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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금 반용융 소재의 압축성형 특성을 조사하기 위해 반응고 알루미늄 합금을 제조하고 이를 반용융 압출한 알루미늄 압출재의 압축특성을 조사하였다. 알루미늄 합금 반용융 압출재의 압축시험은 시험온도 및 변형속도에 따른 압축 성형 특성과 이에 따른 미세조직변화 및 기계적 특성을 조사하였다.
제안 방법
- 5mm 미만의 크기의 원통형 압축 시편을 제조 후 시험온도(270oC~360oC) 및 변형률 속도(10−1/s~10−3/s)를 변화하여 실시하였다. 각 압출재의 압축특성은 압축시험에 의해 산출된 결과와 압축시험 후 시험편의 조직 변화로서 평가하였다.
- 반용융 압출 전 빌렛의 재가열은 Φ50 mm × L85 mm 크기로 가공된 압출용 빌렛의 중심부에 열전대를 삽입하여 각 재가열조건에 따라 재가열을 실시하였으며, 목표 온도로 재가열 후반용융 압출을 실시하였다.
- 반용융 압출 전 빌렛의 재가열은 Φ50 mm × L85 mm 크기로 가공된 압출용 빌렛의 중심부에 열전대를 삽입하여 각 재가열조건에 따라 재가열을 실시하였으며, 목표 온도로 재가열 후반용융 압출을 실시하였다. 반용융 압출은 직접 압출 방식으로 수행하였으며 소재와 램의 융착을 방지하기 위하여 dummy bar를 사용하였다. 이 때 압출비는 약 27:1(2α =180o), 평균 변형률 속도 0.
- 반용융 압출을 위한 반응고 빌렛은 경사냉각판법에 대한 이전 연구결과를 바탕으로 제조하였고[6], 제조된 반응고 합금의 특성은 금형 주조한 합금과 비교하였다. 사용된 합금의 조성과 제조 조건은 Table 1과 2에 각각 나타내었다.
- 7은 변형 온도별 각 압출재의 변형률 속도 민감도를 비교 한 것이다. 변형률 속도 민감도는 재료가 소성 변형 시 변형의 균질한 정도를 나타낼 수 있는 척도가 될 수 있으며[18], 각 합금의 변형률 속도 민감도(m)를 측정함으로써 열간압출재와 반응고 압출재의 압축 특성을 평가하였다. 변형속도 민감도(m) 값의 측정하는 방법에는 2 가지의 방법이 있다[19].
- 즉 인장/압축 시험 중에 변형속도를 변화시켜 이에 대응하는 응력의 변화를 측정하여 계산하는 방법과 변형률 속도 민감도는 응력-변형률 곡선을 구한 뒤 변형 속도와 유동응력의 로그 스케일의 기울기로부터 측정할 수 있다[18-20]. 본 연구에서는 후자의 방법으로 변형률 속도 민감도를 측정하였다. 일정한 변형률 및 온도에서 유동응력과 변형 속도와의 일반적인 관계는 다음과 같이 정의되며,
- 따라서 본 연구에서는 알루미늄 합금 반용융 소재의 압축성형 특성을 조사하기 위해 반응고 알루미늄 합금을 제조하고 이를 반용융 압출한 알루미늄 압출재의 압축특성을 조사하였다. 알루미늄 합금 반용융 압출재의 압축시험은 시험온도 및 변형속도에 따른 압축 성형 특성과 이에 따른 미세조직변화 및 기계적 특성을 조사하였다.
- 압출재의 기계적 특성은 압출방향에서 시료를 채취하여 비커스 경도시험(Mitutoyo,MVK-E3)과 인장 및 압축시험(R&B, SSRT)을 통해 평가하였고 이때, 압축시험은 Φ10 mm × L10 mm 평균오차 ± 0.5mm 미만의 크기의 원통형 압축 시편을 제조 후 시험온도(270oC~360oC) 및 변형률 속도(10−1/s~10−3/s)를 변화하여 실시하였다.
- 주조재 및 압출재의 미세조직을 관찰하기 위하여 에머리 페이퍼를 이용한 단계적 연마를 행하고 이후 정마하였다. 연마된 시험편은 Dix-keller액에 수 초간 부식시킨 후,광학현미경을 이용하여 미세조직관찰 하였고 관찰된 미세 조직으로 화상분석기(Image analyzer, IMT-2000)를 이용하여각 합금의 결정립 크기를 측정하였다. 압출재의 기계적 특성은 압출방향에서 시료를 채취하여 비커스 경도시험(Mitutoyo,MVK-E3)과 인장 및 압축시험(R&B, SSRT)을 통해 평가하였고 이때, 압축시험은 Φ10 mm × L10 mm 평균오차 ± 0.
- 비교재로 사용된 열간 압출재의 경우, 반용융 압출재와 동일한 크기로 빌렛을 제작하여, 컨테이너 온도 400oC에서 1시간 동안 유지 후 열간 압출을 실시하였다. 주조재 및 압출재의 미세조직을 관찰하기 위하여 에머리 페이퍼를 이용한 단계적 연마를 행하고 이후 정마하였다. 연마된 시험편은 Dix-keller액에 수 초간 부식시킨 후,광학현미경을 이용하여 미세조직관찰 하였고 관찰된 미세 조직으로 화상분석기(Image analyzer, IMT-2000)를 이용하여각 합금의 결정립 크기를 측정하였다.
대상 데이터
- 이 때 압출비는 약 27:1(2α =180o), 평균 변형률 속도 0.383/s의 속도로 직경 10 mm 봉상 압출재를 제조하였다.
성능/효과
- 각 압출재의 결정립의 크기는 표면에서 중심부에 도달할수록 증가하는 것으로 나타났으며, 그 크기는 열간 압출재의 경우 표면이 약 70 μm에서 중심부가 약 150 μm로, 반용융 압출재의 경우 표면이 약 10 μm에서 중심부가 40 μm 정도로서 나타났다.
- 4에 나타내었다. 각 압출재의 경도는열간 압출재 및 반용융 압출재 모두 압출 방향의 경도 값보다 수직 방향의 경도가 높은 것으로 나타났으며, 두 압출재모두 표면에서 중심부에 도달할수록 경도값이 감소하는 것으로 나타났다. 또한 열간 압출재에 비해 반용융 압출재의 경도가 높은 것을 알 수 있다.
- 관찰된 미세조직을 바탕으로 Image analyzer를 이용하여 두 합금에 대한 초정 상의 크기를 측정한 결과, 금형주조 합금의 평균 초정 상의 크기는 약 103 μm, 반응고 합금의 경우 초정의 크기가 약 72 μm로서 금형주조 합금에 비해 미세한 것을 볼 수 있다.
- 8은 각 압출재의 변형온도에 따른 변형률 속도 민감도의 변화를 나타낸 것으로서 변형 온도가 증가함에 따라 두압출재 모두 변형률 속도 민감도가 증가하는 일반적인 경향을 보여주고 있다. 그러나 본 연구의 압축변형 조건에서 330oC 이하의 낮은 변형 온도에서는 열간 압출재의 변형률 속도 민감도 값이 높은 것을 알 수 있으나, 그 이상의 온도에서는 반용융 압출재가 열간 압출재 보다 그 값이 높아지는 것을 볼 수 있는데 이는 반용융 압출재의 등축 입상조직이 낮은 변형온도에서는 변형 시 전위의 이동을 방해하여 소성 가공성을 저해시켜 변형하중을 증가시키는 요인이 되나 고온변형 시 금속의 유동성 증가와 함께 이러한 등축 입상조직이열간 압출에 의한 연신 조직에 비해 금속 유동을 용이하게 하기 때문에 고온 압축 성형성이 증가될 것으로 판단된다.
- 6(b))에서는 강한 압축 변형에 의한 전단변형띠(shear band)가 관찰되었다. 그리고 열간 압출재의 경우 압출에 의해 연신된 조직이 높은 압축 하중의 영향을 받아 시편 중심을 기준으로 대칭을 이루는 형태로 압축 변형조직이 관찰이 되었으나, 반용융 압출재의 경우 반용융 압출에 의해 형성된 초기 등축 입상조직이 압축하중에 저항하여 압축변형에 대해 조직의 재배열 또는 재결정이 이루어져 열간 압출재에 나타난 연신된 조직이 아닌 미세하게 분산된 입상조직을 나타낸 결과이며, 이는 동일 조건에서의 압축시험에서 열간 압출재보다 반용융 압출재의 최대 압축하중이 높은 결과로 설명될 수 있었다.
- 그리고 열간 압출재의 경우 압출재의 수직방향과 압출방향의 경도 차이(ΔHV)는 평균 약 7 HV이며, 반용융 압출재의 경우 평균 2 HV로 열간 압출재에 비해 그 차이가 적은 것으로 나타났다.
- 반용융 압출의 경우 일반적인 알루미늄 합금의 열간 압출 보다 높은 빌렛 가열 온도로서 압출이 진행됨에 따라 압출 후 연신된 조직내에서 동적 재결정에 의해 등축의 미세 결정립이 형성되고 이 미세한 결정립이 압출재전반에 균일하게 분포하여 등방 특성을 나타내는 것으로 확인되었다. 또한 고온 압축시험에 의해 얻어진 변형률 속도 민감도 값의 측정 결과, 고온 압축 변형 시 금속의 유동성 증가와 함께 반용융 압출에 의해 얻어진 등축 조직이 금속 유동을 더욱 용이하게 하여 고온 압축 성형성이 개선됨을 확인할 수 있었다.
- 2는 앞서 제조된 합금을 이용하여 각각 열간 및 반용융 압출 후 각 압출재의 초기 부위와 표면의 형상을 보여준다. 압출재의 표면은 열간 압출과 반용융 압출재 모두 압출결함의 발생 없이 건전한 표면을 지니고 있었으나, 반용융 압출재의 압출 초기 부위의 경우 압출재 표면과 달리 압출압력에 의해 터진 듯한 형상을 띄며, 선단 부분에서 큰 균열을 관찰할 수 있었다. 이는 반용융 압출의 특성상 높은 액상률로 인해 열간 압출에 비해 낮은 압출압력을 나타내지만, 압출 초기 컨테이너 내에서 액상의 압축되고 이 액상이 압출 금형을 통과함과 동시에 유출/응고 됨으로써 형성된 결과이다[14-16].
- 5에 나타내었다. 해당 조건에서의 압축시험에서는 두 압출재 모두 압축 후 표면의 크랙 발생 없이 건전한 표면을 갖는 압축 샘플을 얻을 수 있었다. 하지만 두 압출재 모두에서 압축 시험편의 양쪽면의 변형이 마찰에 의한 구속으로 시험편의 중심부가 볼룩해지는 좌굴(barreling) 현상이 관찰되었다.
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