비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철소재에 관한 현황 보고(IV)
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (IV)
-알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 성형성 비교-

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

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (IV)
-Comparison of the Formability between Aluminum and Magnesium Alloys-


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: Due to its lightweight and high specific strength, magnesium alloy has been widely used for structural components, notably in the automotive industry. Although the principal manufacturing process has been die casting, the press forming has considerable potential because of its competitive productivity and performance. Among the fabrication processes of press forming, stamping of magnesium alloy sheets is especially important for the production of thin walled structural components. Since the magnesium alloy usually exhibits limited ductility at the room temperature due to its hexagonal closed-packed (HCP) structure, the mechanical properties of magnesium alloy can be improved at elevated temperatures. A variety of magnesium alloys have been applied to manufacture structural components. Therefore, in this article, the difference between aluminum and magnesium alloys is presented in terms of their crystal structures and formability.
Keywords: Crystal structures and formability, Die casting, Elevated temperature, Hexagonal closed-packed (HCP) structure, Press forming

1. 서 론

자동차 소재의 경량화는 우수한 물성을 가지는 신소재의 개발과 기존 재료의 기계적 성질을 향상시키는 두 가지 방향으로 연구가 진행되고 있으며, 현재 연구되고 있는 경량화 소재로는 알루미늄 합금, 타이타늄 합금, 마그네슘 합금 등의 금속 재료와 플라스틱, 세라믹 및 복합 재료 등이 있다.
플라스틱이나 세라믹 재료는 높은 강도와 경량성으로 인하여 많은 연구가 진행되고 있으나, 결정적인 기계적 특성의 한계성과 Recycling의 어려움 때문에 자동차 구조용 부품으로 적용하기에는 아직까지 부적합하다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (IV)에서는 21세기 차세대 비철 소재인 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 성형성에 관하여 비교 분석하고자 한다.

2. 결정 구조학적 측면에서 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 비교

금속의 소성 변형에 대한 주요 인자로는 슬립, 쌍정, 적층 결함 에너지 등이 있으며 금속의 소성 변형 능력은 그 결정 구조가 지배적이다.
Fig. 1에서 알 수 있듯이 마그네슘은 조밀 육방 구조 (HCP: Hexagonal Close-Packed)를 가짐으로서 일반적으로 소성 가공이 용이한 Al, Cu, Fe의 면심 입방구조와 다른 기구로 소성 변형에 대해서 설명할 수 있다.
(A) Aluminum Magnesium (B) Aluminum Magnesium
Fig. 1 Basal planes (A) and lattice structures (B) of aluminum alloys with FCC and magnesium alloys with HCP

마그네슘의 소성 변형은 슬립에 의한 변형 기구가 지배적이다. 슬립이란 어떤 금속의 결정이 다른 결정에 대해 일부가 비가역적인 전단 변위가 될 때 소성 변형되는 과정을 말하고 어느 특정 결정면에서 특정 결정 방향으로 일어난다.
HCP 구조는 3개, Cubic 구조는 12개의 슬립계를 가지므로 슬립계의 수가 적은 HCP 구조 (마그네슘)가 Cubic 구조 (알루미늄, 구리, 철)에 비해 소성 변형이 어렵다는 사실을 알 수 있다.
마그네슘의 HCP 결정 구조는 기저면 (Basal plane)에서 주로 변형되나 Mg 합금을 상온에서 소성 변형시키기는 매우 어렵다.
그러나, 고온이 되면 마그네슘 합금은 앞서 언급한 슬립계 외에 부가적인 다른 슬립계의 활성화로 인하여 성형성이 획기적으로 향상된다.
이러한 냉간 가공의 어려움 때문에 일반적으로 산업체에서 사용하고 있는 마그네슘은 대부분 단조 형태 대신 주물 형태로 이용된다.

3. 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 성형성 비교

Fig. 2는 노르웨이의 Hydro사에서 마그네슘 합금을 이용하여 만든 자동차용 Door frame을 나타낸 것이다.
그러나 마그네슘 합금이 외장재로 사용되지 않는 이유는 Fig. 2의 Door frame 같은 경우 제품의 크기로 인하여 장비의 대형화 및 기계 가공의 어려움 때문인 것으로 사료된다.


Fig. 2 The automotive magnesium door frame manufactured by Hydro Co. in Norway

또한, 알루미늄 합금과 마그네슘 합금은 가공법이 다르고, 가공법에 따른 여러 가지 기계적 성질도 상이하다.
우선, 알루미늄 합금은 주로 프레스 가공을 이용한다.
프레스 가공이란 재료에 힘을 가해서 소성 변형시켜 굽힘 전단, 단면 수축 등의 가공을 행하는 것을 말한다.
주로 금속판에 압축력을 가하여 소성 변형 시켜 여러 가지 형상의 제품을 만드는 금형 가공이 프레스 가공의 대표적인 예라고 할 수 있다.
시계 카메라의 정밀 부품에서부터 자동차의 차체에 이르기까지 광범하게 이용된다.
프레스 가공용 소재로서 강판, 동판, 황동판, 알루미늄 판은 물론 플라스틱 섬유 등이 사용되고 있으며, 특별히 가열하지 않고 가공할 수 있고, 짧은 시간에 정확한 치수의 제품을 생산할 수 있어서 대량 생산에 적합하다.
프레스 가공의 종류로는 커터 (Cutter)로 소정의 모양으로 절단하는 전단 가공, 금형과 펀치로 필요한 모양을 따내는 블랭킹 가공, 재료를 필요한 모양으로 구부리는 굽힘 가공, 원통, 각통 등과 같이 바닥이 있고 이음매가 없는 용기를 만드는 드로잉 가공 등이 있다.
반면에 마그네슘 합금은 주로 다이 캐스팅용으로 사용되고 있다. 마그네슘 합금의 가공 시 다이 캐스팅을 선호하는 이유는 자동차용 및 컴퓨터용 IT 부품을 대량 생산하는데 적절하며 통합 생산 시스템을 이용한 자동화가 가능하기 때문이다.
다이 캐스팅 공정이란 고압 금형 주조법으로, 금형의 캐비티에 용탕을 빠른 속도로 채우면서 식히는 주조 방법으로 용융 온도가 낮은 금속과 합금을 이용하여 구조용 부품을 제조하는 방법 중의 하나이다.
이 방법은 연속 작업과 자동화가 가능하여 대량생산에 적당하고, 생산성이 확보되면 제조 공정 비용이 저렴하여 중소형의 부품을 제조하는데 적절한 방법이다.
또한, 마그네슘 합금의 주조성이 Al에 비해서 우수하여 아연 합금처럼 고온 다이 캐스팅이 가능하고, 박판 제품의 제조가 가능하며, 단위 부피 당 마그네슘의 열용량이 적어서 응고 과정에서 열의 방출이 적다.
따라서 시간당 약 250회의 성형이 가능하여 Al의 경우보다 작업의 재현성 및 생산성이 높을 뿐만 아니라 마그네슘 합금의 용탕은 금형 소재인 고온 공구강 (JIS: SKD 61, ASTM: H 13)과 반응하지 않으므로 금형과 성형된 제품의 분리가 쉽고, Softening으로 인하여 알루미늄 합금에 비해 금형의 마모가 훨씬 적다.
반면에 마그네슘 합금의 개선되어야 할 문제점으로는 내식성이 나쁜 것을 들 수 있다. 마그네슘은 전기 화학적 음성도가 다른 금속원소에 비해 높기 때문에 특히 Fe, Cu, Ni, Si 등이 기지 내에서 금속간 화합물 형태의 작은 입자로 석출되면, 기지 상에 비하여 음극을 형성하여 경계면에서 전기 화학적인 부식이 국부적으로 일어난다.
그리고 마그네슘의 표면에 형성되는 자연적인 피막도 상당한 부동태 성질을 가지며 흔히 염기성을 띄고 있어 모든 주변 환경에 잘 견디지 못해서 표면처리를 필요로 한다. 또한 아직까지 세계적으로 마그네슘 합금을 외장재로 적용한 경우 기술 수준이 미약한 실정이다.

4. 결 론

본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (IV)에서는 21세기 차세대 비철 소재인 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 성형성에 관하여 비교 분석하였다. 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 연구는 자동차의 경량화 및 안정성, 연비 향상, Recycling, 성능 향상이라는 공통적인 목표를 가지고 있다.
따라서, 마그네슘 합금은 차세대 소재로서가 아니라 고부가가치의 전략적인 부품 소재로서 재료 전문가들의 꾸준한 연구 개발과 함께 마그네슘 맞춤 합금 (Tailored magnesium alloys) 의 특성을 최대한 활용할 수 있는 마케팅 전략이 필요할 것으로 사료된다.

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

Acknowledgments

The authors are 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) and OPM (Office of the Prime Minister) for helpful support.

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