Effects of Alloying Elements on the Properties and Aging Hardening of Al-5%Mg Based Casting Alloys

(1)

Al-5%Mg계 주조합금의 물성 및 시효경화특성에 미치는 합금원소의 영향

김정민^†·박준식·조재익 *·김현길 **

한밭대학교 신소재공학부, *한국생산기술연구원 광주연구센터

**한국원자력연구원 첨단노심재료개발Lab

Effects of Alloying Elements on the Properties and Aging Hardening of Al-5%Mg Based Casting Alloys

Jeong-Min Kim, Joon-Sik Park, Jae-Ik Cho*, and Hyun-Gil Kim**

Division of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University, Daejeon 305-719, Korea

*Kwangju R&D Center, Korea Institute of Industrial Technology, Kwangju 500-480, Korea

**Advanced Core Materials Lab, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 305-600, Korea

Abstract

The microstructure of Al-5%Mg based alloy mainly consists of aluminum matrix with a small amount of AlMn phase. The addi- tion of Sc or Zn to the base alloy significantly improved the as-cast tensile strength, while the addition of Fe deteriorated both strength and ductility. Although the Al-5%Mg based alloy was not heat-treatable, aging hardening could be observed in the case that Sc or Zn was added to the base alloy. TEM analysis showed that very fine AlSc or AlMgZn precipitates were formed after T6 heat treatment, resulting in enhanced strength. The corrosion resistance measured as corrosion potential was found to decrease a little by adding Zn, whereas other alloying elements were not clearly influential.

Key words :

Aluminum, Casting, Tensile properties, Corrosion.

(Received December 18, 2009 ; Accepted January 20, 2010)

1. 서 론

알루미늄

-

마그네슘주조용합금은

Al-Si

계합금에비하여주

조성이낮고시효강화성이없는등의이유로사용량이상대적

으로적은편이다

.

하지만

Al-Mg

계합금은주조상태에서우수

한강도와연성을동시에가지며양극산화처리가

Al-Si

계에비 해용이하다는점등많은장점도가지고있어잠재적으로유 망한 합금계이다

. Al-Mg

계합금의적용범위를확대하기위한 방안의하나로서소량의합금원소첨가를통한시효강화성의 확보를꼽을수있는데

,

소량의

Sc

이나적절한양의

Zn

를첨 가함으로써우수한연성과동시에고강도를얻을수있을것 으로 기대된다

.

Al-Mg

합금에

Sc

이나

Zr

을첨가하여고용화및시효열처리를

수행하면미세한

Al

3

(Zr,Sc)

석출상이형성되어강도가향상되고

재결정시결정립성장억제에상당한효과가있는것으로알려져

있으나

[1-4],

이는주로소성가공재료관점에서중요한연구결

과들로주조재료로서의연구는아직수행하여야할것이많다

.

한편

, Al-Mg

합금에

Zn

를첨가하면시효열처리후

Al

2

Mg

3

Zn

3

또는

MgZn

2석출상이형성되어강도가뚜렷하게증가하며

[5],

또한부식특성에도현저한영향을미치는것으로보고된바

있다

[6].

하지만

Zn

가

2%

이하로비교적소량첨가되었을경우

에도강도와부식특성에큰영향이있는지여부는아직명확 히 파악되어 있지 않다

.

알루미늄주조합금에서

Fe

의경우는불순물로서종종존재하 며

,

특히다이캐스팅합금에서는금형과의소착성을줄이기위해 일정 범위내에서의도적으로허용하고있다

. Al-Si

계합금에 서

Fe

가 첨가되면침상형태의

Al

5

FeSi

상이형성되어기계적 성질이저하되는경향을보이며

, Al-Mg-(Mn)

계에서도

Al

3

Fe

상

또는

Al

6

(MnFe)

상을형성하여부정적인 영향을보일것으로

예측된다

[7]. Al-Mg

합금을다이캐스팅및중력금형주조에활용

하고 재활용성을높이기위해서는약간의잔류

Fe

는허용가 능해야 하며

,

이에대한 영향을 조사할 필요가 있다

.

따라서본연구에서는강도와연성을겸비한

Al-5%Mg(wt.%)-

(0.2%Mn-0.2%Ti)

합금을 기본조성으로선정하고 여기에

Sc,

Zn

및

Fe

를소량첨가하여주조상태합금의미세조직

,

기계적

성질그리고부식특성에미치는영향을조사하였다

.

또한

Sc

이 나

Zn

가첨가된합금의경우에는

T6

열처리를통한미세조직및 기계적 성질의 변화를 관찰하였다

.

†

E-mail : [email protected]

(2)

−30−

Al-5%Mg

계주조합금의 물성및시효경화특성에 미치는합금원소의영향

-

김정민·박준식·조재익·김현길

2. 실험 방법

Al

및

Zn

순금속

(99.8%)

과

Al-50%Mg(wt.%), Al-10%Mn, Al-5%Ti-1%B, Al-5%Fe, Al-5%Sc

의모합금을사용하여유도 로에서용해를실시하였으며

,

주탕전에

Ar

가스를용탕내로

15

분간주입하여탈가스처리를수행하였다

.

처리가완료된용 탕을대기중에서금형에주입함으로써두께

25 mm

의판재형상 으로주조하였으며

,

실제제조한시편들의화학조성분석결과는

Table 1

에나타내었다

. Mn

은고용강화효과와불순물로서존재

하는

Fe

의부정적인 영향을줄이기위하여

,

그리고

Ti

은

B

과 함께주조조직의결정립미세화를위해첨가되었다

. T6

열처리 는

Sc

첨가합금의경우

550

^o

C

에서

24

시간유지하여고용화처 리를한후수냉시키고다시

350

^o

C

에서

24

시간까지등온시효 처리하였으며

, Zn

첨가합금의경우에는

500

^o

C

에서

6

시간유지 한후수냉하고

160

^o

C

에서

24

시간까지등온시효처리하였다

.

판재시편의인장시험은

ASTM B 557M

규격에따라수행 하였으며

,

미세조직은광학현미경

(OM),

주사전자현미경

(SEM-

EDS)

및투과전자현미경

(TEM)

으로관찰하였다

. TEM

시편은

먼저

100

µ

m

이하의두께까지기계적으로연마한후전해용액

(HClO

4

:CH

3

OH = 1:9)

를 사용하여전해연마

(twin-jet electro-

polisher)

를실시하여준비하였다

.

부식특성을조사하기위해서

는

3.5%NaCl

용액을사용하여분극시험을하였으며

,

여기서

측정한 부식전위

(E

corr.

)

를 가지고부식저항성을 비교하였다

.

3. 결과 및 고찰

3.1 주조합금의 미세조직, 기계적 성질 및 부식특성

Al-5%Mg

합금에서

Mg

은거의전부기지내에고용되기때

문에 사실상

Al

기지 단상조직을나타내지만미량의첨가원소

Mn

으로인하여

Fig. 1

에서와같이소량의

AlMn

상이발견되

었다

. AlMn

상은기본합금조성

(base)

을포함해서

Fe

가첨가되지 않은모든합금조성에서관찰되었으며

, SEM-EDS

분석결과를 볼때

Al

6

Mn

상인 것으로판단된다

[5]. Fe

가첨가된합금들에 서는

Al

6

(Mn,Fe)

상이 형성된것을알수있으며

[7],

대표적인

EDS

분석결과는

Table 2

에요약하여나타내었다

. Fig. 2

에서는

Zn

가첨가된합금들에서발견되는

AlMgZn

상의모습을나타내고

있는데

, SEM-EDS

결과를토대로관련문헌을참고하여볼때

Al

2

Mg

3

Zn

2상인 것으로 생각된다

[5-6].

Table 1.

Chemical compositions of alloys (wt.%).

Alloy Mg Mn Ti Sc Zn Fe Al

Base 4.51 0.20 0.18 - - - balance

0.4Sc 4.66 0.19 0.18 0.35 - - "

1Zn 4.11 0.19 0.14 - 1.00 - "

1.5Zn 3.77 0.15 0.15 - 1.26 - "

0.2Fe 4.49 0.19 0.19 - - 0.22

0.4Fe 4.62 0.20 0.17 - - 0.43 "

Table 2.

SEM-EDS results of 2

^nd

phases observed in Al-5%Mg based alloys (at.%).

2

^nd

phase Mn Fe Mg Zn Al

AlMn 1.4~1.7 - - - balance

AlFeMn 0.2~1.1 2.8~7.7 - - "

AlMgZn - - 20.1~27.2 3.7~8.6 "

Fig. 1.

SEM micrographs of as-cast Al-5%Mg based alloys: (a) base, (b) 0.4%Sc, (c) 0.2%Fe, (d) 0.4%Fe.

(3)

본연구에서조사한주조합금들의인장특성은

Fig. 3

에나 타낸바와같이비교적뚜렷한몇가지경향을나타낸다

.

먼 저

, Sc

이나

Zn

가첨가된합금들은기본합금에비하여강도는 높고연성은낮은특성을보였으며

,

원인은주로합금원소첨가 로인한고용강화효과때문인것으로사료된다

.

여기서주목할 점은

Sc

을첨가한경우가가장높은강도를보인다는것인데

,

석출강화를위해첨가된

Sc

이주조상태에서도강도향상에크게 기여한다는 것을알수있었다

.

이에대한 원인으로서고려할 만한중요한특징은

Sc

첨가로인한주조상태에서의결정립 미

세화효과이다

. Table 3

에서는여러합금들의주조상태평균결

정립크기를비교하여나타내고있는데

,

측정방법으로는광학현 미경화상분석법을이용해서주조결정립들의최대직경값들을 구해평균값을산출하는방식을취하였다

.

예상한바와같이

Sc

이첨가된합금의경우상대적으로결정립크기가작은것을

확인할수있었다

. Fe

첨가의경우인장강도와연신율을모두

저하시키는 것으로조사되었으며

, Fig. 1

에서나타낸취약한

AlFeMn

상의양이

Fe

첨가량에비례하여증가하기때문인것으

로 보인다

.

Table 4

에서는주조합금들의평균부식전위를나타내는것으로

값이증가할수록

(

음수이므로절대값이작을수록

)

내식성이큰 경향을갖는다

. Sc

은거의영향을미치지않는데반해

Zn

는 내식성을감소시키는영향을보였는데

,

분극시험중

Al

2

Mg

3

Zn

2

상으로인해산화보호피막이상대적으로쉽게파괴되었기때문

으로추정된다

[6]. Fe

첨가는내식성을약간증가시키는경향을

나타내었지만 그 영향이 크지는 않았다

.

3.2 열처리합금의 시효경화 특성

Sc

및

Zn

가첨가된합금의경우시효열처리를통해석출경 화효과를유발할것으로예상되어시효열처리에따른미소경도 의변화를 조사하였다

.

각합금별적정한 시효열처리온도는 선행연구및문헌조사를통해선정되었으며

[5,8,9], Sc

첨가합금 에서상대적으로높은시효온도가사용되는원인중의하나는

Al

기지내

Sc

의확산속도가

Mg

같은다른합금원소에비하여상

당히낮기때문이다

. Fig. 4

에서알수있듯이

Sc

첨가합금에서

는

8

시간이후경도가급격히증가한후증가속도가서서히감 소하는 경향을보여석출경화가일어남을확인할 수있었다

.

Zn

첨가의경우도

1.5%Zn

에서는

12

시간이후부터경도증가가현

저히일어나는석출경화현상을관찰할수있었지만

1%Zn

합금에 서는경도의증가현상이뚜렷하게관찰되지않았다

. 0.4%Sc

첨가 합금의경우

Sc

의

Al

기지에대한최대고용도가 약

0.4wt%

로 매우낮아서본실험에서

Sc

첨가량이비교적소량임에도불구 하고

T6

처리시시효경화효과가뚜렷이관찰된것으로판단된다

. T6

열처리를수행한시편들을

TEM

으로분석하였으며

, Fig. 5

와

6

에서는관찰되는석출상들의형상과

EDS

결과를보여주고 있다

. Sc

과

Zn

가첨가된합금들에서는약간의미세한

AlMnFe

상이발견되었는데

,

여기서

Fe

가발견된것은불순물로포함된 소량의

Fe

에 의한 것으로보인다

.

또한

Sc

및

Zn

가첨가된 합금에서는 미세한

AlSc

상 및

AlMgZn

상이 관찰되었는데

,

EDS

결과를 근거로 관련 문헌을 참고하여볼 때

Al

3

Sc

및

Al

2

Mg

3

Zn

2상인것으로판단된다

[6,8].

이러한미세석출상의형 Fig. 2.

SEM micrographs showing AlMgZn phases formed in as-cast Al-5%Mg-Zn alloys: (a) 1Zn, (b) 1.5Zn.

Fig. 3.

Tensile properties of as-cast Al-5%Mg based alloys at room temperature.

Table 3.

Average grain size of as-cast alloys (

µ

m).

Alloy Base 0.4Sc 1Zn 1.5Zn 0.2Fe 0.4Fe Grain

Size 90 72 89 88 89 90

Table 4.

Electrochemical measurement results of as-cast alloys.

Alloy Base 0.4Sc 1Zn 1.5Zn 0.2Fe 0.4Fe

E

corr.

(V) -0.891 -0.891 -0.967 -1.111 -0.859 -0.861

(4)

−32−

Al-5%Mg

계주조합금의 물성및시효경화특성에 미치는합금원소의영향

-

김정민·박준식·조재익·김현길

성으로인하여석출경화효과가발생하는것으로생각되며

,

실제

T6

열처리를통한인장강도의변화는

Fig. 7(a)

에서나타낸바 와같이뚜렷하게증가하는것으로 조사되었다

.

증가의 폭은

1%Zn

합금과비교하여

1.5%Zn

합금에서훨씬높은것으로나

타나미소경도의 결과와유사한경향을보였으며

, Sc

첨가합금 에서가장높은 인장강도가얻어지는것으로나타났다

.

한편

, Sc

첨가합금의연신율은주조상태에서보다

T6

열처리후약간증 가하는경향을나타내는반면

Zn

첨가합금에서는거의 변화가 없거나감소하는것으로조사되었다

(Fig. 7(b)).

참고로

Sc

첨가 합금에서관찰되는

Al

3

Sc

상은

Al

기지와유사한격자상수를가 지며

Al

기지내에서의

Sc

의확산속도가작아서조대화에대한

구동력이작으며

[1],

따라서시효열처리시조대화로인한과시효

에 대한 위험도 낮을것으로 기대된다

.

4. 결 론

Al-5%Mg

주조용합금에

Sc, Zn, Fe

의합금원소를첨가하

여미세조직

,

기계적성질

,

시효강화성등을조사한결과다음 과 같은 결론을 얻었다

.

1)

기본합금의주조조직은사실상

Al

기지단상으로구성되어 있으며

,

약간의

Al

6

Mn

상이관찰되었다

. Sc

이첨가된합금의 경우도 유사한조직을보였으나결정립의크기가뚜렷하게감 소하는 경향을 나타내었다

.

2)

기본합금조성에

Fe

가 소량 첨가되면 비교적 조대한

Al

6

(Mn,Fe)

상이형성되었으며

, Zn

첨가합금에서는

Al

2

Mg

3

Zn

2상 이 관찰되었다

.

3)

주조상태의 인장강도는

Sc

및

Zn

첨가를 통해현저히 향상되었으며

, Fe

는소량만첨가되어도강도와연신율모두저 Fig. 6.

TEM micrographs showing precipitates of the T6-treated Al-

5%Mg-1.5%Zn alloy: (a) AlMnFe (b) AlMgZn.

Fig. 5.

TEM micrographs showing precipitates of the T6-treated Al-5%Mg-0.4%Sc alloy: (a) AlMnFe (b) AlSc.

Fig. 4.

Micro-hardness variations of Al-5%Mg based alloys during

aging treatment: (a) 0.4%Sc alloy at 350

^o

C. (b) Zn-containing

alloys at 160

^o

C.

(5)

하시키는 경향을 보였다

.

4)

주조시편의내식성은

Zn

첨가를통해감소하는것으로 관 찰되었고

, Fe

첨가는내식성을약간개선시키는영향을나타내 었다

.

5) 0.4%Sc

및

1.5%Zn

첨가합금에서는시효열처리를 통해

미소경도및인장강도가증가하는시효경화성을갖는것으로 조사되었으며

,

이는 시효 중 형성되는

Al

3

Sc

및

Al

2

Mg

3

Zn

2

석출상으로 인한 것으로 사료된다

.

감사의 글

본연구는광주지역첨단부품소재기술개발사업의지원에의하 여 수행되었습니다

.

참고문헌

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Fig. 7.