Manufacturing Process Design of High Strength Al 6056 Bolts by Strain Hardening Effect

가공경화를 이용한 고강도 Al 6056 볼트의 생산 공정설계

Abstract

This study was conducted on the manufacturing method of high-strength aluminum bolts. We obtained the displacement-load information by tensile test of the Al 6056 raw material and the T6 heat-treated material and calculated the precise flow stress and fracture limit using repetitive finite element analysis for before and after heat treatment. We designed a multi-stage forging process for T6 heat-treated material, and calculated that the accumulated damage value does not exceed fracture limits by finite element method. We produced the prototype forgings without any harmful defects such as cracks and folding occurring. Bolts made of T6 heat treated material show 9.6%higher tensile strength than T6 heat treated material after wire drawing.

1. 서론

알루미늄은 가볍고 강하며 전기 전도성이 높고 부식에 강한 특성으로 인해 송전선과 같은 전기시설, 자동차 및 가전제품에 광범위하게 사용되고 있다. 알루미늄은 순수 알루미늄인 1000계열로부터 구리, 망간, 실리콘, 마그네슘, 아연 등을 첨가하여 2000 ~ 7000계열의 합금으로 널리 사용된다. 알루미늄 합금은 계열에 따라 강도, 용도 및 열처리 방법 등이 다르다. 알루미늄 합금에서 2000, 6000 및 7000 계열 합금은 용체화 처리(Solution treatment) 후 시효처리(Aging)를 실시하여 첨가된 합금원소들을 미세한 입자로 석출시켜 강도를 높이는 T6열처리가 주로 적용된다. 미래 자동차산업에서 부품 경량화는 필수적으로 요구되어지고 있다. 따라서 경량 고강도체결부품은 자동차의 연비 향상을 위해 필요성이지속적으로 증가하고 있어 알루미늄 합금을 이용하여 성형성이 보장되면서 높은 강도를 얻을 수 있는 합금 설계 및 제조공법의 개발이 필요하다.

Al 6056 소재는 높은 성형성과 강도를 동시에 얻기 위해 개발된 소재로써 내식성, 가공성, 강도, 내열성 및 용접성이 우수한 것으로 알려져 있으며, 항공기와 자동차 산업 등에 구조용 재료로 많이 사용되고 있다. Al 6056 소재를 T6처리할 경우의 강도에 대한 규격은 없으나 선행연구에서 390 MPa 이상 확보되는 것으로 나타나며, T6처리 후 나사 성형가공을 실시할 경우 410 MPa 이상을 확보할 수 있다 [1- 3]. 뿐만 아니라 피로특성 또한 T6처리 후에 성형가공을 실시한 볼트에서 더 높은 내구한도를 나타내고 있다 [4]. 따라서 Al 6056 소재에 대하여 적절한 열처리 조건과 가공경화 방법 및 성형한계에 대한 연구를 수행할 경우 높은 강도와 피로특성을 지닌 볼트의 제조가 가능할 것으로 판단된다.

Al 합금의 T6처리 조건에 따른 강도향상은 입도와 석출강화가 이루어질 수 있도록 소재의 가열온도 및 유지시간과 강도 변화에 대한 선행 연구가 다양하게 진행되었다 [5]. 본 연구에서는 Al 6056 T6 처리를 통해 소재의 강도를 확보하고, 냉간단조를 통한 가공경화를 추가하여 Al 6056 소재로 얻을 수 있는 최대 강도를 얻고자 하였다.

Al 6056 T6소재를 이용하여 성형결함이 없고 강도가 높은 볼트를 성형하기 위해 설계된 다단 볼트 성형공정을 강소성 유한요소해석을 이용하여 성형 형상과 크랙 등의 결함 발생여부를 예측하였다. 설계된 공정으로 다단 포머를 이용하여 연속 성형하여 시제품을 생산하였으며 유한요소해석에서 가장 큰 손상값을 나타낸 부위의 마크로 검사를 통하여 결함 발생 여부를 확인하였다. 또한 성형된 볼트의 인장강도를 인장실험에서 구하여 Al 6056 T6 소재보다 더 높은 강도를 나타냄을 확인하였다.

2. Al 6056 소재의 기계적성질 평가

2.1 Al 6056 원소재 유동응력 계산

본 연구에 사용된 소재는 Al 6056 이며 Al-Mg-Si 계 합금으로서, 상용하는 6000계 합금 중 가장 비강도가 높고, 내식성이 우수하다. 본 연구에 사용한 Al 6056 소재의 화학조성을 Table 1에 나타내었다.

Table 1 The chemical composition of Al 6056 (wt%)

소성가공에 있어 재료가 가지고 있는 변형에 대한 저항을 유동응력(Flow stress)이라 하며 진 응력-진변형율(True stress vs. true strain, σ-ε)의 관계는 대변형이 발생되는 단조공정을 정밀하게 해석하기 위한 중요한 입력변수이다. Al 6056 소재의 유동응력을 측정하기 위하여 인장시험을 진행하여 하중과 변위와의 관계를 얻었다. Al 6056 원소재의 유동응력을 Joun 등이 제안한 식 (1) ~ (3)을 이용하여 홀로만 (Holloman) 수식으로 표현할 수 있다 [6]. 여기서 𝜎̅ 는 진응력, 𝜀 𝑁은진변형율, 𝑛_𝑁은 가공경화지수, 𝜀_𝑒^N은 네킹(Necking)이 발생하는 시점의 공칭변형율, 𝐾_𝑁 은 강도 계수를 나타낸다.

\(\bar{\sigma}=K_{N} \varepsilon^{n N}\)       (1)

\(n_{N}=\ln \left(1+\varepsilon_{e}^{N}\right)\)       (2) 

\(K_{N}=\frac{s_{e}^{N}\left(1+s_{e}^{N}\right)}{\left[\ln \left(1+s_{e}^{N}\right)\right]^{\ln \left(1+c_{e}^{N}\right)}}\)       (3)

ASTM E8 규격의 시편을 이용한 인장시험 결과를 Fig. 1에 나타냈다.

Fig. 1 Tensile test result of Al 6056 raw material

인장시험의 네킹 시점은 최대하중 7424.8 N, 표 점 거리 25 mm가 1.9921 mm 신장되었을 때 나타난다. 이때의 공칭변형율과 공칭응력을 계산하여 홀로만 수식으로 정리하면 식 (4)과 같다.

\(\sigma=K_{N} \cdot \varepsilon^{n N}=345.23 \cdot \varepsilon^{0.077} M p a\)       (4)

인장시험은 변형율이 작은 변형초기에 네킹현상이 발생함으로 네킹 후 대변형일 때의 유동응력을 정확하게 획득하기 어렵다. 이러한 문제점을 반복 (Iteration) 유한요소해석을 통해 보완한 Joun [6], Chu [7] 의 선행연구와 동일한 방법으로 네킹 이후 대변형에 대하여 유동응력을 계산하였다. 본 연구에서의 인장 변형 거동 해석은 상용 소프트웨어인 Deform 2D 를 이용하였다. 네킹 시점의 유효 변형율인 0.076까지는 식 (8)의 홀로만 방정식으로 유동응력을 0.01단위로 계산하였다. 네킹 이후는 기준 유효변형율 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 1.0, 3.0, 5.0에 대하여 식 (4) 의 초기 응력을 입력하여 유한요소해석을 수행하였다. Fig. 2에는 인장시험 하중과 식 (4)의 홀로만 방정식 초기값을 이용한 유한요소해석을 통한 하중해석 결과를 동시에 나타냈다. 인장시험과 해석 하중과의 차이를 줄이기 위해 기준 유효변형율에서 유동응력을 조정하여 인장시험결과와 유사한 해석하중을 얻을 수 있도록 반복 유한요소해석을 수행하였다.

Fig. 2 Al6056 raw material load comparison between tensile test and FEA

또한 인장시험에서 변형량이 증가하면 네킹 부의 내부에서 미세 크랙이 발생하고 성장하여 궁극적으로 파단에 이르게 된다. 본 연구에서는 크랙의 발생 시점을 Generalized Cockroft Latham(C&L)이론을 이용하여 계산하였다 [8]. C&L이론으로 계산된 손상 값과 유동응력을 이용한 유한요소해석은 손상값과 유동응력의 정합성을 검증하기 위하여 변위가 4.08 mm 지점일 때의 손상값 0.415를 초과하는 요소를 소거하는 방법으로 해석을 진행하였다. Deform 2D를 이용한 성형해석 결과를 크랙이 발생하는 지점에서 파단까지의 변위(Stroke) 4.08 mm, 4.2 mm, 4.3 mm에 대하여 변형율과 손상 값을 Fig. 3에 도시하였다.

Fig. 3 FEA of tensile test for Al 6056 raw material

인장시험 초기 홀로만 수식에 따른 해석 및 반복해석을 통해 구한 유동응력으로 구한 하중 및 연성 파괴에 따른 하중변화를 Fig. 2에 구분하여 비교하였다. 반복해석을 통해 구한 유동응력과 C&L 이론을 통해 구한 손상 값을 이용한 인장해석으로 인장시험에서 구한 하중과 변위를 잘 구현할 수 있음을 볼 수 있다. 초기 홀로만 수식과 반복해석을 통해 구한 유동응력은 네킹 지점까지 동일하며 그 후 차이가발생됨을 Fig. 4에서 볼 수 있다.

Fig. 4 Flow stress calculated by iterative FEA

2.2 Al 6056 T6소재의 유동응력 계산

Al 6056 인발 소재를 고용화 565℃에서 4 hr, 시효 190℃에서 4 hr 조건으로 T6처리한 후 인장시험을 실시하여 인장강도 415.1 MPa, 항복강도 369.8 MPa, 연신율 13.4%를 얻었다. 인장시험의 하중-변위 곡선 평균은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5 Tensile test result of Al 6056 T6 treated material

인장 초기 식 (1) ~ (5)을 이용하여 Al 6056 원 소재와 동일하게 계산하였다. 네킹 시점인 최대하중은 11, 697 N이며 신장된 길이는 1.5748 mm이고 인장시험에 의한 유동응력을 홀로만 식으로 표현하면 식 (5)와 같다.

\(\sigma=521.62 \cdot \varepsilon^{0.061} M P a\)       (5)

식 (5)를 이용하여 Al 6056 원재료와 동일한 방법으로 유한요소해석을 진행하였다. Al 6056 T6 재료의 인장실험 결과, 홀로만 수식을 이용하여 구한 하중, 반복해석을 통해 구한 하중 그리고 C&L이론을 통해 연신 3.3 mm지점일 때의 손상값 0.471요소를 소거해 해석한 결과를 Fig. 6에 나타냈으며 그래프에서도 실험하중과 해석하중이 일치하고 있음을 볼 수 있다. Al 6056 T6소재의 Deform 2D해석 과정 및 결과를 Fig. 7에 나타냈다. Al 6056 원소재와 동일하게 변위 3.32 mm, 3.42 mm, 3.54 mm에 대한 변형율 및 손상 값과 요소 소거 형상을 나타냈다.

Fig. 6 Al6056 T6 load comparison between tensile test and FEA

Fig. 7 Flow stress calculated by iterative FEA

Fig. 8 FEA of tensile test for Al 6056 T6 material

2.3 Al 6056 T6 소재의 유동응력 평가

동일한 시편규격에 대하여 원소재의 최대 인장 하중은 7, 424 N이며, T6소재는 11, 697 N으로 원 소재에 비하여 T6소재가 1.5배 이상 높은 인장 하중을 나타냈고 두 소재의 유동응력을 반복해석의 결과인 점 데이터를 홀로만 수식으로 환산하여 유효변형율 0.8 까지의 비교를 Fig. 9 도시하였다. T6소재와 원 소재 사이의 유동응력 차이는 T6소재의 항복시점인 유효변형율 0.061기준으로 비교했을 때 T6소재는 432.7 MPa, 원소재는 278.6 MPa로 유동응력은 55% 증가하였다.

Fig. 9 Flow stress comparison of raw material and T6

인장시험결과 파단 시점까지 변형량은 원소재와 T6소재가 각각 4.3 mm, 3.54 mm로 Al 6056 T6 소재의 변형량이 0.76 mm감소하였다. 유한요소해석을 통해 계산 된 파단 손상 값은 Al 6056 원소재, T6소재에 대하여 각각 0.415, 0.471로 계산되었다. 이는 파단까지의 변형량은 감소하였지만 유동응력이 증가했기 때문이다.

3. Al 볼트 성형공정해석

Al 6056 T6 소재로 M8 6 각 머리볼트를 성형하기 위한 다단공정을 Fig. 10 에 나타냈다. 본 공정의 원소 재는 직경 Φ9.8 mm, 높이 33.7 mm 소재를 이용하여 50%의 단면감소율로 나사부와 생크(Shank)부에 가공경화를 유도하도록 설계하였다. 그 후 6 각 머리부 대변 11.3 mm 는 Φ13.3 mm 로 성형한 후 6 각 형상으로 압출한 후 최종 치수로 교정하도록 설계되었다.

Fig. 10 Forging process of M8 hexagonal Al bolt

본 공정에 사용된 소재는 Al 6056 T6 소재로 Fig. 7 의 유동응력을 이용해 해석을 진행하였다. 유한요소해석은 Deform 3D 를 이용하였으며 소재와 금형 간의 마찰계수는 0.05 를 이용하였고 금형은 강체, 소재는 강소성체로 가정하여 해석을 수행하였다 [8].

단조공정 해석은 볼트 머리의 6 각 형상으로 인하여 전체 제품을 축방향으로 1/6 로 모델링하였으며 소재의 요소 수는 32, 000 개의 4 면체 격자(Tetrahedral element)를 이용하여 분할하였다. 다단공정 해석 결과의 유효변형율 분포를 Fig. 11 에 손상값을 Fig. 12 에 도시하였다. 손상값은 Generalized Cockcroft Latham Damage 이론을 이용하였다.

Fig. 11 Effective strain distribution of forging process

Fig. 12 Damage distribution of forging process

Fig. 12 에서 전방압출에 따른 생크부의 손상값은 0.426 이며 임계손상값 0.471 를 넘지 않는다. 최대손상 값은 전방압출된 축의 심부에서 관찰되며 만약 단면감소율이 증가할 경우 쉐브론 크랙(Chevron crack) 의 위험성이 있음을 예측할 수 있다. 제안 단조 공정의 해석결과에서 Al 6056 T6 소재를 이용한 다단공정의 성형안정성을 확인하였다.

4. Al 볼트 시제품 분석

4.1 시제품 제작

설계된 단조공정에 따라 Al 6056 T6소재를 이용한 시험작업을 수행하였다. 4단 포머를 이용하여 성형하였으며 성형공정은 Fig. 13와 같다. 유한요소해석 결과대로 시제품의 외관상 겹침 또는 크랙은 발견되지 않았다.

Fig. 13 Forging process layout of prototype bolt

4.2 단조품의 결함 분석

생산된 단조품의 내부 결함을 확인하기 위하여 단조품을 절단하여 마크로 조직을 분석하였다. 최대결함 부위인 나사부의 심부와 볼트 머리부 외측에단류선이 잘 형성되어 있으며 겹침 및 미세 크랙 등은 관찰 되지 않음을 Fig. 14에서 볼 수 있다.

Fig. 14 Longitudinal section and metal flow of prototype

4.3 볼트 강도측정

단조공정으로 제작된 M8 볼트의 인장강도를 측정하기 위하여 특수 제작된 지그를 이용하여 Fig. 15와 같이 인장시험을 진행하였다. 시험은 동일한 조건으로 6회 진행하였으며 시험결과를 Table 2에 정리하였다.

Fig. 15 The ten sile test of Al 6056 T6 bolt

Table 2 Tensile test results of Al 6056 T6 bolt

M8 볼트의 측정된 인장강도의 평균은 454.9MPa, 항복강도는 429.8MPa로 나타났다. M8 볼트의 연신율은 10.8%로 측정되었다.

5. 결론

Al 6056 소재를 이용한 고강도 알루미늄 볼트의 생산 공법을 개발하기 위하여 원소재와 T6 열처리 이후의 기계적 성질변화와 유동응력을 정량화 하였다. 다단공정으로 성형하기 위한 단조공정설계, 유한요소해석, 결함분석 및 M8 볼트의 인장강도 시험을 통하여 다음의 결론을 얻었다.

(1) Al 6056 원소재와 T6 소재에 대하여 인장실험을 진행하고 유한요소해석을 통하여 유동응력을 계산하여, T6 열처리를 통하여 항복시점의 유동응력은 55% 증가되며, 파단 변형량은 3.0%감소, 연성파괴에 따른 파단 손상 값이 13%증가되었다.

(2) Al 6056 T6 소재의 유동응력을 이용하여 다단공정을 설계 및 해석을 진행하였으며, 볼트 생크부의단면감소율이 50.4%일 때 생크 심부에서 가장 높은손상값 0.426 이 발생하였으며, Al 6056 T6 소재의 파단손상값 0.471 이하로 크랙이 발생되지 않을 것으로 예상되었다.

(3) Al 6056 T6 소재를 이용한 시제품에 대하여 마크로 검사를 진행하였으며 유해한 결함이 관찰되지 않아 유한요소해석 결과와 동일함을 확인하였다.

(4) Al 6056 T6 소재로 제작된 M8 볼트의 인장실험을 통하여 단조공정으로 가공경화될 경우 인장강도는 415.1 MPa 에서 454.9 MPa 로 항복강도는 369.8 MPa 에서 429.8 MPa 로 각각 39.8 MPa (9.6%), 60MPa (16.2%) 증가하였다. 하지만 연신율은 13.4%에서 10.8%로 3.6%감소하여 가공경화에 따른 성형 성이 저하됨을 확인하였다.

후기

본 연구는 산업통상자원부에서 지원하는 산업 집적지 경쟁력 강화사업 프로젝트R&D의 연구수행 결과임을 밝힙니다.(프로젝트 번호 : PCC19001R1)