Interaction of Creep and Ageing Behaviors in Zinc Die Castings

아연 다이캐스팅의 숨겨진 변수: 크리프와 시효 거동의 상호작용이 부품 수명에 미치는 영향

이 기술 요약은 F. E. Goodwin, L. H. Kallien, W. Leis가 2016년 NORTH AMERICAN DIE CASTING ASSOCIATION (NADCA)에서 발표한 학술 논문 "Interaction of Creep and Ageing Behaviors in Zinc Die Castings"를 기반으로 작성되었습니다.

키워드

• 주요 키워드: 아연 다이캐스팅 크리프
• 보조 키워드: Zamak 합금, HF 합금, 크리프 저항성, 시효 처리, 고유동성 아연 합금, 다이캐스팅 공정 최적화

Executive Summary

• 과제: 아연 다이캐스팅은 여러 장점에도 불구하고 시간 의존적 변형(크리프) 및 물성 변화(시효)를 나타내며, 이는 특히 하중 및 다양한 온도 조건 하에서 적용을 제한할 수 있습니다.
• 방법: 본 연구는 다양한 아연 합금(Zamak, ZA-8, HF)을 대상으로 여러 응력, 온도, 시효 및 벽 두께 조건에서 광범위한 크리프 시험을 수행했습니다.
• 핵심 발견: 특정 지점 이상의 인공 시효 처리는 인장 강도 안정화에 대한 기대와는 달리 크리프 저항성을 감소시킵니다. 높은 구리(Cu) 함량과 두꺼운 벽 두께는 크리프 저항성을 크게 향상시킵니다.
• 결론: 합금 조성(특히 Cu), 벽 두께, 시효 간의 상호작용을 이해하는 것은 오래 지속되고 신뢰성 있는 아연 다이캐스팅 부품을 설계하는 데 매우 중요합니다.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

"초기 강도는 우수하지만, 수년간의 사용 후에도 이 아연 부품이 변형되지 않을까?", "열처리가 부품의 장기적인 안정성에 어떤 영향을 미칠까?" 엔지니어라면 누구나 이러한 고민을 해보았을 것입니다. Zamak 합금과 같은 아연 다이캐스팅은 낮은 비용, 높은 강성 및 생산 용이성으로 널리 사용되지만, 고온 및 지속적인 하중 하에서의 크리프(creep) 특성은 오랜 과제였습니다. 크리프는 재료가 일정한 하중 하에서 시간이 지남에 따라 서서히 변형되는 현상으로, 부품의 치수 안정성과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 본 연구는 이러한 산업 현장의 문제를 해결하기 위해, 특히 새로운 고유동성(HF) 합금을 포함한 다양한 아연 합금의 크리프와 시효(ageing) 거동 간의 복잡한 상호작용을 규명하고자 시작되었습니다.

접근법: 연구 방법론 분석

본 연구의 신뢰성은 체계적인 실험 설계에 기반합니다. 연구진은 아연 다이캐스팅의 장기적인 기계적 거동을 이해하기 위해 다음과 같은 접근법을 사용했습니다.

재료 선정: 업계에서 널리 사용되는 Alloy 3, 5, 2, ZA-8과 새로운 고유동성 HF 합금을 포함한 총 5가지 아연 합금의 화학 조성을 분석하고 테스트 샘플로 사용했습니다. (Table 1 참조)

크리프 시험: 다양한 응력 조건(상온에서 40-100 MPa, 85°C에서 12-50 MPa) 하에서 크리프 시험을 수행하여 시간 경과에 따른 변형률을 측정했습니다.

핵심 변수 통제: 크리프 거동에 영향을 미치는 주요 변수인 ▲시효 처리(105°C에서 최대 1000시간), ▲시험 온도(상온 및 85°C), ▲주조품 벽 두께(1.5mm 및 3.0mm)의 영향을 정밀하게 분석했습니다.

핵심 발견: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 시효 처리가 크리프에 미치는 예상 밖의 효과

일반적으로 시효 처리는 아연 합금의 인장 강도와 같은 단기 기계적 특성을 안정화시키는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 본 연구는 장기적인 크리프 저항성 측면에서 정반대의 결과를 보여주었습니다.

논문의 Figure 15에 따르면, 105°C에서 20시간 이상 인공 시효 처리된 샘플은 주조 상태(as-cast) 샘플에 비해 크리프 속도가 최대 50배까지 증가했습니다. 이는 단기적인 물성 안정을 위한 열처리가 오히려 장기적인 치수 안정성(크리프 저항성)에는 해로울 수 있다는 매우 중요한 사실을 시사합니다. 이는 시효 과정에서 미세구조가 변화하여(Cu가 풍부한 엡실론 상 형성) 크리프를 가속화하기 때문입니다.

결과 2: 구리(Cu) 함량과 벽 두께의 결정적 역할

합금 조성과 주조 조건 또한 크리프 저항성에 결정적인 영향을 미쳤습니다.

• 구리 함량의 영향: Figure 17은 합금별 크리프 속도를 비교한 결과입니다. 구리 함량이 높은 Alloy 2(2.95% Cu)는 구리가 없는 Alloy 3에 비해 크리프 속도가 약 4배나 낮아 월등한 크리프 저항성을 보였습니다.
• 벽 두께의 영향: Figure 16은 동일한 Alloy 5 샘플에서 벽 두께의 영향을 보여줍니다. 3.0mm 두께의 샘플은 1.5mm 샘플에 비해 동일 시간 동안 크리프 변형률이 현저히 낮았습니다. 이는 두꺼운 벽이 더 느리게 냉각되면서 더 크고 조대한 결정립 구조를 형성하고, 이는 크리프를 억제하는 데 기여하기 때문입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 두꺼운 부위에서 조대한 미세구조를 유도하기 위해 금형 온도 및 냉각 속도를 조절하면 크리프 저항성을 향상시킬 수 있습니다. 장기적인 크리프 성능이 중요한 부품의 경우, 주조 후 시효 처리(열처리) 적용에 신중해야 합니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 13 데이터는 온도가 크리프 속도에 미치는 극적인 영향(25°C에서 85°C로 상승 시 크리프 속도 700배 증가)을 보여줍니다. 이는 고온 환경에서 사용되는 부품의 품질 검사 기준 및 가속 수명 시험 프로토콜을 수립하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
• 설계 엔지니어: 하중을 견뎌야 하는 부품의 경우, Alloy 3보다 구리 함량이 높은 Alloy 5 또는 Alloy 2와 같은 합금을 지정하고, 가능한 경우 더 두꺼운 벽으로 설계하는 것이 크리프 성능을 향상시키는 직접적인 방법입니다.

Paper Details

Interaction of Creep and Ageing Behaviors in Zinc Die Castings

1. 개요:

• 제목: Interaction of Creep and Ageing Behaviors in Zinc Die Castings
• 저자: F. E. Goodwin, L. H. Kallien, W. Leis
• 발행 연도: 2016
• 학술지/학회: NORTH AMERICAN DIE CASTING ASSOCIATION (NADCA)
• 키워드: Zinc die casting, Creep, Ageing, Zamak, HF alloy, Microstructure

2. 초록:

미국 에너지부와 NADCA 기술행정그룹의 자금 지원을 기반으로 한 아연 주조 합금 연구는 최근 새로운 HF(고유동성) 합금과 Alloy 5의 크리프 특성 데이터 추가 개발에 초점을 맞추어 왔다. HF 합금에 대한 상온 시효 및 크리프 결과가 확장되었다. Alloy 5의 주조 단면 두께가 크리프 특성에 미치는 영향은 현재 조사 중이며, 이용 가능한 데이터와 분석이 기술된다. 새로운 결과는 다른 아연 합금 데이터의 관점에서 제시될 것이며, 관찰된 결과에 대한 과학적 설명의 기초를 포함할 것이다.

3. 서론:

최근 아연 합금에 대한 연구는 고온 적용을 위한 크리프 저항성 조성과 초박막 다이캐스팅 기술을 위한 고유동성 조성 모두에 초점을 맞추어 왔다. Zamak 계열 합금은 1930년대에 개발되었으며, 낮은 비용, 높은 강도 및 강성, 대량 생산을 위한 열챔버 다이캐스팅 기계에서의 사용 용이성 등 매력적인 엔지니어링 특성의 조합을 가지고 있다. 그러나 고온에서의 적용은 크리프 특성에 의해 제한된다. 과거 연구에서는 합금 원소 첨가를 통해 크리프 특성을 개선하는 방안이 모색되었다. 한편, Alloy 7과 같이 Mg 함량을 낮추거나 Al 함량을 높여 유동성을 개선하려는 연구도 진행되었으며, 이는 새로운 HF 합금 개발로 이어졌다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

아연 주조 합금은 널리 사용되지만 고온에서 크리프 특성으로 인해 적용이 제한된다. 따라서 크리프 저항성과 유동성을 동시에 개선하려는 연구가 필요하다.

이전 연구 현황:

과거 연구는 주로 Al, Cu, Li 등 합금 원소 첨가를 통해 크리프 저항성을 개선하거나, Mg 함량을 낮추고 Al 함량을 높여 유동성을 개선하는 데 초점을 맞추었다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 새로운 HF 합금을 포함한 다양한 아연 합금에서 크리프와 시효의 상호작용을 조사하고, 주조품 단면 두께의 영향을 연구하며, 관찰된 결과에 대한 과학적 근거를 제공하는 것이다.

핵심 연구:

5가지 아연 합금(Alloy 3, 5, 2, ZA-8, HF)을 대상으로 응력, 온도, 시효 시간, 벽 두께 등 다양한 조건에서 크리프 시험을 수행하고, 그 결과를 수학적 모델(Power Law, Norton's Law)을 이용하여 분석하였다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

5가지 다른 아연 다이캐스팅 합금의 크리프 거동을 비교하는 실험적 연구.

데이터 수집 및 분석 방법:

상온 및 85°C에서 크리프 시험을 수행하여 시간에 따른 변형률을 측정하였다. 샘플은 105°C에서 다양한 시간 동안 인공 시효 처리되었다. 1차 크리프는 멱법칙 함수(power law function)로, 2차 크리프는 Norton 방정식을 사용하여 분석하였다.

연구 주제 및 범위:

연구는 1차 및 2차 크리프 단계를 다루며, 응력, 온도, 시효, 벽 두께 및 합금 조성이 크리프 거동에 미치는 영향을 분석한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 모든 시험된 합금의 1차 크리프는 멱법칙 함수 ε = c · t^a로 잘 설명된다.
• 2차 크리프는 Norton의 방정식으로 설명되며, 상온에서 시험된 합금의 응력 지수(n)는 5.7에서 7.6 사이였다.
• 크리프 속도는 온도에 매우 민감하며, 25°C에서 85°C로 온도가 상승하면 크리프 속도가 약 700배 증가한다.
• 105°C에서 20시간 이상의 인공 시효 또는 20년 이상의 자연 시효는 주조 상태 또는 단기 시효 샘플에 비해 크리프 속도를 크게 증가시킨다.
• 벽 두께가 증가하면(1.5mm 대비 3.0mm) 크리프 속도가 감소한다.
• 구리(Cu) 함량이 높은 합금(예: Alloy 2)은 구리가 없는 합금(예: Alloy 3)에 비해 크리프 속도가 현저히 낮다.

Figure Name List:

• Figure 1- Ragone fluidity distances of Alloy 7, HF and Superloy, cast at 435°C
• Figure 2- Primary (left) and eutectic phase (right) in Alloy 5 dark: Al-rich, bright: Zn-rich [8]
• Figure 3- Typical creep curve of Zn-alloys
• Figure 4- Creep rates from all measured alloys calculated utilizing equation 3
• Figure 5- Room temperature creep behavior for Alloy 3 after artificial ageing (105°C / 24 h)
• Figure 6- Creep behaviour for Alloy 3 after artificial ageing (105°C / 24 h), log-log scale
• Figure 7- Room temperature creep behavior for Alloy 5 after artificial ageing (105°C / 24 h)
• Figure 8- Room temperature creep behavior for Alloy 2 after artificial ageing (105°C / 24 h)
• Figure 9- Room temperature creep behavior for ZA8 naturally aged over 6 years after artificial ageing (105°C / 24h)
• Figure 10- Room temperature creep behavior for HF alloy as cast and artificially aged 3 days at 105°C
• Figure 11- Creep behavior Alloy 5 at elevated temperatures as cast and artificially aged 7 days at 95°C
• Figure 12- Creep elongation as a function of time and stress of Alloy 5 at +85°C
• Figure 13- Creep rate of Alloy 5 for two testing temperatures
• Figure 14- Stress exponent n for Alloys 2, 3 and 5, as a function of creep strain
• Figure 15- Room temperature creep rate versus ageing time as a function of wall thickness, Alloy 5
• Figure 16- Creep strain as a function of wall thickness, Alloy 5 artificially aged at 105°C / 24 h
• Figure 17- Creep rate with 60 MPa stress at room temperature and 1.5 mm wall thickness after 1% creep strain (artificially aged 24h/105°C, ZA8 with 6 years natural ageing)
• Figure 18- 2D creep deformation mechanism map for coarse pure Zinc, red frame means the region researched in the project [11]

7. 결론:

모든 시험된 아연 다이캐스팅 합금은 뚜렷한 1차 크리프 단계를 보이며, 이는 멱법칙 함수로 수학적으로 표현될 수 있다. 최대의 크리프 저항성을 위해서는 높은 Cu 함량을 가진 아연 합금을 조대한 미세구조(두꺼운 벽 두께, 높은 금형 온도)로 생산하는 것이 필요하다. 100°C 이상에서 하루 이상 인공 시효 처리를 하면 크리프 저항성이 감소한다.

8. References:

1. F. Porter, Zinc Handbook: properties, processing, and use in design, Marcel Dekker, New York, NY, 1991.
2. S.D. Galvez, PhD Thesis, University of Liege, Belgium, 1984.
3. M.D. Rashid, M.S. Hanna, US Patent, (4,990,310), 1991.
4. Benson, J.M., Hope, D., and Goodwin, F.E., "Development of a Creep Resistant Hot Chamber Die Casting Zinc Alloy," NADCA 2000 Conference, Nov. 6-7, 2000, Rosemont, IL
5. Benson, J.M., Hope, D., Stander, C.M. and Goodwin, F.E., "Assessment of Experimental Near-Eutectic Zn-Al-Cu Casting Alloys", 23rd NADCA Congress, Chicago, IL, June 13-15, 2004.
6. Anderson, E.A. and Werley, G.L., "The Effect of Variations in Aluminum Content on the Strength and Permanence of the A.S.T.M. No. XXIII Zinc Die-Casting Alloy", Proceedings of the American Society for Testing Materials, Philadelphia, PA, 1934.
7. Friebel, V.R. and Roe, W.P., "Fluidity of Zinc-Aluminum Alloy", Modern Castings, September 1962, pp. 117-120.
8. F.E. Goodwin, K. Zhang, A. Filc, N-Y Tang, R. Holland, W. Dalter and T. Jennings, "Progress and Development of Thin Section Die Casting Technology," Proceedings of 110th Metalcasting Conference, North American Die Casting Association, Columbus, OH, April 18-21, 2006.
9. Rollez, D., Gilles, M., Erhard, N., "Ultra Thin Wall Zinc Die Castings", Die Casting Engineer, March 2003, pp32-35
10. J.M. Gobien, “Creep Properties of Zinc-Aluminum casting alloys a function of grain size, Ph.D. thesis, North Carolina State Univ., 2010, summarized in J.M. Gobien, R.O. Scattergood, F.E. Goodwin, C.C. Koch, "Mechanical Behavior of Bulk Ultra-fine-grained Zn-Al die-Casting Alloys,” Materials Science and Engineering, 2009, Vol. 518, No. 1-2, pp. 84-88.
11. H.J. Frost, M.F. Ashby, Deformation Mechanism Maps: The Plasticity and Creep of Metals and Ceramics, Pergamon, Oxford, U.K., 1982.
12. F. E. Goodwin, L. H. Kallien, W. Leis, "New Mechanical Properties Data for Zinc Casting Alloys, Proceedings NADCA 2014 Die Casting Congress, Milwaukee, WI, USA, pps. T14-032.
13. Cyril Stanley Smith, “Al-Cu-Zn“ in “Constitution of Ternary Alloys, Metals Handbook, 1948 edition, p. 1244

Expert Q&A: 전문가 질의응답

Q1: HF 합금에 대해 주조 상태(as-cast)와 시효 처리된 샘플을 모두 테스트한 이유는 무엇입니까?

A1: 시효 처리가 미세구조에 미치는 변화와 그 변화가 크리프 거동에 어떤 영향을 주는지를 비교 분석하기 위함입니다. Figure 10에서 볼 수 있듯이, 두 조건 간의 크리프 거동 차이를 통해 시효가 HF 합금의 장기적인 치수 안정성에 미치는 영향을 파악할 수 있었습니다. 이는 실제 산업 환경에서 열처리가 부품 수명에 미치는 영향을 예측하는 데 중요한 데이터가 됩니다.

Q2: 응력 지수 'n'이 4에서 7 사이의 값을 갖는다는 것은 무엇을 의미합니까?

A2: 응력 지수 'n'의 값은 크리프의 주된 메커니즘을 나타냅니다. 4에서 7 사이의 값은 크리프가 주로 전위 상승(dislocation climb)에 의해 제어되는 멱법칙 크리프(power-law creep) 영역에 해당함을 시사합니다. 이는 논문의 Figure 18에 제시된 변형 메커니즘 맵(deformation mechanism map)에서도 확인할 수 있으며, 본 연구에서 관찰된 크리프 거동이 확산 유동이 아닌 전위 운동에 의해 지배됨을 의미합니다.

Q3: 논문에서는 시효 처리가 크리프 저항성을 감소시킨다고 했는데, 그 이유는 무엇입니까?

A3: 시효 과정 동안 미세구조가 변화하기 때문입니다. 특히, 구리(Cu)를 함유한 Alloy 2와 5의 경우, 시효가 진행되면서 Cu가 풍부한 엡실론(epsilon) 상이 형성됩니다. 이 과정에서 아연(Zn) 기지상(primary phase) 내의 합금 원소(Al, Cu)가 고갈되고 결정립 크기가 감소하여, 결과적으로 원자 확산 및 전위 이동이 더 용이해져 크리프 속도가 빨라집니다.

Q4: 벽 두께는 크리프 속도에 어떻게 영향을 미칩니까?

A4: 벽이 두꺼울수록 주조 시 냉각 속도가 느려져 더 크고 조대한 결정립 구조를 형성하게 됩니다. 결정립계(grain boundary)는 크리프 변형이 일어나는 주요 경로 중 하나이므로, 조대한 결정립 구조는 단위 부피당 결정립계의 총면적을 줄여줍니다. 결과적으로 크리프에 대한 저항성이 증가하여 크리프 속도가 감소하게 됩니다.

Q5: 이 연구를 바탕으로, 높은 크리프 저항성이 요구되는 적용 분야에 가장 이상적인 합금과 조건은 무엇입니까?

A5: 구리(Cu) 함량이 높은 합금(예: Alloy 2)을 선택하고, 두꺼운 벽 두께로 설계하며, 주조 시 높은 금형 온도를 적용하여 조대한 미세구조를 유도하는 것이 가장 좋습니다. 또한, 장기적인 크리프 성능이 중요하다면 과도한 시효 처리를 피하고 주조 상태 또는 최소한의 시효 상태로 사용하는 것이 유리합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

본 연구는 아연 다이캐스팅 크리프 거동이 합금 조성, 미세구조, 시효 이력의 복잡한 상호작용에 의해 결정된다는 것을 명확히 보여줍니다. 특히 장기적인 크리프 저항성을 최적화하는 것은 단기적인 인장 강도를 확보하는 것과는 다른 접근 방식이 필요하다는 중요한 통찰을 제공합니다. 높은 구리 함량, 두꺼운 벽, 그리고 시효 처리에 대한 신중한 고려는 부품의 신뢰성과 수명을 극대화하는 핵심 요소입니다.

CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

저작권 정보

이 콘텐츠는 F. E. Goodwin, L. H. Kallien, W. Leis의 논문 "Interaction of Creep and Ageing Behaviors in Zinc Die Castings"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: North American Die Casting Association, 2016 Die Casting Congress & Tabletop

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