Investigation of the microstructure and mechanical properties of the Al-13.8 wt. % Mg 2 Si- Zr cylinder fabricated by the centrifugal casting

기술 요약: 원심 주조로 제조된 Al-13.8 wt. % Mg₂Si-Zr 실린더의 미세 구조 및 기계적 성질 조사

문제 제기
기능 경사 재료(Functionally Graded Materials, FGMs)는 균질한 알루미늄 매트릭스 복합재에서는 달성하기 어려운 높은 내마모성과 벌크 인성(bulk toughness)과 같은 독특한 특성의 조합을 제공한다. 원심 주조는 주조 재료에 기능적 불균질성을 생성하는 데 알려진 방법이지만, 이 방법으로 가공된 Al-Mg-Si 공정 합금에서 지르코늄(Zr) 첨가가 미세 구조와 기계적 성질에 미치는 구체적인 영향은 아직 철저히 조사되지 않았다. 특히, 원심 주조된 실린더의 반경 방향에 따라 Zr이 1차 Mg₂Si 입자의 편석, 2차상의 형태, 그리고 결과적인 기계적 경사(mechanical gradient)에 어떻게 영향을 미치는지 이해할 필요가 있다.

연구 방법
본 연구는 수직 원심 주조기를 사용하여 Al-13.8 wt.% Mg₂Si 합금의 원통형 샘플을 제조하는 데 중점을 두었다. 연구는 다음 두 가지 조건을 비교하였다:

1. 기초 합금: 핵 생성제가 없는 Al-13.8 wt.% Mg₂Si.
2. 변형 합금: 동일한 기초 합금에 핵 생성제로 0.1 wt.% Al-5Zr을 첨가함.

주조 과정은 흑연 도가니에서 고순도 알루미늄, 실리콘, 마그네슘을 용해하는 것으로 시작되었으며, 이어서 변형된 배치에 Al-5Zr 제제를 첨가하였다. 용탕은 헥사클로로에탄(hexachloroethane) 정제제를 사용하여 탈가스 처리되었으며, 1400 rpm으로 회전하는 예열된(300°C) 강철 몰드에 주조되었다. 생성된 실린더(외경 90 mm, 두께 15 mm, 길이 110 mm)는 외층, 중간층, 내층으로 반경 방향으로 절단되었다.

특성 분석 기술은 다음과 같다:

• 미세 구조 분석: 상 분포, 형태 및 원소 편석을 조사하기 위한 광학 현미경(OM) 및 전계 방사형 주사 전자 현미경(FESEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDAX).
• 상 식별: X선 회절법(XRD).
• 기계적 시험: 각 반경 층의 샘플에 대해 수행된 브리넬 경도 시험(125 kg 하중) 및 인장 시험(JIS Z2201 No. 7 표준).

주요 결과
연구 결과, Zr 유무에 따라 반경 방향 경사 전반에 걸쳐 뚜렷한 차이가 나타났다:

• 미세 구조 진화:

  • Zr 미첨가 시: 미세 구조는 주상(columnar) Al/Mg₂Si 공정 셀을 나타냈다. 용탕보다 밀도가 낮은 1차 Mg₂Si 입자들은 원심력에 역행하여 내층 쪽으로 편석되었으며, 이로 인해 내측 영역에서 조대한 다면체 입자가 형성되었다.
  • Zr 첨가 시: Zr의 첨가는 미세 구조를 크게 변화시켰다. Al₃Zr 금속간 화합물이 형성되었으며, 이 화합물은 높은 밀도(4.14 g/cm³)를 가지고 있어 원심력의 영향으로 실린더의 외벽 쪽으로 편석되었다. Zr의 존재는 Mg₂Si의 형태를 수지상(dendritic)/판상에서 입방체(cubic) 형태로 정밀하게 변화시켰으며, 입자 크기를 크게 감소시켰다. 내층에서 평균 Mg₂Si 입자 크기는 Zr 미첨가 시의 43.59 ± 9.83 μm에서 Zr 첨가 시 16.23 ± 6.19 μm로 감소하였다. 공정 셀 또한 주상에서 등축(equiaxed)으로 전환되었다.

• 기계적 성질:

  • 경도: Zr 함유 합금은 기초 합금에 비해 모든 층에서 더 높은 경도 값을 나타냈다. 경도 구배는 응고 속도의 감소로 인해 외층에서 내층으로 갈수록 감소하였으나, Zr 변형 샘플은 우수한 경도를 유지하였다 (예: 외층에서 기초 합금의 59.1 HB 대비 67.27 HB).
  • 인장 강도: Zr 첨가 시 세 층 모두에서 인장 강도가 향상되었다. 외층에서 가장 현저한 향상이 나타나 146.12 MPa에서 212.55 MPa로 증가하였다. 내층에서도 약간의 증가(54.56 MPa에서 57.39 MPa)가 관찰되었다.
  • 파괴 거동: 파괴 모드는 Zr 미첨가 샘플의 취성 벽개 파괴(brittle cleavage, 조대하고 날카로운 모서리를 가진 Mg₂Si 입자가 응력 집중원으로 작용함에 기인)에서 Zr 함유 샘플의 연성 딤플 파괴(ductile dimple fracture)로 변화하였다. 더 미세한 Mg₂Si 입자는 균열 편향과 보이드 합체(void coalescence)를 용이하게 하였다.

의의 및 주장
본 논문은 Al-5Zr 마스터 합금을 통한 Zr의 첨가가 원심 주조로 생산된 Al-13.8 wt.% Mg₂Si 합금의 미세 구조를 정밀화하는 효과적인 방법이라고 주장한다. 주요 의의는 Zr이 다음과 같은 능력을 갖추고 있다는 점에 있다:

1. 2차 Mg₂Si 상의 형태를 수지상에서 입방체로 변환하고 크기를 감소시킨다.
2. 특히 중간층과 내층에서 주상 공정 셀을 등축 셀로 전환한다.
3. 전체 반경 경사 전반에 걸쳐 기계적 성질(경도 및 인장 강도)을 향상시키며, 가장 두드러진 개선은 외층에서 관찰된다.
4. 파괴 메커니즘을 취성 벽개에서 연성 파괴로 변화시켜 재료의 인성을 개선한다.

저자는 원심 주조 공정이 자연스럽게 기능적 경사를 생성하지만, Zr의 전략적 첨가가 미세 구조를 정밀화하고 일반적으로 내층에서 발생하는 조대한 1차 Mg₂Si 상과 관련된 취성을 완화함으로써 이 경사를 최적화한다고 결론지었다.