[논문]7175 알루미늄합금 형단조재의 미세조직 변화와 기계적 성질

이인기; 유재선; 강성수; 이오연

doi:10.3740/mrsk.2004.14.3.168

문제 정의

본 연구는 direct chill 주조법으로 제조한 0370mm와 0720mm 대형 주조빌렛트의 미세 조직을 관찰하고 자유단조 공정에서 발생되는 균열발생장소와 그 원인을 조사하였다. 또한 대형 빌렛트를 사용하여 제조한 형단조품의 기계적 성질에 미치는 공정조건의 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 기계적 성질이 우수한 대형 단조품 개발을 위한 기초연구로써 Alcoa Korea사에서 Direct Chill 주조법으로 제조한 φ370mm와 φ0720mm 빌렛트의 미세조직 변화를 조사하고, 자유단조공정에서 발생되는 균열 발생 요인을 파악하기 위해 소형시편을 업셋팅하여 분석하였다. 또한 국내에서 제조한 상기의 2종 빌렛트와 비교재로서 미국 Alcoa사의 0720mm 빌렛트를 사용하여 자유 단조한 다음 대형 형단조품을 제작하여 인장시험, 충격시험 및 파괴인성 등의 기계적 물성을 비교평가 하였다.
업셋팅 실험은 대형 빌렛트의 자유단조공정에서 발생되는 균열발생의 원인을 파악하기 위한 기초자료를 조사할 목적으로 실시하였다. 시편은 국내에서 제작한 0720mm 주조빌렛트를 균질화처리한 다음 R/2지점(R: 빌렛트 반경)에서 채취하였고, 열간 업셋팅 시편은 φ17Xh23 mm, 냉간 업셋팅 시편은 φ40Xh80mm로 가공하였다.

제안 방법

φ0720mm 빌렛트의 자유단조(cogging process)는 균질화 처리 된 φ0720mm 빌렛트를 φ680mm로 황삭가공한 다음 420℃에서 21시간 soaking한 후 유압프레스에서 flat die와 round anvil을 사용하여 1회의 공정으로 빌렛트의 직경을 φ380 mm까지 감소시키는 자유단조공정(진변형률: 1.16)을 실시하였다. 이렇게 준비된 자유단조재와 0370mm 주조빌렛트는 임의의 길이로 절단한 후 유압 프레스에서 예비성형한 다음 최종제품으로 형단조하여 하우징 형태의 대형 단조품을 제작하였다.
인장시험은 시험편을 ASTM-E8 규격으로 Longitudinal(L), Long Transverse(LT), Short Transverse(ST) 3방향으로 가공하였으며, 2mm/min의 인장속도로 시험하였다. 각각의 시편에 대하여 얻어진 하중-변위 곡선으로부터 인장강도, 0.2% 항복강도 및 연신율을 구하였다. 충격시험은 재료의 동적 파과인성을 측정하기 위하여 노치가 있는 시험편에 충격력을 가해서 파괴시키고 시험편이 파괴될 때 까지의 흡수에너지를 계산하여 충격에너지를 구한다.
광학현미경 조직은 시편을 정연마한 후 dilute Keller 시약으로 부식하여 관찰하였고, 2차상 입자의 분석은 화상분석기(OPTIPHOT-l00, BMI-PLUS)를 이용하였다. 또한 SEM/EDS(JSM-6400)를 사용하여 소정의 개재물에 대한 정량분석을 실시하였으며, 충격파면도 관찰하였다.
따라서 균열발생 원인을 간접적으로 조사하기 위해 균질화처리된 φ720mm 빌렛트에서 소형시편을 제작하여 업셋팅하였다. Fig.
또한 SEM/EDS(JSM-6400)를 사용하여 소정의 개재물에 대한 정량분석을 실시하였으며, 충격파면도 관찰하였다. 인장시험은 시험편을 ASTM-E8 규격으로 Longitudinal(L), Long Transverse(LT), Short Transverse(ST) 3방향으로 가공하였으며, 2mm/min의 인장속도로 시험하였다.
또한 국내에서 제조한 상기의 2종 빌렛트와 비교재로서 미국 Alcoa사의 0720mm 빌렛트를 사용하여 자유 단조한 다음 대형 형단조품을 제작하여 인장시험, 충격시험 및 파괴인성 등의 기계적 물성을 비교평가 하였다.
또한 대형 빌렛트를 사용하여 제조한 형단조품의 기계적 성질에 미치는 공정조건의 영향을 검토하였다. 균질화처리한 0370mm 주조빌렛트의 cell 크기나 2 차상 입자의 양은 0720mm 빌렛트에 비하여 훨씬 작았다.
9%A1의 잉고트를 사용하여 7175A1 규격에 맞도록 합금성분을 첨가하여 용해한 후 합금원소가 균일하게 분포되도록 하기 위해서 반사로에 설치된 magnetic stirrer를 이용하여 용탕을 교반시켰으며, 7175A1 합금의 출탕온도는 745℃ 이하가 되도록 유지하였다. 또한 용탕에 존재하는 수소가스 및 불순물을 효과적으로 제거하기 위해서 탕로에서 탈 가스 처리 후 ceramic filtering한 다음 곧바로 반연속 주조기에 용탕을 공급하여 14mm/min의 속도로 주조하였다. 본 실험에 사용된 시편의 화학적 성분은 Table 1과 같다.
용해는 Alcoa Korea사의 8톤 반사로에서 99.9%A1의 잉고트를 사용하여 7175A1 규격에 맞도록 합금성분을 첨가하여 용해한 후 합금원소가 균일하게 분포되도록 하기 위해서 반사로에 설치된 magnetic stirrer를 이용하여 용탕을 교반시켰으며, 7175A1 합금의 출탕온도는 745℃ 이하가 되도록 유지하였다. 또한 용탕에 존재하는 수소가스 및 불순물을 효과적으로 제거하기 위해서 탕로에서 탈 가스 처리 후 ceramic filtering한 다음 곧바로 반연속 주조기에 용탕을 공급하여 14mm/min의 속도로 주조하였다.
16)을 실시하였다. 이렇게 준비된 자유단조재와 0370mm 주조빌렛트는 임의의 길이로 절단한 후 유압 프레스에서 예비성형한 다음 최종제품으로 형단조하여 하우징 형태의 대형 단조품을 제작하였다. 형단조품의 열처리는 470℃에서 용체화처리한 다음 3% 압축변형시킨 후, 107℃에서 7시간 유지한 후 177℃로 승온하여 6시간 열처리하는 T₇₄₅₂ 시효처리를 실시하였다.
또한 SEM/EDS(JSM-6400)를 사용하여 소정의 개재물에 대한 정량분석을 실시하였으며, 충격파면도 관찰하였다. 인장시험은 시험편을 ASTM-E8 규격으로 Longitudinal(L), Long Transverse(LT), Short Transverse(ST) 3방향으로 가공하였으며, 2mm/min의 인장속도로 시험하였다. 각각의 시편에 대하여 얻어진 하중-변위 곡선으로부터 인장강도, 0.
충격시험은 재료의 동적 파과인성을 측정하기 위하여 노치가 있는 시험편에 충격력을 가해서 파괴시키고 시험편이 파괴될 때 까지의 흡수에너지를 계산하여 충격에너지를 구한다. 충격시험용 시편도 인장시험편과 마찬가지로 공정별, 방향별로 ASTM-E23의 규격으로 제작하였다. 충격시험은 계장화된 Sharpy 충격시험기(Tinius olsen)를 사용하였으며 시편에 가해지는 충격속도는 51.
이렇게 준비된 자유단조재와 0370mm 주조빌렛트는 임의의 길이로 절단한 후 유압 프레스에서 예비성형한 다음 최종제품으로 형단조하여 하우징 형태의 대형 단조품을 제작하였다. 형단조품의 열처리는 470℃에서 용체화처리한 다음 3% 압축변형시킨 후, 107℃에서 7시간 유지한 후 177℃로 승온하여 6시간 열처리하는 T₇₄₅₂ 시효처리를 실시하였다.

대상 데이터

목적으로 실시하였다. 시편은 국내에서 제작한 0720mm 주조빌렛트를 균질화처리한 다음 R/2지점(R: 빌렛트 반경)에서 채취하였고, 열간 업셋팅 시편은 φ17Xh23 mm, 냉간 업셋팅 시편은 φ40Xh80mm로 가공하였다. 이때 열간 업셋팅은 시편을 420℃로 가열 유지한 다음 20톤 프레스로, 냉간 업셋팅은 상온에서 300톤 프레스로 실시하였다.

이론/모형

7m/s로 하였다. 평면변형 파괴인성(Kic)은 표준 CT시편을 제작한 후 컴퓨터 제어 방식의 유압식 만능시험기(Instron-8516)를 사용하여 ASTM-E399 규정에 따라 시험하였다.

성능/효과

냉간 업셋팅시 균열은 최종 응고부인 cell 입계에 농축된 취약한 2차상 입자들 주위에서 발생하며 cell 경계를 따라 진전되었다. 0720mm 빌렛트로 형단조한 시편의 인장강도와 항복강도는 0370mm 주조빌렛트를 직접형 단조한 시편보다 L 및 LT 방향에서 30-60MPa 정도 높게 나타났다. 그러나 이들 형단조품의 인장강도와 항복강도는 미국 국방성 규격값에 비하여 5~10% 정도 낮았다.
Cog재의 파괴인성은 자유단조공정에서 형성된 금속유동 특성으로 인하여 이방성이 나타나지만, 0370 mm 주조빌렛트는 자유단조공정을 거치지 않고 형단조하였기 때문에 L 및 LT방향의 파괴인성은 거의 비슷하였다. 그리고 빌렛트의 품질수준이 우수한 것으로 판단되는 Cog(B)시편이 Cog(A)시편보다 평면변형 파괴인성값이 조금 우수한 경향을 보였다. 특히 0370mm 빌렛트를 사용한 시편은 충격인성과 달리 이방성은 나타나지 않고 있으며, 자유단조공정을 거친 Cog(A)와 Cog(B) 시편과 동등한 수준의 파괴인성값을 보였다.
6은 제조공정을 달리한 T7452 상태의 형단조 시편에 대한 방향별 인장시험 결과로서 대형 빌렛트 소재를 형 단조한 Cog(A)와 Cog(B) 시편의 인장강도와 항복강도가 0370mm 주조빌렛트를 직접 형단조한 시편보다 L 및 LT방향에서 30-60MPa 정도 높게 나타났다. 또한 비교재로 사용된 미국 Alcoa사의 대형 빌렛트로 제조된 Cog(B)시편의 강도와 연성이 시편채취 방향에 따라 다르지만, 국산제품인 Cog(A)시편과 동등한 수준 또는 그 이상인 것으로 보아 국내에서 제조한 대형 주조빌렛트의 품질수준이 약간 열등한 것으로 판단된다. 0370mm 빌렛트 소재로 형단조한 제품의 인장성질은 비록 자유단조 공정을 거치지 않았어도 상당히 우수하였다.

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