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문제 정의
- 본 연구에서는 6000계 알루미늄 합금의 일반적인 열처리 조건을 기초로 하여 EN-AW6056 소재의 용체화 온도 및 시간, 시효조건 등에 변화를 주어 각각의 열처리 조건에 따른 인장강도, 경도 등의 기계적 특성을 평가하였고 최적의 특성을 갖는 알루미늄 합금 열처리 조건 및 단조조건을 제시하고자 하였다. 또한, 소재의 물성을 고려하여 자동차의 브레이크 피스톤 블록을 설계하고 이에 필요한 조건 등을 제시하고자 하였다.
- 따라서 알루미늄 피스톤이 최적의 특성을 갖는 열처리 조건 및 단조조건을 실험적으로 도출해 낼 필요성이 있다. 본 연구에서는 6000계 알루미늄 합금의 일반적인 열처리 조건을 기초로 하여 EN-AW6056 소재의 용체화 온도 및 시간, 시효조건 등에 변화를 주어 각각의 열처리 조건에 따른 인장강도, 경도 등의 기계적 특성을 평가하였고 최적의 특성을 갖는 알루미늄 합금 열처리 조건 및 단조조건을 제시하고자 하였다. 또한, 소재의 물성을 고려하여 자동차의 브레이크 피스톤 블록을 설계하고 이에 필요한 조건 등을 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 EN-AW6056합금을 이용하여 재료의 물성 및 열처리 특성을 파악하고, 이를 이용하여 자동차 브레이크의 피스톤 블록의 냉간단조를 위한 물성 검토 및 설계를 수행하였다. EN-AW6056합금은 열처리시 용체화 처리온도 550 ℃ 2시간 및 시효온도 190 ℃ 에서 4시간 열처리를 수행하였을 경우 시효효과로 인하여 최적의 강도인 375 MPa를 얻을 수 있었고, 석출물의 경우 본 연구에서 선정한 열처리 조건에서는 모든 조건에서 Mg2Si가 미세하게 3~5 um크기로 분산되어 형성 되었다.
제안 방법
- Fig. 5는 그래프는 EN-AW6056의 열처리 조건에 따른 인장강도 결과를 나타낸 것으로서, 시험 조건은 용체화 온도를 530, 550 ℃로 설정 한 후 2시간을 유지하였으며 시효조건 또한 170, 190 ℃의 온도조건에서 5분, 30분, 1시간, 4시간 동안 유지하였다. 인장시험 결과 용체화조건 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4시간 동안 열처리를 한 시험편이 가장 큰 인장강도를 보여, 375 MPa의 인장강도 값을 얻을 수 있었으며, 용체화조건 530 ℃-2시간, 시효조건 170 ℃-1시간 동안 유지하였을 경우 362 MPa의 인장강도를 보였다.
- 15로 설정하였다. 또한 미세 조직 및 상조성은 X선 회절(XRD, Regaku), 주사전자현미경(SEM, JEOL 6100), 에너지분산형분석기(EDS, energy dispersive spectroscopy)을 이용하여 분석하였다.
- 15,16) 따라서 동일한 금형에서 알루미늄 소재와 일반 합금강 소재를 성형할 경우, 알루미늄 소재를 이용하여 제품을 성형할 때 더 많은 응력이 요구되며 불균일한 연신으로 인해 금형의 최적화된 설계가 요구된다. 또한, 가단성을 판별하기 위하여 EN-AW6056 소재를 높이 3 cm 의 원통형으로 절단하여 시험편을 제작하고 초기의 길이를 측정하여 동일한 속도로 목표한 업세팅 비에 맞게 변형량을 주어 압축 시험을 Fig. 3의 규격으로 가단성 시험을 수행하였다. Table 3 과 같이 업세팅 비에 따라 균열양상을 얻을 수 있었으며, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균열이 관찰되지 않았다.
- 1은 개략적인 T6 열처리법의 개략도이다. 또한, 본 연구의 알루미늄 소재 열처리 조건 최적화를 위하여 용체화 및 시효조건에 변화를 주어 인장 강도 및 경도를 측정하여 기계적 특성을 평가하였다. 본 실험에 사용된 인장 시험기는 MTS-810 만능인장 시험기이며, 경도 시험기는 비커스경도기(MMT-7, MATSUZAWA Co.
- 인장 시험은 상기의 열처리 조건별 인장 시험과 동일한 규격의 시험편과 인장 시험기를 사용하였으며 5회 실시 후 최대, 최소값을 제외한 인장강도 평균값을 계산하였다. 또한, 소재의 가단성(소재가 균열을 일으키지 않는 소성 변형 능력)을 정의하기 위하여, 균열의 생성여부를 판단하기 위해, 업세팅(up setting)시험을 수행하였다. 즉, Fig.
- 하지만 550 ℃이상의 온도에서는 알루미늄의 용융점에 가까워져 시편 표면이 용융되는 현상이 나타나 기계적 특성 평가가 불가하였다. 또한, 열처리 한 시험편과 열처리 하지 않은 시험편의 인장강도를 비교하기 위하여 원소재의 인장강도를 평가하였다. Table 2는 열처리 하지 않은 원소재 ENAW6058 합금의 인장특성 평가 결과를 나타낸다.
- 또한, 본 연구의 알루미늄 소재 열처리 조건 최적화를 위하여 용체화 및 시효조건에 변화를 주어 인장 강도 및 경도를 측정하여 기계적 특성을 평가하였다. 본 실험에 사용된 인장 시험기는 MTS-810 만능인장 시험기이며, 경도 시험기는 비커스경도기(MMT-7, MATSUZAWA Co., LTD)를 사용하였다, 인장 시험편은 EN-AW6056 H12 와이어를 KS(KS B0801) 시험규격에 따라 Fig. 2와 같이 시험편을 제작하여 알루미늄 합금의 단조 가공성을 평가를 위해 열처리 조건에 따라 인장시험을 실시하였으며, 또한 알루미늄 합금의 원소재의 기본적인 기계적 특성을 평가하기 위하여 인장 시험 평가를 실시하였다.
- Table 1에는 본 연구에서 사용한 EN-AW6056합금의 표준성분을 나타내었고, 조성은 표준성분 안의 조성분석 결과, 표준성분의 조성을 만족하였다. 본 연구에서는 6000계 알루미늄 합금의 알려진 열처리 조건인 용체화 처리 온도를 530~550 ℃에서 수행한 후, 시효처리를 170~190 ℃에서 수행하였다. 용체화 조건의 온도는 660 ℃ 이하로 정하였으며, Fig.
- 업세팅 시험에서는 균열이 발생되지 않는 최대의 업세팅 비율이 업세팅 한계로 평가된다. 시험편의 성형해석을 위하여 AFDEX 3D 소프트웨어(software)를 사용하였으며, 소재는 다이를 고정하고 펀치의 y축을 1 m/s로 이동시키며, 마찰계수 0.15로 설정하였다. 또한 미세 조직 및 상조성은 X선 회절(XRD, Regaku), 주사전자현미경(SEM, JEOL 6100), 에너지분산형분석기(EDS, energy dispersive spectroscopy)을 이용하여 분석하였다.
- 인장 시험은 상기의 열처리 조건별 인장 시험과 동일한 규격의 시험편과 인장 시험기를 사용하였으며 5회 실시 후 최대, 최소값을 제외한 인장강도 평균값을 계산하였다. 또한, 소재의 가단성(소재가 균열을 일으키지 않는 소성 변형 능력)을 정의하기 위하여, 균열의 생성여부를 판단하기 위해, 업세팅(up setting)시험을 수행하였다.
- 업세팅 시험 결과로 보아 EN-AW6056 H12 재질의 업세팅 한계는 시험편의 원자재 보관기간 및 하중 속도와 관계없이 동일하게 81 %이하로 판단되며 다단 단조 공정에 있어 재료의 소성변형 능력을 예측하여 최적의 금형설계가 가능할 것으로 사료된다. 전술한 바와 같이 본 연구에서는 이러한 재료의 기본물성 특성변화를 파악하고 이를 통하여 피스톤블록 모양의 단조를 수행하였다.
- 또한, 소재의 가단성(소재가 균열을 일으키지 않는 소성 변형 능력)을 정의하기 위하여, 균열의 생성여부를 판단하기 위해, 업세팅(up setting)시험을 수행하였다. 즉, Fig. 3와 같이 시험편을 중앙에 위치시킨 후 업 세팅 비율을 달리하여 시험편을 압축하고 압축이 완료된 시험편의 측면을 육안으로 관찰하여 시험편의 발생유무를 판정하였다. 업세팅 시험에서는 균열이 발생되지 않는 최대의 업세팅 비율이 업세팅 한계로 평가된다.
이론/모형
- 2. Fabricated tensile specimen with a scale of KS (B0801) standard.
성능/효과
- 인장시험 결과 용체화조건 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4시간 동안 열처리를 한 시험편이 가장 큰 인장강도를 보여, 375 MPa의 인장강도 값을 얻을 수 있었으며, 용체화조건 530 ℃-2시간, 시효조건 170 ℃-1시간 동안 유지하였을 경우 362 MPa의 인장강도를 보였다. EN-AW6056 소재의 열처리 조건별 시험결과, 용체화 온도와 시효온도가 상승함에 따라 인장강도가 증가하는 경향이 나타났다. 하지만 550 ℃이상의 온도에서는 알루미늄의 용융점에 가까워져 시편 표면이 용융되는 현상이 나타나 기계적 특성 평가가 불가하였다.
- 본 연구에서는 EN-AW6056합금을 이용하여 재료의 물성 및 열처리 특성을 파악하고, 이를 이용하여 자동차 브레이크의 피스톤 블록의 냉간단조를 위한 물성 검토 및 설계를 수행하였다. EN-AW6056합금은 열처리시 용체화 처리온도 550 ℃ 2시간 및 시효온도 190 ℃ 에서 4시간 열처리를 수행하였을 경우 시효효과로 인하여 최적의 강도인 375 MPa를 얻을 수 있었고, 석출물의 경우 본 연구에서 선정한 열처리 조건에서는 모든 조건에서 Mg2Si가 미세하게 3~5 um크기로 분산되어 형성 되었다. 기초 물성 평가를 통하여 얻은 값을 이용하여, 가단성 평가를 위한 업세팅 특성평가를 수행한 결과, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균열이 관찰되지 않았다.
- 11은 성형해석에 미세한 디자인 변경을 통해 설계된 preform의 성형 해석결과를 나타낸 것이다. Table 4에서 소재의 변형율은 최대 11.1 %로 소재 특성을 고려할 때 충분히 안전한 변형율로 평가되었고, 유동 응력은 최대 260 MPa 로 소재의 특성에 만족한 것을 알 수 있었다. 특히 중점적으로 고려한 상단부 실린더의 1 STEP 후방 압출 성형은 해석결과 이상 없이 단조 성형이 가능할 것으로 예상 되었다.
- EN-AW6056합금은 열처리시 용체화 처리온도 550 ℃ 2시간 및 시효온도 190 ℃ 에서 4시간 열처리를 수행하였을 경우 시효효과로 인하여 최적의 강도인 375 MPa를 얻을 수 있었고, 석출물의 경우 본 연구에서 선정한 열처리 조건에서는 모든 조건에서 Mg2Si가 미세하게 3~5 um크기로 분산되어 형성 되었다. 기초 물성 평가를 통하여 얻은 값을 이용하여, 가단성 평가를 위한 업세팅 특성평가를 수행한 결과, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균열이 관찰되지 않았다. 따라서, 물성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조직관찰을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
- 9는 A6056 소재의 True Strain - True Stress curve를 나타낸 그래프로서 σ = Kεn(σ: 응력, K: 강도계수, n: 가공경화지수)로 표시될 때, 소성가공에서 대상이 되는 변형범위에서 가공경화 지수 n값이 클수록 재료의 가공경화가 크다는 것을 의미하며, n값이 0일 때 완전소성체를 뜻한다. 따라서 본 소재의 n값과 K값을 측정 하였을때 가공경화지수 n값은 약 0.1033, 강도계수 K값은 약 373.78의 값을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 일반적으로 알루미늄 소재의 가공경화지수 값이 일반 합금강에 비하여 낮고 가공경화지수가 낮기 때문에 응력에 의한 소재의 연신량이 불균일하여 국부적인 응력이 발생하게 되어 성형이 어렵다는 연구 보고와 일치한다.
- 특히 중점적으로 고려한 상단부 실린더의 1 STEP 후방 압출 성형은 해석결과 이상 없이 단조 성형이 가능할 것으로 예상 되었다. 따라서, 본 연구에서 수행된 계산의 결과를 실제 시험에 적용한 결과, 실제 단조 성형물은 균열이 없었으며, Fig. 12와 같이 결함 없는 변형을 달성할 수 있었다. 따라서 기초물성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조직관찰을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
- 이러한 석출물의 면분석 결과에서 나타나 듯이 Mg과 Si가 주된 성분임을 알 수 있고, XRD 결과가 올바르게 분석되어 있음을 나타내고 있다. 또한, T6 열처리 후 시편의 표면 SEM 결과에서도 Mg2Si 석출물을 확인할 수 있었다. 이로 부터 석출물에 의한 석출강화로 인장강도와 경도가 170 MPa에서 375 MPa으로 증가된 걸 확인할 수 있었다.
- 4(d)는 시효온도 190 ℃의 조건에 따른 경도 값이다. 시효조건에 따른 경도 값을 비교하였을 경우 190 ℃에서의 경도 값이 제일 높게 나왔으며, 경도값은 142.52 Hv로 나온 것을 확인할 수 있었다. 이는 Al 합금의 Mg과 Si의 석출물인 Mg2Si 형성으로 석출경화가 일어나 경도 값이 증가한 것으로 사료된다.
- 10과 같이 시험편 표면에 균열이 발생된 것을 관찰할 수 있었다. 업세팅 시험 결과로 보아 EN-AW6056 H12 재질의 업세팅 한계는 시험편의 원자재 보관기간 및 하중 속도와 관계없이 동일하게 81 %이하로 판단되며 다단 단조 공정에 있어 재료의 소성변형 능력을 예측하여 최적의 금형설계가 가능할 것으로 사료된다. 전술한 바와 같이 본 연구에서는 이러한 재료의 기본물성 특성변화를 파악하고 이를 통하여 피스톤블록 모양의 단조를 수행하였다.
- SEM 에서 나타난 것처럼 표면에 크기가 약 3~5 μm의 밝은색의 미세한 석출물들이 분포 되어 있음을 알 수 있다. 이러한 석출물의 면분석 결과에서 나타나 듯이 Mg과 Si가 주된 성분임을 알 수 있고, XRD 결과가 올바르게 분석되어 있음을 나타내고 있다. 또한, T6 열처리 후 시편의 표면 SEM 결과에서도 Mg2Si 석출물을 확인할 수 있었다.
- 5는 그래프는 EN-AW6056의 열처리 조건에 따른 인장강도 결과를 나타낸 것으로서, 시험 조건은 용체화 온도를 530, 550 ℃로 설정 한 후 2시간을 유지하였으며 시효조건 또한 170, 190 ℃의 온도조건에서 5분, 30분, 1시간, 4시간 동안 유지하였다. 인장시험 결과 용체화조건 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4시간 동안 열처리를 한 시험편이 가장 큰 인장강도를 보여, 375 MPa의 인장강도 값을 얻을 수 있었으며, 용체화조건 530 ℃-2시간, 시효조건 170 ℃-1시간 동안 유지하였을 경우 362 MPa의 인장강도를 보였다. EN-AW6056 소재의 열처리 조건별 시험결과, 용체화 온도와 시효온도가 상승함에 따라 인장강도가 증가하는 경향이 나타났다.
- Table 2는 열처리 하지 않은 원소재 ENAW6058 합금의 인장특성 평가 결과를 나타낸다. 즉, 인장강도는 평균 170 MPa의 인장강도 값을 얻을 수 있었으며, 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4의 열처리를 수행한 결과와 인장강도는 약 200 % 이상의 인장강도의 증가를 보였다.
- 1 %로 소재 특성을 고려할 때 충분히 안전한 변형율로 평가되었고, 유동 응력은 최대 260 MPa 로 소재의 특성에 만족한 것을 알 수 있었다. 특히 중점적으로 고려한 상단부 실린더의 1 STEP 후방 압출 성형은 해석결과 이상 없이 단조 성형이 가능할 것으로 예상 되었다. 따라서, 본 연구에서 수행된 계산의 결과를 실제 시험에 적용한 결과, 실제 단조 성형물은 균열이 없었으며, Fig.
후속연구
- 12와 같이 결함 없는 변형을 달성할 수 있었다. 따라서 기초물성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조직관찰을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
- 기초 물성 평가를 통하여 얻은 값을 이용하여, 가단성 평가를 위한 업세팅 특성평가를 수행한 결과, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균열이 관찰되지 않았다. 따라서, 물성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조직관찰을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.
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