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문제 정의
- 낮을 뿐만 아니라 상대적으로 낮은 Mg함량 때문에 용해 및 주조가 용이하다는 장점이 있다. 따라서 A1- 5%Mg을을 기준으로 Mn 및 Zn를 첨가함으로써 기계적 성질, 특히 강도를 향상시키고자 하였다. Mn의 경우 소성가공시 결정립미세화와 강도증가의 효과가 크며, Zn는 결정립에 석출되는 A\Mg2의 양을 감소시킴으로써 응력부식균열 저항성을 높이는 것으로 보고 된 바 있다[15, 16].
- 현재까지 Al-Mg계 합금은 주로 가공용으로 많이 쓰이고 연구되어 왔으며 그 결과 합금원소의 첨가에 따른 기계적 성질의 변화와 주조성에 미치는 영향을 동시에 연구한 결과는 그리 많지 않은 상황이다[1]. 따라서 본 연구에서는 가공용뿐만 아니라 주조 및 주단조 등의 분야에서도 널리 사용될 수 있는 Al-Mg계 합금 개발의 일환으로서 대표적인 주조용 Al-Mg합금조성 인 A1- 5wt%Mg 및 Al-7wt%M함을 기준으로 실용적인 합금원소 Mn, Zn, Si의 첨가로 인한 미세조직, 기계적 성질, 유동도의 변화 등을 종합적으로 조사하고자 하였다.
제안 방법
- Al-Mg의 유동도 및 기계적 성질에 미치는 Si의 영향을 파악하기 위하여 5% 및 7%Mg 합금에 약 1%의 Si을 첨가하였으며 그 결과 초정 A1 상 이외에 MgzSi상이 추가로 형성된 것을 Fig. 2의 XRD 분석 결과로부터 알 수 있었다. Al-rich Al-Mg계 합금에서 형성되는 평형상 A\Mg2는 Thermo-Calc를 사용한 예측에서는 형성될 것으로 생각되었으나 실제 시편에서는 관찰되지 않았다[7].
- 그러나 여전히 유동도의 개선이 필요하고 Mg의 함량을 추가로 낮추는 것이 가능하다면 바람직하기 때문에 Si이 소량 첨가된 합금과 Mg의 함량을 줄이고 대신 Mir을 추가로 첨가한 합금을 설계 , 유동도와 기계적 성질을 조사하였다. Fig.
- 8% 이상의 상용 Al, Mg, Zn, Si 순금속 및 Al-20wt%Mrr을 장입재로 사용하여 전기 저항로에서 용해를 하였으며, SFe와 CQ혼합가스를 용탕 상부에 지속적으로 흘려줌으로써 Mg이 첨가된 용탕의 산화를 최소화하고자 하였다. 금속이 완전히 용해되면 Ai을 용탕 내로 교반하며 주입하여 탈가스 처리를 하였고 약 15(TC로 예열된 금형에 주입하여 100X 60X 24mm의 판재 주조 시편을 제조하였으며, 시편의 합금조성에 대한 ICP분석결과는 Table 1에 나타내었다. 조성에 따른 액상선, 고상선, 및 평형상은 상용 열역학 모델 프로그램인 Thermo-C시c 데이터베이스 TTAL을 이용하여 예측하였다.
- 순도 99.8% 이상의 상용 Al, Mg, Zn, Si 순금속 및 Al-20wt%Mrr을 장입재로 사용하여 전기 저항로에서 용해를 하였으며, SFe와 CQ혼합가스를 용탕 상부에 지속적으로 흘려줌으로써 Mg이 첨가된 용탕의 산화를 최소화하고자 하였다. 금속이 완전히 용해되면 Ai을 용탕 내로 교반하며 주입하여 탈가스 처리를 하였고 약 15(TC로 예열된 금형에 주입하여 100X 60X 24mm의 판재 주조 시편을 제조하였으며, 시편의 합금조성에 대한 ICP분석결과는 Table 1에 나타내었다.
- 시편의 미세 조직은 광학현미경 및 SEM으로 관찰하였으며, 석출상의 분석은 XRD와 SEM-EDX를 이용하여 수행하였다. 인장시험은 제조한 주조시편의 상부 및 하부를 제외한 중간부위에서 두께 2 mm削판 상시편을 채취하여 추가적인 열처리 없이 ASTM B557 규격에 따라 이루어졌다.
- 1과 같은 vacuum suction fluidity test법을 이용하여 측정하였으몌5, 이, 측정용 tube로는 내경 3 mm의 석영관을 사용하였다. 용해 및 탈가스가 완료되면 용탕을 일정한 과열도를 갖도록 준비하고 석영관을 용탕 내 깊이 20 mm만큼 침적한 후 흡인압력 40 KPa에서 일련의 유동도 시험을 수행하였다.
- 수행하였다. 인장시험은 제조한 주조시편의 상부 및 하부를 제외한 중간부위에서 두께 2 mm削판 상시편을 채취하여 추가적인 열처리 없이 ASTM B557 규격에 따라 이루어졌다.
대상 데이터
- 합금 조성에 따른 유동도의 변화는 Fig. 1과 같은 vacuum suction fluidity test법을 이용하여 측정하였으몌5, 이, 측정용 tube로는 내경 3 mm의 석영관을 사용하였다. 용해 및 탈가스가 완료되면 용탕을 일정한 과열도를 갖도록 준비하고 석영관을 용탕 내 깊이 20 mm만큼 침적한 후 흡인압력 40 KPa에서 일련의 유동도 시험을 수행하였다.
데이터처리
- 금속이 완전히 용해되면 Ai을 용탕 내로 교반하며 주입하여 탈가스 처리를 하였고 약 15(TC로 예열된 금형에 주입하여 100X 60X 24mm의 판재 주조 시편을 제조하였으며, 시편의 합금조성에 대한 ICP분석결과는 Table 1에 나타내었다. 조성에 따른 액상선, 고상선, 및 평형상은 상용 열역학 모델 프로그램인 Thermo-C시c 데이터베이스 TTAL을 이용하여 예측하였다.
성능/효과
- 2. Mg의 함량을 낮게 유지하면서도 높은 강도를 얻기 위하여 5%Mg을 기준으로 Mn, Zn를 첨가시킨 결과 Mne 유동도에 큰 영향 없이 강도를 향상시키는것을 알 수 있었으며, Zn는 단독으로 첨가되면 강도증가 없이 오히려 유동도를 저하시키는 것으로 나타났다.
- 3. Mg의 함량을 더욱 낮게 하면서도 충분한 강도를 얻기 위하여 5Mg-lMn조성에서 Mg의 함량을 4%로 감소시키고 Mn을 2%로 증가시킨 결과 유동도, 기계적 성질 모두 저하되는 결과를 얻었다.
- 4. 5Mg-lMn-0.5Znofl 0.5%의 Si을 첨가시키면 강도는 약간 저하되나 유동도는 증가하는 것으로 관찰되어 Si의 함량을 제어함으로써 우수한 강도와 유동도를 동시에 얻는 것이 어느 범위 내에서 가능한 것으로 확인되었다.
- 13에 나타냈으며, 강도와 연신율 모두 5Mg-lMn에 비해 새로운 조성에서 낮은 것을 알 수 있다. 4Mg-2Mn의 경우 우선 Mn의 밀도가 Mg에 비하여 4배 이상 높아 동일한 wt%로 첨가되었을 때 실제 고용된 양이 적기 때문인 것으로 보이며 그럼에도 연성의 저하는 더 큰 것으로 나타나 1%를 초과하는 MM의 첨가는 유동성과 기계적 성질 측면에서 모두 바람직하지 않다는 잠정적인 결론을 얻었다. 한편 5Mg_Mn-Z『Si합금의 경우 05%의 Si첨가로 비록 약간의 기계적 성질의 저하가 일어나나 유동도의 개선이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이에 대한 원인은 전술한 바와 같이 Si의 첨가에 따른 응고잠열 증가와 MgzSi 상의 형성에 따른 연성 저하에 의한 것으로 생각된다.
- 9는 합금원소 첨가에 따른 Al-5%Mg계 합금의 기계적 성질의 변화를 보여주는 것으로 강도의 증가에 미치는 Mn의 효과를 뚜렷하게 관찰할 수 있었다. Al기지에 대한 Mn의 최대고용한도는 약 1.25wt% 로써 강도증가의 원인은 주로 고용강화효과로 생각되며, Zn闫 경우 Mn과 함께 첨가될 경우 인장 강도의 향상에 기여하였으나 단독으로 첨가되었을 때는 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 종합적인 고찰이 필요하겠지만 고용강화의 효과에 미치는 변수 중의 하나인 용매와 용질원자의 크기차이를 비교하면 Zn7]- Mn에 비하여 그— 차이가 작아 고용강화효과가 상대적으로 작을 것으로 기대된다.
- Fig. 12의 유동도 결과를 보면 소량의 Si첨가로도 약간의 개선이 가능한 것을 알 수 있으며, Mn의 함량이 2%까지 증가하는 것은 부정적인 효과가 있는 것으로 나타났다. 4%Mg-2%Mn의 경우 액상선 온도가 약 67CTC로써 5%Mg-l%Mn의 633P에 비하여 상당히 높기 때문에 동일한 주입온도를 사용할 경우 유동도 차이는 더욱 커질 것으로 예상되며, 이와 같이 유동 도가 낮은 것은 4Mg-2Mn의 응고고구간이 평형 상태에서 약 79。。로 비교적 넓기 때문인 것으로 보인다(5Mg- IMn의 경우 약 56℃).
- Fig. 3에서 나타낸 유동도 결과를 보면 5%Mg과 7%Mg 합금의 경우 Mg함량의 차이에도 불구하고 상당히 유사한 유동도를 가지며, 소량의 Si 첨가로 인하여 두 조성 모두에서 유동도가 뚜렷이 증가하는 것을 나타내고 있다. 또한 용탕온도(과열도)에 따라 유동도가 거의 직선적으로 비례하여 증가하는 것을 알 수 있는데, 기울기는 대략 용탕의 비열에 해당하기 때문에 같은 합금계에 속하는 조성들에서 매우 유사한 기울기를 보이는 것은 타당해 보인다[8, 9].
- 결과적으로 Al-Mg합금에서의 Mg함량은 용도에 따라 다르나 5-7wt% 이하로 제한하는 경우가 많은데, 함량을 줄이면 고용강화효과가 감소하여 강도는 현저히 감소하고 연성은 약간 증가하는 경향을 보이기 때문에 줄어드는 강도를 보상해 줄 필요가 있다. 특히 주조용 합금에서는 가공용에 비하여 가공경화 공정이나 열처리가 제한적으로 이루어지기 때문에 Mg의 함량을 줄이면서도 강도를 유지하기 위해서는 적절한 대체 합금원소의 첨가가 필요하며, 또한 새로운 합금원소의 첨가에 따라 기계적 성질 외에도 유동도 같은 주조 특성의 변화에 대한 검토가 매우 중요하다.
- 한편 5Mg_Mn-Z『Si합금의 경우 05%의 Si첨가로 비록 약간의 기계적 성질의 저하가 일어나나 유동도의 개선이 가능하다는 것을 보여주었으며, 이에 대한 원인은 전술한 바와 같이 Si의 첨가에 따른 응고잠열 증가와 MgzSi 상의 형성에 따른 연성 저하에 의한 것으로 생각된다. 본 합금조성에 대한 결과는 Si의 함량을 조절함으로써 합금의 용도에 적합중卜도록 어느 정도 주조성과 기계적 성질을 제어할 수 있음을 시사하는 것이다.
- 앞의 연구결과를 통해 Mir을 단독 또는 Zn와 함께 첨가함으로써 Al-5%Mg의 연성을 크게 저하시키지 않으면서도 강도를 향상시킨다는 것을 알 수 있었다. 그러나 여전히 유동도의 개선이 필요하고 Mg의 함량을 추가로 낮추는 것이 가능하다면 바람직하기 때문에 Si이 소량 첨가된 합금과 Mg의 함량을 줄이고 대신 Mir을 추가로 첨가한 합금을 설계 , 유동도와 기계적 성질을 조사하였다.
- 이와 같이 용탕의 표면장력에 의하여 발생하는 back pressure, I는 2771의 단순한 식으로 나타낼 수 있는데 여기서 广와 Ie 각각 표면장력과 용탕이 흐르는 tub西 반지름을 의미한다. 예상할 수 있듯이 back pressure의 중요성은 용탕이 좁은 공간을 충전할 때 나타나며, 본 실험에서는 3 mm의 석영관을 사용하였으므로 순 AN의 표면장력(용융점 근처에서 약 868 mN/m [13])을 대입하여 계산해 보면 그 크기가 약 1.16KPa 로써 흡인압력 40KP&을 약간 감소시키는 정도에 불과할 것으로 생각된다. 특히 산화성이 강한 Mg의 첨가로 인하여 실제 용탕의 표면장력은 더 작을 것으로 기대된다.
후속연구
- 25wt% 로써 강도증가의 원인은 주로 고용강화효과로 생각되며, Zn闫 경우 Mn과 함께 첨가될 경우 인장 강도의 향상에 기여하였으나 단독으로 첨가되었을 때는 효과적이지 못한 것으로 나타났다. 종합적인 고찰이 필요하겠지만 고용강화의 효과에 미치는 변수 중의 하나인 용매와 용질원자의 크기차이를 비교하면 Zn7]- Mn에 비하여 그— 차이가 작아 고용강화효과가 상대적으로 작을 것으로 기대된다.
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