ZK60A 마그네슘 합금의 전방압출조건에 따른 기계적 특성변화

Abstract

마그네슘 합금은 비강도가 높고 밀도가 낮아 알루미늄 합금을 대체하기 위한 소재로 주목 받고 있다. 하지만 마그네슘은 결정구조가 HCP 구조로 BCC, FCC의 결정구조를 가지는 타 금속에 비해 성형이 어려워 실적용에 어려움을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 마그네슘에 합금원소를 넣거나 압출, 압연등의 가공을 통해 기계적 물성을 향상시키는 방법들이 연구되고 있다. 일반적으로 마그네슘 합금에 참가되는 원소는 기계적 강도와 성형성을 향상시켜주는 Al과 Zn이 많이 사용되며 상용금속으로 Al과 Zn이 첨가된 AZ계열 합금과 Zn과 Zr이 첨가된 ZK계열 합금이 많이 사용된다. AZ계열의 합금은 연신율이 좋아 성형성이 뛰어나지만 기계적 강도가 낮아 강도를 요하는 구조용 재료로 사용하기에 적합하지 않다. 하지만 ZK계열의 합금은 AZ계열보다 연신율은 낮지만 강도가 우수해 구조용재료로 주목받고 있다. 그래서 이번 연구에서는 ZK계열 마그네슘합금 중 강도와 연신율이 우수한 ZK60A합금(Mg-Zn-Zr)주조재를 사용했으며 가공법으로는 알루미늄을 비롯한 다양한 금속에서 적용되고 있는 압출가공법을 이용하였다. 실험변수는 압출공정에서 소재에 큰 영항을 미치는 압출비와 압출온도를 변수로 두고 진행했으며 실험조건은 압출비 6,10,15,24와 압출온도 200, 250, 300, 350℃ 지정하였다. 압출한 뒤 소재의 기계적 물성과 미세구조의 변화를 분석하기 위해 인장실험을 하여 인장강도와 연신율을 측정하였으며 미세조직은 FE-SEM에 달려있는 EBSD장비를 통해 결정립의 크기와 집합조직등을 관찰하였다. 기계적 물성의 경우 압출비가 클수록 온도가 낮을수록 강도는 향상되었으며 연신율의 경우는 압출비가 커질수록 향상되었으며 압출온도가 낮아질수록 감소되었다. 이러한 차이는 소재가 압출공정을 거치면서 미세구조가 변하는데 압출조건에 따라 미세구조변화의 차이가 기계적 물성에 영향을 미친다고 판단된다. EBSD결과를 살펴보면 압출비가 커질수록 결정립크기가 줄어들며 압출온도에 대한 영향은 미비한 것으로 보여진다. 압출온도가 낮아질수록 압출방향으로 연신된 결정립들이 생겨 연신율이 압출온도가 낮아질수록 하락하는 것으로 판단된다. 결정립크기의 편차가 크지 않은데에도 압출비나 압출온도에 따른 변화가 나타나는 것은 집합조직에 영향이 있다고 보여지며 실제로 실험결과에서도 압출온도가 낮을수록 압출방향으로 집합조직이 성장하며 이러한 방향성이 강도와 연신율에 영향을 주어 낮은 온도에서 강도가 향상되지만 연신율이 하락하는 경향을 보이게 된다.