Development of Creep Resistant Mg Alloys for High Pressure Die Casting

Abstract

고압금형주조(High Pressure Die Casting, 다이캐스팅)는 용탕을 고속, 고압으로 금형 내부로 주입시켜 주조하는 공정으로, 다른 주조 공정에 비하여 제품의 생산주기가 매우 짧아 생산성이 높고, 두께가 얇고 형상이 복잡한 제품을 정밀하게 주조할 수 있다. 아울러, 높은 응고속도에 의해 결정립이 미세해지므로 제품의 기계적 성질이 우수한 장점이 있다. 이와 같은 특성 때문에 다이캐스팅 공정은 주로 알루미늄, 아연, 마그네슘합금 등 저융점 금속을 이용한 부품 제조에 주로 사용되고 있다 특히, 마그네슘합금은 다이캐스팅 공정에 있어서 금형과의 반응성이 알루미늄합금에 비해 적고, 용탕의 유동성이 우수하여 자동차 부품뿐만 아니라 박육 전자 부품에 이르기까지 다양하게 적용되고 있으며, 현재 대부분의 마그네슘합금 제품은 다이캐스팅 공정에 의해 제조되고 있다. 현재 개발되고 있는 다이캐스팅용 마그네슘합금은 주로 Mg-Al계 합금을 기본 조성으로, 다양한 합금 원소 Ca, RE, Sr, Si 등을 첨가하여 합금의 기계적 및 내열 특성을 향상시키는 방향으로 추진되고 있다. 대부분의 다이캐스팅용 내열 마그네슘합금은 Al을 주 합금 원소로 하고 있는데, 이는 Al의 첨가가 마그네슘합금의 상온 강도와 용탕의 주조성을 향상시키기 때문이다. 그러나 Al은 고온에서 크리프 특성을 감소시키는 단점이 있는 관계로 적정량의 Al을 첨가하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 내열특성이 향상된 새로운 마그네슘합금을 개발하고자 하였으며, Al 함량을 적절히 조절하면서, Ca, Sr, RE 합금 원소를 최적 조건의 비율로 첨가한 다이캐스팅용 내열 마그네슘합금(AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 및 AXE810)을 설계하였고, 진공 다이캐스팅 공정을 통해 시편을 제조하였다. 합금 설계에 있어서는 크리프 기구에서의 변수 및 열역학 전산모사 프로그램(PandatTM)을 이용하여 크리프 특성에 미치는 합금 원소의 영향 및 석출상 거동을 평가하였다. 합금 제조에 있어서는 용탕충진 시뮬레이션 프로그램(AnyCastingTM) 및 진공장비 적용, 금형 설계, 다이캐스팅 장비개조를 통하여 최적 용탕충진 조건을 선정하였다. 개발된 다이캐스팅용 내열 마그네슘합금(AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 및 AXE810)의 미세구조는 α-Mg, Mg17Al12, Al8Mn5, (Mg,Al)2Ca, Al4Sr, AlMgSr, Al2Ce 및 Al11Ce3으로 구성되어 있으며, 주로 결정립계에 생성 및 분포된 것을 확인할 수 있었다. 내열 특성평가는 150oC 온도, 응력 70 MPa 조건에서 크리프 실험을 수행하였으며, 개발된 내열 마그네슘합금이 기존 상용합금 AZ91에 비해 크리프 변형속도가 100배 가량 낮은 것을 확인할 수 있었다. 아울러, 개발된 내열 마그네슘합금에 대한 크리프 기구 및 거동 분석은 개발된 내열 마그네슘합금 중 인장 및 크리프 특성이 우수하면서 가격경쟁력이 있는 AXE710 합금에 대하여, 온도 130~170oC 및 응력구간 50~100 MPa 조건에서 크리프 실험을 수행하였다. 일반적으로 순수 금속이나 고용체 합금의 경우, 크리프 속도와 응력의 관계에서 로그값을 취한 직선적인 관계에서 응력지수 n 값을 구하지만, 이와 달리 강화상이나 석출상이 포함된 합금의 경우에는 크리프를 유발하는 최소응력인 임계응력의 영향을 고려한 n 값을 구하여야 된다. 본 연구에서는 〖ε ̇ 〗^(1⁄n) 과 σ 관계에서 임계응력 5.7 MPa을 측정하였으며, 임계응력을 고려한 크리프 식을 통하여 전단 탄성계수 및 확산계수로 보정한 값의 관계로부터 응력지수 4.9의 값과 64.4 kJ/mol의 크리프 활성화 에너지 값을 구하였다. 이를 통해, AXE710 합금은 130~170oC 온도 및 응력구간 50~100 MPa 조건에서 전위상승(Dislocation Climb) 크리프 기구에 의해 크리프 변형이 일어난다는 것을 알 수 있었으며 다음과 같은 간접적인 방식을 통하여 크리프 기구(Low temperature dislocation creep mechanism)를 입증하였다. 하나는 크리프 실험 전후 결정립 미끄러짐에 의한 변형이 없음을 확인하는 것과 다른 하나는 열처리를 통해 결정립 내 석출물을 생성시킨 후, 크리프 특성이 향상되는 것을 확인하는 것이다. 그 결과, 두 가지 사항 모두 충족시켜, 다이캐스팅으로 제조된 AXE710 합금은 상기 크리프 조건에서 전위상승이 주된 크리프 기구라는 것을 알 수 있었다. 아울러, AXE710 조성의 합금이 내열 특성 측면에서, 다이캐스팅 공정에 적합한 합금인지를 확인하기 위하여, 금형주조 및 압출공정을 추가적으로 수행하여 각 공정간의 미세조직 및 고온특성을 비교하였다. 다이캐스팅으로 제조된 AXE710 합금의 결정립 크기는 13.1 µm였으며, 금형주조로 제조한 경우, 각각의 금형온도 100oC 및 500oC 에서 66.2 µm, 111.3 µm, 압출공정의 경우, 5.6 µm의 결정립 크기를 나타내었다. 각 공정조건에서의 결정립 크기와 크리프 변형속도를 비교하였을 경우, 압출, 금형주조, 다이캐스팅 공정 순으로 크리프 특성이 향상되었으며, 다이캐스팅 공정에서 제조한 합금이 가장 우수한 크리프 특성을 나타내었다. 앞서의 결과에서, 즉, 결정립 크기 및 크리프 변형속도의 관계로부터, 크리프 변형속도가 가장 작을 때의 최적 결정립 크기를 이론적으로 도출하였다. 도출된 식에 의해 구해진 최적조건의 결정립 크기는 22.1 µm로, 앞서의 실험 결과와 비슷한 값을 나타내어 이론적인 값과 실험적인 결과가 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 이는 다이캐스팅 공정으로 제조한 AXE710 합금의 크리프 특성이, 금형주조나 압출공정으로 제조된 AXE710 합금의 크리프 특성에 비해, 우수하게 나타난 이유에 대해 잘 설명하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 진공 다이캐스팅 공정을 통해 상고온 강도 및 크리프 특성이 우수한 마그네슘합금을 개발하였으며, 특히 AXE710 합금은 150oC 및 50~100 MPa 응력조건에서 응력지수 4.9의 값을, 130~170oC 및 응력구간 70 MPa 조건에서 64.4 kJ/mol의 크리프 활성화 에너지 값을 나타내어, 전위상승에 의한 크리프 변형이 주요 크리프 기구로 작동하는 것을 알 수 있었다. 아울러, 최적 결정립 크기에 따른 크리프 변형속도 관련식을 도출하여, 크리프 특성이 가장 우수할 때의 최적 결정립 크기를 구할 수 있었으며, 실험적 결과와도 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있었다.

High pressure die casting (HPDC) is a manufacturing process in which molten metal is injected with a HPDC machine under force using high speed and considerable pressure into a mold. As an example of a near net shape manufacturing process, the HPDC process is the most preferred manufacturing process as it incorporates high efficiency, high production volume and low production cost of the HPDC process. Moreover, the die-casts exhibited enhanced mechanical properties because of a refined microstructure due to fast solidification. For these reasons, die-cast components have been produced for low melting point metals, such as aluminum, zinc and magnesium alloys. In particular, magnesium alloys have the advantages of high specific strength and fluidity, good machinablility, die sticking tendency compared to aluminum alloys for the HPDC process. Most magnesium alloy components have been produced by the HPDC process. A large number of die-cast Mg alloys that are based on the Mg-Al alloys have been developed. It has also been reported that various alloying elements, such as Ca, RE, Sr and Si, have been added to improve the mechanical properties, creep and corrosion resistance. As indicated above, Al was added to Mg as the prime alloying element to increase the room temperature strength and castability. However, high Al level can decrease the high temperature strength and ductility. Therefore, the appropriate levels of Al addition are required to provide a good balance of strength, ductility and castability. The overall objective of this research was to develop new magnesium alloys with enhanced creep property by using high pressure vacuum die casting process. As a result new creep resistant Mg alloys (AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 and AXE810) were developed by changing Ca, MM (Ce-rich Mischmetal) and Sr to a Mg-Al based alloy by using high pressure vacuum die casting process. In terms of alloying design, the effect of precipitation behavior and alloying elements on creep properties of Mg alloys were analyzed by considering the creep mechanisms and using the thermodynamic computational program (PandatTM). As for fabrication of Mg alloys, optimum vacuum die casting conditions were determined by casting simulation (AnyCastingTM), die design with application of vacuum block and modification of the HPDC machine for effective vacuum in the die cavity. The microstructure of those Mg alloys (AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 and AXE810) consists of primary α-Mg surrounded by a eutectic region of intermetallics including Mg17Al12, Al8Mn5, (Mg,Al)2Ca, Al4Sr, AlMgSr, Al2Ce and Al11Ce3. It was found that the precipitates were formed and distributed along the grain boundaries. The creep test was carried out at a temperature of 150oC and under a stress of 70 MPa. As a result, the creep rates of the die-cast alloys (AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 and AXE810) were nearly two orders of magnitude lower than that of AZ91 having a creep rate of 2.72 × 10-7s-1. In order to evaluate the mechanism and behavior of creep on the alloys (AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 and AXE810), the AXE710 alloy, which had the better creep rate and higher tensile strength among these alloys, was selected and evaluated at stresses ranging of 50~100 MPa and in the temperatures of 130oC to 170oC. In general, the stress exponent n for pure metal or solid solution alloys was calculated from the slope of lnε ̇ versus lnσ at a given temperature. However, for particle hardened alloys, the effect of threshold stress, which is lower stress that creep does not appear to occur, should be considered in calculating the stress exponent. As a result, the value of threshold stress was determined to be 5.7 MPa by plotting the data on linear axes as 〖ε ̇ 〗^(1⁄n) against σ and extrapolating linearly to the zero strain rate. The stress exponent n was measured as 4.9 by relationship between double logarithmic plot of ε ̇kT/DGb and the modulus compensated stress of (σ-〖 σ〗_th)/G. From the result, the stress exponent was 4.9, and creep activation energy was calculated to be 64.4 kJ/mol. It was found that die-cast AXE710 alloy was deformed by dislocation climb creep mechanism at stresses ranging from 50 to 100 MPa and at temperatures of 130oC to 170oC. The low temperature dislocation climb creep mechanism was identified as following two ways, microstructure and creep test. The one was to observe that there was no sliding or shearing of the grain boundary in alloy after creep test. Another way was to confirm improving the creep property after peak aging of die-cast AXE710 alloy. As a result, above two requirements for dislocation climb creep were satisfied. Then, it can be inferred that dislocation climb was dominant creep mechanism in this alloy. In addition, the relationship between microstructure and creep behavior of the AXE710 alloy with different fabrication technologies including the HPDC, permanent mold casting and extrusion processes were studied in order to determine whether the AXE710 alloy is suitable for the HPDC process in terms of creep property. The average grain size for the die-cast AXE710 alloy was 13.1 µm, and that of the AXE710 alloy at 100oC and 500oC of mold temperature from the permanent mold casting was 66.2 µm and 111.3 µm, respectively. In the case of extrusion, the grain size of the AXE710 alloy was 5.6 µm. Comparing grain sizes to secondary creep rate of the AXE710 alloy produced at each fabrication process, it was ranked in order of enhanced creep property: extrusion, permanent mold casting and the HPDC processes. Then it was found that the AXE710 alloy produced by the HPDC process exhibited better creep resistance than those produced by permanent mold casting and extrusion processes. From the above results, theoretical optimum grain size of the AXE710 alloy which having the lowest creep rate was derived by relationship between grain size and creep rate. Then, the theoretical optimum grain size was determined to be 22.9 µm and the result of calculated optimum grain size was in agreement with experimental result. It described well the reason why the creep property of the AXE710 alloy produced by the HPDC process was superior to that of the AXE710 alloy fabricated by permanent mold casting and extrusion technologies. In this work, new Mg alloys (AJE710, AJE810, AEX710, AXE710 and AXE810) with enhanced creep property and high strength at room and high temperatures were developed by using high pressure vacuum die casting process. Especially the AXE710 alloy showed the stress exponent was 4.9 at stresses in the range of 50~100 MPa at 150oC, creep activation energy was calculated to be 64.4 kJ/mol at temperatures of 130~170oC with stress of 70 MPa, which indicating that creep deformation was dominated by dislocation climb creep mechanism. Moreover, after deriving the equation about relationship between grain size and creep rate, theoretical optimum grain size was determined when creep rate of the AXE710 alloy had the lowest value.