As-Cast 마그네슘 합금의 미세 구조 및 특성 평가 (9% Al 및 9% Zn 첨가)

본 논문 요약은 Materials, MDPI에 게재된 "Evaluation of the Microstructure and Properties of As-Cast Magnesium Alloys with 9% Al and 9% Zn Additions" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

제목: As-Cast 마그네슘 합금의 미세 구조 및 특성 평가 (9% Al 및 9% Zn 첨가)
저자: 레호스와프 투즈 (Lechosław Tuz), 비트 노박 (Vít Novák), 프란티셰크 타티체크 (František Tatíček)
발행 연도: 2025년
발행 저널: Materials, MDPI
키워드: 마그네슘 합금, 기계적 특성, 미세 구조, 용접성, 성형, 고온, 열전도율

2. 연구 배경:

에너지 소비 감소의 필요성은 차량 경량화를 요구하며, 이는 전기 자동차 개발과 함께 마그네슘 합금을 주요 구조 재료로 재평가하게 만들었습니다. 마그네슘 합금은 우수한 기계적 특성, 자연 분해성, 그리고 자동차 및 항공 산업에서 고온 환경을 포함한 두꺼운 부재와 얇은 부재 모두에 적용 가능성이 높아지고 있습니다. 그러나 특히 사형 주조 또는 고압 다이캐스팅과 같은 방법으로 생산된 두꺼운 주물에서 마그네슘 합금 활용의 주요 과제는 고유한 기공성입니다. 이러한 기공성은 기계적 및 가소성 특성에 부정적인 영향을 미치고 열처리 효율성을 제한합니다. 더욱이, 이러한 합금 내에 존재하는 저융점 구조 성분 및 상은 추가적인 복잡성을 야기합니다. 따라서 마그네슘 합금의 적용을 확대하기 위해서는 이러한 한계를 이해하고 완화하는 것이 중요합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

본 연구는 산업 응용 분야와 관련된 특정 합금 첨가물을 사용하여 as-cast 마그네슘 합금의 미세 구조 및 재료 특성을 평가하는 것을 목표로 합니다. 특히 알루미늄과 아연을 주요 합금 원소로 사용하여 합금 특성에 미치는 영향을 비교 분석합니다.

주요 연구 질문:

• 9% 알루미늄(Al) 및 9% 아연(Zn) 첨가가 as-cast 마그네슘 합금의 미세 구조에 각각 어떤 영향을 미치는가?
• 이러한 합금 첨가가 상온 및 고온에서 as-cast 마그네슘 합금의 기계적 특성(인장 강도, 경도, 가소성)에 미치는 영향은 무엇인가?
• 이러한 마그네슘 합금의 열전도율은 온도 및 합금 조성에 따라 어떻게 변화하는가?

연구 가설:
본 연구는 마그네슘 합금에 알루미늄 또는 아연을 고농도로 첨가하면 저융점 상 형성이 촉진되어 가공 중 고온 균열 민감성이 증가할 것이라고 가정합니다. 또한, 연구는 서비스 조건 및 용접과 같은 열처리 공정 하에서 거동을 이해하기 위해 이러한 합금의 온도 의존적 특성 변화를 조사합니다.

4. 연구 방법론

연구 설계: 본 연구는 사형 주형으로 주조된 두 가지 마그네슘 합금, 즉 Mg-Al-Zn (약 9% Al, 0.5% Zn, 잔량 Mg) 및 Mg-Zn-Al (약 9% Zn, 1% Al, 잔량 Mg) 합금을 비교 분석하는 실험적 설계를 채택했습니다. 두 합금 모두 후속 열처리 없이 as-cast 상태로 테스트되었습니다.

데이터 수집 방법: 포괄적인 특성 분석 기술 세트가 활용되었습니다.

• 현미경 관찰: 광학 현미경(LM) 및 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 에칭된 시편의 미세 구조를 관찰했습니다. 에너지 분산 분광법(SEM-EDS)을 사용하여 상 식별 및 원소 매핑을 수행했습니다.
• 열전도율 측정: 열전도율 계수는 ASTM E1461 표준을 준수하여 25°C에서 200°C 범위의 온도에서 측정되었습니다.
• 인장 시험: 정적 인장 시험은 상온 및 고온(120°C, 150°C, 180°C, 240°C)에서 수행되었습니다. 시편은 유도 가열 요소를 사용하여 접촉 가열 방식으로 가열되었습니다. 연신율은 레이저 연신계를 사용하여 측정되었습니다.
• 경도 시험: 비커스 경도 측정(HV10)을 수행하여 두 합금의 경도를 평가했습니다.
• 파면 분석: 인장 시험된 시편의 파단면을 SEM을 사용하여 파괴 메커니즘을 분석했습니다.

분석 방법: 수집된 데이터는 정성적 및 정량적 방법을 사용하여 분석되었습니다. 미세 구조적 특징 및 상 조성은 현미경 관찰 및 EDS를 통해 식별되었습니다. 통계 분석은 기계적 및 열적 특성 데이터에 적용되었습니다. 파면 분석은 합금의 파괴 거동에 대한 통찰력을 제공했습니다.

연구 대상 및 범위: 본 연구는 사형 주형으로 중력 주조하여 준비된 두 가지 특정 마그네슘 합금 조성, Mg-Al-Zn 및 Mg-Zn-Al에 초점을 맞추었습니다. 범위는 as-cast 상태와 최대 240°C까지의 미세 구조, 열전도율 및 인장 특성 평가로 제한되었습니다.

5. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

• 미세 구조: 두 합금 모두 주조 재료의 전형적인 수지상 미세 구조를 나타냈습니다. 수지상 영역 사이에는 저융점 공정상, 금속간 화합물 및 Laves 상이 존재했습니다. Mg-Al-Zn 합금은 수지상 영역 사이에 국부적인 기공을 보였습니다 (그림 2 및 3). Mg-Al-Zn 합금에서는 γ-Mg₁₇Al₁₂ 상이 결정립계에서 주로 나타났고, Mg-Zn-Al 합금에서는 γ-Mg₁₇Al₁₂ 및 β-MgZn₂ 상이 모두 존재할 가능성이 높았습니다 (그림 4 및 5).
• 열전도율: 열전도율 계수는 두 합금 모두에서 최대 200°C까지 온도 증가에 따라 비교적 일정하게 유지되었습니다. Mg-Zn-Al 합금은 Mg-Al-Zn 합금 (약 49 W/mK)에 비해 훨씬 높은 열전도율 (약 77 W/mK)을 나타냈습니다 (그림 8, 표 4).
• 인장 특성: 인장 강도(R_m)는 초기에는 두 합금 모두에서 온도가 증가함에 따라 증가하여 고온에서 최고 값에 도달했습니다. Mg-Zn-Al 합금의 경우 최대 인장 강도 121 MPa는 150°C에서 관찰되었으며, Mg-Al-Zn 합금은 180°C에서 최대 122 MPa에 도달했습니다 (그림 9, 표 5). 연신율은 as-cast 상태에서 두 합금 모두에서 낮게 유지되었습니다.
• 경도: Mg-Al-Zn 합금은 Mg-Zn-Al 합금 (46 HV10)에 비해 훨씬 높은 비커스 경도 (83 HV10)를 나타냈습니다 (표 6).

통계적/정성적 분석 결과: EDS 분석은 수지상 영역 사이 영역에 합금 원소가 존재함을 확인하고 주요 상을 식별했습니다. 인장 시험 데이터는 강도 및 연신율에서 온도 의존적 경향을 보여주었습니다. 열전도율 측정은 열 전달 특성에 대한 정량적 값을 제공했습니다. 파면 분석은 두 합금 모두에서 취성 입계 파괴를 나타냈습니다 (그림 10 및 11).

데이터 해석: 결과는 합금 원소, 특히 Al과 Zn이 응고 중에 수지상 영역 사이 영역으로 분리되어 저융점 상을 형성함을 나타냅니다. 아연 첨가는 Laves 상 형성에 기인하여 열전도율을 크게 향상시킵니다. 고온은 초기에는 원자 이동성 증가로 인해 인장 강도를 향상시키지만 가소성을 감소시킬 수 있습니다. Mg-Al-Zn 합금의 기공성과 Mg-Zn-Al 합금의 취성 아연 풍부 상 형성은 기계적 거동 및 잠재적 용접성에 영향을 미칩니다.

그림 목록:

• 그림 1. 인장 시험용 시편 (a) 및 가열 장비 (b), LabTest Model 5.100SP1, 시험에 사용됨.
• 그림 2. 합금의 단면 거시 구조: (a) Mg-Al-Zn, (b) Mg-Zn-Al.
• 그림 3. Mg-Al-Zn 합금의 기공 근처 미세 구조.
• 그림 4. Mg-Al-Zn 합금의 미세 구조. (a-d) 광학 현미경, (e,f) SEM 이미지.
• 그림 5. Mg-Zn-Al 합금의 미세 구조. (a-d) 광학 현미경, (e,f) SEM 이미지.
• 그림 6. Mg-Al-Zn 합금의 원소 분포 맵.
• 그림 7. Mg-Zn-Al 합금의 원소 분포 맵.
• 그림 8. 온도 함수에서 열전도율 계수의 변화.
• 그림 9. (a) Mg-Al-Zn 및 (b) Mg-Zn-Al 합금의 기계적 특성 변화.
• 그림 10. 시편 92 (a,b) 및 96 (c,d)의 파면 형상.
• 그림 11. 시편 L2 (a,b) 및 L6 (c,d)의 파면 형상.

6. 결론 및 논의:

주요 결과 요약: 본 연구는 as-cast Mg-Al-Zn 및 Mg-Zn-Al 합금 모두에서 합금 원소가 수지상 영역 사이에 집중된 수지상 미세 구조를 나타냄을 보여줍니다. 9% 아연을 함유한 Mg-Zn-Al 합금은 Mg-Al-Zn 합금 (9% 알루미늄)에 비해 우수한 열전도율을 보이지만 경도는 낮습니다. 두 합금 모두 고온에서 최대 인장 강도를 나타내지만 저융점 상의 존재로 인해 고온 균열에 취약합니다.

연구의 학문적 의의: 본 연구는 as-cast 마그네슘 합금의 미세 구조 및 특성에 대한 알루미늄 및 아연 합금 첨가의 비교 효과에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이는 산업적으로 관련된 이러한 합금 시스템에서 상 형성, 열적 거동 및 기계적 반응에 대한 더 깊은 이해에 기여합니다.

실용적 의미: 연구 결과는 마그네슘 합금의 다이캐스팅 및 용접에서 재료 선택 및 가공에 대한 실용적인 의미를 갖습니다. Mg-Zn-Al 합금의 더 높은 열전도율은 효율적인 열 방출이 필요한 응용 분야에서 유리할 수 있습니다. 그러나 두 합금 모두에서 고온 균열에 대한 민감성은 특히 자동차 및 항공 산업용 대형 주물에서 부품 무결성을 보장하기 위해 예열을 포함한 주조 및 용접 매개 변수를 신중하게 제어해야 할 필요성을 강조합니다. 용접 중 균열을 완화하기 위해 최대 인장 강도 범위 (150-180°C)의 예열이 제안됩니다.

연구의 한계: 본 연구는 as-cast 상태의 두 가지 특정 합금 조성으로 제한됩니다. 용접성 시험은 수행되지 않았으며, 이러한 합금에 대한 열처리 효과 및 용접 매개 변수 최적화를 탐구하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향: 향후 연구는 다음 사항에 초점을 맞춰야 합니다.

• 열처리 및 인공 시효 조건 하에서 마그네슘 기지 내 석출 거동 및 상 변태에 대한 상세 분석.
• 최적의 용접 매개 변수 및 고온 균열 방지 전략을 결정하기 위한 두 합금의 포괄적인 용접성 시험.

추가 탐구가 필요한 영역:

• 고온 균열 민감성을 최소화하기 위한 주조 및 용접 중 예열 온도 및 냉각 속도 최적화 연구.
• 이러한 마그네슘 합금의 미세 구조, 특성 및 용접성에 대한 미량 합금 원소 및 불순물 수준의 영향에 대한 추가 탐구.

8. 참고 문헌:

[1] Zeng, X.; Yi, S. Deformation Mechanisms of Magnesium Alloys with Rare-Earth and Zinc Additions under Plane Strain Compression. Materials 2024, 17, 33. CrossRef
[2] Cheng, M.; Jia, X.; Zhang, Z. Prediction of Mechanical Properties of Rare-Earth Magnesium Alloys Based on Convolutional Neural Networks. Materials 2024, 17, 4956. CrossRef PubMed
[3] Sharma, S.K.; Gajević, S.; Sharma, L.K.; Pradhan, R.; Miladinović, S.; Ašonja, A.; Stojanović, B. Magnesium-Titanium Alloys: A Promising Solution for Biodegradable Biomedical Implants. Materials 2024, 17, 5157. CrossRef PubMed
[4] Zhao, D.; Lü, S.; Guo, W.; Li, S.; Li, J.; Guo, G.; Guo, W.; Wu, S. Effects of Mg17Al12 phase on microstructure evolution and ductility in the AZ91 magnesium alloy during the continuous rheo-squeeze casting-extrusion process. J. Mater. Sci. Technol. 2024, 191, 63–79. CrossRef
[5] Mashoufi, K.; Garmroodi, P.; Mirzakhani, A.; Assempour, A. Cyclic contraction-expansion extrusion (CCEE): An innovate severe plastic deformation method for tailoring the microstructure and mechanical properties of magnesium AZ91 alloy. J. Mater. Res. Technol. 2023, 26, 8541–8554. CrossRef
[6] Chai, F.; Ma, Z.; Han, X.; Hu, X.; Chang, Z.; Zhou, J. Effect of strain rates on mechanical behavior, microstructure evolution and failure mechanism of extruded-annealed AZ91 magnesium alloy under room-temperature tension. J. Mater. Res. Technol. 2023, 27, 4644–4656. CrossRef
[7] Wang, R.; Yan, F.; Sun, J.; Xing, W.; Li, S. Microstructural Evolution and Mechanical Properties of Extruded AZ80 Magnesium Alloy during Room Temperature Multidirectional Forging Based on Twin Deformation Mode. Materials 2024, 17, 5055. CrossRef
[8] Venkatesh, R.; Hossain, I.; Mohanavel, V.; Soudagar, M.E.M.; Alharbi, S.A.; Al Obaid, S. Analysis and optimization of machining parameters of AZ91 alloy nanocomposite with the Influences of nano ZrO2 through vacuum diecast process. Heliyon 2024, 10, e34931. CrossRef
[9] Sadiq, T.O.; Sudin, I.; Alsakkaf, A.; Idris, J.; Fadil, N.A. Effect of homogenization heat treatment on the microstructure of AZ91 magnesium alloy at different temperatures and ageing times. J. Eng. Res. 2023, 11, 212–218. CrossRef
[10] Ganguly, S.; Chaubey, A.; Sahoo, R.; Kushwaha, A.; Basu, A.; Majhi, J.; Gupta, M. Influence of ultrasonic shot peening on the microstructure and impression creep performance of squeeze-cast AZ91 alloy reinforced with graphene nanoplatelets. J. Alloys Compd. 2023, 938, 168640. CrossRef
[11] Kandemir, S.; Bohlen, J.; Dieringa, H. Influence of recycled carbon fiber addition on the microstructure and creep response of extruded AZ91 magnesium alloy. J. Magnes. Alloys 2023, 11, 2518–2529. CrossRef
[12] Motavallian, P.; Rabiee, S.M.; Aval, H.J. Effect of solution treatment of AZ91 alloy on microstructure, mechanical properties and corrosion behavior of friction stir back extruded AZ91/bioactive glass composite. J. Mater. Res. Technol. 2023, 25, 6992–7007. CrossRef
[13] Cui, P.-X.; Hu, M.-L.; Ji, Z.-S.; Wang, Y.; Guo, Y.; Xu, H.-Y. Effect of La/Nd ratio on microstructure and tensile properties of AZ91-RE alloys. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2024, 34, 1456–1469. CrossRef
[14] Luo, H.; Li, J.; Wang, Y.; Ye, J.; Zhang, Z.; Guan, B.; Chen, X.; Zheng, K.; Pan, F. Influence of Ti particle sizes on microstructure and mechanical behaviors of AZ91-Ti composites under different loading paths. Mater. Sci. Eng. A 2023, 886, 145723. CrossRef
[15] Mehdipour, M.; Aval, H.J. Effect of friction stir back extrusion rotational speed on microstructure, mechanical properties, and corrosion behaviour of AZ91-Ca alloy. J. Mater. Res. Technol. 2023, 25, 4441–4456. CrossRef
[16] Motavallian, P.; Rabiee, S.M.; Aval, H.J. Investigation of microstructure and corrosion behavior of AZ91/64SiO2-31CaO-5P2O5 composite wire fabricated by friction stir back extrusion. Surf. Coat. Technol. 2023, 464, 129451. CrossRef
[17] Patil, H.; Marodkar, A.; Ghosh, A.; Borkar, H. Effect of Ca addition on the microstructure and creep behaviour of AZ91 Mg alloy. Mater. Today Proc. 2023, in press. CrossRef
[18] Jin, G.; Xiao, M.; Liu, F.; Liu, W.; Chen, Y. Microstructure and mechanical properties of hybrid hexagonal BN nanotube and nanoplatelet reinforced AZ91 Mg matrix composites. J. Mater. Res. Technol. 2024, 32, 1509–1520. CrossRef
[19] Xiao, P.; Gao, Y.; Sheng, Y.; Yang, C.; Liu, Z.; Yi, Y.; Wu, W.; Zhao, Q.; Gupta, M. Improving wear and corrosion resistances of Mg2Si/AZ91 composites via tailoring microstructure and intrinsic properties of Mg2Si induced by Sb modification. J. Magnes. Alloys 2023, in press. CrossRef
[20] Milan, S.; Branislav, H.; Martina, J.; Jana, P. Microstructure evolution and corrosion mechanism of AZ91 magnesium alloy in chloride environments for commercial purposes prepared by Ohno continuous casting. Transp. Res. Procedia 2023, 74, 530–537. CrossRef
[21] Shabestari, S.G.; Ghaniabadi, E. Effect of Ca and rotation speed on microstructure and solidification parameters of AZ91 magnesium alloy produced by semi-solid casting through rotating container process. Trans. Nonferrous Met. Soc. China 2023, 33, 396–408. CrossRef
[22] Yang, H.; Cui, J.; Zhou, Y.; Tan, J.; Chen, X.; Huang, G.; Zheng, K.; Jin, Y.; Jiang, B.; Pan, F. Microstructures and the improved mechanical properties of AZ91 alloy by incorporating Ti-6Al-4V particles. J. Mater. Res. Technol. 2023, 26, 7340–7353. CrossRef
[23] Fan, W.; Bai, Y.; Li, T.; Hao, H.; Zhang, X. Effect of hard-plate rolling and annealing treatment on the microstructure and mechanical properties of NbB2 particle-reinforced AZ91 composite. J. Magnes. Alloys 2024, in press. CrossRef
[24] Zheng, Z.-L.; Deng, K.-K.; Nie, K.-B.; Wang, C.-J.; Xu, C.; Shi, Q.-X. Microstructure and mechanical properties of freeze-casted in-situ ABOW@Al2O3/AZ91 composites. Ceram. Int. 2024, 50, 42015–42025. CrossRef
[25] Du, Z.-Q.; Deng, K.-K.; Nie, K.-B.; Wang, C.-J.; Xu, C.; Shi, Q.-X. Preparation, microstructure, and mechanical properties of SiCp/AZ91 magnesium matrix laminar material. Mater. Sci. Eng. A 2024, 891, 145977. CrossRef
[26] Trojanová, Z.; Gärtnerová, V.; Jäger, A.; Námešný, A.; Chalupová, M.; Palček, P.; Lukáč, P. Mechanical and fracture properties of an AZ91 Magnesium alloy reinforced by Si and SiC particles. Compos. Sci. Technol. 2009, 69, 2256–2264. CrossRef
[27] Yin, C.; Shen, J.; Hu, S.; Zhang, Z. Microstructure and mechanical properties of AZ91 magnesium alloy fabricated by multi-layer and multi-pass CMT based WAAM technique. Results Eng. 2023, 18, 101065. CrossRef
[28] Srinivasan, S.; Bharath, R.R.; Atrens, A.; Srinivasan, P.B. Microstructure and mechanical properties of welds of AZ31B magnesium alloy produced by different gas tungsten arc welding variants. Def. Technol. 2024, in press. CrossRef
[29] Braszczyńska-Malik, K.; Mróz, M. Gas-tungsten arc welding of AZ91 magnesium alloy. J. Alloys Compd. 2011, 509, 9951–9958. CrossRef
[30] Sunil, B.R.; Reddy, G.P.K.; Mounika, A.; Sree, P.N.; Pinneswari, P.R.; Ambica, I.; Babu, R.A.; Amarnadh, P. Joining of AZ31 and AZ91 Mg alloys by friction stir welding. J. Magnes. Alloys 2015, 3, 330–334. CrossRef
[31] Kumar, S.; Vigneshwar, M.; Selvamani, S.; Prakash, A.; Hariprasath, P. The Comparative Analysis on Friction Stir Welded and Gas Tungsten Arc Welded AZ91 Grade Magnesium Alloy Butt Joints. Mater. Today Proc. 2017, 4, 6688–6696. CrossRef
[32] Tuz, L.; Kołodziejczak, P.; Kolasa, A. Structure of butt joint of as-cast magnesium alloys. Weld. Int. 2015, 30, 43–47. CrossRef
[33] Asgari, A.; Delavar, H.; Sedighi, M. Microstructure and surface integrity of machined AZ91 magnesium alloy. J. Mater. Res. Technol. 2023, 22, 735–746. CrossRef
[34] Swetha Chowdary, V.; Ravikumar, D.; Anand Kumar, S.; Kondaiah, V.V.; Ratna Sunil, B. Influence of heat treatment on the machinability and corrosion behavior of AZ91 Mg alloy. J. Magnes. Alloys 2018, 6, 52–58. CrossRef
[35] Marakini, V.; Srinivasa Pai, P.; D’Mello, G. Effect of liquid nitrogen assisted milling on AZ91 magnesium alloy. Results Eng. 2024, 22, 102207. CrossRef
[36] Marodkar, A.S.; Patil, H.; Chavhan, J.; Borkar, H. Effect of gravity die casting, squeeze casting and extrusion on microstructure, mechanical properties and corrosion behaviour of AZ91 magnesium alloy. Mater. Today Proc. 2023, in press. CrossRef
[37] Lü, Y.; Wang, Q.; Ding, W.; Zeng, X.; Zhu, Y. Fracture behavior of AZ91 magnesium alloy. Mater. Lett. 2000, 44, 265–268. CrossRef
[38] Sovík, J.; Kajánek, D.; Pastorek, F.; Štrbák, M.; Florková, Z.; Jambor, M.; Hadzima, B. The Effect of Mechanical Pretreatment on the Electrochemical Characteristics of PEO Coatings Prepared on Magnesium Alloy AZ80. Materials 2023, 16, 5650. CrossRef PubMed
[39] ASTM E1461-13; Standard Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method. ASTM International: West Conshohocken, PA, USA, 2022.
[40] Alrasheedi, N.H.; Ataya, S.; Seleman, M.M.E.-S.; Ahmed, M.M.Z. Tensile Deformation and Fracture of Unreinforced AZ91 and Reinforced AZ91-C at Temperatures up to 300 °C. Materials 2023, 16, 4785. CrossRef PubMed
[41] Lin, Z.; Sheng, D.; Fang, Y.; Xiong, K.; Song, Y. Experimental and Numerical Investigation of the Tensile and Failure Response of Multiple-Hole-Fiber-Reinforced Magnesium Alloy Laminates under Various Temperature Environments. Materials 2023, 16, 5573. CrossRef

9. 저작권:

*본 자료는 레호스와프 투즈, 비트 노박, 프란티셰크 타티체크의 논문 "Evaluation of the Microstructure and Properties of As-Cast Magnesium Alloys with 9% Al and 9% Zn Additions"을 기반으로 합니다.
*논문 출처: https://doi.org/10.3390/ma18010010

본 자료는 상기 논문을 기반으로 요약되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용하는 것을 금지합니다.
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.