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문제 정의
- 1Zn)합금을 저압주조한 후 T6 열처리시킨 완성품 road wheel의 기계적 성질을 gating system별로 조사하여 미세조직과 함께 해석하였다. 기계적 시험으로 인장시험, 미세경도시험, 충격시험, 파괴인성시험을 실시한 후 사용된 시편의 미세조직을 검사하여 미세조직과의 상관관계를 규명하고자 하였으며 결과를 종합하면 다음과 같다.
- 그러나 양산체제의 공정을 고려할 때, lot별, wheel 부위별 각 시편에 대하여 전수 기계적 시험을 병행하는 것은 현실적으로 큰 제약이 따르며, 주기적으로 행해지는 디자인 및 설계 변경에 대해 각 시험결과에 대한 데이터베이스로 활용하는데 큰 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 경량 주조 소재 및 공정기술이 현재 제조되고 있는 A356계 road wheel 부품에 적용된 사례를 중심으로 양산품에 대한 전반적인 기계적 성질을 체계적으로 조사하고, 미세조직과의 상호 연관 관계를 규명하여, 제한된 조건이지만 기본적인 데이터베이스로 활용하여 신속한 feed back과 함께 품질향상에 기여하고자 연구를 진행하였다.
제안 방법
- 008 wt.%를 첨가하여 개량 처리한 것으로, T6 열처리된 완성품 wheel의 spoke를 절취하여 종방향 응력방향으로 시편을 제작하였다. T6 열처리는 530℃에서 8시간의 용체화 처리 후, 165℃에서 8시간의 시효처리를 실시하였다.
- 54 cm의 표준 환봉 시편을 준비하여 2 mm/min의 속도로 실시하였다. Gating system별로 각각 30개씩 인장시험을 실시하여, 최대값과 최소치를 제외하고 평균하여 0.2% 보정항복강도, 인장강도, 연신율(%)을 구하였다. 인장시험이 끝난 시편의 guide 부분을 절단하여, vibration polishing을 한 후 미세경도(micro-Vickers)시험을 실시하였으며, 시편별로 각각 12회 실시하여, 최대값과, 최소치를 제외한 10개의 data를 평균하여 시편 당 대표 경도값을 얻었다.
- Sr 개량처리된 A356 (Al6.5Si0.3Mg0.2Fe0.1Zn)합금을 저압주조한 후 T6 열처리시킨 완성품 road wheel의 기계적 성질을 gating system별로 조사하여 미세조직과 함께 해석하였다. 기계적 시험으로 인장시험, 미세경도시험, 충격시험, 파괴인성시험을 실시한 후 사용된 시편의 미세조직을 검사하여 미세조직과의 상관관계를 규명하고자 하였으며 결과를 종합하면 다음과 같다.
- Al 합금을 포함한 금속재료의 경우 일반적으로 인장강도 (또는 항복강도)는 결정립크기 또는 SDAS (L)의 제곱근에 반비례하는 Hall-Petch 식을 따르는 것으로 알려져 있다[11,12]. 그러나, 본 연구의 경우 SDAS 분포 데이터의 제한으로 인해 비례식을 구성하기에 어려움이 있는바, 본 연구결과의 정도를 간접적으로 확인하기 위하여 A356-T6 소재에 대한 유사 연구 자료[11,12]와 비교 검토하여 Fig. 6에 외삽하였다. Fig.
- 시험 후 판단면은 SEM관찰을 통하여 파단양상을 조사하였다. 또한 기공율(porosity)은 OM 및 SEM을 이용하여 기공의 크기와 개수를 5회 이상 측량한 후 면적 기공율을 구하였다.
- 밀도측정은 아르키메데스 방법을 사용하였다. 또한 시편별로 일부분을 절취하여 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM; Hitachi 3200S)으로, 2차 수지상 간격 SDAS를 측정하였으며 시편당 5회 이상 측정한 평균값을 구하여 해당 시편의 기계적 성질과의 상관관계 규명에 활용하였다. 충격시험은 V-notch 샤르피(Charpy) 모드(ASTM E23)로 ASTM A370에 따른 10 mm × 10 mm × 55 mm(노치깊이 2 mm) 표준시편을 사용하였다.
- 유사 연구자료와 비교 결과 우수한 상온 및 고온 충격흡수특성을 갖는 것을 알 수 있었고 이는 미세 SDAS 조직, 개량효과, 제한적 범위지만 상대적으로 낮은 기공도에 기인한 것으로 판단되었다. 또한 충격시험 후 파단면의 늘어난 가로폭 변형률을 조사하여 온도변화에 따르는 변화거동을 미세조직과 연계하여 해석하였다.
- 충격시험 후 파단면의 늘어난 가로 폭의 변형율(lateral expansion ratio)도 조사하였으며, 주사전자현미경으로 파단양상의 변화를 관찰하였다. 미세조직분석은 광학현미경과 SEM/EDS을 이용하였으며, 상분석은 X-선 회절시험(Bruker AXS ADVANCE D-8)를 활용하여 진행하였다. 파괴인성(KIC)용 시편은 ASTM E-399[9]에 따라 Fig.
- 5(KQ/σys)2))에 부합할 때 KIC로 계상하였다. 시험 후 판단면은 SEM관찰을 통하여 파단양상을 조사하였다. 또한 기공율(porosity)은 OM 및 SEM을 이용하여 기공의 크기와 개수를 5회 이상 측량한 후 면적 기공율을 구하였다.
- 액체질소와 가열로를 이용하여 −100℃~200℃의 온도범위에서 30℃ 구간별로 충격시험을 실시하였으며 온도에 따른 충격에너지의 변화거동을 관찰하였다.
- 여기서 PQ은 균열개시 하중이고, 파괴인성은 PQ에서의 KQ를 계산하고 평면 변형율 파괴인성조건(B ≥ (2.5(KQ/σys)2))에 부합할 때 KIC로 계상하였다.
- 2% 보정항복강도, 인장강도, 연신율(%)을 구하였다. 인장시험이 끝난 시편의 guide 부분을 절단하여, vibration polishing을 한 후 미세경도(micro-Vickers)시험을 실시하였으며, 시편별로 각각 12회 실시하여, 최대값과, 최소치를 제외한 10개의 data를 평균하여 시편 당 대표 경도값을 얻었다. 밀도측정은 아르키메데스 방법을 사용하였다.
- 액체질소와 가열로를 이용하여 −100℃~200℃의 온도범위에서 30℃ 구간별로 충격시험을 실시하였으며 온도에 따른 충격에너지의 변화거동을 관찰하였다. 충격시험 후 파단면의 늘어난 가로 폭의 변형율(lateral expansion ratio)도 조사하였으며, 주사전자현미경으로 파단양상의 변화를 관찰하였다. 미세조직분석은 광학현미경과 SEM/EDS을 이용하였으며, 상분석은 X-선 회절시험(Bruker AXS ADVANCE D-8)를 활용하여 진행하였다.
대상 데이터
- 저압주조의 경우 gating system은 미세조직, 기공도, 기계적 성질, 수율 및 생산성에 영향을 미친다[8]. 건전한 미세조직과 생산성을 제고하기 위하여 현재 alloy wheel의 양산공정에서는 용탕 주입 게이트(gate)의 위치에 따라 side gate (SG)와 center gate (CG) 공정을 적용하고 있으며, 본 연구에서도 이 2가지 공정으로 제조된 alloy wheel을 대상으로 실험을 추진하였다. 저압주조 Al wheel은 부품 부위별, 게이트(gate) 위치에 따라 기공도, 불순물의 함량, 석출물의 분포 및 크기, SDAS, 결정립도 등의 미세조직검사, 경도시험, 인장시험, 샤르피 충격 시험, 파괴인성시험, 피로시험 등의 제반 기계적 특성시험 및 전자현미경을 이용한 파면조사 등을 수행하여 특성 및 품질을 평가하여야 한다.
- 본 시험에 사용된 시편은 저압 주조된 A356 (Al6.5Si0.3-Mg0.2Fe0.1Zn)합금으로, Sr을 0.008 wt.%를 첨가하여 개량 처리한 것으로, T6 열처리된 완성품 wheel의 spoke를 절취하여 종방향 응력방향으로 시편을 제작하였다.
- A356-T6 합금은 널리 알려진 재료임에도 불구하고 온도대비 충격에너지에 관한 연구는 상대적으로 진행되지 않아 많은 자료를 분석하기에 어려움이 있으나, 유사한 SDAS 크기를 갖는 Sr 개량형 A356-T6 합금의 고온 충격시험결과와 (수냉 Cu 몰드 사용, 100℃~150℃에서 1시간 이내 유지한 경우 8~11 J) [16] 비교한바 매우 유사한 결과를 나타내고 있다. 참고로 본 연구에서의 저압주조 공정에는 SC계열 주철제 수냉 몰드를 사용였다. 또한 상온 충격에너지 값은 Table 2에 나타낸바와 같이 spoke부위 A356-T6합금에 대한 유사 연구시험 결과[10]에 비해 매우 높은 것을 확인할 수 있었으며, 이는 개량효과와 더불어 상대적으로 낮은 기공도에 기인한 것으로 판단되었다.
- 충격시험은 V-notch 샤르피(Charpy) 모드(ASTM E23)로 ASTM A370에 따른 10 mm × 10 mm × 55 mm(노치깊이 2 mm) 표준시편을 사용하였다.
이론/모형
- 2(a)~(b)과 같이 single edge notched bend (SENB)시편을 EDM (elecro-discharge machining)방법으로 제작하였으며, KIC측정은 Fig. 2(c)와 같이 MTS (Landmark Servohydraulic Test System, Model 370.103)를 사용하여 상온에서 3 point bend test 방법으로 진행하였다. Fig.
- KIC측정은 상온에서 3 point bend test 방법으로 진행하였고, 해석은 식(1)에 의거하여 계산하였다. 평면변형율 파괴인성조건[B ≥ (2.
- 인장시험이 끝난 시편의 guide 부분을 절단하여, vibration polishing을 한 후 미세경도(micro-Vickers)시험을 실시하였으며, 시편별로 각각 12회 실시하여, 최대값과, 최소치를 제외한 10개의 data를 평균하여 시편 당 대표 경도값을 얻었다. 밀도측정은 아르키메데스 방법을 사용하였다. 또한 시편별로 일부분을 절취하여 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM; Hitachi 3200S)으로, 2차 수지상 간격 SDAS를 측정하였으며 시편당 5회 이상 측정한 평균값을 구하여 해당 시편의 기계적 성질과의 상관관계 규명에 활용하였다.
- 인장시험은 만능시험기(Instron-4485)를 사용하여 ASTM E8/E8M-11 방법에 따라 gage length 2.54 cm의 표준 환봉 시편을 준비하여 2 mm/min의 속도로 실시하였다. Gating system별로 각각 30개씩 인장시험을 실시하여, 최대값과 최소치를 제외하고 평균하여 0.
성능/효과
- 1) 전반적인 인장강도, 항복강도, 미세경도 특성은 상용 저압주조 A356-T6 합금의 기계적 물성을 만족시키고 있으며, 항복강도, 인장강도, 연신율 모두 다른 유사 연구결과에 비해 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 2가지 공정에 의한 시편은 모두 건전한 미세조직을 보여 주고 있고, 여기에 side gate 공정에 의한 미세조직이 center gate 공정에 비해 매우 미세한 SDAS와 제한적이기는 하나 다소 낮은 기공도를 갖는 것을 알 수 있었으며 이에 따라 side gate 공정 시편이 center gate 공정시편에 비해 높은 강도와 연신율을 갖는 것을 알 수 있었다.
- 3(a)와(b)에 gating system별 SDAS 크기를 비교할 수 있는 미세조직 사진을 나타내었다. 2가지 공정에 의한 미세조직은 모두 조대 기공, 편석 등 macro 결함이 없는 건전한 조직을 보여주고 있으며, 여기에 side gate 공정에 의한 미세조직이 center gate 공정에 비해 매우 미세한 SDAS를 갖는 것을 알 수 있었다. Fig.
- 3) 석출물로서 침상의 β-AlFeSi와 구형상의 FeMg3Si6Al8 등이 검출되었다.
- 5) 온도증가에 따라 샤르피 충격에너지는 단순선형 비례 양상을 보여주고 있으며, 연성-취성 천이온도는 관찰되지 않았다. 또한 시험구간 전반에 걸쳐 각 공정별 시편의 충격에너지 값은 유사한 결과를 나타내었으나 side gate공정시편이 center gate 공정시편에 비해 상온 이상에서 온도에서 다소 높은 값을 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
- 6) KIC측정은 상온에서 3 point bend test 방법으로 진행 하였고, 평면변형율 파괴인성조건[B ≥ (2.5(KQ/σys)2)]에 부합하는 KQ값을 KIC로 계상한바, center gate 시편의 KIC= 20.65 MPa√m, side gate 시편의 KIC= 20.68 MPa√m 측정되었으며, 유사연구와 비교하여 안정적인 파괴인성값을 보이고 있음을 알 수 있었다.
- 6에 외삽하였다. Fig. 6에서 확인할 수 있듯이, 비교 연구 연구결과의 항복강도 및 인장강도는 SDAS의 제곱근에 반비례하는 Hall-Petch 관계식을 따르고 있으며, 제한적 SDAS 범위지만 본 연구의 실험결과도 유사한 경향을 보이고 있고, 같은 SDAS 값에서도 우수한 항복 강도 및 인장강도를 보이고 있음을 알 수 있었다. 이는 SDAS 영향뿐 아니라, 기공도 및 석출물의 크기 및 분산 정도 등의 부가적인 요인에 따라 차이가 발생한 것으로 판단되었다.
- 구조용 Al 합금의 KIC는 일반적으로 20~23 MPa√m[6,7]로 알려져 있고, 저압주조 A356-T6에 대한 결과(KIC= 21.2MPa√m) [4]와도 유사한 특성을 보여주고 있어, 본 부품의 경우는 안정적인 파괴인성값을 보이고 있음을 알 수 있었다.
- 전반적인 기계적 물성은 일반적인 상용 저압주조 A356-T6 합금의 기계적 물성을[6,7] 만족시키고 있으며, Table 1에 나타난바와 같이 side gate 주조시편의 SDAS가 center gate에 비해 조밀하고 이에 따르는 인장강도 및 경도특성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한 wheel 제조사에서 특히 주안점을 두고 있는 연신율은 여타 비교 부품소재의 연신율(2% 미만) [10-11]에 비해 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- 참고로 본 연구에서의 저압주조 공정에는 SC계열 주철제 수냉 몰드를 사용였다. 또한 상온 충격에너지 값은 Table 2에 나타낸바와 같이 spoke부위 A356-T6합금에 대한 유사 연구시험 결과[10]에 비해 매우 높은 것을 확인할 수 있었으며, 이는 개량효과와 더불어 상대적으로 낮은 기공도에 기인한 것으로 판단되었다.
- 5) 온도증가에 따라 샤르피 충격에너지는 단순선형 비례 양상을 보여주고 있으며, 연성-취성 천이온도는 관찰되지 않았다. 또한 시험구간 전반에 걸쳐 각 공정별 시편의 충격에너지 값은 유사한 결과를 나타내었으나 side gate공정시편이 center gate 공정시편에 비해 상온 이상에서 온도에서 다소 높은 값을 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 상대적으로 미세한 SDAS에 기인한 연신율과 직접 관련이 있는 것으로 판단되었다.
- 석출물로서 침상의 β-AlFeSi와 구형상의 FeMg3Si6Al8 등이 검출되었으며, Mg2Si는 확인할 수 없었다.
- As-cast A356합금의 경우 μm 크기의 Mg2Si상이 T6 열처리를 하는 동안 수십~수백 nm 크기로 미세 분해가 일어나는 것으로 알려져 있어, 보다 정확한 관찰을 위하여는 고배율의 TEM분석이 필요할 것으로 판단되었다[11]. 석출물의 분율은 Fig. 5의 X-선 회절분석결과에 나타난 바와 같이, 그 양은 X-선 회절시험의 분해능(5~7 vol.%) 이하로 존재하는 것으로 추정할 수 있었다.
- 이는 상대적으로 미세한 SDAS에 기인한 연신율과 직접 관련이 있는 것으로 판단되었다. 유사 연구자료와 비교 결과 우수한 상온 및 고온 충격흡수특성을 갖는 것을 알 수 있었고 이는 미세 SDAS 조직, 개량효과, 제한적 범위지만 상대적으로 낮은 기공도에 기인한 것으로 판단되었다. 또한 충격시험 후 파단면의 늘어난 가로폭 변형률을 조사하여 온도변화에 따르는 변화거동을 미세조직과 연계하여 해석하였다.
- Gating system별 항복강도, 인장강도, 연신율(%), 밀도, 미세경도값(micro Vickers hardness; HVN)과, 광학현미경 관찰을 통한 해당 SDAS의 평균값을 측정하여 Table 1에 나타내었다. 전반적인 기계적 물성은 일반적인 상용 저압주조 A356-T6 합금의 기계적 물성을[6,7] 만족시키고 있으며, Table 1에 나타난바와 같이 side gate 주조시편의 SDAS가 center gate에 비해 조밀하고 이에 따르는 인장강도 및 경도특성이 우수한 것을 알 수 있었다. 또한 wheel 제조사에서 특히 주안점을 두고 있는 연신율은 여타 비교 부품소재의 연신율(2% 미만) [10-11]에 비해 매우 우수한 것을 확인할 수 있었다.
- 다만 그 차이가 미미하여 직접적 영향을 규명하기에는 다소 제한적이지만, 낮은 기공도에 의해 side gate 시편에서의 기계적 성질향상에 부가적인 영향이 있을 것으로 추정되었다. 즉 상대적으로 미세한 SDAS를 나타내는 side gate 공정 시편이 center gate 시편에 비해 높은 강도와 연신율을 갖는데 주된 기구로 작용하고 기공도 등 여타의 미세조직 개선기구가 부가적 영향을 준 것으로 판단할 수 있었다. 석출물로서 침상의 β-AlFeSi와 구형상의 FeMg3Si6Al8 등이 검출되었으며, Mg2Si는 확인할 수 없었다.
- 평면변형율 파괴인성조건[B ≥ (2.5(KQ/σys)2)]에 부합하는 KQ값을 KIC로 계상한바, center gate 시편의 KIC= 20.65MPa√m, side gate 시편의 KIC= 20.68 MPa√m 측정되었다.
후속연구
- 파괴인성은 일반적으로 인장 응력과 반비례의 관계를 가지고 있으나, 미세조직, 개재물, 불순물, 조성, 열처리 이력 등의 금속학적 변수와 온도, 변형율, 시편두께 등의 시험 조건에 의해 크게 영향을 받아 아직 명확한 관계 정립은 어려운 것이 현실이다[18]. 본 연구에서도 제한된 크기 범위의 SDAS 데이터로 인해 미세조직과 파괴인성과의 연관성을 규명하는데 어려움이 있었으나 연구가 진행되어 보다 많은 데이터가 축적된다면 이러한 상관관계를 추정함은 물론 금속학적 해석이 가능할 것으로 사료된다.
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