KR100783918B1 - 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성증대 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네슘 판재 성형시 여러 문제점이 많은 온간 성형을 탈피하고, 스틸이나 알루미늄 판재처럼 상온에서 프레스 성형이 가능하도록 마그네슘 판재의 저면 슬립을 억제하고 비저면 슬립을 활성화시킬 수 있도록 한 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 AZ31B 마그네슘 합금을 제조하는 과정을 트윈 롤(twin roll)을 통해 반응고 상태(Mushy state)로 나온 슬라브 형태의 마그네슘 잉곳을 6단계에 걸친 열간 압연으로 실시하되, 제1단계에서는 열간 압연용 하부롤을 구동시키되, 롤과 슬라브(잉곳)과의 소착을 막기 위해 압하율을 5∼20% 로 유지되도록 하고, 제2 내지 제5단계에서는 마그네슘 잉곳에 대하여 압연의 평면 변형(plane strain deformation) 조건이 아닌 전단변형(Shear deformation)이 가해지도록 상기 하부롤을 아이들(idle) 상태로 유지되도록 하며, 최종 단계인 제6단계에서는 다시 상기 하부롤을 구동시켜 평면 변형이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법을 제공한다.

마그네슘 합금, 하부롤, 아이들, 전단변형, 집합조직 제어, 성형성 증대

Description

집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법{Method for manufacturing Mg alloy sheet}

도 1은 기존 방법에 의해 제조한 AZ31B 마그네슘 판재의 역극점도(Inverse Pole Figure)를 나타내고,

도 2는 본 발명에 따른 방법으로 제조한 마그네슘 판재의 역극점도를 나타낸다.

본 발명은 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마그네슘 판재 성형시 여러 문제점이 많은 온간 성형을 탈피하고, 스틸이나 알루미늄 판재처럼 상온에서 프레스 성형이 가능하도록 마그네슘 판재의 저면 슬립을 억제하고 비저면 슬립을 활성화시킬 수 있도록 한 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3, 철 합금의 1/5 수준으로 현재까지 개발된 합금 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있으며, 여타 경량 재료와 비교하여 손색이 없는 비강도와 비탄성계수를 나타낸다.

상기 마그네슘 합금은 그 이외에 진동, 충격, 전파 파동에 대한 흡진성이 탁월하고 전기전도도, 열전도도, 가공성 그리고 고온에서의 피로, 충격 특성이 우수하여 자동차, 항공기, 방위산업　분야에서 경량화 소재로서 요구하는 물성들을 두루 만족시키고 있다.

현재까지 마그네슘 함금의 사용량은 미미했지만, 세계적으로 에너지 절약 및 환경규제가 대폭 강화됨에 따라 자동차와 항공기의 소재 경량화가 매우 긴박한 과제로 떠오르면서, 마그네슘 합금의 사용이 가시권에 들어오고 있다.

지금까지의 마그네슘 합금 부품은 주로 다이캐스팅을 위주로 한 주조공정에 의해 제조되어 왔으며, 그 적용분야도 구조적 조건이나 환경조건이 엄격하지 않은 내장 부품이나 강도, 내열성, 내식성이 요구되지 않은 부위에 국한되고 있으며 두께나 크기에 제약이 많은 실정이다.

따라서, 마그네슘 합금이 구조용 재료로서의 응용분야를 확대하기 위해서는 내열성 및 내식성 향상과 함께 효율적인 가공공정에 의한 새로운 합금 개발이 필수적이라 할 수 있다.

압연공정을 통해 유일하게 상업적으로 생산되고 있는 AZ31 마그네슘 합금은 노트북 컴퓨터, 휴대폰 등의 경량 외장재료로서 적합한 특성을 나타내며, 그럼에도 불구하고 성형성과 고온특성의 문제점들 그리고 이에 따른 낮은 생산성으로 인해 아직까지는 응용범위가 적은 실정이다.

마그네슘 합금의 가공에 있어서, 기존의 강판이나 알루미늄 합금 판재 제조및 가공과 다른 점은 상온에서 연신률이 작다는 점에 있다.

상기 마그네슘은 HCP 구조(육방 조밀 구조 : Hexagonal Closed Packed Structure)를 가지고 있는 반면에 상온에서 변형되기 위한 충분한 슬립계(slip system)를 가지지 못한다.

또한, 상기 마그네슘은 상온에서 비저면(nonbasal) 슬립의 임계분해 전단응력(critical resolved shear stress, CRSS)이 저면(basal) 슬립에 비하여 매우 커서 작동하기가 쉽지 않다.

따라서, 임의(arbitrary)적 변형을 하기 위해서는 von Mises 조건에 의하여 5개의 독립적인 슬립계가 작동해야 하는데, 상온에서는 이것이 어렵게 된다.

그에 따라, 상기 마그네슘 판재의 변형 및 가공을 용이하게 하기 위한 조건으로 비저면 슬립을 활성화시키면 되고, 이는 간단히 변형 온도를 올리면 된다.

즉, 비교적 낮은 온도 약 200℃ 이상의 온도에서 변형하면, 저면 슬립 외에 비저면 슬립이 활성화되어 5개 이상의 슬립계가 작동할 수 있다.

많은 연구자들이 이와 같이 변형이 가능한 200∼250℃ 구간에서의 가공 또는 성형을 온간(warm) 가공, 온간 성형이라고 부르고 있다.

이와 같은 온간 가공 공정은 이미 마그네슘 외에 다른 금속 재료에서 흔하게 사용하고 있은 공정으로서, 마그네슘 역시 적절한 공정 조건하에서 소성 가공하여 원하는 형태의 판재를 제조하는 것은 쉬운 공정이며, 변형 온도를 증가시켰을 때 마그네슘의 충분한 소성변형이 가능하다는 것은 이미 1940년대부터 알려진 공지의 사실이다(G. Siebel, in Technology of Magnesium and Its Alloys, Hughes, London, 1940).

상기 온간 가공 공정은 비교적 쉬운 공정이기는 하나, 자동차 내/외판의 경우처럼 대형 부품(large part) 성형을 위한 금형 온도 제어, 고온 변형시 금형-마그네슘 판재간 소착, 금형 열변형 제어 등의 복잡한 문제를 현재까지는 해결하지 못해 자동차에 적용하는 마그네슘 차체 무빙(hang-on) 부품은 주조를 통해 생산하는 것이 현실이다.

주조를 통해 차체 부품을 생산하는 경우, 모듈화가 가능하여 부품수를 줄일 수 있는 장점은 무시할 수 없으나, 표면 외관 불량으로 외판에 적용하기에는 불가하며, 두께 감소의 한계가 있어 외판/내판의 접합 방법인 헤밍시 헤밍 면이 두껍게 되어 매칭면이 불량하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 발명된 것으로서, 무게비로 알루미늄 3%, 아연 1%가 주요 첨가 원소인 마그네슘 판재(AZ31B)를 생산하는데 있어서, 기존의 스트립 캐스팅(Strip casting)법의 하나인 트윈 롤 캐스팅(twin roll casting)으로 후판을 제조한 후, 열간압연을 실시하여 두께 1.0mm AZ31B 박판을 생산하는 공정 중 열간압연 압하량을 조절하여 판재의 집합조직을 기존의 (0002) 집합조직이 발달하여 저면 슬립만 일어나는 것을 개선하여 (0002) 면이 발달하지 않 아 비저면 슬립이 주로 발생하도록 함으로써, 판재의 연신률을 증가시킬 수 있고, 또한 소성변형비(r 값)를 증가시키면서 Δr을 현저히 저감시킬 수 있도록 한 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 AZ31B 마그네슘 합금을 제조하는 과정을 트윈 롤(twin roll)을 통해 반응고 상태(Mushy state)로 나온 슬라브 형태의 마그네슘 잉곳을 6단계에 걸친 열간 압연으로 실시하되, 제1단계에서는 열간 압연용 하부롤을 구동시키되, 롤과 슬라브(잉곳)과의 소착을 막기 위해 압하율을 5∼20% 로 유지되도록 하고, 제2 내지 제5단계에서는 마그네슘 잉곳에 대하여 압연의 평면 변형(plane strain deformation) 조건이 아닌 전단변형(Shear deformation)이 가해지도록 상기 하부롤을 아이들(idle) 상태로 유지되도록 하며, 최종 단계인 제6단계에서는 다시 상기 하부롤을 구동시켜 평면 변형이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 AZ31B 마그네슘 판재의 제조 공정에서 열간 압연 제1 및 제6단계를 제외한 제2 내지 제5단계의 압연시, 판재 냉각을 담당하는 상기 하부롤을 아이들(idle) 상태로 하여 마그네슘 판재에 전단 변형이 가해지도록 함으로써, 최종 생산 판재의 집합조직이 (0002)가 발달하지 않고, (10-15)이 발달하여 상온 연신률을 20% 이상, Δr을 최대 0.4로 제어될 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 트윈 롤(twin roll) 중 상부롤을 성형롤이라 지칭하며, 하부롤을 응고롤이라 지칭하는 바, 그 이유는 상기 상부롤에 의해 마그네슘 잉곳이 주로 변형이 이루어지며, 상기 하부롤에 의해 반응고 조직의 응고가 일어나기 때문이다.

일반적으로, 자동차 차체부품을 프레스 성형을 포함한 상온 변형을 하기 위해서는 변형률이 적어도 20% 이상은 확보되어야 하며, 소성변형비는 클수록 좋으나 기존의 온간 가공 방법으로 생산한 경우 소성변형비는 1 이상으로 알루미늄 합금보다는 좋은 특성을 보인다.

그러나, 마그네슘 판재의 소성변형비의 방향에 따른 변화값인 Δr은 0.7 이상으로 소성변형비의 70% 수준 이상이고, 이는 프레스 가공 등에 있어 소재 압연 방향에 대해 변형률의 변화가 극심한 것을 의미하는 것으로 Δr을 줄일수록 성형성이 우수하게 된다는 것을 의미한다.

대개, 열간 압연은 압연의 특성상 400℃ 정도의 고온에서는 압연하중이 줄어들어 압연이 쉬우며 동적 재결정(Dynamic Recrystallization)이 일어나 결정립 미세화가 가능하나 판재-롤간의 소착이 일어날 가능성이 높다.

또한, 생산성 확보를 위해 70m/min 속도에 근접하는 최고 속도로 생산하는 경우 반응고 상태의 슬라브가 응고되지 않아 내부 크랙이 발생할 수 있으며, 물론 저온에서 압연을 하게 되는 경우 안정적인 생산성을 확보할 수 있으나 결정립 미세화를 기대하기는 쉽지 않은 단점이 있다.

본 발명에 따른 방법에 의하여 적용되는 응고롤에 의한 전단변형은 강한 소성변형(Severe Plastic Deformation)이 발생하도록 마그네슘 합금 판재에 가하여 일어나는 바, 이러한 전단변형에 의하여 결정립을 미세화 시킬 수 있다.

또한, 마그네슘 합금의 집합조직은 온도에 영향을 거의 받지 않으며 발달하기 때문에 위와 같은 전단변형을 통해 집합조직 제어를 쉽게 할 수 있으며, 온도 영향을 무시하면서도 상온 성형성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예1-4

통상적인 방법으로 생산된 AZ31B(마그네슘 + 2∼3% 알루미늄 + 1% 아연) 슬라브를 열간 압연할 때, 제1단계 및 제6단계에서는 상/하부 롤을 모두 구동시키고, 제2단계와 제5단계에서는 전단변형이 가해질 수 있도록 상기 하부롤을 아이들(idle)상태로 유지시키는 압연 공정을 통해 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.

이때, 초기 용탕에서 나오는 슬라브의 두께는 20mm이며, 최종 두께는 1.0mm이었으며, 열간 압연을 마친 AZ31B 판재는 250℃에서 17m/min의 속도로 300m 길이의 연속소둔로를 거쳐 열처리를 완료하였다.

상기 하부롤(응고롤)을 아이들(idle) 상태로 유지시킨 것은 상부롤에 의한 변형이 쉽게 가해지기 때문이고, 상기 상부롤을 아이들(idle)로 놓는 경우에는 응고는 일으킬 수 있으나 변형을 가할 수 없어, 응고와 변형의 두 가지 목적을 달성할 수 없기 때문이다.

다음의 표 1은 실시예1-4의 각 단계별 압하율 및 그에 따른 판재 두께를 기재한 것이다.

비교예1-9

통상적인 방법으로 생산된 AZ31B(마그네슘 + 2∼3% 알루미늄 + 1% 아연) 슬라브를 열간 압연할 때, 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이 총 6단계의 열간 압연을 실시하였다.

이때, 비교예1은 종래의 방법으로서 제1 내지 제6단계 모두 하부롤을 구동시키는 단계로 진행되었다.

비교예2는 제2 내지 제4단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예3은 제2 내지 제3단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예4는 제2단계에서만 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예5는 제2 및 제4단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예6은 제1 내지 제6단계 모두 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예7은 제6단계를 제외한 제1 내지 제5단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예8은 제2,4,5단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

비교예9는 제2,4,6단계에서 하부롤을 아이들 상태로 유지시킨 것이다.

이러한 비교예1-9는 표 1에 기재된 실시예1의 압연 스케쥴1로 실시한 것이며,이는 기존 최적화된 압연 스케쥴이 표 1의 실시예1의 압연 스케쥴1이기 때문이다.

물론, 압연 스케쥴 2 내지 4도 반복시험을 하는 경우 무수히 많은 조합이 있을 수 있으나 효과는 동일한 것을 나타나기 때문에 그에 대한 기술은 생략하기로 한다.

시험예

실시예1-4 및 비교예1-9에 따라 최종 생산된 마그네슘 합금 판재에 대하여 인장시험을 통해 상온 성형성을 평가하였으며, 또한 상온 성형성 평가 기준으로는 통상적으로 자동차 내/외판에 사용하는 스틸. 알루미늄에 적용 중인 기준을 적용하여, 연신률 20% 이상, Δr 0.2 이하의 수준을 만족하는지를 확인하였는 바, 그 결과는 표 3에 기재된 바와 같다.

또한, 실시예1-4와 비교예1(기존 방법)에 의하여 제조된 AZ31B 마그네슘 판재의 역극점도를 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 1과 도 2에 나타낸 바와 같다.

기존 방법에 의해 제조한 AZ31B 마그네슘 판재의 역극점도(Inverse Pole Figure)를 나타내는 도 1에서 보듯이, (0002)면이 발달한 것을 알 수 있으며, 이는 앞서 기술한 것처럼 상온에서 3개의 저면 슬립만이 일어날 수 있어 변형이 쉽게 일어나지 않아 성형성이 나쁘다는 것을 예상할 수 있다.

반면에, 본 발명에 따른 실시예1-4의 방법으로 제조한 마그네슘 판재의 역극점도를 나타내는 도 2에서 보는 바와 같이, 각 실시예가 공통적으로 (0002) 면에서 벗어난 (10-10) 방향의 면이 발달함을 알 수 있고, 변형시 최종적으로 안정한 면인 (0002) 면으로 변형을 할 수 있는 슬립이 일어나기에 충분한 조건을 보이고 있으므로, 상온 성형성이 기존 방법에 비해 좋은 것을 알 수 있으며, 또한 집합조직의 특성상 Δr이 작을 것으로 예상될 수 있다.

집합조직과 소성변형비 r값은 직접적인 연관이 있어 집합조직을 제어함으로써, 소성변형비를 증가시키거나 감소시킬 수 있으며, 이러한 결과는 다음의 표 3에서 확인할 수 있다.

다음의 표 3은 본 발명에 따른 방법의 의해 생산한 판재와 기존방법 및 비교예에 의해 생산한 판재의 연신률과 Δr을 측정한 결과이며, 마그네슘 판재의 인장시험은 기존 스틸과 알루미늄에 적용하는 바와 동일하게 5mm/min의 속도로 인장시험을 실시하였다.

위의 표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예는 집합조직을 (0002)면에서 (10-15)으로 발달 양상을 열간압연을 통해 제어한 결과, 상온에서의 연신률이 20%이상을 보여, 기존 방법 대비 3% 이상 연신률이 향상((발명치-기존치)/발명치 = 25% 이상)됨을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명의 실시예는 소성변형비 편차인 Δr은 최대 0.36으로 나타났으며, 평균적으로 1이 넘는 기존 방법 및 비교예에 비해 상당히 향상되었음을 알 수 있었다.

소성변형비의 절대값인 r값은 본 발명의 방법으로는 1.9이상이 나타났으며, 이는 기존 방법의 최대치인 4.1수준에 비할 바는 아니지만, 알루미늄 판재의 소성변형비가 1이 안되는 것에 비해서는 상당한 수준으로 성형성 평가에 영향을 미칠 수준은 아니다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법에 의하면, 마그네슘 잉곳을 6단계에 걸친 열간 압연으로 실시하되, 제1단계 및 제6단계에서는 열간 압연용 하부롤을 구동시키고, 제2 내지 제5단계에서는 마그네슘 잉곳에 대하여 압연의 평면 변형 조건이 아닌 전단변형이 가해지도록 하부롤을 아이들(idle) 상태로 유지되도록 함으로써, 최종 생산재의 집합조직을 기존 (0002)에서 (10-15)으로 제어하여 연신률을 20%이상 수준으로 향상시키며, Δr을 최대 0.4로 낮추어 상온 성형성이 기존 생산재 대비 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. AZ31B 마그네슘 합금 판재를 제조하는 과정을 트윈 롤(twin roll)을 통해 반응고 상태(Mushy state)로 나온 슬라브 형태의 마그네슘 잉곳을 6단계에 걸친 열간 압연으로 실시하되,

   제1단계에서는 열간 압연용 하부롤을 구동시키되, 롤과 슬라브(잉곳)과의 소착을 막기 위해 압하율을 5∼20% 로 유지되도록 하고,

   제2 내지 제5단계에서는 마그네슘 잉곳에 대하여 압연의 평면 변형(plane strain deformation) 조건이 아닌 전단변형(Shear deformation)이 가해지도록 상기 하부롤을 아이들(idle) 상태로 유지되도록 하며,

   최종 단계인 제6단계에서는 다시 상기 하부롤을 구동시켜 평면 변형이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 집합조직 제어를 통한 마그네슘 합금 판재의 상온 성형성 증대 방법.
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