A Study on Change in Textures of Extruded Mg-Zn-Al Alloys with Extrusion Temperatures and Alloying Elements

Abstract

전 세계적인 유가 상승 및 CO2 배출 규제로 인해 수송기기의 연비향상에 대한 요구가 증가함에 따라 수송기기의 무게를 줄이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 마그네슘의 높은 비강도와 좋은 주조성에 착안하여, 휠, 하우징, 커버와 같은 자동차 부품에 마그네슘 합금 주조재를 활발히 적용해 왔다. 이러한 주조재 부품 개발 연구뿐만 아니라 경량화 효과를 높이기 위하여 차체의 소재로 마그네슘 합금 가공재를 사용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 마그네슘 합금 가공재를 수송기기의 부품 및 차체의 소재로 사용하기 위해서는 현재까지 개발된 마그네슘합금의 부족한 성형성을 향상시킬 필요가 있다. 마그네슘 합금 가공재의 성형성이 부족한 이유는 가공재를 제조하는 압출 및 압연 과정에서 저면이 압연면 또는 압출면과 평행한 저면 집합조직이 강하게 발달하기 때문으로 이는 마그네슘 합금의 주요 변형기구가 저면 슬립과 인장쌍정으로 제한되어 있기 때문이다. 이러한 저면 집합조직을 약화시키기 위하여 합금원소 첨가를 통해 비저면 슬립계를 활성화시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, Ce, Gd, Nd, Y과 같은 희토류 원소를 순수 마그네슘에 미량 첨가할 경우 저면 집합조직이 약화되며, 이로 인해 성형성이 향상되는 것으로 보고되고 있다. 다만 이러한 희토류 원소만 순수 마그네슘에 첨가할 경우 수송기기 부품 소재로 사용하기 위한 강도 요구조건을 충족시키지 못하기 때문에 Zn와 Al을 첨가하여 강도를 높이면서도 저면 집합조직을 약화시키고자 하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구를 진행하기 위해서는 우선 Zn와 Al이 집합조직에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 연구 일환으로써 Zn와 Al 함량, Ca 첨가, 온도가 Mg–Zn–Al 합금 압출판재의 집합조직에 미치는 영향을 조사하였다. 그리고 Mg–Zn–Al 합금의 2단계 평면변형압축시험을 통해서 집합조직 발달기구를 체계적으로 연구하였다. Zn와 Al의 함량이 증가함에 따라 basal pole의 압출방향으로의 분포와 double peak basal 집합조직의 basal pole의 peak에 해당하는 기울기 각이 증가하였으며, 결정립 크기의 감소를 동반하였다. 압출온도가 증가함에 따라 single peak basal 집합조직이 발달하였으며, basal pole의 압출방향(ED)으로의 분포가 감소하였다. ZA11 합금의 경우, 온도가 증가함에 따라 {10-10}<1-210> 집합조직이 발달하였다. 반면에 ZA61과 ZA63 합금의 경우에는 고온에서 <0001>//ED 집합조직이 발생하였으며, 온도가 증가함에 따라 강화되었다. 또한 Al의 함량이 증가함에 따라서도 <0001>//ED 집합조직이 강화되었다. Ca을 순수 마그네슘에 첨가함에 따라 double peak basal 집합조직의 전반적인 세기가 약화되었으며, basal pole의 압출방향으로의 분포가 증가하였다. Ca을 ZA 합금에 첨가함에 따라 double peak basal 집합조직의 전반적인 세기가 약화되었으며, 대신에 {11-20}<1-100> 집합조직이 발달하였다. Ca의 첨가량이 증가함에 따라 double peak basal 집합조직은 약화되고, {11-20}<1-100> 집합조직은 강화되었다. 보다 체계적으로 ZA합금 집합조직의 변화를 관찰하기 2단계 평면변형압축시험(상온에서의 평면변형압축 후 고온에서의 평면변형압축)을 수행하였다. 상대적으로 저온에서는 부분적으로 동적 재결정(DRX)이 진행된 미세한 미세조직과 함께 double peak basal 집합조직이 발달하였다. 온도가 증가함에 따라 동적 재결정이 완전히 진행된 조대한 미세조직과 함께 single peak basal 집합조직이 발달하였다. 보다 높은 고온에서는 다시 double peak basal 집합조직이 발달하였으며, {11-20}<1-100> 집합조직이 함께 발달하였다. Zn의 함량이 증가함에 따라 basal pole의 길이방향(LD)으로의 분포와 double peak basal 집합조직의 basal pole의 peak에 해당하는 기울기 각이 증가하였다. ZA63 합금 주조재의 상대적으로 빠른 속도 (0.4000/초)에서의 1단계 평면변형압축에서는 <0001>//LD 집합조직이 발생하였으며, 온도가 증가함에 따라 강화되다가 일정 온도 이상에서는 다시 약화되었다. Zn나 Al의 함량이 증가하여 고용 온도가 감소함에 따라 <0001>//LD 집합조직의 세기가 증가하였다. <0001>//LD 집합조직의 변화를 체계적으로 관찰하기 위하여 수행한 2단계 평면변형압축시험(상온에서의 평면변형압축 후 시편을 너비방향을 축으로 90o 회전시켜서 장착 후 고온에서의 평면변형압축)에서도 고용 온도가 감소함에 따라 <0001>//LD 집합조직의 세기가 증가하였다. 이러한 현상들을 온도와 Zn 및 Al 첨가량에 따른 결정립 크기와 고용 온도의 변화의 측면에서 결정립 크기에 따른 적합성 변형 및 교차 슬립의 열적 활성화 이론에 기반하여 설명하였다.

Recent years, to lower the fuel consumptions and CO2 emissions of the vehicles, magnesium alloys have been widely used for the cast automotive parts such as steering wheel, seat frame and cylinder head cover because of their high specific strength and good castability. However, to increase the weight reduction effect significantly, Mg alloys should be applied for the large volume parts such as inner or outer body panels for doors or trunk usually made by steel or aluminum sheets. To be successfully applied for these parts, materials should have a good combination of strength and formability. Generally, most of the commercial wrought Mg-Zn-Al alloys show the basal textures. The basal texture represents the specific texture whose basal poles are aligned nearly parallel to the normal direction of the extruded or rolled planes. Among many types of the basal textures, the one whose two peaks in the basal pole figure are split into the positive and negative extrusion directions or rolling directions from the normal direction is called the double peak (type) basal texture. It is well-known that low ductility of the wrought Mg alloys at room temperature is originated from their strong basal textures because most of their deformation at room temperature is accommodated by the basal slip. Therefore, many researchers have focused on developing the methods to broaden or weaken the basal textures to increase the activity of the basal slip. Increasing the split angle between the two peaks in the double peak basal texture is one way to broaden the basal texture. Many research groups have focused on developing the Mg alloys containing rare earth elements because of their dramatic texture weakening effect. Several researchers have already reported that the texture weakening effect of the RE elements might be originated from the change in stacking fault energy or solute drag effect activated when they were in solid solution state. However, most of the rare earth elements in the solid solution state transform into precipitates by reacting with Al or Zn which are used most widely as the effective solid solution strengthening elements. Therefore, it is hard to design a high strength Mg-RE alloy whose texture is still weak enough when large amount of Al or Zn is added to increase its strength. Consequently, to achieve the good combination of strength and formability, researches focused on the texture control of the high Zn or Al-containing Mg alloys are necessary. In this study, effects of the extrusion temperature and alloying elements on the textures of the extruded Mg-Zn-Al alloys were investigated. And their mechanisms were systematically studied by the two-step PSC tests. With increase in Zn and Al contents, spread of the basal poles toward the ED (ED spread) and tilt angle corresponding to the peak in the double peak basal texture (DP texture) increased with decrease in grain size. And with increase in extrusion temperature, single peak basal texture (SP texture) was developed and ED spread decreased. In the ZA11 alloys, {10-10}<1-210> texture strengthened with increase in temperature. However, in the ZA61 and ZA63 alloys, <0001>//ED texture was developed at high temperature and strengthened with increase in temperature. And the intensity of <0001>//ED texture increased with increase in Al content. With addition of Ca or Ce on pure Mg, intensity of the DP texture weakened and ED spread and tilt angle corresponding to the peak in the DP texture increased. And with addition of Ca on ZA alloys, DP texture with weak intensity was developed and {11-20}<1-100> texture was developed. With increase in Ca content in Z6 or ZA61 alloys, intensity of the {11-20}<1-100> texture increased instead of decrease in intensity of the DP texture. In the two-step PSC (PSC at room temperature as a first step and PSC at high temperature as a second step), DP texture was developed with the partially DRXed fine microstructure developed by the NRX at low temperature. And SP texture was developed with the fully DRXed coarse microstructure by the NRX and grain growth at mid temperature. At high temperature, DP and {11-20}<1-100> texture was developed with large grains occurred by the ordinary DRX. With increase in Zn content, spread of the basal poles toward the longitudinal direction (LD spread) and tilt angle corresponding to the peak in DP texture developed at low and high temperature increased. And with increase in Zn content, intensity of the {11-20}<1-100> texture increased. In the one-step PSC at 0.4000/sec, <0001>//LD texture occurred and strengthened with increase in temperature and it was maximized at 380oC in the ZA63 alloy. Intensity of the <0001>//LD texture increased with decrease in solidus temperature of the ZA alloys. And in the two-step PSC (ROT, PSC at room temperature as a first step and 90o-rotation of specimen on CD and PSC at high temperature as a second step), intensity of the <0001>//LD texture increased with decrease in solidus temperature of the ZA alloys. These phenomena were explained in the view point of the grain size and solidus temperature based on the theories about the grain-size dependant compatibility deformation and thermal activation of the cross-slip.