알루미늄 합금(6063)의 최적 강도 증가를 위한 연구

(급냉 및 시효경화 열처리에 관한 연구)

박 진 한,  백 귀 찬,   김 용 욱

경희대학교 화학공학과

Optimum Mechanical Properties of Aluminium Ally 6063 by Heat Treatment

Jin-Han Park, Gwi-Chan Paik, Yong-Wook Kim

Department of Chemical Engineering, KyungHee University

서론

Al합금 중 6063은 Al-Mg-Si계의 합금으로 압출성, 단조성 등의 성형성이 우수하여 봉재, 판재, 각재, 관재 등으로 가공되어 자동차 등의 수송기계부품이나 건축자재로 많이 사용되고 있으며 2XXX계열 (Al-Cu계) 이나 7XXX계열(Al-Zn-Mg계)에 비해 강도는 낮지만 T6열처리에 의해 강화되어 최대인장강도 245MPa내외의 강도값을 갖는다.

6063 Al 합금의 시효석출과 관련하여 Mg2Si의 금속간화합물이 시효석출됨으로써 강화된다는 것은 잘 알려진 사실이지만 특정 시효온도에서의 석출거동에 관한 체계적인 조사 연구는 아직 미흡한 실정이며 기계적 성질을 고려한 최적 열처리조건에 관한 자료는 부족한 실정이다.

따라서 6063 Al합금의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 시효처리의 영향을 체계적으로 조사함으로써 최대 강도를 가지는 시효 열처리온도에서 시효시간에 따른 석출거동과 최적 열처리 조건의 규명이 필요하다.

이론

금속을 강화시키는 중요한 방법으로서 고체강화, 가공경화, 열처리에 의한 강화등이 알려져 있다. 이중에서 열처리에 의한 강화법으로 Martensite변태, 시효석출, 공석반응, 규칙-불규칙변태등이 이용되고 있다.

이중에서 시효석출에 관한 강화현상에 대해서 고찰하기로 하겠다.

Al 합금의 시효석출에 과한 기초적 연구는 다음과 같이 대별된다.

1) 시효석출 생성물의 결정학적 구조의 결정과 생성에 관한 제성질의 변화연구

2) 시효석출 현상의 열역학적 및 상태도론적 연구

3) 시효석출현상의 속도론적 연구

시효 석출 생성물의 결정구조는 분자해능 전자현미경이나 전자이온현미경의 등장으로 원자크기까지 관찰할 수 있게 되었다. G.P Zone은 준안정산이나 평형상의 석출에 영향을 미치기 때문에 기초적인 연구로서 중요한 것이다.

일반적으로 평형석출상 이외에 G.P.Zone이나 그외의 준안정석출상이 형성되어지는 이유에 대해서는 석출상의 핵생성이 어렵기 때문이라고 말할 수 있다. 즉 핵생성 활성화 Energy와 임계핵 크기는 저온에서 결정구조가 다른 평형상에 관련되는 것이다.

Al 은 특히 합금성분에 따라서 저온에서도 G.P.Zone은 급속도로 형성되기 때문에 고온상태의 균일한 고용체를 실온까지 유지시키기가 곤란하다. Al속에 첨가금속이 고용될 수 있는 양은 첨가금속의 종류, 첨가량, 온도에 따라 달라지며 Al에 첨가금속이 고용될 수 있는 고용한계는 온도에 따라 변한다. Al 합금의 가공공정 중 압출공정에서 Billet성분중 마그네슘-규소의 재고용현상과 불안정한 분해 및 저온용해를 예상할 수 있는데, 그 반응은 다음과 같게 된다.

550℃에서  Al + Mg2Si + Si --------------  liquid

578℃에서  Al + □(AlFeSi) + Si -----------  liquid

이 반응에서 볼 수 있듯이 두 반응 모두 Al 6063합금의 용체화온도인 525℃이상에서 발생되는 것을 알 수 있다. 또한 Billet의 균질 열처리 냉거과정에서 결정중에 AlFeSi상이 형성되고 Cell의 핵으로부터 결정임계에 Mg-Si상이 석출된다는 것도 보고되었다.

실험

①시편의 용해 및 주조 : 순도 99.7%의 알루미늄 ingot와 마그네슘, Al-Si 모금속을 함께 용해로에 넣고 약 4 kg/cm2의 고압의 공기로 오일을 분산시켜 화염을 집어넣은 재로에 직접 충돌시켜 용해 하였다.  그 다음 Wag Staff Maxi-cast With Slip System의 반연적주조기를 이용하여 □155 로 수직으로 주조하여 길이 700 mm로 절단하였다.

주조한 Billet의 조성을 Spector metor로 분석한 결과를 Table. 1에 표시 하였다.

②열처리 실험 :  D. C 주조에 의하여 급냉 주조된 Billet는 내부조직의 불균일, 첨가원소의 과포화, 내부 응력의 발생 등 많은 결함들이 존재하고 있으므로 이러한 결함을 없애고 합금성분 조성의 균일화, 과포화로 고용된 성분의 석출 등    을 위하여, 융점이하의 고온에서 장시간 가열 유지하여 주며, 이러한 처리    에 의하여 제품의 기계적 성질 및 가공성이 개선된다.

이 실험에서는 시편을 560℃에서 4.5시간 유지하여 균질 열처리하였다.

③시효 경화 실험 : 시효 경화 특성을 조사하기 위하여 열처리에 의해 편석이나 화학적 불균일부를 제거하고 수냉하여 과포화 고용체를 형성시킨 다음 실리콘 오일 베스를 사용하여 175, 185, 200, 220℃에서 0∼10시간 동안 시효 열처리하여 시효 시간에 따른 미소 경도와 인장 강도를 측정하였다.

최대 경도를 가지는 온도에서 시간에 따른 석출물의 변태과정을 조사하기 위하여 시차주사열분석기(DSC)를 사용하여 석출물의 흡·발열과정을 분석하고 투과식 전사현미경 (TEM)관찰에 의해 석출과정시 석출물의 형성과 성장 및 분포 상황등을 조사하였다..

결과 및 고찰

Table 2는 560℃에서 4.5시간씩 동일한 조건으로 균질열처리한 후 냉각조건 변화에 따른 인장강도 값을 나타낸 것이다. 급냉한 billet가 서냉한 billet보다 7%정도 강도가 향상되고 시효열처리 후에는 8%정도 강도가 향상 되었다.

이는 냉각시 Al에 Mg 및 Si등이 미세하가 고용된 고용강화 현상에의한 것으로 보인다. 만일 냉각 속도가 너무 늦어 조직내에 조대석출이 일어나게 되면 조대석출부분의 강도저하 및 인장변형시의 변형저항저하 등으로 기계적 성질이 저하하게 되는 것으로 보인다.

Fig. 1은 Al6063의 시효 조건별 기계적 성질의 변화를 나타낸 것이다.

Fig. 1에서 볼 수 있듯이 220℃에서는 1시간 유지 시킬때가 최고의 강도값을 나타내고, 200℃에서는 2시간, 185℃에서는 4∼5시간, 175℃에서는 9시간 이상을 유지시켜야 최고의 강도값을 얻게 되었다.

참고 문헌

1. T. Sritharan, R. S. Chandel : Acta mater., 45, 8, (1997)

2. T. G. Jhee, W. C. Kim : J. of the Korean Society for Heat Treatment, 7, 1     (1994)

3. J. J. Park, C. H. Lee, J. I. Choe : J. of the Korean Society for Heat           Treatment, 8, 1     (1995)

4. Laue K., Stenger H. : Americal Society for Metals Park, pp 50, (1981)

Table 1. Chemical composition of Al 6063 ally (wt .%)

Element	Cu	Si	Fe	Mn	Mg	Zn	Cr	Ti
Content	0.1	0.2 ∼ 0.6	0.35	0.1	0.49 ∼ 0.9	0.1	0.1	0.1

Table 2. Tensile strength of Al 6063 Alloy

sample	A	B	C	D
tensile strength (Kg/cm2)	14	16	17	19

A : air cooling

B : water cooling

C : air cooling and aging

D : water cooling and aging

Fig. 1 The effect of aging conditions on the mechanical properties of Al 6063       Ally