KR20090091580A - 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재 - Google Patents

알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법에 관한 것으로서, 공정이 단순하여 저비용으로 제조할 수 있을 뿐 아니라 마그네슘과 알루미늄 간의 접합이 완전하게 이루어질 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제조방법의 하나는, 쌍롤식 박판 주조기의 회전하는 두 냉각롤에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 두 냉각롤의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 박판 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 상기 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 것을 특징으로 한다.
마그네슘 합금 판재, 클래딩, 알루미늄

Description

알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재 {MANUFACTURING METHOD OF MAGNESIUM ALLOY SHEET CLAD WITH ALUMINUM SHEET AND MAGNESIUM ALLOY SHEET MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법에 관한 것으로서, 마그네슘을 쌍롤식 박판주조기 또는 연속주조기를 통해 주조할 때 동시에 알루미늄 시트를 공급하여 클래딩함으로써, 마그네슘과 알루미늄의 접합상태가 개선되고 공정이 단순화될 수 있는 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법과 이 방법에 의해 제조된 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재에 관한 것이다.
마그네슘은 그 비중이 1.74g/㎤로 매우 가벼운 금속일 뿐 아니라, 높은 비강도, 진동흡수성, 열/전기전도성, 기계가공성 등을 특성을 나타낸다.
한편 고유가 및 환경의 측면을 고려할 때 차량 경량화에 대한 요구가 증대되고 있기 때문에 상기와 같은 특성을 갖는 마그네슘 합금에 대한 요구는 커지고 있으나, 현재까지는 자동차 산업계에서 요구하는 강도와 성형성을 만족하는 마그네슘 합금 판재 제품이 많지 않아 자동차 산업계에의 적용은 제한적인 실정이다.
최근, 쌍롤식 박판 주조 기술이 발전함에 따라, 종래의 잉곳 주조 방식으로 제조된 마그네슘 합금과 동등한 기계적 성질을 나타내는 높은 물성의 마그네슘 합금을 저가격으로 제공하는 가능해지고 있다.
그런데 쌍롤식 박판 주조법으로 제조한 마그네슘 합금을 다양한 분야에 적용하기 위해서는 내식성의 실질적인 향상이 필요하다.
한편, 마그네슘 합금의 내식성을 향상시키기 위해, 종래 다양한 합금원소를 첨가하는 방안이 많이 연구되었으나, 내식성을 향상시킬 수 있는 합금원소를 첨가한 마그네슘 합금의 내식성은 알루미늄 합금의 내식성에 비할 때는 현저하게 떨어지는 수준이다.
마그네슘 합금의 내식성을 개선하기 위한 다른 방법으로, 용접이나 기타 다른 접착기술을 통해 마그네슘 합금 상에 알루미늄 합금을 클래딩(cladding)하는 방법이 있다. 그런데, 용접 등을 통한 종래의 클래딩 방법은 기존의 마그네슘 합금 판재의 제조공정에 용접 등의 클래딩 공정을 추가하는 것이기 때문에, 그만큼 제조비용이 높아지는 문제점이 있다. 더욱이, 종래의 클래딩 방법에 의하면 모재인 알루미늄과 마그네슘 합금 클래드의 접합 상태가 나쁘거나 알루미늄과 마그네슘의 클래드의 계면에 취성이 있는 금속간화합물 등이 생성되어 접합력 또는 기계적 물성이 저하되는 문제점도 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 공정이 단순하여 저비용으로 제조할 수 있을 뿐 아니라 마그네슘과 알루미늄 간의 접합이 완전하게 이루어지는 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재의 제조방법과 이 제조방법에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명에 있어서, '알루미늄 시트'란 순수 알루미늄 시트(sheet)와 알루미늄을 주성분으로 하는 합금의 시트(sheet)를 포함하는 용어이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 제조방법은, 쌍롤식 박판 주조기의 회전하는 두 냉각롤에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 두 냉각롤의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 박판 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 선택적으로 박판주조법을 사용하지 않고 연속 주조기의 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때 상기 주형의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 연속 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, 마그네슘 합금을 판재의 일면 또는 양면에 알루미늄 시트를 클래딩함에 있어서, 박판주조 또는 연속주조시 마그네슘 합금 용탕을 주입하는 공정을 수행할 때 마그네슘 합금 용탕이 응고되기 시작하는 롤 또는 주형의 표면에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 용탕의 응고와 동시에 마그네슘과 알루미늄의 클래딩(cladding)이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 종래의 방법과 같이 클래딩에 따른 추가적인 공정이 필요 없게 되어 알루미늄 클래드 판재의 제조비용을 현저하게 줄일 수 있게 된다. 또한, 마그네슘이 용융된 상태에서 알루미늄 시트가 접착되기 때문에 알루미늄과 마그네슘 간의 접합 상태도 종래의 클래딩 방식에 비해 현저하게 개선된다.
또한, 상기 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재의 제조방법의 특징 중 하나는, 쌍롤식 박판주조법을 이용하여 주조하는 것이다. 쌍롤식 박판주조법은 주조와 열간압연 공정을 하나의 공정으로 동시에 진행하기 때문에 판재를 생산할 때 기존의 잉곳(ingot) 주조법에 비해 매우 경제적일 뿐 아니라, 동시에 잉곳 주조법에 비해 매우 빠른 102~103 K/s의 냉각속도를 제공할 수 있다. 이와 같이 빠른 냉각속도는 주조 조직을 미세화시키고 편석을 감소시킨다. 더욱이, 범용 잉곳 주조법을 사용할 때 느린 냉각속도로 인하여 조대한 금속간 화합물을 형성시켜 인장특성에 해로운 역할을 하는 합금원소를, 빠른 냉각속도를 가지는 박판주조법을 이용하면 이러한 상들이 보다 미세하게 분산될 수 있어 이로운 역할을 하게 할 수 있다.
또한, 상기 박판주조 또는 연속주조시 발생할 수 있는 합금원소의 편석과 이에 따른 주편의 특성 불균일이 있을 수 있으므로 용체화처리를 해야 하는데, 용체화처리 온도 및 시간은 제조된 마그네슘 판재의 SDAS(secondary dendrite arm spacing)와, DTA/DSC를 통해 측정된 산화도를 고려할 때, 250 ~ 450℃에서 1 ~ 24시간으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 용체화처리된 판재는 그 용도에 맞추어, 가공열처리나 시효처리 등 다양한 후속 열처리가 행해질 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 시트는 박판주조기 또는 연속주조기에 사용될 수 있는 것이라면 어떠한 것이라도 사용 가능하나, 두께가 5mm를 초과할 경우 접합성이 현저하게 떨어져 접합을 위해 알루미늄 시트를 가열하여야 하므로 제조비용이 증가될 수 있고 장치도 복잡해질 수 있으므로, 제조비용과 공정상의 편의성을 고려한다면 5㎜ 이하인 것 바람직하다.
또한, 상기 마그네슘 합금의 용탕은 650 ~ 750 ℃로 유지되는 것이 바람직한데, 이는 650℃ 미만에서는 롤에 접촉하기 전에 응고되어 롤을 빠져나오지 못하고, 750℃를 초과하는 경우에는 내부에 액상이 존재한 채로 빠져나와 표면에 응고결함이나 균열이 발생하기 때문이다.
또한, 쌍롤식 박판주조법을 할 경우, 용탕의 냉각속도는 102~103K/s로 유지되는 것이 바람직한데, 이는 102K/s 미만일 경우에는 일반적인 몰드주조법과 미세조직상 큰 차이가 없고, 103K/s을 초과하는 경우에는 매우 얇은 리본형태를 얻는 급냉응고법을 제외하고는 상용적으로 도달하기 어렵기 때문이다. 또한 상기와 같은 용탕의 냉각속도를 얻기 위해서는 상기 두 냉각롤의 간격을 10㎜ 이하로 유지하고 롤의 회전속도는 10m/min 이하로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 알루미늄 시트를 공급할 때, 선택적으로 상기 알루미늄 시트에 소정의 인장 응력을 부여하여 상기 박판주조기의 냉각롤 또는 연주기의 주형과의 접촉 시 상기 마그네슘 합금 용탕과의 접합성을 높일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 시트를 공급할 때, 선택적으로 가열장치를 이용하여 상기 알루미늄 시트를 가열한 상태로 상기 냉각롤 또는 연주기의 주형에 주입시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 쌍롤식 박판 주조기의 회전하는 두 냉각롤의 사이에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 두 냉각롤의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 박판 주조된 마그네슘 합금의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공한다.
또한, 본 발명은 연속 주조기의 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 주형의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 연속 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래와 같이 마그네슘 합금 판재에 별도의 클래딩 공정을 수행하는 것이 아니라, 박판주조 또는 연속주조공정에서 클래딩이 동시에 이루어지기 때문에, 공정이 단순화되고 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 판재의 제조비용이 현저하게 절감될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 마그네슘이 용융된 표면에 알루미늄 시트가 부착되 기 때문에 알루미늄과 마그네슘의 접착 상태가 개선된다.
또한, 본 발명에 의하면, 마그네슘과 알루미늄의 계면에 금속간화합물이 형성되지 않아 이에 의한 제품의 결함을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 구체적으로 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
먼저 순 Mg(99.9%), 순 Zn(99.995%), 순 Al(99.99%), 순 Ca(99.99%)를 사용하여, 유도 용해로를 이용하여 CO2와 SF6의 혼합가스 분위기 하에서 하기 표 1에 나타난 바와 같은 조성을 갖는 Mg 합금 용탕을 제조하였다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 마그네슘 합금의 용탕으로 Mg-Zn계 합금을 사용하였으나, 마그네슘을 주성분으로 하는 합금으로서 박판주조 또는 연속주조가 가능한 합금계라면 어떠한 조성의 것이라도 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금의 조성
No. 합금 조성 (중량%)
Zn Al Ca Mg
1 6.0 1.0 0.7 Bal.
이상과 같은 조성으로 용해된 용탕을 700℃로 유지한 상태로, 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 턴디쉬로 이송한 후, 쌍롤식 박판 주조기에 구비된 수냉되고 있는 두 냉각롤 사이로 주입하였다. 이때 상기 턴디쉬는 상기 용해로의 용탕의 온도와 동일한 온도가 되도록 유지하였다.
그리고, 마그네슘 용탕이 두 냉각롤 사이로 주입될 때 롤 타입으로 권취된 알루미늄 시트(순 알루미늄, 두께 약 25㎛)를 롤의 상부와 하부에 동시에 공급하였다.
한편, 상기 두 냉각롤의 간격은 2㎜로 유지하고 상기 용탕의 주입시 냉각롤의 회전속도를 4 ~ 4.5m/min로 유지하여 용탕의 냉각속도가 100 ~ 400 K/s가 되도록 하였으며, 그 결과 길이 5m, 폭 70mm, 두께 2mm의 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 박판을 얻었다.
이와 같이 주조된 판재를 300℃에서 1시간 동안 용체화처리(T4 열처리)를 하였다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그네슘 판재의 클래드층과 모재의 접합상태 및 내식성을 평가하였다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재로 박판 주조한 후, 판재의 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진인데, 이 사진에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 기공과 같은 결함 없이 양호한 마그네슘 모재 층과 알루미늄 클래드층 간의 계면 접합 상태를 얻을 수 있다.
또한, 도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따라 박판 주조한 후, 300℃에서 1시간 동안 열처리를 한 후의 판재 단면을 SEM-EDS로 맵핑한 결과를 나타내는데, 상기 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 마그네슘 모재층과 알루미늄 클래드 층의 사이에 취성이 있는 금속간화합물이 생성되지 않으며, 다만 마그네슘의 일부가 알루미늄 클래드 층으로 확산된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 금속간화합물에 기인한 물성 저하의 문제를 극복할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 마그네슘 판재의 내식성을 평가하기 위하여, 박판 주조법으로 각각 마그네슘 합금 판재와 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 합금 판재를 주조한 후, 5% NaCl용액에서 97시간 동안 부식실험을 진행하였다.
그 결과, 도 5 및 6에 나타난 것과 같이, 알루미늄 시트를 클래딩하지 않은 마그네슘 합금 판재의 경우, 부식실험 전,후의 표면의 상태가 확연하게 달라진다. 또한, 표면을 SEM-EDS로 분석한 결과에서도 부식실험을 한 마그네슘 판재의 표면에 마그네슘 합금을 구성하는 합금원소들과 산소가 결합하여 산화물 형태로 존재하여 상당한 부식이 진행되었음을 확인하였다.
이에 비해, 도 7 및 8에 나타난 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 판재의 경우, 표면 상태가 부식실험 이전에 비해 큰 변화가 없으며, 도 8에 나타난 바와 같이, 알루미늄 산화물이 일부 검출되나, 그 양은 상기 비교예에 비해 현저하게 작은 것을 확인할 수 있다.
도 1은 회전하는 쌍롤에 마그네슘 합금 용탕을 주입하면서 동시에 용탕의 표면에 알루미늄 시트를 삽입함으로써 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재를 제조하는 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재로 박판 주조한 후, 판재의 단면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재로 박판 주조하고 열처리를 한 후 판재의 단면을 SEM-EDS로 면-맵핑한 결과를 나타내는 사진이다.
도 4는 각각 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재로 박판 주조하고 열처리를 한 후 판재의 단면을 SEM-EDS로 맵핑한 결과를 나타내는 사진 및 그래프를 나타낸 것이다.
도 5는 박판 주조한 마그네슘 판재의 표면에 대한 주사전자현미경 사진과 그 표면을 EDS로 성분 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 6은 도 5의 마그네슘 판재를 5% NaCl용액 안에 97시간 동안 부식실험한 후의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진과 그 표면을 EDS로 성분 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 알루미늄이 클래딩된 마그네슘 합금 판재로 박판 주조된 판재의 표면에 대한 주사전자현미경 사진과 그 표면을 EDS로 성분 분석한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 도 7의 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 판재를 5% NaCl용액 안에 97시간 동안 부식실험한 후의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진과 그 표면을 EDS로 성분 분석한 결과를 나타낸 것이다.

Claims (12)

  1. 쌍롤식 박판 주조기의 회전하는 두 냉각롤에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 두 냉각롤의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 박판 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  2. 연속 주조기의 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 주형의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 연속 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주조 공정 후에 열처리하는 공정을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄 시트의 두께는 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네슘 용탕은 650 ~ 750 ℃로 유지되고, 주입 후 냉각속도는 102~103K/s인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 열처리는 알루미늄 시트가 클래딩된 마그네슘 판재를 250 ~ 450℃에서 1 ~ 24 시간 동안 용체화처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 두 냉각롤의 간격은 10㎜ 이하로 유지되고 상기 냉각롤의 회전속도는 10m/min 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄 시트를 공급할 때, 상기 알루미늄 시트에 소정의 인장 응력을 부여하여 상기 냉각롤과의 접촉 시 상기 마그네슘 합금 용탕과의 접합성을 높이는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 알루미늄 시트를 공급할 때, 가열장치를 이용하여 상기 알루미늄 시트를 가열한 상태로 상기 냉각롤에 주입시키는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  10. 쌍롤식 박판 주조기의 회전하는 두 냉각롤의 사이에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 두 냉각롤의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 박판 주조된 마그네슘 합금의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재.
  11. 연속 주조기의 주형에 마그네슘 합금 용탕을 주입할 때, 상기 주형의 일측 또는 양측에 알루미늄 시트를 공급함으로써, 연속 주조된 마그네슘 합금 판재의 일측 또는 양측 표면에 알루미늄 시트가 클래딩되도록 한 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 알루미늄 시트의 두께는 5㎜ 이하인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 마그네슘 합금 판재.
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