KR20140114474A - 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재 - Google Patents

향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상온에서의 성형성이 향상된 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제공하는 것이다. 구체적으로, 본 발명은 (a) 마그네슘(magnesium) 합금으로 이루어진 판재 및 강(steel)으로 이루어지며 압연시 상기 판재의 횡방향(TD: transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 준비하는 단계; (b) 상기 복합판재를 냉간압연하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 냉간압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금으로 이루어진 냉간압연판재를 분리하는 단계를 포함하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재에 대한 것이다. 본 발명에 따른 마그네슘 합금 냉간압연판재 제조방법에 의할 경우, 상온에서 성형성이 향상된 마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 냉간압연을 통해 판재를 제조할 수 있기 때문에 종래 마그네슘 합금 판재 제조에서와 같이 열간 가공에 따른 비용 증가나 공정 복잡화 등의 문제점을 수반하지 않으며, 본 발명에 따른제조방법에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재는 상온에서 성형성이 향상되어 자동차, 항공기 등 다양한 기술 분야에서 널리 유용하게 사용될 수 있다.

Description

향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재{Method for manufacturing cold rolled magnesium alloy sheet having enhanced formability, yield strength and tensile strength and cold rolled magnesium alloy sheet having enhanced formability, yield strength and tensile strength manufactured thereby}
본 발명은 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 마그네슘 합금 판재의 횡방향(TD; transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 이용한 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재에 관한 것이다.
자동차, 항공기 등의 산업 분야에서 판재의 가공을 위해서 프레스 가공(press working) 등의 다양한 판재 가공법이 사용되고 있는데, 이들을 이용한 판재 가공 중에 해당 재료는 국부적으로 또는 전체적으로 장출(stretching), 굽힘(bending), 플랜징(flanging), 딥 드로잉(deep Drawing) 등의 변형 또는 이들의 조합으로 구성된 복자반 변형이 발생한다.
따라서, 판재의 가공에 있어서는 판재가 파단(fracture)의 발생없이 소성 변형(plastic deformation)될 수 있는 정도를 의미하는 판재의 성형성(formability)이 그 어느 물성보다 중요하다.
한편, 마그네슘 합금은 낮은 비중, 우수한 비강도 및 강성을 나타내는 구조 재료용 합금으로서 주목받고 있으나, 조밀육방격자(HCP: hexagonal close packed)의 결정구조를 가져 상온에서 충분한 슬립계(slip system)를 갖지 못하고 제한된 개수의 활성 슬립계를 가지며, 특히, 열간 압연이나 압출 등에 의해 마그네슘 합금에 형성되는 저면 집합조직(basal texture)에서 이러한 슬립계는 c축을 따른 변형에 대해 0에 가까운 슈미드 지수(Schmid factor)를 가지므로, 상온에서의 성형성이 떨어져 그 광범위한 사용이 이루어지지 않고 있는 실정이다.
그러므로, 마그네슘 합금 판재를 현재보다 보다 다양한 분야에 사용하기 위해서는 상온에서 우수한 성형성을 가지며, 나아가 향상된 항복강도 및 인장강도도 함께 구비하는 마그네슘 합금 판재의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상온에서의 성형성뿐만 아니라 항복강도 및 인장강도까지도 향상된 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (a) 마그네슘(magnesium) 합금으로 이루어진 판재 및 강(steel)으로 이루어지며 압연시 상기 판재의 횡방향(TD: transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 준비하는 단계; (b) 상기 복합판재를 냉간압연하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 냉간압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금으로 이루어진 냉간압연판재를 분리하는 단계를 포함하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법을 제안한다.
또한, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제안한다.
본 발명에 따른 마그네슘 합금 냉간압연판재 제조방법에 의할 경우, 향상된 항복강도(yield strength) 및 인장강도(tensile strength)를 가지며 상온에서 성형성이 향상된 마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 냉간압연을 통해 판재를 제조할 수 있기 때문에 종래 마그네슘 합금 판재 제조에서와 같이 열간 가공에 따른 비용 증가나 공정 복잡화 등의 문제점을 수반하지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재는 향상된 항복강도 및 인장강도를 나타내며 상온에서 우수한 성형성을 가져 자동차, 항공기 등 다양한 기술 분야에서 널리 유용하게 사용될 수 있다.
도 1은 본원 발명에 따른 성형성이 향상된 마그네슘 합금 냉간압연판재의 제조방법에 사용되는 복합판재의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 실시예에서 제조된 마그네슘 합금 시편에 있어서 압연방향(RD: rolling direction)에 수직인 평면에서 횡방향(TD: transverse direction)을 따라 시편의 중심, 1/4 지점, 가장자리에서 관찰된 표면 미세조직에 대한 광학현미경 사진이다.
도 3은 본원의 실시예에서 제조된 제조된 마그네슘 합금 시편 및 비교예에서 제조된 마그네슘 합금 시편에 대한 100℃에서의 인장 시험 결과(도 3(a)) 및 상온에서의 인장 시험 결과(도 3(b))를 나타낸 것이다.
도 4는 본원의 실시예에서 제조된 제조된 마그네슘 합금 시편 및 비교예에서 제조된 마그네슘 합금 시편에 대한 한계 돔 높이(LDH: limit dome height) 시험 결과를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법은, (a) 마그네슘(magnesium) 합금으로 이루어진 판재 및 강(steel)으로 이루어지며 압연시 상기 판재의 횡방향(TD: transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 준비하는 단계; (b) 상기 복합판재를 냉간압연하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 냉간압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금으로 이루어진 냉간압연판재를 분리하는 단계를 포함하며, 이하에서 상기 각 단계에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제조방법의 단계 (a)는 마그네슘(magnesium) 합금으로 이루어진 판재 및 강(steel)으로 이루어지며 압연시 상기 판재의 횡방향(TD: transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 제작하는 단계이다.
본 명세서에 있어서, 복합판재란 마그네슘(magnesium) 합금 및 강(steel)의 이종(異種)의 소재를 포함하여 이루어지되, 상기 소재는 각각 판재 및 구속 부재의 독립적인 개별 부재를 이루며, 상기 부재가 상호 결합되어 판재 형태를 가지는 것으로 정의한다.
상기 복합판재에 있어서, 마그네슘 합금으로 이루어진 판재는 냉간압연을 통해 성형하고자 하는 대상으로서, 냉간압연 과정에서 판재의 압연방향(RD: rolling direction)과 수직이며, 압연면과 평행한 방향인 TD 방향으로의 소성 변형을 억제하는 강으로 이루어진 구속 부재와 결합하여 본 발명에 따른 복합판재에 포함된다.
여기서, 상기 구속 부재는 압연시 상기 판재가 TD 방향으로 소성 변형하는 것을 억제하는 압축 응력(compressive stress)을 인가할 수 있기만 하면 그 형상은 특별히 제약되지 않는다.
예를 들어, 도 1에 도시된 형상 및 구조를 가지는 복합 판재(1)를 준비하는 경우에는, 강으로 이루어진 열간 압연 판재 등을 가공하여 오목부를 가지는 구속 부재(3)를 제작하고, 마그네슘 합금으로 이루어진 열간 압연 판재 등을 상기 오목부의 형상에 일치하는 규격을 가지도록 가공하여 판재(2)를 제작한 후, 상기 판재(2) 가 상기 구속 부재(3)의 오목부에 내재되도록 위치시킴으로써 본 단계가 완성될 수 있다. 필요에 따라서는, 아래에서 설명할 냉간압연 단계에 상기 복합판재가 차질없이 제공될 수 있도록 판재(2)와 구속 부재(3)를 가접착시키는 것도 가능하다.
한편, 판재를 이루는 마그네슘 합금 및 구속 부재를 이루는 강의 종류와 관련해서는, 목적으로 하는 압하율에서 압연이 가능함과 동시에 그 강성(stiffness)이 마그네슘 합금 강성보다 크기만 하면 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 구속 부재를 이루는 강의 강성이 판재를 이루는 마그네슘 합금의 강성보다 크면, 복합판재의 압연시 구속 부재가 판재의 TD 방향에 대향하여 압축 응력을 인가함으로써 아래에서 상술할 단계 (b)에서 냉간압연을 수행할 때, 판재의 압연성을 향상시키는데 있어서 효과적이다.
본 발명에 따른 제조방법의 단계 (b)는 상기 단계 (a)에서 준비된 복합 판재를 냉간압연하는 단계로서 공지의 압연기를 사용하여 공지의 압연방법을 사용하여 수행할 수 있다.
본 단계에서는 상기에서 상세하게 설명한 복합판재를 이용하여 냉간압연을 수행함으로써, 종래 크랙 발생을 피하기 위해 230℃ 이상의 충분히 높은 온도에서 열간압연 해야 하는 마그네슘 합금 판재에 대해서도 에지 크랙을 발생시키지 않고, 저온, 예들 들면, 상온 이상 100 ℃ 이하의 온도에서 냉간압연을 통해서도 건전한 미세조직을 가지는 판재를 제조할 수 있다.
구체적으로, 강(steel)으로 이루어진 구속 부재가 냉간압연 공정 중에 마그네슘 합금 판재의 TD 방향으로 압축 응력을 가하게 되어 에지 크랙(edge crack)의 발생을 저지하고, 인장 쌍정(tensile twinning)을 형성함으로써 판재의 연성을 현저히 향상시켜 냉간압연을 통해서도 고품질의 판재를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의할 경우, 종래 상온에서 연성이 낮아 가공성이 떨어지는 관계로 불가피하게 열간 가공을 해야했던 마그네슘 합금 소재에 대해서도 냉간압연을 통해 우수한 품질의 판재 제조가 가능하므로, 재료 및 압연롤의 가열에 따른 롤의 수명 단축을 예방할 수 있고, 에너지 소비에 따른 생산 비용 절감이 가능하여 경제적으로 우수한 품질의 판재를 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 제조방법의 단계 (c)는 상기 단계 (b)에서 얻어진 냉간압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금으로 이루어진 냉간압연판재를 분리하는 단계로서, 구속 부재로부터 마그네슘 합금 냉간압연판재를 분리할 수만 있다면, 그 수단이나 방법에 그 제한이 없다.
한편, 상기 제조방법에 의해 제조된 마그네슘 합금 냉간압연판재는 냉간압연이 수행되기 전의 판재에 비해 상온에서의 성형성이 현저히 향상되어 자동차, 항공기 등의 각종 산업 분야에서 경제성 및 공정의 간소화를 도모할 수 있어 마그네슘 합금 판재의 적용 분야를 획기적으로 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 성형성이 향상된 마그네슘 합금 냉간압연판재는 냉간압연 공정의 수행 전에 비해 상온에서의 한계돔높이(LDH: limit dome height) 값이 20% 이상 증가한 것을 특징으로 한다.
여기서, LDH란, 판재의 성형성 중에서도 프레스 성능을 평가하기 위해 널리 사용되는 지표로서, 일정 규격의 디스크형 시편의 외주부를 일정한 힘으로 고정하여 일정 직경을 가지는 구형 펀치를 이용하여 일정 속도로 변형을 가하여 시편이 파단될 경우, 시편 파단시까지 펀치가 이동하여 시편이 변형된 높이로 정의된다.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예>
1.2 mm의 두께를 가지는 열간 압연된 상용 AZ31(Al: 3 중량%, Zn: 1 중량%, Mn: 0.3 중량%, Mg: 잔부) 판재를 가공하여 90mm×12mm×1.2mm의 규격을 가지는 시편을 제조한 후, 상기 시편을 열간 압연된 철강(C: 0.12 중량%, Si: 0.20 중량%, Mn: 0.87 중량%, Fe: 잔부) 판재의 일면에 양단을 가로질러 형성된 오목부에 삽입하여 도 1에 도시한 형상 및 구조를 가지는 복합판재를 제조하였다.
다음으로, 상기 복합판재를 100℃의 저온에서 20분 동안 균질화(homogenization)한 직후, 롤직경 250 mm의 압연기를 이용하여 상기 균질화 온도와 동일한 100℃의 압연 온도 및 2 rpm의 압연 속도의 조건 하에서 3%의 압하율로 냉간압연 한 후, 압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금 시편을 분리하였다.
도 2(a) 내지 도 2(c)는 각각 본 실시예에서 제조된 시편에 있어서 RD 방향에 수직인 평면에서 TD 방향을 따라 시편의 3 군데 지점(중심, 1/4 지점, 가장자리)에서 관찰된 미세조직에 대한 광학현미경 사진으로서 시편의 가장자리로 향함에 따라 쌍정 조직의 발생 빈도가 점점 증가하게 됨을 확인할 수 있다.
<비교예>
1.2 mm의 두께를 가지는 열간 압연된 상용 AZ31(Al 3 중량%, Zn 1 중량%, Mn 0.3 중량%, Mg 잔부) 판재를 가공하여 90mm×12mm×1.2mm의 규격을 가지는 시편을 제조하였다.
< 실험예 > 실시예 및 비교예에서 제조된 시편에 대한 강도 및 성형성 측정
실시예 및 비교예에서 제조된 마그네슘 합금 판재시편에 대해 다음과 같이 인장 강도 및 성형성을 측정하였다.
즉, 인장 시험을 위해 게이지 길이 25 mm, 게이지 너비 6 mm, 두께 1.16 mm를 갖는 인장 시험용 시편을 제작하여, 0.001 s-1의 변형률(strain) 속도로 100℃ 및 상온에서 인장 시험을 실시하여 그 결과를 각각 도 3(a) 및 도 3(b)에 나타내었다.
그리고, LDH 시험을 위해 직경 50 mm, 두께 1.16 mm의 디스크형 시편을 제작하여 LDH 시험 장치의 상부 다이(die)와 하부 다이 사이에 시편을 삽입한 후 15 kN의 힘으로 시편을 고정하고, 상기 시편에 대해 25 mm 직경의 구형 펀치를 사용하여 0.02 mm/sec의 속도로 변형을 가하여 시편의 파단 시까지의 변형 높이를 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
100℃의 온도에서 이루어진 인장 시험 결과를 나타내는 도 3(a)에 의하면 실시예에서 제조된 냉간압연된 마그네슘 합금 시편의 인장 강도 및 비교예에서 제조된 마그네슘 합금 시편의 인장 강도는 각각 275 MPa 및 272 MPa로서 서로 거의 유사한 반면, 항복 강도는 각각 187 MPa과 144 MPa 로 항복 강도가 증가하는 것을 확인할 수 있는 한편, 상온에서 이루어진 인장 시험 결과를 나타내는 도 3(b)에 의하면 실시예에서 제조된 시편 및 비교예에서 제조된 시편의 인장 강도가 각각 308 MPa 및 293 MPa이고, 항복 강도는 각각 240 MPa 및 177 MPa인 것으로 나타나 상온에서는 실시예에서 제조된 시편이 비교예에서 제조된 시편에 비해 항복 강도는 물론 인장 강도도 현저하게 향상됨을 알 수 있다.
그리고, 도 4로부터 실시예에서 제조된 냉간압연된 마그네슘 합금 시편이 비교예에서 제조된 마그네슘 합금 시편에 비해 23% 만큼이나 현저히 향상된 성형성을 나타냄을 확인할 수 있다.
1: 복합판재
2: 판재
3: 구속 부재

Claims (8)

  1. (a) 마그네슘(magnesium) 합금으로 이루어진 판재 및 강(steel)으로 이루어지며 압연시 상기 판재의 횡방향(TD: transverse direction)으로의 소성 변형을 억제하는 구속 부재를 포함하는 복합판재를 준비하는 단계;
    (b) 상기 복합판재를 냉간압연하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b)에서 얻어진 냉간압연된 복합판재로부터 마그네슘 합금으로 이루어진 냉간압연판재를 분리하는 단계를 포함하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구속 부재는 그 일면에 양단을 가로질러 형성된 오목부를 구비하며, 상기 오목부에 상기 판재가 내재되어 위치하는 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 마그네슘 합금으로 이루어진 판재의 양 측면은 상기 구속 부재와 이격되지 않고 접해 있는 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (a)에서 마그네슘 합금으로 이루어진 판재는 Al 3 중량%, Zn 1 중량%, Mn 0.3 중량% 및 Mg 잔부의 조성을 가지며, 열간압연된 AZ31 판재인 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는 상온 ~ 100 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 복합판재에서 상기 판재와 상기 구속 부재와 서로 가접착되어 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재를 제조하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재.
  8. 제7항에 있어서, 냉간압연 전에 비해 한계돔높이(LDH) 값이 20% 이상 증가한 것을 특징으로 하는 향상된 성형성, 항복강도 및 인장강도를 가지는 마그네슘 합금 냉간압연판재.
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