DYETEC VISION 134 특집 : 자동차의차량 부품재경량화기술의최근동향 사례 6 : 마그네슘합금마그네슘합금판재의실온성형성개선목적의기술개발 ( 独 ) 産業技術総合研究所 1) 千野靖正 1. 서론 마그네슘은실용금속중에서가장저밀도이며, 우수한비강도를나타내고있다. 자원도

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준오 양
5 years ago
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특집 : 자동차의차량 부품재경량화기술의최근동향 사례 6 : 마그네슘합금마그네슘합금판재의실온성형성개선목적의기술개발 ( 独 ) 産業技術総合研究所 1) 千野靖正 1. 서론 마그네슘은실용금속중에서가장저밀도이며, 우수한비강도를나타내고있다. 자원도풍부하기도하거니와카본섬유강화복합재 (CFRP) 와같은차세대수송기를위한신소재로서도주목받고있다.

1 특집 : 자동차의차량 부품재경량화기술의최근동향 사례 6 : 마그네슘합금마그네슘합금판재의실온성형성개선목적의기술개발 ( 独 ) 産業技術総合研究所 1) 千野靖正 1. 서론 마그네슘은실용금속중에서가장저밀도이며, 우수한비강도를나타내고있다. 자원도풍부하기도하거니와카본섬유강화복합재 (CFRP) 와같은차세대수송기를위한신소재로서도주목받고있다. 특히, 마그네슘전신재 ( 展伸材 ) 는주조재 ( 鑄造材 ) 와의비교에도우수한비강도를가지고있어그실용화가기대되고있다. 그러나마그네슘합금의부품재료로서의적용사례는현재가전제품케이스등의소형주조부품재료로한정되어있다 년도의마그네슘합금의일본국내수요를살펴보면다이캐스트재의수요는 6,379 톤인대반해, 전신재 ( 展伸材 ) 의수요는그 9%(584 톤 ) 정도에그쳤다 1). 이러한상황과는다르게일본내의알루미늄합금산업에있어서전신재 ( 展伸材 ) 의점유율은 50% 이상을차지한다 2). 향후, 마그네슘의수용을비약적으로높이기위해서는마그네슘합금수요의수할을전신재 ( 압출재 압연재등 ) 로조달하는수용ㆍ공급의밸런스를구출할필요가있다. 마그네슘합금전신재의수요가적은이유중하나로서코스트를들수있다. 마그네슘합금전신재의코스트는다른금속과비교하면비교적고가이고, 알루미늄합금의 5~10 배의가격으로유통되고있다는보고가있다 3). 압연재를예를들면, 용탕에서박판을직접제작하는스트립캐스트법등의신기술이정격적으로개발되어근년에저비용화를위한기술기반이구축되고있다 4). 압연재의강도, 내식성, 제진성등을개선하기위한연구개발이나실온프레스성형성을위한연구개발등소재에새로운기능을부여하기위한노력도활발히이루어지고있다 4). 본고에서는그노력의하나인마그네슘합금압연재의상온성형성을개선하기위한연구개발에대해소개한다. 치노야스마사 : 서스테이너블메터리얼연구부문연구그룹장 나고야시모리야마구시모시다미아나가호라 테마기획

2 2. 마그네슘합금압연재의실온성형성 각종실용금속판재의 실온일축인장시험 에서얻을수있는비강도 ( 인장강도 / 비중 ) 와파단연신율의관계를그림 1 에나타내었다 5~7). 이그림에서나타나있듯이시판의 AZ31 (Mg-3Al-lZn: 질량 %) 마그네슘합금이나 AZ61 (Mg- 6Al-lZn) 마그네슘합금의비강도는 7000 계알루미늄합금이나마르텐사이트계슈퍼하이텐의수치와비슷하다. 또한 5000 계알루미늄합금이나 TRIP 강등의중연성을나타내는재료와거의같은파단연신율을나타낸다. 이처럼 일축인장시험 의결과를보면마그네슘합금판재는다른실용합금과비교해도뛰어난비강도와연성의밸런스를나타내는재료라할수있다. 다음은각종실용금속판재의실온에릭센값과비강도의관계를그림 2 에나타내었다 8~13). 에릭센시험의주변형모드는장출변형으로 이축인장응력하에서의재료의연성 을나타내는지표에해당된다. 그림 2 를살펴보면일축인장시험에있어적당한연성을나타내고있던마그네슘이에릭센시험으로는상대적으로현저하제낮은수치가나타나는것을알수있다. 그림 1. 각종실용금속판재의비강도 ( 인장강도 / 비중 ) 와일축인장신율의관계 5~7) 그림 2. 각종실용금속판재의실온에릭센값과비강도 ( 인장강도 / 비중 ) 의관계 8~13) 그림 3. 마그네슘의실온결정소성 ( 上 ) 과압연집합조직의형성메카니즘 ( 下 ) 14) 그결과마그네슘합금에있어서는일축인장시험으로얻을수있었던파단신율을프레스성형성의지표값으로이용하는것은어렵다는것을시사하고있다. 이와같이마그네슘합금판재의연성이일축인장시험과에릭센실험이다른이유는판재에내재하는변형이방성에기인된것이라할수있다. 여기에서마그네슘의주된변형기구와실온의임계분해전단응력 (CRSS) 을그림 3 의上에나타내었다. 사례 6 : 마그네슘합금마그네슘합금판재의실온성형성개선목적의기술개발 - 49

마그네슘합금판재가현저하게낮은에릭센값을나타내는것은위두가지이유로두께변형을수반하는변형이어려울것으로판단된다 ( 일축인장시험에서높은성장이얻을수있는것은, 슬림화를수반하지않는변형모드로재료가변형하기때문이다 ). 현재마그네슘합금의프레스성형으로는판재와금형을 250 이상으로가열하고추면 <c+a> 의활동이촉진되는조건으로가공을실시하고있다 15).

3 실온에있어서의마그네슘의주된변령기구는저면 <a> 면이며, 저면 <a> 면은 a 축방향의변형을담당한다. 한편 c 축방향의변형을담당하는추면 <c+a 면 > 은실온에있어서저면 a 보다극단적으로높은 CRSS 를나타내기때문에실온에서는거의작용하지않는다 14). 이것이마그네슘이큰변형이방성을가지는직접적인원인이라고할수있으며, 마그네슘은압연을실시하게되면저면이압연면에대해평행으로배열하는결정배향 ( 저면집합조직 ) 이형성되는경향이있다 ( 그림 3 下 ). 이러한집합조직이형성되면저면 <a> 는판두께방향으로작용하기어렵게된다. 마그네슘합금판재가현저하게낮은에릭센값을나타내는것은위두가지이유로두께변형을수반하는변형이어려울것으로판단된다 ( 일축인장시험에서높은성장이얻을수있는것은, 슬림화를수반하지않는변형모드로재료가변형하기때문이다 ). 현재마그네슘합금의프레스성형으로는판재와금형을 250 이상으로가열하고추면 <c+a> 의활동이촉진되는조건으로가공을실시하고있다 15). 이방법 ( 온간프레스성형법 ) 은판재와금형을가열하기위한부대설비가필요하다는등의문제를안고있어, 가공비의인상요인이되고있다. 만일가열장치가장착되지않은범용프레스를이용하여마그네슘합금판재를실온에서가공할수있다면저렴한비용으로생산성이높은마그네슘합금가공이가능하게된다. 결과적으로마그네슘합금판재의수용증가ㆍ비용절감을기대할수있다. 앞서언급했듯이마그네슘합금판재의온도프레스성형을실현하기위해서는두께방향으로변형하기쉬운판을제조하는것이효과적이며, 압연중에형성되는저면집합조직의발달을제어하는기술을개발하는것이효과적이다. 아래에는저면집합조직을발달시키지않고마그네슘합금판재를제작하기위한기술에대해소개한다. 3. 마그네슘합금압연재의실온성형성을개선한기술 3.1 범용마그네슘합금 (Mg-Al 계합금 ) 의실온성형성개선 압출성형분야에서는범용마그네슘합금의집합조직의발달을통제하는수단으로 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 법이알려져있다. 이방법은 L 형다이스를이용하여시료에순수전단변형을추가것이다 16). 압연중전단변형을판재에부여하는방법도검토되고있으며, 이주속압연법 ( 異周速壓延法 ) 을이용하면판재의저면집합조직형성이약해지는것으로보고되고있다 17). 또한압연후의시료에연속곡면가공을실시하여굽힘변형중에형성되는쌍정 ( 双晶, Twin) 을이용하여집합조직을제어하는방법도제안되고있다 18). 최근에는압연전후의열이력을제어하고집합조직을제어하는기술이주목받고있다. 모리 ( 森 ) 교수연구진 19) 들은프레스가공전의블랭크를고온처리 ( 시료온도 : 500 ) 하는방법을제안하였으며, 高律등 20) 은고온처리한시료에온간압연 ( 시료온도 : 200 ) 을실시하는방법을제안하고있다. 黃등 21) 은고온 ( 시료온도 : 450 이상 ) 에서압연한시료를단련하면저면집합조직의발달이현저하게약해져우수한상온성형성이발현된다고밝히고있다. 여기에서는고상선직하에서압연을하는방법 ( 고온압연법 ) 에의해제작된 AZ31 합금판재의특성에대해자세히소개한다. 그림 4 는다른시료온도 ( 최종압연온도 ) 에서압연을한 AZ31 합금판재의저면집합조직의강도와실온에릭센값을정리한것이다 21). 저면집합조직의강도가강한압연온도의존성을나타내며, 압연온도를 480 이상으로설정하면그강도는현저하게저하한다. AZ31 합금판재의온도에릭센값은저면집합조직의강도와밀접한관계를가지고있기때문에압연온도의증가와함께높은수치를보인다. 이와같이, 압연온도를상선직하 (525 ) 근방에설정하면알루미늄합금수준의실온성형성 ( 에릭센값 8.0 이상 ) 이발현한다. 고온압연법으로제작한 AZ31 합금압연재는뛰어난장출성형성뿐만아니라, 그림 5 에예시한대로뛰어난실온딥드로잉 (LDR : 1.8) 도나타난다 22). 그림 4. 압연온도상승에대한저면집합조직강도와실온에릭센값의변화 21) 50 - 테마기획

4 앞서언급했듯이, 고온압연법은고상선직하에서압연을수행한다음에단련을실시하고재결정을촉진하는과정이다. 지금까지의연구를통해압연온도의차이에따라재결정거동이크게변화하는것으로밝혀지고있다 23). 비교적저온 (450 이하 ) 에서압연을실시한시료에관해서는모상과같은방향을갖는재결정입자가생성한다. 한편, 고온 (525 ) 에서압연을실시한시료에관해서는, 모상과는전혀다른방향을갖는재결정입자가생성한다. 이와같이단련시임의의방향을나타내는재결정입자가생성하는것이저면집합조직의발달을억제하는데큰역할을하고있다. 3.2 제진마그네슘합금의실온성형성개선 그림 5. 고온압연법에의해제작된 AZ31 합금판재의실온딥드로잉시험결과 ( 압연온도 :525 ) 22) 마그네슘은실용금속중가장뛰어난고유감쇠기능을가지고있기때문에스피커진동판등의제진부재로서의용도도확대되고있다. 현재시장에유통되고있는마그네슘합금의대부분은알루미늄과아연을용해하여기계적특성과내식성을개선한합금이다. 한편, 마그네슘의고유감쇠기능은다른원소를용해하게되면열화하는경향이있고, 범용마그네슘합금의제진성능은순수마그네슘의 30% 미만에불과하다 24). 순마그네슘에육박하는제진성능과범용마그네슘합금에육박하는기계적특성을나타내는합금 ( 제진마그네슘합금 ) 으로서망간을질량 1~2% 첨가한합금 (M1 합금 ) 등이있지만뛰어난장점이적기때문에그다지유통되지않는것이현실이다. 최근위에서밝힌합금을대상으로집합조직을통제하는시도를실시하여고온 (500 부근 ) 의열처리및온간 (150 부근 ) 의열처리를반복실시하고마지막으로비교적저온 ( 200 ) 으로단련하면저면집합조직의발달이억제되어우수한상온성형성이발현하는것으로밝혀지고있다 25). 그림 6 은위에기재한새로운압연법과기존의압연법 ( 고온압연법 : 압연온도 500 에서압연 ) 에의해제작한 M1 합금의저면집합조직과에릭센시험의결과이다. 새로운압연법에의해제작한압연재료의집합조직은기존의압연법에의해제작한압연소재에비해 c 축이압연방향으로약 15 기울어진결정의비율이많아더욱현저하게저면집합조직의강도가나타난다. 그결과, 알루미늄합금에근접하는상온성형성 ( 에릭센값 7.9) 이나타난다. 그림 6. 신압연법 ( 좌 ) 및기존압연법 ( 우 ) 에서제작된 M1 합금판재의저면집합조직 ( 상 ), 판재결정배향의모식도 ( 중앙 ), 실온에릭센시험결과 ( 하 ) 26) 여기서순수마그네슘, M1 합금, AZ31 합금판재의감쇠특성 ( 내부마찰 ) 을그림 7 에정리하여나타내었다. AZ31 합금의감쇠특성은순수마그네슘의약 30% 이지만, M1 합금의감쇠특성은 AZ31 합금의두배이상이며, 순수마그네슘의약 70% 의특성을나타난다. 또한새로운압연법에의해제작한 M1 합금의내부마찰은기존의압연방법에의해제작한 M1 합금과같다. 이처럼새로운압연법은 M1 합금의감쇠특성을저하시키지않고상온성형성을비약적으로향상시킬수있다. 마그네슘의제진부품재는박판을이용한용도가많아박판의제조과정이나프레스성형과정에서높은치수정밀도가요구되기때문에우수한상온성형성이부여되어야하는것이바람직하다. 이러한방법은제진부품재를저비용ㆍ대량생산하기위한요소기술로써기술의새로운심화가기대되고있다. 그림 7. 순수마그네슘및마그네슘합금의내부마찰특성 25) 사례 6 : 마그네슘합금마그네슘합금판재의실온성형성개선목적의기술개발 - 51

5 4. 맺은말 최근마그네슘합금의실온성형성을개선하는또하나의수단으로써마그네슘에리튬을첨가하여, 결정구조를리튬과같은구조 (BCC 구조 ) 로하는방법이주목받고있다. 원래이방법은실온프레스성형성을개선하기위해 NASA 에서개발한 ASTM 규격합금 (LA141A) 등의시즈를확장한것이다 26). 이합금은일반마그네슘합금과비교하면내식성이나강도에문제가있지만뛰어난실온성형성과경량성을가짐으로이방법으로의해제작된판재가일부노트북컴퓨터의케이스에채용되고있다 4) ( 리튬첨가마그네슘합금판재의특징에대해서는다른문헌을참고하기바람 26) ). 이와같이, 실온프레스성형가능한마그네슘합금판재의수요시장은크고강하여, 일반마그네슘합금에필적되는강도ㆍ내식성, 알루미늄합금같은수준의실온성형성을겸비한마그네슘합금판재가개발되면, 가전제품케이스로서의용도뿐만이아니라, 수송기의부재로서의용도도확대될것이라기대된다. 본과제를해결하기위해서는조성제어, 프로세스제어의양면에서새로운기술적돌파구를모색할필요가있다.(LDR : 1.8) 도나타난다 22). 참고문헌 1) 日本マグネシウム協会統計資料 (2013) 2) 日本アルミニウム協会統計資料 (2013) 3) 経済産業省非鉄金属課非鉄金属産業戦略資料 (2006) 4) 日経ものづくり 2013 年 12 月号日経 BP 社 pp ) 占部俊明細谷佳弘 : 塑性と加工 46(2005) pp ) アルミニウムハンドブック ( 第 4 版 ) 軽金属協会 ( 軽金属協会編 1990) 7) マグネシウム加工技術コロナ社 ( 日本塑性加工学会編 2004) 8) Y. Chinoetal.:Mater.Sci.Eng.,A466(2007) pp ) 菅又信ほか : 塑性と加工 41(2000) pp ) X.Huangetal.:Scr.Mater.,63(2010) pp ) 工藤健ほか : 神戸製鋼技報 60-2(2010) pp ) 中島浩衛ほか : 製鉄研究 264(1968) pp ) 石丸詠一朗ほか : 新日鉄技報 389(2009) pp ) A.Chapuisetal.:ActaMater.,59(2011) pp ) 岩崎源ほか : 塑性と加工 48(2007) pp ) 向井敏司 : まてりあ 43(2004) pp ) Y.Chinoetal. Mater.Trans.,43(2002) pp ) 加藤正仁ほか : 平 21 塑加春講論 (2009) pp ) 森謙一郎ほか : 塑性と加工 48(2007) pp ) 高津正秀 : 塑性と加工 50(2009) pp ) X.Huangetal.:J.Alloy.Compd.,509(2011) pp ) X.Huangetal.:Mater.Sci.Eng.,A565(2013) pp ) X.Huangetal.:J.Mater.Sci.,47(2012) pp ) 杉山孝一 : 日本金属学会報 14(1975) pp ) K.Suzukietal.:Mater.Trans 54(2013) pp ) 二宮隆ニほか : 軽金属 51(2001) pp 출처 : 공업재료 / 2014 년 9 월 Vol.62, no.09 제공 : 김태규 52 - 테마기획

등록특허 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C22F 1/06 ( ) B21D 22/02 ( ) B21D 37/16 ( ) C21D 1/34 (200

등록특허 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C22F 1/06 ( ) B21D 22/02 ( ) B21D 37/16 ( ) C21D 1/34 (200 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C22F 1/06 (2006.01) B21D 22/02 (2006.01) B21D 37/16 (2006.01) C21D 1/34 (2006.01) (21) 출원번호 10-2013-0096920( 분할 ) (22) 출원일자 2013 년 08 월 14 일 심사청구일자