[논문]Al-Mg-Si계 합금의 인장 특성에 미치는 합금 원소의 영향

박정호; 권용남; 이영선; 강신우; 이병근; 이정환

Al-Mg-Si계 합금의 인장 특성에 미치는 합금 원소의 영향
The Effect of Alloying Elements on the Tensile Property of Al-Mg-Si Alloy 원문보기

박정호 (한국기계연구원 공정연구부) , 권용남 (한국기계연구원 공정연구부) , 이영선 (한국기계연구원 공정연구부) , 강신우 ((주)CTR 선행기술연구팀) , 이병근 (성훈ENG(주) 기술연구소) , 이정환 (한국기계연구원 공정연구부)

As an automotive industry's demand for lighter materials gets bigger and bigger, a lot of new strength Al alloys have been developed recently. In the present study, Al 6xxx series alloys were designed to get the strength level of 350MPa with the elongation of $12\%$. For that purpose, three alloy systems were selected based on the thermodynamics calculation. The effect of both $Mg_{2}Si$ precipitate and excess Si amount on the newly designed alloys was investigated. Also, heat treatment procedure was studied to optimize the mechanical properties.

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문제 정의

Mn 과 Cr 은 주조 및 균질 화처 리시 전위에 의해 전단되 지 않는 분산 입자를 형성함으로써 가공 경화 지수를 높이며 열간 단조시 결정립 성장을 제어할 수 있는 가능성을가진다. 본 연구에서는 Mg2Si, Excess Si 및 Mn 의 영향을 평가하기 위하여 표 1과 같은 세가지 조 성의 합금 성분을 결정하였다. 각 합금의 온도에 따른 평형상을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 Thermo-Calc.
본 연구에서는 이상의 결과를 바탕으로 기지내 과잉 Si 및 Mn 의 양을 변화시킨 합금을 제조하여 합금원소의 첨가량 Al-Mg-Si 합금의 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.

제안 방법

Air-Slip 연속주조법으로 제조한 합금을 580℃ 에서 8 시간 균질화처리를 실시한 후 용체화처리 및 시효처리를 실시하여 미세조직 관찰과 경도 시험을 실시하였다. 용체화처리는 510, 550℃ 에서 1, 3, 5 시간으로 실시하였으며 시효처리는 160, 170, 180℃ 에서 8 시간 실시하였다.
Air-Slip 연속주조법으로 제조한 합금을 580℃ 에서 8 시간 균질화처리를 실시한 후 용체화처리 및 시효처리를 실시하여 미세조직 관찰과 경도 시험을 실시하였다. 용체화처리는 510, 550℃ 에서 1, 3, 5 시간으로 실시하였으며 시효처리는 160, 170, 180℃ 에서 8 시간 실시하였다.

데이터처리

각 합금의 온도에 따른 평형상을 조사하기 위하여 그림 2와 같이 Thermo-Calc. 프로그램을 사용하여 상태도를 계산 하였다. 그림 2는 Mn 양에 따른 상태도로 그림 2(b)의 Mn 량이 0.

성능/효과

항복 및 인장 강도는 경도 측정에서와 동 일하게 A 합금이 가장 높은 값을 가지는 것으로 평가되었다. A, B 합금의 경우 용체화처리 시간이 3 시간 이상의 경우 강도가 최대값을 보이는 것으로 관찰되었다. 과잉 Si 의 양을 억제한 C 합금은 A, B 합금에 비해 월등히 낮은 강도 수준을 나타내는 것을 관찰할 수 있었다.
과잉 Si 조성을 가지는 합금(A, B)이 Mg2Si 석출물의 분율이 높은 합금(C)에 비해 높은 강도를 얻을 수 있었으나 연신율은 낮아질 수 있는 가능성을 확인하였다. Mn 분산물은 열간 단조시 발생하는 결정립 성장을 억제하는 역할을 수행할 것으로 기대하였으나 동일한 Mg2Si 및 과잉 Si 함량을 가지는 경우 Mg2Si가 Mn 분산물에 석출하여 미세한 Mg2Si 석출물 양이 감소할 뿐만 아니라 Mn 분산물의 크기도 커져 강도 및 연신율 의 동시에 낮추는 것으로 판단되었다. 세부적인 결과는 향후 다른 문헌에 보고할 예정이다.
A, B 합금의 경우 용체화처리 시간이 3 시간 이상의 경우 강도가 최대값을 보이는 것으로 관찰되었다. 과잉 Si 의 양을 억제한 C 합금은 A, B 합금에 비해 월등히 낮은 강도 수준을 나타내는 것을 관찰할 수 있었다. 연신율의 경우 Mn 첨가량 및 과잉 Si 의 양이 동시에 높은 B 합금에서 가장 낮은 값을 나타내었다.
기초 실험을 통해 기존 A16061 을 대신할 수 있는 고강도 6xxx 계 알루미늄 합금의 가능성을 확인할 수 있었다. 과잉 Si 조성을 가지는 합금(A, B)이 Mg2Si 석출물의 분율이 높은 합금(C)에 비해 높은 강도를 얻을 수 있었으나 연신율은 낮아질 수 있는 가능성을 확인하였다. Mn 분산물은 열간 단조시 발생하는 결정립 성장을 억제하는 역할을 수행할 것으로 기대하였으나 동일한 Mg2Si 및 과잉 Si 함량을 가지는 경우 Mg2Si가 Mn 분산물에 석출하여 미세한 Mg2Si 석출물 양이 감소할 뿐만 아니라 Mn 분산물의 크기도 커져 강도 및 연신율 의 동시에 낮추는 것으로 판단되었다.
기초 실험을 통해 기존 A16061 을 대신할 수 있는 고강도 6xxx 계 알루미늄 합금의 가능성을 확인할 수 있었다. 과잉 Si 조성을 가지는 합금(A, B)이 Mg2Si 석출물의 분율이 높은 합금(C)에 비해 높은 강도를 얻을 수 있었으나 연신율은 낮아질 수 있는 가능성을 확인하였다.
인장 강도 350MPa 이상의 고강도 알루미늄 합금의 개발을 시도한 본 연구의 기초 실험을 통해 Mn 첨가 및 과잉 Si 함량의 조절을 통해 자동차용 고강도 열간 단조품 제조용 소재의 개발 가능성을 확인할 수 있었다. 과잉 Si 은 6xxx 계 알루미늄 합금의 강도를 크게 높이는 작용을 하였으며 Mn 첨가량이 높을 경우 Mg2Si 의 복합석출로 인해 강도 및 연신율의 저하가 발생한다.
그림 7 은 각 합금을 550℃ 에서 용체화처리 시간을 각각 1, 3, 5 시간으로 달리한 후 170℃ 에서 8 시간 시효처리하여 인장시험을 실시한 결 과이다. 항복 및 인장 강도는 경도 측정에서와 동 일하게 A 합금이 가장 높은 값을 가지는 것으로 평가되었다. A, B 합금의 경우 용체화처리 시간이 3 시간 이상의 경우 강도가 최대값을 보이는 것으로 관찰되었다.

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