[논문]초기 등통로각압출 공정 횟수가 압출된 마그네슘 합금의 이방성에 미치는 영향

배성환; 민경호

초기 등통로각압출 공정 횟수가 압출된 마그네슘 합금의 이방성에 미치는 영향
Influence of initial ECAP passes on the anisotropic behavior of an extruded magnesium alloy 원문보기

한국금형공학회지 = Journal of the Korea Society of Die & Mold Engineering, v.10 no.2, 2016년, pp.34 - 38

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In this paper, a transversely isotropic behavior of AZ31 Mg alloy produced by equal-channel angular pressing (ECAP) process was investigated through tensile test and microstructure observation. The effects of initial ECAP pass number on the anisotropic behavior and mechanical properties of the Mg alloy are evaluated after conventional direct extrusion test, which are carried out at a temperature of $200^{\circ}C$. As a result of the tensile test in three directions ($0^{\circ}$, $45^{\circ}$, and $90^{\circ}$ to the extrusion direction of the sheet) at room temperature, elongation of as-extruded AZ31 alloy(ECAP for 0 pass) showed an unusual anisotropic behavior depending on the extrusion direction although the yield strength and tensile strength are similar to the ECAPed AZ31 alloy. After ECAP for 4 passes at $200^{\circ}C$, microstructural observations of ECAPed magnesium alloy showed a significant grain refinement, which is leading to an equiaxed grain structure with average size of $2.5{\mu}m$. The microstructures of the extruded billet are observed by the use of an electron back-scattering diffraction (EBSD) technique to evaluate of the influence on the grain refinement during extrusion process and re-crystallization mechanism of AZ31 Mg alloy.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

AZ31B 마그네슘 압출 판재의 기계적 물성치 및 이방성의 영향을 파악하기 위해 마이크로 인장시험을 수행하였고, 인장 실험은 상온에서 초기 변형률 속도 1 x 10-3 s-1 을 부과하였으며 시편은 ECAP 공정에 의한 이방성의 영향을 파악하기 위하여 압출 방향에 대하여 각각 0°, 45°, 90° 의 방향으로 채취하여 가공하였다.
ECAP 공정 이후 압출판재에 대한 기계적 물성 및 이방성의 영향를 분석하기 위해 판재의 3가지 방향에 대하여 일축 인장시험을 수행하였다. Fig.
ECAP 공정 후, 장선화 압출 판재를 얻기 위해 압출비 18.5:1, 0.5 mm s^-1의 속도로, 온도 473 K 에서 직접 압출하여 최종 폭 26 mm, 두께 2 mm를 갖는 압출판재를 가공하였다.
FE-SEM의 가속 전압은 15 keV, 작동 거리는 15 mm, 스테이지를 70° 회전시켜 EBSD 측정하였고 EBSD 패턴은 TSL OIM system을 이용하여, 측정 면적은 50 x 50 μm의 면적을 step size는 0.1 μm 로 관찰하였다.
관찰된 시편은 판재 압출전과 후로 나누어 압출방향의 수직 단면을 0°로 하여, 45°, 90°를 관찰하였다.
따라서 본 연구에서는 등통로각압출 공정을 통해 조직 제어된 시편을 장선화가 가능한 직접 압출공정에 적용하였다. 여기서 직접압출 공정 전의 초기 등통로각압출 공정횟수를 변수로 적용하여 마그네슘 합금 압출판재의 기초물성 평가와 미세조직 변화를 관찰하고 소성변형율비(R-value)를 통해 이방성에 미치는 영향에 대하여 조사 분석하였다.
따라서 추후 AZ31 합금의 소성이방성 이상거동에 대한 집합조직의 영향을 알아보기 위해, 초기 소재와 압출판재의 집합조직을 압출방향에 따라 0°, 90°방향의 단면을 EBSD 분석을 통해 관찰하였다.
또한 ECAP 공정을 거친 소재의 이방성 영향을 평가하기 위해 EBSD 분석을 수행하여 집합조직의 변화를 관찰하였다. 관찰된 시편은 판재 압출전과 후로 나누어 압출방향의 수직 단면을 0°로 하여, 45°, 90°를 관찰하였다.
을 부과하였으며 시편은 ECAP 공정에 의한 이방성의 영향을 파악하기 위하여 압출 방향에 대하여 각각 0°, 45°, 90° 의 방향으로 채취하여 가공하였다. 또한 인장시험은 상온에서수행하였으며, 압출판재의 소성이방성에 미치는 초기 ECAP 공정 횟수의 영향을 살펴보기 위해 각 조건에서 R-value를 구하였다.
여기서 직접압출 공정 전의 초기 등통로각압출 공정횟수를 변수로 적용하여 마그네슘 합금 압출판재의 기초물성 평가와 미세조직 변화를 관찰하고 소성변형율비(R-value)를 통해 이방성에 미치는 영향에 대하여 조사 분석하였다. 또한 조직 제어하지 않은 압출판재와 물성을 비교 평가에 하여 등통로각압출 공정의 영향도 고찰하였다.
본 연구에서는 AZ31 마그네슘합금을 이용하여 등통로각압출 공정에서 조직제어된 시편으로부터 직접 압출공정에 적용하여 판재제조하였으며 초기 ECAP 공정 횟수를 공정 변수로 적용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
관찰된 시편은 판재 압출전과 후로 나누어 압출방향의 수직 단면을 0°로 하여, 45°, 90°를 관찰하였다. 시편 준비는 위와 동일하게 기계적 연마를 수행한 후 이온 밀링 (Gatan PIPSⅡ^TM)을 이용하여 기계적 연마로 인해 변형된 표면과 산화층을 제거하였다. 연마 조건은 총 3단계로 이루어졌으며 첫번째 4 keV 의 이온빔을 좌, 우 각도 6°로 20분간 조사하고 두번째 3.
따라서 본 연구에서는 등통로각압출 공정을 통해 조직 제어된 시편을 장선화가 가능한 직접 압출공정에 적용하였다. 여기서 직접압출 공정 전의 초기 등통로각압출 공정횟수를 변수로 적용하여 마그네슘 합금 압출판재의 기초물성 평가와 미세조직 변화를 관찰하고 소성변형율비(R-value)를 통해 이방성에 미치는 영향에 대하여 조사 분석하였다. 또한 조직 제어하지 않은 압출판재와 물성을 비교 평가에 하여 등통로각압출 공정의 영향도 고찰하였다.
연마 조건은 총 3단계로 이루어졌으며 첫번째 4 keV 의 이온빔을 좌, 우 각도 6°로 20분간 조사하고 두번째 3.5 keV 의 이온빔을 각도 4°로 1hr간 수행하였고 마지막 단계에서 3 keV, 각도 2°로 10분간 수행하여 이온빔에 의한 표면 손상을 완화하였다.
인장 시험 후 기계적 물성치와 미세조직과의 상관관계를 분석하고자 ECAP 가공한 소재의 압출 방향에 수직 단면과 판재 압출한 소재의 압출방향에 수직단면과 표면에 대하여 미세조직을 관찰하였다.
15 Fe (wt%)로 구성되어 있다. 직경 100 mm의 주조재를 압출비 약 2.7:1 로 직접압출하여 직경 60 mm 의 압출재로 제조한 후 시편의 균일성을 위해 압출재의 중심부로부터 직경 35 mm, 높이 70 mm의 봉형 등통로각압출 시편을 제작하였다. ECAP 공정은 채널각 Φ=112.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시편은 상용 AZ31B 합금으로 Mg을 기본으로 2.89 Al, 0.96 Zn, 0.31 Mn 그리고 0.15 Fe (wt%)로 구성되어 있다. 직경 100 mm의 주조재를 압출비 약 2.

성능/효과

1) ECAP 공정 4회된 시편으로부터 직접 압출공정에 적용하여 평균 결정립의 크기가 1 μm이하인 압출판재를 제조할 수 있었다.
2) 초기 등통로각압출 공정을 4단계 적용하였을 때, 판재의 압출 방향별 연신률의 값이 일정한 압출판재를 제조할 수 있었다.
3) 또한 소성변형율비가 압출방향에 따라 일정한 값을 갖는 것을 확인 할 수 있었다.
AZ31 합금의 압출재와 4 passes 공정 후 판재의 미세조직을 비교해보면 평균 결정립 크기는 초기 압출재 23.7 μm, 4 passes 공정에서는2.5 μm로 미세해졌고, 또한 불균일한 결정립들이 4 passes 공정 후 사라지는 것으로 보아 ECAP 공정에 통해 결정립 미세화와 동시에 등축적한 결정립을 갖는 것을 관찰할 수 있었다
ECAP 공정 이후 압출 소재의 조직 사진은 수직단면보다 오히려 표면에서 더 균일한 미세조직을 갖는 것을 관찰할 수 있었다. OM 영역에서는 결정립 크기를 측정하기 어려울 정도로 미세한 결정립을 갖고 있었다.
ECAP 공정을 거친 압출판재의 경우 소성변형율비가 압출방향과 무관하게 일정한 수준을 유지하고 있다. R-value 값은 높을수록 시편의 두께 변화에 대한 저항성이 크다는 것을 의미하며, 비록 ECAP 공정 후의 R-value 값은 크지만 일정한 수준을 유지한 것으로 보아 ECAP 공정 이후 압출 판재의 균일 연신율의 결과와 일치한 것을 확인할 수 있다.
OM 영역에서는 결정립 크기를 측정하기 어려울 정도로 미세한 결정립을 갖고 있었다. 따라서 ECAP 공정여부가 2차 가공 후의 결정립의 크기와 형태에 따라 물성에 영향을 미치는 것으로 판단되며 나아가 소성이방성에도 영향을 주는 것을 알 수 있다.
먼저 ECAP 공정을 수행하지 않고 압출판재 시편에서는 미세조직이 20~30㎛의 크기를 갖는 길쭉한 결정립들이 압출 방향으로 늘어나 있는 것을 확인할 수 있었고, 압출 판재의 평균 결정립 크기가 1μm 내외 인 것을 감안하면 상당한 크기인 것으로 나타난다.
1) ECAP 공정 4회된 시편으로부터 직접 압출공정에 적용하여 평균 결정립의 크기가 1 μm이하인 압출판재를 제조할 수 있었다. 이는 이전 ECAP 공정의 한계였던 최종 제품 크기의 단점을 개선했을 뿐 아니라 기존 압출 판재의 기계적 강도를 향상시켰음을 확인하였다.
초기 ECAP 공정 횟수에 따른 연신율의 변화를 살펴보면, 공정 횟수가 증가할수록 각도별 연신율의 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 위에서 언급한대로 ECAP 공정에 따른 결정립 미세화가 발생하여 수십 마이크로미터 크기의 미세조직이 평균 1 마이크로미터 이하의 크기로 미세화되었기 때문이며, 또한 반복공정에서 시편을 90°씩 한 방향으로 돌려 삽입하는 B_C 경로를 통해 그 효과가 더욱 증가하였기 때문이다⁴⁾ .

후속연구

basal 면에 놓여 있는 <101¯0> 방향은 압출면에 수직하게 축대칭으로 분포하고 있으며 집합조직의 발달양상이 소성이방성에도 영향을 미치는 것으로 판단되지만 이를 위해선 초기 압출재와 인장시험 후 판단이 발생한 소재에 대한 추가적인 분석이 필요할 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘 합금의 단점은 무엇인가?	마그네슘 합금은 조밀육방(HCP) 구조로 상온에서 변형을 위한 슬립계가 부족하기 때문에 성형성이 취약하다는 단점을 갖고 있다. 따라서 마그네슘 합금의 산업적 적용분야를 확대하기 위하여 이를 개선하고자 합금 개발, 열처리 및 미세조직 제어를 통해서 성형성 향상을 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다1,2).
	마그네슘 합금은 어떤 구조인가?	마그네슘 합금은 조밀육방(HCP) 구조로 상온에서 변형을 위한 슬립계가 부족하기 때문에 성형성이 취약하다는 단점을 갖고 있다. 따라서 마그네슘 합금의 산업적 적용분야를 확대하기 위하여 이를 개선하고자 합금 개발, 열처리 및 미세조직 제어를 통해서 성형성 향상을 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다1,2).
	마그네슘 합금의 성형성이 취약하다는 단점을 개선하고자 진행하는 연구는 무엇인가?	마그네슘 합금은 조밀육방(HCP) 구조로 상온에서 변형을 위한 슬립계가 부족하기 때문에 성형성이 취약하다는 단점을 갖고 있다. 따라서 마그네슘 합금의 산업적 적용분야를 확대하기 위하여 이를 개선하고자 합금 개발, 열처리 및 미세조직 제어를 통해서 성형성 향상을 위한 연구가 진행되고 있는 실정이다1,2). 그 중 미세조직 제어 연구는 강소성 가공법(severe plastic defor- -mation)중의 하나인 등통로각압출 공정(equal channel angular pressing)을 적용하여 소재에 극심한 전단변형을 부과하여 초미세결정립을 갖는 소재를 제조함으로써 기계적 강도와 성형 특성 향상시키는 연구 사례가 발표되었다3) .

참고문헌 (4)

J. Bohelen, S.B. Yi, J. Swiostek, D. Letzig, H.G. Brokmeier, K.U. Kainer, "microstructure and texture development during hydrostatic extrusion of magnesium alloy AZ31", Scr. Mater. 53, pp. 259-264, 2005.

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J. Bohlen, S.B. Yi, J. Swiostek, D. Letzig, H.G. Brokmeier and K.U. Kainer, Scr. Mater. Vol. 53, pp. 259-264, 2005.

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R. Jahadi, M. Sedighi, H. Jahed, "ECAP effect on the micro-structure and mechanical properties of AM30 magnesium alloy", Mater. Sci. Eng. A 593, pp. 178-184, 2014.

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Y. Iwahashi, J. Wang, Z. Horita, M. Nemoto, T. G. Langdon, "Principle of equal-channel angular pressing for the processing of ultra-fine grained materials", Scr. Mater. 35, pp. 143-146, 1996.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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