KR20190078258A - 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법 - Google Patents

마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 마그네슘 합금 판재 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.5 내지 1.5중량%, Ca: 0.1 내지 1.0중량%, Mn: 0.01 내지 1.0중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 판재를 제공한다.

Description

마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법{MAGNESIUM ALLOY SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명의 일 구현예는 마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 구조재료로써 경량화가 가능한 재료에 대한 관심이 증가하며 활발한 연구가 이뤄지고 있다. 이에 비강도(밀도 대비 강도)가 우수한 마그네슘 판재에 대해서 관심이 많다.
마그네슘은 밀도가 1.74g/㎤ 로 알루미늄 및 철강을 포함하는 구조용 금속 중에서 가장 가벼운 금속이며, 진동 흡수능, 전자파 차폐능 등이 우수하여 IT/Mobile 분야에서 각광받고 있는 금속이다.
또한, 자동차 분야에서도 유럽을 필두로 한 선진국에서 연비규제 및 성능향상을 이유로 차체 무게를 가볍게 하는 연구가 활발히 진행 중이다. 이에 따라 마그네슘이 대체 금속 중 하나로 여겨지고 있다.
하지만, 마그네슘 판재는 HCP구조로써, 상온에서의 변형기구가 제한적이기 때문에 상온 성형이 불가능하다. 이에, 자동차 산업에 적용하는 데 일부 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 여러 연구들이 이뤄져 왔다.
예를 들어, 상,하부 압연롤의 속도를 달리하는 이속 압연, ECAP 공정, 마그네슘 판재의 공정(eutectic) 온도 근처에서 압연하는 고온 압연법 등이 있다. 하지만, 이 모든 공정은 상용화와 거리가 멀다.
또 따른 예로, 선행특허(공개번호: 2012-0055304)와 같이 합금을 통한 개선 방법이 있을 수 있다. 구체적으로, Zn: 1~10중량%, Ca: 0.1~5중량%를 함유한 마그네슘 판재를 사용할 수 있다. 다만, 상기 판재는 스트립 캐스팅 공법에 적용할 수 없다. 이에 따라, 양산성이 결여되며, 장시간 주조 시 주물재와 롤간의 융착 현상으로 인해 장시간 주조가 어려운 문제가 있다.
한편, 선행특허(출원번호: 2015-0185017는 기존의 Al: 3 중량%, Zn: 중량 1%, Ca: 중량 1% 합금의 공정을 개선하여 한계돔 높이 7mm이상의 고성형을 얻을 수 있었다. 다만, 상기 기술은 압연 단계 중 중간 소둔이 1회 이상과 온간 성형이 필요하다. 이 때문에, 공정 비용이 크게 들고, 금형/가열 장치 등의 투자비가 다량 발생하는 문제가 있다. 따라서, 생산성이 저하되며 마그네슘 합금의 가공비가 경쟁 소재 대비 비싼 문제가 있다.
또한, 현재 당사에서 개발한 고성형 E-form합금(AZX311) 판재의 경우는 부품 성형시 이방성이 존재한다. 이에 전술한 문제를 해결한 마그네슘 합금 판재를 제공하고자 한다.
상온 성형성이 우수하고 및 물성의 이방성이 크지 않은 마그네슘 합금 판재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
구체적으로, 알루미늄을 적게 포함함으로써 생성되는 이차상의 분율도 감소할 수 있다. 이에 따라, 입계 편석 효과가 증가하여 상온 성형성을 향상시키고자 한다.
뿐만 아니라, 이차상의 분율 저감에 따라 이차상 스트링어(stringer)도 저감할 수 있다. 이에, 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시, 압연 방향(RD)으로 인장할 때와 물성의 차이가 크지 않은 마그네슘 합금 판재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현예인 마그네슘 합금 판재는 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.1 내지 0.7중량%, Ca: 0.1 내지 0.5중량%, Mn: 0.01 내지 0.3중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
마그네슘 합금 판재 전체 100중량%에 대해, 상기 Al: 0.5 내지 1.3중량%일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재는 이차상을 포함하고, 상기 마그네슘 합금 판재 전체 면적 100%에 대해, 이차상의 면적 분율은 5% 이하일 수 있다.
상기 이차상은 Al2Ca, Al8Mn5, 또는 이들의 조합일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재는 스트링어(stringer)를 포함하고, 스트링어(stringer) 길이는 최대 50㎛이하일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 압연 방향(RD)의 한계벤딩반경(LBR) 값은 0 내지 0.5R/t일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR) 값은 0 내지 0.5R/t일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 압연 방향(RD)에 대한 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR) 값의 비는 0.8 내지 1.2일 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재의 한계돔높이(LDH)는 8mm 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예인 마그네슘 합금 판재의 제조방법은 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.5 내지 1.5중량%, Ca: 0.1 내지 1.0중량%, Mn: 0.01 내지 1.0중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 용탕을 준비하는 단계, 상기 용탕을 주조하여 주조재를 준비하는 단계, 상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계, 및 상기 압연재를 최종 소둔하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 합금 용탕을 준비하는 단계에서, 합금 용탕 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.3중량%일 수 있다.
상기 용탕을 주조하여 주조재를 준비하는 단계는, 스트립 캐스팅법으로 주조할 수 있다.
상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는, 압연 1회 당 50% 이하(0% 제외)의 압하율로 압연할 수 있다.
구체적으로, 상기 주조재를 1회 또는 2회 이상 압연할 수 있다.
보다 구체적으로, 100 내지 350℃ 온도 범위에서 압연할 수 있다.
상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는, 상기 압연재를 중간 소둔하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 압연재를 중간 소둔하는 단계는, 300 내지 500℃ 온도 범위에서 실시할 수 있다.
구체적으로, 30분 내지 6시간 동안 실시할 수 있다.
상기 압연재를 최종 소둔 하는 단계는, 250℃ 이상에서 실시할 수 있다. 구체적으로, 30분 내지 600분 동안 실시할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 알루미늄 함량에 따라 이차상의 분율과 이차상 스트링어를 제어하여, 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)으로 벤딩 시험 시 이방성이 크지 않은 마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 상온에서의 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 동시에 제공할 수 있다.
도 1은 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시험 시, 이차상 스트링어(stringer)에 따른 크랙 형성 기구(mechanism)를 순서대로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1의 단면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 3은 비교예 1의 단면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 4는 비교예 1의 벤딩 시험 시 크랙이 생성된 단면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 5는 실시예 2의 단면을 광학 현미경(Optical Microscopy)으로 관찰한 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다. 다른 정의가 없다면 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 일 구현예인 마그네슘 합금 판재는, 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.1 내지 0.7중량%, Ca: 0.1 내지 0.5중량%, Mn: 0.01 내지 0.3중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 마그네슘 합금 판재 전체 100중량%에 대해, 상기 Al은 0.5 내지 1.3중량%일 수 있다.
이하, 마그네슘 합금 판재의 성분 및 조성을 한정한 이유를 설명한다.
Al은 0.5 내지 1.5중량% 만큼 포함할 수 있다. 구체적으로, 0.5 내지 1.3중량%만큼 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 알루미늄은 상온에서의 성형성을 향상시키는 역할을 함에 따라, 상기 함량만큼 포함하는 경우 스트립 캐스팅법을 통한 주조가 가능하다.
구체적으로, 후술하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법 중 압연 단계에서 압연 시 집합 조직은 강한 기저면 조직으로 변화하게 된다. 이때, 상기 기저면 조직으로의 변화를 억제시키기 위한 기구로써, 용질 견인(solute dragging) 효과가 있다. 상기 용질 견인 기구는, Mg보다 원자 반경이 큰 Ca과 같은 원소가 결정입계 내에 편석됨으로써, 열이나 변형이 가해졌을 때 입계 이동성(boundary mobility)을 떨어트릴 수 있다. 이로 인해, 압연 중 동적 재결정 또는 압연 변형에 의한 기저면 집합조직 형성을 억제할 수 있다.
따라서, 알루미늄 1.5중량%를 초과하여 첨가할 경우, Al2Ca 이차상의 양도 급격하게 증가하므로, 입계에 편석되는 Ca의 양이 감소할 수 있다. 이에 따라, 용질 견인 효과도 감소할 수 있다. 뿐만 아니라, 이차상이 차지하는 분율이 감소함에 따라, 스트링어(stringer)도 저감될 수 있다. 상기 스트링어는 하기에서 자세하게 설명한다.
반면, 알루미늄 0.5중량% 미만으로 첨가할 경우, 스트립 캐스팅법으로 인한 주조가 불가능할 수 있다. 알루미늄은 용탕의 유동도를 향상시키는 역할에 따라, 주조 시 롤 스티킹(roll sticking) 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 알루미늄을 첨가하지 않는 Mg-Zn계 마그네슘 합금은 실제 롤 스티킹 현상으로 인해 스트립 캐스팅법으로 주조가 불가능하다.
Zn은 0.1 내지 0.7중량% 만큼 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 아연은 칼슘과 같이 첨가 시, 비저면의 연화 현상을 통해 기저면 슬립을 활성화시킴으로써, 판재의 성형성을 향상시키는 역할을 한다. 다만, 0.7중량%를 초과하여 첨가 시에는 마그네슘과 결합하여 금속간 화합물을 만들기 때문에 성형성에 악영향을 미칠 수 있다.
Ca은 0.1 내지 0.5중량% 만큼 포함할 수 있다.
칼슘은 아연과 같이 첨가 시, 비저면의 연화 현상을 가져와 비저면 슬립을 활성화시킴으로써 판재의 성형성을 향상시키는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 후술하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법에서 압연 시, 집합조직은 강한 기저면 집합조직으로 변화하는 특성이 있다. 상기 특성을 억제시키기 위한 기구로써, 용질 견인(solute dragging)효과가 있다. 보다 구체적으로, Mg보다 원자 반경이 큰 원소가 결정입계 내에 편석됨으로써, 열이나 변형이 가해졌을 때 입계 이동성(boundary mobility)을 떨어트릴 수 있다. 이때, Mg 보다 원자 반경이 큰 원소로써 Ca을 사용할 수 있다. 이의 경우, 압연 중 동적 재결정 또는 압연 변형에 의한 기저면 집합조직 형성을 억제할 수 있다.
다만, 0.5중량%를 초과하여 첨가 시에는 스트립캐스팅 주조 시, 주조롤과의 점착성이 증가하여 스티킹(sticking) 현상이 심해질 수 있다. 이로 인해, 용탕의 유동성을 감소시켜 주조성이 낮아지므로, 생산성이 감소할 수 있다.
Mn은 0.01 내지 0.3중량% 만큼 포함할 수 있다.
망간은 Fe-Mn계 화합물을 형성하여, 판재 내 Fe성분의 함량을 저감하는 역할을 한다. 따라서, 망간을 포함하는 경우, 주조 전 합금 용탕 상태에서 드로스 또는 슬러지 형태로 Fe-Mn 화합물을 형성할 수 있다. 이로 인해, 주조 시 Fe 성분의 함량이 적은 판재를 제조할 수 있다. 더해서, 망간은 알루미늄과 Al8Mn5 이차상을 형성할 수 있다. 이로부터, 칼슘이 소모되는 양을 억제하여, 칼슘이 결정입계에 편석할 수 있는 양을 증가시키는 역할을 한다. 이에 따라, 망간 첨가 시, 용질 견인 효과를 보다 더 향상시킬 수 있다.
상기 마그네슘 합금 판재는 결정 입계에 칼슘 원소가 편석 되어 있을 수 있다. 이때, 상기 칼슘 원소는 금속간 화합물의 형태가 아닌, 용질(solute) 형태로 결정입계에 편석될 수 있다.
보다 구체적으로, 칼슘이 알루미늄과 같은 원소와 이차상을 형성하지 않고 고용되어 용질 형태로 입계에 편석됨으로써, 입계의 이동성을 떨어트려 기저면 집합조직의 형성을 억제할 수 있다. 이로 인해, 상온에서 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 제공할 수 있다.
따라서, 전술한 마그네슘 합금 판재는 Al2Ca, Al8Mn5, 또는 이들의 조합인 이차상을 포함하되, 상기 마그네슘 합금 판재 전체 면적 100%에 대해, 상기 이차상의 면적 분율은 5% 이하일 수 있다. 더 구체적으로는, 3% 이하일 수 있다. 보다 더 구체적으로는 1% 이하일 수 있다.
이는 마그네슘 합금 판재 전체 중량 대비 Al을 1.5중량% 초과하여 포함하는 종래 다른 마그네슘 합금 판재에 비해 현저하게 낮은 수치이다.
이차상의 분율을 상기 범위와 같이 최소한으로 제어함으로써, 입계 편석을 향상시켜 상온 성형성을 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 이차상의 분율이 증가함에 따라 발생하는 이차상의 스트링어(stringer)를 감소시킬 수 있다.
본 명세서에서 스트링어(stringer)란, 이차상들이 뭉쳐 압연 방향(RD)으로 띠를 이루고 있는 것을 의미한다.
구체적으로, 상기 마그네슘 합금 판재는 스트링어(stringer)를 포함하되, 스트링어(stringer)의 길이는 최대 50㎛이하일 수 있다.
스트링어의 길이 범위가 최대 50㎛이하 범위라는 것은 스트링어가 거의 포함되지 않음을 의미할 수 있다.
한편, 이차상이 뭉쳐 압연 방향(RD)으로 최대 50㎛를 초과하는 띠 형상의 스트링어가 존재하는 경우 마그네슘 합금 판재의 물성 이방성이 클 수 있다. 구체적으로, 마그네슘 합금 판재의 압연 방향으로 최대 길이 50㎛를 초과하는 스트링어를 포함하는 경우, 판재 폭 방향(TD)으로 벤딩 또는 인장 시 압연 방향(RD)으로 형성된 스트링어를 따라 이차상이 깨지며 크랙이 쉽게 전파될 수 있다.
특히, 상기와 같은 이차상 스트링어(stringer)가 마그네슘 합금 판재의 표면 부근에 존재할 경우, 압연 방향에 수직하는 방향인 판재 폭 방향으로 벤딩 시험 시 크랙이 더 용이하게 발생할 수 있다.
도 1을 통해, 이차상 스트링어(stringer)에 따른 크랙 형성 기구(mechanism)를 확인할 수 있다.
도 1은 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시험 시, 이차상 스트링어(stringer)에 따른 크랙 형성 기구(mechanism)를 순서대로 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시 압연 방향(RD)으로 형성된 이차상 스트링어(stringer)(흰색 점)를 따라 크랙이 진행되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 이차상 스트링어(stringer)와 크랙 진행 방향이 평행하여, 이차상 스트링어를 따라 크랙이 이어지는 경향이 큰 것을 도출할 수 있다.
따라서, 이차상 스트링어(stringer)를 포함하는 마그네슘 합금 판재의 경우 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시, 압연 방향(RD)으로 인장하는 경우보다 이방성성이 열위할 수 있다. 이로부터, 압연 방향(RD)으로 인장(벤딩)하는 경우와 판재 폭 방향(TD)으로 인장(벤딩)하는 경우의 물성 차이가 클 수 있다.
즉, 본 명세서에서 벤딩 이방성에 열위한 영향을 미치는 이차상 스트링어의 기준은 최대 길이가 50㎛를 초과하는 스트링어로 정의한다.
또한, 본 명세서에서 판재 폭 방향(TD)은 압연 방향(RD)과 수직하는 방향을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 이방성이란 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)에서의 물성이 상이함을 의미한다. 후술하겠지만 본 명세서에서는, V-bending 시험을 통해 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)으로 굽힘 테스트를 실시하여 이방성을 측정하였다. 이에, 이방성의 지표로 벤딩 시험을 통한 한계벤딩반경(LBR) 값을 나타내었다.
이에, 이방성이 우수하다는 것은 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)에서의 물성 차이가 적음을 의미한다.
따라서, 상기 마그네슘 합금 판재의 압연 방향(RD)의 150℃ 이상에서 한계벤딩반경(LBR)은 값은 0 내지 0.5R/t일 수 있다.
한편, 상기 마그네슘 합금 판재의 판재 폭 방향(TD)의 150℃ 이상에서 한계벤딩반경(LBR) 값은 0 내지 0.5R/t일 수 있다
본 명세서에 한계벤딩반경(LBR)이란, V-bending 테스트 후 판재의 두께(t) 대비 판재의 내부 곡률 반경(R)의 비를 의미한다. 구체적으로, 판재의 내부 곡률 반경(R)/판재의 두께(t)일 수 있다.
구체적으로, 상기 마그네슘 합금 판재의 압연 방향(RD)에 대한 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR)의 비는 0.8 내지 1.2일 수 있다.
상기 범위는 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)의 물성의 차이가 크지 않음을 의미한다.
상기 마그네슘 합금 판재의 한계돔높이(LDH)는 8mm 이상일 수 있다.
본 명세서에서 한계돔높이(LDH)란, 상온에서의 에릭슨 시험을 통해 도출되는 값을 의미한다. 상기 값으로부터 판재의 성형성을 비교할 수 있다.
보다 구체적으로, 에릭슨 수치는 판재를 변형시켜 컵(cup) 형태로 가공하였을 때, 파단이 발생할 때까지 판재가 변형된 높이를 의미한다. 따라서, 마그네슘 합금 판재의 변형 높이가 높을수록, 에릭슨 수치가 클 수 있다. 이에 따라 성형성이 우수할 수 있다.
이로부터, 본 발명의 일 구현예에 의한 마그네슘 합금 판재의 한계돔높이는 종래 마그네슘 합금재에 비해 우수한 수준일 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예인 마그네슘 합금 판재의 제조방법은, 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.5 내지 1.5중량%, Ca: 0.1 내지 1.0중량%, Mn: 0.01 내지 1.0중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 용탕을 준비하는 단계(S100), 상기 용탕을 주조하여 주조재를 준비하는 단계(S200), 상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계(S300), 및 상기 압연재를 최종 소둔하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 단계(S100)에서 합금 용탕 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.0중량%일 수 있다.
상기 용탕의 성분 및 조성을 한정한 구체적인 이유는 앞서 마그네슘 합금 판재의 성분 및 조성을 한정한 이유와 같으므로 생략한다.
이후 상기 단계(S200)에서, 상기 주조재를 준비하는 주조 방법은 다이캐스팅, 다이렉트 칠 캐스팅(Direct chill casting), 빌렛 주조, 원심 주조, 경동 주조, 금형 중력 주조, 사형 주조(sand casting), 스트립 캐스팅법 또는 이들의 조합일 수 있다. 다만, 이에 제한하는 것은 아니다.
보다 구체적으로는, 스트립 캐스팅법으로 주조할 수 있다. 상기 전술한 조성의 합금 용탕으로 스트립 캐스팅 주조가 가능할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 용탕은 0.5 내지 10mpm 속도로 주조될 수 있다.
이에 제조된 주조재의 두께는 3 내지 13mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 단계(S300)에서 압연 1회 당 50% 이하(0% 제외)의 압하율로 압연할 수 있다. 보다 구체적으로, 압연 1회 당 압하율이 50%를 초과할 경우, 압연 시 크랙이 발생할 수 있다.
이하, 본 명세서에서 압하율이란, 압연 시 압연 롤을 통과하기 전의 재료의 두께와 압연 롤을 통과한 후의 재료의 두께의 차이를 압연 롤을 통과하기 전의 재료의 두께로 나눈 후 100을 곱한 것을 의미한다.
구체적으로, 주조재를 1회 또는 2회 이상 압연할 수 있다. 더 구체적으로, 주조재의 두께가 두꺼울 경우 2회 이상 압연할 수 있다.
더 구체적으로, 100 내지 350℃ 온도 범위에서 압연할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 압연 온도가 100℃ 미만일 경우 압연 시 크랙이 유발될 수 있다. 한편, 압연 온도가 350℃ 초과일 경우 Ca 편석이 저하되어 불리할 수 있다.
또한, 상기 단계(S300)는 압연재를 중간 소둔하는 단계(S310)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 압연을 2회 이상 실시할 경우 압연 단계 중간에 중간 소둔을 실시할 수 있다. 이때, 상기 단계(S310)는 300 내지 500℃ 온도 범위에서 실시할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 30분 내지 6시간 동안 실시할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 조건으로 중간 소둔을 실시하는 경우, 압연 시 발생한 응력을 충분하게 해소할 수 있다. 보다 더 구체적으로, 압연재의 용융 온도를 초과하지 않는 범위에서, 재결정을 통해 응력을 해소할 수 있다. 더해서, 재결정을 통해 비기저면 결정방위를 가지는 결정립의 형성을 유도할 수도 있다.
마지막으로, 상기 압연재를 최종 소둔하는 단계(S400)는 250℃ 이상에서 실시할 수 있다. 구체적으로, 250 내지 450℃ 온도에서 실시할 수 있다.
더 구체적으로, 30분 내지 600분 동안 실시할 수 있다.
상기 조건에서 최종 소둔함으로써 재결정을 용이하게 형성할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 상세히 설명한다. 단 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
제조예
하기 표 1에 개시된 성분 및 조성으로 하여, 실시예와 비교예에 의한 마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
구체적으로, 하기 표 1에 개시된 성분 및 조성을 포함하는 합금 용탕을 준비하였다. 이후, 상기 용탕을 스트립 캐스팅법으로 주조하여 주조재를 준비하였다. 이후, 상기 주조재를 200℃에서 압연 1회당 25%의 압하율로 7 내지 10회 압연하였다.
상기 압연 중간에 중간 소둔도 실시하였다. 구체적으로, 400℃에서 3시간 동안 실시하였다.
마지막으로, 압연된 판재를 300℃에서 최종 소둔하였다.
이와 같이 제조된 실시예와 비교예의 인장강도(YS), 연신율(El), 한계돔높이(LDH), 및 한계벤딩반경(LBR)을 평가하여 하기 표 1에 개시하였다.
이때, 각 물성의 평가 방법은 하기와 같다.
[인장강도 측정 방법]
시험편이 파단할 때까지의 최대 인장 하중을 시험 전 시험편의 단면적으로 나눈 값을 의미한다. 구체적으로, 상온에서 일축 인장시험기를 사용하여 측정하였고, 변형 속도(strain rate)는 10-3/s 로 진행하였다.
[ 연신율 측정 방법]
인장 시험 때 재료가 늘어나는 비율로써, 시험 전 시험편의 길이 대비 변화된 시험편의 길이를 백분율로 나타낸 값을 의미한다. 구체적으로, 인장 강도 측정 조건과 동일하며, 게이지(gauge)부분의 초기 길이 대비 늘어난 길이를 측정하였다.
[에릭슨 수치 측정 방법]
가로, 세로 각각 50 내지 60mm 크기의 마그네슘 합금 판재를 사용하였으며, 판재의 겉면에는 판재와 구형 펀치간의 마찰을 감소시키기 위해 윤활제를 사용하였다.
이때, 다이 및 구형 펀치의 온도는 상온으로 하여 테스트를 실시하였다.
보다 더 구체적으로, 마그네슘 합금 판재를 상부 다이와 하부 다이 사이에 삽입한 후, 상기 판재의 외주부를 10kN의 힘으로 고정하였고, 이후 20mm의 직경을 가지는 구형 펀치를 사용하여 5mm/min의 속도로 상기 판재에 변형을 가해주었다. 이후, 상기 판재가 파단될 때까지 펀치를 삽입한 뒤, 파단 시 판재의 변형 높이를 측정하는 방식으로 수행하였다.
이렇게 측정한 판재의 변형 높이를 에릭슨 값 또는 한계돔높이(LDH)라고 한다.
[한계 굽힘 반경(V-bending)측정 방법]
V-bending 테스트에 따른 결과를 한계굽힘반경(LBR) 이라고 한다.
구체적으로, 테스트 구체적으로, 다이와 펀치로 구성되는 장치에 히팅이 가능하도록 열선을 각각 설치하여 타겟 온도까지 온도를 제어한다. 다이와 펀치는 모두 90° 각도를 가지고 있을 수 있다. 펀치의 종류는 곡률 반경이 0R에서부터 9R까지 다양하다.
상기 장치를 이용하여 판재를 벤딩한 후, 크랙 없이 벤딩되는 펀치의 R을 도출한다. 이때, 펀치의 벤딩 속도는 초당 30 내지 60mm로 측정하였다.
사용한 장치는 기계식 60ton servo press를 이용하였고, 펀치와 다이가 포함된 V-bending 금형을 press에 설치하여 사용하였다.
구분 Al Zn Mn Ca YS(Mpa) El.(%) LDH (mm) Limited bending radius(R/t)
중량% Room temperaturme(상온) RT(상온) 150℃ 200℃ 250℃
실시예 1 1 0.85 0.2 0.67 RD 147 22.5 8.6 2.9 0.4 0.4 0.0
TD 92 18.7 2.9 0.4 0.4 0.0
실시예 2 1.03 0.45 0.12 0.19 RD 157 26.0 8.2 2.1 0.3 0.0 0.0
TD 126 26.1 2.1 0.3 0.0 0.0
비교예 1 2 0.92 0.3 0.63 RD 169 25.0 8.6 2.3 1.2 0.4 0
TD 142 21.0 3.1 2.8 1.5 0.9
비교예 2 3 0.8 0.3 0.62 RD 151 27.3 8.0 2.1 1.4 0.7 0.4
TD 144 15.4 4.3 3.2 2.9 2.9
비교예 3 3 0.74 0.3 - RD 177 28.5 3.8 8 2.3 1.8 1.4
TD 209 24.3 8 3.6 2.3 1.8
비교예 4 ZEK100 1.0 RD 223 20.4 8.1 4.1 1.5 0.9
TD 140 25.6 4.1 1.5 0.9
상기 표 1에 개시된 바와 같이, 알루미늄 함량이 2중량%인 비교예 1의 한계돔높이(LDH) 값은 우수하나 한계벤딩반경(LBR)값은 열위함을 알 수 있다.
특히, 비교예 1은 200℃에서 압연 방향(RD)의 한계벤딩반경(LBR) 값 대비 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR) 값의 비가 3.75로 압연 방향과 판재 폭 방향으로 각각 인장 시 이방성이 큰 것을 알 수 있다.
또한, 비교예 4의 경우 비교예 1 내지 3에 비해서는 이방성이 우수하였으나, 실시예 1 및 2에 비해서는 한계벤딩반경(LBR) 값이 열위함을 알 수 있다.
이는 본 발명의 도면을 통해서도 확인할 수 있다.
도 2는 실시예 1의 단면을 SEM으로 관찰한 것이다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 실시예 1은 이차상 스트링어의 형태가 없는 것을 육안으로 확인할 수 있다. 이로써, 실시예 1은 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)으로 인장 시 물성의 차이가 크지 않았음을 도출할 수 있다.
도 3은 비교예 1의 단면을 SEM으로 관찰한 것이다.
한편 도 3에 도시된 바와 같이, 비교예 1은 판재의 표면과 표면 아래 부분에 이차상이 뭉쳐 압연 방향으로 띠 형상의 스트링어가 포함된 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 스트링어의 길이는 최소 100㎛ 이상인 것으로 확인된다.
이에, 비교예 1의 판재 폭 방향과 압연 방향의 이방성이 큰 이유를 도출할 수 있다.
구체적으로, 상기 비교예 1의 벤딩 시험 시 크랙이 생성된 것을 도 4롤 통해 확인할 수 있다.
도 4는 비교예 1의 벤딩 시험 시 크랙이 생성된 단면을 SEM으로 관찰한 것이다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 1은 표면과 표면 아래 부분에서 스트링어를 확인할 수 있었다. 그 결과, 표면에서 크랙이 쉽게 형성된 것을 확인할 수 있다.
도 5는 실시예 2의 단면을 광학 현미경(Optical Microscopy)으로 관찰한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 2에도 이차상(검은색 점)이 포함되는 것을 알 수 있다. 다만, 마그네슘 합금 판재 대비 이차상의 분율이 매울 적은 것을 육안으로도 확인할 수 있다.
이로부터, 본 발명에 따른 실시예는 알루미늄 함량에 따라 이차상의 분율과 이차상 스트링어를 제어하여, 압연 방향(RD)과 판재 폭 방향(TD)으로 벤딩 시험 시 이방성이 크지 않은 마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 상온에서의 성형성이 우수한 마그네슘 합금 판재를 동시에 제공할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 마그네슘 합금 판재 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.1 내지 0.7중량%, Ca: 0.1 내지 0.5중량%, Mn: 0.01 내지 0.3중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 마그네슘 합금 판재.
  2. 제1항에서,
    마그네슘 합금 판재 전체 100중량%에 대해, 상기 Al: 0.5 내지 1.3중량%인 마그네슘 합금 판재.
  3. 제2항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재는 이차상을 포함하고,
    상기 마그네슘 합금 판재 전체 면적 100%에 대해, 이차상의 면적 분율은 5% 이하인 마그네슘 합금 판재.
  4. 제3항에서,
    상기 이차상은 Al2Ca, Al8Mn5, 또는 이들의 조합인 마그네슘 합금 판재.
  5. 제4항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재는 스트링어(stringer)를 포함하고,
    스트링어(stringer) 길이는 최대 50㎛이하인 마그네슘 합금 판재.
  6. 제5항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 압연 방향(RD)의 한계벤딩반경(LBR) 값은 0 내지 0.5R/t인 마그네슘 합금 판재.
  7. 제6항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR) 값은 0 내지 0.5R/t인 마그네슘 합금 판재.
  8. 제7항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재의 150℃ 이상에서 압연 방향(RD)에 대한 판재 폭 방향(TD)의 한계벤딩반경(LBR) 값의 비는 0.8 내지 1.2인 마그네슘 합금 판재.
  9. 제8항에서,
    상기 마그네슘 합금 판재의 한계돔높이(LDH)는 8mm 이상인 마그네슘 합금 판재.
  10. 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.5중량%, Zn: 0.5 내지 1.5중량%, Ca: 0.1 내지 1.0중량%, Mn: 0.01 내지 1.0중량%, 잔부 Mg 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 합금 용탕을 준비하는 단계;
    상기 용탕을 주조하여 주조재를 준비하는 단계;
    상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계; 및
    상기 압연재를 최종 소둔하는 단계를 포함하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  11. 제10항에서,
    상기 합금 용탕을 준비하는 단계에서,
    합금 용탕 전체 100중량%에 대해, Al: 0.5 내지 1.3중량%인 것인 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  12. 제10항에서,
    상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는,
    압연 1회 당 50% 이하(0% 제외)의 압하율로 압연하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  13. 제12항에서,
    상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는,
    상기 주조재를 1회 또는 2회 이상 압연하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  14. 제13항에서,
    상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는,
    100 내지 350℃ 온도 범위에서 압연하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  15. 제10항에서,
    상기 주조재를 압연하여 압연재를 준비하는 단계는,
    상기 압연재를 중간 소둔하는 단계를 더 포함하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  16. 제15항에서,
    상기 압연재를 중간 소둔하는 단계는,
    300 내지 500℃ 온도 범위에서 실시하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  17. 제16항에서,
    상기 압연재를 중간 소둔하는 단계는,
    30분 내지 6시간 동안 실시하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  18. 제10항에서,
    상기 압연재를 최종 소둔 하는 단계는,
    250℃ 이상에서 실시하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  19. 제18항에서,
    상기 압연재를 최종 소둔 하는 단계는,
    30분 내지 600분 동안 실시하는 것인 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  20. 제10항에서,
    상기 용탕을 주조하여 주조재를 준비하는 단계는,
    스트립 캐스팅법으로 주조하는 마그네슘 합금 판재의 제조방법.
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