[논문]극저온 압연 및 온간 압연 기술을 이용한 5052 알루미늄 합금의 기계적 성질의 향상

강의구; 이상훈; 이종철; 남종원

doi:10.5228/kspp.2008.17.2.102

극저온 압연 및 온간 압연 기술을 이용한 5052 알루미늄 합금의 기계적 성질의 향상
Enhancement of Mechanical Properties of 5052 Al Alloy by Cryogenic and Warm rolling 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.17 no.2 = no.100, 2008년, pp.102 - 106

강의구 (국민대학교 신소재공학과) , 이상훈 (국민대학교 신소재공학과) , 이종철 (국민대학교 신소재공학과) , 남종원 (국민대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Cryogenic rolling combined with warm rolling has been found more effective than a single cryogenic rolling process in improving the strength of a 5052 Al alloy. In this study, cryo-rolled 5052 Al alloys were warm-rolled at $175^{\circ}C$. A notable increase of tensile strength was achieved by the precipitation during warm rolling process. Mechanical behavior of this alloy was investigated using hardness and tensile tests. It was found that the cryogenic rolling process combined with warm rolling process was very effective in improving tensile strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 온간 압연 실시 중 석출이 발생하는 경우 재결정 결정립 크기의 미세화 및 어닐링시 결정립 성장의 억제가 가능흐N지므로 미세조직의 열적 안정성에 크게 기여할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 온간 압연 조건에 따른 석출 거동을 분석하여 초세립을 갖는 고강도고 연성 알루미늄 합금 소재의 제조기술을 확보하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 극저온 압연기술과 ARB 의 제조기술의 장점을 융합하여, (1)동적 회복 및 재결정 kinetics에 필요한 구동력을 극저온 압연을 통하여 확보하고 (2) 이어서 ARB에서 적용되는 온도 구간에서의 온간 압연을 적용하여, 비교적 작은 가공 량으로 초 미세 결정립을 갖는 고강도고 연성 알루미늄 합금 소재를 제조 가능한 기술을 개발하고자 한다.

제안 방법

가공 전, 후와 어닐링 후 미세조직의 변화는 투과전자현미경 (TEM) 을 이용하였으며 TEM 시편은 기계적 연마 후 75% CH₃OH + 25% HNO₃ 혼합용액 으로 -30℃ 온도에서 twin jet polishing 하여 길 이방향 및 압연방향 단면의 시편을 이용하여 관찰하였다. 인장실험은 상온에서 Cross-head speed를 2mm/min로 실시하였으며, 인장시험 시 변형 속도는 3xl0-3/s 였다.
열처리된 시편은 극저온에서 각 압연 패스당 압하율 20~ 25%의 적용을 조건으로 최종 두께 80%까지 압연을 실시하였다. 극저온 압연시편은 매회 압연 전 액화 질소 온도(-196℃)에서 15분 동안 침적 후 압연하였으며, 극저온 압연과 온간 압연을 적용한 방법으로는 극저온에서 55%까지 압연 후 온간 압연을 25%까지 압연하여 최종 압하량을 80%로 동일하게 하였다. 온간 압연은 실리콘 오일에 각 온도에 따라 10분간 침적 후 압연하였다.
또한 어닐링에 따른 기계적 성질 및 회복과 재결정 거동을 관찰하기 위하여 극저온 압연한 시편을 200~350℃에서 1시간 동안 열처리 하였다. 온간 압연 한 시편은 연성을 확보 하기 위해 175℃에서 48시간 어닐링 처리하였다.
초기 결정립의 크기는 65 이었다. 열처리된 시편은 극저온에서 각 압연 패스당 압하율 20~ 25%의 적용을 조건으로 최종 두께 80%까지 압연을 실시하였다. 극저온 압연시편은 매회 압연 전 액화 질소 온도(-196℃)에서 15분 동안 침적 후 압연하였으며, 극저온 압연과 온간 압연을 적용한 방법으로는 극저온에서 55%까지 압연 후 온간 압연을 25%까지 압연하여 최종 압하량을 80%로 동일하게 하였다.
극저온 압연시편은 매회 압연 전 액화 질소 온도(-196℃)에서 15분 동안 침적 후 압연하였으며, 극저온 압연과 온간 압연을 적용한 방법으로는 극저온에서 55%까지 압연 후 온간 압연을 25%까지 압연하여 최종 압하량을 80%로 동일하게 하였다. 온간 압연은 실리콘 오일에 각 온도에 따라 10분간 침적 후 압연하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재로는 두께 8mm 의 5052 A1 합금 판재를 사용하였으며, 내부응력을 제거하기 위하여 540℃에서 2시간 열처리 후 수냉 하였다. 초기 결정립의 크기는 65 이었다.

성능/효과

(1) 극저온 압연 과 온간 압연을 융합한 경우 극저온 압연만 적용한 경우보다 약 20%정도 인장강도가 증가하는 것을 관찰할 수 있었다.
(3) 200℃ 이상의 온도에서 온간 압연을 적 용한 경우 활발해진 동적 회복 현상과 석출물의 성장으로 인하여 인장강도의 감소를 보였다.
극저온 압연한 시편은 총 3개의 발열 피크가 관찰된 반면, 극저온과 온간 압연을 융합한 시편은 두 개의 발열 피크가 관찰되었다. 극저온 80% 압연한 시편은 185.5℃ 에서 균질화 처리 후 퀜칭 과정을 거치면서 발생한 과포화 된 Mg 원자 들이 온도가 상승하면서 열적 에너지로 인한 확산을 통한 석출 거동으로 보이는 첫 번째 피크, 231.2℃에서 온도가 상승함에 따라 전위가 이동을 시작해 합체 및 소멸 과정을 거치면서 일어나는 회복과정에 해당하는 2차 발열 피크가 관찰되고 있으며, 342.9℃ 에서 새로운 결정립의 생성 및 압연 시 축적된 변형 에너지의 방출에 의해 나타난 재결정 거동에 해당하는 세 번째 발열 피크가 관찰 되었다. 그러나, 극저온과 온간 압연을 융합한 시편은 석출 거동에 해당하는 첫 번째 발열 피크가 보이지 않는다.
둘째는, 극저온 압연 시 형성되었던 미세조직과 큰 변화 없이 압연 온도구간이 석출물이 생성 될 수 있는 범위이므로 온간 압연 중 50~100nm정도의 미세한 석출물의 생성으로 인해 강도가 추가적으로 더욱 증가한 것으로 보인다.
압연 온도가 175 ℃ 경우 극저온 55% 압연한 시편의 인장강도인 320MPa로부터 450MPa까지 거의 40% 증가를 보였고, 단지 극저온 80% 압연한 경우에는 350Ma로 약 10%의 인장강도의 증가를보였다. 이와 같이 80% 극저온 압연한 경우보다 극저온 압연 후 온간 압연을 적용하여 인장강도가 증가하는 현상은 두 가지 요소에 의해 이루어진다.
2-(a)), 내부에 높은 전위 밀도를 포함한 압연 방향으로 연신 된 밴드 형태로 배열된 미세조직이 관찰되었으며, 50nm정도의 미세한 석출물이 분포하는 것을 관찰하였다. 이러한 석출물은 온간 압연 중 석출된 것으로 보이며, 석출 온도, 열처리 시간 및 소재의 조성 등의 조건에서 Al-Mg로 구성된 B'상임을 알 수 있었다.
첫째는, 압연온도가 저온이므로 극저온 압연을 통한 가공경화율 상승, 전위 Cell 조직 미세화 및 전위 밀도 증가에 따른 급격한 강도 증가이다. 둘째는, 극저온 압연 시 형성되었던 미세조직과 큰 변화 없이 압연 온도구간이 석출물이 생성 될 수 있는 범위이므로 온간 압연 중 50~100nm정도의 미세한 석출물의 생성으로 인해 강도가 추가적으로 더욱 증가한 것으로 보인다.
총 연신율 또한 8% 수준으로 극저온 80% 압연한 경우보다 약 4% 증가 하였다. 이는 온 간 압연을 통한 동적 회복 발생으로 인해 내부 전위밀도 감소로 인한 연성의 향상으로 보인다.

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