[논문]Zn 첨가량에 따른 Al-Si-Mg-Cu계 합금의 미세조직 및 기계적 특성변화

황수빈; 김병주; 정성수; 김동규; 이영철

doi:10.7777/jkfs.2019.39.3.33

Zn 첨가량에 따른 Al-Si-Mg-Cu계 합금의 미세조직 및 기계적 특성변화
Effect of Zn additions on the Mechanical Properties of High Strength Al-Si-Mg-Cu alloys 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.39 no.3, 2019년, pp.33 - 43

황수빈 (한국생산기술연구원) , 김병주 (한국생산기술연구원) , 정성수 (한국생산기술연구원) , 김동규 (동아대학교 신소재공학과) , 이영철 (한국생산기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of Zn additions on the mechanical properties of Al-Si-Mg-Cu alloys were investigated by increasing the amount of Zn up to 8wt.%. As the Zn content was increased up to 6 wt.%, the yield strength and elongation changed linearly without any significant changes in the size and shape of the main reinforcement phase. However, it was confirmed by SEM observation that the Mg-Zn phase formed between the reinforcement phases when the amount of Zn added exceeded 7wt.%. A Mg-Zn intermetallic compound formed between the $Mg_2Si$ phase, becoming a crack initiation point under stress. Thus, the formation of the Mg-Zn phase may cause a sharp decrease in the elongation when Zn at levels exceeding 7 wt.%. It was also found that the matrix became more brittle with increasing the Zn content. From these results, it can be concluded that the formation of the Mg-Zn intermetallic compound and the brittle characteristics of the matrix are the main causes of the remarkable changes in the mechanical properties of this alloy system

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Design of the mold; (a) cylinder mold, (b) Y-block
표 Table 1. Chemical composition of Al-6Si-4Mg-2Cu-XZn alloys.
그림 Fig. 2. ASTM E8M standard specimen used for tensile test.
그림 Fig. 3. Schematic illustration of Cracking analysis for intermetallic compound.
그림 Fig. 4. SEM image of the A alloy.
표 Table 2. Chemical composition of Al-6Si-4Mg-2Cu alloy.
그림 Fig. 5. Optical microstructure of the Al-6Si-4Mg-2Cu alloys; (a) A alloys, (b) B alloys, (c) C alloys, (d) D alloys, (e) E alloys, (f) F alloys.
그림 Fig. 6. SEM images and EDS analysis of Al-6Si-4Mg-2Cu alloys; (a) A alloys, (b) B alloys, (c) C alloys, (d) D alloys, (e) E alloys, (f) F alloys.
그림 Fig. 7. Ternary phase diagram of Al-Mg-Zn alloys (at.%).
그림 Fig. 8. SEM images of the F alloys; (a) as cast microstructue, (b) Mg-Zn intermetallic compound.
그림 Fig. 9. Comparison of experimental results with the values of the Labusch’s model of A~F alloys.
표 Table 3. EDS point analysis of Al-6Si-4Mg-2Cu-8Zn alloys.
표 Table 4. Function of Labusch’s Model.
표 Table 5. Rockwell hardness test results according to Zn addition in A~F alloys.
그림 Fig. 10. Variation of tensile behavior with increasing amount of Zn in A~F alloys; (a) stress-strain curve, (b) variation of mechanical properties.
그림 Fig. 11. SEM images of Mg-Zn intermetallic compound in F alloys.
표 Table 6. Tensile test result according to the Zn addition in Al-6Si-4Mg-2Cu-XZn alloys.
$Fig. 12. Schematic illustration of fracture mechanism : (a) A~D alloys, (b) E~F alloys.$ 그림 Fig. 12. Schematic illustration of fracture mechanism : (a) A~D alloys, (b) E~F alloys.
그림 Fig. 13. Cracking analysis related to the intermetallic compound in the Al-Si-Mg-Cu alloys : (a) A alloy, (b) F alloy.
그림 Fig. 14. Fractography of specimen ; (a) A alloys, (b) F alloys.
표 Table 7. EDS results of Al-Si-Mg alloys.

AI 본문요약
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문제 정의

그동안 알루미늄 합금에 Zn를 첨가하는 연구는 7xxx 계합 금을 중심으로 진행되어 왔으며, 특히 Si, Mg 등의 원소를 첨가한 4xxx, 6xxx 계 합금에서 Zn 원소가 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 Al-Si-Mg-Cu 계 합금의 Zn 첨가량에 따른 미세조직의 변화와 그에 따른 기계적 특성을 고찰하였다.

가설 설정

1(a), 32Φ × 70 mm)를 사용하여 제작하였고, 인장시험을 위한 시편은 Y-block 몰드(Fig. 1(b)) 를 사용하여 만들어진 잉곳을 ASTM-E8(Fig. 2) 규격으로 가공하였다 [6].

제안 방법

미세조직 관찰은 실린더몰드 (Fig. 1(a)) 를 사용하여 제작된 샘플의 바닥 높이 20 mm 지점에서 채취한 시편을 표면 연마하여 준비하였고, 광학현미경과 전계방사 주사현미경을 사용하여 관찰하였다. 기계적 특성 분석을 위한 경도 측정은 미세조직 관찰과 동일한 지점에서 채취한 시편의 표면을 연마한 뒤 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였고, 경도 계산식인 Labusch’s Model을 통해 예상한 값과 실제 경도를 비교하였다.
인장시험은 만능시험기를 사용하여 ASTM-E8 규격에 따라 측정하였다. 강화상의 파괴 거동 분석을 위해 금속간화 합물 파단분석 (Fig. 3) 을 수행하였다. 금속간화합물 파단 분석은 판상 시험편의 표면을 연마한 뒤 인장시험을 통해 항복강도 직전까지 응력을 가한 뒤 응력을 제거해 주고, 시편의 중앙부의 미세조직을 SEM 분석을 통해 강화상의 파괴 거동을 확인하는 시험 방법이며, Zn 첨가량에 따른 강화상의 파괴 거동을 분석하였다.
고정변수인 G, φ, ε 'G, εb를 변수로 설정하지 않고, c변수의 변화를 고려하여 경도 변화를 예측하였다.
3) 을 수행하였다. 금속간화합물 파단 분석은 판상 시험편의 표면을 연마한 뒤 인장시험을 통해 항복강도 직전까지 응력을 가한 뒤 응력을 제거해 주고, 시편의 중앙부의 미세조직을 SEM 분석을 통해 강화상의 파괴 거동을 확인하는 시험 방법이며, Zn 첨가량에 따른 강화상의 파괴 거동을 분석하였다.

대상 데이터

12(b))의 금속간화합물 파단분석의 결과이다. A합금(Zn 0 wt.%)은 약 90 MPa 의 응력을 가하여 실험을 수행하였다. 인장응력이 가해졌을때, Chinese script 형상 Mg₂Si 상의 모서리 부근에서 균열이 관찰되었다.
인장응력이 가해졌을때, Chinese script 형상 Mg₂Si 상의 모서리 부근에서 균열이 관찰되었다. F합금(Zn 8 wt.%) 은 165 MPa의 응력을 가하여 실험을 수행하였으며, 강화상 사이에 위치하는 Mg-Zn 금속간화합물에서 균열이 관찰되었다. Zn 첨가량 7wt.
Zn 첨가량에 따른 Al-Si-Mg-Cu계 합금의 기계적 특성변화를 분석하기 위해 사용한 샘플은 중력주조로 제작되었으며, 제작된 Al6Si-4Mg-2Cu-XZn 합금의 성분분석 결과는 Table 1에 나타내었다. 샘플 제작에 사용된 합금은 Al(99.
Zn 첨가량에 따른 Al-Si-Mg-Cu계 합금의 기계적 특성변화를 분석하기 위해 사용한 샘플은 중력주조로 제작되었으며, 제작된 Al6Si-4Mg-2Cu-XZn 합금의 성분분석 결과는 Table 1에 나타내었다. 샘플 제작에 사용된 합금은 Al(99.7%), Cu(99.997%), Mg(99.7%), Zn(99.99%) 잉곳과 Si(99.99%) Crystalline을 5kg 용량의 SiC 도가니를 사용하여 고주파 유도용해로 (20 kHz)에서 용해하였다. 용탕의 온도는 710±5oC 로 유지하였으며, 중력주조 전 합금의 표면에 생성된 산화물 을 제거한 뒤 출탕하였다.
실험으로 측정한 A~F 합금의 구간별 ΔHRB 는 A→B 합금은 4.4HRB, B→D 합금은 3.4~3.6HRB 가 측정되었고, D→E 합금은 4.5HRB, E→F 합금은 1.2HRB 가 측정되었다.

데이터처리

Al-6Si-4Mg-2Cu 합금에서 Zn 첨가량에 따른 기계적 특성을 분석하였으며, Labusch’s Model 과 경향성을 비교하였다.
기계적 특성 분석을 위한 경도 측정은 미세조직 관찰과 동일한 지점에서 채취한 시편의 표면을 연마한 뒤 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였고, 경도 계산식인 Labusch’s Model을 통해 예상한 값과 실제 경도를 비교하였다.

이론/모형

Labusch’ Model 의식 (3), (4) 와 선행연구의 변수(Table 4)를 사용하였으며 [18], 경도변화의 경향성을 분석하기 위해 수식의 단순화를 진행하였다.
기계적 특성 분석을 위한 경도 측정은 미세조직 관찰과 동일한 지점에서 채취한 시편의 표면을 연마한 뒤 로크웰 경도기를 사용하여 측정하였고, 경도 계산식인 Labusch’s Model을 통해 예상한 값과 실제 경도를 비교하였다. 인장시험은 만능시험기를 사용하여 ASTM-E8 규격에 따라 측정하였다. 강화상의 파괴 거동 분석을 위해 금속간화 합물 파단분석 (Fig.

성능/효과

Al-6Si-4Mg-2Cu 합금에 0~8 wt.% 의 Zn를 첨가하였을 때, 항복강도는 96 MPa에서 175 MPa로 증가하였으나, 연신율은 2.24% 에서 0.63% 으로 감소하였다. 인장강도는 181 MPa에서 195MPa으로 큰 변화가 없었다.
Al-6Si-4Mg-2Cu 합금에서 Zn 첨가량에 따른 기계적 특성 분석 결과 Zn 의 첨가량이 7 wt.% 이상시 항복강도는 급격히 증가하나 연신율은 급격히 감소하는 현상을 확인하였으며, 이 는 Mg-Zn 금속간화합물 형성과 밀접한 관계가 있는 것으로 판단된다.
Zn 첨가량 7wt.% 이상의 합금에서 생성되는 Mg-Zn 금속간화합물은 강화상과 강화상 사이에 위치하여 소성유동을 억제하게 되어 항복강도의 증가가 발생하게 되고, 소성유동 억제로 인해 발생하는 응력이 Mg-Zn 금속간화합물에 집중되게 되어 임계응력 초과시 복합적인 상들이 클러스터를 형성 하고 있는 Mg-Zn 금속간화합물내의 계면에서 균열이 발생하고, 복합상들의 계면을 통하여 균열이 급속도로 성장하여 연신율이 감소되는 것으로 판단된다.
하지만 Zn가 7 wt.% 첨가 시 Mg₂Si, Al₂Cu, Si와 같은 강화상과 강화상 사이에 복합적인 상들이 클러스터를 형성한 금속간화합물이 형성됨을 확인하였다.
Fig. 12(a) 의개략도에 나타나 있듯이 알루미늄 기지 내부에 일정한 분포를 가지는 강화상은 전위이동을 억제하면서 발생하는 응력이 Mg₂Si, Al₂Cu, Si 등의 강화상에 집중될 것이라 판단된다. Fig.
Fig. 12(b)와 같이 강화상 사이에 Mg-Zn 금속간화합물이 위치하고 있으면, 보다 넓은 영역에서 전위이동을 억제하고, 강화상의 분율 증가로 인해 항복강도가 증가하지만, 각 강화상에서 전위이동의 억제에 의해 발생하는 응력과 기지와 Mg-Zn 금속간화합물의 계면에서 전파되는 응력을 Mg-Zn 금속간화합물이 집중적으로 받게 될 것이라 판단된다. 그 결과 취성을 가지는 Mg-Zn (MgZn₂ -1,961 MPa, Mg₂Zn₁₁ -2,452 MPa) 금속간화합물에 서 균열 발생 및 성장이 진행되어[19,20], 연신율이 감소하게 될 것이라고 판단된다.
A→B 합금에서 경도의 ΔHRB (경도 증가량)는 1.6HRB 로 가장 높았으며, B→F 합금은 1.1~1.4HRB 로 일정한 값으로 감소하는 ΔHRB 가 예상되었다.
Zn 의 첨가량이 증가함에 따라 기지의 고용강화 효과로 항복강도는 증가하고, 기지의 성질이 취성적으로 변화하여 연신율은 감소한 것으로 판단된다. A~D 합금에서 항복강도 증가율은 7~12%이며, 연신율 감소율은 17~28%으로 측정되었다. 하지만 E~F 합금의 항복강도 증가율은 22%이며, 연신율 감소율은 34%으로 측정되었다.
SEM 조직관찰 결과 본 연구에서 사용된 Al-Si-Mg-Cu 계 합금의 미세조직에서 α-Al, Si, Mg2Si, Al2Cu와 같은 상들이 생성됨을 확인하였다.
인장강도는 181 MPa에서 195MPa으로 큰 변화가 없었다. Zn 의 첨가량이 증가함에 따라 기지의 고용강화 효과로 항복강도는 증가하고, 기지의 성질이 취성적으로 변화하여 연신율은 감소한 것으로 판단된다. A~D 합금에서 항복강도 증가율은 7~12%이며, 연신율 감소율은 17~28%으로 측정되었다.
12(b)와 같이 강화상 사이에 Mg-Zn 금속간화합물이 위치하고 있으면, 보다 넓은 영역에서 전위이동을 억제하고, 강화상의 분율 증가로 인해 항복강도가 증가하지만, 각 강화상에서 전위이동의 억제에 의해 발생하는 응력과 기지와 Mg-Zn 금속간화합물의 계면에서 전파되는 응력을 Mg-Zn 금속간화합물이 집중적으로 받게 될 것이라 판단된다. 그 결과 취성을 가지는 Mg-Zn (MgZn₂ -1,961 MPa, Mg₂Zn₁₁ -2,452 MPa) 금속간화합물에 서 균열 발생 및 성장이 진행되어[19,20], 연신율이 감소하게 될 것이라고 판단된다.
5 는 Laves 상의 MgZn₂상이 관찰되었다. 따라서 Zn가 다량 첨가된 합금에서는 Mg-Zn 금속간화합물이 석출되며, 이는 앞서 확인한 Zn첨가량 증가에 따른 Al-Mg-Zn 평형상태도 상의 응고 진행 경로와도 일치하는 것으로 판단된다.
파단면 분석을 통해 Zn 첨가량이 증가함에 따라 알루미늄 기지가 연성파괴인 dimple 파면에서 취성파괴인 벽계 파면으로 변화함을 관찰하였고, 이는 고용강화에 의해 알루미늄 기지가 강화된 것으로 확인되며, 이러한 기지의 특성변화로 인해 Zn 첨가량이 7 wt.% 이후급격한 연신율의 감소가 일어나는 것으로 판단된다.
A~D 합금에서 항복강도 증가율은 7~12%이며, 연신율 감소율은 17~28%으로 측정되었다. 하지만 E~F 합금의 항복강도 증가율은 22%이며, 연신율 감소율은 34%으로 측정되었다. 경도 및 인장시험분석을 통해 Zn 첨가량이 6wt.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al-Si-Mg-Cu계 합금의 특징은?	다양한 알루미늄 합금 중 Al-Si-Mg-Cu계 합금은 주조성과 내식성, 강도가 우수하여 [5] 정밀 주조품을 생산하는 다이캐스팅 공법에 적용되고 있다. Al-Si-Mg-Cu계 합금은 Si, Mg2Si, Al2Cu, Al5Cu2Mg8Si6 등의 상들이 석출되며 [6], 합 금내부의 Si 상은 높은 내마모성과 경도를 가지며 [7], Mg2Si, Al2Cu, Al5Cu2Mg8Si6 등의 상은 높은 경도를 보유하고 있어 합금의 강도를 증가시킨다고 보고되어왔다 [8].
	강화상에 외부에서 응력을 가하면 합금에 어떤 영향을 미치는가?	알루미늄 합금의 강도 향상을 위해 외부에서 첨가하거나 내부에서 석출시킨 강화상을 통해 강도를 향상시키는 연구가 널리 진행되어 왔다 [6,9]. 강화상은 외부에서 응력이 가해지 게 되면 강화상과 기지의 계면에서 전위이동을 억제하여 합금의 강도를 향상시킨다. 그리고 이러한 강화상의 분율이 증가함에 따라 강도도 증가한다.
	Al-Si-Mg-Cu계 합금에 맹목적으로 강화상의 분율만 증가시키는 것이 아니라 알루미늄 기지를 강화하려고 하는 근본적인 이유는?	그리고 이러한 강화상의 분율이 증가함에 따라 강도도 증가한다. 하지만 강화상의 분율이 증가함에 따라 기지의 분율이 감소하여 합금의 성질이 취성적으로 변하므로 [8], 맹목적인 강화상의 분율 증가는 합금의 기계적 특성에 좋지 않다고 알려져 있다. Al-Si-Mg-Cu 계 합금은 이미 다양한 종류의 강화상이 존재하고 있으며, 이러한 합금 계의 강도를 향상시키기 위해서는 추가적인 강화상의 석출보다는 알루미늄 기지를 강화하는 방법이 효과적이다.

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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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