[논문]이속 압연된 마그네슘 합금의 미세조직 및 기계적 물성에 미치는 가공 변수의 영향

양해웅; 고영건

doi:10.5228/kstp.2018.27.1.12

이속 압연된 마그네슘 합금의 미세조직 및 기계적 물성에 미치는 가공 변수의 영향
Effects of Processing Conditions on Microstructure and Mechanical Properties of Mg Alloy Deformed by Differential Speed Rolling 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.27 no.1, 2018년, pp.12 - 17

양해웅 (영남대학교 신소재공학부) , 고영건

Abstract ▼ AI-Helper

This paper outlines the research findings on the microstructure and mechanical properties of AZ31 Mg alloy fabricated by differential speed rolling (DSR) with respect to processing variables such as temperature, roll speed ratio (RSR), and deformation route. The resultant microstructure of the sample, deformed by 2-pass DSRs at 473 K, comprised finer grains with more uniform distribution than those at 573 and 623 K. This was due to active recrystallization, which was expected to appear during DSR at temperatures higher than 573 K. When the sample was deformed via DSR with RSR of 1:4 for the upper and lower rolls at 453 K, the values of yield and ultimate tensile strength were observed to be higher than their counterpart with RSR of 1:1. The application of sample rotation around the longitudinal axis would give rise to an excellent combination of tension strength (~330 MPa) and ductility (~20 %) at ambient temperatures. This is discussed based on its uniform fine grained structure and the softening of basal texture.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 이속압연을 통해 제조된 마그네슘 판재의 품질은 가공변수에 따라 기계적 물성의 차이를 보이게 된다. 따라서 본 연구에서는 이속압연된 마그네슘 합금의 미세조직과 기계적물성에 미치는 가공변수의 영향과 상호관계를 연구하였다.

제안 방법

1%로 이속비 1:1에 비해 향상되었음을 알 수 있으며 이는 이속비 증가로 인해 결정립 미세화를 통해 강도로보여진다. 마지막으로 무회전 전단압연과 교차전단 압연의 비교를 통해 가공경로에 따른 미세조직의 변화와 기계적 물성을 평가하였다. 교차전단이 무회전 이속압연보다 더 많은 핵생성을 통해 변형 중 더 많은 동적재결정 결정립 분율을 보이며, 이를 통해 교차전단이 결정립 미세화에 더욱 유리함을 알 수 있었으며, 교차전단을 통해 마그네슘 합금의 강도와 연신율을 동시에 향상시킬 수 있었다.
하지만 강소성가공은 초미세 결정립을 얻기 위해 많은 가공 횟수가 필요로 하며, 소재 크기의 제한과 판재 가공 부적합하며, 불연속 공정으로 인한 산업적 적용에 어려움이 있다. 본 연구에서는 강소성 가공의 단점을 극복하기 위해 종래 소성가공의 연속성과 초미세 결정립으로부터 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 전단가공의 장점을 결합한 이속압연(differential speed rolling, DSR)을 도입하였다.
본 연구에서는 이속압연 된 마그네슘 합금 제조 시 가공조건이 미세조직 변화 및 다양한 기계적 물성에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 이를 위해 473, 523, 573, 그리고 623K의 다른 온도를 제어하였으며, 1:1, 1:3의 서로 다른 이속비를 제어하였고, 마지막으로 가공 시 무회전 이속압연과 각 패스마다 시편을 압연방향으로 180˚회전하여 가공경로를 제어하였다. 온도가 573에서 623K로 증가함에 따라 동적재결정을 통해 얻어진 완전 재결정미세조직을 얻을 수 있었으며, 온도가 증가함에 따라 연신율이 증가하게 되는데 이는 예열 시 발생한 열과 변형 시 발생한 열로 인해 슬립계가 쉽게 활성화 됨을 알 수 있었다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 소재는 중량비 기준 Mg-2.89Al-0.96Zn-0.31Mn-0.15Fe-0.12si의 화학조성을 갖는 AZ31 마그네슘 합금이다. AZ31 합금은 673K에서 24시간 동안 균질화처리 후 공냉 하였다.

데이터처리

이속압연 후 미세조직을 관찰하기 위해서 RD-ND 방향으로 시편을 절단하였으며, 절단한 시편에 대해 기계적연마 후 에칭용액(5g picric acid+ 10 ml acetic acid + 10ml H2O + 90 ml methanol)을 이용하여 에칭하였다. 이를 광학현미경을 통해 미세조직을 관찰하였으며, 집합조직 관찰을 위해 후방산란전자회절분석(electron backscatter diffraction, EBSD)은 기계적 연마 후 2% nitric acid를 이용하여 에칭 후 주사전자현미경(HITACHI S-4300 FESEM)을 통해 관찰하였으며, TSL OIM 6.1.3 소프트웨어를 통해 해석하였다. 이속압연 된 AZ31 판재 소재에 대해 인장시험기(BESTUTM-100MD)를 이용하여 인장실험을 수행하였으며, 인장시편은 표점길이 25mm,폭이 6mm인 ASTM E8 규격으로 가공하여 준비하였다.

성능/효과

마지막으로 무회전 전단압연과 교차전단 압연의 비교를 통해 가공경로에 따른 미세조직의 변화와 기계적 물성을 평가하였다. 교차전단이 무회전 이속압연보다 더 많은 핵생성을 통해 변형 중 더 많은 동적재결정 결정립 분율을 보이며, 이를 통해 교차전단이 결정립 미세화에 더욱 유리함을 알 수 있었으며, 교차전단을 통해 마그네슘 합금의 강도와 연신율을 동시에 향상시킬 수 있었다.

후속연구

알려진 바와 같이 대부분의 강소성 가공법은 불연속공정의 한계로 인해 산업적 적용이 실질적으로 제한되어 있어 가공의 연속성이 상대적으로 확보된 이속압연 가공법은 산업적 잠재력이 있어 이에 관한 공정-조직-물성에 관련된 심도 깊은 연구결과 도출이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이속압연이란?	본 연구에서 적용하고자 하는 이속압연은 상∙하부 롤 속도를 다르게 제어하여 소재의 전반에 전단변형을 유도함으로써 우수한 기계적 물성을 갖는다. 이속압연은 대칭압연(symmetrical rolling)에대해 상대적인 개념인 비대칭 압연(asymmetrical rolling) 기술 중 하나이다. 이러한 비대칭 압연을 통해 합금원소의 첨가 없이 단순한 조성에서도 넓은 범위의 기계적 성질을 갖는 소재를 제조할 수 있다.
	마그네슘이 조밀육방결정구조를 가지기 때문에 나타나는 단점은?	74g/cm3로 철의 약 1/4, 알루미늄의 약 2/3 정도로 구조용 소재 중 가장 낮은 밀도를 가지며, 또한 전자파 차폐성, 진동 감쇠능, 우수한 비강도 및 기계가공성 등 다양한 장점을 가지기 때문에 자동차, 우주항공 및 특수방산용 부품으로 각광받고 있다. 하지만 마그네슘은 조밀육방결정구조(hexagonal closed packed structure,HCP)로 슬립계가 기저면 슬립으로 한정되어 상온에서 소성변형이 어려운 단점[1] 때문에 용융가공인 다이캐스팅 공정을 통해 부품소재를 제조하고 있다. 다이캐스팅 공정은 복잡한 형상의 제품을 대량으로 제조할 수 있으나, 두께가 얇은 판재를 제조하기 어려운 단점이 있다.
	마그네슘이 다이캐스팅 공정을 통해 부품 제조시 발생하는 단점은?	하지만 마그네슘은 조밀육방결정구조(hexagonal closed packed structure,HCP)로 슬립계가 기저면 슬립으로 한정되어 상온에서 소성변형이 어려운 단점[1] 때문에 용융가공인 다이캐스팅 공정을 통해 부품소재를 제조하고 있다. 다이캐스팅 공정은 복잡한 형상의 제품을 대량으로 제조할 수 있으나, 두께가 얇은 판재를 제조하기 어려운 단점이 있다. 최근 기술 선진국에서는 판재 가공용 마그네슘 합금의 제조 기술에 대한 관심이 증대 되고 있으며, 새로운 소성가공의 도입을 통해 두께가 얇고, 우수한 기계적 특성을 갖는 마그네슘 합금 소재를 개발하는 움직임을 보이고 있다.

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