Korean Journal of Materials Research. January 2017. 53-61
https://doi.org/10.3740/MRSK.2017.27.1.53

ABSTRACT


MAIN

1. 서 론

마그네슘(Mg) 합금은 경량성, 진동흡수성, 전자파 차 폐성, 기계절삭성 등과 같은 특성이 우수하여 자동차, 항 공기, 전자·통신기기, 스포츠 용품 등에서 수요가 증가 하고 있고 최근에는 임플란트용 생체재료도 개발되고 있 다. 그러나 Mg는 조밀6방정(hcp) 결정구조를 가지므로 상 온에서 작동하는 슬립계가 밑면<a>슬립에 한정되어 연 성이 낮아 상온가공이 어렵다는 문제가 있다. 또 압연 이나 압출가공 시에는 밑면이 가공 면에 평행하게 배열 하는 밑면집합조직(basal texture)의 형성으로 <a>슬립이 두께방향으로 일어나기 어렵기 때문에 소성이방성이 발 생한다. 따라서 압연판재의 경우에는 신장성형성(stretch formability)이 불량하여 디프드로잉 성형이 곤란하다. Mg 합금의 성형성을 개선하는 방법으로는 RE(희토류 금속), Ca, Li 등을 첨가하는 고성형성 합금설계,1-3) 강소성 가 공이나 가공열처리에 의한 결정립 미세화,4-7) 집합조직의 완화를 위한 특수압연법8-10)등이 제안되고 있다. 그러나 실험실적 연구단계에 있거나 장치적인 문제, 생산성 문 제 등으로 아직 실용화에는 이르지 못하고 있다.

Mg합금의 수요증대와 함께 성형성 문제에 대한 대책 으로서 초소성 성형(SPF, superplastic forming)이 주목되 고 있다. SPF를 이용하면 복잡한 형상의 부품도 최종제 품에 가까운 실형상 성형(near net shape forming)이 가 능하므로 난가공성 문제의 해결에 더하여 공정단축과 재 료절약에 의한 비용절감을 기대할 수 있다. 초소성이란 다결정재료의 일축인장에서 변형응력이 변형속도에 크게 의존하여 국부수축(necking)이 일어나지 않고 수 백% 이 상의 균일한 연신율을 나타내는 현상을 말한다. 일반적 으로 일축인장에서 200 % 이상을 초소성 연신으로 지칭 하기도 하지만 점성활주(viscous glide)에 의한 고온 크 리프의 경우에도 200~300 %의 연신이 나타나므로 T.G. Langdon 등11)은 Mg합금의 초소성 요건에 관한 최근의 해설논문에서 입계미끄럼(GBS, grain boundary sliding) 기구에 의해 연신율이 400 % 이상이고 변형속도에 대한 민감도(strain rate sensitivity, m)가 0.5정도로 높은 경우 에 일어나는 연신을 초소성으로 정의하고 있다.

Mg합금의 초소성 특성은 일찍이 1969년 A. Karim 등12)에 의해 Mg-6Zn-0.5Zr합금에서 보고된 이래, 현재는 AZ31, AZ61, AZ91, ZM21, ZK60 등의 상용합금을 위 시하여 Mg-Li-Al계 합금, 희토류 첨가 Mg-Gd-Y합금, Mg-Nd-Y합금 등 많은 Mg합금에서 초소성이 보고되고 있 다. 특히 AZ31합금, AZ61합금에서는 결정립 미세화를 통 하여 1000 % 이상의 높은 연신율이 실현되고 있으며13-17) ZK60합금의 경우에는 473K에서 3,050 %의 기록적인 초 소성 연신이 보고되었다.18-19) 그러나 Mg합금의 초소성 연신은 대개 변형속도가 1 × 10−3s−1 이하로 매우 느린 경 우에 나타나므로 실용화 응용에는 생산성에 문제가 있 다. 또 GBS기구에 의한 초소성 변형은 결정립이 10 μm 이하로 미세한 경우에 나타나므로 Mg합금의 초소성은 대 부분이 ECAP (Equal Channel Angular Process)법, HPT (High Pressure Torsion)법, MDF (Multi-Direction Forging) 법과 같은 공업화가 어려운 강소성 가공(SPD)에 의해 실 현되고 있다. 따라서 Mg합금의 SPF를 실용화하기 위해 서는 높은 변형속도와 조대한 결정립에서 초소성을 실 현하는 것이 필요하다. 최근 이를 위한 연구개발이 활 발히 전개되고 있다. 본 보고에서는 금속재료의 초소성 기구를 개관하고, 각종 Mg합금의 초소성 특성, 높은 변 형속도와 조대한 결정립에서 초소성이 발현되는 Mg합금 및 SPF의 응용 예에 대하여 소개한다.

2. 초소성 기구

초소성 변형은 재료의 흐름이 확산속도에 의해 지배되 는 고온 크리프 영역(T ~− 0.5Tm)에서 일어나는 것으로 알 려져 있으며, 초소성 거동을 나타내는 재료의 유동응력 은 변형속도에 매우 민감하여 양자의 관계는 (1)식으로 표시된다.20)

(1)
σ=B1ε˙masadε˙=B2σn

여기에서, σ은 유동응력, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg는 변형속도, m은 유동응 력의 변형속도민감도, B1, B2는 상수, n은 변형에 대한 응력지수로서 1/m에 해당한다. 인장변형으로 국부수축이 일어나면 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 가 국부적으로 증가하여 소성유동을 유지하 는 데 필요한 유동응력이 크게 증가한다. 즉 국부적인 변형영역에서 가공경화가 일어난다. 따라서 m값이 크면 국부수축에 대한 저항이 커져서 초소성 재료는 높은 인 장변형 특성을 갖게 되어 연신율이 증가한다. https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg의 온도 의존성은 고온 크리프에서 유동기구를 나타내는 식으로 잘 알려진 (2)식으로 표시되며11) 이는 초소성변형의 구 성방정식에 해당한다.

(2)
ε˙=ADGbkBT(b/d)p(σ/G)n

여기에서, A는 무차원 상수, D는 확산계수, G는 전단 탄성계수, b는 Burgers 벡터, kB는 Boltzmann 상수, T 는 절대온도, σ는 가해진 응력, p는 변형기구에 의존하 는 상수로서 결정립도의 역수(d−1)에 해당한다. 초소성 유 동에서 p는 2와 3 사이에 있으므로 결정립이 미세할수 록 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 는 현저하게 증가한다. AZ31 Mg합금에서는 p = 3, n = 2가 보고되고 있다.21) 이는 결정립도가 한 차수 감 소하면 초소성의 변형속도는 103배 증가함을 의미한다. 따라서 결정립의 미세화는 높은 가공속도로 초소성 성 형을 가능하게 하는 방법이 된다.

유동응력의 변형속도민감도, m은 초소성 특성에서 매 우 중요한 인자로서 m = (logσ)/(loghttps://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg) = 1/n로 표시되 므로 logσ − loghttps://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 관계도의 기울기에서 구할 수 있다. logσ − loghttps://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 관계도는 Fig. 1에서와 같이 시간에 따른 크 리프 변형도와 유사한 S자형 곡선으로 표시되어 영역 I, II, III으로 구분된다.22) 영역I은 확산크리프 영역, 영역II 는 GBS기구가 작용하는 초소성 영역, 영역III은 크리프 변형률이 지수법칙(power law creep)을 나타내는 영역이 다. 영역II에서는 m이 최대로 되어 보통 0.3이상으로 높 고, p = 2~3의 값을 가지며, 영역I과 III은 m = 0.1~0.3의 범위이고 p는 각각 p = 2~3, p < 1의 값을 갖는다. 응력 지수 n은 영역II에서 최소로 되고 영역I, II에서 증가한 다. 변형온도의 상승과 결정립도의 감소에 따라 최대의 m 값이 증가하여 변형속도, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg가 증가한다. 일반적으로 Mg합금을 포함하는 금속재료의 초소성은 T ≥ 0.5Tm(융점) 와 d ≤ ~10 μm의 조건에서 나타난다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F1.jpg
Fig. 1

Schematic illustration of logarithmic stress/strain rate curve and the corresponding bell-shape strain rate sensitivity (m) curve for superplastic materials.

3. Mg합금의 초소성 특성

Mg합금의 초소성을 구현하는 데에는 결정립 미세화에 효과적인 ECAP법이 가장 많이 이용되어 왔으며 대표적 인 사례로서 ECAP가공조건, 결정립도 등 최대연신율에 도달하는 인장변형 조건을 Table 1에 총괄하였다.23) 대체 로 ECAP 가공 4~8패스에서 0.7~5 μm의 미세립이 얻어 지고 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=1× 10−5~ 10−3s−1의 변형속도에서 연신율 400 % 이상의 초소성 연신이 나타난다. AZ31합금은 ECAP온도 423~523K의 4~8패스 가공에서 460~1,210 %,13-15) AZ61합 금은 473K의 4~6패스 가공으로 1,000 % 이상의 높은 초 소성 연신을 보인다.16-17) ZK60합금은 매우 높은 연신율을 보여 2패스 가공으로도 473K, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 5 × 10−4s−1의 인장변형 에서 3,050 %의 기록적인 초소성 연신을 나타낸다.18-19) 특히 ZK60합금은 ECAP패스 수가 2, 4, 6회로 증가해도 결정립 크기는 0.8 μm으로 거의 변화가 없으므로 Fig. 218) 에서 보는바와 같이 ECAP패스 수에 관계없이 모든 시 편에서 500 % 이상의 높은 연신율을 보인다. ECAP가공 에 의한 결정립 미세화는 압출 또는 압연과의 복합공정 을 적용하는 경우가 많으며 정적재결정 조직의 형성을 위해 어닐링을 추가하는 경우도 있다.

Table 1

Summary of conditions for optimum superplasticity in Mg alloys processed by ECAP.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_T1.jpg
https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F2.jpg
Fig. 2

Appearance of specimens tested to failure at 473K with an initial strain rate of 1.0 × 10−4s−1 after processing by ECAP for different numbers of passes: the upper specimen is untested.

HPT법에 의한 Mg합금의 초소성 특성도 많이 보고되 어 왔으며 대표적인 사례를 Table 2에 총괄하였다.24) HPT 법은 결정립 미세화 효과가 우수하여 상온(RT) 가공에서 도 100~1000 nm의 초미세립이 얻어져 AZ61합금, ZK60 합금, AZ91합금 등의 상용합금에서도 각각 620 %, 415 %, 1308 %의 초소성 연신이 보고되고 있다.25-27) 그러나 HPT가공의 경우에도 대부분의 경우 초소성은 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=1× 10−4 ~ 10−3의 낮은 변형속도에서 나타나고 있다. 다만 희토류 를 첨가한 Mg-10Gd합금에서 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=1× 10−2s−1의 비교적 높은 변형속도에서 470 %의 연신율을 나타낸다.28) 최근 HPT법을 개량한 HPS (High-Pressure Sliding)법이 개발 되었다.29) 이 방법은 Fig. 3과 같이 금형과 플런저의 상 하 두 원형 공간에 두 개의 봉재(●)를 끼우고 금형에 고압을 가하면서 플런저를 밀어 넣어 재료에 압축과 전 단변형을 부여한다.29) AZ61합금에 금형압력 1.3GPa, 온 도 473K에서 3회의 HPS를 적용한 결과에서는 450 nm 의 초미세립이 얻어져 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=3.3 × 10−4s−1~ 2.0 × 10−2s−1의 변형속도에서 350 % 이상의 초소성 현상이 보고되었다. 지 금까지 HPT법의 적용은 주로 판재에 한정되어 왔지만 HPS법은 봉재에도 적용할 수 있는 특징이 있다.

Table 2

Summary of superplasticity data in ultrafine- and nano-grained magnesium alloys processed by HPT.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_T2.jpg
https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F3.jpg
Fig. 3

Schematic illustration of High-Pressure Sliding (HPS). (a) Cross sectional view and (b) Three dimensional view.

4. Mg합금의 고변형속도 초소성(HSRS)

초소성 성형은 복잡한 형상의 부품을 실형상으로 성형 하는데 유효하므로 재료를 절약하고 공정을 단순화할 수 있는 이점이 있지만 Table 1 및 Table 2에서 보는 바와 같이 Mg합금의 초소성은 대개의 경우 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg<1× 10−3s−1 의 낮은 변형속도에서 나타나므로 산업적 응용에는 생산속 도가 늦다는 문제가 있다. 따라서 높은 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 에서 초소성 (HSRS; High Strain Rate Superplasticity)을 갖는 재료 의 개발이 필요하며 HSRS의 실현에는 결정립 미세화와 높은 변형온도가 요구된다. 전술한 Fig. 1의 영역 II와 III에서 HSRS을 얻기 위한 변형온도(T)와 결정립도(d)의 조건을 모식적으로 나타내면 Fig. 4와 같다.30) 하부의 굵 은 선과 같이 T1(< T2)과 d1(> d2)에서는 낮은 응력에서 초소성이 나타나지만 높은 응력에서는 통상적인 전위크 리프로 전환된다. T1에서 결정립이 d2로 작아지면 초소 성 영역은 위로 올라가지만 높은 응력에서 전위크리프 기구는 결정립도와 무관하므로 변화가 없다. d1은 그대 로이고 온도가 T2로 높아지면 초소성과 전위크리프가 모 두 위로 상승한다. 따라서 HSRS를 위해서는 고온변형 이 가능하도록 미세조직의 열적안정성을 높이거나 초기 결정립의 미세화가 필요하다. 그러나 고온에서는 결정립 성장이 수반되므로 상충되는 두 가지 요건을 극복하는 재료설계가 필요하다. 따라서 HSRS는 고온에서 안정한 내열성 Mg합금에서 용이하게 실현될 수 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F4.jpg
Fig. 4

Schematic illustration of strain rate vs. stress showing the potential for achieving high strain rate superplasticity by decreasing the grain size and/or by increasing the testing temperature.

Table 3https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=10−1~ 10−2s−1의 비교적 높은 변형속도에 서 초소성을 나타내는 합금을 총괄하였다. 523K 이상에 서 높은 크리프 저항성을 갖는 내열합금으로 개발된 희 토류(RE)를 함유한 Mg-Y-RE계 WE43합금, Mg-Y-Nd계 WE54합금, Mg-Gd-Y-Zr 합금 등은 고온안정성이 우수하 고 Mg11NdY2, Mg2Nd, Mg24Y5와 같은 미세한 석출물이 고온에서 결정립 성장을 억제하므로 고온의 높은 변형 속도에서 초소성이 달성된다. 결정립미세화 방법으로는 미 세립의 형성에 효과적인 마찰교반법(FSP; Friction Stir Process)과 분말소결체를 압출하는 방법(PM+Extrusion)이 많이 이용되는 점이 주목된다. Fig. 5에 Mg-4.27Y-2.94 Nd-0.51Zr(wt%) 조성의 합금을 수중 FSP (Submerged FSP)법에 의해 결정립을 1.3 μm으로 미세화한 경우의 초 소성 특성을 나타내었다.32) HSRS는 683K, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 1 × 10−1 s−1의 변형조건을 제외하고 1 × 10−2s−1의 높은 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg에서 실 현되고 있다. 즉 758K, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=2 × 10−2s−1에서 최대연신 900 %가 달성되었으며 특히 708~758K, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=1 × 10−1s−1의 높 은 변형속도에서 500 %이상의 초소성 연신을 보인다. 733~758K의 변형온도와 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg>1× 10−2s−1에서 변형속도민 감도는 m = 0.61의 비교적 높은 값을 보이고 있다.

Table 3

A summary of HSRS in Mg alloys at a strain rate range of https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 1 × 10−2~ 10−1s−1.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_T3.jpg
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Fig. 5

Variation of (a) elongation and (b) flow stress as a function of initial strain rate for the Submerged FSP specimens at different temperatures.

5. 조대한 결정립 재료의 초소성 특성

전술한 바와 같이 변형속도의 증대에는 결정립 미세화 와 고온변형이 필요하다. 결정립 미세화에는 ECAP법, MDF법, HPT법 등과 같은 SPD법을 다단계(multi-pass) 로 사용해야 하므로 공업적 응용이 어렵다. 최근 통상 적인 압연에 의해 입경 16 μm의 결정립을 갖는 AZ61 합금의 경우 변형속도 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=10−3~ 10−2s−1에서 400~950 % 의 초소성 현상이 관찰되고,40) 초기 결정립이 39.5 μm인 AZ91합금에서도 573K에서 604 %의 초소성 연신이 보 고되었다.41) 이와 같이 비교적 조대한 결정립에서도 초소 성이 나타나는 것은 초기의 변형과정에서 연속적인 동 적재결정(DRX)에 의해 결정립이 10 μm 이하로 미세해 졌기 때문이다. 고온용 Mg합금으로 개발된 Mg-Gd-Y합 금은 내열성이 우수하여 우주항공용으로 유망하다. 이와 유사한 성분과 조성을 갖는 Mg-9.0Gd-4.0Y-0.4Zr 합금 에서도 초소성이 관찰되었다. 열간압연으로 결정립이 66 μm으로 조대한 판재가 변형과정에서의 DRX과 제2상 석출물에 의한 피닝효과 때문에 결정립은 12 μm으로 미 세해져 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=5× 10−4s−1, 708K의 인장변형에서 380 %의 연신율이 보고되었다.42-43) 또 J. L. Li 등44)은 Mg-9.0Gd- 3.0Y-0.5Zr(wt%) 조성의 GW93K 합금을 다축단조법 (MDIF; Multi-Direction Impact Forging)으로 가공한 후 723K 어닐링으로 76 μm의 정적재결정립을 얻고 이로부 터 Fig. 6과 같은 초소성 현상을 보고하였다. 즉 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 1 × 10−3s−1, 435 °C(708K)와 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=1× 10−3s−1https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg=5× 10−4 s−1, 450 °C(723K)의 인장변형에서 200 % 이상의 초소성 연신이 나타나고 있다. 이는 변형과정에서 DRX 에 의해 결정립은 47 μm으로 되어 전위활주에 율속되는 전위크리프에 의해 비교적 조대한 결정립에서도 초소성 현상이 나타난다고 설명하고 있다.

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Fig. 6

Variation of elongation (a) with temperature and (b) with initial strain rate for the MDIFed GW93K alloy.

100 μm 이상의 극히 조대한 결정립에서도 초소성 연 신이 보고되어 주목된다. 열간압연으로 300 μm의 조대한 결정립을 갖는 AZ31합금에서는 Fig. 7에서와 같이 773K, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 1 × 10−3s−1에서 최대 연신율 320 %가 달성되었다.45) 이는 전위슬립과 전위상승에 의해 결정립이 약 30 μm으 로 미세화 하는 초기변형 단계를 거쳐 초소성 변형이 일 어나기 때문으로 설명되고 있다. 최근 Lin 등은 154 μm 의 조대한 결정립을 갖는 Mg-10.73Li-4.49Al-0.52Y(wt%) 합금은 523K, = 5 × 10−4s−1에서 512 %의 초소성 연신 을 나타내며, https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg = 1 × 10−2s−1의 높은 변형속도에서도 473~ 623 K에서 150 % 이상의 준초소성을 갖는다고 보고하였 다.46) 이는 변형 중에 DRX에 의해 결정립이 GBS가 일 어날 수 있는 22.7 μm 이하로 미세해졌기 때문으로 설 명되고 있다. Fig. 8은 여러 변형온도에서 유동응력과 변 형속도의 관계를 나타낸 것으로서 이로부터 변형속도민 감도를 구하면 m = 0.35~0.53의 범위에 있으므로 초소성 기구는 전위의 점성활주(viscous glide)와 GBS의 조합에 의한 것으로 설명된다.46) 이상과 같이 초기 결정립이 조 대하더라도 변형초기에 결정립 미세화가 일어나는 것으로 밝혀져 GBS기구에 의한 초소성 유동의 틀에서 벗어나지 않고 있다. 이와 같이 통상의 압연이나 압출공정으로 얻 을 수 있는 조대한 결정립에서도 초소성 변형이 가능하 므로 SPF의 적용성과 경제성에 관심이 모아지고 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F7.jpg
Fig. 7

Elongation obtained at different strain rate and temperature for AZ31 alloy.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F8.jpg
Fig. 8

Variation of flow stress as a function of strain rate showing stain rate sensitivity at different temperatures for Mg-10.73Li-4.49Al- 0.52Y (wt%) alloy.

6. 초소성 성형의 응용

전술한 바와 같이 AZ계열이나 ZK계열의 상용 Mg합 금에서도 수백%의 초소성 연신을 보이며 1 × 10−2s−1의 빠른 변형속도와 수십μm의 조대한 결정립에서도 초소성 특성이 발현되므로 초소성 성형(SPF)의 응용이 기대된 다. SPF는 Fig. 947)와 같이 속이 빈 금형 내에 기체의 압력으로 재료를 밀어 넣어 금형의 내부형상으로 성형 하는 방법이다. 플라스틱 성형에서는 Blow Molding이라 부른다. SPF는 복잡한 형상의 실형상 성형이 가능하여 재료절약과 공정단축으로 비용이 절감되며 설계의 자유 도가 크다는 장점이 있다. 또 통상의 프레스 성형에서 발생하는 스프링백(spring back) 현상도 SPF에서는 발생 하지 않는다. 금속재료의 경우에는 항공기 부품, 의료용 임플란트, 고급자동차 부품 등의 제조에 Ti합금과 Al합 금의 SPF가 적용되고 있다.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F9.jpg
Fig. 9

Schematic view of superplastic blow forming technique.

SPF를 위해서는 재료의 인장속도(https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg)에 따르는 강도와 연신율의 변화를 아는 것이 중요하다. Fig. 10은 결정립 이 각각 5 μm, 8 μm인 AZ31과 AZ61합금의 인장시험 (563K) 결과로서 https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_I1.jpg 가 증가할수록 강도(변형저항)는 증 가하고 연신율은 감소한다.48) AZ31합금은 AZ61합금보다 20~30 %의 높은 연신율을 보이는데 인장속도 0.5 mm/ min은 100 mm/min에 비하여 3배 이상의 연신율을 나타 낸다. 인장속도가 느린 경우에는 DRX에 의한 결정립 미 세화가 GBS를 발현시켜 초소성 현상이 나타나기 때문 이다. 파단부에서 관찰되는 5 μm이하의 등축정과 균일연 신이 이를 입증한다. Fig. 11은 금형공간 110 mmφ, 가 스압력 40MPa로 573K에서 AZ31합금의 SPF를 실시한 결과로서 단순형상(left)은 물론이고 복잡한 계단형상(right) 에서도 금형과 동일한 형상으로 성형된다. 이와 같은 성 형에는 30초가 소요되었다.48)

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Fig. 10

Variations of tensile strengths according to tensile speed.

https://cdn.apub.kr/journalsite/sites/mrsk/2017-027-01/N0340270110/images/MRSK-27-1-53_F11.jpg
Fig. 11

Blow formed products from AZ31 Mg alloy by superplastic forming technique at 573K.

Fig. 12는 결정립이 6.6 μm인 두께 1.3 mm의 AZ31합 금 판재를 673K로 가열된 금형에서 N2가스 취입에 의 해 성형한 결과로서 복잡한 엠보싱 형상을 잘 재현하고 있다.49) FEM모델 해석으로 성형두께의 분포를 계산하여 실측치와 비교하면 Fig. 13에서와 같이 오목한 부분을 제 외하면 실측치와 잘 일치하여 시뮬레이션 모델에 의한 부위별 성형두께의 예측도 가능하다. Al합금이나 Ti합금 에 비하여 Mg합금의 SPF는 실용화가 지체되고 있으나 최근 일본의 NIPPI사는 Mg합금 압출재에 초소성을 부 여하여 복잡한 형상으로 성형하는 SPF법을 개발하고 무 인기 동체의 구조부품을 제조 하는 데 성공하였다.50) 이 와 같이 Mg합금의 SPF는 부가가치가 높은 제품을 중 심으로 실용기술로서 응용이 진행될 것으로 예상된다.

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Fig. 12

The configuration of the workpiece deformed by gas blow forming. (a) side view, (b) top view.

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Fig. 13

Thickness distribution of the SPF product predicted by simulation and measured experimentally.

7. 결 언

지구환경 보전을 위한 온실가스의 저감화 차원에서 연 비절감을 위한 경량화가 자동차와 항공산업의 중요한 과 제가 되고 있다. Mg합금은 경량화를 위한 구조설계에 가 장 적합할 뿐 만 아니라 전자파 차폐성과 댐핑특성도 우수하여 전자기기, 통신기기, 스포츠용품 등에도 수요 가 증가하고 있으며 최근에는 Mg합금의 생분해성(biodegradation) 을 활용하는 생체용 임플란트도 활발히 연구 되고 있다. Mg합금이 갖는 최대의 결점은 조밀육방정 결 정구조에서 오는 슬립계의 제한 때문에 상온 성형성이 불량하고, 압연이나 압출과 같은 가공에서 밑면집합조직 (basal texture)이 형성되어 기계적 특성의 이방성이 생기 는 점이다.

초소성 성형(SPF)은 Mg합금 판재의 성형문제를 해결 하는 방안 중의 하나가 될 수 있다. 초소성이란 인장변 형 시에 국부수축(necking)이 일어나지 않고 수백%의 균 일연신을 나타내는 현상을 말한다. 이를 이용하는 SPF 법은 복잡한 형상을 갖는 구조부품의 실형상 성형이 가 능하므로 공정단축에 의한 성형비용의 절감과 설계의 자 유도가 크다는 장점이 있다. Mg합금의 경우 AZ31, AZ61, AZ91, ZK40, ZK60, WE43과 같이 수요가 많은 상용합 금에서도 초소성 현상이 나타나고 있다. 다만 상용합금 들의 초소성 특성은 대부분이 변형속도가 1 × 10−3s−1 이 하로 느린 경우에 나타나므로 응용의 경우에는 생산성 에 문제가 있다. 따라서 높은 변형속도에서 초소성을 갖 는 HSRS (High Strain Rate Superplasticity)재료의 개 발이 필요하다. HSRS의 실현에는 결정립 미세화와 고 온변형이 요구된다. 그러나 고온에서는 결정립 성장이 수 반되므로 상충되는 두 가지 요건을 만족시키는 재료기 술이 필요하다. 고온강도가 우수한 RE함유 Mg합금은 석 출물에 의한 피닝효과 때문에 고온에서도 미세조직이 유 지되어 HSRS특성을 갖는다. 양산성을 고려한 상용합금 의 SPF를 위해서는 HSRS특성을 갖도록 열적안정성을 부 여하는 합금개량이 필요하다.

Mg합금의 SPF에는 가스블로우법(Gas Blow Technique) 을 이용할 수 있다. 이 방법은 플라스틱의 성형법으로 통칭되는 Blow Molding법과 동일하므로 기술적으로 확 립되어 있는 방법이다. Mg합금에도 실험적으로 적용되 어 성형성이 실증되고 있으며 SPF법으로 제조한 무인비 행기의 동체부품이 실용되고 있다. 앞으로 Mg합금의 초 소성 성형은 부가가치가 높은 구조부품의 제조방법으로 서 실용화가 진행될 것으로 전망된다.

Acknowledgements

This paper was made from a part of the report on "Improvement of Formability of Magnesium alloys", which was prepared through the KISTI ReSeat Program supported by The Science and Technology Promotion Fund and The Lottery Ticket Fund of Ministry of Science, ICT and Future Planning of Korea.

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