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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.6 pp.392-397
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.6.392

Microstructure and Mechanical Properties of AA6061/AA5052/AA6061 Complex Sheet Fabricated by Cold-Roll Bonding Process

Ju-Yeon Hwang, Seong-Hee Lee†
Department of Advanced Materials Science and Engineering, Mokpo National University, Muan-gun, Jeonnam 58554, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : shlee@mokpo.ac.kr (S.-H. Lee, Mokpo Nat’l Univ.)
May 13, 2019 June 21, 2019 June 21, 2019

Abstract


A cold roll-bonding process is applied to fabricate an AA6061/AA5052/AA6061 three-layer clad sheet. Two AA6061 and one AA5052 sheets of 2 mm thickness, 40 mm width, and 300 mm length are stacked, with the AA5052 sheet located in the center. After surface treatment such as degreasing and wire brushing, sample is reduced to a thickness of 1.5 mm by multi-pass cold rolling. The rolling is performed at ambient temperature without lubricant using a 2-high mill with a roll diameter of 400 mm at rolling speed of 6.0 m/sec. The roll bonded AA6061/AA5052/AA6061 complex sheet is then hardened by natural aging(T4) and artificial aging(T6) treatments. The microstructures of the as-roll bonded and age-hardened Al complex sheets are revealed by optical microscopy; the mechanical properties are investigated by tensile testing and hardness testing. After rolling, the roll-bonded AA6061/AA5052/AA6061 sheets show a typical deformation structure in which grains are elongated in the rolling direction. However, after T4 and T6 aging treatment, there is a recrystallization structure consisting of coarse equiaxed grains in both AA5052 and AA6061 sheets. The as roll-bonded specimen shows a sandwich structure in which an AA5052 sheet is inserted into two AA6061 sheets with higher hardness. However, after T4 and T6 aging treatment, there is a different sandwich structure in which the hardness of the upper and lower layers of the AA6061 sheets is higher than that of the center of the AA5052 sheet. The strength values of the T4 and T6 age-treated specimens are found to increase by 1.3 and 1.4 times, respectively, compared to that value of the starting material.



냉간압연접합법에 의해 제조된 AA6061/AA5052/AA6061 복합판재의 미세조직 및 기계적 성질

황 주연, 이 성희†
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 자원고갈을 대비하기 위 한 대체에너지와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다 . 그 중 에너지문제의 해결을 위한 방안으로 경량화와 관련된 연구가 주목받고 있다. 이동 수단으로 가장 많 이 사용되고 있는 자동차에 사용되는 철강은 저렴하고 다양한 기계적 특성을 구현할 수 있는 장점이 있는 반 면 고 비중으로 인해 자동차경량화 추세에는 불리한 측 면이 있으므로 철강을 대체 할 수 있는 알루미늄1-9), 마 그네슘10-13)과 같은 경량금속이 많은 주목을 받고 있다. 경량화 관점에 주안점을 둘 경우, 마그네슘합금은 철의 1/ 4의 비중을 갖는 점에서 매우 매력적이지만 알루미늄합 금에 비해 가격이 비싸며, 소성가공성11) 및 내부식성12,13) 면에서 매우 불리하다. 그러나 알루미늄합금은 오래 전 부터 수송기기를 비롯한 다양한 분야의 구조용 소재로 많이 사용되고 있으며, 적용범위 또한 넓어지고 있다. 철 강 재료에 비해 강도가 약하고 성형성이 부족한 단점이 있지만 비중이 철 대비 1/3이며 높은 열전도, 전기전도 도, 재활용성이 우수하다는 장점 등을 가지고 있어 자 동차 강국이라 불리는 유럽을 비롯한 선진국에서는 이 미 많은 부분 철강 재료의 자리를 알루미늄합금이 차지 하고 있다. 그러나 알루미늄합금이 수송기기용 소재로 더 그 적용범위를 넓히기 위해서는 강도 향상 및 성형성 등 의 기계적 특성 향상을 위한 연구가 더욱 활발하게 진 행되어야 한다. 이와 같은 강도 향상과 동시에 성형성 개선 등의 목표를 달성하는 하나의 방법으로 다층 클래 딩 복합판재를 고려해 볼 수 있다. 다층 클래딩 복합판 재는 서로 특성이 다른 종류의 금속의 장점을 극대화시 키기 위한 것으로 주로 압연접합공정(roll-bonding process) 등에 의해 만들어진다. 압연접합공정은 소성변형과 동시 에 금속판재간의 접합 공정을 성공시켜야 하므로 금속의 종류, 압연압하율, 표면처리, 열처리 등 압연공정조건을 최적화하는 것이 매우 중요하다. 특히, 알루미늄합금은 공 기 중 산소와 반응하여 표면에 얇은 산화피막(Al2O3)이 형 성되어 있으므로 압연공정을 행하기 전에 그 산화피막 을 제거하기 위한 표면처리 과정을 거쳐야 한다14). 또한 두 알루미늄판재간의 높은 접합강도를 얻기 위해서는 상호 접 합되는 알루미늄판재 표면부위의 신생면 간의 광범위한 금 속결합을 위한 임계압하율(critical rolling reduction) 이 상의 높은 압연압하율이 요구된다. 본 연구팀은 이전 연 구에서 AA1050과 AA6061을 이용한 냉간압연접합공정 을 통하여 AA1050/AA6061/AA1050 층상복합판재의 제 조에 성공하였으며 시효처리를 통하여 다양한 기계적 특 성을 구현할 수 있었다15). 특히, 시효처리를 통하여 중 심부위에 위치한 AA6061의 강도를 크게 향상시킴으로써 중심부위의 강도는 매우 높고 상하 표면부위의 강도는 매 우 낮은 3층으로 구성된 이종알루미늄 clad판재를 제조 하여 미세조직 분석 및 기계적 특성을 평가한 바 있다14). 본 연구에서는 더욱 다양한 기계적 특성을 갖는 알루미 늄복합판재의 제조를 목적으로 AA5052와 AA6061합금 을 조합한 냉간압연접합법을 실시하여 AA6061/AA5052/ AA6061 3층 clad재를 제조하였으며, 그 미세조직 및 기 계적 특성평가를 실시하였다. 본 연구에서는 가공경화용 합금인 AA5052를 중앙부위에, 그리고 시효경화용 합금 인 AA6061을 상하부에 위치시킴으로써 더욱 다양한 기 계적 성질을 구현할 수 있도록 하였다.

    2. 실험방법

    2.1 압연접합(Roll-Bonding)

    본 연구에 사용한 재료의 화학조성은 Table 1과 같으 며 시판용 AA5052와 AA6061 판재이다. 시편의 크기는 길이 300 mm, 폭 40 mm, 두께 2 mm로 하였으며, 시판 용 가공 판재의 잔류응력을 제거하기 위하여 400 ºC에 서 30분 동안 균질화처리를 진행한 후 실험 출발재료로 사용하였다. Fig. 1에 압연접합공정 모식도를 나타내었다 . 중앙에 AA5052합금을 두고 그 상하부위에 AA6061합 금을 배치시켜, 접합 될 부위에 산화피막(Al2O3)제거 및 마찰계수를 증가시키기 위한 탈지 및 wire-brushing 등 에 의한 표면처리 후 3개의 판재를 적층하여 상온, 무 윤활 조건에서 접합압연을 실시하였다. 압연은 롤 직경 210 mm, 2단압연기를 사용하여 회전속도 5.0 m/s로 다 패스(multi-pass)압연하여 초기 두께 6 mm에서 최종 1.5 mm(총압하율75%)가 되도록 실시하였다.

    2.2 압연 후 열처리

    제조된 이종층상복합알루미늄판재에 자연시효처리(T4) 및 인공시효처리(T6)를 진행하였다. Fig. 2에 T4 및 T6 열 처리 이력곡선을 각각 나타내었다. 그림과 같이 용체화 처리(solution treatment)를 520 ºC에서 2시간 실시하고 급냉(water quenching)한 후 T4 및 T6처리를 진행하였 다. 여기서, T4처리는 상온에서 96 h, 120 h, 816 h 실시 하였으며, T6처리는 180 ºC에서 1 h, 3 h, 5 h 유지 후 공냉(air cooling)하여 시편을 채취하였다. 여기서 T6처리 를 5h까지만 실시한 이유는 그 이상의 유지시간에서는 기계적 특성의 큰 변화가 없는 것을 예비실험을 통하여 확인하였기 때문이다.

    2.3 특성 평가

    광학현미경(optical microscopy)을 이용하여 열처리된 이종 층상 복합알루미늄 판재의 횡단면의 미세조직을 관 찰하였다. 기계적 특성은 상온 인장시험(tensile test) 및 경도(hardness) 측정을 실시하여 평가하였다. 인장시편은 KS 5호 규격의 1/5크기(평행부 폭 5 mm, 표점간 거리 10 mm)로, 인장축이 압연방향과 일치되게 하여 방전가공 기에 의한 와이어 커팅기를 사용하여 제작하였다. 인장 시험은 상온에서 초기변형속도 8.3×10−4 s−1의 조건에서 Instron형 시험기를 사용하여 진행하였다. 경도시험은 Micro-Vickers 경도시험기를 사용하여 0.05 kg의 하중에 서 10초간의 압입시간의 조건에서 측정하여 진행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    Fig. 3에 AA6061/AA5052/AA6061 복합알루미늄판재 의 압접된 상태(Fig. 3a)와 T4(자연시효, 96 h)(Fig. 3b) 및 T6(인공시효)(Fig. 3c, d)처리 후에 관찰한 미세조 직을 나타내었다. Fig. 3(a)에서와 같이 압연 후의 재료 는 AA5052와 AA6061 부위 모두 결정립이 압연방향으 로 크게 연신된 전형적인 가공조직(deformation structure) 을 나타낸다. 그러나 T4처리된 시편의 경우, Fig. 3(b) 에서와 같이 AA5052와 AA6061 모든 부위에서 재결정 이 일어나 종횡비가 작은 결정립들로 구성된 재결정조 직(recrystallized structure)을 나타내었으며, AA5052 부 위의 결정립이 AA6061부위에 비해 더 미세하였다. T6 처리된 시편의 경우(Fig. 3c, 3d)도 시효처리 시간에 관 계없이 T4와 유사한 재결정조직을 나타내었다.

    3.2 기계적 성질

    Fig. 4는 출발재료 AA6061, AA5052와 압연접합된 층 상 복합알루미늄판재의 두께방향으로의 경도분포를 나타 내었다. 그림에서와 같이 두 시작 재료 모두 두께방향 으로 비교적 균일한 경도분포를 나타내고, AA5052가 AA6061에 비해 높은 경도값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 접합압연된 층상 복합알루미늄판재는 AA5052 와 AA6061재료 모두 가공경화에 의해 약 15 Hv 증가 하여 중앙부위에 위치한 AA5052의 경도가 높고, 상하 의 바깥에 위치한 AA6061의 경도가 낮은 두께방향으로 불균일한 경도분포를 보임을 알 수 있다.

    Fig. 5는 T4(Fig. 5a), T6(Fig. 5b)처리에 따른 두께방 향으로의 경도분포를 나타낸 것이다. T4처리의 경우 그 림에서와 같이 AA5052합금 부위에서는 용체화처리 동 안에 발생하는 재결정 및 결정립성장(grain growth)에 의 한 연화현상으로 인해 경도가 크게 감소한다. 또한 시 효시간(aging time)에 의한 경도 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있다. 그러나 AA6061합금 부위에서는 용 체화처리에 의한 경도의 감소가 있기는 하나 AA5052에 비해 크지 않으며, 또한 시효시간이 증가함에 따라 경 도가 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 AA6061부위 에 비해 AA5052부위에서 더 큰 경도를 나타내는 경도 값 역전현상이 나타났다. 그러나 AA6061와 AA5052 부 위 모두 시효처리 전 시편의 경도보다는 더 낮은 경도 를 나타내었다. Fig. 5(b)는 T6 처리를 나타낸 그래프인 데, 그림에서와 같이 AA5052부위에서는 T4처리에서와 같 이 재결정의 발생으로 인한 연화현상으로 경도가 감소 하고 AA6061부위에서는 인공시효에 의한 석출경화로 강 도증가 효과가 상당히 커서 시효처리 전 시편의 경도 이 상의 경도값을 나타내었으며 또한 그 증가폭은 시효처 리 시간이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내는 것 을 확인할 수 있다.

    Fig. 6은 출발재료(압연 전 초기재료), 압접 후 접합 재료, T4, T6 열처리재료의 평균 경도를 나타낸 것이다. AA6061부위의 경우는 출발재료에 비해 압연접합재료와 시효경화처리재료 모두 경도가 증가하였다. 특히, T6처 리 후 경도의 증가가 두드러졌으며, 그 중에서도 5 h 인 공시효 시편의 경도가 약 75 Hv로 출발재(38 Hv)의 약 2배 향상된 값을 나타내었다. AA5052부위의 경우는 압 연접합 시의 가공경화로 인해 경도가 크게 상승하지만 T4, T6처리 후에는 용체화처리에 의한 연화현상으로 경 도가 오히려 크게 감소하는 경향을 나타내었다. 따라서 압연접합직후의 시편은 중간 부위가 높고 상하 부위가 낮은 AA6061/AA5052/AA6061 clad형 복합판재를 이루 고 있으나, T4, T6처리 후에는 중간 부위가 낮고 상하 부위가 높은 clad형 복합판재를 나타내는 흥미로운 경도 역전 현상을 보임을 알 수 있다.

    Fig. 7은 출발재료인 AA5052, AA6061합금과 접합압 연재료, T4-816h, T6-5h의 복합층상 알루미늄판재의 인 장시험에 의한 Nominal Stress-Nominal Strain 곡선(Fig. 7a)과 인장강도-연신율 그림(Fig. 7b)을 나타낸 것이다. Fig. 7(a)와 같이, 출발재료인 AA6061, AA5052 모두 풀림처리(annealing) 상태이므로 연신율이 크고 강도가 비교적 낮은 전형적인 s-s곡선을 나타내고 있다. 그러 나 접합압연된 재료의 경우 최대 인장강도가 312MPa로 출발재료 AA6061(156 MPa)에 비해 약 2배, AA5052 (207 MPa)에 비해 약 1.5배 증가하였으며, 파단연신율은 28.6 %에서 6 %로 크게 감소하였다. 인공시효의 경우 최 대 인장강도가 242 MPa로 출발재료인 AA6061에 비해 약 1.6배, AA5052에 비해 약 1.2배가 증가하였으며, 연 신율은 12 %로 감소하였다. 자연시효의 경우는 최대 인 장강도가 211 MPa로 출발재료인 AA6061에 비해 약 1.4 배 증가하였으나, AA5052와는 거의 차이가 없었다. Fig. 7b에서 출발재료의 평균 인장강도(σ)는 아래의 혼합법칙 에 의해 계산하였다.

    σ = σ 6061 × f 6061 + σ 5052 × f 5052

    여기서 σ6061와 σ5052는 AA6061, AA5052의 인장강도, f6061과 f5052는 각각 AA6061과 AA5052의 체적분율로 대 입하여 산출하였다. 접합압연 출발재료의 두께는 AA6061, AA5052 모두 각각 2 mm이고, AA6061이 2층이므로 4 mm, AA5052가 1층이므로 2 mm 총 6 mm이므로 f6061 = 0.67, f5052= 0.33이다. 따라서 출발재료의 평균 인장강 도(σ)는

    σ = 156 × 0.67 + 207 × 0.33 = 173  MPa

    연신율도 동일한 방법으로 혼합법칙에 의해 계산하면 28.6 %가 산출된다. 따라서 인공시효의 경우 인장강도는 출발재료에 비해 1.4배 증가하였으며 연신율은 약 57 % 감소하였으며, 자연시효의 경우는 인장강도가 출발재료에 비해 1.3배 증가, 연신율은 불과 4 % 감소한 결과를 초 래하였다. 결론적으로 본 연구에서 시행한 접합압연 및 시효처리 결과, 각각의 단일 재료에 비해 인장강도는 증 가하고 연신율이 감소하는 경향을 보임을 알 수 있으 며, 더불어 내부와 바깥이 다른 클래드재료의 이점을 고 려하면 충격강도 및 내마모성 향상 등 부수적인 기계적 특성 향상효과도 기대된다고 할 수 있다.

    4. 결 론

    냉간접합압연 및 T4, T6처리를 이용하여 AA6061/ AA5052/AA6061 층상 복합판재를 성공적으로 제조하였 으며, 다음과 같이 결론 내릴 수 있다.

    • 1) 냉간압연접합에 의해 제조된 알루미늄합금의 클래 드재료는 결정립이 압연방향으로 크게 연신된 전형적인 가공조직을 나타내었으며, T4 및 T6처리 후에는 AA6061 및 AA5052 모두에서 조대결정립으로 이루어진 재결정 조직을 나타내었다.

    • 2) 경도는 냉간압연접합 후에 AA5052와 AA6061 모 두 가공경화로 인해 출발재료보다 크게 상승하였으나, AA5052판재가 위치한 중간부위의 경도가 크고 AA6061 판재가 위치한 상하 부위의 경도가 낮은 불균일한 경도 분포를 나타내었다.

    • 3) T4 및 T6처리 후에는 시효경화 효과에 의해 상하 부에 위치한 AA6061부위의 경도가 크게 상승하고 AA5052부위의 경도는 오히려 감소하여 중간부위에 비해 상하부위의 경도가 높은 경도 역전 현상을 나타내었다.

    • 4) 인장강도는 출발재료 대비 T6처리 후에는 1.4배, T4 처리 후에는 1.3배 각각 증가하였으며 연신율은 각각 57 %, 4 % 감소하였다.

    Figure

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    Schematic illustration showing roll-bonding process of dissimilar aluminum alloys.

    MRSK-29-6-392_F2.gif

    Schematic illustration showing heat treatment history of T4(a) and T6(b).

    MRSK-29-6-392_F3.gif

    Optical microstructure of the as-rolled (a), T4(96 h) (b), T6(1 h) (c) and T6(5 h) (d) treated samples.

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    Hardness distribution through thickness of the starting AA5052 and AA6061 sheets and the as-rolled materials.

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    Hardness distribution through thickness of the T4 (a) and T6 (b) treated samples.

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    The variation of the average hardness of the rolled and heattreated samples.

    MRSK-29-6-392_F7.gif

    The variation of nominal stress-nominal strain curves (a) and the mechanical properties (b) of the rolled and heat-treated samples.

    Table

    Chemical composition of AA5052 and AA6061 studied (wt%).

    Reference

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