인하대학교산학협력단

고강도·고방열 경량금속소재 부품화 실증 기반구축 사업단

전문가 기고
정영길, 김세훈 연구원

고강도/고방열 Trade-off 특성 만족을 위한 알루미늄 전신재 합금 개발

전 세계적인 탄소중립 환경규제에 따라 미래 반도체·디스플레이 및 모빌리티 산업 분야 등 기술 고도화 및 다기능화 시대에 알루미늄 합금 소재 산업은 새로운 패러다임을 맞게 되었다. 특히, 미래 모빌리티 산업에 있어 연비 및 전비를 개선 시키려는 노력으로서, 모빌리티 차체·프레임의 강성을 유지하면서 공차중량을 감소시켜 모빌리티의 경량화와 동시에 다중 물성(고강도, 고방열, 고내식, 고내열 등)의 Trade-off 상관관계를 극복하고 만족시키기 위한 합금 개발 연구가 활발히 진행되고 있다[1]. 본 기고문에서는 고강도/고열전도도의 Trade-off 특성을 만족시키고자 하는 전신재용 알루미늄 합금 개발 연구에 대해 다뤄보고자 한다.

첫 번째 단계로서 전신재용 고강도 6xxx계 알루미늄 합금에 대한 기계적 특성과 열전도도에 대한 DB구축 및 검토를 하였으며, 이를 기반으로 합금설계(W1-1; Al-1.0Mg-1.0Si-1.0Cu-0.5Zn-0.5Mn—0.5Fe-0.2Cr-0.1Ti / Cu series;~1.5, Zn series; ~2.0)를 진행 하였다. 먼저 금속 소재의 열전도도는 크게 자유전자와 phonon에 의한 열에너지 전달에 의해 결정된다고 알려져 있다. 따라서 자유전자의 수가 많고, lattice가 균일하게 배열되어 phonon scattering이 최소화될 때 열전도도가 가장 우수하게 나타나지만, 금속 합금의 경우 금속간 화합물 형성에 의한 자유전자의 수 감소, 기지 내 합금 원자 고용에 의한 lattice distortion 등 다양한 요인에 의해 열전도도가 감소하게 된다. 따라서, Al6Mn, Al3(Fe, Mn) 등을 형성을 통해 기계적 특성에는 유리하지만 열전도도의 감소를 나타내는 Mn은 제외하고 석출강화와 고용강화 원소인 Cu와 Zn 함량에 따른 기계적 특성과 열전도도 특성 변화를 보고자 하였다.

그림1. 고강도/고방열 설계합금의 열역학적 석출상 해석 결과

그림 1의 열역학 계산 결과를 바탕으로 설계된 합금의 합금화, 열간압출, 열처리 공정을 통해 기계적 물성과 열전도도 평가 및 분석을 진행하였으며, 인장강도와 연신율은 Cu 첨가량 변화에 따라 향상되는 경향을 보였으나, 열전도도는 오히려 감소하는 경향을 보였다. 이는 강도 향상에 기여하는 석출상의 분율 증가로 인해 열전달 소스인 자유전자의 수의 감소로 열전도도가 감소하게 되는 trade-off 특성 관계임을 확인할 수 있었다.

그림2. 설계된 합금의 Cu, Zn 첨가에 따른 기계적 물성 및 열전도도 상관관계

반면, Zn 함량에 따른 기계적 물성과 열전도도 특성은 Zn 함량 증가에 따라 일정부분 연신율을 유지하면서 인장강도가 향상되었으며, 열전도도 역시 어느 정도 감소하는 경향을 보이긴 하였으나, 변화량의 폭이 Cu 첨가합금에 비해 크지 않고 168±7 W/m·K 범위에서 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 보았을 때 기지 내 Zn 고용 및 일부 석출상 형성에 따른 격자변형으로 인한 Phonon 산란은 열전도도 감소에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다(그림2). 결과적으로 열역학 계산 결과에서도 나타낸 바와 같이 Cu 첨가는 Zn 첨가에 비해 기지 내 비교적 많은 석출상이 존재하는 것으로 계산되었으며, 이는 기계적 물성과 열전도도의 Trade-off 특성에 많은 영향을 미치는 인자는 석출상의 분율임을 확인할 수 있었다. 따라서, 석출 강화상의 분율을 적절히 제어하고 석출상과 알루미늄 기지간의 정합성 등을 고려하여 합금 설계 시 기계적 특성과 열전도도 Trade-off 특성 제어가 가능할 것으로 판단 된다. 하지만 앞서 언급한 바와 같이 미래 모빌리티 경량비철금속소재 부품은 강성을 기본으로 냉각/방열/내열 특성 등 다기능성을 요구하며 단순히 한가지 기능을 목적 사용되지 않으므로, 다중물성의 상관관계를 만족시켜야 모빌리티 뿐만 아니라 다양한 미래 산업 분야에 활용이 가능하다. 그러므로 단순히 고강도/고방열 물성 제어 뿐만 아니라 고온환경 노출에 대한 내열 특성도 동시에 확보해야 한다.

따라서 다음 단계로 앞선 연구결과를 바탕으로 내열특성 등 다중물성을 만족시키기 위한 추가적인 합금 개량 연구를 수행하였으며, Al3Ti, Al3Zr, Al3Ni와 같은 고온안정상 유도를 통한 내열 특성 확보를 위해 다음과 같은 합금(W4-1; Al-0.8Mg-0.7Si-0.1Cu-0.2Zn-0.3Fe / Ti series; ~0.2, Zr series; ~0.2 / Ni series; ~0.5)설계 및 평가를 진행하였다[2-4].

그림3. 설계된 합금의 Ti, Zr, Ni 첨가에 따른 기계적 물성 및 열전도도 상관관계

먼저 Ti 첨가로 형성되는 Al3Ti상은 약 500℃까지 비교적 열적으로 안정한 특성을 가지고 있지만 대표적인 미세화제로서 응고 과정 중 핵생성 site로 작용하여 결정립을 미세화시키는 역할을 한다고 잘 알려져 있다[2]. 하지만 본 연구에 설계된 0.2wt.% 범위 내에서는 결정립 미세화 효과가 미미한 것으로 확인되었으며, 이에 따라 강도 변화량 또한 큰 차이가 없는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Ti 첨가량 증가에 따라 열전도도는 크게 감소된 결과를 확인할 수 있어 Ti의 첨가량은 최소화하는 것이 기계적 특성과 열전도도 향상에 모두 유리할 것으로 판단된다. 앞선 연구결과를 바탕으로 Ti 첨가는 제외시키고 Zr과 Ni 첨가영향에 대해 추가적인 실험을 진행한 결과 Zr 0.1 wt.% 첨가 시 인장강도는 약 2.5% 정도 향상되었고, 열전도도의 감소가 발생하지 않음을 확인하였고, 0.2 wt.% 첨가 시 인장강도는 11% 향상, 열전도도는 2.8% 감소한 결과를 확인하였다. 이를 통해 Zr의 첨가는 효과적으로 기계적특성을 향상시키지만, 열전도도의 감소는 크지 않아 trade-off 특성 극복에 효과적인 첨가원소로 판단되었다. Ni의 첨가 경우, 강도 증가와 함께 연신율의 향상 또한 같이 확인되어 Ni 0.5 wt.% 첨가 시 인장강도는 약 5.5%의 증가, 연신율은 3%가 향상된 결과가 나타났으며, 열전도도 또한 약 3% 정도 감소한 결과를 보였으며 목표했던 고강도-고연신, 고강도-고방열 특성을 구현하기에 적합한 첨가원소임을 확인할 수 있었다(그림3).

본 기고문을 통해 한국자동차연구원에서 수행되었던 고강도/고방열 Trade-off 특성 만족을 위한 알루미늄 전신재 합금 개발 연구에 대해 간략히 살펴보았다. 향후 설계된 합금의 고온물성평가·분석을 통해 고강도-고방열-고내열의 Trade-off 상관관계에 대한 규명과 이를 확보하기 위한 정량화 연구가 추가적으로 필요하며, 단순 합금소재 개량 뿐만 아니라 인공지능 활용, 공정 단위에서의 조건 및 설계변경 등 다양한 방법을 통해 접근한다면 차세대 구조용 소재로서 요구되는 다중물성을 충분히 만족시킬 수 있을 것으로 사료된다.

[REFERENCE]

정영길, 김세훈, 신재혁, LCA 기반 탄소중립 대응 알루미늄 기술 개발 동향, 재료마당, 37-6 (2024)
J.M Wu, S.L Zheng, Z.Z Li, Thermal stability and its effects on the mechanical properties of rapidly solidified Al-Ti alloys, Mater. Sci. Eng. A, 289 (2000) 246–254.
Abhinav P., Tungky S., Jiri N., Sedmak P., Marcello C., Koulis P., Dmitry E., Iakovos T., Investigation of mechanical properties of Al3Zr intermetallics at room and elevated temperatures using nanoindentation, Intermetallics, 154, (2023), 107825
Sun Yong Kwon, Dongwon Shin, Richard A. Michi, Jonathan D. Poplawsky, Hsin Wang, Ying Yang, Sumit Bahl, Amit Shyam, Alex Plotkowski, Effect of microalloying additions on microstructural evolution and thermal stability in cast Al-Ni alloys, J. alloy. Compd., 997(2024)174810