제30권 제3호 (2010. 6) 한국주조공학회지
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Mg-Al계 합금의 기계적 성질 및 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리 및 용탕 교반의 영향
김정민†·박준식 한밭대학교 신소재공학부
Effects of Grain Refinement and Melt Stirring on the Mechanical Properties and Fluidity of Mg-Al Alloys
Jeong-Min Kim†, and Joon-Sik Park
Division of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University, Daejeon 305-719, Korea
Abstract
The effects of grain refinement and melt stirring on the mechanical properties and fluidity of AZ91D and AM50 alloys were investigated. The average grain sizes of those alloys were reduced by the micro-addition of strontium. The tensile properties and fluidity were increased by this treatment. Those were reduced remarkably by the melt stirring.
Key words : Magnesium, Grain Refining, Fluidity, Tensile Properties, Melt Stirring.
(Received May 12, 2010 ; Accepted June 19, 2010)
1. 서 론
주조용 마그네슘 합금은 알루미늄을 포함한 것과 포함하지 않은 것으로 분류할 수 있으며, 알루미늄이 포함되지 않은 마 그네슘합금의 경우, 예를 들어 Mg-Zn계 합금에서는 Zr의 첨가 를 통해 주조결정립을 효과적으로 미세화 하는 방법이 비교적 잘 알려져 있다[1]. 이에 비해 오히려 실용화 측면에서는 더 중요한 알루미늄이 첨가된 합금에서는 아직 충분한 실용성을 인정받은 결정립 미세화 방법이 없으며, 과열에 의한 방법과 C2Cl6와 같은 탄소함유 결정립 미세화제의 첨가에 의한 방법 등이 연구된 바 있다[2-3].
다른 주조용 합금과 마찬가지로 마그네슘 합금에서도 결정립 미세화처리는 물성을 개선하는 중요한 공정이기 때문에 Mg-Al 계 합금의 효과적인 결정립 미세화 방법에 대한 지속적인 연 구가 최근에도 이루어지고 있으며[3-7], 그 중에는 Sr의 미량 첨가를 통한 결정립 미세화 방법이 포함되어 있다[6-7]. Sr첨가 미세화의 경우 알루미늄주조합금에서 자주 사용하는 Al-Sr 모합 금을 그대로 적용할 수 있고 0.01%(wt.%) 정도의 소량으로도 효과가 있는 것으로 보고되어 있어 실용성이 높은 것으로 생각 되지만 AZ91 및 AM50 등 주요 주조용 마그네슘합금에서의 결정립 미세화 효과는 더 검증할 필요가 있으며, 특히 Sr 첨가 로 인한 기계적 성질 및 주조특성의 변화는 아직 충분히 연구 되지 않은 상태이다.
한편, 용탕의 청정도는 최종 주조부품의 건전성을 보장하는
중요한 항목으로서 널리 인식되어져 있으나, 실제 청정도의 감 소로 인하여 기계적 성질이나 주조특성이 얼마나 감소하는지에 대한 연구결과는 별로 많지 않은 실정이다. 예를 들어 보온로 에서 마그네슘 용탕을 장시간 사용하지 않고 저장하거나 불가 피한 교반이 가해진 경우 어느 정도의 물성 저하가 발생하는 지 예측하는데 필요한 기초자료가 부족하다.
본 연구에서는 대표적인 Mg-Al계 상용 주조합금인 AZ91과 AM50을 선정하였고 여기에 미량의 Sr을 첨가하여 결정립 미세 화 효과를 확인하였으며, 기계적 성질 및 금형 충전성의 변화 그리고 수축공의 형성에 미치는 영향 등을 조사하였다. 또한 AZ91합금 용탕에 고의적으로 교반을 가해 용탕 청정도를 저하 시키는 방법으로 기계적 성질과 금형 충전성에 미치는 영향을 관찰하였다.
2. 실험 방법
AZ91 및 AM50 마그네슘 합금과 여기에 Sr을 각각 약 0.01%첨가한 합금의 총 네 가지 합금조성에 대한 시편을 제조 하였으며, 화학조성에 대한 분석결과는 Table 1에 나타내었다.
용해공정은 AZ91D 또는 AM50 상용 합금을 장입재로 사용하 여 SF6 및 CO2혼합기체 분위기의 전기 저항로에서 수행하였 으며, 장입재가 완전히 용해하면 Al-10%Sr 모합금을 용탕에 첨 가한 후 약 20분을 유지하였다. 그 다음, 준비된 용탕을 50oC 의 과열도를 가지고 계단식 금형(step mold)에 주입함으로써
†
E-mail : jmk7475@hanbat.ac.kr
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Mg-Al계 합금의 기계적 성질 및 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리 및 용탕 교반의 영향 - 김정민·박준식두께 2, 6, 10 및 20 mm의 판재형태의 주조시편을 제조하였으 며, 또한 금형충전성(유동도) 시험을 위해서 동일한 과열도의 용 탕을 200oC로 예열된 fluidity serpentine 금형에 주입하였다.
ASTM B 557M 규격에 따라 상온에서 인장시험을 하였으며, 공학현미경 및 주사전자현미경(SEM-EDS)으로 미세조직을 관찰 하였다. 합금조성에 따른 열분석(DSC)은 아르곤 분위기에서 5oC/min. 조건으로 수행되었다.
3. 결과 및 고찰
3.1 주조합금의 미세조직
Fig. 1에서는 AZ91 및 AM50 주조시편의 전형적인 미세조 직을 보여주고 있으며, 먼저 응고한 초정 Mg상(기지)과 β상 (Mg17Al12)으로 주로 이루어진 것을 알 수 있다. Mg-Al계의 경우 공정반응이 보통 불규칙 형태로 진행되며, β상(Mg17Al12) 이 Mg기지 결정입계에 불연속적으로 형성된 조직을 관찰할 수 있다. 한편, Sr의 첨가량이 0.01%로 매우 미량이기 때문에 Sr 포함 상의 형성이나 미세조직에서의 뚜렷한 변화(결정립 크기를 제외하고)는 나타나지 않았는데, 문헌에 따르면 약 0.3%이상의
Sr이 첨가된 Mg-Al합금에서는 Mg17Sr2상이 관찰될 수 있다[8].
본 실험에서는 냉각속도 차이에 따른 조직의 미세화 효과도 함께 관찰하기 위하여 다양한 두께(section thickness)를 가지는 계단식 금형을 사용하였으며, 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
시편의 두께가 증가할수록 냉각속도가 감소하기 때문에 결정립 크기가 점차 증가하는 경향을 보이고 있으며, 동일 두께에서는 AM50합금이 AZ91에 비하여 상대적으로 미세한 결정립크기를 나타내었다. 금형온도를 약 200oC, 용탕의 주입온도를 합금의 액상선 온도보다 50oC 높은 온도로 고정한 실험조건하에서, 액 상선 온도가 AZ91에 비해 약 30oC 높은 AM50의 경우 금형 과의 온도차이가 더 컸기 때문에 더 미세한 조직을 보이는 것 으로 추정된다.
합금조성과 두께에 따라 감소의 폭은 다르지만 Sr의 결정립 Table 1. Chemical compositions of alloys (wt.%)
Alloy Al Zn Mn Sr Mg
AZ91 8.97 0.70 0.17 - balance
AM50 4.68 - 0.30 - "
AZ91 + Sr 8.90 0.86 0.20 0.01 "
AM50 + Sr 5.20 - 0.23 0.01 "
Fig. 1. Microstructures of as-cast AZ91, (a) AM50, (b) AZ91 + Sr, (c) and AM50 + Sr, (d) alloys.
Fig. 2. Effects of Sr addition and section thickness on the grain size.
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Vol. 30, No. 3, 2010 Journal of the Korea Foundry Society − 113 −
미세화 효과는 뚜렷하게 관찰되었으며, Fig. 3에서는 20 mm 동 일 두께에서의 결정립 크기를 비교하여 보여주고 있다. Sr의 첨 가가 주조 결정립을 감소시키는 원인은 아직 완전히 규명된 것 은 아니나 응고 과정 중 결정립이 성장할 때 우선적 성장방향 의 계면에 Sr이 흡착됨으로써 성장속도를 저하시키는 것으로 추정되고 있다[8-9].
3.2 Sr 결정립 미세화의 영향
Sr첨가 결정립미세화는 주조시편의 인장성질도 향상시키는 것으 로 조사되었는데, AZ91과 AM50 두 합금 모두에서 인장강도 및 연신율이 약간 증가하는 것을 관찰할 수 있었다. AZ91합금은 AM50에 비하여 알루미늄의 함량이 높아 경한 β상(Mg17Al12)의 분율이 높기 때문에 상대적으로 더 높은 강도를 가지는 대신 조 금 낮은 연성을 보이고 있다.
Mg-Al계 합금은 주조성이 비교적 우수한 것으로 알려져 있 는데, Fig. 5에서 알 수 있듯이 Al함량이 더 높은 AZ91합금이 상대적으로 더 우수한 금형 충전성(유동도)을 나타내었다. 합금 의 유동도에 영향을 미치는 변수는 매우 다양하지만 대체로 유 동도는 응고온도 구간(freezing range)에 반비례하는 경향을 가 지며[10-11], 따라서 실제 응고구간(초정형성 온도부터 α+β공 정형성온도)이 좁고 공정량이 많은 AZ91합금이 더 우수한 유
동도를 나타내는 것으로 생각된다. 열분석(DSC)에 따르면 AM50합금이 약 192oC의 실제 응고구간을 보인데 비해 AZ91 은 170oC의 범위를 가지는 것으로 조사되었다. 한편, Sr의 첨 가는 결정립 미세화 효과와 더불어 유동도를 향상시키는 것으 로 조사되었는데, 이것은 결정립 미세화로 인해 유동 액상금속 앞부분의 응고가 완료되는 것(이로 인해 유동이 멈추는 것)이 지연되기 때문인 것으로 추정된다. 즉, 합금은 순수한 금속과는 다르게 일반적으로 유동도 시험용 금형의 채널(channel)의 끝 부분, 다시 말하면 유동금속의 앞부분에서 응고가 먼저 완료되 는 것으로 알려져 있으며, 결정립 크기가 감소함에 따라 (더 이상의 유동이 불가능한) 임계 응고 분율이 증가하는 것으로 생각된다[10,12].
Sr첨가로 인하여 발생하는 또 한 가지 흥미로운 현상은 수축 공의 형성에 관한 것이며, Table 2에서는 계단식 금형으로 제 조한 AZ91 주조시편(가장 두꺼운 부분과 압탕과의 경계부위) 에 대한 결과를 보여주고 있다. Sr을 첨가하면 전체 수축공의 분율(percent)에는 크게 영향을 미치지 않으나 수축공의 평균 크 기를 증가시켜 수축공 밀도(pore density)를 감소시키는 경향을 보이고 있으며, 이러한 현상은 알루미늄-실리콘 합금의 개량화 처리에서 관찰되는 것과 유사한 것이다. 알루미늄 합금에서는 Sr첨가로 인해 액상금속의 표면에너지가 저하되는 것이 이 현상 의 주요 원인으로 보고되어 있으며, 마그네슘합금의 경우에는 결정립 미세화효과, 표면에너지의 감소 등의 원인이 추정되고 있으나 정확한 기구(mechanism) 규명을 위해서는 심층연구가 필요할 것으로 판단된다[9,13].
3.3 용탕 교반의 영향
본 실험에서는 마그네슘 용탕의 청정도를 고의로 저하시키기 위해 1회당 약 5분간 보통 탄소강 봉(plane carbon steel bar, 직경 10 mm, 교반속도 약 60rpm)으로 용탕을 수작업으로 교 반하였고, 교반작업 횟수를 최대 3회까지 증가시면서 AZ91합금 Table 2. Porosity and pore density measurements
Alloy Porosity (%) Pore Density ( #/104µm2)
AZ91 0.45~0.54 7.8~8.7
AZ91 + Sr 0.37~0.53 4.3~4.8
Fig. 3. Effect of Sr addition on the grain size of the specimen with the thickness of 20 mm.
Fig. 4. Effect of Sr addition on the tensile properties of the specimen with the thickness of 20 mm.
Fig. 5. Effect of Sr addition on the fluidity of the Mg-Al alloys
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Mg-Al계 합금의 기계적 성질 및 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리 및 용탕 교반의 영향 - 김정민·박준식의 기계적 성질과 주조특성(금형 충전성)의 변화를 조사하였다.
용탕의 교반작업 횟수를 증가시킴에 따라 산화물이 시편으로 혼입할 확률이 증가할 것으로 예상되며, Fig. 6에서는 실제로 교반작업의 횟수가 증가함에 따라 인장성질이 저하되는 것으로 조사되었는데 특히 연신율의 저하가 더 뚜렷하게 관찰되었다.
용탕의 청정도는 합금의 유동도에도 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 앞서 결정립 미세화의 효과에서 언급한 유동도 시험 채널(channel)에서의 임계고상분율로 일반적인 경 향을 설명할 수 있다[12,14]. 즉 용탕에 산화물 입자들이 혼입 되면 유동도 시험 중 유동금속의 앞부분에 일부 산화물입자들 이 모이게 되어 결과적으로 임계 고상분율에 빠르게 도달하게 될 것으로 예상되며, 실제 Fig. 7의 결과에서도 교반작업의 횟 수가 증가함에 따라 유동도가 거의 비례적으로 감소하는 것을 보여주고 있다.
4. 결 론
AZ91 및 AM50 주조용 합금의 기계적 성질과 주조성에 미 치는 결정립 미세화 처리 및 용탕교반의 영향을 연구하여 다음 과 같은 결론을 얻었다.
(1) 스트론튬(Sr)의 첨가로 결정립 크기는 미세화되었으며 인 장 강도와 연신율은 증가하는 경향을 나타내었다.
(2) AZ91과 AM50 합금 모두 Sr첨가로 유동도는 증가하였다.
(3) 용탕 교반으로 유동도는 저하되고 기계적 성질은 저하되 었으며, 특히 연신율의 감소가 현저하였다.
감사의 글
본 연구는 생산기반공정 플랫폼 기술개발사업의 지원에 의하 여 수행되었습니다.
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Fig. 6. Effect of melt stirring on the tensile properties of the AZ91 alloy specimen with the thickness of 20 mm.
Fig. 7. Effect of melt stirring on the fluidity of AZ91 alloy poured at 50oC superheat.
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