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문제 정의
- 본 연구는 자동차 휠용으로 개발되고 있는 6061 알루미 늄합금의 고온 단조성형 에 따른 미 세 조직의 변화와 기계적 특성을 고온 압축 변형 거동과 연계하여 고찰하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 6061 알루미늄합금을 이용해 단조한 후 T6 열처리한 단조 휠에 대해 각 방향별로 상온 인장 특성을 알아보았다. Radial 방향은 metal flow 에 나란한 방향으로 인장방향과 결정립의 연신방향이 일치 하며, tangential 방향은 metal flow 에 대해 수직한 방향으로 결정립의 연신방향이 인장 응력 방향과 수직을 이루게 된다.
- 6061 알루미늄합금의 고온변형특성을 알아보기 위해 ThermacMaster-Z 장비를 이용하여 고온압죽시험을 실시하였다[4]. 사용한 시편은 직경 8mm, 높이 12mm 의 원통형으로, 압축시험은 10-3~1(厶3』 의 구간에서 변형속도를 10'sec』간격으로 변화시켰으며, 압하량은 60%로, 온도는 300℃~475 ℃ 의구간에서 25℃ 간격으로 각 온도에 대한 각각의 변형속도 조건에서 실시하였다.
- 또한, 상온인장시험은 INSTRON 사의 INSTRON 4206 시험 기 를 이 용하여 표점거리 30mm, 직경 6mm 인 봉상시편으로, l.Oxlf尸sec」의 변형속도하에서 실시하였다. 인장 시편은 Fig.
- 물성을 평가하고 분석하였다. 단조성형시 휠의 부위에 따라 변형속도 및 온도가 변화하고 그에 따라 미세조직 및 기계적 특성이 변하므로, 이를 분석하기 위해 변형속도와 압축온도의 함수로 6061 알루미늄합금의 고온 압축변형거동을 고찰하였다.
- 4(a)-(b)는 6061 알루미늄합금을 단조한 후 T6 열처리를 수행한 알루미늄휠의 중앙부위와 스포크(spoke) 부위를 절단하여 3 차원적으로 미세조직을 관찰한 광학현미경 사진이다. 단조품의 압축된 방향과 연신된 방향의 미세조직을 비교하기 위흐卜여 ST(short transverse), LT(longitudinal transverse), 1.(longitudinal) 방향으로 나누어 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 사용한 6061 알루미늄합금을 기계적으로 연마한 후 CH3OH 50ml, HC1 30ml, HNO3 20ml, HF 1 drop용액으로 에칭 하여 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였으며, 모델명 DTB-500인 브리넬경도 시험기로 10mm 텅스텐 카바이드볼을 이용하여 500kg하중에서 경도를 측정하였다. 또한, 상온인장시험은 INSTRON 사의 INSTRON 4206 시험 기 를 이 용하여 표점거리 30mm, 직경 6mm 인 봉상시편으로, l.
- 실시하였다[4]. 사용한 시편은 직경 8mm, 높이 12mm 의 원통형으로, 압축시험은 10-3~1(厶3』 의 구간에서 변형속도를 10'sec』간격으로 변화시켰으며, 압하량은 60%로, 온도는 300℃~475 ℃ 의구간에서 25℃ 간격으로 각 온도에 대한 각각의 변형속도 조건에서 실시하였다. 실험시 시편과 금형 사이에 운모판을 삽입하여 마찰 및 열 손실을 최소화하였고, 압축시험 후 질소가스를 시편에 직접 분사하여 급냉하였다.
- 사용한 시편은 직경 8mm, 높이 12mm 의 원통형으로, 압축시험은 10-3~1(厶3』 의 구간에서 변형속도를 10'sec』간격으로 변화시켰으며, 압하량은 60%로, 온도는 300℃~475 ℃ 의구간에서 25℃ 간격으로 각 온도에 대한 각각의 변형속도 조건에서 실시하였다. 실험시 시편과 금형 사이에 운모판을 삽입하여 마찰 및 열 손실을 최소화하였고, 압축시험 후 질소가스를 시편에 직접 분사하여 급냉하였다.
- 이에 본 연구에서는 자동차 알루미늄 휠용으로 사용되고 있는 6061 합금을 이용하여 기계식 스크류 프레스(모델; LVH 4000)를 이용한 형단조 공법을 활용하여 고강도 알루미늄 합금휠을 제작하였으며 , 이 단조휠의 부위별 미 세조직 특성 및 기계적 물성을 평가하고 분석하였다. 단조성형시 휠의 부위에 따라 변형속도 및 온도가 변화하고 그에 따라 미세조직 및 기계적 특성이 변하므로, 이를 분석하기 위해 변형속도와 압축온도의 함수로 6061 알루미늄합금의 고온 압축변형거동을 고찰하였다.
- Oxlf尸sec」의 변형속도하에서 실시하였다. 인장 시편은 Fig. 2에 도식적으로 나타내었듯이 단조에의 한 metal flow 방향에 따라 크게 3가지 방향, 즉 center, radial, tangential 등으로 구분하여 가공하였다.
대상 데이터
- 첨가원소는 재결정을 억제하는 역할을 한다. [1] 단조의 영향을 평가하기 위하여 6061 알루미늄합금의 원소재와 다이휠의 최대운동에너지가400kJ 인 4000 톤 용량의 기 계식 screw press(모델명 LVH 4000)를 이용하여 열간단조한 6061 알루미늄 소재를 사용하였다. 자동차용 휠을 제작하는 공정과정에 대해서는 Fig.
- 본 연구에서 사용된 알루미늄 합금은 Mg 과 Si 이 함유된 6061 주조합금으로, 그 화학조성은 Table 1과 같다.
성능/효과
- (1) 고온 단조한 휠의 스포크(spoke) 부위는 중앙부위 와 달리 metal flow에 의해 소성변형 이 심하게 발생하여 결정립이 길게 연신된 층상구조와 같은 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있었으며 심한 방향성을 나타내었다.
- (3) 시험온도와 변형속도에 따라 고온 압축변형 거동을 평가한 결과, 변형속도의 증가에 따라 최대 압축응력 값은 상승하며, 변형속도의 변화와 무관하게 온도와 최대압축응력이 직선적 관계를 나타냈다. 이 직선적 관계의 기울기는 변형속도가 변화함에도 불구하고 거의 일정하였으며, 따라서 변형속도가 온도에 따른 최대 압축응력의 직선적 역관계에 거의 영향을 주지 못함을 알 수 있었다.
- (4) 반면, 압축항복응력값에 미치는 시험온도의 영향을 평가한 결과, 온도와 항복응력값이 직선적 역관계를 이루지 못하고 시험온도에 따라 편차가 크게 나타났으며, 이는 변형속도와 온도의 복합적 함수에 의해 항복응력값이 변화할 수 있다는 것을 보여준다.
- Fig. 4(a)에서 볼 수 있듯이 단조한 후에도 알루미늄 휠의 중앙부위는 단조에 의한 압하율이 작고 비교적 정수압적 압력을 받기 때문에 결정립에 큰 변화없이 원소재와 거의 동일한 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있다. 휠 중앙부위의 미세조직은 단조 후에도 단조방향에 따라 각 방향별 미세조직에 큰 변화없이 거의 일정하며, 단조에 의한 metal flow 의 영향을 거의 받지 않는 것을 알 수 있었다.
- 치밀하., 그리고 metal flow에 의한 가공경화 효과가 혼합되어 6061 알루미늄휠의 기계적 특성이 향상되었다.
- 이후 변형량이 계속 증가함에 따라 소성변형 에너지의 열에너지 변환에 의한 연화효과 및 압축에 의한 재료의 비 변형 영 역(dead metal zone)의 상중에 따른 강화효과 등에 의해 상호 보완적인 관계를 유지하며 완만한 유동곡선을 나타내게 된다. 동적 회복 및 동적 구상화의 경우 높은 온도일 때 전위 및 확산 거동 등이 더욱 활발하게 발생하기 때문에 300℃ 보다는 450℃ 에서 보다 빠른 유동응력의 감소현상이 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 7 은 6061 알루미늄합금의 압축 시험온도에 따른 최대압축응력값의 변화경향을 나타낸 것으로, 시험온도가 증가함에 따라 최대 압축응력 값은 점차 감소하는 경향을 나타내며, 온도의 증가분에 대한 최대압축응력의 증가분은 거의 일정하여 역관계를 갖는 직선형태의 경향을 나타내고 있다. 또한 변형속도의 증가에 따라 변형속도경화 효과에 의해 점차 최대압축응력값이 상승하는 것을 알 수 있으며, 변형속도의 변화와 무관하게 온도와 최대압축응력이 직선적 관계를 갖는 것을 알 수 있다. 이 직선적 관계의 기울기가 변형속도가 변화함에도 불구하고 거의 일정한 것을 알 수 있으며, 이것은 변형속도가 온도에 따른 최대 압축응력의 직선적 역관계(감소경향)에 거의 영향을 주지 못한다는 것을 의미한다.
- 반면에 알루미늄휠의 스포크 부위는, 단조 방향에 수직인 방향(ST)의미 세조직 은 원소재의미 세 조직과 거의 같은 미세조직을 나타내지만, LT 방향 및 L 방향의미 세조직 은 소성변형 이 심 하게 발생하여 결정립이 길게 연신된 층상구조와 같은 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있었다(Fig. 4(b)).
- 8 은 압축항복응력값에 미치는 압축시험 온도의 영향을 나타낸 곡선으로, 항복응력값도 최대 압축응력의 경우와 마찬가지로 온도의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내기는 하지만 그 경향에서 차이가 크다. 변형속도가 증가함에 따라 항복 응력은 점차 증가하는 경향을 나타내나, 300~350℃ 부근에서는 그 경향이 크지 않으며, 오히 려 400℃ 이상에서 변형속도에 의한 항복응력의 변화가 뚜렷하게 나타났다. 또한, 직선적 역관계를 이루지 못하고 시험온도에 따라 편차가 크며, 변형속도의 증가에 따라 항복응력값이 증가하기 는 하지만 최대 압축응력값의 경 향처 럼 그 관계에 일정한 규칙성을 형성하고 있지는 못하다.
- 5(a)-(b)). 스포크 부위에서 인장시편을 채취한 radial 방향의 인장파면은 중앙부의 인장 파단면에 비해 파면이 보다 평탄한 것을 확인할 수 있다(Fig. 5(c)-(d)) 물론, 딤플 형상의 연성파괴 거동을 보이는 것은 동일하지만, 단조에 의한 심한 소성 변형과 그에 따른 metal flow 의 영향으로 결정립이 심하게 연신되고 치밀화된 미세조직을 갖게 되기 때문에 중앙부위에 비해 강화된 기계적 특성을 나타내게 된다.
- 스포크 부위의 인장강도, 연신율 등 인장 특성이 중앙부위보다 우수한 결과를 보여주고 있으며, 특히 Radial 방향의 인장특성이 가장 우수하게 나타났는데, 이것은 앞서 설명한 바와 같이 단조 영향에 의한 강화 및 소성변형 효과를 뒷받침해주는 것이라 할 수 있다.
- 이 직선적 관계의 기울기는 변형속도가 변화함에도 불구하고 거의 일정하였으며, 따라서 변형속도가 온도에 따른 최대 압축응력의 직선적 역관계에 거의 영향을 주지 못함을 알 수 있었다.
- 각각의 온도에 따라 조금씩 정도의 차이는 있으나 모든 시험온도 조건하에서 비슷한 경향을 보이고 있다. 전체적으로 유동응력곡선의 형태는 고온압축시 변형 초기 국부적인 집중소성변형이 일어나면서 유동응력이 증가하여 최대유동응력(peak flow stress) 에달한 후 변형이 계속되면서 유동응력은 점차 감소하는 가공연화(work hardening) 현상이 나타나고, 일정 기간이 지나면 정상상태응력 (steady state stress)을 나타내는 경향을 나타냈다. 동일 온도 하에서는 변형속도가 증가할수록 변형속도경화(strain rate hardening) 효과에 의해 유동응력 이 증가하는 경향을 나타냈다.
- 4(a)에서 볼 수 있듯이 단조한 후에도 알루미늄 휠의 중앙부위는 단조에 의한 압하율이 작고 비교적 정수압적 압력을 받기 때문에 결정립에 큰 변화없이 원소재와 거의 동일한 미세조직을 갖는 것을 확인할 수 있다. 휠 중앙부위의 미세조직은 단조 후에도 단조방향에 따라 각 방향별 미세조직에 큰 변화없이 거의 일정하며, 단조에 의한 metal flow 의 영향을 거의 받지 않는 것을 알 수 있었다.
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