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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.28 No.9 pp.534-538
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2018.28.9.534

Annealing Characteristics of an Al-6.5Mg-1.5Zn Alloy Cold-Rolled After Casting

Sung-Jun Oh, Seong-Hee Lee
Department of Advanced Materials Science and Engineering, Mokpo National University
Corresponding author
E-Mail : shlee@mokpo.ac.kr (S. H. Lee, Mokpo Nat'l Univ.)
August 24, 2018 September 11, 2018 September 11, 2018

Abstract


The annealing characteristics of a cold rolled Al-6.5Mg-1.5Zn alloy newly designed as an automobile material is investigated in detail. The aluminum alloy in the ingot state is cut to a thickness of 4 mm, a total width of 30 mm and a length of 100 mm and then reduced to a thickness of 1 mm (reduction of 75%) by multi-pass rolling at room temperature. Annealing after rolling is performed at temperatures ranging from 200 to 400 °C for 1 hour. The tensile strength of the annealed material tends to decrease with the annealing temperature and shows a maximum tensile strength of 482MPa in the material annealed at 200 °C. The tensile elongation of the annealed material increases with the annealing temperature, while the tensile strength does not, and reaches a maximum value of 26 % at the 350 °C annealed material. For the microstructure, recovery and recrystallization actively occur as the annealing temperature increases. The recrystallization begins to occur at 300 °C and is completed at 350 °C, which results in the formation of a fine grained structure. After the rolling, the rolling texture of {112}<111>(Cu-Orientation) develops, but after the annealing a specific texture does not develop.



주조 후 냉간 압연된 Al-6.5Mg-1.5Zn계 합금의 어닐링 특성

오성준, 이성희
국립목포대학교 신소재공학과

초록


    © 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 국내외적으로 에너지 및 환경 문제가 크게 부각 되면서 관련 규제가 강화됨에 따라 자동차를 비롯한 수 송기기의 재활용 및 연비개선이 크게 요구되고 있으며 그에 따른 연구가 활발히 진행되고 있다.1-15) 자동차의 공 해 방지 및 에너지 절약의 방안으로는 엔진의 효율성 향 상, 설계에 따른 주행 중 공기 저항 감소, 차체 경량화 방법 등이 있다. 여기서 가장 효율적인 방법은 자동차의 기본적인 가속력과 제동력을 향상시키는 자동차 경량화 이다. 자동차의 경량화의 합리적인 방안 중에 현재 차체 및 자동차 부품에 사용되는 철강 재료를 비강도가 좋으 며 철강 대비 비중이 약 1/3에 불과한 알루미늄합금1-10) 또는 약 1/4에 불과한 마그네슘합금11-14)으로 대체하는 방 법이 있다. 그러나 마그네슘 합금은 알루미늄 합금에 비 해 단가가 높고, 가공성12)과 내부식성13,14) 및 상온에서 의 소성가공성 등의 기술적 측면에서 적용의 어려움이 있어 유럽을 비롯한 선진국에서는 주로 알루미늄 합금 을 철강 대체 재료로 많이 활용하고 있다. 알루미늄 합 금은 철강재료에 비해 강도가 약하고 성형성이 다소 부 족한 단점이 있지만, 경량화 외에도 높은 열전도, 주조 성과 가공성, 재활용이 가능한 점 등의 장점이 있다. 그 러나 자동차 재료로 더욱 광범위하게 사용되기 위해서 는 재료 특성이 한층 더 개선되어야 할 필요가 있다. 따 라서 본 연구에서는 강도와 연성이 우수한 자동차용 알 루미늄 합금개발을 목표로 Al-6.5Mg-1.5Zn계 합금을 새 롭게 합금설계 하였다. 합금설계 시에는 강도와 연성의 균형적인 향상을 위하여 수송기기용 구조재로 많이 사 용되는 Al5083에 비해 Mg과 Zn 함량을 높이고 Mn의 양을 낮추는데 주안점을 두고 설계하였다. 또한, 새롭게 합금설계한 Al합금을 주조한 상태에서 열간압연 공정을 거치지 않고 바로 냉간압연한 후 어닐링을 실시하여 어 닐링 된 재료의 미세조직 및 기계적 특성을 분석하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 주괴의 냉간압연 및 어닐링

    합금설계한 Al-Mg-Zn계 합금의 상세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. Al-Mg-Zn계 합금의 주조를 통하 여 잉곳을 만든 후 두께 4 mm, 폭 30 mm, 길이 100 mm의 판상으로 절삭 가공한 후, 450 °C에서 24시간 동 안 균질화 처리 후 공냉한 시편을 출발재료로 사용하였 다. 압연은 롤 직경 210 mm인 2단 압연기를 사용하여 롤 주속 5rpm, 무윤활, 상온의 조건에서 시편 두께를 0.2 mm씩 줄여나가며 최종두께가 1 mm가 될 때까지 다패 스(multi-pass)로 진행 하였다. 따라서 냉간압연에 따른 압 하율은 총 75 %였으며, 이는 상당변형율이 1.6에 해당되 는 큰 가공률이다. 압연 후 어닐링은 전기로 내에서 200~400 °C의 각 온도에서 1시간 가열 후 공냉하였다.

    2.2 특성평가

    미세조직은 압연된 시편을 판재 중앙부에서 TD면에 평 행하게 압연방향으로 자른 후, HClO4: CH3CH2OH= 3 : 17 용액 속에서 액체온도 −5 °C, 전압 20 V의 조건에서 전해 에칭 후 광학현미경(OM) 관찰을 실시하였으며, FESEM/ EBSD(electron back scattering diffraction) 측정은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조 건 하에서 측정하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory(TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하였다.

    기계적 특성은 상온에서의 경도시험 및 인장시험으로 평가하였다. 경도시험은 Micro-Vickers 경도계를 이용하 여 0.05 kfg의 하중으로 압입시간 10초의 조건에서 TD 면에 평행하게 압연방향으로 자른 후 시편의 두께방향 으로 일정하게 0.05 mm씩 이동하며 경도를 측정하여 평 균값을 구하였다. 인장시험은 인장방향이 압연방향과 평 행하도록 폭 6 mm, 길이 32 mm로 방전가공기로 가공하 여 만능시험기(Shimadzu Ag-IS)를 사용하여 상온에서 10−3s−1의 일정한 변형률속도로 파단이 일어날 때까지 진 행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    Fig. 1은 제조한 Al주괴의 압연 전과 후의 횡단면(TD 면)에서의 광학현미경 조직 사진을 나타낸 것이다. 그림 에서와 같이 압연 전(a) 주조상태의 합금조직은 전형적 인 주조 조직을 나타내었으며 75 % 압하율로 압연 후 (b)에는 결정립이 압연 방향으로 연신된 가공조직을 나 타내었다.

    Fig. 2는 압연 후 300~400 °C 어닐링에 따른 조직의 변화를 SEM/EBSD 측정 결과로 나타낸 것이다. 300 °C 어닐링재의 경우 주로 가공조직이 관찰되었지만 부분적 으로 미세한 결정립들이 관찰되었고 {112}<111> 방위 성 분(Cu-Orientation)의 압연집합조직이 발달하였다. 또한 GB(grain boundary) map에서 나타내었듯이 결정립계 방 위각이 15° 이하인 저경각 입계의 분율이 85.6 %이상으 로 15o 이상인 고경각 입계보다 월등히 높은 비율을 점 유하고 있었다. 350 °C 어닐링재의 경우 300 °C 어닐링 재의 경우와는 달리 그림과 같이 완전 재결정 조직을 나 타내었으며, 고경각 입계의 분율이 92 %로 대부분을 차 지하고 있었다. 이것은 고온에서의 가열로 인해 내부에 형성되어 있던 전위셀 및 아결정립들이 대부분 소멸되 고 새로운 재결정이 활발히 발생한 것에 기인한다.16) 400 °C 어닐링재의 경우 비교적 균일한 결정립크기를 가 진 350 °C 어닐링재와 달리 부분적으로 결정립 성장이 일어나 다소 불균질한 결정립 크기분포를 나타내었다. 또 한 고경각 입계의 분율도 350 °C의 경우와 동일하게 약 92 %를 나타내었으나 재결정에 따른 집합조직의 발달은 일어나지 않았다.

    3.2 기계적 성질

    Fig. 3은 합금의 압연 전후 및 어닐링 후의 두께방향 으로의 경도분포(a) 및 평균 경도(b)를 나타내었다. 그림 에서와 같이 모든 어닐링 조건에서 Al합금의 두께 방향 으로 비교적 균일한 경도분포를 나타내었다. 압연 후 평 균 경도는 95.6Hv로 압연 전의 평균 경도 58.4Hv에 비 해 약 64 %의 큰 폭의 증가를 보였다. 또한 온도별 어 닐링재의 평균경도는 각각 92.3Hv, 86Hv, 71Hv, 62Hv, 62Hv로 어닐링 온도가 증가함에 따라 단계적으로 감소 하였다.

    Fig. 4는 합금의 압연 후의 인장시험 결과를 나타낸 것 이다. Fig. 4(a)와 같이, 온도가 증가함에 따라 강도는 감 소하고 연신율이 증가하는 전형적인 stress-strain 곡선을 나타내었다. As-rolled의 경우, 재료의 연성이 낮아 충분 히 연신되지 못하고 파단되어 연신율이 4.1 %에 불과하 였으나, 인장강도는 467MPa로 비교적 높은 값을 나타 내었다. 200 °C 어닐링재의 경우도 as-rolled재와 거의 유 사하게 고강도, 저연성 s-s곡선을 나타내었다. 그러나 250 °C 이상 온도에서의 어닐링재는 어닐링 온도 증가와 함께 균일 연신율(uniform elongation)이 크게 증가하였 으며, 특히 350 °C 어닐링재의 경우는 26.5 %의 큰 균 일 연신율을 나타내었다. 또한, Fig. 4(b)에서와 같이 인 장 강도 및 항복 강도는 어닐링 온도 증가와 함께 감 소하였는데 그 감소폭은 항복강도에서 더 컸다. 이것은 항복강도와 인장강도의 차이 값을 나타내는 가공경화 정 도가 어닐링 온도 증가에 따라 증가함을 의미한다.

    Fig. 5에 본 연구에서 개발한 Al-6.5Mg-1.5Zn계 합금 의 어닐링 온도별 기계적 특성을 기존의 대표적인 Al- Mg계 5xxx계 합금(어닐링재)17)과 함께 나타내었다. 그림 에서와 같이 본 연구에서 개발한 Al합금이 기존의 합금 들에 비해 기계적 특성이 우수함을 알 수 있다. 특히, 350 °C 어닐링재 경우 최대인장강도는 355MPa, 연신율 은 26.5 %로 가장 좋은 기계적 특성을 나타내었다. 이 강도 값은 수송기용 구조부재로 많이 사용되는 Al5083 (290MPa)에 비해 약 22 % 높고 Al5052(195MPa)에 비 해서는 약 82 %나 높은 값이다. 본 합금에서 이와 같 이 좋은 기계적 특성을 나타낸 것은 Mg과 Zn 등 원소 의 첨가에 의한 고용체강화 효과에 기인한 것이다. 여 기서 주목할 점은 본 연구 결과는 일반적으로 행해지는 열간압연 공정을 거치지 않고 주조재를 바로 냉간압연 후 어닐링 처리한 결과라는 점이다. 그러므로 일반적으 로 행해지는 열간압연공정을 추가한다면 더 좋은 기계 적 특성이 기대된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 새롭게 합금설계하여 주조상태에서 압 연을 실시한 후 어닐링한 Al-6.5Mg-1.5Zn계 합금의 미 세조직 및 기계적 특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 미세조직 관찰 결과 압연 전 주조상태의 합금조직 은 전형적인 주조 조직을 나타내었으며 75 % 압하율로 압연 후에는 결정립이 압연 방향으로 연신된 가공조직 을 나타내었다.

    • 2) EBSD측정 결과 300 °C까지의 어닐링재의 경우 여 전히 가공조직 위주의 미세조직을 나타내었으며 {112} <111> 방위 성분(Cu-Orientation)의 압연집합조직이 발달 하였으나, 재결정이 발생한 350 °C, 400 °C 어닐링재에서 는 집합조직이 발달하지 않았다.

    • 3) 어닐링재는 어닐링 온도가 증가함에 따라 강도는 감 소하고 연신율이 증가하는 전형적인 stress-strain 곡선을 나타내었으며, 350 °C 어닐링재에서 최대인장강도 355MPa, 연신율 26.5 %의 강도 및 연성의 가장 우수한 조합을 갖 는 기계적 특성을 나타내었다.

    • 4) 이상을 종합해 볼 때, 기존의 Al-Mg계 5xxx합금에 비해 본 연구에서 개발한 합금이 기계적 특성 면에서 우 수하다고 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-28-534_F1.gif

    Optical microstructures of the specimens before (a) and after (b) cold rolling of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloy.

    MRSK-28-534_F2.gif

    ND, RD, and GB maps obtained by EBSD measurement of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloys annealed at various temperatures.

    MRSK-28-534_F3.gif

    Vicker's hardness distribution in width direction (a) and the average hardness (b) of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloy annealed after cold rolling.

    MRSK-28-534_F4.gif

    Changes in nominal stress-strain curves (a) and mechanical properties (b) of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloy with annealing temperature.

    MRSK-28-534_F5.gif

    Comparison of mechanical properties between the Al- 6.5Mg-1.5Zn alloy and various Al-Mg 5xxx system alloys.

    Table

    Chemical composition of aluminum alloys studied (wt.%).

    Reference

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