[논문]Al-Si-Cu합금에서 Fe 함량에 따른 <tex>$\\beta-Al_5FeSi$</tex> 금속간화합물의 형성 및 응고미세조직 특성

김봉환; 이상목

Al-Si-Cu합금에서 Fe 함량에 따른 $\\beta-Al_5FeSi$ 금속간화합물의 형성 및 응고미세조직 특성
Formation and Microstructure Characteristics of $\\beta-Al_5FeSi$ Intermetallic Compound in the Al-Si-Cu Alloys with the Variation of Fe Content 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.29 no.5, 2009년, pp.225 - 232

김봉환 (한국생산기술연구원 주조기술연구부) , 이상목 (한국생산기술연구원 주조기술연구부)

Abstract ▼ AI-Helper

For comprehensive understanding of the formation behavior of $\beta-Al_5FeSi$ phase in Al-Si-Cu alloys with the existence of Fe element, microstructure characterizations were performed using combined analysis of OM, SEM-EDS, XRD. Especially, experimental and predictive works on solidification events of $\beta-Al_5FeSi$ phase as well as other phases formed together with $\beta-Al_5FeSi$ have been carried out by using DSC analysis and Java-based Materials Properties software (J. Mat. Pro.). Primary and eutectic $\beta-Al_5FeSi$ phases were able to distinguish from each other on microstructures by their morphological features. Primary $\beta-Al_5FeSi$ phase was seen to have rough surface perpendicular to growth direction, indicating free attachment of solute atoms in liquid state. On the other hand, the eutectic $\beta-Al_5FeSi$ phase was formed with plain and straight surface during eutectic reaction together with $\alpha$-Al phase. The eutectic reaction of $\beta-Al_5FeSi$ and $\alpha$-Al phases was seen to be able to separate into each formation depending on cooling rate.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 β-상을 포함하는 응고미세조직의 특성과 응고 중 β-상이 관여하는 형성반응의 관계를 Fe 함량과 냉각속도의 함수로서 고찰하는 것을 목적으로 한다.
응고 후반부에 형성된 것으로 생각되는 ω-Al7Cu2Fe 및 θ-Al2Cu상이 미세조직에서 소량으로 확인되었으나 XRD 분석으로는 확인이 어려웠으며 본연구의 목적과 상관성이 적은 관계로 고찰은 생략하고자 한다.
이를 통하여 β-상이 형성되는 합금의 응고거동을 이해하고 향후 미세조직 제어 연구를 위한 자료로서 활용하고자 한다.

제안 방법

Pro. (version 5.0)을 활용하여 주요 결정상의 상분율 변화를 계산한 후 고찰하였다. Fig.
0)의 결과와 비교 검토하였다. 또한 시편의 기공 내부와 Deep etching에 의해 알루미늄 기지가 제거된 시편을 준비하여 응고 중 성장 거동에 대하여 고찰하였다.
미세조직 관찰을 위하여 각 잉고트의 중심부에서 시편을 채취하여 경면연마 후 Keller 시약을 이용하여 선택부식 시켰다. 미세조직 관찰은 광학현미경 및 화상분석기를 이용하였고, 상 규명을 위하여 XRD 및 SEM-EDS를 이용하였다. 미세조직의 형성과정과 응고특성 평가를 위하여 DSC를 이용하여 반복 분석하였으며, 응고계산 프로그램인 J.
용해주조된 잉고트의 성분분석은 ICP-ES (Inductively-Coupled Plasma-Emission Spectroscopy) 분석을 통하여 검증하였다. 미세조직 관찰을 위하여 각 잉고트의 중심부에서 시편을 채취하여 경면연마 후 Keller 시약을 이용하여 선택부식 시켰다. 미세조직 관찰은 광학현미경 및 화상분석기를 이용하였고, 상 규명을 위하여 XRD 및 SEM-EDS를 이용하였다.
용해주조된 잉고트의 성분분석은 ICP-ES (Inductively-Coupled Plasma-Emission Spectroscopy) 분석을 통하여 검증하였다. 미세조직 관찰을 위하여 각 잉고트의 중심부에서 시편을 채취하여 경면연마 후 Keller 시약을 이용하여 선택부식 시켰다.
용해는 전기 저항로에서 흑연 도가니를 이용하였으며, 이때 용해온도는 750~800℃로, 주입온도는 700℃로 유지하였다. 주입전 상용 탈가스제 및 드로스 처리제를 이용하였으며 온도가 제어되는 계단형 금형을 이용하여 냉각속도의 효과를 함께 고찰하고자 하였다. 금형은 220℃로 예열하여 분석용 잉고트 시편을 주조하였다.

대상 데이터

산업용 품질등급의 모합금인 Pure Al(99.8wt.%), Al-15Si, Al-20Mn, Al-20Cu을 이용하여 중력주조용 합금인 AC4B에 근접하는 Al-7Si-3Cu 기본 조성의 시편을 용해주조하였다. 본 연구에 사용된 시편의 조성은 Table 3에 정리하였다.

데이터처리

미세조직 관찰은 광학현미경 및 화상분석기를 이용하였고, 상 규명을 위하여 XRD 및 SEM-EDS를 이용하였다. 미세조직의 형성과정과 응고특성 평가를 위하여 DSC를 이용하여 반복 분석하였으며, 응고계산 프로그램인 J. Mat. Pro.

성능/효과

%Fe를 함유한 시편에서 관찰되는 Sludge상의 경우 Al 원자에 대한 Fe 원자의 구성비는 β-상과 유사하나 Si 원소의 비율이 낮고 Cu, Cr, Mn 등의 미량 원소를 함유하는 것으로 확인되었는데, 이는 일반적으로 보고되는 Sludge상의 성분범위와 일치한다[5,6].
%까지 증가한 시편의 주방상태 미세조직을 Fig. 4에 나타내었는데, Fe 함량이 증가함에 따라 액상에서 정출한 조대한 β-상의 분율이 급격히 증가하였으며, α-Al과의 공정반응에 의한 β-상의 분율은 감소하였음을 확인할 수 있다.
(b) 2.1 wt%Fe를 함유한 시편에서는 α-Al, Si 및 β-상의 회절과 Sludge상에 의한 회절 피크도 미약하게 관찰되었다.
1) Al-7Si-3Cu 합금에서 β-상은 초정 정출반응과 공정반응의 두 가지 형태로 형성되며, β-상의 상대적 분율은 Fe함량에 의존한다.
2) 정출 β-상은 길이 200 µm 이상 성장이 가능하며 불규칙한 측면형상을 보이지만, 공정 β-상은 10~30 µm로 성장하며 α-Al과의 Coupled eutectic 조직을 형성함에 따라 두께 방향의 성장이 억제된 부드러운 측면형상을 보인다.
3) β-상 형성온도는 냉각속도가 느려질수록 낮아져 α-Al의 형성 온도로부터 분리되는 경향을 보인다.
실제 비평형 응고 조건에서는 냉각속도의 영향과 용질 편석 등에 의한 영향으로 계산 결과와 상이한 미세조직이 관찰될 수 있는데, 본 연구에서는 일부 정출된 β-상과 함께 α - Al + β -상의 공정조직이 지배적인 것으로 관찰되었다.
이들 두 가지 합금의 냉각속도에 따른 주방상태 미세조직 분석 결과, 본 연구에서 주어진 냉각속도 범위(금형응고조건 살두께 3~9 mm 조건)에서는 형성된 상의 종류는 동일하며, 냉각속도가 증가할수록 β-상의 성장 길이가 감소하는 경향을 보여주었다.
하지만 실제의 비평형 응고 조건에서는 과냉의 효과로 인하여 α-AlFeSi상의 생성은 억제되고 직하 온도에서 β-상이 생성되거나, Mn, Cr이 함유된 합금에서는 Sludge상의 우선 성장에 의하여 α-AlFeSi상이 생성 되지 않을 수 있으며 본 연구에서도 α-Al FeSi상은 관찰되지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응고조직에 형성된 β-상은 어떤 문제를 끼치는가?	응고조직에 형성된 β-상은 그 고유 특성으로 인하여 주조품의 연신율, 충격에너지 등 기계적 특성을 저하시킬 뿐만 아니라 기공 등의 주조결함 발생 또한 촉진시키는 것으로 보고되고 있다[6,7]. 따라서 최근 β-상을 덜 유해한 형상의 금속간화합물로 개질하거나 그 형성 반응을 억제하기 위한 연구가 진행되어 왔다.
	Al 합금에 과량으로 유입된 Fe 용질원자는 어떤 영향을 미치는가?	Al-Si 함금계를 기본으로 하는 주조 합금에서는 재생 지금의 과도한 투입이나 고온에서 철계 재질 설비나 부품과의 접촉으로 인하여 Fe 성분 함량이 비정상적으로 증가할 여지가 있다. Al 합금에 과량으로 유입된 Fe 용질원자는, Al의 낮은 Fe 고용도로 인하여 응고 중 수지상으로부터 배출되며 Fe를 함유한 금속간화합물의 형성을 촉진한다. 이러한 경향은 비단 주조용 Al 합금에서만 문제가 되는 것은 아니며 전신재에서도 이들 금속간화합물의 제어는 품질 및 특성에 영향을 미치는 중요한 대상으로서 연구되어 왔다[2,3].
	Al-Si계 합금의 장점은 무엇인가?	Al-Si계 합금은 전통적으로 자동차를 비롯한 다양한 산업분야에 주조용 소재로 활용되어 왔다. 이들 주조용 합금들은 높은 공정 분율과 Si으로 인하여 주조성이 우수하며 용접성, 내식성 또한 양호한 것으로 평가된다[1]. 또한 응고 중 Si의 팽창으로 인하여 수축공 결함을 상쇄하는 효과가 있고 낮은 열팽창율로 인하여 정밀 부품의 주조에도 적합하다. 산업적으로는 Al-Si 합금계에 부가적인 특성을 부여하는 Cu, Mg 등의 원소를 첨가하여 활용한다.

참고문헌 (18)

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V. Raghavan: J. Phase Equilib. and Diffusion, "Al-Fe-Si (Aluminum-Iron-Silicon)", 30(2) (2009) 184-188

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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