[논문]Al-Cu-Mn주조합금의 SCC특성에 미치는 Cd첨가의 영향

이찬희; 김경현; 김인배

문제 정의

고강도 A1 합금인 7000계 A1 합금의 SCC 저항성을 SSRT, DCB, C-ring, U-bend등과 같이 많은 시간을 요하는 방법대신에 훨씬 간단하고 빠르제 측정할 수 있는 전기전도도 변화를 조사함으로써 SCC 저항성 변화를 비교 평가하는데 성공하였다는 보고가 있다/ 따라서 본 연구에서는 2000계이지만 고강도 A1 합금이라는 점에 근거하여 전기전도도 변화를 조사하고 아울러 전기전도도 변화 결과를 보완하기 위하여 C-ring test를 병행 실시하여 SCC 저항성을 평가하였으며, 2000졔 Al 합금의 경우에도 7000 계 Al 합금의 경우처럼 전기전도도 측정에 의해서 SCC 저항성의 평가가 가능한지의 여부를 아울러 확인하고자 하였다. 따라서 Cd 첨가에 따른 전기전도도 변화롤 1차적으로 조사하였으며 그림 4는 그 결과를 나타낸 것이다.
그러나 이 합금은 성분 중에 Ag가 첨가되어 있어 생산단가가 높은 단점이 있기 때문에 사용범위가 제한적이었다. 그래서 A201 합금 가격의 절반정도로 저렴한 Al-Cu-Mn의 합금 조성에 강도와 연성 향상에 효과적인 Cd, Ti, Zt을 첨가한 새로운 합금계를 설계하였으며 그 강도특성을 이미 보고하였다. 3) 이러한 고강도 A1 합금이 항공기나 특수방산용으로 사용될 경우에는 높은 신뢰성과 안정성이 요구되므로 응력부식 균열 저항성, 피로특성 및 파괴인성 등의 내구성에 관한 데이터 제시가 필수적이다.
3) 이러한 고강도 A1 합금이 항공기나 특수방산용으로 사용될 경우에는 높은 신뢰성과 안정성이 요구되므로 응력부식 균열 저항성, 피로특성 및 파괴인성 등의 내구성에 관한 데이터 제시가 필수적이다. 이와 같은 요구에 따라 A1-Cu-Mn계 주조합금의 SCC 특성에 미치는 Cd 첨가의 영향을 조사함으로써 주조용 고강도 알루미늄 합금 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

제안 방법

C-ring 시편은 ASTM G38에 따라 그림 1과 같이 제작하였다. C-ring 시편의 암나사와 숫나사 사이에서 일어날 수 있는 갈바닉 효과를 방지하기 위해서 암나사와 숫나사를 미리 에폭시 수지로 코팅하였으며 C-ring 시편의 노출부는 아세톤에 탈지한 후 시험을 실시하였다.
전기로를 이용하여 제조된 각각의 시편을 543℃에서 13시간 동안 용체화처리를 한 후 수냉한 다음 시효경화 특성을 조사하기 위해 ±1℃ 의 오차를 갖는 silicon oil bath를 사용하여 170℃ 에서 시효열처리를 하였다. 경도변화를 조사하기 위해 마이크로비커스 경도기를 사용하여 하중 300g, 부하시간 10초로 하여 12회 측정한 후 최대 및 최소값을 버리고 산술평균하였다.
15%로 변화시킨 합금을 제조하였으며, 표 1은 시편의 화학조성을 나타낸 것이다. 용탕을 약 15분 동안 Ar gas bubbling 처리를 하여 개재물 제어와 탈가스처리를 하였으며, 약 300℃정도로 예열된 주형에 용탕을 주입하였고, 주입시 용탕의 온도는 약 800 ℃이었다. 전기로를 이용하여 제조된 각각의 시편을 543℃에서 13시간 동안 용체화처리를 한 후 수냉한 다음 시효경화 특성을 조사하기 위해 ±1℃ 의 오차를 갖는 silicon oil bath를 사용하여 170℃ 에서 시효열처리를 하였다.
용탕을 약 15분 동안 Ar gas bubbling 처리를 하여 개재물 제어와 탈가스처리를 하였으며, 약 300℃정도로 예열된 주형에 용탕을 주입하였고, 주입시 용탕의 온도는 약 800 ℃이었다. 전기로를 이용하여 제조된 각각의 시편을 543℃에서 13시간 동안 용체화처리를 한 후 수냉한 다음 시효경화 특성을 조사하기 위해 ±1℃ 의 오차를 갖는 silicon oil bath를 사용하여 170℃ 에서 시효열처리를 하였다. 경도변화를 조사하기 위해 마이크로비커스 경도기를 사용하여 하중 300g, 부하시간 10초로 하여 12회 측정한 후 최대 및 최소값을 버리고 산술평균하였다.
전기로에서 Al-Cu-Mn 모합금에 Ti, Zr, Cd을 첨가하여 Cd 양을 0.05%, 0.10%, 0.15%로 변화시킨 합금을 제조하였으며, 표 1은 시편의 화학조성을 나타낸 것이다. 용탕을 약 15분 동안 Ar gas bubbling 처리를 하여 개재물 제어와 탈가스처리를 하였으며, 약 300℃정도로 예열된 주형에 용탕을 주입하였고, 주입시 용탕의 온도는 약 800 ℃이었다.

이론/모형

행하였다. C-ring 시편은 ASTM G38에 따라 그림 1과 같이 제작하였다. C-ring 시편의 암나사와 숫나사 사이에서 일어날 수 있는 갈바닉 효과를 방지하기 위해서 암나사와 숫나사를 미리 에폭시 수지로 코팅하였으며 C-ring 시편의 노출부는 아세톤에 탈지한 후 시험을 실시하였다.
각 시효열처리에 따른 응력부식균열 특성을 조사하기 위해 응력부식의 한계 특성을 파악하는데 가장 보편적이고 경제적인 방법인 C-ring 시편을 사용하여 시험을 행하였다. C-ring 시편은 ASTM G38에 따라 그림 1과 같이 제작하였다.
본 연구에서 측정한 전기전도도는 ferrite core에 세 선을 감은 probe에 60KHz의 전류를 홀려 금속의 표면에서 발생하는 와류의 크기를 전도도로 환산토록한 Magna Flux 사 제품인 A1 합금 전용 전기전도도 측정장치를 이용하여 MIL-STD-1537 규격에 따라 Eddy 전류법으로 %IACS (International Annealed Copper Standard) -f- 측정하였으며 시험편은 20mm x 20mm X 2mm크기로 하였다. 시편의 측정 면은 연마포로 1200번까지 연마하여 접촉에 따른 오차를 최소한 적게 하였다.
응력부식시험은 ASTM G44에 따라 24±2℃의 온도를 갖는 3.5% NaCl 용액에 10분간 침지한 후 50분간 건조시키는 교차침지법을 사용하였으며, 응력부가는 아래 식 (1)과 (2) 를 이용하여 외형변형량 6만큼의 응력을 SCC 시편에 가하는 bolt loading 방법을 사용하였다. 보정 인자 Z를 그림 2에 나타내었으며 ASTM G 38을 참조하였다.

성능/효과

1) Cd 첨가량이 증가함에 따라 전기전도도가 증가하였고, SCC 저항성도 증가하였다.
2) 과시효에 의해서 전기전도도가 증가하였고, 입계의 조대석출물의 간격이 증가됨으로서 SCC 저항성이 증가되었다.
3) 본 연구합금의 SCC 저항성은 전기전도도 변화와 동일한 변화거동을 나타내었다.
4) SCC 시험결과 균열이 입계를 따라 전파되는 입계파괴가 일어났으며, 파면은 취성파괴양상을 나타내었고, 입계를 따라 조대 석출물과 무석출대가 나타난 것으로 보아서 본 연구합금의 SCC 기구는 anodic dissolution model이라고 판단된다.
5) Cd을 첨가하지 않은 경우 최대경도값은 127Hv였으나, Cd을 첨가한 경우 최대경도값은 138~ 145Hv로 증가하였다.
그러나 Cd을 첨가함에 따라 최대경도값에 도달하는 시간이 짧아져 0.05% Cd을 첨가한 경우 14시간, 0.10% Cd과 0.15% Cd을 첨가한 경우에는 각각 12시간, 8시간으로서 Cd 양이 증가함에따라 최대경도값에 도달하는 시간이 감소되었으며, 최대경도값은 138~145Hv로 증가하였다. 일반적으로 최대경도값에 도달하는 시효처리 시간은 시효온도와 재료내의 석출환경에 따라 달라지는데, 본연구의 경우 시효온도를 170P로 고정하였기 때문에 석출물의 석출이 촉진될 수 있는 석춪여건이 변화되었울 것으로 예상되며, 본 연구시료의 경우 Cd이 8' (CuAk) 상의 핵생성 사이트의 역할욜 한다는 이전의 연구결과3, 7, 8)를 고려하면 Cd 함량이 증가할수록 6, (CuAlz) 상의 석출이 촉진되기 때문에 경도값이 증가된 것으로 판단된다.
있다. 이와같은 C-ring test의 결과와 그림 4, 5의 전기전도도변화를 비교해보면 두 결과가 잘 일치한다는 것을 알 수 있었으며, 이것은 7000계 고강도 A1 합금의 경우와 같이 2000계 고강도 A1 합금의 경우에도 전기전도도 측정에 의하여 SCC 저항성을 간접적으로 평가할 수 있는 방법이라는 것을 일차 확인할 수 있었다. 그림 6은 SCC 시험후 발생된 균열부를 예시한 것이다.
15% Cd을 첨가한 경우에는 각각 12시간, 8시간으로서 Cd 양이 증가함에따라 최대경도값에 도달하는 시간이 감소되었으며, 최대경도값은 138~145Hv로 증가하였다. 일반적으로 최대경도값에 도달하는 시효처리 시간은 시효온도와 재료내의 석출환경에 따라 달라지는데, 본연구의 경우 시효온도를 170P로 고정하였기 때문에 석출물의 석출이 촉진될 수 있는 석춪여건이 변화되었울 것으로 예상되며, 본 연구시료의 경우 Cd이 8' (CuAk) 상의 핵생성 사이트의 역할욜 한다는 이전의 연구결과3, 7, 8)를 고려하면 Cd 함량이 증가할수록 6, (CuAlz) 상의 석출이 촉진되기 때문에 경도값이 증가된 것으로 판단된다.
그림 8은 시편의 SCC 발생부의 파면으로 SCC 시험 편의 나사를 제거한 후 기계적으로 파괴하여 관찰한 전자현미경 사진이다. 파면울 조사한 결과 취성파괴양상을 나타내고 있다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

그래서 A201 합금 가격의 절반정도로 저렴한 Al-Cu-Mn의 합금 조성에 강도와 연성 향상에 효과적인 Cd, Ti, Zt을 첨가한 새로운 합금계를 설계하였으며 그 강도특성을 이미 보고하였다. 3) 이러한 고강도 A1 합금이 항공기나 특수방산용으로 사용될 경우에는 높은 신뢰성과 안정성이 요구되므로 응력부식 균열 저항성, 피로특성 및 파괴인성 등의 내구성에 관한 데이터 제시가 필수적이다. 이와 같은 요구에 따라 A1-Cu-Mn계 주조합금의 SCC 특성에 미치는 Cd 첨가의 영향을 조사함으로써 주조용 고강도 알루미늄 합금 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 하였다.

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