Effects of Mg Addition on Heat Treatment and Mechanical Properties of A356 Alloy

Mg 첨가에 따른 A356 합금의 열처리 및 기계적 특성 변화

조재찬 *·김광삼 *·임인택 **·김대환 *^,***·심성용 ****·임수근 *^,***^† 경상대학교 *재료공정융합공학과, **생산기술공학과, ***항공기부품기술연구소, ****한국항공우주산업

Effects of Mg Addition on Heat Treatment and Mechanical Properties of A356 Alloy

Jae-Chan Jo*, Kwang-Sam Kim*, In-Taek Im**, Dae-Hwan Kim*^,***, Sung-Yong Shim**** and Su-Gun Lim*^,***^†

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

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

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

****Korea Aerospace Industries, Ltd., Sacheon 52529, Korea

Abstract

The effects of Mg addition on heat treatment and mechanical properties of A356 alloy were investigated. With increased amounts of Mg addition to A356 alloy, the grain size decreased and eutectic Si was refined. And, this process can improve the mechanical properties. Solid solution heat treatment causes the spheroidizing of eutectic Si. In this study, although eutectic Si was refined with Mg addition, solid solution time increased from 2 hours to 6 hours with Mg addition, and aging time also increased, from 4 hours to 8 hours. After heat treatment, Mg2Si remained in a formation of Chinese script. And, Chinese script Mg2Si formed with Mg addition caused a reduction of the elongation of the alloys according to the stress concentration.

Key words: A356, Mg addition, Heat treatment, Mg2Si phase, Refinement

1. 서 론

융점이 낮고 비강도가 우수한 알루미늄 합금은 경량화가 요구되는 항공기, 자동차, 선박 등의 수송기기 분야의 부품 소재로 널리 사용되고 있다. 특히 Si과 Mg이 주요 합금원소 인 A356 합금은 주조성과 내마모성이 우수하고, 열처리를 통한 특성을 향상시킬 수 있어 자동차 엔진, 트렌스미션, 서 스펜션, 휠 등에 많이 적용되고 있다[1]. 이러한 A356 합금 의 기계적 특성은 공정 Si와 Fe계 화합물의 형상과 분포, 기지 내 Mg2Si상의 과포화 등에 영향을 받는다[2]. 일반적으 로 침상 형태로 정출되는 공정 Si은 균열의 원점으로 작용하 여 합금의 연성과 파괴인성을 감소시키는데[3], 개량화제인 Sb, Na, Ca 및 Sr 등의 합금원소 첨가로 공정 Si을 미세화

함으로써 개선시킬 수 있다[4]. 공정 Si의 개량화 처리는 열 처리 시 구상화 시간을 단축시키고 기계적 특성 향상을 향상 시키기 때문에 공업적으로 많이 이용되고 있으나[5], 용탕 내 유지시간에 따라 개량화 효과가 감소될 수 있기 때문에 주의 해야 한다[4]. A356 합금의 첨가원소 중 Mg은 Mg2Si상을 이루는 주요 합금원소로서 석출상의 양, α-Al 및 공정 Si 미세화 정도에 영향을 미치게 된다[6]. 공정 Si 미세화는 Mg 첨가량이 1.0% 이내로 증가함에 따라 발생하지만[7], 첨 가량이 2.0%가 넘어갈 경우에는 조대한 Mg2Si상이 정출되어 연성과 파괴인성이 감소된다[8]. 조대한 Mg2Si상은 급속응고, 용탕 활성화, 합금원소 첨가 등의 개량화 처리로 제어가능하 며, 이를 통해 주조재의 기계적 특성향상에 기여할 수 있다 [9]. 한편, 열처리형 합금인 A356 합금은 T6열처리로 기계적

Received: Oct. 31, 2016 ; Revised: Nov. 22, 2016 ; Accepted: Nov. 28, 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. 195~201 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2016.36.6.195 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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original work is properly cited.

인자를 제어하는 것이 중요하다. 공정 Si의 미세화로 주조재 의 기계적 특성을 향상시키고 열처리 시간을 단축시키는데 주로 사용되고 있는 개량화제 처리와 다르게[5,10], Mg 첨가 의 경우에는 Mg 첨가로 정출되는 Mg2Si가 합금의 열처리 조건과 열처리에 따른 기계적 특성에 영향을 미칠 것으로 예 상된다. 따라서, 본 연구에서는 열처리 전 A356 합금 주조 재의 기계적 특성에 영향을 미치는 결정립 및 공정 Si에 대 한 Mg 첨가의 영향을 고찰하고, Mg 첨가에 따른 A356 합 금의 열처리 조건과 열처리 특성 변화에 관하여 조사하였다.

2. 실험 방법

본 연구에 사용된 A356 합금의 조성은 습식분광분석기 (ICP)를 이용하여 분석하였다. A356 합금 용해는 700^oC로 설정된 전기용해로에서 1시간 동안 실시하였으며, 용해된 합 금에 0~5wt%의 Mg을 첨가하여 A356-xMg 합금을 제조하 였다. 이 때 용해과정에서 유입되는 가스를 제거하기 위해 탈가스 처리를 실시하였으며, 합금제조는 미리 예열(280^oC)된 원통형 금형(Φ60 × h120 mm)몰드에 주입하여 제조하였다.

Mg의 첨가량에 대한 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP 분 석을 실시하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 마그네 슘의 첨가량을 달리하여 제조한 각 합금의 매크로 조직을 관 찰하기 위하여 제조한 합금을 수직으로 절단하여 채취한 후, 혼합 부식액(hydrochloric acid (75 ml), nitric acid (15 ml), hydrofluoric acid (10 ml))에 수 초간 부식을 실시하였고, 실물 현미경을 이용하여 관찰하였다. 그리고 제조한 각 합금의 현미경 조직은 distilled water (150 ml), nitric acid (8 ml), hydrochloric acid (4 ml), hydrofluoric acid (2 ml)을 혼합 한 부식액에 수초 동안 부식시킨 후 광학현미경으로 관찰하 였으며, Mg 첨가에 따른 합금 내 생성된 상의 형상 및 성 분을 확인하기 위하여 SEM-EDS 분석을 실시하였다. 또한, Mg 첨가에 따른 A356 합금 열처리의 영향을 알아보기 위 해 용체화 처리와 시효처리를 실시하였다. 각 열처리 조건은 ASM handbook을 참고하였으며, 용체화처리는 염욕을 이용 하여 530^oC에서 9시간까지 실시하였고 시효처리는 유욕을 이용하여 155^oC에서 10시간까지 실시하였다. 각 열처리 온도

에서 Mg 첨가에 따른 영향을 조사하기 위해 전기전도도와 경도를 측정하고 각 구간에서의 미세조직을 관찰하였다. 전기 전도도 측정은 GE사의 AutoSigma 3000을 이용하여 IACS (International Annealed Copper Standard)로 7회 측정하고, 경도 측정은 비커스 경도기로 7회 측정한 후 각각 산술평균 하여 그 값을 나타내었다. Mg 첨가량에 따른 각 합금의 기 계적 특성 평가는 변형률 속도 1 × 10⁻³/s (cross head speed:

1.5 mm/min) 조건으로 상온에서 실시하였으며, 이 때 인장시 험편은 ASTM B557을 참고하여 제작하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 A356 합금의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 Mg의 첨가의 영향

Fig. 1은 Mg 첨가에 따른 As cast A356-xMg 합금의

Fig. 1.

(a) Mg free, (b) 1wt.%Mg, (c) 3wt.%Mg, (d) 5wt.%Mg.

결정립 크기와 매크로 조직을 나타낸 것이다. Fig. 1에 나타 낸 바와 같이 각 합금에서 외각과 중심부 사이의 결정립의 크기 편차는 크지 않았으며, Mg 첨가량이 증가함에 따라 평 균 결정립 크기는 감소하는 것으로 나타났다.

매크로 조직 관찰 결과를 바탕으로 각 합금의 평균 결정립 크기 및 경도 측정 결과를 Fig. 2와 Table 2에 나타내었다.

그 결과, Mg 첨가량이 증가함에 따라 평균 결정립의 크기는 510.3μm에서 213.7 μm로 점차적으로 감소하는 것으로 나타 났으며, 이로 인해 각 합금의 경도는 86.1HV에서 101.5HV 로 점차적으로 상승하는 것으로 나타내었다. 이는 합금의 응 고 시, 과냉도는 임계핵반경에 반비례하여 결정립 미세화에 영향을 미치는데[11], 본 연구에서는 Mg 첨가가 합금의 과 냉도를 증가시키는 요인으로 작용함에 따라 결정립이 미세화 되고 이 때문에 합금의 경도가 상승하는 하나의 요인으로 작 용한 것으로 사료된다.

Fig. 3은 Mg 첨가한 A356-xMg 합금의 X-선 회절시험을 실시한 결과로서, A356 합금에서 관찰되는 주요상과 Mg의 첨가에 의해 생성되는 새로운 상을 확인할 수 있었다. Mg 첨가됨에 따라 합금내에서는 Mg2Si상이 새롭게 생성되고 Mg의 첨가량이 점차적으로 증가함에 따라 이 상에 대한 픽 의 강도가 증가하는 경향을 나타냈었다.

Fig. 4와 5는 Mg 첨가에 따른 각 합금의 미세조직 변화 를 나타낸 것이다. Fig. 4에 보여지듯이 Mg 첨가량이 증가 함에 따라 공정 Si의 크기 및 형상의 변화를 관찰할 수 있

었다. 공정 Si 개량화 및 미세화는 A356 합금의 기계적 성 질에 큰 영향을 미치기 때문에 중요한 요인 중의 하나이다.

따라서 공업적으로 개량화는 Na, Sr, Sb 등의 원소첨가를 통해 주로 이루어지는데, 응고 시 이러한 개량화제가 과냉도 를 높이는 요인으로 작용함으로써 공정 Si가 미세화하게 된 다[4]. 본 연구에서는 Mg의 첨가량이 증가함에 따라 개량화 제와 유사하게 과냉도를 높이는 요인으로 작용하게 되었고, 이로 인해 공정 Si가 미세화된 것으로 보인다. 공정 Si의 미 세화가 합금의 경도를 증가시키는데 영향을 줄 수 있지만, 합금의 경도 증가의 주요요인으로는 보기 어렵다. 한편, Fig.

5에 나타낸 바와 같이 Mg을 3wt.% 이상 첨가한 합금의 미 세조직에서 경질의 Mg2Si가 관찰되기 시작하였고, 5%에서 Mg₂Si상의 크기와 그 분율이 점차 증가한 것을 확인할 수 있었다. Al-Mg2Si 상태도에 의하면, Al 내에 Mg2Si함유량이 1.85wt.%최대 고용도 이상일 때 Mg2Si가 정출하게 된다 [12]. 그리고 Mg2Si의 Mg과 Si 결합비는 1.73:1이므로 A356 합금에서 Mg2Si의 정출은 Mg의 첨가량에 의존함을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 Mg 첨가량 1%까지는 Mg2Si 의 정출량이 적어 경도향상에 크게 기여하지 않아 경도의 증 가가 미미하였으나, Mg 첨가량 3wt.% 이상에서는 Mg2Si상 의 정출량이 점차 증가됨에 따라 합금의 경도가 다소 증가하 는 것으로 판단된다. Park[7]은 A356 합금에 Mg이 첨가됨 에 따라 α-Al 기지 내에 Mg의 고용, 공정 Si의 미세화, 그 리고 경질의 Mg2Si상의 분율의 증가로 경도가 향상된다고 보고하였는데, 이는 본 연구결과와도 유사한 경향성을 보이고 있다.

3.2 A356 합금의 열처리 특성에 미치는 Mg의 첨가의 영향

Mg 첨가가 A356 합금의 열처리 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해, 특정 열처리 온도에서 열처리 시간에 따른 경도와 전기전도도 변화를 측정하여 그 값을 비교 분석하였

Fig. 2.

Table 2.

Mg contents

free 1wt.% 3wt.% 5wt.%

Hardness (Hv) 86.1 87.3 92.6 101.5

Grain size (µm) 510.3 411.8 353.1 213.7

Fig. 3.

Fig. 4.

Fig. 5.

다. Fig. 6은 530^oC에서 용체화처리 시간에 대한 경도와 전 기전도도의 변화를 나타낸다. 용체화처리가 진행됨에 따라 제 2상을 형성하고 있는 용질원소가 분해 및 고용되면서 전기전

도도와 경도가 감소하는 경향을 보였다. 일반적으로 용체화처 리 시간은 공정 Si의 형상과 그 분율에 의존하며, 공정 Si이 미세할수록 용체화처리 시간은 감소하게 된다[13]. 본 연구에

Fig. 6.

1wt.%Mg, (c) 3wt.%Mg, (d) 5wt.%Mg.

Fig. 7.

서는 Mg 첨가량이 증가함에 따라 공정 Si은 미세화 되었지 만(Fig. 4), 용체화처리 시간은 각각 2시간, 4시간, 4시간, 6 시간으로 증가하는 경향을 보였다. 이는 Mg의 첨가로 인해 α-Al 내에 이미 고용된 Mg이 다른 이차상의 분해 및 고용 을 방해함으로써 나타난 것으로 보인다.

Fig. 7은 용체화처리 후 시효처리 시간에 따른 경도 및 전 기전도도의 변화를 나타낸 것이다. 시효 시간이 증가함에 따 라 기지 내 고용되어 있던 용질원자들의 석출로 경도와 전기 전도도가 증가하는 경향을 보였으며, Mg 첨가량이 증가될수 록 최고 경도를 나타내는데 소요되는 시간이 증가하였다. 이 는 Mg의 첨가로 합금의 용체화처리 시간이 증가하였고 이로

인해 더 많은 양의 용질원소가 α-Al 내에 고용됨에 따라 이 후 시효처리 시 합금의 기지내에서 석출물의 양이 상대적으 로 증가한 결과라 판단된다. 이때 최고 경도는 침상의 GP zone에 의해 얻어지며, Mg의 첨가량이 증가할수록 GP zone 의 석출량의 증가와 함께 최고 경도를 나타내는데 소요되는 시간이 증가하고 최고 경도값 또한 향상된다.

Fig. 8은 용체화처리와 시효처리에 따른 미세조직을 나타낸 다. Mg 첨가량에 상관없이 용체화처리 후 공정 Si는 구상화 되었으며, Mg 첨가로 정출된 조대한 Mg2Si는 완전히 분해 되지 못하고 잔존하였다. Mg 첨가로 미세화 되었던 공정 Si 가 용체화처리 후 모든 합금에서 유사한 크기로 구상화되었

Fig. 8.

Fig. 9.

Table 3.

Alloys As-casted alloys Heat treated alloys (T6)

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

A356 205.7 111.7 5.2 286.6 173.6 16.2

A356-1wt.%Mg 205.3 134.0 2.9 291.9 176.5 11.8

A356-3wt.%Mg 205.7 152.2 1.9 310.7 219.7 8.4

A356-5wt.%Mg 218.4 159.0 1.8 322.4 234.3 7.0

는데, 이는 Mg 첨가량에 따라 용체화처리 시간을 증가시킴 으로써 Mg 첨가로 인한 공정 Si의 미세화 효과가 상쇄된 것으로 보인다. 시효처리에서도 동일하게 Mg 첨가량에 따라 시효처리 시간을 증가시킴으로써 구상화된 공정 Si의 크기가 증가하였으며, Mg 첨가량이 5wt.%에서 공정 Si의 크기가 가장 큰 것으로 관찰되었다. 또한, Mg 첨가량 3wt.% 이상 첨가된 합금에서 관찰되는 조대한 Mg2Si는 용체화처리 및 시효처리 후에도 분해가 완전히 되지 않고 남아있는 것을 관 찰할 수 있다. 이는 용융점이 높은 Mg2Si가 열적으로 안정 하기 때문에 530^oC의 온도에서 완전히 분해가 되지 않은 것 으로 보인다. 한편, 시효처리에 따른 Mg2Si 석출상은 그 크 기가 미세하기 때문에 광학현미경에서는 관찰되지 않았다[14].

Fig. 9와 Table 3에는 Mg 첨가에 따른 시효처리 전과 후 의 인장시험 결과를 나타낸 것이다. 열처리 전, 항복강도는 Mg 첨가량 0에서 5wt.%까지 증가함에 따라 111.6MPa에서 159.0MPa로 증가하였지만, 인장강도는 205.7MPa에서 218 MPa로 미미하게 증가하였다. 이는 Mg 첨가로 형성된 산화 물이나 편석에 의해 국부적으로 파단이 발생하면서 연신율과 인장강도가 더 이상 증가하지 못하고 파단된 결과로 보인다.

반면, T6열처리된 합금의 경우 Mg 첨가에 따라 열처리에 의해 강도와 연신율이 As-cast재보다 크게 향상되었다. 이는 미세한 석출물의 분율의 증가가 강도의 향상에 기인한 것이 며, 연신율의 향상은 열처리 시 주조에 의해 형성된 편석의 확산과 공정 Si의 구상화가 기인한 것으로 보인다. 열처리 후, Mg 첨가량이 증가함에 따라 항복강도와 인장강도는 각 각 173MPa에서 234MPa로, 286MPa에서 322MPa로 증가 하였고, 연신율은 16%에서 7%로 감소하였다.

4. 결 론

본 연구는 A356 합금의 열처리 및 기계적 특성에 미치는 Mg 첨가의 영향에 대하여 조사하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) A356 합금에 Mg의 첨가는 합금의 결정립과 공정 Si 의 미세화에 영향을 미쳤으며 경도를 향상시키는 요인으로 작용하였다. 그리고 Mg 첨가량 1wt.%까지는 경도의 증가가 미미하였으나, Mg 첨가량 3wt.% 이상에서는 경질의 Mg2Si 가 정출됨에 따라 경도가 크게 증가하였다.

2) Mg 첨가로 인해 결정립 및 공정 Si는 미세화 되었으 나, α-Al 내에 고용된 Mg과 열적으로 안정한 Mg2Si상으로 인해 용체화처리 시간은 Mg 첨가량의 증가에 따라 열처리 시간 또한 증가하였다.

3) Mg이 첨가됨에 따라 Mg의 고용강화, 공정 Si의 미세 화, Mg2Si의 정출로 용체화 및 시효 열처리 전·후 모두 항 복강도 및 인장강도는 증가하였지만, 연신율은 감소하였다.

그러나 As-cast재에 비하여 T6재의 강도 및 연신율은 크게 향상되었다.

감사의 글

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

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