Microstructure and Wear Properties of Al 7075 Alloy Manufactured by Twin-Roll Strip Casting Process

Kim, Kyoung-Wook; Baek, Min-Seok; Euh, Kwangjun; Lee, Kee-Ahn

doi:2021.59.12.870

Korean Journal of Metals and Materials > Volume 59(12); 2021 > Article

Twin-Roll Strip Casting 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 미세조직 및 마모 특성

Research Paper

Korean Journal of Metals and Materials 2021; 59(12): 870-879.

Published online: November 19, 2021

DOI: http://dx.doi.org/10.3365/KJMM.2021.59.12.870

Twin-Roll Strip Casting 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 미세조직 및 마모 특성

김경욱¹, 백민석¹, 어광준², 이기안^1,^*

¹인하대학교신소재공학과

²한국재료연구원 (KIMS)

Microstructure and Wear Properties of Al 7075 Alloy Manufactured by Twin-Roll Strip Casting Process

Kyoung-Wook Kim¹, Min-Seok Baek¹, Kwangjun Euh², Kee-Ahn Lee^1,^*

¹Dept. Mater. Sci. Eng., Inha University, Incheon 22212, Republic of Korea

²Korea Institute of Materials Science, Changwon 51508, Republic of Korea

^*Corresponding Author: Kee-Ahn Lee
Tel: +82-10-4628-3251, E-mail: keeahn@inha.ac.kr

- 김경욱: 석사 연구원, 백민석: 박사 연구원, 어광준: 박사, 이기안: 교수

Received May 24, 2021 Accepted September 17, 2021

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Cited By

Abstract

Al 7075 alloy was manufactured using the twin-roll strip casting (TRC) process, and the mechanical and wear properties of the fabricated TRC process were investigated. To compare the properties of the alloy manufactured by TRC, another Al 7075 alloy was fabricated by conventional direct chill (DC) casting as a comparative material. Based on initial microstructure observations, the Al 7075 alloy manufactured by the DC process showed relatively elongated grains compared to the Al 7075 alloy by TRC process. In both alloys, η(MgZn₂) phases were present at the grain and grain boundaries. In the Al 7075 alloy manufactured by the DC process, the η(MgZn₂) phases were coarse with a size of ~86 nm and were mainly concentrated in the local area. However, the Al 7075 alloy manufactured by TRC had relatively fine η(MgZn₂) phases size of ~40 nm, and they were evenly distributed throughout the matrix. When the mechanical properties of the two alloys were compared, the TRC process showed higher hardness and strength properties than the DC process. In room temperature wear test results, the TRC process exhibited lower weight loss and wear rates compared to the DC process at all wear loads. In other words, the TRC process resulted in relatively superior wear resistance properties compared to the conventional DC process. The wear behavior of both alloys changed from abrasive wear to adhesive wear as the wear load increased. However, the TRC process maintained abrasive wear up to higher loads. Based on the above results, a correlation between the microstructure and wear mechanism of the Al 7075 alloy manufactured by TRC is also suggested.

Key words: Al 7075 alloy, Twin-roll strip casting, Direct chill casting, Wear property, Microstructure

1. 서 론

Al 7075 합금은 7xxx계 석출경화형 Al-Zn-Mg-Cu 합금으로 우수한 기계적 특성(강도, 연신율, 충격 인성, 피로 특성)과 내산화 및 내부식성을 가지고 있다. 이러한 특징들로 인해 최근 Al 7075 합금은 높은 비강도가 요구되는 구조용 부품인 철강 소재의 대체 소재로 주목받고 있다 [1]. 특히, 이 합금은 우수한 비강도로 인해 자동차, 선박, 항공 우주 등 다양한 운송 수단 산업에 적용될 수 있으며 그 수요가 점차 증가하고 있다 [2,3].

현재까지 Al 7075 합금은 주로 direct chill (이하 DC로 표현하였음) 주조 공정을 이용하여 제조되어 왔다. 하지만 주조 공정으로 Al 7075 합금을 제조 시 가스 기공, 수축 기공 등과 같은 주조 결함들 쉽게 생성될 수 있으며, 이 결함들은 기계적 특성 저하를 초래한다 [4]. Al 관련 연구 중에서 이와 같은 주조 결함들을 줄이기 위해 다양한 방법들이 제시되고 있으며, 그 중 열간 압연, 압출 및 단조와 같은 추가 소성 가공이 방안으로 사용되고 있다. 특히, Slamova et al. [5]은 열간 압연에 적합한 공정 조건을 최적화하여 결함을 제어하는 연구를 수행하였다. 또한, Dehghani [6]는 석출물 제어와 압연을 동시에 구현할 수 있는 T651 열처리 (artificial aging and forging)에 대하여 보고했다. 그러나 T651 열처리는 단조 공정이 포함되어 소재 내부에 불균일한 응력 집중을 발생시키며, 공정 시간도 길어질 수 있다.

한편, Al 7075 합금은 대표적인 석출경화 합금으로서 후 열처리를 통한 강화상 제어가 필수적이며, 이를 통해 η(MgZn₂) 상의 크기 및 분포를 제어하는 것으로 보고되고 있다 [7,8]. Al 7075 합금은 용체화 열처리 이후 단조를 수행한 후 퀜칭(quenching) 그리고 시효(aginh) 열처리를 추가 진행하는 T651 열처리(artificial aging and forging)가 많이 수행되고 있다 [9].

Twin-roll casting(이하 TRC로 표현하였음) 공정은 기존의 DC 공정과 다르게 응고와 열간 압연(hot rolling)을 동시에 유도하며 중간 공정없이 용탕에서 판재로 직접 제조가 가능하다. TRC 공정은 기존 주조 공정으로 제조 시 Al 7075 합금에 야기될 수 있는 주조 결함들을 상대적으로 쉽게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 중간 공정(압출 및 압연)을 간략화 할 수 있어 공정 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다 [10-12]. 이와 함께, TRC 공정으로 제조되는 Al 합금들은 강화상들 (ex. η(MgZn₂), ϴ (Al₂Cu) etc.)이 미세하고 고루 분포되어 기계적 특성 향상에 도움을 줄 수 있는 것으로 알려져 있다 [13-15].

현재까지 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금에 대한 연구들은 제조 및 공정 조건 최적화에 관한 내용들이 대부분이며 [15,16], 기계적 특성에 대한 연구는 인장 및 고주기 피로특성에 관한 연구가 일부 제시되었으나 [17] 여전히 부족한 실정이다. 또한, Al 7075 합금의 응용 분야를 고려할 때 내마모 특성이 중요함에도 불구하고 마모 특성 및 거동에 대한 연구는 일부 보고되었고 [18,19], 특히 TRC 공정으로 제조된 고강도 Al 7075 합금의 마모 특성은 아직 제시된 바 없다.

본 연구에서는 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금 판재의 미세조직과 마모 거동에 대해 조사하였으며, DC 주조 공정으로 제조된 Al 7075 합금과 비교 평가하였다. 또한, 고강도 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 마모 기구를 변형 조직과 연계하여 규명하고자 하였다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 460 mm 두께를 가진 초기 주조 소재로 TRC 공정을 이용하여 Al 7075를 제조하였으며, 이 후 T6 열처리(470 °C에서 6 시간 용체화 열처리 후 120 °C에서 24시간 시효 열처리)를 수행하였다. 비교 소재인 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금은 470 °C에서 6 시간(용체화 열처리)를 진행 후 열간 단조(hot-forging)을 수행하고 120 °C에서 24시간 시효 열처리하였으며, 그림 1에 열처리 개략도를 도시하였다. 이 때 두 소재들의 두께는 각각 DC: 8 mm, TRC: 9 mm로 측정되어 서로 유사한 압하율(DC: 98.26%, TRC: 98.04%)을 보였다. DC 공정 및 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 화학 조성들을 확인하기 위해 유도 결합 플라즈마 질량 분석기(inductively coupled plasma, ICP, ELAN 6100)를 이용하였으며, 그 결과를 표 1에 제시하였다.

DC 및 TRC 공정들로 제조된 Al 7075 합금들의 미세조직과 상 분석을 위해 시편 절단 및 연마를 수행하였다. 시편 전처리 조건은 #100~#4000까지 연마 후 1 μm 다이아몬드 서스펜션(diamond paste)과 함께 콜로이달 실리카(colloidal silica)로 최종 연마하였다. X-ray diffraction (XRD, Ultima IV) 장비를 이용하여 상 분석을 실시하였으며, 두 공정들로 제조된 소재들의 미세조직들을 관찰하기 위해 field-emission scanning electron microscope (FE-SEM, TESCAN; MYRA 3), high resolution electron back-scattered diffraction(HR-EBSD, OXFORD) 장비들을 이용하였다. 이 때 HR-EBSD 분석은 tilting: 70°, 가속 전압: 20 kV, beam intensity: 13, step size: 50 nm 조건으로 진행하였다. 이와 함께 filed-emission transmission electron microscopy(FE-TEM, JEOL; JEM-2100F) 장비로 미세 η(MgZn₂) 상을 관찰하였으며, TEM 시편은 dimpling 이후 이온 연마(PIPS, Gatan 691)하여 준비하였다.

제조된 소재들의 기계적 물성을 알아보기 위하여 비커스 경도(Vickers hardness, AVK-C100)와 인장 시험(INSTRON 8501)을 수행하였다. 이 때 비커스 경도는 15회 측정하여 최소값과 최대값을 제외한 평균 값을 사용하였다. 인장 시험은 ASTM E8 M 규격으로 진행하였으며, 신뢰성 확보를 위해 시편에 신장계(extensometer) 부착하여 3회 반복 수행하였다. 마모 시험의 경우 pin-on disk 장비(RB 102PDTM)를 이용했으며, 이 때 상대 마모재(counter part pin)는 STD 11 공구강(30 mm, ø5)을 이용하였다. 마모 시험은 sliding speed: 80 rpm, time: 1 h, load: 2, 4, 6 kgf, temperature: 25 °C, humidity: 14.5 % 조건에서 수행하였다. 마모 시험 후 마모 면을 관찰하기 위해 FESEM 장비를 이용하였으며, 마모면 직하 영역의 단면은 EBSD를 사용하여 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 TRC 공정 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 미세조직

Direct chill(DC) 공정과 novel twin-roll strip casting (TRC) 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 미세조직을 그림 2에 나타냈다. DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 경우 T651 열처리 과정 중 용체화 및 시효 처리와 동시에 단조를 수행하여 압연 방향(rolling direction, RD)으로 연신된 결정립이 관찰되었으며, 결정립의 평균 크기는 94.3 μm 이었다. 이와 함께 결정립 내부 및 외부에서 검은색 석출물들이 나타났다. 전통적으로 빌렛 형태의 Al 7075을 판재로 제조함과 동시에 석출경화 열처리를 수행하고자 T651 열처리가 주로 이용되어 왔다 [11,20]. 그러나 이와 같은 T651 열처리는 소재 내부의 이방성 및 불균일한 미세조직을 야기시키는 것으로 보고되고 있다 [21]. 이에 반해, TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 경우, 결정립의 평균 크기는 67.5 μm로 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금에 비해 결정립이 미세했으며, 등축정(equiaxed) 형상으로 관찰되었다. 검은색 석출물의 경우 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금과는 다르게 결정립계에 집중적으로 분포하고 있었다. 이는 TRC 공정의 특징 중 하나로 매우 빠른 냉각속도에 기인하여 석출물들이 결정립계에 우선적으로 생성, 집중된 것으로 이해될 수 있다 [9].

상기 조직들을 면밀히 분석하고 비교하고자 electro backscatter diffraction(EBSD) 분석을 수행했으며, 이를 그림 3에 도시하였다. 그림 3(a), (c)에 제시한 EBSD 결과를 살펴보면, inverse pole figure (IPF) map에서 DC 공정 및 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 low angle boundary(LABs, 미세한 흰색 선) 분포가 서로 다른 양상을 나타냈다. 먼저 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 경우 LABs는 특정 얇은 결정립 내부에 집중된 것을 볼 수 있다. 이는 T651 열처리에서 단조 과정 중 야기된 결과로 생각된다. 이와 달리 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금은 기지 전반에 걸쳐 LABs가 고루 분산되어 있는 것으로 확인되었다. 또한 TRC 공정의 결정립 내부에 형성된 LABs는 sub-grain의 특징을 보였다. 이러한 특징은 액체 상태의 용탕(melts)에서 급속 냉각에 의해 나타날 수 있다고 보고되었다 [9,17-18]. 상기 합금에 따른 특징들은 geometrically necessary dislocation (GND) map에서 더욱 명확하게 비교될 수 있다 (그림 2(b), (d)). 우선 low angle boundary 에너지는 입계의 단위 면적 안에 있는 전위의 총 에너지로 간주될 수 있다 [22]. 그로 인해, kernel average misorientation (KAM) 데이터를 사용하여 geometrically necessary dislocation (GND) 값을 계산할 수 있다. 관련하여 GND 밀도, ρ_GND는 아래 식(1)에 의해 정의될 수 있다 [23-25].

(1)

ρGND=2θub

여기서 θ는 average misorientation (KAM values), u는 unit length (step size in the EBSD measurement), 그리고 b는 burgers vector이다. 계산 결과, TRC 공정에서의 ρ_GND는 2.78 × 10¹⁵ m^-2 로 나타났으며, DC 공정은 1.44 × 10¹⁵ m^-2 로 얻어졌다. 또한 GND map 분석 결과를 통해 두 합금들의 전위 분포 경향도 확인할 수 있다. 즉 DC 공정으로 제조된 소재의 경우 전위들이 얇게 연신된 결정립 내부에만 존재하였으며, 상대적으로 조대한 결정립에서는 존재하지 않았다. 이는 열간 단조(hot-forging) 중 동적 재결정(dynamic recrystallization, DRX) 및 결정립 성장(grain growth)가 일어났기 때문으로 이해될 수 있다.

그림 4은 DC 및 TRC 공정들로 제조된 Al 7075 합금들의 XRD 상 분석 결과이다. 두 공정으로 제조된 Al 7075 합금들은 모두 α-Al 피크들이 매우 높은 강도(intensity)를 나타냈으며, Al₂Cu, Mg₂Si, Al₂₃CuFe₄ 및 η(MgZn₂) 피크들은 상대적으로 낮은 강도로 검출되었다. 상기 Al₂Cu, Mg₂Si 및 Al₂₃CuFe₄ 상들은 Al 7075 합금에서 관찰될 수 있으며, 결정립계 등에서 우선적으로 형성되는 것으로 알려져 있다 [26]. 이에 따라 앞서 초기 미세조직(그림 1)에서 관찰된 검정색 석출물들은 Al₂Cu, Mg₂Si 및 Al₂₃CuFe₄ 상들로 유추할 수 있었다. 한편, Al 7075 합금의 주 강화상인 η(MgZn₂) 상은 일반적으로 수십 nm의 크기로 매우 미세하다고 알려져 있어 TEM 장비로 분석이 가능하다 [27,28].

Al 7075 합금의 주 강화상인 η(MgZn₂) 상의 분포를 확인하기 위해 FE-TEM 분석과 EDS를 수행하였으며, 그 결과를 그림 5와 표 2에 나타냈다. 우선 두 소재에서 미세한 검은색 상들을 관찰할 수 있으며, 이러한 상들의 크기는 각각 DC: ~86 nm, TRC: ~40 nm로 TRC 공정의 검은색 상들이 상대적으로 더 미세하게 나타났다. 또한, DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금에서는 검은생 상들이 국부적인 영역에 존재하였으나, TRC 공정에서는 결정립 내부와 결정립계에 고르게 분포하는 것을 확인할 수 있다. 이와 함께 그림 5에 표시된 1, 2 번 지점에 존재하는 검은색 상들의 EDS 분석을 시행하였으며, 그 결과를 표 2에 제시하였다. DC 및 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금에서 형성된 검은색 상들은 Mg, Zn 분율이 높은 것을 알 수 있으며, Al 7075 합금의 η(MgZn₂) 상으로 유추할 수 있다. 보통 η(MgZn₂) 상은 T6 열처리 이후 재석출되는 과정에서 결정립계에 우선적으로 석출된다고 알려져 있다 [28,29]. 그러나 TRC 공정의 경우 빠른 냉각 속도에 기인하여 sub-grain이 존재하여 η(MgZn₂) 상들이 더 고르고 미세하게 분포하는 것으로 판단된다.

3.2 TRC 공정 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 경도 및 마모 특성

TRC 공정 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 기본적인 기계적 물성으로 비커스(Vickers) 경도와 인장 특성을 표 2에 제시하였다. DC 및 TRC 공정들로 제조된 Al 7075 합금들의 평균 경도는 각각 165.6 ± 4.1 Hv, 178.2 ± 2.5 Hv로 측정되었으며, 항복 강도 및 인장 강도는 TRC 공정이 DC 공정보다 높게 나타났고 연신율은 상대적으로 DC 공정이 우수하였다. 이와 함께, 경도 값의 편차는 TRC 공정이 상대적으로 적게 측정되었다. 앞선 초기 미세조직(그림 2, 5)에서 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금의 결정립 크기가 DC 공정 보다 미세하였다. 이와 함께 F. Habiby 등[30]은 η(MgZn₂) 상이 미세하고 고르게 분포할 경우 전위의 이동이 제한되어 Al 기지의 경도가 더욱 높아진다고 보고하였다. 또한, B. Liu [31]는 LABs의 경우 전위이동을 방해하는 요소로 작용한다고 언급하였다. 즉, TRC 공정의 높은 경도 특성은 1. 상대적으로 미세한 결정립 크기, 2. η(MgZn₂) 상의 고르고 미세한 분포, 3. 결정립 내부에 존재하는 LABs으로 판단할 수 있다.

그림 6은 TRC 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 하중에 따른 마모 후 중량 감소(weight loss, 단위 g)와 마모된 부피(wear volume, 단위 mm³)의 측정 결과이며, 마모된 부피는 마모로 손실된 무게(weight loss)/소재의 밀도로 구하였다. 마모 후 중량 감소는 상대재(핀)에 의한 모재(디스크 형상의 마모 시편)의 중량 감소를 말하며 마모된 부피는 모재의 부피 감소를 나타낸다. 그림 6에 보는 바와 같이 2 kgf 하중에서 TRC 공정이 DC 공정에 비해 약 2.2배, 4 kgf 하중에서는 1.65배, 6 kgf 경우 1.06배 우수한 마모 저항성을 나타냈다. TRC 공정의 경우 DC 공정과 다르게 마모 하중이 4 kgf에서 6 kgf로 증가될 때 마모 후 중량 감소 및 마모된 부피가 급격히 증가하는 거동을 나타냈었다.

3.3 TRC 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 마모 거동 해석

하중에 따른 마모 시험 후 거동을 분석하기 위하여 FE-SEM을 이용하여 마모 표면을 관찰하였으며, 이를 그림 7에 제시하였다. TRC 공정의 마모면에서 관찰된 마모 폭(wear track)은 DC 공정에 비해 상대적으로 좁게 나타났다. 일반적으로 합금 기지의 경도가 높은 경우 마모된 폭이 좁게 관찰된다고 알려져 있다 [33,34]. 본 연구에서도 TRC 공정의 경도가 DC 공정에 비해 높아 기존에 보고된 상기 경향과 잘 일치하고 있다. 또한 두 공정으로 제조된 Al 7075 합금들 모두 마모 면에서 응착 (adhesive) 및 연삭(abrasive) 마모 흔이 관찰되었으며, 마모 흔은 하중이 증가함에 따라 연삭 마모에서 응착 마모 거동으로 변화하였다. TRC 공정의 경우 하중이 매우 높은 6 kgf 에서만 응착 마모가 나타난 반면, DC 공정은 4 kgf 부터 주로 응착 마모가 관찰되었다는 것이다. 응착 마모는 마모 시 상대재(핀)와 모재 사이에서 발생하는 압축과 마찰열에 의해 나타난다고 알려져 있다 [32]. 또한 응착 마모가 일어날 경우 모재의 전단 강도보다 높은 전단 응력이 발생하여 모재의 탈락 현상이 지속적으로 유도된다. 이로 인해 응착 마모는 연삭 마모에 비해 모재의 탈락을 보다 더 크게 유발하며, 마모 후 중량 감소(weight loss)와 마모된 부피(wear volume)를 증가시킨다 [35,36].

상기 결과들을 토대로 마모 거동을 고찰하기 위해 DC 공정과 TRC 공정으로 제조된 합금들의 마찰 계수(4 kgf 하중 조건)를 살펴보았으며, 그 결과를 그림 8에 도시하였다. 두 소재들의 마찰 계수를 비교해 본 결과, DC 공정이 TRC 공정에 비해 전체적으로 높은 값들을 나타냈다. 이와 함께 DC 공정의 마찰 계수 변화를 자세히 살펴보면 마모 거리 (distance)가 증가함에 따라 마찰 계수 변화 폭이 일정하지 않고 불규칙하였다. 이와 반대로 TRC 공정에서 마모 거리에 따른 마찰 계수 변화는 DC 공정에 비해 상대적으로 균일하며 선형적(linear)으로 감소하는 경향을 나타냈다. 마모 시험에서 마모 거리가 증가함에 따라 변화하는 마찰 계수가 소폭 감소하는 경향을 나타내는 경우 마모 저항성이 더 우수한 것으로 알려져 있다 [37,38].

(2)

W=V/P*L

위 식을 이용하여 마모된 부피(wear volume, V), 적용 하중(applied load, P) 그리고 마모 거리(wear distance, L)를 바탕으로 마모율(wear rate, W)를 계산할 수 있다. 상기 식(2)의 경우 석출물 등 마찰 계수 변화에 영향을 주는 요소가 거의 없는 밀도가 높은 소재에서 주로 적용될 수 있다. 계산된 마모 거리에 따른 마모율(wear rate)을 마찰 계수와 함께 그림 9에 제시하였다. 먼저 주목할 만한 점은 DC 공정의 경우(그림 9(a)) 마모 거리가 증가함에 따라 마모율이 매우 빠르게 증가한다는 것이다. 그림 9(a)의 마모율을 선형 회귀(linear fit) 하였을 때 아래와 같은 식(3)으로 표현될 수 있다

(3)

W=676.76L+1.46×10-8

이와는 반대로 그림 9(b)에 나타난 바와 같이 TRC 공정은 DC 공정과 다른 결과를 보였다. 즉, 마모 거리에 따른 마찰 계수와 마모율을 비교했을 때, TRC 공정의 경우도 비록 마모 거리가 증가함에 따라 마모율은 증가하지만 DC 공정에 비하여 현저히 느리게 증가하였다. TRC 공정의 마모율을 선형 회귀(linear fit) 한 결과는 아래와 같다.

(4)

W=409.51L+5.39×10-9

마모 기구를 보다 명확히 규명하기 위해 마모면의 단면을 EBSD (kernel average misorientation map, KAM map)로 분석하여 그림 9에 나타냈다. 또한 마모면 위치에 따른 misorientation 변화를 도표로 제시하였다. DC 공정(그림 10(a))의 misorientation은 위치에 따라 불규칙적인 변화를 나타냈으며 일부 국부적인 영역에서 높은 misorientation 값이 확인되었다. 앞서 그림 7에서 제시된 바와 같이 DC 공정은 마모 초기에 마찰 계수의 급격한 상승 및 감소를 보였다. 이는 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금 내부에 존재하는 불균일한 분포의 석출물들에 기인하는 것으로 판단된다. 즉 Al 7075 합금에서 불균일한 석출상의 분포는 마모 저항성을 감소시키는 요인이 될 수 있다. 이에 반해 TRC 공정은 상대적으로 균일한 misorientation 변화를 나타냈으며, KAM map에서 균일한 변형(strain) 분포도 확인되었다. E. S. Lee 등[39]은 경도 향상에 기여하는 강화상(예를 들어 η(MgZn₂) 상)들이 고루 분포함에 따라 응력을 분산시킨다고 제시하였다. 또한 H. Jiang 등[40]은 마모 시 상대재(핀)와 마모 면이 맞닿을 때 표면이 거칠수록 마찰 계수는 증가한다고 보고하였다. 즉 TRC 공정의 경우 그림 7에서도 언급한 바와 같이 균일하게 석출물들이 분산되어 마모 시에도 마모면이 거칠지 않고 연삭 마모 특징을 유지할 수 있어 마찰 계수가 계속해서 감소하는 경향(그림 8)을 나타내는 것으로 설명될 수 있다.

그림 11는 TRC 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 4 kgf와 6 kgf에서의 마모 단면들을 제시한 결과이다. DC 공정의 경우 상기 하중 조건들에서 크리에이터(crater, Al 기지가 뜯겨 나가 움푹 파인 부분) 현상이 관찰되었으며, TRC 공정은 6 kgf 하중에서만 이 현상이 나타났다. 크리에이터 현상은 응착 마모에 기인하는 것으로 불균일한 미세조직을 가진 소재에서 나타날 수 있다고 보고된 바 있다 [41,42]. 따라서, DC 공정의 이방성을 가지는 초기 미세조직과 결정립 내부에 존재하는 응력 집중은 마모 특성을 저하시키는데 영향을 미친 것으로 볼 수 있으며, 이때 형성된 크리에이터 현상은 응착 마모와 같이 마모 후 중량 감소(weight loss) 및 마모 부피(wear volume)를 급증시키는 원인임을 유추할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 TRC 공정을 이용하여 Al 7075 합금 판재의 미세조직과 마모 거동에 대해 조사하였으며, DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금과 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 미세조직 관찰 결과, DC 공정으로 제조된 소재는 단조 처리로 인해 연신된 미세조직을 보였으며, α-Al, Al₂Cu, Mg₂Si, Al₂₃CuFe₄ 및 η(MgZn₂) 상들로 구성되어 있었다. 또한, 결정립계에 국부적으로 low angle boundary (LAB)와 응력이 집중되는 특징을 보였다. 그러나 TRC 공정으로 제조된 소재의 경우, 제조 시 빠른 냉각 속도에 기인하여 LAB과 응력이 고루 분산되어 나타났다. 또한 Al 7075 합금의 주 강화상인 η(MgZn₂) 상의 경우, TRC 공정으로 제조된 소재가 DC 공정의 소재보다 더 미세하고 전체적으로 고르게 분포되어 있었다.

2. 비커스 경도 및 인장 물성 측정 결과, TRC 공정은 경도: 178.2 ± 2.5 Hv, 항복 강도: 518.5 MPa, 인장 강도: 578.2 MPa, 연신율: 6.9 %로 얻어졌으며, 연신율을 제외하고 DC 공정에 비해 더 우수한 기계적 특성을 보였다.

3. 마모 후 중량 감소(weight loss) 및 마모된 부피(wear volume) 결과에서 TRC 공정이 DC 공정에 비해 2 kgf 하중 조건의 경우 약 2.2배, 4 kgf 하중에서는 1.65배, 6 kgf 경우 1.06배 더 우수한 마모 저항성을 보였다. TRC 및 DC 공정으로 제조된 Al 7075 합금들의 마모 직하 영역을 관찰한 결과(4 kgf), DC 공정은 국부적인 응력 집중을 보였으며, TRC 공정에서는 마모에 의한 내부 변형이 고르게 분포하였다. 이는 TRC 공정으로 제조된 Al 7075 합금이 상대적으로 결정립 및 η(MgZn₂) 상이 고르고 미세하게 분포하고 결정립 내부에 LABs에 존재로 인해 우수한 마모 거동을 보인 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 논문은 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구(No. 2020M3H4A3106456)이며 이에 감사드립니다.

Fig. 1.

Heat treatment conditions; (a) DC process and (b) TRC process.

Fig. 2.

Macroscopic microstructures of Al 7075 alloys; (a) DC process and (b) TRC process.

Fig. 3.

EBSD analysis results of Al 7075 alloys; IPF image of DC process, (b) GND image of DC process, (c) IPF image of TRC process and (d) GND image of TRC process.

Fig. 4.

XRD analysis results of DC and TRC process.

Fig. 5.

FE-TEM observation results showing η(MgZn₂) phases in (a) DC process and (b) TRC process.

Fig. 6.

Wear test (pin-on disk) results of DC and TRC process; (a) weight loss vs. load and (b) wear volume vs. load.

Fig. 7.

Wear surface observation results of DC and TRC process with different wear loads; (a) DC process (2 kgf), (b) DC process (4 kgf), (c) DC process (6 kgf), (d) TRC process (2 kgf), (e) TRC process (4 kgf) and (f) TRC process (6 kgf).

Fig. 8.

Friction coefficient analysis result of DC and TRC process (4 kgf).

Fig. 9.

Relationship between dynamic friction, wear rate and wear volume curves; (a) DC process (4 kgf) and (b) TRC process (4 kgf).

Fig. 10.

EBSD analysis result of wear surface cross-sections of Al 7075 alloys; (a) DC process (4 kgf) and (b) TRC process (4 kgf).

Fig. 11.

SEM observation results of wear surfaces near cross-sections of Al 7075 alloys; (a) DC process (4 kgf), (b) DC process (6 kgf), (c) TRC process (4 kgf) and (d) TRC process (6 kgf).

Table 1.

Chemical compositions of DC and TRC process (ICP results) used in this study.

wt%	Al	Zn	Mg	Cu	Cr	Fe	Si	Ti	Mn
DC process	Bal.	5.43	2.37	1.42	0.21	0.17	0.057	0.028	0.036
TRC process	Bal.	5.16	2.24	1.34	0.24	0.088	0.035	0.018	0.011

Table 2.

EDS analysis result of Al 7075 alloy manufactured DC and TRC process.

wt%	Al	Zn	Mg	O
1	89.23	6.81	3.96	-
2	90.35	4.56	3.51	1.59

Table 3.

The Vicker’s hardness and tensile properties of DC and TRC process.

	DC process	TRC process
Hardness [Hv]	165.6 ± 4.1	178.2 ± 2.5
Yield strength	473.5	518.5
U. T. S. [MPa]	559.4	578.2
Elongation [%]	10.8	6.9

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