Improvement in mechanical properties of extruded Mg-Sn and Mg-Al alloys through alloy design and process control : 합금 설계와 공정 제어를 통한 Mg-Sn계 및 Mg-Al계 합금 압출재의 기계적 물성 향상원문보기
마그네슘은 구조용 금속 소재 중 가장 가볍고 우수한 제조 용이성 및 기능성을 가지기 때문에 부품의 경량화가 필요한 다양한 산업에서 주목 받고 있는 소재이다. 특히, 마그네슘 압출재는 다양한 형태로 쉽게 제조될 수 있고, 주조재에 비해 우수한 기계적 물성을 가지므로 자동차, 철도, 항공, 전자기기 등 다양한 산업으로 적용될 높은 잠재력을 갖는다. 그러나 마그네슘 압출재가 산업에 적용되기 위해서는 경쟁 소재인 알루미늄과 철강보다 낮은 기계적 물성 및 가격 경쟁력의 개선이 필수적으로 요구된다. 그러므로 본 연구에서는 저비용/소량의 합금 원소 첨가와 상용 압출 공정에서의 효율적인 ...
마그네슘은 구조용 금속 소재 중 가장 가볍고 우수한 제조 용이성 및 기능성을 가지기 때문에 부품의 경량화가 필요한 다양한 산업에서 주목 받고 있는 소재이다. 특히, 마그네슘 압출재는 다양한 형태로 쉽게 제조될 수 있고, 주조재에 비해 우수한 기계적 물성을 가지므로 자동차, 철도, 항공, 전자기기 등 다양한 산업으로 적용될 높은 잠재력을 갖는다. 그러나 마그네슘 압출재가 산업에 적용되기 위해서는 경쟁 소재인 알루미늄과 철강보다 낮은 기계적 물성 및 가격 경쟁력의 개선이 필수적으로 요구된다. 그러므로 본 연구에서는 저비용/소량의 합금 원소 첨가와 상용 압출 공정에서의 효율적인 공정 제어를 통해 압출 중 동적 재결정과 동적 석출을 촉진하여 마그네슘 압출재의 기계적 물성을 개선하는 데 중점을 두고 연구를 수행하였다. 3장에서 Mg–3Al–1Zn–0.2Mn (wt%) 합금에 소량의 0.5 wt%의 Ca과 0.2 wt%의 Y의 복합 첨가가 동적 재결정 거동에 미치는 영향을 분석하였고, 마그네슘 압출재의 기계적 물성의 변화를 조사하였다. Ca과 Y의 복합 첨가는 열적으로 안정한 이차상의 형성을 야기하였고, 이 상들은 동적 재결정의 핵 생성 사이트로 작용하여 재결정을 촉진하였다. 또한 이 상들에 의해 압출 중 심각한 변형이 초래되어 재결정립의 크기가 감소하고 내부 변형 에너지가 상승하였다. 이러한 미세조직적 변화로 인해 연신율의 저하 없이 압출재의 강도가 상당히 향상될 수 있었다. 4장에서 석출 경화형 합금인 Mg–7Sn–1Al–1Zn (wt%) 합금에 극소량의 Ce 첨가와 균질화 열처리 온도 제어를 통해 미고용된 이차상이 압출 중 동적 재결정과 동적 석출 거동에 미치는 영향에 대해 조사하였다. Ce 첨가로 인해 형성된 열적으로 안정한 Ce3Sn5 상과 균질화 열처리 온도의 감소로 인해 미고용된 Mg2Sn 상이 균질화재에 분포하였으며, 이 상들은 압출 중 동적 재결정의 촉진에 기여하였다. 하지만, 동적 석출을 위한 주 합금 원소인 Sn을 소비하기 때문에 동적 석출에 의해 형성된 석출물의 양이 감소하고 재결정립의 크기가 증가하였다. 그러므로 미고용된 이차상의 면적 분율이 증가함에 따라 압출재의 강도가 감소하는 경향을 보였다. 5장에서 Mg–7Sn–1Zn (wt%) 합금에 저비용의 4 wt%의 Al을 첨가하여 압출 중 동적 재결정 및 동적 석출 거동과 압출재의 기계적 물성의 변화를 분석하였다. 4 wt%의 Al 첨가는 재결정 분율을 상당히 증가시켰으며, 이는 균질화재 내 Mg2Sn 이차상의 잔류와 결정립 크기의 감소, 그리고 압출 동안 소재에 가해지는 응력의 증가에 기인하였다. 또한 Al 첨가는 압출 중 동적 석출물의 핵 생성 사이트를 증가시켜 동적 석출의 촉진과 재결정립 크기의 감소에 기여하였다. 이러한 미세조직적 특징의 변화를 통해 압출재의 강도와 연신율이 동시에 향상되었고 인장–압축 항복 이방성이 상당히 감소하였다. 6장에서 압출 중 인공 냉각이 Mg–9Al–1Zn–0.2Mn (wt%) 합금의 동적 석출 거동과 압출성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 압출 중 인공 냉각 시스템의 적용으로 인해 변형 영역의 실제 온도가 크게 낮추어 열간 균열이 발생하지 않고 압출할 수 있는 최대 압출 속도를 개선했다. 또한, 압출 중 인공 냉각은 Al 고용도를 낮추고 압출 동안 소재에 가해지는 응력을 증가시켜 압출재에 수많은 동적 석출물 형성과 결정립 미세화를 야기하였으며, 이로 인해 연신율의 저하 없이 압출재의 강도가 크게 향상되었다. 본 연구에서 저비용/소량의 합금 원소 첨가와 간단한 공정 제어 방안은 압출 중 동적 재결정 및 동적 석출을 상당히 촉진시켰으며 마그네슘 압출재의 기계적 물성 개선에 매우 효과적이라는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 마그네슘 압출재의 낮은 기계적 물성과 가격 경쟁력을 극복하는 해결책을 제시하여 다양한 미래 산업에서 마그네슘 합금의 산업 적용 범위를 확장하기 위한 기반이 될 것으로 기대한다.
마그네슘은 구조용 금속 소재 중 가장 가볍고 우수한 제조 용이성 및 기능성을 가지기 때문에 부품의 경량화가 필요한 다양한 산업에서 주목 받고 있는 소재이다. 특히, 마그네슘 압출재는 다양한 형태로 쉽게 제조될 수 있고, 주조재에 비해 우수한 기계적 물성을 가지므로 자동차, 철도, 항공, 전자기기 등 다양한 산업으로 적용될 높은 잠재력을 갖는다. 그러나 마그네슘 압출재가 산업에 적용되기 위해서는 경쟁 소재인 알루미늄과 철강보다 낮은 기계적 물성 및 가격 경쟁력의 개선이 필수적으로 요구된다. 그러므로 본 연구에서는 저비용/소량의 합금 원소 첨가와 상용 압출 공정에서의 효율적인 공정 제어를 통해 압출 중 동적 재결정과 동적 석출을 촉진하여 마그네슘 압출재의 기계적 물성을 개선하는 데 중점을 두고 연구를 수행하였다. 3장에서 Mg–3Al–1Zn–0.2Mn (wt%) 합금에 소량의 0.5 wt%의 Ca과 0.2 wt%의 Y의 복합 첨가가 동적 재결정 거동에 미치는 영향을 분석하였고, 마그네슘 압출재의 기계적 물성의 변화를 조사하였다. Ca과 Y의 복합 첨가는 열적으로 안정한 이차상의 형성을 야기하였고, 이 상들은 동적 재결정의 핵 생성 사이트로 작용하여 재결정을 촉진하였다. 또한 이 상들에 의해 압출 중 심각한 변형이 초래되어 재결정립의 크기가 감소하고 내부 변형 에너지가 상승하였다. 이러한 미세조직적 변화로 인해 연신율의 저하 없이 압출재의 강도가 상당히 향상될 수 있었다. 4장에서 석출 경화형 합금인 Mg–7Sn–1Al–1Zn (wt%) 합금에 극소량의 Ce 첨가와 균질화 열처리 온도 제어를 통해 미고용된 이차상이 압출 중 동적 재결정과 동적 석출 거동에 미치는 영향에 대해 조사하였다. Ce 첨가로 인해 형성된 열적으로 안정한 Ce3Sn5 상과 균질화 열처리 온도의 감소로 인해 미고용된 Mg2Sn 상이 균질화재에 분포하였으며, 이 상들은 압출 중 동적 재결정의 촉진에 기여하였다. 하지만, 동적 석출을 위한 주 합금 원소인 Sn을 소비하기 때문에 동적 석출에 의해 형성된 석출물의 양이 감소하고 재결정립의 크기가 증가하였다. 그러므로 미고용된 이차상의 면적 분율이 증가함에 따라 압출재의 강도가 감소하는 경향을 보였다. 5장에서 Mg–7Sn–1Zn (wt%) 합금에 저비용의 4 wt%의 Al을 첨가하여 압출 중 동적 재결정 및 동적 석출 거동과 압출재의 기계적 물성의 변화를 분석하였다. 4 wt%의 Al 첨가는 재결정 분율을 상당히 증가시켰으며, 이는 균질화재 내 Mg2Sn 이차상의 잔류와 결정립 크기의 감소, 그리고 압출 동안 소재에 가해지는 응력의 증가에 기인하였다. 또한 Al 첨가는 압출 중 동적 석출물의 핵 생성 사이트를 증가시켜 동적 석출의 촉진과 재결정립 크기의 감소에 기여하였다. 이러한 미세조직적 특징의 변화를 통해 압출재의 강도와 연신율이 동시에 향상되었고 인장–압축 항복 이방성이 상당히 감소하였다. 6장에서 압출 중 인공 냉각이 Mg–9Al–1Zn–0.2Mn (wt%) 합금의 동적 석출 거동과 압출성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 압출 중 인공 냉각 시스템의 적용으로 인해 변형 영역의 실제 온도가 크게 낮추어 열간 균열이 발생하지 않고 압출할 수 있는 최대 압출 속도를 개선했다. 또한, 압출 중 인공 냉각은 Al 고용도를 낮추고 압출 동안 소재에 가해지는 응력을 증가시켜 압출재에 수많은 동적 석출물 형성과 결정립 미세화를 야기하였으며, 이로 인해 연신율의 저하 없이 압출재의 강도가 크게 향상되었다. 본 연구에서 저비용/소량의 합금 원소 첨가와 간단한 공정 제어 방안은 압출 중 동적 재결정 및 동적 석출을 상당히 촉진시켰으며 마그네슘 압출재의 기계적 물성 개선에 매우 효과적이라는 것을 확인하였다. 본 연구의 결과는 마그네슘 압출재의 낮은 기계적 물성과 가격 경쟁력을 극복하는 해결책을 제시하여 다양한 미래 산업에서 마그네슘 합금의 산업 적용 범위를 확장하기 위한 기반이 될 것으로 기대한다.
Magnesium (Mg) and its alloys have attracted attention in industries that require lightweight materials owing to their low density, easy manufacturability, and dependable functionality. In particular, extruded Mg materials have a high potential for industrial applications in a variety of industries ...
Magnesium (Mg) and its alloys have attracted attention in industries that require lightweight materials owing to their low density, easy manufacturability, and dependable functionality. In particular, extruded Mg materials have a high potential for industrial applications in a variety of industries because they can be easily fabricated into various shapes; they also have superior strength and ductility compared to cast materials. However, to achieve the industrial application of extruded Mg materials, it is essential to improve their mechanical properties and price competitiveness when compared with competing materials such as aluminum and steel. In this thesis, therefore, the focus has been placed on improving the mechanical properties of extruded Mg materials by promoting their dynamic recrystallization (DRX) and dynamic precipitation (DP) through alloy design using low-cost/small-quantity alloying elements and simple process control. In Chapter 3, the effect of adding 0.5 wt% Ca and 0.2 wt% Y on DRX behavior of the Mg–3Al–1Zn–0.2Mn (wt%) alloy and the resulting mechanical properties of the extruded alloy were investigated. The combined addition of Ca and Y led to the formation of thermally stable second-phase particles. These undissolved particles acted as nucleation sites for DRX during extrusion, effectively increasing the DRX fraction. In addition, they caused the material to deform more severely during extrusion, thereby increasing the residual strain in the unDRXed grains, which in turn decreased the DRXed grain size. The strength of the extruded alloy with Ca and Y added was improved owing to increased DRX fraction, refined grains, increased internal strain energy, and dispersed particles. Despite the dispersion of undissolved particles, the tensile elongation hardly decreased because area fraction reduction of unDRXed grains suppressed the formation of twins that act as initiation sites for microcracks during tensile deformation. In Chapter 4, the effect of residual particles within the homogenized billet on the DRX and DP behaviors during extrusion of the precipitation-hardenable Mg–7Sn–1Al–1Zn (wt%) alloy were analyzed through the addition of alloys and homogenization temperature control. It was found that the addition of Ce resulted in the formation of a thermally stable Ce3Sn5 phase and that a decrease in homogenization temperature caused an undissolved Mg2Sn phase to remain in the homogenized billets. These particles provided effective nucleation sites for DRX. However, with an increase in the amount of second-phase particles, the number of fine Mg2Sn dynamic precipitates decreased gradually owing to a reduction in the amount of Sn dissolved in the matrix. The tensile strength of the extruded alloys decreased with an increasing amount of second-phase particles, mainly because of the reduced number of precipitates and enlarged grain size. In Chapter 5, the effect of the addition of 4 wt% Al on DRX and DP behaviors of the Mg–7Sn–1Zn (wt%) alloy and the resulting mechanical properties of the extruded alloy were investigated. The 4 wt% Al addition dramatically increased the DRX fraction, which was mainly attributed to the increase in the amount of residual Mg2Sn particles and grain boundaries in the homogenized billet and the increase in stress applied during extrusion. The amount of fine Mg2Sn precipitates of the extruded alloy also increased owing to an increased number of nucleation sites for precipitation caused by the 4 wt% Al addition, which led to a reduction of the DRXed grain size. These microstructural changes improved both the strength and ductility of the extruded alloy, and significantly reduced tension-compression yield asymmetry. In Chapter 6, the effects of artificial cooling during extrusion on DP behavior and extrudability of Mg–9Al–1Zn–0.2Mn (wt%) alloy were investigated. The artificial cooling system dramatically reduced the actual temperature in the deformation zone during extrusion, increasing the maximum exit speed at which the alloy can be extruded without hot cracking. The artificial cooling also lowered the Al solubility and increased the stress imposed on the billet during extrusion, which led to the formation of numerous precipitates throughout the extruded alloy. As a result, the extrudability and mechanical properties of the Mg alloy were improved simultaneously via the artificial water cooling during extrusion. In this thesis, it is demonstrated that low-cost/small-quantity alloying addition and simple process control significantly facilitated DRX and DP of Mg alloys during extrusion, effectively improving the mechanical properties of the extruded Mg alloys. These studies are expected to be the basis for expanded industrial application of the Mg alloys in various industries in the future by providing solutions for improving their mechanical properties and price competitiveness.
Magnesium (Mg) and its alloys have attracted attention in industries that require lightweight materials owing to their low density, easy manufacturability, and dependable functionality. In particular, extruded Mg materials have a high potential for industrial applications in a variety of industries because they can be easily fabricated into various shapes; they also have superior strength and ductility compared to cast materials. However, to achieve the industrial application of extruded Mg materials, it is essential to improve their mechanical properties and price competitiveness when compared with competing materials such as aluminum and steel. In this thesis, therefore, the focus has been placed on improving the mechanical properties of extruded Mg materials by promoting their dynamic recrystallization (DRX) and dynamic precipitation (DP) through alloy design using low-cost/small-quantity alloying elements and simple process control. In Chapter 3, the effect of adding 0.5 wt% Ca and 0.2 wt% Y on DRX behavior of the Mg–3Al–1Zn–0.2Mn (wt%) alloy and the resulting mechanical properties of the extruded alloy were investigated. The combined addition of Ca and Y led to the formation of thermally stable second-phase particles. These undissolved particles acted as nucleation sites for DRX during extrusion, effectively increasing the DRX fraction. In addition, they caused the material to deform more severely during extrusion, thereby increasing the residual strain in the unDRXed grains, which in turn decreased the DRXed grain size. The strength of the extruded alloy with Ca and Y added was improved owing to increased DRX fraction, refined grains, increased internal strain energy, and dispersed particles. Despite the dispersion of undissolved particles, the tensile elongation hardly decreased because area fraction reduction of unDRXed grains suppressed the formation of twins that act as initiation sites for microcracks during tensile deformation. In Chapter 4, the effect of residual particles within the homogenized billet on the DRX and DP behaviors during extrusion of the precipitation-hardenable Mg–7Sn–1Al–1Zn (wt%) alloy were analyzed through the addition of alloys and homogenization temperature control. It was found that the addition of Ce resulted in the formation of a thermally stable Ce3Sn5 phase and that a decrease in homogenization temperature caused an undissolved Mg2Sn phase to remain in the homogenized billets. These particles provided effective nucleation sites for DRX. However, with an increase in the amount of second-phase particles, the number of fine Mg2Sn dynamic precipitates decreased gradually owing to a reduction in the amount of Sn dissolved in the matrix. The tensile strength of the extruded alloys decreased with an increasing amount of second-phase particles, mainly because of the reduced number of precipitates and enlarged grain size. In Chapter 5, the effect of the addition of 4 wt% Al on DRX and DP behaviors of the Mg–7Sn–1Zn (wt%) alloy and the resulting mechanical properties of the extruded alloy were investigated. The 4 wt% Al addition dramatically increased the DRX fraction, which was mainly attributed to the increase in the amount of residual Mg2Sn particles and grain boundaries in the homogenized billet and the increase in stress applied during extrusion. The amount of fine Mg2Sn precipitates of the extruded alloy also increased owing to an increased number of nucleation sites for precipitation caused by the 4 wt% Al addition, which led to a reduction of the DRXed grain size. These microstructural changes improved both the strength and ductility of the extruded alloy, and significantly reduced tension-compression yield asymmetry. In Chapter 6, the effects of artificial cooling during extrusion on DP behavior and extrudability of Mg–9Al–1Zn–0.2Mn (wt%) alloy were investigated. The artificial cooling system dramatically reduced the actual temperature in the deformation zone during extrusion, increasing the maximum exit speed at which the alloy can be extruded without hot cracking. The artificial cooling also lowered the Al solubility and increased the stress imposed on the billet during extrusion, which led to the formation of numerous precipitates throughout the extruded alloy. As a result, the extrudability and mechanical properties of the Mg alloy were improved simultaneously via the artificial water cooling during extrusion. In this thesis, it is demonstrated that low-cost/small-quantity alloying addition and simple process control significantly facilitated DRX and DP of Mg alloys during extrusion, effectively improving the mechanical properties of the extruded Mg alloys. These studies are expected to be the basis for expanded industrial application of the Mg alloys in various industries in the future by providing solutions for improving their mechanical properties and price competitiveness.
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