비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고(X)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (X)
-마그네슘 합금 판재 제조를 위한 결정립 미세화 및 Melt Drag 공정-

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

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials
-Grain Refinement and Melt Drag Process for Manufacturing Magnesium Alloy Sheets-


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: Although the twin roll casting of magnesium alloy provides many advantages, this method has several disadvantages. For example, the casting speed is slow and the semi-solid solidification type of the alloy is difficult to cast. From the preceding results, the melt drag twin roll caster (MDTRC) must be designed to supply the high speed roll casting of the magnesium alloy with a mushy solidification type. The MDTRC is a recommended type of mushy twin roll caster that ensures the reduced separating force. Therefore, the present article presents the melt drag twin roll caster which requires no lubricant to avoid the strip sticking to the rolls as well and grain refinement of the magnesium alloy sheet.
Keywords: Grain refinement, High speed roll casting, Magnesium alloy sheets, Melt drag twin roll caster (MDTRC), Semi-solid solidification type, Strip sticking.

1. 서 론

현재 소성 가공 분야에서는 가공 공정의 생략으로 인한 에너지 사용량의 최소화 및 원가 절감을 위하여 원소재로부터 최종 제품의 형상을 가진 부품을 직접 제조하는 정밀 정형 가공법 (Net-Shape manufacturing)에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히 차세대 대표적인 경량화 소재인 마그네슘 합금의 경우 직접 얇은 마그네슘 박판 (AZ 31)을 생산함으로써 재료 원가 및 에너지의 절감, Recycling, 설비의 간소화 등 환경 친화적인 측면에서 뿐만 아니라 에너지 효율적인 측면에서 차세대 유망 산업으로 미국, 일본, 호주 등에서 각광을 받고 있다.
현재 마그네슘 판재의 경우 일본 Sankyo Aluminum에서 압출 및 압연 공정을 이용하여 AZ 31을 생산하는 것이 유일하다. 그러나 Strip casting법에서는 초기에 용탕으로 부터 1∼10 mm의 판재를 성형할 수 있기 때문에 2차 가공의 공정 변수를 크게 감소시킬 수 있다. Strip casting법에는 Belt casting법, Single-roll continuous casting법 및 Direct rolling or Twin-roll continuous casting 법 등이 있으며, 이 중에서 용탕 직접 압연법에서는 초기 1차 성형에서 용탕으로 부터 1∼5 mm의 판재가 직접 제조되기 때문에 열간 압연 공정을 완전히 생략할 수 있는 차세대 신가공법이라 할 수 있다.
이상과 같은 이점에도 불구하고 현재 국내외적으로 실용화가 되지 않고 있는 이유는 전 공정에서 공정 변수를 제어하기 위한 기초 데이터가 부족한 실정이며, Mg 박판을 제조하는데 필요한 장비의 설계 및 제작에 필요한 원천 기술에 관한 데이터가 전무한 실정이다. 따라서 Twin roll type을 이용한 마그네슘 박판 제조용 장비의 설계 및 제작에 필요한 기초적 데이터의 확립이 극히 필요하다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (X)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금 판재 제조를 위한 결정립 미세화 방안 및 Melt drag 공정에 관하여 제시 하고자 한다.

2. 마그네슘 합금 판재 제조를 위한 결정립 미세화 방안

일반적으로 순수 마그네슘은 강도 및 부식성 등의 일반적인 특성이 구조재로 사용되기에 적합하지 못하므로 여러 가지 원소를 첨가한 합금 형태로 사용하고 있다. 일반적으로 마그네슘에 많이 첨가되는 원소로는 희토류 금속 (Rare metal)과 Zr을 들 수 있다. 일반적으로 마그네슘에 많이 첨가되는 원소와 기계적 성질과의 상관 관계를 Table 1에 나타내었다. 마그네슘 합금에 희토류 원소가 첨가되면 주조 특성을 향상시키고 용해와 주조시 산화를 방지할 수 있다.


Table 1. Influence of addition of the alloying elements on the mechanical properties of commercial magnesium alloys


Table 2. Principal precipitation phases of the magnesium alloys added rare earth elements

희토류 원소들은 강도를 향상시키고 희토류 원소 첨가에 의한 강도 향상은 La, Ce, Pr, Nd 순으로 각각의 원소의 고용도와 연관이 있다.
희토류 원소들은 고상 마그네슘에서 현저한 고용도를 보이며 온도가 감소함에 따라 감소하여 석출물을 형성한다. 희토류 금속의 용융점은 상대적으로 높아서 확산 속도가 느리므로 희토류 금속을 함유한 마그네슘 합금에서 형성되는 상의 안정도는 높다.
각기 다른 희토류 원소에 대한 석출물의 고용 한도, 종류, 분해되는 온도에 대해 Table 2에 나타내었다.
단순히 희토류 원소만을 첨가할 경우 상온에서 인장 특성에는 거의 영향을 미치지 않는데 그 이유는 2원계 합금에서 결정립의 크기가 크기 때문이다.
희토류 금속과 함께 Zr을 첨가할 경우 조대한 결정립은 미세화되며 이러한 결정립의 미세화로 인하여 강도의 향상을 가져올 수 있다.
Mg-Re 합금에 약간의 Zr만 첨가하여도 결정립의 미세화 및 최종 열처리된 합금의 상온 강도 증가에도 효과적임이 입증되었다.

3. 마그네슘 합금 판재 제조를 위한 Melt Drag 공정

고온의 용탕으로 부터 판재를 성형하는 용탕 직접 압연 공정에서 로울 설계의 오류나 공정변수를 잘못 설정하게 되면 용탕으로 부터 연속적인 판재의 성형이 불가능할 뿐만 아니라 작업에 있어서 큰 위험을 초래하게 된다.


Fig. 1 (a) Semisolid region and twin roll casting process (b) Melt drag twin roll caster
따라서 많은 실험적 및 이론적 연구를 통하여 기초 데이터가 확립되어야만 실용화가 가능한 로울을 설계 제작할 수 있으며, 또한 제조하고자 하는 판재 두께의 변화에 따른 적절한 초기 제조 조건을 결정할 수 있다.
특히 용탕 직접 압연 공정에서 두 개의 회전하는 로울 사이에 주입되는 고온의 용탕과 압하력의 작용으로 인하여 냉각 로울은 주기적으로 반복되는 응력을 받기 때문에 용탕으로 부터 유입되어 지는 고온의 열로부터 로울의 온도 상승을 감소시킬 수 있는 Roll 내부의 냉각 시스템이 요구되며, 또한 압하력에 의한 굽힘을 견딜 수 있는 로울 설계가 필요하다.


Fig. 2 Melt drag twin roll caster (MDTRC) and roll bite area

따라서 마그네슘 박판 제조에 필요한 열 유동 해석 및 응고 해석을 고려한 성형 공정 해석, 폭 방향의 균일한 냉각 속도를 위한 Roll 내부의 냉각 Pattern 및 Roll shape 설계, 폭 방향으로 균일한 양의 Mg을 회전하는 Roll 사이에 주입하기 위한 특수 Nozzle 설계 등 Twin roll type을 이용한 마그네슘 박판 제조용 장비 개발이 필수 불가결한 실정이다.
마그네슘 박판 제조용 Twin roll casting의 경우 많은 장점을 가지고 있지만, 주조 속도가 저속이고 마그네슘의 반용융 응고 타입 (Mushy solidification type)으로 인하여 주조하기가 어렵다는 단점이 있다.
Fig.1은 Melt drag twin roll caster (MDTRC)를 이용한 Strip casting에 있어서 자유 응고 표면 (Free solidified surface)에서 Meniscus와 반용융 영역 사이의 관계를 도식적으로 나타낸 것이다.
Fig. 1에서 알 수 있듯이, Strip의 응고는 주로 하부 로울 (Lower roll)에 의해 일어나기 때문에 하부 로울을 응고 로울 (Solidification roll)이라 하고, 상부 로울 (Upper roll)은 Strip의 위 쪽 (Upper side)에서 주로 성형에 이용되므로 상부 로울을 성형 로울이라 한다.
Fig. 2는 MDTRC를 도식적으로 나타낸 것이다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 두 개의 응고층 (Solidification layers)이 연결될 필요가 없기 때문에 압하력을 줄일 수 있다.
MDTRC에서 반용융 영역은 성형 로울에 의해 성형되고 반용융 영역을 성형하기 위해서 필요한 압하력은 작다는 사실을 알 수 있다.
Fig. 3은 Roll speed와 Strip의 F-표면 사이의 관계를 나타내고 있다. F-표면은 20~70 m/min의 주조 속도에 대해서 정상적이었다.
주조 속도가 너무 저속일 때, F-표면에서 재융해 (Remelting)로 인하여 반용융 층 (Semisolid layer)은 너무 두껍고 Strip의 안 쪽은 완전히 응고되지 않았다.
Roll speed가 70 m/min보다 고속일 때, F-표면은 완전히 응고되지 않고 Strip은 충분히 냉각되지 않으며 결과적으로 깨어졌다.


Fig. 3 Relationship between the roll speed and the forming roll side surface



(A) Steel roll coated with lubricant (B) Steel roll (C) Copper roll
Fig. 4 Relationship among the roll material, lubricant and maximum roll speed

Fig. 4는 Strip이 연속적으로 주조될 수 있는 최대 속도를 나타낸 것이다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이, Copper roll이 Steel roll보다 고속 Roll casting에 더 적합하였다.
따라서 높은 열 전도도를 가지는 소재가 고속 Roll casting에 있어서 로울 소재로 더 적합하다는 사실을 알 수 있었다.
Strip이 로울에 소착되는 현상을 방지하기 위해서 윤활제 (Lubricant)를 사용하지만, 윤활제는 Strip과 로울 사이의 열 전달을 줄이고 결과적으로 Strip이 연속적으로 주조될 수 있는 주조 속도를 감소시킨다.
따라서 MDTRC는 Strip이 로울에 소착 (Sticking)되는 현상을 방지하기 위해서 윤활제 (Lubricant)를 사용할 필요가 없다.
따라서 반용융 응고 타입 마그네슘의 고속 Roll casting을 이용하여 마그네슘 판재를 생산하기 위해서는 압하력을 줄일 수 있는 반용융 Twin roll caster의 일종인 Melt drag twin roll caster (MDTRC)가 설계되어야 하며, 각 종 Data의 측정 및 제어 기술이 확보되어야 한다.
또한 마그네슘 Strip casting의 독자적 기술 개발을 위해서는 로울 표면 온도를 임의로 제어할 수 있는 냉각 및 가열 장치의 시스템 구축이 되어야 할 것으로 사료된다.

4. 결 론

본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (X)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금 판재 제조를 위한 결정립 미세화 방안 및 Melt drag 공정에 관하여 제시하였다.
마그네슘 박판 생산에 필요한 Strip casting 기술 및 장비 설계 기술의 독자적 확보로 인하여 Strip casting시 가장 문제점으로 대두되는 로울 표면의 소착 현상 (Sticking phenomenon)을 예방할 수 있는 특수 코팅 기술은 Melt drag 기술에 필요한 핵심 원천 기술로서 타 분야에 응용이 크게 기대된다.
공구나 금형뿐만 아니라 부품이나 장식품 등에 드라이 코팅 기술로서 이용되고 있는 이온 플레이팅이나 플라즈마 CVD는 코팅 시장의 점유화로 인하여 새로운 시장을 개척하기 위해서는 기술 혁신의 필요성이 강력히 대두되고 있다.
현재는 진공 용기 중에 배치한 피가공물에 비하여 생성되는 플라즈마의 영역이 좁고 막의 균일화나 양산화를 위해서 피가공물을 자공전시키는 구조 때문에 피가공물 외면에는 코팅이 가능하지만 내면이나 깊은 홈 부분의 코팅은 피가공물의 유지나 회전만으로는 균일하고 고밀착성 막을 얻을 수 없다.
또한 이온 주입에 의한 모재 표면 및 3차원 형상부의 개선은 가격적인 측면 및 양산화 문제 등에서 개선의 여지가 남아 있다.

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

Acknowledgments

The authors would like to be grateful to 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), OPM (Office of the Prime Minister) and NSTC (National Science & Technology Council) for providing many opportunities and helpful aids regarding the research activities.

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