Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.5 pp.246-251
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.5.246

Microstructure and Mechanical Properties of a Cold-Rolled Al-6.5Mg-1.5Zn-0.5Fe-0.5Mn System Alloy

Sang-Hyeon Jo, 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.)
April 7, 2020 April 7, 2020 April 17, 2020

Abstract


The annealing characteristics of cold-rolled Al-6.5Mg-1.5Zn-0.5Fe-0.5Mn alloy, newly designed as an automobile material, are investigated in detail, and compared with those of other aluminum alloys. Using multi-pass rolling at room temperature, the ingot aluminum alloy is cut to a thickness of 4 mm, width of 30 mm, and length of 100 mm to reduce the thickness to 1 mm (r = 75 %). Annealing after rolling is performed at various temperatures ranging from 200 to 500 °C for 1 hour. The specimens annealed at temperatures up to 300 °C show a deformation structure; however, from 350 °C they have a recrystallization structure consisting of almost equiaxed grains. The hardness distribution in the thickness direction of the annealed specimens is homogeneous at all annealing temperatures, and their average hardness decreases with increasing annealing temperature. The tensile strength of the as-rolled specimen shows a high value of 496 MPa; however, this value decreases with increasing annealing temperature and becomes 338MPa after annealing at 400 °C. These mechanical properties of the specimens are compared with those of other aluminum alloys, including commercial 5xxx system alloys.



냉간압연된 Al-6.5Mg-1.5Zn-0.5Fe-0.5Mn계 합금의 미세조직 및 기계적 특성

조 상현, 이 성희†
국립목포대학교 신소재공학과

초록


    Ministry of Science ICT and Future Planning
    NRF-2019H1D8A1105567

    © 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 지구온난화와 자동차 및 수송기기 의 수요의 증가로 인해 에너지 고갈 및 환경 문제가 크 게 부각되면서 관련 규제가 강화됨에 따라 자동차를 비 롯한 수송기기의 재활용 및 연비개선이 크게 요구되고 있으며 그에 따른 연구가 활발히 진행되고 있다.1-17) 자 동차의 공해 방지 및 에너지 절약의 방안으로는 엔진의 효율성 향상, 공기역학적 디자인 설계, 하이브리드 자동 차 및 전기자동차 등의 대체에너지 개발 등 외에도 알 루미늄, 마그네슘 및 엔지니어링 플라스틱 소재 등을 적 용하는 경량화 기술이 있다. 자동차 경량화의 경우, 차 체 및 여러 자동차 부품에 사용되는 철강 재료를 비중 이 약 1/3에 불과한 알루미늄합금1-10, 15-17) 또는 약 1/4 에 불과한 마그네슘합금11-14)으로 대체하는 방법이 많이 적용되고 있다. 마그네슘 합금은 초경량의 이점이 있으 나 여전히 높은 단가와 상온에서의 난해한 가공성,12) 좋 지 않은 내부식성13,14) 등 기술적 측면에서 적용의 어려 움이 있어 주로 알루미늄 합금이 많이 활용하고 있다. 반면, 알루미늄 합금은 철강재료에 비해 강도가 약하고 성형성이 부족하지만, 경량화 외에도 높은 열전도, 주조 성과 가공성, 재활용성이 우수한 점 등의 장점이 있다. 그러나 국내의 경우 여전히 자동차 및 타 수송기기에의 적용이 제한적이어서 확대 적용을 위해서는 새로운 알 루미늄합금의 개발, 타 소재와의 복합화 기술 개발 등 의 연구가 필요한 실정이다.

    본 연구팀은 알루미늄 합금 개발 및 적용에 관한 연 구를 지속적으로 진행해오고 있으며, 지난 연구에서는 가 공성 및 주조성이 우수한 Al-6.5Mg-1.5Zn-0.2Fe-0.2Mn계 합금(앞으로 이 합금을 Alloy-1이라 한다)의 압연재 및 어 닐링재의 미세조직 및 기계적 특성을 평가한 바 있다.16) 이 합금은 기존 5xxx계 Al합금에 Mg 및 Zn 합량을 높 이고 Mn의 함량을 다소 줄여 연성의 감소를 최소화하면 서 강도 증가효과를 달성할 수 있었다. 그러나 더 큰 강 도 증가의 필요성과 함께 다이캐스팅 시의 다이스와의 소 착성 등 소재의 부품화 공정에서의 기술적인 문제들이 존 재하여 새로운 합금설계에 대한 필요성이 제기되었다. 따 라서 본 연구에서는 Mg, Zn등 주요 원소는 그대로 유지 하고, 내소착성 증가 및 강도 증가 효과를 위한 Fe 함량 증가, Fe첨가로 인한 부식 특성 악영향 방지를 위한 Mn 함량 증가 등을 고려하여 새롭게 합금 설계된 Al-6.5Mg- 1.5Zn-0.5Fe-0.5Mn계 알루미늄합금(앞으로 이 합금을 Alloy- 2라 한다)에 대하여 주조 후 냉간압연 및 어닐링을 실 시하여 미세조직 관찰 및 기계적 특성을 평가하였다.

    2. 실험방법

    2.1 주괴(as cast)의 냉간압연 및 어닐링

    새롭게 설계한 Alloy-2 합금의 상세한 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 주조한 새로운 알루미늄 합금으로 잉곳 을 만든 후 두께 4 mm, 폭 30 mm, 길이 100 mm의 판 상으로 절취하여 전기로에서 450 °C, 24시간 동안 균질 화 처리 후 공냉한 시편을 출발재료로 사용하였다. 압 연은 롤 직경 210 mm인 2단 압연기로 롤 주속 5 rpm, 무윤활 조건으로 상온에서 시편 두께를 0.2 mm씩 줄여 나가며 최종두께가 1 mm가 될 때까지 다패스(multi-pass) 로 진행 하였다. 따라서 냉간압연에 따른 총 압연압하 율은 75 %였으며, 이는 상당변형율이 ~ 1.6에 해당되는 큰 가공률이다. 냉간압연 후 200 ~ 500 °C의 각 온도로 전기로 내에서 1시간 어닐링 후에 공냉하였다.

    2.2 특성평가

    압연된 시편의 미세조직 관찰은 판재의 폭 중앙부에서 TD면에 평행하게 압연방향으로 자른 후, Keller 용액 속 에서 액체온도 -5 °C, 전압 20V의 조건에서 전해 에칭 후 주사전자현미경(SEM)을 통해 실시하였다. FE-SEM/ EBSD(electron back scattering diffraction) 관찰은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조 건 하에서 실시하였으며, 해석으로는 Tex SEM Laboratory (TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하였다.

    기계적 특성은 상온에서 경도시험 및 인장시험으로 평 가하였다. 경도시험은 micro-Vickers 경도계(Akashi사 HM- 101)를 이용하여 TD면에 평행하게 압연방향으로 자른 후 시편의 두께방향으로 일정하게 0.14 mm씩 이동하며 0.05 kgf의 하중으로 압입시간 10초의 조건에서 경도 값을 구 하였으며 두께방향의 중심부를 기준으로 상부는 양수(+), 하부는 음수(-)로 표기하였다. 인장시험은 인장방향이 압 연방향과 평행하도록 폭 6 mm, 길이 32 mm로 방전가공 기로 가공하여 만능시험기(Shimadzu Ag-IS)를 사용하여 상온에서 10−3 s−1의 일정한 변형률속도로 파단이 일어 날 때까지 진행하였다.

    3. 결과 및 고찰

    3.1 미세조직

    Fig. 1에 Alloy-2합금의 압연 후 어닐링 온도에 따른 미세조직의 변화를 SEM/EBSD 측정 결과로 나타내었다. 압연재 시편의 경우 결정립이 압연 방향으로 연신된 전 형적인 가공조직을 나타내고 있으며 극심한 변형으로 인 해 특히 결정립계 부근에서 깨끗한 데이터 확보가 어려 운 부분도 관찰이 된다. 300 °C 어닐링재에서도 압연재와 유사한 가공조직을 나타내고 있으나 회복의 발생으로 인 하여 변형 영역이 크게 감소하였으며 회복이 활발히 발 생하여 전위의 소멸이 확연히 나타났으며 비교적 깨끗한 미세조직을 나타낸다. 또한 압연재 및 300 °C 어닐링재 모두에서 ND 및 TD map에 나와 있듯이 {112}<111> 방위 성분의 전형적인 압연집합조직(rolling texture)이 주 로 발달해 있는 것을 확인할 수 있다. 350 °C 어닐링재 의 경우, 재결정(recrystallization)의 발생으로 인하여 대 부분의 영역이 평균입경이 28 μm의 재결정립으로 채워 져 있으나 결정립들이 압연방향으로 연신된 가공조직도 극히 일부분 남아있는 부분도 관찰이 된다. 또한 그림 에서와 같이 결정립별 다양한 방위 성분을 가지고 있으 며 재결정에 따른 집합조직의 발달은 거의 나타나지 않 았다. 400 °C 어닐링재의 경우도 350 °C 어닐링재와 마 찬가지로 완전 재결정 조직을 나타내고 있으나 결정립 성장(grain growth)으로 인한 결정립 크기의 증가(평균결 정립 크기: 45 μm)와 동시에 종횡비(aspect ratio)가 1에 가까운 등축(equiaxed) 결정립의 형태를 보여준다. GB (grain boundary) map을 통해, 압연재와 300 °C에서는 어긋남각(misorientation angle)이 15o 이하인 저경각입계 (low angle grain boundary)의 분율이 더 높은 비율을 점유하고 있으나, 350 °C 이상의 경우에서는 어긋남각이 15o 이상인 고경각 입계(high angle grain boundary)의 분율이 85 % 이상으로 대부분을 점유하고 있다. 이는 고 온에서의 어닐링으로 인해 내부에 형성된 전위셀 및 아 결정립들이 대부분 소멸하고 새로운 재결정이 활발히 발 생한 것에 기인한 것이라 사료된다.18) 어닐링 온도 증가 에 따른 이와 같은 미세조직의 변화 양상은 이전 연구 결과16)와 매우 유사하다.

    3.2 기계적 성질

    Fig. 2는 Alloy-2합금의 압연 전과 후 및 어닐링 온도 별 시편의 두께방향으로 경도 분포[Fig. 2(a)] 및 평균 경 도[Fig. 2(b)]를 나타내었다. Fig. 2(a)에서와 같이 모든 어닐링 조건에서 알루미늄 합금의 두께 방향으로 경도 분포는 비교적 균일한 값을 나타내었으며 모든 부위에 서 어닐링 온도가 증가함에 따라 경도가 감소하는 일반 적인 경향을 나타내었다. 또한 평균 경도는 Fig. 2(b)에 서와 같이 압연재에서 93 Hv를 나타내던 것이 어닐링 온도 증가와 함께 단계적으로 감소하여 500 °C 어닐링 재에서는 59 Hv로 매우 낮은 값을 나타내었다.

    Fig. 3에 Alloy-2합금의 압연재와 어닐링재의 공칭응력 -공칭변형율 곡선(stress-strain curve)[Fig. 3(a)]과 어닐링 온도별 인장시험 결과[Fig. 3(b)]를 나타내었다. Fig. 3(a) 에서와 같이 어닐링 온도가 증가함에 따라 어닐링재의 강도는 감소하고 연신율이 증가하는 전형적인 s-s 곡선 을 나타내었다. 압연 후 어닐링을 하지 않은 압연재의 경우 가공경화로 인해 인장강도는 496 MPa의 큰 강도 를 나타내었으나 재료의 연성이 낮아 충분히 연신되지 못하고 파단되어 연신율은 2.8 %를 나타내었다. Fig. 3(b) 에서와 같이 인장강도(UTS) 및 항복강도(YS) 모두 어닐 링 온도가 증가함에 따라 감소하나 감소의 폭은 항복강 도에서 더 큰 것을 확인할 수 있다. 즉, 200 °C 어닐링 재에서는 인장강도와 항복강도의 차이가 약 80 MPa이던 것이 400 °C 어닐링재에서는 약 170 MPa로 크게 벌어 져 있다. 이와 같이 어닐링 온도가 증가함에 따라 인장 강도와 항복강도간의 차이가 증가하는 것은 어닐링에 따 른 연화가 커진 상태일수록 항복 후 소성변형에 따른 가 공경화 여지가 커지기 때문이다.

    Fig. 4는 본 연구에서 얻은 Alloy-2합금의 압연재와 어 닐링재의 기계적 특성을 상용합금인 Magsimal5914)와 이 전 연구 합금인 Alloy-1합금의 결과16)와 비교하여 나타 낸 것이다. 그림에서와 같이 모든 알루미늄합금들이 어 닐링 온도가 증가함에 따라 인장강도가 감소하고 연신 율이 증가하는 전형적인 연화곡선을 나타내었다. 또한, 최대인장강도(UTS)는 압연된 상태와 300 °C 어닐링 조 건에서 본 연구의 알루미늄합금이 가장 높았으며 Alloy- 1, Magsimal59의 순으로 감소하였다. 350 °C 이상의 어 닐링 조건에서는 기존의 Alloy-1 합금이 가장 높은 강 도를 나타내었다. 연신율의 경우 모든 조건에서 Alloy- 1 합금이 가장 높았고 그 다음 Alloy-2합금, Magsimal59 순이었다.

    Fig. 5에 Magsimal5914), Alloy-116), 상용 Al-Mg합금인 5xxx계19) 및 본 연구에서 개발한 Alloy-2합금의 강도-연 신율 관계도를 나타내었다. 그림에서와 같이 본 연구에 서 개발한 Alloy-2합금이 기존의 상용 5xxx계에 비해 강 도와 연신율 조합에 있어서 우수한 특성을 나타내는 것 을 알 수 있다. 무엇보다 본 연구의 결과는 기존의 상 용5xxx계와는 달리 열간압연 공정을 거치지 않고 주조 재를 바로 냉간압연한 후 어닐링해서 얻은 결과라는 점 에서 그 의미가 깊다고 할 수 있다. 이와 같은 기계적 특성을 s-s곡선을 통해 새로운 관점에서 해석하는 것도 매우 흥미로울 것이다. 일반적으로 인장시험 시 소성변 형영역에서의 진응력(σ)과 진변형률(ε)은 다음과 같은 관 계식으로 표현된다.20)

    σ = K ε n

    여기서, K는 강도계수(strength coefficient), n은 가공경 화지수(work hardening exponent)이다. 위의 식으로부터 Alloy-1합금과 Alloy-2합금의 350 °C, 400 °C 어닐링재에 대하여 lnσ-lnε관계도를 그리면 Fig. 6과 같이 된다. 그 림에서 각 직선의 y절편을 통해 강도계수 K값을 구하고 기울기를 통해 가공경화지수 n값을 구하면 Table 2와 같 이 된다. Table 2에서와 같이, 각 어닐링 온도에서 K값 은 Alloy-2합금이 Alloy-1합금보다 더 크고 n값은 Alloy- 2합금이 Alloy-1합금보다 다소 작은 값을 나타내는 것을 알 수 있다. 이것은 Fe 및 Mn의 추가적인 첨가에 의해 가공경화지수 값보다는 강도계수 값에 더 큰 영향을 미 친다는 것을 보여주는 것으로 그 원인에 대해서는 추가 적인 연구가 필요하리라 판단된다.

    4. 결 론

    새롭게 합금설계한 Al-6.5Mg-1.5Zn-0.5Fe-0.5Mn계 합 금(Alloy-2)을 잉곳상태에서 압연 후 어닐링을 실시하여 미세조직 및 기계적 특성을 평가하여, 이전 개발 합금 (Alloy-1) 및 다른 알루미늄합금들과 비교분석한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 어닐링 온도가 300 °C까지는 주로 가공조직을 나타 내었으며 저경각입계가 고경각입계 보다 더 높은 점유 율을 보였으며, 350 °C 이상에서는 주로 재결정조직을 나 타내었으며 고경각입계의 분율이 85 % 이상으로 대부분 을 차지하였다.

    • 2) 경도는 두께방향으로 비교적 균일한 분포를 나타내 었으며, 평균경도는 압연재에서 93 Hv를 나타내던 것이 어닐링 온도 증가와 함께 단계적으로 감소하여 500 °C 어닐링재에서는 59 Hv로 매우 낮은 값을 나타내었다.

    • 3) 인장강도는 압연재에서 496 MPa의 큰 값을 나타내 었으나 어닐링 온도 증가와 함께 감소하여 400 °C에서 는 338 MPa이 되었다. 어닐링온도에 따른 인장강도의 감 소폭은 이전 연구의 Alloy-1보다 더 컸으며, 그 결과 350 °C 이상의 어닐링 조건에서는 강도, 연성 모두 이전 Alloy-1의 기계적 성질이 더 우수함을 확인하였다.

    • 4) 350 °C 이상의 어닐링 온도에서 강도계수 K값은 Alloy-2합금이 Alloy-1합금보다 더 크고, 가공경화지수 n 값은 Alloy-2합금이 Alloy-1합금보다 다소 작은 값을 나 타내었으며, 이것은 Fe 및 Mn의 추가적인 첨가는 가공 경화지수 값보다는 강도계수 값에 더 큰 영향을 미친다 는 것을 보여준다.

    Acknowledgement

    This research was supported by X-mind Corp program of National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Science, ICT(NRF-2019H1D8A1105567).

    Figure

    MRSK-30-5-246_F1.gif

    ND, RD, and GB maps obtained by EBSD measurement for Alloy-2 annealed at various temperatures after cold rolling.

    MRSK-30-5-246_F2.gif

    Vicker's hardness distribution in thickness direction (a) and the average hardness (b) of alloy-2 annealed after cold rolling.

    MRSK-30-5-246_F3.gif

    Changes in nominal stress-strain curves (a) and mechanical properties (b) of Alloy-2 with annealing temperature.

    MRSK-30-5-246_F4.gif

    Changes in mechanical properties with annealing temperature of Alloy-1, Alloy-2 and Magsimal59.

    MRSK-30-5-246_F5.gif

    Relation of tensile strength and elongation of various aluminum alloys including Alloy-2.

    MRSK-30-5-246_F6.gif

    Logarithmic representation of true stress-strain curve of Alloy-1 and Alloy-2 annealed at 350 and 400 °C.

    Table

    Chemical composition of aluminum alloys studied. (wt%)

    Mechanical properties of Alloy-1 and Alloy-2 annealed at 350 and 400 °C after cold rolling.

    Reference

    1. S. Guo, Y. Xu, Y. Han, J. Liu, G. Xue and H. Nagaumi, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 24, 2393 (2014).
    2. X. Fan, Z. He, W. Zhou and S. Yuan, J. Mater. Process. Technol., 228, 179 (2016).
    3. L. Ding, Y. Weng, S. Wu, R. E. Sansers, Z. Jia and Q. Liu, Mater. Sci. Eng., A 651, 991 (2016).
    4. M. J. Ahn, H. S. You and S. H. Lee, Korean J. Mater. Res., 26, 388 (2016).
    5. J. H. Yang and S. H. Lee, Korean J. Mater. Res., 26, 628(2016).
    6. H. W. Kim, S. B. Kang, H. Kang and K. W. Nam, Korean J. Met. Mater., 37, 1041 (1999).
    7. H. S. Ko, S. B. Kang, H. W. Kim and S. H. Hong, Korean J. Met. Mater., 37, 650 (1999).
    8. H. S. Ko, S. B. Kang and H. W. Kim, Korean J. Met. Mater., 37, 891 (1999).
    9. K. D. Woo, H. S. Na, H. J. Mun and I. O. Hwang, Korean J. Met. Mater., 38, 766 (2000).
    10. K. D. Woo, I. O. Hwang, J. S. Lee, Korean J. Met. Mater., 37, 1468 (1999).
    11. C. W. Park and H. Y. Kim, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 36, 1675 (2012).
    12. N. J. Park, J. H. Hwang and J. S. Roh, Korean J. Met. Mater., 47 1 (2009).
    13. C. D. Yim, Y. M. Kim, S. H. Park and B. S. You, Korean J. Met. Mater., 50, 619 (2012).
    14. D. H. Kim, J. M. Choi, D. H. Jo and I. M. Park, Korean J. Met. Mater., 52, 195 (2014).
    15. E. Y. Kim, J. H. Cho, H. W. Kim and S. H. Choi, Korean J. Met. Mater., 51, 41 (2012).
    16. S. J. Oh and S. H. Lee, Korean J. Mater. Res., 28, 534 (2018).
    17. J. Y. Hwang and S. H. Lee, Korean J. Mater. Res., 29, 392 (2019).
    18. F. J. Humphreys and M. Hatherly, Recrystallization and Related Annealing Phenomena, 2nd ed., p.169, Elsevier Ltd, UK (2004).
    19. Japan Inst. of Light Metals, Microstructure and Properties of Aluminum Alloys, p.451, Japan (1991).
    20. G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, SI Metric Ed., p.71, McGraw-Hill Book Company, London (2001).