1. 서 론
최근, 에너지 문제의 해결을 위한 하나의 방안으로 수송기기의 경량화와 관련된 연구가 많은 주목을 받고 있다. 철강 재료는 고강도, 저비용, 우수한 가공성 등의 이점으로 인해 자동차, 철도, 선박 등에 많이 사용되어 왔으나, 큰 밀도로 인해 에너지 절감의 관점에서 적합하지 않으므로 대표적인 경량금속인 알루미늄,1,2,3,4,5,6,7) 마그네슘8,9,10,11)과 같은 경량 재료가 많은 주목을 받고 있다. 특히, 알루미늄합금은 안정성이 검증된 합금으로 오래전부터 수송 기기용 구조 재료로 많이 사용되어왔으며, 최근에는 전기자동차의 배터리 케이스용 재료에도 사용되는 등 그 적용 범위가 점점 넓어지고 있는 추세에 있다.6) 그러나 경량화의 효과를 극대화 시키기 위해서는 강도, 연성, 내충격성 등 기계적 특성을 향상시킬 필요가 있다. 이와 같은 알루미늄합금의 기계적 특성을 향상시키는 방법 중의 하나로 이종알루미늄합금의 압연접합공정(roll-bonding process)을 고려해 볼 수 있다.
본 연구팀은 이전 연구에서 대표적인 저강도 고연성 합금인 AA1050과 열처리용합금이며 상대적으로 고강도 합금인 AA5052을 이용한 냉간압연접합공정(cold roll-bonding, CRB)을 통하여 2~4층(layer, L)에 걸친 층상 복합판재를 제조하여 다양한 강도-연성 조합의 기계적 특성을 구현할 수 있었다.12,13,14,15,16,17) 또한 AA5052 합금의 기계적 특성 향상을 위하여 2L과 4L CRB를 실시하여 CRB가 AA5052 합금의 기계적 특성 향상에 매우 효과적임과 그 상승효과는 2L-CRB에 비해 4L-CRB가 더 효과적임을 알 수 있었다.18) 본 연구에서는 대표적인 비열처리용 합금인 AA1050과 AA5052의 조합으로 CRB 공정을 실시하였다. AA1050은 성형성, 표면처리성이 우수할 뿐 아니라 내식성은 알루미늄합금 중에서 최고로 우수하다. 다만, 순도가 높은 알루미늄이므로 강도가 낮은 단점이 있다. 반면, AA5052는 중간 정도의 강도를 가진 대표적인 알루미늄합금으로 내식성, 용접성, 성형성이 좋으며 피로강도가 높고 내해수성 또한 우수하다. 따라서 이 두 합금의 조합은 알루미늄의 강도와 연성의 향상 외에도 상하 부위에 다른 특성이 요구될 때 필요에 따라 효율적으로 적용할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 AA1050과 AA5052를 사용한 CRB 공정 및 어닐링을 통해 다양한 AA1050/AA5052 층상 재료를 제조하여 기존 재료들의 기계적 특성과 비교 분석하였다.
2. 실험 방법
2.1. 냉간접합압연(CRB)
Table 1에 본 연구에 사용된 시판용 AA1050과 AA5052 판재의 화학조성을 나타내었다. 압연용 시편의 크기는 길이 300 mm, 폭 30 mm, 두께 1 mm로 하였으며, 시판용 가공 판재의 잔류응력을 제거하기 위하여 400 °C에서 30분 동안 균질화처리를 진행한 후 실험 출발재료로 사용하였다. 그러므로 AA1050과 AA5052 판재의 출발재료는 Fig. 1과 같이 재결정조직을 나타내고 있으며, AA1050의 평균결정립경이 36.8 µm로 14.7 µm인 AA5052에 비해 2배 이상 컸다. 또한, AA1050의 인장강도와 연신율은 각각 83 MPa과 45 %였으며,12) AA5052는 각각 207 MPa와 29 %였다.13)
Table 1.
Chemical composition of AA1050 and AA5052 studied (wt%).
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | Each | Al | |
| AA1050 | 0.03 | 0.29 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | - | 0.01 | 0.009 | 0.03 | RE |
| AA5052 | 0.25 | 0.40 | 0.10 | 0.10 | 2.5 | 0.2 | 0.1 | - | 0.03 | RE |
Fig. 2에 CRB 공정의 모식도를 나타내었다. 우선, AA1050 판재와 AA5052 판재의 접합될 부위에 각 판재의 표면에 형성되어 있는 산화피막을 제거하기 위해 탈지 및 wire-brushing 등에 의한 표면처리를 실시한 후 두 판재를 적층하여 CRB를 실시하였다. 압연은 작업 롤의 직경이 370 mm인 4단 압연기를 사용하여 무윤활 조건에서 롤 주속 5.0 m/s로 실시하였으며, 1 pass당 압하율을 50 %로 하여 2 pass 압연하여(총압하율 75 %) 최종두께 0.5 mm가 되도록 하였다. 또한 압연접합된 AA1050/AA5052 층상판재에 대하여 200~400 °C 온도 범위에서 1시간 동안 어닐링하였다.
2.2. 특성 평가
광학현미경(optical microscopy, OM)을 통한 미세조직 관찰을 위하여 시편을 판재 중앙부에서 TD (thickness direction)면에 평행하게 압연 방향으로 자른 후, 사포에 의한 조연마 및 미세연마를 통해 경면을 만든 후에 HClO4 : CH3CH2OH = 3 : 17 용액 속에서 액체 온도 -5 °C, 전압 20 V의 조건에서 전해 에칭을 하였다. 또한, 더욱 세밀한 미세조직 분석을 위하여 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)/EBSD (electron back scattering diffraction) 측정을 실시하였으며, SEM 관찰은 Philips XL30s FEG-SEM 내에서 가속전압 20 kV의 조건 하에서 진행하였으며 EBSD 해석에는 Tex SEM Laboratory (TSL)사의 EBSD 해석 프로그램 TSL OIM Data Collection ver. 3.5를 이용하였다.
시편의 기계적 특성 평가를 위하여 인장 및 경도시험을 실시하였다. 인장시험은 상온에서 초기변형속도 8.3 × 10-4 s-1의 조건에서 진행하였다. 인장시험용 시편은 인장축이 압연방향과 일치되게 하여 방전가공기에 의한 와이어 커팅기를 사용하여 KS 5호 규격의 1/5크기(평행부 폭 5 mm, 표점간 거리 10 mm)로 제작하였다. 경도시험은 Micro-Vickers 경도 시험기를 사용하여 0.05 Kg의 하중에서 10초간의 압입시간의 조건에서 측정하여 진행하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1. 미세조직
Fig. 3에 AA1050/AA5052 CRB 판재와 어닐링된 시편의 광학현미경 미세조직을 나타내었다. Fig. 3(a)에서와 같이 CRB에서 접합된 AA1050과 AA5052 판재의 경계 부위가 명확히 관찰되며, AA1050과 AA5052의 모든 부위에서 결정립이 압연 방향으로 크게 연신된 전형적인 가공조직을 나타내었으나 두께 방향으로는 다소 불균일한 미세조직을 나타냄을 알 수 있다. 이와 같은 가공조직은 200 °C 및 250 °C 어닐링 후에서도 여전히 관찰되었으며, 표면 부위는 미세하고 중앙부위는 다소 큰 결정립을 가진 불균일한 가공조직을 나타냄을 확연히 관찰할 수 있다. 이와 같은 두께 방향의 미세조직의 불균일성은 무윤활 조건의 압연에서 자주 나타나는 현상으로 압연 롤과 시편 사이의 마찰에 의해 시편의 표면 부위에 크게 도입되는 부가적 전단변형에 기인한 것이다. 그러나 300 °C 이상의 어닐링재에서는 AA1050와 AA5052 모든 부위에서 재결정이 일어나 등축의 결정립들로 구성된 재결정조직을 나타내었으며, AA1050 부위의 결정립이 AA5052 부위에 비해 조대하였다. 그런데 두 재료 모두 표면 부위의 결정립 크기가 다른 부위에 비해 더 미세함을 알 수 있는데 이것 역시 압연 시에 도입된 부가적 전단변형에 기인한 것이다.
Fig. 4는 SEM/EBSD 측정에 의해 얻어진 200 °C 어닐링재의 AA1050, AA5052 부위 및 접합 부위의 ND (normal direction) & GB (grain boundary) maps 및 어긋남각(misorientation angle)분포의 분율을 나타낸 것이다. ND map을 통하여 AA1050, AA5052 부위 모두 결정립이 압연방향으로 크게 연신된 가공조직을 나타내고 있고 AA5052 부위의 조직이 더 미세함을 확인할 수 있다. 그리고 GB map을 통하여 모든 부위에서 어긋남각이 15° 이상인 고경각입계(high-angle grain boundaries, HAGB)의 분율이 저경각입계(low-angle grain boundaries, LAGB)의 분율에 비해 낮으며 그 정도는 HAGB 분율이 33.3 %인 AA1050 부위에서 더 큰 것을 알 수 있다.
Fig. 5는 250 °C 어닐링재의 SEM/EBSD 측정결과를 나타낸 것인데, ND map에서와 같이 모든 부위에서 여전히 가공조직을 나타내고 있는 것과 AA1050의 결정립이 AA5052에 비해 큰 것은 200 °C 어닐링재와 유사하나, 결정립의 길이가 압연방향으로 줄고 두께방향으로는 두꺼워진 형상의 변화를 확인할 수 있다. 그리고 어긋남각의 분포는 모든 부위에서 200 °C 어닐링재와 거의 같은 양상을 나타내었다.
Fig. 6에 300 °C 어닐링재의 SEM/EBSD 측정결과를 나타내었다. 그림에서와 같이 AA1050 부위는 접합부위 부근을 제외한 거의 모든 영역에서 재결정이 발생하여 등축의 재결정조직을 나타내었으며 AA5052 부위는 모든 영역에서 재결정이 발생하여 전체가 등축결정립으로 뒤덮인 완전재결정조직을 나타낸다. 다만 재결정립 크기는 부위에 따라 크게 달랐으며 AA5052 부위의 평균결정립경이 4.7 µm로 28 µm인 AA1050 부위에 비해 월등히 미세하였다. 또한 어긋남각 분포는 AA1050 부위는 남아있는 가공조직으로 인해 LAGB 분율이 67.7 %로 여전히 높았으나 AA5052 부위에서는 완전재결정으로 인해 HAGB 분율이 84.8 %로 압도적으로 높게 나타났다.
Fig. 7에 400 °C 어닐링재의 SEM/EBSD 측정결과를 나타내었는데 AA1050, AA5052 모든 부위에서 완전재결정이 발생하여 등축의 결정립조직을 나타내고 있으며, AA1050 영역의 평균 결정립경은 27 µm로 300 °C 어닐링재와 유사하였으나 AA5052 영역의 평균결정립경은 10 µm로 300 °C 어닐링재에 비해 약 2배 증가하였다. 또한, 어긋남각 분포는 AA5052 부위 뿐 만 아니라 AA1050 부위에서도 HAGB 분율이 78.7 %로 LAGB에 비해 압도적으로 높은 것을 알 수 있다.
3.2. 기계적 성질
Fig. 8에 출발재료, CRB재(as-rolled) 및 어닐링재의 두께방향으로의 경도분포를 나타내었다. Fig. 8(a)에서와 같이, 경도는 모든 어닐링 조건에서 AA1050에 비해 AA5052 부위에서 더 큰 두께방향으로 불균일한 경도분포를 나타내었다. 또한, CRB재는 AA1050과 AA5052 부위 모두 가공경화에 의해 출발재보다 높은 경도값을 나타내지만, 어닐링온도가 증가함에 따라 회복과 재결정에 의해 경도값이 다시 크게 감소하였으며 그 감소폭은 AA1050에 비해 AA5052 부위에서 더 컸다. 특히, 어닐링 온도가 250에서 300 °C로 증가할 때 경도의 감소폭이 가장 컸는데 이것은 재결정의 발생에 기인한 것이다.
Fig. 9는 CRB재 및 어닐링재의 인장시험에 의한 공칭응력-공칭변형율 곡선[Fig. 9(a)]과 인장강도-연신율 그림[Fig. 9(b)]을 나타낸 것이다. Fig. 9(a)와 같이, CRB재의 인장강도가 377 MPa로 출발재료 AA1050 (83 MPa)에 비해 약 4.5배, AA5052 (207 MPa)에 비해 약 1.8배 증가하였으며, 두 재료의 평균값(145 MPa) 대비로는 약 2.6배나 증가하였다. 그러나 Fig. 9(b)와 같이 인장강도 및 항복강도는 어닐링 온도가 증가함에 따라 크게 감소하였으며, 그 감소량은 250 °C에서 300 °C 사이에서 가장 컸으며, 인장강도에 비해 항복강도의 감소폭이 더 컸다. 그와 반대로 파단연신율은 어닐링 온도와 함께 증가하여 CRB재에서는 6.7 %였던 것이 300 °C 어닐링 후에는 약 30 %로 증가하였다. 여기서 250 °C까지의 어닐링 온도 증가에 따른 강도의 감소와 연신율의 증가는 주로 회복에 의한 것이고, 300 °C 이상에서의 강도와 연신율의 큰 변화는 주로 재결정에 기인한 것이다. Fig. 10에 어닐링 온도에 따른 기계적 특성 변화를 인장강도-연신율 그림으로 나타내었다. 참고를 위하여 이전 연구에서 발표한 AA5052의 2L-CRB의 결과18)와 상업용 AA5052의 어닐링(O)재와 여러 가공경화(H)재의 표준값19)도 나타내었다. 그림과 같이 모든 재료들은 강도가 높고 연신율이 낮은 가공재 그룹(A그룹)과 강도가 낮고 연신율이 높은 어닐링재 그룹(B그룹)으로 나뉘어 진다. A그룹의 경우, 본 연구의 AA1050/AA5052 CRB재의 인장강도가 이전 연구의 AA5052-2L CRB재보다 약간 높고 상업용 AA5052-H재 및 AA1050-H재에 비해서는 월등히 높은 값을 나타냄을 알 수 있다. 그러나 B그룹의 경우, 이전 연구의 AA5052-2L CRB재가 본 연구의 AA1050/AA5052 CRB재와 상업용 AA5052-O재에 비해 확연히 높은 인장강도를 나타내었다. 그러나 연신율의 경우는 큰 차이는 아니지만 본 연구의 AA1050/AA5052 CRB재가 AA5052-O재 및 AA5052-2L CRB재에 비해 높은 값을 나타내었다. 이와 같은 기계적 특성의 차이는 두 재료 모두 강도가 높은 AA5052를 사용한 이전 연구18)에 비해 본 연구에서는 하나를 AA5052보다 강도가 낮은 AA1050을 사용한 것이 주된 요인이라 판단되어 진다. 결론적으로 본 연구를 통해 AA1050과 AA5052를 사용한 CRB를 통해 다양한 기계적 특성을 가진 일종의 AA1050/AA5052 층상판재를 성공적으로 제조할 수 있었다. 이와 같이 상하 특성이 다른 층상판재는 인장 및 항복강도 외에도 내부식성, 내충격성 향상에도 이점이 있을 것이라 생각되므로 추후 많은 연구가 필요하다 판단된다.
4. 결 론
CRB 공정 및 어닐링을 통해 제조한 AA1050/AA5052 층상알루미늄판재의 미세조직 및 기계적 특성을 조사한 결과 다음과 같이 결론내릴 수 있다.
(1) CRB재 및 250 °C 이하에서 어닐링된 층상알루미늄판재는 결정립이 압연방향으로 크게 연신된 전형적인 가공조직을 나타내었으나, 300 °C 이상의 어닐링재에서는 재결정이 발생하여 등축의 결정립조직을 나타내었으며 결정립경은 AA1050 부위에 비해 AA5052 부위에서 더 미세하였다.
(2) CRB재 및 250 °C 이하의 어닐링재에서는 결정립계의 어긋남각이 15° 이하의 저경각입계의 분율이 높았으나, 재결정이 발생한 300 °C 이상의 어닐링재에서는 15° 이상의 고경각입계의 분율이 높았다.
(3) CRB재 및 모든 어닐링재에서 AA5052 부위의 경도가 크고 AA1050 부위의 경도가 낮은 두께방향으로 불균일한 경도 분포를 나타내었으며, 평균경도는 어닐링온도가 증가함에 따라 감소하였다.
(4) CRB재의 인장강도는 377 MPa로 출발재료인 AA1050와 AA5052에 비해 각각 약 4.5배, 약 1.8배 증가하였으며, 두 재료의 평균값 대비로는 약 2.6배 증가하였다. 그러나 어닐링재의 인장강도는 온도가 증가함에 따라 크게 감소하였으며, 그 감소량은 250 °C에서 300 °C 사이에서 가장 컸다. 파단연신율은 어닐링온도가 증가함에 따라 크게 증가하였다.
(5) 본 연구의 AA1050/AA5052 층상판재의 인장강도는 이전 연구의 AA5052-2L에 비해 250 °C 이하의 저온 어닐링조건에서는 높았으나 300 °C 이상에서는 낮았다.
