[논문]아연-마그네슘 합금의 열처리에 따른 기계적 특성 연구

황인주

doi:10.12656/jksht.2020.33.3.117

아연-마그네슘 합금의 열처리에 따른 기계적 특성 연구
The Effect of Heat Treatment Hold Time for Mechanical Properties of Zinc-Magnesium Alloy 원문보기

열처리공학회지 = Journal of the Korean society for heat treatment, v.33 no.3, 2020년, pp.117 - 123

황인주 (신라대학교 융합기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Due to high corrosion resistance, Zinc has been widely used in the automobile, shipping or construction industries as a galvanizing material. Zinc is popular as a coating element, but its low mechanical strength impede the expansion of applications as a load-bearing structure. The mechanical strength of Zinc can be increased through zinc based alloy process, but the ductility is significantly reduced. In this study, the mechanical strength and ductility of Zinc-Magnesium alloys with respect to heat treatment hold time was investigated. In order to enhance the mechanical strength of Zinc, a Zinc-Magnesium alloy was fabricated by a melting process. The heat treatment process was performed to improve the ductility of Zinc-Magnesium alloy. The microstructure of the heat-treated alloy specimen was analyzed using SEM. The hardness and compressive strength of the specimen were measured by a micro-hardness tester and a nano-indenter, respectively.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 2. Heat treatment schedule for Zinc-Magnesium alloy sample.
그림 Fig. 1. Schematic of experimental apparatus.
그림 Fig. 3. FE-SEM images of the microstructure of the Zinc-Magnesium alloy sample.
그림 Fig. 4. FE-SEM images of the microstructure of the Zinc-Magnesium alloy samples after heat treatment for (a) 0 hour, (b) 5 hours, (c) 10 hours, (d) 15 hours, (e) 20 hours and (f) 30 hours (scale bar : 10 μm).
그림 Fig. 5. Hardness of Zn-1Mg alloy by heat treatment hold time.
그림 Fig. 6. FE-SEM images and results of the micropillar compression test of Zn-1Mg alloy (a) and (b) micropillar and stress-strain curve before heat treatment, (c) and (d) micropillar and stress-strain curve after heat treatment for 15 hours.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 아연의 강도를 향상시키기위해서 마그네슘을 첨가하여 아연-마그네슘 합금(Zn-Mg alloy)을 만들고, 열처리 과정을 통하여 합금의연성을 개선시키고자 하였다, 99wt.%(weight percent)의 아연과 1wt.

제안 방법

%(weight percent)의 아연과 1wt.%의 마그네슘을 주조 공정을 통해서 합금을 만든 다음, 일정한 온도(300℃)에서열처리 시간(0-30시간)을 다르게 하여 시편을 제작하였다. 열처리 시간과 합금의 기계적 특성 변화에 대한 연구를 위하여 시편들의 미세구조와 경도를 분석하고, 마이크로 기둥(micropillar)을 이용하여 압축강도 시험을 수행하였다.
2. 열처리 시간에 의한 Zn-1Mg 합금의 경도 변화를 분석하였다. 열처리 전과 후의 평균 경도값은 최대 4.
Zn-1Mg 합금 시편 표면에 마이크로 기둥(지름: 4 µm, 높이: 10 µm)을 제작하기 위해서, 집속이온빔가공을 수행하였다.
Zn-1Mg 합금 시편의 압축 강도와 연성을 분석하기 위해서 나노 압입기를 이용하여, 마이크로 기둥(micropillar) 압축 시험이 수행되었다. 시험을 위한 마이크로 기둥은 집속이온빔(FEI Nova 600 Nanolab Dual-Beam FIB–SEM)을 이용하여 Zn-1Mg 시편 표면에 높이-10 µm, 직경-4 µm 크기로 제작되었다.
Zn-1Mg 합금의 연성을 개선시키기 위해서, 열처리시간을 다르게 한 시편의 미세구조를 분석하고, 경도시험과 압축 강도 시험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시편 표면에 남겨진 잔류현탁액을 제거하고, 정밀한 표면처리를 위해서, 2시간 동안 저각이온밀링(4deg, 3.25 keV with 10 µA, low-angle ion milling) 과정이 수행되었다.
시편의 경도는 비커스 압자(Vickers tip)가 장착된 마이크로 경도 시험기(LM810, Leco)와 베르코비치압자(Berkovich tip, 20 nm radius, diamond)가 장착된 나노 압입기(MTS Nano Indenter XP)를 이용하여 측정되었다.
열처리 공정을 거친 Zn-1Mg 합금 시편의 미세구조는 주사전자현미경(Supra 40VP FE-SEM, ZEISS)을 이용하여 분석되었다. 표면 분석을 위해서 시편은 연마기(Allied M-Prep 5TM Grinder/Polisher)에 의해서 연삭된 후, 콜로이드 규산 현탁액(colloidal silica suspension of 0.
%의 마그네슘을 주조 공정을 통해서 합금을 만든 다음, 일정한 온도(300℃)에서열처리 시간(0-30시간)을 다르게 하여 시편을 제작하였다. 열처리 시간과 합금의 기계적 특성 변화에 대한 연구를 위하여 시편들의 미세구조와 경도를 분석하고, 마이크로 기둥(micropillar)을 이용하여 압축강도 시험을 수행하였다.
상온에서 50°C까지 1°C/min 속도로 1차 승온 후, 50°C에서 300°C까지 50°C/hr 속도로 2차 승온하였다. 열처리 효과를 분석하기 위해서 유지 조건(5-30시간)을 달리한 후, 노냉(furnace cooling) 방법으로 시편을 제작하였다.

대상 데이터

본 연구에서 활용된 Zn-1wt.%Mg(이하 Zn-1Mg) 합금은 아연(Goodfellow Cambridge Ltd., United Kingdom)과 마그네슘(Goodfellow Corporation, USA)을 용해한 후, 담금질하여 제조하였다. Fig.
시험을 위한 마이크로 기둥은 집속이온빔(FEI Nova 600 Nanolab Dual-Beam FIB–SEM)을 이용하여 Zn-1Mg 시편 표면에 높이-10 µm, 직경-4 µm 크기로 제작되었다.
압축 시험을 수행하기 위하여 직경10 µm의 평평한 펀치 접촉자(flat-ended punch tip)이 장착된 나노 압입기가 이용되었다.
집속이온빔으로 제작된 마이크로 기둥은 평평한 펀치 접촉자가 장착된 나노 압입기를 이용하여 압축강도 시험에 사용되었다. Fig.

성능/효과

1. 합금의 금속간 화합물이 공융상 구조의 형태를 띄며, 아연 조직들을 분리하였다. 열처리 공정(300°C)을 통해서, 아연 조직을 재정립하고, 금속간화합물의 수지 형태 구조를 붕괴시킴으로써, 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.
3. Zn-1Mg 합금은 열처리에 의해서 최대 압축 강도는 약 5% 감소되었지만, 변형률은 약 300% 증가하는 것을 마이크로 기둥을 이용한 압축 강도 시험을 통해서 알 수 있었다. 이러한 결과는 열처리 공정에 의해서 합금의 수지상 구조가 붕괴되고, 재결정을 통한 아연 조직의 조대화에 기인한 것으로 판단된다.
경도 측정방법이 다른 두 실험으로부터 평균 경도값의 차이는 발생했지만, 합금의 경도가 열처리 전과 후에도 최대 5% 내외로 크게 바뀌지 않는것을 알 수 있었다. 경도 시험의 결과로부터 열처리 공정에 의한 조직 구조의 변화는 합금의 경도에 경미한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
반면에 나노 압입기는 최대 하중 하에서 압자의 형상과 접촉 깊이에 의해서 결정되는 투영 접촉 영역(projected contact area at peak load)을 사용하기 때문에, 두 실험간의 편차가 발생된 것으로 추측된다[13, 14]. 경도 측정방법이 다른 두 실험으로부터 평균 경도값의 차이는 발생했지만, 합금의 경도가 열처리 전과 후에도 최대 5% 내외로 크게 바뀌지 않는것을 알 수 있었다. 경도 시험의 결과로부터 열처리 공정에 의한 조직 구조의 변화는 합금의 경도에 경미한 영향을 미치는 것으로 판단된다.
5에 나타내었다. 나노 압입기를 이용하여 측정한 열처리가 안된 시편의 평균 경도값은1.084 GPa이었으며, 열처리 후에는 시간에 따라1.024-1.136 GPa의 평균 경도값을 가졌다. 열처리 안된 시편에 비해 열처리 후 시편들의 평균 경도값은 최대 5.
또한 재료 강도와 경도의 경험적 관계에 따르면, Zn-1Mg의 강도는 열처리 후에도 크게 감소하지 않을 것으로 예상되었다[12]. 나노 압입기를 이용하여 측정한 평균 경도값이 마이크로 경도 시험기를 이용하여 측정한 평균 경도값보다 전체적 약 25% 크게 측정되었다. 비커스 경도는 광학 현미경을 이용하여 압흔의 잔류 투영 영역(residual projected area)을 측정하여 계산한다.
5%(베르코비치 압자)내외로 변화하였다. 두 실험 결과로부터, 나노 압입기로 측정한 평균 경도값이 마이크로 경도 시험기로 측정한 값보다 약 25% 크게 측정되었으며, 주원인은 압흔의 투영 영역의 계산하는 방법의 차이에서 비롯된 것으로 추측된다.
8% 이내로 변화되었다[11]. 두 실험결과를 통해서 열처리 전과 열처리 후의 Zn-1Mg의 경도는 크게바뀌지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 재료 강도와 경도의 경험적 관계에 따르면, Zn-1Mg의 강도는 열처리 후에도 크게 감소하지 않을 것으로 예상되었다[12].
열처리 공정(300°C)을 통해서, 아연 조직을 재정립하고, 금속간화합물의 수지 형태 구조를 붕괴시킴으로써, 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다.
6(b)와 (d)는 압축 시험으로부터 얻은 결과를 이용하여, 응력-변형률 선도를 그린 것이다. 열처리 공정을 진행하지 않은 시편의 마이크로 기둥의 최대 압축 강도는 193 MPa이고 , 파괴 시점에서의 변형률은 0.058이었다(Fig. 6(b)).
6(d)). 열처리 공정후에, 합금 시편의 최대 압축 강도는 약 5% 감소하였지만, 변형률은 열처리 전 시편의 변형률 0.058에 비해서 약 300% 증가하였다. 열처리 공정에 의한 아연 조직의 조대화는 Zn-1Mg 합금의 최대 압축강도를 소폭 감소시켰지만, 연성의 향상에는 긍정적인 영향을 미친 것으로 추측된다.
136 GPa의 평균 경도값을 가졌다. 열처리 안된 시편에 비해 열처리 후 시편들의 평균 경도값은 최대 5.5% 내외로 변화되었다. 반면에 비커스압자를 장착한 마이크로 경도 시험기를 이용한 시험에서는 열처리 전 시편의 평균 비커스 경도(Vickers hardness)값은 0.

후속연구

특히, 금속간 화합물의 수지상 구조의 붕괴는 합금의 연성 증가에 주원인으로 판단된다. 열처리를 통한 고연성 아연 기반합금은 아연의 새로운 활용분야를 개척하는데 중용한 역할을 할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	나노 입자들을 균일하게 분산시키는 것이 매우 어려운 이유는?	일반적으로, 균일하게 분산된 나노 입자들을 포함하고 있는 복합재료는 높은 강도와 연성을 가질수 있다. 하지만, 나노 입자들은 상호간의 인력에 의해서 집합체를 이루려는 성향이 크기 때문에 재료의 고연성을 위해서 나노 입자들을 균일하게 분산시키는것은 상당히 도전적인 문제이다.
	아연이 다양한 산업 분야에서 사용되고 있는 이유는?	아연은 융점이 낮고, 내식성이 우수하여, 자동차, 가전제품, 건설 분야 등 산업의 다양한 분야에서 사용되고 있다[1, 2]. 특히 아연의 뛰어난 내식성은 도금의 형태로 건축 구조물의 철강재, 자동차 차체 및 선박 구조강의 부식을 방지하는데 효과적이다[3].
	Zn-1Mg 합금의 연성을 개선시키기 위해서, 열처리시간을 다르게 한 시편의 미세구조를 분석하고, 경도시험과 압축 강도 시험을 수행한 결과는 어떻게 나타났는가?	1. 합금의 금속간 화합물이 공융상 구조의 형태를 띄며, 아연 조직들을 분리하였다. 열처리 공정(300°C)을 통해서, 아연 조직을 재정립하고, 금속간화합물의 수지 형태 구조를 붕괴시킴으로써, 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있었다. 2. 열처리 시간에 의한 Zn-1Mg 합금의 경도 변화를 분석하였다. 열처리 전과 후의 평균 경도값은 최대 4.8%(비커스 압자) 또는 5.5%(베르코비치 압자)내외로 변화하였다. 두 실험 결과로부터, 나노 압입기로 측정한 평균 경도값이 마이크로 경도 시험기로 측정한 값보다 약 25% 크게 측정되었으며, 주원인은 압흔의 투영 영역의 계산하는 방법의 차이에서 비롯된 것으로 추측된다. 3. Zn-1Mg 합금은 열처리에 의해서 최대 압축 강도는 약 5% 감소되었지만, 변형률은 약 300% 증가하는 것을 마이크로 기둥을 이용한 압축 강도 시험을 통해서 알 수 있었다. 이러한 결과는 열처리 공정에 의해서 합금의 수지상 구조가 붕괴되고, 재결정을 통한 아연 조직의 조대화에 기인한 것으로 판단된다.

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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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