[논문]아공정 Al-Si 합금에서 Si 함량과 냉각속도에 따른 제이차수지상간격의 변화

박경섭; 김희수

doi:10.7777/jkfs.2017.37.4.108

아공정 Al-Si 합금에서 Si 함량과 냉각속도에 따른 제이차수지상간격의 변화
Change of Secondary Dendrite Arm Spacing of Hypoeutectic Al-Si Alloys according to Si Content and Cooling Rate 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.37 no.4, 2017년, pp.108 - 114

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In this study, we investigated the effect of the Si content on the secondary dendrite arm spacing (SDAS) of hypoeutectic Al-Si binary alloys in the range of 4~10 wt% Si. Cooling curves were measured during the solidification of the alloy cast in a step-wise mold. We compared two kinds of solidification time: the first is the total solidification time for both dendritic and eutectic growth, and the second is the solidification time for only dendritic growth. The proportional constant in the relationship between SDAS and cooling rate was estimated, as this constant represents the stability of the cast microstructure. The proportional constant decreased with the Si contents from 4 wt% to 8 wt%, and it remains relatively uniform with up to 10 wt% of Si.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러므로, 우수한 주조제품을 생산하기 위해서는, 재료의 합금 성분과 응고시 냉각속도에 따른 SDAS의 변화 양상을 정확하게 파악할 필요가 있다. 본 연구는 상용 Al 합금의성분 최적화를 위한 기초적인 연구로서, 이원계 아공정 AlSi합금에서의 SDAS에 미치는 4~10 wt% 범위의 Si 함량의 영향에 대하여 조사하였다. 이 재료는 각종 Al-Si계 합금의 기초 조성을 가지며 여러 가지 제3원소가 함유된 실용 합금설계에 기초가 된다.
본 연구에서는 아공정 Al-4~10wt%Si 이원계 합금에 대하여 응고시 온도변화와 주조조직으로부터 SDAS를 측정하여, Si 함량과 응고시 냉각속도가 SDAS에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

이원계 합금이 비평형 응고할 때 응고잠열이 고상율(f_S)와 선형으로 비례하여 발생한다. 합금을 냉각할 때 시간당 응고잠열의 방출이 일정하다고 가정하면, f_S 역시 시간에 따라 선형으로 감소할 것이다. Scheil 관계식에서 액상의 조성이 공정조성(C_E)에 도달할 때의 고상율(f_α)과 전체 고상율(1)의 비율은 Δt_d/Δt_f = R₁/R₂와 같다.

제안 방법

또한 이론식인 Eq. (2)를 함께 도식하여 실험결과와 비교하였다. 이때 계산에 사용한 물성치로는 Γ = 1.
Al-Si 합금을 주조한 후, 열전대 TC1~TC4 부근에서 시편을 채취하고 그 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하였다. Fig.
4. Schematic drawing of the cooling curves of Al-Si alloys used in this study.
계단식 주형은 SKD61로 제작되었으며, 각 계단에서의 폭이 각각 5, 8, 12, 18 mm이고 높이는 20 mm이다. 각 계단의 중심부에는 K형 열전대(TC1~4)를 설치하여, 응고중 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다. 이와 같이 각 계단에서의 폭이 다르면 계단마다 응고중 냉각조건도 상이하기 때문에, 1회 주조시 4가지의 냉각곡선을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
그러므로 이원계 합금에 대하여 SDAS-냉각속도 관계식을 정립할 때, Δt_f보다는 순수하게 수지상정이 성장하는 시간(Δt_d =t_ES − t_L)을 고려하는 것이 더욱 타당하다고 판단된다. 본 연구에서는 이 두 가지 시간을 모두 고려하여 그 결과를 비교하였다. 이에 따라 두 가지 선형 냉각속도를 정의할 수 있는데, 한 가지는 전체응고시간을 고려한 R₁ = ΔT /Δt_f 이고 다른 한 가지는 수지상정 성장 구간만은 고려한 R₂ = ΔT / Δt_d 이다(ΔT = T_L − T_E).
이와 유사하게 온도가 공정온도에 다다르는 시점(tES)에서도 2차미분이 극대값을 나타냄을 확인하였다. 본 연구에서는 이와 같은 방법으로 TL와 tL,tES, tEE를 산출하였다. TE의 경우 tES와 tEE 사이의 모든 온도 측정값의 평균값으로 정의하였다.
이 시편은 연마와 미세연마 과정을 거쳐 켈러시약(Keller's reagent: 95% H2O, 2.5% HNO3, 1.5% HCl, 1.0% HF)[17]로 화학부식한 후, 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다.
이러한 미세조직 사진으로부터 각 Si 함량의 Al 합금과 열전대 위치(TC1~TC4)에서 SDAS을 측정하였다. 서론에서 언급한 바와 같이 동일한 조성에서 SDAS(λ)는 냉각속도(R)의 −1/3승에 비례하며, Kattamis와 Flemings는 아공정 조성(C0 < CE)에 대하여 다음과 같은 식을 유도하였다[13].
또한 이원계 합금에서는 제3원소나 상의 영향 없이 순수하게 수지상정의 성장에 초점을 맞출 수 있다. 주조시에는 계단형 금형을 사용하여 일회 주조시 4가지의 냉각속도를 얻음으로써, 합금 원소의 영향과 함께 냉각속도의 영향도 함께 조사하였다.

대상 데이터

2에서 나타낸 것과 같은 계단식주형에 용탕을 주입하였다. 계단식 주형은 SKD61로 제작되었으며, 각 계단에서의 폭이 각각 5, 8, 12, 18 mm이고 높이는 20 mm이다. 각 계단의 중심부에는 K형 열전대(TC1~4)를 설치하여, 응고중 시간에 따른 온도 변화를 측정하였다.
본 실험에서는 Si 함량이 각각 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 wt%인 이원계 Al 합금을 500 g씩 준비하였다. 이 합금들은 전기로에서 용해한 후, Fig.
응고가 완료된 후에는 열전대에서 측정된 냉각속도를 최대한 정확하게 평가에 반영하기 위하여, 열전대 부근에서 시편을 채취하였다. 이 시편은 연마와 미세연마 과정을 거쳐 켈러시약(Keller's reagent: 95% H₂O, 2.

이론/모형

0% HF)[17]로 화학부식한 후, 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다. SDAS는 광학현미경으로부터 얻은 이미지로부터 직선교차법(linear intercept method)[18]를 이용하여 측정하였다.

성능/효과

(2) 냉각속도와 SDAS의 관계식에서 비례상수는 Si 함량이 증가함에 따라 감소하였으며, Si 함량이 8 wt%보다 클 때에는 비교적 일정하게 유지되었다. 이는 Si 함량이 8 wt%보다 클 때, 냉각속도가 SDAS에 미치는 영향이 작고 미세조직이 안정됨을 뜻한다.
(3) 응고시 냉각속도를 산출할 때, 수지상정성장시간으로 평가한 경우가 전체응고시간으로 평가한 경우보다, 냉각속도 SDAS 관계식의 비례상수가 더 크게 나타났다. 수지상정의 성장과 공정조직의 성장의 구분이 명확한 이원계 합금의 경우에는 수지상정성장시간으로 평가하는 것이 제이차수지상 성장을 표현하기에 더욱 적합하다고 판단된다.
45 × 10−9m2 ·s−1을 사용하였다[21]. R₁과 R₂에 관계없이, Si 함량이 증가할수록 A는 감소하였으며, Si 함량이 8 wt% 이상일 때 비교적 일정하게 유지되었다. 이는 Si 함량이 8 wt% 이상일 때, SDAS가 R의 영향을 적게 받음을 뜻한다.
7은 Al-4, 6, 8, 10 wt% Si 합금을TC3의 동일 위치에서 각각 미세조직을 관찰한 결과이다. Si함량이 증가할수록 공정조직의 양이 증가하고 SDAS는 감소하였다.
각 층에서의 온도 변화 분포는 상호간 유사성을 나타내었으나, 주형의 두께가 얇아질수록(TC4 → TC1) 냉각속도가 빨라져서 기울기 변화 단계를 쉽게 구분하기에 용이하지 않았다.
이론적인 결과에서도 Si 함량이 증가함에 따라 R₁/R₂가 감소하였다. 실험에서 측정된 결과는 이론적인 R₁/R₂보다 다소간 높게 나타났는데, 이는 실제적인 냉각에서는 f_S와 시간의 관계가 선형이 아닌 좀 더 복잡한 관계로 나타나기 때문이라고 판단된다. 이 식에 따르면 아공정조성에 대하여 R₁는 R₂에 비하여 언제나 작으며, 이에 따라 R₁/R₂는 1보다 작아야 한다.
6은 Al-8wt%Si 합금의 주조조직으로, 전체적으로 수지상정이 고르게 발달되어 있다. 주형 사이의 간격이 가장 작고 이에 따라 냉각속도가 가장 빠른 TC1에서 가장 미세한 제이차수지상이 관찰되었다. 주형 사이 간격이 넓어져 냉각속도가 느려질수록(TC1 → TC4) SDAS가 증가함을 알 수 있다.

후속연구

수지상정의 성장과 공정조직의 성장의 구분이 명확한 이원계 합금의 경우에는 수지상정성장시간으로 평가하는 것이 제이차수지상 성장을 표현하기에 더욱 적합하다고 판단된다. 본 연구에서 수행한 아공정 Al-Si 이원계 합금을 기반으로하여, 다른 합금원소를 가진 이원계 Al 합금으로 결과를 확장하고, 3원계 이상의 합금계에 대한 실험결과를 축적하면, 새로운 주조용 Al 합금의 설계가 큰 도움이 되리라고 판단된다.
만약, 합금조성에따라 SDAS의 성장속도가 상이하다면, SDAS가 응고시 냉각속도의 영향을 가장 적게 받는 합금조성이 있으리라 판단된다. 이러한 합금조성의 최적화를 통하여 실제 주조시 제품의 모든 부분에서 냉각속도에 대한 SDAS의 성장의 민감성이 작아 상대적으로 SDAS를 균일하게 하면, 비교적 일정한 기계적 특성을 보유한 제품을 생산할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SDAS에 가장 직접적으로 영향을 주는 인자는?	α상의SDAS는 최종주조제품의 기계적 특성과 관련되어 있는데, 일반적으로는 SDAS가 작을수록 기계적 특성이 향상된다[8-10]. SDAS에 가장 직접적으로 영향을 주는 인자는 응고시 냉각속도이다[11,12]. 냉각속도가 빠를수록 SDAS가 작아진다.
	SDAS의 응고시 냉각속도는 어떠한가?	냉각속도가 빠를수록 SDAS가 작아진다. 많은 연구자들이 그 관계식에 대한 이론을 정립하였는데, 이들의 연구에 따르면 SDAS는 냉각속도의 −1/3승에 비례한다[13-16]. 다이캐스팅 등 일반적인 주조공정을 통하여 생산된제품은 부분에 따라 합금의 응고시 냉각속도가 다르며, 이에 따라 SDAS도 일정한 수치를 나타내지 않는다.
	AlSi 합금은 기계적 특성을 향상시키기 위하여 어떤 원소를 첨가하는가?	반면 Al-Si 합금에서 경질의 Si상에 의해 내마모성이 우수하다는 특징이 있다[3]. 주조용 AlSi 합금은 여러 가지 기계적 특성을 향상시키기 위하여 Mg와 Cu, Ni, Ti 등을 함유하기도 한다[4-7].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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