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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 변형률의 차이와 가공속도가 다른 프레스(예: 유압 프레스, 크랭크 프레스 및 해머 프레스)를 사용할 때 발생하는 변형률 속도의 차이가 A1 6061 합금 압출봉재를 이용하여 열간 단조한 시편의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 관찰하고자 한다. 한편 원소재에 따른 공정변수의 효과를 알아보기 위하여 A1 6061 합금 연주봉재를 사용하여 열간 단조한 성형품의 미세조직 및 기계적 특성을 비교하였다.
- 지금까지 A1 6061 합금 압출봉재를 이용한 단조 성형결과, 변형률속도가 증가함에 따라 재결정과 결정립 성장이 일어남으로 인해 기계적 특성이 현저히 저하되는 것을 관찰하였다. 따라서 본 연구에서는 압출봉재에 비해 상대적인 저장 에너지가 낮은 연주 봉재를 이용하여 압출봉재와 동일한 조건으로 열간 단조하여 그 기계적 특성을 비교하였다. Table 6은 A1 6061 연주봉재를 Fig.
제안 방법
- 즉 결정립 크기만으로는 A1 6061 열간 단조품의 변형률에 따른 인장 특성이 설명될 수 없음을 알 수 있다. 결정립 크기 이외의 원인을 알아보고자 인장 특성에 영향을 미칠 수 있는 Mg2Si상의 크기와 분포를 관찰하였다. Fig.
- 실제로 재결정을 일으키는데 필요한 에너지는 결정립 성장에 필요한 에너지보다 높으므로, 재결정이 일어나는 공정 조건에서는 재결정 이후 급속한 결정립 조대화가 일어나 기계적 특성을 감소시킬 수 있는 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 압출봉재의 열간 단조시 공정변수와 미세조직의 변화 그리고 이에 따른 인장 특성의 변화를 좀더 체계적으로 관찰하고자, 각각 변형률 0.5와 0.8에서 변형률 속도를 유압식 프레스, 크랭크 프레스 및 해머를 이용하여 0.002/sec에서 45/sec까지 변화시켜 이에 따른 재결정 및 결정립 성장과 인장특성간의 관계를 관찰하였다. Fig.
- 연주봉재 의 경우 주조조직에서 볼 수 있는 80μm 크기의 전형 적인 수지상 조직을 관찰할 수 있다. 미세조직은 1%의 불산 용액을 사용하여 시편을 부식시킨 후 광학현미경을 이용하여 관찰하였다. 인장특성 측정을 위하여 표점거리 20 mm, 직경 4 mm의 봉상 인장시편을 채취하여 제작한 후 INSTRON 재료시험기 모델 8872를 이용하여 1×10-3/sec의 변형률 속도로 인장시험을 행하였다.
- 본 연구에서는 A1 6061 압출봉재와 연주봉재를 이용하여 열간 단조된 시제품의 공정변수의 변화에 따른 미세조직과 기계적 특성을 비교하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 열간 단조 온도는 해머와 크랭크 프레스의 경우는 전술한 조건과 동일하게 제어하였으며, 유압 프레스의 경우는 작업속도를 감안하여 소재와 금형을 동일하게 400℃로 예열하여 성형하였다. 열간 단조 후 시편은 동일하게 53CTC에서 2시간 용체화처리한 후 176℃에서 8시간 시효처리한 T6 열처리를 행하였다. 한편 원소재에 따른 공정 변수의 영향을 알아보기 위해 127 mm 직경의 6061 합금 연주봉재를 이용하여 Fig.
- 1에서 보는 바와 같은 형상의 성형품을 열간 단조하였다. 열간 단조는 각각 소재온 도를 400℃, 금형온도를 300℃로 예열하여 실시하였다.
- 이러한 기계적 특성의 변화 원인을 살펴보고자, 각 단 조품의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다. Fig.
- 이러한 기계적 특성의 변화 원인을 살펴보기 위해 연 주봉재를 사용한 열간단조품의 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 인장특성 측정을 위하여 표점거리 20 mm, 직경 4 mm의 봉상 인장시편을 채취하여 제작한 후 INSTRON 재료시험기 모델 8872를 이용하여 1×10-3/sec의 변형률 속도로 인장시험을 행하였다. 인장시험 후 파단면과 석출상을 주사현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였다. 충격 시험은 하중 6kgf의 충격시험기를 이용하여 행하였다.
- 미세조직은 1%의 불산 용액을 사용하여 시편을 부식시킨 후 광학현미경을 이용하여 관찰하였다. 인장특성 측정을 위하여 표점거리 20 mm, 직경 4 mm의 봉상 인장시편을 채취하여 제작한 후 INSTRON 재료시험기 모델 8872를 이용하여 1×10-3/sec의 변형률 속도로 인장시험을 행하였다. 인장시험 후 파단면과 석출상을 주사현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였다.
- 인장시험 후 파단면과 석출상을 주사현미경 (SEM)을 이용하여 관찰하였다. 충격 시험은 하중 6kgf의 충격시험기를 이용하여 행하였다.
- 한편 변형률과 변형률 속도가 인장특성에 미치는 영향을 체계적으로 연구하기 위하여 변형률을 각각 0.5와 0.8로 제어하면서, 각각 해머, 크랭크 프레스 그리고 유압 프레스로 변형률 속도를 체계적으로 변화시켜 열간 단조를 실시하였다. Table 1은 각 프레스의 가공 속도를 나타내고 있다.
- 열간 단조 후 시편은 동일하게 53CTC에서 2시간 용체화처리한 후 176℃에서 8시간 시효처리한 T6 열처리를 행하였다. 한편 원소재에 따른 공정 변수의 영향을 알아보기 위해 127 mm 직경의 6061 합금 연주봉재를 이용하여 Fig. 1의 형상으로 각각 크랭크와 해머를 이용하여 열간 단조하였다. 이때 단조 조건과 열처리 조건은 압출봉재와 동일하게 유지하였다.
- 따라서 본 연구에서는 변형률의 차이와 가공속도가 다른 프레스(예: 유압 프레스, 크랭크 프레스 및 해머 프레스)를 사용할 때 발생하는 변형률 속도의 차이가 A1 6061 합금 압출봉재를 이용하여 열간 단조한 시편의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 관찰하고자 한다. 한편 원소재에 따른 공정변수의 효과를 알아보기 위하여 A1 6061 합금 연주봉재를 사용하여 열간 단조한 성형품의 미세조직 및 기계적 특성을 비교하였다.
대상 데이터
- Table 4. Tensile and impact properties of hot-forged Al 6061-T6 product using an extruded bar as a forging stock.
- 본 연구에서는 8:1의 압출비로 성형된 60mm 직경의 A1 6061 합금 압출봉재를 사용하여 해머와 기계식 크랭크 프레스를 이용하여 Fig. 1에서 보는 바와 같은 형상의 성형품을 열간 단조하였다. 열간 단조는 각각 소재온 도를 400℃, 금형온도를 300℃로 예열하여 실시하였다.
데이터처리
- 4와 Table 5는 A1 6061 압출봉재를 이용하여 열간단조한 성형품의 변형률 및 변형률 속도에 따른 미세조직과 인장 특성 및 평균 결정립 크기를 나타내고 있다. 이때 변형률 속도는 전산모사해석을 이용하여 계산하였다. 본 그림과 표를 통해 변형률 속도와 변형률이 변함에 따라 A1 6061 압출봉재 열간 단조품의 미세조직과 인장 특성이 매우 큰 폭으로 변화될 수 있음을 알 수 있다.
성능/효과
- 1. A1 6061 압출봉재를 이용하여 열간 단조할 경우 크랭크 프레스로 성형된 단조품에 비해 해머 단조품의 강도는 전반적으로 감소하는 반면 연신률은 다소 증가하는 경향을 나타내었다. 미세조직 관찰 결과 빠른 변형 속도로 열간 단조하는 과정에서 조장된 재결정 및 결정립 조대화 현상이 원인인 것으로 사료된다.
- 2. A1 6061 압출봉재를 이용한 열간 단조품의 체계적인 변형률 및 변형률 속도에 따른 인장 특성 비교를 통하여, 변형률 속도가 증가할수록 강도 및 연신률이 동시에 감소할 수 있음을 관찰하였다. 그 원인은 재결정과 급격한 결정립 조대화에 의한 것으로 판단되어진다.
- 3. 압출봉재에 비해 저장 에너지가 낮은 A1 6061 연주봉재를 원소재로 사용하여 열간 단조할 경우 크랭크 프레스로 성형된 단조품에 비해 해머 단조품의 강도, 연성 및 충격흡수에너지가 모두 높은 경향을 나타내었다. 이는 해머 단조시 크랭크 프레스에 비해 상대적으로 높은 변형률 속도와 충격량으로 인한 수지상 조직의 미세화와 균질화 때문인 것으로 판단된다.
- 이러한 경향은 상대적으로 형상이 복잡한 단조품의 인장 특성을 나타낸 Table 4의 경향과 유사하였다. 결정립의 크기 또한 변형률 속도가 증가하면서 크게 증가된 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 변형률 속도에 따른 결정립의 크기 변화를 Fig.
- 연주봉재의 경우 열간단조품의 인장 특성이 원소재에 비해 향상되었으며, Table 4의 결과와 비교하면 강도면에서 압출봉재보다 우수할 수도 있음을 보여주고 있다. 또한 압출봉재에서는 변형 속도가 증가할수록 인장특성이 저하되었으나, 연주 봉재에서는 강도, 연신율 및 충격흡수에너지가 모두 향상되었음을 알 수 있다.
- 본 연구에서 압출봉재를 원소재로 사용하여 엎세팅 단 조할 경우 변형률 속도가 증가할수록 강도 및 연신률이 동시에 감소할 수 있음을 관찰할 수 있다. 이러한 경향은 상대적으로 형상이 복잡한 단조품의 인장 특성을 나타낸 Table 4의 경향과 유사하였다.
- 1과 달리 정확한 변형률 제어를 위해 단순히 봉재를 판상 형태로 엎세팅 성형하였다. 열간 단조 온도는 해머와 크랭크 프레스의 경우는 전술한 조건과 동일하게 제어하였으며, 유압 프레스의 경우는 작업속도를 감안하여 소재와 금형을 동일하게 400℃로 예열하여 성형하였다. 열간 단조 후 시편은 동일하게 53CTC에서 2시간 용체화처리한 후 176℃에서 8시간 시효처리한 T6 열처리를 행하였다.
- 지금까지 A1 6061 합금 압출봉재를 이용한 단조 성형결과, 변형률속도가 증가함에 따라 재결정과 결정립 성장이 일어남으로 인해 기계적 특성이 현저히 저하되는 것을 관찰하였다. 따라서 본 연구에서는 압출봉재에 비해 상대적인 저장 에너지가 낮은 연주 봉재를 이용하여 압출봉재와 동일한 조건으로 열간 단조하여 그 기계적 특성을 비교하였다.
- 비교를 위해 열처리한 원소재의 기계적 특성도 함께 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 열간 단조된 시편의 인장 특성이 단순히 T6 열처리된 시편의 인장 특성에 비해 월등히 감소되어 있음을 알 수 있다. 이러한 경향은 단조에 의해 기계적 특성이 증가한다는 일반적인 믿음과는 매우 상반된 현상임을 알 수 있다.
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