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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.25 No.10 pp.552-558
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2015.25.10.552

Variation of Aluminum 6056 Alloy Properties with Respect to Heat Treatment and Forging Conditions for Fabrication of Piston Blocks for Automobile

Min Seok Kim, Hyung Duck Jung, Hyo young Park1, Jeong Mook Choi1, Jeong Min Kim, Joon Sik Park†
Department of Materials Science and Engineering, Hanbat National University, Daejeon 305-719, Korea
1JINHAP Co. Ltd., Daejeon 306-220, Korea
Corresponding author : jsphb@hanbat.ac.kr(J. S. Park, Hanbat Nat’l Univ.)
August 19, 2015 August 24, 2015 August 31, 2015

Abstract

The mechanical properties and microstructures of Aluminum 6056 alloys were investigated for their use in the fabrication of a piton block. The EN-AW6056 alloys exhibited a tensile strength of 375 MPa for a solution treatment temperature of 550 °C for 2 h followed by an aging treatment at 190 °C for 4 h. The microstructures of the heat treated specimen showed that the Mg2Si phase with a size of 3~5 um was dispersed throughout the aluminum matrix when the heat treatment was done. Moreover, in order to identify the forgeability of the specimen, upsetting tests were done. For up to 80 % of the upsetting ratio, the specimen maintained its original shape, and at above 80 % of the upsetting ratio, the specimen underwent crack development. The specimen was successfully forged without any defects with the examined material conditions. The material conditions together with the forging conditions are discussed in terms of the microstructures and mechanical properties.


열처리 및 단조조건에 따른 알루미늄 6056 소재의 특성변화 및 자동차의 피스톤 블록 설계

김 민석, 정 병덕, 박 효영1, 최 정묵1, 김 정민, 박 준식†
한밭대학교 신소재공학과
1(주)진합

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    No.G02A00650011902

    1서 론

    저밀도와 고강도를 다양한 열처리 및 가공에 의하여 달 성할 수 있는 알루미늄 합금은 다양한 분야에 사용이 가 능함으로 응용되고 있다.1,2) 알루미늄 합금은 일반적으로 전신용 합금과 주물용 합금으로 분류하며 열처리에 따 라 비열처리형과 열처리형으로 나누어지며, 대표적인 열 처리형 합금으로는 2000, 6000 및 7000계 합금으로 용 체화 처리(Solution treatment) 후 시효처리(Aging)를 실 시하여 첨가된 합금원소들을 미세한 입자로 석출시켜 강 도를 높이는 합금들이다.3-5) 이들 중 단조성과 최종 제 품의 구조강도를 모두 만족시키기 위한 합금으로는 열 처리형 알루미늄 합금인 6000계 열처리형 알루미늄 합 금이 많이 사용되고 있다.3) 또한, 6000계 알루미늄 합 금 중에서도 EN-AW6056 합금은 비교적 고강도를 보유 한 합금으로써, 내식성, 가공성, 강도, 내열성, 용접성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 항공기와 자동차 산업 등 에 구조용 재료로 가장 많이 사용되고 있다.3,5-8)

    일반적으로 6000(Al-Mg-Si)계열 Al 합금은 고강도화를 위하여 용체화 처리 후 시효경화 처리하는 방법인 T6 열 처리를 수행하는 것으로 알려져 있다.9-11) T6 열처리는 Al-Mg-Si 합금의 주 석출상인 Mg2Si는 GP zone(I)→ GP zone(II)→ β" → β' → β(→ B)의 석출반응을 나타낸 다. 먼저 Mg이 Mg2Si의 평형비인 1.73을 초과하여 존 재할 경우 과잉 Mg가 고용되어 어닐링시 강도의 증가 를 기대할 수 있는 반면 가공성의 저하가 발생하고, 과 잉 Si이 존재할 경우 강도 및 연신율의 향상을 동시에 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.9) 하지만, 과잉 Si의 역할은 Cu 등의 다른 합금원소의 양에 크게 영향을 받 으며, 합금성분의 미량 조절과 열처리 조건에 따른 미 세한 변화에 의해서도 석출상의 종류가 변화하여 기계 적 특성을 비롯한 합금의 특성이 크게 변화할 가능성을 가지게 된다고 알려져 있다.12,13)

    본 연구에 사용된 EN-AW6056 소재는 비교적 최신의 소재이기 때문에, 범용으로 많이 사용되던 소재들과 달 리 제조사에서 추천하는 기초적인 열처리 조건 이외에 냉간 단조품의 열처리 특성에 대해 상세하게 알려진바 없다. 따라서 알루미늄 피스톤이 최적의 특성을 갖는 열 처리 조건 및 단조조건을 실험적으로 도출해 낼 필요성 이 있다. 본 연구에서는 6000계 알루미늄 합금의 일반 적인 열처리 조건을 기초로 하여 EN-AW6056 소재의 용 체화 온도 및 시간, 시효조건 등에 변화를 주어 각각의 열처리 조건에 따른 인장강도, 경도 등의 기계적 특성 을 평가하였고 최적의 특성을 갖는 알루미늄 합금 열처 리 조건 및 단조조건을 제시하고자 하였다. 또한, 소재 의 물성을 고려하여 자동차의 브레이크 피스톤 블록을 설계하고 이에 필요한 조건 등을 제시하고자 하였다.

    2실험 방법

    Table 1에는 본 연구에서 사용한 EN-AW6056합금의 표준성분을 나타내었고, 조성은 표준성분 안의 조성분석 결과, 표준성분의 조성을 만족하였다. 본 연구에서는 6000 계 알루미늄 합금의 알려진 열처리 조건인 용체화 처리 온도를 530~550 ℃에서 수행한 후, 시효처리를 170~190 ℃에서 수행하였다. 용체화 조건의 온도는 660 ℃ 이하 로 정하였으며, Fig. 1은 개략적인 T6 열처리법의 개략 도이다. 또한, 본 연구의 알루미늄 소재 열처리 조건 최 적화를 위하여 용체화 및 시효조건에 변화를 주어 인장 강도 및 경도를 측정하여 기계적 특성을 평가하였다. 본 실험에 사용된 인장 시험기는 MTS-810 만능인장 시험기 이며, 경도 시험기는 비커스경도기(MMT-7, MATSUZAWA Co., LTD)를 사용하였다, 인장 시험편은 EN-AW6056 H12 와이어를 KS(KS B0801) 시험규격에 따라 Fig. 2 와 같이 시험편을 제작하여 알루미늄 합금의 단조 가공 성을 평가를 위해 열처리 조건에 따라 인장시험을 실시 하였으며, 또한 알루미늄 합금의 원소재의 기본적인 기 계적 특성을 평가하기 위하여 인장 시험 평가를 실시하 였다.

    인장 시험은 상기의 열처리 조건별 인장 시험과 동일 한 규격의 시험편과 인장 시험기를 사용하였으며 5회 실 시 후 최대, 최소값을 제외한 인장강도 평균값을 계산 하였다. 또한, 소재의 가단성(소재가 균열을 일으키지 않 는 소성 변형 능력)을 정의하기 위하여, 균열의 생성여 부를 판단하기 위해, 업세팅(up setting)시험을 수행하였 다. 즉, Fig. 3와 같이 시험편을 중앙에 위치시킨 후 업 세팅 비율을 달리하여 시험편을 압축하고 압축이 완료된 시험편의 측면을 육안으로 관찰하여 시험편의 발생유무를 판정하였다. 업세팅 시험에서는 균열이 발생되지 않는 최 대의 업세팅 비율이 업세팅 한계로 평가된다. 시험편의 성형해석을 위하여 AFDEX 3D 소프트웨어(software)를 사용하였으며, 소재는 다이를 고정하고 펀치의 y축을 1 m/ s로 이동시키며, 마찰계수 0.15로 설정하였다. 또한 미세 조직 및 상조성은 X선 회절(XRD, Regaku), 주사전자현 미경(SEM, JEOL 6100), 에너지분산형분석기(EDS, energy dispersive spectroscopy)을 이용하여 분석하였다.

    3결과 및 고찰

    Fig. 4는 열처리 조건에 따른 경도 측정 결과로써 시 험조건은 용체화 온도를 530, 550 ℃로 설정 한 후 2시 간을 유지하였으며, 시효조건 또한 170, 190 ℃의 온도 조건에서 다양한 시간 동안 진행하였다. Fig. 4(a)는 용 체화온도 530 ℃의 조건에 따른 경도 값이며, Fig. 4(b) 는 용체화온도 550 ℃의 조건에 따른 경도 값이며 두 가 지의 조건을 비교한 결과 용체화 처리 온도인 530 ℃에 서 더 큰 경도값이 나오는 것을 확인할 수 있으며, 경도 는 530 ℃에서 최대값이라는 것을 확인할 수 있었다. 또 한 Fig. 4(c,d)는 각 시효조건에 따른 경도 값을 비교한 것으로서 Fig. 4(c)는 시효온도가 170 ℃에 따른 경도값 이며, Fig. 4(d)는 시효온도 190 ℃의 조건에 따른 경도 값이다. 시효조건에 따른 경도 값을 비교하였을 경우 190 ℃에서의 경도 값이 제일 높게 나왔으며, 경도값은 142.52 Hv로 나온 것을 확인할 수 있었다. 이는 Al 합 금의 Mg과 Si의 석출물인 Mg2Si 형성으로 석출경화가 일어나 경도 값이 증가한 것으로 사료된다.9,10,14)

    Fig. 5는 그래프는 EN-AW6056의 열처리 조건에 따른 인장강도 결과를 나타낸 것으로서, 시험 조건은 용체화 온도를 530, 550 ℃로 설정 한 후 2시간을 유지하였으 며 시효조건 또한 170, 190 ℃의 온도조건에서 5분, 30 분, 1시간, 4시간 동안 유지하였다. 인장시험 결과 용체 화조건 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4시간 동안 열처 리를 한 시험편이 가장 큰 인장강도를 보여, 375 MPa 의 인장강도 값을 얻을 수 있었으며, 용체화조건 530 ℃- 2시간, 시효조건 170 ℃-1시간 동안 유지하였을 경우 362 MPa의 인장강도를 보였다. EN-AW6056 소재의 열처리 조 건별 시험결과, 용체화 온도와 시효온도가 상승함에 따라 인장강도가 증가하는 경향이 나타났다. 하지만 550 ℃이 상의 온도에서는 알루미늄의 용융점에 가까워져 시편 표 면이 용융되는 현상이 나타나 기계적 특성 평가가 불가 하였다. 또한, 열처리 한 시험편과 열처리 하지 않은 시 험편의 인장강도를 비교하기 위하여 원소재의 인장강도 를 평가하였다. Table 2는 열처리 하지 않은 원소재 ENAW6058 합금의 인장특성 평가 결과를 나타낸다. 즉, 인 장강도는 평균 170 MPa의 인장강도 값을 얻을 수 있 었으며, 550 ℃-2시간, 시효조건 190 ℃-4의 열처리를 수 행한 결과와 인장강도는 약 200 % 이상의 인장강도의 증 가를 보였다.

    Fig. 6은 EN-AW6056 소재의 열처리 전과 후의 미세 조직 변화를 나타낸 그림으로서, 가장 높은 인장강도 값 을 얻을 수 있었던 시험 조건의 미세조직이다. Fig. 6(a) 는 열처리 전의 미세조직은 신선방향으로 연신되어 있 는 형태로 나타났으나, Fig. 6(b)는 열처리 후의 미세조 직은 상기에서 설명 되었던 석출상이 석출되어 있는 것 을 관찰 할 수 있었다. XRD 분석 결과 Mg2Si가 석출된 것을 볼 수 있으며, Fig. 7에 도시하였다. Fig. 7(a)는 용 체화조건 530 ℃, 시효조건 170 ℃에서 시간에 따른 XRD 그래프이다. 그래프에 나타낸 바와 같이, Mg2Si가 석출 된 것을 확인할 수가 있으며, 유사한 조건에서도 Mg2Si 가 석출된 것을 확인할 수가 있었다(Fig. 7(b,c,d)). 일반 적으로 6000 계열 Al-Mg-Si 합금의 주 석출상인 Mg2Si 의 석출경화시에 GP > β" > β' > β가 석출된 것으로 보고 되고 있으며, Cu가 들어간 합금의 경우 Al5Cu2Mg8Si6, Al2CuMg등의 상형성이 가능하고 알려져 있다.3,4) 하지 만, 본 연구에서 사용한 합금의 경우 Mg2Si만 형성이 되 었으며, XRD 결과 또한 마찬가지로 나타났다. 또한, Fig. 8은 열처리된 미세조직을 확대 관찰한 SEM BSE(back scattered image) 사진으로서 SEM의 EDS 면 분석의 결 과를 나타내고 있다. SEM 에서 나타난 것처럼 표면에 크기가 약 3~5 μm의 밝은색의 미세한 석출물들이 분포 되어 있음을 알 수 있다. 이러한 석출물의 면분석 결과 에서 나타나 듯이 Mg과 Si가 주된 성분임을 알 수 있 고, XRD 결과가 올바르게 분석되어 있음을 나타내고 있 다. 또한, T6 열처리 후 시편의 표면 SEM 결과에서도 Mg2Si 석출물을 확인할 수 있었다. 이로 부터 석출물에 의한 석출강화로 인장강도와 경도가 170 MPa에서 375 MPa으로 증가된 걸 확인할 수 있었다.

    Fig. 9는 A6056 소재의 True Strain - True Stress curve 를 나타낸 그래프로서 σ = Kεn(σ: 응력, K: 강도계수, n: 가공경화지수)로 표시될 때, 소성가공에서 대상이 되는 변 형범위에서 가공경화 지수 n값이 클수록 재료의 가공경 화가 크다는 것을 의미하며, n값이 0일 때 완전소성체 를 뜻한다. 따라서 본 소재의 n값과 K값을 측정 하였을 때 가공경화지수 n값은 약 0.1033, 강도계수 K값은 약 373.78의 값을 얻을 수 있었다. 이와 같은 결과는 일반 적으로 알루미늄 소재의 가공경화지수 값이 일반 합금 강에 비하여 낮고 가공경화지수가 낮기 때문에 응력에 의한 소재의 연신량이 불균일하여 국부적인 응력이 발 생하게 되어 성형이 어렵다는 연구 보고와 일치한다.15,16) 따라서 동일한 금형에서 알루미늄 소재와 일반 합금강 소재를 성형할 경우, 알루미늄 소재를 이용하여 제품을 성형할 때 더 많은 응력이 요구되며 불균일한 연신으로 인해 금형의 최적화된 설계가 요구된다. 또한, 가단성을 판별하기 위하여 EN-AW6056 소재를 높이 3 cm 의 원 통형으로 절단하여 시험편을 제작하고 초기의 길이를 측 정하여 동일한 속도로 목표한 업세팅 비에 맞게 변형량 을 주어 압축 시험을 Fig. 3의 규격으로 가단성 시험을 수행하였다. Table 3 과 같이 업세팅 비에 따라 균열양 상을 얻을 수 있었으며, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균 열이 관찰되지 않았다. 하지만 85 % 이상의 업세팅 비 율 조건에서는 Fig. 10과 같이 시험편 표면에 균열이 발 생된 것을 관찰할 수 있었다. 업세팅 시험 결과로 보아 EN-AW6056 H12 재질의 업세팅 한계는 시험편의 원자 재 보관기간 및 하중 속도와 관계없이 동일하게 81 % 이하로 판단되며 다단 단조 공정에 있어 재료의 소성변 형 능력을 예측하여 최적의 금형설계가 가능할 것으로 사료된다. 전술한 바와 같이 본 연구에서는 이러한 재 료의 기본물성 특성변화를 파악하고 이를 통하여 피스 톤블록 모양의 단조를 수행하였다.

    피스톤블록 형상의 단조를 수행할 경우 특이점은 내부 에 깊은 콘 형태의 실린더형상이 존재한다. 이 부분은 단조 성형시 1단계에 완료되지 않으면 2차 가공공정에 서 소재의 겹침 등 문제가 발생하기 쉬운 부분이다. 냉 간 단조 공정에서 후방압출 공정에서 얻어진 제약조건 중 가장 큰 부분은 실린더 성형의 한계이다. 알루미늄 소재일 경우 실린더의 성형 깊이 한계는 내경의 2~3배 이내, 압출 성형 가능 면적은 소재 단면적의 70 % 까 지가 한계로 알려져 있다. 그러나 실린더의 깊이가 이 미 내경의 약 2.7배(길이 × 직경 = 49.4 mm × 18.5 mm)에 이르며, 실린더의 면적은 이미 70 %(상단 실린더 외경: 내경 22.2 mm: 18.5 mm)수준으로 압출 가공 한계에 육 박하는 상태이다. Fig. 11은 성형해석에 미세한 디자인 변경을 통해 설계된 preform의 성형 해석결과를 나타낸 것이다. Table 4에서 소재의 변형율은 최대 11.1 %로 소 재 특성을 고려할 때 충분히 안전한 변형율로 평가되었 고, 유동 응력은 최대 260 MPa 로 소재의 특성에 만족 한 것을 알 수 있었다. 특히 중점적으로 고려한 상단부 실린더의 1 STEP 후방 압출 성형은 해석결과 이상 없 이 단조 성형이 가능할 것으로 예상 되었다. 따라서, 본 연구에서 수행된 계산의 결과를 실제 시험에 적용한 결 과, 실제 단조 성형물은 균열이 없었으며, Fig. 12와 같 이 결함 없는 변형을 달성할 수 있었다. 따라서 기초물 성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조직관찰 을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행 할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있 을 것으로 사료된다.

    4결 론

    본 연구에서는 EN-AW6056합금을 이용하여 재료의 물 성 및 열처리 특성을 파악하고, 이를 이용하여 자동차 브레이크의 피스톤 블록의 냉간단조를 위한 물성 검토 및 설계를 수행하였다. EN-AW6056합금은 열처리시 용 체화 처리온도 550 ℃ 2시간 및 시효온도 190 ℃ 에서 4시간 열처리를 수행하였을 경우 시효효과로 인하여 최 적의 강도인 375 MPa를 얻을 수 있었고, 석출물의 경 우 본 연구에서 선정한 열처리 조건에서는 모든 조건에 서 Mg2Si가 미세하게 3~5 um크기로 분산되어 형성 되 었다. 기초 물성 평가를 통하여 얻은 값을 이용하여, 가 단성 평가를 위한 업세팅 특성평가를 수행한 결과, 약 80 %의 업세팅 비율까지 균열이 관찰되지 않았다. 따라 서, 물성의 평가 및 열처리 수행 후의 물성 평가와 조 직관찰을 통하여 기초 물성을 얻고 계산 후 냉간단조를 수행할 경우 원하는 변형량을 동반한 단조품을 제작할 수 있을 것으로 사료된다.

    Figure

    MRSK-25-552_F1.gif

    T6 heat treatment conditions of current aluminum alloys.

    MRSK-25-552_F2.gif

    Fabricated tensile specimen with a scale of KS (B0801) standard.

    MRSK-25-552_F3.gif

    Schematic drawing of specimen location and ratio of the dies for upsetting experiments.

    MRSK-25-552_F4.gif

    Hardness test results with respect to solution treatment and aging conditions.

    MRSK-25-552_F5.gif

    Tensile strength variation of the EN-AW6056 alloy with respect to heat treatment conditions.

    MRSK-25-552_F6.gif

    Microstructures of (a) before and (b) after the T6 heat treatment.

    MRSK-25-552_F7.gif

    XRD results of the specimen with respect to various heat treatment and time marked inside the Figure.

    MRSK-25-552_F8.gif

    SEM of the specimen after T6 heat treatment, and EDS composition measurements.

    MRSK-25-552_F9.gif

    True strain - True Stress curve of the EN-AW6056 alloy.

    MRSK-25-552_F10.gif

    Crack Development with respect to upsetting ratio of the EN-AW6056 alloy.

    MRSK-25-552_F11.gif

    Stroke analysis results for piston block (effective materials deformation).

    MRSK-25-552_F12.gif

    Cross section of the fabricated piston block of ENAW6056 alloy without any defects.

    Table

    Alloy composition of aluminum EN-AW6056 alloy.

    Tensile strength of as-received EN-AW5056 alloy.

    Crack development conditions with respect to upsetting ratio of EN-AW6056 alloy.

    Calculated load, stress and strain with respect to packing ratio.

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