개요 Overview
2018년 폴란드에서 개최된 제73회 이후, 코로나-19 펜데믹의 영향으로 4년만에 대한민국 부산에서 개최된 제 74회 세계주조대회에는 온, 오프라인을 병행하는 하이브리드 방식으로 진행되었다. 철 및 비철소재 그리고 다양한 주조공법을 주제로 각 발표세션이 개설되었으며, 본고에서는 ‘Al-Mg Alloys Processes’ 세션에 대해 모든 발표자들과 관련 연구자들과 함께 정리하였다.
본 세션에서 다룬 Al-Mg Alloys 는 고함량의 Mg이 첨가된 Al-Mg계 합금으로 기존의 상용 Al-Mg 계 합금들의 Mg 함량과 특성을 뛰어넘는 신소재를 의미하고, 소재제조방식에 있어서 한국생산기술연구원이 보유중인 원천특허 ECO-Mg 및 ECO-Al 기술을 기반으로 한다. ECO-Almag (고함량의 Mg이 첨가된 Al-Mg계 합금을 저함량의 Mg의 첨가된 Al-Mg계 합금과 구별하고자 이하 ‘ECO-Almag) 이라고도 칭하는 본 소재는 발명자 한국생산기술연구원 김세광 수석연구원 외 연구진들에 의해 주조, 단조, 압출, 압연, 표면처리 등 뿌리기술 전반에 걸쳐 국내외 연구기관 및 기업들과 지속적으로 협력하여 성과를 거뒀으며, 이번 세션을 통해 최신 연구내용을 발표하였다. 본 세션은 총 3개국, 6개의 연구기관, 대학 그리고 기업으로부터의 5 건의 발표로 구성되었고, 세부내용은 표 1에 나타내었다. 본 기사에서는 각각의 발표제목별로 간략하게 발표내용을 소개하고자 한다.
After the 73rd held in Poland in 2018, the 74th World Foundry Congress (hereinafter ‘WFC’) held in Busan, South Korea, in 4 years due to the COVID-19 pandemic was conducted in a hybrid method that combines both online and offline. Each presentation session was opened on the subject of ferrous and non-ferrous materials and various casting methods, and this article will report on the 'Al-Mg Alloys Processes' session on behalf of all presenters and related researchers. ‘Al-Mg Alloys’ covered in this session is Al-Mg-based alloys with high Mg content, which are beyond commercial Al-Mg-based alloys in the Mg content range and properties. It is based on the original patented ECO-Mg and ECO-Al technologies held by Korea Institute of Industrial Technology (hereinafter ‘KITECH’) in terms of its manufacturing method. This material, also referred to as ECO-Almag (hereinafter 'ECO-Almag' to differentiate Al-Mg alloys with typical low Mg content), was studied by the inventor, principal researcher Shae-Kwang Kim and his fellow researchers of KITECH throughout the root technologies such as casting, forging, extrusion, rolling, and surface treatment in collaboration with domestic and foreign research institutes and companies. In this session, the latest research achievements on ECO-Almag were reported. This session consisted of 5 presentations from 3 countries, 6 research institutes, universities, and companies, details of which are shown in Table 1. In this article, we would like to briefly introduce the contents of each presentation.
표 1. 세션구성의 세부내용
Table 1. Session details
*Chairs : Shae K. Kim (Korea Institute of Industrial Technology, Korea), Bartlomiej Plonka (IMN Skawina, Poland)
Presentation 1: High-Mg Containing Aluminum Alloys with Enhanced Oxidation Resistance and Improved Mechanical Properties
ECO-Almag 소재의 원천특허 보유기관인 한국생산기술연구원으로부터 발표된 본 연구내용은 ECO-Almag의 기술적 독창성에 대해 압연판재를 중심으로 다루었으며, 크게 기계적 특성, 성형성, 내식성, 표면처리성 등에 있어서 소재 우수성을 소개하였다. 특히, 주목할만한 결과는 첫번째로 약 700 MPa에 달하는 강도를 들 수 있다. 그림 1은 열처리형과 비열처리형의 상용 알루미늄 합금들과 비열처리형인 ECO-Almag의 강도비교 그래프를 보여준다. 약 9wt%의 Mg을 함유하는 ECO-Almag9의 경우, 비열처리형임에도 700 Mpa이 넘는 강도를 나타내며 이는 기존의 상용 알루미늄 합금들중에서 최고강도를 갖는 것으로 알려진 7xxx계 합금의 열처리 후 강도를 넘어서는 것이다. 뿐만 아니라 그림 2에 나타낸 바와 같이, 같은 합금조성이라도 조질에 따라서 30%를 훨씬 상회하는 연신율을 얻는 것이 가능하여, 제품의 요구조건 및 적용분야에 따른 특성구현에 있어서 상당히 넓은 스펙트럼을 갖는 소재임을 알 수 있다.
This study, reported by KITECH, which holds the original patent for ECO-Almag, deals with the technical ingenuity of ECO-Almag with a focus on rolled sheets, and in terms of mechanical properties, formability, corrosion resistance, surface treatment, etc. Particularly one of the noteworthy results was the strength reaching about 700 MPa. Fig. 1 shows the comparaison between cummertial Al alloys and ECO-Almag in strength. In the case of ECO-Almag9 containing about 9 wt% of Mg, it exhibits the strength over 700 MPa even though it is a non-heat treatable alloy, which exceeds the strength of the 7xxx alloys with T6 heat treatment having the highest strength among the commercial aluminum alloys. In addition, as shown in Fig. 2, even with the same alloy composition, it is possible to obtain an elongation of much more than 30% depending on the tempers, so it can be said that the ECO-Almag has a fairly wide spectrum in realizing properties according to product requirements and application fields.
그림 1. 상용 알루미늄 합금과 ECO-Almag의 강도 비교.
Fig. 1. Comparaison between cummertial Al alloys and ECO-Almag in strength.
그림 2. 상용 알루미늄 합금과 ECO-Almag의 공칭응력-연신율 곡선.
Fig. 2. Engineering stress-Elongation curves of cummertial Al alloys and ECO-Almag.
Presentation 2: Eco535 Sand and Permanent Mold Casting
본 연구내용은 캐나다 퀘벡주에 위치한 연구기관인 Centre de métallurgie du Québec (이하 ‘CMQ’) 로부터 발표되었고, ECO535 라는 ECO-Almag의 중력주조용 합금을 개발하여 사형주조와 금형주조에 적용한 사례이다. CMQ는 지난 수년간 ECO535 라는 소재의 중력주조공정개발에 관해 한국생산기술연구원과 공동연구를 수행해왔으며, 관련 연구내용에 대해 한국주조공학회지에 소개한 적이 있다. ECO535는 약 7wt%의 Mg 함량을 갖는 상용 주조용 알루미늄 합금인 535 합금을 ECO-Almag 기술을 기반으로 개발한 것으로, 고온에서의 Mg 산화방지를 위해 유독성의 Be을 첨가하는 상용 합금과 달리 Be 무첨가임에도 용탕상태에서 일반 알루미늄 합금처럼 공정이 가능하다는 특징이 있다. 그림 3와 같이, 본 연구에서 Clamp 라는 부품을 사형주조와 금형주조를 통해 제조하였고, 비교재로 일반적인 중력주조용 합금인 A356이 사용되었다. 낮은 주조성을 갖는 것으로 알려진 기존의 Al-Mg계 합금과는 달리 ECO535는 A356 합금과 동등한 수준으로 주조가 된 것을 확인할 수 있었고, 다량의 Mg을 함유함에도 불구하고 Be 첨가없이 Mg 산화를 억제한 용탕 및 주조 공정이 가능함을 알 수 있었다.
This study was presented by Centre de métallurgie du Québec (hereinafter ‘CMQ’), a research institute located in Quebec, Canada, and developed an alloy for gravity casting of ECO-Almag called ECO535. This presentation is on the application of ECO535 to sand casting and permanent mold casting. CMQ has been conducting joint research with KITECH on the development of a gravity casting process for ECO535 for the past several years, and also the related research has been introduced in Journal of Korea Foundry Society. ECO535 is designed based on ECO-Almag technology for 535 alloy, a commercial aluminum casting alloy with about 7wt% Mg content. Unlike commercial alloys that contain toxic Be to prevent Mg oxidation at high temperatures, ECO-Almag is Be-free. Even in melting and casting, it can be processed without atmospheric control and Be addition like a general aluminum alloy. As shown in Fig. 3, in this study, a part called Clamp was manufactured through sand casting and mold casting, and also A356, the most common gravity casting alloy, was used as a comparative material. Unlike conventional Al-Mg alloys known to have low castability, ECO535 exhibited a similar castability to that of A356 alloy and no significant Mg oxidation without Be addition.
그림 3. A356과 ECO535의 사형주조와 금형주조에 의한 Clamp 제조.
Fig. 3. Sand casting and permanant mold casting of A356 and ECO535 clamps.
Presentation 3: The Evaluation of ECO-Almag6-8.5 Alloy by Using Oxidation Resistance Mg Master Alloy
본 연구내용은 ECO-Almag 개발 초기부터 한국생산기술연구원과 협력해온 기업인 (주)나이스엘엠에스로부터 발표되었다. 6~8.5wt% 라는 높은 Mg 함량범위의 ECO-Almag 합금 빌렛을 자체 연속주조 생산설비를 통해 제조하였고, 이를 압출한 후 빌렛과 압출재 각각에 대해 단조공정을 수행하여 단조특성을 평가하였다. 그 결과, 그림 4의 그래프와 같이, 단조pass에 의해 성형량이 누적됨에 따라 높은 강도변화를 나타낸 것을 알 수 있었고, 실온에서도 상당량의 변형을 가하는 것이 가능한 것으로부터 단조공정에 있어서도 높은 성형성이 발휘됨을 확인할 수 있었다. 또한, 상기의 압출재를 냉간압연하여 최종적으로 0.15mm 두께의 박판 제조가 가능하다고 발표하였고, 이에 대한 공정을 그림 5에 나타내었다.
This study was reported by NICE LMS Co., Ltd., a company that has cooperated with KITECH from the beginning of ECO-Almag development. ECO-Almag alloy billets with a high Mg content of 6~8.5wt% were manufactured through its own continuous casting production facility, and the cast billets were extruded and followed by a forging test to evaluate the forged properties. As a result, as shown in Fig. 4, it was found that a significant improvement of strength was exhibited as the strain was accumulated through forging passes. This alloy allowed the accumulation of a considerable amount of strain even at room temperature, indicating that it had a high formability in the forging process. And also, it was reported that it was possible to manufacture a thin plate with a thickness of 0.15 mm by cold rolling the extruded material as shown in Fig. 5.
그림 4. 단조pass에 따른 ECO-Almag 압출 봉재의 인장특성 변화.
Fig. 4. Tensile properties of ECO-Almag extruded rods depending on forging passes.
그림 5. 냉간압연에 의한 ECO-Almag 박판제조.
Fig. 5. Fabrication of ECO-Almag thin foils by cold rolling.
Presentation 4: Research on Workability of Aluminium Alloy with High Mg Content - ECO-Almag
폴란드의 연구기관 Łukasiewicz Research Network-Institute of Non-Ferrous Metals는 ECO-Almag6/8.5 소재들을 자체 설비를 이용하여, 주조빌렛제조-압출-단조-표면처리에 이르는 과정에 있어서 공정별로 특성평가를 발표하였다. 주조빌렛, 압출재 그리고 단조재 각각에 대해 품질을 평가한 결과, 큰 결함없는 건전한 제품의 제조가 가능함을 확인할 수 있었고, 특히 압출재와 단조재의 기계적 특성이 우수함을 알 수 있었다. 그림 6은 ECO-Almag의 압출재 및 단조재에 대해 다양한 색으로의 표면처리를 실시한 후 사진들을 보여준다. 이들에 대해 염수분무에 의한 내식성 실험을 실시한 결과, 48시간의 염수분무 후에도 부식의 흔적이 발견되지 않았고, 이를 통해 표면처리특성 또한 우수함을 확인할 수 있었다.
Łukasiewicz Research Network-Institute of Non-Ferrous Metals, a Polish research institute, examined ECO-Almag6/8.5 in its own facilities to process casting billet manufacturing-extrusion-forging-surface treatment. The properties were evaluated for each part and reported through this presentation. It was confirmed that it was possible to manufacture a sound product without major defects, and in particular, the mechanical properties of the extruded and forged alloys showed the significant improvement in strength. Fig. 6 shows pictures after surface treatment of various colors for the extruded and forged ECO-Almag alloys. As a result of corrosion tests by salt spray, no traces of corrosion were found even after 48 hours. From the aforementioned results, it was confirmed that they had excellent surface treatment characteristics.
그림 6. 다양한 색으로 산화물 코팅된 ECO-Almag 압출재와 단조재.
Fig. 6. Colouring oxide coatings of ECO-Almag extrusions and forgings.
Presentation 5: Development of Flat Rolled Products with ECO-Almag
ECO-Almag 판재를 이용한 다양한 제품으로의 적용 및 개발을 위해 한국생산기술연구원과 협력중인 BEAT는 본 세션에서 기존 철강소재 대체를 위한 ECO-Almag 제품 개발과 관련하여 현재 진행중인 내용에 대해 발표하였다. 본 발표에서 검토된 품목은 Ultra thin hinge for smart, PCB protection, Inner bracket for mobile, Notebook cases, EV battery module cases, Pipe production, Shield can for electronics, Steel-replaced high-formable battery housing이며, 품목별 현재까지 평가된 내용들과 향후 계획에 대해 발표하였다.
BEAT, which is cooperating with KITECH for the application and development of various products using ECO-Almag sheets, delivered a talk on the ongoing development of ECO-Almag products to replace steel materials. The items examined in this presentation were ultra-thin hinge for smart, PCB protection, inner bracket for mobile, notebook cases, EV battery module cases, pipe production, shield can for electronics, steel-replaced high-formable battery housing. The results of evaluation and future plans were reported.
맺음말 Closing Remarks
본 세션에 참여한 기관들과 그 외 ECO-Almag의 개발초기부터 현재에 이르기까지 협력해온 많은 연구기관들과 기업들 그리고 본 세션을 개설해준 세계주조대회 및 한국주조공학회에 감사의 마음을 전하며, 향후에도 ECO-Almag 소재가 많은 기관 및 기업들과의 협력을 통해 더 많은 제품들과 공정들로 개발되고 세계 알루미늄 산업 발전에 큰 기여를 할 수 있길 기대해본다.
We would like to express our gratitude to all participants in this session, to many other research institutes and companies that have cooperated from the early stage of development of ECO-Almag, and to WFC and Korea Foundry Society that created this session. In the future, it is hoped that ECO-Almag alloys will be developed into more products and processes through cooperation with many institutions and companies, and will make a great contribution to the development of the global aluminum industry.