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. 2
Vicker's hardness distribution in thickness direction (a) and the average hardness (b) of alloy-2 annealed after cold rolling.
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. 3
Changes in nominal stress-strain curves (a) and mechanical properties (b) of Alloy-2 with annealing temperature.
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. 4
Changes in mechanical properties with annealing temperature of Alloy-1, Alloy-2 and Magsimal59.
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)
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.
