1. 균열 형성에 기여하는 거시적 요인
1.1 반연속 주조 시, 냉각수가 잉곳 표면에 직접 분사되어 잉곳 내부에 가파른 온도 구배를 형성합니다. 이로 인해 각 영역 간의 불균일한 수축이 발생하여 상호 구속을 유발하고 열응력이 발생합니다. 특정 응력장 하에서 이러한 응력은 잉곳 균열로 이어질 수 있습니다.
1.2 산업 생산에서 잉곳 균열은 종종 초기 주조 단계에서 발생하거나, 이후 냉각 과정에서 확산되어 잉곳 전체로 확산될 수 있는 미세 균열에서 비롯됩니다. 균열 외에도 콜드 셧(cold shut), 휨(warping), 행잉(hanging)과 같은 다른 결함도 초기 주조 단계에서 발생할 수 있으므로, 이는 전체 주조 공정에서 중요한 단계입니다.
1.3 직접 냉각 주조가 열간 균열에 취약한 정도는 화학 성분, 모합금 첨가량, 사용된 입자 미세화제의 양에 따라 크게 영향을 받습니다.
1.4 합금의 고온 균열 민감도는 주로 기공과 균열 형성을 유도하는 내부 응력에 기인합니다. 기공과 균열의 형성 및 분포는 합금 원소, 용융 야금 품질, 그리고 반연속 주조 변수에 의해 결정됩니다. 특히, 7xxx 계열 알루미늄 합금의 대형 잉곳은 여러 합금 원소, 넓은 응고 범위, 높은 주조 응력, 합금 원소의 산화 편석, 상대적으로 낮은 야금 품질, 그리고 실온에서의 낮은 성형성으로 인해 고온 균열이 발생하기 쉽습니다.
1.5 연구에 따르면 전자기장과 합금 원소(결정립 미세화제, 주요 합금 원소, 미량 원소 포함)가 반연속 주조 7xxx 시리즈 합금의 미세 구조와 열간 균열 감수성에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
1.6 또한, 7050 알루미늄 합금의 복잡한 조성과 쉽게 산화되는 원소의 존재로 인해 용탕은 더 많은 수소를 흡수하는 경향이 있습니다. 이는 산화물 개재물과 결합하여 가스와 개재물이 공존하게 되어 용탕 내 수소 함량이 높아지는 결과를 초래합니다. 수소 함량은 가공된 잉곳 소재의 검사 결과, 파괴 거동 및 피로 성능에 영향을 미치는 주요 요인이 되었습니다. 따라서 용탕 내 수소 존재 메커니즘을 기반으로, 고순도 합금 용탕을 얻기 위해서는 흡착 매체와 여과-정련 장비를 사용하여 용탕 내 수소 및 기타 개재물을 제거하는 것이 필수적입니다.
2. 균열 형성의 미세한 원인
2.1 잉곳의 고온 균열은 주로 응고 수축률, 이송 속도, 그리고 머쉬 존(Mushy Zone)의 임계 크기에 의해 결정됩니다. 머쉬 존의 크기가 임계 한계값을 초과하면 고온 균열이 발생합니다.
2.2 일반적으로 합금의 응고 과정은 벌크 공급, 수지상 간 공급, 수지상 분리, 수지상 브리징 등 여러 단계로 나눌 수 있습니다.
2.3 수지상 결정 분리 단계에서 수지상 결정의 팔은 더욱 조밀해지고 표면 장력에 의해 액체 흐름이 제한됩니다. 물렁한 부분의 투과성이 감소하고, 과도한 응고 수축과 열응력은 미세기공 또는 고온 균열을 초래할 수 있습니다.
2.4 수지상 가교 단계에서는 삼중 접합부에 소량의 액체만 남습니다. 이 시점에서 반고체 재료는 상당한 강도와 가소성을 가지며, 고체 크리프는 응고 수축과 열응력을 보상하는 유일한 메커니즘입니다. 이 두 단계는 수축 공극이나 고온 균열이 발생할 가능성이 가장 높습니다.
3. 균열 형성 메커니즘을 기반으로 한 고품질 슬래브 잉곳 제조
3.1 대형 슬래브 잉곳은 표면 균열, 내부 기공, 개재물이 나타나는 경우가 많은데, 이는 합금 응고 중 기계적 거동에 심각한 영향을 미칩니다.
3.2 응고 중 합금의 기계적 성질은 입자 크기, 수소 함량, 함유물 수준을 포함한 내부 구조적 특성에 크게 좌우됩니다.
3.3 수지상 구조를 갖는 알루미늄 합금의 경우, 2차 수지상 암 간격(SDAS)은 기계적 성질과 응고 과정 모두에 상당한 영향을 미칩니다. SDAS가 미세할수록 기공 형성이 빨라지고 기공 분율이 높아져 고온 균열의 임계 응력이 감소합니다.
3.4 수지상간 수축공극 및 개재물과 같은 결함은 고체 골격의 인성을 심각하게 약화시키고 고온 균열에 필요한 임계 응력을 크게 감소시킵니다.
3.5 결정립 형태는 고온 균열 거동에 영향을 미치는 또 다른 중요한 미세 구조 요소입니다. 결정립이 주상 수지상 결정립에서 구상 등축 결정립으로 전이될 때, 합금은 강성 온도가 낮아지고 수지상 결정립 간 액체 투과성이 향상되어 기공 성장을 억제합니다. 또한, 더 미세한 결정립은 더 큰 변형률과 변형률 속도를 수용할 수 있고 더 복잡한 균열 전파 경로를 형성하여 전반적인 고온 균열 경향을 감소시킵니다.
3.6 실제 생산에서는 용탕 취급 및 주조 기술을 최적화하는 것(예: 개재물 및 수소 함량, 결정립 구조의 엄격한 제어)을 통해 슬래브 잉곳의 열간 균열에 대한 내부 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 최적화된 툴링 설계 및 가공 방법과 함께 이러한 조치를 취하면 수율이 높고 대량 생산 가능하며 고품질의 슬래브 잉곳을 생산할 수 있습니다.
4. 잉곳의 입자 미세화
7050 알루미늄 합금은 주로 Al-5Ti-1B와 Al-3Ti-0.15C의 두 가지 유형의 입자 미세화제를 사용합니다. 이러한 미세화제의 인라인 적용에 대한 비교 연구는 다음과 같은 결과를 보여줍니다.
4.1 Al-5Ti-1B로 정련된 잉곳은 결정립 크기가 현저히 작고 잉곳 가장자리에서 중앙까지 전이가 더 균일합니다. 조대립층이 더 얇고, 잉곳 전체에 걸쳐 전체적인 결정립 미세화 효과가 더 강합니다.
4.2 Al-3Ti-0.15C로 정련된 원료를 사용할 경우, Al-5Ti-1B의 결정립 미세화 효과가 감소합니다. 또한, Al-Ti-B 첨가량을 일정 수준 이상으로 증가시켜도 결정립 미세화 효과는 비례적으로 향상되지 않습니다. 따라서 Al-Ti-B 첨가량은 2kg/t 이하로 제한해야 합니다.
4.3 Al-3Ti-0.15C로 정련된 잉곳은 주로 미세한 구형 등축정립으로 구성됩니다. 결정립 크기는 슬래브 폭에 걸쳐 비교적 균일합니다. Al-3Ti-0.15C를 3~4 kg/t 첨가하면 제품 품질을 안정화하는 데 효과적입니다.
4.4 특히, 7050 합금에 Al-5Ti-1B를 사용할 경우, TiB₂ 입자는 급속 냉각 조건에서 잉곳 표면의 산화막 쪽으로 편석되어 클러스터를 형성하고, 이로 인해 슬래그가 형성됩니다. 잉곳 응고 과정에서 이러한 클러스터는 안쪽으로 수축하여 홈과 같은 주름을 형성하고, 이는 용탕의 표면 장력을 변화시킵니다. 이로 인해 용탕 점도가 증가하고 유동성이 감소하여 주형 바닥과 잉곳의 넓은 면과 좁은 면의 모서리에 균열이 발생하기 쉽습니다. 이는 균열 발생 경향을 크게 증가시키고 잉곳 수율에 부정적인 영향을 미칩니다.
4.5 7050 합금의 성형 거동, 유사한 국내외 주괴의 결정립 구조, 최종 가공 제품의 품질을 고려할 때, 특별한 조건이 달리 요구되지 않는 한 Al-3Ti-0.15C가 7050 합금 주조용 인라인 결정립 미세화제로 더 선호됩니다.
5. Al-3Ti-0.15C의 결정립 미세화 거동
5.1 720°C에서 입자 미세화제를 첨가하면 입자는 주로 등축 구조와 일부 하부 구조로 구성되며 크기가 가장 미세해집니다.
5.2 정제제를 첨가한 후 용융물을 너무 오랫동안 유지하면(예: 10분 이상) 거친 수지상 결정 성장이 우세해져 입자가 더 거칠어집니다.
5.3 입자 미세화제의 첨가량이 0.010%~0.015%일 때, 미세 등축정립이 달성된다.
5.4 7050 합금의 산업 공정을 기준으로 최적의 입자 미세화 조건은 다음과 같습니다. 첨가 온도는 약 720 °C, 첨가 후 최종 응고까지의 시간은 20분 이내로 제어, 미세화제 양은 약 0.01~0.015%(Al-3Ti-0.15C 3~4 kg/t)입니다.
5.5 주괴 크기의 변화에도 불구하고 용융물 출구에서 입자 미세화제를 첨가한 후 인라인 시스템, 트로프, 금형을 거쳐 최종 응고까지 걸리는 총 시간은 일반적으로 15~20분입니다.
5.6 산업 현장에서는 Ti 함량 0.01%를 초과하여 입자 미세화제의 양을 증가시켜도 입자 미세화가 크게 향상되지 않습니다. 오히려 과도한 첨가는 Ti와 C의 농축을 초래하여 재료 결함 발생 가능성을 높입니다.
5.7 탈기 입구, 탈기 출구, 그리고 주조 트로프 등 여러 지점에서 실시한 시험 결과, 입자 크기에는 미미한 차이가 나타났습니다. 그러나 여과 없이 주조 트로프에 직접 정련제를 첨가하면 가공된 소재의 초음파 검사 시 결함 발생 위험이 증가합니다.
5.8 균일한 입자 미세화를 보장하고 미세화제 축적을 방지하기 위해 탈기 시스템 입구에 입자 미세화를 추가해야 합니다.
게시 시간: 2025년 7월 16일
