KR101139879B1 - 선압축변형을 이용하여 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저주기 피로 수명을 향상시킬 수 있는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공하기 위한 것으로써, 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법에 있어서, 가공을 마친 마그네슘 합금 가공재에 선압축변형(pre-straining)을 행하는 것을 포함하는 선압축변형을 이용하여 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 관한 것이다.

마그네슘 합금 가공재(wrought magnesium alloy), 저주기 피로 수명(low-cycle fatigue life), 선압축변형(pre-straining), 쌍정(twin)

Description

선압축변형을 이용하여 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING WROUGHT MAGNESIUM ALLOY HAVING IMPROVED LOW-CYCLE FATIGUE LIFE USING PRE-STRAINING}

본 발명은 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선압축변형(pre-straining)을 통해 피로거동 동안 압출재 또는 압연재에 발생하는 변형기구를 변화시켜 마그네슘 합금 가공재의 저주기 피로 수명을 향상시킬 수 있는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

마그네슘은 비중이 1.74g/㎤으로 알루미늄의 2/3, 철강의 1/5로 현재 사용되고 있는 구조용 금속 중 가장 가벼운 금속이며, 비강도가 높고 재활용이 용이하여 자원이 무한한 환경 친화형 소재이다. 마그네슘은 지구상 여덟 번째로 풍부한 원소로서 지구상의 약 2.7%를 차지하며, 특히 바닷물의 0.13%가 마그네슘으로 구성되어 있으므로 자원이 무한히 제공된다고 할 수 있다.

이러한 마그네슘은 지구 환경 및 연비 향상에 따른 수송기기의 경량화 요구 에 따라 점차 사용이 증대되고 있으며, 경박단소 및 전자파차폐 요구에 따라 휴대폰, 노트북 등 3Cs제품에 적용이 증가하고 있다. 이에 마그네슘 합금의 재료 가공에 대한 연구가 군수/방위, 운송, 3Cs 등 여러 분야에서 매우 활발하게 진행되고 있는 실정이다.

그러나 마그네슘 부품이나 설비들은 반복되는 하중이나 변형이 가해지는 서비스 환경에서 사용되므로, 높은 신뢰성을 가지고 다양한 분야에 적용하기 위해서는 마그네슘 합금 가공재의 우수한 피로특성이 요구되지만, 아직까지는 그 해결책이 미비한 실정이며, 특히 경량재료로서 주요 경쟁 재료인 알루미늄과 비교할 때, 낮은 파괴인성으로 인해 알루미늄보다 취약한 피로특성, 특히 저주기 피로 영역에서의 취약한 피로특성으로 인해 활용도가 제한되는 문제점이 있다.

한편 마그네슘 합금에 대한 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다. 한국 공개특허공보 제2007-0114621호에서는 프레스 가공 등의 소성가공성이 우수한 마그네슘 합금판을 얻기 위해서, 마그네슘 합금 중 Al 함유량에 따른 압연롤의 온도 및 합금판재의 표면 온도를 제어하는 기술이 개시되어 있다.

그러나 상기 특허의 경우에는 Al 함유량을 질량%로 한정하여 소재 적용성에 한계를 가질 수 있다는 단점을 가지고 있으며, 마그네슘 합금 판재의 소재 표면 온도를 증가시켜야 한다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제2008-0104721호에서는 망간, 지르코늄, 아연, 구리를 첨가하여 마그네슘 합금의 편석을 억제함으로서, 미세조직의 균질성을 향상시켜 기존 마그네슘 합금과 비교하여 고강도 고인성 마그네슘 합금에 대하여 개시되어 있다. 상기 특허의 경우에는 소재 자체에 상기와 같은 고가의 합금원소를 첨가함으로써, 가격 상승이 불가피하며, 합금을 제조한 후 가공에 대한 문제점을 해결하지 못한다는 단점을 가지고 있다.

상기 특허들 이외에 마그네슘 합금에 관한 특허는 마그네슘 합금 성분계, 가공방법에 관한 특허에 대해 일본을 중심으로 출원되어 있으나, 마그네슘 합금재의 피로특성을 향상시키기 위한 기술은 그 존재를 찾기 매우 힘든 실정이다.

본 발명의 일측면은 취약한 저주기 피로특성을 가지는 마그네슘 합금 가공재의 저주기 피로 수명을 향상시키기 위해서, 선압축변형(pre-straining)을 이용하여 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법에 있어서, 가공을 통해 육방정계의 기저면(basal plane)이 소정 방향으로 평행하게 배열된 집합조직을 형성하는 단계와, 상기 집합조직이 형성된 마그네슘 가공재에 상기 육방정계의 기저면에 평행한 방향으로 변형률 1 ~ 15%의 선압축변형을 가하여 마그네슘 합금 가공재 내부에 쌍정을 형성시켜 상기 집합조직의 결정배향상태를 변화시키는 단계를 포함하는, 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법을 제공한다.

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본 발명에 의하면, 마그네슘 합금 가공재의 저주기 피로 수명을 향상시킬 수 있고, 이러한 피로 특성 개선으로 마그네슘 합금 가공재의 적용 분야의 확대 및 부품 안정성을 확보할 수 있기 때문에 고부가가치 제품 개발의 기반기술로 사용할 수 있으며, 선진국 대비 지적 재산권 확보에 매우 큰 기여를 할 수 있다.

본 발명자들은 깊이 연구한 결과, 선압축변형(pre-straining)을 통해 재료내에 집합조직 변화 및 쌍정 발생을 인위적으로 야기시켜, 반복거동하에서 변형기구의 변화로 재료에 발생하는 평균응력을 저감시켜 저주기 피로특성을 향상시킬 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

압연이나 압출 등의 가공을 통해 제조된 마그네슘 합금 가공재는 특정 방향에 대해 우선된 결정 방위를 가지는 집합조직(texture)이 형성된다. 상기 집합조직(texture)은 압연의 경우 육방정계의 기저면(basal plane)이 압연방향과 평행하게 배열되며, 압출의 경우 기저면(basal plane)이 압출방향과 평행하게 배열된다.

상기 압연 또는 압출 등의 가공에 의해 발생한 집합조직과 더불어, 슬립계(slip system)가 부족한 마그네슘 합금에서 상온 소성변형에 중요한 영향을 미치는 것이 쌍정(twin)이다. 이때 상기 쌍정(twin) 생성에 대한 방향성에 의해 인장과 압축시의 소성 변형이 확연히 달라지게 된다.

즉, 압출 또는 압연 가공방향으로 압축응력이 가해지면 {10-12} 인장쌍정(extension twin)이 쉽게 발생하여 쌍정에 의한 변형 수용으로 인해 낮은 항복강도와 낮은 변형경화율(strain hardening rate)이 나타나는 반면에, 압출 또는 압연 방향으로 인장응력이 가해지면 인장쌍정이 발생하기 힘든 응력 조건이 되어 슬립에 의한 변형 수용이 발생하여 높은 항복강도와 높은 변형경화율이 나타나게 된다.

이에 인장과 압축 변형이 반복적으로 가해지는 저주기 피로 분위기하에서 압출 또는 압연 방향의 피로거동을 살펴보면, 압축시에는 {10-12} 인장쌍정이 발생하 기 쉬운 상태로 응력이 발생하여(c-axis tension mode), {10-12} 쌍정이 발생하면서(twinning) 소성변형을 수용하여 낮은 인장응력을 나타내며, 인장시에는 생성된 쌍정이 변형초기에 사라지면서(detwinning) 변형을 수용하고 나머지 변형에서는 슬립이 주된 변형모드가 되어 높은 인장응력이 나타난다. 그리하여 인장응력이 압축응력보다 높아 피로거동 동안 인장 평균응력(tensile mean stress)이 발생한다. 이러한 인장 평균응력은 피로 손상을 가속화시켜 피로 수명을 감소시키는 역할을 하므로, 본 발명에서는 이러한 평균응력을 감소시켜 저주기 피로 수명을 향상시킬 방법을 제공하고자 한다.

이를 위해 본 발명은 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법에 있어서, 가공을 마친 마그네슘 합금 가공재에 대하여 상기 가공 방향으로 선압축변형(pre-straining)을 행함으로써, 저주기 피로 특성을 향상시킬 수 있는 마그네슘 합금 가공재의 제조방법에 관한 것이다. 상기 마그네슘 합금재를 제조하기 위한 가공에는 압연 또는 압출 가공이 적용될 수 있다.

본 발명에서는 상기 선압축변형(pre-straining)을 통하여 재료내에 {10-12} 쌍정을 생성시킨다. 상기 선압축변형 후 피로거동을 살펴보면, 선압축변형량이 증가함에 따라 {10-12} 쌍정 양이 증가함으로서, 인장시에는 선압축변형에 의해 생성된 쌍정이 소멸하면서 변형을 수용하는 정도가 증가하여 인장응력이 점차 낮아지고, 쌍정이 생성되는 응력상태인 압축시에는 변형 초기에 쌍정이 포화되어 슬립에 의한 변형량이 증가하여 압축응력이 점차 증가하게 된다. 이로 인해 선압축변형량이 증가할수록 피로거동 동안 발생하는 평균응력이 점차 감소하여 저주기 피로 수명이 점차 증가하게 되고, 그 결과 기존 가공재 대비 최대 50%의 저주기 피로 수명 향상된다.

상기 선압축변형(pre-straining)량은 1~15%의 변형량으로 행한다. 변형량이 1% 미만에서는 선압축변형에 의한 쌍정 형성이 이루어지는 것이 미미하여 피로 수명 향상을 기대하기 어렵고, 변형량이 15%를 초과하는 경우에는 가공시 쌍정이 포화되어 피로 수명의 향상을 더 이상 기대하기 어렵다. 바람직하게는 1~10%의 변형량으로 선압축변형을 행하는 것이 경제성 측면에서 바람직하다.

즉, 본 발명은 가공을 마친 마그네슘 합금 가공재에 압연 또는 압출 등의 가공 방향으로의 선압축변형을 통해 쌍정을 생성시켜 반복거동하에서의 주된 변형기구를 변화시킴으로서 피로 수명에 지배적인 영향을 미치는 평균응력을 감소시킴으로서 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법이다.

　　　　　　　

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다. 본 발명은 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

중량%로, Al: 3.6%, Zn: 1.0%, Mn: 0.5% 및 나머지는 Mg로 조성된 AZ31 마그 네슘 합금 압연 가공된 판재를 상기 압연 방향으로 선압축변형을 가하고, 압축변형량에 따른 미세조직을 도 1에 나타내었다.

선압축변형을 가하지 않은 초기 압연재(도 1(a))에는 쌍정이 존재하지 않으나, 선압축변형량이 증가함에 따라 쌍정(밝은 영역)이 증가하고 있는 것을 알 수 있다(도 1(b), (c), (d)).

도 2는 선압축변형 후 피로 거동 동안에 발생하는 평균응력의 변화를 측정하고 그 결과를 나타낸 것으로서, 선압축변형량이 증가할수록 곡선이 아래에 있음을 알 수 있다. 즉, 피로거동 중 재료에 발생하는 평균응력이 선압축변형량이 증가함에 따라 감소하는 것을 알 수 있다.

또한 선압축변형량에 따른 저주기 피로 수명을 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 선압축변형량이 증가함에 따라 평균응력 감소로 인한 저주기 피로 수명이 증가하였다. 즉, 압축변형이 가해지지 않은 가공재의 피로 수명에 비해 최대 50% 가량 수명이 증가한 것을 알 수 있다.

도 1은 선압축변형율에 따른 미세조직의 변화를 나타낸 사진이다.

도 2는 선압축변형율에 따른 평균응력의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 3은 선압축변형율에 따른 저주기 피로 수명의 변화를 나타낸 그래프이다.

Claims (4)

1. 마그네슘 합금 가공재를 제조하는 방법에 있어서,

   가공을 통해, 육방정계의 기저면(basal plane)이 소정 방향으로 평행하게 배열된 집합조직을 형성하는 단계와,

   상기 집합조직이 형성된 마그네슘 가공재에, 상기 육방정계의 기저면에 평행한 방향으로 변형률 1 ~ 15%의 선압축변형을 가하여 마그네슘 합금 가공재 내부에 쌍정을 형성시켜 상기 집합조직의 결정배향상태를 변화시키는 단계를 포함하는, 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 선압축변형은 상기 마그네슘 합금 가공재에 {10-12} 쌍정을 생성시키는 것을 포함하는 저주기 피로 수명이 향상된 마그네슘 합금 가공재의 제조방법.
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