Investigation on the Sintering Behavior and Mechanical Properties of Al-Zn-Mg Alloy Powders Mixed with Al-Si-SiC Composite Powders

(1)

Al-Si-SiC 복합분말과 Al-Zn-Mg계 합금분말이 혼합된 분말의 소결 거동 및 기계적 특성연구

장광주

^a,b

·김경태

^a

·양상선

^a

·김용진

^a,

*·박용호

^b

a

한국기계연구원 부설 재료연구소,

^b

부산대학교 재료공학과

Investigation on the Sintering Behavior and Mechanical Properties of Al-Zn-Mg Alloy Powders Mixed with Al-Si-SiC Composite Powders

Gwang-Joo Jang

^a,b

, Kyung Tae Kim

^a

, Sangsun Yang

^a

, Yong-Jin Kim

^a,

*, and Yong-Ho Park

^b

a

Korea Institute of Materials Science (KIMS), 797 Changwondaero, Seoungsan-gu, Changwon, Gyeongnam 641-831, Korea

b

Department of Materials Science and Engineering, Pusan National University, 63 Busandaehak-ro, Geumjeong-gu, Busan 607-735, Korea

(Received November 12, 2014; Revised December 9, 2014; Accepted December 15, 2014)

···

Abstract Al-Si-SiC composite powders with intra-granular SiC particles were prepared by a gas atomization process.

The composite powders were mixed with Al-Zn-Mg alloy powders as a function of weight percent. Those mixture pow- ders were compacted with the pressure of 700 MPa and then sintered at the temperature of 565-585

^o

C. T6 heat treat- ment was conducted to increase their mechanical properties by solid-solution precipitates. Each relative density according to the optimized sintering temperature of those powders were determined as 96% at 580

^o

C for Al-Zn-Mg powders (composition A), 97.9% at 575

^o

C for Al-Zn-Mg powders with 5 wt.% of Al-Si-SiC powders (composition B), and 98.2% at 570

^o

C for Al-Zn-Mg powders with 10 wt.% of Al-Si-SiC powders (composition C), respectively. Each hardness, tensile strength, and wear resistance test of those sintered samples was conducted. As the content of Al-Si-SiC powders increased, both hardness and tensile strength were decreased. However, wear resistance was increased by the increase of Al-Si-SiC powders. From these results, it was confirmed that Al-Si-SiC/Al-Zn-Mg composite could be highly densified by the sintering process, and thus the composite could have high wear resistance and tensile strength when the content of Al-Si-SiC composite powders were optimized.

Keywords: Al-Si-SiC, Al-Zn-Mg, Powder metallurgy, Sintering

···

1. 서 론

분말야금 공정에 의해 제조된 부품들은 높은 치수 정밀 도를 가지며, 연속 열처리가 가능하여 대량생산에 다양하 게 사용되고 있다[1, 2]. 높은 치수 정밀도로 값비싼 후가 공 공정도 줄일 수 있으며, 다양한 특성을 가지는 원소를 혼합하여 복합재료를 제조할 수 있어[1-4] 자동차, 항공, 전자분야에 다양하게 응용되고 있다[4, 5].

최근 자동차 및 수송용 운송기기의 경량화 추세에 의하 여 경량 부품소재의 수요가 크게 증가하고 있다. 여러 가

지 경량소재 중에서 알루미늄(Al)은 매우 높은 비강도를 가져 일부 자동차 부품에 적용되고 있다. 특히 아연(Zn)이 주로 첨가되고, 마그네슘(Mg)이 추가된 7XXX계 Al 합금 이 현재 많이 사용되고 있다. 이 합금은 고강도이나 낮은 내마모성의 단점을 가지고 있어, 갈수록 가혹한 조건, 특 히 강한 내마모성이 요구되는 부품소재로서 사용되기 어 렵다. 따라서 내마모성을 향상시키기 위하여 실리콘 카바 이드(SiC)와 같은 고내마모성 재료를 혼합하여 사용할 수 있다[6]. SiC가 강화된 Al 기지 복합재료는 높은 탄성계수 와 강도 및 열 안정성을 가져 현재 많은 주목을 받고 있

*Corresponding Author : Yong-Jin Kim, TEL: +82-,55-280-3527 FAX: +82-55-280-3289, E-mail: yjkim@kims.re.kr

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으며[7], 전자 방열판, 자동차용 드라이브 샤프트, 자동차 브레이크 로터, 제트전투기 핀, 엔진 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[5, 8, 9].

기존의 SiC 강화상을 기지조직에 첨가하는 공정은 볼밀 링 또는 단순한 분말의 혼합에 의한 경우가 대부분이다.

이러한 공정으로 제조된 분말에서 SiC는 분말 내부에 위 치하기보다 표면에 존재하여 복합재료의 제조 후 결정립 계에 SiC가 응집되어 소결을 방해하여 소결체의 특성 저 하를 야기할 수 있다[10, 11]. 본 연구에서는 SiC가 Al계 분말 내부(intra-granular)에 미리 분산되어 있는 형태의 복 합분말을 가스 분무법으로 제조한 후[12], 다시 구조용 고 강도 Al-Zn-Mg 합금분말과 혼합하여 소결함으로서 기존 Al-Zn-Mg 합금소재의 고강도와 SiC에 의한 내마모성을 동시에 갖춘 복합소재를 제조하고자 하였다. Al계 분말의 비가압 소결에 대한 연구는 호주의 Schaffer 그룹을 중심 으로 유럽, 미국 등에서 다양하게 수행되고 있다. 특히 Mg 의 첨가는 소결 방해물질인 Al 표면 산화막을 Mg-Al- O 의 스피넬구조로 제거할 수 있어 무가압 분위기 소결만 으로 Al분말소재를 고밀도 소결할수있으며, 열처리후 석 출상 형성에 의한 기계적 강도 향상에도 지대한 영향을 미 치는 것으로 알려져 있다[5]. Al계 합금소재에서 용체화처리 와 시효처리로 이루어진 T6 열처리는 다양한 강화상의 석출 을 유도하여 기계적 특성을 향상시키는 공정이다[13].

본 연구에서는 기존 상용화된 Al-Zn-Mg계 고강도 합금 분말과 SiC가 Al 결정립 내부에 분산된 Al-Si-SiC 복합분 말을 혼합하여 비가압 분위기 소결만으로 치밀한 Al계 소 결체를 제조하기위한 소결거동을 연구하였다. 또한, 소결 후 복합재료의 기계적 특성을 평가함으로서 실제로 SiC의 첨가가 고강도와 내마모성을 동시에 확보하고자 하였다.

2. 실험방법

2.1. 원료분말

표 1에는 본 연구에서 사용된 원료분말의 성분이 나타 나있다. 기지 분말로 사용된 Al-Zn-Mg계 합금분말은 독일 Ecka사의 상용분말인 Alumix431이며 조성은 Zn, Mg, Cu가 합금화된 Al-Zn-Mg 합금분말이다. SiC가 첨가되어 분산된 복합분말은 Al-Si-SiC를 주괴를 녹인 액적 흐름에 고압의 가 스를 분사하여 분말을 제조하는 가스분무법을 이용하여 제

조하였으며, Al-Si 기지분말 내부에 분산 강화된 SiC의 크기 는 10 µm이며 약 20 vol.%가 함유되어 있다[12].

2.2. 혼합, 성형 및 소결공정

본 연구의 실험 공정 순서는 그림 1(a)에 나타내었으며, 주요 공정은 다음과 같다. Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si- SiC 복합분말을 3D-Mixer를 이용하여 15분간 혼합을 실 시하였다. 표 2와 같이 Al-Zn-Mg 합금분말에 Al-Si-SiC 복합분말을 5 wt.%(B 조성), 10 wt.%(C 조성) 첨가하고, 특성의 비교를 위하여 복합분말을 첨가하지 않은 Al-Zn- Mg 합금분말 (A 조성)을 사용하였다. EBS(Ethylene Bis Stearamide) 바인더는 분말의 성형성, 충진성을 향상을 위 하여 복합분말 대비 무게비로 1.5%를 첨가하였다. 혼합된 분말을 80 Ton 분말전용 성형 프레스에 지름 32 mm 원 통형 금형을 사용하여 700 MPa 압력으로 성형 한 후 연 속소결로에서 탈바인딩과 소결을 실시하였다. 최적의 소

Table 1. Chemical compositions of Al-Zn-Mg and Al-Si-SiC powders

Chemical Composition (wt%) vol.%

Si Cu Mg Fe Ti Zn Al SiC

Al-Zn-Mg alloy powder - 1.5 2.5 - - 5.5 Balanced -

Al-Si-SiC composite powder 9 0.2 0.5 0.2 0.2 - Balenced 20

Fig. 1. Experimental flowchart (a) and sintering condition (b).

(3)

결온도를 찾기 위하여 그림 1(b)와 같이 400

^o

C 에서 1시간 동안 탈지를 한 후 565-585

^o

C 온도 구역에서 5

^o

C 단위의 조건별로 1시간동안 소결하여 최적의 소결온도를 구하기 위한 실험을 실시하였다. 탈지, 소결, 그리고 냉각공정은 초고순도질소(99.999%)를 사용한 분위기에서 실시하였다.

소결된 시편을 기계적 특성을 향상시키기 위해서 T6 열처 리 공정을 실시하였다. T6 공정은 470

^o

C 의 로에서 1시간 유지 후 수냉하는 용체화처리, 이 후 125

^o

C의 온도에서 24 시간 유지 후 공냉하는 시효처리로 구성되어있다.

2.3. 특성평가

합금분말과 복합분말의 소결온도 조건을 예측하기 위하여 혼합분말을 열중량-시차열분석기(TG-DTA, TA Instruments, SDT2960 & Netzsch, STA409pc)를 이용하여 상온에서 800

^o

C 까지 질소분위기에서 분당 10

^o

C 의 승온속도로 열중 량 변화를 측정하였다. 분말의 형상 및 시편의 단면은 광 학현미경(optical microscope; OM, Nikon)과 주사전자현미

경(scanning electron microscope; SEM, JEOL, JSM-5800) 을 사용하여 관찰하였다. 최적화된 소결온도를 구하기 위 하여 밀도는 소결 후에 아르키메데스법으로 측정하였고 로크웰경도기(Mitutoyo, Ar-10)를 이용하여 HRB(100 Kg/f) 를 기준으로 하여 소결된 시편의 경도를 측정하였다. 인장 시험기(INSTRON, INSTRON4206)를 이용하여 소결된 시 편을 MPIF standard 10 기준으로 시편을 제작하여 인장시험 을 수행하여 하중-변형률 데이터를 통해 인장강도를 측정하 였다. 내마모 특성평가는(R&B, 102-PD) 열처리된 지름 32 mm 원통형 시편의 표면을 연마한 후, 지름 6.35 mm 강구를 10 N 의 하중, 100 mm/s의 속도로 시편표면을 마모시켜 마모 전 후의 무게감소로 마모특성을 평가하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2(a, b)에는 주사전자현미경으로 관찰된 Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si-SiC 복합분말의 표면과 단면사진이 나 Table 2. Mixing rate between Al-Zn-Mg and Al-Si-SiC powders for sintering process

Composition Detail composition

Al-Zn-Mg alloy powder

(wt.%)

Al-Si-SiC composite powder

(wt.%)

Additional elements (wt.%)

Binder (wt.%)

Cu Mg Zn

A Al-Zn-Mg 100 0 -

ㄴ-

- -

B 5 wt.% Al-Si-SiC 95 5 0.075 0.1 0.275 0.025

C 10 wt.% Al-Si-SiC 90 10 0.15 0.2 0.55 0.05

Fig. 2. SEM Microstructure of (a) Al-Zn-Mg alloy and (b) Al-Si-SiC composite powders. TG-DTA data of (c) Al-Zn-Mg alloy

and (d) Al-Si-SiC composite powders.

(4)

타나있다. 그림에서 볼 수 있듯이 Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si-SiC 복합분말의 형상이 매우 불규칙하고 표면도 매 우 거칠어, 둥글고 깨끗한 분말보다 비표면적이 넓게 나타 나 입자간의 결합 및 반응이 쉽게 일어나 소결성에 우수 한 특성을 가질 것으로 판단된다[14]. 가스분무법으로 제 조된 Al-Si-SiC 복합분말은 그림 2(b)에 삽입된 단면사진 에서 볼 수 있듯이 약 10 µm의 SiC입자가 Al 분말내부에 고르게 분산되어 우수한 내마모 특성을 가질 것으로 판단 된다[12].

Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si-SiC 복합분말의 최적 소결 온도를 구하기 위하여 열중량-시차열분석기로 분석한 결 과를 각각 그림 2(c, d)에 나타내었다. Al-Zn-Mg 합금분말 은 450

^o

C 에서 Al-Mg 공정반응, 630

^o

C 에서 용융됨을 2(c) 와 같이 알 수 있었다. 또한 Al-Si-SiC 복합분말에서는 430

^o

C 에서 Al-Cu 공정반응, 450

^o

C 에서 Al-Mg 공정반응, 570

^o

C 에서 Al-Si 공정반응이 나타났다(그림 2(d)). Al-Zn- Mg 합금분말과 Al-Si-SiC 복합분말의 열중량분석 결과 400

^o

C 부근의 온도에서 무게가 급격하게 감소하였다. 이 는 바인더로 사용된 EBS가 기화되면서 무게가 감소된 것 으로 판단된다. 두 분말 모두 바인더의 제거는 400

^o

C부근 에서 일어남을 확인하였다. Al-Zn-Mg 합금분말의 경우 450

^o

C 에서 630

^o

C 온도 범위에서 그리고 Al-Si-SiC 복합분말 에서는 570

^o

C 정도의 온도에서 이상적인 소결이 된다고 예상 하고 최적 소결온도를 구하기 위한 실험을 실시하였다.

A 조성, B 조성 및 C 조성의 소결온도에 따른 소결밀도

변화는 그림 3과 같이 나타났다. A 조성의 경우 580

^o

C까 지 밀도가 96%로 증가하다가 585

^o

C 에서 91.5%로 감소하 였다. B 조성은 575

^o

C 에서 97.9%, C 조성은 570

^o

C 에서 98.2%의 최대 밀도를 가지며 그 이상의 온도에서는 다시 밀도가 감소하였다. 시편이 최대밀도 이상의 온도에 도달 하면 MgO로 인한 액상이 시편외부로 정출되고, 시편내부 에는 기공이 생겨 밀도가 감소되는 것으로 판단된다. 각 조성별 최적화된 소결온도는 최대밀도를 나타내는 온도와 동일한 A 조성에서는 580

^o

C, B 조성에서는 575

^o

C, C 조 성에서는 570

^o

C 에서 최적 소결이 일어남을 확인하였다.

Fig. 3. Sintering densities of composition A, B and C dependant on the sintering temperature.

Fig. 4. (a) Optical Microstructure images of sintered composition A at various temperature, (b) Optical Microstructure images of

sintered composition A, B and C at the temperature of 580

^o

C, 575

^o

C and 570

^o

C.

(5)

낮아지는데, 이는 복합분말이 증가함에 따라 추가적인 Mg 의 첨가량이 증가하게 되며 소결온도가 낮아지는 것으로 판단된다.

광학현미경(OM)을 이용하여 관찰한 Al-Zn-Mg 합금분 말시편인 A 조성의 단면조직을 그림 4(a)에 나타내었다.

기공율이 570

^o

C 에서 7.9%이며, 580

^o

C 에서는 4%로 대부 분의 기공이 사라진 것을 확인하였다. 585

^o

C 의 기공의 양 이 8.5%로 다시 증가하였으며, 이는 소결온도별 밀도변화 결과와 일치함을 알 수 있었다. 최적 소결온도 이상에서는 시편 외부에 액상이 정출되어 내부에 다시 기공이 형성됨 을 알 수 있었다. 그림 4(b)는 A, B, C 조성별로 최적화된 온도에서 소결한 시편의 단면을 광학현미경으로 관찰한 결과이다. Al-Si-SiC 복합분말의 양이 증가함에 따라 단면 에 SiC양이 증가하는 것을 알 수 있었으며, B 조성에서는 SiC 의 양이 적고 응집되어 있는데, 이는 Al-Si-SiC 복합분 말의 첨가량이 적어 SiC 입자가 부분적으로 응집된 것으 로 확인되었다.

Al-Zn-Mg 합금분말에 Al-Si-SiC 복합분말의 첨가에 따 른 소결공정 이후의 측정된 경도를 그림 5(a)에 나타냈으 며, T6 공정 이후의 경도를 그림 5(b)에 나타내었다. 소결 공정 이후에는 A 조성, B 조성, C 조성은 각 각 63 HRB (100 Kg/f), 65 HRB, 60 HRB로 비슷한 경도 값을 보였다.

T6공정 이후 A 조성, B 조성, C 조성의 경도는 각 각 87 HRB, 81 HRB, 63 HRB이었다. T6 공정 이후의 경도는 A 조성과 B 조성의 경우에는 각 각 63 HRB에서 87 HRB, 65 HRB에서 81 HRB로 경도가 증가하였으나, C 조성은 60 HRB 에서 63 HRB로 큰 증가를 보이지 않아 T6 처리 효과가 나타나지 않는 것으로 판단된다. Al-Zn-Mg 합금분 말의 용체화 온도는 470

^o

C, 시효처리 온도는 125

^o

C 이고 Al-Si-SiC 복합분말의 용체화 온도는 500

^o

C, 시효처리 온 도는 170

^o

C 로 그 조건이 서로 다르다. 즉, 기지 분말인 Al- Zn-Mg 합금분말의 용체화와 시효처리 온도에 따라서 T6 공정을 실시하였기 때문에 Al-Si-SiC 복합분말이 함량이 증가할수록 용체화가 완전하지 않기 때문에 전체적으로 T6 열처리 효과가 감소한 것으로 판단된다.

마모시험 결과 Al-Zn-Mg 합금분말에 Al-Si-SiC 복합분말 을 0 wt.%, 5 wt.% 및 10 wt.% 첨가함에 따라 내마모성 (Specific Wear Rate 10

⁻¹⁵

m

³

/Nm)이 그림 6(a)와 같이 각 각 0.75, 0.65, 0.30으로 향상되었다. Al-Si-SiC 첨가량이 10 wt.%가 되면서 내마모성은 원래의 Al-Zn-Mg 합금소재 에 비하여 150% 향상됨을 알 수 있었다. 5 wt.%의 Al-Si- SiC 복합분말의 첨가가 내마모성에 크게 영향을 주지 못 하는 이유는 그림 4(b)의 조성별 단면조직사진에서 볼 수 있듯이 SiC particle이 적고 서로 뭉쳐져 분산 강화효과를 크

Fig. 5. Hardness of composition A, B and C after (a) sintering and (b) T6.

Fig. 6. Specific Wear rate of composition A, B and C (a) and

wear track image of composition B (b).

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게 작용하지 못한 것으로 판단된다. 그러나 복합분말의 함량 이 증가함에 따라 거시적으로 SiC particle이 분산되어져 있 는 것으로 나타나 있어 이 결과 내마모성의 증가를 가져오 는 것으로 판단된다. 마모시험 후 마모트랙은 그림 6(b)와 같 이 관찰되었으며 마모율은 0.00002804 g/m(0.00001023 mm

³

/m)이었다.

그림 7(a)는 Al-Si-SiC 첨가에 따른 T6 처리 이후의 하 중-변형률 그래프로 Al-Si-SiC 복합분말 첨가량이 0 wt.%, 5 wt.%, 10 wt.%일 때 인장강도는 각 각 480 MPa, 385 MPa, 223 MPa로 나타났으며 연신율은 4.5%, 3.9%, 4.0%임을 알 수 있었다. 소결과 T6 처리에 따른 인장강도의 변화는 그림 7(b)와 같이 나타났다. T6 공정 전 후로 강도를 관찰 해보면 A 조성과 B 조성은 각 각 310 MPa에서 480 MPa 로 55%, 250 MPa에서 385 MPa로 54% 인장강도가 증가 하였다. C 조성의 경우는 196 MPa에서 223 MPa로 14%

인장강도가 향상되었으나, A 조성과 B 조성에 비하여 크 지 않아, T6 처리 효과가 적었으며, 이는 경도와 같은 이 유인 용체화가 완전하지 않아 나타난 것으로 판단된다. B 조성의 인장시편 파면을 주사전자현미경으로 관찰한 결과 를 그림 7(c, d)에 나타내었다. 확대된 파면사진인 그림 7(d)에서 볼 수 있듯이 기지조직과 강화상의 결합력이 우 수하여 강화재가 입내파괴를 일으킨 것과 파면에 작은 석 출강화상 입자들이 pull-out된 것과 같은 다양한 인장강도

향상 기구들의 증거를 확인할 수 있었다. B 조성의 경우 Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si-SiC 복합분말의 소결과 T6 처리 효과가 가장 우수하여 강도와 내마모성 향상을 위한 최적조성으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 내마모성이 우수한 Al-Si-SiC 복합분말 을 가스분무법으로 제조하였으며, 이 분말을 고강도용 Al- Zn-Mg 합금분말과 혼합한 후 비가압 분위기소결을 통해 고밀도로 소결 가능함을 확인하였다. 이를 통해 제조된 복 합재료의 기계적 특성을 평가한 결과, 복합분말의 분율제 어를 통해 강도와 내마모성을 제어 가능함을 확인하였다.

보다 구체적으로 요약하면, Al-Zn-Mg 합금분말과 Al-Si- SiC 복합분말의 혼합비에 따라 A 조성은 580

^o

C 에서 96%, B 조성은 575

^o

C 에서 97.9%, C 조성은 570

^o

C 에서 98.2%

의 소결 상대밀도로 최적의 소결온도를 나타내었다. 소결 온도에 따른 Al-Zn-Mg 합금분말 소결체의 단면을 관찰한 결과 최적의 소결온도인 580

^o

C 까지는 조직이 기공율 4%

로 치밀화 되었으나, 585

^o

C 에서는 액상이 외부로 정출되 어 내부에 기공이 발생하여 밀도가 감소하고 기공이 8.5%

로 증가하였다. 소결체의 경도는 T6 처리 이후 A 조성, B 조

성, C 조성 별로 따라 각각 87 HRB. 81 HRB 및 63 HRB이

Fig. 7. Tensile Strength of composition A, B and C (a, b) and fracture surface images of composition B (c, d).

(7)

었으며, 인장강도는 각각 480 MPa, 385 MPa 및 223 MPa 로 나타났다. Al-Zn-Mg 합금분말에 Al-Si-SiC 복합분말이 5 wt.% 첨가되었을 때 인장강도는 385Mpa로 Al-Zn-Mg 합금분말에 비하여 20% 감소하였지만 내마모성은 15%

증가하여 두 분말의 최적 혼합조성임을 알 수 있었다. SiC 를 따로 혼합하지 않고, SiC 입자가 Al 결정립 내부에 분 산 강화된 Al-Si-SiC 복합분말로 Al-Zn-Mg 합금소재와 혼 합하여 소결한 결과 강도를 유지하면서 내마모성이 향상 된 결과를 확보할 수 있음을 확인하였다.

감사의 글

본 연구는 지경부/한국산업기술평가관리원의 소재원천 기술개발사업 일환인 “AI계 복합분말 이용 인장강도 370 MPa 이상의 자동차용 경량 소결소재 기술개발”의 지원에 의한 것입니다.

References

[1] R. M. German: Powder Metallurgy of Iron and Steel, John Wiley and Sons(Ed.), New York (1997) 29.

[2] A. D. Romin. Jr and M. J. DeHaemer: ASM Handbook Vol 7 Powder Metal and Technologies and Applications, Peter W. Lee(Ed.), ASM International (1998) 751.