Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting

본 소개 논문은 "Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting" (Metals and Materials International)에서 출판한 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

제목: Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting
저자: Azim Gökçe
출판년도: 2019년
출판 저널/학회: Metals and Materials International
키워드: Magnesium · Microscopy · High-pressure die casting · Light alloys · Mechanical properties

2. 초록:

Mg-Al 합금은 산업 응용 분야에 널리 사용되지만, 자동차 부품으로의 사용은 Mg₁₇Al₁₂ 금속간 화합물의 낮은 용융 온도로 인해 제한됩니다. 따라서, 더 높은 작동 온도를 견딜 수 있는 알루미늄이 없는 마그네슘 합금은 자동차 산업에서 관심의 대상입니다. 본 연구의 목적은 산업 응용 분야를 위한 Al-free Mg 합금을 개발하는 것입니다. 본 연구에서는 La 함량을 변화시켜 4가지 유형의 합금을 제조했습니다. 중력 주조법에서 복잡한 형상과 얇은 벽을 가진 부품 생산과 관련된 문제점을 극복하기 위해 고압 다이캐스팅 방법을 선택했습니다. X선 회절 분석 결과, 기본 합금(Mg-5Sn wt%)은 α-Mg 및 Mg₂Sn 상으로 구성되어 있는 반면, La 함유 합금은 LaMg₃, Mg₁₇La₂, La₅Sn₃와 같은 금속간 화합물을 포함하는 것으로 나타났습니다. La을 함유한 합금의 결정립 크기는 Mg5Sn 합금의 결정립 크기보다 작았습니다. 이러한 작은 결정립 크기와 새롭게 나타난 분산상으로 인해 Mg5Sn4La 합금의 인장 강도(205 MPa)는 Mg5Sn의 인장 강도의 대략 두 배입니다. 또한, Mg5Sn 합금에 4 wt% La을 첨가하면 항복 강도는 25%, 연신율은 50% 증가했습니다.

키워드: 마그네슘, 현미경, 고압 다이캐스팅, 경합금, 기계적 특성

3. 서론:

얇은 벽 구조와 복잡한 형상에 대한 수요 증가는 자동차 산업에서 사형 주조 대신 대체 제조 기술을 사용하도록 이끌었습니다 [1]. 고압 다이캐스팅(HPDC)은 앞서 언급한 사형 주조의 한계를 극복하기 위해 사용되는 방법 중 하나입니다. 이 방법은 또한 다른 공정에 비해 더 높은 생산 속도와 낮은 비용을 제공합니다 [2]. HPDC를 사용하면 몇 그램에서 15kg이 넘는 무게의 부품을 생산할 수 있으며, 또한 이 방법은 자동화 및 대량 생산에 매우 적합합니다 [3].

알루미늄, 마그네슘 및 티타늄은 "경합금"이라고 불리는 가장 일반적인 산업용 합금입니다 [4]. 전 세계에서 생산되는 경금속 주조 부품의 약 절반이 HPDC로 생산된다고 합니다 [2]. 마그네슘은 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 주조성 및 용접성으로 인해 다른 경합금보다 두드러집니다 [5, 6]. 또한, 마그네슘은 항공우주, 운송, 국방, 전자 및 생체 의학 응용 분야에서 에너지 효율과 시스템 성능을 향상시키는 데 사용될 수 있다고 보고되었습니다 [7]. 온실 가스 배출에 관한 EU 위원회의 최근 규정으로 인해 자동차 제조업체는 더 가벼운 차량을 생산해야 했습니다 [8-10]. 마그네슘은 강철보다 75%, 알루미늄보다 35% 더 가볍기 때문에 프레임워크 및 패널 생산에 마그네슘을 사용하면 차량 중량을 크게 줄일 수 있습니다 [11]. 그러나 순수 마그네슘의 인장 강도(주조 상태: ~85 MPa [12])와 연신율(2%-8% [13])은 자동차 제조에 필요한 수준보다 상당히 낮습니다. 알루미늄과 아연은 마그네슘의 강도를 높이기 위해 가장 일반적으로 사용되는 합금 원소입니다 [14]. AZ91(Al 9 wt%, Zn 1 wt%) 및 AM60(Al 6 wt%, Mn 0.2 wt%)은 구조적 응용 분야에 사용되는 마그네슘 합금의 90%를 구성하는 가장 선호되는 Mg 합금입니다 [15]. 그러나 Mg-Al 합금의 가장 큰 단점은 Mg₁₇Al₁₂의 낮은 용융 온도(427°C)입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

알루미늄(Al)을 함유한 마그네슘 합금(Mg-Al)은 널리 사용되지만, Mg₁₇Al₁₂ 금속간 화합물의 낮은 용융 온도로 인해 고온 성능과 연성이 저하되어 자동차 부품으로의 응용이 제한됩니다. 자동차 응용 분야를 위해 고온 특성이 개선된 알루미늄이 없는 마그네슘 합금에 대한 요구가 있습니다.

기존 연구 현황:

기존 연구에서는 마그네슘 합금(Mg-Sn)에서 알루미늄 대체 합금 원소로서 주석(Sn)의 사용을 탐구했습니다. 란탄(La)을 포함한 희토류(RE) 원소는 마그네슘 합금의 특성에 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Mg-Sn-Y 및 Mg-Sn-Ce와 같은 Mg-Sn-RE 시스템에 대한 연구에서는 기계적 특성 향상을 입증했습니다. 그러나 고압 다이캐스팅(HPDC)으로 가공된 Mg-Sn-La 3원 합금에 대한 연구는 부족합니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 란탄(La)을 첨가한 새로운 알루미늄-free Mg-Sn 합금을 개발하고 고압 다이캐스팅(HPDC)으로 제조된 이들 합금의 특성에 대한 La 함량의 야금학적 영향을 조사하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC)을 사용하여 다양한 란탄(La) 함량(Mg5Sn, Mg5Sn1La, Mg5Sn2La, Mg5Sn4La)을 갖는 4가지 유형의 Mg-Sn 합금을 제조하고 야금학적으로 평가하는 데 중점을 둡니다. 본 연구에서는 이러한 새로운 Mg-Sn-La 합금의 미세 구조, 상 조성, 결정립 크기 및 기계적 특성(인장 강도, 항복 강도, 연신율 및 경도)을 조사합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC)을 사용하여 다양한 La 함량(Mg5Sn, Mg5Sn1La, Mg5Sn2La, Mg5Sn4La)을 갖는 4가지 Mg-Sn 합금의 생산을 포함하는 실험적 설계를 채택합니다. 그런 다음, 이러한 합금의 야금학적 및 기계적 특성을 체계적으로 조사합니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

재료 준비: 유도 용해로 및 고압 다이캐스팅을 사용하여 합금을 준비했습니다.
미세 구조 분석: 광학 현미경, 주사 전자 현미경(SEM) 및 X선 회절(XRD)을 사용하여 미세 구조 및 상 조성을 분석했습니다. 에너지 분산 분광법(EDS)을 사용하여 원소 분석을 수행했습니다. Clemex Image Analyzing 소프트웨어를 사용하여 결정립 크기를 측정했습니다.
기계적 특성 평가: ASTM E8 M 표준에 따라 인장 시험을 수행하고 연신율 측정을 위해 연신계를 사용했습니다. 브리넬 경도 시험을 수행하여 경도 값을 결정했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 다음 주제에 중점을 둡니다.

HPDC를 통한 새로운 Mg-Sn-La 합금의 생산.
La 함량이 Mg-Sn 합금의 미세 구조 및 상 조성에 미치는 영향 조사.
La 첨가의 결정립 미세화 효과 평가.
Mg-Sn-La 합금의 기계적 특성(인장 강도, 항복 강도, 연신율, 경도) 평가.
Mg-Sn-La 합금에서 형성된 금속간 화합물 식별.

6. 주요 결과:

주요 결과:

결정립 미세화: 란탄(La)은 Mg-Sn 합금에서 결정립 미세화제 역할을 하여 La 함량이 증가함에 따라 결정립 크기가 감소합니다 (Fig. 2). 4% La 합금(Mg5Sn4La)은 가장 미세한 결정립 구조와 가장 균질한 결정립 크기 분포를 나타냈습니다.
상 조성:
- 기본 합금(Mg5Sn)은 α-Mg 및 Mg₂Sn 상으로 구성됩니다.
- La 첨가는 La 함유 합금에서 LaMg₃, Mg₁₇La₂, La₅Sn₃와 같은 금속간 화합물의 형성을 유도합니다 (Fig. 6). Mg₂Sn 상의 양은 La 함량이 증가함에 따라 감소합니다.
기계적 특성 향상:
- 인장 강도, 항복 강도 및 연신율은 La 함량이 증가함에 따라 향상됩니다 (Fig. 8).
- Mg5Sn4La 합금의 인장 강도(205 MPa)는 Mg5Sn의 인장 강도의 약 두 배입니다.
- 4% La 첨가는 항복 강도와 연신율을 각각 25% 및 50% 증가시킵니다.
- 경도 또한 La 첨가로 증가하며, Mg5Sn4La는 Mg5Sn보다 30% 더 높은 경도를 나타냅니다.
AZ91 합금과의 비교: Mg5Sn4La 합금의 인장 강도는 AZ91 합금의 인장 강도와 비슷하지만, Mg5Sn4La는 취성 Mg₁₇Al₁₂ 상이 없기 때문에 훨씬 더 높은 변형률(300% 더 높음)과 향상된 연성을 나타냅니다.

: Fig. 2 Optical micrographs and grain size values of the alloys as a function of La content. Error bars show the minimum and maximum grain sizes measured

: Fig. 3 SEM images of the investigated alloys. a Mg5Sn, b Mg5Sn1La, c Mg5Sn2La, d Mg5Sn4La

: Fig. 4 SEM image of the Mg5Sn alloy

: Fig. 5 SEM image of a Mg5Sn1La, b Mg5Sn2La alloys

: Fig. 6 XRD patterns of the investigated alloys

: Fig. 7 SEM image of the Mg2Sn4La alloy, and EDS elemental mapping analysis of the area represented with a green rectangle

: Fig. 8 Mechanical properties of the investigated alloys, a yield strength and tensile strength, b elongation and hardness, c stress–strain curves

그림 목록:

Fig. 1 고압 다이캐스팅 시편
Fig. 2 La 함량의 함수로서의 합금의 광학 현미경 사진 및 결정립 크기 값. 오차 막대는 측정된 최소 및 최대 결정립 크기를 나타냅니다.
Fig. 3 조사된 합금의 SEM 이미지. a Mg5Sn, b Mg5Sn1La, c Mg5Sn2La, d Mg5Sn4La
Fig. 4 Mg5Sn 합금의 SEM 이미지
Fig. 5 Mg5Sn1La의 SEM 이미지 a, Mg5Sn2La 합금 b
Fig. 6 조사된 합금의 XRD 패턴
Fig. 7 Mg2Sn4La 합금의 SEM 이미지 및 녹색 사각형으로 표시된 영역의 EDS 원소 매핑 분석
Fig. 8 조사된 합금의 기계적 특성, a 항복 강도 및 인장 강도, b 연신율 및 경도, c 응력-변형률 곡선

7. 결론:

본 연구에서는 새로운 HPDC Mg-Sn-La 합금을 성공적으로 제조하고 La 첨가의 효과를 조사했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

HPDC를 이용한 Mg-Sn-La 합금 생산은 거시적 결함 없이 성공적으로 이루어졌습니다.
La 첨가는 La 함유 금속간 화합물의 형성으로 인해 결정립 크기를 미세화하고 결정립 크기 분포를 개선합니다.
Mg5Sn 합금은 α-Mg 및 Mg₂Sn 상으로 구성되어 있는 반면, La 첨가는 LaMg₃, Mg₁₇La₂ 및 La₅Sn₃ 상의 형성을 유도합니다.
La 첨가로 인해 나타나는 상들은 결정립 크기 감소 및 분산 강화 메커니즘을 통해 인장 강도, 연신율 및 경도를 향상시킵니다. Mg5Sn4La의 인장 강도는 Mg5Sn에 비해 두 배 증가했으며 항복 강도와 연신율도 크게 증가했습니다.
Mg5Sn4La 합금은 AZ91 합금과 비슷한 인장 강도를 나타내지만, 취성 Mg₁₇Al₁₂ 상이 없기 때문에 300% 더 높은 변형률과 향상된 연성을 갖습니다.

조사된 Mg-Sn-La 합금은 산업용 Mg 합금의 유망한 대안이며 HPDC 공정을 통한 생산에 대한 좋은 가능성을 보여줍니다.

8. 참고 문헌:

[12] H. Liu, Y. Chen, Y. Tang, S. Wei, G. Niu, J. Alloys Compd. 440, 122 (2007)
[33] G. Yarkadaş, L.C. Kumruoğlu, H. Şevik, Mater. Charact. 136, 152 (2018)
[40] M. Mezbahul-Islam, A.O. Mostafa, M. Medraj, J. Mater. 2014, 1 (2014)
[41] M. Cong, Z. Li, J. Liu, X. Miao, B. Wang, Q. Xi, Russ. J. Non-Ferrous Met. 57, 445 (2016)
[49] H. Liu, Y. Chen, Y. Tang, S. Wei, G. Niu, Mater. Sci. Eng. A 464, 124 (2007)
[50] V.K. Zaitsev, M.I. Fedorov, E.A. Gurieva, I.S. Eremin, P.P. Konstantinov, A.Y. Samunin, M.V. Vedernikov, Phys. Rev. B 74, 2 (2006)

9. 저작권:

본 자료는 "[Azim Gökçe]"의 논문입니다. "[Metallurgical Assessment of Novel Mg-Sn-La Alloys Produced by High-Pressure Die Casting]"을 기반으로 합니다.
논문 출처: https://doi.org/10.1007/s12540-019-00539-1

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Tags: AUTOMOTIVE Parts; , Alloying elements; , Applications; , CAD; , Die casting; , Magnesium alloys; , Mechanical Property; , Microstructure; , Sand casting; , 자동차 산업