마그네슘합금의 압연에 의한 조직제어

* 자료 : 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 심재동 (sjd174@reseat.re.kr)

* 출처 : 左海哲夫, “マグネシム合金板の壓延によゐ組織制御“, 「塑性と加工(日本)」, 50(578), 2009, pp.201~205

- 목 차 -

1. 머리말

2. Mg합금 압연의 문제점

3. Mg합금에서 조직제어의 목적

4. 열간압연에 의한 조직제어

5. 특수압연에 의한 조직제어

가. 이주속압연(Diffrent Speed Rolling, DSR)

나. 크로스압연 및 롤 크로스압연

다. 고속대압하압연

6. 맺는 말

7. 전문가 제언

1. 머리말

재료의 조직제어에 소성가공의 역할이 중요함은 말할 필요도 없다. 특히 판재의 제조에 불가결한 압연가공은 단순히 판재의 형상제어뿐만 아니라 조직제어의 유력한 수단이 되므로 철강 재료를 위시하여 Al합금, Cu합금 등의 고기능화에 활용되고 있다.

Mg합금은 경량성, 높은 비강도, 표면변형저항성, 전자파 차폐능 등에서 주목받고 있으나 소성변형능이 결여되어 있기 때문에 압연재나 압출재로는 사용이 제한되고 있다. 본 내용에서는 Mg합금의 압연과 조직제어에 관한 연구 성과를 소개한다.

2. Mg합금 압연의 문제점

Mg합금은 결정구조가 조밀6방정으로 슬립변형이 저면슬립에 한정되기 때문에 연성이 낮은 난가공성 재료의 범주에 속한다. 따라서 박육형상의 부품이라도 딕소몰딩(thixomolding)법, 다이캐스팅법 등으로 성형되는 경우가 많으며 압출재에 의한 것이 많고 압연재의 이용은 한정되고 있다.

Mg합금의 압연은 실온에서 1패스당 압하율이 최대 5% 정도에 불과하므로 열간압연이 일반적이다. 압연소재로는 주조슬래브, 쌍롤 주조판재, 압출재가 이용되며 이를 300℃ 이상에서 1패스당 30% 정도의 다단패스 압연으로 목적하는 두께를 얻는다.

이와 같은 다단계 압연에서는 패스마다 재가열이 필요하고, 특히 압연롤을 통한 전열손실과 이로 인한 재료온도의 저하를 방지하기 위하여 롤의 가열이 필요하다. 따라서 Mg합금의 압연은 지금 가격이 비싼데다가 공정 비용도 많이 소요된다.

Mg합금의 압연은 고온에서 낮은 변형률의 가공을 반복해야 하므로 변형에너지의 축적이 불충분하여 조직제어의 수단으로는 응용 가능한 범위가 제한되고 있다.

3. Mg합금에서 조직제어의 목적

Mg합금은 실온으로부터 200℃까지의 범위에서 연성이 낮다. 따라서 조직제어의 중요한 목적은 200℃까지의 온도역에서 가능한 한 연성을 향상시키는 것이며 이를 달성하는 수단은 다른 금속에서와 마찬가지로 결정립의 미세화와 집합조직의 최적화이다. Mg합금의 압연집합조직은 (0001)면이 판면에 평행하게 배열하는 저면집합조직을 주성분으로 하며, 어닐링 후에도 집적도는 저하하나 저면집합조직의 형태는 그대로 유지된다.

비교적 저온역에서 압하율을 높이면 (0001)극의 집적이 RD(압연방향) 축상에서 ND(압연방향에 수직방향) 위치를 중심으로 하여 2개로 분열하는 더블피크형 방위를 나타낸다. 또 압연 시에 압축변형과 동시에 전단변형이 생겨도 (0001)극의 집적형상이 약간 변화할 뿐 저면집합조직이 발달하는 것은 변함이 없다.

이와 같은 집합조직의 거동은 입방정 금속과는 현저하게 다르다. Al합금의 경우 재결정이나 전단변형의 유무에 따라 방위성분이 다른 집합조직이 형성되므로 공정제어에 의하여 집합조직을 어느 정도의 범위 내에서 제어할 수 있다.

Mg합금에서는 Al합금에서와 같은 집합조직의 제어가 불가능하기 때문에 우선방위의 배향을 약화시키는 집합조직의 무질서(random)화가 조직제어의 1차적 목표가 된다.

Mg합금은 실온 부근에서 단일 슬립계만이 활동하기 때문에 연성이 낮으므로 결정립의 미세화와 무질서 배향화에 의하여 연성의 향상이 가능하다. 또 입계근방에서는 다중슬립이 가능하므로 결정립미세화에 의한 입계면적의 증가는 실온 부근의 연성향상에 유효하다.

4. 열간압연에 의한 조직제어

열간압연에 의한 결정립미세화는 비교적 저온에서 큰 압하를 가하는 것이 기본적인 방법이다. AZ31의 경우 300℃에서는 10s-1 정도의 변형속도에서 동적재결정이 일어난다. 그러나 1패스로 60% 이상의 압하는 곤란하므로 다단패스 압연이 일반적이다.

결정립경은 압연온도가 낮을수록, 또 압하율이 높을수록 작아지며 도달 가능한 최소 입경은 6㎛ 정도이다. 열간압연 후에 5% 정도의 냉간압연으로 재결정의 구동력을 증가시키는 방법, 압연 전이나 후에 고온 어닐링으로 집합조직의 무질서화를 위한 가공열처리방법 등이 연구되고 있다.

현재 실용되고 있는 압연재는 AZ31이 유일하여 조직제어에 관한 연구도 AZ31에 집중되고 있으나 고강도 전신재의 잠재적 수요가 크기 때문에 AZ61, AM60, AZ91 등의 열간압연에 의한 조직미세화도 연구되고 있다.

판재의 결정립미세화법으로 반복겹치기 접합압연(ARB)이 Mg합금에도 적용되어 세립화에 성공하고 있다. 그러나 ARB법에서는 1패스당 50% 이상의 가공이 필요하나 Mg합금은 재결정이 용이하고 재결정역 이상의 온도가 아니면 50% 이상의 압연은 곤란하다.

또 열간압연 중에 산화피막의 생성이 불가피하여 완전한 접합을 달성하기 곤란한 점도 문제점이다.

5. 특수압연에 의한 조직제어

가. 이주속압연(Diffrent Speed Rolling, DSR)

이주속압연이란 판재압연에서 상부 롤과 하부 롤의 주 속도를 달리하는 압연법으로 판 두께 방향으로 도입되는 전단변형을 집합조직의 제어에 이용할 수 있고, 압축변형과 전단변형의 가산에 의한 상당 스트레인의 증가를 결정립미세화에 이용할 수 있다.

HCP 구조를 갖는 Mg합금은 FCC나 BCC 금속과는 달리 압연집합조직과 전단집합조직의 방위성분이 거의 유사하나 이주속압연(DSR)에서는 집합조직의 강도분포가 TD(Transversal Direction)축에 대하여 비대칭이다.

Mg합금의 경우 Al과 같은 FCC 금속에 비하여 이주속압연의 효과는 크지 않으나 Mg합금 판재의 성형성 개선이나 기계적 특성의 이방성 저하에 유효한 것으로 보고되고 있다.

나. 크로스압연 및 롤 크로스압연

크로스압연이란 압연재의 면 내 이방성을 경감시키는 수단으로 판재를 폭 방향으로 압연하는 방법을 말하며, 롤 크로스압연법이란 수직적인 작업 롤의 축선과 압연방향의 각도를 약간 기울여서 압연판의 ND-TD면 내에 전단변형을 도입하는 압연법이다.

양자 모두 판 두께 방향으로 전단변형을 도입하는 압연법으로 이를 AZ31에 적용하여 에릭슨(Erikson)값이 개선된 예가 보고되고 있다.

이 압연법은 통상의 압연과 집합조직의 큰 차이가 거의 없음에도 불구하고 기계적 성질에서 차이가 나는 점에 유의할 필요가 있다.

다. 고속대압하압연

결정립미세화에는 가공경화온도에서 변형에너지를 재료의 내부에 효율적으로 축적시키는 것이 필요하나 Mg의 경우에는 가공경화가 일어나는 온도역에서 소성변형이 곤란하다. 그러나 00m/min 이상의 고속압연에서는 가공성이 크게 개선되어 200℃ 이하에서도 1패스로 60% 이상의 압연이 가능하다.

고속압연에서는 롤과 재료와의 접촉시간이 짧아 거의 단열적으로 변형되기 때문에 가공 열에 의하여 재료의 온도가 효율적으로 상승한다.

따라서 압연온도가 낮아도 실질적으로는 열간압연과 같은 상태에서 가공이 이루어지므로 AZ31B합금의 경우 200℃에서 2000m/min의 압연 속도로 압연하면 압하율 50% 부근에서 결정립경 2.2㎛의 미세립을 얻을 수 있다.

1패스 대압하의 고속압연(200℃)에서는 고온에서 소압하를 반복하는 종래의 압연법과는 달리 RD축상에 2개의 피크를 갖는 더블피크형 집합조직을 형성하므로 성형성이 우수하다. 고속대압하압연법은 집합조직의 제어에 유효하며 강도와 연성도 종래의 압연재에 비하여 우수하다.

6. 맺는 말

Mg합금판재의 압연에 의한 조직제어의 현상을 소개하고, 연성이 낮은 각종의 Mg합금에 고속대압하압연을 적용하여 결정립미세화의 가능성을 검토하였다.

Mg합금은 난가공성이므로 가공수단에 관계없이 가공열처리가 곤란하다. 고속압연에 의한 조직제어는 이러한 난점을 극복하고 우수한 특성의 압연판재를 제조하는 수단이 될 수 있다.

앞으로 Mg합금이 갖는 우수한 특성을 살려 광범위한 용도로 이용하기 위해서는 압연재나 압출재, 특히 판재가 대량으로 값싸게 공급되어야 하며 여기에 본 내용이 일조하게 되기를 기대한다.

7. 전문가 제언

마그네슘합금은 경량성, 비강도, 진동 감쇄능, 전자파 차폐능 등 우수한 특성을 갖고 있다. 그러나 HCP 구조를 가지므로 슬립계가 저면슬립으로 한정되어 상온에서는 소성변형이 곤란하다. 또 압연이나 압출 시에는 강한 집합조직이 형성되어 기계적 성질에 이방성이 생긴다. 따라서 마그네슘의 이용은 지금까지 주로 주조나 다이캐스팅과 같은 용융가공에 의존하고 있다.

최근 마그네슘판재의 수요증가에 따라 열간압연 중에 동적재결정을 이용하는 결정립미세화기술, 열간압연과 온간압연의 결합에 의한 극박판재의 제조기술, 정수압을 이용한 딥드로잉 압출법 등이 출현하고 있다. 또 결정립미세화를 위한 강가공법으로 ECAP법, MDF법, ARB법 등이 마그네슘합금에 적용되어 기술적 가능성이 실증되고 있으나 아직은 실험실 단계에 머무르고 있다.

마그네슘판재의 대량생산을 위한 압연법으로는 비대칭압연법이 많이 연구되고 있다. 여기에는 한쪽의 압연롤만 구동시키고 다른 쪽은 재료와의 마찰력으로 회전시키는 SRDR법, 상하롤의 회전속도를 달리하는 이주속압연(DSR)법, 상하롤이 RD-TD면상에서 TD축에 약간 기울어진 롤을 사용하는 크로스압연(CRR)법이 있다. 이 중에서 DSR법은 연신율의 향상과 생산성 면에서도 가장 효과적인 것으로 평가되고 있다.

마그네슘합금은 전자제품, IT기기, 레저/스포츠용품을 중심으로 용도가 확대되고 있다. 특히 연비절감과 배출가스의 CO2 삭감을 위하여 향후 10년 후의 자동차에는 마그네슘부품의 적용이 대당 130Kg에 이를 것으로 전망되고 있다.

국내에서는 POSCO에서 쌍롤법에 의하여 두께 6㎜ 이하의 박판코일을 제조하는 연속주조법을 실용화하고 있으나 마그네슘분야에 관한 국내의 연구 활동은 저조한 실정이다. 향후의 수요증가에 대비하여 압연, 압출 등의 가공기술과 함께 강도, 성형성, 내열성 등이 우수한 신합금의 개발이 적극적으로 이루어져야 할 것이다.

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