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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.31 No.9 pp.511-518
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2021.31.9.511

Establishment of Manufacturing Conditions for Magnesium Alloy Thin Plate using Melt Drag Method

Chang-Suk Han†, Yong-Jun Kwon
Dept. of ICT Automotive Engineering, Hoseo University, 201, Sandan7-ro, Seongmun-myeon, Dangjin City, Chungnam 31702, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : hancs@hoseo.edu (C. -S. Han, Hoseo Univ.)
April 29, 2021 August 20, 2021 August 20, 2021

Abstract


An investigation is performed to clarify the manufacturing conditions of pure magnesium and AZ31 magnesium alloy thin plate using the melt drag method. By the melt drag method, suitable for magnesium molten metal, pure magnesium can be produced as a continuous thin plate with a thickness of 1.4 mm to 2.4 mm in the range of 5 m/min to 20 m/min of roll speed, and the width of the thin plate to the nozzle outlet width. AZ31 magnesium alloy is able to produce a continuous sheet of thickness in the range of 5 m/min to 30 m/min in roll circumferential speed, with a thickness of 0.6 mm to 1.6 mm and a width of the sheet matching the nozzle outlet width. In the magnesium melt drag method, the faster the circumferential speed of the roll, the shorter the contact time between the molten metal and the roll, and it is found that the thickness of the produced thin plate becomes thinner. The effect of the circumferential roll speed on the thickness of the thin plate is evident in the low roll circumferential region, where the circumferential speed is 30 m/min or less. The AZ31 thin plate manufactured by the melt drag method has a finer grain size as the thickness of the thin plate decreases, but it is currently judged that this is not the effect of cooling by the roll.



용융드래그방법을 이용한 마그네슘 합금 박판의 제조조건 확립

한 창석†, 권 용준
호서대학교 자동차ICT공학과

초록


    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    마그네슘 합금은 경량성을 비롯하여 뛰어난 여러 가지 우수한 특성을 나타내고 있으며, 알루미늄 합금을 뒤이 은 차세대 구조용 금속재료라고 알려져 있다.1-5) 그러나 다이캐스팅(die-casting)이나 칙소몰딩(thixomolding) 이외 의 용도, 이 중에서도 가공된 재료(wrought material)의 용도는 극히 소량에 머무르고 있는 것이 현실이다. 이 마그네슘 합금 재료의 상용화에 있어서 걸림돌이 되는 이유로는 마그네슘 합금을 가공하는데 어려움이 있다는 단점이 가져오는 소재의 비용, 특히 압연 등에 의해 생 산되는 판재의 비용이 매우 고가라는 점을 들 수 있다. 그러나 자동차 차체에 대한 적용 등으로 마그네슘 합금 의 폭발적인 보급이 예상되고 있으며,6) 원활한 보급을 위 해서는 매우 저렴하며, 상온에서의 성형성 및 기계적 성 질이 뛰어난 마그네슘 합금 판재가 필수적이라고 할 수 있다.7-9)

    이와 같이 가공이 어려운 난가공성 재료의 박판제조에 는 연속박판주조법이 적합하다고 할 수 있다. 용탕으로 부터 직접 박판을 제조하는 쌍롤 박판 연속주조공정이 1865년에 H. Bessemer에 의해 제안된 이후,10) 많은 연 구개발이 이루어져 왔다.11-13) 연속박판주조법은 본래의 목 적인 공정에 따른 설비비용 및 에너지 비용 절감뿐만 아 니라 압연과는 가공조건이 전혀 다르기 때문에 본래 열 간압연이 불가능한 재료나 압연수율이 좋지 않은 재료 로부터 양호한 스트립 제작의 가능성이 기대되며, 또한 급냉효과에 의해 기존의 가공방법으로는 얻을 수 없었 던 조직을 갖는 재료를 제작하는 것이 가능하다는 효과 도 주목할 만한 점이다.

    연속박판주조공정은 많은 프로세스가 제안되어 연구되 어 있지만, 이 방법들은 쌍롤법과 단롤법으로 크게 나 눌 수 있다. 마그네슘 합금은 쌍롤법을 이용한 판의 주 조에서 박판제조 및 롤 속도의 고속화,14) 쌍롤 주조에 의 한 마그네슘 합금의 반응고 제조법이 검토되었다.15) 그 러나 순수 마그네슘 및 마그네슘 합금에 대하여 용융드 래그방법(melt drag process)을 이용하여 박판을 제작하 였다는 보고는 거의 없다. 미국의 Battele Development Corp.에서 고안된 용융드래그방법은 단롤법의 일종이며, 쌍롤법에 비해 높은 롤 속도로 박판제조가 가능하다고 판단하였으며, 박판제조 및 롤 속도의 고속화에 유효하 며, 장치기구가 간결하기 때문에 향후 박판제조 개선에 많은 가능성을 가지고 있다고 판단된다. 따라서 본 연 구에서는 마그네슘 용탕에 적합한 실험장치를 설계 및 제작하여 용융드래그방법을 이용하여 박판을 제조할 때 기본적으로 생각되는 성형인자에 대하여 조사를 하였으 며, 용융드래그방법을 이용하여 순수 마그네슘 박판 및 마그네슘 합금 박판의 제작조건을 명확하게 하는 것을 목적으로 하였다.

    2. 실험 방법

    용융드래그방법은 Fig. 1과 같이 (a) 닫힌 상단형(closed top type)과 (b) 열린 상단형(opened top type)이 있다. 닫힌 상단형 보다 열린 상단형이 기구적으로 간단하고 박판성형 인자수가 적다고 판단된다. 기구가 간단하며 박 판성형 인자의 제어가 용이하다는 점은 단롤법의 장점 이며, 이 점을 고려하여 본 연구에서는 열린 상단형에 대하여 연구를 실시하였다. Fig. 1(b)의 v : 롤 속도 m/ min, h1 : 액면 위치(롤 중심에서 용탕 최상점까지의 거 리) mm, h2 : 용탕 높이(노즐 바닥에서 용탕 최상점까 지의 거리) mm를 각각 나타낸다.

    본 실험에서 사용한 시료는 순수 마그네슘 잉곳 및 AZ31B 마그네슘 합금 압출용 빌릿(billet)을 활톱(bow saw)장비를 사용하여 절단하였고, 주괴로 사용하였다. 절 단하는 동안에 물을 흘리면서 절단에 따른 가루의 발화 를 억제하였으며, 용해 시에는 주괴를 충분히 건조시켰 다. 이하에 사용한 기구류, 단롤 실험장치의 세부 사항 을 서술한다. 마그네슘 용탕의 활성을 고려해 볼 때, 알 루미늄의 용융드래그와는 전혀 다른 접근이 필요하였다.

    2.1. 실험장치와 용해방법

    용해는 도가니를 이용하여 전자자동제어 머플 로(muffle furnace)에서 실시하였다. 마그네슘 용탕의 연소를 억제 하기 위하여 노 내의 분위기를 아르곤가스 분위기로 하 였으며, 플럭스는 사용하지 않았다. 1회 실험에 대하여 약 1 kg을 용해시켰다. 용해로의 설정온도는 800 °C이지 만, 장시간 동안 용해하면 용탕표면에 산화물 등의 불 순물을 대량으로 발생시키기 때문에 노 내의 용탕온도 를 측정하고 목표로 설정한 용탕온도에 도달한 즉시 실 험을 진행하였다.

    도가니의 재질은 니켈을 포함하지 않는 내열강판(SUS430) 을 선택하였으며, 이유로는 마그네슘 내의 니켈 함유량 이 0.002 %를 초과하면 내부식성이 크게 감소하는 것으 로 보고되고 있으며,16) 마그네슘 용탕으로의 용해를 방 지하기 위하여 SUS430이 추천되고 있다. 도가니는 원통 형으로 용접하여 직경 110 mm, 높이 150 mm이다. 이 스테인리스강 도가니에 같은 재질인 SUS430으로 뚜껑, 손잡이 및 열전대용 보호관을 제작하고 둘레에 절연재 를 감아 사용하였는데, 이것은 용해로에서 실험장치까지 이동하는 동안 용탕의 연소를 억제하여 온도저하를 줄 이기 위함이다. 또한 뚜껑의 상부에는 용해로 내에서 아 르곤가스 유도관이 통하는 구멍과 열전대를 넣는 보호 관용 구멍을 뚫었다.

    용탕을 모으는 턴 디쉬(Tundish, 이하, 노즐이라 표현) 와 용탕이 노즐로 흐르는 용탕로(Gutter)재료는 규산칼슘 계 단열재를 사용하였으며, 이 재료는 마그네슘 용탕과 반응해 버리기 때문에 대책을 준비하였다. 노즐과 용탕 로를 실험에서 사용하기 전에 활석(talc)과 활석 체적 대 비 약 10 % 양의 물유리(규산나트륨 용액)를 물로 녹인 것을 도포하고, 이것을 약 400 °C 이상의 로에서 소결 하여 마그네슘 용탕과의 반응을 피하게 하였다. Fig. 2 에 노즐의 개요도를 나타내었다. 본 연구에서는 용탕을 수동으로 조작하기 때문에 노즐 내의 용탕량(용탕 높이) 을 제어하기 위하여 단차를 만들었다. 출구 폭은 60mm 이며, 판 폭은 60 mm인 박판을 제작하였고, 노즐은 단 열재 판을 톱으로 절단하고, 밀링 가공한 후, 응고 롤 에 연마지를 감아 노즐의 롤 접촉면을 연마하여 롤의 곡 률을 마무리 하였다. 용탕온도의 저하와 포함된 수분과 의 반응을 피하기 위하여 실험을 시작하기 전에 400 °C 에서 예열하였다.

    2.2. 실험 장치

    Fig. 3에 실험장치의 개요도를 나타내었다. 대기 중에 서 실험을 진행하였을 때에는 용탕이 모두 발화, 연소 하여 매우 위험하였기 때문에 도가니에서 응고 롤 정점 부에 도달하는 용탕의 경로를 모두 보호가스인 아르곤 가스 분위기로 하는 것이 가능한 구조로 설계 및 제작 하였다.

    실험장치의 주요 사양은 다음과 같다. 기본적인 구조 로서는 알루미늄용 용융드래그장치와 마찬가지로 도가니 가 들어가는 주탕기, 용탕로, 노즐 및 응고 롤로 구성 되어 있다. 또한 마그네슘 용탕과 산화철은 일종의 테 르밋반응을 일으켜 매우 위험하므로 가능한한 강재의 사 용을 피하였다. 수냉 롤은 직경 300 mm, 폭 200mm, 재질은 A5052, 두께 20 mm이다. 실험 전에 #1200 연마 지로 롤 표면을 연마하였다. 실험장치의 외벽은 장치 내 의 용탕의 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 단열재를 두께 2 mm인 SUS304판에 끼워서 외벽의 두께는 총 30 mm로 하였으며, 외벽의 일부에 글래스를 설치하여 내부 의 모습을 관찰할 수 있도록 하였다. 실험은 보호가스 를 사용하므로 장비의 밀폐성이 중요하기 때문에 도가 니 반입구와 박판 배출구를 제외하고 실리콘 고무로 밀 폐성을 확보하였다. 장비제작 후 장비 내에서 향을 피 워서 밀폐를 확인하였다. 또한 장치 내에 잔류하고 있 는 것으로 판단되는 공기를 배기하기 위하여 장치 뒤쪽 에 배기관을 설치하여 배기펌프로 배기하였다.

    2.3. 보호 가스

    본 연구에서는 실험장치의 보호가스로서 아르곤가스를 사용하였으며, 보호가스의 유량은 25 L/min로 도가니 바 로 위에서 보호가스를 주입할 수 있는 구조로 하였다. 로에서 취출한 도가니는 대기와 접촉하며 운반하여야 하 기 때문에 용탕표면에 발화가 나타났다. 따라서 실험장 치에는 미리 보호가스를 약 5분 이상 주입하여 장치 내 에 반입된 도가니 내의 용탕이 빨리 소화되는 것을 확 인하였다. 실험이 끝난 후에도 용탕이 완전히 응고하여 화재의 위험이 없어질 때까지 계속 보호가스를 주입하 였다.

    2.4. 실험 진행

    장치 내로 반입된 용탕은 목표로 설정한 용탕온도에 도 달할 때까지 유지시켰다. 목표로 한 용탕온도에 도달한 후 용탕기를 도가니마다 기울여서 주탕을 실시하였다. 용 탕은 용탕로를 지나 노즐 내에 모여서 고체 롤과 접촉 하여 응고되며, 박판으로 되는 구조이다. 노즐 내의 용 탕높이[Fig. 1(b) : h2]는 도가니에서 용탕량 조절을 수 동으로 하고, 육안으로 확인하였다. 노즐과 롤의 간격은 용탕의 누출을 고려하여 1 mm 이하로 하였다.

    본 연구에서 처음으로 순수 마그네슘을 이용하여 본 프 로세스에 마그네슘의 적용가능성을 조사하였으며, 실용합 금인 AZ31 마그네슘 합금을 이용하여 박판제작을 실시 하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 용탕온도와 롤 직전의 용탕온도(순수 마그네슘)

    Fig. 4에 제작한 박판의 사진을 나타내었다. 순수 마 그네슘을 이용하여 실험을 실시하였으며, 용탕온도를 670 °C, 710 °C, 750 °C로 하고, 롤 속도를 10 m/min, 30 m/min, 50 m/min으로 변화시켜 총 9가지의 실험을 진행 하였다. 액면위치 h1은 110mm, 용탕높이 h2는 15mm 이다.

    상기한 9가지의 실험을 진행한 결과, Fig. 4에 나타 낸 것과 같이 3가지 조건에서 일부 금속광택을 나타내 었으며, 전체적으로 산화한 비정상적인 덩어리가 제작되 었다. 이와 같은 모든 조건에서 안정적으로 박판의 제 작은 불가능하였다. 실험 후 노즐의 모습을 관찰하면 노 즐 내에 대량의 용탕이 응고되어 있는 것이 확인되었 다. 본 실험장치에서 용탕은 도가니로부터 용탕로를 거 쳐 노즐에 다다른다. 700 °C에서 순수 마그네슘의 응고 잠열은 230 kJ·kg-1이며, 이 온도에서 순수 알루미늄의 응고잠열은 394 kJ·kg-1로 두 금속을 비교해 보아도 순 수 마그네슘이 응고하기 쉬운 금속이라는 것을 알 수 있 다. 따라서 본 실험장치의 용탕경로가 대기로 방열하기 쉬운 점 등에 의해 현저한 용탕온도 저하가 일어났다고 판단된다.

    상기한 결과를 확인하기 위하여 노즐 내의 용탕온도를 측정하였으며, 온도 측정은 K형 열전대 Φ1 mm를 사용 하여 노즐의 위쪽 부분에 설치하고 1초마다 온도를 측 정하였다. 열전대를 설치한 것을 제외하고는 일반적인 실 험조건과 동일하게 롤을 회전시켜 박판을 제작하였다. 측 정위치와 용탕온도 770 °C에서 측정한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 노즐의 열 유출도 고려하여 열전대의 선단 부분은 노즐바닥과 접촉시켰다.

    Fig. 5에서 용탕온도가 770 °C일 때, 롤 직전의 용탕 온도는 약 660 °C로 되어 있는 것을 알 수 있다. 순수 마그네슘의 융점은 650 °C이며, 10 °C 정도 초과한 것에 불과하다. 본 프로세스에서 용탕은 도가니에서 용탕로를 거쳐 노즐에 이른다. 이때의 용탕온도는 평균 약 100 °C 정도 떨어진다. 용탕온도가 670 °C, 710 °C, 750 °C일 때 측정된 노즐 내의 용탕온도는 각각 570 °C, 640 °C, 600 °C이다. 순수 마그네슘의 융점은 650 °C이므로, 모든 용 탕온도에서 용탕은 노즐 내에서 응고해 버려서 박판을 제작할 수 없게 되지만, 실제 실험에서는 용탕온도가 670 °C, 710 °C, 750 °C일 때 박판을 제작할 수 있었는 데, 이 이유로서 본 실험에서는 용탕방법 및 노즐 내의 용탕온도 측정방법을 생각할 수 있다.

    본 실험에서 용탕은 수동으로 실시하였기 때문에 도가 니로부터 주입하는 용탕의 유량은 일정하지 않고, 주입 하는 용탕양이 적을 때에는 온도가 낮아지는 정도가 크 고, 또한 주입하는 용탕양이 많을 때에는 그 반대가 된 다. 또한, 노즐 내 용탕온도를 측정하기 위한 열전대는 노즐 하부에 접촉시키고 있다. 노즐의 재질은 단열재이 지만, 용탕에서 상당한 열량을 빼앗기고 있다고 판단된 다. 노즐의 하부 부근과 측면부 부근에서 용탕은 즉시 응고하여 박판을 제작할 수 없게 된다. 그러나 그 위에 더 주입된 용탕이 오게 되면 그 용탕은 충분히 융점을 초과하기 때문에 박판을 제작하는 것이 가능하게 된다. 그 러나 이 박판은 노즐의 중앙부만이 제작가능하기 때문 에 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 판 폭 방향의 길이가 노 즐 폭 60 mm보다 작아진다.

    3.2. 롤 속도와 박판두께 (순수 마그네슘)

    위에서 기술한 실험에서 도가니로부터 노즐에 도달하 기까지 약 110 °C 용탕온도 저하가 일어나고 있는 것을 확인하였다. 용탕온도를 너무 높게 하면 연소 및 산화 에 악영향을 미칠 우려가 있기 때문에 용탕온도를 770 °C 로 하고, 롤 속도를 5 m/min, 10 m/min, 20 m/min, 30 m/min, 50 m/min으로 변화시켜 순수 마그네슘의 박판제 작 실험을 실시하였으며, 조건은 액면위치 h1 : 110mm, 용탕높이 h2 : 15 mm이다.

    제작한 박판의 사진을 Fig. 6에 나타내었다. 제작된 직 후의 박판은 매우 취성을 나타내었으며, 샘플 채취에 주 의가 필요하였다. 또한 측정한 박판두께와 롤 속도와의 관계를 Fig. 7에 나타내었다. 판 두께는 point-micrometer 를 사용하여 판의 폭 방향으로 10 mm 간격으로 5포인 트, 총 3개소를 측정하여 15포인트의 평균을 구하였다. 용융드래그방법으로 제작된 마그네슘 박판은 자유응고 측 면의 요철이 심하였기 때문에 판 두께도 측정 위치에 따 라 큰 편차가 나타났다. 하나의 예로서, 롤 속도 30 m/ min로 제작된 박판의 두께를 보면, 평균두께는 0.87mm 이지만, 총 15포인트 측정결과보다 가장 두꺼운 부분은 1.33 mm, 가장 얇은 부분은 0.55 mm이었다.

    롤 속도 30 m/min, 50 m/min의 실험에서 박판은 플레 이크(flakes)상 또는 판의 폭이 불균일하게 되고, 안정된 박판을 제작할 수 없었다. 이것은 롤 속도가 빨랐기 때 문에 노즐 내에서 응고가 불충분하며, 용탕의 스크래핑 (scraping)이 불량이었다고 판단된다. Fig. 6을 보면 박판 의 중앙부분에는 금속광택이 보이지만, 가장자리 부분은 검게 산화되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은 가장자리 부분이 중앙부보다 빨리 롤로부터 박리하고 열 제거가 불충분하였기 때문이라고 생각된다. 또 자유응고 측이 응 고 롤 측에 비해 검게 산화되어 있는 것을 확인할 수 있는데, 이유는 용융드래그방법은 응고 롤 방향으로 일 방향 열 제거 프로세스이기 때문에 박판 양측의 온도차 이 때문에 나타난 결과라고 판단된다. 판 두께에 대해 서는 종래 알루미늄에서의 용융드래그방법과 유사한 경 향성을 나타내었으며, 순수 마그네슘에서도 낮은 롤 속 도 영역에서는 롤 속도가 박판두께에 큰 영향을 미친다 는 것을 알았다.

    3.3. 롤 속도와 박판두께(AZ31 마그네슘 합금)

    본 프로세스를 마그네슘 합금에도 적용 가능한지 판단 하기 위하여 연신용 합금인 AZ31 마그네슘 합금을 사 용하여 박판제작 실험을 실시하였다. 실험방법은 순수 마 그네슘의 경우와 동일하다.

    AZ31의 액상선은 630 °C이며, 실험은 상기한 순수 마 그네슘 실험과 동일하게 노즐 내의 용탕온도를 측정하 였다. 용탕온도가 740 °C일 때 노즐 내의 용탕온도는 액 상선을 약 10 °C 초과하는 640 °C 이었다. 주입하는 용 탕온도를 740 °C로, 롤 속도를 5 m/min, 10 m/min, 30 m/min, 50 m/min으로 변화시켜서 박판제작 실험을 실시 하였다. 제작된 박판의 사진을 Fig. 8에 나타내었다.

    액면위치 h1 : 110mm, 용탕높이 h2 : 15 mm이며, 측 정한 박판두께와 롤 속도와의 관계가 Fig. 9이며, 두께 측정방법은 순수 마그네슘과 동일하다.

    용융드래그방법에 있어서, 박판두께는 주로 롤 속도, 액 면위치, 용탕높이, 그리고 주입하는 용탕온도로 결정된 다. 전자의 3가지는 노즐 내의 용탕과 응고 롤의 접촉 시간과 많은 관계가 있으며, 접촉시간이 길어질수록 박 판두께도 두꺼워진다.

    Fig. 9를 보면, 접촉시간이 박판두께에 미치는 영향은 낮은 롤 속도 영역에서 명백하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것은 용탕이 전체 속도영역에서 일정한 고상율 로 스크래핑 되는 것이 아니라, 롤 속도가 어느 정도 느 린 경우는 응고층 위에 놓여진 용탕이 표면장력에 의해 서 스크래핑 된다고 판단되며, 실험결과에서 알 수 있 듯이 롤 속도가 약 30 m/min 이하에서는 그 상태로 되 어 있다고 판단된다. 또한 앞으로 더욱 가속화 하여도 박판두께의 감소는 크지 않을 것이라고 판단된다.

    3.4. 단면조직 관찰(AZ31 마그네슘 합금)

    결정입경을 측정하기 위하여 단면조직을 관찰하였으 며, 대표적인 관찰결과를 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 11 에는 측정된 박판두께와 결정입경과의 관계를 나타내었 다. 제작된 박판을 진행방향에 수직으로 절단하여 수지 로 마운팅한 후 연마지(#80, #400, #1200)로 연마하고, 알루미나 분말을 물에 푼 것을 이용하여 버프연마 하여 경면처리를 하였다. 에칭용액의 각 용매량은 피클린산 4.2 g, 에탄올 70mL, 빙초산 10mL, 물 10mL이며, 15초 동안 에칭을 실시하였다.

    Fig. 10을 보면 측정된 평균 결정입경은 매우 조대하 다는 것을 알 수 있다. 일반적인 용융드래그방법은 응 고 롤에 의해서 용탕이 냉각되기 때문에 응고 롤 쪽이 냉각속도가 빠르고, 따라서 결정립도 미세하게 되지만, 응 고 롤 측과 자유응고 측에서 결정입경의 차이는 거의 보 이지 않았으며, 박판 중앙부와 가장자리에서도 결정입경 의 차이는 거의 볼 수 없었다. 전체적으로 결정입경의 편차가 큰 결과를 얻었다. 마그네슘을 용융드래그방법으 로 제작한 박판의 결정입경이 프로세스의 어느 시점에 서 결정되는지는 아직 확실하지 않지만, 이유로서 용탕 이 상당히 빠른 시점, 즉 노즐로부터 나온 직후 또는 노 즐 내에서 응고 롤에서 박리되었다고 판단하여 응고 롤 측과 자유응고 측의 냉각 속도가 거의 동일하게 되었기 때문이라고 판단된다. 박판의 응고 롤 접촉면을 관찰하 면, 용탕과 롤의 접촉상태는 판의 폭 방향, 길이방향 모 두 일정하지 않고, 냉각속도가 위치에 따라서 다르다고 생각되기 때문에 결정입경의 편차도 커졌다고 판단된다.

    Fig. 11을 보면 박판두께가 얇을수록 결정입경이 미세 화 된다는 경향을 알 수 있다. 롤 속도가 빠를수록 결 정입경이 미세화 된다는 것이며, 롤에 의한 냉각시간이 단축되었음에도 불구하고 결정입경은 미세화 되었다. 이 와 같은 이유에 대해서는 빠른 롤 속도에서는 스크래핑 되는 용탕양이 적고, 특히 단위길이 당 열량도 적고 방 열에 의한 냉각 속도가 빨라지기 때문이라고 판단하였 다. 마그네슘은 알루미늄에 비해 결정입경이 항복응력에 크게 영향을 준다. 따라서 마그네슘에 대해서 결정입경 을 작게 하는 것이 다른 금속에 비하여 매우 중요하다. 현시점에서는 급랭 되었다고 말하기는 어렵지만, 앞으로 용탕이 롤에 고착하는 고착력의 증가 및 용탕과 롤의 젖 음성을 개선하면 더욱 결정입경이 미세화될 것으로 판 단된다.

    4.결 론

    용융드래그방법을 이용하여 순수 마그네슘 및 AZ31 마 그네슘 합금 박판의 제조조건을 명확하게 하는 것을 조 사하여 이하의 결론을 얻었다.

    • (1) 마그네슘 용탕에 적합한 용융드래그방법에 의해 순 수 마그네슘은 롤 속도 5 m/min ~ 20 m/min의 범위에서 박판두께 1.4 mm ~ 2.4 mm, 박판 폭이 노즐 출구 폭과 일치한 연속적인 박판의 제작이 가능하다는 것을 명백 하게 하였으며, AZ31 마그네슘 합금은 롤 속도 5m/ min~30 m/min의 범위에서 박판두께 0.6 mm ~ 1.6 mm, 마찬가지로 박판 폭이 노즐 출구 폭과 일치한 연속적인 박판의 제작이 가능하다는 것도 명백하게 하였다. 어떠 한 실험시료에 대해서도 용해량에 따라 다르지만 주조 길이는 약 1 m 정도이다.

    • (2) 마그네슘 용융드래그방법에서 롤 속도가 빠를수록 용탕과 롤과의 접촉 시간이 짧아져, 제작된 박판의 두 께가 얇아지는 경향성을 알았다. 또한 롤 속도가 박판 두께에 미치는 영향은 속도 30 m/min 이하인 낮은 롤 속 도 영역에서 확실하게 나타났다.

    • (3) 용융드래그방법으로 제작한 AZ31 박판은 박판두께 가 얇아질수록 결정입경이 미세화되었지만, 이것은 현재 롤에 의한 냉각의 영향이 아니라고 판단된다.

    특히 후속 연구에서 장비의 보호가스 개선과 박판의 냉 각개선을 시도하여 더욱 미세한 박판제작이 가능하였으 며, 또한 롤 속도 100 m/min에서도 박판제작이 가능하 였다. 상세한 내용에 대해서는 추후 보고할 예정이다.

    <저자소개>

    한창석: 호서대학교 교수

    권용준: 호서대학교 학부생

    Figure

    MRSK-31-9-511_F1.gif

    Schematic diagram of the single roll melt drag method. (a) closed top type, (b) opened top type (v: roll speed, h1: meniscus position, h2: molten metal height).

    MRSK-31-9-511_F2.gif

    The shapes of the nozzle.

    MRSK-31-9-511_F3.gif

    Schematic diagram of experimental equipment of single roll.

    MRSK-31-9-511_F4.gif

    Photographs of pure magnesium.

    MRSK-31-9-511_F5.gif

    The results of measurement location and molten metal temperature of 770 °C in the turn-dish.

    MRSK-31-9-511_F6.gif

    Photographs of pure magnesium (pouring temperature: 770 °C).

    MRSK-31-9-511_F7.gif

    The relationship between the roll speed and strip thickness of pure magnesium (h1: 110 mm, h2: 15 mm, pouring temperature: 770 °C).

    MRSK-31-9-511_F8.gif

    Photographs of magnesium alloy AZ31 (pouring temperature: 740 °C).

    MRSK-31-9-511_F9.gif

    The relationship between the roll speed and strip thickness of AZ31 (h1 : 110 mm, h2 : 15 mm, pouring temperature : 740 °C).

    MRSK-31-9-511_F10.gif

    Crystal grain size measurement result and cross-sectional microstructure by roll speed.

    MRSK-31-9-511_F11.gif

    The relationship between the measured thickness of the thin plate and the grain size.

    Table

    Reference

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