비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철소재에 관한 현황 보고(II)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (II)
-마그네슘 맞춤 합금 소재의 선정 및 결정립 미세화 방안-

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

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (II)
-Selection and Grain Refinement of Tailored Magnesium


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: Currently, R & D for magnesium alloys are limited to a few casting alloys like AZ 91 and AM 60. However, it is seen that with the increasingly widespread use of magnesium components, the development of a tailored magnesium alloy for a specific process must be selected. It is well known that the addition of rare earth elements (RE) is an efficient way to enhance the mechanical performance of magnesium alloys at elevated temperatures. The improvement has mainly been attributed to the formation of metastable RE-containing phases along the grain boundaries which remarkably increase the creep resistance. The addition of RE elements also has a helpful influence on the corrosion resistance of magnesium alloys. In the RE-containing high temperature magnesium alloys, zirconium (Zr) is often added to refine the grain size to further reinforce the mechanical properties. Therefore, the particular interest of this contribution is focused on the selection and grain refinement of the tailored magnesium alloys.
Keywords:Corrosion resistance, Creep resistance, Grain refinement, Metastable RE-containing phases, Tailored magnesium alloys, Zirconium.

1. 서 론


국내 기업체에서는 차세대 비철 소재 (알루미늄 합금, 마그네슘 합금)에 관한 전문 기술 인력 부족으로 인하여 생산에만 주력하고 있기 때문에 차세대 대표적인 환경 친화형 비철 소재인 마그네슘 합금을 이용한 성형 신기술 및 재료 분석/특성 평가에 관한 연구가 거의 이루어지지 않고 있다.
그러므로, 친환경, 에너지 및 재료 절감, Scrap 저감 등의 측면에서 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금을 이용한 성형 신기술 및 재료 분석/특성 평가 기술의 개발이 불가피한 실정이다
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (II)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 맞춤 합금 소재의 선정 및 결정립 미세화 방안 에 관하여 제시 하고자 한다.

2. 마그네슘 맞춤 합금 (Tailored magnesium alloys) 소재의 선정

일반적으로 우수한 기계적 성질을 가진 제품을 생산하기 위해서는 각각의 공정에 적합한 맞춤 합금 (Tailored alloy)의 개발 및 선정이 중요하며, 마그네슘 맞춤 합금 (Tailored magnesium alloys)소재의 선정은 최종 제품의 강도, 내식성 등 기계적 특성 및 생산성과 밀접한 관계가 있다.
현재 생산되고 있는 마그네슘 합금은 AZ 91 (Mg-9Al-1Zn), AM 50 (Mg-5Al) 및 AM 60 (Mg-6Al) 합금계를 사용하는 주조재와 AZ 31 (Mg-3Al-1Zn) 합금계를 사용하는 판재 (또는 단조재)로 구분할 수 있다.
Fig. 1(Next-generation magnesium AZ 31 sheets and bars)은 일본 Sankyo 알루미늄에서 생산되는 차세대 대표적인 마그네슘 판재 (AZ 31)를 나타낸 것이다.
주조재는 Al 함량이 높기 때문에 다이 캐스팅용으로 사용되고 있으며, 노트북 케이스처럼 두께가 얇은 제품은 용탕의 유동성이 우수한 AZ 91B 및 AZ 91D 합금계를 선정해야만 정형 제품의 성형이 가능하며, 에어백 케이스나 에어백 하우징의 경우 인성 (Toughness)이 우수한 AM 50 (51) 및 AM 60 (61) 합금계를 선정해야만 한다.
AZ 61은 주로 다이 캐스팅 및 열간 압연에 사용되고 있으며, 마그네슘 판재인 AZ 31 합금은 연성이 우수하여 열간 Deep drawing, Stamping 및 열간 압출 공정을 이용하여 MD case, PDA case 등 마그네슘 박판 및 압출품 성형에 적합하다.
항공용 부품의 경우 비강도, 하우징을 포함한 IT 제품의 경우 EMI Shielding에 초점을 맞추어야 한다.
차세대 환경 친화형 비철 마그네슘 합금 소재의 광범위한 사용 분야 및 적용 제품에 대해서 Table 1에 나타내었으며, Table 2에 다이 캐스팅용 마그네슘 합금과 Al 합금 및 Zn 합금의 기계적인 특성을 비교하여 나타내었다.


Table 1. Applicable fields and various products of the representative next-generation magnesium alloys

3. 마그네슘 합금의 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 or Rare earth elements)과 Zirconium (Zr)을 들 수 있다.
일반적으로 마그네슘에 많이 첨가되는 원소와 기계적 성질과의 상관 관계를 Table 3에 나타내었다.


Table 2. Comparison of the mechanical characteristics among magnesium alloys and other aluminum & zinc alloys


마그네슘 합금에 희토류 원소가 첨가되면 주조 특성을 향상시키고 용해와 주조시 산화를 방지할 수 있다. 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. 각기 다른 희토류 원소에 대한 석출물의 고용 한도, 종류, 분해되는 온도에 대해 Table 4에 나타내었다.
희토류 금속의 용융점은 상대적으로 높아서 확산 속도가 느리므로 희토류 금속을 함유한 마그네슘 합금에서 형성되는 상의 안정도는 높다.
단순히 희토류 원소만을 첨가할 경우 상온에서 인장 특성에는 거의 영향을 미치지 않는데 그 이유는 2원계 합금에서 결정립의 크기가 크기 때문이다.
희토류 금속과 함께 Zirconium (Zr)을 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.


Table 3. Influence of addition of the alloying elements on the mechanical properties of commercial magnesium alloys


Table 4. Principal precipitation phases of the magnesium alloys added rare earth elements

4. 결 론

본 저자는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 맞춤 합금 소재의 선정 및 결정립 미세화 방안에 관하여 제시하였다.
새로운 지식 정보화 시대에 전문 과학 기술 인력의 역할과 중요성이 더욱 증대되리라는 사실은 새삼 강조할 필요가 없으며, 본 저자가 제시한 방안이 기계와 금속 및 재료간의 학제간 연구를 활성화하는데 기폭제가 되길 기대한다.
마지막으로 산학연 (산업체, 학교, 국공립 또는 정부 출연 연구소) 모두가 이에 관한 중요성을 깊이 인식하여 함께 동참함으로써 R & D 및 산학연 협동이 활발히 수행될 수 있도록 공동으로 노력하는 자세가 강구되어야 할 것으로 사료된다.

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

Acknowledgments

The authors are indebted 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) and OPM (Office of the Prime Minister) who have provided the assistance and encouragement.

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