다이캐스팅으로 제조된 Silafont-36 합금의 기계적 특성에 미치는 T6 열처리 영향
서 남 혁*, 최 승 규*, 전 준 협*, 윤 상 일**, 김 동 현**, 김 태 영**, 손 승 배*, 이 석 재*†
*전북대학교, 신소재공학부
**(주)삼기오토모티브
Effect of T6 Heat Treatment on Mechanical Properties of Silafont-36 Alloy Fabricated by Die Casting
Namhyuk Seo
*, Seunggyu Choi
*, Junhyub Jeon
*, Sang-Il Yoon
**, Dong-Hyeon Kim
**, Taeyoung Kim
**, Seung Bae Son
*, Seok-Jae Lee
*†*Division of Advanced Materials Engineering, Jeonbuk National University, Jeonju 54896, Republic of Korea
**Samkee Automotive, Seosan 31919, Republic of Korea
(Received : Oct. 31, 2020, Revised : Nov. 23, 2020, Accepted : Dec. 21, 2020)
Abstract : Silafont-36 alloy is an Al-Si-Mg based alloy widely used in automotive applications. Its mechanical properties can be changed through T5 or T6 heat treatment. In this study, we investigated the influence of T6 heat treatment on the mechanical properties of Silafont-36 alloy prepared by die casting. The standard T6 heat treatment condition is as follows: (1) solution heat treatment for 2 hours in vacuum atmosphere at 510°C and water quenching, and (2) artificial aging treatment for 4 hours at 180°C in vacuum atmosphere and air cooling. Heat treatments were applied based on the above treatment conditions with changes in the solution treatment and artificial aging treatment conditions. Tensile test, hardness test, and microstructure analysis were performed on the heat-treated specimens. As the solution treatment temperature increased, the tensile strength increased. On the other hand, tensile strength decreased with increasing aging temperature and holding time. From a microstructure analysis, it was confirmed that the tensile strength increased with decreasing secondary dendrite arm spacing.
Keyword : Silafont-36 alloy, T6 heat treatment, Mechanical properties, Microstructure, Secondary dendrite arm spacing (SDAS)
1. 서 론
에너지 소비량이 증가함에 따라 CO2 등 지구온난화에 영향을 미치는 환경오염 요소들을 규제하고, 국제협약을
†Corresponding Author 성 명 : 이 석 재
소 속 : 전북대학교 신소재공학부
주 소 : 전북 전주시 덕진구 백제대로 567 전북대학교 공과대학 4호관 4303호
전 화 : 062-270-2298
E-mail : [email protected]
통해 지구온난화 억제에 힘쓰고 있다. 이에 따라 자동차 산업은 자동차 연비의 효율을 증진시키고 가스 배출량을 줄이기 위해 차의 무게를 경량화시키는 다양한 방법을 사용하고 있다[1, 2]. 또한, 근래에 와서 화석연료를 대체하여 전기, 하이브리드, 수소 자동차 개발이 급격 하게 늘어나고 있고 그에 따른 수요도 증가하고 있다.
전기, 하이브리드 등 대체 연료 자동차는 기존 내연기관 화석연료 자동차의 엔진을 대신하여 모터와 배터리가 쓰이며, 배터리를 외부의 충격 등으로부터 안전하게 지키는 배터리 팩과 모듈에 알루미늄 합금이 많이 쓰이고 있다[3, 4].
알루미늄 합금은 비강도와 내식성이 우수하며 경량 소재로 각광받고 있다. 알루미늄 합금이 자동차에 적용
되기 위해서는 성형성이 우수하면서도 높은 강도를 가져야 한다. 특히 주조 재료로서 Al-Si-Mg계 합금 중 Silafont-36은 주조성, 기계적 특성, 부식 저항성이 우수하여 각종 프레임 등 복잡한 형상이 요구되는 부품에 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로서 많이 사용 되고 있다. Silafont-36 합금은 Al-Si계 합금에 Sr, Ti 등을 첨가된 것으로, 독일의 Rhinfelden Gmbh 사에서 1995년에 개발한 합금이다. 합금 원소 Sr이 eutectic Si 상을 미세하게 하고, 구형으로 형성되게 함으로써 좋은 연성을 갖게 한다. 또한, Ti는 결정립 미세화에 영향을 주고 Cu는 부식 저항성을 향상시킨다. Mg와 Si는 Mg2Si를 형성하여 합금의 항복강도와 인장강도를 증가시키는 역할을 한다[5-10].
주조로 제조된 합금의 특성을 제어하는 요소는 미세 조직, 석출물 등 다양하며, 이 중 중요한 요소는 미세 조직으로 그 척도를 나타내는 secondary arm dendrite spacing (SDAS)으로 확인할 수 있다. SDAS 크기는 기계적 특성과 큰 관련이 있는데, SDAS의 크 기가 수지상 사이에 생성되는 eutectic Si의 크기와 분포를 제어하여 특성에 영향을 끼치기 때문이다[11].
Chen[12] 등은 Al-7Si-Mg 주조 합금에서 냉각 속도를 빠르게 하면 α-aluminum dendrite 상과 eutectic Si 상을 미세하게 하여 파괴 경로를 입계로 바꾸어 연 성 파괴로 변환시켜 인장강도와 연성을 향상시켰다고 보고하였다.
Silafont-36 합금은 특정 열처리 조건을 통해 목표로 설정한 기계적 특성에 도달할 수 있다. 높은 연성이 요구되면, T4(용체화 처리 → 수냉 → 6일 이상 자연 시효 처리)와 T7(용체화 처리 → 수냉 → 과잉 시효 처리) 열처리를 적용시키고, 높은 강도를 목표로 하면 T5(고온 가공 후 수냉 → 인공 시효 처리)와 T6(용체화 처리 → 수냉 → 인공 시효 처리) 열처리를 통해 얻을 수 있다[13]. 고온에서 진행되는 용체화 처리는 Mg가 풍부한 금속 간 상을 용해시키며, 합금 원소들을 균일 화시키고, eutectic Si를 구상화하는 것이 목적이다.
시효 처리는 잔류 응력을 해소하는 역할을 한다. 시효 처리에 의해 잔류응력이 해소되면 연성이 좋아지는 것이 통상적이지만, Lados[14] 등은 Al-Si-Mg 주조 합금의 경우 Si 양에 영향을 받는다고 보고하였다. Si가 1~7%인 경우 Si 양이 많아질수록 연성이 많이 감소 하지만, 7~13%인 경우 연성이 시효 처리에 영향을 받지 않는다고 보고하였다.
Timelli[15] 등은 AI-7Si-Mg-Mn 합금을 T6 열처 리를 하였을 때, 용체화 처리 시간이 15~480분 일 때, 60분에서 최대 항복강도 값을 나타내었고, 그 이후 용체화 처리 시간이 길어져도 크게 영향을 받지 않는 다고 보고하였다. Pedersen[16] 등은 Al-Si-Mg 합금 을 주조하여 응고시킨 후 용체화 처리를 813K에서 60, 140, 1440분을 진행할 때, 60분에서 가장 높은 강도를 가진다고 보고하였다. 또한, 응고 냉각 속도를 느리게 하면 강도가 감소하지만, 높은 농도의 Mg를 내포한 합금은 강도 감소와 더불어 연성이 증가한다고 보고하였다. 최근 Lee[17] 등은 AA365 (Silafont-36) 합금에서 응고 시 빠른 냉각 속도로 인해 SDAS 크기 가 작아져 항복강도 및 인장강도가 향상되었다고 보고
하였다. 냉각속도가 각 열처리에 미치는 영향에 대한 다른 연구에서는 T6 열처리는 시효 냉각 속도에 크게 영향을 받지 않는다고 보고하였다[18]. 기존 Silafont-36 합금에 대한 많은 연구가 진행되었지만 T6 열처리 과정 중 열처리 변수와 기계적 특성에 대한 실용적 열처리 설계 관점에서의 체계적인 연구의 필요성을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 Silafont-36 합금 에서 T6 열처리를 하여 용체화 처리 온도와 인공 시효 처리 온도 및 시간 조건에 따른 합금의 기계적 특성에 미치는 영향을 제시하고자 연구를 진행하였다.
2. 실험 방법
본 연구에서 사용된 Silafont-36 알루미늄 합금은 다이캐스팅으로 제조되었고, 그 조성은 Table 1에 나 타내었다. 인장 시험을 위해 ASTM E8 sub-size 시편 으로 가공을 하였다. 가공된 시편은 관상로(Lenton Co., LTF-15/50/450)에서 열처리를 진행하였으며, 합 금의 T6 열처리에 따른 효과를 알아보기 위해 용체화 처리 온도와 인공 시효 처리 온도 및 시간에 변화를 주었다. 열처리 설정은 Rheinfelden Gmbh 사에서 제공하는 Silafont-36 catalogue 중 ‘Processing data sheet’를 참고하였다[19]. Table 2에 용체화 처 리 온도와 시효 처리 온도 및 시간에 대한 각각의 열 처리 조건을 나타내었다. AT18, AH04, ST51은 같은 열처리 조건이지만 표기만 다를 뿐 시험 결과는 동일 하다. 열처리를 마친 시편의 기계적 특성을 평가하기 위해 인장 시험과 경도 시험을 각각 진행하였다. 인장 시험은 만능재료시험기(Instron Co., 5569)를 이용하 였고, 경도는 Rockwell 경도 시험기(Matsuzawa Co., BESTROC-300N)로 측정하였다. 열처리에 따른 미세 조직의 변화를 분석하기 위하여 광학 현미경 (OM,Leica Co., DMC 2900)을 사용하였다. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS)가 장착된 전 계방사형 전자현미경 (FE-SEM, Hitachi Co., SU-70)을 활용하여 미세조직 관찰과 더불어 성분 원소 분석을 실시하였다. 미세조직을 관찰하기 위하여 시편을 1μm 까지 기계적 연마를 실시한 후 modified Keller’s reagent(10ml HNO3, 1.0ml HF, 1.5ml HCl, 87.5ml 증류수)로 에칭하였다[20]. OM 관찰 시 결정 립 미세화 정도를 평가하는 기준으로 열처리에 따른 SDAS를 Leica Application Suite(LAS, ver. 4. 6.
1)로 측정하였다. SDAS 측정은 각 시편 당 5회 측정 후 산술평균을 이용하였다.
Element wt.%
Si 11.31
Mn 0.67
Fe 0.11
Mg 0.04
Ti 0.096
Zn 0.005
Cu 0.004
Sr 0.004
Al Bal.
Table 1. Chemical composition of Silafont-36
Notation
Solution
treatment Aging treatment T (°C) t (h) T (°C) t (h)
ST49 490 2 180 4
ST51 510 2 180 4
ST53 530 2 180 4
AT16 510 2 160 4
AT18 510 2 180 4
AT20 510 2 200 4
AH02 510 2 180 2
AH04 510 2 180 4
AH06 510 2 180 6
AH08 510 2 180 8
AH12 510 2 180 12
Table 2. Heat treatment conditions
3. 결과 및 고찰
알루미늄 합금의 T6 열처리 변화에 따른 기계적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위해 인장 시험을 실시하고 각 조건 별 결과를 Figure 1에 나타내었다.
각 열처리 조건에 따른 기계적 특성은 다음과 같은 영향을 받는다. Figure 1의 (a)에서 용체화 처리 온도에 따라 인장강도가 크게 영향을 받지 않았다. Figure 1의 (b)와 (c)에서는 시효 온도와 시간이 증가함에 따라 인장강도가 감소하는 경향을 보였다. Sj lander 등이 보고한 시효 온도와 시간이 증가함에 따라 인장강도가 감소하는 경향과 일치하였다[21]. Figure 2는 인장 강도와 경도 측정 결과를 함께 도시하였다. 경도 측정은 각 조건 별로 5회를 측정한 뒤 최댓값과 최솟값을 제외하고 산술평균을 이용하였다. 경도 결과 역시 각 열처리 조건에 따른 인장강도 결과와 같은 경향을 보였다[22,23]. 일반적인 금속에서 알려진 바와 동일 하게 경도와 강도의 선형적인 비례 관계를 확인하였다.
Figure 1. Tensile strength of Silafont-36 heat treated each conditions: (a) solution temperature,
(b) aging temperature, (c) aging time.
Figure 2. Distribution of Rockwell hardness with tensile strength.
T6 열처리 변화에 따른 미세조직에 미치는 영향을 알아보기 위해 표면을 OM과 FE-SEM으로 관찰하여 Figure 3에 나타내었다. OM과 FE-SEM으로 관찰한 결과 열처리에 따라 육안으로 큰 차이를 보이지 않아 ST51의 사진만 나타내었다. Figure 3의 OM과 FE-SEM 이미지는 각각 100과 1000 배율이다. Figure 3의 (b)
에서 표시한 각 부분을 EDS를 통해 성분 분석을 하였다. FE-SEM 이미지에서 어두운 부분은 α-aluminum 이고 수지상의 형태로 성장하였다. 밝은 부분에서 구형에 가깝고 α-aluminum 상 사이사이에 모여서 형성한 것은 eutectic Si (B표시)이고, 움푹 들어가 있는 것처럼 보이는 것은 Al12Mn3Si2 (A표시)이다 [18,24,25]. Eutectic Si는 Silafont-36 합금에 첨가된 Sr 원소와 T6 열처리에 의한 입자 미세화와 구상화를 보고하고 있다. 이렇게 생성된 eutectic Si는 Silafont-36 합금의 기계적 강도를 높이는데 큰 영향 을 끼친다[22,26,27]. Al12Mn3Si2에 대한 EDS분석 결과는 Figure 4에 나타내었다.
Figure 3. OM and FE-SEM images of ST51 specimen.
Figure 4. EDS analysis of Al12Mn3Si2
T6 열처리의 조건에 따라 미세조직이 육안으로 큰 차이를 보이지 않아 SDAS를 측정하여 열처리 조건에 따른 미세조직의 변화를 알아보고자 하였다. Figure 5는 OM 이미지에서 AT16의 SDAS를 측정한 방법이다.
측정방법은 Vandersluis와 Ravindaran이 제시한 측 정 방법과 SDAS의 계산식 SDAS(㎛) = L/(N-1)을 사 용하였다. 전체 두께 길이 L을 한쪽 끝의 중간부터 다 른 한쪽 끝 중간으로 지정하였으며, N은 전체 길이에 있는 dendrite 상의 개수이다[28]. Figure 6은 위의 방법으로 SDAS를 측정하여 평균을 낸 결과이다. SDAS의 차이가 크지는 않지만 열처리에 따라 두께의 변화에 경향성이 있음을 확인할 수 있다. SDAS는 용체화 온도, 시효 온도, 그리고 시효 시간이 증가함에 따라 모두 증가하는 경향을 보였다.
Figure 5. OM image for the measurement of SDAS in AT16.
Figure 6. Average SDAS of α-aluminum dendrite of Silafont-36
each conditions: (a) solution temperature, (b) aging temperature,
(c) aging time.
Figure 7은 각 열처리 조건에 따라 인장강도와 SDAS의 관계를 나타낸 관계도로 SDAS가 작을수록 인장강도가 증가하는 결과를 확인할 수 있다. SDAS가 작을수록 dendrite상의 경계에 존재하는 전위에 의한 반발 응력이 작아져 재료를 통해 전위가 전파되는데 필요한 응력이 높아진다. 또한, SDAS는 eutectic Si 뿐만 아니라 금속간 화합물의 크기와 분포에 직접적 으로 관여를 한다. 이러한 SDAS 감소에 따른 인장 강도의 증가 경향은 기존에 보고된 연구 결과들과도 일치함을 확인하였다[11,12,17,29].
Figure 7. Distribution of SDAS with tensile strength.
Figure 8은 각 열처리 조건에 따른 인장강도 데이 터를 활용하여 회귀분석을 실시한 모델링 결과이다.
모델링을 이용한 인장강도 예측값은 실제 실험값과 매우 근접한 결과를 보였다. 인장강도 모델링을 활용 하여 용체화 온도 510°C에서 시효 온도와 시효 시간에 따른 인장강도 공정 지도를 Figure 9에 도시하였다.
공정 지도에 의하면 시효 온도 낮고, 시효 시간이 짧을 수록 높은 인장강도를 갖는 것을 알 수 있다. 특히 실험으로 구한 최대 인장강도인 320MPa 이상의 높은 인장강도는 주어진 용체화 처리 온도에서 2시간 미만 의 짧은 시효 처리를 통해 확보가 가능할 것으로 모델 을 통해 예측할 수 있다. 제시된 공정 지도를 통해 현장에서 효율적인 열처리 조건 확립이 가능할 것으로 기대한다.
Figure 9. Process map for the solution temperature of 510°C
4. 결론
본 연구에서는 다이 캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금 Silafont-36을 이용하여 T6 열처리의 용체화 처리 온도와 인공 시효 처리 온도 및 시간의 변화에 따른 기계적 특성 변화를 확인하였다. 회귀분석을 통해 열처리 조건 별 인장 강도에 대한 공정 지도를 제시 하였다. 인장강도는 각 열처리 조건에 대하여 용체화 처리 온도에는 크게 영향을 받지 않았으며, 시효 온도와 시간이 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 미세조직 분석을 위해 OM과 FE-SEM을 이용하여 관찰을 하였 으나, 육안으로 크게 차이가 나지는 않았다. 미세조직 변화의 정확한 분석을 위해 SDAS의 크기를 측정하였고, 용체화 처리 온도가 증가할수록 증가하였고, 시효 온도와 시간이 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. SDAS 크기는 각 열처리 조건 별로 큰 차이는 없지만, SDAS가 클수록 인장강도가 감소하는 경향은 동일하게 나타 났다. 실험으로 구한 인장강도 결과를 열처리 온도와 시간에 대한 함수로 회귀분석을 실시하고 공정 지도를 제시하였다.
감 사
본 연구는 산업통상자원부, 중소벤처기업부의 재원 으로 월드클래스 300 프로젝트 기술개발지원사업 지원에 의하여 이루어진 것임(과제번호 : S2521594).
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