최근 자동차 산업에서는 연료 효율성과 충돌 안전성을 향상시키기 위해 3세대 고강도강(3rd Gen AHSS)의 적용이 증가하고 있습니다. 알루미늄 LME 민감성은 1세대 AHSS보다 강도와 연성이 우수하며, 2세대 AHSS보다 재료 및 가공 비용이 낮아 자동차 구조물에 적합합니다. 특히, 담금질 및 분배(quench and partitioned, Q&P) 강재는 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트로 구성된 미세조직 덕분에 1GPa 이상의 인장 강도를 제공하면서도 제조 공정에서 요구되는 성형성을 유지합니다.
그러나 아연 도금(Zn-coated) 처리를 거친 이 강재는 저항 점용접(RSW) 중 액체 금속 취성(LME)에 취약한 문제가 있습니다. RSW 공정 중 용접부에 가해지는 열 및 기계적 응력으로 인해 Zn 코팅이 녹아, 강재의 연성과 기계적 특성이 저하됩니다. 이로 인해 용접부에 균열이 발생하며, 이는 미관적 문제뿐만 아니라 기계적 성능 저하로 이어질 수 있습니다. 따라서 LME 문제를 완화하기 위한 연구가 필요합니다.
연구 목표와 방법
본 연구는 3세대 AHSS의 LME 민감성에 미치는 기판 내 알루미늄(Al) 함량의 영향을 평가합니다. 이를 위해 서로 다른 Al 농도를 가진 두 합금(0.05Al-0.5Si와 1.38Al-0.5Si)을 대상으로 다음과 같은 실험과 시뮬레이션을 진행했습니다:
- 고온 인장 시험: 800 °C에서 두 합금의 고온 기계적 성능과 LME 민감성을 비교.
- 확산 및 열역학 시뮬레이션: Thermo-Calc®와 DICTRA® 모듈을 사용하여 Al 농도가 LME에 미치는 메커니즘 분석.
알루미늄 LME 민감성
1. 1.38Al 합금의 우수한 고온 기계적 성능
800 °C에서 진행된 고온 인장 시험 결과, 1.38Al 합금은 다음과 같은 특성을 보였습니다:
- 도금되지 않은 조건과 Zn 도금된 조건 간 연성 및 변형 에너지 손실이 적음.
- 더 많은 이차 균열 발생.
- LME 균열 끝과 균열 주변에서 Zn 농축이 적음.
2. Al 농축 효과
확산 시뮬레이션 결과, 800 °C에서 코팅-기판 경계면에서 Al이 농축되는 현상이 관찰되었습니다. 이는 다음과 같은 영향을 미쳤습니다:
- Al 농축이 Fe-Zn Γ(Fe3Zn7) 상을 안정화하여 액체 상의 형성을 억제.
- Zn 확산을 물리적으로 차단하여 LME 민감성을 감소시킴.
3. Zn 용해도 및 확산도 감소
Al 농도가 증가하면 기판 내 Zn의 용해도와 확산도가 감소하여 Zn의 플럭스가 줄어듭니다. 이는 다음과 같은 결과로 이어집니다:
- LME 균열 끝에서 Zn의 응력 유발 고체 상태 확산이 감소.
- 균열 전파가 억제되어 LME 민감성이 낮아짐.
4. 이차 균열 증가
Zn의 공급이 제한되면서 기존 균열의 성장이 억제되고, 대신 Zn가 더 풍부한 부위에서 새로운 균열이 발생할 가능성이 높아집니다. 이러한 특성은 1.38Al 합금에서 더 많은 이차 균열이 관찰된 이유를 설명합니다.
결론: Al 농도의 역할
본 연구는 Al 농도가 증가함에 따라 3세대 AHSS의 LME 민감성이 감소하는 주요 메커니즘을 밝혔습니다:
- 물리적 장벽 형성: Al 농축이 Fe-Zn Γ 상을 안정화하여 Zn 확산을 억제.
- Zn 플럭스 감소: Zn의 용해도와 확산도가 줄어들어 균열 전파 억제.
- 이차 균열 증가: Zn 공급 제한으로 인해 새로운 균열 발생.
이러한 결과는 Al을 활용한 3세대 AHSS 합금 설계가 LME 민감성을 낮추는 데 유용할 수 있음을 시사합니다. 앞으로 Al 및 기타 합금 원소의 최적 농도를 규명하는 추가 연구가 필요합니다.
Al이 아닌 수소 함량에 따른 기계적 물성 예측방법은 아래 글을 참고하세요.