KR20160036297A - 마그네슘 합금 판재의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 연속주조(continuous casting)를 통해 마그네슘 합금 연속주조 판재를 준비하는 단계; (b) 상기 마그네슘 합금 연속주조 판재를 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간압연된 마그네슘 합금 연속주조 판재를 온간압연하는 단계를 포함하되, 연속 주조로 형성된 마그네슘 합금 연속주조 판재에 대해 균질화 처리(homogenization treatment)를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재에 대한 것으로서, 본 발명에 따르면, 마그네슘 합금 판재 제조시 기존의 열처리 방식을 통한 균질화 처리를 생략하고 이를 대신할 수 있는 열간압연 공정을 쌍롤식 박판주조 공정에 연속적으로 연계시켜 도입함으로써 단일 라인에서 주조, 열간압연 및 온간압연을 일괄적으로 수행하여 최종 제품을 제조할 수 있기 때문에, 기존의 열처리 방식을 통한 균질화 공정에서 발생하는 시간 및 비용을 절감하여 생산성이 현저히 향상되고, 공정의 연속성이 우수하다.
Description
본 발명은 마그네슘 합금 판재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속주조 공정을 이용하되 균질화 열처리를 실시하지 않는 마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재에 관한 것이다.
마그네슘 합금은 사용 가능한 구조용 소재 중 가장 밀도가 낮은 경량 금속 소재이면서, 높은 비강도, 뛰어난 기계가공성, 진동흡수능, 전자파 차폐성과 같은 우수한 특성으로 인해 자동차 산업 및 전자부품 산업에 주목을 받고 있는 소재이다.
하지만, 마그네슘 합금은 조밀육방격자(HCP: hexagonal close packed) 구조를 가져 상온에서 충분한 슬립계(slip system)를 갖지 못하고 제한된 개수의 활성 슬립계를 가짐에 따라 상온에서 성형성이 떨어져, 알루미늄 등 다른 경쟁 경량금속소재에 비해 복잡하고 고비용을 요구하는 다이캐스트법이나 틱소몰드법 등에 의한 주조 공정 및 후속 가공 공정이 필요하고, 다른 경량금속소재에 비해 원 소재 비용이 비교적 높기 때문에 폭넓은 수요에 대한 기대에 비해 가격 경쟁력이 크게 낮아 실제 적용율은 크게 낮다.
이에 가격 경쟁력을 확보하기 위한 다양한 연구가 수행되어 왔으며 고강도 합금개발, 저비용 공정개발, 고효율 표면처리 등 현재까지 다양한 연구 및 기술 개발이 이루어지고 있는데, 그 중에서 쌍롤식 박판주조법(twin roll strip casting)은 용탕에서 바로 얇은 판재를 제조하는 주조 공정 기술로서 기존 잉곳에서부터 제조되는 판재에 비해 공정단계를 크게 간소화 할 수 있어 공정비용 절감 효과가 높아 마그네슘 판재 제조에 있어서 상당히 유용한 공정 기술이다.
하지만, 종래 쌍롤식 박판주조 공정을 이용해 마그네슘 합금 판재를 제조할 경우에는, 도 1에 도시한 바와 같이 박판 주조된 판재를 온간압연하기에 앞서 불균일한 주조 조직을 제거하고 후속 압연 및 기타 가공 공정에 적합한 미세조직을 갖는 판재를 제공하기 위해서 고온(예를 들어, 350~450 ℃)에서 장시간(예를 들어, 5~24 시간) 동안 균질화(homogenization) 처리를 중간 공정으로서 필수적으로 실시하는데, 이러한 중간 공정은 판재 제조의 연속성을 떨어뜨리고 열처리로의 제작 및 유지비용이 높으며 균일한 열처리 조건을 유지하기 위한 내부 공간이 상당히 제한적이기 때문에 한번에 열처리를 할 수 있는 수량에 한계가 있어 최종 판재를 제공하는데 있어 공정비용 및 시간을 증가시켜 여전히 알루미늄 등에 비해 단가가 비교적 높기 때문에 지속적으로 비용절감을 위한 공정 개발 및 합금개발이 이루어져야 하며, 이를 통한 가격경쟁력 확보를 위한 다양한 노력이 필요한 실정이다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래 공정 비용 및 시간 증가를 야기하던 균질화 처리를 실시하지 않고서도 균질화 열처리된 미세조직과 유사한 형태의 미세조직을 갖는 마그네슘 합금 판재를 저비용, 고효율로 제조할 수 있는 제조방법 및 이에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 (a) 연속주조(continuous casting)를 통해 마그네슘 합금 연속주조 판재를 준비하는 단계; (b) 상기 마그네슘 합금 연속주조 판재를 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간압연된 마그네슘 합금 연속주조 판재를 온간압연하는 단계를 포함하되, 연속 주조로 형성된 마그네슘 합금 연속주조 판재에 대해 균질화 처리(homogenization treatment)를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 연속주조는 쌍롤 박판 주조(twin-roll strip casting)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서는 300~450℃의 온도를 가지는 마그네슘 합금 연속주조 판재를 단계 (a)의 연속주조 속도와 동일한 속도로 200~400℃의 온도로 예열된 압연롤을 통해 열간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서는 상기 마그네슘 합금 연속주조 판재를 5~30%의 압하율로 1~2회 열간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (b)에서 열간압연을 통해 수지상(dendritic phase)이 없고, 편석(segregation) 및 공정상(eutectic phase)이 고용된 미세조직을 가지는 마그네슘 합금 판재를 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (c)에서 150~250 ℃의 온도로 온간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
또한, 상기 단계(b)를 완료한 후에 권취(coiling)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 제안한다.
그리고, 본 발명은 상기 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재를 제안한다.
본 발명에 따르면, 마그네슘 합금 판재 제조시 기존의 열처리 방식을 통한 균질화 처리를 생략하고 이를 대신할 수 있는 열간압연 공정을 쌍롤식 박판주조 공정에 연속적으로 연계시켜 도입함으로써 단일 라인에서 주조, 열간압연 및 온간압연을 일괄적으로 수행하여 최종 제품을 제조할 수 있기 때문에, 기존의 열처리 방식을 통한 균질화 공정에서 발생하는 시간 및 비용을 절감하여 생산성이 현저히 향상되고, 공정의 연속성이 우수하다.
도 1은 종래 기술에 의한 마그네슘 합금 판재의 제조 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재의 제조 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재 방법을 구현할 수 있는 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 쌍롤식 박판주조 공정으로 제조된 AZ31 합금과 AT31 합금의 주조 미세조직 상태를 보인 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재의 제조 방법의 각 단계를 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재 방법을 구현할 수 있는 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 쌍롤식 박판주조 공정으로 제조된 AZ31 합금과 AT31 합금의 주조 미세조직 상태를 보인 사진이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 마그네슘 합금 판재의 제조 방법 및 그 방법에 의해 제조된 마그네슘 합금 판재를 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도로서, 본 발명은 (a) 판재주조 단계(S100), (b) 열간압연 단계(S200) 및 (c) 온간압연 단계(S300)를 포함하되, 주조로 형성된 마그네슘 합금 판재에 대해 균질화 처리(homogenization treatment)를 수행하지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 단계 (a)에서는 연속주조(continuous casting)를 통해 마그네슘 합금 연속주조 판재를 제조하게 된다.
연속주조에 의할 경우, 급냉 응고가 가능하기 때문에 첨가 원소의 함유량이 많은 경우라도 편석이나 산화물 등을 저감할 수 있고, 10 ㎛ 이상의 입경을 가지는 조대한 결정 석출물의 생성을 억제할 수 있어 압연 등의 소성 가공성이 우수한 주조재를 얻을 수 었다. 또한, 연속주조에 의할 경우 길이가 긴 장척의 주조재를 연속하여 제조 가능하고, 이 연속 주조법에 의해 얻어진 장척재를 압연의 소재에 이용할 수 있다. 이러한 연속주조법에는, 쌍롤법, 트윈벨트법, 벨트 앤드 휠법등 다양한 방법이 있지만, 본 발명에서는 판형의 마그네슘 합금재를 제조하기 위해 쌍롤 박판 주조(twin-roll strip casting)를 실시하는 것이 바람직하다.
한편, 본 단계의 연속 주조에 제공되는 마그네슘 합금은 50 질량% 초과의 마그네슘, 1종 이상의 합금 원소 및 불가피한 불순물을 포함해 구성되는 합금으로서, 첨가되는 합금 원소로는 알루미늄(Al), 아연(Zn), 망간(Mn), 이트륨(Y), 지르코늄(Zr), 구리(Cu), 은(Ag), 실리콘(Si), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 니켈(Ni), 금(Au), 스트론튬(Sr), 세륨(Ce), 주석(Sn), 리튬(Li), 희토류 원소(단, Y 및 Ce 제외) 등을 들 수 있다.
그리고, 본 발명에 있어서 상기 마그네슘 합금의 조성은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, ASTM 규격의 AZ31, AZ61, AZ63, AZ80, AZ81, AZ91이나 AM60, AM100 등을 그 구체적인 예로 들 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (b)는 마그네슘 합금 연속주조 판재를 열간압연하는 단계로서, 본 단계에서는 상기 단계 (a)에서 제조되는 마그네슘 합금 연속주조 판재를 균질화 열처리하지 않고 연속주조 공정과 연속적으로 연계시켜 열간압연 공정에 바로 투입함으로써, 균질화 처리된 미세조직과 동등한 미세조직을 갖는 마그네슘 합금 판재를 형성시키게 된다.
본 단계에서의 열간압연은 연속 주조롤로부터 제공되는 300~450℃의 온도를 가지는 마그네슘 합금 연속주조 판재를 연속주조 속도와 동일한 속도로 200~400℃의 온도로 예열된 압연롤을 통해 실시하는 것이 바람직하다. 주조롤을 빠져나온 판재의 온도가 300℃이하일 경우 열간압연을 수행하여도 이차상이 충분히 고용되지 않으며 판재 내부에 잔류응력이 많아 국부적인 변형이 발생하여 쌍정(twin)이나 변형대(deformation band)를 형성하여 미세조직이 불균일해질 수 있다. 이에 따라 주조롤을 빠져나온 판재의 온도가 요구온도 이하로 떨어질 경우를 대비해 주조기와 열간압연기 사이에 보온 및 열공급 장치를 설치할 수 도 있다. 또한, 마그네슘 판재의 온도가 450℃를 초과하게 되면 표면 산화가 발생하여 판재의 품질이 크게 떨어지게 되고 발화의 위험성도 있다.
또한, 본 단계에서 실시되는 열간압연시의 압하율은 5~30%인 것이 바람직한데, 이는 압하율이 5% 미만일 경우에는 공정상과 수지상이 고용될 수 있는 충분한 에너지가 공급되기 힘들며, 30%를 초과할 경우에는 열간 크랙 및 내부에 국부적인 응력 집중 현상으로 불균일한 조직을 형성할 수 있기 때문이다.
상기 압하율을 달성하기 위해서 적어도 1 패스 이상의 열간압연을 실시할 수 있으며, 바람직하게는 1 내지 2 패스의 열간압연이 수행될 수 있다.
본 단계에서는 상기와 같이 열간압연을 실시함으로써 균질화 열처리를 거친 마그네슘 합금이 가지는 미세조직, 즉, 수지상(dendritic phase)이 없고, 편석(segregation) 및 공정상(eutectic phase)이 고용된 미세조직을 가지는 마그네슘 합금 판재를 형성할 수 있다.
본 단계의 열간압연을 거친 마그네슘 합금 판재는 후술할 단계 (c)의 온간압연 단계에 연계되어 바로 제공될 수도 있으나, 필요에 따라서는 열간압연 후 일정 시차를 두고 온간압연이 수행될 수 있으며, 이와 같은 경우에는 온간압연 공정에 반송하기 쉽도록 마그네슘 합금 판재를 원통형 등으로 권취(coiling)하여 코일재를 형성시킬 수 있다.
다음으로, 단계 (c)에서는 열간압연된 마그네슘 합금 판재에 대한 온간압연이 이루어지며, 해당 온간압연을 통해 강도향상 및 조직 미세화가 달성된다.
본 단계에서의 온간압연은 150~250 ℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하고, 1 패스 또는 2패스 이상의 복수 패스로 수행될 수 있다.
온간압연이 복수의 패스로 실시될 경우에는 각 패스마다 판재의 가열 온도나 압연롤의 온도, 압하율 등의 조건을 서로 달리할 수 있다.
온간압연 속도와 관련해서 특별한 제한은 없으나, 본 단계에서 이루어지는 온간압연이 전 단계에서 수행되는 열간압연과 연계되어 연속적으로 실시될 경우에는 열간압연 속도와 동일한 것이 바람직하다.
한편, 본 단계의 온간압연시 윤활제를 적절하게 이용하면 압연시의 마찰 저항을 저감할 수 있고, 소재의 시징(seizing) 등을 방지하여 압연을 용이하게 실시할 수 있다.
상기 단계 (c)에서 얻어진 마그네슘 합금 판재에 대해, 필요에 따라 i) 압연시에 사용한 윤활제나 압연재 표면에 존재하는 흠이나 산화막 등을 제거, 저감시키기 위한 연마 공정, 및/또는 ii) 판재의 표면 평탄성을 높여 프레스 가공 등의 추가적인 소성 가공시 정밀도를 향상시키기 위한 교정 공정을 추가적으로 수행한 후, 마그네슘 합금 판재의 전부 또는 일부에 프레스 가공 등의 추가적인 소성 가공을 실시해 원하는 마그네슘 합금 성형체를 형성할 수 있다.
상기에서 상세히 설명한 본 발명에 따른 마그네슘 합금 판재의 제조 방법에 의하면, 단속적인 중간 공정인 균질화 열처리를 생략하고 이를 대신할 수 있는 열간압연 공정을 연속주조 단계 후에 도입함에 따라 단일 라인에서 주조, 열간압연 및 온간압연을 연속적으로 수행하여 최종 제품을 제조할 수 있기 때문에, 기존의 열처리 방식을 통한 균질화 공정에서 발생하는 시간 및 비용을 절감하여 생산성이 현저히 향상되고, 공정의 연속성이 우수하다.
아래에서 본 발명에 대해 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다. 제시된 실시예는 예시적인 것으로 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
<실시예 1> 쌍롤식 박판주조공정-열간압연을 통한 AZ31 합금 판재의 제조
우선, 상용 마그네슘 합금인 AZ31(Mg-3wt%Al-1wt%Zn)를 이용해 쌍롤식 박판주조기를 통해 마그네슘 합금 주조판재를 제조하였다. 도 4a는 쌍롤식 박판주조공정으로 제조된 AZ31 합금 주조판재의 미세조직으로서 주상정 수지상 형태의 주조조직을 보여준다.
다음으로, 상기 마그네슘 합금 주조판재를 400℃로 가열한 후 200~250℃로 예열된 압연기를 통해 4.5~5m/mm의 압연속도로 10%의 압하율로 열간압연을 수행하여 균질화 처리를 대신해 열간압연을 수행한 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 2> 쌍롤식 박판주조공정-열간압연을 통한 AT31 합금 판재의 제조
쌍롤식 박판 주조시에 등록특허 제10-1342582호에 개시된 쌍롤식 박판주조용 마그네슘 합금인 AT31(Mg-3wt%Al-1wt%Sn)을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로, 균질화 처리를 대신해 열간압연을 수행한 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
도 4b는 본 실시예에서 쌍롤식 박판주조공정을 통해 얻어진 AT31 합금 주조판재의 미세조직으로서 등축정 수지상 형태의 주조조직을 보여준다.
<비교예 1> 쌍롤식 박판주조공정-균질화 열처리를 통한 AZ31 합금 판재의 제조
쌍롤식 박판주조공정 후에 열간압연 대신 종래와 같이 400℃~420℃에서 5~10시간 동안 균질화 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 2> 쌍롤식 박판주조공정-균질화 열처리를 통한 AT31 합금 판재의 제조
쌍롤식 박판주조공정 후에 열간압연 대신 종래와 같이 400℃~420℃에서 5~10시간 동안 균질화 열처리를 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실험예> 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재에 대한 미세조직 관찰
도 5a 및 도 5b는 각각 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진으로서, 이에 따르면 주조판재에서 나타났었던 수지상이 모두 사라지고 결정립이 나타난 것을 확인할 수 있고, 수지상 사이의 미세 편석과 공정상 등의 이차상도 모두 사라진 것을 확인할 수 있다.
한편, 도 6a 및 도 6b는 각각 실시예 1 및 실시예 2에서 제조된 마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타내는 사진으로서, 이에 따르면 균질화 열처리 대신 열간압연 공정을 수행하더라도 수지상의 주조조직이 모두 사라지고 편석 및 공정 이차상도 모두 고용되어, 도 5a 및 도 5b에 도시된 균질화 열처리를 거친 마그네슘 합금 판재의 미세조직과 거의 유사한 형태의 미세조직을 가짐을 확인할 수 있다.
100: 주조롤
110: 열간압연롤
120: 온간압연롤
110: 열간압연롤
120: 온간압연롤
Claims (8)
- (a) 연속주조(continuous casting)를 통해 마그네슘 합금 연속주조 판재를 준비하는 단계;
(b) 상기 마그네슘 합금 연속주조 판재를 열간압연하는 단계; 및
(c) 상기 열간압연된 마그네슘 합금 연속주조 판재를 온간압연하는 단계를 포함하되,
연속 주조로 형성된 마그네슘 합금 연속주조 판재에 대해 균질화 처리(homogenization treatment)를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 연속주조는 쌍롤 박판 주조(twin-roll strip casting)에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제2항에 있어서,
상기 단계 (b)에서는 300~450℃의 온도를 가지는 마그네슘 합금 연속주조 판재를 단계 (a)의 연속주조 속도와 동일한 속도로 200~400℃의 온도로 예열된 압연롤을 통해 열간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제3항에 있어서,
상기 단계 (b)에서는 상기 마그네슘 합금 연속주조 판재를 5~30%의 압하율로 1~2회 열간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (b)에서 열간압연을 통해 수지상(dendritic phase)이 없고, 편석(segregation) 및 공정상(eutectic phase)이 고용된 미세조직을 가지는 마그네슘 합금 판재를 형성하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 150~250 ℃의 온도로 온간압연하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계(b)를 완료한 후에 권취(coiling)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재의 제조 방법. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 제조 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 마그네슘 합금 판재.
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