다이캐스트 마그네슘 합금의 항복 응력 및 내식성에 미치는 시효 효과

본 페이지는 "다이캐스트 마그네슘 합금의 항복 응력 및 내식성에 미치는 시효 효과" 연구 논문을 요약한 것입니다. 본 연구는 160°C에서 시효 처리했을 때 다이캐스트 마그네슘 합금 AZ91D의 부식 거동이 어떻게 변하는지 조사하고, 이러한 변화를 재료의 미세 구조 및 조성 변화와 연관시킵니다.

1. 개요:

  • 제목: 다이캐스트 마그네슘 합금의 항복 응력 및 내식성에 미치는 시효 효과 (Effect of Aging on Yield Stress and Corrosion Resistance of Die Cast Magnesium Alloy)
  • 저자: 광링 송 (Guangling Song), 아만다 L. 보울즈 (Amanda L. Bowles), 데이비드 H. 세인트존 (David H. StJohn)
  • 발행 연도: 2004년
  • 발행 저널/학회: 재료 과학 및 엔지니어링 A (Materials Science and Engineering A)
  • 키워드: 마그네슘, 부식, 미세 구조, 열처리 (Magnesium, Corrosion, Microstructure, Heat treatment)
Fig. 1. Average weight loss rate of die cast AZ91D aged at 160 ◦C after immersion in 5 wt.% NaCl solution for 7 days.
Fig. 1. Average weight loss rate of die cast AZ91D aged at 160 ◦C after immersion in 5 wt.% NaCl solution for 7 days.

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
    • 자동차 산업은 높은 강도 대 중량비로 인해 마그네슘 합금의 사용을 점점 늘리고 있으며, 에너지 및 환경 문제를 해결하는 데 기여하고 있습니다.
    • 마그네슘 합금은 자동차 부품에서 알루미늄 및 강철 합금을 대체할 유망한 대안으로 여겨집니다.
    • 이러한 부품은 종종 사용 환경에서 중간 온도 (60–200°C)에 노출될 가능성이 높습니다.
    • 이러한 온도에 노출되면 주로 결정립계에서 β상 (Mg17Al12)이 석출되어 기계적 성질이 변화합니다.
    • 미세 구조가 마그네슘 합금의 내식성에 미치는 영향은 잘 알려진 연구 분야입니다.
    • AZ91에서 β상은 일반적으로 부식 장벽으로 인식되며, 용체화 열처리 및 시효 처리된 합금의 내식성을 향상시키는 것으로 알려져 있습니다.
  • 기존 연구의 한계:
    • 다이캐스트 AZ91의 내식성에 대한 시효 효과에 대한 연구는 제한적입니다.
    • 기존 연구, 예를 들어 Suman의 연구는 단기 중간 온도 시효의 제한적인 영향을 보여주었지만, 자세한 설명과 미세 구조 변화와의 연관성이 부족했습니다.
    • 실제 사용 조건과 관련된 다이캐스트 AZ91의 장기적인 중간 온도 시효가 내식성에 미치는 영향에 대한 발표된 데이터가 부족합니다.
  • 연구의 필요성:
    • 다이캐스트 AZ91의 장기적인 중간 온도 시효가 내식성에 미치는 영향을 이해하는 것은 실제 응용 분야에 매우 중요합니다.
    • 시효 중 부식 성능 변화와 관련된 메커니즘을 조사하는 것은 다이캐스트 AZ 합금에서 미세 구조와 내식성 간의 관계를 더 잘 이해하는 데 필수적입니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적:
    • 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 마그네슘 합금 AZ91D의 부식 거동을 조사합니다.
    • 시효 중 미세 구조 및 국부 조성 변화가 AZ91D의 내식성에 미치는 영향을 이해합니다.
  • 주요 연구 질문:
    • 160°C 시효는 장기간에 걸쳐 다이캐스트 AZ91D의 부식 속도에 어떤 영향을 미치는가?
    • 시효 중 미세 구조의 진화 (특히, β상 석출 및 α 기지 변화)와 관찰된 내식성 사이의 관계는 무엇인가?
  • 연구 가설:
    • 다이캐스트 AZ91D의 부식 속도는 미세 구조 및 국부 조성 변화로 인해 시효 시간에 따라 변할 것이다.
    • 초기 시효 단계에서 β상 석출은 부식 장벽 역할을 하여 부식 속도를 감소시킬 가능성이 있다.
    • 장기간 시효 중 α 기지 조성 변화, 특히 알루미늄 고갈은 부식 속도에 영향을 미칠 수 있다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계:
    • 다양한 시간 (최대 585시간) 동안 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D 합금을 사용한 실험 연구.
    • 알루미늄 함량이 다른 (2.00, 3.89, 5.78, 8.95 wt.% Al) 용체화 열처리된 영구 금형 주조 2원 Mg-Al 합금과 비교.
  • 데이터 수집 방법:
    • 중량 감소 측정: 7일 동안 5 wt.% NaCl 용액에 침지 시험과 8일 동안 염수 분무 시험을 실시하여 부식 속도를 결정했습니다. 부식 생성물은 크로뮴산을 사용하여 제거한 후 중량 감소를 측정했습니다.
    • 전기 화학적 시험: 분극 곡선 및 전기 화학 임피던스 분광법 (EIS)을 Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액에서 수행하여 부식 거동 및 전기 화학적 특성을 평가했습니다.
    • 현미경 관찰: 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 시효 처리 및 부식된 시편의 미세 구조, β상 석출 및 부식 형태를 관찰하고 분석했습니다.
    • 핵 자기 공명 (NMR): NMR 분광법을 사용하여 β상의 분율을 정량화하고 시효 시간의 함수로서 α 기지 내 알루미늄 함량을 측정했습니다.
  • 분석 방법:
    • 상관 관계 분석: 부식 속도 (중량 감소 및 전기 화학적 측정에서), 시효 시간, 미세 구조 진화 (β상 분율, 형태 및 분포), α 기지 내 알루미늄 함량 및 이전 연구의 항복 응력 데이터 간의 상관 관계를 분석하는 것을 목표로 했습니다.
    • 전기 화학적 데이터 해석: EIS 스펙트럼을 분석하여 임피던스 특성 및 내식성 변화를 이해했습니다. 분극 곡선을 사용하여 피팅 전위 (Ept)를 결정하고 부식 민감성을 평가했습니다.
    • 미세 구조 분석: SEM 이미지를 사용하여 β상 석출, 분포 및 부식 형태를 정성적 및 정량적으로 평가했습니다. NMR 데이터는 상 분율 및 조성 변화에 대한 정량적 측정을 제공했습니다.
  • 연구 대상 및 범위:
    • 재료: 다이캐스트 AZ91D 마그네슘 합금 및 영구 금형 주조 2원 Mg-Al 합금 (2.00, 3.89, 5.78, 8.95 wt.% Al).
    • 시효 조건: 다이캐스트 AZ91D의 경우 공기 중에서 160°C에서 최대 585시간 시효. Mg-Al 합금의 경우 413°C에서 24시간 용체화 열처리.
    • 부식 환경: 5 wt.% NaCl 용액 (침지 및 염수 분무), Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액 (전기 화학적 시험).

5. 주요 연구 결과:

  • 주요 연구 결과:
    • 다이캐스트 AZ91D의 부식 속도는 160°C에서 약 45시간까지 시효 시간이 증가함에 따라 초기에는 감소하고, 그 후 다시 증가합니다.
    • 최소 부식 속도는 15시간에서 45시간 사이의 시효 시간에서 관찰됩니다.
    • 부식 속도의 시효 시간 의존성은 침지 및 염수 분무 조건 모두에서 유사합니다.
    • 시효 시간에 따른 내식성 변화는 동일한 시효 조건에서 다이캐스트 AZ91D에 대한 이전 연구에서 관찰된 항복 응력 변화와 상관 관계가 있습니다. 최소 부식 속도는 최대 항복 응력과 거의 동일한 시효 시간에서 발생합니다.
    • 미세 구조 분석 결과 β상 (Mg17Al12)이 시효 중 결정립계를 따라 독점적으로 석출되는 것으로 나타났습니다.
    • 시효 초기 단계에서 β상의 부피 분율이 빠르게 증가하여 결정립계를 따라 네트워크를 형성합니다.
    • 장기간 시효 처리 시 α 기지 내 알루미늄 함량이 크게 감소합니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과:
    • 그림 1: "7일 동안 5 wt.% NaCl 용액에 침지 후 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 평균 중량 감소 속도." 초기에는 중량 감소 속도가 감소하고, ~45시간 시효 후 증가하는 것을 보여줍니다.
    • 그림 2: "8일 동안 염수 분무 노출 후 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 평균 중량 감소 속도." 그림 1과 유사한 경향으로, 초기 감소 후 중량 감소 속도가 증가합니다.
    • 그림 3: "160°C에서 시효 처리된 AZ91D의 부식 속도와 항복 응력 간의 관계 (시효 시간은 그림에 명시됨)." 부식 속도와 항복 응력 간의 상관 관계를 보여주며, 둘 다 시효 중 미세 구조 변화에 영향을 받는다는 것을 시사합니다.
    • 그림 4: "160°C 시효가 다이캐스트 AZ91D의 미세 구조에 미치는 영향. 고배율 이미지는 오른쪽 하단 모서리에 표시됨. 흰색 화살표는 불연속 석출 영역을 나타내고 "A"로 표시된 영역은 막대 모양의 석출물을 보여줍니다." 시효 시간에 따른 미세 구조의 진화를 보여주며, 결정립계에서 β상 석출을 나타냅니다.
    • 그림 5: "시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 β상 부피 분율 및 α 기지 내 평균 알루미늄 농도." 시효 시간에 따른 β상 분율 증가 및 α 기지 알루미늄 함량 감소를 정량화합니다. "α 기지의 평균 알루미늄 함량은 초기 45시간 시효 동안 약 6.5에서 2 wt.%로 급격히 감소한 다음, 장기간 시효 후에는 585시간 후에 약 1.5 wt.%까지 천천히 감소했습니다."
    • 그림 6: "5 wt.% NaCl 용액에 4시간 침지 후 다이캐스트 AZ91D 시편의 미세 형태. 사진 (c)에서 부식된 영역의 흰색 작은 점은 막대 모양의 연속 β상 석출물입니다." 부식이 주로 α 기지에서 발생하고 β 석출물은 비교적 영향을 받지 않고 장벽 역할을 한다는 것을 보여줍니다.
    • 그림 7: "3시간 동안 5 wt.% NaCl 용액에 침지 후 다양한 알루미늄 함량을 가진 Mg-Al 단상 합금의 평균 중량 감소 속도." "α상의 내식성은 α상 내 알루미늄 수준이 감소함에 따라 감소한다"는 것을 보여줍니다.
    • 그림 8: "Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액에서 Mg-Al 단상 합금의 전기 화학 임피던스 스펙트럼." α상 합금의 알루미늄 함량에 따른 내식성 의존성을 보여줍니다.
    • 그림 9: "Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액에서 다양한 시간 동안 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 전기 화학 임피던스 스펙트럼." 시효에 따른 EIS 스펙트럼 변화를 보여주며, 초기 임피던스 (내식성) 증가 및 후속 감소를 나타냅니다. "둘째, 고주파 영역에서 용량성 반원의 직경은 처음에는 증가한 다음 시효 시간이 증가함에 따라 감소합니다 (150시간 스펙트럼은 경향에서 약간 벗어남). 최대값은 15시간의 시효 시간에서 나타납니다."
    • 그림 10: "Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액에서 Mg-Al 단상 합금의 분극 곡선." α상 합금의 알루미늄 함량 변화에 따른 피팅 전위 (Ept)의 이동을 보여줍니다.
    • 그림 11: "Mg(OH)2 포화 5 wt.% NaCl 용액에서 다양한 시간 동안 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 분극 곡선." 시효 처리된 AZ91D의 피팅 전위 (Ept) 이동을 보여줍니다.
    • 그림 12: "Mg-Al 단상 합금에서 알루미늄 함량에 따른 "피팅" 전위 (Ept) 의존성." "알루미늄 함량이 높은 α상은 더 양의 Ept를 갖는다"는 것을 보여줍니다.
    • 그림 13: "160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 시효 시간에 따른 "피팅" 전위 (Ept) 의존성." "다이캐스트 AZ91D의 경우 시효에 의해 Ept가 더 음의 전위로 이동한다"는 것을 보여줍니다.
Fig. 2. Average weight loss rate of die cast AZ91D aged at 160 ◦C after exposure to salt spraying for 8 days.
Fig. 2. Average weight loss rate of die cast AZ91D aged at 160 ◦C after exposure to salt spraying for 8 days.
Fig. 3. Relationship between corrosion rate and yield stress of AZ91D aged at 160 ◦C (the ageing hours are specified in the figure).
Fig. 3. Relationship between corrosion rate and yield stress of AZ91D aged at 160 ◦C (the ageing hours are specified in the figure).
Fig. 4. Influence of the ageing at 160 ◦C on the microstructure of die cast AZ91D. A high magnification image is shown in the bottom right corner. The white arrow indicates a region of discontinuous precipitation and the area marked “A” shows rod shaped precipitates.
Fig. 4. Influence of the ageing at 160 ◦C on the microstructure of die cast AZ91D. A high magnification image is shown in the bottom right corner. The white arrow indicates a region of discontinuous precipitation and the area marked “A” shows rod shaped precipitates.
Fig. 5. Volume fraction of  phase in aged die cast AZ91D and the average aluminium concentration in matrix.
Fig. 5. Volume fraction of  phase in aged die cast AZ91D and the average aluminium concentration in matrix.
Fig. 6. Micro-morphologies of die cast AZ91D specimens after immersion in 5 wt
Fig. 6. Micro-morphologies of die cast AZ91D specimens after immersion in 5 wt
Fig. 9. Electrochemical impedance spectra of die cast AZ91D aged at 160 ◦C for various periods of time in 5 wt.% NaCl saturated with Mg(OH)2.
Fig. 9. Electrochemical impedance spectra of die cast AZ91D aged at 160 ◦C for various periods of time in 5 wt.% NaCl saturated with Mg(OH)2.
  • 데이터 해석:
    • 초기 부식 속도 감소는 결정립계를 따라 형성된 β상 석출물의 장벽 효과로 인해 부식이 α 기지로 진행되는 것을 방해하기 때문입니다. "β상은 장벽 역할을 하여 시효 초기 단계에서 부식 속도를 감소시킵니다."
    • 장기간 시효 후 부식 속도 증가는 α 기지 내 알루미늄 함량 감소로 인해 α 기지가 더 활성화되고 내식성이 감소하기 때문입니다. "후기 단계에서 α 결정립의 알루미늄 함량 감소는 α 기지를 더 활성화시켜 부식 속도를 증가시킵니다."
    • 전기 화학적 시험 결과 (EIS 및 분극 곡선)는 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D의 내식성에 대한 β상 석출 및 α 기지 조성 변화의 복합적인 영향을 뒷받침합니다. "전기 화학적 시험 결과는 또한 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D 합금의 내식성에 대한 α상 및 β상 변화의 복합적인 영향을 확인합니다."
    • 항복 응력과 부식 속도 간의 상관 관계는 두 가지 속성이 모두 시효 중 동일한 미세 구조 변화에 영향을 받는다는 것을 시사합니다. "항복 응력 대 시효 시간 곡선과 부식 속도 대 시효 시간 곡선 간의 현저한 유사성은 내식성 변화가 항복 응력을 결정하는 미세 구조 변화와 밀접하게 관련되어 있음을 강력하게 시사합니다."

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약:
    • 다이캐스트 AZ91D의 중간 온도 시효 (160°C)는 초기에는 내식성을 향상시키지만, 장기간 시효 처리 시에는 감소합니다.
    • 이러한 거동은 결정립계에서 β상 석출의 유익한 장벽 효과와 α 기지 내 알루미늄 함량 감소의 해로운 효과 간의 상호 작용에 기인합니다.
    • 다이캐스트 AZ91D의 항복 강도와 부식 속도는 직접적인 관계를 나타내며, 둘 다 시효 중 미세 구조 변화에 의해 제어됩니다.
  • 연구의 학문적 의의:
    • 본 연구는 중간 온도 시효 조건에서 다이캐스트 마그네슘 합금의 장기적인 부식 거동에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
    • 시효 처리된 AZ91D의 내식성을 결정하는 데 있어 β상 석출 및 α 기지 조성 변화의 복잡한 역할을 명확히 합니다.
    • 본 연구는 다이캐스트 마그네슘 합금에서 미세 구조-부식 특성 관계에 대한 더 깊은 이해에 기여합니다.
  • 실용적 의미:
    • 본 연구 결과는 중간 온도에서 작동하는 다이캐스트 AZ91D 부품의 부식 성능을 평가할 때 시효 시간을 고려하는 것이 중요하다는 점을 강조합니다.
    • 다이캐스트 AZ91D에 대한 최적의 시효 처리는 최적의 내식성을 달성하기 위해 β상 석출의 유익한 효과와 α 기지 알루미늄 고갈의 해로운 효과 사이의 균형을 고려해야 합니다.
  • 연구의 한계:
    • 본 연구는 160°C에서 시효 처리된 다이캐스트 AZ91D 합금에 특화되어 있습니다.
    • 다른 마그네슘 합금 및 다른 온도 및 환경 조건에서의 시효 효과를 조사하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
    • 관찰된 항복 강도-부식 저항 관계의 일반화 가능성을 더 넓은 범위의 주조 및 시효 조건으로 확장하려면 추가 조사가 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    • 항복 강도와 부식 저항 간의 관찰된 관계를 검증하기 위해 더 넓은 범위의 주조 및 시효 조건을 테스트하는 추가 연구가 권장됩니다.
    • β상 석출 및 α 기지 내 알루미늄 고갈의 동역학을 포함하여 시효 중 특정 미세 구조 진화와 관련된 부식 메커니즘을 추가로 탐구하기 위한 상세한 연구가 필요합니다.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    • 다른 합금 원소 및 불순물이 다이캐스트 마그네슘 합금의 시효 거동 및 내식성에 미치는 영향 조사.
    • 다양한 온도, 습도 및 부식성 매체를 포함하여 더 복잡하고 현실적인 사용 환경에서의 장기적인 부식 성능 탐구.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 광링 송 (Guangling Song), 아만다 L. 보울즈 (Amanda L. Bowles), 데이비드 H. 세인트존 (David H. StJohn)의 논문: 다이캐스트 마그네슘 합금의 항복 응력 및 내식성에 미치는 시효 효과 (Effect of Aging on Yield Stress and Corrosion Resistance of Die Cast Magnesium Alloy)를 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: DOI: 10.1016/j.msea.2003.08.060

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