Microstructures and Mechanical Properties of AM80-xSn Magnesium Alloys with Semi-Solid casting and Hot Extrusion Process

AM80-xSn 마그네슘 합금의 반응고 주조 및 압출에 따른 미세조직 및 기계적 특성

김대환 *^,***·임인택 **·Qinlin Jin****·임수근 *^,***^†

경상대학교 *항공기부품기술연구소, **생산기술공학과, ***재료공정융합공학과, ****곤명이공대학

Microstructures and Mechanical Properties of AM80-xSn Magnesium Alloys with Semi-Solid casting and Hot Extrusion Process

Dae-Hwan Kim*^,***, In-Taek Im**, Qinlin Jin**** and Su-Gun Lim*^,***^†

*ReCART, Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Korea

**Dept. of production engineering, Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Korea

***Dept. of materials manufacturing processing, Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Korea

****Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China

Abstract

In a recent study, the microstructures and mechanical properties of AM80-xSn magnesium alloys with semi solid casting and hot extrusion process were investigated. With increasing Sn content, the amount of β(Mg2Sn) phase increased, while the α-Mg den- dritic size decreased. The hardness was increased by the Mg2Sn as the Sn content increased. With increasing Sn content, permanent mold cast and semi solid cast AM80 Mg alloy showed less reduction of hardness and also of extruded AM80 Mg alloy after annealing. In the case of the mechanical properties, the extruded semi solid casting AM80 Mg alloy showed higher tensile strength and yield strength with increasing Sn content compared to the extruded permanent mold cast AM80 Mg alloy at room temperature.

Key words: Semi-solid casting, Mg2Sn, Sn-addition, Hot-extrusion

1. 서 론

과거, 자동차 산업에서는 원가절감을 기준으로 부품 및 그 재료의 개발이 이루어졌으나 최근, 전 세계적으로 환경규제가 강화됨에 따라 경량화를 통한 저공해, 고연비를 목표로 연구 및 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이로 인해 자동차 부품 의 경량화를 위한 적용 소재로서 마그네슘 합금이 각광받고 있으며, Mg-Al계 합금은 합금화 원소인 Al과 미량의 Mn이 첨가되어 다른 마그네슘 합금에 비해 우수한 주소성 및 기계 적 특성을 나타낸다. 또한, 6 wt.% 이상의 Al이 첨가될 시 열처리를 통하여 그 특성을 향상시킬 수 있는 장점도 지니고 있다[1]. 하지만 제 2상(Mg17Al₁₂)의 낮은 열적 안정성으로

인하여 150^oC 이상에서의 사용에는 그 한계가 있어 자동차 의 기어 박스 하우징과 같은 파워트레인 부품으로의 적용이 어렵다. 이 때문에 Al과 반응성이 높은 합금원소를 첨가함으 로써 Mg17Al₁₂상의 생성을 억제하고 열적 안정성이 우수한 이차상을 형성에 대한 연구 등이 진행되고 있다. 그 중 Sn 을 첨가한 Mg-Sn계 합금은 Sn첨가에 의해 형성된 Mg2Sn 상의 용융점이 높아 마그네슘 합금의 고온 특성 향상에 기여 하는 것으로 보고되고 있고[2] 또한, 압출 공정 시 압출 중 에 발생하는 높은 열에 의해 소재 표면에서의 국부적인 용해 가 발생하고 이로 인해 표면에서 터져 나가는 Hot tearing현 상을 개선시킬 수 있는 방법으로 제시되고 있다[3]. 마그네슘 합금의 고온 특성을 개선시키는 방법 중 희토류 원소(RE)를

Received: Oct. 22, 2016 ; Revised: Nov. 22, 2016 ; Accepted: Dec. 9, 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 2016. Vol. 36 No. 6, pp. 215~221 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2016.36.6.215 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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original work is properly cited.

첨가하는 방법은 비용 면에서 철강 및 알루미늄에 비해 경쟁 력을 떨어뜨리게 되고, 알칼리토금속(Ca, Sr)을 첨가하는 경 우 용탕 유동성의 저하, 열간 균열, 금형 점착 등의 주조성이 현저히 나빠지는 문제점을 보이고 있다[4]. 또한, 비교적 저렴 한 첨가원소 Si를 첨가하는 방법은 Si의 융점이 약 1,023^oC 로 첨가 시 열적 안정성을 가진 Mg2Si상을 형성하지만, 서 냉일 경우 조대한 Chinese script 형태의 상을 형성시켜 합 금의 기계적 특성을 현저히 저하시키는 요인이 된다. 이에 반해, 첨가원소 Sn첨가는 생성상의 형상 제어가 필요 없으며 열적으로 매우 안정한 Mg2Sn상의 형성으로 고온 특성을 향 상시키는 것으로 보고되고 있다[5].

따라서 본 연구에서는 AM80 마그네슘 합금을 사용하여 마그네슘 합금의 상온 및 고온 특성 향상 Sn첨가 및 반응고 주조[6,7]의 영향에 대해 조사하였다. 이에 따라 AM80 마그 네슘 합금에 Sn 첨가하고 냉각판주조법 이용하여 반응고 AM80 마그네슘 합금을 제조하였으며, 이를 열간 압출을 수 행함으로써 첨가원소가 반응고 AM80 마그네슘 합금의 기계 적 특성 및 고온 특성에 미치는 영향을 비교 분석하였다.

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 합금은 (주) EMK사에서 제조된 AM80 마그네슘 합금에 1, 3, 5 wt.%의 Sn을 첨가하였다. 반응고 주조의 비교 대상군으로서 금형주조 합금을 제조하였고, 전기 저항로를 이용하여 용해 및 주조를 실시하였다. 이 때 용탕의 산화 및 발화 방지를 위하여 CO2+SF₆혼합보호가스 분위기 하에서 용해/주조를 실시하였으며, 완전 용해 후 30분 유지 후 xSn(x = 1, 3, 5 wt.%)을 각각 첨가하여 교반하였다. 이 후 300^oC로 가열한 금형에 중력주조하고 600s 후 수냉하였 으며 반응고 주조의 경우, 650^oC의 주입온도에서 490^oC로 예열된 금형에 경사각 50도, 250 mm의 길이의 냉각판에 용

탕을 흘려 보내고 30s 유지 후 수냉하여 제조하였다. 주조된 금형 및 반응고 합금은 직경 50 mm, 길이 100 mm로 기계 가공하여 압출용 빌렛으로 제조하였으며, 320^oC의 온도에서 1시간 예열 후, 램 속도 2 mm/s, 압출비 27:1의 동일한 조 건으로 직경 10 mm의 압출봉재를 제조하였다. 각 합금의 미 세조직 관찰에는 광학현미경(OM), 주사현미경(SEM), 에너지 분산분석기(EDS) 및 X-선 회절 시험기(XRD)를 사용하였으 며, Autosigma 3000 (Electrical conductivity meter)장치를 이용하여 전기전도도를 측정하였다. 경도 측정은 로크웰경도 기 E Scale, 하중 100 kgf로 측정하여 산술평균값으로 나타 내었고, 전기로를 이용하여 50^oC부터 400^oC 온도구간에서 각각 2시간 어닐링 처리한 후 수냉하여 경도 변화를 측정하 였다. 기계적 특성 평가는 금형 및 반응고 주조 압출재를 ASTM E8 small size specimen 4의 규격에 따라 제조하고, 변형률 속도 1.56 × 10⁻³/s의 조건하에 상온에서 인장시험을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 1은 Sn의 첨가에 따른 금형 및 반응고 주조 AM80 마그네슘 합금의 미세조직 변화를 나타낸 것이다. 일반적으로 Mg-Al계 합금의 경우 사형 주조나 금형 중력 주조와 같이 느린 냉각속도를 갖는 주조 시 조대하게 형성되는 α-Mg 초 정상 주변으로 비평형의 β상인 Mg17Al₁₂상이 분포하는 것으 로 잘 알려져 있다[8]. Sn을 첨가한 금형 및 반응고 주조 AM80 마그네슘 합금 미세조직에서 α-Mg 초정상 주변으로 비평형의 β상인 Mg17Al₁₂상과 Sn의 첨가에 따른 새로운 상 인 Mg2Sn을 형성하는 것으로 보고되고 있으며[2,3,5], Sn의 첨가량이 증가됨에 따라 상의 분율 및 상의 크기가 증가됨을 볼 수 있다. 그리고 주조법에 따른 합금의 미세조직은 일반 적인 금형 주조 합금의 경우 다소 긴 시간의 냉각시간에 따

Fig. 1.

라 원자의 확산으로 인하여 비교적 조대한 α-Mg 수지상이 관찰되었으나 반응고 합금의 경우 미세하고(70~80 μm) 등축에 가까운 α-Mg상 주변으로 Mg17Al₁₂ 망상 구조로 분포하는 것 을 알 수 있다. 제조된 합금에서 시료를 채취하여 생성된 상 을 분석하기 위하여 X-선 회절 분석시험을 실시하여 그 결 과를 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2는 AM80-xSn 마그네슘 합금의 X-선 회절 분석 결

과를 나타낸 것이다. X-선 회절 분석 결과, 모든 합금에서 공 통적으로 α-Mg과 β상인 Mg17Al₁₂의 peak이 관찰되었으며, Sn이 첨가됨에 따라 새로운 상인 Mg2Sn이 생성된 것을 확 인할 수 있었으며, Sn함량이 증가할수록 Mg2Sn상의 회절강 도가 또한 증가함을 확인할 수 있었다.

Fig. 3은 제조된 각 합금에 대해 주사전자현미경을 이용한 미세조직 관찰 결과이다. 미세조직 관찰 결과에서 다소 어두 운 상으로 α-Mg와 그 주변으로 분포하는 Mg17Al₁₂상을 관찰 할 수 있었으며, Sn의 첨가량이 증가함에 따라 Mg17Al₁₂상과 같이 입계주변으로 밝은 영역의 polygon 형태의 Mg2Sn상이 증가됨을 확인할 수 있었다. 그리고 일부, AM50, AM60과 같이 Mg-Al-Mn계 합금에서 나타나고 내식성 향상에 영향을 미치는 AlMn 금속간 화합물도 관찰되었다.

Fig. 4는 Sn 첨가량에 따른 AM80-xSn 합금 주조재의 경 도와 전기전도도 측정 결과를 나타낸다. Sn 함량이 증가함에 따라 전체적인 경도 특성은 향상되는 것으로 나타났으며, Fig. 4(a) 금형 주조재의 경우 5 wt.% 첨가 시 Sn을 첨가하 지 않은 주조재에 비해 경도값이 6HRE이상 증가하였다. 이 는, Sn의 첨가로 고온 안정한 Mg2Sn상을 형성함으로써 경 도가 증가된 것으로 판단된다. 또한, Fig. 4(b) 반응고 주조 재의 경우에도 5 wt.% 첨가 시 Sn을 첨가하지 않은 반응고 주조재 보다 경도가 증가하였다. 한편, 반응고 주조재는 금형 주조재와 비교하였을 때, Sn 첨가량에 따른 경도가 평균적으 로 약 6HRE이상 증가하였으며, 이는 결정립 크기와 항복응

Fig. 2.

Fig. 3.

력 간의 관계를 나타내는 Hall-Petch 식에 따르면[9], 결정립 크기가 감소할수록 항복강도가 증가한다고 보고되고 있다. 항 복응력과 경도의 상관관계에서 볼 때, 앞서 반응고 주조재의 미세조직(Fig. 2)에서 관찰되었던 α-Mg의 미세화가 경도 향 상에 영향을 미쳤을 것으로 판단된다. 전기전도도는 금형, 반 응고 주조재 모두 Sn 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 것 으로 나타났는데, 이는 합금원소 첨가량이 증가함에 따라 합 금내의 강도와 경도는 높아지는 반면에 금속내부의 원자가 불규칙하게 배열되어 전자의 이동을 방해함으로써 전기전도율 이 낮아진 것으로 사료된다.

Fig. 5는 금형 주조 및 반응고 주조 빌렛으로 압출한 압출 재의 표면이다. 마그네슘 합금은 압출 가공 시에 산화에 의 하여 흑갈색으로 변색하는 동시에 양단부에 미소한 균열이 발생하고 크게 진전하는 경우가 많다[6]. 본 연구에서는 압출 온도 320^oC, 예열시간 1시간, 압출비 27:1, 램속도 2 mm/s로 압출을 수행한 결과, 금형 주조와 반응고 주조로 제조한 압출 재의 모두 표면균열이나, 크랙 등의 결함이 없는 미려한 표면 의 압출재를 제조 할 수 있었다. 하지만 금형 및 반응고 빌 렛을 동일한 압출 조건에서 압출 시, Sn의 첨가량이 증가함에 따라 부하 압력은 증가하였으나 금형 주조 빌렛에 비해 반응 고 주조 빌렛의 경우가 최대 압출압력이 낮은 것으로 나타났

다. 이는 반응고 주조 시 형성된 구형의 미세조직이 열간 압 출 시 소성 가공성을 향상시키는대 기인한 것으로 보여진다.

Sn 첨가량을 달리하여 압출한 금형 및 반응고 압출재의 경도 및 전기전도도 측정 결과는 Fig. 6에 나타내었다. 반응 고 AM80 마그네슘 합금 압출재는 Sn 첨가량이 증가함에 따라 전체적인 경도가 향상되었고, 금형 주조 압출재에 비하

Fig. 5.

alloys; (a) Permanent mold casting, (b) Semi solid casting.

Fig. 4.

Fig. 6.

여 상대적으로 경도가 높게 나타났다. 이는 빌렛이 압출 금 형을 통과하는 동안 열간 압출 응력의 영향으로 인해 경도가 향상된 결과이며, 전기전도도는 Sn의 첨가량이 증가함에 따라 감소하는 것으로 앞서 측정한 주조재의 결과와 동일한 경향 을 나타내었다.

Fig. 7과 8은 Sn 첨가량에 따른 금형 및 반응고 AM80 마그네슘 합금 압출재의 기계적 특성을 알아보기 위해 실시 한 인장시험의 공칭응력-공칭변형률 곡선과 각 합금의 기계적 특성을 나타낸 것이다. 인장시험 결과에서, 금형 압출재의 경 우 Sn의 첨가량이 3 wt.%일 때 인장강도 300 MPa 항복강 도 206 MPa 연신율 8.4%로 가장 우수하게 나타났으며, 반 응고 압출재도 Sn의 첨가량이 3 wt.%일 때 인장강도 324 MPa 항복강도 229 MPa 연신율 8.5%로 가장 우수하였다.

Table 1를 참조하여 볼 때, 전체적으로 Sn을 3 wt.%까지 첨 가할수록 인장강도, 항복강도는 증가하였으며, Sn의 첨가량이 그 이상(5 wt.%Sn)일 때, 금형 및 반응고 압출재 모두 기계

적 특성은 감소하였다. 이는 Sn 첨가량이 증가됨에 따라 Mg₂Sn상이 조대화되고, Mg2Sn상의 분율이 증가되나 Mg-Al 계 합금에서 기계적 특성에 기인하는 Mg17Al₁₂상의 분율이 감소하기 때문으로 사료된다.

Fig. 9는 Sn의 첨가량을 달리한 AM80 마그네슘 합금의

Fig. 7.

room temperature ; (a) Extruded of PMC and (b) SSC.

Fig. 8.

Table 1.

Sn contents

AM80 Mg alloys

Permanent mold casting Semi-solid casting U.T.S

(MPa) Y.S (MPa) El.

(%) U.T.S (MPa) Y.S

(MPa) El.

(%)

0wt.% 281 184 9.5 301 209 10

1wt.% 292 194 8.7 298 208 8.9

3wt.% 300 206 8.4 324 229 8.5

5wt.% 297 210 9.3 317 221 8.8

주조재와 압출재를 상온에서 400^oC까지 2시간 어닐링을 하 였을 때의 경도변화를 나타낸 그래프이다. 여러 형태의 소성 가공을 받은 합금은 어닐링에 의해 미세조직 및 기계적 성질 등이 바뀌며 이러한 성질은 합금계, 합금조성, 불순물 및 가 공도 등에 의해 영향을 받는다[10]. 주조재 경우 250^oC에서 전체적인 경도가 상승하였으나, 400^oC에서는 급격하게 감소하 였는데, 금형 주조재의 경우 400^oC에서 상온보다 약 6.5HRE 가 감소하였으나, Sn을 3 wt.% 첨가한 합금에서는 약 3.2 HRE가 감소하였다. 또한 반응고 주조재의 경우 400^oC에서 상온보다 약 3.2HRE가 감소하였으며, Sn을 3 wt.% 첨가한 합금에서는 약 2.4HRE가 감소한 것으로 비교적 감소폭이 미소하게 나타났다. 한편 금형 및 반응고 압출재의 경우 400^oC에서 각각 경도가 상온보다 약 9.4HRE, 9.2HRE 감소 하였으며, Sn을 5 wt.% 첨가한 합금에서 각각 8.21HRE, 8.48HRE로 온도가 증가함에 따라 경도는 점차 감소하는 연 화거동이 나타났다.

Fig. 10는 400^oC에서 어닐링 처리한 각 합금의 미세조직 을 나타낸 것이다. 미세조직 관찰 결과에서 400^oC에서 어닐 링 처리한 모든 합금에서는 본 연구에 사용된 AM80-xSn 합금의 주 강화상이지만 고온특성이 취약한 Mg17Al₁₂상은 대 부분 분해 및 고용된 것으로 보이며, 이로인해 앞서 측정한 경도시험에서 합금의 경도가 감소한 것으로 보여진다. 또한

어닐링 처리 시간이 증가할 경우 합금의 경도는 보다 더 감 소할 것으로 보인다. Sn을 첨가한 합금이 첨가량이 적거나 첨가하지 않은 합금에 비해 전체적인 경도의 감소가 비교적 미소한 것은 400^oC 온도구간에서 관찰되는 Mg2Sn상이 고온 에서도 분해되지 않고 잔존함에 따라 합금의 경도의 감소폭 을 줄인 것이라 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 반응고 AM80 마그네슘 합금의 열간 압출 및 고온 특성에 미치는 Sn첨가의 영향에 대해 비교 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 주조 시, 반응고 AM80 마그네슘 합금은 Sn첨가량이 증가함에 따라 형성되는 Mg2Sn상과 냉각판법을 통한 약 60μm 이하의 α-Mg 초정상을 가짐으로서 금형 주조재에 비 해 경도가 증가하였다. 그리고 전기전도도는 주조재와 압출재 모두 Sn의 첨가량이 증가함에 따라 감소하였다.

2) 압출온도 320^oC, 램속도 2 mm/s 압출비 27:1의 열간 압출조건에서 표면이 미려한 압출재를 제조할 수 있었다. Sn 첨가량이 증가함에 따라 열간 압출 시 압출압력은 다소 증가 하나 등축의 미세조직을 가지는 반응고 합금의 경우 금형주 조합금에 비해 비교적 낮은 압출압력으로 압출이 가능하였다.

Fig. 9.

3) 어닐링 처리 시, 금형과 반응고 AM80 마그네슘 합금 주조재의 경도는 전반적으로 감소하는 경향을 보였지만, Sn의 첨가량이 증가함에 따라 그 감소폭이 작은 것으로 나타났다.

또한, 상온에서는 Sn의 첨가량이 증가함에 따라 인장강도와 항복강도가 향상된 것으로 볼 때, Sn의 첨가는 기지 내에 고용된 Sn의 고용강화 효과와 함께 결정립계에 강화상으로 존재하는 고온에서 안정한 Mg2Sn상의 생성으로 인하여 마그 네슘 합금의 고온 특성 향상에 기여한다고 판단된다.

감사의 글

이 논문(저서)은 2015년 교육부와 한국연구재단의 지역혁신 창의인력양성사업의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF-2015- H1C1A1035901).

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Fig. 10.