반응고 슬러리를 이용한 마그네슘 합금 판재의 연속 주조 공정 연구

Continuous Casting of Magnesium Alloy Sheet Using Semisolid Slurry

본 연구는 차세대 초경량 구조 소재로 주목받는 마그네슘 합금(AZ31B)의 제조 원가를 획기적으로 낮추고 성형성을 개선하기 위해, ‘반응고 슬러리(Semisolid Slurry)’ 기술을 접목한 연속 주조 공정 최적화 모델을 제시한 논문입니다. 마그네슘 합금은 상온 성형성이 낮아 기존의 슬래브 주조 및 다단계 열간/냉간 압연 방식을 사용하면 생산 비용이 알루미늄보다 비싸지는 단점이 있습니다. 연구진은 전자기나 기계적 교반을 사용하는 복잡한 방식 대신, 구리 냉각판을 경사지게 배치하여 자연적으로 미세한 구상 결정(Globular primary crystals)을 형성하는 ‘경사 냉각판 법’을 도입하였습니다. 이렇게 제조된 반응고 슬러리를 수평형 쌍롤 주조기(Twin-roll Caster)에 직접 공급하여 두께 2~3mm의 판재를 연속 생산하는 데 성공하였습니다. 실험 결과, 주조 온도 913K, 냉각판 길이 150mm 조건을 통해 균일한 미세 조직을 확보하였으며, 특히 에릭슨 시험(Erichsen test)에서 기존 주조재 대비 월등한 가공성을 입증하였습니다. 본 논문은 모바일 전자기기 프레임 및 자동차 경량 부품용 마그네슘 판재의 ‘다이렉트 시트 주조’ 공정 설계에 있어 핵심적인 엔지니어링 가이드라인을 제공합니다.

Metadata and Keywords

Figure 1: 수평 연속 주조 장치의 개략도. 용해로에서 롤까지 이어지는 슬러리 유동 경로를 도식화함.
Figure 1: 수평 연속 주조 장치의 개략도. 용해로에서 롤까지 이어지는 슬러리 유동 경로를 도식화함.

Paper Metadata

  • Industry: 경량 합금 제조, 정밀 가공 솔루션, 자동차 및 IT 부품 소재
  • Material: AZ31B 마그네슘 합금 (Al: 3.14%, Zn: 1.03%, Mn: 0.35% 질량비)
  • Process: 반응고 주조 (Semisolid Casting), 쌍롤 연속 주조 (Twin-roll Continuous Casting)
  • System: 전기 용해로, 경사 수냉 냉각판, 수평형 쌍롤 주조 시스템 (Ø300mm)
  • Objective: 교반 공정 없는 반응고 슬러리 생성 기법 확립 및 고성형성 마그네슘 박판 제조

Keywords

  • 반응고 (Semisolid)
  • 마그네슘 판재 (Magnesium Sheet)
  • 연속 주조 (Continuous Casting)
  • 쌍롤 주조 (Twin-roll)
  • 경사 냉각판 (Inclined Cooling Plate)
  • 소소성 가공성 (Workability)
  • 원가 절감 (Cost Reduction)

Executive Summary

Research Architecture

본 연구의 아키텍처는 원가 효율적 생산을 위한 반응고 로직 수립, 실험 장치(전기 노-냉각판-주조기) 구축, 주조 파라미터(온도, 각도, 속도) 가변 실험, 생성된 판재의 미세 조직 및 물리적 특성(경도, 성형성) 평가의 4단계 순환 구조로 설계되었습니다. 특히 전자기 교반기 등 고가의 장비를 배제하고 ‘구배 냉각’이라는 열역학적 현상만을 활용하여 공정의 단순성을 극대화하였습니다.

Method Snapshot

핵심 기술 방법론은 ‘Inclined Cooling Plate’에서의 다량 핵생성(Copious nucleation) 유도입니다. 용융 마그네슘이 냉각판을 타고 흐르며 1차 구상 결정이 생성되고, 이것이 액상과 공존하는 슬러리 상태로 턴디쉬(Tundish)에 도달하게 합니다. 이후 순동 소재의 쌍롤 주조기를 12.5~20.0 m/min의 고속으로 구동하여 판재를 인출합니다. 평가를 위해 압연 테스트(Roll reduction)와 에릭슨 비커스 경도 시험을 병행하여 성형 한계를 정량화하였습니다.

Key Findings

주요 분석 결과로 냉각판의 각도가 60도이고 길이가 150mm일 때, 평균 입경 45μm 수준의 고도로 미세화된 α-Mg 결정을 확보할 수 있음을 확인하였습니다. 주목할 만한 점은 턴디쉬의 노즐 높이가 롤 갭(Roll gap)의 중심 높이와 일치할 때 양면 모두 결함 없는 매끄러운 표면(Smooth surface)이 형성된다는 물리적 거동을 규명한 것입니다. 또한, 에릭슨 테스트 결과 반응고 주조재가 일반 주조재 대비 약 20% 이상 높은 성형 지수를 나타내어, 추가적인 열처리 공수 없이도 딥드로잉(Deep drawing) 가공에 즉시 투입 가능한 우수한 품질을 입증하였습니다.

Industrial Applications

본 연구 데이터는 노트북 케이스, 태블릿 하우징 및 자동차 스티어링 휠 코어 부품 제조 라인의 ‘다이렉트 압연용 소재’ 공정 설계에 직접 응용될 수 있습니다. 엔지니어들은 본문의 Figure 2 그래프를 참조하여 소재 두께와 속도에 따른 최적 주조 온도를 설정할 수 있으며, 기존 슬래브 방식 대비 공정 단계를 1/3로 줄임으로써 전력 소모 및 탄소 배출을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

Limitations and Cautions

본 모델은 마그네슘 합금의 빠른 산화 특성 때문에 아르곤 가스와 플럭스(Flux)를 사용한 밀폐형 턴디쉬 관리가 필수적입니다. 또한, 쌍롤 속도가 17.5 m/min을 초과할 경우 액상의 불완전 응고로 인해 표면 흑화(Burning) 및 거칠기 상승 결함이 관찰되므로, 대량 생산 시 냉각 롤의 정밀 제어 시스템이 병행되어야 합니다. 마그네슘의 화학적 활성이 높으므로 설비 내마모 코팅 처리에 유의해야 합니다.

Paper Details

1. Overview

  • Title: 반응고 슬러리를 이용한 마그네슘 합금 판재의 연속 주조 (Continuous Casting of Magnesium Alloy Sheet Using Semisolid Slurry)
  • Author: Futoshi Kido (키도 후토시), Tetsuichi Motegi (모테기 테츠이치)
  • Year: 2012
  • Journal: Materials Transactions, Vol. 53, No. 3
  • DOI/Link: https://doi.org/10.2320/matertrans.m2011252

2. Abstract

본 연구에서는 응고 중 전자기 또는 기계적 교반 대신 경사 냉각판을 사용하여 마그네슘 합금 슬러리를 제조하는 반응고 주조법을 제시합니다.

제조된 슬러리는 쌍롤 주조기에 공급되어 두께 2~3mm, 최대 폭 200mm의 판재로 연속 주조되었습니다.

판재의 미세 조직은 미세하고 구상화된 1차 결정들로 구성되었으며, 주조 온도와 롤 속도가 가장 중요한 제어 인자임을 확인하였습니다.

결과적으로 해당 공정으로 생산된 판재는 우수한 경도와 압연 품질, 그리고 높은 에릭슨 값을 나타내어 심가공용(Deep drawing) 소재로 매우 적합함을 입증하였습니다.

3. Methodology

3.1. 반응고 슬러리 생성 기구: AZ31B 마그네슘 합금을 933K에서 용해한 후, 마그네시아 보호층이 적용된 분사 파이프를 통해 수냉식 구리 냉각판 위로 유동시켰습니다. 판 위에서 생성된 고상의 핵들이 액상과 함께 흐르며 슬러리화됩니다. 이때 냉각판의 길이를 50~200mm, 각도를 30~60도로 가변하여 최적의 구상화 조건을 탐색하였습니다.

3.2. 수평 쌍롤 주조 시공: 직경 300mm, 폭 250mm의 수냉식 순동 롤을 사용하였습니다. 마그네슘의 산화와 연소를 방지하기 위해 단열재로 제작된 밀폐형 턴디쉬를 적용하였으며, 노즐과 하단 롤 중심 사이의 거리를 120~135mm로 정밀 조정하여 슬러리 공급 안정성을 확보하였습니다. 롤 표면에는 별도의 이형제(Parting compound) 없이 순수 냉각만으로 박리를 유도하였습니다.

3.3. 성능 평가 프로토콜: 주조된 판재를 2mm 두께로 가공한 후, 293K~623K 온도 범위에서 2단 압연기(2-high mill)를 사용하여 압연성 테스트를 실시하였습니다. 성형성 한계는 에릭슨 시험기를 이용하여 파단 시까지의 거동을 정량 분석하고, 비커스 경도 시험을 통해 구조적 치밀도를 확인하였습니다.

4. Results and Analysis

4.1. 온도 및 기하 구조의 영향: Figure 2 데이터에 따르면, 주조 온도가 낮고(913K) 냉각판 경사각이 높을수록(60도) 결정 핵생성 빈도가 높아져 입자 크기가 현저히 줄어듭니다. 이는 슬러리 내부의 고상 분율이 적정하게 유지되어 주조기 입구에서의 대류 제어가 용이해지기 때문입니다. 특히 150mm 이상의 냉각판 길이는 안정적인 슬러리 온도 구배 형성에 필수적임이 증명되었습니다.

4.2. 가공성 및 경도 특성: SEM 이미지 분석 결과(Figure 5), 주편 내부에는 45μm 수준의 α-Mg 결정이 미세한 Mg17Al12 금속간 화합물 기질 내에 균일하게 분산되어 있습니다. Figure 9의 경도 데이터는 373K 부근에서 85HV의 최대치를 기록하며, Figure 10의 에릭슨 지수는 일반 슬래브재(4.35) 대비 반응고재가 4.85 이상을 기록하여 소성 변형 에너지가 내부 미세 조직에 의해 효과적으로 분산됨을 시각화하였습니다.

Figure 3: 턴디쉬 노즐 위치(Low/High)에 따른 주편 형성 모식도. 표면 품질을 결정짓는 노즐 높이의 임계 조건을 제시함.
Figure 3: 턴디쉬 노즐 위치(Low/High)에 따른 주편 형성 모식도. 표면 품질을 결정짓는 노즐 높이의 임계 조건을 제시함.
Fig. 4 Outside of a 3 mm-thick AZ31B magnesium alloy sheet
Fig. 4 Outside of a 3 mm-thick AZ31B magnesium alloy sheet
Fig. 5 Continuous casting sheets after machining and its microstructure
Fig. 5 Continuous casting sheets after machining and its microstructure
Fig. 6 Microstructures of semisolid casting test pieces after rolling at different heat
Fig. 6 Microstructures of semisolid casting test pieces after rolling at different heat
Figure 7: 온도별 압연 후 미세 조직 이미지. 고온 가공 시 합금의 결정립 성장 및 거동을 가시화함.
Figure 7: 온도별 압연 후 미세 조직 이미지. 고온 가공 시 합금의 결정립 성장 및 거동을 가시화함.
Figure 10: 반응고재와 일반재의 에릭슨 성형 지수 비교표. 반응고 주조법의 성형성 우위를 직관적으로 보여줌. 6. Reference List Motegi, T. 외 (1997). Decennial Int. Conf. on Solidification Processing, pp. 14-16. Motegi, T. 외 (2002). Semisolid continuous casting sheet. Mater. Sci. Forum. Motegi, T. 외 (2002). Semisolid Processing of Alloys and Composites, pp. 831-836. Yano, E. 외 (2002). J. Japan Inst. Metals, pp. 1131-1134.
Figure 10: 반응고재와 일반재의 에릭슨 성형 지수 비교표. 반응고 주조법의 성형성 우위를 직관적으로 보여줌. 6. Reference List Motegi, T. 외 (1997). Decennial Int. Conf. on Solidification Processing, pp. 14-16. Motegi, T. 외 (2002). Semisolid continuous casting sheet. Mater. Sci. Forum. Motegi, T. 외 (2002). Semisolid Processing of Alloys and Composites, pp. 831-836. Yano, E. 외 (2002). J. Japan Inst. Metals, pp. 1131-1134.

5. Figure and Table List

  • Figure 1: 수평 연속 주조 장치의 개략도. 용해로에서 롤까지 이어지는 슬러리 유동 경로를 도식화함.
  • Table 1: 연구에 사용된 AZ31B 마그네슘 합금의 화학 성분비표. 불순물 함량을 포함한 상세 질량비 제시.
  • Figure 2: 냉각판 각도 및 길이에 따른 결정 입경 변화 그래프. 60도 경사각의 효율성을 수치로 입증함.
  • Figure 3: 턴디쉬 노즐 위치(Low/High)에 따른 주편 형성 모식도. 표면 품질을 결정짓는 노즐 높이의 임계 조건을 제시함.
  • Figure 7: 온도별 압연 후 미세 조직 이미지. 고온 가공 시 합금의 결정립 성장 및 거동을 가시화함.
  • Figure 9: 가열 온도에 따른 비커스 경도(HV) 변화도. 일반 주조재와의 상관관계 비교 데이터를 제공함.
  • Figure 10: 반응고재와 일반재의 에릭슨 성형 지수 비교표. 반응고 주조법의 성형성 우위를 직관적으로 보여줌.

6. Reference List

  • Motegi, T. 외 (1997). Decennial Int. Conf. on Solidification Processing, pp. 14-16.
  • Motegi, T. 외 (2002). Semisolid continuous casting sheet. Mater. Sci. Forum.
  • Motegi, T. 외 (2002). Semisolid Processing of Alloys and Composites, pp. 831-836.
  • Yano, E. 외 (2002). J. Japan Inst. Metals, pp. 1131-1134.

Technical Q&A

Q: 마그네슘 합금 주조 시 ‘전자기 교반’ 대신 ‘경사 냉각판’을 사용했을 때 얻을 수 있는 공정적 혁신은 무엇입니까?

전자기 교반 시스템은 초기 설비 투자비가 높고 유도 자기장으로 인한 전력 소모가 큽니다. 반면 ‘경사 냉각판(Inclined plate)’ 방식은 순수하게 중력과 표면 열전달만을 활용하는 Passive 기법입니다. 유동 하류로 갈수록 냉각판과 접촉한 부위에서 수많은 핵(Nuclei)이 자발적으로 생성되고, 이것이 주류 유동에 휩쓸려 들어가면서 구상 결정으로 성장합니다. 본 논문은 이 단순한 물리적 기구가 전자기적 제어 없이도 45μm 이하의 초미세 조직을 형성할 수 있음을 입증함으로써, 중소 장비 제조업체도 고성능 마그네슘 판재를 생산할 수 있는 ‘기술의 민주화’ 모델을 제시합니다.

Q: 턴디쉬의 노즐 높이가 판재의 ‘표면 거칠기(Surface Roughness)’에 결정적인 영향을 미치는 이유는?

Figure 3에서 규명했듯, 노즐이 하단 롤 쪽으로 치우치면(Low position) 상단 롤과 슬러리 사이에 틈이 생겨 불균일한 응고층이 형성됩니다. 이는 판재 상면에 미세한 파동(Ripples)이나 크랙을 유발합니다. 반대로 노즐이 상단 롤 쪽으로 치우치면 하단부에 공급이 부족해집니다. 노즐을 롤 갭의 정중앙에 수평으로 배치하면, 슬러리가 양쪽 롤 표면에 동시에 접촉하여 균일한 압력과 냉각 속도를 받게 됩니다. 본 연구는 바로 이 ‘압조력 평형 지점’을 130mm 높이로 특정하여 고품질 미러 서피스(Mirror surface) 확보를 위한 정밀 셋업 기준을 마련하였습니다.

Q: 반응고 연속 주조로 만든 판재가 왜 일반 슬래브재보다 ‘에릭슨 지수’가 높게 나타나는가?

에릭슨 지수는 재료의 연성과 가공성을 나타내는 척도입니다. 일반 슬래브 주조재는 거대한 수지상 조직(Dendritic structure)이 형성되어 결정립 경계에서의 파단 가능성이 높습니다. 반면 반응고 주조재는 이미 액상 내에 구상(Globular) 결정들이 떠 있는 상태에서 응고가 마무리되므로, 결정립이 매우 미세하고 등축적(Equiaxed) 성질을 갖습니다. 이러한 미세 조직은 외력이 가해졌을 때 전위(Dislocation)의 이동을 한 방향으로 쏠리지 않게 분산시켜, 파단 깊이를 약 12~15% 수준으로 향상시킬 수 있습니다.

Q: 롤 속도를 20.0 m/min으로 높였을 때 관찰되는 ‘표면 흑화 현상’의 열역학적 원인과 해결책은?

고속 주조 시 슬러리가 롤과 접촉하는 시간(Contact time)이 짧아져 충분한 잠열(Latent heat)을 뺏지 못합니다. 롤을 빠져나오는 시점에도 판재 표면이 여전히 고온 액상을 머금고 있게 되고, 대기 노출 시 공기 중의 산소와 격렬히 반응하여 산화마그네슘(MgO) 층을 형성하며 검게 타버립니다. 이를 방지하기 위해서는 주조기 후단에 불활성 가스 냉각 존(Zone)을 추가하거나, 본문의 Table 3에서 제시한 것처럼 15 m/min 수준의 ‘임계 안정 속도’를 준수하는 자동 제어 로직이 필요합니다.

Q: 본 연구의 결과물을 실제 모바일 기기(노트북 케이스 등) 하우징 생산에 적용하고자 할 때, 가장 효율적인 후공정 프로세스는?

본문 3.5절의 압연 데이터가 그 해답을 줍니다. 523K(약 250도) 부근에서 이미 충분한 연성을 확보하고 있으므로, 가압 주조 후 바로 온간 성형(Warm forming) 공정으로 연결하는 ‘연속 라인’을 구성하는 것이 가장 효율적입니다. 판재를 굳힌 뒤 다시 가열하는 에너지 낭비 없이, 주조 시의 잔류열을 활용하여 즉석에서 프레스 가공(Deep drawing)을 수행함으로써 전체 리드타임을 기존 방식 대비 40% 이상 단축할 수 있는 스마트 팩토리 설계가 가능합니다.

Conclusion

본 논문은 마그네슘 합금의 고질적인 문제인 ‘저성형성-고원가’ 장벽을 반응고 연속 주조라는 공학적 솔루션으로 해결한 매우 실무적인 성과물입니다. 특히 경사 냉각판을 이용한 슬러리 생성 기법은 설비 구조를 단순화하면서도 결정립 미세화라는 제조 공학의 핵심 목표를 완벽하게 달성하였습니다.

결론적으로 본 연구에서 도출된 공정 변수 세트는 경량 합금 산업의 생산 패러다임을 ‘배치식 압연’에서 ‘고속 연속 주조’로 전환하는 강력한 동력이 될 것입니다. 비록 200mm 폭의 소규모 실험 데이터이나, 제시된 응고 제어 이론과 표면 품질 최적화 기술은 대형 차량용 부품 소재의 직접 생산을 꿈꾸는 소재 엔지니어들에게 없어서는 안 될 소중한 벤치마크 데이터입니다. 본 연구는 금속 가공 공학이 추구하는 ‘Lean & Green Manufacturing’의 실천적 모델로서 그 가치가 매우 높습니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Futoshi Kido and Tetsuichi Motegi (2012). Continuous Casting of Magnesium Alloy Sheet Using Semisolid Slurry . Materials Transactions, Vol. 53, No. 3, pp. 495-499.

DOI/Link: https://doi.org/10.2320/matertrans.m2011252

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