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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.26 No.11 pp.628-634
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2016.26.11.628

Differences in Cold Rolling Workability and Mechanical Properties between Al-Mg-Si and Al-Mg-Zn System Alloys with Cold Rolling

Ji-Hun Yang, Seong-Hee Lee†
Department of Advanced Materials Science and Engineering, Mokpo National University, Muan-gun, Jeonnam 58554, Republic of Korea
Corresponding author : shlee@mokpo.ac.kr (S.-H. Lee, Mokpo Nat’l Univ.)
September 6, 2016 October 17, 2016 October 17, 2016

Abstract

The cold rolling workability and mechanical properties of two new alloys, designed and cast Al-5.5Mg-2.9Si and Al-7Mg-0.9Zn alloys, were investigated in detail. The two alloy sheets of 4 mm thickness, 30 mm width and 100 mm length were reduced to a thickness of 1 mm by multi-pass rolling at ambient temperature. The rolling workability was better for the Al-7Mg-0.9Zn alloy than for the Al-5.5Mg-2.9Si alloy; in case of the former alloy, edge cracks began to occur at 50% rolling reduction, and their number and length increased with rolling reduction; however, in the latter alloy, the sheets did not have any cracks even at higher rolling reduction. The mechanical properties of tensile strength and elongation were also better in the Al-7Mg-0.9Zn alloy than in Al-5.5Mg-2.9Si alloy. Work hardening ability after cold rolling was also higher in the Al-7Mg-0.9Zn alloy than in the Al-5.5Mg-2.9Si alloy. At the same time, the texture development was very similar for both alloys; typical rolling texture developed in both alloys. These differences in the two alloys can primarily be explained by the existence of precipitates of Mg2Si. It is concluded that the Al-7Mg-0.9Zn alloy is better than the Al-5.5Mg-2.9Si alloy in terms of mechanical properties.


냉간압연가공에 따른 Al-5.5Mg-2.9Si계와 Al-7Mg-0.9Zn계 합금의 압연가공성 및 기계적 특성 차이

양 지훈, 이 성희†
국립목포대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 에너지 문제와 환경 문제가 국내외적으로 크게 부 각되면서 관련 규제의 강화에 따라 자동차를 비롯한 수 송기기의 경량화가 크게 요구되고 있으며 그에 따른 연 구가 활발히 진행되고 있다.1-14) 자동차의 경우, 공해 방 지 및 에너지 절약 방안으로 엔진의 효율 향상, 설계에 따른 주행 중의 공기 저항 감소, 차제 경량화 방법 등 이 있다. 그 중에 가장 효율적인 방법은 자동차 경량화 이며, 자동차의 경량화의 합리적인 방안 중에 현재 차 체 및 자동차 부품에 사용되고 있는 철강 재료를 비강 도가 좋으며 철강 대비 비중이 약 1/3에 불과한 알루미 늄합금1-9) 또는 약 1/4에 불과한 마그네슘합금10-13)으로 대 체하는 것이다. 그런데 마그네슘합금은 알루미늄 합금에 비해 단가가 높으며, 가공성11)과 내부식성12,13) 등의 기술 적 측면에서 적용하기에 어려움이 있으므로 유럽을 비 롯한 선진국에서는 주로 알루미늄합금을 철강 대체 재 료로 많이 활용 중에 있다. 그러나 알루미늄합금이 자동 차 재료로 더욱 광범위하게 사용되기 위해서는 강도, 성 형성, 내식성, 용접성, 표면처리성, 도장성 등의 재료 특 성이 더 한층 개선되어야 할 필요가 있다. 본 연구에서 는 특히 강도와 연성이 우수한 자동차용 알루미늄합금 개발을 목표로 Al-7Mg-0.9Zn계 및 Al-5.5Mg-2.9Si계의 두 종류의 합금을 새롭게 합금설계하였으며 냉간압연에 따른 가공성 및 기계적 특성을 평가하고 서로 비교 분 석하였다.

    2.실험 방법

    2.1.재료 및 냉간압연

    새롭게 합금설계한 Al-5.5Mg-2.9Si계 및 Al-7Mg-0.9Zn 계 합금의 상세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 편 의상 Al-5.5Mg-2.9Si계 합금을 A합금, Al-7Mg-0.9Zn계 합금을 B합금으로 명명하기로 한다. 합금 설계한 A합금 및 B합금을 주조 후 잉곳 상태에서 두께 4 mm, 폭 30 mm, 길이 100 mm의 판상으로 절취한 후, 450 °C에서 24시간 동안 균질화처리하여 출발재료로 사용하였다. 압 연은 롤 직경 210 mm인 2단 압연기를 사용하여, 상온, 무윤활 상태에서 롤 주속 5 rpm으로 시편 두께를 0.2 mm씩 줄여나가며 최종두께가 1 mm가 될 때까지 다패 스(multi-pass)로 진행하였다. 각 압연 패스마다 시편의 결 함 유무를 면밀히 관찰하였고 시편의 두께, 폭, 길이 또 한 측정하여 냉간압연에 따른 압연압하율, 압연연신율, 광 폭율을 도출하였으며, 압하율이 50 %와 75 %시편에 한 하여 미세조직 분석 및 기계적 특성을 평가하였다.

    2.2.특성평가

    압연된 시편의 미세조직은 광학현미경(OM) 관찰 및 FE-SEM/EBSD(Electron Back Scattering Diffraction) 측 정을 통하여 분석하였다. 광학현미경 관찰은 판재의 폭 중앙부에서 횡단면에 평행하게 압연방향으로 시편을 자 른 후, HClO4: CH3CH2OH = 3:17 용액 속에서 액체온도 −5 °C, 전압 20 V의 조건에서 전해 에칭 후 실시하였으 며, SEM/EBSD 측정은 Philips XL30s FEG-SEM 내에 서 가속전압 20 kV의 조건 하에서 측정하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프 로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하였다.

    기계적 특성은 상온에서의 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 마이크로비커스 경도계를 사용하 였으며, 0.05 kfg의 하중으로 압입시간 10초의 조건에서 TD면에 평행하게 압연방향으로 자른 시편을 이용하여 두 께방향으로 0.05 mm씩 이동하며 경도를 측정하였다. 인 장시험은 인장축이 압연방향과 평행하도록 폭 6 mm, 길 이 32 mm로 방전가공기로 잘라 준비하여 Instron type 의 인장 시험기를 사용하여 10−3 s−1의 일정한 변형률속 도로 진행하였다.

    3.결과 및 고찰

    3.1.압연가공성

    Fig. 1에 압연에 따른 두께, 폭, 길이의 변화를 나타 내었다. 두 합금 모두 두께가 거의 일정하게 감소함을 보였다. A합금은 압하율 50 %부터 시편의 양 측면에서 미세 크랙이 발생하기 시작하였고 압연이 진행됨에 따 라 그 정도가 심해져 일부 시편에서는 크랙의 전파로 인 해 파단 되는 경우도 발생하였다. 반면, B합금에서는 압 하율 75 %까지 크랙이 거의 발생하지 않았으며 건전한 압연 판재를 나타내었다. 또한, 두 합금 모두 폭 방향 으로의 길이 변화(광폭율)는 적었으나 B합금에 비해 A 합금의 광폭율이 더 높았다. 반면, 압연방향으로의 길이 변화(압연연신율)는 A합금보다 B합금에서 더 컸다. Fig. 2에 압연(총압하율: 75 %)에 따른 시편의 광폭율과 압연 연신율 변화를 나타내었다. A합금의 광폭율은 11 %, 압 연연신율은 243 %를 나타내었으나, B합금의 광폭율은 5 %, 압연연신율은 258 %를 나타내었다. 이와 같이 A 합 금의 광폭율이 B합금에 비해 약 2배 가량 큰 값을 나 타내었다. 일반적으로 광폭율에 영향을 끼치는 인자로는 압연 롤과 피가공재(시편) 사이의 마찰계수, 총압하율, 동 일한 압하율일 경우는 압연 패스 수 등이 있다. 일반적 으로 마찰계수 및 압연압하율이 클수록 광폭율이 증가 하고, 동일한 총압하율일 경우 압연 패스 수가 많을수 록 광폭율은 감소한다. 본 연구에서는 두 합금 모두 상 기 인자들이 동일한 조건에서 압연이 진행되었으므로 압 연공정 조건 차이에 의한 영향은 있을 수 없다. 두 합 금의 가장 큰 차이는 조성, 특히 Si함량의 차이이다. 이 후의 SEM 사진(Fig. 4)에서와 같이 A합금의 경우 B합 금보다 Si 의 함량이 높아 긴 봉상의 Mg2Si 가 많이 관 찰된다. 이러한 다량의 석출물들은 모재인 Al합금보다 경 (硬)하여 압연 시 연신되지 못하고 파단되는 현상이 발 생된다. 그러므로 Mg2Si 석출물을 많이 함유하고 있는 A합금은 B합금에 비해 압연연신율이 감소하고 그 감소 량 만큼 광폭율이 더 증가하는 결과를 초래하였다고 사 료된다. 또한 A합금에서 크랙 발생이 심했던 것도 Mg2Si 석출물이 직접적으로 영향을 끼쳤을 것이며 광폭율의 증 가 또한 간접적으로 영향을 끼쳤을 것이라 판단된다. 왜 냐하면 광폭율이 크면 시편의 폭 방향으로의 중심 부위 와 양 끝 방향 부위 사이에 압연 연신 정도에 큰 차이 가 발생하여 귀 균열(edge crack)의 발생을 더 심하게 만 드는 작용을 하기 때문이다.

    3.2.미세조직

    Fig. 3은 A 및 B합금의 압연 전과 후의 횡단면(TD면) 에서의 광학현미경 조직 사진을 나타낸 것이다. Fig. 3(a) 에서와 같이 압연 전 주조상태의 A합금의 조직은 초정 α상 알루미늄 영역과 공정 α상 알루미늄과 얇은 석출 물 Mg2Si이 층상으로 이루어져 있는 두 영역으로 구성 되어 있음을 알 수 있다. 반면, B합금의 경우는 석출물 이 거의 관찰되지 않는 단상의 등축정 주조 조직을 나 타내었다. 또한 두 합금 모두 부분적으로 미세 기공 (porosity)이 발견되었다. 그러나 50 %, 75 % 압하율로 압 연하였을 때 A, B합금 모두 기공이 압착되어 거의 소 멸되었고 결정립이 압연 방향으로 연신된 조직이 관찰 되었으며, 75 %의 고압하율에서 압연된 재료에서는 더 연 신된 가공조직을 나타내었다.

    Fig. 4는 A, B합금의 압연 전과 후의 TD면에서의 SEM 조직 사진을 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 압연 전 A합금에서는 종횡비(aspect ratio)가 큰 봉상의 Mg2Si 석 출물이 뚜렷하게 많이 관찰되는 것을 확인할 수 있다. 또한 이런 석출물들은 압연이 진행됨에 따라 작게 절단 되고 또한 압연방향으로 정렬되는 경향이 있음을 알 수 있다. 그러나 B합금에서는 A합금에서 관찰되었던 봉상 의 Mg2Si 석출물은 거의 관찰되지 않았다. 이것은 B합 금에서는 Si 함량이 극히 미량 존재하여 Mg2Si 석출물 을 형성하지 못한 결과라 사료된다.

    Fig. 5는 A합금의 압연 전과 후의 TD면에서의 SEM/ EBSD 측정 결과를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 전 체적으로 Mg2Si 석출물이 많이 분포 되어 있어 해석이 어려운 영역도 많이 존재하며 결정립 크기가 조대하여 해석에 어려움이 있으나, 압하율 증가에 따라 결정립이 압연 방향으로 연신되는 것과 압연 후에 압연집합조직 성분인 {011}<112> 및 {112}<111>이 발달한 것을 알 수 있었다.

    Fig. 6은 B합금의 압연 전과 후의 SEM/EBSD 측정 결과를 나타낸 것이다. 그림에서와 같이 B합금에서는 석 출물이 거의 없었으므로 모든 영역에서 깨끗하고 뚜렷 한 측정 결과를 얻을 수 있었다. 압연 전에는 등축 결 정립으로 구성된 재결정 조직을 나타내고 있으나, 50 % 압하율로 압연된 후에는 결정립이 압연방향으로 길게 연 신되어 있으며 고압하율 압연 시에 나타나는 전형적인 압연집합조직 성분인 {011}<112> 집합조직성분이 강하게 발달되어 있었다. 그리고 75 % 압연재의 경우도 {011} <112> 방위 성분의 압연집합조직이 강하게 발달하였다. 또 한 압연 전에는 고경계각입계 분율이 약 85 %를 차지 하고 있었으나 압연 후에는 약25 %로 큰 폭으로 감소 하였고 반면 저경각입계의 분율이 크게 증가함을 Grain Boundary(GB) map을 통하여 알 수 있었다. 이것은 압 연 가공에 의한 전위셀조직(dislocation cell structure)의 발달과 소성가공열에 의한 회복에 의해 저경각입계로 구 성된 아결정립(subgrain) 형성이 활발히 일어난 결과라 판 단된다.

    3.3.기계적 성질

    Fig. 7에 A 및 B합금의 압연 전과 후의 비커스 평균 경도를 나타내었다. 압연 전 경도값은 A합금이 50 Hv, B합금이 64 Hv로 A합금보다 B합금의 경도가 더 높았 다. 압하율 50 %로 압연 후의 경도값은 A합금이 79 Hv, B 합금이 113 Hv으로 A합금보다 B합금의 경도가 큰 폭 으로 증가하였다. 두 합금에서의 경도 증가는 압연에 의 한 가공경화로 인한 경도의 증가이며 경도의 증가율은 A합금이 58 %, B합금이 76.5 %로 B합금에서 가공경화 량이 더 컸다. 또한 압하율 75 % 압연 후의 경우에서도 A합금의 경도값은 85 Hv, B합금은 123 Hv로 압연 전 재 료와 비교하였을 때 경도의 증가율은 A합금(70 %)에 비 해 B합금(146 %)에서 더 컸다. 이처럼 B합금에서 가공 경화량이 더 큰 것은 가공경화 효과를 증가시키는 Mg 의 고용량이 A합금에 비해 많은 것에 기인한 것이라 사 료된다. 또한 두께 4 mm에서 2 mm까지 압연 하였을 때 의 가공경화량과 두께 2 mm에서 1 mm 까지 압연하였 을 때의 가공경화량 값이 동일한 50 %의 압연압하율임 에도 불구하고 큰 차이를 보였는데 이것은 가공경화랑 은 가공 전 재료 내에 축적된 변형량에 따라 그 정도가 다르기 때문이다.

    Fig. 8은 A, B합금의 압연 전과 후의 공칭응력-공칭 변형율(s-s) 곡선을 나타낸 것이다. A합금의 경우에는 압 연 전과 후 모두 재료의 연성이 낮아 충분히 연신되지 못하고 파단되었는데 압연 전 최대 인장강도는 118MPa 이었으며, 압하율 75 %로 압연 후의 최대 인장강도는 312MPa로 약 164 % 증가하였다. 또한 압연 전 3.4 % 였던 연신율은 압연 후에 2.7 %로 감소하였다. B합금의 경우에는 압연 전 최대인장강도는 213MPa, 항복강도는 130MPa 이였으나 75 % 압연 후 최대인장강도는 468MPa 로 약 120 % 증가하였으며, 항복강도는 425MPa로 약 227 %나 증가하였다. 또한 인장연신율은 압연 전 14 %, 50 %압연 후 17 %, 75 %압연 후에는 12 %를 나타내었 다. 여기서 50 %압하율에서 강도 및 연신율이 모두 증 가한 것은 압연 전에 파단의 기점으로 존재했던 미세 기 공이 압연에 의해 압착되어 외부로 빠져나가 내부결함 이 감소한 것과 가공경화 때문인 것으로 사료된다. 그 런데 여기서 반드시 고려해야 할 것은 인장시험편의 두 께이다. 즉, 인장시험편의 두께가 4 mm, 2mm, 1 mm로 각각 다름으로 인해 연신율을 그대로 비교할 수 없으며 연신율 값의 보정이 필요한데, Oliver식15)을 이용하여 보 정하면 압하율 50 %당 약 2 %의 차이가 발생하게 된 다. 따라서 인장시험편의 두께를 4 mm로 가정하면, 연 신율은 압연 전 재료는 14 % 그대로 유지되나 50 %압 연재의 경우는 19 %, 75 %압연재의 경우는 16 %로 증 가 되는 것으로 추산된다. Fig. 9에 A, B합금의 압연 전 과 후의 기계적 특성을 정리하여 보정된 연신율과 함께 나타내었다. 그림에서와 같이 B합금의 경우 압연 전 재 료(주조재) 보다 압하율 50%, 75 %의 압연재에서 인장 강 도, 연신율 모두 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 또 한 모든 조건에서 A합금에 비하여 B합금의 기계적 특 성이 우수하다고 결론지을 수 있다.

    4.결 론

    본 연구에서는 새롭게 합금설계한 Al-5.5Mg-2.9Si계(A) 합금과 Al-7Mg-0.9Zn계(B)합금을 잉곳상태에서 압연을 실시하여 압연 가공성 평가 및 미세조직과 기계적 특성 분석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 냉간압연성 평가 결과, A합금에서는 압하율 50 % 에서부터 크랙이 발생하기 시작하여 고압하율에서는 파 단에 이르는 경우도 발생했으나, B합금에서는 압하율 75 % 까지 크랙의 발생 없이 건전한 압연판재를 얻을 수 있었다.

    • 2) 미세조직 관찰 결과 A 합금의 경우 종횡비가 큰 봉 상의 Mg2Si 석출물이 많이 존재하였고, 압연이 진행됨에 따라 석출물이 절단되어 분산되고 압연 방향으로 정렬 하는 경향이 관찰되었으나, B합금에서는 Mg2Si 석출물 이 거의 발견되지 않았다.

    • 3) A합금, B합금 모두 대표적인 냉간압연집합조직 성 분인 {011}<112> 및 {112}<111> 집합조직 성분이 주로 발달하였으며 두 합금 간에 집합조직 발달의 차이는 거 의 존재하지 않았다.

    • 4) 냉간압연에 따른 가공경화율은 압연압하율에 관계 없이 A합금보다 B합금에서 더 컸다.

    • 5) 냉간압연재의 경우, 인장강도는 A합금(312MPa)에 비 해 B합금(468MPa)에서 50 % 더 높았으며, 인장연신율 또한 A합금에 비해 B합금에서 더 높았다.

    • 6) 이상을 종합해 볼 때, A합금에 비해 B합금이 압연 가공성 및 기계적 특성 면에서 우수하다고 결론지을 수 있다.

    Acknowledgement

    This research was supported by Strategy Core Materials Program of the Ministry of Trade, Industry & Energy, Republic of Korea.

    Figure

    MRSK-26-628_F1.gif

    Changes in thickness, width and length of Al-Mg-Si alloy (a) and Al-Mg-Zn alloy (b) with cold rolling.

    MRSK-26-628_F2.gif

    The variations of the spread in width and the rolling elongation after rolling reduction of 75 % for Al-Mg-Si alloy and Al-Mg-Zn alloy.

    MRSK-26-628_F3.gif

    Optical microstructures of the specimens before and after cold rolling of Al-Mg-Si alloy and Al-Mg-Zn alloy.

    MRSK-26-628_F4.gif

    SEM micrographs of the specimens before and after cold rolling of Al-Mg-Si alloy and Al-Mg-Zn alloy.

    MRSK-26-628_F5.gif

    ND and RD maps obtained by EBSD measurement for the specimens before and after cold rolling of Al-Mg-Si alloy.

    MRSK-26-628_F6.gif

    ND, RD and GB maps obtained by EBSD measurement for the specimens before and after cold rolling of Al-Mg-Zn alloy.

    MRSK-26-628_F7.gif

    The variation of average hardness of the specimens before and after cold rolling for Al-Mg-Si alloy and Al-Mg-Zn alloy.

    MRSK-26-628_F8.gif

    The variation of nominal stress-nominal strain curves of Al- Mg-Si alloy (a) and Al-Mg-Zn alloy (b) with cold rolling.

    MRSK-26-628_F9.gif

    The variation of mechanical properties of Al-Mg-Si alloy (a) and Al-Mg-Zn alloy (b) with cold rolling.

    Table

    Chemical composition of aluminum alloys studied (wt%).

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