[논문]0.25-0.65wt% CaO 첨가 AM60B Eco-Mg 다이캐스팅 부품의 상온 및 고온 기계적 특성

서정호; 김세광

doi:10.7777/jkfs.2011.31.1.011

0.25-0.65wt% CaO 첨가 AM60B Eco-Mg 다이캐스팅 부품의 상온 및 고온 기계적 특성
Mechanical Properties of 0.25-0.65wt% CaO added AM60B Eco-Mg Diecastings at room and Elevated Temperatures 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.31 no.1, 2011년, pp.11 - 17

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of CaO addition to AM60B Mg alloy on tensile properties has been investigated, with focus on strength and ductility at room and elevated temperatures. The 0.25-0.65wt% CaO added AM60B Eco-Mg diecastings were prepared by high pressure die casting using Buhler 1,450-ton cold chamber machine without $SF_6$ and $SO_2$ gases. The microstructures and tensile properties of each alloy were tested. The results show that the grains of AM60B are refined and the mechanical properties increase with CaO addition at room temperature. The improvement of strength and ductility is prominent at 0.45-0.55wt% CaO addition. Also, improved mechanical properties are maintained at elevated temperature of $150^{\circ}C$. CaO addition results in $Al_2Ca$ phase formation mostly on the grain boundaries. This phase leads to the refinement of grain structures and improvement of ductility as well as strength. The suppression of ${\beta}-Mg_{17}Al_{12}$ phase as well as the decrease of fracture surface porosity and other casting defects caused by melt cleanliness also contribute to the enhancement of mechanical properties of AM60B Eco-Mg at room and elevated temperature.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CaO 첨가량에 따른 AM60B Eco-Mg 다이캐스팅 자동차 부품의 상온 및 고온에서의 강도 및 연성의 변화를 고찰하고자한다. 이를 위하여 CaO의 첨가 비율이 0.

제안 방법

으로 하였고 고온 인장시험은 150℃ 온도에서 30분 유지한 후 실시하였다. CaO 첨가량에 따른 AM60B의 미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 각 제품의 동일한 부위를 연마하여 미세조직을 관찰하였다. EDS mapping으로 상형성 여부를 살펴보았다.
CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg의 오일팬 다이캐스팅을 위하여 720℃로 예열된 steel 도가니에서 상용 AM60B을 SF₆와 CO₂혼합가스 분위기에서 용해하여 1 ton의 용탕을 마련하고, 여기에 기 제작된 5 Kg의 1.2wt% CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg 잉곳을 자동장치를 이용하여 일정한 시간 간격으로 첨가하여 용해하였다. 그 결과 다이캐스팅이 진행되는 시간이 경과함에 따라 CaO의 첨가 비율이 0.
CaO 첨가량에 따른 AM60B의 미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 각 제품의 동일한 부위를 연마하여 미세조직을 관찰하였다. EDS mapping으로 상형성 여부를 살펴보았다.
65wt%)을 갖는 AM60B Eco-Mg 인장 시험 편의 사진이다. 다이캐스팅 제품은 ICP-mass spectrometer를 이용하여 성분분석을 실시하였다. 인장특성 평가를 위한 인장시편은 지름 6 mm, 표점거리 30 mm의 봉형 인장시편이다.
본 연구에서는 CaO 첨가량에 따른 AM60B Eco-Mg 다이캐스팅 자동차 부품의 상온 및 고온에서의 강도 및 연성의 변화를 고찰하고자한다. 이를 위하여 CaO의 첨가 비율이 0.25에서 0.65wt%까지 연속적으로 증가하는 AM60B Eco-Mg의 자동차 다이캐스팅 부품을 Buhler 1,450ton Cold chamber 다이캐스팅 머신을 사용하여 제조하였다. 이전 연구에 의해 EcoMg는 SF₆ 가스 없이도 용해가 가능함이 확인되었으므로 nonSF₆ 공정으로 N₂ 가스 분위기에서 다이캐스팅을 수행하였다[12].
65wt%까지 연속적으로 증가하는 AM60B Eco-Mg의 자동차 다이캐스팅 부품을 Buhler 1,450ton Cold chamber 다이캐스팅 머신을 사용하여 제조하였다. 이전 연구에 의해 EcoMg는 SF₆ 가스 없이도 용해가 가능함이 확인되었으므로 nonSF₆ 공정으로 N₂ 가스 분위기에서 다이캐스팅을 수행하였다[12]. 자동차 오일팬의 끝단에 부착된 다이캐스팅 인장시편을 통하여 상온 및 150℃에서의 CaO 조성변화에 따른 강도와 연신율의 변화 살펴보았고 미세조직 관찰과 상분석을 수행하였다.
이전 연구에 의해 EcoMg는 SF₆ 가스 없이도 용해가 가능함이 확인되었으므로 nonSF₆ 공정으로 N₂ 가스 분위기에서 다이캐스팅을 수행하였다[12]. 자동차 오일팬의 끝단에 부착된 다이캐스팅 인장시편을 통하여 상온 및 150℃에서의 CaO 조성변화에 따른 강도와 연신율의 변화 살펴보았고 미세조직 관찰과 상분석을 수행하였다.

대상 데이터

CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg 잉곳이 AM60B 용탕에 일정 수준 이상 첨가되어 용해된 이후 실제 다이캐스팅을 진행하는 동안에는 SF6 가스를 사용하지 않고 N₂가스 분위기를 유지하였다. Buhler 1,450 ton Cold chamber 다이캐스팅 머신을 사용하였고 자동차 오일팬의 생산을 위하여 제작한 금형을 사용하였다. 금형의 끝단에는 인장시험을 위한 시험편 모양의 금형을 별도로 마련하였다.
다이캐스팅 제품은 ICP-mass spectrometer를 이용하여 성분분석을 실시하였다. 인장특성 평가를 위한 인장시편은 지름 6 mm, 표점거리 30 mm의 봉형 인장시편이다. 인장 시험의 이동속도는 1 mm/min.

성능/효과

0.25-0.65wt% CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg를 SF₆가스를 사용하지 않고 N₂가스 분위기에서 cold chamber 다이캐스팅에 의해 자동차용 부품의 대량생산이 가능하였으며 주조성이 유지되는 것을 확인하였다. 상온 인장시험 결과 0.
55wt%까지 증가하면서 연신율이 선형적으로 증가한다. 0.55wt% CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg의 연신율은 16%로 연신율이 6%인 상용 AM60B에 비해서 현저히 증가하였다. 이는 조직미세화 및 제품의 건전성의 향상에 의한 AM60B 이론적 연신율 값을 구현한 것으로 판단된다.
2wt% CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg 잉곳을 자동장치를 이용하여 일정한 시간 간격으로 첨가하여 용해하였다. 그 결과 다이캐스팅이 진행되는 시간이 경과함에 따라 CaO의 첨가 비율이 0.25-0.65 wt%로 일정하게 증가하는 AM60B Eco-Mg 제품을 얻을 수 있었다. CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg 잉곳이 AM60B 용탕에 일정 수준 이상 첨가되어 용해된 이후 실제 다이캐스팅을 진행하는 동안에는 SF6 가스를 사용하지 않고 N₂가스 분위기를 유지하였다.
상용 AM60B의 150℃의 항복강도, 최대인장강도, 연신율은 각각 95 MPa, 150 MPa, 24%이다. 그래프에서 볼 수 있는 바와 같이 0.65wt% CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg의 항복강도는 152 MPa, 최대인장강도 225 MPa, 연신율 16%로 CaO 첨가에 의해 고온 기계적 특성이 향상되는 것을 알 수 있다. 이는 상온에서 향상된 기계적 특성이 고온에서도 유지되는 것으로, 특히 연신율의 급격한 증가 없이 상온에서의 연신율을 유지하여 고온에서의 변형 저항성이 향상된 것을 보여준다.
일반적으로 재료의 강도가 증가하면 연성이 감소하는 경향이 있으나 조직미세화에 의한 결정립계 강화는 항복강도의 증가와 연성의 향상이 동시에 일어나는 경향이 있다. 따라서 CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg의 경우 제 2상에 의한 강화 작용뿐만 아니라 조직 미세화와 상의 균일한 배열에 의한 입계 강화가 동반되기 때문에 0.25에서0.55wt%까지의 CaO 첨가된 AM60B Eco-Mg에서 항복강도와 연신율이 동시에 증가는 경향을 보이는 것으로 판단된다.
이는 응고상태에서 용탕에 첨가된 CaO가 그 자체로 존재하지 않고 CaO에서 Ca가 분리됨을 보여준다. 또한 Al과 Ca가 동일한 결정립계에서 분포됨을 알 수 있는데, 반응에 의해 분리된 Ca가 Al과 금속간화합물을 형성하여 주로 결정립계에 존재하고 있다는 것을 알 수 있다. 일반적으로 금속 Ca는 마그네슘에 첨가되면 먼저 고용체를 형성하고 그 이후에 공정상을 형성하게 되나, CaO에서 분리된 Ca는 고용체를 형성하지 않고 Al과 금속간화합물을 형성한다는 것이 주목할 점이다.
연신율이 동시에 증가되는 것은 제 2상의 강화 작용뿐만 아니라 조직미세화에 의한 강화가 수반되었기 때문이며, 용탕 청정도 향상으로 인한 산화물, 개재물, 미세기공 등의 결함의 감소로 AM60B가 구현할 수 있는 이론적 연신율에 근접한 결과로 보인다. 또한 CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg는 상온에서 향상된 강도 및 연신율이 150℃ 고온에서도 상용 AM60B 대비하여 강도의 급격한 저하 및 연신율의 급격한 상승 없이 유지되는 경향을 보였다. Al₂Ca상 형성으로 인하여 열적으로 불안정한 β-Mg₁₇Al₁₂상의 억제로 고온에서의 기계적 특성이 향상된 것이다.
65wt% CaO를 첨가한 AM60B Eco-Mg의 미세조직이다. 사진에서 보여지는 바와 같이 CaO의 첨가 비율이 높아질수록 조직이 미세화 되며 결정립의 배열이 균일해지는 것을 알 수 있다. Al₂Ca상의 형성으로 조직이 미세화 되었고 Al₂Ca상이 규칙적으로 배열되고 있다.
65wt% CaO가 첨가된 AM60B Eco-Mg를 SF₆가스를 사용하지 않고 N₂가스 분위기에서 cold chamber 다이캐스팅에 의해 자동차용 부품의 대량생산이 가능하였으며 주조성이 유지되는 것을 확인하였다. 상온 인장시험 결과 0.25-0.55wt% CaO 첨가 범위에서 CaO 첨가 비율에 따라 선형적으로 제품의 항복강도 및 최대인장강도가 증가하며 0.65wt% CaO 첨가까지는 강도가 유지되는 경향을 보였다. CaO 첨가에 의해 형성된 Al2Ca상의 강화 작용에 의해 강도가 증가되었다.
Al₂Ca상 형성으로 인하여 열적으로 불안정한 β-Mg₁₇Al₁₂상의 억제로 고온에서의 기계적 특성이 향상된 것이다. 즉, CaO 첨가에 의한 상형성과 조직미세화, 개재물 및 미세기공 등의 결함 감소 그리고 β-Mg₁₇Al₁₂상의 억제로 CaO 첨가한 AM60B Eco-Mg의 상온 및 고온에서의 기계적 특성이 향상되었다.

후속연구

Al 첨가 비율이 높으면 강도와 주조성이 향상되지만 연성이 낮아진다. CaO 첨가에 의해서 정해진 Al 첨가 비율의 상용 Mg-Al계 합금의 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있어 Mg 합금의 적용범위를 더욱 확장시킬 수 있을 것으로 기대된다.
최경량 실용 금속인 마그네슘을 자동차 부품에 적용하면 자동차의 경량화 및 이로 이한 연비개선, 자동차 편의시설 등의 확대로 이어질 수 있어 그 적용에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 더욱이 마그네슘은 낮은 융점과 높은 주조성으로 자동차 부품 대량생산의 주된 공정인 다이캐스팅에 적합하여 그 적용의 확대가 기대된다. 자동차 부품은 충돌 등에 의한 변형의 환경에 쉽게 노출되는데 이 경우 안전을 위하여 일정 수준의 변형을 견딜 수 있어야 하며 파단 없이 충돌에 의한 에너지를 흡수할 수 있어야 한다[1].
AM60B Eco-Mg의 고온특성의 향상은 CaO 첨가에 의한 Al₂Ca 등의 금속간화합물 형성으로 열적으로 불안정한 β-Mg₁₇Al₁₂상이 억제되는 것에 기인한다. 본 연구에서는 다이캐스팅 시편의 제한으로 고온 특성에 대한 충분한 경향을 얻을 수는 없었으나 향후 CaO 첨가 비율의 확대 및 고온 인장시험 조건에 따른 변화 및 Creep 특성에 대한 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘을 자동차 부품에 적용하면 어떤 이점이 있는가?	최경량 실용 금속인 마그네슘을 자동차 부품에 적용하면 자동차의 경량화 및 이로 이한 연비개선, 자동차 편의시설 등의 확대로 이어질 수 있어 그 적용에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 더욱이 마그네슘은 낮은 융점과 높은 주조성으로 자동차 부품 대량생산의 주된 공정인 다이캐스팅에 적합하여 그 적용의 확대가 기대된다.
	자동차 부품용 소재가 강도의 향상뿐만 아니라 높은 수준의 연성을 요구하는 이유는 무엇인가?	더욱이 마그네슘은 낮은 융점과 높은 주조성으로 자동차 부품 대량생산의 주된 공정인 다이캐스팅에 적합하여 그 적용의 확대가 기대된다. 자동차 부품은 충돌 등에 의한 변형의 환경에 쉽게 노출되는데 이 경우 안전을 위하여 일정 수준의 변형을 견딜 수 있어야 하며 파단 없이 충돌에 의한 에너지를 흡수할 수 있어야 한다[1]. 따라서 자동차 부품용 소재는 강도의 향상뿐만 아니라 높은 수준의 연성을 요구한다.
	마그네슘 다이캐스팅 제품의 문제점은 무엇인가?	상용 AM60B 합금은 우수한 주조성과 일정 수준의 강도 및 연성으로 다이캐스팅 자동차부품에 적용되고 있으나 그 적용범위가 제한적이다. 마그네슘 다이캐스팅 제품은 산화물, 개재물, 미세기공과 같은 주조결함을 내재하게 되어 기계적 특성이 저하되며[2-4] 이러한 결함은 표면처리 등 후 공정의 수율을 저하하여 원가의 상승으로 작용하게 된다. 그리고 AM60B를 비롯한 상용 Mg-Al계 합금은 고온에서 취약한 β-Mg17Al12상 (융점 440°C)의 형성으로 고온용 자동차부품에 적용하기 힘든 한계가 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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