다이캐스팅용 마그네슘합금의 기계적 특성에 미치는 합금 원소의 영향

Abstract

마그네슘합금은 높은 열전도도, 비강도 및 기계 가공성 등 우수한 특성을 가지고 있으며 일반적으로 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정을 통해 제조되고 있다. 고압 다이캐스팅 공정은 높은 공정 자동화율과 빠른 생산속도를 바탕으로 대량생산에 적합하며 양산시 제조원가 절감과 고품질 제품의 수요 확대에 대응 할 수 있다. 현재 스티어링휠, 엔진블록, 오일팬 등의 자동차 부품들은 다른 부품에 비해 기술적 어려움과 원가의 문제점을 가지고 있음에도 불구하고, 전체 자동차 무게에 있어 큰 비중을 차지하여 경량화 효과를 크게 얻을 수 있다. 본 연구에서는 자동차 부품에 적합한 고강도, 고연성 다이캐스팅용 마그네슘합금을 개발하고자 하였다. 합금설계는 온도별 석출거동을 확인할 수 있는 열역학 전산모사를 사용하였고, 주조 시뮬레이션을 통해 최적 진공 다이캐스팅 조건을 선정하였다. 350 ton 진공 다이캐스팅 장비를 이용하여 Mg-8wt.%Al 합금에 Ca, Sr, Y 및 Mm 의 원소들을 첨가하여 다양한 합금계를 제조하였으며 첨가 원소에 따른 다이캐스팅 시편의 미세조직 변화와 기계적 특성을 평가하였다. 상온에서 Mg-8Al 합금을 관찰한 결과 연속적인 Mg17Al12 상이 생성되었고, Ca 을 첨가하였을 때, Al2Ca 상이 생성되어 결정립 미세화를 유도하였다. Mg-8Al-1Ca-0.1Sr 합금에 0.3wt.%의 Y 이 첨가되면서 형성된 polygonal 형태의 Al2Y 상에 의한 수지상 강화와 고용강화 효과로 인장강도와 연신율에서 우수한 특성을 보였다. Mg-8Al-1Ca-0.1Sr-0.3Y 합금에 2wt.%의 Mm 이 첨가될 때 용탕의 유동성이 현저히 떨어진 것이 확인되었고, 낮은 유동도로 인하여 금형 내 미충진이 발생하여 기공률이 높게 나타났다. 높은 기공률은 인장강도 및 연신율의 기계적 특성에 악영향을 미쳤다. 420℃에서 24시간 동안 열처리 후의 Mg-8Al 합금에는 Mg17Al12 상이 α-Mg 기지에 완전히 고용되었고, Mg-8Al-1Ca-0.1Sr-0.3Y-1Mm 합금에서 열적으로 안정한 Al2Ca, Al4Sr, Al2Y, Al2Ce. Al3Ce 및 Al11Ce3 상은 여전히 결정립계에 존재하였다. 150℃에서 인장실험 후의 Mg-8Al 합금에서 Mg17Al12 상이 불연속적으로 관찰되었고, Ca 이 첨가되었을 때 Mg-Al-Ca 및 Al2Ca 상이 입계에 고루 분포되어 안정한 조직을 유지하고 있었다. 150℃에서 Mg-8Al-1Ca-0.1Sr-0.3Y-1Mm 합금에서는 열적으로 안정한 Al2Y 및 Al11Ce3 상이 전위의 이동을 억제하고, 슬립을 방해하여 우수한 기계적 특성을 보였다.