[논문]고강도 7175Al 형단조재의 기계적 성질에 미치는 제조공정의 영향

이인기; 강성수; 이오연

doi:10.3740/mrsk.2003.13.12.812

문제 정의

본 연구에서는 e370mm와 @720mm 대형 7175A1 합금 빌렛트를 사용하여 제조한 형단조품의 미세조직, 인장성질 및 파괴인성 등의 기계적 성질에 미치는 제조공정 인자의 영향을 분석하였다. 균질화 처리한 주조빌 렛트의 강도와 연신율은 빌렛트 크기에 관계없이 비슷한 값들을 보이지만, Tf, 상태에서는 370mm 빌렛트가 대형 빌렛트보다 인장강도 30 MPa, 연신율 2배 이상 증가된 것으로 볼 때 주조빌렛트의 품질이 시효석출특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
대형 형단조품을 제조하기 위해서는 0370-720 mm 정도의 다양한 크기를 갖는 대형 빌렛트의 용해/주조기술, 예비단조/형단조 기술, 정밀열처리 기 술, 잔류응력제거처리 기술 등이 요구되어지며, 대형 단조부품개발을 위한 기반기술의 실용화 및 상용화를 위해서는 최적 제조공정의 규격화와 공정변수에 따른 물성평가가 필수적이다. 본 연구에서는 상용단계의 형단조품 제작을 위해 Cog 또는 다축예비단조한 0720 min 대형 빌 렛트와 0370 mm 주조빌렛트로 제조된 형단조품의 제조공정별 기계적 성질을 평가하였다.

제안 방법

형단조품의 기계적 성질에 미치는 제조공정의 영향을 조사하기 위해 0370 mm 주조빌렛트는 균질화처리후 형 단조하였고, @720 mm 빌렛트는 680 mm로 황삭가공한 다음 중간단조공정인 Cogging 또는 다축단조(multi- axial forging, MF)공정을 거쳐 형단조하였다. Cog공정은 0680 mm 빌렛트를 일정시간 가열한 후 유압프레스로 380 mm까지 단계적으로 단면적을 감소(진변형률: 1.16)시켰고, MF공정은 Fig. 1과 같은 공정을 거쳐 ^820X 105 mm크기로 열간단조(진변형률:4.65) 하였다.
광학현미경 조직은 시편을 정연마한 후 dilute Keller 시약으로 부식하여 관찰하였고, 2차 상입자의 분석은 주 사전자현미경을 이용하였다 . 인장시험은 시험편을 ASTM E-8 규격으로 제작한 다음 5 mm/min의 인장속도로 실시하여 항복강도, 인장강도 및 연신율을 구하였다.
이와 같이 제조된 주조빌렛트(370mm) 또는 중간단 조재(720mm 빌렛트를 Cog 또는 MF)를 일정한 길이로 절단한 후 6,000 ton 유압프레스에서 형단조하여 하우징 형태의 단조품으로 제작하였다. 제조공정을 변화시켜 제조된 형단조품의 열처리는 T6 와 T”처리하였다.
광학현미경 조직은 시편을 정연마한 후 dilute Keller 시약으로 부식하여 관찰하였고, 2차 상입자의 분석은 주 사전자현미경을 이용하였다 . 인장시험은 시험편을 ASTM E-8 규격으로 제작한 다음 5 mm/min의 인장속도로 실시하여 항복강도, 인장강도 및 연신율을 구하였다. 평면변형 파괴인성 (Km)은 표준 CT시편을 제작한 후 컴퓨터 제어방식의 유압만능시험기(Instron 8516)를 사용하여 ASTM E-399 규정에 따라 시험하였다.
이와 같이 제조된 주조빌렛트(370mm) 또는 중간단 조재(720mm 빌렛트를 Cog 또는 MF)를 일정한 길이로 절단한 후 6,000 ton 유압프레스에서 형단조하여 하우징 형태의 단조품으로 제작하였다. 제조공정을 변화시켜 제조된 형단조품의 열처리는 T6 와 T”처리하였다. T6처리는 470℃에서 3시간 유지한 후 용체화처리한 다음 12FC에서 24시간 시효처리 하였고, T74처리는 T6 처리후 165℃(2에서 20시간 시효처리 하였다.
형단조품의 기계적 성질에 미치는 제조공정의 영향을 조사하기 위해 0370 mm 주조빌렛트는 균질화처리후 형 단조하였고, @720 mm 빌렛트는 680 mm로 황삭가공한 다음 중간단조공정인 Cogging 또는 다축단조(multi- axial forging, MF)공정을 거쳐 형단조하였다. Cog공정은 0680 mm 빌렛트를 일정시간 가열한 후 유압프레스로 380 mm까지 단계적으로 단면적을 감소(진변형률: 1.

대상 데이터

추진복합기술에서 대형 형단조품은 단위 체적이 크기 때문에 부품의 성형을 가능토록 하고, 강도 및 파괴인성 등의 신뢰도를 확보하기 위하여 720min급인 7175A1 합금 대형 빌렛트가 요구된다. 고강도 7XXX 계 A1 합금의 대형 빌렛트는 D.C. 반연속 주조방식으로 제조되며 과거 국내기술로 제작 가능한 빌렛트의 크기는 0370 mm 수준이었다. 그러나 국내 항공우주산업 분야의 기반기술인 고강도 A1 합금 소재개발을 위해 러시아에서 대형 빌렛트의 용해/주조 기술을 도입하고, 지난 10년 동안 국내에서 지속적인 연구개발을 통하여 @720 mm급 대형 빌 렛트의 국산화 기술이 확보되었다.
용해는 Alcoa Korea사의 8톤 반사로에서 99.9%A1 잉 고트를 사용하여 7175A1 규격에 맞도록 합금 성분을 첨가하여 용해한 후 반연속 주조하여 ©370 mm와 0720 mm의 빌렛트를 제조하였다. 시편의 화학성분은 Table 1과 같다.

이론/모형

인장시험은 시험편을 ASTM E-8 규격으로 제작한 다음 5 mm/min의 인장속도로 실시하여 항복강도, 인장강도 및 연신율을 구하였다. 평면변형 파괴인성 (Km)은 표준 CT시편을 제작한 후 컴퓨터 제어방식의 유압만능시험기(Instron 8516)를 사용하여 ASTM E-399 규정에 따라 시험하였다.

성능/효과

8은 370 mm와 720 mm 빌렛트를 사용하여 제조한 형단조품의 인장성질에 미치는 제조공정의 영향을 나타낸 것이다. T6 상태에서 L-ST방향의 인장강도와 연신율은 각각 539 MPa, 11.2-12.3% 정도로써 제조공정이 다른 3종의 형단조품 모두 비슷한 값을 보였으나, ST-L방향의 연신율은 370 mm 빌렛트를 사용한 형 단조 품이 21.2%로서 대형 빌렛트로 제조한 Cog재 또는 MF 재(13.3%)에 비하여 매우 높게 나타났다.
균질화 처리한 주조빌 렛트의 강도와 연신율은 빌렛트 크기에 관계없이 비슷한 값들을 보이지만, Tf, 상태에서는 370mm 빌렛트가 대형 빌렛트보다 인장강도 30 MPa, 연신율 2배 이상 증가된 것으로 볼 때 주조빌렛트의 품질이 시효석출특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다. Tf, 처리한 형단조재의 인장강도는 용체화처리 상태보다 20% 정도 상승하지만, 연신율은 50% 감소하였다. 그러나 처리하면 인장강도는 T(, 상태에서보다 13% 감소되며, 연신율은 비슷한 값을 보였다.
본 연구에서는 e370mm와 @720mm 대형 7175A1 합금 빌렛트를 사용하여 제조한 형단조품의 미세조직, 인장성질 및 파괴인성 등의 기계적 성질에 미치는 제조공정 인자의 영향을 분석하였다. 균질화 처리한 주조빌 렛트의 강도와 연신율은 빌렛트 크기에 관계없이 비슷한 값들을 보이지만, Tf, 상태에서는 370mm 빌렛트가 대형 빌렛트보다 인장강도 30 MPa, 연신율 2배 이상 증가된 것으로 볼 때 주조빌렛트의 품질이 시효석출특성에 상당한 영향을 미치는 것으로 판단된다. Tf, 처리한 형단조재의 인장강도는 용체화처리 상태보다 20% 정도 상승하지만, 연신율은 50% 감소하였다.
6undefined~undefined8은 각 공정별, 방향별에 따른 인장시험 결과를 보여주고 있다. 균질화처리 상태에서는 Fig. 6에서 알 수 있듯이 0370 mm 빌렛트나 대형 빌렛트 모두 항복 강도와 인장강도는 각각 91 MPa, 210 MPa 정도였으며, @370 mm 빌렛트의 연신율은 18%로서 대형 빌렛트 보 다 약 2% 높은 값을 나타냈다. 한편 이들 주조빌렛트를 T6 처리하면 AJ합금 특유의 석출강화효과에 의해 강도가 현저하게 상승하였다.
또한 MF재를 사용한 형단조품의 경우 용체화처리 (SHT)상태의 항복강도는 455 MPa 수준이었으나, T6처리에 의해 538 MPa로서 약 20% 상승하였다. 이것은 저온시효 (121℃X24h)를 통해 다량의 GP Zones 을 미세하고 균일하게 분포시켜 석출경화에 의한 강도특성이 향상되는데 기인한다.
한편 Cog재와 MF재의 강도와 연신율을 비교하여 보면 시편채취 방향(R과 L방향)에 따라 다소 차이는 있지만 MF재는 Cog재보다 30-50MPa 정도의 강도증가 현상을 보였으며, 연신율도 높게 나타났다. 또한 균질화처리후 Tf, 처리한 대형 주조빌렛트의 R방향 연신율은 6.7%이었으나, Cog재와 MF재의 연신율은 각각 13%와 15.2%로서 중간단조가공에 의해 연성이 크게 향}됨을 알 수 있었다. 그러나 370 mm 주조빌렛트는 중간단조 공정을 생략한 상태에서도 MF재에 근접한 우수한 인장특 성을 보였다.
7은 대형 빌렛트를 Cog 또는 MF공정을 거친 후 Tf, 처리한 중간단조재의 인장시험 결과이며 , 소성유동 특성상 R 방향보다 L 방향의 강도가 높게 나타났다. 즉 Cog 재에서 R방향의 인장강도는 476MPa인데 비하여 L방향 은 528 MPa로서 약 10%의 강도차이를 보였다. 그러나 MF재에서는 R방향과 L방향의 인장강도는 각각 526 MPa 과 554 MPa 로서 Cog재보다 훨씬 낮은 이방성을 나 타냈다.
한편 Cog재와 MF재의 강도와 연신율을 비교하여 보면 시편채취 방향(R과 L방향)에 따라 다소 차이는 있지만 MF재는 Cog재보다 30-50MPa 정도의 강도증가 현상을 보였으며, 연신율도 높게 나타났다. 또한 균질화처리후 Tf, 처리한 대형 주조빌렛트의 R방향 연신율은 6.
5의 미세조직에서 알 수 있듯이 파괴인성시 편의 노치부근에서 결정립의 연신방향이 L-ST방향보다는 ST-L방향으로 기울어져 나타나는 현상으로 생각된다. 한편 M공정을 거친 형단조품의 파괴인성을 보면 T74 처리재가 T6 상태보다 약 10% 향상됨을 알 수 있는데, 이것은 과시효에 의해 미세석출물의 크기가 증가하면서 석출물의 간격이 넓어지고 그 분포가 균일해지기 때문이며, 이 과정에서 강도는 저하하지만 파괴인성과 SCC 특성은 향상된다.

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