[논문]개량 Al-6.5Si 합금의 미세조직, 인장 및 충격 인성에 미치는 합금 원소 첨가의 영향

박태현; 백민석; 윤상일; 김진평; 이기안

doi:10.5228/kstp.2020.29.3.135

개량 Al-6.5Si 합금의 미세조직, 인장 및 충격 인성에 미치는 합금 원소 첨가의 영향
Effect of Alloying Element Addition on the Microstructure, Tensile and Impact Toughness of the Modified Al-6.5Si Alloy 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.29 no.3, 2020년, pp.135 - 143

박태현 (인하대학교 신소재공학과) , 백민석 (인하대학교 신소재공학과) , 윤상일 ((주)삼기오토모티브) , 김진평 (자동차부품연구원) , 이기안

Abstract ▼ AI-Helper

Low-cost alloying elements were added to a modified Al-6.5Si alloy and its microstructure, tensile and impact toughness properties were investigated. The alloying elements added were Mg, Zn, and Cu, and two kinds of alloy A (Mg:0.5, Zn:1, Cu:1.5 wt.%) and alloy B (Mg:2, Zn:1.5, Cu:2 wt.%) were prepared. In the as-cast Al-6.5Si alloys, Si phases were distributed at the dendrite interfaces, and Al2Cu, Mg2Si, Al6 (Fe,Mn) and Al5 (Fe,Mn)Si precipitates were also observed. The size and fraction of casting defects were measured to be higher for alloy A than for alloy B. The secondary dendrite arm spacing of alloy B was finer than that of alloy A. It was confirmed by the JMatPro S/W that the cooling rate of alloy B could be more rapid than alloy A. The alloy B had higher hardness and strength compared to the values of alloy A. However, the alloy A showed better impact toughness than alloy B. Based on the above results, the deformation mechanism of Al-6.5Si alloy and the improving method for mechanical properties were also discussed.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1 Chemical compositions of the alloy A and alloy B used in this study (wt.%)
그림 Fig. 1 OM images showing the microstructures; (a, c) alloy A and (b, d) alloy B
그림 Fig. 2 XRD analysis results of alloy A and alloy B
그림 Fig.3 SEM/EDS analysis results showing the microstructures; (a) alloy A and (b) alloy B
그림 Fig. 4 Temperature vs. time cooling curves obtained by JMatPro simulation; (a) total area (b) selected area in Fig. 4(a)
그림 Fig. 5 Mechanical properties of alloy A and alloy B; (a) Vickers hardness results and (b) engineering stress-strain curves
$Fig. 6 SEM observation results of the tensile fracture specimens; (a,c) alloy A and (b,d) alloy B$ 그림 Fig. 6 SEM observation results of the tensile fracture specimens; (a,c) alloy A and (b,d) alloy B
그림 Fig. 7 Impact energy absorbance results of alloy A and alloy B
$Fig. 8 SEM observation results of impact toughness fractured specimens; (a) alloy A and (b) alloy B$ 그림 Fig. 8 SEM observation results of impact toughness fractured specimens; (a) alloy A and (b) alloy B

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 Mg, Zn과 Cu 합금 원소들을 첨가하여 개량된 Al-6.5Si-Mg-Zn-Cu 합금들을 제조하고 합금 원소 함량의 차이가 미세조직, 인장 및 충격인성 특성에 미치는 영향에 대해 조사하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 Mg, Zn와 Cu 첨가 함량을 달리하여 개량 Al-6.5Si 합금들을 제조하고 그 미세조직의 변화, 인장 및 충격 인성에 대해 조사하였다. 이와 함께 첨가 합금 원소 차이로 인해 변화된 냉각 속도 변화와 변화된 미세조직적 특징이 인장 및 충격 인성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.
5Si 합금들을 제조하고 그 미세조직의 변화, 인장 및 충격 인성에 대해 조사하였다. 이와 함께 첨가 합금 원소 차이로 인해 변화된 냉각 속도 변화와 변화된 미세조직적 특징이 인장 및 충격 인성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다.

제안 방법

기계적 특성을 알아보고자 경도, 상온 인장 및 충격 인성 시험들을 수행하였다. 경도시험은 비커스 경도계(Akashi, AVK-C100) 장비를 이용하여 측정하였다. 상온 인장 시험의 경우 ASTM E 8M 규격으로 시편을 가공하였다.
기계적 특성을 알아보고자 경도, 상온 인장 및 충격 인성 시험들을 수행하였다. 경도시험은 비커스 경도계(Akashi, AVK-C100) 장비를 이용하여 측정하였다.
명확한 미세조직 관찰을 위해 FE-SEM 장비를 이용하여 SDAS 와 석출상의 크기, 형상 및 분포를 조사하였다. 이와 함께, EDS 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig.
상 분석을 위해 X-ray diffraction(XRD, Ultima IV, scan speed 4o /min 와 2-θ 20 ~ 90o 조건) 장비를 사용하였다.
상기 소재들의 상 분석 및 미세조직 관찰을 위해 시편 전처리를 수행하였다.
인장 시험은 변형률 속도(strain rate) 10^-3/s 조건으로 신뢰성 확보를 위해 시편당 3회씩 시험을 진행하였다. 상온 충격 특성을 조사하기 위해 1/2 샤르피(Charpy) 충격 시험을 진행하였다.
추가로 상기 합금들의 첨가 합금 원소량 차이에 따른 냉각 속도를 계산하고자 JMatPro S/W를 사용하였다. 이를 통해 각 합금들의 시간에 따른 온도 변화량을통해 냉각 속도를 simulation 계산하였다.
이 때 신뢰성 확보를 위해 시편당 3회씩 실험하여 평균 값을 사용하였다. 인장 및 충격 인성 시험 후 파단면을 관찰하기 위해 FE-SEM 장비를 사용하여 분석하였다.
상온 인장 실험은 INSTRON 8501 장비를 이용하였다. 인장 시험은 변형률 속도(strain rate) 10^-3/s 조건으로 신뢰성 확보를 위해 시편당 3회씩 시험을 진행하였다. 상온 충격 특성을 조사하기 위해 1/2 샤르피(Charpy) 충격 시험을 진행하였다.
1에 나타내었다. 첨가 합금 원소(Mg, Zn 그리고 Cu) 함량들이 상대적으로 낮은 개량 합금을 합금 A, 첨가 원소 함량이 높은 개량 합금을 합금 B로 명기하였다.
또한, 상기 합금들의 기공도 측정을 위해 Image analyzer S/W를 이용하였다. 추가로 상기 합금들의 첨가 합금 원소량 차이에 따른 냉각 속도를 계산하고자 JMatPro S/W를 사용하였다. 이를 통해 각 합금들의 시간에 따른 온도 변화량을통해 냉각 속도를 simulation 계산하였다.
합금 A와 B에 생성된 상들을 분석하기 위해 XRD 상 분석을 진행하였으며, 그 결과를 그림 2에 나타냈다. 두 합금 모두에서 Al과 Si 상 들이 주 피크들(main peaks)로 검출되었으며, 추가로 Al₂Cu, Mg₂Si, Al₆(Fe,Mn) 그리고 Al₅(Fe,Mn)Si의 석출상들이 확인 되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 Al-6.5Si계 합금에 Mg, Zn 과 Cu 원소 함량을 다르게 첨가하고 주조 공정을 이용하여 180 Ф ⅹ 115 mm 크기의 빌렛(billet) 소재를 제조하였다. 주조 공정 시에는 620℃ ~ 630℃ 온도와 108mm/min 주조 속도의 공정 조건으로 제조하였다.
시편의 게이지 폭은 3 mm, 길이는 12 mm, 시편의 두께는 1 mm로 판상 형태의 시편을 가공하여 실험을 진행하였다. 상온 인장 실험은 INSTRON 8501 장비를 이용하였다. 인장 시험은 변형률 속도(strain rate) 10^-3/s 조건으로 신뢰성 확보를 위해 시편당 3회씩 시험을 진행하였다.
상온 인장 시험의 경우 ASTM E 8M 규격으로 시편을 가공하였다. 시편의 게이지 폭은 3 mm, 길이는 12 mm, 시편의 두께는 1 mm로 판상 형태의 시편을 가공하여 실험을 진행하였다. 상온 인장 실험은 INSTRON 8501 장비를 이용하였다.
에칭 용액은 modified Keller’s reagent(190 ml H2O, 5 ml HNO3, 3 ml HCl and 2 ml HF)를 사용하였다.
충격 시편의 두께와 폭은 4.83 mm, 길이는 24.13 mm, 노치 부분 길이는 1 mm, 각도 45°의 표준 규격 시편으로 가공되었으며 실험은 상온에서 수행되었다.

데이터처리

(2) JMatPro 프로그램을 사용하여 상기 두 합금들의 냉각 속도를 simulation 계산하였다. α-상과 eutectic 상의 생성 온도 계산에서, 합금 B가 합금 A보다 상대적으로 더 낮은 생성 온도를 가지는 것으로 나타났다.
13 mm, 노치 부분 길이는 1 mm, 각도 45°의 표준 규격 시편으로 가공되었으며 실험은 상온에서 수행되었다. 이 때 신뢰성 확보를 위해 시편당 3회씩 실험하여 평균 값을 사용하였다. 인장 및 충격 인성 시험 후 파단면을 관찰하기 위해 FE-SEM 장비를 사용하여 분석하였다.
3 에서 나타난 두 합금들의 미세조직적 차이의 주요 원인은 원소 첨가량에 기인한 냉각 속도의 차이 때문으로 사료된다 [25,26]. 이를 확인하기 위하여 JMatPro simulation을 이용하여 두 합금들의 냉각 속도를 계산하였으며 그 결과를 Fig. 4 에 나타냈다. 여기에서 α 상의 생성 온도의 경우 합 금 A에서는 613 ℃, 합금 B에서는 604 ℃로 얻어졌다.

이론/모형

상 분석을 위해 X-ray diffraction(XRD, Ultima IV, scan speed 4^o /min 와 2-θ 20 ~ 90^o 조건) 장비를 사용하였다. 미세조직 관찰은 field emission scanning electron microscope(FE-SEM, FEI COMPANY; QUANTA200F) 장비를 이용하였다. 에칭 용액은 modified Keller’s reagent(190 ml H₂O, 5 ml HNO₃, 3 ml HCl and 2 ml HF)를 사용하였다.
경도시험은 비커스 경도계(Akashi, AVK-C100) 장비를 이용하여 측정하였다. 상온 인장 시험의 경우 ASTM E 8M 규격으로 시편을 가공하였다. 시편의 게이지 폭은 3 mm, 길이는 12 mm, 시편의 두께는 1 mm로 판상 형태의 시편을 가공하여 실험을 진행하였다.

성능/효과

α-상과 eutectic 상의 생성 온도 계산에서, 합금 B가 합금 A보다 상대적으로 더 낮은 생성 온도를 가지는 것으로 나타났다.
(1) 초기 미세조직 관찰 결과, Mg, Zn, Cu 원소들이 더 많이 첨가된 합금 B에서는 합금 A보다 주조 결함인 기공의 크기 및 분율이 감소하였다.
(3) 상온 인장 결과, 합금 A의 항복 강도는 154.69±7.3 MPa, 인장 강도는 236.26±16.55 MPa 그리고 연신율은 1.87±0.28 %로 측정되었다.
(4) 상온 충격 인성 결과, 합금 A의 충격 에너지 흡수 값은 39.96±0.8 J/cm2로 합금 B는 17.98±1.99 J/cm2로 측정되었다.
인장 파단면에서 두 합금 모두 주조 결함 (기공, red dotted line)들이 관찰되었으며 그 크기는 합금 A가 합금 B보다 더 큰 것으로 나타났다. 고 배율의 인장 파단면 관찰 결과, 두 합금들 모두 딤플 (dimple) 내부에 석출상(Al₅(Fe,Mn)Si, yellow dashed line)들이 존재하며 이 상들이 강화상의 역할을 하는 것을 알 수 있었다. 딤플 내부에 존재하는 석출상들의 평균 크기는 각각 29.
11 %로 측정되어 합금 B의 미세조직이 합금 A에 비해 더 균일한 조직을 나타냈다. 고배율 관찰 결과, 합금 A는 조대한 rectangular(black arrow) 및 needle(blue arrow) 형상의 석출물들이 확인되었으며, 일부 chinese script (red rectangular area) 형상의 상들도 검출되었다. 합금 B에서는 합금 A에서 관찰되었던 조대한 상들은 나타나지 않았다.
또한 두 합금 모두 딤플(dimple) 내부에 석출상들이 관찰되었으며 이 상들이 강도 향상에 기인하는 것을 알 수 있었다. 딤플 내부에 존재하는 석출상들의 평균 크기는 각각 29.
또한 합금 A의 냉각 속도는 1.13 ℃/s이었고, 합금 B의 냉각 속도는 1.48 ℃/s로 얻어져, 합금 B의 냉각 속도가 상대적으로 더 빠른 것을 확인할 수 있었다.
또한 합금 B에서 합금 A보다 SDAS와 석출 강화 상들의 크기가 더 미세함을 확인하였다.
즉 취성이 강한 석출상들에 의해 균열 발생이 시작된 것으로 관찰되었다. 또한 합금 B의 강화된 기지 조직은 오히려 충격 특성을 저하시키는 결과를 야기하는 것으로 유추되었다.
상온 인장 결과 (Fig. 5b), 두 합금들의 항복 강도들은 각각 154.69±7.3 MPa (합금 A), 217.73±4.01 MPa (합금 B), 인장 강도들은 각각 236.26±16.55 MPa (합금 A), 277.52±20.1 MPa (합금 B), 그리고 연신율은 합금 A가 1.87±0.28 %, 합금 B가 1.18±0.21 %로 확인되었다.
인장 파단면 관찰 결과에서 두 합금 모두 파단면 상의 주조 결함들이 관찰되었으며, 그 크기는 합금 A가 합금 B보다 크게 나타났다.
6에 두 합금들의 인장 파단면 관찰 결과를 나타냈다. 인장 파단면에서 두 합금 모두 주조 결함 (기공, red dotted line)들이 관찰되었으며 그 크기는 합금 A가 합금 B보다 더 큰 것으로 나타났다. 고 배율의 인장 파단면 관찰 결과, 두 합금들 모두 딤플 (dimple) 내부에 석출상(Al₅(Fe,Mn)Si, yellow dashed line)들이 존재하며 이 상들이 강화상의 역할을 하는 것을 알 수 있었다.
즉 Mg, Zn, Cu 원소 첨가량이 높아질수록 주조 시 냉각 속도가 빠르다는 것을 알 수 있었다.
43 μm로 측정되었다. 즉 SDAS의 크기는 첨가 합금 원소들의 함량이 더 높아짐에 따라(합금 B) 감소하는 것을 알 수 있었다.
21 %로 확인되었다. 즉 원소 첨가량이 높은 합금 B에서 강도들(항복 강도 및 인장 강도)은 높아지고 연신율은 감소하는 것을 알 수 있었다. 여기서 두 합금들이 나타낸 최대 인장 강도 수준들은 기존에 보고된 Al-6.
31 μm (합금 B)로 측정되어 오히려 합금 B에서 더 조대하였다. 한편 EDS 성분 분석 결과에서 Zn 원소의 분포를 살펴보면 합금 A에 비해 합금 B의 Zn 원소 첨가량이 상대적으로 더 높은 것을 확인할 수 있었다.

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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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