알루미늄을 함유한 마그네슘 다이캐스팅 합금의 인장 및 압축 크리프 거동

본 소개 자료는 "Magnesium Alloys and their Applications. Edited by K. U. Kainer. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim."에서 발행된 "Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum (알루미늄을 함유한 마그네슘 다이캐스팅 합금의 인장 및 압축 크리프 거동)
• 저자: S. R. Agnew, S. Viswanathan, E. A. Payzant, Q. Han, K. C. Liu, and E. A. Kenik
• 발행 연도: 2000
• 발행 학술지/학회: Magnesium Alloys and their Applications. Edited by K. U. Kainer. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim.
• 키워드: 논문에 명시되지 않음.

2. 초록:

본 연구는 상용 및 실험용 마그네슘 다이캐스팅 합금의 크리프 메커니즘을 조사하며, 자동차 응용 분야를 제한하는 낮은 크리프 저항성에 초점을 맞춥니다. 다이캐스팅 AM60B 합금이 인장보다 압축에서 현저히 느린 크리프 속도를 보인다는 이전 연구 결과[1]를 검토합니다. Dargusch 등의 연구[2]에서 제시된 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출 역할에 대한 증거를 바탕으로, 본 연구는 알루미늄을 함유한 다이캐스팅 마그네슘 합금에서 관찰되는 크리프 강도 비대칭성에 대한 설명을 제시하며, 이를 동적 석출에 기인한 것으로 봅니다. 전반적인 목표는 개선된 크리프 저항성을 가진 새로운 합금 개발을 위한 지식 기반을 확장하는 것입니다.

3. 서론:

자동차 산업은 차량 경량화를 통한 연비 향상 가능성 때문에 마그네슘 합금에 대한 관심이 다시 높아지고 있습니다. 그러나 이들 합금의 광범위한 적용을 저해하는 주된 한계는 낮은 크리프 저항성입니다. 본 연구는 현재 상용 및 실험용 다이캐스팅 합금의 크리프 메커니즘에 대한 이해를 넓히고, 궁극적으로 개선된 크리프 저항성을 가진 새로운 합금을 개발하는 것을 목표로 수행되었습니다. 이전 보고서[1]에서는 다이캐스팅 AM60B 합금이 인장보다 압축에서 현저히 느린 크리프 속도를 나타냄을 보여주었습니다. 또한, Dargusch 등[2]은 이전에 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출이 마그네슘 합금의 크리프 거동에 영향을 미친다는 증거를 제시했습니다. 본 논문은 알루미늄을 함유한 다이캐스팅 마그네슘 합금에서 관찰되는 크리프 강도 비대칭성에 대한 설명을 제공하며, 동적 석출의 역할에 초점을 맞춥니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

마그네슘 합금은 낮은 밀도로 차량 경량화 및 연비 향상에 기여할 수 있어 자동차 응용 분야에 매력적입니다. 그러나 고온에서의 본질적으로 낮은 크리프 저항성은 구조 부품으로의 광범위한 적용을 제한하는 중요한 과제입니다.

이전 연구 현황:

이전 연구에 따르면 다이캐스팅 AM60B 마그네슘 합금은 크리프 거동에서 현저한 비대칭성을 보이며, 동일 응력 수준에서 인장 하중에 비해 압축 하중에서 훨씬 느린 크리프 속도가 관찰되었습니다[1]. 또한, Dargusch 등의 연구[2]는 크리프 중 β-Mg₁₇Al₁₂ 금속간 화합물 상의 동적 석출이 알루미늄을 함유한 마그네슘 합금의 크리프 특성에 결정적인 역할을 한다고 제안했습니다.

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 다음과 같습니다:

• 알루미늄을 함유한 상용 및 실험용 마그네슘 다이캐스팅 합금의 크리프 메커니즘에 대한 기존 지식을 확장합니다.
• 이러한 이해를 활용하여 향상된 크리프 저항성을 가진 새로운 마그네슘 합금 개발을 안내합니다.
• 구체적으로, 이들 합금에서 관찰되는 인장/압축 크리프 강도 비대칭성에 대한 설명을 제안하고 입증하며, 이를 동적 석출 현상과 연결합니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 여러 마그네슘 합금의 인장 및 압축 크리프 거동에 대한 포괄적인 조사였습니다. 여기에는 다이캐스팅 AM60B와 일련의 영구 주형(PM) 주조 합금(AZ91D, AM60B, AS41, AE42 및 Mg-4 wt%Al-0.8 wt%Ca 합금)이 포함되었습니다. 연구의 핵심 요소는 모의 크리프 조건(어닐링) 동안 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출을 모니터링하고 분석하기 위해 실시간(in-situ) 고온 X선 회절(XRD)을 사용하는 것이었습니다. 이를 통해 미세 구조 진화와 거시적 크리프 거동, 특히 인장 및 압축 크리프 간의 비대칭성 사이의 상관 관계를 파악할 수 있었습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 마그네슘 합금의 크리프 거동에 대한 실험적 조사로 설계되었습니다.

• 재료 및 시편 준비:
  • 두 가지 유형의 크리프 시편이 사용되었습니다. 첫 번째 시리즈는 평균 두께 5mm의 AM60B 다이캐스팅 자동차 부품에서 직접 가공한 시편으로 구성되었습니다. 이 다이캐스팅 AM60B 시편은 2-4% 정도의 기공률을 가졌습니다.
  • 두 번째 세트는 AZ91D, AM60B, AS41, AE42 및 Mg-4 wt%Al-0.8 wt%Ca 합금의 인장 시험봉으로 영구 주형(PM) 주조된 시편으로 구성되었습니다. PM 주조 AM60B 및 AZ91D 시편은 완전 치밀했습니다.
  • 시편의 밀도는 공기 중과 물속에서의 무게를 측정하여 결정되었습니다.
• 크리프 시험:
  • 모든 크리프 시험은 150°C에서 수행되었습니다.
  • 6개의 다이캐스팅 AM60B 시편은 20, 25, 40, 60, 70 또는 80 MPa의 일정한 공칭 응력 하에서 인장 시험되었습니다.
  • 3개의 다이캐스팅 AM60B 압축 크리프 시험은 -40, -60 및 -80 MPa에서 수행되었습니다.
• 실시간(In-situ) 고온 X선 회절:
  • 동적 석출을 조사하는 데 사용되었습니다.
  • 얇은 시편(0.5 x 10 x 10 mm)을 AM60B(다이캐스팅) 및 AZ91D(PM 주조)에서 절단한 후 연마, 에칭하고, Buehler HDK 2.3 고온로 부속 장치 내 진공 상태에서 카본 페인트를 사용하여 Pt13%Rh 히터 스트립에 장착했습니다.
  • 225°C 어닐링 동안 2θ = 30-50° (Cu-K_α 방사선) 범위에서 매시간 30시간 동안, 그리고 약 48시간 후에 다시 θ-2θ 스캔을 수행했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 크리프 데이터: 시간에 따른 크리프 변형률을 측정했습니다. 최소 크리프 속도는 크리프 곡선에서 결정되었습니다. 응력 지수를 결정하기 위해 멱법칙 유형 구성 방정식을 사용하여 인가 응력과 최소 크리프 속도 간의 관계를 분석했습니다.
• XRD 데이터:
  • β 상의 부피 분율은 모든 피크의 합산된 적분 강도를 사용하여 추정되었습니다.
  • 주요 마그네슘 상의 격자 상수는 어닐링 시간의 함수로 결정되었습니다.
  • 데이터는 Jade 5.0 [Materials Data, Inc.]을 사용하여 분석되었습니다.

연구 주제 및 범위:

• 150°C에서 다이캐스팅 AM60B 및 PM 주조 Mg-Al 합금(AZ91D, AM60B, AS41, AE42, Mg-4Al-0.8Ca)의 인장 및 압축 크리프 거동.
• 인장/압축 크리프 강도 비대칭성 조사.
• 크리프 중 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출 역할.
• XRD를 사용한 실시간(in-situ) 어닐링 중 미세 구조 진화, 특히 β 상 석출 및 마그네슘 격자 매개변수 변화.
• 알루미늄 함량 및 제3원소 첨가가 크리프 거동에 미치는 영향.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• AM60B의 크리프 비대칭성: 150°C에서 시험한 다이캐스팅 AM60B는 동일 응력 수준에서 시험된 모든 쌍에 대해 인장보다 압축에서 한 자릿수 낮은 크리프 속도를 보였습니다 (Figure 1a, 1b).
• 응력 지수: AM60B의 경우, 낮은 인장 응력 범위와 전체 압축 응력 범위에 대해 응력 지수 n ≈ 4가 결정되었으며, 이는 자기 확산에 의해 조절되는 전위 상승이 속도 결정 단계임을 시사합니다. 높은 인장 응력(>60 MPa)에서는 겉보기 응력 지수가 n ≈ 10으로 증가하여 멱법칙 파괴를 나타냅니다.
• PM 주조 합금 거동: 다양한 합금 조성(AZ91D, AM60B, AS41, AE42, Mg-4% Al- 0.8% Ca)의 PM 주조 시편은 ~50 MPa 이상에서 유사한 크리프 거동 전이(멱법칙 파괴)를 보였습니다 (Figure 2). 크리프 저항성 경향은 AZ91D < AM60B < AS41 < AE42 ~ Mg-4% Al- 0.8% Ca 순이었습니다. 일반적으로 알루미늄 함량이 낮을수록 크리프 성능이 우수했으며, 제3원소 첨가도 중요했습니다.
• 완전 치밀 합금의 비대칭성: 인장/압축 비대칭성은 완전 치밀한 PM 주조 AM60B 및 AZ91D 시편에서도 관찰되어(Figure 3a), 기공이 이 현상의 유일한 원인이 아님을 나타냅니다. 대조적으로, 알루미늄 합금 A380은 본질적으로 대칭적인 크리프 거동을 보였습니다 (Figure 3b).
• β-Mg₁₇Al₁₂의 동적 석출: 225°C에서의 실시간(in-situ) 고온 XRD 연구는 과포화 영역에서 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출을 확인했습니다 (Figure 4).
  • β 상의 부피 분율은 어닐링 동안 증가하는 것으로 관찰되었습니다 (Figure 5, Figure 6a).
  • 동시에, 알루미늄이 기지에서 빠져나와 새로운 석출물을 형성함에 따라 주요 마그네슘 상의 격자 상수가 팽창했으며, 이는 브래그 피크가 낮은 2θ 값으로 이동하는 것으로 입증되었습니다 (Figure 5, Figure 6b).
• 크리프 비대칭성에 대한 설명: 비대칭적 크리프 거동은 동적 석출과 관련된 두 가지 요인으로 설명됩니다:
  1. 격자 팽창: 석출 반응은 격자 팽창을 초래합니다. 이 팽창은 인장 하에서 (양의 정수압 응력으로 인해) 강화되고 압축 하에서 억제됩니다. 석출과 전위 상승 사이에 시너지 효과(예: 공공 농도 또는 이동성 증가로 인해)가 있다면 인장에서 크리프가 더 빨리 진행됩니다.
  2. 석출 유도 변형률: 석출 반응 자체는 측정 가능하며 (예: 225°C에서 20시간은 약 0.1%의 순 인장 변형률을 초래함), 이 변형률은 인장에서 측정된 크리프 변형률에 더해지고 압축에서는 감소시킵니다.
• 알루미늄 과포화의 영향: 알루미늄 과포화와 크리프 강도 비대칭성 간의 연관성은 Figure 3a에 의해 뒷받침되며, 이는 AM60B보다 AZ91D(더 높은 Al 함량)에서 더 많은 비대칭성을 보여줍니다.
• 제3원소 첨가의 효과: Sohn 등의 연구[6]를 참조하여 언급된 바와 같이, 제3원소 첨가(예: Ca 또는 RE)는 알루미늄 수준이 비대칭성을 보이는 합금과 유사하더라도 AZ91 및 AM50과 같은 합금에서 비대칭성을 줄일 수 있습니다.
• 과잉 알루미늄의 해로운 효과: 과잉 알루미늄은 β 상 자체(시효 처리에 의해 미세하게 분산되면 경화될 수 있음) 때문이 아니라 크리프 중에 발생하는 동적 석출 현상 때문에 크리프 저항성에 해롭습니다.
• 개선된 크리프 저항성을 위한 전략:
  • 합금의 알루미늄 함량 감소 (높은 Al 함량은 다이캐스팅 성능에 도움이 되므로 신중하게).
  • 알루미늄을 우선적으로 결합하여 β 석출 구동력을 감소시키는 제3원소 첨가.
  • 사용 전 합금을 시효 처리하여 알루미늄 과포화 감소.

그림 이름 목록:

• Figure 1: (a) 150°C에서 다양한 인가 응력 하에 인장 또는 압축을 받는 AM60B 다이캐스팅 시편의 크리프 곡선. (b) 인가 응력 대 최소 크리프 속도의 로그-로그 플롯은 저응력 및 고응력 영역이 각각 n ≈ 4 및 10의 응력 지수를 갖는 멱법칙으로 적합될 수 있음을 보여줌.
• Figure 2: (a) 150°C에서 시험된 합금들을 비교하는 크리프 곡선. (b) 인가 응력의 함수로서의 최소 변형률 속도. 비교를 위해 35 MPa에서 시험된 다이캐스팅 AZ91D 및 AE42가 표시됨.
• Figure 3: (a) 완전 치밀한 AM60B 및 AZ91D PM 주조 시편에서도 인장 압축 비대칭성이 관찰됨. (b) 알루미늄 합금 A380은 본질적으로 대칭적인 거동을 나타냄.
• Figure 4: β 상을 석출하는 알루미늄으로 과포화된 마그네슘의 개략도
• Figure 5: 225°C 어닐링 동안 스캔된 2θ 범위(30-50°)의 작은 부분으로, β 상 피크의 성장과 마그네슘 피크가 낮은 2θ 값으로 이동함을 보여줌.
• Figure 6: (a) 적분 강도에 의해 결정된 β 상의 부피 분율 증가를 보여주고, (b) 주요 마그네슘 격자의 팽창(AZ91D)을 보여줌.

7. 결론:

본 연구는 마그네슘-알루미늄 합금의 인장 및 압축 크리프 거동에서 관찰되는 비대칭성이 단순히 기공 때문만이 아니라, 근본적으로 β-Mg₁₇Al₁₂ 상의 동적 석출과 관련되어 있다고 결론짓습니다. 이 석출 과정은 격자 팽창을 유발하고 측정 가능한 변형률을 야기하며, 이 두 가지 모두 정수압 응력 상태의 영향을 받습니다. 즉, 인장 응력은 이러한 효과를 강화하여 크리프를 가속화하는 반면, 압축 응력은 이를 억제하여 크리프를 늦춥니다. 합금 내 알루미늄 과포화 정도는 중요한 요소이며, 과포화가 높을수록 비대칭성이 더 뚜렷해지고 일반적으로 높은 알루미늄 함량이 크리프 저항성에 미치는 해로운 영향에 기여합니다. 크리프 성능을 개선하기 위해 알루미늄 함량 감소, 알루미늄을 결합하는 제3원소 첨가, 또는 사용 전 합금을 사전 시효 처리하여 과포화를 줄이는 등의 전략이 권장됩니다.

8. 참고문헌:

• [1] S. R. Agnew, K. C. Liu, E. A. Kenik and S. Viswanathan, Magnesium Technology 2000, Eds. H. I. Kaplan, J. Hryn, and B. Clow, TMS, Warrendale, PA, 2000, p. 285.
• [2] M. S. Dargusch, G. L. Dunlop, K. Pettersen, Magnesium Alloys and their Applications, Eds. B. L. Mordike and K. U. Kainer, Werkstoff-Informationsgesellschaft, Frankfurt, Germany, 1998, p. 277-282.
• [3] J. E. Dorn, Creep and Recovery, ASM, Metals Park, Ohio, 1957, 255-283.
• [4] F. C. Chen, J. W. Jones, T. A. McGinn, J. E. Kearns, A. J. Nielsen, and J. E. Allison, SAE Technical Paper, #970325, 1997, 13-21.
• [5] J.-P. Poirier, Creep of Crystals, Cambridge, New York, 1985, p. 145.
• [6] K. Y. Sohn, J. W. Jones, and J. E. Allison, Magnesium Technology 2000, Eds. H. I. Kaplan, J. Hryn, and B. Clow, TMS, Warrendale, PA, 2000, 271-278.

9. 저작권:

• 본 자료는 "S. R. Agnew, S. Viswanathan, E. A. Payzant, Q. Han, K. C. Liu, and E. A. Kenik"의 논문입니다. "Tensile and Compressive Creep Behavior of Magnesium Die Casting Alloys Containing Aluminum"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: [DOI URL이 논문에 제공되지 않았습니다]

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