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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 Al-Cu-Si 합금에 융점이 낮은 Sn을 첨가하여 융점의 감소 및 브레이징 재료로써의 적용 가능여부를 확인하고자 하였다. 따라서 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 사용하여 Sn함량에 따른 융점의 감소를 평가하고 젖음성을 분석하여 브레이징 용가재로의 사용가능 여부를 확인하였다.
- 위와 같은 실험 통해 본 연구에서는 Al-20Cu-10Si 조성의 용가재용 합금에 Sn을 첨가하였을때, 융점의 감소 및 동일 온도에서 우수한 젖음성을 확인하였다. 이러한 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 실제 브레이징 공정에서 접합시켰을때의 접합도를 확인하기 위해 앞서 가장 낮은 융점을 나타내며 높은 젖음성을 보인 Al-20Cu-10Si-5Sn 합금을 이용하여 모재로 사용된 Al3003 합금을 접합 후 인장테스트를 진행하였다.
제안 방법
- Al-Cu-Si 합금 및 Al-Cu-Si 합금에 Sn을 첨가한 시편에 대해 XRD를 통해 상 분석을 진행하고 Fig. 1에 나타내었다. XRD 분석을 통해 Al-20Cu-10Si 조성의 3원계 합금 내에 Al, Al2Cu, Si 상이 존재한다는 것을 Fig.
- 3에 각각 나타내었다. EDS분석은 Sn 상의 용이한 관찰을 위해 Sn이 가장 많이 첨가된 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 시편을 이용하여 분석하였고, 미세구조 이미지에 표시된 부분에 대한 EDS 분석결과를 나타내었다. 1번 부분의 경우에는 98 % 이상의 Si와 미량의 Al, Cu로 구성된 것으로 보아 Si상으로 판단되며, 2번 부분은 96 % 이상의 Al과 소량의 Cu, Si이 확인되었는데, 이는 Al-Cu-Si 3원계 상태 도를 통해 확인한 결과 Cu와 Si는 Al에 고용도를 가지므로 Cu와 Si를 고용한 형태의 Al 기지상(matrix)으로 판단된다.
- 이후 실제 브레이징 공정 온도에서의 젖음성을 측정하기 위해 각 조성의 합금을 와이어 커팅을 통해 지름 5 mm, 높이 1 mm의 디스크 형태로 가공하였다. 가공된 시편을 Al 3003 plate 위에 위치시키고 표면 산화막 제거를 위해 Al-flux를 증류수와 1:9로 혼합하여 가공시편 위에 도포 후 실험을 진행하였다. 실험조건은 Ar 분위기에서 570 ºC까지 승온속도는 5 ºC/min으로 진행하였고 5분간 유지시간을 두어 젖음성을 평가하였다.
- 실험조건은 Ar 분위기에서 570 ºC까지 승온속도는 5 ºC/min으로 진행하였고 5분간 유지시간을 두어 젖음성을 평가하였다. 각 조성에 대한 젖음성 실험 후 Image analyzer(UTHSCASA Image Tool) 프로그램을 이용하여 재료의 초기 면적 및 퍼진 면적을 계산하여 조성별 젖음성을 비교하였다. 융점 및 조성에 따른 젖음성 테스트 후 실제 브레이징 공정을 통해 제조된 시편의 인장테스트를 진행하였다.
- 기존 Al-20Cu-10Si 3원계 용가재에 1, 3, 5 wt% Sn을 첨가하였을 때 Sn은 다른 원소와의 반응 없이 존재하는 것을 SEM 및 XRD를 통해 확인하였다. 또한 Sn 첨가량이 증가할 수록 재료의 융점이 하락하는 것을 DSC 곡선을 통해 확인할 수 있었고, 이는 융점이 낮은 (232 ºC) Sn의 첨가량이 증가함에 따라 Sn상의 분율이 증가하고 열처리 후 급속냉각 과정에서 일부의 Sn이 Al-Cu 상에 고용되어 전체적인 융점이 감소한것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서는 Al-Cu-Si 합금에 융점이 낮은 Sn을 첨가하여 융점의 감소 및 브레이징 재료로써의 적용 가능여부를 확인하고자 하였다. 따라서 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 사용하여 Sn함량에 따른 융점의 감소를 평가하고 젖음성을 분석하여 브레이징 용가재로의 사용가능 여부를 확인하였다. 또한 이러한 용가재를 사용하여 모재를 접합시켰을때의 기계적 특성 평가를 진행하여 접합부의 기계적 특성을 확인하였다.
- 또한 Al-20Cu-10Si 합금에 Sn 첨가량에 따른 융점을 파악하기 위해 DSC(SDT Q600)를 이용하여 상온에서 600 ºC까지 Ar 분위기에서 승온속도는 10 ºC/min으로 진행하여 각 조성에 대한 융점을 파악하였다.
- 따라서 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 사용하여 Sn함량에 따른 융점의 감소를 평가하고 젖음성을 분석하여 브레이징 용가재로의 사용가능 여부를 확인하였다. 또한 이러한 용가재를 사용하여 모재를 접합시켰을때의 기계적 특성 평가를 진행하여 접합부의 기계적 특성을 확인하였다.
- 모재는 Al 3003을 사용하여 와이어커팅을 통해 100 × 25 × 1 mm3으로 가공하였고, 인장테스트 시편제조에 용가재로 사용된 Al20Cu-10Si-5Sn 합금은 와이어커팅을 통해 25 × 25 × 1 mm3으로 가공하여 젖음성 테스트에 사용된 Al-flux : 증류수 혼합(1:9) 용액을 도포 후 접합을 진행하였다.
- 실험조건은 Ar 분위기에서 570 ºC까지 승온속도는 5 ºC/min으로 진행하였고 5분간 유지시간을 두어 젖음성을 평가하였다.
- 각 조성에 대한 젖음성 실험 후 Image analyzer(UTHSCASA Image Tool) 프로그램을 이용하여 재료의 초기 면적 및 퍼진 면적을 계산하여 조성별 젖음성을 비교하였다. 융점 및 조성에 따른 젖음성 테스트 후 실제 브레이징 공정을 통해 제조된 시편의 인장테스트를 진행하였다. 모재는 Al 3003을 사용하여 와이어커팅을 통해 100 × 25 × 1 mm3으로 가공하였고, 인장테스트 시편제조에 용가재로 사용된 Al20Cu-10Si-5Sn 합금은 와이어커팅을 통해 25 × 25 × 1 mm3으로 가공하여 젖음성 테스트에 사용된 Al-flux : 증류수 혼합(1:9) 용액을 도포 후 접합을 진행하였다.
- 위와 같은 실험 통해 본 연구에서는 Al-20Cu-10Si 조성의 용가재용 합금에 Sn을 첨가하였을때, 융점의 감소 및 동일 온도에서 우수한 젖음성을 확인하였다. 이러한 Sn이 첨가된 4원계 용가재를 실제 브레이징 공정에서 접합시켰을때의 접합도를 확인하기 위해 앞서 가장 낮은 융점을 나타내며 높은 젖음성을 보인 Al-20Cu-10Si-5Sn 합금을 이용하여 모재로 사용된 Al3003 합금을 접합 후 인장테스트를 진행하였다. 인장테스트의 모식도 및 인장테스트 후 파단모양을 Fig.
- 제조된 시편에서 Sn 첨가량에 따른 내부에 형성된 상(Phase) 변화 및 미세구조 관찰을 위해 #400 ~ #2000 까지 폴리싱 및 미세연마 후 XRD(RIKAGU D/Max 2500)를 통해 상분석을 진행하였다. 이후 EDS를 통해 형성된 상의 조성을 관찰하고 SEM을 통해 미세구조를 확인하였다. 또한 Al-20Cu-10Si 합금에 Sn 첨가량에 따른 융점을 파악하기 위해 DSC(SDT Q600)를 이용하여 상온에서 600 ºC까지 Ar 분위기에서 승온속도는 10 ºC/min으로 진행하여 각 조성에 대한 융점을 파악하였다.
- 이후 Sn 첨가량 별 미세구조 및 각 상의 조성을 확인하기 위해 SEM-EDS 분석을 진행하였고, EDS 분석 결과를 Fig. 2, Sn 첨가량 별 미세구조는 Fig. 3에 각각 나타내었다. EDS분석은 Sn 상의 용이한 관찰을 위해 Sn이 가장 많이 첨가된 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 시편을 이용하여 분석하였고, 미세구조 이미지에 표시된 부분에 대한 EDS 분석결과를 나타내었다.
- 또한 Al-20Cu-10Si 합금에 Sn 첨가량에 따른 융점을 파악하기 위해 DSC(SDT Q600)를 이용하여 상온에서 600 ºC까지 Ar 분위기에서 승온속도는 10 ºC/min으로 진행하여 각 조성에 대한 융점을 파악하였다. 이후 실제 브레이징 공정 온도에서의 젖음성을 측정하기 위해 각 조성의 합금을 와이어 커팅을 통해 지름 5 mm, 높이 1 mm의 디스크 형태로 가공하였다. 가공된 시편을 Al 3003 plate 위에 위치시키고 표면 산화막 제거를 위해 Al-flux를 증류수와 1:9로 혼합하여 가공시편 위에 도포 후 실험을 진행하였다.
- 이후 제조된 합금의 브레이징 특성 평가를 목적으로 각 조성에 대해 젖음성 테스트를 진행하였다. 젖음성이 높을수록 접합과정에서 모재사이로 모세관 현상에 의한 침투가 일어나기 용이하므로 각 조성의 젖음성을 평가하여 그 결과를 Fig.
- 저융점 브레이징용 용가재를 제조하고자 본 연구에서는 진공유도로(10−3 torr)를 이용하여 Al-20Cu-10Si(wt%) 조성의 합금 및 Al-20Cu-10Si-(1,3,5)Sn 조성의 합금을 1150 ºC에서 1분간 유지 후 graphite 몰드에 주조하여 제조하였고, 이후 균질화를 위한 열처리를 470 ºC에서 5시간 동안 진행하였다.
- 제조된 시편에서 Sn 첨가량에 따른 내부에 형성된 상(Phase) 변화 및 미세구조 관찰을 위해 #400 ~ #2000 까지 폴리싱 및 미세연마 후 XRD(RIKAGU D/Max 2500)를 통해 상분석을 진행하였다. 이후 EDS를 통해 형성된 상의 조성을 관찰하고 SEM을 통해 미세구조를 확인하였다.
- 모재는 Al 3003을 사용하여 와이어커팅을 통해 100 × 25 × 1 mm3으로 가공하였고, 인장테스트 시편제조에 용가재로 사용된 Al20Cu-10Si-5Sn 합금은 와이어커팅을 통해 25 × 25 × 1 mm3으로 가공하여 젖음성 테스트에 사용된 Al-flux : 증류수 혼합(1:9) 용액을 도포 후 접합을 진행하였다. 제조된 인장시편을 이용하여 인장속도 5 mm/min 으로 파단이 일어날 때 까지 인장테스트를 진행하였다.
데이터처리
- 6에는 Sn첨가량에 따른 Al-Cu-Si-Sn 합금의 로크웰경도를 측정하여 나타내었다. 로크엘경도는 Rockwell C scale (하중 150 kg)으로 설정하여 모든 시편에 대해 20회 측정 후 평균값으로 나타내었다. 기존 Al-20Cu-10Si 조성과 비교하여 1 wt% Sn이 첨가되었을 때의 평균 경도값은 각각 14.
성능/효과
- EDS분석은 Sn 상의 용이한 관찰을 위해 Sn이 가장 많이 첨가된 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 시편을 이용하여 분석하였고, 미세구조 이미지에 표시된 부분에 대한 EDS 분석결과를 나타내었다. 1번 부분의 경우에는 98 % 이상의 Si와 미량의 Al, Cu로 구성된 것으로 보아 Si상으로 판단되며, 2번 부분은 96 % 이상의 Al과 소량의 Cu, Si이 확인되었는데, 이는 Al-Cu-Si 3원계 상태 도를 통해 확인한 결과 Cu와 Si는 Al에 고용도를 가지므로 Cu와 Si를 고용한 형태의 Al 기지상(matrix)으로 판단된다. 또한 3번 부분은 Cu와 Al의 atomic ratio가 1:2를 보이므로 θ상 (Al2Cu)으로 판단된다.
- DSC 곡선을 통해 기존에 브레이징 용가재로 사용되던 Al-20Cu10Si 조성을 갖는 합금의 흡열피크는 524 ºC, 548 ºC에서 확인되었으며, 548 ºC정도의 흡열피크를 나타내는 3원계 합금에 Sn을 첨가하였을 때, Sn의 첨가량에 따라 흡열피크가 나타나는 온도가 520 ºC까지 감소되는 것을 확인할 수 있다.
- 이 부분에서 밝게 나타난 4번 부분의 상은 Sn 상으로 확인되었다. EDS분석을 통해 Fig. 1에 나타낸 XRD 분석과 동일하게 Al-Cu-Si-Sn 4원계 합금은 Al, Al2Cu, Si, Sn 상으로 형성되어 있으며 Sn이 다른 원소와의 반응 없이 존재함을 확인할 수 있었다. EDS 분석결과를 바탕으로 Fig.
- Sn이 첨가된 Al-Cu-Si 3원계 합금은 Ar분위기 하 570 ºC에서 5 min간 열처리 결과 모든 조성에서 용융이 발생하였고, Table 1에 나타나듯이 Sn의 첨가량이 1, 3, 5 wt%로 증가할수록 퍼진 면적은 각각 평균 1.71, 2.46, 3.34 cm2로나타났다.
- 1에 나타내었다. XRD 분석을 통해 Al-20Cu-10Si 조성의 3원계 합금 내에 Al, Al2Cu, Si 상이 존재한다는 것을 Fig. 1의 XRD 패턴을 통해 확인하였고, Sn 이 첨가된 4원계 합금에서는 Al, Al2Cu, Si, Sn 상의 피크를 확인하였다. 이를 통해 첨가된 Sn은 다른 원소와의 반응을 통한 2차상의 형성 없이 존재함을 XRD 분석을 통해 확인하였고, 이는 Al-Cu-Sn 3원계 상태도와 유사한 결과로 판단된다.
- 로크엘경도는 Rockwell C scale (하중 150 kg)으로 설정하여 모든 시편에 대해 20회 측정 후 평균값으로 나타내었다. 기존 Al-20Cu-10Si 조성과 비교하여 1 wt% Sn이 첨가되었을 때의 평균 경도값은 각각 14.23, 7.68 HRc로 나타났고, Sn이 첨가됨에 따라서 기계적 특성은 절반 정도의 값으로 감소하는 것을 확인하였다. 또한 Sn의 첨가량이 증가함에 따라서 기계적 특성 또한 지속적으로 감소하는 경향을 확인하였다.
- 실제 브레이징 공정에 적용 가능성 판단을 위해 가장 낮은 융점 및 높은 젖음성을 나타낸 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 용가재를 이용하여 모재(Al 3003)를 접합 후 인장테스트를 이용하여 인장강도를 측정한 결과, 접합부의 인장강도가 모재의 인장강도보다 우수하여 모재에서 파단이 일어나는 것을 확인하였다. 따라서 5 wt% Sn을 첨가하였을 때, 우수한 브레이징 특성을 나타내는 것을 확인하였고, 접합부에서의 기계적 특성이 모재보다 우수하여 브레이징 용가재로 사용이 가능하다고 판단된다.
- 또한 Sn 첨가량이 증가할 수록 재료의 융점이 하락하는 것을 DSC 곡선을 통해 확인할 수 있었고, 이는 융점이 낮은 (232 ºC) Sn의 첨가량이 증가함에 따라 Sn상의 분율이 증가하고 열처리 후 급속냉각 과정에서 일부의 Sn이 Al-Cu 상에 고용되어 전체적인 융점이 감소한것으로 판단된다.
- 68 HRc로 나타났고, Sn이 첨가됨에 따라서 기계적 특성은 절반 정도의 값으로 감소하는 것을 확인하였다. 또한 Sn의 첨가량이 증가함에 따라서 기계적 특성 또한 지속적으로 감소하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 Sn첨가량 증가에 따라 Fig.
- 또한 Sn첨가에 따른 기계적 특성의 변화를 확인하기 위해 로크웰경도를 측정하여 기계적 특성을 평가한 결과, Sn첨가량이 증가할수록 기계적 특성이 감소함을 확인할 수 있었다. 이러한 이유는 경도가 낮은 금속이 다른 원소와의 2차상 형성 없이 존재하여 Sn첨가량이 증가할수록 경도가 감소한 것으로 판단된다.
- 또한 Sn 첨가량이 증가할 수록 재료의 융점이 하락하는 것을 DSC 곡선을 통해 확인할 수 있었고, 이는 융점이 낮은 (232 ºC) Sn의 첨가량이 증가함에 따라 Sn상의 분율이 증가하고 열처리 후 급속냉각 과정에서 일부의 Sn이 Al-Cu 상에 고용되어 전체적인 융점이 감소한것으로 판단된다. 또한 각 조성의 융점과 함께 브레이징 특성에 영향을 미치는 젖음성을 동일 조건 하에서 측정한 결과, Al-Cu-Si 3원계 시편은 용융되지 않았지만, Sn이 첨가된 모든 시편은 용융되어 일정 면적의 퍼짐성을 나타내었으며, 5 wt% Sn이 첨가된 시편의 평균 면적 3.34 cm2 으로 가장 젖음성이 좋은것으로 확인되었다.
- 또한, Sn 첨가량이 증가함에 따른 미세구조 변화는 크게 나타나지 않았지만 θ상 주변에 존재하는 Sn상의 분율이 증가함을 SEM을 통해 확인할 수 있었다.
- 3에 SEM 이미지에 분석된 상을 표시하여 나타내었다. 모든 조성에서 미세구조는 Al 기지 내에 Si, Al2Cu, Sn상이 존재하는 구조를 가지고 있음을 확인하였다. 또한, Sn 첨가량이 증가함에 따른 미세구조 변화는 크게 나타나지 않았지만 θ상 주변에 존재하는 Sn상의 분율이 증가함을 SEM을 통해 확인할 수 있었다.
- 이러한 이유는 경도가 낮은 금속이 다른 원소와의 2차상 형성 없이 존재하여 Sn첨가량이 증가할수록 경도가 감소한 것으로 판단된다. 실제 브레이징 공정에 적용 가능성 판단을 위해 가장 낮은 융점 및 높은 젖음성을 나타낸 Al-20Cu-10Si-5Sn 조성의 용가재를 이용하여 모재(Al 3003)를 접합 후 인장테스트를 이용하여 인장강도를 측정한 결과, 접합부의 인장강도가 모재의 인장강도보다 우수하여 모재에서 파단이 일어나는 것을 확인하였다. 따라서 5 wt% Sn을 첨가하였을 때, 우수한 브레이징 특성을 나타내는 것을 확인하였고, 접합부에서의 기계적 특성이 모재보다 우수하여 브레이징 용가재로 사용이 가능하다고 판단된다.
- 1의 XRD 패턴을 통해 확인하였고, Sn 이 첨가된 4원계 합금에서는 Al, Al2Cu, Si, Sn 상의 피크를 확인하였다. 이를 통해 첨가된 Sn은 다른 원소와의 반응을 통한 2차상의 형성 없이 존재함을 XRD 분석을 통해 확인하였고, 이는 Al-Cu-Sn 3원계 상태도와 유사한 결과로 판단된다.16)
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