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문제 정의
- 본 연구는 실제 알루미늄 주조분야에서 가장 많이 사용되는 Al-Si-Mg계 주조용 합금에서 Fe, Mn 함량이 인장특성에 미치는 영향을 연구하였다.
제안 방법
- Al-9wt%Si-0.3wt%Mg 주조용 합금의 Fe, Mn함량 변화에 따른 미세조직과 형성되는 상을 분석하기 위해 광학현미경 조직관찰, 주사전자현미경(SEM/EDX) 분석 및 X선 회절(XRD) 분석을 행하였다. 또한, 냉각속도에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 각 몰드의 재질이 동(Copper), 강(Steel), 쉘(Shell)인 3종류의 상온 몰드에 710℃인 용탕을 주입하여 냉각시의 응고거동을 측정하였다.
- 3wt%Mg계의 HPDC용 합금조성으로, 본 실험에서 의도한 개발용 합금의 조성, 미세조직 및 기계적 특성 비교/평가를 위해 선정하였다. Table 1의 1, 2번 조성은 Al-9wt%Si계 조성에서 Fe 함량에 따른 인장특성을 알아보기 Fe 함량을 0.15wt%와 0.45wt%로 변화시켰으며, 2, 3 조성은 Mn 함량에 따른 인장특성을 비교하기 위해 Mn 함량을 0.3wt%와 0.5wt%로 선정하였다.
- Table 4는 조성별 냉각속도에 따른 SDAS 측정 결과를 보여준다. 냉각속도 차이에 따른 결정립 미세화 효과를 측정하기 위해 냉각속도 측정용 동(Cu)몰드, 강(Fe)몰드, 쉘(Shell)몰드에 주입된 시료의 미세조직에서 SDAS 측정결과를 나타내었다. 냉각속도 차이에 따른 SDAS 측정결과 평균 냉각 속도 4℃/sec의 동 몰드에 주입된 전체조성의 시료에서 SDAS가 가장 미세한 약 15.
- 3wt%Mg 주조용 합금의 Fe, Mn함량 변화에 따른 미세조직과 형성되는 상을 분석하기 위해 광학현미경 조직관찰, 주사전자현미경(SEM/EDX) 분석 및 X선 회절(XRD) 분석을 행하였다. 또한, 냉각속도에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 각 몰드의 재질이 동(Copper), 강(Steel), 쉘(Shell)인 3종류의 상온 몰드에 710℃인 용탕을 주입하여 냉각시의 응고거동을 측정하였다. 몰드 내부에는 직경 0.
- 또한, 냉각속도에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 각 몰드의 재질이 동(Copper), 강(Steel), 쉘(Shell)인 3종류의 상온 몰드에 710℃인 용탕을 주입하여 냉각시의 응고거동을 측정하였다. 몰드 내부에는 직경 0.3 mm의 K-Type CA 열전대를 설치하여 온도변화를 측정하였다. 미세화제 처리 유·무에 따른 조직 관찰은 쉘몰드에서 이루어졌으며, 미세화제 Al-5%TiB를 100ppm을 첨가하여 미세화제 유·무와 냉각속도 차이에 따른 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 측정하였다.
- 미세화제 처리 유·무에 따른 조직 관찰은 쉘몰드에서 이루어졌으며, 미세화제 Al-5%TiB를 100ppm을 첨가하여 미세화제 유·무와 냉각속도 차이에 따른 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 측정하였다.
- 2는 시효시간에 따른 경도 변화를 나타낸다. 용체화 온도 및 시간은 조직 관찰을 통해 용체화 온도 530℃/10hr으로 하였으며, 시효 온도 및 시간은 160℃/6.5hr의 peak aging으로 고정하였다.
- 용해 작업은 60호 흑연 도가니를 사용하여 실리코니트 발열체 전기로에서 행하였으며, Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.3wt%Mn 성분의 잉고트합금을 780℃ 온도에서 완전 용해 후, Al25wt%Fe, Al-25wt%Mn 모합금을 첨가하여 성분조정을 한 후, 직경 30 mm 흑연튜브를 사용하여 20분간 질소가스로 용탕을 탈가스 처리하였다. 용탕 내 가스 농도 측정은 감압장치를 이용한 밀도 측정 방법인 D.
- 0 이하로 제한하였다. 질소 탈가스처리 후, 미세화 처리제 Al-10wt%Sr, Al-5wt%TiB를 각각 200ppm, 100ppm 첨가하였다. 그 후 최종적으로 성분 분석을 하고 용탕 진정을 위해 20분 유지한 뒤 주입온도 710℃로 금형에 주입하였다.
대상 데이터
- 45wt.%Fe 합금계에서 Mn 함량에 따른 인장특성 변화는 Table 1의 2, 3번 합금조성을 대상으로 조사하였다. Fig.
- 5wt.%Mn 합금계에서 Fe 함량에 따른 인장특성 변화는 Table 1의 1, 2번 합금조성을 대상으로 조사하였다.
- 03% 이하다. Table 1의 1번 시료는 상용으로 널리 사용되는 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계의 HPDC용 합금조성으로, 본 실험에서 의도한 개발용 합금의 조성, 미세조직 및 기계적 특성 비교/평가를 위해 선정하였다. Table 1의 1, 2번 조성은 Al-9wt%Si계 조성에서 Fe 함량에 따른 인장특성을 알아보기 Fe 함량을 0.
- 인장 시험편은 평행부 거리 30 mm, 표점거리 25 mm, 두께 4 mm인 KS B0801의 13호 sub size 판상으로 제작 하였으며, 인장 시험편의 치수는 Fig. 3에 나타내었다. 인장 시험편은 중력 주조로 제작하였고 인장 시험편 제작용 몰드의 치수 및 형상은 Fig.
- 인장 실험은 Table 1의 3가지 조성을 대상으로, 각 조성별 As-cast시료와 T6 열처리 시료로 구분하여 실시하였다. Table 2는 상용 Al-9wt%Si-0.
데이터처리
- 미세화제 처리 유·무에 따른 조직 관찰은 쉘몰드에서 이루어졌으며, 미세화제 Al-5%TiB를 100ppm을 첨가하여 미세화제 유·무와 냉각속도 차이에 따른 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 측정하였다. SDAS 측정은 Image-pro 2.0 프로그램을 사용하여, 각 샘플 당 10회 측정 후 산술 평균을 적용하여 나타내었다. Fig.
이론/모형
- 3wt%Mn 성분의 잉고트합금을 780℃ 온도에서 완전 용해 후, Al25wt%Fe, Al-25wt%Mn 모합금을 첨가하여 성분조정을 한 후, 직경 30 mm 흑연튜브를 사용하여 20분간 질소가스로 용탕을 탈가스 처리하였다. 용탕 내 가스 농도 측정은 감압장치를 이용한 밀도 측정 방법인 D. I (Density Index)법을 이용하였고, 이 때 각 조성별 D. I 값은 1.0 이하로 제한하였다. 질소 탈가스처리 후, 미세화 처리제 Al-10wt%Sr, Al-5wt%TiB를 각각 200ppm, 100ppm 첨가하였다.
성능/효과
- 45wt.%Fe 합금계에서 As-cast 상태일 때, Mn 함량이 0.3wt%에서 0.5wt%로 증가하면 최대 인장 강도는 170 MPa에서 174 MPa로 변하였으며 신율은 2.3%에서 3.6%로 향상되었다.
- 1. 고압 금형 주조용 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계 합금의 미세조직 및 파단면을 관찰한 결과, Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt% Fe-0.3wt%Mn 합금조성에서는 판상의 β-Al5FeSi상이 관찰되었으며, Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe-0.5wt%Mn 합금조성에서 chinese-script 형상의 α-Al15(Mn,Fe)3Si2상이 관찰되었다.
- 2. 용탕의 미세화제 처리에 따른 SDAS 측정 결과, Al5wt%Ti 미세화제 100ppm 첨가에 의해 쉘(shell)몰드 시료의 SDAS값이 약 66~69 µm로 미세화처리를 행하지 않은 시료의 73~78 µm 보다 SDAS가 약 10%정도 적어 미세화 효과를 나타내었다.
- 3. 냉각속도에 따른 S.D.A.S.는 평균 냉각속도 4℃/sec인 동(Cu)몰드의 측정시편 중 0.15wt%Fe/0.5wt%Mn 조성이 15.38 µm 로 낮게 나타났으며, 또한 인장강도는 높고 신율은 낮게 나타났다.
- 5wt%로 증가할 때 As-cast 및 T6 열처리 상태에서 최대 인장강도 및 신율 변화를 나타내었다. As-cast 상태에서 Mn 함량이 0.3wt%에서 0.5wt%로 증가하면 최대 인장 강도는 170 MPa에서 174 MPa로 변하였으며 신율은 2.3%에서 3.6%로 향상되었다.
- T6 열처리 상태에서 Fe 함량이 0.15wt%에서 0.45wt%로 증가하면, 최대 인장강도는 275 MPa로 동일 수준이 되며, 신율은 4.1%에서 3.6%로 감소하였다.
- T6 열처리 상태에서도 Mn 함량이 0.3wt%에서 0.5wt%로 증가하면, 최대 인장강도는 265 MPa에서 275 MPa로 다소 증가되며 신율은 2.3%에서 3.6%로 크게 향상되었다. 이것은 Al9wt%Si-0.
- T6 열처리 상태에서도 Mn 함량이 0.3wt%에서 0.5wt%로 증가하면, 최대 인장강도는 265 MPa에서 275 MPa로 다소 증가되며 신율은 2.3%에서 3.6%로 향상되었다.
- 광학 현미경 및 주사전자 현미경을 통하여 조성별 미세조직을 관찰한 결과 Fe, Mn 함량에 따라 조직적 차이가 나타났다. Fe, Mn을 함유한 공정 Al-Si계 합금에서 미세조직은 α-Al상, 공정 Si상, β-Al5FeSi, chinese script 형상의 α-Al15(Mn,Fe)3Si2로 구분된다.
- 냉각속도 차이에 따른 SDAS 측정결과 평균 냉각 속도 4℃/sec의 동 몰드에 주입된 전체조성의 시료에서 SDAS가 가장 미세한 약 15.38 µm의 미세조직을 나타내었다.
- 몰드재료의 냉각속도 차이에 따른 SDAS 측정결과, 평균 냉각속도 4℃/sec의 동(Cu)몰드에 주입된 합금시료에서 SDAS가 약 15~17 µm로 가장 미세한 조직을 나타내었다.
- 예비실험에서 Mn 함량이 0.7%로 증가할 경우, 모든 β-AlFeSi 화합물이 AlFeMnSi 화합물로 형상 개량되는 것을 확인 할 수 있었다.
- 용탕에 Al-5wt%Ti 미세 화제 첨가에 의해 SDAS값이 약 66~69 µm로 미세화처리를 행하지 않은 시료의 73~78 µm 보다 SDAS가 약 10%정도 적어 미세화 효과를 나타내었다.
- 이 연구 결과에 따르면 낮은 과열온도(액상선에서 약 150℃정도 높은 온도)의 경우 Fe 화합물은 거의 모든 냉각 속도에서 판상의 β-phase로 결정화 되고, 또 높은 과열온도(액상선에서 약 250℃-300℃정도 높은 온도)의 경우 β-phase 및 chinese script 형상으로 결정화한다.
후속연구
- 합금 조성별로 용탕에 Al-5wt%Ti 미세화제를 첨가한 시료와, 냉각속도 측정용 몰드 재료 중에서 열전도성이 우수한 동몰드에 주입된 시료에서 SDAS가 감소하여 결정이 미세하였고, 인장특성이 향상될 것으로 기대된다.
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