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문제 정의
- 온도 상승에 따른 기계적 특성저하는 사전에 완전풀림 처리 혹은 T6열처리를 통해 보완하고 온도상승에 따라 튜브의 성형성은 증가하여 액압성형 적용이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 온간액압성형 공정을 고강도 알루미늄 튜브에 적용하기 위한 기초연구로서 열처리와 변형온도에 따른 Al 6061, Al 7075 튜브의 변형거동을 상온과 300℃의 온도범위에서의 일축인장시험과 미세조직을 통하여 살펴보고자 하였다.
제안 방법
- Fig. 16에 T6 열처리된 Al6061 튜브의 변형온도 300oC, 변형률속도 0.001/s의 인장조건에서 나타난 특이 파면과 결정립 미세균열과의 관계를 살펴보기 위하여 인장시편 파단부에서 발생한 미세균열 부위를 절단하여 균열표면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 나타내었다.
- 따라서 T6 열처리된 Al6061 튜브의 경우에 변형률속도의 감소에 따라서 총 연신율이 감소하는 것은 매우 흥미로운 현상이라고 할 수 있겠다. T6 열처리된 Al6061 튜브의 변형률속도 역의존성의 원인은 미세조직을 관찰함으로 자세히 고찰하도록 하겠다.
- 변형온도와 변형률속도의 변화에 따라서 Al6061 튜브와 Al7075 튜브는 대부분의 전처리 상태에서 일반적으로 예측되는 거동-즉 변형온도의 증가에 따른 유동응력의 감소와 총 연신율 증가 그리고 변형률속도의 증가에 따른 유동응력의 증가와 총 연신율의 감소-이 관찰되었으나 T6 열처리된 Al6061 튜브의 경우에는 온간영역 또는 고온 영역에서의 변형률속도 증가에 따라 총 연신율이 감소하는 특이한 결과가 관찰되었다. T6 열처리된 Al6061 합금 연신율의 변형률 속도 역의존성에 대하여 인장파면 관찰 결과와 미세 조직 관찰 결과를 이용하여 고찰해 보도록 하겠다.
- 각각의 튜브에 대해 완전풀림(full annealing)과 T6 열처리를 실시하였고 소재의 화학조성과 열처리 온도를 Table 1, 2에 나타내었다. 각각의 튜브로부터 ASTM E8에 따라 인장시험편을 가공하였고 정적인장시험기(Instron 5582)를 사용하여 일축인장시험을 실시하였다. 일반적으로 정적인장시험기에서는 동일 크로스 헤드 속도(Cross head speed)의 조건에서 인장시험을 수행하게 되는데, 이러한 동일 크로스 헤드 속도에서는 시편의 변형률 속도를 일정하게 유지할 수 없다.
- 3℃/sec이며 시편의 온도를 균일하게 하기 위하여 목표온도에 도달한 후 약 15분 정도 목표 온도를 유지하고 인장시험을 실시하였다. 또한 Al6061 튜브의 파단면은 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 본 연구에서는 알루미늄 튜브 소재의 온도에 따른 변형 거동을 파악하기 위하여 상온, 100℃, 200℃ 그리고 300℃에서 크로스 헤드 속도 20 mm/min으로 인장시험을 실시하였다. 또한 온간 변형 영역에서 변형률 속도에 따른 시편의 변형거동을 평가하기 위하여 200℃와 300℃에서 크로스 헤드 속도를 2, 20, 200 mm/min으로 하여 각각 인장시험을 실시하였다. 인장 시편의 규격을 고려하면 2, 20, 200 mm/min의 크로스 헤드 속도는 각각 초기 변형률 속도 0.
- 변형률속도 0.1/s와 0.01/s의 인장 조건에서는 관찰되지 않는 이러한 파면의 형성이 변형률속도 0.001/s에서 시편의 총 연신율을 급격히 감소시키는데 중요한 역할을 하고 있을 것으로 생각되며 이러한 파면의 형성 과정을 보다 자세히 분석하기 위하여 변형온도 300oC에서 변형률 속도 0.001/s로 인장한 시편의 파단부위 거시조직과 미세조직을 관찰하였다.
- 즉 초기의 변형률 속도는 인장시험이 진행되면서 점점 감소하게 되며 본 시험에서 사용한 인장시편 규격의 경우에 시편의 연신율이 약 50% 정도에 이르게 되면 변형률 속도는 초기 변형률 속도에 비해 약 30% 정도 감소하게 된다. 본 연구에서는 알루미늄 튜브 소재의 온도에 따른 변형 거동을 파악하기 위하여 상온, 100℃, 200℃ 그리고 300℃에서 크로스 헤드 속도 20 mm/min으로 인장시험을 실시하였다. 또한 온간 변형 영역에서 변형률 속도에 따른 시편의 변형거동을 평가하기 위하여 200℃와 300℃에서 크로스 헤드 속도를 2, 20, 200 mm/min으로 하여 각각 인장시험을 실시하였다.
- 온간 영역에서의 인장시험을 위하여 분위기 챔버를 이용하여 인장시편의 온도를 제어하였다. 분위기 챔버의 평균 승온속도는 약 0.3℃/sec이며 시편의 온도를 균일하게 하기 위하여 목표온도에 도달한 후 약 15분 정도 목표 온도를 유지하고 인장시험을 실시하였다. 또한 Al6061 튜브의 파단면은 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 앞에서 Al6061, Al7075 알루미늄 튜브의 전처리 상태와 변형온도, 변형률 속도에 따른 일축인장거동을 살펴보았다. 일축인장시험의 결과를 액압성형 공정중의 성형성과 직접 연결시키는 것은 쉽지 않지만 온간 영역에서 액압성형을 수행함으로서 상온에서의 액압성형 공정과 비교하여 보다 나은 성형성을 확보할 수 있는지에 대해서는 검토할 수 있다고 판단된다.
- 1/s에 해당된다. 온간 영역에서의 인장시험을 위하여 분위기 챔버를 이용하여 인장시편의 온도를 제어하였다. 분위기 챔버의 평균 승온속도는 약 0.
- 001/s에서의 파단부 거시조직을 나타낸다. 파단부의 거시조직은 인장축에 평행한 2개의 단면 A, B에서 관찰하였다. Fig.
- 14에 보여진 미세균열의 발생 원인을 보다 자세히 분석하기 위해 파단부의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과이다. 파단부의 미세조직은 앞에서와 같이 인장축에 평행한 2개의 단면 A, B에서 관찰하였다. Fig.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 알루미늄 튜브는 무접점 압출(seamless extrusion)된 Al6061과 Al7075 튜브로서 외경이 50.8 mm이고 두께가 5 mm이다. 각각의 튜브에 대해 완전풀림(full annealing)과 T6 열처리를 실시하였고 소재의 화학조성과 열처리 온도를 Table 1, 2에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 완전 풀림처리와 T6 열처리된 Al6061과 Al7075 튜브는 변형온도의 증가에 따라서 유동응력이 감소하였다. 완전 풀림처리된 상태에서 Al6061과 Al7075 튜브의 유동응력 감소의 폭은 비슷하였지만, T6 열처리된 상태에서는 Al7075 튜브의 유동응력 감소 폭이 Al6061 튜브에 비하여 상대적으로 크게 나타났다.
- (2) 완전 풀림상태의 Al6061 튜브와 Al7075 튜브, 그리고 T6 열처리 된 Al7075 튜브는 변형온도의 증가에 따라 총 연신율이 증가하여 약 200oC 이상의 변형온도에서는 총 연신율이 급격히 증가하였다.
- (3) T6 열처리된 Al6061 튜브의 경우, 변형온도의 증가에 따른 총 연신율의 증가는 관찰할 수 없었으며 따라서 온간 성형에 의한 성형성의 증가 효과는 미비한 것으로 나타났다. 또한 300℃의 변형온도에서는 변형률속도가 감소함에 따라 총 연신율이 감소하는 변형률속도 역의존성을 나타내었다.
- T6 열처리된 Al6061 튜브의 변형온도 300oC에서의 총 연신율은 변형률속도 0.1/s와 0.01/s에서 약 17% 내외, 그리고 변형률속도 0.001/s에서 약 8%로 변형온도를 300oC까지 증가시켜도 연성이 크게 개선되지 않고 있으며 변형률속도의 감소에 의하여 오히려 연성이 악화되고 있음을 알 수 있다.
- 따라서 변형온도 300oC, 변형률속도 0.001/s의 인장조건에서 나타나고 있는 특이파면은 인장시험시 결정립계를 따라서 형성되는 미세균열에 의해서 형성되는 것으로 생각되며 또한 이러한 미세균열의 형성이 총 연신율의 급격한 감소를 가져오는 것으로 판단된다.
- (3) T6 열처리된 Al6061 튜브의 경우, 변형온도의 증가에 따른 총 연신율의 증가는 관찰할 수 없었으며 따라서 온간 성형에 의한 성형성의 증가 효과는 미비한 것으로 나타났다. 또한 300℃의 변형온도에서는 변형률속도가 감소함에 따라 총 연신율이 감소하는 변형률속도 역의존성을 나타내었다.
- 먼저 풀림상태의 Al6061 알루미늄 튜브와 풀림 상태의 Al7075 알루미늄 튜브, 그리고 T6 열처리상태의 Al7075 알루미늄 튜브는 변형온도의 증가에 따라서 현저한 연신율의 증가가 관찰되었고 특히 300oC의 변형 온도에서는 연신율이 50% 정도에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단을 관찰할 수 없었으므로 온간영역에서의 액압성형 공정 적용 가능성이 매우 크다고 판단된다.
- 변형률 속도 0.001/s~0.1/s의 범위에서 200oC와 300oC에서의 변형률속도 민감지수는 Al6061 튜브의 약 0.05~0.1로 평가되었고 Al7075 튜브는 0.05 내외로 변형온도에 따라 크게 변화하지 않는 것으로 나타났다.
- 07로 나타났다. 변형률속도 민감지수는 변형온도의 상승에 따라서 점차 증가하고 있었으며 완전 풀림상태의 6061 튜브의 상승폭이 T6 열처리 튜브의 상승폭 보다 큼을 알 수 있다. Fig.
- 변형률속도 변화에 따른 총 연신율 변화의 경우, 변형온도가 200oC인 경우에는 변형률속도가 감소하여도 총 연신율은 크게 변화하지 않는 것으로 나타났다.
- 01/s에서 완전 풀림처리된 Al7075 튜브의 경우에 약 50% 내외의 총연신율을 나타내고 있다. 변형률속도가 0.1/s 수준으로 증가하면 총 연신율은 약간 감소하여 약 40% 정도를 나타내고 있으며 변형률 속도가 0.001/s 수준으로 감소하면 연신율 50% 정도에서도 국부 네킹 및 파단이 관찰되지 않았다. 변형온도가 300℃로 증가하면 전 변형률속도 범위에서 연신율 50%에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단이 관찰되지 않았다.
- 변형온도 200oC에서는 변형률속도의 감소에 따른 총 연신율의 증가가 관찰되어 변형률속도 0.1/s~0.001/s의 범위에서 약 30~40% 수준의 총 연신율을 나타내었고, 변형온도 300oC에서는 연신율이 50% 수준에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단이 관찰되지 않았다.
- 변형온도 200oC와 300oC에서 변형률속도의 변화에 따른 T6 열처리된 Al7075 튜브의 인장특성을 살펴보면, T6 열처리된 Al7075 튜브의 변형률속도에 따른 인장거동은 완전 풀림 상태의 Al7075 튜브와 거의 유사하였다.
- 변형온도와 변형률속도의 변화에 따라서 Al6061 튜브와 Al7075 튜브는 대부분의 전처리 상태에서 일반적으로 예측되는 거동-즉 변형온도의 증가에 따른 유동응력의 감소와 총 연신율 증가 그리고 변형률속도의 증가에 따른 유동응력의 증가와 총 연신율의 감소-이 관찰되었으나 T6 열처리된 Al6061 튜브의 경우에는 온간영역 또는 고온 영역에서의 변형률속도 증가에 따라 총 연신율이 감소하는 특이한 결과가 관찰되었다. T6 열처리된 Al6061 합금 연신율의 변형률 속도 역의존성에 대하여 인장파면 관찰 결과와 미세 조직 관찰 결과를 이용하여 고찰해 보도록 하겠다.
- Al7075 튜브의 변형온도에 따른 인장특성은 전처리 상태에 상관없이 유사한 거동을 보여주었다. 변형온도의 증가에 따라 인장강도는 점차 감소하였으며 특히, T6 열처리 튜브의 강도 감소폭이 매우 현저하였다. 총 연신율은 변형온도의 상승과 함께 증가하여 변형온도 200℃에서 매우 급격한 총 연신율의 증가가 관찰되었고 변형온도 300℃에서는 연신율이 50%에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단을 관찰할 수 없었다.
- 완전 풀림 상태의 6061 튜브는 변형률의 증가에 따라 총 연신율이 증가하는 경향을 나타내며 특히 변형온도 300oC에서는 0.001/s~0.1/s의 변형률속도 구간에서 50% 이상의 높은 연신에서도 국부네킹과 파단이 관찰되지 않았으나 T6 열처리 튜브는 변형온도의 증가와 변형률속도의 감소에 따라서 오히려 총 연신율이 감소하는 경향을 나타내었다.
- 완전 풀림 처리된 Al6061 튜브의 200oC에서의 총 연신율이 변형률속도 0.1/s~0.001/s의 범위에서 약 30~55% 정도를 보이고 있는 것과 비교하여 보았을 때 T6 열처리된 Al6061 튜브의 총 연신율은 약 17% 내외로 석출 열처리에 의해 감소된 연성이 변형온도의 증가에 의해서 그다지 향상되지 않고 있음을 나타내고 있다.
- 01/s로 상온, 100℃, 200℃ 그리고 300℃에서 인장 시험한 결과를 나타내었다. 완전 풀림된 상태의 튜브와 T6 열처리된 튜브 모두 변형온도의 증가와 함께 인장강도의 감소가 관찰되었다. 변형온도와 총 연신율과의 관계는 시편의 전처리 상태에 따라서 차이를 보이고 있는데, 풀림된 상태의 Al6061 튜브는 변형온도가 200℃를 넘어서면서 총 연신율이 점차로 증가하여 300℃에 이르면 연신율이 50%에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단이 관찰되지 않았다.
- 총 연신율은 변형온도의 상승과 함께 증가하여 변형온도 200oC에서 매우 급격한 총 연신율의 증가가 관찰되었고 변형온도 300oC에서는 연신율이 50%에 이를 때까지 국부 네킹 및 파단을 관찰할 수 없었다.
- 특히 변형온도 300oC에서는 전처리 상태와 변형률속도의 변화에 관계없이 50%의 연신율에 이를 때까지 국부네킹과 파단을 관찰할 수 없어 높은 연성을 갖는 것으로 나타났다.
- 한편 변형온도가 300oC로 증가하게 되면 0.001/s~0.1/s의 변형률속도 범위에서 최대하중점 이후 연신율이 크게 증가하여 총 연신율이 50%에 이를 때까지 날카로운 국부 네킹이 발생하지 않았으며 따라서 총 연신율 50%까지 인장시편의 파단이 관찰되지 않았다.
후속연구
- Al7075 알루미늄 튜브의 경우에는 200oC의 변형온도에서 T6 열처리상태에서도 경우 최소 30% 내외의 총 연신율을 확보할 수 있었으므로 액압성형 온도를 200oC~300oC의 온도범위에서 가능한한 낮은 쪽으로 제어함으로써 공정시간을 줄임과 동시에 소재의 인장특성 열화를 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 상온에서의 낮은 성형성 문제를 보완하여 고강도 알루미늄 튜브에 대한 액압성형 적용 가능성을 높이는 방법으로 온간액압성형 공정을 고려할 수 있다[3-4]. 온도 상승에 따른 기계적 특성저하는 사전에 완전풀림 처리 혹은 T6열처리를 통해 보완하고 온도상승에 따라 튜브의 성형성은 증가하여 액압성형 적용이 가능할 것으로 기대된다. 본 연구에서는 온간액압성형 공정을 고강도 알루미늄 튜브에 적용하기 위한 기초연구로서 열처리와 변형온도에 따른 Al 6061, Al 7075 튜브의 변형거동을 상온과 300℃의 온도범위에서의 일축인장시험과 미세조직을 통하여 살펴보고자 하였다.
- 최근 액압성형(hydroforming)과 같은 일체형 성형기술이 차체 단순화와 경량화의 수단으로 많은 연구가 진행되고 있는데 이러한 일체화 성형기술이 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경량금속 부품의 제조에 적용될 수 있다면 차체 경량화 효과를 보다 극대화할 수 있을 것으로 기대된다[1-2]. 액압성형 기술은 공정상 재료의 높은 성형성 요구로 인해 현재까지 주로 철계 재질이 적용되어왔다.
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