Study on Multi-stage Hot Forming of A6061 Aluminum Alloy

A6061 알루미늄 합금의 다단 열간성형에 관한 연구

Abstract

Aluminum alloy sheets, compared to conventional steel sheets, face challenges in press forming due to their lower elongation. To enhance their formability, extensive research has focused on forming technologies at elevated temperatures, specifically warm forming at around 300℃ and hot forming at approximately 500℃. This study proposes that the formability of aluminum alloy sheets can be significantly enhanced using a multi-stage hot forming technique. The research also investigates whether the strength of the A6061 aluminum alloy, known for its precipitation hardening, can be maintained when formed below the precipitate solid solution temperature. In the experiments, the A6061-T6 sheet underwent heating and rapid cooling between 250 and 500℃. The mechanical properties were evaluated at each stage of the process. The findings revealed that when the initial heat treatment was below 350℃, the strength of the material remained unchanged. However, at temperatures above 400℃, there was a noticeable decrease in strength coupled with an increase in elongation. Conversely, when the secondary heat treatment was conducted at temperatures of 350℃ or lower, the strength remained comparable to that of the initial heat treated material. However, at higher temperatures, a reduction in strength and an increase in elongation were observed.

1. 서론

최근 자동차 산업에서 전동화에 따른 차체의 경량화의 요구가 증가함에 따라 비철금속재료를 적용한 차체 부품 제조 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 특히 알루미늄은 높은 비강도 특성으로 인해 차체 적용이 급격히 증가하고 있다. 알루미늄 합금 중 고용강화형 A5000계 합금과 석출경화형 A6000계 합금 위주로 적용하고 있으며, 이에 대한 연구가 계속하여 진행되고 있다[1-5]. 단, 이러한 알루미늄 합금은 기존 스틸 판재에 비해 낮은 연신율로 프레스 성형이 어려운 단점이 있어, 이를 해결하기 위해 성형 전 판재를 예열하여 연신율을 증가시킨 후 성형하는 온간성형(300℃ 부근)과 열간성형(500℃ 이상) 기술이 개발되고 있다.

이러한 성형 공법은 자동차용 차체 부품에 많이 적용되고 있는 A6000계열 및 A5000계열 또는 항공기 동체 부품으로 활용되고 있는 A7000계열을 활용하여 적용 및 연구되고 있다. 온간성형은 판재를 어닐링 온도 근처로 가열하여 연신율을 확보한 뒤 성형하는 공법으로, 석출경화형 알루미늄 합금을 이용할 경우, 강도 증가를 위해 성형품을 고용화열처리 후 시효 열처리를 실시한다[6, 7]. 반면, 열간성형은 판재를 고용화 열처리 온도까지 가열한 후 성형과 동시에 급랭하여 성형하는 공법으로 성형 공정에 고용화 열처리가 포함되어 있어 성형품을 시효 열처리만 하면 되는 특징을 가진다. 열간 성형 중 알루미늄 판재의 초소성 성형 특성(SPF, Super Plastic Forming)을 이용한 성형 기술은 A7000계열 소재를 적용하며, 소재를 열간 예열 후 가스블로우 성형을 통하여 항공기 제품 등을 성형하고 있다. 이러한 공정은 차체에 적용한 사례는 있으나. 양산에 적용하기엔 생산성 및 투자비가 과다하여 적용이 어려운 상황이다[8-12]. 앞서 설명한 두 공정을 비교하면 온간성형은 비교적 낮은 온도에서 성형이 가능한 장점을 가지지만, 성형품을 고용화 열처리 해야하는 단점을 가지고 있으며, 열간성형은 성형품을 별도 고용화 열처리를 할 필요 없이 시효 열처리만 하는 장점을 가지고 있지만, 온간성형 대비 높은 온도로 성형을 하여야 하는 단점을 가지고 있다.

석출경화형 알루미늄 합금의 열간성형에 관한 연구는 석출물이 모두 용해되는 온도 이상에서 성형과 동시에 냉각하여 성형성을 검증하는 연구는 많이 이루어져 있지만, 석출물의 고용온도 이하에서 열간성형 시 소재의 강도 변화에 대한 연구는 전무한 실정이다.

이에 본 연구에서는 석출경화형 A6000계 알루미늄 합금 판재를 온간성형의 온도에서 성형을 하더라도 강도를 확보할 수 있으며, 성형성을 극대화 하기 위해 열간성형을 두 공정으로 나누어 성형하는 다단 열간성형을 개발하고자 한다.

2. 다단 알루미늄 열간성형 개요

일반적으로 A6000계 알루미늄 판재는 Fig. 1(a)에 나타낸 바와 같이 T4 또는 T6 열처리 된 판재를 원소재로 하여 냉간 프레스 성형하는 것이 일반적이다[13].

Fig. 1 Comparison of (a) conventional forming; (b) multi stage hot forming procedure for aluminum sheet

전자의 A6000계 알루미늄의 T4 판재를 이용하여 냉간 프레스 성형시, 성형 후 성형품의 강도 확보를 위해 별도의 인공시효를 실시하여 강도를 확보한다. 반면 후자의 경우 T6 열처리된 판재를 냉간 프레스 성형 후 별도의 인공시효 열처리는 필요하지 않지만, 성형 시 낮은 연신율로 인한 성형성의 제한이 있는 것이 특징이다. 대부분의 차체 부품에 적용되는 A6000계 알루미늄 판재는 T4 상태에서 프레스 성형 후 인공시효 열처리를 통해 강도를 확보하는 것이 일반적인 공정이다.

하지만 본 연구에서 제시하는 다단 알루미늄 열간 성형은 Fig. 1(b)에 나타낸 바와 같이 알루미늄 판재를 고온성형이 가능한 온도로 가열한 후 프레스 성형과 동시에 금형냉각을 통하여 부품을 성형한다. 이때, 성형성의 극대화를 위하여 앞서 언급한 고온 성형 및 금형 냉각을 두 공정으로 나누어 진행하였다. 따라서 알루미늄 다단 열간성형은 열간성형으로 냉간 성형에서 발생되는 성형성 및 스프링백 문제를 개선할 수 있는 장점 외, 다단 성형을 통하여 기존 1단 열간성형 대비 성형성을 향상시킬 수 있는 특징을 가지고 있다.

석출경화형 Al-Mg-Si 합금 중 A6061의 석출경화 시 형성되는 석출물의 상분율은 Mg₂Si 1.11 wt.%, Al₂Cu 0.33 wt.%로 전체적으로 1.44 wt.%로 구성되어 있다. Fig. 2는 A6000계 알루미늄의 대표적 석출물인 Mg₂Si의 온도에 따른 고용한도 상태도를 나타낸 것이다[14]. 본 연구에 사용된 A6061의 대표적인 석출경화 석출물은 Mg₂Si으로 자연시효 또는 인공시효 시 1.11 wt.%로 존재한다. 이와 더불어 Fig. 2의 상태도에서와 같이 A6061의 Mg₂Si 석출물은 450℃에서 고용(용해) 되는 것을 알 수 있다. 일반적인 A6000계 알루미늄합금(Al-Mg-Si계)의 열간성형은 석출물이 모두 용해(고용)되는 온도인 500℃ 이상의 온도에서 가열한 상태에서 성형과 동시에 급랭시켜 T4 상태로 만든 다음 별도의 인공시효 열처리를 거쳐 강도를 확보한다.

Fig. 2 Solubility of Mg₂Si as a function of temperature [14]

본 연구에서는 T6 열처리된 A6061 판재를 석출경화 석출물인 Mg₂Si의 고용 온도 전 후 온도에서의 기계적 성질 변화를 검토하고, 또한 다단 열간 성형시 알루미늄 열처리 온도 조건 변화에 따라 각 공정간 기계적 성질의 변화를 체계적으로 검토하였다.

3. 실험 방법

본 연구에서는 석출경화형 A6000계 알루미늄 합금인 두께 4.2 mm의 A6061 합금판재를 적용하였으며, T6 열처리가 완료된 판재를 사용하였다. Table 1는 A6061-T6판재의 화학조성과 기계적 성질을 나타낸다. Table 2에서와 같이 열처리된 A6061-T6는 231 MPa 항복강도와 288 MPa의 인장강도를 가진다.

Table 1 Chemical composition of A6061(wt.%)

Table 2 Mechanical properties of A6061-T6

다단 열간성형을 재현하기 위해 가열은 1차 성형, 2차 성형, 2공정으로 나누어 실시하였다. 1차 성형과 2차 성형 온도는 300~500℃ 범위에서 50℃ 간격으로 판재를 가열하였고, 가열시간은 20분간 유지한 후, 금형냉각을 실시하였으며, 조건은 Table 3에 나타내었다. 각 공정의 강도 평가는 ASTM E8/E8M 표준 시편 규격 및 시험방법에 따라 기계적 성질을 평가하였다.

Table 3 Conditions of heat treatment for A6061

4. 시험결과 및 고찰

4.1 열처리 후 물성 평가

Fig. 3의 (a)와 (b)는 각각 A6061-T6 판재를 300 ~ 500℃에서 20분간 가열 후 수냉 시킨 열처리 판재에 대한 상온 인장시험 결과의 항복강도, 인장강도와 연신율을 나타낸 것이다. 또한 열처리 전 A6061-T6 판재의 인장강도, 항복강도와 연신율을 각각 점선과 파선으로 표시하였다. 이 결과로부터 열처리 온도 350℃까지는 열처리 전 강도와 유사한 것을 알 수 있으며, 400℃ 열처리 조건부터 온도가 증가할수록 인장강도와 항복강도가 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 반면, 연신율은 400℃ 열처리까지는 열처리 전 연신율과 유사하며, 450℃ 열처리 조건부터 온도가 증가할수록 연신율이 증가하였다.

Fig. 3 Results of mechanical properties of A6061-T6 according to first heat treatment temperature: (a) tensile and yield strength; (b) elongation

Fig. 4는 Fig. 3의 A6061-T6 열처리 온도별 열처리한 판재를 다시 400℃~500℃에서 20 분간 가열 후 수냉시킨 2차 열처리 판재에 대한 상온 인장시험 결과의 항복강도와 인장강도, 연신율을 나타낸 것이다. 이때 2차 열처리의 가열온도는 1차 열처리 시 기계적 성질 변화가 없는 350℃ 조건은 제외하고 열처리를 실시하였다. 이 결과로부터 1차 열처리 온도가 300~400℃, 2차 열처리 온도가 400℃, 450℃인 경우 항복강도와 인장강도는 A6061-T6 모재 대비 강도는 약 10~20 MPa 감소하는 것을 알 수 있으며, 1차 열처리 온도 450℃, 2차 열처리 온도가 400℃, 450℃인 경우, 전자의 경우보다 모재 대비 강도 감소량이 30 MPa로 더 큰 것을 알 수 있다. 반면 1차 열처리 온도가 500℃인 경우 2차 열처리의 모든 온도 조건에서 모재대비 60 MPa 강도 저하가 발생하였다.

Fig. 4 Results of mechanical properties of A6061-T6 according to the second heat treatment temperature: (a) tensile strength; (b) yield strength; (c) elongation

2차 열처리 온도가 500℃인 경우, 1차 열처리 온도와 상관없이 항복강도와 인장강도는 각각 120 MPa, 190 MPa 값을 가진다.

Fig. 5는 1차 열처리 후의 기계적 성질과 2차 열처리 후의 기계적 성질 변화를 비교하기 위해 기계적 성질을 도식화한 그래프이다.

Fig. 5 Mechanical properties of A6061 alloy according to multi stage heat treatment conditions

온도별 분석 결과로부터 1차 열처리 온도가 400℃ 이하에서는 모재의 기계적 성질을 유지하며, 열처리 온도가 400℃ 이상인 경우, 항복강도와 인장강도는 감소, 연신율은 증가하기 시작하며, 온도가 증가 할수록 폭은 증가함을 알 수 있다. 또한 2차 열처리 온도 역시 1차 열처리 온도와 상관없이 400~450℃에서는 기계적 성질 변화가 거의 없는 반면, 500℃에서 강도의 급격한 감소가 확인되는 것을 알 수 있다.

4.2 다단 열처리 기계적 성질 고찰

Fig. 6은 A6061 합금의 대표적인 석출물인 Mg₂Si의 형성온도를 확인하고자 JMat Pro^TM 소프트웨어를 이용하여 구한 상분율 곡선과 Fig. 3의 (a)의 A6061-T6 판재의 열처리 온도에 따른 항복강도와 인장강도 값을 같이 나타낸 것이다. 위의 그래프로부터 Mg₂Si 석출물은 475℃ 부근에서 석출되며, 온도가 낮아질수록 석출물의 양이 증가하다가 380℃ 이하에서는 석출물의 양이 증가하지 않고 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 또한 항복강도와 인장장도는 Mg₂Si 분율의 온도와 비슷한 경향을 나타냄을 알 수 있다.

Fig. 6 Calculation of Mg₂Si precipitate volume fraction of A6061 using JMatPro v-5 software

Bardel의 연구결과에 의하면, A6061의 석출물 분율에 따른 기계적 성질은 Mg₂Si의 분율이 증가함에 따라 강도가 증가한다고 보고하고 있으며, 이러한 결과는 본 연구의 결과와 잘 일치하는 것을 알수 있다[15].

일반적으로 석출경화형 Al-Mg-Si계 합금의 석출물 형성은 다음과 같다.

여기서 SSSS(Super-Saturated Solid Solution)는 석출물이 과포화되어 있는 상태를 말한다. Andersen등의 연구결과에 의하면, T6 인공시효된 A6061 알루미늄 합금은 얇은 모양의 ẞ-Mg₂Si 석출물이 입내에 형성된다고 보고하고 있다[16]. 이상의 결과로부터 T6 열처리된 A6061 합금은 Mg₂Si 석출물이 입내에 안정화된 상태로 석출되어 있으며, 380℃ 이하의 온도로 재열처리를 하더라도 안정화된 Mg₂Si 석출물이 재고용(Re-solidification)되지 않기 때문에 기계적 성질 변화가 없는 것으로 판단된다. 반면, 380℃~480℃ 이상의 온도에서는 석출되어 있던 Mg₂Si 석출물이 일부 고용되고 급랭됨에 따라 부분과포화 상태가 되어 기계적 성질이 감소하는 것으로 판단된다. 반면, 480℃ 이상의 온도에서는 Mg₂Si 석출물이 완전 고용되어 기계적 성질이 가장 감소하는 것을 알 수 있으며, 이는 석출물이 과포화되어 있는 SSSS 상태인 것으로 판단된다.

Fig. 7은 A6061-T6 에 대한 1차 열처리(Open Mark) 및 2차 열처리(Close Mark)에 대한 (a) 항복강도와 (b) 연신율을 나타낸 것이다. 그래프에서와 같이 400℃에서 1차 열처리 시에는 항복강도와 연신율은 모두 모재의 항복강도와 연신율과 비슷한 것을 알 수 있다. 반면, 2차 열처리의 경우 1차 열처리 온도 400~450℃ 구간보다 항복강도는 높고, 연신율은 낮은 것을 알 수 있다. 이는 1차 열처리 시 부분 고용되었던 석출물이 2차 열처리 가열시 Mg₂Si 석출물이 재석출되어 항복강도가 상승하는 것으로 판단되며, 연신율은 석출물이 과시효 (Over-aging)되어 입내가 아닌 입계에 석출되어 연신율이 증가하지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 7 Results of mechanical properties of A6061-T6 according to first(Open Mark) and second(Closed Mark) heat treatment temperature: (a) yield strength; (b) elongation

A6061-T6 판재에 대한 고온에서의 성형성을 확인하기 위해 고온기계적 성질에 대해 검토하였다. Fig. 8은 A6061-T6 알루미늄합금의 고온인장시험에 대한 Summers의 연구결과를 나타낸 것이다[16]. 고온강도는 온도가 증가할수록 강도는 점진적으로 감소하며, 250℃를 변곡으로 하여 강도 저하율이 변화하는 것을 알 수 있다. 반면, 연신율의 경우 온도가 증가할수록 연신율이 증가하지만, 연신율의 증가율은 350℃ 이상에서 급격히 증가하는 것을 알 수 있다.

Fig. 8 Elevated temperature mechanical properties of A6061-T6: (a) tensile and yield strength; (b) elongation by data reported in Patrick T Summers results[2]

이상의 결과로부터 A6061-T6 판재를 이용하여 다단 열간성형기술을 적용할 경우, 1차 성형온도와 2차 성형온도를 모두 400℃에서 프레스 성형을 하게 된다면, 최종적으로 성형품의 강도저하 없이 성형이 가능할 것으로 판단되어, 1차 성형 온도 400℃, 2차 성형 온도를 400℃로 하여 성형성을 검증하였다.

4.3 다단 열처리 적용 판재 성형

Fig. 9는 자동차 Shock Absorber Housing 부품을 A6061-T6 소재로 성형한 결과 이다. 성형공정은 다단 열간성형 공정을 적용하였고, 금형을 별도 예정하지 않은 냉간 금형을 적용하여 개발하였다. Fig. 9의 (a)는 Shock Absorb Hosing 성형을 위한 금형 세팅을 나타낸 것으로, 1차 성형은 성형 깊이를 152 mm로 하였으며, 2차 성형은 1차 성형 대비 29 mm 더 성형이 이루어지도록 금형을 제작하였다.

Fig. 9 Formability evaluation of multi stage hot forming of shock absorber housing: (a) 1st and 2nd forming tool depth; (b) result of 1st forming at room temperature; (c) result of 1st forming at 400℃; (d) result of 2nd forming at 400℃

Fig. 9의 (b)는 A6061-T6 판재를 상온에서 1차 금형을 이용하여 성형한 성형품의 결과를 나타낸 것으로 성형이 완료되기 50 mm 전에서 상단부에서 파단이 발생한 것을 알 수 있다. 반면 Fig. 9의 (c)는 A6061-T6판재를 400℃-20 min 가열 후 1차 성형한 것으로 상온에서 성형한 것과 달리 상단부에서 크랙이 발생하지 않았다. Fig. 9의 (d)는 (c)의 1차 열간 성형된 성형품을 다시 400℃에서 20 min 가열 후 2차 금형에 성형한 것으로 별도의 파단 발생 없이 성형이 된 것을 알 수 있다.

이상의 결과로부터 A6061-T6 판재를 성형할 경우, 400℃ 온도에서 열간 성형 시 냉간 성형보다 성형성이 증대한다. 이때, 상온 기계적 성질은 감소하지 않는 것을 확인 할 수 있었다. 이에 상온 강도 변화없이 일반 열간 성형보다 극대화된 성형 깊이를 400℃로 재가열 후 성형이 가능한 것을 알 수 있다.

5. 결론

본 연구를 통해 T6 열처리된 A6061 판재를 석출경화 석출물인 Mg₂Si 석출물의 고용 온도 전 후 온도에서의 기계적 성질 변화를 검토하고, 또한 다단 열간 성형시 알루미늄 열처리 온도 조건 변화에 따라 각 공정간 기계적 성질 변화에 대한 검토결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 1차 열처리 온도가 350℃까지는 열처리 전 강도와 유사한 것을 알 수 있으며, 400℃ 열처리 조건부터 온도가 증가할수록, 인장강도와 항복강도가 점차적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 반면, 연신율은 400℃ 열처리까지는 열처리 전 연신율과 유사하며, 450℃ 열처리 조건부터 온도가 증가할수록 연신율이 증가하였다.

2) 1차 열처리 온도가 300~ 400℃, 2차 열처리 온도가 400℃, 450℃인 경우 항복강도와 인장강도는 모재 대비 강도는 약 10~20 MPa 감소하는 것을 알 수 있으며, 1차 열처리 온도 450℃, 2차 열처리 온도가 400℃, 450℃인 경우 모재 대비 강도 감소량이 30 MPa로 더 큰 것을 알 수 있다. 반면 1차 열처리 온도가 500℃인 경우 2차 열처리의 모든 온도 조건에서 모재대비 60 MPa 강도 저하가 발생하였다.

3) T6 열처리된 A6061 합금은 Mg₂Si 석출물이 입내에 안정화된 상태로 석출되어 있으며, 380℃ 이하의 온도로 재열처리를 하더라도 안정화된 Mg₂Si 석출물이 재고용되지 않기 때문에 기계적 성질 변화가 없는 것으로 판단된다.

4) 반면, 380℃~480℃ 이상의 온도에서는 석출되어 있던 Mg₂Si 석출물이 일부 고용되고 급랭됨에 따라 부분과포화 상태가 되어 기계적 성질이 감소하는 것으로 판단된다.

5) 자동차 Shock Absorber Housing 부품을 A6061-T6 소재를 이용하여 다단 열간성형 금형을 제작 및 다단 열간 성형에 대한 성형결과, 400℃ 온도에서 열간 성형 시 냉간 성형보다 성형성이 증대하며, 상온 기계적 성질은 감소하지 않는 것을 확인 할 수 있으며, 상온강도 변화 없이 400℃로 재가열 후 재성형이 가능한 것을 알 수 있다.

후기

본 논문은 정부(산업통상자원부)재원으로 한국산업기술기획평가원 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 연구된 연구결과입니다(No. 20017478, 다종 차체부품 제조를 위한 가변형 스마트 제조기술 개발).