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문제 정의
- 이러한 배경흐에, 본 연구에서는 A1 합금 중 Al-Zn-Mg계 합금과 소성가공용 Mg 합금에 대하여 반용융 압출을 위한 조직제어시 조직전개에 미치는 유지온도, 유지시간, 재가열 속도 및 균질화 여부 등에 따른 액상율 변화, 고상형상 변화, 고상의 조대화 및 조직 변화를 관찰하고 원인을 규명하여 액상율 및 고상입자 크기가 균일하게 유지되는 재가열 조건을 확립하고자 하였다.
- 따라서 반용융 압출 온도로의 가열 시간 및 성형전 유지시간을 가능하면 짧게 하고 최적의 압출에 필요한 액상율을 유지하는 것이 필요하다. 이러한 배경하에 본 연구에서는 재가열 속도에 따른 조직 전개 를 살펴보았다.
가설 설정
- -반용융 금속은 고상성분이 고르게 분산되어 있고 액상성분이 고상입자를 결합하게 되는 형태가 되어 외형의 변화 없 이 이송, 유지가 가능하다.
제안 방법
- 본 연구에서는 상용A7003, A7075 합금과 AZ31 합금을 용해하여 200。6로 예열된 S52X270 mm 주철제 금형에 주입하여 빌렛을 제조하였다. 제조된 빌렛은 전기로에 삽입하여 A7003 합금은 48CTC에서 8시간, A7075 합금은 480°C에서 24시간, AZ31 합금은 35(TC에서 12시간 동안 각각 균질화 처리를 하였다. 제조된 합금에 대하여 가열시 액상선 및 고상선 온도를 구하기 위하여 DSC로 열 분석을 하였다.
- 제조된 빌렛은 전기로에 삽입하여 A7003 합금은 48CTC에서 8시간, A7075 합금은 480°C에서 24시간, AZ31 합금은 35(TC에서 12시간 동안 각각 균질화 처리를 하였다. 제조된 합금에 대하여 가열시 액상선 및 고상선 온도를 구하기 위하여 DSC로 열 분석을 하였다. DSC 분석시 승온 속도 HTC/분으로 행하여 얻은 액상선 온도를 Scheil 식에 넣어서 계산된 액상율 0.
- 제조된 합금에 대하여 가열시 액상선 및 고상선 온도를 구하기 위하여 DSC로 열 분석을 하였다. DSC 분석시 승온 속도 HTC/분으로 행하여 얻은 액상선 온도를 Scheil 식에 넣어서 계산된 액상율 0.1, 0.2, 0.3인 온도에서 실험을 행하였다. 액상선온도는 A7003 합금은 655°C, A7075 합금은 641°C, AZ31 합금은 644。(3이다.
- 액상선온도는 A7003 합금은 655°C, A7075 합금은 641°C, AZ31 합금은 644。(3이다. 이후 반용융 조직제어를 위해서 주조된 빌렛을 ° 48X20 mm涅 가공 후 시편을 재가열유도로에 장착하여 Scheil 식에 의한 액상율 0.1, 0.2, 0.3인 온도에서 유지시간을 0, 5, 10 및 30분으로 변화시켜 조직제어를 하였으며, 반용융 조직제어 후 시편은 수냉하였다. 유지시간을 최대 30분으로 제한한 이유는 본 연구의 목적이 반용융 조직제어를 통한 반용융 압출 공정에의 적용 가능성을 검토하는 단계이므로 유지시간을 30분까지 행하여 실질적인 반용융 압출 공정에서의 압출시간을 고려하였기 때문이다.
- 반용융 압출을 위해서는 시편을 소정의 반용융온도에서 가능한 단시간에 처리하는 것이 바람직하며, 또한 시편 전체에 균질한 반용융 조직을 얻어야만 한다. 따라서 반용융 조직전개 에 대한 재가열 속도에 대한 영향을 알아보기 위하여 재가열 속도를 30, 60 및 10(FC/분으로 변화시켰다. 또한 균질화 처리에 따른 반용융 조직전개의 특성을 관찰하고자 균질화 처리를 하지 않은 시편에 대해서도 반용융 조직제어를 하였다.
- 따라서 반용융 조직전개 에 대한 재가열 속도에 대한 영향을 알아보기 위하여 재가열 속도를 30, 60 및 10(FC/분으로 변화시켰다. 또한 균질화 처리에 따른 반용융 조직전개의 특성을 관찰하고자 균질화 처리를 하지 않은 시편에 대해서도 반용융 조직제어를 하였다. 반용융 압출을 위한 원소재의 재가열시 양산화를 위한 최적화 조건은 채가열시간과 재가열 온도의 오차를 최소화시키 는 것으로서 고주파 유도가열을 이용한 재가열은 이러한 조건을 모두 만족할 수 있어 양산화를 위하여 절대적으로 필요한 장치라 판단된다.
- 5%로 줄일 수 있다[13]. 재가열시 소재 부위별 온도 편차를 알아보기 위하여 소재 중심부 및 표면부 4곳의 온도를 K-type 열전대로 측정하였다. 본 연구에 사용한 장비는 시편의, 표면과 내부의 온도차가 ±rc차이내로 온도를 유지토록 하였다.
- 재가열시 소재 부위별 온도 편차를 알아보기 위하여 소재 중심부 및 표면부 4곳의 온도를 K-type 열전대로 측정하였다. 본 연구에 사용한 장비는 시편의, 표면과 내부의 온도차가 ±rc차이내로 온도를 유지토록 하였다.
- 균질화 처리 유무에 관계없이 재가열 조건에 따른 반용융 조직제어가 가능함은, 상용빌렛을 균질화 처리를 행하지 않고 반용융 압출에 적용함으로 해서 균질화 처리에 요구되는 시간을 단축할 수 있으며, 따라서 전체적인 가공 공정시간 을 단축할 수 있다는 장점이 있다. 균질화 유무에 따른 기계적인 특성을 알아보고자 반용융 조직제어된 균질화 처리재와 주조재의 경도를 측정하였다. 반용융 조직제어 후 경도값은 주조재의 경도 값보다는 낮고 균질화 처리된 시편의 경도 값보다는 높은 값을 나타내었다.
- 반용융 압출을 위한 난가공성 경량합금의 저액상율 영역에서 조직제어 및 이에 미치는 유지온도, 유지시간 및 재가열 속도 등의 영향을 평가하였으며 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 상용A7075, A7003 및 AZ31 합금을 이용하여 저액상율 영역에서도 고상입자 및 액상율의 조직제어가 가능함을 확인하였고, 유지온도 및 유지시간 변화에 따른 액상율 및 고상입자의 크기 변화는 매우 작으며, 이러한 결과는 반용융 압 출시 온도제어 측면과 실질적인 압출 시간을 고려한다면 반용융 압출 적용에 매우 유용한 것으로 사료된다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 상용A7003, A7075 합금과 AZ31 합금을 용해하여 200。6로 예열된 S52X270 mm 주철제 금형에 주입하여 빌렛을 제조하였다. 제조된 빌렛은 전기로에 삽입하여 A7003 합금은 48CTC에서 8시간, A7075 합금은 480°C에서 24시간, AZ31 합금은 35(TC에서 12시간 동안 각각 균질화 처리를 하였다.
- 반용융 압출을 위한 원소재의 재가열시 양산화를 위한 최적화 조건은 채가열시간과 재가열 온도의 오차를 최소화시키 는 것으로서 고주파 유도가열을 이용한 재가열은 이러한 조건을 모두 만족할 수 있어 양산화를 위하여 절대적으로 필요한 장치라 판단된다. 본 연구에서는 온도제어가 용이하며 빠른 시간내에 소재를 가열할 수 있는 30kW 용량의 유도가 열기를 사용하였다. 유도가 열기는 기존의 전기로에 비해 빌렛을 가열하는 시간이 짧으므로 산화막과 금형수명 단축을 유발하는 스케일링(Scaling)이 생성되는 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
성능/효과
- 등온 유지시간이 경과함에 따라 덴드라이트 조직이 점차적으로 구상화되고 평균 고상 입자 크기는 일정함을 알 수 있다. 유지시간 없이 수냉된 Fig. 1(a)에서도 입계액상과 입내액상이 모두 존재함을 볼 수 있으며, 유지시간 10 min 이후에는 고상입자의 구형화가 일어났으며, 입내액상은 줄어들었고, 유지시간 변화에 따른 전체적인 액상율은 거의 일정하게 유지되고 있음을 볼 수 있다. 입내에 액상이 생기는 이유는 시편의 온도가 상승함에 따라 용질의 재분배가 일어나지만 결과적으로는 용질 확산 속도가 느리기 때문에 입내의 용질농도가 그 온도에서의 평형 농도보다 높아져서 과열된 효과를 보이기 때문이다.
- 각각의 온도에서 유지시간 증가에 따른 고상입자의 크기는 일정하게 유지되고 있음을 볼 수 있다. 즉, 유지시간이 경과함에 따라 덴드라이트 조직이 점차적으로 구상화되고 고상입자의 평균 크기는 유지 온도 622°C에서 유지시간이 0분에서 5분으로 증가하면 35.5에서 39.6 卜皿으로 약간 증가하고 유지시간 30분에서는 39.3 pm 의 평균 고상 입자 크기를 가졌다.
- 이때 용질원소의 농도가 높은 고상입계가 우선 액화되기 시작하였고, 유지온도가 증가하면 입계의 액상 증가와 더불어 고상의 부분적 구형화가 진행되었다. 또한, 공정상 및 고경각 결정입계와 용질과 포화 영역등에서 선택적으로 부분용융이 일어나며, 온도가 증가함에 따라 수지상가지의 합체와 대곡률반경 영역에서 소곡률반경 영역으로의 용질 확산 에 의한 고상입자의 구형화가 진행되었고, 전체 액상율은 증가하였다. 624。。와 645°C에서는 유지시간 증가에 따라 액상율은 10분에서는 유지시간 0분보다 약간 증가하였으며, 유지시간 30분에서는 약간 감소하는 경향을 보였다.
- 48의 액상율을 나타내었다. 온도가 증가함에 따라 전체 액상율은 증가하였으며, 고상입자의 형상은 구형화 되었다.
- 각각의 온도에서 유지시간 0분일 때는 Scheil식에 의해 계산된 액상율의 값과 유사하였지만, 유지시간 증가에 따라 액상율은 증가하였으며, 유지시간 10분 이후에는 액상율이 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다.
- 고상입자의 크기 변화는 유지시간 증가에 따라 약간 증가하였으며 유지시간 10분 이후에는 거의 일정한 값을 나타내었다. 유지온도 622T에서서고상 입자의 평균 크기는 유지시간이 0분에서 5분으로 증가하면 220에서 237.8 |im으로 증가하고 유지시간 10哓에서는 228.5 呻이며 유지시간 30분에서는 230 nm로 일정한 평균 고상입자 크 기를 나타내었다.
- 이상에서 살펴본 바와 같이 유지시간 증가에 따른 전체적인 액상율의 변화는 크지 않음을 확인할 수 있으며, 이는 유지시간이 증가함에 따라 용융과 용질의 재분배 및 .응고가 동시에 일어나고 A7075, A7003 및 AZ31 합금의 경우 유지시간이 길어짐에 따라 용융과 응고가 거의 평형을 이루기 때문에 액상율이 변하지 않은 것으로 사료된다.
- 2 이하 로 제어 되었으며, 고상입자의 크기는 100 |im 이하로 제어되 었다. 또한, 각각의 재가열 속도에서 유지시간 변화에 따라 액상율 및 고상입자의 크기가 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 이는 반용융 압출시 재가열 속도를 빠르게 하여도 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 빠른 재가열 속도로 인하여 압출 시간을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 6은 A7075 합금을 480K에서 24시간 균질화 처리를 행한 시편과 주조재의 시편을 유지온도 609, 622 및 628。(2에서 각각 10분 유지 후 수냉시킨 시편의 액상율 및 고상입자의 크기를 정량적으로 나타낸 것이다. 균질화 처리된 시편의 경우 각각의 조건에서 주조재의 경우보다 입내액상이 다수 존재하였으나, 전체적인 액상율 및 고상입자의 크기는 균일하게 유지되었다. 균질화 처리 유무에 관계없이 재가열 조건에 따른 반용융 조직제어가 가능함은, 상용빌렛을 균질화 처리를 행하지 않고 반용융 압출에 적용함으로 해서 균질화 처리에 요구되는 시간을 단축할 수 있으며, 따라서 전체적인 가공 공정시간 을 단축할 수 있다는 장점이 있다.
- 균질화 유무에 따른 기계적인 특성을 알아보고자 반용융 조직제어된 균질화 처리재와 주조재의 경도를 측정하였다. 반용융 조직제어 후 경도값은 주조재의 경도 값보다는 낮고 균질화 처리된 시편의 경도 값보다는 높은 값을 나타내었다. 균질화 처리 후 반용융 조직제어 한 시편의 경도 값이 주조재를 반용융 조직제어한 시편의 경 도 값보다 약간 높은 값을 나타내었으며, 유지온도 증가에 따라 경도값은 감소하는 경향을 보였다.
- 반용융 조직제어 후 경도값은 주조재의 경도 값보다는 낮고 균질화 처리된 시편의 경도 값보다는 높은 값을 나타내었다. 균질화 처리 후 반용융 조직제어 한 시편의 경도 값이 주조재를 반용융 조직제어한 시편의 경 도 값보다 약간 높은 값을 나타내었으며, 유지온도 증가에 따라 경도값은 감소하는 경향을 보였다. 즉 유지온도 609, 622 및 628。(2에서 반용융 조직제어한 균질화재 및 주조재의 경도값은 각각 88.
- 반용융 압출을 위한 난가공성 경량합금의 저액상율 영역에서 조직제어 및 이에 미치는 유지온도, 유지시간 및 재가열 속도 등의 영향을 평가하였으며 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 상용A7075, A7003 및 AZ31 합금을 이용하여 저액상율 영역에서도 고상입자 및 액상율의 조직제어가 가능함을 확인하였고, 유지온도 및 유지시간 변화에 따른 액상율 및 고상입자의 크기 변화는 매우 작으며, 이러한 결과는 반용융 압 출시 온도제어 측면과 실질적인 압출 시간을 고려한다면 반용융 압출 적용에 매우 유용한 것으로 사료된다. 또한, 재가열 속도 변화에 따른 유지시간 변화에서도 액상율 및 고상입자의 크기가 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다.
- 상용A7075, A7003 및 AZ31 합금을 이용하여 저액상율 영역에서도 고상입자 및 액상율의 조직제어가 가능함을 확인하였고, 유지온도 및 유지시간 변화에 따른 액상율 및 고상입자의 크기 변화는 매우 작으며, 이러한 결과는 반용융 압 출시 온도제어 측면과 실질적인 압출 시간을 고려한다면 반용융 압출 적용에 매우 유용한 것으로 사료된다. 또한, 재가열 속도 변화에 따른 유지시간 변화에서도 액상율 및 고상입자의 크기가 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 이는 반용융 압 출시 재가열 속도를 빠르게 하여도 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 빠른 재가열 속도로 인하여 압출 시간을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 이러한 유지시간 증가에 따른 평균 고상입자의 크기 및 액상율이 균일하게 유지되는 결과는 반용융 압출시 실질적인 압출 시간을 고려한다면 반용융 압출 적용에 매우 유용할 것으 로 예상되며, 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한 조직제어에 의하여 고상입자의 크기 및 액상율이 제어 가능하다는 것은 반용융 압출재의 고상의 크기 및 액상율을 제어할 수 있다는 측면에서 매우 중요하다.
- 또한, 각각의 재가열 속도에서 유지시간 변화에 따라 액상율 및 고상입자의 크기가 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 이는 반용융 압출시 재가열 속도를 빠르게 하여도 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 빠른 재가열 속도로 인하여 압출 시간을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 또한, 각각의 재가열 속도에서 유지시간 변화에 따라 액상율 및 고상입자의 크기가 거의 일정하게 유지됨을 볼 수 있다. 이는 반용융 압출시 재가열 속도를 빠르게 하여도 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 빠른 재가열 속도로 인하여 압출 시간을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 반용융 압 출시 재가열 속도를 빠르게 하여도 균일한 재료의 내부 조직을 얻을 수 있을 것으로 기대할 수 있으며 빠른 재가열 속도로 인하여 압출 시간을 크게 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 균질화 처리 유무에 관계없이 재가열 조건에 따른 반용융 조직제어가 가능함을 확인하였으며, 이는 상용빌렛을 균질화 처리를 행하지 않고 반용융 압출에 적용함으로 해서 균질화 처리에 요구되는 시간을 단축할 수 있으며, 따라서 전체적인 압출 성형시간을 단축할 수 있을 것으로 기대된다.
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