1. 서 론

경량 구조재료에 대한 수요가 증가함에 따라 Al 기반 합금은 높은 비강도, 우수한 가공성 및 내식성으로 인해 항공, 자동차, 전자 부품 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다. 특히 Al-Zn-Mg계 합금은 7xxx계 고강도 합금으로 분류되며, Zn과 Mg의 고용 및 석출 강화 효과에 의해 우수한 기계적 특성을 나타낸다.^1,2) 그러나 이러한 합금은 고강도 특성에도 불구하고, 열적 안정성과 성형성 측면에서 한계가 존재하기 때문에 미세조직 제어를 통한 기계적 특성 향상에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.^3,4)

최근에는 Al 합금의 고온 안정성과 미세조직 균질화를 개선하기 위해 희토류 원소(Ce, La 등)가 포함된 미시메탈(misch metal, MM)을 첨가하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 희토류 원소는 Al 기지 내에서 Al₁₁Ce₃ 등의 상을 형성하여 결정립 성장 억제, 석출물 분포 균질화, 열적 안정성 향상 등의 효과를 제공한다. 또한 MM 첨가는 미세조직 내에 분산된 안정한 상을 형성함으로써 재결정 거동에도 영향을 미쳐, 미세조직의 조대화를 억제하고 균일한 결정립 분포를 유도하는 것으로 알려져 있다.^5,6)

한편, Cu는 Al 합금에서 대표적인 강화 원소로, 고용 강화(solid-solution strengthening)와 Al₂Cu계 석출물에 의한 석출 강화(precipitation strengthening)를 동시에 제공한다.^7,8) Cu 첨가는 Zn, Mg과의 상호작용을 통해 복합 강화 효과를 나타내며, 재결정 과정에서도 구동력 변화를 유도하여 결정립의 형태 및 집합조직(texture)에 영향을 미친다.^9),10) 이러한 이유로 Al-Zn-Mg-Cu계 합금에 대한 연구는 다수 보고되었으나, MM이 포함된 Al-Zn-MM-Mg계 합금에서 Cu 첨가가 상 형성, 재결정, 그리고 기계적 특성에 미치는 복합적 영향에 대한 체계적 연구는 아직 충분히 이루어지지 않았다.

따라서 본 연구에서는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg 합금에 Cu를 0, 0.5, 1 wt% 첨가하여 주조 및 압출 조건에서의 상 형성 거동, 미세조직 변화, 재결정 특성, 그리고 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 특히 전자후방산란회절(electron backscatter diffraction, EBSD) 분석을 통해 Cu 첨가에 따른 재결정 및 집합조직 변화를 정량적으로 평가하였으며, 인장시험을 통해 미세조직 변화와 기계적 특성 간의 상관관계를 고찰하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금을 제조하였으며, 합금의 조성을 Table 1에 나타내었다.

합금 제조는 고주파 유도용해로를 이용하여 수행하였으며, 순도 99.9 % 이상의 Al을 먼저 용해한 후 Zn, MM, Cu, Mg의 순서로 첨가하였다. 용탕의 온도는 750 °C로 유지하였고, 200 °C로 예열된 ø75 × 280 mm 크기의 금형에 주입하여 주조 빌렛을 제조하였다. 이후 주조 빌렛은 선반 가공을 통해 ø75 × 85 mm 크기로 절단하였으며, 400 °C에서 1 h 예열 후 압출비 14:1의 조건으로 열간 압출하여 두께 4 mm의 판상 압출재를 제작하였다.

각 합금의 주조재 및 압출재는 #4,000번까지의 사포로 연마한 후 X선 회절 분석(X-ray diffraction, XRD)을 통해 상을 분석하였다. 미세조직 관찰을 동일한 연마 과정을 거친 시편을 diamond suspension (1 µm)과 silica로 순차적으로 연마한 뒤, NaOH (5 %) + H₂O 용액으로 1 min간 에칭하여 주사전자현미경(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)을 이용하여 수행하였다. 에너지 분산형 분광분석(energy-dispersive X-ray spectroscopy, EDS)을 통해 주요 상의 화학 조성을 분석하였다.압출재의 집합조직(texture) 분석을 위해 시편을 연마한 후 C₂H₅OH + HClO₄ 용액에서 -5 °C, 26 V 조건으로 35 s간 전해 에칭하였으며, TSL OIM 3.5 소프트웨어를 사용하여 EBSD 분석을 수행하였다. 기계적 특성 평가를 위해 상온에서 인장시험을 실시하였다. 인장시편은 표점거리 30 mm, 폭 6 mm의 판상 형태로 가공하였으며, 변형속도 1.8 mm/min 조건으로 시험을 수행하였다. 실험의 재현성을 확보하기 위해 각 조성별로 동일 조건에서 3회 반복 측정을 진행하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1은 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 주조재에 대한 XRD 패턴을 나타낸다. 모든 합금에서 기지조직인 Al(α) 피크가 관찰되었으며, MM 첨가에 의해 형성된 희토류계 금속간화합물인 Al₁₁Ce₃ 상이 공통적으로 검출되었다.^3,5) Cu가 첨가되지 않은 합금에서는 주로 Al 기지와 Al₁₁Ce₃ 상으로 구성되었으나, Cu 함량이 증가함에 따라 추가적인 회절 피크가 나타나며 Al₂Cu 상의 존재가 확인되었다.¹¹⁾ 특히 1 wt% Cu가 첨가된 합금에서는 Al₂Cu 피크의 세기가 뚜렷하게 증가하였으며, 이는 Cu가 Al 기지 내에서 반응하여 Al₂Cu 금속간화합물을 형성했음을 의미한다.

Fig. 1.

XRD pattern of the as-cast Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) alloys.

Fig. 2는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 주조재 미세조직을 나타낸다. 모든 합금에서 Al(α) 기지 내에 분산된 입상 또는 침상 형태의 Al₁₁Ce₃ 상이 관찰되었으며, 이는 주조 과정에서 희토류 원소(Ce)가 Al과 반응하여 형성된 금속간화합물이다.

Fig. 2.

SEM images of the as-cast Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu [x = (a, d) 0, (b, e) 0.5 and (c, f) 1 wt%] alloys.

Cu가 첨가되지 않은 합금의 경우 Al₁₁Ce₃ 상이 비교적 조대하고 응집된 형태로 분포하였으나, Cu가 첨가됨에 따라 Al₂Cu 상이 새롭게 형성됨과 동시에, 기존에 형성된 Al₁₁Ce₃ 상이 주조 중 성장 및 응집되지 않고 보다 균질한 분포를 보인 것으로 판단된다. 이러한 상 분포의 변화는 이후 압출 공정에서 재결정 핵 형성에 유리한 미세조직을 제공하며, 기계적 특성 향상에도 긍정적으로 작용할 것으로 예상된다.¹²⁾

Fig. 3은 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 주조재에서 관찰된 상의 EDS 분석 결과를 나타낸다. 모든 합금에서 Al과 Ce가 동시에 검출되는 영역이 확인되었으며, 이는 XRD 분석에서 확인된 Al₁₁Ce₃ 상이 실제로 존재함을 보여준다. Cu가 첨가되지 않은 합금에서는 Ce 함량이 높은 Al₁₁Ce₃ 상이 기지 내에 분산되어 있었으며, Cu가 첨가됨에 따라 일부 영역에서 Cu 함량이 뚜렷하게 증가한 상이 관찰되었다. 특히 1 wt% Cu 합금에서는 Al과 Cu 원소가 주로 검출되는 미세입자가 관찰되어 Al₂Cu 상의 존재를 뒷받침하였다.

Fig. 3.

EDS analysis of the as-cast Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu [x = (a) 0, (b) 0.5 and (c, d) 1 wt%] alloys.

위와 같은 결과는 Cu 첨가가 응고 과정에서 Cu-rich 금속간화합물의 형성을 유도하며, 동시에 Al₁₁Ce₃ 상의 성장 및 응집을 억제하였다는 XRD 및 미세조직 관찰 결과와 일치한다. 따라서 EDS 분석은 각 합금에서 형성된 주요 금속간화합물의 조성적 특징을 명확히 검증함으로써 Cu 첨가에 따른 상 형성 거동의 변화를 정량적으로 입증하였다.

Fig. 4는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 압출재에 대한 XRD 패턴을 나타낸다. 모든 합금에서 주조 상태와 동일하게 α-Al 기지 피크가 주로 관찰되었으며, MM 첨가에 의해 형성된 Al₁₁Ce₃ 상이 공통적으로 검출되었다. Cu가 첨가된 합금에서는 주조재에서와 동일하게 Al₂Cu 상에 대응하는 회절 피크가 관찰되었으며, 이는 열간 압출 과정(400 °C)에서도 Al₂Cu 상이 분해되지 않고 유지되었음을 의미한다. Cu가 첨가되지 않은 합금에서는 Al₁₁Ce₃ 상만 존재하였고, Cu 함량이 증가함에 따라 Al₂Cu 상의 피크의 세기가 다소 증가하는 경향을 보였다.

Fig. 4.

XRD patterns of the as-extruded Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) alloys.

이러한 결과는 Cu 첨가에 따라 형성된 Al₂Cu 상이 열적으로 안정하여 압출 중에도 잔류했음을 보여준다. 따라서 압출 후에도 새로운 상의 형성이나 기존 상의 분해는 관찰되지 않았으며, 이는 Al₁₁Ce₃ 및 Al₂Cu 상이 모두 열적으로 안정한 상임을 확인시켜 준다.^13,14,15,16)

Fig. 5는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 압출재 미세조직을 나타낸다. 모든 합금에서 α-Al 기지 내에 미세한 금속간화합물 입자들이 분포하였으며, 이는 주조재에서 관찰된 Al₁₁Ce₃ 및 Al₂Cu 상이 압출 과정 중 변형과 재결정에 의해 분쇄(fragmentation) 및 재분포(redispersion)된 결과로 판단된다.

Fig. 5.

SEM images of the as-extruded Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu [x = (a, d) 0, (b, e) 0.5 and (c, f) 1 wt%] alloys.

Cu가 첨가된 합금에서도 주조재와 동일한 상들이 관찰되었으며, 특히 Al₂Cu 상은 압출 중에도 분해되지 않고 잔류하여 열적으로 안정한 거동을 보였다. 한편 Al₁₁Ce₃ 상은 열적으로는 안정하나 취성적인 특성을 가지므로, 압출 중 발생한 소성 변형에 의해 길게 연신되거나 미세하게 파쇄된 형태로 변화하였다.^14,17,18)

결과적으로, 두 상(Al₁₁Ce₃, Al₂Cu)은 모두 압출 후에도 잔류하였으나, 그 형태적 진화(morphological evolution)는 서로 달랐다. 이러한 금속간화합물의 형태 변화는 재결정 거동 및 기계적 특성 향상에 영향을 미칠 것으로 판단된다.

Fig. 6은 압출된 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 EBSD 역극점도(inverse pole figure, IPF) 맵을 나타낸다. Cu가 첨가되지 않은 합금은 변형집합조직(deformation texture)이 뚜렷하게 관찰되어 재결정이 거의 진행되지 않았음을 보여준다. 0.5 wt% Cu 첨가 합금에서는 일부 영역에서 재결정립이 형성되어 부분적 재결정이 발생하였으며, 1 wt% Cu 첨가 합금에서는 재결정립이 미세하게 분포하며 변형조직이 완화된 재결정 조직을 나타낸다. 이러한 경향은 Fig. 7 및 Table 2의 정량 분석 결과와 일치한다. 평균 결정립 크기는 578 → 137 µm로 감소하였고, 15° 이상의 고경각입계(high angle grain boundary) 분율은 0.124 → 0.299로 증가하였다. 이는 Cu 첨가에 따라 재결정이 촉진되고 입계 이동이 활성화되었음을 나타낸다.^19,20) 또한 Table 2에 제시된 방위분포함수(orientation distribution function, ODF) 최대 배향강도(max M.R.D.) 값이 Cu 첨가에 따라 6.597에서 3.88으로 감소하여 집합조직이 약화되는 경향을 보였다. 이는 Cu가 Al 기지 내에 고용되어 격자 왜곡과 에너지 불균일성을 유발하고, 이에 따라 재결정 핵 형성이 활성화된 결과로 판단된다.²⁰⁾ 따라서 Cu 함량이 증가함에 따라 재결정립 형성이 활성화되고 집합조직이 약화되며, 이는 결정립 미세화 및 기계적 특성 향상으로 이어진다.

Fig. 6.

EBSD inverse pole figure of the as-extruded Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu [x = (a) 0, (b) 0.5 and (c) 1 wt%] alloys.

Fig. 7.

Misorientation angles and average grain size of the as-extruded Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) alloys.

Fig. 8은 압출된 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) 합금의 인장시험 곡선을, Table 3은 각 합금의 항복강도, 인장강도 및 연신율을 정리한 것이다. Cu 함량이 증가함에 따라 항복강도와 인장강도가 모두 향상되었으며, 특히 1 wt% Cu 합금에서 가장 높은 강도 값을 나타냈다. 반면 연신율은 약간 감소하는 경향을 보였는데, 이는 Cu 첨가에 따른 상 형성과 재결정 거동의 변화가 복합적으로 영향을 미친 결과로 판단된다.

Fig. 8.

Engineering stress-strain curves of the as-extruded Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg-xCu (x = 0, 0.5, 1 wt%) alloys.

Cu 첨가에 따라 형성된 Al₂Cu 상은 Al 기지 내에서 석출물로 존재하며 전위 이동을 억제하여 석출 강화(precipitation strengthening)에 기여한다.^7,11) 또한 Cu가 고용되어 격자 왜곡(lattice distortion)을 유발함으로써 압출 과정 중 저장된 변형에너지가 증가하고, 이로 인해 동적 재결정(dynamic recrystallization)이 촉진되어 결정립 미세화(grain refinement)가 진행되었다.^10,19) EBSD 분석 결과 확인된 평균 결정립 크기의 감소(578 → 137 µm)와 고경각입계 분율 증가(0.124 → 0.299)는 이러한 재결정 촉진 효과를 잘 뒷받침한다.

따라서 Cu 첨가에 의한 Al₂Cu 상 형성에 따른 석출강화와, 재결정 촉진으로 인한 결정립 미세화 효과가 복합적으로 작용하여 강도가 향상된 것으로 판단된다. 이러한 복합 강화 기구에 의해 1 wt% Cu 합금이 가장 우수한 기계적 특성을 나타냈다.

4. 결 론

본 연구에서는 Al-1Zn-0.5MM-0.3Mg 합금에 Cu를 0, 0.5, 1 wt% 첨가하여 주조 및 압출 조건에서의 상 형성, 미세조직 변화, 재결정 거동 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 주요 결론은 다음과 같다.

4.1. 상 형성 거동

모든 합금에서 Al(α) 기지와 Al₁₁Ce₃ 금속간화합물이 공통적으로 형성되었으며, Cu첨가 시 Al₂Cu 상이 추가로 검출되었다. 특히 1 wt% Cu 합금에서 Al₂Cu 피크의 세기가 뚜렷하게 증가하여, Cu가 Al기지 내에서 반응해 Al₂Cu 상을 형성함을 확인하였다. 이 두 상은 열간 압출 후에도 안정하게 유지되었다.

4.2. 미세조직 및 재결정 거동

Cu 첨가에 따라 Al₁₁Ce₃ 및 Al₂Cu 상은 압출 과정 중 부분적으로 분쇄(fragmentation) 및 재분포(redispersion)되어 미세조직이 균질화되었다. EBSD 분석 결과, 평균 결정립 크기는 578 → 137 µm로 감소하고, 15° 이상의 고경각입계(high angle grain boundary, HAGB) 분율은 0.124 → 0.299로 증가하여 재결정이 현저히 촉진되었음을 확인하였다. 또한 ODF 최대 배향강도(max M.R.D.) 값이 6.597 → 3.88으로 감소하여 집합조직의 무작위화(randomization)가 진행되었다.

4.3. 기계적 특성 향상

Cu 첨가에 따라 항복강도(yield strength, YS)와 인장강도(ultimate tensile strength, UTS)는 각각 56.28 → 62.28 MPa, 91.58 → 152.73 MPa로 향상되었다. 이는 Al₂Cu 석출물에 의한 석출 강화(precipitation strengthening)와 Cu 고용에 따른 격자 왜곡으로 유도된 재결정 촉진 및 결정립 미세화(grain refinement)가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.

결과적으로, Cu 첨가는 Al-Zn-MM-Mg계 합금의 상 형성, 재결정 및 기계적 특성을 효과적으로 조절할 수 있는 강화 원소임이 확인되었다. 특히 1 wt% Cu 첨가 합금이 미세조직 안정성과 기계적 강도 간의 균형 측면에서 가장 우수한 성능을 나타낸다.