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. 1.
Optical microstructures of the specimens before (a) and after (b) cold rolling of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloy.
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. 3.
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.
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. 4.
Changes in nominal stress-strain curves (a) and mechanical properties (b) of the Al-6.5Mg-1.5Zn alloy with annealing temperature.
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.
