1.서 론
알루미늄 합금은 높은 비강도, 우수한 연성 및 저렴한 비용으로 인해 항공 우주, 자동차 및 건축 자재에서 점 점 더 중요한 구조 재료가 되고 있다.1-4) 자동차 산업 분 야를 중심으로 알루미늄 합금 압출재 개발에 대한 요구 가 증가하고 있으며, 자동차 및 항공기에 적용되는 알 루미늄 압출 부품에 요구되는 높은 강도 특성을 얻기 위 해 오랫동안 연구되어 왔다.5) 7xxx계 합금은 알루미늄 합금 중에서도 가장 우수한 비강도 특성으로 수송기기 의 구조재 특히 항공기, 방위산업 구조재로서 적용되고 있으며, 그 특성 향상을 위한 연구는 현재까지 이루어 지고 있다.6,7) 하지만 7xxx계 합금은 압출가공용 알루미 늄 합금으로써 알루미늄 합금 중 가장 강도가 우수하지 만 압출과정에서 압출 온도에 의해 발생하는 재결정 및 결정립 성장으로 인한 압출 부품 결함이 발생한다. 이 와 같은 문제점으로 7xxx계 합금은 압출온도가 낮아 5xxx계 및 6xxx계 합금보다 압출속도를 크게 낮추어야 하기 때문에 생산성에 문제가 된다. 또한 용접이 어렵 고, 성형성이 나쁘며, 열전도성, 내식성 및 응력부식균열 (SSC) 특성이 좋지 않다는 단점을 갖고 있다.
알루미늄 합금을 개량화 하는 방법 중에서 원소를 첨 가하는 것은 합금의 주된 특성의 변화 없이 특정 기능 을 향상시키는 가장 효과적인 방법이다. 그 중 희토류 계 원소 Sc는 소량 첨가로 기존 알루미늄 합금의 강도, 용접성, 응고조직, 가공성 등 많은 특성을 향상시킬수 있 다고 보고되고 있다.8)
Sc첨가 알루미늄 합금은 Al의 격자 파라미터(4.04 Å) 와 1.6 %의 격자 불일치를 갖는 L12 구조의 Al3Sc석출 상을 생성하는 것으로 보고되고 있다.9,10) 이 Al3Sc석출 상은 열적 안정성이 우수하여 최대 300 °C까지 조대화 에 대해 안정적이며,11) 결정립 및 결정립계에 분포하여 pinning효과로 인해 전위의 이동을 방해하고 강도 및 재 결정 온도를 향상시키는 것으로 입증되었다.12,13)
현재까지 7xxx계 합금에 Sc를 첨가하여 미세조직 제 어를 통한 기계적 특성을 향상시키려는 연구들이 활발 히 진행되어 왔다. 그러나 Sc가 고가이므로 Sc를 첨가 한 Al계 합금에 대한 연구가 제한적으로 이루어져 왔다 고 판단된다. 차세대 자동차 및 전자기기에 사용되는 부 품은 다기능화 및 고직접화 하고 있어 에너지 효율 및 신뢰성 향상을 위해서 방열부품의 역할이 중요시되면서 방열 소재의 경우 고열전도도 뿐만 아니라 우수한 강도 및 성형성을 갖는 새로운 알루미늄 합금 개발이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 7xxx계 알루미늄 합금의 기반 에 첨가 원소 함량을 제어하여 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금을 설계하였으며, Sc첨가 및 압출 공정에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 전기전도 도, 열전도도 및 기계적 특성 변화를 분석하였다.
2. 실험방법
본 연구에서는 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%)합금을 제조하였으며, 합금의 조성은 Table 1에 나타내었다. Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금은 고주파 유도로를 이용하여 용탕 750 °C에서 용 해한 후 약 200 °C로 예열한 75 × 280 mm 크기의 금형 에 출탕하여 빌렛을 주조하였다. 압출 빌렛은 선반 가 공하여 압출에 적합한 70 × 85 mm로 일정하게 가공 후 550 °C에서 4시간 동안 균질화 처리하였으며, 500 °C에 서 1시간 동안 열처리 후 압출비 37:1로 압출하여, 직 경 12 mm의 봉상 압출재를 제조하였다. Al-2Zn-1Cu- 0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%)합금은 열역학적 프로 그램인 Panda 8.0을 이용하여 상태도를 분석하였으며, 주 조재 및 압출재 시편은 샌드페이퍼를 사용하여 #800까 지 기계적 연마 후 전기전도도를 측정하였다. 측정된 전 기전도도 값은 전기전도도-열전도도 관계식인 Wiedemann- Franz식을 이용하여 열전도도 값으로 환산하였다.14) 미세 조직 관찰은 전해 연마하여 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM), 전자 후방 산 란 회절분석기(electron backscatter diffraction, EBSD), 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM) 을 이용하였다. 상 변화, 석출상의 존재 등을 조사하 기 위하여 에너지분산형 분광분석법(energy dispersive spectromety, EDS)을 이용하였다. 기계적 특성 평가를 위 해 압출재를 이용하여 30 mm의 표점거리와 6 mm의 폭 을 가지는 봉상 시편을 제작하였으며, 만능인장시험기 (Shimadzu AG-IS)를 사용하여 상온에서 실험하였으며, 변형속도는 10−3/sec로 파단이 일어날 때까지 수행하였다.
3. 결과 및 고찰
Fig. 1(a)에 열역학적 프로그램인 Panda 8.0을 이용하 여 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금의 상태도를 나타내었다. Fig. 1(b) 및 Fig. 1(c)는 Sc가 첨가된 합금의 응고 거 동을 나타내며, 응고시 Liquid→ Liquid + FCC(Al)→ Liquid + FCC(Al) + Al3Sc→ FCC(Al) + Al3Sc로 Al3Sc이 Al과 공정 반응을 나타낸다. Al3Sc상은 고온에서 핵생성 하며, Al의 핵생성을 촉진시켜 결정립을 미세화 하는것 으로 알려져 있다. 또한 Sc가 0.25 wt% 및 0.5 wt% 첨 가되어진 합금의 응고 거동은 동일하지만 Sc첨가량이 증 가함에 따라 Al3Sc상이 9.44 °C 더 높은 온도에서 핵생 성하는 것을 알 수 있으며, 이는 더 많은 Al의 핵생성 을 촉진시킬수 있을 것으로 사료된다.
Fig. 1
Phase diagram of the Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc alloy (a) and phase fraction of the Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b), and Al-2Zn- 1Cu-0.3Mg-0.5Sc (c).
Fig. 2는 EBSD를 이용한 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금 주조재의 미세조직 관찰 결과 를 나타내고 있다. Image quality map 및 inverse pole figure map에서 나타낸 것과 같이 Sc가 첨가되지 않은 합금은 2,33 4μm로 조대한 결정립 크기를 나타내며, Sc 가 0.25 wt% 및 0.5 wt% 첨가되어짐에 따라 결정립 크 기가 914 μm, 529 μm로 미세해지는 것을 확인하였다. 열 역학적 프로그램을 이용한 상태도 분석에서 언급하였듯 이(Fig. 1), 알루미늄 합금에서 Sc원소의 첨가는 Al3Sc 금속간 화합물을 형성시키며, 주조시 고온에서 정출된다. 이러한 정출물이 Al의 핵생성을 촉진시켜 결정립을 미 세화 시키는데 기여하는 것으로 판단된다.
Fig. 2
Image quality map and Inverse pole figure map of the ascast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg (a), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b), and Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc (c) alloys obtained from the EBSD analysis.
Fig. 3은 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금 주조재의 SEM분석이다. 미세조직 분석 결과 모든 합금에서 Al2Cu상이 나타났으며, Sc가 0.25 wt% 및 0.5 wt% 첨가된 합금 Fig. 3(b) 및 Fig. 3(c)에서는 Al3Sc 상이 형성되어진 것을 알 수 있다. Fig. 3(d)는 Sc가 0.5 wt% 첨가된 합금의 EDS분석을 위한 미세조직 사진을 나타내며, 분석 결과는 Fig. 3(e) 및 Fig. 3(f)에 나타내 었다. 이와 같이 Al3Sc상은 Al2Cu상과 동시 석출되는 것 으로 판단된다.
Fig. 3
SEM images of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg (a), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc ((c) and (d)) and EDS measuring points spot 1 (e) and spot 2(f) of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc alloy.
Fig. 4는 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금 압출재의 상변화 거동을 SEM 분석 결과이 다. Fig. 3의 주조재에서 Al3Sc상은 Al2Cu상과 동시 석 출되어 근처에 형성하지만, Fig. 4(d), (e), (f)에 나타낸 것과 같이 Sc가 첨가된 합금 압출재에서는 미세한 크기 의 Al3Sc상이 Al2Cu상과 분리되어 기지내에 분포한 것 으로 관찰되었다. 이는 열간 압출 공정시 고온에서 기 지인 Al과 석출상인 형성함으로써 나타난 결과이다.
Fig. 4
SEM images of the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg (a), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc ((c) and (d)) and EDS measuring points spot 1 (e) and spot 2(f) of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc alloy.
Fig. 5는 Sc가 0.5 wt% 첨가된 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg- 0.5Sc합금 압출재의 TEM분석 결과이다. Bright field image에 나타낸 것과 같이 약 100 nm이하의 크기를 갖 는 구형의 Al3Sc석출상이 확인되었다[Fig. 5(d)].
Fig. 5
TEM images of the as-casted Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc alloy : Bright field images ((a) and (b)), SAED pattern (c) and elecment mapping (d).
Fig. 6은 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 압출재 ND면의 EBSD분석 결과이다. Inverse pole figure map에 나타낸 것과 같이 Sc가 첨가되지 않은 합금은 동적 재결정 발 생으로 인하여 다수의 등축의 재결정 조직을 나타내고 있으며, 15° 이상의 고경각 입계의 분율이 약 62 %로 저 경각 입계 분율 약 38 %보다 높은 비율을 나타내고 있 다. 그러나 Sc가 첨가된 합금에서는 결정립이 압출방향 으로 길게 연신된 가공조직을 나타내고 있다. 또한 고 경각 입계 분율이 저경각 입계 분율에 비해 크게 낮았 으며, 그 정도는 Sc첨가량이 증가함에 따라 증가하였다. Fig. 7은 방향분포함수(ODF)를 나타낸 것으로 모든 합 금에서 cube texture((001)[100])와 α-fiber texure((011) [1-11])가 같이 발달하였으나, Sc함량이 높을수록 Cube texture는 약하게 α-fiber texure는 강하게 발달해 있는 것 을 확인할 수 있었다. 이는 Sc첨가에 의해 형성된 구형 의 Al3Sc상이 재결정 형성에 의해 발달하는 cube texture 에 강화를 약화시켰기 때문으로 판명된다.
Fig. 6
Inverse pole figure maps of the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg (a), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b), and Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc (c) alloys obtained from the EBSD analysis.
Fig. 7
ODF maps of the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg (a), Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc (b) and Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.5Sc (c) alloys.
Fig. 8은 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 압출재의 인장시 험 결과이다. 그림에서와 같이 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg합금의 인장강도는 146 MPa로 가장 낮은 값을, 연신율은 27% 로 가장 높은 값을 나타내었다. Sc가 0.25 wt% 첨가된 합금에서는 인장강도가 215 MPa로 증가하였으며, 연신율 은 17 %로 감소하였다. 이것은 Al3Sc석출물의 형성에 기 인한 것이다. 그러나 Sc첨가량이 0.5 wt%로 증가한 합 금의 경우 인장강도는 201 MPa로 다소 감소하고, 연신 율은 20 %로 증가하였다. 이것은 과도한 Sc첨가로 인해 또 다른 강화에 기여하는 석출상인 Al2Cu석출상의 크기 를 증가시키고, 분포도를 감소시키는 결과를 초래하기 때 문으로 보고되고 있다.15)
Fig. 9는 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금의 주조재 및 압 출재의 Sc첨가량에 따른 전기전도도 및 열전도도 변화 그래프이며, 그 상세한 값은 Table 2에 나타나 있다. 그 림에서와 같이 주조재의 열전도도 값은 Sc가 첨가되지 않은 합금에서 204W/Mk로 가장 높았으며, Sc첨가량이 0.25 wt% 및 0.5 wt%로 증가함에 따라 187 W/Mk, 183 W/Mk으로 다소 감소하였다. 반면에 Fig. 9(b)에 압출재 의 열전도도 값은 모든 합금에서 거의 약 200 W/Mk이 며, Sc첨가로 인한 변화는 나타나지 않았다.
Fig. 9
Electric conductivity and thermal conductivity of the as-cast (a) and as-extruded (b) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys.
Table 2
Electric conductivity and thermal conductivity of the ascast (a) and as-extruded (b) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys
여기에서 주목할 부분은 주조재에 비해 압출재의 전 기전도도 및 열전도도가 증가하였다는 것이다. 그 원인 은 주조재에서 기지내 고용되어 있던 Sc가 열간 압출 시 Al3Sc상을 형성하는데 소비되어 Sc고용에 의한 전 기전도도 및 열전도도의 감소가 약화되었기 때문으로 판 단된다.
4.결 론
Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x= 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금 의 Sc첨가에 따른 미세조직, 전기전도도, 열전도도 및 기 계적 특성에 관해 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻 었다.
1) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합 금 주조재의 경우 모든 합금에서 Al2Cu상이 나타났으며, Sc가 첨가되어짐에 따라 Al3Sc금속간 화합물이 형성되었 다. Al3Sc상은 결정립 미세화에 기인하며, Al2Cu상과 동 시에 석출되는 것으로 판단된다.
2) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 압출재에서 Sc가 첨가 되지 않은 합금은 동적 재결정으로 인해 등축의 재결정 조직을 형성하였으나, Sc가 첨가된 합금은 결정립이 압 출 방향으로 연신된 가공조직을 형성하였다. 이것은 구 형의 Al3Sc상이 재결정의 형성을 억제하였기 때문이다.
3) 인장 강도는 Sc첨가에 의한 Al3Sc상의 형성으로 인 해 증가하였으나, 과도한 Sc첨가는 강화에 기여하는 또 다른 석출상인 Al2Cu상의 분산도를 낮추어 강도 증가의 효과를 감소시키는 결과를 초래하였다.
4) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 주조재의 전기전도도 및 열전도도는 Sc첨가량이 증가함에 따라 다소 감소하였으 나, 압출재의 열전도도 값은 모든 합금에서 거의 약 200 W/Mk로 Sc첨가로 인한 변화는 나타나지 않았다. 이것 은 주조재에서 기지내 고용되어 있던 Sc가 열간 압출시 Al3Sc상을 형성하는데 대부분 소비되어 Sc고용에 의한 전 기전도도 및 열전도도의 감소를 약화되었기 때문으로 판 단된다.
