[논문]자동차 경량 부품 제조를 위한 Al-Cu-Mg 분말 합금의 소결 및 열처리 특성

안병민

doi:10.7735/ksmte.2014.23.2.152

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Lightweight materials such as aluminum and magnesium have recently received much attention in the automotive industries because of environmental and fuel-efficiency concerns. Using the powder metallurgy (PM) process for these materials creates significant opportunities for the cost-effective manufac...

Lightweight materials such as aluminum and magnesium have recently received much attention in the automotive industries because of environmental and fuel-efficiency concerns. Using the powder metallurgy (PM) process for these materials creates significant opportunities for the cost-effective manufacture of lightweight automotive parts. In the present study, an Al-Cu-Mg alloy was fabricated using conventional PM processes. Primarily, the effects of the alloying elements on the sintering characteristics and mechanical behavior after heat treatment were investigated. A microstructural analysis was performed using an optical microscope and a scanning electron microscope to investigate the behavior of liquid phase sintering, including the formation of precipitates. The dependence of the mechanical behavior on the alloying elements was evaluated based on the transverse rupture strength.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목표는 Al 분말 합금의 강도를 확보하여 다양한 자동차 부품으로의 적용 가능성 높일 수 있도록 Al-Cu-Mg P/M 합금이 다양한 합금 원소 조성에서 어떠한 소결 및 열처리 특성을 나타내는지를 연구하는 것이다. 이를 통하여 우수한 소결성과 기계적 물성을 가진 자동차 경량 부품용 Al 분말 합금을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.
본 연구의 목표는 Al 분말 합금의 강도를 확보하여 다양한 자동차 부품으로의 적용 가능성 높일 수 있도록 Al-Cu-Mg P/M 합금이 다양한 합금 원소 조성에서 어떠한 소결 및 열처리 특성을 나타내는지를 연구하는 것이다. 이를 통하여 우수한 소결성과 기계적 물성을 가진 자동차 경량 부품용 Al 분말 합금을 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

제안 방법

8 × 6mm³규격으로 하였다. TRS 파단면은 SEM으로 분석하여 비교하였고, OM을 이용하여 각 조성별로 소결 및 열처리 후 미세조직의 변화를 관찰하였다.
각 합금 조성에 따른 열처리 후 미세조직의 특징과 석출상의 생성을 비교하기 위하여 일반적으로 석출상이 생성되지 않는 조성인 Al-0.5Mg과 열처리 후 가장 우수한 TRS를 보였던 Al-3Cu 조성과 Al-3Cu-0.5Mg, 그리고 열처리 후 TRS가 가장 큰 감소폭을 보였던 Al-3Cu-2.5Mg의 미세조직을 Fig. 10에 비교하였다. Al-0.
기계적 물성을 평가하기 위해 소결 및 열처리 후 TRS를 측정하였으며, 시편은 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 31.8 × 12.8 × 6mm3규격으로 하였다.
다른 합금 조성에 대한 연구를 위하여 산화막 파괴가 잘 일어나고 충분한 개기공을 형성하여 소결특성을 향상 시키는 local plastic deformation 구간인 95∼97% T.D.의 성형압 구간에서 추가 재료에 대한 성형을 진행하였다.
윤활제는 충분한 배출압 및 뛰어난 탈윤활 특성을 가진 EBS (ethylene bis stearamide) 윤활제를 die-wall lubrication 방식으로 적용하였고, 400℃에서 30분 동안 탈윤활하였다. 승온 속도는 10℃/분이고, 610℃에서 1시간 동안 유지한 후 소결 특성을 평가하였다. 소결이 완료된 후 T6 열처리(용체화 처리 후 인공시효 처리)를 하였으며 전체 소결 및 열처리 cycle이 Fig.
성형압은 선행 실험을 바탕으로 국부적인 산화막의 파괴가 일어나고 폐기공이 형성되는 local plastic deformation 구간으로 선정하였다. 윤활제는 충분한 배출압 및 뛰어난 탈윤활 특성을 가진 EBS (ethylene bis stearamide) 윤활제를 die-wall lubrication 방식으로 적용하였고, 400℃에서 30분 동안 탈윤활하였다. 승온 속도는 10℃/분이고, 610℃에서 1시간 동안 유지한 후 소결 특성을 평가하였다.
적합한 성형밀도를 갖는 성형압을 선정하기 위해 EBS 윤활제가 혼합된 pure Al 분말을 이용하여 선행 실험을 진행하였으며, 성형압에 따른 분말의 성형밀도(green density)의 변화가 Fig. 4에 나타나있다. 성형압이 200 MPa 이하일 때는 분말의 elastic deformation 구간, 200 MPa에서 350 MPa 사이의 성형압 구간에서는 국부적인 소성변형 및 폐기공이 형성되는 local plastic deformation 구간, 성형압이 높은 350 MPa 이상에서는 소결밀도가 97% T.

대상 데이터

Al 분말 합금의 첨가 원소는 Cu와 Mg로 선정 하였다. Cu는 소결 과정에서 Al로 고체확산을 하여 고용되기 시작하며, 548℃에서 최고 5.
Plastic deformation은 모든 기공이 폐기공으로 형성된 구간으로 상대밀도가 > 97%인 영역을 의미한다. 성형압은 선행 실험을 바탕으로 국부적인 산화막의 파괴가 일어나고 폐기공이 형성되는 local plastic deformation 구간으로 선정하였다. 윤활제는 충분한 배출압 및 뛰어난 탈윤활 특성을 가진 EBS (ethylene bis stearamide) 윤활제를 die-wall lubrication 방식으로 적용하였고, 400℃에서 30분 동안 탈윤활하였다.
Spinel 구조는 MgAl₂O₄ 구조로서 부피 변화를 수반하고 산화층을 파괴시켜 액상의 확산 면적을 증가시킴으로써 전체적인 소결 특성을 향상 시킨다^[5]. 열처리 후 석출상의 영향을 확인하기 위해 Al-Cu, Al-Mg, Al-Cu-Mg 합금을 대상합금으로 선정하였으며, 구체적인 조성은 Al-0.5Mg, Al-0.5Cu-2.5Mg, Al-3Cu, Al-3Cu-0.5Mg, Al-3Cu-1.5Mg, Al-3Cu-2.5Mg이다. Fig.

성능/효과

θ상이 많이 생성되고 상대적으로 Cu의 비율이 높은 Al-3Cu, Al-3Cu-0.5Mg 조성에서 가장 높은 기계적 물성이 관찰되었으며, 미세조직 확인 결과 다량의 석출상이 생성되었음을 확인할 수 있었다.
10에 비교하였다. Al-0.5Mg 조성에서는 석출상이 전혀 존재하지 않았으며, 소량 첨가된 Mg의 경우 소결 및 열처리 과정 중에 전부 Al 기지로 고용되어 미세조직 관찰 결과 Mg-rich 상이 없음을 확인할 수 있었다. θ상을 생성하는 Al-3Cu와 Al-3Cu-0.
5Mg의 경우 위의 두 조성과 비교하여 소량의 석출상이 내부에 생성되었다. Cu의 첨가량이 동일할 때, Mg의 첨가량이 증가할수록 기공률이 증가함을 알 수 있다. Mg는 소결 과정 중 팽창을 하여 불규칙적이고 조대한 기공을 형성한다.
열처리가 완료된 시편의 경우 소결 후 시편에 비교하여 결정립이 크게 성장하였음을 알 수 있다. T6 열처리 과정 중 Al 합금은 회복, 재결정, 결정립 성장의 과정을 모두 거치면서 결정립이 성장하였다. 일반적으로는 Hall-Petch relationship^[8,9]에 따라 결정립이 성장할수록 강도가 감소하게 되지만, 본 연구에서는 열처리 후 결정립이 성장하였음에도 TRS가 증가하였다.
가장 큰 파단 강도의 증가를 보인 합금 조성은 Al-3Cu-0.5Mg로서 이 상에서는 θ상에 의한 증가와 Cu의 액상 소결에 의한 확산이 잘 이루어져 강도가 가장 큰 폭으로 증가하였다.
그로 인해 S″상이 S′상과 S상으로 상변태를 하여 TRS가 감소하였다. 결론적으로 Al-3Cu 조성에서 Mg가 소량 첨가되었을 때 가장 우수한 소결 및 열처리 특성과 함께 향상된 기계적 물성을 나타내었다.
4에 나타나있다. 성형압이 200 MPa 이하일 때는 분말의 elastic deformation 구간, 200 MPa에서 350 MPa 사이의 성형압 구간에서는 국부적인 소성변형 및 폐기공이 형성되는 local plastic deformation 구간, 성형압이 높은 350 MPa 이상에서는 소결밀도가 97% T.D. 이상인 plastic deformation 구간으로 확인되었다. Fig.
이는 이번 연구에서 사용한 용체화 및 시효 처리 조건이 θ상의 생성이 잘 일어나는 조건과 일치하여, 열처리 초기에 생성된 S″상이 S′상과 S상으로 과시효되어 열처리 후의 강도가 감소한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al 합금재료의 장점은 무엇인가	특히 Al 합금의 경우, 기존에 철계 합금으로 제조되던 부품의 많은 부분을 대체할 가능성이 있다. Al 합금재료의 특징은 비중이 철에 비해 매우 낮아서 동력 전달 부품으로 사용 시 무게를 50%정도 감량 할 수 있으며, 주조, 단조, 절삭 등 가공 특성이 양호하고 내식성, 연성, 전성이 매우 우수하다는 장점이 있다[2].
	차체 경량화에 대한 연구가 활발하게 진행되는 이유는 무엇인가	자동차 연비 향상을 위한 기술은 크게 엔진/구동계 효율 향상, 주행저항 감소, 차체 경량화로 구분할 수 있다. 그 중에서도 자동차의 경량화 기술은 기타 연비 향상기술에 비하여 상대적으로 낮은 비용으로 큰 연비 향상 효과를 볼 수 있기 때문에 최근 세계적 자동차 제조업체들을 주축으로 활발한 연구가 진행 중이다[1]. 자동차 경량화를 위해 다양한 경량합금 소재가 연구되고 있으며 그 중에서도 Al, Mg 합금은 자동차 차체 및 부품의 경량화 소재로 가장 많은 관심을 받고 있다.
	자동차 연비 향상을 위한 기술을 구분하시오	또한 최근에는 자동차의 고급화, 지능화 경향에 따라 각종 안전, 편의 장비들이 추가되어 평균 차체의 중량이 오히려 지속적으로 증가되고 있는 현실이다. 자동차 연비 향상을 위한 기술은 크게 엔진/구동계 효율 향상, 주행저항 감소, 차체 경량화로 구분할 수 있다. 그 중에서도 자동차의 경량화 기술은 기타 연비 향상기술에 비하여 상대적으로 낮은 비용으로 큰 연비 향상 효과를 볼 수 있기 때문에 최근 세계적 자동차 제조업체들을 주축으로 활발한 연구가 진행 중이다[1].

참고문헌 (9)

Iwahashi, Y., Horita, Z., Nemoto, M., Langdon, T. G., 1997, An Investigation of Microstructural Evolution During Equal-Channel Angular Pressing, Acta Mater. 45:11 4733-4741.

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Capus, J., 2011, The New Benefits of Binder Lubricants, Met. Powder Rep. 66:6 11-15.

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Wang, J., Iwahashi, Y., Horita, Z., Furukawa, M., Nemoto, M., Valiev, R. Z., Langdon, T. G., 1996, An Investigation of Microstructural Stability in an Al Mg Alloy with Submicrometer Grain Size, Acta Mater. 44:7 2973-2982.

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Jeandin, M., Koutny, J. L., Bienvenu, Y., 1983, Liquid Phase Sintering of Nickel Base Superalloys, Powder Metall. 36 1-10.
Mann, R. E. D., Hexemer, R. L. Jr., Donaldson, I. W., Bishop, D. P., 2011, Hot Deformation of an Al-Cu-Mg Powder Metallurgy Alloy, Mater. Sci. Eng. A 528:16-17 5476-5483.

상세보기
Marceau, R. K. W., Qiu, C., Ringer, S. P., Hutchinson, C. R., 2012, A Study of the Composition Dependence of the Rapid Hardening Phenomenon in Al-Cu-Mg Alloys Using Diffusion Couples, Mater. Sci. Eng. A 546:1 153-161.

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Bochini, G. F., Srl, H. I., Genoa, R., 1996, Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials, Adv. Powder Metallurgy Particulate Mater. 1:2 115.
Hall, E. O., 1951, The Deformation and Ageing of Mild Steel: III Discussion of Results, Proc. Phys. Soc. B 64:9 747.

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Petch, N. J., 1953, The Cleavage Strength of Polycrystals, J. Iron Steel Inst. 174 25-28.

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