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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 열전도도, 주조성 및 표면처리 특성을 고려한 방열전용 알루미늄 합금을 개발하고자 한다. 이를 위해 우선 알루미늄의 주요 합금원소 가운데 전도도 저하에 작은 영향을 미치는 원소들 중 주조성, 기지 강화 및 금형 소착 방지에 효과적인 합금원소인 Mg, Si, Zn, Fe를 합금원소로 선별하여 합금설계하였다.
- 본 연구에서는 표면처리 가능형 경량 방열부품 전용 알루미늄 주조재를 개발하고자, 저 Si계 Al-(0.5~1.5)Mg-1Fe-0.5Si 및 Al-(1.0~1.5)Si-1Fe-1Zn 합금을 설계하고, 주 합금원소인 Mg과 Si이 개발합금의 열전도도, 유동도 및 기계적 강도에 미치는 영향을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
- 따라서 알루미늄의 전기비저항 증가를 최소화하려면, 즉 알루미늄의 열전도도 감소를 최소화하려면 고용도가 낮거나 (Fe, Ni) 고용도 내에서의 전기비저항 증가 효과가 작은(Cu, Mg, Ni, Si, Zn) 원소를 합금원소로 선택하는 것이 유리하다. 응고에너지는 응고잠열(H)에 비열(c')을 이용하여 과열도(∆T) 100oC를 가정하여 구한 에너지 증분(c'∆T)을 더한 값으로 정의하여 사용하였다. Table 1에 정리된 합금화에 따른 알루미늄의 응고에너지 변화 효과는 합금원소별로 계산된 응고에너지를 단순 혼합물 법칙(Simple rule of mixture)을 이용하여 구한 값들이다.
제안 방법
- Fig. 3에는 개발합금 Al-xMg-1Fe-0.5Si과 Al-xSi-1Fe-1Zn의 열전도도를 측정하여 상용 다이캐스팅 합금인 ADC12 합금의 측정값들과 함께 비교하여 정리하였다. 열전도도는 합금의 특성들 중 측정 편차가 매우 작아 주 합금원소인 Mg 및 Si의 조성함수로서 경향을 명확히 파악할 수 있었다.
- 개발합금의 주조성과 관련이 있는 열물리적 특성의 변화 거동을 살펴보기 위해서는 상용 프로그램 JMatPro 5.0을 이용하여 열물리 모델링을 수행하였다. 생성 상 규명 등 미세조직 분석을 위해서는 EDS가 장착된 전계방출 주사전자현미경(FESEM, FEI Quanta 200F 모델)을 이용하여 유동도 채널 시편의 단면을 조사하였다.
- 5%로 설정하였다. 금형 소착 방지 원소 Fe의 함량은 대표적 다이캐스팅 합금인 ADC12 합금과 동일 수준인 1%로 설정하였다. 주 합금원소가 Mg인 Al-Mg-Fe-Si계 합금에서는 Al-SiFe-Zn 합금 대비 낮을 수 있는 응고에너지를 보완하기 위하여 보충 합금원소로서 Si을 0.
- 3) 각 개발합금계 내에서 유동도는 Mg 합금량이 증가함에 따라 감소하고 Si 합금량이 증가함에 따라 증가하였다. 두 개발합금계 사이의 서로 반대되는 유동도 변화 거동은 Mg과 Si 의 조성 변화에 따라 서로 반대의 변화 거동을 보인 응고에너지, 주요 제2상의 종류, 양 및 생성 시점이 달랐던 것에 기인 하였다.
- 방열부품은 일반적인 구조용 부품과 달리 높은 기계적 강도를 요하지는 않지만 탈형과 같은 주조공정 단계에서 찍힘 불량(Indentation defects)의 발생을 방지하고 운송 취급을 용이하게 하기 위해 적정 수준의 강도는 필요하다. 따라서 기지 강화를 위하여 열전도도 감소 효과가 작고 용탕 점도에 영향을 미치지 않는 원소인 Zn를 적극 활용하였다. Table 2에 조성과 함께 제시된 열전도도는 합금원소별 전기비저항 영향 데이터와 단순 혼합물 법칙을 이용하여 전기전도도를 계산하고 Wiedemann-Franz식[9]을 이용하여 열전도도도로 환산한 것이다.
- 일반적으로 응고구간이 크면 유동도가 감소하고 형상 이방성이 큰 제2상이 응고공정 중 정출하면 유동성에 부정적인 영향을 미치게 된다. 따라서 상평형 계산과 병행하여 미세조직을 분석 하였다. 제2상의 상 분율이 낮아 X-선 회절법에 의해서는 상 종류 규명이 어려워, JMatPro를 이용하여 응고 공정의 상평형 계산을 먼저 수행하고, 상평형 정보를 바탕으로 EDS 분석을 수행하였다.
- 본 유동도 측정 실험은 일정 용탕 과열도 조건에서 수행되었으며 금형 예열온도와 주입압력이 일정하게 유지되었으므로, 유동도 채널의 직경이나 길이 등 동일한 조건을 제외하고 나면 개발합금의 유동도에는 용탕의 밀도, 점도, 응고잠열, 비열, 용융점이 영향을 미치는 인자들이다. 이 중 용탕의 밀도 같은 경우에는 조성 변화에 따른 밀도 변화 정도가 0.
- 0을 이용하여 열물리 모델링을 수행하였다. 생성 상 규명 등 미세조직 분석을 위해서는 EDS가 장착된 전계방출 주사전자현미경(FESEM, FEI Quanta 200F 모델)을 이용하여 유동도 채널 시편의 단면을 조사하였다.
- 아울러 용탕 과열온도, 주입압력, 금형 예열온도, 용탕 산화 등 주조 공정상의 변수로 인한 산란을 최대한 억제하면서 정밀평가하기 위해 Fig. 2와 같이 다수의 유동도 채널이 있는 금형이 장착된 저압주조기를 이용하여 유동성 평가를 수행하였다. 용탕의 산화를 방지하기 위하여 불활성 가스 하에서 챔버 내부에 로와 용탕 도가니를 위치시켜 과열 온도를 일정하게 유지하고, 반복 주입에 따른 용탕 정수압 감소를 보상하며 서보(Servo) 방식에 의해 주입 압력을 일정하게 유지하도록 하였으며, 유동도 금형 내부에 발열체를 삽입하고 주입간격을 일정하게 유지하여 금형 예열온도가 일정하게 유지되도록 하였다.
- 열전도도 및 인장강도와는 달리 다소 복잡한 거동을 보인 유동도 변화 거동을 이해하기 위해 상용 프로그램인 JMatPro를 이용하여 주조성과 관련된 주요 열물리적 물성(용융점, 응고 에너지, 용탕 점도, 표면에너지)에 관한 계산을 수행하고, 그 결과를 Fig. 7에 정리하였다. 참고로 유동도에 관한 Flemings의 이론식[10]을 살펴보면(식 1), 액상 금속 합금의 유동도 Lf는 용탕의 밀도 ρ, 응고잠열 H, 비열 c'과 함께 유동 채널 직경 a, 용탕 주입속도 υ, 용탕 과열도 ∆T에 비례하고, 계면열전달계수 h 및 합금의 용융점과 금형온도의 차이 TM-To에 반비례한다.
- 열전도도를 획기적으로 향상시키면서도 우수한 주조성, 양극 산화능, 기계적 강도를 얻기 위하여, 우선 문헌에 보고되고 있는 알루미늄의 열물리적 특성에 미치는 주요 합금원소의 영향을 조사하여 저 Si계의 4원 합금계 2개를 선정한 후, 다음 각 합금계의 화학조성을 설계하는 방식으로 합금설계를 진행하였다.
- 위와 같은 이유로 선정된 4원 알루미늄 합금계 Al-Mg-FeSi(합금 시리즈 Alloy 1)과 Al-Si-Fe-Zn(합금 시리즈 Alloy 2) 합금의 화학조성을 Table 2에 정리하였다. 열전도도와 주조성에 미치는 주 합금원소의 영향을 체계적으로 조사해 보기 위해 Mg과 Si의 합금량을 0.5~1.5%로 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 특히 Si의 최대 합금량은 양극산화능이 우수한 것으로 알려진 상용 전신재 알루미늄 합금들의 최대 Si 함유량인 1.
- 2와 같이 다수의 유동도 채널이 있는 금형이 장착된 저압주조기를 이용하여 유동성 평가를 수행하였다. 용탕의 산화를 방지하기 위하여 불활성 가스 하에서 챔버 내부에 로와 용탕 도가니를 위치시켜 과열 온도를 일정하게 유지하고, 반복 주입에 따른 용탕 정수압 감소를 보상하며 서보(Servo) 방식에 의해 주입 압력을 일정하게 유지하도록 하였으며, 유동도 금형 내부에 발열체를 삽입하고 주입간격을 일정하게 유지하여 금형 예열온도가 일정하게 유지되도록 하였다. 용탕 과열도는 100oC, 주입 압력은 15,000 Pa, 금형 예열온도는 190oC였다.
- 용탕 과열도는 100oC, 주입 압력은 15,000 Pa, 금형 예열온도는 190oC였다. 유동도 금형의 채널 직경은 8, 4, 2, 1 mm이며 채널의 최대 길이는 100 mm이고 채널의 끝 부분에는 공기가 빠져나갈 수 있도록 배기구를 가공하였다. 직경 1, 2 mm 채널의 수는 4개, 직경 4, 8 mm 채널의 수는 2개이다.
- 5~6에 정리하였다. 이 때 다수의 유동 채널을 갖는 금형(Fig. 2b)을 이용하여 반복실험을 수행하고 통계적인 기법을 적용하여 측정값들의 신뢰성을 확보하고자 하였다. Fig.
- 5% 이하로 유지하였다. 이를 바탕으로 합금설계된 Al-xMg-1Fe-0.5Si 및 Al-xSi-1Fe-1Zn 합금에 대해 Mg 및 Si 함량을 변화시키며 열전도도, 주조성 및 기계적 특성 평가를 실시하였다.
- 따라서 본 연구에서는 열전도도, 주조성 및 표면처리 특성을 고려한 방열전용 알루미늄 합금을 개발하고자 한다. 이를 위해 우선 알루미늄의 주요 합금원소 가운데 전도도 저하에 작은 영향을 미치는 원소들 중 주조성, 기지 강화 및 금형 소착 방지에 효과적인 합금원소인 Mg, Si, Zn, Fe를 합금원소로 선별하여 합금설계하였다. 특히 160 W/mK 이상의 높은 열전도도 및 주조성을 확보하기 위해서 전체 합금 용질량은 2~3.
- 따라서 상평형 계산과 병행하여 미세조직을 분석 하였다. 제2상의 상 분율이 낮아 X-선 회절법에 의해서는 상 종류 규명이 어려워, JMatPro를 이용하여 응고 공정의 상평형 계산을 먼저 수행하고, 상평형 정보를 바탕으로 EDS 분석을 수행하였다. Fig.
- 1과 같은 나선형 채널 금형을 이용하여 평가하였는데, 유동 채널의 폭은 10 mm, 높이는 4 mm, 길이는 1,200 mm 였다. 주입실험은 용탕 과열도 100oC,금형 예열온도 200oC 조건에서 수행하였으며 3회 반복 실험 후 그 평균값을 사용하였다.
- 주조공정 상 발생할 수 있는 주조조건의 산란을 최대한 억제하며 합금조성 변화에 따른 변화를 파악하고자 Fig. 2a의 장비를 활용하여 유동도 재평가실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 5~6에 정리하였다. 이 때 다수의 유동 채널을 갖는 금형(Fig.
- 이러한 이유로 Mg과 Si을 주 합금원소로 선정하였다. 한편 다이캐스팅과 같은 금형주조용 소재로 사용되기 위해서는 금형 소착 현상을 방지하여야 하므로, 내소착성 향상에 효과적이면서 알루미늄 내 고용도가 낮아 열전도도 관점에서도 유리할 것으로 판단되는 Fe를 금형 소착 방지 합금원소로 추가하였다. 마지막으로 각 합금계의 주조성이나 기계적 강도 등 부족한 물성을 보완하기 위하여 보충 합금원소로서 Si과 Zn를 각각 활용하였다.
- 1% 수준으로 작아 본 실험의 경우 유동도 변화에 큰 영향을 미치는 인자가 아닌 것으로 판단되었다. 한편 용탕의 표면에너지는 모세관압효과에 의해 유동도 채널 내에서 배압(Back pressure)으로 작용 유동도를 감소시키는 영향을 미칠 수 있으므로 분석하였다.
대상 데이터
- 개발 합금의 유동도는 Fig. 1과 같은 나선형 채널 금형을 이용하여 평가하였는데, 유동 채널의 폭은 10 mm, 높이는 4 mm, 길이는 1,200 mm 였다. 주입실험은 용탕 과열도 100oC,금형 예열온도 200oC 조건에서 수행하였으며 3회 반복 실험 후 그 평균값을 사용하였다.
- 한편 다이캐스팅과 같은 금형주조용 소재로 사용되기 위해서는 금형 소착 현상을 방지하여야 하므로, 내소착성 향상에 효과적이면서 알루미늄 내 고용도가 낮아 열전도도 관점에서도 유리할 것으로 판단되는 Fe를 금형 소착 방지 합금원소로 추가하였다. 마지막으로 각 합금계의 주조성이나 기계적 강도 등 부족한 물성을 보완하기 위하여 보충 합금원소로서 Si과 Zn를 각각 활용하였다.
- 방열용 주조부품 소재로 사용되기 위해서는 열전도도와 주조성이 가장 핵심이 되는 인자이기 때문에 Table 1에 정리한 것처럼 전기비저항[6], 응고에너지[7], 용탕점도[6,8] 변화에 미치는 영향을 고려하여 Mg과 Si을 주 합금원소로 선정하였다. 어닐링 처리한 알루미늄 합금의 전기전도도와 열전도도는 선형적인 관계가 있으므로[6,9] 본 연구에서와 같이 합금 첨가량이 작을 경우에는 주방상태의 열전도도 예측에도 전기전도도를 비교적 유용하게 활용할 수 있다.
- 기계적 특성 평가는 200 mm × 150 mm × 25 mm 크기의 Y블록 주편으로부터 채취한 시편을 이용하여 ASTM B 557M 규격에 맞추어 인장실험을 수행하였으며, 4회 측정 후 평균한 값들을 인장강도로 비교하였다. 비교재는 상용 ADC12 합금(Al-10%Si-2.5%Cu-1%Fe-0.2%Mg)을 사용하였다.
- 또한 재현성 확보를 위해서는 8~10회 반복실험을 수행하고 통계적으로 이상치를 보이는 데이터는 제외하고 얻어진 평균값들을 최종 유도동도로 하여 합금별로 비교하였다. 용탕 과열 온도 설정은 TG/DTA 열분석기(SDT Q600 모델)를 이용하였다.
- 알루미늄의 주요 합금원소들 중 Mg과 Si만이 전기비저항, 응고에너지, 점도 3가지 경우에 모두 해당하는 원소임을 알 수 있다. 이러한 이유로 Mg과 Si을 주 합금원소로 선정하였다. 한편 다이캐스팅과 같은 금형주조용 소재로 사용되기 위해서는 금형 소착 현상을 방지하여야 하므로, 내소착성 향상에 효과적이면서 알루미늄 내 고용도가 낮아 열전도도 관점에서도 유리할 것으로 판단되는 Fe를 금형 소착 방지 합금원소로 추가하였다.
데이터처리
- 기계적 특성 평가는 200 mm × 150 mm × 25 mm 크기의 Y블록 주편으로부터 채취한 시편을 이용하여 ASTM B 557M 규격에 맞추어 인장실험을 수행하였으며, 4회 측정 후 평균한 값들을 인장강도로 비교하였다. 비교재는 상용 ADC12 합금(Al-10%Si-2.
- 각 채널 직경별 용탕 흐름 길이의 평균값을 유동도로 사용하였다. 또한 재현성 확보를 위해서는 8~10회 반복실험을 수행하고 통계적으로 이상치를 보이는 데이터는 제외하고 얻어진 평균값들을 최종 유도동도로 하여 합금별로 비교하였다. 용탕 과열 온도 설정은 TG/DTA 열분석기(SDT Q600 모델)를 이용하였다.
이론/모형
- 따라서 기지 강화를 위하여 열전도도 감소 효과가 작고 용탕 점도에 영향을 미치지 않는 원소인 Zn를 적극 활용하였다. Table 2에 조성과 함께 제시된 열전도도는 합금원소별 전기비저항 영향 데이터와 단순 혼합물 법칙을 이용하여 전기전도도를 계산하고 Wiedemann-Franz식[9]을 이용하여 열전도도도로 환산한 것이다.
성능/효과
- 1) 개발합금은 ADC12 합금 대비 열전도도는 170~190%(160~180 W/mK), 유동도는 단면적 10 mm × 4 mm 채널 기준으로는 100% 그리고 직경 2 mm 채널 기준으로는 60~85%수준의 값을, 인장강도는 동등 이상의 값을 보였다.
- 2) 각 개발합금계 내에서는 주 합금원소인 Mg과 Si의 합금 량이 증가함에 따라 열전도도는 감소하고 인장강도는 증가하는 경향을 보였다.
- 3) 각 개발합금계 내에서 유동도는 Mg 합금량이 증가함에 따라 감소하고 Si 합금량이 증가함에 따라 증가하였다. 두 개발합금계 사이의 서로 반대되는 유동도 변화 거동은 Mg과 Si 의 조성 변화에 따라 서로 반대의 변화 거동을 보인 응고에너지, 주요 제2상의 종류, 양 및 생성 시점이 달랐던 것에 기인 하였다.
- 4) Al-(0.5~1.5)Mg-1Fe-0.5Si 합금이 채널 직경 2 mm 이상에서 Al-(1.0~1.5)Si-1Fe-1Zn 합금보다 우수한 유동도를 보인 것은 낮은 용탕 점도와 좁은 응고 구간 때문이었으며, 채널 직경 1 mm 이하에서 Al-(1.0~1.5)Si-1Fe-1Zn 합금보다 낮은 유동도를 보인 것은 높은 표면에너지와 함께 형상 이방성이큰 Al3Fe 상이 액상분율이 높은 시점에서부터 생성되었기 때문이다.
- 5) 일반적인 방열 주물부품에는 비교적 높은 기계적 강도와 함께 채널 직경 2 mm 이상에서 우수한 유동도를 보인 AlMg-Fe-Si계 알루미늄 합금이, 박육부를 포함하는 방열 주물부품에는 채널 직경 1 mm 이하에서 상대적으로 높은 유동도를 보인 Al-Si-Fe-Zn계 알루미늄 합금이 유력한 후보 소재가 될 것으로 판단되었다.
- 10에는 전계방출 주사전자현미경에 장착된 EDS를 이용한 상 분석 결과를 도시하였다. Fig. 10a의 Al-1.5Mg-1Fe-0.5Si 합금에서는 대부분의 공정상이 Al3Fe 상인 것을 확인할 수 있었으며, Fig. 10b의 Al-1.5Si-1Fe-1Zn 합금의 경우에는 대부분의 공정상이 AlFeSi 상인 것으로 관찰되었다. 참고로, Al3Fe 상의 경우는 냉각속도가 증가하게 되면 준안정상인 Al6Fe 상이 대신 정출되는 것으로 보고되고 있는데[15], EDS 분석법만으로는 판별이 어려워 정밀 분석연구가 추가적으로 이루어질 필요성이 있다.
- 직경 4, 8 mm 채널의 경우에는 모든 합금에 있어 완전 충진 거동을 보였으므로 그래프 상에 따로 도시하지 않았다. Fig. 6의 결과를 살펴보면 개발 합금들은 직경 2 mm 채널을 기준으로 ADC12 합금 대비 60~85%의 유동도를 보였다. 주 합금원소의 조성 변화에 따라서는 두 합금계가 서로 반대되는 유동도 변화 거동을 보였다.
- Fig. 7a의 용융점(합금의 액상선 온도) 그래프에서 Al-xMg1Fe-0.5Si 합금은 Mg 함량이 0.5%에서 1.5%로 증가함에 따라 용융점이 5oC 감소하였고, Al-xSi-1Fe-1Zn 합금은 Si 함량이 1.0%에서 1.5%로 증가함에 따라 용융점이 3oC 감소하였다. 식 1로부터 금형 예열온도는 모든 경우 일정하게 유지되었으므로 합금원소 첨가량 증가에 따른 용융점 감소는 유동도를 증가시키는 효과를 야기하게 되는데, 이는 Al-xSi-1Fe-1Zn 합금계의유동도 변화와 일치하는 것이다.
- 5Si과 Al-xSi-1Fe-1Zn의 인장강도의 측정값들을 정리한 것으로서 측정 편차가 다소컸으나 합금원소의 조성 변화에 따른 인장강도 증가 효과가더 커서 조성에 따른 인장강도 변화 경향을 파악하기에는 무리가 없다. 두 개발합금 모두 인장강도는 주 합금원소인 Mg와 Si의 합금양이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보인 결과, AlxMg-1Fe-0.5Si 합금은 Mg 함량이 1% 이상에서는 ADC12 합금의 인장강도를 상회하는 인장강도를 보였으며, Al-xSi-1Fe1Zn 합금은 Si 함량이 1.5%인 경우 ADC12 합금과 유사한 인장강도를 보였다.
- 표면 에너지로 인한 모세관 효과는 채널 내부를 흐르는 용탕의 흐름에 반대되는 배압으로 작용하게 되는데 유동 채널이 박육화됨에 따라 그 효과는 더욱 증가하게 된다. 따라서 본 실험의 경우 모세관 효과로 인한 배압이 Al-xMg-1Fe-0.5Si 합금이 직경 1 mm 채널에서 더 낮은 유동도를 보인 원인이 되었을 것으로 판단된다(즉, 두 합금계의 응고에너지는 비슷한 수준이고 용탕점도는 오히려 Al-xSi-1Fe-1Zn 합금이 오히려 다소 높은 것으로 조사된 반면, Al-xSi-1Fe-1Zn 합금의 용탕 점도는 AlxMg-1Fe-0.5Si 합금의 절반 수준이었던 것을 감안하면 이러한 결론을 도출할 수 있다). 참고적으로 본 저압주조 공정 상에서의 계면에너지로 인한 배압 효과를 용탕-금형간 젖음성이 전혀 없다고 가정하고 계산해 보면, 직경 1 mm 채널 내의 Al0.
- 각 합금계 내에서는 주 합금원소인 Mg와 Si이 증가함에 따라 열전도도가 감소하는 경향이다. 또한 2원계 시스템에서의 알루미늄의 전도도에 미치는 합금원소의 영향에 관한 데이터부터 단순 혼합물 법칙을 이용하여 계산했던 Table 2의 열전도도에서는 Al-xMg1Fe-0.5Si 합금의 열전도도가 Al-xSi-1Fe-1Zn 합금보다 15 W/mK 정도 다소 높을 것으로 예측되었으나, 측정 결과 두 합금계 사이의 열전도도 차이는 4 W/mK 수준으로 그리 크지 않았다. 실제 4원계 합금에서는 합금원소들 간의 다양한 금속간 화합물이 생성될 수 있으며 2원계 합금 대비 합금원소의 고용한도가 변하기 때문에, 예측 열전도도와 실제 측정 열전도도에 차이가 발생할 수 있다.
- 본 실험의 경우 실험값들이 정규 분포도 상에서 직선 형태의 분포를 보이고 있어 정규분포를 잘 따른다고 할 수있으며, 또한 p-값 > 0.1 으로서 유의수준 0.05과 비교하여 크므로 정규분포를 잘 따른다고 추정할 수 있었다.
- 5Si과 Al-xSi-1Fe-1Zn의 열전도도를 측정하여 상용 다이캐스팅 합금인 ADC12 합금의 측정값들과 함께 비교하여 정리하였다. 열전도도는 합금의 특성들 중 측정 편차가 매우 작아 주 합금원소인 Mg 및 Si의 조성함수로서 경향을 명확히 파악할 수 있었다. 두 개발합금의 열전도도는 ADC12 합금의 170~190% 수준으로서 160~180 W/mK 범위의 아주 높은 열전도도를 나타낸다.
- 8c-d). 응고구간은 Si 함량이 증가함에 따라 액상선 온도는 완만히 감소한 반면 4원 공정점은 변화가 없어 결과적으로 응고구간은 소폭 감소하는 결과를 보였다.
- Table 1에 정리된 합금화에 따른 알루미늄의 응고에너지 변화 효과는 합금원소별로 계산된 응고에너지를 단순 혼합물 법칙(Simple rule of mixture)을 이용하여 구한 값들이다. 이렇게 정의된 응고에너지는 클수록 주형 내에서의 응고시간을 늘려 유동도를 증가시키는 효과를 기대할 수 있는데, 대부분의 원소가 알루미늄에 첨가됨에 따라 응고에너지를 감소 시키는 효과를 야기하였고 Si, Li, Mg 만이 순 알루미늄 대비 응고에너지를 증가시키거나 동등 수준을 유지하는 효과가 기대되었다. 또한 용탕의 점도가 낮을수록 유동도는 증가하게 되는데, Mg과 Si은 알루미늄의 용탕 점도를 감소시키는 효과가 있으며 Zn의 경우에는 별 영향이 없는 것으로 보고되고 있다.
- 이상 유동도 이론, 열역학 모델링 결과 및 미세조직 분석 결과를 종합적으로 분석하여 보면, Al-(0.5~1.5)Mg-1Fe-0.5Si 합금이 채널 직경 2 mm 이상에서 Al-(1.0~1.5)Si-1Fe-1Zn 합금보다 우수한 유동도를 보인 것은 낮은 용탕 점도와 좁은 응고 구간에 기인하며, 채널 직경 1 mm 이하에서 낮은 유동도를 보인 것은 높은 표면에너지와 함께 형상 이방성이 큰 Al3Fe 상이 액상분율이 높은 시점에서부터 생성되는 것에 관련이 있는 것으로 사료된다.
- 05과 비교하여 크므로 정규분포를 잘 따른다고 추정할 수 있었다. 이와 같은 방법으로 튀는 데이터를 제거하고 평균 유동도를 구하였을 경우 평균 유동도 대비 10% 미만의 표준편차를 갖는 안정된 값들을 얻을 수 있었다.
- 주 합금원소의 조성 변화에 따라서는 두 합금계가 서로 반대되는 유동도 변화 거동을 보였다. 즉 Al-xMg-1Fe-0.5Si 합금은 Mg 함량이 증가함에 따라 유동도가 감소하였으며, Al-xSi-1Fe-1Zn 합금은 Si 함량이 증가함에 따라 유동도가 증가하였다. 한 가지 더 흥미로운 결과는 두 합금계 사이의 유동도가 채널 직경별로 다른 경향이 나타났음을 알 수 있다.
- 5Si 합금계에 있어서는 응고구간의 감소가 일반적인 경우[12]와는 달리 유동도를 증가시키지 않고 Al3Fe 상의 유동도에 대한 부정적 효과를 더욱 조장한 역할을 한 것으로 보인다. 즉 Mg 함량 증가에 따른 응고구간의 감소는 Al3Fe 상이 생성되는 시점의 잔류 액상의 양을 증가시키는 결과로 이어지고(Mg 함량이 0.5%에서 1.5%로 증가함에 따라 잔류 액상의 양은 50%에서 60%로 증가하였음), 그 결과 형상 이방성이 큰 Al3Fe 상이 조대화될수 있는 가능성이 커지며, 결국은 좁은 채널 내부의 Al-xMg1Fe-0.5Si 합금 용탕의 흐름을 가로막아 유동도 저하 결과를 야기하였을 것으로 사료된다. 이러한 응고구간 변화와 Al3Fe 상으로 인한 유동도에 미치는 효과는 채널 직경이 작은 경우에 더욱 효과적으로 나타나는 것으로 보인다.
- 한 가지 더 흥미로운 결과는 두 합금계 사이의 유동도가 채널 직경별로 다른 경향이 나타났음을 알 수 있다. 즉 직경 2 mm 채널의 경우에는 Al-xMg-1Fe-0.5Si 합금의 유동도가 상대적으로 더 컸던 반면, 채널 직경이 1 mm로 감소하면 반대로 Al-xSi-1Fe-1Zn 합금의 유동도가 더 크게 나타났다.
- 나머지 원소들은 대부분 알루미늄 용탕의 점도를 증가시키는 효과가 있다. 즉, 전기비저항과 점도는 감소할수록 열전도도와 유동도가 향상되고 응고에너지는 증가할수록 주조성이 향상될것으로 기대할 수 있다. 이러한 관점에서 Table 1에 열전도도와 주조성에 유리한 영향을 미칠 것으로 생각되는 합금원소에* 표시를 하였다.
- 5Si 합금의 절반 수준이었던 것을 감안하면 이러한 결론을 도출할 수 있다). 참고적으로 본 저압주조 공정 상에서의 계면에너지로 인한 배압 효과를 용탕-금형간 젖음성이 전혀 없다고 가정하고 계산해 보면, 직경 1 mm 채널 내의 Al0.5Mg-1Fe-0.5Si 합금 용탕에 작용하는 배압의 크기는 용탕 정수압을 제외한 실효 주입압력의 약 80%에 달하는 수준이었다.
후속연구
- 실제 4원계 합금에서는 합금원소들 간의 다양한 금속간 화합물이 생성될 수 있으며 2원계 합금 대비 합금원소의 고용한도가 변하기 때문에, 예측 열전도도와 실제 측정 열전도도에 차이가 발생할 수 있다. Mg과 Si의 합금양이 증가할수록 예측 값과 비교하여 실험값이 증가하는 경향이 있었지만, 저합금 구간에서 열전도도를 예측하는데 단순 혼합물 법칙을 이용한 계산법이 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.
- 방열용 주조부품 소재로 사용되기 위해서는 열전도도와 주조성이 가장 핵심이 되는 인자이기 때문에 Table 1에 정리한 것처럼 전기비저항[6], 응고에너지[7], 용탕점도[6,8] 변화에 미치는 영향을 고려하여 Mg과 Si을 주 합금원소로 선정하였다. 어닐링 처리한 알루미늄 합금의 전기전도도와 열전도도는 선형적인 관계가 있으므로[6,9] 본 연구에서와 같이 합금 첨가량이 작을 경우에는 주방상태의 열전도도 예측에도 전기전도도를 비교적 유용하게 활용할 수 있다. 합금원소 첨가에 따른 전기비저항 영향은 고용도 이내와 초과하는 경우가 확연히 다르게 나타난다.
- 하지만 유동도의 변동량을 설명하기에 응고에너지 계산 값들의 변화량이 너무 작은 것으로 보인다. 추후 실험적인 측접방법을 통해 응고잠열 및 비열을 확인할 필요성이 있다.
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