51 연구논문 열처리된 A03 알루미늄합금용접부의미세조직및기계적특성 이일천 * 송영종 * 국진선 ** 윤동주 *** 김병일 *** * 알메탈 ( 주 ) 기술연구소 ** 한려대학교신소재공학과 *** 순천대학교산학협력단 Microstructure and Mechanical Properties of A03 Aluminium Alloy Welds by Heat-treatment Il-Cheon Lee*, Yeong-Jong Song*, Jin-Seon Gook**, Dong-Joo Yoon*** and Byung-Il Kim*** *Research Center, ALMETAL Industrial Co., Ltd. Yeosu 556-822, Korea **Dept. of Advanced Materials Engineering, Hanlyo University, Kwangyang 545-704, Korea ***Corps of Industrial-Academic Cooperation, Sunchon University, Sunchon 5-7, Korea Abstract The present work was aimed to examine the variation of microstructure and mechanical properties by annealing(100~620, 2~8hr) in A03 Al alloy welded pipes. The A03 Al alloy pipes with mm in external diameter and 1.3 mm in thickness were manufactured by high frequency induction welding with the V shaped convergence angle 6.7 and power input kw. The tensile and yield strength decreased with increasing the annealing temperature remarkably, but elongation increased remarkably. Vickers hardness in welds decreased with increasing the annealing temperature remarkably. The primary intermetallic compound of Al 12 (, ) 2 Si was precipitated in welds as the same base metal. In a certain experimental condition, the welds line in A03 alloys disappeared at 4 for 2 hr because of the same mechanical property and structure between welds and base metal. *Corresponding author : jskoook@hanmail.net, (Received June 18, 2007) Key Words : A03 Al alloy, High frequency induction welding, Annealing, Intermetallic compound, Al1 2 (, ) 2 Si 1. 서론 00계열알루미늄은다른알루미늄합금과는달리 을주요첨가원소로하여얻어지는몇몇금속간화합물을 Al 기지내에미세하게분산시킴으로서적당한강도와우수한성형성, 내식성등을가지고있기때문에압출이나압연가공에의하여열교환기용관, 판재, 복사기및레이저프린터의핵심부품인유기감광드럼 (OPC Drum : Organic Photo Conductor Drum) 의소재등에이용되고있다. 또한 00계열알루미늄합금과클래딩 (clading) 된다중판재를고주파유도용접하여파이프의형태로제조하고이를다른핀재등과조립한후브레이징 (brazing) 하여열교환기용소재로사용하는경우도있다. A03합금을감광드럼용소재로사용하는경우종래에는주조된빌렛을열처리하고열간압출작업을실시한후냉간가공하기전에결정립의크기를미세화하기위한재결정처리를하고다이아몬드바이트를사용하여절삭하거나또는인발및아이어닝가공을실시하였다 1). 이경우주조후열처리도중에생성된합금내부의조대한금속간화합물이경면가공도중표면에크랙을발 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 7
52 이일천 송영종 국진선 윤동주 김병일 생시키는균열생성기점으로작용하여제품의표면조도를떨어뜨리며, 유기감광재료또는비정질실리콘등의감광체를사용하여감광막을형성할경우에는균열부위에서코팅층이떨어져나가는등감광층의형성에장애를발생시킨다. 일반적으로 A03 알루미늄합금의고상선온도는 64 3 로상당히높고주요합금원소인, Si의확산속도가매우느리기때문에종래에는주조후열처리온도를 570~610 로비교적높게설정하여 6~24시간동안작업하였다. 한편보다개선된방법으로주조된알루미늄합금빌렛을 0~520 의온도로 2~8시간열처리하여수냉시키는것을특징으로하는감광드럼용 A03 알루미늄합금의열처리방법도알려져있다 2). 이처럼주조된알루미늄합금빌렛을이용한압출재파이프가감광용드럼에사용되고있는반면압연된판재를용접하여파이프를제조하는경우용접부의시임 (seam) 이발생하기때문에사용이제한되었다. 그이유는용접부와열영향부및모재부사이의조직변화및기계적성질의차이가발생하여결함을유발할수있기때문이다. 이러한이유로고주파유도용접된 A03 알루미늄합금파이프를감광용드럼제조에적용하기위한시도가적었으나, 최근용접부의조직제어및기계적성질의균일화에관련된보고가알려져있다 3). 본연구의목적은고주파유도용접된 A03 알루미늄합금파이프의모재부와용접부에발생하는용접선의제거및기계적특성차이를규명하고, 이를해소하기위한최적열처리조건을조사하는데있다. 따라서본연구에서는 A03합금판재를고주파유도용접하여외경 mm, 두께 1.3 mm의파이프로제조한후 100~620 에서 2~8시간열처리하여용접상태의시료와비교하여용접부와모재부사이의조직변화및기계적성질에미치는영향을규명하고자하였다. Table 1 Mechanical properties of test material (A03) Tensile strength (MPa) Tensile properties Yield strength (MPa) Elongation (%) Vickers hardness (HV) 167 1 10 43 Table 2 Chemical composition(wt.%) of test material (A03) Si Cu Mg Zn Ti Al 0.24 0.53 0.12 1.09 0.01 0.005 0.01 97.9 성을각각나타내었다. 본논문에서화학조성은모두중량비 (wt.%) 로표기하였다. 고주파유도용접하여제조된파이프는외경, 두께 1.3 mm로외경비 (t/d) 는 0.04이었으며별도의인발공정이없이용접한그대로의것을실험에사용하였다. 2.2 용접파이프의제조조건 고주파유도용접에대한모식도를 Fig. 1에나타내었다. 파이프의제조장치는상하롤스탠드 #1~#7 의 7단, 사이드롤스탠드 7단, 심가이드 (SG) 롤, 유도가열코일, 가압롤 (Pressure Roll), 내 외면비드절삭부및정형롤로구성되어있다. 고주파전류발생장치는공칭출력 95 kw, 발진주파수 0 khz, 용접속도는 85 m/min이었다. 유도가열코일, 임피더에서페라이트코아의형상, 배치에관한고주파전류도입조건은안정한플래쉬 (flash) 가얻어져접합면에지의가열효율이최적이되는조건을적용하였다. 가열조건에있어수속각 (vee angle) α는 6.7 였다. 발진관입력조건은플래트전압 V P ( kv ), 플래트전류 I P (A) 및그리드전류 I G (A) 를측정하여그입력 2.1 사용재료 2. 사용재료및실험방법 Pressure roll Point of welding Welded seam 실험에사용된 A03합금판재는노벨리스코리아 ( 주 ) 에서생산된것으로두께및폭은각각 1.3 mm및 109 mm이며질별은 H14( 가공경화만하여인장강도가 1/2경질로한것 ) 였다. 이판재는보통 H14의상태에서조관성형하여고주파유도용접한후요구되는기계적성질및치수는인발을하여 H16( 가공경화만하여인장강도가 3/4경질로한것 ) 의상태로조절할수있다. Table 1 및 Table 2에 A03합금판재의기계적성질및화학조 Vee angle 4 to 7 Current Induction Vee coil Impeder Tube travel Fig. 1 Schematics of high frequency induction welding proces s used in producing aluminium tube 8 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
열처리된 A03 알루미늄합금용접부의미세조직및기계적특성 53 P=V P(I P-I G)= kw를표준으로하였다. 가압조건으로는가압롤 (Pressure Roll) 에서의 girth reduction(g. R.) 을조절하여약 2.0 mm가되도록하였다 2.3 용접파이프의열처리조건본실험에서사용한열처리로는 ( 주 ) 아전가열산업에서제작한박스로였으며, 길이 0mm 의파이프를 10 0~620 의온도로 2시간, 4시간그리고 8시간열처리한후공냉하였다. 이때열처리온도는 PID방식의온도조절계를사용하여 ±3 로조절하였다. 2.4 용접부의평가방법인장시험용파이프는외경과두께가각각 mm 및 1.3 mm로서용접부내외면비드를절삭가공하여제거하였다. 이파이프를 Fig. 2와같이 KS B 0801에서규정하는정형시험편 (14C호) 으로하여물림부의내부에알루미늄합금으로된봉상의심금을넣은상태로제작하였다. 시편의표점거리를 L이라할때, 양쪽심금사이의비접촉부길이는 (L+2D) 로하였고, 물림부길이는 2L, 시험편전체길이는 0 mm로하였다. 경도측정은마이크로비커스경도기를사용하였으며, 모재부및용접부의경도분포는파이프단면의외경쪽에서내경쪽을따라 0.2 mm마다측정하였고각각 3회측정하여그평균값을나타내었다. 용접부와열영향부를포함한모재부의경도측정은파이프단면의외경쪽에서내경쪽으로각각상부 (3/10지점), 중앙 (1/2) 지점그리고하부 (7/10지점) 을용접선을가로지르는방향으로 0.2 mm마다측정하였고각각 3회측정하여평균값으로나타내었다. 이때시험하중은 100g, 가압시간은 15초였다. 용접부의미세조직관찰에는광학현미경 (OM) 및주사전자현미경 (SEM) 이이용하였다. 미세조직관찰을위한부식액으로는 Keller 용액 (HCl 1.5% HNO 3 2.5%, HF 1%, H 2 O 95%) 을사용하였다. 전기전도도측정용시편은두께 1.3 mm, 면적 mm의 A03 판재를 100~620 로열처리한후공냉하였다. 이시편을 Vermit 4900C를이용하여상온에서주파수 60Hz로각시료당 3회측정하여그평균값을전기전도도로하였다. 3. 실험결과 Fig. 3은고주파유도용접된외경 mm의 A03 합금파이프의용접부내외면의비드부를절삭가공하여제거한단면을나타낸것이다. 와같이용접선은판재의길이방향에수직하며양호한것을확인하였다. 또한 에서알수있는것처럼접합면에걸쳐있는용접금속의폭은약 μm이며, 용접부에는모재부에비해석출물이상대적으로적게분포하였다. Fig. 4는외경 mm인용접파이프시험편을 2.4의방법으로인장시험한결과를나타낸것이다. 인장강도는용접하기전판재시편이 165 MPa, 용접후열처리전시편이 175 MPa이었으나, 0에서 2시간열처리한경우 1 MPa로감소하고 410 이상에서는약 120 MPa로감소하였다. 항복강도는판재시편이 145 MPa, 용접후열처리전시편이 153 MPa이었으나 0에서 2 시간열처리한경우 80 MPa로감소하고 410 이상에서는약 MPa로감소하였다. 연신율은판재시편에서약 10%, 용접후열처리전시편에서약 8% 이었으나 L+2D 2L t D L L : Gage Length D : Outer Diameter of the Tube t : Thickness A : Area of the Cross Section of the Specimen [= (D-t) t π] Fig. 2 Shape of a tensile specimen Fig. 3 Optical micrograph of A03 alloy with welded 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 9
54 이일천 송영종 국진선 윤동주 김병일 Strength. [MPa] 200 180 160 45 35 1 120 A: Raw plate B: As welded 25 100 C: 0 2hr D: 410 2hr 20 80 E: 0 2hr 15 60 20 T.S(MPa) Y.S(MPa) Elongation(%) 10 5 0 0 A B C D E Sample Fig. 4 Variation of strength and elongation in pipes with annealing time 0에서 2시간열처리한경우 % 로현저히증가하고 410 이상에서는약 % 로증가하였다. Fig. 5는외경 mm인용접파이프의열처리전후경도 (HV) 의분포를나타낸것이다. Fig. 5 에서열처리하지않은시편의경우용접선의경도는 49이었고용접선좌우약 2 mm에걸쳐있는열영향부에서는급격히감소하여 를나타내었으며모재에서는약 의일정한값을나타내었다. 따라서용접한그대로의시편은용접부의경도가열영향부나모재부보다높게나타나고 Hardness,[Hv] As welded 0 2hr 410 2hr 0 2hr -3-2 1 0 1 2 3 Distance from welds centerline, [mm] Elongation, [%] 기계적으로불균일한상태를나타내었다. 0 에서 2시간열처리하면용접부와모재부에걸쳐약 41로감소하였으며, 410 에서는약 로급격히감소하여 0 에서는약 로감소하였다. 따라서경도는열처리온도의존성이있음을알수있다. Fig. 5 에서열처리시간이 8시간으로증가하면열처리온도에따른평균경도값의차이는나타나지않았으나비교적열처리온도가낮은 0 의경우보다균일한분포를보였다. 따라서열처리시간은경도에크게영향을미치지않는것을알수있다. Fig. 6은 A03 합금파이프를 100 ~620 로각각 2 시간어닐링한시료의비커스경도 (HV) 와전기전도도 (%IACS) 를측정한것이다. 전기전도도는약 0 까지의승온에서도회복과정의연장에의해감소가나타나지않고재결정온도구간인약 0~4 의범위에서약간씩감소하다가재결정이완료되는 4 이상에서급격히감소한다. 반면모재부의비커스경도는약 290 까지의승온에서도회복과정의연장에의해경도치의감소가나타나지않고재결정이시작되는 0 이상부터약간씩감소하다가 3 이상에서급격한경도치의감소가나타나고 4 이상에서는재결정이완료되어더이상의경도치의감소는나타나지않는다. 용접부에서는약 1 이상에서상당한연화가일어나고 3 까지는회복과정이연장되다가그이상의온도에서는모재부와같은양상을보였다. 회복구간에서용접부의경도가모재부보다낮은이유는모재부는압연가공시도입된전위때문에회복구간에서일정치를유지하지만주조조직인용접부는상대적으로이러한전위의분포가적기때문으로생각된다. 열처리온도의증가에따른전기전도도와비커스경도의변화는일치하지않았다. 그이유는재료의전기전도도는기지내의고용정도및석출상의양과크기그리고 전위, 공공등과같은재료의내부조직에의해복합적으로영향을받기때문으로 4) 생각된다. 즉회복구간에서 Hardness,[Hv] -3-2 1 0 1 2 3 Distance from welds centerline, [mm] As welded 0 2hr 410 2hr 0 2hr Fig. 5 Hardness distribution across the welds(at 0, 410 and 0 for 2 and 8hr) Hardness,[Hv] 55 45 35 Aswelded IACS Hardness(Welds) Hardness(Matrix) 1 200 260 0 0 4 0 560 620 Temperature. [ ] Fig. 6 Hardness and Electric conductivity of A03 alloy a nnealed at 100~620 for 2hr 55 45 35 IACS, [%] 510 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
열처리된 A03 알루미늄합금용접부의미세조직및기계적특성 55 의전기전도도는변화가없고재결정이일어나는동안에는완만히감소한후재결정의완료와함께급격하게감소하는반면경도는재결정이시작되는온도이상에서급격한감소를나타내고재결정이완료되면일정값을유지하였다. 재결정온도구간에서 A03합금의전기전도도는열처리온도보다는열처리시간의의존성이크게나타나며, 재결정이완료되는 4 이상에서급격히감소한다 2). 따라서기계적으로모재부와용접부의균일화에필요한열처리온도는최소 0 이상에서 2시간이지만보다안정한상태를얻기위해서는 0 이상의온도를필요로한다. 4. 고찰 Fig. 4의인장시험의결과를보면인장강도및항복강도는판재상태의시편보다용접된시편에서보다높게나타났는데이것은조관성형과정에서가공경화가일어나기때문이다. 또한열처리조건이 410 에서 2시간이상어닐링하면열처리온도와상관없이일정한강도를나타낸다. 이러한현상은 Fig. 6의비커스경도분포와도일치한다. 항복강도는내부응력이제거되었기때문에현저하게감소하는데이러한현상은 H14상태로가공경화된 A03 합금판재가열처리에의하여재결정화되고내부응력이제거되었기때문으로보인다. Fig. 5의열처리하지않은시편에서용접부의경도가열영향부의경도보다높게나타나는현상은 BAS111 및 BAS121합금에서도확인할수있다 6,7). 즉용접선으로부터약 2 mm에걸친열영향부에서거의일정하게낮은경도분포를보이다가모재로갈수록경도가상승하여일정한값을나타낸다. 이러한현상은인발에의한단면축소율이커질수록용접부가열영향부및모재보다가공경화의영향을크게받는것으로알려져있다 5,6). 열처리하지않은시편에서용접부의경도가모재보다높게나타나는현상은다음과같이설명할수있다. A03합금이조관성형되어고주파유도용접되는과정에서유도코일에의해가열된용융부는스퀴즈롤에서압착이되면서여분의용융금속이스패터형태로용접선외부로분출되고이어서냉각수에의해급냉된다. 고주파유도용접특성상이러한일련의가열, 용접, 압착, 냉각은거의동시에이루어지기때문에용접부는상대적으로급냉되고조직이미세화되므로기계적성질이증가하게된다 5). 그러나열영향부는가열로인해연화가되고따라서비교적내부응력이제거된상태에서냉각되기때문에모재부나용접부보다는낮은경도를보인다고생각된다. Fig. 7은 A03 합금파이프의인장시험편용접부파단면을 SEM으로관찰한것이다. 열처리하지않은용접부 와 4 에서 2시간열처리한용접부 모두연성파괴형태를나타내고있으나 의경우딤플주변이거칠고변형이심한반면 의경우는딤플주변이매끄러우며큰변형이없는것으로보인다. 따라서인장시험에서 의경우가 의경우보다비교적큰응력을받고변형되었음을알수있다. 인장시험에의한파단은일반적으로인장시편의가장약한부분에서파단이일어나기때문에 시편의경우경도가가장낮은열영향부에서일어났을것으로예상된다. 제2상입자를함유하고있는상용재료에서의연성파괴는대부분제2상입자들에의해유발되며이러한딤플은제2상입자에의해미소공동의발생, 성장및합체에의하여연성파괴가일어나기때문에발생한다고알려져있다 7). Fig. 7 에서화살표로표시한것처럼딤플내부에 2상입자가존재하는것을확인할수있다. Fig. 8은 A03합금파이프의용접부를관찰한것이다. 는열처리하지않은것으로화살표로표시한것처럼너비약 15 μm정도의용접선이뚜렷하게관찰되고있다. 반면 는 4 에서 2시간열처리한것으로용접선이나타나지않았다. Fig. 8 및 모두용접부에는모재와마찬가지로 Fig. 7 SEM fractographs of tensile test specimen in wel ds as-welded and 4 for 2hr 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 511
56 이일천 송영종 국진선 윤동주 김병일 Al Si B A Welds Base Metal Al Si A Welds B Base Metal Fig. 9 EDS analysis of intermetallic compound A in A3 003 aluminium alloys As-welded and 4 for 2hr Fig. 8 SEM of intermetallic compound in A03 aluminiu m alloysas-welded and 4 for 2hr 약 5 μm이하의금속간화합물이존재하였으며, Fig. 9의 EDS 분석결과 A 및 B는모두 Al 12 (, ) 2 Si상으로확인되었다. 00계열알루미늄합금이 을주요첨가원소로하여얻어지는몇몇금속간화합물을 Al 기지내에미세하게분산시킴으로서강도를조절한다고알려져있다. 열처리온도가증가하여회복및재결정이완료되는 4 이상에서는용접선이나타나지않았으며, 석출상의분포나크기에도변화가나타나지않았다. 00계열알루미늄합금에서 의함량이 0.5~1.5% 인경우층상으로형성되는금속간화합물은주로 Al---Si 로구성된것이며, 괴상의금속간화합물은다량의 이 Si로치환된 Al-- 계화합물로알려져있다 8). 특히 A03 합금과유사한 이 1% 인첨가된조성은 Al 12 (, ) 2 Si의조성비를갖는공정금속간화합물로알려져있다 8). 한편 03 알루미늄합금조직에대한다른연구자들의결과에의하면덴드라이트를따라형성된초정상 Al 6 (, ) 와이상의일부가응고중에변태하거나액상으로부터직접공정반응에의해형성된공정금속간화합물 α-al(, )Si 상이공존하고있고 9), 이경우공정금속간화합물 α-al(, )Si 는첨가원소의종류와양그리고응고조건에따라 Al 15 (, ) 3 Si 2, Fig. 10 Scanning Electron Micrographs of A03 alloy w elds(as-welded) Al 12 (, ) 3 Si, Al 5 12 Si 7 등과같이다양한조성비를가진것으로나타났다 3,8,10,11). Fig. 10은 Fig. 9 의 A03 합금용접부를관찰한것으로 Al 12 (, ) 2 Si의조성을갖는비교적조대한금속간화합물 (A) 의주변에약 1μm이하의상대적으로미세한금속간화합물 (B) 이고르게분포하고있음을알수있다. 이상으로부터 A03 합금판재를고주파유도용접한상태에서는용접부의경도가모재부의경도보다높게나타나며주조조직인용접선이나타나기때문에이재료를감광드럼용 OPC 드럼소재로사용하기에는부적절하다. 따라서모재부와용접부의경도가거의같아지는온도와전기전도도가감소를시작하는온도는약 0 로거의일치하는것으로보아기계적인균일화를위해 512 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 5, October, 2007
열처리된 A03 알루미늄합금용접부의미세조직및기계적특성 57 서는최소한 0 에서 2시간이상의열처리가필요하고, 용접선을제거하기위해서는 4 이상에서 2시간이상의열처리가필요하다. 5. 결론 본연구에서는 A03 알루미늄합금판재를고주파유도용접하여파이프를제조한후용접부의조직및기계적특성을균일화시킬목적으로열처리한결과다음의결론을얻었다. 1) 열처리하지않은시편에서용접부의경도가모재부보다높게나타나는것은용접부가급냉되어모재부보다미세조직으로되기때문이다. 2) 모재부와용접부의비커스경도는 0 에서 2시간이상의열처리조건에서균일화되었으며열처리시간의증가에따른경도감소는나타나지않았다. 3) 4 에서 2시간이상열처리하면용접선을제거할수있으며, 모재부에석출하는약 5 μm이하의금속간화합물 (Al 12(, ) 2Si) 은용접부에도석출하였으며상의크기및분포는열처리의영향을받지않았다. 후기 참고문헌 1. Ishii Hiroshi : Japan Publication Patent No. 79755 (1989) 2. Kyeu-hwan Lee : Korea Registration Patent No. 0153176 (1998) 3. Jin-Seon Gook, Dong-Joo Yoon, Byung-Il Kim : J. of the Korea Society for Heat Treatment, 19(3) (2006) 156 (in Korean) 4. A. J. DeArdo and R. W. Townsend : Metal. Trans., 1(1979)2573 5. J. S. Gook, N. C. Kim, J. K. Song and D. T. Jeon : Journal of Korean Welding Institute, 22(4) (2004) 65~72 (in Korean) 6. S. W. Han, B. I. Kim, H. W. Lee, W. Y. Chon and J. S. Gook : Korean Journal of Materials Research, 14(12) (2004) 851 (in Korean) 7. D. Broek : Eng. Fracture Mechanics, 1(10) (1973) 55-66 8. M. H. Kim, H. H. J & G, H. Lee : J. Kor. Inst. Met. & Mater., 8(2002)831 9. Lennart Backerud, Ella Krol and Jarmo Tamminen : Solidification Characteristics of Aluminium Alloys, Skan aluminium, 1(1986)93 10. E. Wadanabe, T. Oohori and Y. Dakeuchi : J. Jap. Inst. Light. Met., 33(1983)149 11. T. Minoda and H. Yoshida : J. Jap. Inst. Light. Met., 47(1997)691 본과제는 교육인적자원부 산업자원부 노동부의출연금으로수행한산학협력중심대학육성사업의연구결과 이며이에감사드립니다. 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 5 號, 2007 年 10 月 513