AZ91-5wt.%Sn 마그네슘 합금의 열처리의 특성
김대환·임수근†
경상대학교 재료공정융합공학과, 공학연구원
Heat Treatment of AZ91-5wt.%Sn Magnesium Alloy
Dae-Hwan Kim and Su-Gun Lim†
Dept. of materials manufacturing processing, ERI, Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Korea
Abstract
The microstructure, electrical conductivity and hardness variation of an AZ91-5wt%Sn Mg alloy sample during a solid-solution and aging heat treatment were instigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, X-ray diffraction and by Rockwell hardness techniques in this study. The XRD result shows that the main phases in the as-casted alloy are α-Mg, Mg
17Al
12and Mg
2Sn. From the SEM images of the AZ91-5wt%Sn Mg alloy after the solution treatment, the Mg
17Al
12phases in the alloy were found to have dissolved into the matrix with an increase in the holding time during the solution treatment, but Mg
2Sn phases were clearly observable. The highest peak hardness of the AZ91-5wt%Sn Mg alloy is 82HRE at an aging temperature of 200
oC.
Key words: Aging behavior, Solution treatment, Sn addition, Mg
2Sn, AZ91 alloy
1. 서 론
최근 자동차 등 수송기기 분야에서는 연비향상에 따른 환 경오염물질 배출감소를 위해 기존의 철계 및 알루미늄 소재 가 주를 이루는 부품을 보다 경량화하기 위한 노력들이 급증 함에 따라 상용 구조용 금속소재 중 가장 가벼운 합금으로 마그네슘 및 그 합금은 수송기기 부품 산업에서의 차세대 경 량소재로서 많은 관심을 받고 있다[1-5]. 이러한 마그네슘 합 금은 부품의 경량화를 위한 소재로서 적용하기 위한 많이 시 도들이 진행되고 있으나 낮은 성형성, 특유의 표면 부식성, 그리고 고온에서의 낮은 기계적 특성의 이유로 자동차의 해 드 램프, 시트 프레임, 스티어링 휠 등 제한적으로 적용되고 있다[1,6,7]. 이 때문에 최근에는 이러한 단점을 개선하려는 많은 연구들 진행되고 있고[8,9] 이 중 Sn의 첨가는 알루미 늄을 포함하는 마그네슘 합금에서 열적 특성을 저해하는 상 (Mg17Al12)의 형성을 억제시키고 새로운 화합물(Mg2Sn)을 형 성시킴으로써 마그네슘 합금의 내열 특성을 향상시키는 유효
첨가원소로 보고되고 있고 새로운 부품으로의 적용을 위한 많은 연구들이 진행되고 있다[10]. 대부분 자동차 등 수송기 기의 경량화를 위한 부품으로 적용된 마그네슘 합금은 Mg- Al계 합금으로 이 중 AZ91 합금은 다른 마그네슘 합금에 비해 주조성 및 상온 기계적 특성이 우수하여 가장 많이 적 용되고 있는 대표적인 상용합금으로서 주로 다이캐스팅에 의 해 부품을 제조되고 있다. 이로 인해 대부분의 제품은 열처 리가 이루어지지 않고 있으나, Mg-Al계 합금의 경우 Al의 함유량이 6wt.%이상 첨가될 시 열처리에 의해 보다 높은 강 도를 얻을 수 있는 장점을 지니고 있고 최근에는 내열 특성 향상의 목적으로 Sn을 첨가시킴으로써 생성되는 상 및 열처 리 특성 등을 관한 연구가 진행되고 있다[11-14]. 그리고 대 형부품으로 확대 적용 시 부품의 특성 향상을 위한 열처리 냉각 조건에 따른 치수 변형 등의 열처리 결함 등을 우려할 수 있으므로 이에 대한 연구 또한 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 마그네슘 부품으로 주로 적용되고 있는 상용의 AZ91D 합금과 이에 5wt.%Sn을 첨가하여 합금의 열처리 및
Received: Oct. 22, 2016 ; Revised: Nov. 16, 2016 ; Accepted: Dec. 27, 2016
†
Corresponding author: Su-Gun Lim (Gyeongsang Nat'l Univ.) Tel: +82-55-772-1664, Fax: +82-55-772-1670
E-mail: [email protected]
Journal of Korea Foundry Society 2017. Vol. 37 No. 1, pp. 14~20 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2017.37.1.14 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381
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은 용해온도 720oC, 주입온도 680oC로 주조하였으며, 합금 내부의 기공 및 수축공을 줄이기 위해 몰드를 400oC로 예열 하였다. 사용된 합금의 조성은 Table 1에 나타내었다. 5 wt.%Sn이 첨가된 마그네슘 합금의 열처리는 용체화온도 400oC와 415oC에서 0~24h 동안 열처리하여 상온수(21oC)와 미온수(80oC)에서 각각 수냉하였으며, 시효 처리는 시효온도 160, 180, 200oC에서 0~24h 동안 수행하여 미세조직 및 경 도 변화를 조사하였다. 열처리한 시편의 미세조직은 미세연마 및 화학적 에칭을 행한 후 광학현미경 및 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였으며, 열처리에 따른 합금의 경도 변화는 로크웰 경도기(scale E)를 이용하여 각 7회 측정 후 산술평 균하여 나타내었다. 또한 열처리 온도 및 시간에 따라 상의 변화는 XRD 이용하여 분석하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
Fig. 1은 금형 주조한 AZ91 및 5wt.%Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합금의 전형적인 미세조직이다. 사형 주조에 비해
석을 실시하여 Fig. 2에 나타내었다.
Fig. 2는 열처리 전 제조한 마그네슘 합금 상의 형상 및 상분석을 위하여 주사전자현미경 관찰 및 XRD 분석 결과를 나타낸 것이다. 두 합금의 XRD 분석 결과 주요상으로는 AZ91 합금은 α-Mg, β-Mg17Al12 상이며, Sn 첨가된 AZ91 합금에서는 이 상들 이외에 새로운 Mg2Sn 상이 형성되는 것으로 나타났다. 그리고 이러한 상들은 α-Mg 주변으로 Massive Mg17Al12 상이분포하고 있었으며[15], Sn이 첨가에 의해 형성된 Mg2Sn 상은 α-Mg 입계 주변에서 Massive Mg17Al12 상과 함께 불균일하게 분포하는 것을 알 수 있다.
Fig. 3은 열처리 전 용체화 온도를 설정하기 위하여 5 wt.%Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합금의 DSC 분석 결과를 나타낸 것이다. DSC 분석 결과 3곳의 변곡점이 나타나는 것으로 확인되었으며, 이 합금의 초기의 용융온도는 약 420oC로서 이 온도 이상에서 열처리 시 합금의 합금 표면에 서의 국부 용해와 내부에 기공을 형성시킴에 따라 합금의 기 계적 특성을 저해할 우려가 있다. 따라서 이 합금의 용체화 온도는 열처리 로의 온도 편차를 고려하여 초기 용융온도 이
Fig. 1. Microstructures of as-cast (a) AZ91D and (b) AZ91-5wt%Sn Mg alloy.
Table 1. Chemical composition of AZ91D and AZ91-5wt%Sn Mg alloy.
Element Al Zn Mn Sn Other Mg
Content (wt.%)
AZ91D 8.9 0.60 0.24 - 0.05 Bal.
AZ91-5wt.%Sn 9.3 0.68 0.26 4.58 0.06 Bal.
하인 400oC와 415oC에서 실시하였고, 그리고 소형부품의 경 우에는 큰 영향을 받지 않으나, 대형부품의 경우 용체화 열 처리 후, 칭 조건에 따라 치수변형 등의 열처리 결함을 우려할 수 있으므로 이에 대한 고려로써 용체화 열처리 후 냉각 조건을 상온수(21oC)와 미온수(80oC)에서 수행하였다.
각 용체화 온도에서 열처리 후 합금의 미세조직은 Fig. 4에 나타내었다.
Fig. 4는 Sn을 첨가한 AZ91 합금의 용체화 온도 및 냉 각조건에 따른 미세조직 변화를 나타낸 것이다. 용체화 열처리 시 두 합금의 미세조직은 주조 시 형성된 β-Mg17Al12 상이 용체화 시간이 증가함에 따라 점차 분해되고 이렇게 분해된 용질 원소가 α-Mg 기지내에 고용됨에 따라 β상의 분율이 감소됨을 확인할 수 있었으며, 이러한 변화는 용체화 시간 16h을 기준으로 β상의 분율이 현저하게 감소하게 되고, 용체
화 처리 시간 24h 이후에는 대부분의 β상이 분해되어 고용 됨을 확인할 수 있었다. 용체화 온도에 대한 미세조직 변화 는 용체화 온도가 증가함에 따라 용질원소의 고용한의 증대 와 확산속도의 증가에 기인하여 동일한 시간으로 용체화 열 처리 시 용체화 온도가 높을수록 β상의 분율 감소가 더 많 이 이루어짐을 알 수 있었다. 그러나 용체화 열처리 후 냉각 조건에 대한 미세조직 변화는 광학현미경 조직사진에서는 미 미한 것으로 나타났으며, Sn 첨가에 의해 형성된 상은 여전 히 잔존하는 것을 알 수 있었다.
Fig. 5는 각 용체화 온도에서 용체화 초기 2h과 24h 동안 열처리 후 상온수 및 미온수에 냉각한 Sn을 첨가한 AZ91 합금의 주사전자현미경 조직사진을 나타낸다. Fig. 5(a)의 400oC에서 용체화 처리한 합금의 경우 용체화 초기 α-Mg 상 주변에 분포하던 β상은 용체화 처리 24시간 후 대부분 분해되었으나 일부 완전 분해되지 않고 입계에 존재하는 것 으로 나타났고, Fig. 5(b)의 415oC에서 용체화 처리한 합금 의 경우 β상이 거의 분해되어 이러한 잔여상은 관찰되지 않 았다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 용체화 처리 온도가 증가 됨에 따라 기인한 결과라 판단되며, EDS 분석 결과, Sn 첨 가에 의해 형성된 Mg2Sn 상은 용체화 처리 24h 후에도 분 해되지 않고 잔존하는 것으로 나타났다. 고온 안정한 Mg2Sn 상은 분말의 경우 용융온도가 약 770oC로 보고되고 있고 [16-18], 따라서 설정된 용체화 온도에서는 완전 분해 및 고 용이 일어나지 않으므로 24h 동안 용체화 처리 후에도 여전 히 잔존하는 것을 알 수 있다.
Fig. 6은 AZ91D 합금과 Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합 금의 용체화 조건에 대한 경도 변화이다. 용체화 처리 전 이 합금의 로크웰 경도는 약 70HRE로서 상용의 AZ91D Mg 합금에 비해 약 10HRE 높은 것으로 나타났고, 열처리가 진
Fig. 2. XRD patterns and SEM photographs of as-cast (a) AZ91D and (b) AZ91-5wt%Sn Mg alloy.
Fig. 3. DSC curve of AZ91-5wt%Sn Mg alloy.
행되는 동안 두 합금 모두 점차적으로 경도값이 감소하였다.
그러나 상용 AZ91D Mg 합금에 비하여 Sn이 첨가된 AZ91
합금의 경도의 감소는 적은 것으로 확인되었으나, 이 합금의 경우 용체화 열처리 초기부터 서서히 경도가 증가하다 용체
Fig. 4. Optical micrographs of AZ91-5wt%Sn Mg alloy with different solid solution-treatment time at (a) 400
oC and (b) 415
oC.
Fig. 5. SEM images of AZ91-5wt%Sn Mg alloy solution heat treated at (a) 400 and (b) 415
oC.
화 2시간 이후 감소하는 거동 나타내었다. 이는 합금화 원소 로 첨가된 주석에 의한 석출상의 성장 및 일부 용질 원자들 이 기지내로 고용함에 따른 고용강화의 원인이라 판단된다.
그리고 용체화 2시간 이 후의 경도 감소는 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 높은 용체화 온도에서 용체화 시간이 증가함에 따 라 β상이 분해되고 그 분율의 감소와 조직의 성장에 따른 조직 연화가 그 원인인 것으로 판단된다. 용체화처리 후 칭 조건에 따른 경도 변화는 두 용체화 온도 조건 모두 미온수(80oC)에서 칭한 합금이 상온수(21oC)에서 칭한 합금에 비해 경도의 변화 폭이 적은 것으로 보여지고, 또한 열처리에 의한 경도 차이는 크지 않는 것으로 나타났다. 따 라서 이 합금의 경우 미온수에서 열처리 냉각이 이루어지는 것이 열처리에 의한 합금의 특성 향상에 보다 효과적일 것으 로 사료된다.
Fig. 7은 용체화 열처리가 진행되는 동안의 Sn이 첨가된 AZ91D 마그네슘 합금의 전기전도도 변화를 측정한 결과다.
열처리 온도 및 시간에 따른 합금의 전기전도도 변화를 측정 함으로써 합금 내부의 변화를 가시적으로 예측가능하다 [19,20]. Sn이 첨가된 AZ91D 합금의 전기전도도의 경우 상
용 AZ91D Mg 합금에 비해 낮은 전기전도도 특성을 나타 내었으나 칭 조건에 대해서는 그 차이가 적은 것으로 나 타났다. 이는 첨가된 Sn 및 용질 원소들이 전자의 이동을 방해하는 불순물로 존재하기 때문이며, 용체화 시간이 증가함 에 따라 전기전도도가 점차적으로 감소하는 것은 용체화 열 처리가 진행되는 동안 불균질하게 분포하는 용질 원소들이 확산에 의해 Mg 기지내로 고용됨에 따라 용질 원자 주변으 로 Mg의 격자변형에 의한 응력장 형성으로 전자의 이동이 활발하지 못하기 때문으로 판단된다. 이러한 감소는 용체화 열처리 8h 이후부터 점차 수렴하는 것으로 나타났으며, 16h 이후에는 거의 변화가 없는 것으로 나타났다.
Fig. 8은 415oC에서 16시간 동안 용체화처리 후 상온수 (R.T)와 미온수(80oC)에 칭한 합금을 각 시효온도(160, 180, 200oC)에서 시효 처리한 합금의 경도 변화를 나타낸 결과다. Fig. 8(a)에서 용체화처리 후 상온수(21oC)에 칭한 시편의 경우, 각 시효온도에서 시효 시간이 증가함에 따라 합금의 경도는 초기 급격하게 증가하다 시효시간 흐름이 경 과됨에 따라 점차 수렴하는 형태의 경화거동을 나타내었다.
시효 온도가 높을수록 빠른 확산에 의해 최고 경도에 도달하
Fig. 7. Changes in the electrical conductivity of AZ91D and AZ91-5wt%Sn Mg alloy during the solution heat treated at (a) 400
oC and (b)
415
oC.
Fig. 6. Changes in the hardness of AZ91D and AZ91-5wt%Sn Mg alloys during the solution heat treated at (a) 400
oC and (b) 415
oC.
는 시간이 짧은 것으로 나타났으며, 경도 픽에 도달하는 시 효 시간은 시효 온도 160, 180, 그리고 200oC에서 각각 약 20, 16, 그리고 12시간이었다. 또한 최고 경도는 시효온도 200oC에서 약 82HRE로 가장 높게 나타났다. 반면, Fig.
8(b)의 미온수(80oC)에서 칭한 합금의 경우 상온수(21oC) 에서 실시한 시효 거동과 유사한 거동을 나타내었으나, 시효 온도 160oC에서 가장 높은 경도를 나타내었으나 그 차이는 적은 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 9는 시효온도 160oC에서 열처리 한 AZ91-5wt.%S 합금의 시효 시간에 따른 미세조직 변화를 나타낸 것이다.
초기 시효 열처리 전 415oC에서 16h 동안 용체화처리 한 시험편의 경우 대부분의 Mg17Al12 상의 경우 Mg 기지내로 고용되었으나, Mg2Sn 상은 분해 및 고용되지 않고 잔존한 Mg2Sn 상으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 시효 열처리가 진행됨에 따라 시효 초기의 석출은 결정입계로부터 불연속적으로 석출하기 시작하였으며, 시효 시간이 증가함에
따라 불연속적인 석출물의 분율은 결정입계로부터 입내로 점 차 확대되는 것을 알 수 있다. 이후 시효 24h 후에는 많은 양의 불연속 석출물이 잔존한 Mg2Sn 상과 함께 결정입계에 분포하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 다른 시효 온도에서도 동일하게 나타났으며, 시효 온도가 증가함에 따라 이 불연속 석출물의 생성속도와 그 분율이 증가하였다. 그리고 불연속적으로 석출한 석출물은 층상구조로서 형성하였으며, 시 효온도가 높을수록 이 층상구조는 보다 더 조대하게 나타났 다. 이는 시효온도 증가함에 따라, 입계 주변에 과포한 고용 원자의 확산속도가 증가하고, 이로 인해 석출물의 생성 및 성장 속도가 증가하였기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 Sn이 첨가된 AZ91 마그네슘 합금의 미세 조직 및 기계적 성질에 미치는 열처리의 영향에 대해 다음과
Fig. 9. Optical micrographs of AZ91-5wt%Sn Mg alloys with aging heat treatment.
Fig. 8. Changes in the hardness of the AZ91-5wt.%Sn Mg alloys with different aging temperature and time after solution-treated at 415
oC for 16.
같은 결론을 얻었다.
1) AZ91D Mg 합금에 Sn의 첨가로 인해 Mg2Sn 상을 새롭게 형성하고 이는 합금의 기계적 특성 향상에 기인하게 된다.
2) Sn의 첨가에 의해 생성된 Mg2Sn 상은 400~415oC의 용체화 온도범위에서는 열처리 시간이 증가함도 대부분의 상 은 기재내로 분해 및 기지내로 고용되나 Mg2Sn 상은 입계 주변에 잔존한다.
3) 용체화처리 후 칭 조건에 따른 경도 변화는 미온수 (80oC)에서 칭한 합금이 상온수(21oC)에서 칭한 합금에 비해 경도의 변화 폭이 적은 것으로 나타났다.
4) 이 합금의 시효 경향은 대부분의 Mg-Al계 합금과 유 사한 형태로 석출이 이루어지며 용체화 처리 후 시효 초기 입계 및 잔존하는 Mg2Sn 상 주변에서 불연속적으로 석출물 이 석출하게 되며, 시효 온도가 증가함에 따라 이러한 불연속 석출물은 조대하고 그 양 또한 증가하였다.
감사의 글
이 논문(저서)은 2015년 교육부와 한국연구재단의 지역혁신 창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2015- H1C1A1035901).
References
