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복합주조공정으로 제조한 Al/Cu 하이브리드 소재의 계면특성

Interfacial Characteristics of Al/Cu Hybrid Materials Prepared by Compound Casting

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.35 no.6, 2015년, pp.141 - 146  

김남훈 (한밭대학교 신소재공학과) ,  김정민 (한밭대학교 신소재공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Aluminum-based hybrid parts were fabricated through a compound casting process with Al or Cu inserts which can be used for applications requiring high conductivity. Because the interface stability between the insert and the aluminum matrix is important, the effects of process variables on the interf...

주제어

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제안 방법

  • 고전도성 주조부품으로의 활용을 위한 기초연구로서 하이브리드 알루미늄 시편을 복합주조공정을 통해 제조하였으며, 계면의 미세조직, 계면 접합력, 유동도 특성 등을 조사한 결과다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

  • Al 순금속(99.8%), Cu 및 Mg 순금속(99.9wt%) 모합금을 장입재로 사용하여 고주파유도로에서 용해를 하였으며, 대기 중에서 Cu 또는 Al 순금속(99.8%) 인서트가 금형 내에 삽입된 상태로 중력 주조하고 후처리 기계가공으로 마무리함으로써 Fig. 1과 같은 하이브리드 시험편을 제조하였다. 금속/금속 하이브리드 주조시편의 계면 접합력을 정량적으로 측정하는 방법들은 과거에 제안된 바 있는데, 대표적인 방법은 압축력을 가해 계면을 분리하는데 소요된 힘을 비교하는 방식이었다[13,14].

데이터처리

  • 합금의 응고특성을 조사하기 위해 100 mm 내부 직경을 가진 흑연주형에서 용탕을 냉각시켰으며, 중앙에 K-type 열전대를 고정하여 냉각곡선을 구하였다. 용탕의 유동도는 200℃로 전체를 예열시킨 나선형태(serpentine)의 내열강 주형(Fig. 3)에 용탕을 주입하여 5 × 5 mm의 통로를 금속이 응고 전에 유동한 총 길이를 측정하여 정량적으로 평가하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합주조란? 금속/금속 하이브리드 부품의 제조방법으로는 침투법, 분말야금공정 등이 활용될 수 있으나 생산성이 비교적 낮고 제조원가가 높은 단점이 있으며, 이에 비해 공정이 간단한 복합주조공정에 대한 연구가 주목을 받고 있다[2-6]. 복합주조란 한 가지금속을 인서트로서 주형 내부에 위치시킨 후 다른 금속 용탕을 주입하여 복합재료를 제조하는 간단하면서도 효율적인 방법이다.
주조용 알루미늄합금에 Si를 다량 첨가하는 이유는? 또한 복합주조 공정으로 하이브리드 알루미늄부품을 제조할 때도 주조특성이 중요하며, 특히 주형 충전성을 의미하는 유동도가 낮으면 인서트와의 접촉이 불량하거나 미성형 결함의문제가 발생할 수 있다. 주조용 알루미늄합금에서는 합금원소Si이 다량 첨가된 경우가 많으며 이는 응고 중 응고잠열을 다량 방출함으로써 유동도의 증가에 매우 효과적이기 때문이다. 하지만 Si첨가는 알루미늄의 전도도에는 매우 부정적이므로 고전도성 합금에서는 배제하는 추세이며[1], 이 경우 유동도의 저하가 심각할 수 있어 이를 조사할 필요가 있다.
복합주조 공정으로 하이브리드 알루미늄부품을 제조할 때 유동도의 저하로 인해 발생할 수 있는 문제는? 또한 복합주조 공정으로 하이브리드 알루미늄부품을 제조할 때도 주조특성이 중요하며, 특히 주형 충전성을 의미하는 유동도가 낮으면 인서트와의 접촉이 불량하거나 미성형 결함의문제가 발생할 수 있다. 주조용 알루미늄합금에서는 합금원소Si이 다량 첨가된 경우가 많으며 이는 응고 중 응고잠열을 다량 방출함으로써 유동도의 증가에 매우 효과적이기 때문이다.
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참고문헌 (17)

  1. F. Cardarelli, 'Materials Handbook', Springer (2000) 45-57. 

  2. V.Y. Mehr, M.R. Toroghinejad and A. Rezaejan, Mater. Sci. Eng. A, "Mechanical properties and microstructure evolutions of multilayered Al-Cu composites produced by accumulative roll bonding process and subsequent annealing", 601 (2014) 40-47. 

  3. Kim IK and Hong SI, Mater. Design, "Effect of heat treatment on the bending behavior of tri-layered Cu/Al/Cu composite plates", 47 (2013) 590-598. 

  4. E. Hajjari, M. Divandari, S.H. Razavi, T. Homma and S. Kamado, Intermetallics, "Intermetallic compounds and antiphase domains in Al/Mg compound casting", 23 (2012) 182-186. 

  5. M. Divandari and A.R. Vahid Golpayegani, Mater. Design, "Study on Al/Cu rich phases formed in A356 alloy by inserting Cu wire in pattern in LFC process", 30 (2009) 3279-3285. 

  6. K.J.M. Papis, B. Hallstedt, J.F. Loffler and P.J. Uggowitzer, Acta Mater., "Interface formation in aluminium-aluminium compound casting", 56 (2008) 3036-3043. 

  7. S.S.M. Kartheek, K.V. Vamsi, B. Ravisankar, K. Sivaprasad and S. Karthikeyan, Procedia Mater. Sci., "Microstructural and nanoindentation studies across diffusion-bonded interfaces in Al/Cu metal intermetallic laminates", 6 (2014) 709-715. 

  8. Lee KS and Kwon YN, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, "Solid-state bonding between Al and Cu vacuum hot pressing", 23 (2013) 341-346. 

  9. Kwon YD and Lee ZH, Mater. Sci. Eng. A, "The effect of grain refining and oxide inclusion on the fluidity of Al-4.5Cu- 0.6Mn and A356 alloys", 360 (2003) 372-376. 

  10. A. Heidarzadeh, M. Emamy, A. Rahimzadeh, R. Soufi, D. Sohrabi Baba Heidary and Sh. Naibi, J. Mater. Eng. Performance, "The effect of copper addition on the fluidity and viscosity of an Al-Mg-Si alloy", 23 (2014) 469-476. 

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  12. K.R. Ravi, R.M. Pillai, K.R. Amaranathan, B.C. Pai, and M. Chakraborty, J. Alloys Compounds, "Fluidity of aluminum alloys and composites, a review", 456 (2008) 201-210. 

  13. O. Dezellus, M. Zhe, F. Bosselet, D. Rouby and J.C. Viala, Mater. Sci. Eng. A, "Mechanical testing of titanium/aluminiumsilicon interface: Effect of T6 heat treatment", 528 (2011) 2795-2803. 

  14. O. Dezellus, L. Milani, F. Bosselet, M. Sacerdote-Peronnet, D. Rouby and J.C. Viala, J. Mater. Sci., "Mechanical testing of titanium/aluminium- silicon interfaces by push-out", 43 (2008) 1749-1756. 

  15. B.A. Huchler: Ph.D. Thesis, Univ. Birmingham, UK, "Pressure infiltration behaviour and properties of aluminium alloy - oxide ceramic preform composites", (2009). 

  16. Y. Tanaka, M. Kajihara and Y. Watanabe, Mater. Sci. Eng. A, "Growth behavior of compound layers during reactive diffusion between solid Cu and liquid Al", 445-446 (2007) 355-363. 

  17. Kim HJ, Lee JY, Paik KW, Koh KW, Won JH, Choe SH, Lee J, Moon JT and Park YJ, IEEE Trans. Comp. Packag. Technol., "Effect of Cu/Al intermetallic compound on copper wire and aluminum pad bondability", 26 (2003) 367-374. 

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