비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고(I)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고
-마그네슘 합금의 유용성-

정 홍 규(부산대학교 ERC/NSDM 전임연구원)/강 충 길(부산대학교 기계공학부 교수)

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (I)
-Versatilities of Magnesium Alloy-


Hong-Kyu Jung(Researcher of Engineering Research Center for Net Shape and Die Manufacturing (ERC/NSDM), School of Mechanical Engineering, Pusan National University)
Chung-Gil Kang(Faculty Member of School of Mechanical Engineering, Pusan National University)

ABSTRACT: Magnesium alloy is the lightest of all commercial structural materials. As such, it forms the basis for commercial materials that have found successful use in a wide variety of applications. Although magnesium (Mg) does not occur in nature in the metallic form, magnesium compounds occur worldwide, and commercial amounts of magnesium ores are found in most countries. So, in the present article, the versatilities of next-generation environment-friendly nonferrous Mg alloys are presented and discussed in terms of specific strength, dynamic damping capacity, dimensional stability, weldability, as well and EMI shielding.
Keywords: Dimensional stability, Dynamic damping capacity, EMI shielding, Magnesium alloy, Next-generation environment-friendly nonferrous materials, Specific strength.

1. 서 론

21세기 차세대 비철 소재 (알루미늄 합금, 마그네슘 합금)는 환경 친화적이어야 하며, 가볍고 얇지만 비강도 (Specific strength) 및 전자기파 차폐성 (EMI shielding)의 관점에서 우수한 성능을 가져야 한다.
마그네슘 합금은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3, 철계 합금의 1/5 수준으로 현재까지 상용화된 합금 중 가장 경량 소재이며, 엔진 효율을 향상시키고 자동차, 항공기 등 운송 수단의 경량화 및 연비 향상에 적합한 소재이다.
자동차의 경량화를 위한 노력에 따라 알루미늄, 마그네슘, 강화 플라스틱 등 많은 재료가 사용되고 있지만, 환경 친화 및 Recycling 지향의 관점에서 마그네슘 합금의 사용이 급증하고 있는 추세이다.
다른 경량 재료와 비교했을 때 마그네슘 합금은 우수한 비강도 및 비탄성 계수를 가지고 있다.
그 밖에 진동 및 충격에 대한 감쇠 능력 (Damping capacity), 전자기파에 대한 차폐성 (EMI shielding)이 탁월하고 전기, 열전도도, 열간 가공성 및 고온에서의 피로, 충격 특성이 우수하여 세계적으로 에너지 절약 및 환경 공해 규제가 대폭 강화됨에 따라 자동차, 항공기, 전자 부품 및 IT 부품 등에 경량화 소재로서 각광 받고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (I)에서는 알루미늄 합금 이외의 비강도, 동적 진동 감쇠능, 치수 안정성, 용접성, 전자기파 차폐성의 관점에서 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 유용성에 관하여 제시 하고자 한다.

2. ASTM 규격에 의한 마그네슘 합금의 분류 방법 및 열처리 조건

일반적으로 마그네슘 합금의 분류 방법은 화학 조성과 열처리 조건을 명시한 ASTM 규격에 의하여 표시되며, 보통 4부분으로 구성된다.
일반적인 마그네슘 다이 캐스팅용 합금 중의 하나인 AZ 91D-T6로 설명을 하면 첫 부분의 AZ라고 표기된 부분은 합금을 구성하는 주된 두 성분을 지칭하며 함량이 많이 첨가된 원소의 문자가 먼저 표기되고 나머지 한 원소의 문자가 다음에 표기된다.
만약 같은 양이 함유되었다면 알파벳 순으로 표기 되며, 여기서 A는 알루미늄을 뜻하고 Z는 아연을 나타낸다. 이렇게 표기되는 상용 마그네슘 합금의 화학 성분에 대한 기호는 Table 1에 나타내었다.


Table 1. Symbol for the chemical compositions of commercial magnesium alloys


Table 2. Symbol and definition for the heat treatment of commercial magnesium alloys

두 번째 부분의 91이라고 표기된 것은 앞서 언급한 첨가 원소의 함량을 Weight percent (wt %)로 나타낸 것이며 알루미늄이 9 wt %, 아연이 1 wt % 함유되었다는 것을 나타낸다.
다음의 D라는 문자가 뜻하는 것은 이 합금계에서 네 번째로 표준화된 합금임을 나타내며, 불순물의 함량을 더욱 최소화했다는 것을 의미한다. 만약 AZ 91C라고 하면 이 합금계에서 세 번째로 표준화된 합금임을 나타낸다.
마지막 부분은 이 합금의 열처리 규정을 뜻하는 것으로 ASTM 규격에 따라 기호로 구분하여 사용하고 있으며 T6는 용체화 처리를 한 후 인공 시효를 행하였다는 것을 의미한다. 마그네슘 합금의 모든 열처리 기호에 대한 정의는 Table 2에 나타내었다.

3. 마그네슘 합금의 유용성

(1) 밀도 (Density)
마그네슘은 밀도 (Density)가 1.74로 알루미늄 합금의 2/3, 티타늄 합금의 1/3, 철의 1/4에 해당하며 상용 금속 재료 중에서 가장 가벼운 재료이다. 따라서 마그네슘 합금을 이용하여 제품을 생산할 경우 제품 생산에 필요한 에너지를 획기적으로 절감할 수 있다.
Table 3은 알루미늄의 비중을 1로 하였을 때 마그네슘과 다른 금속들 간의 밀도를 비교한 것이다.


Table 3. Comparison of the density among magnesium and other metals

(2) 비강도 (Specific strength)
비강도 (Specific strength)는 강도/비중으로 나타내는데 우주 항공 재료로서의 척도가 되는 아주 중요한 성질이다. 마그네슘 합금은 비강도가 우수하므로 기존의 재료보다 적은 양으로도 요구되는 강도를 얻을 수 있다.

(3) 동적 진동 감쇠능 (Dynamic damping capacity)
마그네슘 합금은 재료가 내구 한도 이하의 응력 cycle을 받았을 때 그 에너지를 열로서 흡수 소산시키는 능력인 진동 감쇠능이 뛰어나기 때문에 지속적인 진동을 받는 곳에 사용하면 동적 진동 감쇠능 (Dynamic damping capacity)이 우수하여 승차감의 향상을 기대할 수 있고 다른 재료에 비해 수명이 연장된다.
Table 4에 마그네슘과 알루미늄의 진동 감쇠능을 비교하여 나타내었다.


Table 4. Comparison of the specific damping capacity between magnesium and aluminum

(4) 치수 안정성 (Dimensional stability)
다이 캐스팅 공정은 생산성이 우수하나 재료의 손실이 크고, 응고 수축 결함, 기공 등과 같은 주조 결함으로 인하여 강도 및 표면 정도가 양호하지 못하다.
마그네슘은 3개의 슬립계를 가지는 조밀 육방구조 (Hexagonal Closed-Packed)를 가짐으로서 12개의 슬립계를 가지는 Al, Cu, Fe의 면심 입방구조에 비해 상온에서 소성 가공이 용이하지 못하지만 200~300 이상의 고온에서는 부가적인 슬립면의 활성화로 인하여 성형성이 획기적으로 개선된다.
특히 마그네슘 판재 (AZ 31)를 이용한 고온 및 열간 Deep drawing, Stamping 등의 프레스 성형시 표면 상태가 우수하고 정밀한 치수를 얻을 수 있어 다이 캐스팅 공정에서 발생하는 Grinding을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 강도가 우수한 제품을 생산할 수 있다.
마그네슘 합금은 온도의 변화나 시간이 지나도 치수 변화가 적어 제품의 치수 안정성이 우수하다.

(5) 용접성 (Weldabilty)
Al의 함량이 높으면 융점은 낮아지고 고액 공존영역이 넓어지기 때문에 AZ 91, AM 50 및 AM 60 등 주조재의 경우 용접시 고열에 의한 균열로 인하여 용접 강도가 우수하지 못하다.
그러나 AZ 31 판재의 경우 TIG 아르곤 용접 후의 용접 부위의 강도가 모재의 강도의 90~95 %에 이를 정도로 용접성이 아주 우수하다.
용접성은 용접봉의 선정, 모재의 예열 상태에 종속적이며, 용접 이외의 다른 접합 방법으로는 마찰, 압접, 브레이징 등이 있으나 학문적으로 연구는 되고 있지만 실제 적용 사례는 보고 되지 않고 있다.

(6) 기계 가공성 (Machinability)
HCP 결정 구조를 가지는 마그네슘 합금은 FCC 결정 구조를 가지는 알루미늄 합금에 비해 일반적으로 연성이 떨어지기 때문에 기계 가공성 (Machinability)이 아주 우수하며, 절삭 저항이 작아서 기계 가공 시간을 단축하여 기계 가공시 에너지 효율적이다.
따라서 밀링, 선반 등 후가공시 습식, 건식 등 적절한 가공 조건 및 Chip의 발화 문제에 대한 세심한 주의를 기울인다면 공구의 수명이 획기적으로 개선될 수 있을 것으로 사료된다.

(7) 전자기파 차폐성 (EMI shielding)
전자기파 차폐성 (EMI shielding)은 최근에 플라스틱이 전자 부품의 하우징용으로 많이 사용되고, 전자기파에 의한 인체에의 부작용 및 기계 오작동이 사회 문제화 되면서부터 전자기파 차폐 특성을 가진 마그네슘 합금에 대한 인식이 고조되고 있다.
마그네슘 합금은 전자기파 차폐성 (EMI shielding)이 우수하기 때문에 휴대폰, 노트북, MD, DVD 플레이어, 디지털 비디오 카메라, 액정 프로젝터 및 그 이외 전자기기의 외장재로 각광 받고 있다. 하우징을 포함한 IT 제품의 경우 EMI shielding에 초점을 맞추어야 한다.
전자기파 차폐에 대한 규격은 VDE나 미연방 규격 등에서 상세히 기술하고 있으나, 여기서는 ASTM ES-7에 언급된 내용을 설명하고자 한다.
신호 발생기에서 일정 주파수의 전자파를 발생시키고 이 전자파를 3 mm 정도의 두께를 가진 시편을 장착한 Chamber 내를 통과시키면서 시편을 투과해 나오는 전자파의 강도를 측정하여 초기 입사 강도와 투과 강도의 비율로서 마그네슘의 전자기파 차폐성을 평가한다.
그리고 입사 강도에 대한 투과 강도의 비율에 로그를 취하고 10을 곱한 값으로 계산하고, 단위는 Db (Decibel)로 표현한다. 일본 IBM 자료에 의하면 플라스틱에 구리와 니켈을 도금한 노트북 케이스보다 마그네슘 합금 케이스가 전자기파 차폐성이 우수하다고 보고하고 있다.

(8) 방열성
마그네슘 합금은 높은 방열성을 가지고 있으므로 전자기기에 사용시 장시간 사용에 따른 시스템 내부의 열을 효과적으로 방출할 수 있다.

4. 결 론

본 저자는 비강도, 동적 진동 감쇠능, 치수 안정성, 용접성, 전자기파 차폐성의 관점에서 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 유용성에 관하여 제시하였다. 그러나 마그네슘 합금 분야의 경우 아직까지 세계적인 기술 수준이 타 분야에 비해 떨어지므로 마그네슘 합금의 내식성 향상, 제품의 표면 처리 기술 개발, Recycling 기술 개발, 우수한 기계적 특성을 가지는 성형 신기술 개발 등 선진 과학 한국 건설을 위해서는 산학연의 지속적인 연구 개발, 정부의 과감한 투자 및 활성화 방안이 필요할 것으로 사료된다.
또한, 마그네슘 맞춤 합금 (Tailored magnesium alloy)의 개발 및 다이 캐스팅 제품의 표면 처리 기술의 개발은 차세대 환경 친화형 비철 소재인 마그네슘 합금의 입지를 가장 효과적이고 확실하게 보장해 줄 것이라고 판단된다.

본 원고에 대한 문의는 저자: 정 홍 규/ E-mail: hongkyuj@hanmail.net

Acknowledgments

The helpful assistance of the ERC/NSDM, CANSMC (RRC), KITECH, KNCPC, KIMM, KOSEF, KISTI, KISTEP, ITEP, MOST (Ministry of Science and Technology), MOCIE (Ministry of Commerce, Industry and Energy) and OPM (Office of the Prime Minister) is gratefully acknowledged.

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