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문제 정의
- 본 연구에서는 주조용 Al-Mg계 합금개발의 일환으로 Al-4wt%Mg-0.9wt%Si-0.3wt%Mn-0.15wt%Fe 합금을 대상으로 공정 Mg2Si 개량화(Eutectic Mg2Si Modification) 처리가공정조직개선과 주조특성에 미치는 영향을 조사, 연구하였다. 합금 대상으로 선정된 공정개량화 원소인 Sr, Sc과 함께TiB-Sr을 실험조건에 따라 첨가하여 시료를 제조하였다.
- 주조용 Al-4wt%Mg-0.9wt%Si-0.3wt%Mn-0.15wt%Fe 합금에서 미량원소 첨가에 따른 공정 Mg2Si 개량화에 미치는 영향에 대해 연구한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 12. Results of shrinkage measurement with addition of various eutectic modifiers.
- Table 2는 공정 Mg2Si 개량화 원소의 첨가원소와 첨가함량을 나타내었으며 4번 조건의 0.01wt%TiB-0.02wt%Sr은주조용 알루미늄 합금에서 일반적으로 널리 사용되는 첨가원소로, 실험 대상의 다른 첨가원소 영향을 비교평가를 위해 선정하였다. 또한, 공정개량화 원소 첨가 후의 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP분석을 실시하여 그 결과를 함께 나타내었다.
- Table 2의 1, 2, 3, 4번 공정 Si 개량원소 첨가에 따른 공정상 형성의 영향을 열분석으로 평가하였다.
- 6은 각각의 공정개량화 원소 첨가에 따른 공정 미세조직 관찰결과이다. 공정 Mg2Si 성장온도 감소에 따른 공정조직 개량화 효과를 평가하기 위해 냉각곡선 측정용 시료를 절단하여 절단면을 연마 후 열전대 근방을 광학 현미경으로 각각 500배 배율로 관찰하였다. Fig.
- 용탕의 주입온도는 710℃로 하였다. 공정개량화 원소를 첨가한 시료의 냉각곡선에서 공정 Mg2Si 성장온도(growth temperature)를 측정하였다. 실험조건 시료의 냉각곡선들에서 공정상 Mg2Si 정출에 의한 재휘현상이 나타나지 않은 조건은 해당 변곡점을, 재휘현상이 나타난 냉각곡선은 재휘현상에 의한 최대 도달온도를 Mg2Si 성장온도로 결정하였다.
- 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경(SEM/EDX)으로 분석하였다. 공정개량화 효과는 공정 Si의 형상과 공정상의 aspect ratio 및 modification ratio를 측정하여 평가하였다.
- 급랭에 의해 나타나는 공정 Si의 초 미세조직(supermodification)은 6등급으로 분류된다. 광학현미경으로 시료의각 조직사진을 5회 촬영하고 각각의 공정 조직사진을 6등급의 공정개량의 정도에 따라 해당면적 비율을 계산한 modification ratio를 측정 후 산술평균 한 값으로 공정 Si의 개량의 정도를 평가하였다.
- 합금의 응고과정에서 냉각곡선의 분석과 현미경 미세조직 관찰을통하여 각 첨가원소와 첨가량의 영향을 우선적으로 조사하였다. 냉각곡선 분석과 미세조직 비교분석을 통하여 효과적인 공정개량화 원소 및 첨가량 조건을 적용한 합금시료를 대상으로 유동성과 수축성을 조사하여 대표적인 주조성을 평가하였다.
- 02wt%Sr은주조용 알루미늄 합금에서 일반적으로 널리 사용되는 첨가원소로, 실험 대상의 다른 첨가원소 영향을 비교평가를 위해 선정하였다. 또한, 공정개량화 원소 첨가 후의 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP분석을 실시하여 그 결과를 함께 나타내었다.
- 미량 첨가원소의 공정 Mg2Si 개량화(Eutectic Mg2Si Modification) 효과를 분석하기 위해 쉘주형(shell mold)와 금형주형(steel mold)에서 냉각 시 열분석을 통해 냉각 곡선의공정온도 변화를 측정하였다. 주형 중심부에 K-type 열전대를 설치하였으며, Fig.
- 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경(SEM/EDX)으로 분석하였다. 공정개량화 효과는 공정 Si의 형상과 공정상의 aspect ratio 및 modification ratio를 측정하여 평가하였다.
- 순금속 혹은 공정합금의 경우, 준액상 온도범위가 작고, 응고가 평활한 계면으로 진행하므로 수축에 동반한 변형에 대하여 충분한 강도를 유지하는 경우, 파이프(pipe)상 수축이 형성된다. 수축성 평가는 압탕과 같은 주조방안에 의해 설정 가능한 파이프상 수축을 조대 수축기공, 주조 결함과 관련되는 내부의 기공 및 미세수축을 미소 수축기공으로 나누어 평가한다. Fig.
- 시료의 미세조직관찰은 광학현미경 및 주사전자 현미경을사용하여 관찰하였다. Fig.
- 공정개량화 원소를 첨가한 시료의 냉각곡선에서 공정 Mg2Si 성장온도(growth temperature)를 측정하였다. 실험조건 시료의 냉각곡선들에서 공정상 Mg2Si 정출에 의한 재휘현상이 나타나지 않은 조건은 해당 변곡점을, 재휘현상이 나타난 냉각곡선은 재휘현상에 의한 최대 도달온도를 Mg2Si 성장온도로 결정하였다.
- 2에 유동성 평가를 위해 사용된 금형을 도식적으로 나타내었다. 유동성 평가를 위해 용탕 주입온도 710℃, 금형 예열온도는 200℃로 하였으며 총 유동길이 200 mm, 깊이가 각각 6, 5, 4, 3, 2 mm로 다른 5개의 사각 홈을 가공한 금형에 용탕을 주입하여 각 홈에 충진된 합금의 총 길이로 유동성을 평가하였다[6].
- 알루미늄 주조용 합금에서 유동성 평가는 미충진과 같은 주조결함과 관련되며 용탕 주입온도 및 금형 예열온도 결정과 관련되는 중요한 항목이다. 유동성 평가실험은 공정Mg2Si 개량화 원소 첨가에 따른 유동성의 영향을 살펴보기 위해 개량화 효과가 큰 원소와 비교합금을 평가하였다. 알루미늄 합금의 유동성에 미치는 변수는 응고잠열, 용탕 선단부의 표면장력 및 응고거동, 주입온도 등이다[7].
- 합금 용해는 흑연도가니를 사용한 전기로에서 행하였으며, 용해온도는 750℃로 하였다. 잉고트 용락이 일어나는 시점에서 Mg의 산화 방지를 위해 Ar가스 분위기에서 용해를 진행하였다. 합금화가 완료되면 발광(spark emission) 분석기로 성분을 확인하고, 공정 Si 개량화원소를 첨가하였으며 Ar가스로 30분간 G.
- 3(b)에 도식적으로 나타내었다. 조대 수축기공은수중에서 측정한 수축된 시료의 체적과 수축용 금형 공극부의 전체 체적의 비로 계산하여 측정하였으며, 미소 수축기공은 실험조성의 이론밀도와 아르키메데스법으로 측정한 실제밀도를 계산하여 평가하였다.
- 합금 대상으로 선정된 공정개량화 원소인 Sr, Sc과 함께TiB-Sr을 실험조건에 따라 첨가하여 시료를 제조하였다. 합금의 응고과정에서 냉각곡선의 분석과 현미경 미세조직 관찰을통하여 각 첨가원소와 첨가량의 영향을 우선적으로 조사하였다. 냉각곡선 분석과 미세조직 비교분석을 통하여 효과적인 공정개량화 원소 및 첨가량 조건을 적용한 합금시료를 대상으로 유동성과 수축성을 조사하여 대표적인 주조성을 평가하였다.
- 합금의 주조성은 공정개량 원소를 첨가한 합금들을 대상으로 유동성과 수축특성을 평가하였다. 유동성은 알루미늄 합금의 주조에 있어서 미충진(mis-run)과 같은 결함을 유발할 수있는 인자로 주조용 합금에서 주요하게 평가하는 대표적 특성이다.
- 잉고트 용락이 일어나는 시점에서 Mg의 산화 방지를 위해 Ar가스 분위기에서 용해를 진행하였다. 합금화가 완료되면 발광(spark emission) 분석기로 성분을 확인하고, 공정 Si 개량화원소를 첨가하였으며 Ar가스로 30분간 G.B.F (Gas Bubbling Filtration) 처리를 하였다. 탈가스 후, 용탕진정을 위해 20분간 유지시켰다.
대상 데이터
- Table 2는 공정 Mg2Si 개량화 원소의 첨가원소와 첨가함량을 나타내었으며 4번 조건의 0.01wt%TiB-0.02wt%Sr은주조용 알루미늄 합금에서 일반적으로 널리 사용되는 첨가원소로, 실험 대상의 다른 첨가원소 영향을 비교평가를 위해 선정하였다. 또한, 공정개량화 원소 첨가 후의 실제 함유량을 확인하기 위해 ICP분석을 실시하여 그 결과를 함께 나타내었다.
- 7은 공정 Mg2Si상의 개량화 정도를 평가하기 위해 각 공정개량화 원소를 첨가한미세조직 사진에서 공정 Mg2Si상의 aspect ratio를 측정한 결과이다. 공정개량화 원소를 첨가하지 않은 1번 조건 시료의 공정조직은 쉘주형에서 acicular 형상이며, aspect ratio 14.4였다. 금형주형에서 일부 개량된 fibrous 형상으로, aspect ratio 13.
- 본 실험에 사용된 기본 합금의 조성은 Table 1에 설계조성 Al-4wt%Mg-0.9wt%Si-0.3wt%Mn-0.15wt%Fe으로, ICP분석에 의해 실제 조성은 Al-4.5wt%Mg-0.53wt%Si-0.22wt%Mn-0.10wt%Fe로 나타났다. 합금 용해는 흑연도가니를 사용한 전기로에서 행하였으며, 용해온도는 750℃로 하였다.
- 15wt%Fe 합금을 대상으로 공정 Mg2Si 개량화(Eutectic Mg2Si Modification) 처리가공정조직개선과 주조특성에 미치는 영향을 조사, 연구하였다. 합금 대상으로 선정된 공정개량화 원소인 Sr, Sc과 함께TiB-Sr을 실험조건에 따라 첨가하여 시료를 제조하였다. 합금의 응고과정에서 냉각곡선의 분석과 현미경 미세조직 관찰을통하여 각 첨가원소와 첨가량의 영향을 우선적으로 조사하였다.
성능/효과
- 3℃이고 과랭에 의한 재휘현상은 나타나지 않았다. 0.01wt%TiB-0.02wt%Sr 첨가한 4번 시료의 경우, 쉘주형에서 공정 Mg2Si 성장온도는 583.6℃로 8.7℃ 감소하였고, 재휘현상은 나타나지 않았다. 냉각속도가 빠른 금형주형에서도 무첨가 시료의 공정 Mg2Si 성장온도는 591.
- 1으로 미세하게 개량된 공정조직을 나타내었다. 0.02wt%Sr 첨가 시 공정 Mg2Si 성장온도 감소와 함께 fibrous 형상으로 개량되었으며, 0.03wt%Sr 첨가 시공정형상은 acicular 형상으로 변화하여 개량효과가 낮아지는 현상이 나타난다. 본 실험에서 Sc 첨가에 의해 Table 3에 나타난 바와 같이 쉘과 금형 주형에서 측정된 공정 Mg2Si성장온도는 감소하는 경향을 나타내었으며, 공정형상은fibrous 형상으로 개량되었다.
- 1) 공정개량화 원소 첨가에 의해 공정 Mg2Si 성장온도가 저하하였다. Sc의 경우, 첨가량이 증가함에 따라 공정 Mg2Si성장온도는 저하하였으며, 0.
- 2) 공정개량화 원소 첨가 결과, 공정 Mg2Si 성장온도가감소하면서 공정 Mg2Si의 형상 aspect ratio가 감소하고modification ratio가 증가하였다. 공정 Mg2Si 개량효과를 조직형상으로 판단할 때, Sr 첨가는 가장 효과적인 공정개량화원소로 0.
- 3) 공정개량화 원소 첨가가 합금의 유동성에 미치는 영향을 평가한 결과, Sc 첨가는 무첨가 시료와 유동성의 큰 차이가 나타나지 않았다. Sr 0.
- 4) 공정개량화 원소 첨가로 인해 조대 수축기공은 감소하고 미소 수축기공은 증가하였다. Sr 첨가의 경우, 조대 수축기공율은 다른 첨가제와 비교하여 다소 낮았으나 미소 수축기공율은 1.
- Fig. 10의 결과로 부터공정 Mg2Si 조직의 개량화 보다, 0.01wt%TiB 첨가로 초정α-Al 조직이 미세화 처리된 0.01wt%TiB-0.02wt%Sr 시료의유동성이 우수하였다.
- 11은 수축성 평가를 위한 시편의 단면과 파이프상 수축의 면적비를 나타낸 것이다. Fig. 12에 나타난 바와 같이 공정 Mg2Si 개량화 원소 첨가 시 미소 수축이 높게 나타나는 경향을 보이며, 0.02wt%Sr 첨가 시 미소 수축기공이1.04%로 가장 높게 나타났다. 공정개량화 원소 첨가 시 개량원소의 종류에 따라 공정상의 형성위치가 달라지면 기공의 분포 및 크기가 달라진다고 보고하고 있다[13].
- Si의 형상 aspect ratio가 감소하고modification ratio가 증가하였다. 공정 Mg2Si 개량효과를 조직형상으로 판단할 때, Sr 첨가는 가장 효과적인 공정개량화원소로 0.02wt%Sr 첨가까지 공정개량화 효과가 증가하여 공정 Mg2Si는 lamellar에서 fibrous한 형상으로 개량되었다.
- 8은 공정 Mg2Si 개량화 원소 함량에 따른 modification ratio의 변화를 보여준다. 공정개량화 원소를 첨가하지 않은 1번 시료의 경우, 공정 Mg2Si 조직은 쉘주형에서 modification ratio 1.9였으며, 금형주형에서는 modification ratio2.0으로 평가되었다. 금형주형에서 0.
- 기존의 공정개량화 원소 중 가장 널리 적용되고 있는 Sr은 초정 Al에 분포하지 않고 공정 Si 부위에 집중적으로 편석되며, Na도 Sr과 같이 초정 Al보다는 공정 Si 부위에 집중적으로 분포되어 있는 것이 확인되었다. 반면 Sc은 Sr, Na과 달리 공정 Si이 아닌 초정 및 공정 Al에 집중적으로 분포된다.
- 4wt%Sc 조성의 표면장력은 180 mN/m에서 165 mN/m 범위로 Sr 첨가 시 보다는 표면장력이 덜 낮아지는 것으로 조사되고 있다[4,8]. 본 실험결과 Sc 첨가 시, 무첨가 시료에 비해 유동성에 큰 차이가나타나지 않았고, Sr 첨가 시 충진길이는 505 mm로 다소유동성이 높게 나타났다. 이는 표면 장력이 감소함에 따라 유동성이 향상된 것으로 사료된다[9].
- 03wt%Sr 첨가 시공정형상은 acicular 형상으로 변화하여 개량효과가 낮아지는 현상이 나타난다. 본 실험에서 Sc 첨가에 의해 Table 3에 나타난 바와 같이 쉘과 금형 주형에서 측정된 공정 Mg2Si성장온도는 감소하는 경향을 나타내었으며, 공정형상은fibrous 형상으로 개량되었다.
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