 비중에 의한 아연편석과 냉각 중에 금속간화합물인 준결정상의 불균일한 석출로 인해 재료의 연성이 낮고 부위별로 품질이 불균일한 문제점이 발생하였다.

그 밖에 많은 특허들이 급속 냉각에 의한 비정질 조직을 얻음으로써 고강도, 경량의 마그네슘합금 스트립을 얻는 방법을 소개하고 있다.

대한민국 특허출원 제1993-846호 '고강도 마그네슘 기재 합금'과, 일본 공개특허 평05-70880호 '고강도 마그네슘 합금재료와 그 합금의 제조방법', 일본공개특허 평06-41701호 '고강도 아몰퍼스 마그네슘 합금 및 그 제조방법', 일본공개특허 평07-54026호 '고강도 마그네슘 합금 및 그 제조방법', 그리고 미국특허 제4675157호, 미국특허 제4765954호, 미국특허 제4853035호, 미국특허 제4857109호, 미국특허 제4938809호, 미국특허 제5071474호, 미국특허 제5078806호, 미국특허 제5078807호, 미국특허 제5087304호, 미국특허 제5129960호, 미국특허 제5316598호 특허들은 모두 급속 냉각에 의해 비정질 조직을 포함하게 되는데, 비정질화 되지 않은 조직들은 취성이 강한 금속간화합물이나 공정상을 포함함으로써 압연 가공이나 프레스 성형이 어려운 단점을 가지고 있다.

또 미국특허 제4908181호, 미국특허 제5139077호, 미국특허 제5143795호, 미국특허 제5250124호, 미국특허 제5647919호, 미국특허 제6139651호는 본 발명과 같은 압출가공용 재료가 아닌 주조용 합금을 소개하고 있다. 이 재료들은 합금원소를 첨가하여 다량의 금속간화합물을 포함하는 2상 복합조직으로서 주조상태에서 높은 강도를 얻을 수 있는 것을 특징으로 한다. 그러나 이런 합금을 판재와 같이 얇은 형태로 적용하게 되면 응력이 집중되는 부위에서 상대적으로 강도가 낮은 상이 먼저 집중적으로 소성변형을 일으켜 결국 균열이 발생하게 된다. 뿐만 아니라 취성이 강한 금속간화합물이 많아 소성가공이나 프레스 성형에 적합하지 않다.

최근에 와서 이런 문제를 극복하기 위해 소성가공성을 개량한 마그네슘합금을 개발하거나 기존의 소재를 용이하게 소성가공할 수 있는 기술들이 개발되고 있다.

본 발명자들이 개발한 등록특허 10-0509648은 소성가공성이 우수한 마그네슘합금을 소개하고 있다. 그러나 이 특허 내용에서는 판재를 압연하기 위한 공정을 소개하였으나, 압출방법에 대해서는 구체적으로 소개하지 못하여 오랜 기간 상용화가 진행되지 못했다.

또한 본 발명자의 다른 등록특허 10-0605741에서는 마그네슘에 아연, 이트륨, 알루미늄 등을 첨가한 합금의 압출조건에 대해 소개하긴 했지만 1000kg/㎠ 이하 압력에서 작업하는 통상의 압출기보다 압출압력이 5배 이상인 고압의 압출기를 활용해야 하는 단점이 있었다.

위에 소개한 방법들 외에 ECAP, ECAE와 같이 다이 내에서 각도를 바꾸는 채널을 거쳐 높은 소성가공비로 가공하는 방법으로 난가공재를 가공하는 기술이 개발되었지만 다이 구조가 복잡하고 높은 가압력을 요구하므로 압출재의 크기와 생산성이 제한되어 일반적으로 상용화하기에는 아직 어려운 방식이다.

한국공개특허공보 2002-0078936호. 2002.10.19.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점들을 제거하기 위하여 창출된 것으로서, 마그네슘에 아연과 이트륨을 첨가하되, 그 비율과 총량을 한정함으로서 마그네슘 고용체를 강화하여 500℃ 이상의 융점을 가지는 미세 고온석출상을 석출시키고 이에 따라 가공경화성과 고온에서의 소성가공성이 우수한 마그네슘 합금을 제조하는 것이 가능하여 알루미늄 압출용 압출기와 같은 1000kg/㎠ 이하 압력에서 작업이 가능한 통상의 압출기에서도 압출이 가능한 마그네슘합금과 그 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은

중량%로 아연 2.5∼6.0%, 이트륨 0.3∼1.7%, 나머지는 마그네슘으로 이루어지되, 상기 아연과 이트륨의 비율은 3:1~8:1 범위로서 그 합계가 7% 이하이며, 그 조직은 고온석출물이 부피분율로 1~4% 분산석출되어 있는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금을 제공한다.

상기 고온석출물은 용탕에서 냉각 중에 690~500℃구간에서 석출하는 Mg₃Y₂Zn₃, Mg₂₃Zn₆₃Y₁₄, Mg₃YZn₆, Mg₃Zn₃Y₂등의 3원 화합물로서 500 ℃ 이상의 고융점으로 구상에 가까운 다면체 구조나 입방정인 것을 특징으로 한다.

상기 마그네슘 합금에는 필요에 따라 중량%로 망간 0.01~0.8%, 알루미늄 2.5% 이하, 티타늄 0.2% 이하, 지르코늄0.5% 이하, 카드뮴 0.5% 이하, 비스무스 0.5% 이하, 칼슘 0.3% 이하, 스트론튬 0.3% 이하, 주석 0.5% 이하, 납 0.5% 이하, 리튬 0.5% 이하, 규소 0.5% 이하, 란탄 또는 란타나이드계의 미쉬메탈 1% 이하의 원소가 1종 또는 2종이상 더 추가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 전기로에 빌렛주조용 도가니를 위치시킨 후, 상기 도가니에 마그네슘 지금을 넣고 대기와 차단한 상태에서 용해하는 단계와,

상기 마그네슘 용탕에 아연을 첨가하여 용해하는 단계와,

상기 마그네슘-아연 용탕에 무게비로 이트륨이 20-30% 함유된 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 용해하는 단계와,

상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕의 도가니를 인출한 후, 냉각시키어서 빌렛을 제조하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법을 제공한다.

상기 빌렛 제조단계에서 냉각은 도가니의 표면온도가 300℃이하로 냉각될 때까지 70~150℃/분의 냉각속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하며,

상기 마그네슘-아연 용탕제조단계에서 아연의 투입시 용탕온도는 650~850℃로 유지되는 상태에서 행해지며,

상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕 제조단계에서 마그네슘-이트륨 모합금을 투입시 용탕의 온도는 700~850℃로 유지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 마그네슘 합금은 마그네슘 고용체가 강화되어 500℃ 이상의 융점을 가지는 미세 고온 석출상을 만드는 것이 가능하여 가공경화성이 우수함은 물론, 고온에서의 소성가공성이 우수하여 알루미늄 압출용으로 사용되는 통상의 압출기에서도 압출 성형이 가능한 효과가 있고, 이에 따라 휴대용 가전제품이나 자동차, 항공기 부품등에 적용되어 경량화 하는데 유용하게 이용되는 마그네슘 합금 압출재를 품질이 우수하면서도 저렴하게 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1 고온 석출물의 TEM사진

이하 본 발명을 구체적으로 설명한다.

본 발명은 중량%로 아연 2.5∼6.0%, 이트륨 0.3∼1.7%, 나머지는 마그네슘으로 이루어지되, 아연과 이트륨의 비율이 3:1~8:1 범위에서 첨가되며 아연과 이트륨의 총 합이 7% 이하가 되도록 한 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금을 특징적 사항으로 하고 있는데, 여기에서 본 발명의 마그네슘 합금을 구성하는 각각의 화학성분을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

일반적으로 금속에서는 소성가공 할 때 전위들이 배열된 슬립면을 따라 변형이 일어나게 된다. 하지만 마그네슘은 조밀육방격자로서 슬립면이 극히 적어 소성가공을 일으키기 어려운 결정구조인데다 적층결함에너지가 125mJ/㎡으로 다른 금속에 비해 높은 편이다. 이런 이유로 종래의 마그네슘 합금에서는 마그네슘 결정구조가 전위가 생기기 어려운 조밀충진구조이므로 슬립면을 증가시키기보다는 주로 결정립미세화로 입계에서의 슬립효과를 통해 소성변형을 일으켰다.

그러나 본 발명의 마그네슘합금은 치환형 원소인 아연과 이트륨의 첨가로 인해 적층결함에너지가 낮아져 면심입방격자나 체심입방격자 금속처럼 외부응력이 가해질 때 결정 내부에서 쌍정이나 부분전위를 생성하므로 소성변형을 할 수 있게 되는 것을 특징으로 한다.

특히 본 발명에서는 이트륨의 일부가 마그네슘 및 아연과 만드는 Mg₃Y₂Zn₃,Mg₂₃Zn₆₃Y₁₄, Mg₃YZn₆, Mg₃Zn₃Y₂등의 3원 화합물은 500 ℃ 이상의 고융점으로 구상에 가까운 다면체 구조나 입방정으로서 응고 중에 결정핵으로 작용하며 주조조직을 미세화하며 압출가공에 의해다면체들이 미세하게 분산되면서 강화효과를 가져온다. 이런 이유로 종래의 단련용 마그네슘 합금과 달리 이트륨의 첨가로 저온 공정상의 생성을 억제하여 응고구간이 좁고, 아연과 이트륨의 고용으로 결정 내부에 슬립계가 증가하여 소성가공 중에 유동응력이 적어 350℃ 이상 고온에서 소성가공하더라도 쉽게 액상이 생성되지 않기 때문에 압출온도를 상승함으로써 작업이 용이한 장점이 있다.

아연은 원자직경이 약 135pm로서 마그네슘 원자의 150pm보다 약 10% 작고 고용강화에 의하여 마그네슘 고용체의 가공경화 효과와 인성을 향상시켜 주는 성분으로, 조성물 내의 아연량은 2.5 내지 6.0중량%가 바람직하다. 이는 조성물 내의 아연량이 2.5중량% 미만에서는 항복강도가 부족하게 되며, 6.0중량%를 초과하면 Mg₇Zn₃와 같은 저융점 공정상이 과다하게 분포하여 압출성과 내식성을 크게 저하하므로 제한한다.

이트륨은 원자직경이 180pm로 마그네슘 원자의 크기보다 약 20% 크며 마그네슘기지 내에 고용되어 고용체의 가공경화효과를 상승시키며 용탕의 내발화성과 합금의 내식성, 내열성을 향상시키는 원소이다. 첨가량은 0.3 내지 1.7중량%가 바람직한데, 이는 조성물 내의 이트륨이 0.3중량% 미만에서는 결정립 미세화 효과와 가공경화효과, 내식성, 내발화성이 충분하지 않고, 1.7중량%를 초과하면 마그네슘-아연과 형성하는 3원 화합물이 마그네슘 단상 기지조직에서 4% 분율을 초과하면서 조대한 석출물을 형성하기 시작하므로 전연성이 떨어지고 소성가공성을 낮추게 되어 생산성이 저하하는 문제가 발생하기 때문이다.

아연과 이트륨의 첨가비율은 고온석출물이 미세하게 분포하고 조대석출물이 생기지 않도 하기 위해 3:1 이상으로 유지하며, 저온공정상을 적게 만들도록 8:1 범위이하로 한정한다.

또한 아연과 이트륨의 총 합이 7%를 초과하면 입계에 편석되는 Mg₇Zn₃와 같은 저융점 공정상이나 Mg₃YZn₆, Mg₃Y₂Zn₃, Mg₂₃Zn₆₃Y₁₄와 같은 다면체 석출물의 양이 4% 이상으로 과다해지면서 취성이 심해지며, Mg₂₁Zn₆₂Y₁₇과 같은 조대석출물의 생성을 조장하는 경향이 있으므로 7%이하로 제한한다.

본 발명에서 마그네슘, 아연과 이트륨이 만드는 3원 화합물의 석출물은 단단하여 합금에 분산강화효과를 나타내면서도 마그네슘 기지와 정합을 이루고 있어 350℃ 이하의 온도에서 소성가공하는 경우에도 기지조직과의 계면에서 기공과 같은 미세결함이 생기는 것을 억제하여 고강도임에도 연성이 우수한 효과를 나타낸다. 3원 화합물의 이런 특성은 고온석출물의 분포도와 연관되는데 부피분율이 1% 미만일 때는 소성가공성 개선효과가 적고, 4%를 초과할 때는 강화효과가 지나쳐 취성이 많아짐으로써 소성가공용으로 사용하기 부적합할 정도로 연신율이 떨어질 우려가 있어 고온석출물의 부피분율을 1~4%로 제한한다.

또 상기 마그네슘 합금에는 중량%로 망간 0.01~0.8%가 더 추가되며, 여기에 필요에 따라 중량%로 알루미늄 2.5% 이하, 티타늄 0.2% 이하, 지르코늄0.5% 이하, 카드뮴 0.5% 이하, 비스무스 0.5% 이하, 칼슘 0.3% 이하, 스트론튬 0.3% 이하, 주석 0.5% 이하, 납 0.5% 이하, 리튬 0.5% 이하, 규소 0.5% 이하, 란탄 또는 란타나이드계의 미쉬메탈 1% 이하의 원소가 1종 또는 2종이상 더 추가되는 것을 특징으로 하고 있는데,

여기에서 위 원소들을 첨가하는 이유는 이들 원소가 고용강화와 결정립 미세화를 이루는 원소들로서 아연과 이트륨을 대체할 수 있는 효과가 있기 때문이며, 그 첨가물의 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다.

망간은 이트륨 대체 효과가 있으며, 고용강화 효과가 크고 이트륨과 결합하여 고온 안정한 화합물을 형성하여 내식성을 개선한다. 특히 알루미늄을 첨가할 경우에는 알루미늄 첨가량의 5~20% 범위로 첨가하면 고온안정상을 이루어 Al₁₂Mg₁₇형성을 억제한다. 그러나 0.01중량% 미만에서는 조직 개선 효과가 뚜렷하게 없고, 0.8중량%를 초과하면 기지조직의 고용도를 높여 결정립이 쉽게 성장하며, 과잉의 망간이 아연과 결합하여 윰점이 낮고 취약한 입실론상을 형성하기 쉬워져 압출성이 저하하고 압출 중에 모서리균열이 발생하므로 제한한다.

알루미늄은 아연 대체효과가 있으며, 원자 크기가 125pm로 마그네슘에 비해 약 17% 정도 적은 크기인데 연성과 내식성을 증가시키며, 온도에 따른 고용도 차이가 커서 고용강화 효과가 크다. 그러나 본 발명의 합금에서는 알루미늄이 2.5중량%를 초과하면 Al₁₂Mg₁₇, Al₂Mg₃와 같은 입계에 편석하기 쉬운 석출물을 만드는데 이들로 인해 결정립은 미세해지지만 용탕의 유동성이 저하하고 압출 중에 모서리균열이 발생하거나 압출재의 내식성이 저하하는 문제로 인해 제한한다.

티타늄은 아연 대체효과가 있어 0.2중량% 이하로 첨가할 수 있으며 고용강화 효과와 내식성 향상효과를 얻는다. 그러나 0.2중량%를 초과하면 취성을 나타내므로 제한한다.

지르코늄은 공정상과 결합하여 고온에서 안정하게 만드는 효과와 조직미세화 효과가 있어 0.5중량% 이하로 첨가한다. 그러나 화합물이 조대하게 형성되고 고용도가 적기 때문에 0.5중량%를 초과하면 압출 중 입계균열의 원인이 되므로 제한한다.

카드뮴은 아연 대체효과가 있으며, 마그네슘과 전율고용체를 이룬다. 고용강화 효과가 있지만 과다하면 내식성을 해치므로 0.5중량% 이하로 제한한다.

비스무스는 고용강화효과가 있지만 과다하면 내식성을 해치므로 0.5중량% 이하로 제한한다.

칼슘과 스트론튬은 주조조직을 미세화하고 이트륨 대체효과가 있으며 고용강화효과가 크다. 그러나 각각 0.3중량%를 초과하면 저융점 공정상이 생성되어 압출 중에 표면미세균열을 유발할 수 있으므로 제한한다.

주석이나 납은 마그네슘의 적층결함에너지를 낮추고 고용강화효과가 크며 연성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나 각각 0.5중량%를 초과하면 오히려 저융점 공정상으로 인해 열간취성이 나타나고 비중이 증가하므로 제한한다.

리튬은 고용강화효과와 연성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나 0.5중량%를 초과하면 전지작용이 나타나고 내식성이 저하하므로 제한한다.

규소는 마그네슘합금에서 주조조직 미세화와 망간이나 티타늄이 취성을 나타내는 것을 예방하는 효과가 있다. 그러나 0.5중량%를 초과하면 마그네슘과 결합한 침상 공정물이 나타나고 취성이 증가하므로 제한한다.

란탄 또는 란타나이드 원소들이 혼합된 미쉬메탈은 이트륨 대체효과를 가지는데 1%를 초과할 경우 조대한 화합물이 과다하게 형성되므로 제한한다.

본 발명의 합금에서 철과 니켈, 구리는 내식성을 해치는 화합물을 석출하므로 불순물로서 각각 0.1중량% 이하로 억제하도록 한다.

상기 마그네슘 용탕을 650~850℃의 온도로 유지하면서 아연을 첨가하여 용해하는 단계와,

상기 마그네슘-아연 용탕을 700~850℃의 온도로 유지하면서 무게비로 이트륨이 20-30% 함유된 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 용해하는 단계와,

상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕의 도가니를 인출한 후, 도가니의 표면온도가 300℃이하로 냉각될 때까지 50℃/분 이상의 냉각속도로 냉각시키어서 빌렛을 제조하는 단계로 이루어진 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법을 특징으로 하고 있는데,

이하 본 발명의 마그네슘합금 압출재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위는 예시한 실시예의 범위에 국한하지 않는다.

본 발명은 SF₆와 Ar 또는 CO₂를 혼합하거나 Ar가스분위기에서 대기와 차단한 상태로 마그네슘지금을 용해하고 아연과 이트륨을 지금 또는 모합금 형태로 첨가한다. 아연은 지금 상태로 투입하여도 쉽게 잘 용해되므로 문제가 없지만 이트륨과 같은 금속은 산소와 반응을 잘하며 고융점이므로 가능한 한 모합금으로 투입한다. 이트륨은 융점이 1526℃의 고온이며, 표면에 치밀한 고융점 산화막이 형성되는 경향으로 인해 마그네슘 용탕에서 쉽게 용해되지 않는다. 따라서 용해 전에 잘게 쪼개어 무게비로 10~50%, 바람직하기로는 20~30% 비율로 마그네슘 용탕에 투입하게 되면 융점이 600℃ 이하로 낮은 공정조성이 되어 쉽게 용해할 수 있으므로 무게비로 이트륨이 20-30% 함유된 마그네슘-이트륨 모합금을 사용한다.

본 발명에서는 엘리베이터식 전기로에서 Ar에 SF₆를 부피비로 2~3% 혼합한 가스로 차폐한 스테인리스강 도가니에 마그네슘 지금을 넣어 용해하고, 마그네슘 용탕 온도를 650~850℃로 유지하여 아연지금과 저융점 합금 원소를 투입하고,

아연지금이 모두 녹으면 용탕온도를 상승하여 700~850℃로 유지하면서, 무게비로 이트륨 25% 농도인 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 충분히 용해되도록 유지하는데,

아연지금을 첨가할 때 용탕온도가 650℃ 미만이면 합금원소의 용해가 늦고, 특히 이트륨 모합금을 첨가할 때는 700℃ 미만에서 모합금의 용해가 늦어 용탕으로 유지해야 하는 시간이 길어지면서 용탕의 산화로 산화물 생성 등의 문제가 유발하므로 700℃ 이상 온도로 용탕온도를 상승시켜 첨가한다. 850℃ 이상일 때는 용탕의 산화가 심하므로 제한한다.

이때 용탕의 산화물 비중이 대부분 마그네슘보다 커서 산화물이 생성되면 제거가 쉽지 않아 용탕유지시간이 짧을수록 용탕의 품질면에서 유리하다.

본 발명의 합금은 마그네슘 용탕에 고용된 합금원소가 냉각되면서 고융점 석출물을 미세하게 분산 석출하는 효과를 얻는데 목적이 있고, 이를 통해 고용체 내부에 치환형 격자결함을 만들어 쌍정이나 부분전위가 쉽게 생성되게 하여 슬립시스템을 증가시킨 효과를 얻는 것에 특징이 있는데, 이를 위해서는 저융점 합금원소를 이트륨을 첨가하기 전에 첨가하는 것이 바람직하다. 고융점인 이트륨을 먼저 첨가하고 나중에 아연과 같은 저융점 합금원소들을 첨가하게 되면 뒤에 첨가된 저융점 합금원소들이 미처 고용되지 못하고 편석을 일으키기 쉽기 때문이다. 따라서 본 발명은 마그네슘, 아연, 이트륨의 순서로 첨가하여 용해한다.

본 발명에서 저융점의 기준은 마그네슘의 융점인 649℃를 기준으로 융점이 800℃ 이하인 스트론튬, 알루미늄, 아연, 카드뮴, 비스무스, 칼슘, 주석, 납, 리튬과 같이 융점이 낮은 합금원소이고, 고융점의 기준은 망간, 티타늄, 이트륨, 지르코늄 등의 1000℃ 이상 고융점인 원소인데, 저융점 원소부터 먼저 첨가하고 망간, 티타늄, 이트륨, 지르코늄 등의 1000℃ 이상 고융점인 원소는 모합금을 만들어 뒤에 첨가한다. 그 이유는 저융점 원소들이 마그네슘과 고용체를 이룬 뒤 고융점 원소를 모합금으로 첨가하면 용탕에 용해되는 시간을 단축하며, 냉각 중에 다원 화합물이 미세한 석출물로 고르게 분산되는 이점이 있기 때문이다.

또한 이들 합금원소를 첨가한 뒤에는 고용되는 과정을 돕기 위해 교반을 실시한다. 본 발명에서는 스텐레스강으로 만든 레버에 작은 회전익을 단 교반장치를 도가니 뚜껑을 관통하여 용탕에 삽입하고 저어줌으로써 모합금이 완전 용해되어 고용되는 것을 촉진하였다.

본 발명은 용탕에 모합금이 완전히 용해된 후 도가니를 엘리베이터로 인출하여 수냉조에 천천히 투입하면서 냉각시키되, 50℃/min 이상의 냉각속도로 빌렛 주형의 표면온도가 300℃ 이하로 냉각될 때까지 주형을 냉각하는데, 만약 50℃/min 보다 냉각속도가 낮으면 아연과 같은 합금원소들이 편석하여 빌렛 내부에 저융점 공정상이 석출할 수 있으며 이는 고온에서 소성가공성을 저하하므로 제한한다. 냉각속도가 지나치게 빨라 수축응력으로 인해 빌렛에 균열이 생길 정도가 아니라면 고용체조직을 미세화하고 균일하게 하는 효과가 있으므로 상한은 특별히 제한하지 않는다. 일반적인 직경 100mm 이상의 상용 사이즈인 빌렛에서는 70~150℃/min의 냉각속도가 빌렛의 균열없이 치밀하게 조직이 형성된다.

본 발명은 엘리베이터식 전기로에서 Ar에 SF₆를 부피비로 2~3% 혼합한 가스로 차폐한 스테인리스강 도가니에 마그네슘 지금을 넣어 용해하고, 마그네슘 용탕 온도를 650~850℃로 유지하여 아연지금과 저융점 합금 원소를 투입한 후, 아연지금이 모두 녹으면 용탕온도를 상승하여 700~850℃로 유지하면서, 무게비로 이트륨 25% 농도인 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 충분히 용해되도록 유지하고,

용탕에 모합금이 완전히 용해된 후 도가니를 엘리베이터로 인출하여 수냉조에 천천히 투입하면서 50℃/min 이상의 냉각속도로 빌렛 주형의 표면온도가 300℃ 이하로 냉각될 때까지 주형을 냉각하여 마그네슘 합금을 제조한 후, 합금 빌렛을 320℃의 온도로 가열하고, 압출비 55:1, 압출속도 187mm/분의 속도로 압출하였다.

이와 같은 공정에 의해 제조된 합금의 성분조성이 표1에 나타나 있다.

압출재료의 조성

	Zn (중량%)	Y (중량%)	Zn:Y 비율	Zn+Y (중량%)	Mn (중량%)	Al (중량%)	고융점 석출물 분율	비고
실시예1	2.8	0.52	5.4:1	3.32	-	-	1.2%
실시예2	2.8	0.47	6:1	3.27	0.04	-	1.2%
실시예3	5.5	0.85	6.5:1	6.35	0.2	1.4	3.5%
실시예4	5.2	0.74	7:1	5.94	0.4	-	2.7%
비교예1	0.98	-	-	-	0.18	3.1	석출무	Y 첨가무
비교예2	2.0	0.21	9.5:1	2.21	-	-	석출무	Zn/Y 비율 8:1초과
비교예3	6.2	1.50	4.1:1	7.7	0.3	1.1	4.6%	Zn+Y 합계 7%초과

위 표1에 따르면, 본 발명의 범위에 속하는 실시예1~4는 도1의 사진에 나타난 바와 같이 고온석출물이 생성되는데 이를 X선회절분석과 DSC분석을 통해 분석해본 결과, 고융점 다면체 석출물이 부피분율로 1~4% 범위로 미세하게 분산석출되는 것으로 확인되는바, 고용강화성 및 소성가공성이 우수한 것으로 나타나고 있고,

비교예1은 아연만 첨가되고 이트륨이 첨가되지 않았으며, 비교예2는 Zn/Y비율이 9:1로 첨가되어 본 발명의 범위를 벗어나고 있는 관계로 고융점 석출물이 충분하게 형성되지 않고 아연과 마그네슘의 저융점 공정상이 입계에 석출하는 것으로 나타나고 있으며, 비교예3은 Zn+Y합계가 7.7%로 본 발명의 범위인 7%를 초과한 것으로 고융점 석출물이 4.6%로 과다하게 석출하는 것으로 나타나고 있는바, 이러한 이유로 비교예1,2,3은 고용강화성 및 소성가공성이 좋지 않은 것으로 나타났다.

Claims

중량%로 아연 2.5∼6.0%, 이트륨 0.3∼1.7%, 나머지는 마그네슘으로 이루어지되, 상기 아연과 이트륨의 비율은 3:1~8:1 범위로서 그 합계가 7% 이하이며, 그 조직은 고온석출물이 부피분율로 1~4% 분산석출되어 있는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금.
제1항에 있어서,
상기 고온석출물은 Mg₃Y₂Zn₃, Mg₂₃Zn₆₃Y₁₄, Mg₃YZn₆, Mg₃Zn₃Y₂등의 3원 화합물인 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금.
제2항에 있어서,
상기 고온석출물은 500 ℃ 이상의 고융점으로 구상에 가까운 다면체 구조나 입방정인 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네슘 합금은 중량%로 망간 0.01~0.8%가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네슘 합금은 중량%로 알루미늄 2.5% 이하, 티타늄 0.2% 이하, 지르코늄0.5% 이하, 카드뮴 0.5% 이하, 비스무스 0.5% 이하, 칼슘 0.3% 이하, 스트론튬 0.3% 이하, 주석 0.5% 이하, 납 0.5% 이하, 리튬 0.5% 이하, 규소 0.5% 이하, 란탄 또는 란타나이드계의 미쉬메탈 1% 이하의 원소가 1종 또는 2종이상 더 함유되는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금.
전기로에 빌렛주조용 도가니를 위치시킨 후, 상기 도가니에 마그네슘 지금을 넣고 대기와 차단한 상태에서 용해하는 단계와,
상기 마그네슘 용탕에 아연을 첨가하여 용해하는 단계와,
상기 마그네슘-아연 용탕에 무게비로 이트륨이 20-30% 함유된 마그네슘-이트륨 모합금을 투입하여 용해하는 단계와,
상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕의 도가니를 냉각시키어서 빌렛을 제조하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 빌렛 제조단계에서 마그네슘-아연-이트륨 용탕의 도가니 냉각은 도가니의 표면온도가 300℃이하로 냉각될 때까지 70~150℃/분의 냉각속도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 마그네슘-아연 용탕제조단계에서 아연의 투입시 용탕온도는 650~850℃이며,
상기 마그네슘-아연-이트륨 용탕 제조단계에서 마그네슘-이트륨 모합금의 투입시 용탕온도는 700~850℃인 것을 특징으로 하는 소성가공성이 우수한 압출용 마그네슘 합금 빌렛의 제조방법.