6063 알루미늄 합금은 저합금 Al-Mg-Si 계열 열처리 알루미늄 합금에 속합니다. 우수한 압출 성형 성능, 우수한 내식성, 그리고 포괄적인 기계적 성질을 갖추고 있습니다. 산화 착색이 용이하여 자동차 산업에서도 널리 사용되고 있습니다. 자동차 경량화 추세가 가속화됨에 따라 자동차 산업에서 6063 알루미늄 합금 압출재의 적용도 더욱 증가하고 있습니다.
압출 소재의 미세조직과 특성은 압출 속도, 압출 온도, 그리고 압출비의 복합적인 영향에 의해 영향을 받습니다. 그중 압출비는 주로 압출 압력, 생산 효율, 그리고 생산 장비에 의해 결정됩니다. 압출비가 작으면 합금의 변형이 적고 미세조직의 미세화가 뚜렷하지 않습니다. 압출비를 높이면 결정립이 상당히 미세화되고, 조대한 제2상이 분해되어 균일한 미세조직을 얻을 수 있으며, 합금의 기계적 특성도 향상됩니다.
6061 및 6063 알루미늄 합금은 압출 공정 중 동적 재결정을 겪습니다. 압출 온도가 일정할 때 압출비가 증가하면 결정립 크기가 감소하고 강화상이 미세하게 분산되어 합금의 인장 강도와 신장률이 증가합니다. 그러나 압출비가 증가하면 압출 공정에 필요한 압출력도 증가하여 열 효과가 커지고 합금의 내부 온도가 상승하여 제품의 성능이 저하됩니다. 본 실험에서는 압출비, 특히 고압출비가 6063 알루미늄 합금의 미세조직과 기계적 성질에 미치는 영향을 연구합니다.
1 실험재료 및 방법
실험 재료는 6063 알루미늄 합금이고, 화학 조성은 표 1에 나와 있습니다. 잉곳의 원래 크기는 Φ55 mm×165 mm이고, 560℃에서 6시간 동안 균질화 처리한 후 Φ50 mm×150 mm 크기의 압출 빌렛으로 가공합니다. 빌렛을 470℃로 가열하고 따뜻하게 유지합니다. 압출 배럴의 예열 온도는 420℃이고, 금형의 예열 온도는 450℃입니다. 압출 속도(압출 봉 이동 속도) V=5 mm/s가 변하지 않을 때, 5개의 다른 압출 비율 시험을 수행하고, 압출 비율 R은 17(다이 구멍 직경 D=12 mm에 해당), 25(D=10 mm), 39(D=8 mm), 69(D=6 mm), 156(D=4 mm)입니다.
표 1 6063 Al 합금의 화학 조성(중량/%)
사포 연삭 및 기계적 연마 후, 금속 조직 샘플을 부피 분율이 40%인 HF 시약으로 약 25초 동안 에칭하고, 샘플의 금속 조직을 LEICA-5000 광학 현미경으로 관찰했습니다. 10mm×10mm 크기의 텍스처 분석 샘플을 압출 막대의 세로 단면 중앙에서 잘라내고, 기계적 연삭 및 에칭을 수행하여 표면 응력층을 제거했습니다. 샘플의 세 가지 결정면 {111}, {200} 및 {220}의 불완전한 극점도는 PANalytical Company의 X′Pert Pro MRD X-선 회절 분석기로 측정했으며, 텍스처 데이터는 X′Pert Data View 및 X′Pert Texture 소프트웨어로 처리 및 분석했습니다.
주조 합금의 인장 시험편은 잉곳 중앙에서 채취하였고, 압출 후 압출 방향을 따라 인장 시험편을 절단하였다. 게이지 영역 크기는 Φ4 mm×28 mm였다. 인장 시험은 SANS CMT5105 만능재료시험기를 사용하여 인장 속도 2 mm/min으로 수행하였다. 세 개의 표준 시험편의 평균값을 기계적 물성 데이터로 계산하였다. 인장 시험편의 파단 형태는 저배율 주사전자현미경(Quanta 2000, FEI, USA)을 사용하여 관찰하였다.
2 결과 및 논의
그림 1은 균질화 처리 전후의 주조 6063 알루미늄 합금의 금속학적 미세조직을 보여줍니다. 그림 1a에서 볼 수 있듯이, 주조 미세조직에서 α-Al 결정립은 크기가 다양하고, 많은 수의 망상 β-Al9Fe2Si2 상이 결정립계에 모여 있으며, 많은 수의 입상 Mg2Si 상이 결정립 내부에 존재합니다. 잉곳을 560℃에서 6시간 동안 균질화 처리한 후, 합금 수지상 사이의 비평형 공정상이 점차 용해되고 합금 원소가 기지 내로 용해되어 미세조직이 균일해졌으며, 평균 결정립 크기는 약 125μm였습니다(그림 1b).
균질화 전
600°C에서 6시간 동안 균일화 처리 후
그림 1 균질화 처리 전후 6063 알루미늄 합금의 금속조직
그림 2는 압출비가 다른 6063 알루미늄 합금 봉재의 외관을 보여줍니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이, 다양한 압출비로 압출된 6063 알루미늄 합금 봉재의 표면 품질은 양호하며, 특히 압출비를 156(봉재 압출 출구 속도 48m/min에 해당)으로 증가시켰을 때에도 봉재 표면에 균열이나 박리와 같은 압출 결함이 발생하지 않았습니다. 이는 6063 알루미늄 합금이 고속 및 고압출비에서도 우수한 열간 압출 성형 성능을 나타냄을 보여줍니다.
그림 2. 압출비율에 따른 6063 알루미늄 합금봉의 외관
그림 3은 압출 비율이 다른 6063 알루미늄 합금 막대의 종단면의 금속학적 미세조직을 보여줍니다. 압출 비율이 다른 막대의 결정립 조직은 신장 또는 미세화 정도가 다릅니다. 압출 비율이 17일 때, 원래 결정립은 압출 방향을 따라 신장되고 소수의 재결정립이 형성되지만 결정립은 여전히 비교적 거칠고 평균 결정립 크기는 약 85μm입니다(그림 3a). 압출 비율이 25일 때, 결정립은 더 가늘어지고 재결정립의 수가 늘어나고 평균 결정립 크기는 약 71μm로 감소합니다(그림 3b). 압출 비율이 39일 때, 소수의 변형된 결정립을 제외하고 미세조직은 기본적으로 크기가 고르지 않은 등축 재결정립으로 구성되고 평균 결정립 크기는 약 60μm입니다(그림 3c). 압출비가 69일 때 동적 재결정 과정은 기본적으로 완료되며, 조대한 원결정립이 균일한 구조의 재결정립으로 완전히 변환되고, 평균 결정립 크기는 약 41μm로 미세화됩니다(그림 3d). 압출비가 156일 때 동적 재결정 과정이 완전히 진행됨에 따라 미세조직이 더욱 균일해지고 결정립 크기가 약 32μm로 크게 미세화됩니다(그림 3e). 압출비가 증가함에 따라 동적 재결정 과정이 더욱 충분히 진행되어 합금 미세조직이 더욱 균일해지고 결정립 크기가 현저히 미세화됩니다(그림 3f).
그림 3. 압출비가 다른 6063 알루미늄 합금봉의 종단면의 금속조직 및 입자크기
그림 4는 압출 방향을 따라 압출 비율이 다른 6063 알루미늄 합금 막대의 역극점도를 보여줍니다. 압출 비율이 다른 합금 막대의 미세 구조는 모두 명확한 우선 배향을 생성하는 것을 볼 수 있습니다. 압출 비율이 17일 때 약한 <115>+<100> 조직이 형성됩니다(그림 4a). 압출 비율이 39일 때 조직 구성 요소는 주로 강한 <100> 조직과 소량의 약한 <115> 조직입니다(그림 4b). 압출 비율이 156일 때 조직 구성 요소는 강도가 크게 증가한 <100> 조직이고 <115> 조직은 사라집니다(그림 4c). 연구에 따르면 면심 입방 금속은 압출 및 인발 중에 주로 <111> 및 <100> 와이어 조직을 형성합니다. 조직이 형성되면 합금의 상온 기계적 특성은 명확한 이방성을 보입니다. 조직 강도는 압출비가 증가함에 따라 증가하는데, 이는 합금 내 압출 방향과 평행한 특정 결정 방향의 결정립 수가 점차 증가하고 합금의 종방향 인장 강도가 증가함을 나타냅니다. 6063 알루미늄 합금 열간 압출재의 강화 메커니즘에는 미립자 강화, 전위 강화, 조직 강화 등이 있습니다. 본 실험 연구에 사용된 공정 변수 범위 내에서, 압출비 증가는 상기 강화 메커니즘에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.
그림 4 압출 방향을 따라 다른 압출 비율을 갖는 6063 알루미늄 합금 막대의 역극도
그림 5는 다양한 압출비에서 변형 후 6063 알루미늄 합금의 인장 특성에 대한 히스토그램입니다. 주조 합금의 인장 강도는 170 MPa이고 연신율은 10.4%입니다. 압출 후 합금의 인장 강도와 연신율은 크게 향상되었으며, 압출비가 증가함에 따라 인장 강도와 연신율이 점진적으로 증가합니다. 압출비가 156일 때 합금의 인장 강도와 연신율은 각각 228 MPa와 26.9%로 최대값에 도달합니다. 이는 주조 합금의 인장 강도보다 약 34%, 연신율보다 약 158% 높습니다. 큰 압출비로 얻은 6063 알루미늄 합금의 인장강도는 4패스 등가채널 각형 압출(ECAP)로 얻은 인장강도 값(240MPa)에 근접하며, 이는 6063 알루미늄 합금의 1패스 ECAP 압출로 얻은 인장강도 값(171.1MPa)보다 훨씬 높습니다. 큰 압출비가 합금의 기계적 성질을 어느 정도 향상시킬 수 있음을 알 수 있습니다.
압출비에 의한 합금의 기계적 성질 향상은 주로 결정립 미세화 강화에 기인합니다. 압출비가 증가함에 따라 결정립이 미세화되고 전위 밀도가 증가합니다. 단위 면적당 결정립계가 많을수록 전위의 이동을 효과적으로 억제하고, 전위의 상호 이동 및 얽힘을 방지하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있습니다. 결정립이 미세할수록 결정립계가 더욱 구불구불해지고, 소성 변형이 더 많은 결정립에 분산될 수 있어 균열 발생은 물론 균열 전파도 억제됩니다. 또한, 파괴 과정에서 더 많은 에너지를 흡수할 수 있어 합금의 소성성을 향상시킬 수 있습니다.
그림 5. 6063 알루미늄 합금의 주조 및 압출 후 인장 특성
다양한 압출 비율로 변형 후 합금의 인장 파괴 형태를 그림 6에 나타내었다. 주조된 샘플의 파괴 형태에서 딤플은 발견되지 않았고(그림 6a), 파괴는 주로 평평한 영역과 찢어지는 가장자리로 구성되었는데, 이는 주조된 합금의 인장 파괴 메커니즘이 주로 취성 파괴임을 나타낸다. 압출 후 합금의 파괴 형태는 크게 변했으며, 파괴는 많은 등축 딤플로 구성되어 압출 후 합금의 파괴 메커니즘이 취성 파괴에서 연성 파괴로 바뀌었음을 나타낸다. 압출 비율이 작을 때 딤플은 얕고 딤플 크기는 크며 분포는 불균일하다. 압출 비율이 증가함에 따라 딤플의 수가 증가하고 딤플 크기는 작아지고 분포는 균일하다(그림 6b~f). 이는 합금의 소성이 더 우수함을 의미하며, 이는 위의 기계적 특성 시험 결과와 일치한다.
3 결론
본 실험에서는 빌릿 크기, 잉곳 가열 온도, 그리고 압출 속도를 동일하게 유지한 상태에서 압출비 변화가 6063 알루미늄 합금의 미세조직과 특성에 미치는 영향을 분석했습니다. 결론은 다음과 같습니다.
1) 6063 알루미늄 합금은 열간 압출 시 동적 재결정이 발생합니다. 압출비가 증가함에 따라 결정립은 지속적으로 미세화되고, 압출 방향으로 신장된 결정립은 등축 재결정립으로 변태하며, <100> 와이어 조직의 강도는 지속적으로 증가합니다.
2) 미세 입자 강화 효과로 인해 압출비가 증가함에 따라 합금의 기계적 성질이 향상됩니다. 시험 변수 범위 내에서 압출비가 156일 때 합금의 인장 강도와 신장률은 각각 최대값인 228 MPa와 26.9%에 도달합니다.
그림 6. 주조 및 압출 후 6063 알루미늄 합금의 인장 파괴 형태
3) 주조 시편의 파단 형태는 평탄한 부분과 찢어진 가장자리로 구성됩니다. 압출 후 파단은 다수의 등축 딤플(dimple)로 구성되며, 파단 메커니즘은 취성 파단에서 연성 파단으로 전환됩니다.
게시 시간: 2024년 11월 30일
