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문제 정의
- 현재 주조법으로 제조되는 상업용 발포금속은 기공율이 90%에 육박하며, 기공벽이 얇고 다공질의 특징을 지니므로, 단열특성이 뛰어나지만 용체화 처리가 불가능하여 시효경화와 같은 석출물에 의한 강도 향상을 얻기가 어렵다. 본 연구에서는 강도향상과 열팽창계수를 적게하고 인성을 부여하기 위해 금속 실리콘 원소를 선정하여 발포 알루미늄 제조를 시도하였다. 알루미늄-실리콘 합금은 주조재로써 가장 널리 쓰이는 재료로 유동성이 우수하고, 다른 원소와의 합금 설계가 용이하여 발포금속의 여러가지 목적에 맞는 기초적인 재로로써 적합할 것으로 기대되고 발포금속의 강도를 증가하고 유동성을 향상시키기 위하여 Si함량을 변화하여 발포금속을 제조하였으며, 발포금속의 기공율, 기공의 크기, 미세조직과 압축 강도, 경도를 측정하여 Si량의 효과를 상호비교 검토하였다.
제안 방법
- Al-Si합금 발포금속 시편의 압축시험은 동적 재료 시험기(Shimadzu AG 10TG, Japan)를 사용하여 실시하였다. 시편의 크기는 size effect를 배재하기 위하여 30 mm × 30 mm × 30 mm의 정육면체 형태로 절삭한 후, 사포를 이용하여 절단면을 조연마하였다.
- 용탕내에서 발포교반이 끝난 후 용탕에서 임펠러를 제거하고, 약 90초간 유지하여 발포가 일어나도록 하였다. 발포가 진행되는 과정에는 미세한 충격으로도 기공벽의 붕괴와 기포 파괴 및 병합 등 불안정한 변화가 발생할 수 있으므로 안정된 상태에서 발포를 진행시켰으며, 또한 발포온도가 높으면 기포의 병합에 의해 불균질한 기포가 형성되므로 발포시 용탕 온도를 일정하게 조절하였다. 알루미늄-실리콘 합금의 조성에 따른 최적 발포 온도를 설정하기 위해 Al-Si 이원계 상태도[10]를 참고하였다.
- 시편의 크기는 size effect를 배재하기 위하여 30 mm × 30 mm × 30 mm의 정육면체 형태로 절삭한 후, 사포를 이용하여 절단면을 조연마하였다. 상대밀도 계산은 전자저울을 사용하여 무게를 측정하고, 금속현미경을 사용하여 측정한 마크로 조직으로 평균 기공률이 유사한 값을 화상해석 프로그램(i-solution)으로 측정 환산하여 이상밀도를 구한 후 상대밀도로 환산하였다. 각 시편 기공벽의 경도는 비커스경도기(Akashi, HM-112)를 사용하여 10회 측정하였으며 최대값과 최소값을 제외한 산출 평균값을 도출하였다.
- 각 시편 기공벽의 경도는 비커스경도기(Akashi, HM-112)를 사용하여 10회 측정하였으며 최대값과 최소값을 제외한 산출 평균값을 도출하였다. 시편 기공벽의 두께가 얇기 때문에 시편을 에폭시 수지로 마운팅하여 기공벽을 고정시킨 상태에서 경도를 측정을 하였다.
- 시편의 크기는 size effect를 배재하기 위하여 30 mm × 30 mm × 30 mm의 정육면체 형태로 절삭한 후, 사포를 이용하여 절단면을 조연마하였다.
- 알루미늄-실리콘 합금 발포금속의 제조는 Table 1의 실험조건과 같이 점증제의 량과 점증시간, 실험온도(점증, 발포, 유지온도)를 변수로 두어 제조하였다. Fig.
- 본 연구에서는 강도향상과 열팽창계수를 적게하고 인성을 부여하기 위해 금속 실리콘 원소를 선정하여 발포 알루미늄 제조를 시도하였다. 알루미늄-실리콘 합금은 주조재로써 가장 널리 쓰이는 재료로 유동성이 우수하고, 다른 원소와의 합금 설계가 용이하여 발포금속의 여러가지 목적에 맞는 기초적인 재로로써 적합할 것으로 기대되고 발포금속의 강도를 증가하고 유동성을 향상시키기 위하여 Si함량을 변화하여 발포금속을 제조하였으며, 발포금속의 기공율, 기공의 크기, 미세조직과 압축 강도, 경도를 측정하여 Si량의 효과를 상호비교 검토하였다.
- %로 고정하였다. 용탕내에서 발포교반이 끝난 후 용탕에서 임펠러를 제거하고, 약 90초간 유지하여 발포가 일어나도록 하였다. 발포가 진행되는 과정에는 미세한 충격으로도 기공벽의 붕괴와 기포 파괴 및 병합 등 불안정한 변화가 발생할 수 있으므로 안정된 상태에서 발포를 진행시켰으며, 또한 발포온도가 높으면 기포의 병합에 의해 불균질한 기포가 형성되므로 발포시 용탕 온도를 일정하게 조절하였다.
- 점증제로서는 Ca합금을 사용하였다. 이때에 점증제의 양을 1.5wt%, 2.0wt%, 3.0wt%로 변화시켰으며, 산화물 형성에 의한 점성을 높이기 위해 임펠러 회전 속도를 450rpm으로 하여 약 20분간 교반하면서 점성을 부여하였다[8~9].
- 점증이 완료된 용탕에 동일 온도에서 발포제를 투입하여 교반하였으며 점증시 교반속도의 2배인 900rpm의 속도로 교반하여 빠른 시간에 균질 분산되도록 하였다. 발포제 분말의 입자 크기는 320µm이하의 크기를 사용하였으며, 투입량은 1.
- 제조된 시편의 기공 양상을 분석하기 위해 전체 시편 중심의 세로 방향으로 절삭한 단면을 스캔 이미지를 얻어서 시편의 상부, 중심, 하부, 외곽의 4 곳을 영상해석 프로그램(i-solution)을 이용하여 기공 크기를 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. 측정된 결과를 바탕으로 기공 크기에 따른 분포를 분석하였다.
- 제조된 시편의 기공 양상을 분석하기 위해 전체 시편 중심의 세로 방향으로 절삭한 단면을 스캔 이미지를 얻어서 시편의 상부, 중심, 하부, 외곽의 4 곳을 영상해석 프로그램(i-solution)을 이용하여 기공 크기를 측정한 결과를 Table 2에 나타내었다. 측정된 결과를 바탕으로 기공 크기에 따른 분포를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- Al-Si 합금 발포금속의 제조는 순 알루미늄의 최적 조건(Table 1)을 비교재료로 이용하였으며 액상선 상향 30~50℃를 설정하여 발포 최적조건을 설정하였다. Si 양을 1, 3, 7, 12%로 변화시키면서 발포 시킨 후 절단하여 연마한 단면 마크로 조직은 Fig.
- 용해와 합금화를 마친 후 용탕에 점성을 부여하기 위하여 액상선 온도보다 20-30℃ 높은 온도에서 교반하였다. 점증제로서는 Ca합금을 사용하였다. 이때에 점증제의 양을 1.
- 1은 발포 알루미늄 제조 시 사용한 장비의 개략도를 나타낸 것으로, 임펠러의 상하 높이와 교반속도의 조절이 가능하고, 점증 및 발포, 유지 과정의 시간과 온도 조절이 가능하게 제조하였다. 합금화는 순수 알루미늄과 Al-18wt%Si 모합금을 이용하였으며, 모 합금 용해 후 순수Al을 첨가하여 Si의 합금량을 조절하였고 임펠러를 사용하여 700℃에서 10분간 150rpm 속도로 교반하여 합금화하였다. 용해와 합금화를 마친 후 용탕에 점성을 부여하기 위하여 액상선 온도보다 20-30℃ 높은 온도에서 교반하였다.
데이터처리
- 상대밀도 계산은 전자저울을 사용하여 무게를 측정하고, 금속현미경을 사용하여 측정한 마크로 조직으로 평균 기공률이 유사한 값을 화상해석 프로그램(i-solution)으로 측정 환산하여 이상밀도를 구한 후 상대밀도로 환산하였다. 각 시편 기공벽의 경도는 비커스경도기(Akashi, HM-112)를 사용하여 10회 측정하였으며 최대값과 최소값을 제외한 산출 평균값을 도출하였다. 시편 기공벽의 두께가 얇기 때문에 시편을 에폭시 수지로 마운팅하여 기공벽을 고정시킨 상태에서 경도를 측정을 하였다.
이론/모형
- 발포가 진행되는 과정에는 미세한 충격으로도 기공벽의 붕괴와 기포 파괴 및 병합 등 불안정한 변화가 발생할 수 있으므로 안정된 상태에서 발포를 진행시켰으며, 또한 발포온도가 높으면 기포의 병합에 의해 불균질한 기포가 형성되므로 발포시 용탕 온도를 일정하게 조절하였다. 알루미늄-실리콘 합금의 조성에 따른 최적 발포 온도를 설정하기 위해 Al-Si 이원계 상태도[10]를 참고하였다.
성능/효과
- 1) 1wt%Si 합금 발포금속은 순 알루미늄과 동일한 발포조건으로 제조가 가능하였으며, 3wt%Si, 7wt%Si, 12wt%Si 합금은 3.0%의 점증제와 각각 660℃, 640℃, 620℃의 점증 및 발포 온도에서, 15분, 20분의 넓은 점증 시간대에서 발포가 가능하였으며 기공도는 60%에서 85%를 얻었다.
- 1wt%Si 합금의 조직에서 침상인 공정Si상과 미량의 각형 Ca2Si상 및 구형의 회색인 작은 AlCaSiO2 산화물상과 흑색의 미소기공들이 관찰되었고, 3%wtSi 합금에서는 α상 입계를 따라 생성된 공정상과 진회색 각형 Ca2Si상, 검은색의 미소기공이 관찰되었다.
- 2) Si첨가량에 따른 조직분석 및 경도 측정 결과, 실리콘의 함량이 증가 할수록 공정Si 분율이 높아졌고, 경도 또한 실리콘 상의 분율에 비례하여 증가하였다.
- 3) 압축 강도는 3wt%의 실리콘이 첨가된 발포금속의 강도가 가장 높게 나타났으며, 7wt%, 12wt%의 실리콘이 첨가된 발포금속은 점증 공정에서 생성된 산화물과, 공정실리콘 상 및 Ca2Si상들의 영향으로 취성이 증가하여 평탄구역 강도 값의 변화가 크게 나타났다.
- 11), 실리콘의 첨가로 알루미늄 산화물이 줄어들고 실리콘 산화물 혹은 화합물의 양이 증가하여 초기에 생성된 상들이 응고 과정을 거치면서 입계로 밀려나가 입계 주위에 존재하는 것으로 생각된다. 7wt%Si 합금의 경우에는 입계를 중심으로 더 많은 침상의 공정Si상과 Ca2Si상이 관찰되었고 흑색의 미소기공도 존재하였으며, 12wt%Si합금의 경우에는 공정Si상이 입계에 다량 정출되고 직육면체의 Ca2Si상과 편상의 AlCaTix상도 다량 정출 되었다. 12wt%Si의 경우 과공정상의 초정 실리콘상이 정출된 것 같이 보이나, 초정 Si상은 육각 또는 5각 판상조직이나 시편에서 정출된 상은 직육면체형 상으로 초정Si상과는 구분이 된다[14~15].
- 측정된 결과를 바탕으로 기공 크기에 따른 분포를 분석하였다. Fig. 3은 Al-1wt%Si 합금 발포금속에 대한 마크로 조직으로서 기공의 크기와 분포를 측정할 수 있는데, 적절한 점도를 유지하는데 있어 상부로 올라 갈수록 기공의 크기가 약간씩 증가하였으며, 냉각이 빨리 일어나는 외곽표피 부위는 기공이 형성되어 새로이 생성된 하부 기공의 적층 현상으로 크기가 약간 작게 나타나는 일반적인 양상을 보였다. 기공 크기의 분포는 2.
- 3은 Al-1wt%Si 합금 발포금속에 대한 마크로 조직으로서 기공의 크기와 분포를 측정할 수 있는데, 적절한 점도를 유지하는데 있어 상부로 올라 갈수록 기공의 크기가 약간씩 증가하였으며, 냉각이 빨리 일어나는 외곽표피 부위는 기공이 형성되어 새로이 생성된 하부 기공의 적층 현상으로 크기가 약간 작게 나타나는 일반적인 양상을 보였다. 기공 크기의 분포는 2.5 mm~3.0 mm에 집중된 것을 알 수 있었으며, 전체적으로 비교적 균일한 기공 구조를 나타내었다. Fig.
- 기공벽의 경도와 node 부분의 경도 차이는 크지 않았으며 실리콘의 함량이 증가할수록 경도는 높아지는 경향을 나타내었고, 특히 1wt%에서 3wt%로 증가 시에 경도가 상승하는 경향이 두드러지게 나타났고, 1% Si에 비해 12%Si의 경우에는 경도값이 약 2배정도 높게 나타났다. 기공벽의 경도는 실리콘 상의 분율에 비례하며 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 발포금속의 경우 경도와 압축강도의 상관관계는 없었으나 동일한 cell두께에서는 경도가 높을수록 압축강도가 높은 것을 알 수 있는데 압축강도는 cell의 두께에 비례하는 영향이 더 크게 나타났다.
- 12은 Si량에 따른 합금발포금속 시편의 기공벽과 기공이 합치되는 node 부분을 비커스 경도기로 측정한 결과이다. 기공벽의 경도와 node 부분의 경도 차이는 크지 않았으며 실리콘의 함량이 증가할수록 경도는 높아지는 경향을 나타내었고, 특히 1wt%에서 3wt%로 증가 시에 경도가 상승하는 경향이 두드러지게 나타났고, 1% Si에 비해 12%Si의 경우에는 경도값이 약 2배정도 높게 나타났다. 기공벽의 경도는 실리콘 상의 분율에 비례하며 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 발포금속의 경우 경도와 압축강도의 상관관계는 없었으나 동일한 cell두께에서는 경도가 높을수록 압축강도가 높은 것을 알 수 있는데 압축강도는 cell의 두께에 비례하는 영향이 더 크게 나타났다.
- 전체조성에서 전형적인 발포금속의 응력-변형률 곡선을 나타내고 있으며 초기 항복강도가 높고 변형률이 증가함에 따라 서서히 증가하다가 약60% 변형률에서 판단 변형으로 전이되고 있다. 실리콘의 함량이 1wt%에서 3wt%로 증가할 때 약 1.4배의 항복강도 향상이 있었으나, 7wt%, 12wt%의 경우에는 강도 향상의 효과가 거의 없었으며, 변형률이 증가할수록 변형률 곡선의 요철이 심하게 나타났다. 이러한 이유는 제조 시 높은 점도가 필요했던 7%Si 합금과 12%Si 합금에 점도를 높이기 위해 칼슘을 3.
- 7과 같다. 실리콘의 함량이 증가할수록 Ca2Si와 같은 실리콘 화합물의 회절 peak가 강하게 나타났고, 그 정도가 증가하였으며, Al2O3와 같은 알루미늄 산화물의 양이 줄어든 것으로 생각된다. 이러한 실리콘 화합물의 생성은 Al2O3의 산화피막에 정출되어 안정한 표면 상태를 유지하기가 어렵게 되고 기공벽의 불안정성을 초래한다는 연구결과와 일치한다고 생각된다[11].
- 7은 시편의 높이와 길이, 무게를 측정하여, 식(1)에 대입하여 제조된 시편의 기공율을 계산한 값을 그래프로 나타낸 것이다. 실리콘의 함량이 증가할수록 시편의 기공율이 낮아지는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 실리콘의 함량이 증가하면 액상선 온도는 낮아지고 실리콘을 함유한 α초정과 액상의 기공을 형성하는 막의 표면장력과 Cell막과 막 사이의 액체 유동과 응고에 영향을 주고 발포제의 분해가 일어날 수 있는 충분한 열량을 일정 시간 내에 얻지 못하기 때문인 것으로 사료된다[12].
- 10은 7wt%Si 합금 발포금속의 기공벽을 EDS Mapping 분석한 결과이다. 알루미늄과 실리콘, 칼슘, 티타늄 등 원소들의 분포양상으로 보아 육안으로 관찰되는 상들은 대부분 공정 혹은 금속간화합물상이라 볼 수 있으며, Si와 Ca, O의 분석위치가 일치하는 것으로 보아 Si산화물과 금속간화합물상이 생성되었다는 것을 알 수 있었고, 위치는 결정립계를 따라 공정상이 정출된다고 생각된다.
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