미량 Al 함량 변화가 HPDC Mg-4Sm-2Al 합금의 미세조직 및 특성에 미치는 영향

이 소개 자료는 "[Special Casting & Nonferrous Alloys]"에서 발행한 논문 "[Effects of Trace Variation of Al Content on Microstructure and Properties of HPDC Mg-4Sm-2Al Alloy]"을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 논문 제목: Effects of Trace Variation of Al Content on Microstructure and Properties of HPDC Mg-4Sm-2Al Alloy (미량 Al 함량 변화가 HPDC Mg-4Sm-2Al 합금의 미세조직 및 특성에 미치는 영향)
• 저자: LI Zixin¹, CHEN Bin², TONG Shengkun², LU Shiping², LIANG Sheng², HU Bo¹, FU Penghuai¹, PENG Liming¹, LI Dejiang¹, ZENG Xiaoqin¹
• 발행 연도: 2025
• 저널/학회명: Special Casting & Nonferrous Alloys (특수주조 및 비철합금)
• 키워드: Mg 합금(Mg Alloy), 기계적 특성(Mechanical Properties), 다이캐스팅(Die Casting), 미세조직(Microsturcture)

2. 초록:

SA42 및 Mg-4Sm-2.6Al (SA42.6) 합금을 HPDC 공정으로 제조하고, 미량 Al 함량이 기계적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다. 결과에 따르면, SA42 합금에 0.6%의 Al을 추가했을 때, 항복 강도와 연신율이 각각 10.2%와 63.5% 감소했습니다. 이는 Al과 기지에 용해된 Sm 사이의 반응으로 인해 다량의 거대 Al₂Sm 상이 생성되어 Mg 기지 내 Sm 농도가 약 50% 감소하고, 고용 강화 효과가 크게 약화되었기 때문입니다. 형성된 Al₂Sm에 의한 2차상 강화 및 결정립계 강화 효과는 고용 강화 효과의 손실을 보상하기 어려워, SA42.6의 항복 강도가 SA42에 비해 약 20 MPa 감소했습니다. 연신율의 현저한 감소는 주로 Al₂Sm 입자와 Mg 기지 간의 탄성 계수 불일치 때문입니다. 취성 및 경도가 높은 Al₂Sm 입자는 변형 과정에서 큰 응력 집중을 유발하여 파괴 및 파손을 가속화합니다.

3. 서론:

마그네슘 합금은 낮은 밀도와 높은 비강도로 인해 자동차 산업에서 센터 콘솔 백 패널, 스티어링 휠 프레임, 계기판 프레임, LED 자동차 램프 등[1] 광범위한 응용 잠재력을 가지고 있습니다. 신에너지 자동차에서 고집적, 고출력 부품으로 발전하는 추세에 따라 구조 재료는 우수한 방열 성능을 가져야 합니다. 기존 상용 마그네슘 합금은 종종 열전도율이 낮습니다. 따라서 높은 열전도율과 우수한 기계적 특성을 모두 갖춘 마그네슘 합금 개발이 중요합니다. Mg-RE-Al 합금은 일반적인 고열전도성 마그네슘 합금입니다. 합금 조성 및 원소 함량을 최적화하여 기지 내 고용 원자를 줄이고 효과적인 강화상으로 변환시켜 더 높은 열전도율과 기계적 특성을 얻을 수 있습니다. 고압 다이캐스팅(High-pressure die casting, HPDC)은 고효율, 저생산 비용, 고정밀 치수로 널리 사용되는 성형 공정입니다[3-8]. HPDC는 결정립과 2차상을 효과적으로 미세화하여 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 최근의 통합 다이캐스팅("一体化压铸") 연구는 특히 신에너지 자동차 분야에서 자동차 제조에 혁신을 가져오고 있으며, 차량 경량화 및 생산 효율성 향상에 기여하고 있습니다[9]. 본 연구는 HPDC Mg-4Sm-Al 합금에서 미량의 Al 함량 변화가 미세조직과 특성에 미치는 영향을 이해하는 데 중점을 둡니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

자동차 산업, 특히 신에너지 자동차 및 통합 다이캐스팅 분야에서는 높은 강도와 우수한 열전도율을 겸비한 경량 소재가 요구됩니다. Mg-RE-Al 합금은 유망한 후보이지만, 그 특성은 조성에 민감합니다.

이전 연구 현황:

중력 주조된 Mg-4Sm-xAl 합금에 대한 이전 연구[2]에 따르면, Al 함량이 2 wt% 이상일 때 양호한 열전도율과 기계적 특성을 보였습니다. 특히, 중력 주조된 SA42.6(Mg-4Sm-2.6Al)은 SA42(Mg-4Sm-2Al)에 비해 향상된 강도와 연신율을 나타냈는데, 이는 Al이 기지 Sm을 소모하여 형성된 Al₂Sm 입자에 의한 결정립 미세화 덕분으로 여겨졌습니다. 그러나 중력 주조는 HPDC보다 조대한 미세조직을 생성하며, HPDC는 결정립과 상을 미세화하는 것으로 알려져 있어 다른 특성 결과를 초래할 수 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 HPDC 공정으로 생산된 Mg-4Sm-Al 합금에서 미량의 Al 함량 변화(0.6 wt%)가 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 합니다. 강화 메커니즘과 파괴 거동을 규명하여 다이캐스트 마그네슘 합금 설계에 지침을 제공하고자 합니다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 HPDC를 사용하여 SA42(Mg-4Sm-2.03Al) 및 SA42.6(Mg-4Sm-2.42Al) 합금을 제조하는 것입니다. 그런 다음 미세조직(결정립 크기, 상 유형 및 분포, 기지 내 고용체 농도)과 상온 인장 특성(항복 강도, 인장 강도, 연신율)을 체계적으로 비교합니다. 다양한 강화 메커니즘(고용 강화, 결정립계 강화, 2차상 강화)의 기여도를 분석하고, 파단면과 단면을 검사하여 관찰된 기계적 거동 차이, 특히 HPDC 공정에서 Al 함량 증가에 따른 예상치 못한 강도 및 연성 감소의 원인을 이해합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

Al 함량이 약간 다른 두 마그네슘 합금, 즉 SA42(공칭 Mg-4Sm-2Al)와 SA42.6(공칭 Mg-4Sm-2.6Al)을 사용하여 비교 연구를 설계했습니다. 두 합금 모두 동일한 HPDC 조건에서 제조하여 Al 변화의 효과를 분리했습니다. 그런 다음 미세조직과 기계적 특성을 특성화하고 비교했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 재료 준비: TOYO/BD-350V5 콜드 챔버 다이캐스팅 기계를 사용하여 보호 분위기(95% N₂ + 0.5% SF₆) 하에서 합금을 제조했습니다. 다이캐스팅 매개변수는 표 2에 나열되어 있습니다. 주조품의 형상은 그림 1에 나와 있습니다.
• 성분 분석: 실제 화학 조성은 유도 결합 플라즈마 광학 방출 분광기(ICP-OES, Avio 500)를 사용하여 측정했습니다(표 1).
• 미세조직 특성화: 시편을 기계적으로 연마하고 폴리싱한 후 에칭했습니다(4 mL HNO₃ + 96 mL 에탄올, 5초). 미세조직은 Hitachi SU-70 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰했습니다. 기지 내 고용체 함량은 SEM에 부착된 파장 분산형 분광기(WDS)를 사용하여 측정했습니다(최소 10개 기지 영역 평균). 결정립 크기와 2차상 부피 분율은 Image Pro Plus 소프트웨어를 사용하여 정량화했습니다.
• 기계적 시험: 상온 인장 시험은 표준 시편(게이지 치수 Φ6.4 mm × 60 mm)을 사용하여 Zwick/Roell 100 인장 시험기에서 1 mm/min의 변형 속도로 수행했습니다.
• 파단 분석: 파단면과 파단면 근처의 세로 단면(후방 산란 전자 - BSE 이미징을 통해 관찰)을 SEM을 사용하여 검사했습니다.
• 강화 메커니즘 분석: 고용 강화(σss), 결정립계 강화(σgs, Hall-Petch 관계), 2차상 강화(σsp)의 기여도는 측정된 미세조직 매개변수(고용체 농도, 결정립 크기, 상 분율)를 기반으로 확립된 모델(식 1-5)을 사용하여 계산했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 HPDC Mg-4Sm-Al 합금에서 Al 함량을 약 2.0 wt%(SA42)에서 약 2.4 wt%(SA42.6)로 증가시키는 영향에 초점을 맞췄습니다. 범위는 다음을 포함합니다:

• 결과 미세조직 특성화 (상: Al₁₁Sm₃, Al₂Sm; 결정립 크기; Sm 고용체 농도).
• 상온 인장 특성 측정 (항복 강도, UTS, 연신율).
• 강화 기여도 분석 (σss, σgs, σsp).
• 파괴 메커니즘 조사.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 미세조직: SA42 및 SA42.6 합금 모두 HPDC 후 미세한 등축 결정립을 보였습니다. SA42.6은 SA42(9.1 µm)에 비해 약간 더 미세한 결정립(8.2 µm)을 가졌습니다. 두 합금 모두 결정립계에 막대 모양의 Al₁₁Sm₃ 상과 결정립 내부에 덩어리 모양의 Al₂Sm 상을 포함했습니다. 그러나 SA42.6은 결정립 내부에 더 큰 (>2 µm) Al₂Sm 입자를 더 많이 포함했습니다(Fig. 2).
• 고용체 농도: SA42.6에서 0.6% Al 추가는 SA42에 비해 Mg 기지에 용해된 Sm 농도를 현저하게(약 50%) 감소시켰습니다(Fig. 3b). 이는 추가된 Al이 기지 Sm과 반응하여 Al₂Sm을 형성했기 때문입니다.
• 기계적 특성: 중력 주조 기반의 예상과는 달리, HPDC를 통해 Al 함량을 SA42에서 SA42.6으로 증가시키면 기계적 특성이 감소했습니다. 항복 강도는 10.2% 감소(160.9 MPa에서 144.4 MPa로)했고, 연신율은 63.5% 급격히 감소(13.7%에서 5.0%로)했습니다(Fig. 4).
• 강화 메커니즘: SA42.6의 항복 강도 감소의 주된 이유는 기지에서 Sm이 고갈되어 고용 강화(σss)가 크게 손실되었기 때문입니다(Fig. 5, Table 3). Al₂Sm 형성이 결정립계 강화(σgs)와 2차상 강화(σsp)를 약간 증가시켰지만, 이러한 기여는 σss의 상당한 손실을 보상할 수 없었습니다(Table 3). Al₂Sm의 결정립 미세화 효과는 HPDC에서 중력 주조보다 덜 효과적인 것으로 나타났는데, 이는 빠른 응고 조건 하에서 입자가 종종 중요한 불균일 핵 생성에 필요한 임계 크기(>2 µm)에 도달하지 못하기 때문입니다[15-16]. 이러한 메커니즘을 기반으로 계산된 항복 강도는 실험값과 합리적으로 일치했습니다.
• 파괴 거동: SA42.6의 연신율 급격한 감소는 거대하고 취성이며 단단한 Al₂Sm 입자의 존재 때문입니다. Al₂Sm 입자(E ≈ 143.95 GPa)와 Mg 기지 사이에는 탄성 계수 불일치가 존재합니다. 변형 중에 이러한 입자는 응력 집중 부위로 작용하여 Al₂Sm 입자의 조기 균열 및 입자/기지 계면 또는 기지를 통한 후속 균열 전파를 유발하여 파손을 가속화합니다(Fig. 7b). SA42.6의 파단면은 주로 균열된 Al₂Sm 입자와 관련된 취성 파괴 특징을 보인 반면, SA42는 딤플 및 파단된 Al₁₁Sm₃와 같은 더 많은 연성 특징을 나타냈습니다(Fig. 8).

그림 이름 목록:

• Fig.1 Die casting specimens (다이캐스팅 시편)
• Fig.2 Microstructures of SA42 and SA42.6 alloys (SA42 및 SA42.6 합금의 미세조직)
• Fig.3 Volume fraction of secondary phase and solute atomic concentration in SA42 and SA42.6 alloys (SA42 및 SA42.6 합금의 2차상 부피 분율 및 고용체 원자 농도)
• Fig.4 Engineering stress-strain curves of SA42 and SA42.6 alloys at room temperature (SA42 및 SA42.6 합금의 상온 공칭 응력-변형률 곡선)
• Fig.5 Solid solution strengthening effect of SA42 and SA42.6 alloys (SA42 및 SA42.6 합금의 고용 강화 효과)
• Fig.6 The secondary phase strengthening effect of SA42 and SA42.6 alloys (SA42 및 SA42.6 합금의 2차상 강화 효과)
• Fig.7 BSE images of section near fracture surface (파단면 근처 단면의 BSE 이미지)
• Fig.8 Surface morphologies of fracture of SA42 and SA42.6 alloys (SA42 및 SA42.6 합금의 파단면 형상)

7. 결론:

(1) SA42 합금에 Al 함량을 0.6% 증가시키면(SA42.6 형성) HPDC 공정 중 다량의 거대 Al₂Sm 상이 형성됩니다. 이 반응은 다이캐스트 SA42.6 합금의 Mg 기지 내에 용해된 Sm 농도를 거의 50%까지 현저하게 감소시킵니다.
(2) 0.6% Al 추가는 SA42.6의 고용 강화 효과를 상당히 감소시킵니다. 형성된 Al₂Sm 상에 의한 강화 기여(2차상 강화 및 미미한 결정립 미세화)는 이러한 손실을 보상하기에 불충분합니다. 결과적으로, 다이캐스트 SA42.6의 항복 강도는 SA42보다 약 20 MPa 낮습니다. Al₂Sm 입자의 불균일 핵 생성 효과는 HPDC 조건 하에서는 중요하지 않습니다.
(3) 0.6% Al 추가는 SA42.6 합금의 연성을 급격히 악화시켜 연신율이 63.5% 감소합니다. 이는 주로 취성 및 경도가 높은 Al₂Sm 입자와 Mg 기지 간의 탄성 계수 불일치 때문입니다. 이러한 입자는 변형 중 상당한 응력 집중을 유발하여 가속화된 파괴 개시 및 파손을 초래합니다.

8. 참고 문헌:

• [References] (참고 문헌 목록은 원본 영어 버전을 따름)
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9. 저작권:

• 이 자료는 "ZENG Xiaoqin"의 논문입니다. "Effects of Trace Variation of Al Content on Microstructure and Properties of HPDC Mg-4Sm-2Al Alloy"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.15980/j.tzzz.T20240410

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