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문제 정의
- 그리고 대형부품으로 확대 적용 시 부품의 특성 향상을 위한 열처리 냉각 조건에 따른 치수 변형 등의 열처리 결함 등을 우려할 수 있으므로 이에 대한 연구 또한 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 마그네슘 부품으로 주로 적용되고 있는 상용의 AZ91D 합금과 이에 5wt.%Sn을 첨가하여 합금의 열처리 및 냉각 조건에 의한 미세조직 및 경도 변화에 대해 조사하였다.
제안 방법
- 사용된 합금의 조성은 Table 1에 나타내었다. 5wt.%Sn이 첨가된 마그네슘 합금의 열처리는 용체화 온도 400℃와 415℃에서 0~24h 동안 열처리하여 상온수(21℃)와 미온수(80℃)에서 각각 수냉하였으며, 시효 처리는 시효온도 160, 180, 200℃에서 0~24h 동안 수행하여 미세조직 및 경도 변화를 조사하였다. 열처리한 시편의 미세조직은 미세연마 및 화학적 에칭을 행한 후 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였으며, 열처리에 따른 합금의 경도 변화는 로크웰 경도기(scale E)를 이용하여 각 7회 측정 후 산술평균하여 나타내었다.
- %Sn이 첨가된 마그네슘 합금의 열처리는 용체화 온도 400℃와 415℃에서 0~24h 동안 열처리하여 상온수(21℃)와 미온수(80℃)에서 각각 수냉하였으며, 시효 처리는 시효온도 160, 180, 200℃에서 0~24h 동안 수행하여 미세조직 및 경도 변화를 조사하였다. 열처리한 시편의 미세조직은 미세연마 및 화학적 에칭을 행한 후 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였으며, 열처리에 따른 합금의 경도 변화는 로크웰 경도기(scale E)를 이용하여 각 7회 측정 후 산술평균하여 나타내었다. 또한 열처리 온도 및 시간에 따라 상의 변화는 XRD 이용하여 분석하였다.
- 이를 위해 상용 AZ91D 합금과 이에 5wt.%Sn을 첨가한 합금을 제조하고 열처리 및 냉각조건에 따른 미세조직, 경도, 전기전도도 특성에 대해 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 합금은 AZ91D 마그네슘 합금에 5 wt.%Sn을 첨가한 합금으로 전기 저항로를 이용하여 CO2 + SF6 혼합 가스 분위기 금형 주조하였다. 이 때의 주조 조건은 용해온도 720℃, 주입온도 680℃로 주조하였으며, 합금 내부의 기공 및 수축공을 줄이기 위해 몰드를 400℃로 예열 하였다.
성능/효과
- 1) AZ91D Mg 합금에 Sn의 첨가로 인해 Mg2Sn 상을 새롭게 형성하고 이는 합금의 기계적 특성 향상에 기인하게 된다.
- 2) Sn의 첨가에 의해 생성된 Mg2Sn 상은 400~415℃의용체화 온도범위에서는 열처리 시간이 증가함도 대부분의 상은 기재내로 분해 및 기지내로 고용되나 Mg2Sn 상은 입계 주변에 잔존한다.
- 3) 용체화처리 후 칭 조건에 따른 경도 변화는 미온수(80℃)에서 칭한 합금이 상온수(21℃)에서 칭한 합금에 비해 경도의 변화 폭이 적은 것으로 나타났다.
- 4) 이 합금의 시효 경향은 대부분의 Mg-Al계 합금과 유사한 형태로 석출이 이루어지며 용체화 처리 후 시효 초기 입계 및 잔존하는 Mg2Sn 상 주변에서 불연속 적으로 석출물이 석출하게 되며, 시효 온도가 증가함에 따라 이러한 불연속 석출물은 조대하고 그 양 또한 증가 하였다.
- %Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합금의 DSC 분석 결과를 나타낸 것이다. DSC 분석 결과 3곳의 변곡점이 나타나는 것으로 확인되었으며, 이 합금의 초기의 용융온도는 약420℃로서 이 온도 이상에서 열처리 시 합금의 합금 표면 에서의 국부 용해와 내부에 기공을 형성시킴에 따라 합금의 기계적 특성을 저해할 우려가 있다. 따라서 이 합금의 용체화 온도는 열처리 로의 온도 편차를 고려하여 초기 용융온도 이하인 400℃와 415℃에서 실시하였고, 그리고 소형부품의 경우에는 큰 영향을 받지 않으나, 대형부품의 경우 용체화 열처리 후, 칭 조건에 따라 치수변형 등의 열처리 결함을 우려할 수 있으므로 이에 대한 고려로써 용체화 열처리 후 냉각 조건을 상온수(21℃)와 미온수(80℃)에서 수행하였다.
- 열처리 온도 및 시간에 따른 합금의 전기전도도 변화를 측정함으로써 합금 내부의 변화를 가시적으로 예측가능하다[19,20]. Sn이 첨가된 AZ91D 합금의 전기전도도의 경우 상용 AZ91D Mg 합금에 비해 낮은 전기전도도 특성을 나타 내었으나 칭 조건에 대해서는 그 차이가 적은 것으로 나타났다. 이는 첨가된 Sn 및 용질 원소들이 전자의 이동을 방해하는 불순물로 존재하기 때문이며, 용체화 시간이 증가함에 따라 전기전도도가 점차적으로 감소하는 것은 용체화 열처리가 진행되는 동안 불균질하게 분포하는 용질 원소들이 확산에 의해 Mg 기지내로 고용됨에 따라 용질 원자 주변으로 Mg의 격자변형에 의한 응력장 형성으로 전자의 이동이 활발하지 못하기 때문으로 판단된다.
- 용체화처리 후칭 조건에 따른 경도 변화는 두 용체화 온도 조건 모두 미온수(80℃)에서 칭한 합금이 상온수(21℃)에서 칭한 합금에 비해 경도의 변화 폭이 적은 것으로 보여지고, 또한 열처리에 의한 경도 차이는 크지 않는 것으로 나타났다. 따라서 이 합금의 경우 미온수에서 열처리 냉각이 이루어지는 것이 열처리에 의한 합금의 특성 향상에 보다 효과적일 것으로 사료된다.
- 초기 시효 열처리 전 415℃에서 16h 동안 용체화처리 한 시험편의 경우 대부분의 Mg17Al12 상의 경우 Mg 기지내로 고용되었으나, Mg2Sn 상은 분해 및 고용되지 않고 잔존한Mg2Sn 상으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 시효 열처리가 진행됨에 따라 시효 초기의 석출은 결정입계로부터 불연속적으로 석출하기 시작하였으며, 시효 시간이 증가함에 따라 불연속적인 석출물의 분율은 결정입계로부터 입내로 점차 확대되는 것을 알 수 있다. 이후 시효 24h 후에는 많은 양의 불연속 석출물이 잔존한 Mg2Sn 상과 함께 결정입계에 분포하는 것을 확인할 수 있었다.
- 4는 Sn을 첨가한 AZ91 합금의 용체화 온도 및 냉각조건에 따른 미세조직 변화를 나타낸 것이다. 용체화 열처리 시 두 합금의 미세조직은 주조 시 형성된 β-Mg17Al12 상이용체화 시간이 증가함에 따라 점차 분해되고 이렇게 분해된 용질 원소가 α-Mg 기지내에 고용됨에 따라 β상의 분율이 감소됨을 확인할 수 있었으며, 이러한 변화는 용체화 시간 16h을 기준으로 β상의 분율이 현저하게 감소하게 되고, 용체화 처리 시간 24h 이후에는 대부분의 β상이 분해되어 고용됨을 확인할 수 있었다. 용체화 온도에 대한 미세조직 변화는 용체화 온도가 증가함에 따라 용질원소의 고용한의 증대와 확산속도의 증가에 기인하여 동일한 시간으로 용체화 열처리 시 용체화 온도가 높을수록 β상의 분율 감소가 더 많이 이루어짐을 알 수 있었다.
- 용체화 열처리 시 두 합금의 미세조직은 주조 시 형성된 β-Mg17Al12 상이용체화 시간이 증가함에 따라 점차 분해되고 이렇게 분해된 용질 원소가 α-Mg 기지내에 고용됨에 따라 β상의 분율이 감소됨을 확인할 수 있었으며, 이러한 변화는 용체화 시간 16h을 기준으로 β상의 분율이 현저하게 감소하게 되고, 용체화 처리 시간 24h 이후에는 대부분의 β상이 분해되어 고용됨을 확인할 수 있었다. 용체화 온도에 대한 미세조직 변화는 용체화 온도가 증가함에 따라 용질원소의 고용한의 증대와 확산속도의 증가에 기인하여 동일한 시간으로 용체화 열처리 시 용체화 온도가 높을수록 β상의 분율 감소가 더 많이 이루어짐을 알 수 있었다. 그러나 용체화 열처리 후 냉각 조건에 대한 미세조직 변화는 광학현미경 조직사진에서는 미미한 것으로 나타났으며, Sn 첨가에 의해 형성된 상은 여전히 잔존하는 것을 알 수 있었다.
- 6은 AZ91D 합금과 Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합금의 용체화 조건에 대한 경도 변화이다. 용체화 처리 전 이 합금의 로크웰 경도는 약 70HRE로서 상용의 AZ91D Mg 합금에 비해 약 10HRE 높은 것으로 나타났고, 열처리가 진행되는 동안 두 합금 모두 점차적으로 경도값이 감소 하였다. 그러나 상용 AZ91D Mg 합금에 비하여 Sn이 첨가된 AZ91 합금의 경도의 감소는 적은 것으로 확인되었으나, 이 합금의 경우 용체화 열처리 초기부터 서서히 경도가 증가하다 용체화 2시간 이후 감소하는 거동 나타내었다.
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