KR20160092558A - 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법 - Google Patents

고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상부롤 및 하부롤의 회전속도비를 다르게 하여 마그네슘 합금판재를 가공하는 마그네슘 합금판재의 이속압연공정에 있어서, 마그네슘 합금판재를 준비하여 1차 이속압연공정을 수행하는 단계(제1단계); 및 상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 수행하는 단계를 포함하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금 제조방법을 제공한다.
따라서 이속압연공정의 상부롤 및 하부롤의 속도비, 소재에 대한 압하량 및 마그네슘 합금판재의 회전을 통한 가공방향을 조절하여 합금 원소의 추가적인 첨가 없이 마그네슘 소재의 결정립을 제어함으로써 단순한 조성에서도 넓은 범위의 기계적 성질을 갖는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재를 제조할 수 있다.

Description

고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법{Preparing method of high uniform and ductile magnesium alloy sheet}
본 발명은 각종 전자제품 부품소재, 자동차용 부품소재로 사용되는 마그네슘 합금판재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이속압연공정을 통한 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법에 관한 것이다.
마그네슘은 금속 중에서도 풍부한 금속이며 비중이 불과 1.74 밖에 되지 않는 금속으로 철강보다는 75% 가볍고, 알루미늄보다도 35%나 가벼우므로 통상 사용되는 공업용 합금 중에서는 가장 가벼운 금속재료이다. 마그네슘이 구조부품재로 선택되는 주된 이유는 높은 비강도에 있다. 알루미늄에 비하여 1/3이나 가벼우면서 상용금속 중에서 비강도는 가장 높고, 전자파 차단성, 치수안정도가 매우 우수하며 충격에 대한 저항이 크다. 따라서 최근 경량화가 필요한 전자 휴대기기의 케이스 및 자동차 소재로서 수요가 증대되고 있는 상황이나, 마그네슘 합금 연구는 주로 고온 물성의 향상에 치중되어 있으며 판재와 같이 경량화가 요구되어 다양한 분야에 적용될 수 있는 연성을 갖는 마그네슘 합금판재의 연구는 부족한 실정이다.
한편 대한민국 특허공개공보 제2009-0083701호에서는 마그네슘 합금판재는 다이캐스팅 주조와 같은 반연속 주조법에 따라 얻어진 주조재를 열간 압출하여, 그것을 압연가공 등을 통해 얇은 판재로 한 후에 프레스 가공 등의 성형가공법에 의해 제품을 제조하거나 압출재를 그대로 단조가공으로 성형하는 등의 방법을 개시하고 있으나, 마그네슘 소재의 결정립을 제어하여 넓은 기계적 성질을 가지는 마그네슘 합금판재를 제조하지는 못한다.
마그네슘 합금에서 결정립을 미세화 하기 위한 주요 개발 기술로서는 등통로각압출(Equal Channel Angular Pressing)법, 비대칭압연(Accumulative Roll Bonding)법, 이속압연(Differential Speed Rolling)법 등이 주로 사용되며, 대한민국 특허공개공보 제2012-0207337호에서는 이속압연공정을 통한 마그네슘 합금판재 제조방법을 개시하고 있으나, 강도 및 연신율을 확보하기 어려울 뿐만 아니라 낮은 속도비로 생산하여 공정의 효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
따라서 마그네슘 합금판재를 주조한 이후에 이속압연공정과 같은 후속 공정을 통하여 고균일성 및 고연성을 가지는 마그네슘 합금판재 제조방법의 개발이 매우 필요한 실정이다.
본 발명은, 각종 전자 부품 소재 및 자동차용 부품 소재로 사용할 수 있는 마그네슘 합금판재를 새로운 강소성 가공방법 중 하나인 이속압연공정의 가공조건을 제고하여 고균일 및 고연성을 가지는 마그네슘 합금판재의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상부롤 및 하부롤의 회전속도비를 다르게 하여 마그네슘 합금판재를 가공하는 마그네슘 합금판재의 이속압연공정에 있어서, 마그네슘 합금판재를 준비하여 1차 이속압연공정을 수행하는 단계(제1단계); 및 상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 수행하는 단계를 포함하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금 제조방법을 제공한다.
또한 제1단계의 1차 이속압연공정은 상부롤 및 하부롤을 150 내지 250 ℃로 예열하여 실시할 수 있다.
또한 상기 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 2.5 내지 3.5일 수 있다.
또한 상기 하부롤의 회전속도는 1 내지 15 rpm일 수 있다.
또한 상기 1차 및 2차 이속압연공정은 20 % 내지 40 %의 압하율로 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법에 따르면, 결정립 조직에 따른 기계적 물성을 크게 증가시켜 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재를 제조할 수 있다. 이속압연공정의 상부롤 및 하부롤의 속도비, 소재에 대한 압하량 및 마그네슘 합금판재의 회전을 통한 가공방향을 조절하여 합금 원소의 추가적인 첨가 없이 마그네슘 소재의 결정립을 제어함으로써 단순한 조성에서도 넓은 범위의 기계적 성질을 갖는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법에서 상부롤, 하부롤, 및 마그네슘 합금판재의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다.
도 4는 대칭압연공정을 나타내는 모식도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금판재 제조방법에 의한 마그네슘 합금판재 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 6은 도 5의 사진의 점선을 확대한 주사전사현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금판재의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다.
본 발명자는 마그네슘 합금판재의 물성을 증가시키고자 강소성 가공법 중 하나인 이속압연공정에 의한 마그네슘 합금판재의 제조방법을 연구하던 중에 이속압연공정의 상부롤 및 하부롤의 속도비, 소재에 대한 압하량 및 마그네슘 합금판재의 회전을 통한 가공 변형을 통하여 마그네슘 합금판재의 결정립 조직을 제어할 수 있는 최적의 조건을 확인하여 고균일 및 고연성을 갖는 마그네슘 합금판재의 제조방법을 완성하였다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법의 공정 흐름도이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명은 상부롤 및 하부롤의 회전속도비를 다르게 하여 마그네슘 합금판재를 가공하는 마그네슘 합금판재의 이속압연공정에 있어서, 마그네슘 합금판재를 준비하여 1차 이속압연공정을 수행하는 단계(제1단계); 및 상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 수행하는 단계(제2단계)를 포함할 수 있다.
상기 마그네슘 합금판재는 마그네슘 합금으로서 AZ31 합금판재를 사용할 수 있으나 이제 제한되는 것은 아니다.
상기 AZ31 합금판재는 중량%로 알루미늄 2.89 %, 아연 0.96 %, 망간 0.31 %, 철 0.15 %, 규소 0.0012%, 잔여량은 마그네슘 및 불가피한 미량의 불순물로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법에서 상부롤, 하부롤, 및 마그네슘 합금판재의 구성을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면 상기 제1단계의 1차 이속압연공정은 마주하는 상부롤과 하부롤이 회전하고, 상기 상부롤과 하부롤이 사이에 인입된 마그네슘 합금판재가 일방향으로 압연되어 이동하게 된다.
상기 상부롤과 하부롤의 지름(R)은 동일하며, 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율(v lower : v upper)은 1 : 2.5 내지 3.5일 수 있다.
상기 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율이 상기 범위에 미치지 못하는 경우에는 마그네슘 합금판재가 충분한 전단응력을 받을 수 없으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 마그네슘 합금판재의 강도 및 연신율을 확보하지 못한다.
상기 제1단계의 1차 이속압연공정은 상부롤 및 하부롤을 150 내지 250 ℃로 예열하여 실시할 수 있으며, 상기 마그네슘 합금판재는 압연 전 150 내지 250 ℃로 5분 내지 20분 예열한다.
상기 상부롤 및 하부롤의 온도가 150 ℃ 미만인 경우에는 마그네슘 합금판재에 균열이 발생할 수 있으며, 250 ℃를 초과하는 경우에는 마그네슘 합금판재가 강도를 확보 하지 못하고 고온을 유지하기 위한 에너지 소모가 증가하여 생산원가를 상승시키는 요인이 될 수 있다.
상기 하부롤의 회전속도는 1 내지 15 rpm일 수 있다.
상기 하부롤의 회전속도가 상기 범위에 미치지 못하는 경우에는 이속압연공정의 속도가 낮아서 공정전체의 효율성이 감소될 수 있으며, 상기 범위를 초과하는 경우에는 마그네슘 합금판재의 균열, 휨, 뒤틀림 또는 미끌림이 발생 할 우려가 있다.
상기 제1단계의 1차 이속압연공정은 20 % 내지 40 %의 압하율로 실시될 수 있다.
도 2를 참조하면 1차 이속압연공정의 압하율은 하기 식 1로 표시되며, 압하율이 20 % 미만인 경우에는 전단응력에 의한 변화가 충분하지 못하며, 40 %를 초과하는 경우에는 과도한 전단변형이 일어나 마그네슘 합금판재가 파손될 우려가 있다.
[식 1]
압하율(percentage reduction in thickness) = ( t i - t f / t i ) × 100
상기 제1단계의 1차 이속압연공정 이후에 연속적으로 2차 이속압연공정을 실시할 수 있다(S200).
일반적으로 이속압연공정은 마그네슘 합금판재의 연성 저하를 초래하며 기저면의 집합조직(basal texture)을 발생시킨다. 마그네슘의 합금판재의 연성은 결정립의 방위에 영향을 받으므로 마그네슘 합금판재의 연성을 향상시키기 위해 결정립의 방위를 제어해야 한다.
본 발명은 상기 결정립의 방위를 제어하기 위해 2차 이속압연공정을 실시할 수 있다.
상기 제2단계의 2차 이속압연공정은 제1단계의 마그네슘 합금판재를 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 수행하는 단계(제2단계)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법의 공정을 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면 2차 이속압연공정의 가공 방향은 마그네슘 합금판재의 시편좌표계로 표시될 수 있으며, 시편좌표계는 압연 면에 수직방향(Normal direction; 이하 'ND') 압연방향(Rolling direction; 이하 'RD'), 마그네슘 합금판재의 횡방향( Transverse direction; 이하 ' TD')을 축으로 나타낸다.
따라서 상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축은 시편좌표계에 따른 마그네슘 합금판재의 횡방향이 되며, 상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하는 것은 마그네슘 합금판재의 횡방향으로 180 °회전하는 것과 동일하다.
상기 제2단계의 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 실시하는 경우에는 1차 이속압연공정에 따른 기저면의 집합조직에 전단변형을 일으키며, 결과적으로 마그네슘의 합금판재 내의 결정립의 방위를 변화시킬 수 있다.
상기 제2단계의 2차 이속압연공정은 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 2.5 내지 3.5일 수 있다.
상기 2차 이속압연공정 또한 1차 이속압연공정의 회전속도 비율을 유지하며, 상기 조건에서 극심한 전단변형이 마그네슘 합금판재 전반에 걸쳐 발생되어 이 경우에 마그네슘 합금판재 내부의 결정립의 크기가 초미세화 되어 별도의 첨가물 없이도 고균일 마그네슘 합금판재가 제조될 수 있다.
상기 2차 이속압연공정의 하부롤의 회전속도 및 상부롤 및 하부롤의 압하율은 1차 이속압연공정의 조건과 동일하여 반복적인 설명은 생략한다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 가공방향 변형을 통한 마그네슘 합금판재 제조
표 1과 같은 조성을 가지는 AZ31 합금을 주조하여 마그네슘 합금판재를 준비하였다.
원소 알루미늄 아연 망간 철 규소 마그네슘
및 잔유물
중량 % 2.89 % 0.96 % 0.31 % 0.15 % 0.0012% bal.
상부롤과 하부롤의 온도를 200 ℃로 예열한 이후에 1차 이속압연가공을 실시하였다. 압하율은 30% 이고, 하부롤의 속도는 15 rpm이며, 하부롤대 상부롤의 회전 속도 비율은 1 : 3로 조정되었다.
1차 이속압연가공 후에 마그네슘 합금판재를 진행방향과 직교하는 수직축(TD방향)을 중심으로 반전하여 연속적으로 2차 이속압연가공을 실시하였다. 공정조건은 1차 이속압연가공과 동일하게 유지하여 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재를 제조하였다.
<비교예 1> 균질화 처리 한 마그네슘 합금판재의 물성
대칭압연공정 전 마그네슘 합금판재의 결정립 균질화 처리를 위해 전기로를 이용하여 400℃에서 24시간 열처리 후 인장 물성을 확인 하였다.
<비교예 2> 이속압연공정을 통한 마그네슘 합금판재 제조
1차 이속압연공정 이후의 마그네슘 합금판재의 물성을 확인하기 위해 상부롤과 하부롤의 온도를 200 ℃로 예열한 이후에 마그네슘 합금판재인 AZ31를 1차 이속압연가공을 실시하였다. 압하율은 30% 이고, 하부롤의 속도는 15 rpm이며, 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 3로 조정되었다.
도 4는 대칭압연공정을 나타내는 모식도이다.
<실험예 1> 마그네슘 합금판재의 물성
비교예 1 및 비교예 2를 실시예 1과 비교하여 상부롤 및 하부롤의 회전 속도 비율 및 가공방향 변경에 따른 이속압연공정이 마그네슘 합금판재의 결정립의 균일성과 연신율을 평가하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금판재 제조방법에 의한 마그네슘 합금판재 표면을 광학현미경으로 관찰한 사진이고, 도 6은 도 5의 사진의 점선을 확대한 주사전사현미경(Scanning electron microscope; SEM) 사진이다.
도 5를 참조하면 도 5(a)는 비교예 2에서 제조된 마그네슘 합금판재 표면 사진이고, 도 5(b)는 실시예 1에 따른 마그네슘 합금판재 표면의 사진이다. 실시예 1의 가공방향을 변경하여 2차 이속압연공정을 실시한 경우의 표면이 균일한 것으로 확인되었다.
또한 도 6(a)는 도 5(a)의 점선을 SEM으로 확대하여 관찰한 것이고, 도 6(b)는 도 5(b)를 확대한 것이다. 도 6을 참조하면 가공방향을 변경하여 2차 이속압연공정을 실시한 경우에 결정립이 초미세립으로 변형되어 고균일성을 가지는 것으로 확인되었다.
한편 실시예 1에서 제조된 마그네슘 합금판재의 고연성을 확인하기 위해 실시예 1에서 제조된 마그네슘 합금판재 및 비교예 1 및 비교예 2에서 제조된 마그네슘 합금판재의 연신율과 인장강도를 측정하였다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 합금판재의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하여 실시예 1, 비교예 1 및 비교예 2의 마그네슘 합금판재의 인장강도 및 연신율을 확인하면 하기 표 2와 같다.
1차 이속압연공정 압연률(단위 : %) 2차 이속압연공정 압연률(단위 : %) 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율 총 압하율(단위 : %) 인장강도( 단위 : MPa) 연신율(단위 %)
비교예 1 - - - - 134 24.5
비교예 2 30 30 3.0 51 288 12.1
실시예 1 30 30 3.0 51 332 18.4
비교예 1과 비교예 2의 마그네슘 합금판재의 인장강도를 비교하면 이속압연공정에 따라 인장강도가 크게 증가한 것을 확인하였다.
또한 실시예 1과 비교예 2의 마그네슘 합금판재의 인장강도 및 연신율을 비교하면, 가공방향을 변경하여 2차 이속압연공정을 실시하는 경우에 인장강도 및 연신율이 크게 증가하여 고연성 마그네슘 합금판재가 제조된 것을 확인하였다.
이상으로 본 발명에 따른 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재의 제조방법에 따르면 상부롤 및 하부롤의 회전속도 비율을 조절하는 이속압연공정을 통하여 마그네슘 합금판재의 강도를 증가시켰으며, 연속적으로 마그네슘 합금판재의 가공방향을 변경하는 2차 이속압연공정을 실시하여 마그네슘 합금판재의 결정립의 방위를 변화시키는 과정을 통하여 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재를 제조하였다.
본 발명은 한정된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 상부롤 및 하부롤의 회전속도비를 다르게 하여 마그네슘 합금판재를 가공하는 마그네슘 합금판재의 이속압연공정에 있어서,
    마그네슘 합금판재를 준비하여 1차 이속압연공정을 실시하는 단계(제1단계); 및
    상기 마그네슘 합금판재의 진행방향과 직교하는 축을 중심으로 마그네슘 합금판재를 반전하여 2차 이속압연공정을 실시하는 단계를 포함하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제1단계의 1차 이속압연공정은 상부롤 및 하부롤을 150 내지 250 ℃로 예열하여 실시하는 것을 특징으로 하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 2.5 내지 3.5인 것을 특징으로 하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법.
  4. 청구항 1또는 청구항 3에 있어서, 상기 하부롤의 회전속도는 1 내지 15 rpm인 것을 특징으로 하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 1차 및 2차 이속압연공정은 20 % 내지 40 %의 압하율로 실시되는 것을 특징으로 하는 고균일 및 고연성 마그네슘 합금판재 제조방법.
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CN112808772A (zh) * 2019-12-25 2021-05-18 中南大学 一种优化镁合金板材微观组织和力学性能的轧制成形方法
CN116921430A (zh) * 2023-08-25 2023-10-24 太原科技大学 一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法
CN117772795A (zh) * 2024-02-23 2024-03-29 太原理工大学 一种稳定轧制过程辊间传动比的稳定装置和轧制成形设备

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112808772A (zh) * 2019-12-25 2021-05-18 中南大学 一种优化镁合金板材微观组织和力学性能的轧制成形方法
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CN116921430B (zh) * 2023-08-25 2024-02-23 太原科技大学 一种基于晶粒尺寸和基面织构协同调控的镁合金板材强韧化轧制方法
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