[논문]AZ91D 합금의 기계적 성질 및 금형충전성에 미치는 결정립 미세화 원소의 영향

김정민; 박준식

doi:10.7777/jkfs.2011.31.2.079

AZ91D 합금의 기계적 성질 및 금형충전성에 미치는 결정립 미세화 원소의 영향
Effects of Grain Refining Elements on the Mechanical Properties and Mold Filling Ability of AZ91D Alloy 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.31 no.2, 2011년, pp.79 - 82

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Various grain refining alloying elements such as Sr, TiB, and Ca were added to AZ91D and their effects on the mechanical properties and mold filling ability were investigated. The average grain sizes of those alloys were significantly reduced by the small amounts of the alloying elements. Ca addition was the most remarkably effective in reducing the grain size, however it was found to deteriorate the mold filling ability and tensile properties. TiB addition was observed to be the most efficient for both grain refinement and mold filling.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

2에 나타내었다. 20 mm 두께의 판재 주조시편은 ASTM B 557M 규격에 따라 상온에서 인장시험을 수행하였으며, 화상분석기가 연결된 광학현미경 및 주사전자현미경(SEMEDS)으로 미세조직을 관찰하였다.
AZ91D 상용합금과 여기에 Sr, TiB, Ca을 소량 첨가한 총 네 가지 합금조성에 대하여 연구를 진행하였으며, 주조시편의 화학조성에 대한 ICP (inductively coupled plasma emission spectrometry)분석결과는 Table 1에 나타내었다. 참고로 Ca의 경우에는 마그네슘 용탕의 발화성을 저감하는 효과도 동시에 추구하는 의미로 상대적으로 많은 양을 첨가하였다.
AZ91D 주조용 합금의 미세조직, 금형 충전성 및 기계적 성질에 미치는 몇 가지 결정립 미세화 원소들의 영향을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
용해공정은 AZ91D 상용 합금을 장입재로 사용하여 SF₆ 및 CO₂ 혼합기체 보호 분위기의 전기 저항로에서 수행하였으며, 장입재가 완전히 용해하면 미리 준비한 Al-10%Sr, Al-5%Ti-1%B, 또는 Mg-10%Ca (모두 중량%) 모합금을 용탕에 첨가한 후 약 20분간 유지하였다. 그 다음, 준비된 용탕을 50℃의 과열도를 가지고 200℃로 예열된 금형에 주입함으로써 두께 20 mm의 판재 주조시편을 제조하였으며, 또한 유동성 평가를 위하여 Fig. 1의 fluidity serpentine 금형을 마찬가지로 200℃로 예열한 후 50℃ 과열 상태의 용탕을 주입하였다. 실제 생산공정과 유사한 금형 충전거동을 조사하기 위하여 실험실용 소형 다이캐스팅 장비에 박판시편제조용 금형을 170℃로 예열하여 충전성 시험을 실시하였으며, 박판 시편의 대략도 및 실제 제조한 시편의 예를 Fig.
1의 fluidity serpentine 금형을 마찬가지로 200℃로 예열한 후 50℃ 과열 상태의 용탕을 주입하였다. 실제 생산공정과 유사한 금형 충전거동을 조사하기 위하여 실험실용 소형 다이캐스팅 장비에 박판시편제조용 금형을 170℃로 예열하여 충전성 시험을 실시하였으며, 박판 시편의 대략도 및 실제 제조한 시편의 예를 Fig. 2에 나타내었다. 20 mm 두께의 판재 주조시편은 ASTM B 557M 규격에 따라 상온에서 인장시험을 수행하였으며, 화상분석기가 연결된 광학현미경 및 주사전자현미경(SEMEDS)으로 미세조직을 관찰하였다.
참고로 Ca의 경우에는 마그네슘 용탕의 발화성을 저감하는 효과도 동시에 추구하는 의미로 상대적으로 많은 양을 첨가하였다. 용해공정은 AZ91D 상용 합금을 장입재로 사용하여 SF₆ 및 CO₂ 혼합기체 보호 분위기의 전기 저항로에서 수행하였으며, 장입재가 완전히 용해하면 미리 준비한 Al-10%Sr, Al-5%Ti-1%B, 또는 Mg-10%Ca (모두 중량%) 모합금을 용탕에 첨가한 후 약 20분간 유지하였다. 그 다음, 준비된 용탕을 50℃의 과열도를 가지고 200℃로 예열된 금형에 주입함으로써 두께 20 mm의 판재 주조시편을 제조하였으며, 또한 유동성 평가를 위하여 Fig.
한편, 알루미늄합금의 결정립 미세화제로 널리 쓰이는 TiB과 내열성에 효과적인 Ca의 경우에도 결정립 미세화 효과가 있는 것으로 보고된 바 있다[9-11]. 이처럼 비교적 실용성이 높을 것으로 보이는 몇 가지 결정립 미세화제들의 효과는 이미 어느 정도 알려져 있으나 상대적인 비교나 인장특성에 미치는 영향 등은 아직 충분히 조사되지 못 하였으며, 따라서 본 연구에서는 가장 널리 쓰이는 상용 주조합금인 AZ91D를 선정하였고 여기에 소량의 Sr, TiB 및 Ca을 첨가하여 결정립 미세화 효과, 유동성, 금형충전거동 및 인장특성을 종합적으로 고찰하였다.
중력 시험금형을 사용한 유동도의 결과는 실제 고압에서 이루어지는 다이캐스팅 금형충전성 거동과 상당한 차이가 있을 수 있으며[16], 따라서 Fig. 2와 같은 박판 시편용 금형을 다이캐스팅 장비에 장착하여 충전성을 조사하였고 그 결과를 Fig. 6 에 나타내었다. Sr의 첨가만으로도 금형의 온도를 약 50℃ 높인 것과 동일한 만큼의 현저한 충전성의 개선이 이루어졌으며, TiB의 효과는 더욱 큰 것으로 나타났다.

성능/효과

1) 결정립 미세화를 위해 첨가된 합금원소들은 새로운 상을 형성하지는 않았으며, 일반적인 AZ91합금의 주조조직 특성을 유지하였다.
2) 비교적 소량의 첨가로도 결정립 미세화효과는 모두 뚜렷한 것으로 나타났으며, 상대적인 미세화 효과는 Sr, TiB, Ca 순서로 높아지는 것으로 조사되었다.
3) 유동성 및 금형충전성의 경우 Sr과 TiB의 첨가로 크게 향상되었으나 Ca은 오히려 저하시켰으며, 종합적으로는 TiB의 향상효과가 가장 큰 것으로 나타났다.
4) 주조시편의 기계적 성질은 Ca첨가로 인해 전반적으로 저하되는 것으로 나타났으며 Sr 및 TiB은 인장강도를 향상시키는 것으로 관찰되었다.
Sr, TiB 및 Ca의 결정립 미세화 효과는 Fig. 4에서 나타내었듯이 뚜렷하게 관찰되었는데, Ca의 첨가량이 Sr이나 TiB에 비해 월등히 많았기 때문에 결정립 효과는 Ca이 가장 높은 것으로 관찰되었다. Sr의 결정립 미세화 효과는 결정립의 성장을 방해하는 정도를 정량적으로 나타낸 성장제한인자(GRF, growth restriction factor) 값을 가지고 예측하면 별로 크지 않을 것으로 보이며[13], 따라서 Sr의 결정립 효과는 주로 응고 과정 중 결정립이 성장할 때 우선적 성장방향의 계면에 Sr이 흡착되는 것과 관련이 있는 것으로 생각된다[7,14].
6 에 나타내었다. Sr의 첨가만으로도 금형의 온도를 약 50℃ 높인 것과 동일한 만큼의 현저한 충전성의 개선이 이루어졌으며, TiB의 효과는 더욱 큰 것으로 나타났다. 사용된 금형의 온도가 약 170℃로서 비교적 낮은 상태임에도 불구하고 0.
7에서는 Sr 및 TiB의 첨가를 통한 결정립미세화로 인하여 주조시편의 인장성질도 뚜렷하게 개선되는 것을 보여주고 있는데, 특히 인장강도의 증가가 현저하였다. 강도 측면에서는 TiB첨가 합금이 가장 우수하였으며, Ca첨가합금에서는 강도와 연성 모두 낮은 것으로 조사되었다. 1% 이하의 Ca이 첨가되었기 때문에 Mg₂Ca과 같은 새로운 상의 형성에 의한 것이라기보다는 유동도 시험결과와 유사하게 Ca첨가에 따라 용탕의 산화성이 증가되어 산화피막의 혼입과 같은 주조결함의 발생확률이 높아졌기 때문인 것으로 추정된다.

후속연구

따라서 Mg-Al계 합금의 효과적인 결정립 미세화 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며[1-8], 최근에는 Sr의 미량 첨가를 통해 결정립 미세화가 효과적으로 이루어지는 것이 보고되었다[5-8]. Sr첨가 미세화 방법은 용탕의 유동성 및 인장성질의 향상에도 효과적인 것으로 확인되었으며, 알루미늄주조합금에서 쓰이는 Al-Sr 모합금을 그대로 적용할 수 있어 실용성 측면에서도 유리할 것으로 기대된다[8]. 한편, 알루미늄합금의 결정립 미세화제로 널리 쓰이는 TiB과 내열성에 효과적인 Ca의 경우에도 결정립 미세화 효과가 있는 것으로 보고된 바 있다[9-11].
9 × 10⁴으로 상당히 커서 GRF값이 매우 큰 값을 나타내기 때문에 높은 결정립 미세화 효과가 예상된다[13]. 하지만 이 관점만으로는 TiB의 결정립 미세화 효과가 실제 관찰된 것 보다 더 높을 것으로 예측되기 때문에 얻어진 결과를 충분히 설명하기 어려우며, 보다 심층적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘합금 부품은 주로 무엇에 의해 제조되는가?	마그네슘합금 부품은 주로 다이캐스팅을 비롯한 주조공정에 의하여 제조되며, 상용합금으로는 주조성, 기계적 성질, 내식성 등이 우수한 Mg-Al계가 주종을 이루고 있다. 일반적으로 주조 합금은 결정립 미세화를 통해 금형충전성을 향상시키고 기계적 성질을 개선하는 경우가 많은데, Mg-Al계 합금의 경우 아직 충분한 실용성을 확보한 결정립 미세화 방법은 없으며 과열에 의한 방법, C2Cl6와 같은 탄소함유 결정립 미세화제의 첨가 등의 효율성이 보고된 바 있다[1-3].
	마그네슘합금 부품의 상용합금으로는 무엇이 주종을 이루고 있는가?	마그네슘합금 부품은 주로 다이캐스팅을 비롯한 주조공정에 의하여 제조되며, 상용합금으로는 주조성, 기계적 성질, 내식성 등이 우수한 Mg-Al계가 주종을 이루고 있다. 일반적으로 주조 합금은 결정립 미세화를 통해 금형충전성을 향상시키고 기계적 성질을 개선하는 경우가 많은데, Mg-Al계 합금의 경우 아직 충분한 실용성을 확보한 결정립 미세화 방법은 없으며 과열에 의한 방법, C2Cl6와 같은 탄소함유 결정립 미세화제의 첨가 등의 효율성이 보고된 바 있다[1-3].
	Sr의 미량 첨가를 통한 결정립 미세화 방법의 장점은 무엇인가?	따라서 Mg-Al계 합금의 효과적인 결정립 미세화 방법에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔으며[1-8], 최근에는 Sr의 미량 첨가를 통해 결정립 미세화가 효과적으로 이루어지는 것이 보고되었다[5-8]. Sr첨가 미세화 방법은 용탕의 유동성 및 인장성질의 향상에도 효과적인 것으로 확인되었으며, 알루미늄주조합금에서 쓰이는 Al-Sr 모합금을 그대로 적용할 수 있어 실용성 측면에서도 유리할 것으로 기대된다[8]. 한편, 알루미늄합금의 결정립 미세화제로 널리 쓰이는 TiB과 내열성에 효과적인 Ca의 경우에도 결정립 미세화 효과가 있는 것으로 보고된 바 있다[9-11].

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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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