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문제 정의
- 본 연구에서는 T6 와 극저온 열처리에 대해 석출물 생성여부에 따른 기계적 특성을 확인하기 위해 전기 전도도 및 경도를 측정하였다. 전기 전도도와 경도는 동일 열처리 조건에 대해 각각 5 회 측정하여 평균값으로 산출하였다.
가설 설정
- T6 및 극저온 열처리의 단계별 잔류응력을 예측하기 위해 유한요소해석을 적용하였다. 유한요소해석은 탄소성으로 가정하였으며, 유한요소해석 모델 및 경계조건은 Fig. 6 과 같다. 해석방법은 열처리실험을 통해 확보된 각 단계별에 대한 대류 열전달계수( h )를 입력하여 냉각 및 가열 후의 응력분포를 확인하였다.
제안 방법
- (1) T6 및 극저온 열처리 실험을 수행하여 유한요소해석에 필요한 각 열처리 단계별 대류 열전달 계수를 확보하였다. 또한 극저온 열처리의 Uphill quenching 시 액체질소의 냉각특성 및 끊는 물의 가열특성을 파악하였다.
- T6 및 극저온 열처리의 단계별 잔류응력을 예측하기 위해 유한요소해석을 적용하였다. 유한요소해석은 탄소성으로 가정하였으며, 유한요소해석 모델 및 경계조건은 Fig.
- T6 와 극저온 열처리에 대해 각각 TEM 을 관찰하여 석출물의 분포 및 크기를 확인하였다. 석출물을 관찰한 열처리 조건은 비교적 석출물의 생성이 많을 것으로 예상되는 T6 열처리의 Point A'와 극저온 열처리의 Point B'에 대해서 각각 관찰하였다.
- 예측된 잔류응력은 X 선 회절법으로 측정된 잔류응력과 비교하여 해석결과의 타당성을 확인하였다. T6 와 극저온 열처리에 대해 각각 전기 전도도(Electrical conductivity) 및 경도를 측정하여 석출물 생성에 따른 기계적 특성을 파악하였다. 또한 TEM(Transmission electron microscope)과 XRD 회절 분석을 통해 석출물의 크기와 성분을 확인하였다.
- 극저온 열처리 실험을 수행하여 Uphill quenching 시, Al 재료가 극저온 -196℃까지 냉각될 때 발생 되는 현상들을 확인하였다. 또한 T6 와 극저온 열처리의 각 단계별에 대해 소재의 온도를 측정하여 잔류응력 예측해석에 필요한 대류 열전달계수는 파악하였다.
- 대류 열전달계수를 결정하는 방법은 먼저 열처리 실험을 통해 시간에 따른 온도변화를 파악하고 실험과 동일한 재질 및 크기를 가지는 시편에 대해 대류 열전달계수를 변화시켜 가면서 유한요소해석을 수행하였다. 소재의 동일한 온도지점에 대해 반복적으로 비교하여 해석과 실험의 시간에 따른 온도가 변화되는 곡선이 일치하게 되면, 그때의 유한요소해석에 입력한 값을 그에 해당하는 열처리의 대류 열전달계수로 판단하였다.
- 또한 Al6061 석출물의 성분을 분석하기 위해 XRD 를 이용한 회절 분석을 수행하였다. 측정조건은 잔류응력 측정과 동일한 X 선을 이용하였으며, 회절 각 2θ 는 10º ~ 100º 까지 고려하였다.
- 극저온 열처리 실험을 수행하여 Uphill quenching 시, Al 재료가 극저온 -196℃까지 냉각될 때 발생 되는 현상들을 확인하였다. 또한 T6 와 극저온 열처리의 각 단계별에 대해 소재의 온도를 측정하여 잔류응력 예측해석에 필요한 대류 열전달계수는 파악하였다.
- T6 와 극저온 열처리에 대해 각각 전기 전도도(Electrical conductivity) 및 경도를 측정하여 석출물 생성에 따른 기계적 특성을 파악하였다. 또한 TEM(Transmission electron microscope)과 XRD 회절 분석을 통해 석출물의 크기와 성분을 확인하였다.
- 또한 소재의 온도측정은 측정 오차가 ± 1℃인 TDS-602 에 의해 수행되었으며, 열전대는 고온 및 저온 온도영역에 대해 K-type 과 T-type 열전대를 각각 사용하여 측정하였다. 또한 Uphill quenching 시, 액체질소와 끊는 물에서 시편의 열처리 과정을 확인하기 위해 초고속 카메라를 설치하여 실시간으로 표면 상태를 촬영하였다.
- 또한 각 열처리 조건에 따른 잔류응력을 평가하기 위한 비교 지점은 원통시편의 표면에서 중심부(σmax)에 대해 각각 비교되었다.
- (1) T6 및 극저온 열처리 실험을 수행하여 유한요소해석에 필요한 각 열처리 단계별 대류 열전달 계수를 확보하였다. 또한 극저온 열처리의 Uphill quenching 시 액체질소의 냉각특성 및 끊는 물의 가열특성을 파악하였다.
- T6 열처리의 용체화처리는 530℃에서 2hr 유지, 인공 시효는 175℃에서 9hr 유지하는 일반적인 상용조건으로 적용하였다. 또한 본 연구에서 고려한 극저온 열처리는 T6 열처리와 동일한 조건으로 용체화처리하여 액체질소(LN2)에 침지시켜 재료를 -196℃의 극저온까지 냉각하고 100℃의 끊는 물(Boiling water)로 가열한 후 T6 열처리와 동일한 조건으로 인공시효 하였다.
- 또한 소재의 온도측정은 측정 오차가 ± 1℃인 TDS-602 에 의해 수행되었으며, 열전대는 고온 및 저온 온도영역에 대해 K-type 과 T-type 열전대를 각각 사용하여 측정하였다.
- 또한 유한요소해석과 동일한 축 방향의 잔류응력을 측정하였으며, 측정한 위치도 유한요소해석과 동일한 위치(σmax)에 대해 측정하였다.
- 본 연구에서는 Al6061 의 열처리 잔류응력 제거를 위해 Uphill quenching 과 고온가열법을 접목 시킨 극저온 열처리를 적용하였다. 먼저 잔류응력 예측을 위한 대류 열전달계수를 T6 와 극저온 열처리 실험을 수행하여 결정하고 유한요소해석을 통해 잔류응력을 예측하였다. 예측된 잔류응력은 X 선 회절법으로 측정된 잔류응력과 비교하여 해석결과의 타당성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 Al6061 의 열처리 잔류응력 제거를 위해 Uphill quenching 과 고온가열법을 접목 시킨 극저온 열처리를 적용하였다. 먼저 잔류응력 예측을 위한 대류 열전달계수를 T6 와 극저온 열처리 실험을 수행하여 결정하고 유한요소해석을 통해 잔류응력을 예측하였다.
- 본 연구에서는 Al6061 의 열처리 잔류응력을 제거하기 위해 극저온 열처리를 적용하여 유한요소 해석 및 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 석출물을 관찰한 열처리 조건은 비교적 석출물의 생성이 많을 것으로 예상되는 T6 열처리의 Point A'와 극저온 열처리의 Point B'에 대해서 각각 관찰하였다.
- 대류 열전달계수를 결정하는 방법은 먼저 열처리 실험을 통해 시간에 따른 온도변화를 파악하고 실험과 동일한 재질 및 크기를 가지는 시편에 대해 대류 열전달계수를 변화시켜 가면서 유한요소해석을 수행하였다. 소재의 동일한 온도지점에 대해 반복적으로 비교하여 해석과 실험의 시간에 따른 온도가 변화되는 곡선이 일치하게 되면, 그때의 유한요소해석에 입력한 값을 그에 해당하는 열처리의 대류 열전달계수로 판단하였다.
- 석출물을 관찰한 열처리 조건은 비교적 석출물의 생성이 많을 것으로 예상되는 T6 열처리의 Point A'와 극저온 열처리의 Point B'에 대해서 각각 관찰하였다. 시료는 집속이온빔(Focused ion beam; FIB)을 이용하여 두께를 100 ㎛ 이하로 가공하여 관찰하였다.
- 6 과 같다. 해석방법은 열처리실험을 통해 확보된 각 단계별에 대한 대류 열전달계수( h )를 입력하여 냉각 및 가열 후의 응력분포를 확인하였다. 특히 재료가 고온 장시간 노출되는 인공시효는 Zener-Wert-Avrami 식을 적용하여(10,11) 인공시효 시간에 따른 잔류응력 변화를 확인하였다.
대상 데이터
- 2 에 나타내었다. 시편은 D50mm x h50mm 의 크기를 가지는 원통형상이며, 온도측정지점은 시편 내부에서 위치가 각각 다른 3 곳에 대해 1 초 단위로 측정하였다. 또한 소재의 온도측정은 측정 오차가 ± 1℃인 TDS-602 에 의해 수행되었으며, 열전대는 고온 및 저온 온도영역에 대해 K-type 과 T-type 열전대를 각각 사용하여 측정하였다.
- 측정조건은 알루미늄 재료에 대표적으로 사용되는 Cu-Ka(Wave length = 1.5405Å)의 X 선을 적용하였다. 또한 Al6061 의 경우 137.
데이터처리
- 본 연구에서는 T6 와 극저온 열처리에 대해 석출물 생성여부에 따른 기계적 특성을 확인하기 위해 전기 전도도 및 경도를 측정하였다. 전기 전도도와 경도는 동일 열처리 조건에 대해 각각 5 회 측정하여 평균값으로 산출하였다. 전기 전도도의 경우는 순 구리가 100% IACS 일 때 그 상대적인 값으로 나타내었으며, 경도는 Vickers(Hv) 측정법을 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 고려한 대류 열전달계수의 결정은 열처리 실험을 통해 도출된 소재의 온도 측정결과와 유한요소해석에 의한 소재의 온도 예측결과를 비교하여 역으로 도출하는 방법(Inverse method)을 적용하였다. (9)
- 본 연구에서는 잔류응력을 측정하기 위해 XRD 측정법을 적용하였다. XRD 측정법은 비파괴검사로 정확한 잔류응력을 측정할 수 있기 때문에 많은 연구에서 적용되었다.
- 전기 전도도와 경도는 동일 열처리 조건에 대해 각각 5 회 측정하여 평균값으로 산출하였다. 전기 전도도의 경우는 순 구리가 100% IACS 일 때 그 상대적인 값으로 나타내었으며, 경도는 Vickers(Hv) 측정법을 사용하였다.
- 해석방법은 열처리실험을 통해 확보된 각 단계별에 대한 대류 열전달계수( h )를 입력하여 냉각 및 가열 후의 응력분포를 확인하였다. 특히 재료가 고온 장시간 노출되는 인공시효는 Zener-Wert-Avrami 식을 적용하여(10,11) 인공시효 시간에 따른 잔류응력 변화를 확인하였다.
성능/효과
- (2) T6 와 극저온 열처리에 대해 각각 유한요소 해석을 수행하여 잔류응력을 예측하고 예측된 결과는 측정된 결과와 비교하여 해석결과의 신뢰성 및 해석기법의 타당성을 확인하였다.
- (3) 잔류응력 측정결과, 용체화처리 시 수냉으로 인해 발생된 잔류응력은 극저온 열처리를 적용함에 따라 최대 67%까지 제거할 수 있었다.
- 따라서 용체화처리 후에 Uphill quenching을 수행하면 응력 상태가 표면과 내부에서 각각 상쇄되어 잔류응력이 제거된다.(7) 이 방법은 제품 형상의 제약이 없으며, 고온가열법 보다 효과적인 잔류응력 제거가 가능하나 완전한 제거는 할 수 없다.
- Uphill quenching 에 대해 온도를 측정한 결과, 액체질소와 물의 냉각속도를 비교하면 액체질소는 상온에서 극저온까지 냉각 시 가지는 평균 냉각속도는 0.68℃/s 이었으나, 물은 용체화처리의 유지온도인 530℃에서 상온까지 냉각 시 가지는 평균 냉각속도는 12.1℃/s 으로 액체질소가 물보다 현저히 낮은 냉각속도를 가졌다. 이는 액체질소가 물보다 낮은 비열을 가진다는 점과 Fig.
- 9 에 T6 와 극저온 열처리에 대해 XRD 를 통해 측정된 잔류응력 결과와 유한요소해석을 이용한 예측된 잔류응력 결과를 각각 비교하여 나타내었다. XRD 측정결과, 수냉으로 인해 가장 높은 압축잔류응력이 발생한 Point A 에서의 잔류응력은 인공시효를 적용함에 따라 약 33% 감소하였다. 또한 Uphill quenching 만 적용한 Point B 의 잔류응력은 약 49%, Uphill quenching 후 인공시효한 Point B'의 잔류응력은 약 67%까지 압축잔류응력을 제거할 수 있었다.
- 11 에 T6 및 극저온 열처리에 대한 TEM 관찰결과를 각각 나타내었다. 관찰결과 T6와 극저온 열처리 모두 Al-Mg-Si (6XXX)계 합금에서 일반적으로 나타나는 침상(Needle shape) 석출물이 생성되었으며, 또한 석출물은 5~10 nm 의 크기를 가지는 것으로 확인할 수 있었다.
- 대류 열전달계수의 파악 결과, 수냉 시 9 초 동안 재료를 400℃ 이상 냉각되 었기 때문에 대류 열전달계수가 9,400 W/m2·K 로 가장 높은 값을 가졌고, 끊는 물도 1,510 W/m2·K로 비교적 높은 값을 가졌다.
- 극저온 열처리를 적용하여 효과적으로 잔류응력 제거하기 위해서는 극저온에서 신속하게 가열하여 높은 가열속도가 필요하다. 따라서 본 연구에서 고려한 끊는 물을 이용한 가열방법은 Fig. 5 와 같이 가열초기에 시편의 표면에 얼음 층이 생성됨을 확인할 수 있었다. 이와 같은 얼음 층의 생성은 시편과 끊는 물 사이의 열 전달을 방해하기 때문에 재료를 신속하게 가열하여 잔류응력 제거 효과를 향상시켜야 하는 측면에서는 불리하게 작용할 것으로 예상된다.
- T6 및 극저온 열처리의 각 단계별 에서 잔류응력이 제거되는 양상이 XRD 와 유한요소해석이 일치하였다. 따라서 유한요소해석을 이용한 잔류응력 예측결과의 신뢰성과 타당성을 확보할 수 있었다.
- 또한 Point A 의 잔류 응력은 용체화처리 후 Uphill quenching 만 적용한 Point B 와 비교하면 40%, Uphill quenching 하고 인공시효한 Point B 와 비교하면 최대 65%까지 감소하였다. 따라서 유한요소해석을 통해 T6 및 극저온 열처리의 각 단계별 잔류응력에 대한 정량적인 예측이 가능하였다.
- 특히 인공시효를 적용한 Point A'와 B'가 인공시효 하지 않은 Point A 와 B 보다 24º 와 40º 부근에서 상대적으로 높은 회절 피크를 확인할 수 있었다. 따라서 인공시효를 통해 Mg2Si 의 석출물이 생성되었다고 할 수 있으며, 이를 통해 TEM 에서 관찰된 석출물을 검증할 수 있었다.
- 또한 Uphill quenching 만 적용한 Point B 의 잔류응력은 약 49%, Uphill quenching 후 인공시효한 Point B'의 잔류응력은 약 67%까지 압축잔류응력을 제거할 수 있었다.
- 또한 석출물이 생성된 양을 판단할 수 있는 회절 강도(Intensity)의 세기가 T6 와 극저온 열처리에 따른 차이는 확인할 수 없었으며, 이는 TEM 으로 석출물을 관찰한 결과와 일치하였다. 이에 따라 TEM 관찰과 XRD 성분 분석을 한 결과, T6 와 비교한 극저온 열처리는 석출물의 크기 및 분포 등의 미세조직 변화에 대한 영향은 크게 없는 것으로 확인할 수 있었다.
- 먼저 잔류응력 예측을 위한 대류 열전달계수를 T6 와 극저온 열처리 실험을 수행하여 결정하고 유한요소해석을 통해 잔류응력을 예측하였다. 예측된 잔류응력은 X 선 회절법으로 측정된 잔류응력과 비교하여 해석결과의 타당성을 확인하였다. T6 와 극저온 열처리에 대해 각각 전기 전도도(Electrical conductivity) 및 경도를 측정하여 석출물 생성에 따른 기계적 특성을 파악하였다.
- 3 에 T6 와 극저온 열처리에 대한 온도 측정 결과를 용체화처리, 인공시효 및 Uphill quenching 에 대하여 단계별로 각각 나타내었다. 온도 측정결과, 용체화처리 시 Point 1 과 Point 3 에서 최대 온도 차가 124℃의 온도 구배가 발생되었다. 이와 같이 재료내부에서 발생된 높은 온도 구배는 재료의 잔류응력을 유발시키는 원인으로 예상된다.
- 또한 석출물이 생성된 양을 판단할 수 있는 회절 강도(Intensity)의 세기가 T6 와 극저온 열처리에 따른 차이는 확인할 수 없었으며, 이는 TEM 으로 석출물을 관찰한 결과와 일치하였다. 이에 따라 TEM 관찰과 XRD 성분 분석을 한 결과, T6 와 비교한 극저온 열처리는 석출물의 크기 및 분포 등의 미세조직 변화에 대한 영향은 크게 없는 것으로 확인할 수 있었다.
- 잔류응력을 비교결과, 유한요소해석과 XRD 결과에서 동일하게 모두 인공시효로 인해 잔류응력은 감소하였다. T6 및 극저온 열처리의 각 단계별 에서 잔류응력이 제거되는 양상이 XRD 와 유한요소해석이 일치하였다.
- 10 에 T6 (Point A, A')와 극저온 열처리(Point B, B')의 각각의 단계별에 대하여 전기 전도도 및 경도를 측정한 결과를 각각 나타내었다. 측정결과, Point A 와 B 에서 인공시효함에 따라 각각 전기전도도와 경도는 매우 증가하였다.
- 측정된 2θ 회절 각도에서 대부분이 Al(2θ: 38.47º, 44.72º, 65.10º, 78.23º) 성분이 주를 이루고 있음을 확인할 수 있었다.
- 특히 인공시효를 적용한 Point A'와 B'가 인공시효 하지 않은 Point A 와 B 보다 24º 와 40º 부근에서 상대적으로 높은 회절 피크를 확인할 수 있었다.
- 하지만 T6 와 극저온 열처리에 대해 전기 전도도 및 경도를 각각 측정한 결과, 극저온 열처리를 적용함에 따라 경도 등의 기계적 특성이 미소하게 증가하였으나, 획기적인 향상은 기대할 수 없었다.
- 이와 같이 재료내부에서 발생된 높은 온도 구배는 재료의 잔류응력을 유발시키는 원인으로 예상된다. 하지만 인공시효의 가열 및 냉각은 내부온도 차가 10℃ 내외로 비교적 균일하게 가열되고 냉각됨을 확인할 수 있었다.
- 해석결과, T6 와 극저온 열처리 모두 인공시효 시간이 경과됨에 따라 수냉 및 Uphill quenching 의 잔류응력 즉, 인공시효 전의 잔류응력은 감소하는 경향으로 나타났다. 또한 T6 와 극저온 열처리의 모든 인공시효 단계에서 재료의 표면에는 압축잔류응력이 내부에는 인장잔류응력이 발생하였다.
후속연구
- 이에 따라 Al6061 의 경우 수냉으로 인해 과도 하게 발생된 잔류응력은 끊는 물을 이용한 극저온 열처리를 적용하여 최대 67%까지 제거가 가능하였음을 확인할 수 있었다. 또한 Uphill quenching 시, 재료를 끊는 물보다 신속하게 가열할 수 있는 매체를 사용하면 더욱 우수한 잔류응력 제거 효과를 가질 것으로 예상된다.
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