(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 2013 년 08 월 14 일 (65) 공개번호 10-2013-0105576 (43) 공개일자 2013 년 09 월 25 일 (62) 원출원특허 10-2011-0062314 원출원일자 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 KR100716374 B1* KR1020090120996 A* KR1020100035983 A* 2011 년 06 월 27 일 2011 년 06 월 27 일 * 는심사관에의하여인용된문헌 (45) 공고일자 2014년08월07일 (11) 등록번호 10-1427293 (24) 등록일자 2014년07월31일 (73) 특허권자 한국기계연구원 대전광역시유성구가정북로 156 ( 장동 ) (72) 발명자 김수호 경남창원시성산구가음정동 13-3 한국기계연구원아파트 408 오창석 경남창원시성산구동산로 115, 123 동 706 호 ( 상남동, 대동아파트 ) ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 이원희 전체청구항수 : 총 8 항심사관 : 정승두 (54) 발명의명칭급속가열에의한국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여성형가공된고강도마그네슘판재성형부품 (57) 요약 본발명은급속가열에의한국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여성형가공된고강도마그네슘판재에관한것으로서, 상세하게는고강도마그네슘판재 (H-temper) 중성형가공이필요한부위만열처리하여국부적으로연신율을높이는국부연화단계 ( 단계 1); 및상기단계 1 에서국부연화된마그네슘판재를성형가공하는단계 ( 단계 2) 를포함하는국부연화공정을통한마그네슘판재의성형가공법및상기성형가공법에의해성형가공된마그네슘판재를제공한다. 본발명에따른국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여성형가공된고강도마그네슘판재는성형이필요한부위만을선택적으로국부가열하여연신율을높일수있으며, 이때가공이필요하지않아고강도를유지해야하는부위는무가열또는최소한의가열만이수행되어성형전초기기계적특성을유지시킬수있는효과가있다. 또한국부적인가열과동시에성형이이루어짐으로써열과변형의작용에의해고강도마그네슘판재미세조직내에서발생하는동적재결정현상을활용하여성형부위의기계적성질을향상시킬수있는부가적인효과를얻을수있다. 이에따라, 본발명에따른고강도마그네슘판재는우수한기계적특성을유지하며성형될수있다. 대표도 - 도 1-1 -
(72) 발명자 박찬희 경상남도창원시성산구가음정동 13-3 한국기계연구원아파트 108 이영선 경남창원시성산구원이대로 774, 301 동 1501 호 ( 상남동, 성원아파트 ) - 2 -
특허청구의범위청구항 1 소둔열처리가수행되지않은 H-temper 마그네슘판재중성형가공이필요한부위만을 150 내지 400 의온도로열처리하여국부적으로연신율을높이는국부연화단계 ( 단계 1); 및상기단계 1에서국부연화된마그네슘판재를성형가공하는단계 ( 단계 2) 를포함하되, 상기국부연화는 1 내지 120초간급속열처리로수행되고, 상기국부연화및성형가공은연속공정 (In-line) 으로수행되며, 열처리및성형가공된부위는동적재결정화에의해열처리전에비하여경도가향상되고, 성형가공된판재가 200 MPa 이상의항복강도를나타내는것을특징으로하는국부연화공정을통한마그네슘판재의성형가공법. 청구항 2 삭제청구항 3 삭제청구항 4 제1항에있어서, 상기단계 1의열처리는고주파, 레이저및할로겐램프로이루어진군으로부터선택되는어느하나의열원 (Heating element) 에의하여수행되는것을특징으로하는국부연화공정을통한마그네슘합금판재의성형가공법. 청구항 5 제 1 항에있어서, 상기단계 2 의성형가공은상온내지 400 의온도에서수행되는것을특징으로하는국부연 화공정을통한마그네슘합금판재의성형가공법. 청구항 6 제1항에있어서, 상기단계 2의성형가공은스탬핑 (Stamping), 프레스단조 (Press forging) 및굽힘 (Bending) 공정으로이루어진군으로부터선택되는어느하나의공정을통하여수행되는것을특징으로하는국부연화공정을통한마그네슘합금판재의성형가공법. 청구항 7 제 1 항에있어서, 상기단계 1 의국부연화및단계 2 의성형가공은열원 (Heating element) 을포함하는금형에의 해동시에수행되는것을특징으로하는국부연화공정을통한마그네슘합금판재의성형가공법. 청구항 8 제 1 항, 제 4 항, 제 5 항, 제 6 항및제 7 항중어느하나의성형가공법에의해성형가공된것으로써, 열처리및성형 가공된부위는동적재결정화에의해열처리전에비하여경도가향상되며, 200 MPa 이상의항복강도를갖는것 - 3 -
을특징으로하는마그네슘합금성형부품. 청구항 9 제 8 항에있어서, 상기성형가공된마그네슘성형부품은수송기기의부품으로적용되는것을특징으로하는마그 네슘성형부품. 청구항 10 제 8 항에있어서, 상기성형가공된마그네슘성형부품은전자제품및전자기기에적용되는것을특징으로하는 마그네슘성형부품. 명세서 [0001] 기술분야 본발명은국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여성형가공된고강도마그네 슘판재성형부품에관한것이다. [0002] 배경기술최근정부의정책및연구개발방향은고갈위기에처해가는에너지자원의효율적인이용과환경오염저감에대한사회적요구에부응하기위한방향으로추진되고있다. 특히지구온난화의주원인인이산화탄소및각종배기가스에의한환경오염을감소시키기위한규제가단계적으로제정되고있으며, 한정된에너지자원의효율적인이용을위한연구개발이활발하게진행되고있는상황이다. [0003] * 그중환경오염을감소시키고에너지자원이용의효율성을향상시키기위하여각종수송기기에경량소재를적용하여기존의철강소재를대체함으로써수송기기의경량화를이루고자하는기술이핵심적인기술로손꼽히고있으며, 이러한목적을달성하기위하여경량소재중에서비중이철의 1/4 이하이며비강도가높은마그네슘이가장유력한경량소재로주목받고있다. [0004] 한편기술적으로성숙단계에있는마그네슘주조재의생산공정에비하여, 소성가공공정을이용한마그네슘판재부품제조기술의경우, 기술적기반이매우취약하여최근에야전세계적으로연구개발이시작되고있으며, 국내의경우에도기술개발초기단계에있다. 따라서국내부품소재산업을활성화시키고고부가가치를창출할수있는마그네슘판재부품을자동차산업, 전자기기산업등에적용하기위해서는다양한마그네슘판재의성형공정및부품제조기술개발이절실하게요구되는실정이다. [0005] 조밀육방격자구조 (Hexagonal Close Packed: HCP) 를갖는마그네슘소재는상온에서의성형성이매우열악하여스탬핑 (Stamping), 프레스단조 (Press Forging), 디프드로잉 (Deep Drawing) 등통상의금속판재성형공정을통한판재성형품제조가불가능하여불가피하게열간성형공법을적용하여야한다. 그러나고온에서의성형은성형후에소재의강도저하를유발하므로, 원소재의강도유지를위한저온또는상온에서의성형공법개발이절실히요구되고있는실정이다. [0006] 이에본발명자들은마그네슘소재성형부품의전체적인강도를성형전의강도수준으로유지함과동시에성형성을향상시킬수있는방법을연구하던중, 마그네슘판재의제조시압연후에마지막소둔을수행하지않아높은강도를갖는마그네슘판재원소재 (H-temper) 에성형이필요한부분만을국부적으로급속가열하여연신율을향상시킴으로써성형이필요하지않거나적은양의성형이필요한부분의강도를원소재의강도로유지또는 - 4 -
저하시키지않으면서국부적인성형이가능한마그네슘판재성형가공법을개발하고, 본발명을완성하였다. 발명의내용 [0007] 해결하려는과제 본발명의목적은급속가열에의한국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여 성형가공된고강도마그네슘판재성형부품을제공하는데있다. [0008] [0009] 과제의해결수단상기목적을달성하기위하여, 본발명에서는소둔열처리가수행되지않은 H-temper 마그네슘판재중성형가공이필요한부위만열처리하여국부적으로연신율을높이는국부연화단계 ( 단계 1); 및상기단계 1에서국부연화된마그네슘판재를성형가공하는단계 ( 단계 2) 를포함하는국부연화공정을통한마그네슘판재의성형가공법을제공한다. [0010] 발명의효과본발명에따른급속가열에의한국부연화공정을통한고강도마그네슘판재의성형가공법및이에의하여성형된고강도마그네슘판재성형부품은성형이필요한부위만을선택적으로국부가열하여연신율을높이고이에따라성형성을향상시킬수있으며, 이때가공이불필요하거나가공량이적고고강도를유지해야하는부위는무가열또는최소한의가열만이수행되어성형전의마그네슘판재가갖는초기기계적특성을유지할수있는효과가있다. 또한국부적인가열과동시에성형이이루어짐으로써열과변형의작용에의해고강도마그네슘판재미세조직내에서발생하는동적재결정현상을활용하여성형부위의기계적성질을향상시킬수있는부가적인효과가있다. 이에따라, 본발명에따른고강도마그네슘판재는가열이이루어지지않는부위는원소재가갖는기계적특성을유지하고국부적으로가열이이루어지는부위는성형성이향상되어목적하는부품형상으로성형할수있어, 본발명에따른마그네슘판재성형부품은초기고강도마그네슘판재의우수한기계적특성을유지하게된다. 따라서본발명에따른마그네슘판재성형부품을수송기기에적용함으로써높은기계적강도를유지함과동시에최대한의무게감량효과를나타내어수송기기의연비향상을통한에너지절감이가능하다. [0011] 도면의간단한설명 도 1 은성형전후의시험편변형을나타낸사진이고 ; 도 2 는시험편이변형된후비커스경도값변화를측정한그래프이고 ; 도 3 은시험편이변형된후미세조직을관찰한사진이다. [0012] 발명을실시하기위한구체적인내용 이하, 본발명을상세하게설명한다. [0013] [0014] [0015] 본발명은소둔열처리가수행되지않은 H-temper 마그네슘판재중성형가공이필요한부위만열처리하여국부적으로연신율을높이는국부연화단계 ( 단계 1); 및상기단계 1에서국부연화된마그네슘판재를성형가공하는단계 ( 단계 2) 를포함하는국부연화공정을통한마그네슘판재의성형가공법을제공한다. - 5 -
[0016] 이하, 본발명을단계별로상세히설명한다. [0017] 본발명에따른마그네슘판재의성형가공법에있어서, 단계 1은소둔열처리가수행되지않은 H-temper 마그네슘판재중성형가공이필요한부위만열처리하여국부적으로연신율을높이는국부연화단계이다. 기존의마그네슘판재성형공정에서는판재전체를가열하여성형함으로써성형이필요하지않거나성형이적게필요한부분까지가열되었고, 이에따라판재전체가소둔되어연화되는효과에의해기계적특성이저하되는, 즉성형전원소재의고강도특성을잃어버리는문제가있었다. 하지만본발명에따른성형가공법에서는마그네슘판재원소재의성형가공이필요한부분만을가열함으로써, 성형이필요하지않은부분의기계적특성을유지하면서동시에판재의성형이필요한부분의연신율을높여성형성을향상시킬수있다. [0018] [0019] 상기단계 1의급속가열열처리는고주파, 레이저및할로겐램프등의열원을이용한가열을통하여수행될수있으며, 바람직하게는성형부위에만가열원 (Heating element) 를삽입한온간성형금형을통하여수행될수있다. 이때, 상기국부연화를위한급속열처리는 150 내지 400 의온도에서수행되는것이바람직하다. 상기급속열처리가 150 미만에서수행되는경우, 원하는수준의성형성을얻을수없는문제점이있으며, 400 를초과하는온도에서급속열처리가수행되는경우성형성은증가하지만기계적특성이과도하게떨어지는문제가있다. [0020] 상기급속열처리는 1 내지 120초이내에수행됨으로써연속공정 (In-line) 에서의판재성형공정에적합하다. 급속열처리가수행되는시간이길수록마그네슘판재의성형공정이연속적이지못하고지연되므로이에따라생산성이떨어진다. 하지만본발명에따른성형가공법에서는급속열처리를통해마그네슘판재를국부적으로연화시킴으로써연속공정을통한생산이가능하며, 생산성이향상될수있다. [0021] [0022] 본발명에따른마그네슘판재의성형가공법에있어서, 단계 2는상기단계 1에서국부연화된마그네슘판재를성형가공하는단계이다. 단계 2의성형가공은판재를적용할분야및가공정도에따라스탬핑, 프레스단조등과같은소성변형공정을통하여가공이수행되게되며, 이에특별한제한을두지않는다. 상기단계 2의성형은상온내지 400 이하의온도에서수행될수있으며, 가장바람직하게는상온에서수행된다. 상기범위의온도에서단계 2의성형이수행됨으로써마그네슘판재의성형을수행함과동시에기계적특성을유지할수있다. 또한상기한온도범위에서열과변형의복합적인영향에의해발생하는동적재결정현상을활용하여성형부위의기계적성질이향상되는부가적인효과를얻을수있다. 이에따라본발명에의해성형된마그네슘판재는강도가우수한특징이있다. [0023] 본발명에따른마그네슘판재의성형가공법은상기단계 1의급속열처리에의한국부연화와상기단계 2의성형가공이열원 (Heating element) 을포함하는금형에의해동시에수행될수있으며, 이에의한연속적인공정에의해생산성이향상된다. 이때, 상기금형의열원은고주파, 레이저, 할로겐램프등이이용될수있으며, 특별히이에제한되는것은아니다. [0024] 또한, 본발명은상기성형가공법을통해성형가공된마그네슘성형부품을제공한다. [0025] 조밀육방격자 (HCP) 결정구조를갖는마그네슘및마그네슘합금판재는체심입방정 (BCC) 결정구조를갖는탄소강및면심입방정 (FCC) 결정구조를갖는알루미늄합금등에적용되는통상의소성가공공정을이용한판재성형이어렵다. 이는조밀육방정결정구조의특징인낮은대칭성과압연공정시조밀면이압연방향에평행하게우선적으로배열됨으로써나타나는압연판재의큰이방성으로인해외부응력에대해작용하는슬립계가극히제한되기때문이다. 이러한마그네슘판재의난성형성을해결하기위해서는비조밀면슬립계가활성화되어성형성이 - 6 -
향상되는고온에서의성형또는가공이불가피하며, 이에따라고온에서의성형으로원소재의기계적강도가 떨어지게되는문제점이있었다. [0026] 하지만본발명에따른마그네슘판재성형부품은성형이필요한부분만을선택적으로가열하여성형성을향상시키고, 성형이필요하지않은부분은가열하지않아가열이되지않은부위는원래의마그네슘판재의기계적특성을유지하며성형가공이수행된다. 이를통하여마그네슘판재를가공하기위해고온의열을판재전체에가하여기계적특성이저하되었던종래의문제를해결하고, 마그네슘판재의성형성을향상시키고기계적특성을유지하거나향상시킬수있는효과가있다. [0027] < 조밀육방격자결정구조 > [0028] [0029] [0030] 한편, 본발명에따른마그네슘판재성형부품은수송기기의차체또는전자제품케이스로이용할수있다. 본발명에따른마그네슘판재성형부품을수송기기의대면적부품으로이용함으로써, 수송기기의경량화가가능하며이에따라연비가향상되어에너지절감효과가있다. 또한, 노트북등의전자제품에적용함으로써전자제품의경량화효과를얻을수있으며전자제품케이스의강도가향상되어외부충격으로부터보호할수있다. 예를들어, 자동차의천장 (Roof) 과같은대면적부품은도장후열처리공정에서열팽창계수의차이에의해발생하는비틀림 (Buckling) 등에의해치수및형상의변화가발생되며, 이를최소화하기위해 200 MPa 이상의항복강도가요구된다. 가공할판재전체를가열하는기존의방법으로는상기와같은높은항복강도값을유지하기어려웠지만, 차체에본발명에의해성형된마그네슘판재를적용하는경우바람직하게는판재의가장자리부위만연신율을높여주어가공함으로써차체에적용되기위한항복강도값이상을유지함과동시에원하는형태로의가공이가능하며, 마그네슘판재의적용으로인한경량화로인하여연비향상및에너지절감효과를얻을수있다. [0031] 이하, 실시예를통하여본발명을상세하게설명한다. 단, 하기실시예는본발명을예시하는것일뿐, 본발명 의내용이하기의실시예에의해한정되는것은아니다. [0032] [0033] < 실시예 1> 고강도마그네슘합금판재의국부성형 1 단계 1: 1mm 두께의 H-Temper 고강도마그네슘합금 (AZ31-H24) 판재를길이 150mm, 폭 15mm의시험편으로가공한후, 전기저항가열방법을이용하여시험편중심부를 40 / 초의가열속도로 150 까지가열하고 60초간온도를유지하는국부연화열처리를수행하였다. 이때가열이이루어지는중심부로부터좌우 40mm까지시험편에점용접된열전대를이용하여온도를측정하였다. [0034] 단계 2: 상기단계 1 에서국부연화된마그네슘판재시험편을 0.3mm/ 초의크로스헤드속도로파단이일어날때 까지일축인장하여고강도마그네슘합금판재를성형하였다. - 7 -
[0035] [0036] < 실시예 2> 고강도마그네슘합금판재의국부성형 2 상기실시예 1 의단계 1 에서시험편중심부를 200 까지가열하여국부연화열처리를수행한것을제외하고는 상기실시예 1 과동일하게수행하여고강도마그네슘합금판재를성형하였다. [0037] [0038] [0039] < 비교예 1> 상기실시예 1 의단계 1 을수행하지않고, 상온에서시험편의파단이일어날때까지일축인장하여고강도마그 네슘합금판재를성형하였다. [0040] [0041] < 실험예 1> 마그네슘판재의연신율측정 상기실시예 1 및 2 와비교예 1 에서성형된고강도마그네슘합금판재의연신율을분석하기위하여, 시험편에 표시한그리드의위치변화로부터국부연신율을측정하였고, 그결과를도 1 및표 1 에나타내었다. [0042] 가열온도 ( ) 연신율 (%) 국부가열부에서 5mm 10mm 15mm 20mm 실시예 1 150 66 25 14 7 실시예 2 200 87 31 13 6 비교예 1-17.8 3 0 0 표 1 연신율 (%) 국부가열부에서 연신율 (%) 국부가열부에서 연신율 (%) 국부가열부에서 [0043] 도 1 및표 1에나타낸바와같이, 본발명의실시예 1 및실시예 2에의해일축인장된마그네슘판재는국부가열후변형에의하여국부연신율즉, 성형성이크게향상되는것으로나타났으며, 미가열상태로일축인장된비교예 1의마그네슘판재는국부적인가열에의한성형성증가효과가나타나지않아 AZ31 H-temper 판재가통상적으로나타내는 15-20% 의연신율범위의값을나타내는것을확인하였다. 이를통하여본발명에따른성형가공법으로고강도마그네슘판재의성형성을향상시킬수있음을확인하였다. [0044] [0045] [0046] < 실험예 2> 비커스경도측정본발명의실시예 1 및 2에의해국부가열이이루어진고강도마그네슘판재 (H-temper) 의성형이수행된후, 국부가열열원으로부터 50mm 떨어진위치까지비커스경도값을측정하였고, 그결과를하기도 2에나타내었다도 2에나타낸바와같이, 실시예 1 및 2에의해성형된마그네슘판재는국부가열및성형의복합적인작용에의해성형부위의경도값이완전히소둔된마그네슘판재 (O-temper) 의경도값에비해매우높은것을알수있다. 이는고강도마그네슘판재 (H-temper) 의국부가열및성형의복합적인작용에의해미세조직내에서발생하는동적재결정에의한것으로, 본발명에따른성형가공법을이용하여성형부위의기계적성질이향상되는부가적인효과를얻을수있음을확인하였다. [0047] [0048] [0049] < 실험예 3> 주사전자현미경분석본발명에따른실시예 1에의해국부가열이수행된고강도마그네슘판재 (AZ31 H-temper) 의성형부위를주사전자현미경으로관찰화여미세구조를분석하였고, 그결과를도 3에나타내었다. 도 3에나타낸바와같이, 실시예 1에의해국부가열이수행된고강도마그네슘판재의성형부위에는가열및성형의복합적인작용에의해결정립계와쌍정계면에서광범위하게동적재결정이일어났고, 이에의해결정립크기가매우작아진것을알수있다. 즉, 본발명에따른국부가열에의한연화및성형에의해동적재결정현상에의한결정립미세화가나타나고, 이로인해가공이필요한부위의성형성이향상되며, 성형후성형부위의 - 8 -
기계적성질이향상됨을확인하였다. 도면 도면 1 도면 2-9 -
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