비철금속/ 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고(V)
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (V)
-마그네슘 합금의 제련 방법 및 성형법-

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 alloys are the best lightweight structural materials with a relatively high specific strength and excellent property values. From this point of view, magnesium attracts special attention of scientists working in automotive and aircraft industries. The main disadvantage of magnesium as a structural material is its high chemical activity leading in many cases to a low corrosion resistance. Therefore, it is considered that it is of imperative scientific and practical interest to provide the chemical processing and forming methods of die cast and extruded Mg alloys, like AZ 91D (Mg-9 % Al-1 % Zn), AM 50 (Mg-5 % Al-0.4 % Mn) and AZ 31 (Mg-3 % Al-1 % Zn).
Keywords: Automotive and aircraft industries, Chemical processing, Forming methods, High chemical activity, High specific strength, Low corrosion resistance

1. 서 론

마그네슘 합금은 1996년도 Ford사에서 14,500 ton, Chrysler/Daimler Chrysler 6,100 ton, GM 5,600 ton, Toyota 3,000 ton, Volks Wagen/Audi 900 ton을 사용해서 Engine cylinder head cover, Transmission housing, Intake manifold, Seat frame, Instrumental panel substrates 등의 부품에 적용하여 기존의 철강 소재에 비해 40 % 이상의 경량화를 달성하였다.
한편, 최근 자동차 및 항공 우주 산업 분야에서 경량화, 환경 친화성, Recycling 등의 관점에서 마그네슘 합금에 대한 관심이 전 세계적으로 고조되고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (V)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 제련 방법 및 성형법에 관하여 기술하고자 한다.

2. 마그네슘 합금의 제련 방법

마그네슘의 제련 방법은 열 환원법과 전해법의 두 가지 방법이 있다.
열 환원법은 산화 마그네슘에 환원제를 첨가해 감압하에서 고온 가열해서 제련하는 방법이며, 전해법은 주로 해수 등의 원료로부터 염화 마그네슘을 얻어서 전해 및 정제하는 방법이다. 열 환원법은 마그네슘의 순도가 적은 경우 전해법은 비용 효율적인 측면에서 유용하다.
Fig. 1은 전해법을 이용해서 해수로부터 마그네슘을 추출하기 위한 Dow Chemical Co.의 화학 처리 공정도를 나타낸 것이다.
현재 대부분의 마그네슘이 전해법으로 제련되고 있으며 전해법은 원석인 돌로마이트로를 Kiln (가마)에 넣고 해수와 반응시켜서 필터로 Mg(OH)2을 석출시키고 난 후 HCl과 반응시켜서 정제 및 건조시키면 35 ~ 73 % 정도의 MgCl2를 얻을 수 있으며 다시 염소 처리하여 Cl2로 분리 시켜 Mg ingot을 제조한다. Fig. 1 The chemical processing procedures of Dow Chemical Co. to extract the magnesium composition from sea water by the use of electrolysis

3. 마그네슘 합금의 성형법

마그네슘 합금 부품을 제조하는 공정으로는 다이 캐스팅 이외에 용탕 단조법, 가압 응고법, 액상 단조법, 반응고 금속 성형법, High vacuum 다이 캐스팅 및 Thixomolding 등이 있다.

(1) 용탕 단조법 (Squeeze casting process), 가압 응고법 및 액상 단조법
주형 내에 급탕된 금속이 완전히 녹아 있거나 반용융 상태에 있을 때 높은 기계적 가압 (50~200 MPa)을 가하여 제품을 성형하는 방법으로는 용탕 단조법, 가압 응고법, 액상 단조법 및 반용융 단조법 등이 있으며, 이 공정들은 급탕, 가압 및 응고, 사출 등의 과정으로 이루어진다.
공정상의 특징으로는 가스에 의한 기공이나 수축공 등 주조 결함을 제거할 수 있고, Feeding이나 Riser가 필요 없으며, 높은 압력으로 인하여 유동성이 높아져서 주조성이 좋지 않은 합금에 대해서도 정형 주물의 제조가 가능하다.
또한 주입 온도와 주형의 예열 온도를 조절함으로써 미세 조직의 제어가 가능하며 표면 정도의 향상으로 인하여 치수의 정도성 및 재연성이 우수하다.
용탕 단조품과 기존의 제조 방법으로 제조된 제품과의 장단점을 비교해 보면 용탕 단조법에 의해 제조된 제품의 기계적 성질은 열간 단조품에 비해서는 떨어지고 다이 캐스팅 제품이나 중력 주조품에 비해서는 우수하나 용탕 단조품은 다이 캐스팅 제품에 비해서 경제성 및 생산성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.
마그네슘 합금을 이용한 용탕 단조는 Engine bracket, Snow mobile clutch, Connecting rod, Steering knuckle 등과 같이 두께가 두꺼운 제품을 생산할 때 적합하며, 우수한 재료 유동성을 보장하기 위한 런너 (Runner) 설계 및 공구 수명 향상의 측면에서 용탕과 공기의 반응으로 인하여 형성되는 산화층 (Oxide skins) 방지를 위한 급탕 과정이 특히 중요하다.

(2) 반응고 금속 성형법 (Thixoforming & Rheoforming)
반응고 금속 성형 기술 (Semisolid metal forming or Thixoforming & Rheoforming)은 액상과 고상이 공존하는 영역에서 금속 재료를 성형함으로써 기존의 주조와 단조 공정의 장점을 취할 수 있는 새로운 상변환 성형 공정이다.
일반 주조재의 응고 조직은 수지상 조직 (Dendritic structure)으로서 수지상 조직이 존재하면 반응고 성형 시 수지상 조직 사이로 액상이 밀려나가 액상 편석 (Liquid segregation)이 발생하기 쉽고, 고상만 존재하는 영역에서는 고상 조직간의 상호 작용으로 변형 저항이 커지며 액상만이 존재하는 영역에서는 성형시에 균열 발생 가능성이 높다.
따라서 수지상 조직을 없애고 구형의 반응고 조직을 만들기 위해서 가장 많이 응용되고 있는 방법은 용탕이 응고되고 있는 동안에 기계적 또는 전자기적으로 교반하여 전단력에 의해 수지상 조직을 파괴시켜 구형의 응고 조직을 갖게 하는 용탕 교반법이다.
반응고 성형 기술은 반응고 금속의 유변학적 특성을 이용해 Slurry를 응고 중에 성형하는 Rheoforming 기술과 교반한 반응고 합금을 응고 도중에 직접 성형하지 않고 일단 상온으로 냉각하여 빌렛을 제조한 후 원하는 치수로 절단 및 반용융 상태로 재가열하여 성형하는 Thixoforming으로 구분할 수 있다.
Thixoforming 공정에서도 소재의 재가열 이후 성형하는 방법에 따라 Thixocasting, Thixoforging, Thixorolling, Thixoextrusion 등으로 구분할 수 있다.
Fig. 2(A sequence of the semisolid forming process classified into rheoforming process and thixoforming process)에 Rheoforming과 Thixoforming으로 구분되는 반응고 성형법 (Semisolid forming)을 비교하여 나타내었다. 반용융 (또는 반응고) 성형법은 주조재에 비해서 상대적으로 낮은 온도에서 구형의 초정 입자를 갖는 미세 조직을 형성하여 성형하기 때문에 에너지 절감, 금형 수명 향상, 기공, 수축공 및 액상 편석과 같은 주조 결함을 최소화 할 수 있어 기계적 성질이 우수한 제품을 얻을 수 있다.
단조재에 비해서는 반응고 상태의 낮은 응력 하에서의 우수한 성형성으로 인해 복잡한 형상 및 고체 상태에서 성형이 어려운 난삭재를 단일 공정으로 Near net shape 형태로 성형할 수 있다.
그러나 반응고 성형 기술은 고가의 특수 장치가 요구되며, 단조에 비해서 성형 후 일정한 응고 시간이 필요하기 때문에 성형 자체는 빠르게 진행되지만 전체적인 공정 사이클이 길어진다는 단점이 있다.
반응고 (반용융) 금속 성형법을 이용하여 생산 가능한 제품으로는 Steering knuckle, Steering arm, Door post 및 Bicycle 부품 등이 있다.

(3) High vacuum 다이 캐스팅
High vacuum 다이 캐스팅의 경우 일반적인 진공 다이 캐스팅의 경우 (200~500 mbar의 진공 상태)보다 낮은 50 mbar 이하의 고 진공 상태에서 고품질의 제품을 생산할 수 있으며, Die spraying을 통해서 금형의 수명 향상 및 디버링 (Deburring)을 줄일 수 있다.
마그네슘 다이 캐스팅의 경우 높은 금형 온도로 인하여 다이 캐스팅 Cell중에서 가열/냉각 시스템 및 Die spraying이 특히 중요하다.
Real-time shot control (SC) system을 이용하여 신장율 (Elongation)을 요구하는 전기, 전자 부품 및 Real axle 부품 제조 시에 유용하지만 생산 비용이 고가라는 단점이 있다.

(4) Thixomolding
Fig. 3(Thixomolding machine of Dow Chemical Co.)은 Dow Chemical Co.의 Thixomolding M/C을 나타낸 것이다. 마그네슘 합금을 이용한 Thixomolding 공정은 우수한 열 유동성 및 전자기파 차폐성, 열처리 과정의 유연성으로 인하여 기계적 성질이 우수한 제품을 생산할 수 있으나 Shot speed가 저속이며 장비 및 원소재 (Raw material or starting material)의 가격이 고가 (Hot chamber나 cold chamber 다이 캐스팅의 경우보다 30~40 % 정도 고가)이고 Cycle time이 길다 (Hot chamber나 cold chamber 다이 캐스팅의 1/2)는 단점이 있다.

4. 결 론

본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (V)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 제련 방법 및 성형법에 관하여 기술하였다.
현재 전 세계적으로 자동차는 공급 과잉으로 자동차의 경량화, 쾌적한 안정감, Recycling을 위한 노력 없이는 국내 제조업 분야의 약 10 %를 차지하고 있는 자동차 및 관련 산업은 퇴보할 수밖에 없다.
따라서 프랑스 Renault와 하이드로 알루미늄 사를 비롯한 유럽 소재 업체들에 의해 공동으로 추진되고 있는 유럽의 모자이크 계획을 거울삼아 국내 자동차 업계에서도 이에 대한 중요성을 깊이 인식하여 새로운 차세대 전략을 수립해야 할 것으로 사료된다.

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

Acknowledgments

The authors are thankful 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 their useful support.

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