[논문]주/단조 Al-Si-Mg 합금의 인장 거동

김국주; 권용남; 이영선; 정순철; 이정환

문제 정의

본 연구에서는 주/단조 공정을 통해 제조된 A356 합금의 기계적 특성에 영향을 미치는 미세조 직 변화를 조사하였다. 특히, 주/단조 A356 합금의 파괴 거동에 미치는 a상 및 Si 입자의 영향을 고 찰하였다.
특히, 주/단조 A356 합금의 파괴 거동에 미치는 a상 및 Si 입자의 영향을 고 찰하였다. 이를 통해 주조품의 낮은 연신율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.

제안 방법

또한, 단조 속도의 영향 을 평가하기 위하여 10, 100mm/min 의 프레스 속도를 사용하였다. 균질화처리의 영향을 평가하기 위하여 열간 단조 전 550°C 에서 8 시간 균질화처 리를 실시한 시편과 주조 상태의 시편을 열간단조에 사용하였다. 열간 단조시 변형량에 따른 미세조직과 기계적 특성을 조사하기 위하여 변형량을 10, 20, 40, 60%로 변화시킨 시험을 실시 하였다.
열간 단조 온도에 따른 미세조직의 변화를 조사하기 위하여 400, 480, 530°C 에서 단조를 실시하였다. 또한, 단조 속도의 영향 을 평가하기 위하여 10, 100mm/min 의 프레스 속도를 사용하였다. 균질화처리의 영향을 평가하기 위하여 열간 단조 전 550°C 에서 8 시간 균질화처 리를 실시한 시편과 주조 상태의 시편을 열간단조에 사용하였다.
열간 단조는 200 톤 수치 제어형 프레스에서 실시하였다. 열간 단조 온도에 따른 미세조직의 변화를 조사하기 위하여 400, 480, 530°C 에서 단조를 실시하였다. 또한, 단조 속도의 영향 을 평가하기 위하여 10, 100mm/min 의 프레스 속도를 사용하였다.
열간 단조 후 540°C 에서 10 시간 용체화처리 후 160°C 에서 6 시간 시효처리를 실시하였으며 이후 미세조직 관찰 및 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험후 파면 및 파면 아랫부분의 미세조직을 통해 파괴 거동을 조사하였다.
a상은 250 |im 의 평균 DAS(Dendrite Arm Spacing) 를 나타내었으며 공정 Si 는 Rod 형상을 보이고 있다. 열간 단조를 위한 60(W) X 30(D) X 40(H) mm3 크기의 직육면체로 주조 Preform 을 가공을 하였다. 열간 단조는 200 톤 수치 제어형 프레스에서 실시하였다.
균질화처리의 영향을 평가하기 위하여 열간 단조 전 550°C 에서 8 시간 균질화처 리를 실시한 시편과 주조 상태의 시편을 열간단조에 사용하였다. 열간 단조시 변형량에 따른 미세조직과 기계적 특성을 조사하기 위하여 변형량을 10, 20, 40, 60%로 변화시킨 시험을 실시 하였다.
열간 단조 후 540°C 에서 10 시간 용체화처리 후 160°C 에서 6 시간 시효처리를 실시하였으며 이후 미세조직 관찰 및 인장 시험을 실시하였다. 인장 시험후 파면 및 파면 아랫부분의 미세조직을 통해 파괴 거동을 조사하였다.
본 연구에서는 주/단조 공정을 통해 제조된 A356 합금의 기계적 특성에 영향을 미치는 미세조 직 변화를 조사하였다. 특히, 주/단조 A356 합금의 파괴 거동에 미치는 a상 및 Si 입자의 영향을 고 찰하였다. 이를 통해 주조품의 낮은 연신율을 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 소재는 상용 A356 합금으로 화학 조성은 표 1 에 나타내었다. 주/단조 공정에 사용될 주조 Preform 은 저압 주조법으로 제조하 였으며 주조품의 미세조직은 그림 1 에 나타내었다.
압축률에 관계없이 주조품에 존재하고 있는 수축공들이 관 찰되고 있다. 본 연구에 사용한 주조품은 저압주 조법으로 제조되어 초기에 최고 200|im 정도의 Porosity 를 함유하고 있었다. 그림 6 의 40% 시편 에서 알 수 있듯이 수축공과 접하고 있는 수지상 조직이 열간 단조시 압착된 조직으로 파괴를 앞당기는 역할을 하는 것으로 판단된다.

성능/효과

따라서, 열간 단조량이 높을수록 연 신율이 증가하며 공정상 경계에서 전위 축적에 의한 크랙 발생의 가능성이 낮아진다. 공정상 경계에서 응력 집중의 효과가 낮아질수록 Si 입자의 파괴보다는 Si 입자와 a상 경계의 분리를 통한 크랙 전파가 주도적이 될 가능성이 높아져 연신율의 향상이 관찰되는 것으로 판단된다.
초기 주조 Preform 의 연 신율이 6%인 것에 비해 주/단조품의 연신율은 10%이상으로 크게 향상된다. 또한, 열간 단조가 480°C 일 경우 가장 우수한 인장 특성을 나타내는 것으로 확인할 수 있었다.
주/단조 A356 합금의 기계적 성질은 열간 단조 온도, 단조량, 변형 속도 및 Preform 의 균질화처 리에 따라 변화한다. 또한, 파괴거동은 단조량 증가에 따른 Si 입자들의 변화에 따라 입계 파괴가 주도적으로 작용하여 연신율의 향상을 얻을 수 있었다.
그림 3 은 100mm/min 의 프레스 속도로 각각 400, 480, 530。(: 에서 열간 단조를 실시한 A356 주/ 단조 시편의 인장시험 결과를 나타내고 있다. 문 헌에 보고된 바와 같이 열간 단조 후 강도 및 연 신율의 향상이 관찰됨을 확인할 수 있었다. 하지 만, 강도 및 연신율이 동일한 양상으로 향상되지 는 않는 것을 본 연구에서 확인할 수 있었다.
즉, 항복강도의 경우 10%의 열간단조를 수행하였을 경우 가장 높은 값을 나타내었으며 변형량이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었으며 인장강 도는 동일한 열간 단조 온도의 경우 변형량에 크게 관계없이 일정한 값을 보이고 있었다. 반면, 연신율은 변형량이 증가할수록 직선적으로 증가함을 확인할 수 있었다. 초기 주조 Preform 의 연 신율이 6%인 것에 비해 주/단조품의 연신율은 10%이상으로 크게 향상된다.
그림 6 은 480°C 에서 lOOmm/min 의 프레스속도로 열간 단조한 시편의 인장 파면이다. 압축량이 증가함에 따라 주조품에서 관찰되던 벽개파괴 양 상이 감소하는 반면 딤플들로 구성된 연성파괴경 향이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 압축률에 관계없이 주조품에 존재하고 있는 수축공들이 관 찰되고 있다.
하지 만, 강도 및 연신율이 동일한 양상으로 향상되지 는 않는 것을 본 연구에서 확인할 수 있었다. 즉, 항복강도의 경우 10%의 열간단조를 수행하였을 경우 가장 높은 값을 나타내었으며 변형량이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었으며 인장강 도는 동일한 열간 단조 온도의 경우 변형량에 크게 관계없이 일정한 값을 보이고 있었다. 반면, 연신율은 변형량이 증가할수록 직선적으로 증가함을 확인할 수 있었다.
문 헌에 보고된 바와 같이 열간 단조 후 강도 및 연 신율의 향상이 관찰됨을 확인할 수 있었다. 하지 만, 강도 및 연신율이 동일한 양상으로 향상되지 는 않는 것을 본 연구에서 확인할 수 있었다. 즉, 항복강도의 경우 10%의 열간단조를 수행하였을 경우 가장 높은 값을 나타내었으며 변형량이 증가할수록 감소하는 경향을 보여주었으며 인장강 도는 동일한 열간 단조 온도의 경우 변형량에 크게 관계없이 일정한 값을 보이고 있었다.

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