초미세립 알루미늄합금을 이용한 고강도 볼트 성형

Abstract

세계의 에너지 소비와 수요는 해마다 기하급수적으로 증가하는데 반하여 현재 주요 에너지원인 화석연료의 매장량은 한계에 직면하여 에너지 공급에 어려움이 야기되고 있다. 이런 시점에서 자동차, 항공기와 같은 운송수단 및 구조재에 사용되는 소재의 고강도와 경량화를 통한 제작이 에너지를 절약하는 하나의 해결책으로 제시되고 있다. 따라서 최근 고강도 소재의 개발을 위해 기존 재료의 결정립을 미세화하여 기계적, 물리적 특성을 개선할 수 있는 결정립 미립화법이 하나의 방안으로 고려되고 있다. 그 중 대표적인 결정립 미립화법인 등통로각압출 (Equal Channel Angular Extrusion, ECAE) 공정은 전단변형을 이용하여 결정립을 미세화시키는 매우 효과적인 방법으로 알려져 있다. 따라서 ECAE 공정을 이용해 알루미늄합금에 극심한 소성변형을 가하여 소재의 결정립을 미세화하여, 강도가 향상된 소재로 고강도 알루미늄을 볼트를 개발하고자 한다. 또한 ECAE 공정에서는 다양한 경로별로 소재를 가공할 수 있는데, 그 중 경로별, 반복단계별 영향을 알아보기 위해 경로 A, Bc, C에 대해 실험을 수행하였다. 그리고 각 경로별로 AA1050의 경우는 3단계까지 AA6061의 경우는 4단계까지 실험을 수행하였으며, 볼트 제작에 앞서 ECAE 공정을 거친 소재에 대해 단순 압축 실험으로 성형성을 평가하였다. 성형성에 대한 평가 결과를 고려하여 볼트 3단 단조 공정이 설계 되었으며, 삼차원 유한요소해석을 이용하여 설계를 검증하고 성형 하중이 예측 되었다. 해석으로 검증된 설계로 볼트 3단 단조 금형이 제작되었으며, AA1050와 AA6061을 이용하여 ECAE 공정을 수행한 후 3단 단조 볼트 금형으로 고강도 알루미늄 볼트를 제작하였다. 제작된 볼트는 인장시험을 통해 인장강도의 변화를 알아 보았고, 강도의 균일성을 알아보기 위해 경도시험을 실시하였다. 추가적으로 ECAE 공정을 거친 AA6061로 제작된 알루미늄 볼트는 ECAE 공정을 거치지 않은 AA2024 볼트와 강도와 경도 면에서 비교되었다. 또한 Electron Back Scattering Diffraction (EBSD)와 Transmission Electron Microscopy (TEM)을 이용하여 AA6061로 제작된 알루미늄 볼트의 미세조직을 측정하여 볼트의 미세조직 변화에 대한 특성을 분석 및 고찰하였다. 추가적으로 AA6061은 Al-Mg-Si 계열의 알루미늄 합금으로 석출경화에 용이한 재료이다. 따라서 ECAE 공정과 석출경화를 위한 열처리 공정을 적절히 조화하여 최적의 물성치를 가지는 AA6061 고강도 볼트 성형 공정을 제안하였다. 그 결과 인공시효 열처리 후에 ECAE 공정 경로 A로 4단계를 거친 시편(AA6061-O-T6-ECAE)으로 볼트를 성공적으로 제작하였고, 제작된 볼트의 최대인장강도 또한 ECAE 공정을 거치지 않은 경우 (AA6061-O-T6)에 비해 약 34% 증가하였다 그리하여 비강도가 좋고 경량화 효과가 큰 알루미늄합금을 ECAE 공정을 거친 알루미늄합금을 이용하여 고강도 알루미늄 볼트를 개발한다면 자동차, 항공기와 같은 운송수단과 구조재의 경량화를 이루어 에너지 절약에 기여할 수 있을 것이다.