비철금속/ 차세대 환경친화형 비철소재에 관한 현황보고(VII)
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차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VII)
-마그네슘 합금의 판재 성형성 및 부품 적용 사례-

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

A Status Report on Next-Generation Environment-Friendly Nonferrous Materials (VII)
-Sheet Formability of Magnesium Alloys and Application to Their Tailored Products-


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 has been considered as one of the less formable metals, therefore, conventional metal forming of magnesium alloys has been limited to forging, casting and die casting. However, in the metal forming process of magnesium alloys, press forming is popular for enhancing the productivity and the manufacturing cost as well as environmental aspects. From this point of view, for sheet metal forming of magnesium alloys, some special forming technology is required to improve the formability. A special deep drawing technology with heating at the flange and cooling at the die throat and punch parts is expected to be efficient. It is considered that the deep drawing performance of magnesium alloy sheets (AZ 31) can be remarkably improved under the moderate temperature distribution for the local heating and cooling technique.
Keywords: Deep drawing performance, Local heating and cooling technique, Magnesium alloy sheets (AZ 31), Press forming, Sheet metal forming.

1. 서 론

전 세계적으로 자동차 및 항공기 등 운송 수단의 경량화, Recycling, 연비 향상 및 환경적인 측면에서 차세대 친환경 경량소재를 이용한 부품 성형공정에 관한 연구가 관심의 대상이 되고 있다.
특히 마그네슘은 소성 가공이 어려우나 최근 박판 생산이 일반화 되면서부터 차세대 환경 친화형 비철 소재를 이용한 성형 신기술로 마그네슘 판재 (AZ 31)성형에 대한 연구의 필요성이 증대되고 있다.
따라서 본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VII)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 판재 성형성 및 부품 적용 사례에 관하여 간략하게 소개하고자 한다.

2. 마그네슘 합금의 판재 성형성 및 부품 적용 사례

마그네슘 합금을 이용한 대표적인 성형 공정으로는 다이 캐스팅, 반응고 금속 성형법, 용탕 단조법, Thixomolding 공정이 있지만 다이 캐스팅의 경우 액상 상태일 때 마그네슘의 유동성이 우수하여 알루미늄 합금이나 아연 합금보다 더욱 정밀한 박육 제품을 생산할 수 있다.
반면에 다이 캐스팅 공정은 생산성이 우수하나 재료의 손실이 크고, 응고 수축 결합, 기공 등과 같은 주조 결함으로 인하여 강도 및 표면 정도가 양호하지 못하다.
Fig. 1에서 알 수 있듯이, 마그네슘은 3개의 슬립계를 가지는 조밀 육방구조 (Hexagonal Close-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.

(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

(A) AZ 31B-O sheet (B) AZ 31B-F extrusion
Fig. 2 Microstructures of magnesium alloy sheets recrystallized by annealing (A) and hot extrusion (B)

Fig. 3 Preferred heating method of a punch and die for the hot forming of magnesium alloy sheets on a press brake Fig. 4 Influence of temperature on the drawability of 1.63 mm (0.064 in.) AZ 31B sheet


Fig. 2는 Annealing (A) 및 열간 압출 (B)에 의해 재결정이 일어난 AZ 31 판재의 미세 조직을 나타낸 것이다.
Fig. 2에서 검은 회색 부분 및 Outlined 부분은 각각 망간-알루미늄 화합물의 입자 및 Mg17Al12의 조각을 나타내고 있다.
Fig. 3은 마그네슘 합금 판재의 열간 성형시 펀치와 금형의 선호되는 예열법을 나타내고 있다.
이 때 가공물의 성형되는 영역이 균일하게 가열될 수 있도록 하여야 하며, 만약에 프레스-브레이크 다이가 가열되지 않는다면, 가공물은 최대 허용 온도까지 가열되고 공구가 성형 금속을 너무 많이 냉각하기 전에 재빨리 성형하여야 한다.
Fig. 4는 직경이 38 mm (1.5 in.)인 커플링 다이를 사용한 AZ 31 판재의 드로잉 온도와 Drawability 사이의 관계를 나타낸 것이다.
Fig. 4로부터 주어진 온도에서 가능한 블랭크의 감소율은 드로잉 속도에 영향을 받는다는 사실을 알 수 있다.
Table 1과 2는 다양한 드로잉 온도와 드로잉 속도에서 AZ 31 판재의 Drawability 및 블랭크 두께, 클리어런스를 나타낸 것이다.
Table 1로부터 드로잉 온도가 증가하고 드로잉 속도가 감소할수록 가능한 Drawability는 증가한다는 사실을 알 수 있다.
AZ 31 판재의 경우 MD case, PDA case 등의 보스나 리브를 성형하는데 적합하며, 응용성 및 적용 범위가 다른 주조용 합금에 비해서 매우 광범위하다고 할 수 있다.

Table 1. Drawability of AZ 31B-O at various temperatures and speeds Table 2. Blank thickness and clearance for the deep drawing of magnesium alloy sheets

3. 결 론

본 저자는 차세대 환경 친화형 비철 소재에 관한 현황 보고 (VII)에서는 21세기 차세대 대표적인 비철 소재인 마그네슘 합금의 판재 성형성 및 부품 적용 사례에 관하여 소개하였다.
현재 마그네슘 합금 성형은 세계적으로 Die casting, Thixomolding 공정이 주류를 이루고 있으나, 기존의 주조품에서 나타나는 각 종 문제점을 소성 가공으로 해결하기 위해서 마그네슘 판재 (AZ 31) 생산의 일반화, 제품의 성형 가능성, 품질 및 환경 친화적인 측면에서 차세대 마그네슘 박판 성형 신기술의 중요성을 깊이 인식하여 산학연의 지속적인 연구 개발, 과학 기술부 (MOST) 및 산업 자원부 (MOCIE)를 비롯한 정부 당국의 지속적인 투자 및 활성화 방안이 체계적으로 수립되어야 할 것으로 사료된다.

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

Acknowledgments

Helpful guidelines and aids from 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) are sincerely acknowledged.

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