The Characteristics of Hydrostatic Extrusion for …마그네슘 합금(AZ31)의 정수압 압출 특성 The Characteristics of Hydrostatic Extrusion for Magnesium Alloy (AZ31) 2006

工學碩士學位論文

마그네슘 합금(AZ31)의 정수압 압출 특성

The Characteristics of Hydrostatic Extrusion

for Magnesium Alloy (AZ31)

2006 年 8 月

仁荷大學校 大學院

機械工學科 ( 固體 및 生産工學 專攻 )

徐 榮 元

工學碩士學位論文

마그네슘 합금(AZ31)의 정수압 압출 특성

The Characteristics of Hydrostatic Extrusion

for Magnesium Alloy (AZ31)

2006 年 8 月

指導敎授 趙 鍾 斗

이 論文을 工學碩士學位 論文으로 提出함

仁荷大學校 大學院

機械工學科 ( 固體 및 生産工學 專攻 )

徐 榮 元

이 論文을 徐榮元 의 碩士學位 論文으로 認定함

2006 年 8 月

主審

副審

委員

zahidStamp

< 차 례 >

요약문 i

ABSTRACT iii

NOMENCLATURES ⅴ

List of Figures vi

제 1 장 서론 1

1.1 연구 배경 및 목적

제 2 장 연구 이론 4

2.1 마그네슘의 개요

2.2 정수압 압출 개요 및 원리

-1-

제 3 장 정수압 압출 실험 14

3.1 실험 준비

3.2 정수압 압출 실험

제 4 장 결과 및 고찰 20

4.1 압출온도에 따른 압출압력변화

4.2 다이반각에 따른 압출압력변화

4.3 압출비에 따른 압출압력변화

4.4 미세조직 및 기계적 특성 평가

제 5 장 결론 24

참고 문헌 47

-2-

요 약 문

마그네슘 합금은 자동차 및 선박 그 외에 기타 산업분야에서

요구되는 경량성을 지닌 금속중의 하나이기 때문에 산업적으

로 그 활용도가 상당히 높다. 하지만 마그네슘 합금은 금속조

직학적 구조가 HCP 구조로 일반적으로 성형성이 안 좋은 합

금으로 알려져 있다. 이러한 마그네슘 합금의 성형성 향상을

위해 많은 공정이 적용되었지만 공정이 까다로워 1 차 세계대

전과 2 차 세계대전과 같은 특수한 경우에만 쓰이고 그 이후

에는 활용도가 급격히 떨어진 금속이다.

본 연구에서는 마그네슘 합금의 압출 성형 조건과 압출압력

과의 관계에 대해 연구를 하였다. 좋은 성능의 마그네슘 합금

부품을 만들기 위해서는 중간재의 성능 역시 중요하지만 마그

네슘의 특성상 일반적인 압출법으로는 많은 한계점이 존재한

-i-

다. 이러한 한계를 정수압 압출이라는 공정을 이용하여 중간

재 마그네슘 합금을 성형하였다. 정수압 압출은 일반적인 압

출과는 달리 Container 안에서 정수압 상태를 만들어서 압출

을 하기 때문에 취성이 강한 재료도 쉽게 압출할 수 있는 특

징이 있다. 따라서 일반적인 공정에서 성형성이 안 좋은 마그

네슘 합금을 성형하는데 적합한 공정으로 알려져 왔다.

최적의 압출 조건을 찾기 위하여 압출온도, 다이반각, 압출비

에 따른 압출 압력의 변화를 관찰하였다. 또한 여러 가지 조

건에 따른 미세조직의 변화를 관찰하고 기계적 특성변화도 살

펴 보았다.

-ii-

ABSTRACT

Magnesium alloy is the lightest structural material being used

in aerospace and automobile industry. It has high specific strength, high

stiffness and good damping capacity. Furthermore, magnesium

resources are abundant and magnesium products can be easily recycled .

However, due to limited formability, magnesium based alloys are not

used widely. Nowadays, most of the products of magnesium are

manufactured by the die-casting process but the die-cast products does

not have sufficient strength to be widely used as automobile components.

Therefore it is necessary to improve the strength by other forming

techniques like rolling or extrusion process etc. In this experimental

thesis paperwork , hydrostatic extrusion process was used to increase the

strength of Mg-alloy(AZ31) , and the relationship among the extrusion

pressure, the half die angle, and the extrusion speed was explored.

Extrusion is a deformation process used to produce long, straight, semi-

finished metal products such as bar, solid and hollow sections, tubes,

wires and strips. In the conventional extrusion process, the billet is

extruded by ram of the press. But in hydrostatic extrusion, the billet in

the container is extruded through a die with a liquid acting as a pressure

medium, instead of by the direct application of the load by a ram.

-iii-

Though this process is little complicated, the hydrostatic extrusion is

found to be more effective than the simple extrusion.

The objective of this paper is to deal with the change in extrusion

pressure, yield strength and microstructures for various temperatures,

extrusion ratios, half-die angles, and average grain size during hot

hydrostatic extrusion. Increase in the extrusion ratio and elevated

temperature, also increase the extrusion pressure. There is little change

of the extrusion pressure when the half-die angle varies from 30° to 60°.

The half-die angle seems to have little affect on the extrusion pressure.

In the tensile test, yield strength at 250℃ is the largest among all the

other elevated temperatures. This is because the microstructure of

extruded AZ31 rod at 250℃ has many of large grains with a long

extension compared with the others at 200℃ and 300℃. The elongation

in tensile test increases as extrusion ratio decreases. Average grain size

during hot hydrostatic extrusion process is much smaller than that of

cast billet.

-iv-

NOMENCLATURES

MgW weight of the magnesium

SW weight of the steel

Mgd density of the magnesium

Sd density of the steel

MgE elastic modulus of the magnesium

SE elastic modulus of the steel

η Loss coefficient

ε equivalent plastic strain

σ flow stress

R extrusion ratio

p pressure of the fluid

bl length of the compression specimen

bA area of the cross-section

-v-

List of Figures

Table 1 마그네슘과 다른 금속과의 특성 비교

Table 2 소재별 기계가공성 비교

Table 3 Mechanical properties used in simulation of the

cantilever fabricated by Honda et al.

Table 4 Composition of magnesium alloy – AZ31

Table 5 Experiments Conditions

Table 6 Mechanical Properties of Magnesium alloy, AZ31

Fig.1 마근네슘합금과 알루미늄 합금의 전자파 차폐성 비교

Fig.2 마그네슘 합금과 다른 금속의 진동감쇠능 비교

Fig.3 Flow curve

-vi-

Fig.4 Hot Hydrostatic Extrusion Machine

Fig.5 Sputter experimental equipment

Fig.6 as-casted Billets for hydrostatic extrusion

Fig.7 the Procedure of the Hydrostatic Extrusion

Fig.8 Hydrostatic extrusion pressure Vs. extrusion Temperatures

Fig.9 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half Die Angle

Fig.10 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half die angle

Fig.11 Hydrostatic Extrusion Pressure Vs. Extrusion Ratio

Fig.12 Optical Microstructure of AZ31 alloys at 250℃

Fig.13 Optical Microstructure of AZ31 alloys at 300℃

Fig.14 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen

at various Extrusion Ratio

Fig.15 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen

at various Extrusion Ratio

-vii-

제 1 장 서론

1.1 연구 배경 및 목적

(1) 마그네슘합금의 기술 개발 및 연구동향

최근 환경오염 및 지구 온난화에 대비하기 위해

선진국을 중심으로 각종 환경규제를 강화하여 환경오염을

줄이기 위해 세계 각국은 노력을 기울이고 있다 . 특히

환경오염의 주범으로 인식되어오는 자동차 산업분야에서

이를 위해 보다 성능이 우수한 자동차를 개발하기 위하여

자동차의 연비향상에 대한 막대한 투자와 연구개발을

수행하고 있다 . 특정 제품 군에 사용되는 마그네슘 합금은

경량화나 여러 가지 기능적인 측면 외에 일반인에게

전달하는 홍보효과가 크기 때문에 휴대용 전자제품의

경량화를 위한 부품 사용이 많이 늘고 있다 .

- 1 -

마그네슘 합금은 밀도가 1 .8 정도로 철의 23%,

알루미늄합금의 65%로써 현재까지 개발된 상용 구조용 합금 중에서

최소의 밀도를 가진다. 더욱이 유사한 밀도를 갖는 고분자 복합재료에

비해 강도가 월등히 우수하고 비교적 고온에서도 적용이 가능하며

재활용이 가능하다는 특징이 있다. 대부분의 금속 재료가 한정된

매장량으로 인하여 자원 고갈의 위기를 맞고 있는데 반하여,

마그네슘은 광성 매장량이 풍부하고 해수로부터 거의 무한정으로

채취가 가능하여 원료 수급이 매우 안정적이다.

3/g cm

현재 가장 일반적인 마그네슘 합금 부품 제조법은

다이캐스팅법이다. 대표적인 액상성형법인 다이캐스팅법은 복잡한

형상의 제품을 대량으로 제조할 수 있다. 지금까지의 마그네슘합금

부품은 주로 다이캐스팅 공정을 위주로 한 일반적인 주조공정에

의하여 제조되어 왔으며, 그 적용분야도 강도 및 내열성이 크게

요구되지 않는 주로 case 류 및 steering wheel, instrument panel, seat

frame 등에 국한되어 왔다. 따라서 마그네슘합금의 구조용 재료로서의

적용범위를 확대하기 위해서는, 고강도 가공용 마그네슘합금을

적요하는 부품제조에 대한 연구가 필요한 상황이다. 구조용 부품

제조를 위해서는 내열합금개발, 고강도, 고인성, 고성형성 가공용 소재

개발 및 압출, 압연, 단조 공정 등에 관한 연구가 필요한 실정이다.

- 2 -

(2) 연구목적

현재 마그네슘합금의 제조방법 중 90% 이상이 다이캐스팅

공정에 의하여 제조 된다. 다이캐스팅 공정에 의하여 생산된

마그네슘합금 부품은 재료, 다이캐스팅 기계 및 금형 등과 관련된

공정변수에 의하여 품질이 좌우된다. 하지만 다이캐스팅부품들은

강도가 높지 못하고 중간재로서의 연신율도 그리 좋은 편이 아니다.

단조공정을 통해 제조되는 기계구조용 부품들을 만들기 위해서는 1 차

가공에서 어느 정도 우수한 강도와 연신율을 얻을 수 있어야 한다.

이러한 단점을 보완하기 위해서 주로 압출이나 압연 같은 소성가공

공정을 거쳐야 한다.

압출공정에는 직접압출법이 가장 흔하게 쓰이는 공정이다.

마그네슘은 400℃이상의 고온에서 성형을 하여야 표면이 매끄럽고

안정적으로 성형을 할 수 있다. 하지만 고온에서의 작업은 작업의

불편성뿐만 아니라 에너지 측면에서 볼 때 상당히 불리한 조건이 아닐

수 없다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 정수압 압출을 이용하여

압출압력을 줄이고 성형온도 또한 줄여서 성형성과 성형온도를

줄이려는 연구가 필요하다.

이번 연구에서는 마그네슘 합금을 이용한 정수압 압출의 특성을

살펴보았다. 직접압출법보다 압출압력 및 성형온도 측면에서 보다

우수한 정수압 압출의 여러 가지 공정변수가 압출압력에 미치는

영향에 대해 연구를 하는 것이 목적이다.

- 3 -

제 2 장 연구 이론

2.1 마그네슘의 개요

마그네슘은 지각 중 6 번째로 풍부한 금속으로 1808 년 영국의

화학자 H. 데이비가 처음으로 발견하여 알려지게 되었다. 마그네슘

합금이 구조용 재료로 사용된 것은 1920 년대부터이며 최근 자동차

경량화와 IT 산업의 전자부품 케이스 등에 적용이 확대되어 그

사용량이 급증하고 있다.

마그네슘 합금의 주요한 장점은 다음과 같다.

(1) 경량화/고비강도

마그네슘 합금의 가장 큰 특징중의 하나는 경량성이다. 대부분의

마그네슘 합금 응용부품은 굽힘 응력을 받게 되면, 굽힘 응력에 대한

저항성이 중요한 설계 요소가 된다. 굽힘 하중을 받는 빔이나 패널

설계시 최소두께와 하중은 ‘ Materials Performance Index ‘의 개념으로

- 4 -

계산되며, 이를 철강소재와 비교하였을 때의 동등굽힘탄성율(Equal

Bending Stiffness, EBS)로 변환하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

3Mg Mg s

s s M

W d EW d E

= ×g

(1)

여기서 E 와 는 각각 탄성계수와 밀도를 나타낸다. EBS 란 철강과

동등한 굽힘탄성율을 나타낼 수 있는 마그네슘합금의 무게를 말한다.

마그네슘 합금 AZ91 의 경우 위의 식으로 계산한 값은 0.39 로서 이

수치는 AZ91 의 경우 철강과 동일한 굽힘탄성율을 나타내는 조건에서

철강대비 61%의 중량감소 효과가 있다. < Table 1 >에서 알 수 있듯이,

마그네슘 합금의 탄성율/밀도 값은 알루미늄이나 철강과 유사하지만,

부품설계 시에 사용되는 지수인 EBS 를 계산해 보면, 알루미늄

합금이나 또는 플라스틱 비해 중량 감소 효과가 훨씬 크다는 것을 알

수 있다.

d

(2) 전자파 차폐성(EMI/RFI shield)

마그네슘 합금은 경량합금이지만 전자파 차폐성이 우수하여

최근까지 휴대폰 EMI shield panel 로 각광을 받아 가장 많이 사용되고

있다. 마그네슘의 전자파 차폐성을 알루미늄과 비교해 볼 때,

마그네슘이 보다 효과적이다. 그 이유는 < Figure 1 >에서 보는 바와

같이 주파수가 증가함에 따라 EMI 차폐를 위한 유효두께가 줄어들고,

- 5 -

마그네슘합금이 알루미늄합금에 비해 밀도가 낮을 뿐 아니라 얇게

주조할 수 있기 때문이다. 따라서, 1 MHz 이상의 주파수에서는 저

밀도의 마그네슘이 알루미늄보다 효과적으로 전자파를 차단하며, 실제

전자기기에 대한 적용범위도 더 광범위하다.

(3) 우수한 Recycling

마그네슘합금은 종류에 따라서 다소 차이가 있으나 650℃∼680℃의

저온에서 용해가 가능하기 때문에 재생에 필요한 Energy 소모가 적다.

특히, 최초의 마그네슘 잉곳 제조시 필요한 Energy 의 1/4 정도만

으로도 재생이 가능하므로 Energy 절약효과가 매우 높다. 현장의

생산공정에서 회수된 마그네슘은 재생 용해해서 불순물을 제거하고

성분을 환원 가감하여 새로운 합금과 동등한 상태에서 재사용이

가능하다.

(4) 높은 치수안정성

마그네슘합금의 치수안정성은 아주 우수하며, 수축률이 일정하고 그

정도도 예측이 쉽다. 주조된 마그네슘합금 부품은 금형에서 제거할

때에 뒤틀림이 적고 잔류응력도 최소 수준이므로 풀림처리 등이

불필요하다. 마그네슘합금은 150℃에서 100 시간을 가열해도 변형량은

정도이고 100℃이하에서는 무시해도 되는 치수 안정성을

가지고 있다.

66 10−×

- 6 -

(5) 우수한 절삭성

마그네슘합금은 절삭저항이 적어 어떤 구조용 금속보다 피삭성이

좋고 절삭속도가 빠르다. 따라서, 기계 가공시간을 단축시키고 동력을

절약할 수 있을 뿐 아니라 공구의 수명도 연장시킬 수 있다. < Table

2 >에서 나타낸 바와 같이 기계가공성의 척도를 나타내는

machinability index(MI)를 비교해 보면, 마그네슘 합금의 MI 는

알루미늄합금에 비해 1.67 배 높고 철강에 비해 약 5 배정도 우수하다.

(6) 우수한 진동감쇠능

마그네슘합금은 진동감쇠능이 우수하여 에너지의 흡수율이 높고,

소음 및 진동을 쉽게 감소시키는 재료이므로 전자부품이나 최근

자동차 소음감쇄를 위해 clutch housing 이나 Transmission

case 등으로 사용되고 있다. 진동감쇠능을 평가하는 방법으로는

손실계수(Loss coefficient: η )를 측정하는 것으로 일반적으로

탄성계수가 낮을수록 damping 특성이 증가하는 경향을 나타낸다.

- 7 -

2-2 정수압 압출 개요 및 원리

(1) 개요

정수압(Hydrostatic Pressure)의 아이디어는 19 세기 초에 이미

나왔으며 1893 년에는 영국에서 『James Robertson』에 의해 특허로

출원이 되었다. 그러나 정수압이 금속 및 다른 재료의 연성을

증가시키는 것에 대한 실험적인 증명은 아직 이루어지지 않은

상태였다. 그러한 실험적인 증명은 1949 년 『Bridgman』이 현재

“Bridgman Seal”이라고 불리는 고 압력용 sealing system 을 개발하고

나서야 이루어질 수 있었다.

영국에서는 National Engineering Laboratory 에서 근무하는

『Pugh』에 의해 정수압 압출에 대한 체계적인 작업이 진행되어왔다.

소련연방에서는 1957 년 『Vereshchagin』에 의해 고압력에 대한

연구가 진행되었다. 일본의 경우에는 일찍부터 정수압이 기계적

성질에 미치는 영향의 중요성을 인식하고 『Nishihara』를 중심으로

활발하게 연구가 진행되어왔고 그 이후 『Nishihara』가 “Kobe

Steel”로 옮기면서 산업적인 측면에서 많은 연구가 이루어졌다. 이

당시 주요한 회사로는 미국회사인 『Western Electric Company』,

- 8 -

스웨덴회사인 『ASEA』, 일본의 『Kobe Steel』 그리고 몇몇의

기업들이 새로운 기술을 사용하였다. 높은 압출비는 아주 유용한

이점이 되었으나 한번밖에 압출을 할 수 없다는 단점이 여전히 남아

있는 상태였다.

“Batch-type”의 압출의 단점을 해결하기 위해 연속압출법에 대한

연구가 진행되었다. 『Fuchs』 의 “Continuous Extrusion with

Viscous Drag”, 『Green』의 “Continuous Extrusion Forming”,

『Black』과 『Voorhes』의 “Linear Continuous Extrusion” 등과

같이 여러 연구가 진행되었다. 그 중에서 흔히 “Conforming”으로

불리던 『Green』의 “Continuous Extrusion Forming” 연구가 가장

진보된 연구였다.

(2) 정수압 압출의 원리

정수압 압출의 가장 큰 특징은 시편과 압출용기 벽과의 마찰이 거의

없다는 점이다. 그래서 시편의 길이에 제한이 없다는 점 또한 일반

압출과 비교하였을 때 장점 중의 하나이다.

정수압 압출은 압출비, 금형각도, 재료의 유동응력뿐만 아니라

금형과 시편의 마찰력 등 여러 가지 변수에 의해 영향을 받는다. 압출

- 9 -

압력을 줄일 수 있는 가장 효과적인 방법은 압출온도를 증가시키는

것이지만 이는 경제적인 측면도 고려해야 하기 때문에 최적의 방법은

아니다.

일반 직접압출에 비해 낮은 마찰력 때문에 정수압 압출공정은 더

낮은 금형각도와 더 높은 압출비를 이용할 수 있다. 낮은 마찰 때문에

시편의 표면부에서의 변형이 거의 일정하므로 표면의 결함을 줄일 수

있는 장점 또한 있다.

1) Flow Stress and Extrusion Pressure

1-1) Equivalent Strain

변형이 큰 소성변형에서는 변형율을 구하기 위해 상당변형율

(equivalent plastic strain, ε )을 사용한다. 인장이나 압축으로

구하는 상당변형율은 소성변형율에 로그(logarithm)값을 취한

것과 같다.

1

0

ln ll

ε⎛ ⎞

= ⎜ ⎟⎝ ⎠

(2)

- 10 -

1-2) Flow Stress

소성변형시 재료 유동의 저항을 보통 유동응력(flow stress,

σ )으로 나타낼 수 있다.

유동응력은 인장이나 압축 실험을 통해 구하고 진응력의

절대값을 취한 것과 같다.

PA

σ = (3)

P 는 작용한 힘을 A는 단면적을 나타낸다.

1-3) Flow Curve

상당변형율(equivalent plastic strain)과 유동응력(flow stress)과의

관계를 < Fig. 3 >에 나타내었고 이 그래프를 “Flow curve”라고

한다.

유동응력을 간단히 표현하기 위해 종종 변형율이 증가하더라도

일정한 값으로 가정을 하는데, 이 때 이 재료는 완전소성

(perfectly plastic)이라고 한다.

- 11 -

1-4) Plastic Work

단위부피당 소성일은 다음과 같이 나타낸다.

1

0W

εdσ ε= ∫ (4)

< Fig. 3 > 의 빗금 친 부분의 넓이가 바로 소성일의 크기를

나타낸다.

1-5) Extrusion Ratio

압출비(extrusion ratio, R)은 시편의 단면적과 압출품의

단면적과의 비를 나타낸다.

b

p

ARA

= (5)

만약 압출시의 재료의 변형이 이상적이라면 재료의 변형율은

다음과 같이 나타낼 수 있다.

lnideal Rε = (6)

- 12 -

1-6) Extrusion Pressure and Plastic Work

유체의 압력에 의한 일의 크기는 다음과 같이 구한다.

pressure b bW pl A= (7)

여기서 p 는 유체의 압력, 는 압출시편의 길이 그리고 는

단면적을 각각 나타낸다.

bl bA

유체에 의한 일이 모두 재료가 변형하는데 쓰이고 그 결과

재료에 상당변형율(equivalent strain, 1ε )을 야기시킨다고

가정을 하자. 이 때 재료를 변형시키는데 한 일은 다음과 같다.

1

0deformation b bW l A

εdσ ε= ∫ (8)

식 (7)과 식 (8)로부터 압출 압력과 변형율의 관계를 다음과

같이 나타낼 수 있다.

1

0p d

εσ ε= ∫ (9)

- 13 -

제 3 장 정수압 압출 실험

3.1 실험 준비

(1) 실험장치 구성

1) 정수압 압출기

정수압 압출 실험은 한국생산기술연구원에서 실험 연구용으로

개발한 1.5MN 급 수평식 정수압 압출기를 이용하였다. 본

압출기의 컨테이너는 강선적층장치를 이용해 이중으로 된

라이너의 외벽에 피아노 강선을 감아 보강하는 강선적층방식으로

설계되었다. 압출 속도는 0~25 mm/sec 까지 램의 속도를

변화시킬 수 있으며, 램의 변위와 속도를 측정할 수 있는

LVDT 와 압출 하중을 측정할 수 있는 Load cell 을 갖추고 있다.

- 14 -

정수압 압출기의 주요 제원은 < Table 3 >과 같고 압출기의 외관은

< Figure 4 >와 같다.

2) 금형

압출 금형의 설계와 제작기술은 압출재의 성능과 금형의 수명에

영향을 미친다. 압출 금형의 형상은 정수압 상태에서 제일

안정적인 원추형으로 제작을 하였다. 금형은 각각 압출비와

압출각을 달리 하여 설계하였다. 금형은 입구에서 출구까지

원추형으로 좁아지며 출구부분에는 랜드부를 두고 그 이후에

3°로 벌어진다. 각 금형의 재료는 압축강도가 높고 내마모성이

우수한 고속도 공구강을 소재로 하여 기계가공, 열처리 및

연삭공정 등의 일련의 공정을 거쳐 제작하였다. 금형의 표면은

마모에 견디고 압출시 변형소재와 금형면 사이에서 마찰에 의한

에너지 손실을 최소화하기 위해 경질 크롬도금 후 다이아몬드

분말을 이용한 최종의 래핑 작업을 하였다. < Fig. 5 > 는 정수압

압출시 사용한 금형을 나타낸다.

- 15 -

3) 밀폐

정수압 압출장치의 특성중의 하나인 초고압의 발생과 유지를

위해서, 압력이 높게 작용할 수록 밀폐효과가 커지는 자기 잠김

(self locking)방식의 특수한 밀폐구조가 사용된다. 금형과 컨테이너

사이의 밀폐는 금형의 외경치수와 내경치수로 틈새를 조절하고 그

사이에 단면이 삼각형 모양의 밀폐소재를 삽입함으로써 해결된다.

삽입되는 밀폐소재로는 고무 O-ring 과 팽창률이 우수하고 충분한

강도를 갖는 Be-Cu 합금을 사용하였다.

4) 압력전달매체

정수압 압출 공정은 압력 전달매체로 유체를 사용하므로 이

유체에 의해 압출 시편과 컨테이너 내면이 완전히 분리되어

이들로 인한 마찰을 줄일 수 있다. 또한 금형과 압출시편 사이에도

얇은 윤활막이 형성되어 마찰을 줄일 수 있으므로 재래식 공정에

비하면 마찰에 의한 손실을 거의 줄일 수 있다. 보통

압력전달매체로는 caster oil, hypoid oil, transformer oil, benzene,

methyl alcohol 그리고 ethyl alcohol 등이 있으며, 이번 실험에서는

LLDPE(Linear Low Density Polyethylene)를 사용하였다. LLDPE 는

- 16 -

실험온도인 200℃~300℃사이의 온도에서 정수압 압출에 적당한

유동성을 제공하여 마찰을 크게 줄일 수 있는 소재이다.

5) 윤활제

밀폐와 함께 윤활도 매우 중요한 요소이다. 공정이 정상상태에

도달하기까지는 금형과 시편 사이에 초기의 정적 마찰로 인해

윤활막이 형성되지 않아 과대한 마찰손실을 유발시킨다. 이

마찰손실을 줄이고 빠른 시간 내에 정상상태에 도달하도록 금형과

시편선단에 윤활제를 도포한다. 윤활제로는 고압에서 윤활특성이

우수한 이황화몰리브덴(MoS2)를 사용하였다.

- 17 -

3.2 정수압 압출 실험

이번 연구에서는 마그네슘 합금의 정수압 압출 특성에 대해 살펴보

았다. 이를 위해 사용한 마그네슘 합금은 AZ31(as-cast)합금이다. 시편

은 casting 공정을 통해 제조를 하였으며 합금의 성분은 < Table 4 >와

같다.

시편의 사이즈는 35 160mmφ × 로 결정을 하였다. < Fig. 6 > 에서 이번

실험에 사용된 시편을 나타내었다. 보통 Casting 공정 후에 균질화 처

리를 한 후 2 차 가공을 하지만 이번 연구에서는 주조재를 그대로 사

용하여 정수압의 특성을 살펴보았다. 시편의 앞 부분은 초기 마찰을

줄이기 위해 금형 각도와 동일한 각도로 테이퍼 가공을 하였다.

시편이 정상상태에 도달하기까지의 금형면과 시편 사이의 마찰을 최소

한으로 줄이기 위해 시편선단에 MoS2 액화 분말을 뿌려 시편을 장착

하였다.

- 18 -

실험 순서를 < Fig. 7 > 에 나타내었다. 주요 실험 순서는 다음과 같다.

1. Container 를 가열을 시키고 금형 체결부위에 금형을 체결시

킨다. 금형을 체결시킨 후 Container 와 금형을 체결시킨다.

2. 시편에 윤활제를 도포하고 Container 에 삽입하고 압력매체인

LLDPE 를 삽입하여 녹인 후 약 15 분간 유지한다.

3. 압출을 시작하고 압출 후에 압출재는 절단하여 금형과 분리시

키고, 금형에 남아있는 잔여시편은 차후의 압출을 위해 제거

한다.

이번 실험에서 살펴본 주요 상관 요소들은 < Table 5 >에 정리를 하였

다. 압출온도와 다이반각 그리고 압출비가 압출압력에 미치는 영향에

대해 살펴 보았다. 압출 전후의 미세조직 및 기계적 특성을 평가하였

다.

- 19 -

제 4 장 결과 및 고찰

4.1 압출온도에 따른 압출압력변화

이번 연구에서는 압출 온도를 3 가지 조건으로 살펴보았다. < Fig. 8 >

은 압출 압력에 따른 정수압 압출 압력의 변화를 나타낸다.

온도가 낮아 짐에 따라 압출 압력도 증가하였다. 그러나 300℃와

250℃의 압출압력의 차이와 250℃와 200℃의 압출압력의 차이는 각각

14.75%와 20.17%로 온도가 일정하게 감소한 반면 압력은 크게

증가하였다. 하지만 이러한 압력 차이가 기계적 성질에는 큰 영향을

미치지는 못 하였다.

- 20 -

4.2 다이반각에 따른 압출압력 변화

< Fig. 9 >은 다이 반각에 따른 마그네슘 정수압 압출압력의 변화를

나타낸다. 일반적으로 알루미늄은 다이반각에 따라 압출 압력이

영향을 받는다. 은 순수 알루미늄을 정수압 압출을 이용하여

압출을 하였을 경우 다이반각에 따른 압출 압력의 변화를 나타낸다.

하지만 마그네슘 합금의 경우 다이반각의 영향이 압출압력에 큰

영향을 주지는 않았다. 하지만 일반적으로 40°~ 45°사이의 각도에서

최소의 압력을 나타내지만 마그네슘 합금의 경우에는 60°부근에서

가장 낮은 압력을 나타내었다.

4.3 압출비에 따른 압출 압력의 변화

압출비에 따른 마그네슘 정수압 압출 압력의 변화를 < Fig. 11 >에

나타내었다. 압출비의 증가에 따라 일정한 크기로 압출 압력 또한

증가하는 경향을 보였다. 실제로 압출비 49 에서 19 로 약 61%

- 21 -

감소함에 따라 압출 압력또한 27.06% 감소 하였다. 또한 압출비

19 에서 8 로 약 57% 감소함에 따라 압출 압력도 25.36% 감소하였다.

4.4 미세조직 및 기계적 특성 평가

(1) 미세조직

마그네슘 합금, AZ31, 은 주조재의 경우 grain size 가 약 120 mμ

이었으나 정수압 압출을 통해 최대 수 마이크로까지 작아지는 효과를

얻을 수 있었다. < Fig. 12 >는 정수압 압출 후의 압출재의 미세조직과

압출을 하기전의 주조재의 미세 조직을 나타낸다. 압출비가 클수록

미세조직이 조밀해 지는 것이 일반적으로 알려진 사실이다. 하지만

정수압 압출 공정으로 재료에 큰 변형이 가해지면서 열이 발생하고 이

열이 재결정을 도왔다는 것을 이번 실험을 통해 알 수 있다.

그리고 일반 압출의 경우 비슷한 크기의 미세조직들이 발견되지만

정수압 압출을 하였을 경우 아주 작은 미세조직들이 군으로 발견되는

것이 정수압 압출의 특징이다. 이러한 미세조직을 < Fig. 13 >에

나타내었다.

- 22 -

(2) 기계적 특성

마그네슘합금(AZ31)의 일반적인 기계적인 특성을 < Table 6 >에

나타내었다. 이러한 일반적인 압출소재의 마그네슘합금보다 정수압

압출을 통한 압출재의 인장강도가 약 50 MPa 정도 더 높게 나오는

경향이 있다.

< Fig. 14 >는 정수압 압출후의 기계적 특성을 알아보기 위해 실시한

인장시험 결과를 나타내고 있다. 주조재의 경우 인장강도가 약 170

MPa 정도이지만 정수압 압출을 통한 압출재의 경우 약 310 MPa

정도의 인장강도를 나타내었다. 이는 일반적인 압출재 보다 약 60

MPa(약 21%)의 인장강도 향상을 의미한다. 일반 압출재보다 정수압

압출을 통한 압출재가 더 향상된 인장강도를 나타내는 것은 정수압

압출을 통해 아주 작은 미세조직들이 형성이 되었고 이러한 것들이

인장강도의 향상을 가져왔다고 볼 수 있다.

< Fig. 15 >는 압출온도의 변화에 따른 압출재의 인장강도 변화를

나타내었다. 압출 온도에 따른 압출 압력의 변화는 있었지만 기계적

특성에는 압출온도가 그다지 큰 영향을 미치지는 못 하는 것을 알았다.

- 23 -

제 5 장 결론

본 논문에서는 마그네슘합금의 정수압 압출 특성에 대해 살펴보았다.

조직학적 구조 때문에 성형성이 안 좋아 훌륭한 성질을 제대로 이용하

지 못하고 있는 마그네슘 합금의 성형 방법중의 하나로 정수압 압출을

이용하였다. 정수압 압출은 오랫동안 그 이용빈도가 적었던 공정이다.

최근의 경량화 소재의 대두로 인해 마그네슘의 역할이 커지면서 기존

의 공정으로는 성형성에 한계를 느껴 다시금 정수압 압출을 이용한 공

정개발이 이루어지고 있다.

본 논문의 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

마그네슘 합금은 기존의 직접 압출법으로는 400℃이상의 고온에

서 행하여졌으나 정수압 압출 공정을 이용하여 200℃에서도 압출

이 쉽게 되었다. 압출온도에 따른 기계적 성질이 큰 차이가 나지

않기 때문에 정수압 압출공정을 이용한다면 200℃에서 압출을 하

- 24 -

여도 2 차 가공재로서 아무런 문제가 없을 것으로 판단된다.

압출 다이 반각에 따른 영향을 조사하였지만 마그네슘 합금은 기

타 다른 합금과는 달리 다이 반각에 따른 영향이 거의 없는 것으

로 판단된다. 다만, 60°에서 보다 작은 압력으로 압출이 되는 것

을 관찰 할 수 있었다. 따라서 이번 연구에서는 40°와 45°사이

에서 최적의 다이 각도가 나올 것으로 예상을 하였으나 향후에

마그네슘 합금의 정수압 압출의 최적의 다이 각도를 찾는 연구가

진행되어야 할 것이다.

압출비가 작을수록 압출 압력이 증가하였다. 그러나 압출비 역시

압출비에 따른 기계적 성질에 변화가 거의 없었다. 다만, 압출비

가 작을수록 연신율은 증가하는 경향을 보았다. 따라서 한꺼번에

많은 양의 변화를 주는 것 보다는 어느 최적의 압출비에서 압출

을 하는 것이 2 차 가공재로서는 더 좋은 성질을 얻을 수 있을

것으로 예상이 된다.

- 25 -

Table 1 마그네슘과 다른 금속과의 특성 비교

Stiffness Equal Bending

Stiffness to Steel Materials Alloy/Grade

Density

( ) 3/g cm Modulus

(GPa)

Modulus

/Density

Thickness

Ratio

Weight

Raito

AZ91,

Die-cast 1.81 45 24.9 1.67

0.39

(61%절감) Mg

AZ80-T5,

Extrusion 1.80 45 25.0 1.67

0.38

(62%절감)

A380.0,

Die-cast 2.68 71 26.4 1.43

0.49

(51%절감) Al

6061-T6,

Extrusion 2.70 69 25.5 1.45

0.50

(50%절감)

Steel,

Galvanized 7.80 210 26.9 1.00

1.00

(0%절감) Fe

PC/ABS,

Dow 2000 1.13 2.3 2.04 0.65

0.65

(35%절감) Plastics

- 26 -

Table 2 소재별 기계가공성 비교

Machinability Index( 1112B steel 100= ) 소 재

마그네슘 합금 500

알루미늄 합금 300

황 동 200

탄 소 강 80-130

스테인레스 강 50-95

니켈 합금 10-55

- 27 -

Table 3 Mechanical properties used in simulation of the cantilever

fabricated by Honda et al.

150 tonf Extrusion Force

Max. Extrusion Pressure 12.0 Kbar

Max. Punch Speed 22.5 mm/sec

Max. Billet Diameter 35 mm

Max. Billet Length 200 mm

Container Heating Temperature 400 ℃

Hydraulic Power 40 kW

- 28 -

Table 4 Composition of magnesium alloy – AZ31

Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Other

AZ31B 2.5-3.5 0.6-1.4 0.2-1.0

Table 5 Experiments Conditions

Temperature 300℃, 250℃, 200℃

Extrusion speed 25 mm/min

Diameter of Specimen Ф 35 mm

Die Angle 30°, 45°, 60°

Extrusion Ratio 8.5, 19.1, 49

- 30 -

Table 6 Mechanical Properties of Magnesium alloy, AZ31

Tensile Strength

Yield Strength

Compressive Yield Strength

Elongation (in 50 mm) Hardness

Extruded bar, rod, and solid shapes 255 MPa 200 MPa 97 MPa 12 % 49 HB

Extruded hollow shapes and tubing 241 MPa 165 MPa 83 16% 46HB

Forging 260 MPa 170 MPa - - -

- 31 -

Fig.1 마근네슘 합금과 알루미늄 합금의 전자파 차폐성 비교

- 32 -

Fig.2 마그네슘 합금과 다른 금속의 진동감쇠능 비교

- 33 -

Flow

stre

ss

Equivalent curve

W

ε

aveσ

Fig.3 Flow curve

- 34 -

Fig.4 Hot Hydrostatic Extrusion Machine

- 35 -

Fig.5 Sputter experimental equipment

- 36 -

Fig.6 as-casted Billets for hydrostatic extrusion

- 37 -

Heating the Container

Insert the specimen and LLDPE

Having a holding time for 15 Min.

Extrusion (25 mm/s)

Fig.7 the Procedure of the Hydrostatic Extrusion

- 38 -

0 1 2 3 4 5 6 7

0

100

200

300

400

500

600

322.57359.23

Temp300°C=400.26

Temp250°C=459.28

Pre

ssur

e (M

Pa)

Time (s)

300°C 250°C 200°C

ER: 8 α : 45°

Temp200°C=551.95

438.58

Fig.8 Hydrostatic extrusion pressure Vs. extrusion Temperatures

- 39 -

30 35 40 45 50 55 60

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

ER=8

ER=19Pre

ssur

e(M

Pa)

Half Die Angle(α°)

ER=49

856.28 847.25804.79

598.56613.03

544.84

435.19462.27

411.57

Temp. 250°c

Fig.9 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half Die Angle

- 40 -

Fig.10 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half die angle

(pure aluminium, extrusion ratio=3, MoS2 paste lubricant)

- 41 -

0 1 2 3 4 5 6 7

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

σmax=459.28

σmax=615.3

Pre

ssur

e (M

Pa)

Time (s)

ER 49 ER 19 ER 8

Temp.= 250°C

α=45°

σmax=843.56

Fig.11 Hydrostatic Extrusion Pressure Vs. Extrusion Ratio

- 42 -

m100 μ

(a) as-cast billet

(b) Extrusio (c) Extrusion Ratio=19 (d) Extrusion Ratio

Fig.12 Optical Microstructure of AZ31 alloys at 250℃

10 mμ 10 mμ 10 mμ

n Ratio=49 =8

- 43 -

Fig.13 Optical Microstructure of AZ31 alloys at 300℃

Phi: 12 _ 300℃ _ 30◦ _outer

10 mμ

- 44 -

Fig.14 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen

at various Extrusion Ratio

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14

0

50

100

150

200

250

300

350

True

Stre

ss ( σ

)

True Strain (ε)

ER:49 ER:19 ER: 8 Billet(as-cast)

- 45 -

Fig.15 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen

at various Extrusion Ratio

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18

0

50

100

150

200

250

300

350

400

σYS,200°c=259.11

σYS,300°c=259.11

True Strain(ε)

True

Stre

ss (M

Pa)

NH_200_30_1 NH_250_30_2 NH_300_30_1

α=30

ER=8

σYS,250°c=259.11

- 46 -

참고 문헌

[1] Kurt Laue, Helmut Stenger, “Extrusion: processes, machinery,

tooling.”, AMERICAN SOCIETY FOR METALS, 1981.

[2] N. INOUE, M. NISHIHARA, “HYDROSTATIC EXTRUSION

Theory and Applications,” ELSEVIER APPLIED SCIENCE

PUBLISHERS LONDON and NEW YORK, 1985.

[3] 박훈재, 윤덕재, 나경환, 조남선, “정수압 압출기 개발”,

한국소성가공학회 춘계학술대회 논문집, pp.44-49, 1993.

[4] Michael M. Avedesian, Hugh Baker, “Magnesium and

Magnesium alloys”, ASM International, 1999.

- 47 -

[5] Jung-Chung Hung, Chinghua Hung, “The design and

development of a hydrostatic extrusion apparatus”, Journal of

Materials Processing Technology, 226-235, 2000.

[6] Tsutomu Murai, Shin-ichi Matsuoka, Susumu Miyamoto, Yoshinari

Oki, “Effects of extrusion conditions on microstructure and

. 207-212,

2003.

[7

압출시 다이

각이 미치는 효과”, 한국정밀공학회 춘계학술대회 논문집,

2003.

] R. Ye. Lapovok, M.R. Barnett, C.H.J. Davies, “Construction of extrusion

limit diagram for AZ31 magnesium alloy by FE simulation,” Journal of

Materials Processing Technology 146, pp408-414, 2004.

mechanical properties of AZ31B magnesium alloy extrusions”,

Journal of Materials Processing Technology 141(2003) pp

] 한운용, 박훈재, 윤덕재, 정하국, 김승수, 김응주, 이경엽,

“Copper-clad Aluminum 복합재료의 정수압

[8

- 48 -

[9] Margam Chandrasekaran, Yong Ming Shyan John, “Effect of

materials and temperature on the forward extrusion of

magnesium alloys”, Materials Science and Engineering A 381,

pp.308-319, 2004.

[1

[11] J. Bohlen, S.B. Yi, J. Swiostek, D. Letzig, H. G. Brokmeier, K.

a r

[12] D. Letzig, J. Swiostek, J. Bohlen, K. U. Kainer, “Magnesium

Wrought Alloy Properties of the AZ-Series“, Magnesium

0] Soeren Mueller, Klaus Mueller, Walter Reimers, Marius

Rosumek, “Microstructure development of extruded Mg

alloys”, Magnesium Technology 2005, 2005.

U. K iner, “Microstructure and textu e development

during hydrostatic extrusion of magnesium alloy AZ31”

Technology 2005, 2005

- 49 -

마그네슘 합금(AZ31)의 정수압 압출 특성차 례 ABSTRACTNOMENCLATURESList of FiguresTable 1 마그네슘과 다른 금속과의 특성 비교Table 2 소재별 기계가공성 비교Table 3 Mechanical properties used in simulation of the cantilever fabricated by Honda et al.Table 4 Composition of magnesium alloy – AZ31Table 5 Experiments ConditionsTable 6 Mechanical Properties of Magnesium alloy, AZ31Fig.1 마근네슘 합금과 알루미늄 합금의 전자파 차폐성 비교Fig.2 마그네슘 합금과 다른 금속의 진동감쇠능 비교Fig.3 Flow curveFig.4 Hot Hydrostatic Extrusion MachineFig.5 Sputter experimental equipmentFig.6 as-casted Billets for hydrostatic extrusionFig.7 the Procedure of the Hydrostatic ExtrusionFig.8 Hydrostatic extrusion pressure Vs. extrusion TemperaturesFig.9 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half Die AngleFig.10 Hydrostatic extrusion pressure Vs. Half die angle(pure aluminium, extrusion ratio=3, MoS2 paste lubricant)Fig.11 Hydrostatic Extrusion Pressure Vs. Extrusion RatioFig.12 Optical Microstructure of AZ31 at 250CFig.13 Optical Microstructure of AZ31 at 300CFig.14 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen at various Extrusion RatioFig.15 Tensile Test for hydrostatic extruded specimen at various Extrusion Ratio

제1장 서론1.1 연구 배경 및 목적

제2장 연구 이론2-1 마그네슘의 개요2-2 정수압 압출 개요 및 원리

제3장 정수압 압출 실험3.1 실험 준비3.2 정수압 압출 실험

제4장 결과 및 고찰4.1 압출온도에 따른 압출압력변화4.2 다이반각에 따른 압출압력 변화4.3 압출비에 따른 압출 압력의 변화4.4 미세조직 및 기계적 특성 평가

제5장 결론참고 문헌