Microstructure and Properties of Mg-RE-Zn Alloys for High Conductivity Parts

고전도성 부품용 Mg-RE-Zn계 합금의 미세조직 및 특성

김정민^†·김남훈 한밭대학교 신소재공학과

Microstructure and Properties of Mg-RE-Zn Alloys for High Conductivity Parts

Jeong-Min Kim^† and Nam-Hoon Kim Dept. Advanced Materials Eng., Hanbat National University

Abstract

The relatively low conductivity of conventional Mg-Al alloys often limits their areas of application. Therefore, several attempts to develop new high-conductivity magnesium alloys have been made recently. In this research, A Ce-rich rare-earth (RE)material and zinc were added to magnesium which contained no aluminum. As the RE and Zn content were increased, both the hardness and tensile strength were gradually increased, despite the fact that the electrical conductivity decreased slightly. The effects of an aging treatment on the conductivity and mechanical properties of Mg-RE-Zn alloys were also investigated. The electrical conductivity did not change according to the heat treatment conditions; however, the mechanical properties could be enhanced by proper aging heat treatments.

Key words : Magnesium, Conductivity, Rare Earth, Zinc, Aging

1. 서 론

마그네슘합금은 상용 금속재료 중 가장 가벼우면서도 비강도 와 진동흡수성이 우수한 장점을 가지고 있어 전기, 전자 및 자동차부품 등에서의 활용범위가 점차 증가하는 추세에 있다.

마그네슘의 대표적인 합금원소인 알루미늄은 기계적 성질과 내 식성을 향상시키는 특성으로 인해 널리 적용되고 있으며, 특히 주조성이 중요한 합금인 경우에는 보통 5%(wt) 이상을 첨가 하는 것이 일반적이다[1,2]. 하지만 알루미늄이 마그네슘에 첨 가되면 열 및 전기전도도가 현저히 저하되는 문제점이 있어 방열부품과 같이 전도도가 중요한 경우에는 종종 사용하기 곤 란하다[3], 따라서 전도도의 저하가 큰 알루미늄 대신 다른 합 금원소가 첨가된 고전도성 마그네슘합금의 필요성이 대두되고 있으며 관련 연구에 관심이 모이고 있는 상황이다.

희토류 원소(RE)는 마그네슘에 첨가되면 내열성이 향상되는 것으로 보고되어 있어 고온강도, 크리프 저항성 등을 높이기 위한 방편으로 활용되는 경우가 많으며, 또한 마그네슘의 전도 성 저하에 미치는 영향이 Al에 비해 상대적으로 작은 것으로 알려져 있다[4]. 이러한 이유로 RE는 알루미늄을 대체할 합금 원소로서 유망할 것으로 생각되지만 마그네슘합금의 전도성과 기계적 성질에 미치는 영향 등이 Mg-Al합금에 비하여 아직 충분히 연구되지 않았다. 또한 Mg-Al계 합금에 RE가 첨가되 면 응고구간을 감소시키고 잠열이 큰 AlRE상을 형성함으로써 유동도를 향상시킬 수도 있으나 RE는 산소와의 친화력이 크 기 때문에 용탕의 산화가 용이하므로 표면산화피막의 형성으로 인해 오히려 유동도가 현저히 저하될 수 있으며[5,6], 특히 RE가 강화효과가 큰 합금원소 Zn와 함께 첨가될 경우의 주조 성이 어떻게 변화하는 지를 조사할 필요가 있다.

Received: May. 27, 2014 ; Revised: Sep. 1, 2014 ; Accepted: Sep. 17, 2014

†

Corresponding author: Jeong-Min Kim (Hanbat National Univ.) Tel: +82-42-821-1235, Fax: +82-42-821-1592

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2014. Vol. 34 No. 5, pp. 151~155 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2014.34.5.151 ISSN 1598-706X

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본 연구에서는 고전도성 부품에 활용이 가능한 마그네슘합금 의 개발을 목표로 RE와 Zn가 소량 첨가된 주조합금 시편들 을 제작하여 미세조직, 유동도, 전기전도도 및 기계적 성질을 종합적으로 조사하였으며, 합금조성에 따라 시효경화가 가능하 기 때문에 시효열처리에 따른 전기전도도와 기계적 성질의 변 화를 비교하였다.

2. 실험 방법

순 Mg (99.8%) 및 Zn (99.9%), 그리고 Ce-rich 희토류 금속을 원재료로 사용하여 총 네 가지 합금조성의 Mg-RE-Zn 주조시편들을 제조하였으며, 주조가 완료된 시편의 화학조성 분석결과는 Table 1에 나타내었다. 용해공정은 원재료를 SF6

및 CO2혼합기체 보호가스분위기에 있는 전기 저항로에서 녹 이고 혼합하는 과정으로 이루어졌으며, 준비된 용탕을 50^oC의 과열도를 가지고 금형에 주입함으로써 10 mm 두께의 판재형 태 주조시편을 제조하였다. 시편들의 미세조직은 광학현미경

(OM)과 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-5610)을 사용하여 관찰하였으며, 형성된 상들의 분석은 SEM-EDS (energy dispersive X-ray spectrometer)와 X-ray diffractometer (XRD, Rigaku, Smartlab)를 이용하여 수행하였다.

유동도는 200^oC로 전체를 예열시킨 나선형태(serpentine)의 내열강 주형을 이용하여 50^oC의 과열도(superheat)를 가진 용 탕을 금형에 주입하여 5 × 5 mm의 통로를 금속이 응고 전에 유동한 총 길이를 측정하여 정량적으로 평가하였다. 주조상태 및 열처리가 수행된 합금시편의 전기전도도는 접촉식 시험기 (Fischer, Sigmascope SMP10)를 사용하여 평가하였으며, Hv (micro-Vickers) 경도기로 미소경도를 측정하였다. 일부 시편에 대해서는 인장특성을 ASTM B 557M 규격에 따라 평가하였 으며, 3.5%NaCl 용액에서의 전기화학시험을 통해 부식전위를 측정하였다. 상대전극은 백금, 참고전극으로는 SCE (saturated calomel electrode)를 사용하였으며, 용액과 접촉하는 면은 10× 10 mm의 면적으로 고정하였다. 주조시편의 고용화 열처리 는 510^oC에서 1.5시간 유지 후 급냉하였으며, 시효는 160, 180, 200^oC의 3가지 온도에서 10시간 실시하였다[7].

3. 결과 및 고찰

3.1 주조합금의 미세조직 및 유동도

Fig. 1에서는 전형적인 주조상태 미세조직을 보여주고 있으 며, 합금원소의 양이 증가함에 따라 결정립계와 수지상 사이에

Fig. 1.

Table 1.

RE Zn Mg

1RE-0.5Zn 1 0.43 Balance

1RE-1.5Zn 0.68 1.44 "

1.5RE-1Zn 1.45 1 "

1.5RE-2Zn 1.44 1.84 "

형성된 상들의 양이 증가하는 경향을 나타내고 있다. SEM- EDS 분석결과에 의하면 제2상에는 주로 Zn와 Ce의 농도가 높게 나타났으나 합금별로 명확한 차이점을 발견할 수는 없었 다. Fig. 2는 주조상태 시편의 XRD 상분석 결과를 보여주는 것으로서 합금조성에 따라 다양한 상들이 형성된 것을 알 수 있는데, Mg-RE-Zn계 합금에서 주로 관찰되는 CeMg12상 및 MgZn₂상 이외에도 CeMg상이 형성된 것으로 나타났다[4,8].

RE가 1% 첨가된 합금들에서는 CeMg상의 피크가 조금 관찰된 반면 1.5%RE가 첨가된 경우에는 CeMg상과 함께 CeMg12상 도 형성된 것으로 나타났다. 또한 Zn의 함량이 2%로 높은 합 금에서는 MgZn2상도 존재하는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서 조사한 함금들의 경우 합금원소의 전체 첨가량 이 비교적 작고 그 차이도 크지 않으며, Fig. 3의 유동도 시 험결과에서도 1.5RE-2Zn합금의 경우를 제외하고는 유동도의 차이가 거의 없는 것으로 조사되었다. 동일한 유동도 시험조건 에서 상용합금인 ZK60합금이 약 30 mm의 유동도를 나타내는 것을 참고할 때 본 연구 합금들은 대부분 최소한의 유동도는

보유한 것으로 추정된다. 1.5RE-2Zn합금에서 상대적으로 약간 낮은 유동도를 갖는 이유를 명확히 파악하기 위해서는 추가적 인 심층연구가 필요하겠으나 Zn의 첨가량 증가와 일부 관련이 있을 수 있다. Mg-Zn계 합금에서 Zn의 첨가량이 증가함에 따라 고상선의 온도가 저하되어 응고구간이 넓어지는 경향이 있으며, 합금의 유동도는 응고구간에 반비례하는 경향이 있어 결과적으로 유동도를 저하시키는 효과가 있다[9-10].

3.2 주조합금의 전도도, 기계적 성질 및 부식특성 주조상태 합금들의 전기전도도를 측정한 결과를 Fig. 4에서 보여주고 있는데, 전체 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 전도 도도 서서히 감소하는 경향을 관찰할 수 있었다. 그러나 RE 및 Zn의 소량 첨가로 인한 전도성의 저하는 매우 작은 것을 확인할 수 있었으며, 다만 RE에 비해 Zn의 첨가로 인한 전 도성의 저하가 상대적으로 약간 더 작은 것으로 조사되었다.

4가지 합금들 모두 순수한 Mg에 근접한 우수한 전도성을 유 지하는 점을 주목할 필요가 있으며, 참고로 비교적 전도성이 높은 ZK60 상용합금의 경우 약 30%IACS를 나타낸다.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 5는 주조합금시편들의 전형적인 미소경도를 비교하여 보여주는 결과로서 전체 합금원소 첨가량의 증가에 따라 경도 가 증가하는 추세를 나타내고 있다. 또한 전체 첨가량이 유사 하더라도 RE가 Zn에 비해 경도증가에는 상대적으로 약간 더 효과적이라는 것도 알 수 있으며, 이는 응고 중 형성된 CeMg₁₂상의 강화효과에 기인한 것으로 보인다. 마그네슘의 원 자반경 대비 Ce 및 Zn의 원자반경을 비교하면 Zn의 경우가 원자반경의 차이가 더 크며, 고용강화 측면에서는 Zn첨가가 더 유리할 수 있다[11,12]. 고전도성이 요구되는 부품들 중 일 부는 일정 수준 이상의 경도나 강도가 필요한 경우가 있으므 로 목표 물성에 따라 RE 및 Zn 합금성분을 조정하여 일정부 분 대응할 수 있을 것으로 예상된다.

Table 2에서는 합금조성의 차이에 따른 부식전위를 상용합금 인 ZK60의 경우와 비교하여 보여주고 있다. ZK60에는 약 6%의 Zn가 포함되어 있는 것을 고려할 때 부식전위가 감소한 원인은 주로 RE의 첨가에 기인한 것으로 생각된다. Mg-Al계 합금에 RE를 첨가하면 전위가 상승하여 귀(noble)해진다고 보 고된 바 있으므로 본 실험의 경우는 상반된 경향을 나타낸다 고 할 수 있다[12]. RE의 증가로 인해 합금의 부식전위가 감 소하므로 부식경향이 약간 증가할 수 있다고 볼 수 있지만 그 차이가 크지 않으므로 실제 부식특성의 차이는 크지 않을 것 으로 예상된다.

3.3 시효열처리에 따른 전도도와 기계적 성질의 변화 전기전도도는 합금조성과 더불어 합금원소가 기지에 고용된 정도에도 영향을 받으므로 시효열처리 조건에 따라서 변화가 있을 수 있다. Fig. 6에서는 주조상태 및 시효열처리 후의 전

기 전도도를 비교하여 나타내고 있다. 대부분의 경우 열처리로 인한 전도성의 저하는 미미한 수준이며, 이것은 첨가된 합금원 소의 양이 전반적으로 적은데다 주조상태에서도 기지에 고용된 합금원소가 상당부분 이미 제2상으로 석출되었기 때문인 것으 로 사료된다.

Fig. 7의 시효열처리 후 측정한 경도결과에서는 합금조성에 따라 최고의 경도를 갖는 시효조건이 서로 다른 것을 보여주 고 있으나 모든 조성에서 그 정도의 차이는 있지만 시효경화 열처리를 통해 경도가 향상될 수 있음을 알 수 있다. Fig. 7 의 결과를 근거로 최대 경도를 나타낸 조건에 따라 열처리한 시편들의 인장시험결과를 Fig. 8에서 보여 주고 있다. 즉, 200^oC에서 시효한 1RE-0.5Zn를 제외하고는 모두 160^oC에서 10시간 시효열처리를 수행하였다. 경도와 마찬가지로 인장강도 의 경우에도 합금원소의 첨가량이 증가함에 따라 향상되는 거 동을 보이고 있으며, RE 함량이 1.5%로 일정한 상태에서 Zn 를 1에서 2%로 증가시켜도 강도는 소폭 개선되는데 그쳤다.

Fig. 6.

Fig. 8.

Fig. 7.

Table 2.

1RE-0.5Zn 1RE-1.5Zn 1.5RE-1Zn 1.5RE-2Zn ZK60 E (V) −1.784 −1.861 −1.822 −1.826 −1.722

4. 결 론

고전도성 부품용 Mg-RE-Zn계 마그네슘합금의 미세조직 및 특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) Mg-RE-Zn합금의 주조상태 미세조직은 Mg기지에 CeMg12, CeMg 등의 RE상이 형성된 특징을 나타내며, Zn가 다량 첨 가된 합금에서는 MgZn2상도 관찰되었다.

2) 주형충전성을 의미하는 유동도는 합금조성에 따라 현저한 차이를 보이지는 않았으나 Zn가 다량 첨가된 합금에서는 상대 적으로 낮은 경향을 나타냈다.

3) 합금원소의 전체 첨가량이 증가할수록 전기전도성은 감소 하지만 경도는 개선되는 거동을 나타냈으며, 모든 실험합금들이 상당히 우수한 전기전도도를 가짐을 확인할 수 있었다.

4) 합금의 전기전도도는 시효경화 열처리 조건에 따라 크게 변화하지 않았으나 경도는 향상되는 것으로 관찰되었다.

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