Al-2Zn-1Cu-0.3Mg합금의 Sc첨가에 따른 미세조직, 전기전도도, 열전도도 및 기계적 특성 변화 Effect of Sc Addition on Microstructure, Electrical Conductivity, Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Al-2Zn-1Cu-0.3Mg Based Alloy원문보기
Effects of Sc addition on microstructure, electrical conductivity, thermal conductivity and mechanical properties of the as-cast and as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys are investigated. The average grain size of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg alloy is 2,334 ㎛; howeve...
Effects of Sc addition on microstructure, electrical conductivity, thermal conductivity and mechanical properties of the as-cast and as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys are investigated. The average grain size of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg alloy is 2,334 ㎛; however, this value drops to 914 and 529 ㎛ with addition of Sc element at 0.25 wt% and 0.5 wt%, respectively. This grain refinement is due to primary Al3Sc phase forming during solidification. The as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg alloy has a recrystallization structure consisting of almost equiaxed grains. However, the as-extruded Sc-containing alloys consist of grains that are extremely elongated in the extrusion direction. In addition, it is found that the proportion of low-angle grain boundaries below 15 degree is dominant. This is because the addition of Sc results in the formation of coherent and nano-scale Al3Sc phases during hot extrusion, inhibiting the process of recrystallization and improving the strength by pinning of dislocations and the formation of subgrain boundaries. The maximum values of the yield and tensile strength are 126 MPa and 215 MPa for the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc alloy, respectively. The increase in strength is probably due to the existence of nano-scale Al3Sc precipitates and dense Al2Cu phases. Thermal conductivity of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc alloy is reduced to 204, 187 and 183 W/MK by additions of elemental Sc of 0, 0.25 and 0.5 wt%, respectively. On the other hand, the thermal conductivity of the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc alloy is about 200 W/Mk regardless of the content of Sc. This is because of the formation of coherent Al3Sc phase, which decreases Sc content and causes extremely high electrical resistivity.
Effects of Sc addition on microstructure, electrical conductivity, thermal conductivity and mechanical properties of the as-cast and as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys are investigated. The average grain size of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg alloy is 2,334 ㎛; however, this value drops to 914 and 529 ㎛ with addition of Sc element at 0.25 wt% and 0.5 wt%, respectively. This grain refinement is due to primary Al3Sc phase forming during solidification. The as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg alloy has a recrystallization structure consisting of almost equiaxed grains. However, the as-extruded Sc-containing alloys consist of grains that are extremely elongated in the extrusion direction. In addition, it is found that the proportion of low-angle grain boundaries below 15 degree is dominant. This is because the addition of Sc results in the formation of coherent and nano-scale Al3Sc phases during hot extrusion, inhibiting the process of recrystallization and improving the strength by pinning of dislocations and the formation of subgrain boundaries. The maximum values of the yield and tensile strength are 126 MPa and 215 MPa for the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-0.25Sc alloy, respectively. The increase in strength is probably due to the existence of nano-scale Al3Sc precipitates and dense Al2Cu phases. Thermal conductivity of the as-cast Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc alloy is reduced to 204, 187 and 183 W/MK by additions of elemental Sc of 0, 0.25 and 0.5 wt%, respectively. On the other hand, the thermal conductivity of the as-extruded Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc alloy is about 200 W/Mk regardless of the content of Sc. This is because of the formation of coherent Al3Sc phase, which decreases Sc content and causes extremely high electrical resistivity.
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제안 방법
측정된 전기전도도 값은 전기전도도-열전도도 관계식인 WiedemannFranz식을 이용하여 열전도도 값으로 환산하였다.14) 미세조직 관찰은 전해 연마하여 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM), 전자 후방 산란 회절분석기(electron backscatter diffraction, EBSD), 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용하였다. 상 변화, 석출상의 존재 등을 조사하기 위하여 에너지분산형 분광분석법(energy dispersive spectromety, EDS)을 이용하였다.
압출 빌렛은 선반 가공하여 압출에 적합한 70 × 85 mm로 일정하게 가공 후 550 ºC에서 4시간 동안 균질화 처리하였으며, 500 ºC에서 1시간 동안 열처리 후 압출비 37:1로 압출하여, 직경 12 mm의 봉상 압출재를 제조하였다. Al-2Zn-1Cu0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%)합금은 열역학적 프로그램인 Panda 8.0을 이용하여 상태도를 분석하였으며, 주조재 및 압출재 시편은 샌드페이퍼를 사용하여 #800까지 기계적 연마 후 전기전도도를 측정하였다. 측정된 전기전도도 값은 전기전도도-열전도도 관계식인 WiedemannFranz식을 이용하여 열전도도 값으로 환산하였다.
기계적 특성 평가를 위해 압출재를 이용하여 30 mm의 표점거리와 6 mm의 폭을 가지는 봉상 시편을 제작하였으며, 만능인장시험기(Shimadzu AG-IS)를 사용하여 상온에서 실험하였으며, 변형속도는 10−3/sec로 파단이 일어날 때까지 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 7xxx계 알루미늄 합금의 기반에 첨가 원소 함량을 제어하여 Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc(x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금을 설계하였으며, Sc첨가 및 압출 공정에 따른 미세조직 변화를 관찰하고, 전기전도도, 열전도도 및 기계적 특성 변화를 분석하였다.
압출 빌렛은 선반 가공하여 압출에 적합한 70 × 85 mm로 일정하게 가공 후 550 ºC에서 4시간 동안 균질화 처리하였으며, 500 ºC에서 1시간 동안 열처리 후 압출비 37:1로 압출하여, 직경 12 mm의 봉상 압출재를 제조하였다.
대상 데이터
Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금은 고주파 유도로를 이용하여 용탕 750 ºC에서 용해한 후 약 200 ºC로 예열한 75 × 280 mm 크기의 금형에 출탕하여 빌렛을 주조하였다.
8. Mechanical properties of the as-extruded Al-2Zn-1Cu0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) alloys.
14) 미세조직 관찰은 전해 연마하여 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM), 전자 후방 산란 회절분석기(electron backscatter diffraction, EBSD), 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용하였다. 상 변화, 석출상의 존재 등을 조사하기 위하여 에너지분산형 분광분석법(energy dispersive spectromety, EDS)을 이용하였다. 기계적 특성 평가를 위해 압출재를 이용하여 30 mm의 표점거리와 6 mm의 폭을 가지는 봉상 시편을 제작하였으며, 만능인장시험기(Shimadzu AG-IS)를 사용하여 상온에서 실험하였으며, 변형속도는 10−3/sec로 파단이 일어날 때까지 수행하였다.
0을 이용하여 상태도를 분석하였으며, 주조재 및 압출재 시편은 샌드페이퍼를 사용하여 #800까지 기계적 연마 후 전기전도도를 측정하였다. 측정된 전기전도도 값은 전기전도도-열전도도 관계식인 WiedemannFranz식을 이용하여 열전도도 값으로 환산하였다.14) 미세조직 관찰은 전해 연마하여 주사전자현미경(field emission scanning electron microscopy, FE-SEM), 전자 후방 산란 회절분석기(electron backscatter diffraction, EBSD), 투과전자현미경(transmission electron microscopy, TEM)을 이용하였다.
성능/효과
1) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc (x = 0, 0.25, 0.5 wt%) 합금 주조재의 경우 모든 합금에서 Al2Cu상이 나타났으며, Sc가 첨가되어짐에 따라 Al3Sc금속간 화합물이 형성되었다. Al3Sc상은 결정립 미세화에 기인하며, Al2Cu상과 동시에 석출되는 것으로 판단된다.
2) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 압출재에서 Sc가 첨가되지 않은 합금은 동적 재결정으로 인해 등축의 재결정 조직을 형성하였으나, Sc가 첨가된 합금은 결정립이 압출 방향으로 연신된 가공조직을 형성하였다. 이것은 구형의 Al3Sc상이 재결정의 형성을 억제하였기 때문이다.
3) 인장 강도는 Sc첨가에 의한 Al3Sc상의 형성으로 인해 증가하였으나, 과도한 Sc첨가는 강화에 기여하는 또 다른 석출상인 Al2Cu상의 분산도를 낮추어 강도 증가의 효과를 감소시키는 결과를 초래하였다.
4) Al-2Zn-1Cu-0.3Mg-xSc합금 주조재의 전기전도도 및 열전도도는 Sc첨가량이 증가함에 따라 다소 감소하였으나, 압출재의 열전도도 값은 모든 합금에서 거의 약 200 W/Mk로 Sc첨가로 인한 변화는 나타나지 않았다. 이것은 주조재에서 기지내 고용되어 있던 Sc가 열간 압출시 Al3Sc상을 형성하는데 대부분 소비되어 Sc고용에 의한 전기전도도 및 열전도도의 감소를 약화되었기 때문으로 판단된다.
Image quality map 및 inverse pole figure map에서 나타낸 것과 같이 Sc가 첨가되지 않은 합금은 2,33 4μm로 조대한 결정립 크기를 나타내며, Sc가 0.25 wt% 및 0.5 wt% 첨가되어짐에 따라 결정립 크기가 914 μm, 529 μm로 미세해지는 것을 확인하였다.
3Mg-xSc합금의 주조재 및 압출재의 Sc첨가량에 따른 전기전도도 및 열전도도 변화 그래프이며, 그 상세한 값은 Table 2에 나타나 있다. 그림에서와 같이 주조재의 열전도도 값은 Sc가 첨가되지 않은 합금에서 204W/Mk로 가장 높았으며, Sc첨가량이 0.25 wt% 및 0.5 wt%로 증가함에 따라 187 W/Mk, 183 W/Mk으로 다소 감소하였다. 반면에 Fig.
또한 Sc가 0.25 wt% 및 0.5 wt% 첨가되어진 합금의 응고 거동은 동일하지만 Sc첨가량이 증가함에 따라 Al3Sc상이 9.44 ºC 더 높은 온도에서 핵생성하는 것을 알 수 있으며, 이는 더 많은 Al의 핵생성을 촉진시킬수 있을 것으로 사료된다.
그러나 Sc가 첨가된 합금에서는 결정립이 압출방향으로 길게 연신된 가공조직을 나타내고 있다. 또한 고경각 입계 분율이 저경각 입계 분율에 비해 크게 낮았으며, 그 정도는 Sc첨가량이 증가함에 따라 증가하였다. Fig.
참고문헌 (15)
K. B. Hyde, A. F. Norman and P. B. Prangnell, Acta Mater., 49, 1327 (2001).
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