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고압수소 저장용 알루미늄합금의 연구동향

전문가 제언: ○ 연료전지자동차의 에너지 효율성을 높이기 위해 알루미늄합금으로 고압수소가스 저장용기를 제작할 때는 용접기술을 사용하게 된다. 용접공정은 급속가열과 급속냉각을 거치므로 필연적으로 용접열영향부를 포함한 용접이음부의 강도와 인성이 저하된다. 알루미늄합금 용접부를 구성하고 있는 용접금속(weld metal)과 용접열영향부(HAZ)는 모재와 항복강도가 달라서 복합적으로 변형을 하며 고온균열, 기공, 융합불량 등과 같이 응력집중을 초래하는 결함을 지니고 있다. 따라서 용접구조물의 강도 특성을 평가할 때는 이와 같은 사항을 고려할 필요가 있다.

○ 수소는 전위, 결정립계, 입자, 불순물 원자, 그리고 3축 인장응력을 받는 영역에 집적하여 균열의 생성을 촉진시켜 주는 역할을 하므로 알루미늄합금으로 고압수소가스 저장용기를 설계할 때는 이를 충분히 고려하는 것이 중요하다. 특히 Al-Mg-Si계 합금은 Si의 함유량이 높거나 Cu가 첨가되면 입계부식과 응력부식이 발생하고 알루미늄합금의 결정립계에 수소가 침입하면 수소취화에 의해 입계파괴가 발생하게 된다.

○ 알루미늄합금, 스테인리스강과 같이 합금성분이 많이 첨가된 금속의 경우 용접금속에 발생하는 응고균열(solidification cracking)이나 용접열영향부에 발생하는 액화균열(liquation cracking)이 문제를 일으키므로 주의가 요구된다. 6000계열 Al-Mg-Si 합금에 Cu 함유량이 많게 되면 Al-Cu-Mg-Si의 4원 공정반응에 의해 용접열영향부내의 결정립계의 용융이 저온측에서 일어나게 되고 이 결과 용접열영향부에서 액화균열의 발생이 촉진된다. Mn, Cr, V과 같이 결정립을 미세화시키는 합금원소를 첨가하면 액화균열의 발생을 억제할 수 있게 된다.

○ Cu를 함유하고 있는 열처리형 7000계열 알루미늄합금을 용접후에 시효처리를 실시하면 전반적으로 회복의 양상을 보여 주는 기계적 성질 중에서 샤르피 충격치의 회복율이 가장 낮다. 따라서 AlZnMg계 용접구조물을 장기적으로 사용할 경우는 이러한 점을 고려하는 것이 필요하다. 특히 용접균열방지를 위해서는 소재면에서 성분조정에 의한 입계용융?응고시의 완전고상온도의 고온화, 결정립의 미세화, 용가재면에서는 모재와의 희석을 고려한 완전고상선온도의 저온화가 필요하다.

저자: Keitaro Horikawa
자료유형: 학술정보