[논문]스칸듐을 첨가한 7000 계열 알루미늄 합금의 기계적 특성

이경환; 조수연

doi:10.7777/jkfs.2012.32.4.181

문제 정의

첨가원소를 통한 합금의 물성 향상법은 합금의 개량화가 쉽고, 기존 합금의 주된 특성의 변화 없이 특정 기능만을 향상시킬 수 있는 가능성이 있다. 따라서 Sc이 미량 첨가된 Al 합금의 우수한 특성들을 고려하여 본 연구에서도 Sc 함유 7000계열 Al 합금을 직접 설계, 주조하여 그 미세조직을 관찰해 보았다.
한편 Sc이 미량 첨가된 Al 합금은 고강도의 기계적 특성을 나타내는 반면에 압출(extrusion) 가공을 하는 경우에는 열간 가공에 의한 균열의 발생이나 압출성이 저하될 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 적정 압출가공 온도를 설정하고자 온도에 따른 주조합금의 기계적 물성을 평가해 보았다.
본 연구에서 사용된 모합금은 7000계열 Al 합금에 미량의 Sc을 첨가한 조성으로 설계하였다. 이러한 합금설계의 목적은 Sc을 미량 함유시켜 7000계열 Al 합금에서 나타나는 여러 가지 단점(응력부식 균열, 내식성 저하 등)을 보완하고, 이미 사용되고 있는 고강도 7000계열 Al 합금보다도 우수한 기계적 성질을 부여하는 것이다.
설계 합금(Table 1)의 용해주조 후 유도결합 플라즈마 분광광도기를 사용하여 제조 합금의 성분을 분석한 결과(Table 3), 모든 빌렛에서의 합금 성분이 설계 합금의 스펙 내에서 검출됨을 확인할 수 있었다. 특히 Sc의 경우 산화율이 높아서 용해시 회수율이 떨어지는 문제가 있으나, 본 연구에서는 모든 빌렛에서 설계 합금의 스펙 내에 존재하는 Sc 함량을 측정할 수 있었다.

가설 설정

13. (a) Yield strength and (b) ultimate tensile strength of Sc-added aluminium alloys measured as a function of temperature.
본 연구에서의 용해 주조온도는 일반적인 7000계열 Al 합금의 주조 온도와 유사한 710℃로 설정하였다. 1차 주조 조건으로는 일반적인 Al의 연속주조 속도인 90 mm/mim으로 설정하였고, 교반과 탈가스 시간은 20 min으로 설정하여 주조를 실시하였다.

제안 방법

1 wt.% Sc가 함유된 조성으로 합금을 설계하여 그 기계적 특성을 평가해 보았다. 위 4가지 합금 조성은 Table 1과 같다.
본 연구에서의 용해 주조온도는 일반적인 7000계열 Al 합금의 주조 온도와 유사한 710℃로 설정하였다. 1차 주조 조건으로는 일반적인 Al의 연속주조 속도인 90 mm/mim으로 설정하였고, 교반과 탈가스 시간은 20 min으로 설정하여 주조를 실시하였다. 그 결과는 Fig.
Sc 첨가에 따른 주조 조직의 변화를 관찰하기 위해 B4 합금에 Sc를 첨가하지 않은 조건으로 주조를 실시하여 그 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하였다(Fig. 6). 그 결과 Sc을 첨가하지 않은 경우에 비하여 Sc을 첨가함에 따라 주조 조직이 수지상정 구조에서 셀구조로 응고형태가 변화된 것을 관찰할 수 있었다.
Sc이 미량 첨가된 7000계열 Al 합금을 직접 설계, 주조하여 그 미세조직을 관찰하고 아울러 후속 압출 공정을 설정하고자 주조 합금의 기계적 물성을 온도에 따라 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
고온 인장시험에서도 상온 인장시편과 같은 규격으로 시편을 제작하였다. 고온 인장시험 시 균일한 시편온도를 확보하기 위해서 시편이 시험 설정 온도에 도달한 후 25 min 간 유지시킨 후 고온 인장시험을 실시하였다.
고온인장 시험 시의 변형속도는 압출 가공조건과 유사하게끔 항복점을 기준으로 약간의 변화를 주었으며, 항복점까지는 0.12 mm/min의 속도로, 항복점 이후에서는 1.2 mm/min로 인장 시험을 실시하였다.
고온인장 시험온도의 범위는 100~500℃이었고, 100℃ 간격으로 시험을 실시하였으며, 이에 더하여 A7075의 압출온도와 유사한 350℃에서도 시험을 수행하였다.
빌렛의 주조조직과 원소 분포를 관찰하면 조직 내 합금원소가 결정입계(grain boundary) 에 집중 분포하는 매우 불균일한 상태이기 때문에 열간 압출 시 마찰 저항이 커져 압출 가공성이 저하되고 압출 후의 조직도 나빠지게 된다. 따라서 본 연구에서는 빌렛에 적당한 균질화 열처리를 실시하였다. 본 연구에서는 7000계열 Al을 기반으로 한 합금에 Sc을 첨가한 합금을 설계하였으므로 가장 많이 사용되어지는 7000계열 Al 합금인 A7075 합금에서 일반적으로 시행하는 균질화 열처리 온도, 즉, 450℃에서 20 hr를 유지한 후 공냉하였다.
보다 구체적으로 언급하면 7000계열 고강도 Al 합금 중 A7049 Al 합금을 기본으로 하여 성분 원소량을 미세 변경한 다음, 미량의 Sc을 첨가한 합금조성을 B1, A7050 Al 합금을 기본으로 하여 성분 원소량을 미세 변경한 다음, 미량의 Sc을 첨가한 합금조성을 B4로 명명하였다. 또한 7000계열 Al 합금 중 압출성이 우수하여 산업용, 구조용으로 널리 사용되고 있는 A7029 Al 합금의 성분을 조정한 후, 이 합금에 미량의 Sc을 첨가한 합금을 B2 및 B3로 각각 명명하였다. Al 합금 설계시 첨가되는 Sc의 양은 0.
본 연구에서는 500 kg급의 연속주조 양산 설비를 이용하여 Table 2와 같이, 75-90 mm/min의 주조 속도, 20-40 min의 탈가스 및 교반으로 공정 조건을 변화시켜 가며 용해 주조를 실시하였다. 이후 제조된 빌렛(billet)의 조직 검사 및 기타 특성 평가를 통해, 75 mm/min의 주조 속도와 40 min의 탈가스 및 교반공정에서 최적의 주조 조건이 선택되었다.
따라서 본 연구에서는 빌렛에 적당한 균질화 열처리를 실시하였다. 본 연구에서는 7000계열 Al을 기반으로 한 합금에 Sc을 첨가한 합금을 설계하였으므로 가장 많이 사용되어지는 7000계열 Al 합금인 A7075 합금에서 일반적으로 시행하는 균질화 열처리 온도, 즉, 450℃에서 20 hr를 유지한 후 공냉하였다.
빌렛은 차후의 압출 실험을 위하여 단면이 9 inch인 원형으로 만들어 졌으며, 주조된 빌렛 의 조성은 유도결합 플라즈마 분광광도기(inductively coupled plasma-atomic emission spectrometer, ICP-AES)를 통하여 주요 8가지 성분에 대해 정량적으로 측정, 분석하였다.
명확한 조직을 관찰하기 위하여 켈러 부식액으로 연마면을 부식시켰는데, 5 sec 경과 후 시편을 꺼내서 증류수로 세척한 다음 air blowing으로 건조하였다. 시편의 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경을 통하여 관찰하였다.

대상 데이터

균일하고 안정적인 기계적 특성의 부여를 위하여 본 연구에서 설계된 Al 합금은 일반적인 7075 Al 합금의 열처리 조건에 따라 균질화 열처리를 실시하였다. 균질화 열처리 후 미세 조직의 변화는 Fig.
균질화 열처리된 제조 합금의 상온에서의 기계적 성질을 조사해보기 위해 Sc이 첨가된 Al 합금 빌렛으로부터 시험편을 길이 방향으로 채취하였고, Fig. 2와 같이 직경 5 mm에 표점거리가 25 mm인 인장시편으로 가공하였다. Crosshead 속도인 변형속도는 1.
본 연구에서 사용된 모합금은 7000계열 Al 합금에 미량의 Sc을 첨가한 조성으로 설계하였다. 이러한 합금설계의 목적은 Sc을 미량 함유시켜 7000계열 Al 합금에서 나타나는 여러 가지 단점(응력부식 균열, 내식성 저하 등)을 보완하고, 이미 사용되고 있는 고강도 7000계열 Al 합금보다도 우수한 기계적 성질을 부여하는 것이다.
3(b)의 빌렛은 단면에 crack이 관찰되지 않는 양호한 빌렛을 표시한다. 주요 용해주조 설비는 반사로, 홀딩로, GBF탈가스처리기, 전자교반기, Air Slip 주조기를 사용하였다.
주조 합금의 미세조직을 관찰하기 위하여 빌렛을 Fig. 1과 같이 단면부위 및 중심부위와 측면 길이 방향의 시편을 채취하여 연마를 실시하였다. 명확한 조직을 관찰하기 위하여 켈러 부식액으로 연마면을 부식시켰는데, 5 sec 경과 후 시편을 꺼내서 증류수로 세척한 다음 air blowing으로 건조하였다.

성능/효과

10(a)에서와 같이 셀형 구조로서 결정입자 경계선이 뚜렷한 반면에 균질화 열처리 후 조직은 Fig. 10(b)와 같이 편석이 없는 안정한 조직으로 관찰되었으며, Al₃(Sc,Zr) 석출상들도 보다 균일하게 분포하게 됨을 확인할 수 있었다. 결정입계가 뚜렷하지 않은 것은 균질화 열처리에 의하여 결정입계에 있던 여러 가지 상 들이 충분한 확산이 이루어졌고 이는 곧 정상적인 균질화 열처리가 되었음을 알 수 있다.
1) 일반적인 Al 합금의 주조 조건보다 주조 속도를 감소시키고, 교반 시간을 증가시킴으로써 Sc가 첨가된 Al 합금의 새로운 주조 조건을 설정할 수 있었다.
2) Sc을 첨가한 Al 합금은 Sc을 첨가하지 않은 경우에 비하여 미세조직이 셀형 조직으로 변화되었고, Sc의 함유량이 0.1~0.2 wt% 영역에서는 그 함유량이 증가함에 따라 주조 조직의 결정립의 크기가 작아지는 결과가 관찰되었다.
3) 적절한 주조 및 450℃에서의 균질화 열처리 조건에 의해 본 연구의 설계 조성에서는 Al₃(Sc,Zr) 석출상들이 결정입계와 입내에 걸쳐 비교적 균일하게 생성되었음을 확인할 수 있었다.
4) 최종적으로 모든 설계 조성은 온도 증가에 따라 강도가 감소하는 정도만큼 연신률이 증가하여 300~400℃ 구간에서 최고의 연신률 특성을 나타내었다. 보다 높은 온도 영역에서는 연신률이 감소하는 특성이 관찰되어 300~400℃ 구간의 온도 조건에서 최적의 압출 조건을 찾을 수 있었다.
5) 설계 합금 중에서는 A7049 Al 합금 기반에 미량의 Sc 를 첨가한 B1 조성이 가장 우수한 고온 연신률 특성을 나타내었다.
12에 도시하였다. Zn와 Mg이 가장 많이 첨가된 B4 조성의 경우 매우 높은 강도 값에 비하여 매우 낮은 연신율을 나타내었고, B1, B2, B3 조성은 상대적으로 유사한 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 즉, B4조성의 경우 Al 7075 합금에 비해 월등한 강도값을 나타내나, 매우 낮은 연신율 특성을 나타내었고, B1, B2, B3 조성은 Al 7075 합금에 비해 다소 우수한 강도값을 나타내나 연신율은 68% 수준의 특성을 나타내었다.
마지막으로 B1 조성의 경우는 300~400℃에 걸쳐 최고의 연신률 값을 나타내었다. 결론적으로 합금원소가 많이 첨가된 B1 및 B4 합금의 경우가 합금원소 양이 적은 B2, B3에 비해 보다 높은 온도에서 보다 높은 연신률 값을 나타내었다. 요컨대 주조 빌렛 시험편의 고온 인장시험 결과 4종류의 Sc 첨가 7000계열 Al 합금 모두 300~400℃ 구간에서 가장 높은 연신률 특성을 나타낸 후, 400℃ 이상에서 연신률이 급격하게 떨어지는 현상이 관찰되었다.
13에서 B1~B4 조성의 거동을 전체적으로 고려할 때, 항복강도 및 인장강도는 앞서 상온 인장의 상대적으로 높은 결과 값에서부터 300℃에 이르기까지 지속적으로 크게 감소하는 경향을 관찰할 수 있었다. 그 결과 300℃에 이르게 되면 항복강도 및 최대 인장강도가 B1~B4의 조성에 관계없이 거의 일정한 값으로 수렴하게 됨을 알 수 있었다. 300℃ 이상에서는 온도가 증가함에 따라 강도의 저하가 완만하게 일어났으며, 그 결과 4가지 조성의 강도값이 보다 유사해지는 거동을 나타내었다.
6). 그 결과 Sc을 첨가하지 않은 경우에 비하여 Sc을 첨가함에 따라 주조 조직이 수지상정 구조에서 셀구조로 응고형태가 변화된 것을 관찰할 수 있었다. 이와 같이 Sc이 첨가된 Al 합금의 경우 수지상정의 주조 조직을 나타내지 않기 때문에 압출 성형에 매우 유리한 조직이 될 수 있음을 알 수 있다.
요컨대 주조 빌렛 시험편의 고온 인장시험 결과 4종류의 Sc 첨가 7000계열 Al 합금 모두 300~400℃ 구간에서 가장 높은 연신률 특성을 나타낸 후, 400℃ 이상에서 연신률이 급격하게 떨어지는 현상이 관찰되었다. 따라서 이후의 압출 공정에서는 B1~B4의 조성별로 300~400℃ 온도 구간에서 가장 연신률이 좋은 온도를 설정한 후 압출하는 것이 가장 좋은 압출 특성을 나타낼 거라 예상할 수 있었다.
4) 최종적으로 모든 설계 조성은 온도 증가에 따라 강도가 감소하는 정도만큼 연신률이 증가하여 300~400℃ 구간에서 최고의 연신률 특성을 나타내었다. 보다 높은 온도 영역에서는 연신률이 감소하는 특성이 관찰되어 300~400℃ 구간의 온도 조건에서 최적의 압출 조건을 찾을 수 있었다.
14는 Sc이 첨가된 4가지 Al 합금의 시험 온도 조건별 연신률의 변화를 보여준다. 상온에서는 낮은 연신율을 유지하던 B4 조성의 경우 타 합금 조성과 같이 100℃ 이후부터 연신률이 크게 증가하는 거동을 나타내는데, 이러한 거동이 350℃, 400℃까지 지속적으로 유지되어 350℃ 이상에서는 오히려 B2 또는 B3 조성보다도 우수한 연신율 특성을 나타냄을 관찰할 수 있었다. B2와 B3 조성의 경우는 300℃에서 최대 연신율을 나타낸 후 300℃ 이후부터는 연신율이 점차 감소하는 것을 알 수 있다.
설계 합금(Table 1)의 용해주조 후 유도결합 플라즈마 분광광도기를 사용하여 제조 합금의 성분을 분석한 결과(Table 3), 모든 빌렛에서의 합금 성분이 설계 합금의 스펙 내에서 검출됨을 확인할 수 있었다. 특히 Sc의 경우 산화율이 높아서 용해시 회수율이 떨어지는 문제가 있으나, 본 연구에서는 모든 빌렛에서 설계 합금의 스펙 내에 존재하는 Sc 함량을 측정할 수 있었다.
결론적으로 합금원소가 많이 첨가된 B1 및 B4 합금의 경우가 합금원소 양이 적은 B2, B3에 비해 보다 높은 온도에서 보다 높은 연신률 값을 나타내었다. 요컨대 주조 빌렛 시험편의 고온 인장시험 결과 4종류의 Sc 첨가 7000계열 Al 합금 모두 300~400℃ 구간에서 가장 높은 연신률 특성을 나타낸 후, 400℃ 이상에서 연신률이 급격하게 떨어지는 현상이 관찰되었다. 따라서 이후의 압출 공정에서는 B1~B4의 조성별로 300~400℃ 온도 구간에서 가장 연신률이 좋은 온도를 설정한 후 압출하는 것이 가장 좋은 압출 특성을 나타낼 거라 예상할 수 있었다.
이상의 실험 결과로부터 Sc 등 여러 원소들이 첨가되는 고강도 Al 합금의 용해 주조 시 주조 속도 및 교반 시간과 같은 공정 조건의 중요성을 확인할 수 있었고, 적합한 용해 주조 조건을 확립할 수 있었다.
결정입계가 뚜렷하지 않은 것은 균질화 열처리에 의하여 결정입계에 있던 여러 가지 상 들이 충분한 확산이 이루어졌고 이는 곧 정상적인 균질화 열처리가 되었음을 알 수 있다. 이에 따라 Sc 첨가에 따른 고강도 Al 합금의 균질화 열처리 조건은 일반 7000계열 Al 합금의 것과 동일하게 구현될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 500 kg급의 연속주조 양산 설비를 이용하여 Table 2와 같이, 75-90 mm/min의 주조 속도, 20-40 min의 탈가스 및 교반으로 공정 조건을 변화시켜 가며 용해 주조를 실시하였다. 이후 제조된 빌렛(billet)의 조직 검사 및 기타 특성 평가를 통해, 75 mm/min의 주조 속도와 40 min의 탈가스 및 교반공정에서 최적의 주조 조건이 선택되었다.
조성별 미세조직의 차이를 살펴보면, B4 조성의 경우 침상 형태의 석출물들이 얽혀있고, 매우 조대화되어 있는데 비하여 B3의 경우는 석출물이 구상 형태이고, 대체적으로 골고루 분포되어 있는 것을 관찰할 수 있었다. 또한 B1 조성의 경우 석출물들이 조대한 석출물들과 함께 상대적으로 균일하게 분포되어 있는데 비하여 B2는 밀집되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
주조된 빌렛의 외견은 Al 특유의 회백색을 나타내면서도 전체적으로 특별한 표면 이상층 및 큰 결함 영역이 보이지 않아 연주 과정에서 응고 속도가 균일하게 이루어진 것으로 판단되었다.
Zn와 Mg이 가장 많이 첨가된 B4 조성의 경우 매우 높은 강도 값에 비하여 매우 낮은 연신율을 나타내었고, B1, B2, B3 조성은 상대적으로 유사한 응력-변형률 곡선을 나타내었다. 즉, B4조성의 경우 Al 7075 합금에 비해 월등한 강도값을 나타내나, 매우 낮은 연신율 특성을 나타내었고, B1, B2, B3 조성은 Al 7075 합금에 비해 다소 우수한 강도값을 나타내나 연신율은 68% 수준의 특성을 나타내었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al 합금 중 가장 강도가 우수한 합금은?	Al 합금에서 고강도 및 고인성화는 강(steel)의 대체소재로 사용하기 위한 가장 중요한 요구사항이다. 고강도계 Al 합금 중 7000계열 합금은 압출용 Al 합금으로서 Al 합금 중 가장 강도가 우수한 합금이며, 2000계열 Al 합금과 더불어 항공기 구조재와 기계부품, 선박 및 자동차의 부품과 구조재로서 널리 사용되고 있다. 7000계열 Al 합금의 우수한 비강도 특성은 수송기기의 구조재, 특히 항공기 분야와 전기 자동차의 차체 및 군수품용 재료로서의 적용에 매우 유리한 측면이 있다.
	Sc 첨가에 따른 Al 합금의 강도 향상은 어떻게 해석되는가?	이 중 Sc이 미량 첨가된 Al 합금의 경우 매우 미세한 크기의 Al3Sc 분산상이 형성되면서 결정립이 미세화되고 결과적으로 강도 및 피로파괴의 증가와 초소성에 의한 성형성이 향상되는 결과들이 보고된 바 있다 [1-3]. 이와 같은 Sc 첨가에 따른 Al 합금의 강도 향상은 Al3Sc 분산상의 부정합 생성으로 인한 격자 변형의 발생과 변형된 격자에 의한 전위이동 및 결정립 성장의 방해 현상으로 해석되고 있다 [4].
	고강도계 Al 합금 중 7000 계열 합금은 어디에 유리한가?	고강도계 Al 합금 중 7000계열 합금은 압출용 Al 합금으로서 Al 합금 중 가장 강도가 우수한 합금이며, 2000계열 Al 합금과 더불어 항공기 구조재와 기계부품, 선박 및 자동차의 부품과 구조재로서 널리 사용되고 있다. 7000계열 Al 합금의 우수한 비강도 특성은 수송기기의 구조재, 특히 항공기 분야와 전기 자동차의 차체 및 군수품용 재료로서의 적용에 매우 유리한 측면이 있다. Sc의 미량첨가에 따른 7000계열 Al 합금의 특성 향상은 고강도 Al 합금의 상용화 가능성을 제시하고 있다.

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