1. 서 론

알루미늄 합금은 철강에 비해 약1/3정도의 비중을 가 지면서, 기계적, 내식성 특성이 우수하여 각종 구조물, 기 계장비, 설비등 널리 사용되어오고 있다. 그 중 현재 용 융 아연 도금 장치 설비는 대부분 Al합금으로 사용되어 오고 있는 가운데, 여전히 Al 합금 소재에 기계적, 부 식성으로 인해 어려움을 겪고 있는 실정이다. 그 중 2013 합금(Al-1.7Cu-1.0Mg-0.8Si-0.15Cr wt%)은 압출재 로서 파이프형상으로 압출하는 판재로서 담금질 후, 성 형, 시효 처리를 실시하는 공정이 가능한 고강도 알루 미늄 합금보다 성형성이 우수한 합금이며, 2013-T6재는 2024-T3재와 동등한 강도를 유지하고 내식성도 우수하기 때문에 2023-T3재의 대체용으로 기대되고 있다. 또한 2013합금은 T8조질처리로도 고강도화가 가능한 것이 확 인되었다.¹⁾

Al-Cu계 합금에 강도와 연성 향상에 효과적인 원소들 (Cd, Mn, Si, Fe, Ti 등)을 첨가하여 상변화 및 시효거 동 등에 대한 연구^2-5)가 꾸준히 되어오고 있는 가운데, 특히 Al 합금계에 미량의 Zr을 첨가하면 결정립이 미세 화되고 입계의 우선부식을 입내의 전면부식으로 바꾸게 되어 내응력 부식성이 향상되고 용접이 개선되었다는 보 고^6~8)가 있었다.

따라서 본 연구에서는 최근 개발된 Al 2013-T8합금에 미량의 Zr을 첨가하여 Zr의 첨가량에 따라 변화하는 미 세조직 및 기계적특성 등을 알아보고자 하였다.

2. 실험 방법

합금의 융점 차이로 인해 용해시간이 길어지고 편석 발 생을 최소화 하기 위해 비소모성 진공아크용해로(VAR) 를 이용하여 모합금을 제조한 후 유도용해로(용융온도 :약 800 °C ~ 900 °C)를 이용하여 주형에 넣어 합금을 제작하 였다. Table 1은 본 연구에서 사용된 2013 합금 성분이 며, 비교를 위하여 각각 0.2, 0.5Wt%의 Zr을 첨가하여 총 3종류의 시험편을 제작하였다.

용해 후 주형을 제거한 잉곳을 진공열처리로를 이용하 여 540 °C에서 24시간 균질화 열처리를 진행하였다. 열 처리시 5.5 × 10-5 Torr의 진공도를 계속 유지하였으며 승 온속도는 5 °C/min, 냉각은 노냉으로 진행하였다. 그 후 열간압연은 500 °C에서 이루어졌다. 용체화처리는 수직 튜 브로를 이용하여 540 °C에서 1시간동안 시행되었으며 물 에 바로 떨어뜨려 급냉 처리하였다. 그리고 냉간압연은 2.4 mm에서 2.0 mm로 가공도 16.6 %로 실시하였다. 마 지막으로 인공시효는 수직 튜브로를 이용하여 170 °C에 서 8시간 동안 행한 후 수냉처리 하였다.

미세조직 및 석출물 등의 분석을 위하여 OM 관찰, XRD분석, TEM(TECNAI F20 UT)분석을 실시하였으며, OM 관찰용 부식액 조건으로는 25 ml 메탄올, 25 ml 염 산, 25 ml 질산, 1 drop 불산을 혼합하여 20-30초 간 실 시하였다.

TEM관찰용 박막시료는 집속이온빔(FIB_Versa 3D)을 이용하여 기계연마로 약 200 μm 두께로 만든 후 −20 °C 초산메탄올(HNO3 : CH3OH = 1 : 3)을 전해액으로 사용하 여 전해연마법으로 제작하였다.

기계적 특성 분석을 위하여 경도와 인장강도 시험을 실 시하였으며 우선 경도는 장비명이 Mitutoyo HM-200, 하 중은 100 g으로 측정 포인트는 3회 측정하여 평균값으 로 나타내었다. 그리고 인장강도는 경도정밀공업(주)에서 제작된 KDPI-130-1 모델로, 인장속도 5 mm/min, 인장하 중 500 kgf으로 실시하였다.

또한 Zr의 함량에 따른 부식률을 알아 보기 위해 동전 위 분극시험을 실시하였으며 부식액 으로 NaCl 3.5 wt%, 스캔속도는 1 mV/S 의 조건으로 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

각 Zr 함량에 다른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(200배율)을 이용하여 관찰 하였으며, XRD를 이용하여 상분석을 실시하였다.

Fig. 1을 보면 Zr 함량이 증가함에 따라 석출물로 추 측되는 상들이 더 많이 발생됨을 확인할 수 있었으며, 입내 쌍정 또한 많아짐을 확인할 수 있었다. Yun et al.⁶⁾에 따르면 Zr 함량이 증가함에 따라 결정립이 미세 화 된다고 하였으나 본 결과에서는 뚜렸한 결정립 미세 변화를 찾을 수 없었는데 본 연구에서 실시한 콜드롤링 에 의해 기계적 가공이 더해진 결과라고 추측된다.

Fig. 1.

Micro structure image of the Zr content.

형성된 석출물 및 상의 종류는 XRD를 이용하여 분 석하였으며 Fig. 2에 나타내었다. 그림상으로는 높은 Al 피크에 비해 워낙 작은 피크들이라 잘 보이진 않았으나, θ, θ‘(CuAl₂), β‘(Al₃Zr)등으로 추측되는 미세 피크들이 확인되었으며 특히 0.5 wt%Zr을 첨가했을 때 더 많은 미 세피크들이 생성되었다. 또한 Zr의 함량을 더 할수록 격 자간의 거리가 각각 2013일 때는 4.0491 Å, 2031-0.2Zr 은 4.0494 Å, 2031-0.5Zr은 4.0498 Å로 아주 미세한 차 이가 남을 확인할 수 있었다.

Fig. 2.

XRD analysis peak.

Fig. 3에 나타낸 TEM 이미지로 Zr 함량에 따른 석출 물의 크기를 확인할 수 있었는데, 검은 점들이 석출물 에 해당되며 EDS로 성분 확인 결과 Al과 Cu로 확인되 어 거의 대부분 CuAl₂에 해당하는 θ‘상(tetragonal 구조) 임을 확인할 수 있었다.

Fig. 3.

TEM images(× 9900) and θ'(CuAl₂)precipitates structure.

석출물의 크기는 Zr의 함량에 따라 사이즈와 격자상수 가 달라지고, Zr이 0.2 % 첨가되었을때 석출물은 가장 작 은 사이즈(약 10 nm)를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Zr 첨가량이 0.5 %일 때 보다 0.2 %일 때 석출물 의 사이즈를 미세화 시키고 0.5 %일 때는 석출물의 크 기가 다시 커졌음을 알 수 있었다.

경도와 인장강도를 통해 기계적 특성을 확인하였으며 다음의 Table 2와 Fig. 4에 각각 나타내었다.

Fig. 4.

Tensile strngth and elongation graphs for the Zr content.

경도와 인장강도, 연신율 전체적인 경향성을 보면 Zr 의 함량에 따라 증가하는 경향을 보였다. 하지만 경도 의 경우 큰 차이는 아니지만 0.5 % Zr을 첨가했을 경우 Zr을 0.2 % 첨가 했을 때 보다 적은 경도 값을 보였는 데, 이는 앞에서 말했듯이 석출물 사이즈와도 관련이 있 으며 또한 θ‘(CuAl₂)등의 석출물이 생성되고, 시효까지 하 게 되면서 Zr 이 θ‘상의 석출에 영향을 끼쳐 시효경과 거동을 변화^5,6) 시키는 것으로 판단된다.

인장강도와 연신율은 보통 반비례 관계를 가지고 있는 데, 이 또한 Zr의 첨가의 영향으로 앞서 보고^6-9) 된 결 과와 같이 Zr 첨가량이 증가함에 따라 인장강도와 연신 율이 증가하는 결과와 일치하는 결과를 나타내었다.

Zr의 첨가량이 0.5 wt%일 때 국소적으로 석출물의 크 기와 격자구조가 커지면서 경도의 값은 하락했지만 인 장 강도의 값은 상승한 것은 넓은 의미로 생각해서 XRD 미세피크에 해당하는 β‘(Al₃Zr)석출물의 생성과, Zr의 고 용경화 작용으로 결국 인장강도는 높아졌을 것이라고 추 측하였다.

마지막으로 Zr함량에 따른 내식성을 확인하기 위해 동 전위 분극시험을 실시하였고 Fig. 5에 결과를 나타내었다.

Fig. 5.

Potentiodynamic polarization for the Zr content.

Potential(Ecorr, V)은 open circuit 조건에서 표준전극 에 대하여 부식되는 시편의 표면에서 발생하는 전위를 말하며 전체의 전위영역에서 전류밀도(Icorr, A)가 낮을 수록 내식성이 우수함을 나타낸다.^10,11)

Zr 함량에 따라 Ecorr(V), Icorr(A) 값으로 Al 2013은 −1.32 V, 6.91 × 10-5, Al2013-0.2Zr은 −1.15 V, 2.17 × 10- 5, Al2013-0.5Zr은 −1.17 V, 1.0 × 10-5으로 Icorr(A)값으 로 보았을 때 가장 낮은 값을 가진 Al2013-0.5Zr이 내 식성이 가장 좋을 것 이라고 판단하였고 Table 3에 나 타낸 것과 같이 부식률이 Al2013-0.5Zr이 가장 낮은 값 을 가짐을 확인할 수 있었다.

M. Morinaga 등은 원자간의 화학결합을 나타내는 파 라미터로 원자반경(합금원소 주변의 국소변형은 전위변형 장과 상호작용으로 전위운동을 방해하는 마찰효과를 만 들어 결국 강도의 상승을 일으킴)과 전기음성도(원자간 화학결합의 세기변화로 전위에너지에 직접 관계하는 물 성값이 변화함)로 나타내었으며, 이 두 가지 파라미터는 강도에 영향을 준다고 보고하였다.¹²⁾ 본 연구에 사용된 합 금 또한 이온반경과 전기음성도를 이용하여 식 1,2를 이 용하여 그래프로 나타내었다. 이온반경의 자료는 R. D. Shannon,¹³⁾ 전기음성도의 자료는 A. L. Allred¹⁴⁾에 의해 정리된 값을 사용하였다.

여기서 X_i는 합금성분 I의 몰분율, R_i와 Φ_i는 각각 합 금원소 i의 원자반경과 전기음성도, R_Al와 Φ_Al는 각각 모 금속 Al의 원자반경과 전기음성도이다.

Fig. 6과 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 Zr 함량에 따라 나타낸 합금의 강도가 ΔR(합금 중의 격자변형의 평균치) 과 ΔΦ(합금 중의 전하이동량의 평균값)가 증가함에 따 라 증가하는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 M. Morinaga 등이 제시한 결과와 같은 경향을 가짐을 확인할 수 있 었으며, 이론값인 이온반경과 전기음성도을 이용하여 강 도를 예측할 수 있는 연구 결과에 부합하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 6.

Relations between Tensile strength and ΔR for the Al alloys.

Fig. 7.

Relations between Tensile strength and ΔΦ for the Al alloys.

따라서 본 연구에서 사용된 Al 2013 합금에 미량의 Zr을 첨가하는 것은 기계적 성질 및 내식성에 우수한 영 향을 미친다는 것을 실험적, 이론적으로 확인할 수 있 었다.

4. 결 론

본 연구에서는 Al 2013-8T 소재에 Zr의 첨가량에 따 른 기계적, 부식의 특성을 분석하였으며 다음과 같은 결 론을 얻을 수 있었다.