Mechanical properties and Deformation Behaviors of 3-ply Mg/Al/STS Clad Metal

국문 초록 (Abstract)

마그네슘과 알루미늄은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 가공성을 지니고 있어 항공우주, 구조재 등 넓은 분야에서 사용되고 있다. 마그네슘은 밀도가 알루미늄 합금의 2/3, 철강의 1/5 수준으로 현재까지 개발된 합금 중 가장 낮은 밀도를 가지고 있으며 이외에 진동, 충격, 전자파동에 대한 흡진성이 탁월하다. 반면 마그네슘은 현재까지 많은 연구와 개발이 되고 있지만, 알루미늄과 알루미늄 합금에 비해 높은 가격, 내식성과 성형성이 우수하지 못하기 때문에 여전히 그 쓰임에 한계가 있다. 알루미늄은 전기, 열전도도, 가공성 및 충격특성이 우수하여 각종 수송기계의 경량화 소재로서 요구되는 여러 우수한 특성을 지니고 있다. 알루미늄 합금은 표면에 열역학적으로 안정한 Al2O3보호피막이 형성되어 내식성이 우수하기 때문에 알루미늄을 표면으로 하는 Mg/Al클래드재를 제조한다면 마그네슘을 보호하고 마그네슘 합금 판재의 내식성을 향상시킬 수 있다.
스테인리스강 또한 우수한 내식성과 기계적 강도를 지니고 있어 구조재로써 널리 이용되고 있다. 하지만 스테인리스강은 높은 밀도 때문에 경량특성이 요구되는 차량이나 용기 등으로의 적용에는 한계가 있다. 최근에 스테인리스강에 밀도가 낮은 마그네슘 합금을 접합하여 재료의 밀도를 낮추고 스테인리스강의 장점인 우수한 내식성과 기계적 강도도 얻을 수 있는 Mg/STS클래드재에 대한 연구가 수행되고 있다. 마그네슘과 스테인리스강은 서로 접합하기가 힘들고 접합하더라도 접합력이 우수하지 못하기 때문에 이 두 금속을 접합하기 위해서는 중간결합재로 Al을 사용할 수 있다. Al은 그자체로 경량특성을 갖추고 있을 뿐만 아니라 적절한 강도값도 갖고 성형성도 좋으므로 슬립계가 작아 변형특성이 나쁘고 표면산화막 형성 때문에 접합성이 좋지 않은 Mg합금과 치밀한 산화막과 높은 표면경도 때문에 접합성이 나쁜 STS의 중간접합재로 사용될 수 있다. Mg/Al/STS 클래드재는 높은 비강도, 우수한내식성과 내마모성 그리고 경량특성을 갖추고 있으므로 다양한 산업계에 적용될 수 있는 클래드재로 개발될 수 있다.
클래드재의 제조 방법으로는 압연, 압출, 폭발 용접, 전기저항 용접 등이 있으며, 가공에 의한 접합법의 경우, 접착 면에서의 전단응력 및 열적 활성화에 의한 원자의 확산으로 접합된다. 이종금속소재의 압연 접합방법은 다른 제조방법보다 효율적이고 경제적이므로 접합소재의 제조에 가장 일반적으로 쓰인다. 하지만 성형공정(forming process)시 불충분한 계면에서의 접합강도(bonding strength)로 인해 클래드재의 박리가 생기는 문제가 발생할 수 있다. 클래드재의 접합강도는 압연공정 시 압하율(reduction ratio)에 의한 전단변형 및 표면변형에 의존하기 때문에 높은 접합강도를 갖는 클래드재를 제조하기 위해서는 압하율을 50% 이상으로 크게 해야 한다.
클래드재의 특성은 서로 접하고 있는 금속 사이의 계면반응상 및 계면결함의 형태 와 분포 그리고 부피분율에 크게 의존한다. 따라서 본 연구에서는 의도적으로 계면반응상의 형성을 유도하여 계면반응상의 종류 및 형태, 분포 등이 클래드재의 굽힘변형 파단특성에 어떻게 영향을 미치는 지에 대하여 분석하였다. 이러한 분석결과는 Mg/Al/STS 클래드재를 적용할 수 있는 온도범위 및 적용방법 이해에 도움을 줄 것으로 판단한다. 본 연구에서는 3층(Mg/Al/STS) 접합소재를 열간 압연에 의하여 제작한 후, 고온에서 열처리 하여 재료의 기계적 특성 및 변형거동에 대하여 연구하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1.INTRODUCTION 1
• 2.THEORETICAL BACKGROUND 3
• 2-1.Definition of clad 3
• 2-2.The advantage of clad metals 3
• 2-3.The method of manufacturing clad metal plate 4
• 3.EXPERIMENTAL DETAILS 6
• 3-1.Samples 6
• 3-2.Microstructure analysis 9
• 3-3.Hardness test, Tensile test, Bending test 9
• 4.RESULTS AND DISCUSSION 11
• 4-1.Microstructure 11
• 4-2.The chemical compositions of intermetallic layer 13
• 4-3.Hardness test 13
• 4-4.Tensile test 16
• 4-5.Bending test 32
• 5.CONCLUSIONS 52