[논문]7075 합금의 압출에서 원소재 빌렛과 압출재의 열처리에 따른 미세조직 및 기계적 특성 분석

이상용

doi:10.12656/jksht.2020.33.5.232

7075 합금의 압출에서 원소재 빌렛과 압출재의 열처리에 따른 미세조직 및 기계적 특성 분석
Analysis of Microstructures and Mechanical Properties of Billet and Extrudate according to Heat Treatment for the Extrusion of 7075 alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.33 no.5, 2020년, pp.232 - 238

이상용 (안동대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Heating experiments using the 7075 aluminum alloy in the state of billet and extrudate have been performed to investigate the pertinent ranges of working temperatures and holding times for the application to the various automobile parts. The 7075 specimens from raw billet of 152 mm in diameter and 400 mm in length prior to extrusion were used for heating with a holding time of 10 minutes at temperatures between 380℃ and 550℃. Then, an extrusion process using the billet has been fulfilled at 380℃ with extrusion speed of 0.8 mm/min to get an plate-type extrudate of 75 mm in width and 4.2 mm in thickness. The samples from the extrudate were subjected to heating experiments at temperatures between 380℃ and 440℃ with holding times such as 10 min, 30 min, 60 min and 120 min at each heating temperature. The microstructures were investigated on the optical and EBSD micrographs. The hardness measurement and the tensile test have been performed to investigate the effect of the heat treatment on the mechanical property. The results showed for the 7075 extrusion process that the safe heating of billet can be performed below 450℃ and the extrusion can be done safely up to 400℃.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Cross section of the billet, location of sample extraction and conditions of heating.
그림 Fig. 2. Plate-type extrudates, location of specimens and heating conditions.
그림 Fig. 3. Optical micrographs of 7075 billet according to heating temperatures.
그림 Fig. 4. Hardness values of 7075 billet due to variation of heating temperatures.
그림 Fig. 5. Hardness values of 7075 billet by variation of temperatures and times at heating.
그림 Fig. 6. The effect of heating temperature on the average grain size of 7075 billet.
그림 Fig. 7. Stress-strain curves of 5 specimens (photo, left) for tensile test cut from the same cross section of the as-received billet (photo, right) of 7075.
그림 Fig. 8. EBSD microstructures of as extruded, heated at 400ºC-5 min and 400ºC-30 min after extrusion.
그림 Fig. 9. EBSD micrographs showing the development of second recrystallization in the surface area of the specimen dependent on temperature and time at heating.
그림 Fig. 10. EBSD microstructures in the center of specimen dependent on temperature and time at heating.
그림 Fig. 11. The effect of heating temperature on the stress-strain curves of extruded 7075 specimens after heating experiments.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 7075 합금의 압출에서 적용되는 압출 온도를 증가시키기 위해 가능한 온도 범위를 찾기 위한 실험을 수행하였다. 압출 소재인 빌렛의 가열실험을 통해 원소재의 가열조건을 조사하고, 압출 온도 범위의 선정을 위해 압출재를 이용한 가열실험을 함께 수행하였다.
열처리에서 가장 낮은 온도로 설정된 380°C는 기업에서 7075 압출에 적용되는 압출 온도를 기준으로 하였다. 본 연구에서는 궁극적으로 금형 냉각을 적용하여 압출재 온도 상승을 제한하고, 압출을 위한 원소재 빌렛의 가열온도를 높이고, 압출 속도를 증가시켜 생산성을 증가시키는 것이다. 열처리의 상한 온도는 7075의 용체화 온도가 470°C 내외인 점을 고려하여 국부적 용융이 일어날 수 있는 온도 범위까지 확대하여 550°C로 설정하였다.

가설 설정

본 연구에서는 이 결과를 고려하여 압출재를 위한 가열온도 범위를 400°C~440°C로 정하게 되었다.

제안 방법

3 조직에 대한 경도측정 결과를 보여준다. 1 kgf 하중을 이용한 비커스 경도를 해당 사진의 크기 범위에서 5회 측정한 후에 평균값을 사용하였다. 경도 값은 열처리하지 않은 원소재의 값에서부터 열처리에 따라 증가하다가 450°C에서 최대치를 보이고 480°C부터 감소하였다.
7075 알루미늄 합금의 압출 온도를 높이기 위해 압출 전의 빌렛과 압출 후의 압출재를 이용하여 열처리 실험을 수행하였다. 빌렛은 380°C~550°C에서, 압출재는 400°C~440°C 범위에서 가열온도를 변화시켰다.
압출 소재인 빌렛의 가열실험을 통해 원소재의 가열조건을 조사하고, 압출 온도 범위의 선정을 위해 압출재를 이용한 가열실험을 함께 수행하였다. 가열 실험된 시편에 대해 미세 조직, 경도 및 기계적 특성을 분석하였다.
열처리의 상한 온도는 7075의 용체화 온도가 470°C 내외인 점을 고려하여 국부적 용융이 일어날 수 있는 온도 범위까지 확대하여 550°C로 설정하였다. 각 열처리 온도에서의 가열시간은 생산 현장의 압출에서 적용되는 빌렛의 유도가열 시간을 고려하여 10분으로 선정하였다.
빌렛의 직경(D)은 152 mm, 빌렛의 길이는 400 mm이었다. 빌렛 단면 전체의 균일성 여부를 판단하기 위해 시편의 채취 위치를 표면, 표면에서부터 중심으로 반경(R)의 1/4, 1/2 위치 및 중심부로 선정하였다. 열처리 온도는 380°C~550°C 사이에서 20~40°C 간격으로 변화시켰다.
본 연구에서는 7075 합금의 압출에서 적용되는 압출 온도를 증가시키기 위해 가능한 온도 범위를 찾기 위한 실험을 수행하였다. 압출 소재인 빌렛의 가열실험을 통해 원소재의 가열조건을 조사하고, 압출 온도 범위의 선정을 위해 압출재를 이용한 가열실험을 함께 수행하였다. 가열 실험된 시편에 대해 미세 조직, 경도 및 기계적 특성을 분석하였다.
압출재의 가열에서 표면부와 중심부의 가열에 대한 민감도가 크게 차이를 보였다. 압출 온도를 높이는 것이 중심부의 조직에는 큰 영향을 미치지는 않지만 표면부의 조직은 온도와 시간에 밀접한 관련이 있는 특성을 확인하였다.
열처리 시편을 채취한 부위에서 인장시험용 시편도 채취하여, 열처리 실험과 같은 조건으로 열처리한 후 Instron 8801을 이용하여 상온에서 4 × 10-3 sec-1의 변형률 속도로 인장 시험을 시행하여 응력-변형률 곡선을 얻었다.
일정한 온도에서 가열시간은 120분까지 변화시켰다. 열처리 시편의 미세조직, 경도, 강도 분석을 수행하였다. 빌렛에 대해서는 국부적 용융과 같은 압출에 유해한 조직의 변화가 450°C보다 높은 온도에서 발생함을 확인하였다.
2와 같은 시편 및 조건으로 수행하였다. 열처리 시편의 채취 위치에서는 인장 시편도 채취하였고 동일한 열처리를 수행한 후 인장시험에 활용하였다.
열처리한 빌렛 및 압출재 시편의 미세조직은 광학현미경과 Tescan사의 MIRA3-XMH 모델의 FE-SEM 장비에 부착된 EBSD를 이용하여 관찰하였다. 미세조직 관찰용 시편은 Vickers를 이용한 1 kg 하중 경도측정에도 활용하였다.

대상 데이터

열처리한 빌렛 및 압출재 시편의 미세조직은 광학현미경과 Tescan사의 MIRA3-XMH 모델의 FE-SEM 장비에 부착된 EBSD를 이용하여 관찰하였다. 미세조직 관찰용 시편은 Vickers를 이용한 1 kg 하중 경도측정에도 활용하였다. 열처리 시편을 채취한 부위에서 인장시험용 시편도 채취하여, 열처리 실험과 같은 조건으로 열처리한 후 Instron 8801을 이용하여 상온에서 4 × 10^-3 sec^-1의 변형률 속도로 인장 시험을 시행하여 응력-변형률 곡선을 얻었다.
본 연구에 사용된 알루미늄 소재는 7075 합금이다. 열처리 실험은 압출에 사용되는 원통형 원소재 빌렛에서 채취한 시편과, 원소재 빌렛으로 열간 압출을 수행하여 얻은 압출 상태의 판재에서 채취한 시편을 이용하여 수행되었다.
1은 빌렛의 단면 사진과 시편 채취 부위 및 열처리 조건을 보여주는 그래프이다. 빌렛의 직경(D)은 152 mm, 빌렛의 길이는 400 mm이었다. 빌렛 단면 전체의 균일성 여부를 판단하기 위해 시편의 채취 위치를 표면, 표면에서부터 중심으로 반경(R)의 1/4, 1/2 위치 및 중심부로 선정하였다.
본 연구에 사용된 알루미늄 소재는 7075 합금이다. 열처리 실험은 압출에 사용되는 원통형 원소재 빌렛에서 채취한 시편과, 원소재 빌렛으로 열간 압출을 수행하여 얻은 압출 상태의 판재에서 채취한 시편을 이용하여 수행되었다. Fig.
그림에서 응력-변형률 곡선 아래에 나타낸 빌렛의 단면 사진에 표시된 6개의 직사각형은 인장 시편을 채취한 부위이다. 이 부위에서 폭 5 mm, 표점 거리 15 mm, 두께 2 mm의 인장 시편을 평행으로 6개 채취하였으며, 가공된 인장 시편의 왼쪽 사진에서 볼 수 있다. 비슷한 부위에서 채취한 인장 시편 6개 중에서 5개를 인장 시험한 후에 얻은 응력-변형률 곡선을 모두 같은 응력-변형률 곡선에 나타내었다.

성능/효과

열처리 시편의 미세조직, 경도, 강도 분석을 수행하였다. 빌렛에 대해서는 국부적 용융과 같은 압출에 유해한 조직의 변화가 450°C보다 높은 온도에서 발생함을 확인하였다. 이 결과에 근거하여 압출재의 가열온도 범위가 선정되었다.
11은 압출재와 압출 후 400°C~440°C에서 가열 실험한 시편을 인장 시험하여 얻은 응력-변형률 곡선들이다. 압출재의 인장강도는 약 440 MPa, 변형률은 약 18% 정도로 원소재에 비해 인장강도가 증가했음을 알 수 있다. 압출재를 가열하였을 경우 인장강도와 연신율에서 미소한 차이가 관찰되며, 가열온도에도 영향을 받는 것이 관찰된다.
인장시험 결과는 빌렛의 단면 전체에서의 거시적인 균일성은 응력-변형률 곡선에서 입증됨을 알 수 있다. 원소재 빌렛의 압출 가열 전의 인장강도는 약 230 MPa, 균일 변형률은 약 17% 정도로 나타났다.
원소재 빌렛의 열처리 실험을 통해 압출재 가열실험에 필요한 온도 범위는 400°C~440°C로 결정되었다.
그림에서 보는 응력-변형률 곡선은 5개의 곡선이 중첩되어 있으며, 모든 곡선이 거의 유사한 유동 응력 곡선의 흐름을 보인다. 인장시험 결과는 빌렛의 단면 전체에서의 거시적인 균일성은 응력-변형률 곡선에서 입증됨을 알 수 있다. 원소재 빌렛의 압출 가열 전의 인장강도는 약 230 MPa, 균일 변형률은 약 17% 정도로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금형 냉각을 이용하여 압출과열의 제어가 가능해 진다면 얻을 수 있는 장점은?	금형 냉각을 이용하여 압출 과열을 낮추어 등온압출을 하여 압출 생산성 및 품질을 높이는 다양한 연구가 필요하다[4-8]. 압출 과열의 제어가 가능해진다면 낮게 유지하던 압출 온도를 증가하는 것이 가능해지며 더불어 압출 속도의 증가도 가능해져 품질이 제어되며 생산성이 높아지게 되는 장점이 얻어진다[5, 9].
	범퍼에 요구되는 특성은?	차대(Chassis) 부품의 경우에는 항공기용 압출 부품과 유사하게 안정된 강도-인성 특성이 요구될 것이다. 반면에, 범퍼는 적당한 강도에서 파괴되어야 하며, 여러 겹으로 접히는 특성이 필요하다. 다양한 자동차 요구 특성에 적용을 위한 7xxx계 알루미늄 합금의 압출 연구와 데이터 축적이 필요해지며, 항공기 부품으로 압출 연구가 많이 수행된 7075 합금은 자동차에의 적용을 위한 압출 기술 개발 및 연구에 활용하기에 적합하다.
	7075 합금의 압출의 경우 온도와 압출 속도가 매우 낮게 설정해야 하는 이유는?	다양한 자동차 요구 특성에 적용을 위한 7xxx계 알루미늄 합금의 압출 연구와 데이터 축적이 필요해지며, 항공기 부품으로 압출 연구가 많이 수행된 7075 합금은 자동차에의 적용을 위한 압출 기술 개발 및 연구에 활용하기에 적합하다. 7075 합금의 압출은 고강도로 인하여 발생하는 압출 과열(40~90°C)의 발생으로 낮은 온도에서 수행하게 되고 압출 속도도 매우 낮게 설정되어야 결함을 피할 수 있다[3]. 금형 냉각을 이용하여 압출 과열을 낮추어 등온압출을 하여 압출 생산성 및 품질을 높이는 다양한 연구가 필요하다[4-8].

참고문헌 (9)

T . Sheppard : Extrusion of Aluminum Alloys, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (1999).
J. Hirsch : Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24 (2014) 1995.

상세보기
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F. Parvizian, T. Kayser, C. Hortig and B. Svendsen : J. of Mat. Process. Tech. 209 (2009) 876.

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A. F. Bastani, T. Aukrust and S. Brandal : J. of Mat. Process. Tech. 211 (2011) 650.

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X. Duan and T. Sheppard : Materials Science & Engineering A, 351 (2003) 282.

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L. Li, J. Zhou and J. Duszczyk : J. of Mat. Process. Tech. 146 (2004) 203.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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