1. 서 론
최근, 국내외적으로 에너지 자원고갈을 대비하기 위한 대체에너지와 관련된 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 에너지문제의 해결을 위한 방안으로 경량화와 관련된 연구가 주목받고 있다. 이동 수단으로 가장 많이 사용되 고 있는 자동차에 사용되는 철강은 저렴하고 다양한 기 계적 특성을 구현할 수 있는 장점이 있는 반면 고 비중 으로 인해 자동차경량화 추세에는 불리한 측면이 있으므 로 철강을 대체 할 수 있는 알루미늄,1-9) 마그네슘10-13) 과 같은 경량금속이 많은 주목을 받고 있다. 경량화 관 점에 주안점을 둘 경우, 마그네슘합금은 철의 1/4의 비 중을 갖는 점에서 매우 매력적이지만 알루미늄합금에 비 해 가격이 비싸며, 소성가공성11) 및 내부식성12,13) 면에 서 매우 불리하다. 그러나 알루미늄합금은 오래 전부터 수송기기를 비롯한 다양한 분야의 구조용 소재로 많이 사용되고 있으며, 적용범위 또한 넓어지고 있다. 철강 재 료에 비해 강도가 약하고 성형성이 부족한 단점이 있지 만 비중이 철 대비 1/3이며 높은 열전도, 전기전도도, 재 활용성이 우수하다는 장점 등을 가지고 있어 자동차 강 국이라 불리는 유럽을 비롯한 선진국에서는 이미 많은 부분 철강 재료의 자리를 알루미늄합금이 차지하고 있 다. 그러나 알루미늄합금이 수송기기용 소재로 더 그 적 용범위를 넓히기 위해서는 강도 향상 및 성형성 등의 기 계적 특성 향상을 위한 연구가 더욱 활발하게 진행되어 야 한다. 이와 같은 강도 향상과 동시에 성형성 개선 등 의 목표를 달성하는 하나의 방법으로 다층 클래딩 복합 판재를 고려해 볼 수 있다. 다층 클래딩 복합판재는 서 로 특성이 다른 종류의 금속의 장점을 극대화시키기 위 한 것으로 주로 압연접합공정(roll-bonding process) 등에 의해 만들어진다. 압연접합공정은 소성변형과 동시에 금 속판재간의 접합 공정을 성공시켜야 하므로 금속의 종 류, 압연압하율, 표면처리, 열처리 등 압연공정조건을 최 적화하는 것이 매우 중요하다. 특히, 알루미늄합금은 공 기 중 산소와 반응하여 표면에 얇은 산화피막(Al2O3)이 형성되어 있으므로 압연공정을 행하기 전에 그 산화피 막을 제거하기 위한 표면처리 과정을 거쳐야 한다14). 또 한 두 알루미늄판재간의 높은 접합강도를 얻기 위해서 는 상호 접합되는 알루미늄판재 표면부위의 신생면 간 의 광범위한 금속결합을 위한 임계압하율(critical rolling reduction) 이상의 높은 압연압하율이 요구된다. 본 연구 팀은 이전 연구에서 AA1050과 AA6061을 이용한 냉간 압연접합공정을 통하여 AA1050/AA6061/AA1050 층상복 합판재의 제조에 성공하였으며 시효처리를 통하여 다양 한 기계적 특성을 구현할 수 있었다.15) 특히, 시효처리 를 통하여 중심부위에 위치한 AA6061의 강도를 크게 향 상시킴으로써 중심부위의 강도는 매우 높고 상하 표면 부위의 강도는 매우 낮은 3층으로 구성된 이종알루미늄 clad판재를 제조하여 미세조직 분석 및 기계적 특성을 평가한 바 있다.14) 또한 AA6061과 AA5052를 활용한 3층 접합압연을 통하여 다양한 특성의 AA6061/AA5052/ AA6061층상 알루미늄합금 판재의 제조가 가능함도 지난 연구를 통해 명확히 하였다.16) 본 연구에서는 더욱 다양 한 기계적 특성을 갖는 알루미늄복합판재의 제조를 목 적으로 AA5052와 AA6061합금을 조합한 4층 냉간압연 접합법을 실시하여 AA6061/AA5052/AA5052/AA6061 판 재를 제조하였으며, 그 미세조직 및 기계적 특성 평가 를 실시하였다.
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, 시 판용 가공 판재의 잔류응력을 제거하기 위하여 400 °C 에서 30분 동안 균질화처리를 진행한 후 실험 출발재료 로 사용하였다. Fig. 1에 압연접합공정 모식도를 나타내 었다. 우선, AA5052합금 판재와 AA6061합금 판재의 접 합될 부위에 산화피막(Al2O3) 제거 및 마찰계수를 증가 시키기 위한 탈지 및 wire-brushing 등에 의한 표면처리 를 실시한 후 4개의 판재를 교대로 적층하여 상온, 무 윤활 조건에서 접합압연을 실시하였다. 압연은 롤 직경 210 mm, 2단 압연기를 사용하여 회전속도 5.0m/s로 다 패스(multi-pass)압연하여 초기 두께 8mm에서 최종 2 mm 가 되도록 실시하였다.
2.2. 압연 후 열처리
제조된 층상 알루미늄판재에 자연시효처리(T4) 및 인 공시효처리(T6)를 진행하였다. Fig. 2에 T4 및 T6 열처 리 이력 곡선을 각각 나타내었다. 그림과 같이 시효처 리는 용체화처리(solution treatment)를 5 2 0°C에서 2시간 실시하고 급냉(water quenching)한 후 진행하였다. 여기 서, T4처리는 상온에서 9 6 h, 12 0 h, 816 h 동안 실시하 였으며, T6처리는 180 °C에서 1 h, 3 h, 5 h 유지 후 공 냉(air cooling)하여 실시하였다.
2.3. 특성 평가
미세조직은 압연된 시편을 판재 중앙부에서 TD면에 평 행하게 압연방향으로 자른 후, HClO4 : CH3CH2OH = 3 : 17 용액 속에서 액체 온도 -5 °C, 전압 2 0V의 조건에 서 전해 에칭 후 광학현미경(OM) 관찰을 실시하였다. T4 및 T6처리된 시편의 경우 FE-SEM/EBSD (Electron Back Scattering Diffraction) 측정을 실시하였으며, SEM 관찰은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 2 0 kV의 조건 하에서 진행하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory (TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Date Collection ver.3.5를 이용하였다. 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 하중에서 10 초간의 압입시간의 조건에서 측정하여 진행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 미세조직
Fig. 3에 AA6061/AA5052/AA6061/AA5052 층상알루미 늄판재의 압연접합된 후의 관찰한 미세조직을 나타내었 다. 그림에서와 같이 압연접합에 의해 4개의 층이 견고 하게 접합된 것을 확인할 수 있으며, AA5052와 AA6061 의 모든 부위에서 결정립이 압연방향으로 크게 연신된 전형적인 가공조직(deformation structure)을 나타내었다. T4 시효처리 후는 시효 시간에 관계 없이 모두 재결정 조직을 나타내었으며 대표적으로 816 h 시효처리된 SEM/ EBSD조직을 Fig. 4에 나타내었다. 그림에서와 같이 AA5052와 AA6061 모든 부위에서 재결정이 일어나 등축 의 조대(coarse) 결정립들로 구성된 재결정조직(recrystallized structure)을 나타내었으며, AA6061 부위의 결정립이 AA5052부위에 비해 다소 미세하였다. 또한 두 재료 모 두 고경각입계의 분율이 높았으며 결장립계의 평균 어 긋남각(misorientation angle)은 약 39도로 거의 같았다. 또한 1 h동안 T6처리된 시편의 SEM/EBSD조직을 Fig. 5 에 나타내었다. 이 시편도 T4 시편과 유사하게 조대한 결 정립을 가진 재결정조직을 나타내었다. 이 경우도 AA6061 의 조직이 더 미세하였으며 결정립계의 어긋남각 또한 T4시편과 유사하게 고경각입계의 분율이 지배적이었으며 약 39도로 거의 같은 값을 나타내었다. 여기서, T4, T6 처리된 후 AA6061에서 더 미세한 결정립조직을 나타낸 것은 시효처리에 의해 생성된 석출물로 인해 결정립 성 장이 방해를 받았기 때문인 것으로 사료된다.
3.2. 기계적 성질
Fig. 6은 출발재료 AA6061, AA5052와 접합압연된 층 상 알루미늄판재의 두께방향으로의 경도분포를 나타내었 다. 그림에서와 같이, 두 시작 재료 모두 두께방향으로 비교적 균일한 경도분포를 나타내고, AA5052가 AA6061 에 비해 높은 경도값을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또 한 접합압연된 AA6061/AA5052/AA6061/AA5052 알루 미늄판재는 AA5052와 AA6061재료 모두 가공경화에 의 해 경도가 크게 증가하여 초기 경도가 높았던 AA5052 의 경도가 높고, 초기 경도가 낮았던 AA6061의 경도가 낮은 두께방향으로 불균일한 경도분포를 보임을 알 수 있다.
Fig. 6
Hardness distribution through thickness of the starting AA5052 and AA6061 sheets and the as cold roll-bonded material.
Fig. 7은 T4 (Fig. 7a), T6 (Fig. 7b)처리에 따른 두께 방향으로의 경도분포를 나타낸 것이다. T4처리의 경우 그림에서와 같이 AA5052합금 부위에서는 용체화처리 동 안에 발생하는 재결정 및 결정립성장(grain growth)에 의한 연화현상으로 인해 경도가 크게 감소한다. 또한, AA5052합금음 비열처리합금이므로 시효시간(aging time) 에 의한 경도 변화는 거의 나타나지 않음을 알 수 있 다. 그러나 AA6061합금 부위에서는 용체화처리에 의한 경도의 감소가 있기는 하나 AA5052에 비해 크지 않으 며, 또한 시효시간이 증가함에 따라 경도가 점진적으로 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 AA6061부위에 비 해 AA5052부위에서 더 큰 경도를 나타내는 경도값 역 전현상이 나타났다. 그러나 AA6061와 AA5052 부위 모 두 시효처리 전 시편의 경도보다는 더 낮은 경도를 나 타내었다. Fig. 7(b)는 T6 처리를 나타낸 그래프인데, 그 림에서와 같이 AA5052부위에서는 T4처리에서와 같이 재 결정의 발생으로 인한 연화현상으로 경도가 감소하고 AA6061부위에서는 인공시효에 의한 석출경화로 강도증 가 효과가 상당히 커서 시효처리 전 시편의 경도 이상 의 경도값을 나타내었으며 또한 그 증가폭은 시효처리 시간이 증가함에 따라 크게 증가하는 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 출발재료인 AA5052, AA6061합금과 접합압 연재료, T4-816h, T6-5h의 복합층상 알루미늄판재의 인 장시험에 의한 Nominal Stress-Nominal Strain 곡선[Fig. 8(a)]과 인장강도-연신율 그림[Fig. 8(b)]을 나타낸 것이 다. Fig. 8(a)와 같이, 출발재료인 AA6061, AA5052 모 두 풀림처리(annealing) 상태이므로 연신율이 크고 강도 가 비교적 낮은 전형적인 s-s곡선을 나타내고 있다. 그러 나 접합압연된 재료의 경우 최대 인장강도가 313 MPa로 출발재료 AA6061 (156 MPa)에 비해 약 2배, AA5052 (207MPa)에 비해 약 1.5배 증가하였으며, 파단연신율은 28.6 %에서 6%로 크게 감소하였다. 인공시효의 경우 최 대 인장강도가 2 82MPa로 출발재료인 AA6061에 비해 약 1.6배, AA5052에 비해 약 1.2배가 증가하였으며, 연 신율은 16%로 감소하였다. 자연시효의 경우는 최대 인 장강도가 247 MPa로 출발재료인 AA6061에 비해 약 1.6배 증가하였으나, AA5052에 비해서는 1.2배 증가하였 다. Fig. 8(b)에서 출발재료의 평균 인장강도(σ)는 아래 의 혼합법칙에 의해 계산하였다.
Fig. 8
The variation of nominal stress-nominal strain curves (a) and the mechanical properties (b) of the as roll-bonded and heattreated specimens.
여기서 σ6061와 σ5052는 AA6061, AA5052의 인장강도, f6061 과 f5052는 각각 AA6061과 AA5052의 체적분율로 대입 하여 산출하였다. 접합압연 출발재료의 두께는 AA6061, AA5052 모두 각각 2 mm이고, AA6061, AA5052 모두 각각 2층이므로 각각 4 mm 총 8mm이므로 f6061 = 0.5, f5052 = 5이다. 따라서 출발재료의 평균 인장강도(σ)는
연신율도 동일한 방법으로 혼합법칙에 의해 계산하면 2 9 %가 산출된다. 따라서 인공시효의 경우 인장강도는 출 발재료에 비해 1.55배 증가하였으며 연신율은 약 45 % 감소하였으며, 자연시효의 경우는 인장강도가 출발재료에 비해 1.36배 증가, 연신율은 2 4% 감소한 결과를 초래 하였다. 결론적으로 본 연구에서 시행한 접합압연 및 시 효처리 결과, 각각의 단일 재료에 비해 인장강도는 증 가하고 연신율이 감소하는 경향을 보임을 알 수 있다.
Fig. 9에 접합압연재와 T4, T6 열처리에 따른 인장강 도와 연신율 변화를 지난 연구에서 발표한 적층 수가 3 층(AA6061/AA5052/AA6061)인 결과와 비교하여 나타내 었다. 그림과 같이 접합압연재(as-rolled)의 경우는 4층의 경우가 연성이 더 높았고, 자연시효의 경우는 4층의 경 우가 연성은 다소 감소하나 강도가 증가하였으며, 인공 시효의 경우는 인장강도, 연신율 모두 4층의 경우가 우 수한 결과를 나타내었다. 그림에서와 같이 AA6061과 AA5052를 활용한 3층, 4층 접합압연에 관한 연구를 통 하여 다양한 강도-연성 조합을 갖는 층상 알루미늄판재 를 제조할 수 있었으며, 본 연구범위 내에서는 강도 및 연성의 균형이 우수한 조건은 4-layer의 T4처리 상태인 것을 알 수 있었다.
4. 결 론
냉간접합압연을 이용하여 AA6061/AA5052/AA6061/ AA5052 층상 알루미늄합금 판재를 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 조대 결정립으로 이루어진 재결정 조직을 나타내었다.
2) 경도는 냉간압연접합 후에 AA5052와 AA6061 모 두 가공경화로 인해 출발재료보다 크게 상승하였으나, AA5052판재가 위치한 부위의 경도가 크고 AA6061판재 가 위치한 부위의 경도가 낮은 불균일한 경도 분포를 나 타내었다.
3) T4 및 T6처리 후에는 시효경화 효과에 의해 AA6061 부위의 경도가 크게 상승하고 AA5052부위의 경도는 오 히려 감소하여 AA5052와 AA6061의 경도가 역전 현상 을 나타내었다.
4) 인장강도는 출발재료 대비 T6처리 후에는 1.55배, T4처리 후에는 1.36배 각각 증가하였으며 연신율은 각 각 4 5 %, 2 4 % 감소하였다.
5) 이상의 결과를 통해 AA6061, AA5052를 활용한 4 층 냉간접합압연을 통하여 다양한 강도-연성 조합을 가 진 층상 알루미늄합금 판재의 제조가 가능하다고 결론 내릴 수 있다.
