마그네슘 합금

마그네슘 합금(Magnesium alloy)은 마그네슘(가장 가벼운 구조 금속)과 다른 금속(이른바 합금)의 혼합물이며, 종종 알루미늄, 아연, 망가니즈, 규소, 구리, 희토류 및 지르코늄을 포함한다. 마그네슘 합금은 육방정계 구조를 가지며, 이는 이들 합금의 근본적인 특성에 영향을 미친다. 육방정계의 소성 변형은 알루미늄, 구리 및 강철과 같은 입방정 금속보다 더 복잡하다. 따라서 마그네슘 합금은 일반적으로 주조 합금으로 사용되지만, 2003년 이후로 가공 합금에 대한 연구가 더 광범위하게 이루어졌다. 주조 마그네슘 합금은 현대 자동차의 많은 부품에 사용되며 일부 고성능 차량에도 사용되어 왔다. 다이캐스트 마그네슘은 카메라 본체 및 렌즈 부품에도 사용된다.

그림 1: 초록에 AZ91 또는 AZ31 용어가 포함된 과학 논문의 수.

삼성 NX1의 마그네슘 합금으로 만들어진 카메라 섀시

상업적으로 지배적인 마그네슘 합금은 알루미늄(3~13%)을 함유한다. 또 다른 중요한 합금은 Mg, Al 및 Zn을 함유한다.^[1] 일부는 열처리로 경화될 수 있다.

모든 합금은 하나 이상의 제품 형태에 사용될 수 있지만, 합금 AZ63 및 AZ92는 사형 주조에 가장 많이 사용되며, AZ91은 다이캐스팅에, AZ92는 일반적으로 영구 주형 주조에 사용된다(후자 용도에는 AZ63 및 A10도 가끔 사용됨). 단조에는 AZ61이 가장 많이 사용되며, 낮은 강도가 요구될 때는 합금 M1이, 최고 강도에는 AZ80이 사용된다. 압출성형에는 다양한 형태, 바 및 튜브가 낮은 강도로 충분하거나 M1 주조물에 용접할 계획인 경우 M1 합금으로 만들어진다. AZ31, AZ61 및 AZ80 합금은 강도 증가가 상대적 비용 증가를 정당화하는 순서로 압출물에 사용된다.^[2]

"산화되지 않는 마그네슘"의 약어인 마그녹스는 마그네슘 99%, 알루미늄 1%로 구성되어 있으며, 마그녹스 원자로의 연료봉 피복재로 사용된다.

마그네슘 합금은 대략적인 중량별 화학 조성을 나타내는 짧은 코드(ASTM B275에 정의됨)로 지칭된다. 예를 들어, AS41은 알루미늄 4%와 규소 1%를 가지며, AZ81은 알루미늄 7.5%와 아연 0.7%를 가진다. 알루미늄이 존재하는 경우, 망가니즈 성분은 거의 항상 약 0.2%의 중량비로 존재하며, 이는 결정립 구조를 개선하는 역할을 한다. 알루미늄과 망가니즈가 없는 경우, 지르코늄은 동일한 목적으로 약 0.8%로 존재한다. 마그네슘은 가연성 물질이므로 조심스럽게 다루어야 한다.

명칭

ASTM	B951
A	알루미늄
C	구리
E	희토류
H	토륨
J	스트론튬
K	지르코늄
L	리튬
M	망가니즈
N	니켈
Q	은
S	규소
T	주석
V	가돌리늄
W	이트륨
Z	아연

ASTM 규격 B951-11(2018)에 따라,^[3] 마그네슘 합금은 두 개의 문자와 그 뒤에 두, 세 또는 네 개의 숫자 및 일련 문자로 표시된다. 문자는 오른쪽 표에 따라 주요 합금 원소를 나타낸다. 숫자는 가장 풍부한 것부터 가장 적은 것까지 주요 합금 원소의 해당 정수 조성을 나타낸다. 일련 문자는 동일한 명칭을 가진 두 합금을 구별하기 위해 임의로 선택된다. 예를 들어, AZ91A 표시는 대략 알루미늄 9 중량 퍼센트(8.6에서 9.4 사이)와 아연 1 중량 퍼센트(0.6에서 1.4 사이)를 가진 마그네슘 합금을 의미하며, 마지막 A는 등록 당시 이 조성을 가진 첫 번째 합금이었음을 의미한다. 정확한 조성은 참조 표준에서 확인해야 한다.

알루미늄, 아연, 지르코늄 및 토륨은 시효 경화를 촉진한다. 망가니즈는 부식 저항성을 향상시킨다.^[4] 주석은 주조성을 향상시킨다. 알루미늄은 가장 흔한 합금 원소이다. 숫자는 두 가지 주요 합금 원소의 반올림된 백분율에 해당하며, 조성이 표준이 됨에 따라 알파벳순으로 진행된다. 템퍼 비표준 지정은 일반적으로 알루미늄의 경우와 거의 동일하게 –F, -O, -H1, -T4, -T5, 및 –T6를 사용한다. 모래 영구 주형 및 다이캐스팅은 모두 마그네슘 합금에 대해 잘 개발되었으며, 다이캐스팅이 가장 인기가 많다. 마그네슘이 알루미늄보다 약 두 배 비싸지만, 그 고온 챔버 다이캐스팅 공정은 알루미늄에 필요한 저온 챔버 공정보다 쉽고 경제적이며 40%에서 50% 더 빠르다. 상온에서의 성형성은 좋지 않지만, 재료를 450–700 °F (232–371 °C)까지 가열하면 대부분의 전통적인 공정을 수행할 수 있다. 이러한 온도는 쉽게 달성되며 일반적으로 보호 분위기를 필요로 하지 않으므로, 많은 성형 및 인발 마그네슘 제품이 제조된다. 마그네슘 합금의 기계가공성은 모든 상업용 금속 중 최고이며, 많은 응용 분야에서 기계가공 비용 절감이 재료 증가 비용을 충분히 상쇄한다. 그러나 공구를 날카롭게 유지하고 칩을 위한 충분한 공간을 제공해야 한다. 마그네슘 합금은 알루미늄만큼 쉽게 점용접할 수 있지만, 용접 형성 전에 스크래치 브러싱 또는 화학적 세척이 필요하다. 용융 용접은 아르곤 또는 헬륨 가스의 불활성 차폐 분위기를 사용하는 공정을 통해 가장 쉽게 수행된다. 마그네슘 합금 가공 시 화재 위험에 대한 상당한 오해가 존재한다. 마그네슘 합금은 분말 또는 미세 칩과 같은 미세하게 분할된 형태로 있을 때 가연성이 매우 높으며, 이 위험은 절대 무시해서는 안 된다. 800 °F (427 °C) 이상에서는 연소를 억제하기 위해 불연성, 무산소 분위기가 필요하다. 주조 작업은 시트, 바, 압출 또는 주조 형태의 마그네슘이 모래 및 물과 반응하기 때문에 추가적인 예방 조치가 필요한 경우가 많다. 그러나 마그네슘 합금은 실제 화재 위험이 없다.^[2]

Mag-Thor라고 알려진 토륨 함유 마그네슘이 1950년대 군사 및 항공우주 분야에 사용되었지만, 토륨 함량이 2%를 초과하는 경우 부품을 방사성 물질로 취급해야 하므로 토륨 함유 합금은 일반적으로 사용되지 않는다. 마찬가지로, 우라늄 함유 합금의 사용은 ASTM B275 "G" 지정이 더 이상 표준에 포함되지 않을 정도로 감소했다.

마그네슘 합금은 주조 부품과 단조 부품 모두에 사용되며, 알루미늄 함유 합금은 일반적으로 주조에, 지르코늄 함유 합금은 단조에 사용된다. 지르코늄 기반 합금은 더 높은 온도에서 사용될 수 있으며 항공우주 분야에서 인기가 높다.

WE54 및 WE43(후자는 Mg 93.6%, Y 4%, Nd 2.25%, 0.15% Zr 조성)과 같은 마그네슘+이트륨+희토류+지르코늄 합금은 최대 300°C까지 크리프 없이 작동할 수 있으며 합리적인 내식성을 가진다.

때때로 마그네슘 합금과 관련된 상표명이 있었다. 예시는 다음과 같다.

• 엘렉트론
• 마그녹스
• 마그누미늄
• Mag-Thor
• 메탈 12
• 비르마브라이트
• 마그날리움

주조 합금

마그네슘 주조 항복 응력은 일반적으로 75–200 MPa, 인장 강도는 135–285 MPa, 연신율은 2–10%이다. 일반적인 밀도는 1.8 g/cm³이고 영률은 42 GPa이다.^[5] 가장 일반적인 주조 합금은 다음과 같다.

AZ63

AZ81

AZ91^[6]

AM50

AM60

ZK51

ZK61

ZE41

ZC63

HK31

HZ32

QE22

QH21

WE54

WE43

엘렉트론 21

가공 합금

마그네슘 가공 합금의 항복 강도는 일반적으로 160-240 MPa, 인장 강도는 180-440 MPa, 연신율은 7-40%이다.^[7] 가장 일반적인 가공 합금은 다음과 같다.

AZ31

AZ61

AZ80

엘렉트론 675

ZK60

M1A

HK31

HM21

ZE41

ZC71 ZM21 AM40 AM50 AM60 K1A M1 ZK10 ZK20 ZK30 ZK40

단조 마그네슘 합금은 특별한 특징을 가지고 있다. 압축 항복 강도가 인장 항복 강도보다 작다. 성형 후 단조 마그네슘 합금은 변형 방향으로 섬유질 조직을 가지며, 이는 인장 항복 강도를 증가시킨다. 압축 시에는 육방정계 구조로 인해 마그네슘 합금에서 인장보다 압축에서 더 쉽게 발생하는 결정 쌍정 때문에 항복 강도가 더 작다.^[8]

급속 응고된 분말의 압출물은 비정질 특성으로 인해 최대 740 MPa의 인장 강도에 도달하며,^[9] 이는 가장 강한 전통적인 마그네슘 합금보다 두 배 강하고 가장 강한 알루미늄 합금과 비견된다.

조성 표

합금명	비율 (%)					기타 금속	참고
	Mg	Al	Zn	Si	Mn
AE44	92	4	-	-	-	4% 미시메탈	미시메탈은 희토류 원소의 합금으로 세륨 약 50%와 란탄 약 25%를 포함한다.
AJ62A[10]	89.8–91.8	5.6–6.6	0.2	0.08	0.26–0.5	2.1–2.8% Sr, <0.1% Be, Cu, Fe, Ni 각각	고온 엔진 Mg 합금
WE43	93.6	-	-	-	-	Y 4%, Nd 2.25%, 0.15% Zr	항공기 및 고성능 차량에 사용, 인장 강도 250 MPa[11]
AZ81	91.07	8.11	0.64	-	0.18		-
AZ31B[12]	96	2.5–3.5	0.7–1.3	<0.05	0.2	?	단조 합금, 우수한 강도 및 연성, 내식성, 용접성, 압출성
AMCa602	91.5	6	0.1	-	0.35	2% Ca	불연성 Mg 합금
AM60	93.5	6	0.1	-	0.35	-	-
AZ91[13]	90.8	8.25	0.63	0.035	0.22	Cu – 0.003; Fe – 0.014; Be – 0.002	다이캐스팅에 사용
QE22[14]	-	-	-	-	-	2.5% Ag, 2% RE, 0.6% Zr
마그녹스 (Al 80)	99.2	0.8	-	-	-	-	산화되지 않는 Mg 합금

특성

마그네슘의 특별한 장점은 알루미늄 합금의 장점과 유사하다. 즉, 낮은 비중과 만족스러운 강도이다. 마그네슘은 알루미늄(≈ 2.8 g/cm³)보다 훨씬 낮은 밀도(≈ 1.8 g/cm³)를 가져 알루미늄에 비해 이점을 제공한다.^[15] 마그네슘 합금의 기계적 특성은 가장 강한 알루미늄 합금보다 낮은 경향이 있다.^[16]

비강도는 시효 경화된 마그네슘 합금이 강한 알루미늄 합금이나 합금강과 비견된다. 그러나 마그네슘 합금은 밀도가 낮고 단위 중량당 더 큰 기둥 하중을 견딜 수 있으며 더 높은 비강성을 가진다. 또한 큰 강도가 필요하지 않지만 두껍고 가벼운 형태가 필요하거나 더 높은 강성이 필요할 때 사용된다. 예로는 항공기용 하우징이나 케이스와 같은 복잡한 주조품, 고속 회전 또는 왕복 기계 부품이 있다. 이러한 응용 분야에서는 하중 방향 변경 시 항복 강도를 낮추는 주기적인 결정 쌍정 및 역쌍정이 발생할 수 있다.^[8]

마그네슘 합금의 강도는 고온에서 감소한다. 93°C (200°F) 정도의 낮은 온도에서도 항복 강도가 상당히 감소한다. 마그네슘 합금의 고온 특성 개선은 유망한 결과를 보이는 활발한 연구 분야이다.^[16]

마그네슘 합금은 육방 밀집 결정 구조에서 기인하는 강한 이방성과 낮은 상온 성형성을 보이며, 이는 실용적인 가공 방식을 제한한다.^[17][8] 상온에서는 전위의 기저면 슬립과 기계적 결정 쌍정만이 작동하는 변형 메커니즘이며, 쌍정의 존재는 유리한 특정 하중 조건을 추가로 필요로 한다.^[8] 이러한 이유로 마그네슘 합금 가공은 취성 파괴를 피하기 위해 고온에서 수행되어야 한다.^[18]

마그네슘 합금의 고온 특성은 크리프 지연이 재료 수명에 중요한 역할을 하는 자동차 및 항공우주 응용 분야와 관련이 있다. 마그네슘 합금은 일반적으로 크리프 특성이 좋지 않다. 이러한 단점은 순수 마그네슘이 순수 알루미늄과 유사한 크리프 수명을 보이는 반면, 마그네슘 합금은 알루미늄 합금에 비해 크리프 수명이 감소한다는 점에서 마그네슘 기지보다는 용질 첨가물에 기인한다고 본다.^[16][18] 마그네슘 합금의 크리프는 주로 전위 슬립, 활성화된 교차 슬립 및 결정립 경계 슬립에 의해 발생한다.^[19] Mg-RE 합금에 소량의 아연을 첨가하면 국부적인 결합 강성으로 인해 기저면과 프리즘 면 모두에서 석출물을 안정화시켜 크리프 수명을 600% 증가시키는 것으로 나타났다.^[19] 이러한 발전으로 마그네슘 합금은 비교적 높은 온도에서 자동차 및 항공우주 응용 분야에 사용될 수 있게 되었다.^[16] 고온에서의 미세구조 변화는 미세 결정립 마그네슘 합금의 동적 재결정에도 영향을 받는다.^[8]

시효 경화와 두 원소를 모두 포함하는 마그네슘 합금의 고온 강도에 대한 가돌리늄과 이트륨의 개별 기여는 Gd:Y 몰비가 1:0, 1:1, 1:3, 0:1인 합금을 사용하여 Y+Gd 함량을 2.75 mol%로 일정하게 유지하면서 조사된다. 모든 조사된 합금은 200 °C보다 높은 시효 온도에서도 DO19 결정 구조를 가진 β상과 BCO 결정 구조를 가진 β상 석출에 의해 현저한 시효 경화를 나타낸다. 두 석출물 모두 피크 시효 시편에서 관찰된다. 시효 경화에 기여하는 석출물은 미세하고 Gd 함량이 증가함에 따라 그 양이 증가하며, 이는 피크 경도, 인장 강도 및 0.2% 항복 강도를 증가시키지만 연신율은 감소시킨다. 반면에 Y 함량이 높을수록 합금의 연신율은 증가하지만 강도는 감소한다.^[2]

마그네슘은 반응성이 강함에도 불구하고(마그네슘은 630°C에서 발화하여 공기 중에서 연소함), 상온 표준압력(STP) 조건에서 공기 중 부식에 대한 저항성이 좋다. 부식 속도는 동일한 환경에서 연강이 녹스는 것보다 느리다. 염수에 담그는 것은 문제가 되지만, 특히 가공 재료의 경우 니켈과 구리 같은 일부 불순물을 매우 낮은 비율로 줄이거나^[20] 적절한 코팅을 사용하여^[21] 염수 부식에 대한 저항성을 크게 향상시켰다.

제작

열간 및 냉간 가공

마그네슘 합금은 어떤 종류의 냉간 가공에서도 빠르게 경화되므로, 반복적인 풀림 없이는 광범위하게 냉간 성형할 수 없다. 큰 곡률 반경으로 완만하게 굽힘은 냉간으로 할 수 있지만, 급격한 굽힘, 스피닝 또는 드로잉은 약 500 to 600 °F (260 to 316 °C)에서 수행되어야 한다. 빠른 성형보다 느린 성형이 더 좋은 결과를 낳는다. 프레스 단금은 해머 단금보다 선호되는데, 프레스가 금속 유동에 더 많은 시간을 허용하기 때문이다. 소성 단조 범위는 500 to 800 °F (260 to 427 °C)이다. 이 범위 밖에서 가공된 금속은 사용 가능한 변형 메커니즘이 부족하여 쉽게 파손된다.^[8]

주조

마그네슘 합금, 특히 시효 경화 합금은 주조에 사용된다. 모래, 영구 주형 및 다이캐스팅 방법이 사용되지만, 석고 주조는 아직 완성되지 않았다. 생모래 주형에서의 모래 주조는 특별한 기술을 필요로 한다. 마그네슘이 모래 속의 수분과 반응하여 산화 마그네슘을 형성하고 수소를 방출하기 때문이다. 산화물은 주조 표면에 "화상"이라고 불리는 검게 그을린 부분을 형성하고, 방출된 수소는 다공성을 유발할 수 있다. 황, 붕산, 에틸렌 글리콜 또는 플루오린화 암모늄과 같은 억제제가 습한 모래와 혼합되어 반응을 방지한다. 모든 중력 공급 주형은 용융 금속의 추가적으로 높은 기둥이 필요하며, 이는 기포를 주조물 밖으로 밀어내고 금속이 주형의 세부 사항을 차지하도록 압력을 충분히 크게 만든다. 주조 벽의 두께는 대부분의 조건에서 최소 5/32인치여야 한다. 마그네슘 주조물에서 응력 집중은 특히 위험하므로 모든 오목한 모서리에 추가적으로 큰 필렛을 제공해야 한다. 영구 주형 주조는 동일한 합금으로 만들어지며 모래 주조와 거의 동일한 물리적 특성을 가진다. 마그네슘의 응고 수축은 알루미늄과 거의 같으므로, 알루미늄 주형은 종종 마그네슘 합금 주조물 제작에 적합할 수 있다(게이팅을 변경해야 할 수도 있음). 압력 냉실 주조는 소형 부품의 대량 생산에 사용된다. 유동 금속이 차가운 다이와 접촉하여 발생하는 빠른 응고는 우수한 물리적 특성을 가진 밀도 높은 구조의 주조물을 생산한다. 마감과 치수 정확도가 매우 우수하며, 극도의 정확도가 필요한 경우에만 기계가공이 필요하다. 일반적으로 이러한 주조물은 열처리되지 않는다.

용접, 납땜 및 리벳 접합

많은 표준 마그네슘 합금은 가스 또는 저항 용접 장비로 쉽게 용접되지만, 산소 토치로 절단할 수 없다. 마그네슘 합금은 취성 금속간 화합물이 형성되거나 금속 조합이 부식을 촉진할 수 있으므로 다른 금속과 용접되지 않는다. 두 개 이상의 부품을 함께 용접하는 경우, 그 조성은 동일해야 한다. 마그네슘 합금의 납땜은 부품의 표면 결함을 메우는 데에만 가능하다. 납땜은 알루미늄보다 훨씬 부식성이 강하므로, 부품이 응력을 견디도록 요구되어서는 안 된다. 마그네슘 합금 구조의 리벳 접합은 일반적으로 알루미늄 또는 알루미늄-마그네슘 합금 리벳을 사용한다. 마그네슘 리벳은 뜨거울 때 박아야 하므로 자주 사용되지 않는다. 리벳 구멍은 특히 두꺼운 판재와 압출 단면에서 드릴링해야 하는데, 펀칭은 구멍에 거친 가장자리를 만들고 응력 집중을 유발하는 경향이 있기 때문이다.

기계 가공

마그네슘 합금의 특별한 매력은 뛰어난 기계가공 특성에 있으며, 이 점에서 황동보다도 우수하다. 절단에 필요한 동력이 적고, 극도로 빠른 속도(일부 경우 분당 5000피트)를 사용할 수 있다. 최적의 절삭 공구는 특별한 모양을 가지지만, 다른 금속을 가공하는 공구도 사용할 수 있으며, 효율은 다소 떨어진다. 마그네슘을 고속으로 절단할 때, 공구는 날카로워야 하며 항상 절단 상태여야 한다. 무디고 끌리는 공구가 고속으로 작동하면 미세한 칩을 발화시킬 만큼 충분한 열을 발생시킬 수 있다. 따라서 연삭 시 발생하는 칩과 먼지는 화재 위험이 될 수 있으므로, 연삭은 냉각제를 사용하거나 먼지를 물 아래로 집중시키는 장치와 함께 수행해야 한다. 마그네슘 연삭기는 철금속용으로도 사용해서는 안 되는데, 스파크가 쌓인 먼지를 발화시킬 수 있기 때문이다. 마그네슘 화재가 발생하면 주철 칩이나 마른 모래, 또는 이 목적을 위해 특별히 준비된 다른 재료로 질식시킬 수 있다. 물이나 액체 소화기는 불을 퍼뜨리는 경향이 있으므로 절대 사용해서는 안 된다. 실제로는 마그네슘 칩과 먼지를 발화시키는 것이 일반적으로 생각하는 것보다 훨씬 어려우며, 그렇기 때문에 큰 기계 가공의 어려움을 주지 않는다. 마그네슘 가공(작업, 주조, 접합)에 사용해야 하는 특별한 기술은 제조 비용을 상당히 증가시킨다. 특정 부품에 대해 알루미늄과 마그네슘 중에서 선택할 때, 금속의 기본 비용은 어느 쪽에도 큰 이점을 주지 않을 수 있지만, 일반적으로 제조 작업은 마그네슘을 더 저렴하게 만든다.^[2] 아마도 이들 합금만큼 압출이 중요한 합금군은 없을 것이다. 왜냐하면 주조 재료의 비교적 거친 결정립 구조는 대부분의 합금이 충분한 변형이 가해져 결정립이 미세화될 때까지 다른 방법으로 작업하기에는 균열에 너무 취약하기 때문이다. 따라서 한두 가지 연성 합금을 제외하고는 기계 가공이 항상 다른 성형 공정 이전의 예비 단계이다.

열간 압출

순수 마그네슘은 특성이 다소 좋지 않아, 특히 항복 강도에 관해서는 좋지 않다. 현재 주요 합금 원소는 알루미늄, 아연, 세륨, 지르코늄이다. 망가니즈는 강도에는 거의 영향을 미치지 않지만 내식성 향상에 중요한 역할을 하므로 일반적으로 함께 존재한다. 최대 2.0% 망가니즈를 함유하는 중요한 이원 합금은 압연판 제조에 광범위하게 사용된다. 이 합금은 비교적 연하고 다른 합금보다 압출하기 쉬우며, 예비 압출 없이 직접 압연할 수 있는 몇 안 되는 합금 중 하나이다. 영국에서는 직경 2.87–12 인치 (73–305 mm)의 빌렛으로 압출물을 생산한다. 600-3500톤 범위의 프레스에서 작동하며, 빌렛에 가해지는 정상적인 최대 압력은 평방인치당 30-50톤이다. 미국에서는 다우 케미컬(Dow Chemical Company)이 최근 32인치 빌렛을 처리할 수 있는 13,200톤 프레스를 설치했다. 압출 기술은 일반적으로 알루미늄 기반 합금과 유사하지만, 윌킨슨(Wilkinson)과 폭스(Fox)에 따르면 다이 설계에 특별한 고려가 필요하며, 그들의 의견으로는 짧은 베어링 길이와 날카로운 다이 진입을 포함해야 한다. AM503, ZW2, ZW3 합금의 튜브 압출은 이제 브리지 다이를 사용하여 만들어진다. (알루미늄 함유 합금은 만족스럽게 용접되지 않는다.) 이전에는 보링된 빌렛을 사용하는 관행과 달리, ZW3 합금의 대구경 튜브 압출에서는 이제 맨드릴 피어싱이 사용된다.

압출에 대한 합금의 강성은 함유된 경화 원소의 양에 비례하여 증가하며, 사용되는 온도는 일반적으로 이 원소의 양이 많을수록 높다. 빌렛 온도는 또한 단면의 크기에 영향을 받으며, 큰 감소율에 대해서는 더 높지만 일반적으로 250–450 °C (482–842 °F) 범위에 있다. 컨테이너 온도는 빌렛 온도와 동일하거나 약간만 높아야 한다. 빌렛의 예열은 합금에 존재하는 Mg₄Al과 같은 화합물의 흡수를 통해 가능한 한 균일한 구조를 촉진하기 위해 균일하게 수행되어야 한다.

폭스는 이 점이 알루미늄 합금에도 적용된다고 지적한다. 빌렛의 초기 구조는 중요하며, 미세 결정립을 유도하는 주조 방법이 가치가 있다. 거친 재료에서는 더 큰 화합물 입자가 존재하며, 이들은 덜 쉽게 용해되어 용액 농도 구배를 유발하는 경향이 있다. 마그네슘 합금에서는 용액 농도에 작은 수축이 동반되므로 내부 응력을 유발하며, 이는 이후 열처리에 대한 반응의 균일성에도 영향을 미칠 수 있다.

이원 마그네슘-망가니즈 합금(AM505)은 250 to 350 °C (482 to 662 °F) 범위의 낮은 압력에서 쉽게 압출되며, 실제 사용되는 온도는 원하는 특성보다는 감소율 및 빌렛 길이에 따라 달라진다. 원하는 특성은 압출 조건에 비교적 둔감하다. 압출물의 우수한 표면 상태는 분당 15 to 30 미터 (49 to 98 ft) 정도의 고속에서만 달성된다.

알루미늄 및 아연 함유 합금, 특히 AZM 및 AZ855와 같이 알루미늄 함량이 높은 합금의 경우 고온 취성으로 인해 고속에서 어려움이 발생한다. 평형 조건에 가까워지면 마그네슘은 약 12%의 알루미늄을 용해할 수 있지만, 주조 빌렛에서는 일반적으로 4-5 중량%가 용해도의 한계이다. 따라서 6 중량% 이상의 알루미늄을 포함하는 합금은 435°C에서 공융 용융되는 Mg₄Al₃를 포함한다. 압출 온도는 250 to 400 °C (482 to 752 °F) 범위에서 달라질 수 있지만, 더 높은 온도에서는 속도가 분당 약 4 미터 (13 ft)로 제한된다. 연속 주조는 이러한 합금의 균질성을 향상시키고, 다이의 수냉 또는 빌렛의 테이퍼 가열은 압출을 더욱 용이하게 한다.

마그네슘-아연-지르코늄 합금 ZW2 및 ZW3의 도입은 여러 가지 이유로 마그네슘 합금 기술에 상당한 진전을 가져왔다. 이들은 고강도 합금이지만, 알루미늄을 포함하지 않으므로 주조 빌렛에는 소량의 두 번째 상만 포함된다. 고상 온도가 약 100 °C (180 °F) 상승하므로 비교적 높은 압출 속도에서 고온 취성 위험이 크게 감소한다. 그러나 기계적 특성은 빌렛 예열 시간, 온도 및 압출 속도에 민감하다. 긴 예열 시간과 고온 및 고속은 기존 알루미늄 함유 합금과 유사한 특성을 생성한다. 고특성을 얻으려면 가열 시간이 짧고 온도와 속도가 낮아야 한다. 아연 함량을 5% 또는 6 중량%로 늘리면(미국 합금 ZK60 및 ZK61과 같이), 기계적 특성 측면에서 압출 속도에 대한 민감도가 감소한다.

지르코늄 함유 재료의 합금은 개발에 있어 주요 문제였다. 일반적으로 염분에서 지르코늄을 첨가하며, 신중한 제어를 통해 좋은 결과를 얻을 수 있다. 캐나다의 도미니언 마그네슘은 마스터 합금을 통해 기존 방식으로 첨가하는 방법을 개발했다.

일부 마그네슘 합금을 성공적으로 압출하는 데 필요한 낮은 압출 속도에 대한 설명은 다른 금속에 대해 제시된 이유에서 벗어나지 않는다. 알트비커(Altwicker)는 가장 중요한 원인이 결정 변형으로부터의 회복 정도와 관련이 있다고 생각한다. 이는 작업이 빠르게 적용될 때 덜 완전하게 회복되어 더 높은 응력을 유발하고 결정 내 슬립 용량을 소진시키기 때문이다. 이는 재결정 속도가 금속마다, 그리고 온도에 따라 다르기 때문에 고려할 가치가 있다. 또한 작업 범위로 간주되는 금속이 변형 직후 급랭되면 현저한 가공 경화를 보일 수 있다는 사실도 있다. 이는 일시적인 소성 손실이 빠른 작업과 쉽게 동반될 수 있음을 보여준다.^[22][23]

추가 합금 개발

스칸듐과 가돌리늄이 합금 원소로 시도되었다. 망가니즈 1%, 스칸듐 0.3%, 가돌리늄 5%를 함유한 합금은 350℃에서 거의 완벽한 크리프 저항성을 제공한다.^[24] 이러한 다성분 합금의 물리적 조성은 Mn₂Sc와 같은 금속간 화합물 판이 형성되면서 복잡해진다. Mg-RE 합금에 아연을 첨가하면 RE 석출물을 안정화하여 크리프 수명을 크게 증가시키는 것으로 나타났다.^[19] 에르븀도 첨가제로 고려되었다.^[25]

마그네슘-리튬 합금

마그네슘에 리튬 10%를 첨가하면 이산화망가니즈 음극을 사용하는 배터리의 개선된 양극으로 사용될 수 있는 합금이 생성된다.^[26] 마그네슘-리튬 합금은 일반적으로 부드럽고 연성이 있으며, 1.4 g/cm³의 밀도는 우주 응용 분야에 매력적이다.

불연성 마그네슘 합금

마그네슘 합금 AM60에 칼슘 2%를 중량비로 첨가하면 불연성 마그네슘 합금 AMCa602가 된다.^[27] 칼슘의 더 높은 산화 반응성으로 인해 마그네슘이 발화하기 전에 산화칼슘 층이 형성된다. 합금의 발화 온도는 200–300 K 상승한다. 기계가공 작업에 산소 없는 분위기가 필요하지 않다.

생체 의학 응용을 위한 마그네슘 합금

모든 생체 적합 금속 중에서 Mg는 천연 뼈와 가장 유사한 탄성 계수를 가지고 있다. Mg는 인체에서 네 번째로 풍부한 양이온이며, 신진대사에 필수적인 원소로 주로 뼈 조직에 저장된다. Mg를 포함한 식단은 뼈 세포 성장을 촉진하고 뼈 조직 회복 속도를 가속화한다. 생체 적합 합금 원소의 첨가는 Mg의 기계적 거동에 심각한 영향을 미칠 수 있다. 금속의 강도를 높이는 효과적인 방법 중 하나는 일종의 합금인 고용체를 만드는 것이다.^[28][29][30]