차세대 고강도 알루미늄 주조 합금

본 소개 자료는 "[Light Metal Age]"에 게재된 "[New generation of high strength aluminum casting alloys]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: New generation of high strength aluminum casting alloys
• 저자: V.Kh. Mann, A.N.Alabin, A.Yu. Krokhin, A.V. Frolov, and N.A. Belov
• 발행 연도: 2015년 (10월호)
• 게재 학술지/학회: Light Metal Age
• 키워드: Al-Zn-Mg-Ni-Fe system, Nickalyn-AZ6NF, high strength aluminum casting alloys, mechanical properties, microstructure, phase composition.

2. 초록:

본 논문은 Al-Zn-Mg-Ni-Fe 계(Nickalyn-AZ6NF)의 새로운 저합금(sparingly alloyed) 고강도 합금의 상 조성, 조직 및 기계적 특성에 대한 연구 결과를 제시합니다. 새로운 알루미늄 합금의 주요 장점은 높은 수준의 기계적 특성(약 500 MPa의 인장강도(UTS)), 우수한 주조 시 작업성 및 상대적으로 저렴한 비용입니다. 이 합금은 중요 다이캐스팅 부품을 포함한 비교적 정교한 금형 주조품 생산을 위해 개발되었으며, 주강 및 주철 등급과 일부 기존 알루미늄 주조 합금의 대안으로 사용될 수 있습니다.

3. 서론:

Al-Si 계 합금은 가장 일반적인 알루미늄 다이캐스팅 합금이지만, A354 유형과 같은 강력한 실루민(silumin)의 강도 특성은 일반적으로 350-380 MPa를 초과하지 않습니다. Al-Cu 계(2xxx 시리즈 유형) 고강도 합금의 적용은 주로 주조 시 낮은 작업성으로 인해 여러 어려움을 수반합니다. Al-Zn-Mg-Fe-Ni 계를 기반으로 한 새로운 저합금 고강도 알루미늄 합금은 기존 주조 재료를 대체할 유망한 합금 중 하나로 보입니다. 이 새로운 합금은 공정(eutectic) (Al)+Al9FeNi를 기반으로 개발되었으며, 이는 공정 (Al)+Al3Ni를 기반으로 한 Al-Zn-Mg-Ni 계 합금의 이전 긍정적인 결과에 기반합니다. Al-Zn-Mg-Ni 합금은 높은 강도(UTS=600-620 MPa)를 보였지만, 약 4%의 높은 니켈 함량과 엄격한 철 불순물 제한(<0.1%)이 장애물이었습니다. (Al) 및 공정 (Al)+Al9FeNi를 기반으로 한 철 함량이 높은 합금은 니켈 함량이 5-8배 낮아 비용 효율성이 더 높습니다. 이 새로운 합금은 공정 (Al)+Al9FeNi의 존재로 인해 높은 수준의 기계적 특성과 주조 시 우수한 작업성을 목표로 합니다. 본 논문은 새로운 고강도 알루미늄 주조 합금 Nickalyn-AZ6NF와 A356 유형의 산업용 알루미늄 주조 합금의 구조 및 기계적 특성에 대한 비교 분석을 제시합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

까다로운 응용 분야에서 주강, 주철과 같은 기존 재료 및 일부 기존 알루미늄 합금을 대체하기 위해 향상된 기계적 특성, 우수한 주조성 및 비용 효율성을 갖춘 알루미늄 주조 합금에 대한 필요성이 있습니다.

선행 연구 현황:

Al-Zn-Mg-Ni 합금에 대한 이전 연구는 기록적인 강도를 보였지만 높은 니켈 함량과 낮은 철 허용치로 인해 어려움을 겪었습니다. 공정 (Al)+Al9FeNi를 포함하는 Al-Zn-Mg-Fe-Ni 계 합금은 우수한 작업성을 갖춘 보다 비용 효율적인 대안으로 제안되었습니다.

연구 목적:

본 논문의 목적은 Al-Zn-Mg-Ni-Fe 계의 새로운 저합금 고강도 알루미늄 주조 합금(Nickalyn-AZ6NF로 지정)의 구조 및 기계적 특성을 기존 A356 합금과 비교 분석하여 제시하는 것입니다.

핵심 연구 내용:

연구의 핵심은 Nickalyn-AZ6NF 합금의 상 조성, 미세 조직 및 기계적 특성에 대한 실험적 조사입니다. 여기에는 최적의 합금 조성 결정, 열처리 후 미세 조직 특징 이해, A356과의 인장 특성 비교 평가가 포함됩니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 연구 설계를 사용했습니다. Al-Zn-Mg-Fe-Ni 계의 두 가지 실험 합금(특히 다양한 Fe 함량을 가진 Nickalyn-AZ6NF, 표 I에는 AZ6NF에 대한 하나의 조성만 나열됨)과 기준 A356 합금을 준비하고 특성을 분석했습니다. 이들의 특성은 서로 다른 열처리 후 비교되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 합금 준비: 실험 합금은 99.5% 및 99.95% 순수 Al, 99.9% 순수 Zn, 99.9% 순수 Mg 및 모합금 Al–20%Ni, Al-10% Fe를 사용하여 흑연-샤모트 도가니가 있는 전기로에서 준비되었습니다.
• 주조: 합금은 720-740°C에서 강철 주형에 주조되었으며, 냉각 속도(Vc)는 약 10 K s⁻¹였습니다.
• 화학 분석: 합금의 화학 조성은 ARL 4460 방출 분광계를 사용하여 분석되었습니다. (표 I 참조).
• 열처리: 용체화 열처리(T4) (AZ6NF: 540°C, 3시간, 수냉; A356: 535°C, 3시간, 수냉) 후 건조 오븐에서 최대 강도(T6)로 시효 처리되었습니다.
• 미세 조직 분석: 조직은 광학 현미경(OM, Axiovert 200 MMAT), 투과 전자 현미경(TEM, JEM-2100) 및 주사 전자 현미경(SEM, JSM-6610LV)을 사용하여 검사되었습니다. 시편 준비에는 전해 연마가 사용되었습니다.
• 기계적 시험: Zwick Z250 시험기(하중 속도 4 mm/min, 직경 5 mm 시편, 길이 25 mm)에서 단축 인장 시험을 수행하여 극한 인장 강도(UTS), 항복 강도(YS) 및 상대 연신율(El)을 결정했습니다.
• 상평형도 계산: Thermo-Calc 소프트웨어(데이터베이스 TTAL5)를 사용하여 액상선 및 고상선 온도와 상평형도의 수직 단면을 계산했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 다음에 중점을 두었습니다:

• Al-Zn-Mg-Fe-Ni 계에서 상 조성 및 최적 합금 원소 농도(Fe, Ni).
• T4 열처리 후 Nickalyn-AZ6NF 합금의 미세 조직, 특히 Al9FeNi 상의 형태.
• T6 열처리 후 Nickalyn-AZ6NF의 TEM 조직, 특히 Al9FeNi 개재물 및 2차 경화상에 중점.
• T6 조건의 A356과 비교하여 T4 및 T6 조건에서 Nickalyn-AZ6NF의 기계적 특성(UTS, YS, El).

6. 주요 결과:

주요 결과:

• Al-Zn-Mg-Fe-Ni 계에서 합금 원소의 최적 농도는 상평형도 분석을 통해 결정되었습니다. 1% Ni를 함유한 합금의 경우, 약 0.8% Fe 이상에서 1차 Fe 함유 금속간 화합물이 예상됩니다. Fe를 약 0.2%로 줄여도 상 조성이 크게 변하지 않습니다 (Figure 2).
• T4 처리 후 AZ6NF의 미세 조직은 균일하게 분포된 구상화된 Al9FeNi 상 입자를 보여줍니다 (Figure 3a). AZ6NF의 더 높은 고상선 온도(592°C, Table I)는 A354 또는 201에 비해 더 높은 온도에서 어닐링을 가능하게 합니다.
• T6 조건에서 AZ6NF는 알루미늄 고용체 내에 Al9FeNi 개재물(횡단 크기 ≤ 2 µm)과 2차 경화상 입자(크기 최대 10 nm)의 균일한 분포를 나타냅니다 (Figure 4a, 4b).
• 저합금 AZ6NF(0.5 wt.% Fe)는 T6 조건에서 만족스러운 연성(El ~6.1%)과 함께 높은 수준의 강도(UTS ~491 MPa)를 달성합니다. T4 조건에서는 UTS가 397 MPa이고 El은 14.5%입니다. 이러한 특성은 A356(0.1 wt.% Fe, T6: UTS 310 MPa, El 9.7%)보다 우수합니다 (Table II).
• 실험 합금의 화학 조성은 Table I에 자세히 설명되어 있습니다.

Figure Name List:

• Figure 1. Examples of alloy AZ6NF castings.
• Figure 2. Calculated liquidus projection (a) and vertical section (b) of the Al-Zn-Mg-Fe-Ni system at 7% Zn, 3% Mg, and 1%Ni (wt.%).
• Figure 3. Microstructure of alloys after heat treatment (T4): a – AZ6NF (SEM) and b – A356 (OM).
• Figure 4. TEM structure of alloy AZ6NF (T6): a – Al9FeNi and b – secondary segregations.

8. References:

• [1] Hatch, J.E. (ed.), Aluminum: Properties and Physical Metallurgy, ASM International, 1984.
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• [4] Zolotorevskiy, V.S., N.A. Belov, and M.V. Glazoff, Casting Aluminum Alloys, Elsevier, 2007.
• [5] Belov, N.A., D.G. Eskin, and A.A. Aksenov, Multicomponent Phase Diagrams: Applications for Commercial Aluminum Alloys, Elsevier, Amsterdam, 2005.
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• [7] Belov, N.A. "Quantitative phase analysis of the Al-Zn-Mg-Cu-Ni phase diagram in the region of compositions of high-strength nickalines,” Russian Journal of Non-Ferrous Metals, Vol. 51, No. 3, 2010, pp. 243–249.
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• [9] LI Jin-feng, PENG Zhuo-wei, LI Chao-xing, et. al., "Mechanical properties, corrosion behaviours and microstructures of 7075 aluminum alloy with various ageing treatments," Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 18, 2008, pp. 755-762.

9. Copyright:

• This material is a paper by "V.Kh. Mann, A.N.Alabin, A.Yu. Krokhin, A.V. Frolov, and N.A. Belov". Based on "New generation of high strength aluminum casting alloys".Source of the paper: https://www.researchgate.net/publication/301362888