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문제 정의
- 그러나 알루미늄합금이 자동차 재료로 더욱 광범위하게 사용되기 위해서는 강도, 성형성, 내식성, 용접성, 표면처리성, 도장성 등의 재료 특성이 더 한층 개선되어야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 특히 강도와 연성이 우수한 자동차용 알루미늄합금 개발을 목표로 Al-7Mg-0.9Zn계 및 Al-5.5Mg-2.9Si계의 두 종류의 합금을 새롭게 합금설계하였으며 냉간압연에 따른 가공성 및 기계적 특성을 평가하고 서로 비교 분석하였다.
제안 방법
- 2 mm씩 줄여나가며 최종두께가 1 mm가 될 때까지 다패스(multi-pass)로 진행하였다. 각 압연 패스마다 시편의 결함 유무를 면밀히 관찰하였고 시편의 두께, 폭, 길이 또한 측정하여 냉간압연에 따른 압연압하율, 압연연신율, 광폭율을 도출하였으며, 압하율이 50 %와 75 %시편에 한하여 미세조직 분석 및 기계적 특성을 평가하였다.
- 기계적 특성은 상온에서의 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 마이크로비커스 경도계를 사용하였으며, 0.05 kfg의 하중으로 압입시간 10초의 조건에서 TD면에 평행하게 압연방향으로 자른 시편을 이용하여 두께방향으로 0.05 mm씩 이동하며 경도를 측정하였다. 인장시험은 인장축이 압연방향과 평행하도록 폭 6 mm, 길이 32 mm로 방전가공기로 잘라 준비하여 Instron type 의 인장 시험기를 사용하여 10−3s−1의 일정한 변형률속도로 진행하였다.
- 광학현미경 관찰은 판재의 폭 중앙부에서 횡단면에 평행하게 압연방향으로 시편을 자른 후, HClO4 : CH3CH2OH = 3:17 용액 속에서 액체온도 −5°C, 전압 20 V의 조건에서 전해 에칭 후 실시하였으며, SEM/EBSD 측정은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조건 하에서 측정하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하였다.
- 기계적 특성은 상온에서의 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 마이크로비커스 경도계를 사용하였으며, 0.
- 본 연구에서는 새롭게 합금설계한 Al-5.5Mg-2.9Si계(A)합금과 Al-7Mg-0.9Zn계(B)합금을 잉곳상태에서 압연을 실시하여 압연 가공성 평가 및 미세조직과 기계적 특성 분석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 압연된 시편의 미세조직은 광학현미경(OM) 관찰 및 FE-SEM/EBSD(Electron Back Scattering Diffraction) 측정을 통하여 분석하였다. 광학현미경 관찰은 판재의 폭 중앙부에서 횡단면에 평행하게 압연방향으로 시편을 자른 후, HClO4 : CH3CH2OH = 3:17 용액 속에서 액체온도 −5°C, 전압 20 V의 조건에서 전해 에칭 후 실시하였으며, SEM/EBSD 측정은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조건 하에서 측정하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.
- 합금 설계한 A합금 및 B합금을 주조 후 잉곳 상태에서 두께 4 mm, 폭 30 mm, 길이 100 mm의 판상으로 절취한 후, 450°C에서 24시간 동안 균질화처리하여 출발재료로 사용하였다. 압연은 롤 직경 210 mm인 2단 압연기를 사용하여, 상온, 무윤활 상태에서 롤 주속 5 rpm으로 시편 두께를 0.2 mm씩 줄여나가며 최종두께가 1 mm가 될 때까지 다패스(multi-pass)로 진행하였다. 각 압연 패스마다 시편의 결함 유무를 면밀히 관찰하였고 시편의 두께, 폭, 길이 또한 측정하여 냉간압연에 따른 압연압하율, 압연연신율, 광폭율을 도출하였으며, 압하율이 50 %와 75 %시편에 한하여 미세조직 분석 및 기계적 특성을 평가하였다.
- 인장시험은 인장축이 압연방향과 평행하도록 폭 6 mm, 길이 32 mm로 방전가공기로 잘라 준비하여 Instron type 의 인장 시험기를 사용하여 10−3s−1의 일정한 변형률속도로 진행하였다.
대상 데이터
- 합금 설계한 A합금 및 B합금을 주조 후 잉곳 상태에서 두께 4 mm, 폭 30 mm, 길이 100 mm의 판상으로 절취한 후, 450°C에서 24시간 동안 균질화처리하여 출발재료로 사용하였다.
성능/효과
- 1) 냉간압연성 평가 결과, A합금에서는 압하율 50 %에서부터 크랙이 발생하기 시작하여 고압하율에서는 파단에 이르는 경우도 발생했으나, B합금에서는 압하율 75 % 까지 크랙의 발생 없이 건전한 압연판재를 얻을 수 있었다.
- 2) 미세조직 관찰 결과 A 합금의 경우 종횡비가 큰 봉상의 Mg2Si 석출물이 많이 존재하였고, 압연이 진행됨에 따라 석출물이 절단되어 분산되고 압연 방향으로 정렬하는 경향이 관찰되었으나, B합금에서는 Mg2Si 석출물이 거의 발견되지 않았다.
- 3) A합금, B합금 모두 대표적인 냉간압연집합조직 성분인 {011} 및 {112} 집합조직 성분이 주로 발달하였으며 두 합금 간에 집합조직 발달의 차이는 거의 존재하지 않았다.
- 4) 냉간압연에 따른 가공경화율은 압연압하율에 관계없이 A합금보다 B합금에서 더 컸다.
- 5) 냉간압연재의 경우, 인장강도는 A합금(312MPa)에 비해 B합금(468MPa)에서 50 % 더 높았으며, 인장연신율 또한 A합금에 비해 B합금에서 더 높았다.
- 6) 이상을 종합해 볼 때, A합금에 비해 B합금이 압연 가공성 및 기계적 특성 면에서 우수하다고 결론지을 수 있다.
- 8은 A, B합금의 압연 전과 후의 공칭응력-공칭변형율(s-s) 곡선을 나타낸 것이다. A합금의 경우에는 압연 전과 후 모두 재료의 연성이 낮아 충분히 연신되지 못하고 파단되었는데 압연 전 최대 인장강도는 118MPa이었으며, 압하율 75 %로 압연 후의 최대 인장강도는 312MPa로 약 164 % 증가하였다. 또한 압연 전 3.
- 2에 압연(총압하율: 75 %)에 따른 시편의 광폭율과 압연연신율 변화를 나타내었다. A합금의 광폭율은 11 %, 압연연신율은 243 %를 나타내었으나, B합금의 광폭율은 5 %, 압연연신율은 258 %를 나타내었다. 이와 같이 A 합금의 광폭율이 B합금에 비해 약 2배 가량 큰 값을 나타내었다.
- 7 %로 감소하였다. B합금의 경우에는 압연 전 최대인장강도는 213MPa, 항복강도는 130MPa 이였으나 75 % 압연 후 최대인장강도는 468MPa로 약 120 % 증가하였으며, 항복강도는 425MPa로 약 227 %나 증가하였다. 또한 인장연신율은 압연 전 14 %, 50 %압연 후 17 %, 75 %압연 후에는 12 %를 나타내었다.
- 또한 두 합금 모두 부분적으로 미세 기공(porosity)이 발견되었다. 그러나 50 %, 75 % 압하율로 압연하였을 때 A, B합금 모두 기공이 압착되어 거의 소멸되었고 결정립이 압연 방향으로 연신된 조직이 관찰되었으며, 75 %의 고압하율에서 압연된 재료에서는 더 연신된 가공조직을 나타내었다.
- 4는 A, B합금의 압연 전과 후의 TD면에서의 SEM 조직 사진을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 압연 전 A합금에서는 종횡비(aspect ratio)가 큰 봉상의 Mg2Si 석출물이 뚜렷하게 많이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 또한 이런 석출물들은 압연이 진행됨에 따라 작게 절단되고 또한 압연방향으로 정렬되는 경향이 있음을 알 수 있다.
- 그림에서와 같이 전체적으로 Mg2Si 석출물이 많이 분포 되어 있어 해석이 어려운 영역도 많이 존재하며 결정립 크기가 조대하여 해석에 어려움이 있으나, 압하율 증가에 따라 결정립이 압연 방향으로 연신되는 것과 압연 후에 압연집합조직 성분인 {011} 및 {112}이 발달한 것을 알 수 있었다.
- 1에 압연에 따른 두께, 폭, 길이의 변화를 나타내었다. 두 합금 모두 두께가 거의 일정하게 감소함을 보였다. A합금은 압하율 50 %부터 시편의 양 측면에서 미세 크랙이 발생하기 시작하였고 압연이 진행됨에 따라 그 정도가 심해져 일부 시편에서는 크랙의 전파로 인해 파단 되는 경우도 발생하였다.
- 압하율 50 %로 압연 후의 경도값은 A합금이 79 Hv, B 합금이 113 Hv으로 A합금보다 B합금의 경도가 큰 폭으로 증가하였다. 두 합금에서의 경도 증가는 압연에 의한 가공경화로 인한 경도의 증가이며 경도의 증가율은 A합금이 58 %, B합금이 76.5 %로 B합금에서 가공경화량이 더 컸다. 또한 압하율 75 % 압연 후의 경우에서도 A합금의 경도값은 85 Hv, B합금은 123 Hv로 압연 전 재료와 비교하였을 때 경도의 증가율은 A합금(70 %)에 비해 B합금(146 %)에서 더 컸다.
- 즉, 인장시험편의 두께가 4 mm, 2 mm, 1 mm로 각각 다름으로 인해 연신율을 그대로 비교할 수 없으며 연신율 값의 보정이 필요한데, Oliver식15)을 이용하여 보정하면 압하율 50 %당 약 2%의 차이가 발생하게 된다. 따라서 인장시험편의 두께를 4 mm로 가정하면, 연신율은 압연 전 재료는 14 % 그대로 유지되나 50 %압 연재의 경우는 19 %, 75 %압연재의 경우는 16 %로 증가 되는 것으로 추산된다. Fig.
- 그림에서와 같이 B합금의 경우 압연 전 재료(주조재) 보다 압하율 50 %, 75 %의 압연재에서 인장 강도, 연신율 모두 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 또한 모든 조건에서 A합금에 비하여 B합금의 기계적 특성이 우수하다고 결론지을 수 있다.
- 5 %로 B합금에서 가공경화량이 더 컸다. 또한 압하율 75 % 압연 후의 경우에서도 A합금의 경도값은 85 Hv, B합금은 123 Hv로 압연 전 재료와 비교하였을 때 경도의 증가율은 A합금(70 %)에 비해 B합금(146 %)에서 더 컸다. 이처럼 B합금에서 가공경화량이 더 큰 것은 가공경화 효과를 증가시키는 Mg의 고용량이 A합금에 비해 많은 것에 기인한 것이라 사료된다.
- 반면, B합금에서는 압하율 75 %까지 크랙이 거의 발생하지 않았으며 건전한 압연 판재를 나타내었다. 또한, 두 합금 모두 폭 방향으로의 길이 변화(광폭율)는 적었으나 B합금에 비해 A합금의 광폭율이 더 높았다. 반면, 압연방향으로의 길이변화(압연연신율)는 A합금보다 B합금에서 더 컸다.
- 7에 A 및 B합금의 압연 전과 후의 비커스 평균 경도를 나타내었다. 압연 전 경도값은 A합금이 50 Hv, B합금이 64 Hv로 A합금보다 B합금의 경도가 더 높았다. 압하율 50 %로 압연 후의 경도값은 A합금이 79 Hv, B 합금이 113 Hv으로 A합금보다 B합금의 경도가 큰 폭으로 증가하였다.
- 압연 전 경도값은 A합금이 50 Hv, B합금이 64 Hv로 A합금보다 B합금의 경도가 더 높았다. 압하율 50 %로 압연 후의 경도값은 A합금이 79 Hv, B 합금이 113 Hv으로 A합금보다 B합금의 경도가 큰 폭으로 증가하였다. 두 합금에서의 경도 증가는 압연에 의한 가공경화로 인한 경도의 증가이며 경도의 증가율은 A합금이 58 %, B합금이 76.
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