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문제 정의
- 공정 Si의 미세화로 주조재의 기계적 특성을 향상시키고 열처리 시간을 단축시키는데 주로 사용되고 있는 개량화제 처리와 다르게[5,10], Mg 첨가의 경우에는 Mg 첨가로 정출되는 Mg2Si가 합금의 열처리 조건과 열처리에 따른 기계적 특성에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 따라서, 본 연구에서는 열처리 전 A356 합금 주조재의 기계적 특성에 영향을 미치는 결정립 및 공정 Si에 대한 Mg 첨가의 영향을 고찰하고, Mg 첨가에 따른 A356 합금의 열처리 조건과 열처리 특성 변화에 관하여 조사하였다.
- 본 연구는 A356 합금의 열처리 및 기계적 특성에 미치는 Mg 첨가의 영향에 대하여 조사하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- 본 연구에 사용된 A356 합금의 조성은 습식분광분석기(ICP)를 이용하여 분석하였다. A356 합금 용해는 700℃로 설정된 전기용해로에서 1시간 동안 실시하였으며, 용해된 합금에 0~5wt%의 Mg을 첨가하여 A356-xMg 합금을 제조하였다. 이 때 용해과정에서 유입되는 가스를 제거하기 위해 탈가스 처리를 실시하였으며, 합금제조는 미리 예열(280℃)된 원통형 금형(Φ60 × h120 mm)몰드에 주입하여 제조하였다.
- Mg 첨가가 A356 합금의 열처리 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해, 특정 열처리 온도에서 열처리 시간에 따른 경도와 전기전도도 변화를 측정하여 그 값을 비교 분석하였다. Fig.
- Mg 첨가량에 따른 각 합금의 기계적 특성 평가는 변형률 속도 1 × 10−3/s (cross head speed: 1.5 mm/min) 조건으로 상온에서 실시하였으며, 이 때 인장시험편은 ASTM B557을 참고하여 제작하였다.
- 이 때 용해과정에서 유입되는 가스를 제거하기 위해 탈가스 처리를 실시하였으며, 합금제조는 미리 예열(280℃)된 원통형 금형(Φ60 × h120 mm)몰드에 주입하여 제조하였다. Mg의 첨가량에 대한 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 마그네슘의 첨가량을 달리하여 제조한 각 합금의 매크로 조직을 관찰하기 위하여 제조한 합금을 수직으로 절단하여 채취한 후, 혼합 부식액(hydrochloric acid (75 ml), nitric acid (15 ml), hydrofluoric acid (10 ml))에 수 초간 부식을 실시하였고, 실물 현미경을 이용하여 관찰하였다.
- 각 열처리 조건은 ASM handbook을 참고하였으며, 용체화처리는 염욕을 이용하여 530℃에서 9시간까지 실시하였고 시효처리는 유욕을이용하여 155℃에서 10시간까지 실시하였다. 각 열처리 온도에서 Mg 첨가에 따른 영향을 조사하기 위해 전기전도도와 경도를 측정하고 각 구간에서의 미세조직을 관찰하였다. 전기전도도 측정은 GE사의 AutoSigma 3000을 이용하여 IACS(International Annealed Copper Standard)로 7회 측정하고, 경도 측정은 비커스 경도기로 7회 측정한 후 각각 산술평균하여 그 값을 나타내었다.
- 또한, Mg 첨가에 따른 A356 합금 열처리의 영향을 알아보기 위해 용체화 처리와 시효처리를 실시하였다. 각 열처리 조건은 ASM handbook을 참고하였으며, 용체화처리는 염욕을 이용하여 530℃에서 9시간까지 실시하였고 시효처리는 유욕을이용하여 155℃에서 10시간까지 실시하였다. 각 열처리 온도에서 Mg 첨가에 따른 영향을 조사하기 위해 전기전도도와 경도를 측정하고 각 구간에서의 미세조직을 관찰하였다.
- 마그네슘의 첨가량을 달리하여 제조한 각 합금의 매크로 조직을 관찰하기 위하여 제조한 합금을 수직으로 절단하여 채취한 후, 혼합 부식액(hydrochloric acid (75 ml), nitric acid (15 ml), hydrofluoric acid (10 ml))에 수 초간 부식을 실시하였고, 실물 현미경을 이용하여 관찰하였다. 그리고 제조한 각 합금의 현미경 조직은 distilled water (150 ml), nitric acid (8 ml), hydrochloric acid (4 ml), hydrofluoric acid (2 ml)을 혼합한 부식액에 수초 동안 부식시킨 후 광학현미경으로 관찰하였으며, Mg 첨가에 따른 합금 내 생성된 상의 형상 및 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 또한, Mg 첨가에 따른 A356 합금 열처리의 영향을 알아보기 위해 용체화 처리와 시효처리를 실시하였다.
- 그리고 제조한 각 합금의 현미경 조직은 distilled water (150 ml), nitric acid (8 ml), hydrochloric acid (4 ml), hydrofluoric acid (2 ml)을 혼합한 부식액에 수초 동안 부식시킨 후 광학현미경으로 관찰하였으며, Mg 첨가에 따른 합금 내 생성된 상의 형상 및 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 또한, Mg 첨가에 따른 A356 합금 열처리의 영향을 알아보기 위해 용체화 처리와 시효처리를 실시하였다. 각 열처리 조건은 ASM handbook을 참고하였으며, 용체화처리는 염욕을 이용하여 530℃에서 9시간까지 실시하였고 시효처리는 유욕을이용하여 155℃에서 10시간까지 실시하였다.
- Mg의 첨가량에 대한 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 마그네슘의 첨가량을 달리하여 제조한 각 합금의 매크로 조직을 관찰하기 위하여 제조한 합금을 수직으로 절단하여 채취한 후, 혼합 부식액(hydrochloric acid (75 ml), nitric acid (15 ml), hydrofluoric acid (10 ml))에 수 초간 부식을 실시하였고, 실물 현미경을 이용하여 관찰하였다. 그리고 제조한 각 합금의 현미경 조직은 distilled water (150 ml), nitric acid (8 ml), hydrochloric acid (4 ml), hydrofluoric acid (2 ml)을 혼합한 부식액에 수초 동안 부식시킨 후 광학현미경으로 관찰하였으며, Mg 첨가에 따른 합금 내 생성된 상의 형상 및 성분을 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다.
- 본 연구에 사용된 A356 합금의 조성은 습식분광분석기(ICP)를 이용하여 분석하였다. A356 합금 용해는 700℃로 설정된 전기용해로에서 1시간 동안 실시하였으며, 용해된 합금에 0~5wt%의 Mg을 첨가하여 A356-xMg 합금을 제조하였다.
- 이 때 용해과정에서 유입되는 가스를 제거하기 위해 탈가스 처리를 실시하였으며, 합금제조는 미리 예열(280℃)된 원통형 금형(Φ60 × h120 mm)몰드에 주입하여 제조하였다.
- 각 열처리 온도에서 Mg 첨가에 따른 영향을 조사하기 위해 전기전도도와 경도를 측정하고 각 구간에서의 미세조직을 관찰하였다. 전기전도도 측정은 GE사의 AutoSigma 3000을 이용하여 IACS(International Annealed Copper Standard)로 7회 측정하고, 경도 측정은 비커스 경도기로 7회 측정한 후 각각 산술평균하여 그 값을 나타내었다. Mg 첨가량에 따른 각 합금의 기계적 특성 평가는 변형률 속도 1 × 10−3/s (cross head speed: 1.
성능/효과
- 5에 나타낸 바와 같이 Mg을 3wt.% 이상 첨가한 합금의 미세조직에서 경질의 Mg2Si가 관찰되기 시작하였고, 5%에서 Mg2Si상의 크기와 그 분율이 점차 증가한 것을 확인할 수 있었다. Al-Mg2Si 상태도에 의하면, Al 내에 Mg2Si함유량이 1.
- 열처리 전, 항복강도는 Mg 첨가량 0에서 5wt.%까지 증가함에 따라 111.6MPa에서 159.0MPa로 증가하였지만, 인장강도는 205.7MPa에서 218MPa로 미미하게 증가하였다. 이는 Mg 첨가로 형성된 산화물이나 편석에 의해 국부적으로 파단이 발생하면서 연신율과 인장강도가 더 이상 증가하지 못하고 파단된 결과로 보인다.
- 1) A356 합금에 Mg의 첨가는 합금의 결정립과 공정 Si의 미세화에 영향을 미쳤으며 경도를 향상시키는 요인으로 작용하였다. 그리고 Mg 첨가량 1wt.
- 2) Mg 첨가로 인해 결정립 및 공정 Si는 미세화 되었으나, α-Al 내에 고용된 Mg과 열적으로 안정한 Mg2Si상으로 인해 용체화처리 시간은 Mg 첨가량의 증가에 따라 열처리 시간 또한 증가하였다.
- 3) Mg이 첨가됨에 따라 Mg의 고용강화, 공정 Si의 미세화, Mg2Si의 정출로 용체화 및 시효 열처리 전·후 모두 항복강도 및 인장강도는 증가하였지만, 연신율은 감소하였다.
- 1은 Mg 첨가에 따른 As cast A356-xMg 합금의 결정립 크기와 매크로 조직을 나타낸 것이다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 각 합금에서 외각과 중심부 사이의 결정립의 크기 편차는 크지 않았으며, Mg 첨가량이 증가함에 따라 평균 결정립 크기는 감소하는 것으로 나타났다.
- 8은 용체화처리와 시효처리에 따른 미세조직을 나타낸다. Mg 첨가량에 상관없이 용체화처리 후 공정 Si는 구상화되었으며, Mg 첨가로 정출된 조대한 Mg2Si는 완전히 분해되지 못하고 잔존하였다. Mg 첨가로 미세화 되었던 공정 Si가 용체화처리 후 모든 합금에서 유사한 크기로 구상화되었는데, 이는 Mg 첨가량에 따라 용체화처리 시간을 증가시킴으로써 Mg 첨가로 인한 공정 Si의 미세화 효과가 상쇄된 것으로 보인다.
- 그 결과, Mg 첨가량이 증가함에 따라 평균 결정립의 크기는 510.3 μm에서 213.7 μm로 점차적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 이로 인해 각 합금의 경도는 86.1HV에서 101.5HV로 점차적으로 상승하는 것으로 나타내었다.
- 73:1이므로 A356 합금에서 Mg2Si의 정출은 Mg의 첨가량에 의존함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 Mg 첨가량 1%까지는 Mg2Si의 정출량이 적어 경도향상에 크게 기여하지 않아 경도의 증가가 미미하였으나, Mg 첨가량 3wt.% 이상에서는 Mg2Si상의 정출량이 점차 증가됨에 따라 합금의 경도가 다소 증가하는 것으로 판단된다.
- 일반적으로 용체화처리 시간은 공정 Si의 형상과 그 분율에 의존하며, 공정 Si이 미세할수록 용체화처리 시간은 감소하게 된다[13]. 본 연구에서는 Mg 첨가량이 증가함에 따라 공정 Si은 미세화 되었지만(Fig. 4), 용체화처리 시간은 각각 2시간, 4시간, 4시간, 6시간으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 Mg의 첨가로 인해 α-Al 내에 이미 고용된 Mg이 다른 이차상의 분해 및 고용을 방해함으로써 나타난 것으로 보인다.
- 따라서 공업적으로 개량화는 Na, Sr, Sb 등의 원소첨가를 통해 주로 이루어지는데, 응고 시 이러한 개량화제가 과냉도를 높이는 요인으로 작용함으로써 공정 Si가 미세화하게 된다[4]. 본 연구에서는 Mg의 첨가량이 증가함에 따라 개량화제와 유사하게 과냉도를 높이는 요인으로 작용하게 되었고, 이로 인해 공정 Si가 미세화된 것으로 보인다. 공정 Si의 미세화가 합금의 경도를 증가시키는데 영향을 줄 수 있지만, 합금의 경도 증가의 주요요인으로는 보기 어렵다.
- 7은 용체화처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전기전도도의 변화를 나타낸 것이다. 시효 시간이 증가함에 따라 기지 내 고용되어 있던 용질원자들의 석출로 경도와 전기전도도가 증가하는 경향을 보였으며, Mg 첨가량이 증가될수록 최고 경도를 나타내는데 소요되는 시간이 증가하였다. 이는 Mg의 첨가로 합금의 용체화처리 시간이 증가하였고 이로 인해 더 많은 양의 용질원소가 α-Al 내에 고용됨에 따라 이후 시효처리 시 합금의 기지내에서 석출물의 양이 상대적으로 증가한 결과라 판단된다.
- 이는 미세한 석출물의 분율의 증가가 강도의 향상에 기인한 것이며, 연신율의 향상은 열처리 시 주조에 의해 형성된 편석의 확산과 공정 Si의 구상화가 기인한 것으로 보인다. 열처리 후, Mg 첨가량이 증가함에 따라 항복강도와 인장강도는 각각 173MPa에서 234MPa로, 286MPa에서 322MPa로 증가하였고, 연신율은 16%에서 7%로 감소하였다.
- 6은 530℃에서 용체화처리 시간에 대한 경도와 전기전도도의 변화를 나타낸다. 용체화처리가 진행됨에 따라 제 2상을 형성하고 있는 용질원소가 분해 및 고용되면서 전기전도도와 경도가 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 용체화처리 시간은 공정 Si의 형상과 그 분율에 의존하며, 공정 Si이 미세할수록 용체화처리 시간은 감소하게 된다[13].
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