[논문]Sr과 TiB 첨가에 따른 다이캐스팅용 Al-Si 합금의 미세조직과 공정온도의 변화

최용락; 김선화; 김동현; 윤상일; 김기선

doi:10.3740/mrsk.2017.27.10.544

Sr과 TiB 첨가에 따른 다이캐스팅용 Al-Si 합금의 미세조직과 공정온도의 변화
Influence of Sr and TiB on the Microstructure and Eutectic Temperature of Al-12Si Die-Cast Alloys 원문보기

한국재료학회지 = Korean journal of materials research, v.27 no.10, 2017년, pp.544 - 551

최용락 (순천향대학교 디스플레이신소재공학과) , 김선화 (순천향대학교 디스플레이신소재공학과) , 김동현 ((주)삼기오토모티브) , 윤상일 ((주)삼기오토모티브) , 김기선 ((주)삼기오토모티브)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to develop a new commercial Al-12%Si casting alloy with improved physical properties, we investigated the effect of adding Sr and TiB to the alloy. Al-12%Si alloys were prepared by die casting at $660^{\circ}C$. The eutectic temperature of the Sr-modified Al-12%Si alloy decreased to $9^{\circ}C$ and the mushy zone region increased. The shape of the Si phase changed from coarse acicula to fine fiber with the addition of Sr. The addition of TiB in the Al-12%Si alloy reduced the size of the primary ${\alpha}$-Al and eutectic Si phases. When Sr and TiB were added together, it worked more effectively in refinement and modification. The density of twins in the Si phase-doped Sr increased and the width of the twins was refined to 5 nm. These results are related to the impurity induced twinning(IIT) growth.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다이캐스팅으로 제조된 상업용 Al-12Si 합금의 물성향상과 Sr과 TiB가 개량화 효과에 미치는 영향을 알아보기 위하여 열특성, 미세조직 변화 및 쌍정의 분포를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 상용화 Al-12Si 합금의 물성을 향상시키기 위하여 미세화제를 첨가하고 다이캐스팅 법으로 시편을 제조하여 합금 개량처리 효과를 알아보고자 하였다. 이를 위해 Al-12Si 합금에 Sr 및 TiB를 첨가하여 초정 α상의 미세화와 함께 Si 공정상을 섬유상 조직으로 변화시키고 합금의 공정온도 및 고액공존영역의 변화, 초정 α-Al 과 Si 공정상의 크기 및 형태변화, 그리고 Si 공정상 성장 시에 발생하는 쌍정의 분포가 Si 공정상의 형태에 미치는 관계를 확인하였다.

제안 방법

α-Al의 크기 변화는 이미지 어날라이저(TS Materials analyzer)로 분석하였으며, Si 공정 내 쌍정의 형태 및 밀도를 확인하기 위해서 FIB(Focused Ion Beam)로 Si 공정부위를 선택하여 박막형 시편을 제조하고 이를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하였다.
실험 시편 제조를 위해 Fig. 1(a)와 같은 3D 모델링을 기반으로 금형을 제작하고, Al-12Si 합금 및 TiB와 Sr을 넣어 개량처리 한 합금으로 자동차 변속기용 밸브 바디 부품을 제조하였다. 합금 부품들은 Al-12Si 합금 용탕에 Al-10Sr 및 Al-10TiB 모합금을 비율에 맞춰 장입하고 30분간 진정 시간을 가진 후 고압다이캐스팅 공정으로 제작되었다(Fig.
Al-12Si 합금의 열분석을 위해서 시차주사열량계(DCS)에 시료를 장입하고 750 ℃까지 올려 충분히 용해시킨 뒤, 10 ℃/min의 속도로 냉각시켜 초정 α-Al 생성 온도와 공정형성 온도를 측정하였다.
^40-42) 그 결과 방향성을 가진 침상의 성장이 억제되는 IIT 성장형태로 바뀌며 섬유상을 나타나게 되는 것이다. 이러한 이유로 Si 공정이 미세화와 함께 섬유상으로 변화하였다면 Si 공정 내부의 쌍정밀도 또한 증가할 것으로 여겨지며, 이를 확인하기 위하여 Sr이 첨가되었을 경우 Si 공정상 내부의 쌍정의 형태 및 분포 변화를 관찰하였다. Fig.
이를 위해 Al-12Si 합금에 Sr 및 TiB를 첨가하여 초정 α상의 미세화와 함께 Si 공정상을 섬유상 조직으로 변화시키고 합금의 공정온도 및 고액공존영역의 변화, 초정 α-Al 과 Si 공정상의 크기 및 형태변화, 그리고 Si 공정상 성장 시에 발생하는 쌍정의 분포가 Si 공정상의 형태에 미치는 관계를 확인하였다.
Al-12Si 합금의 열분석을 위해서 시차주사열량계(DCS)에 시료를 장입하고 750 ℃까지 올려 충분히 용해시킨 뒤, 10 ℃/min의 속도로 냉각시켜 초정 α-Al 생성 온도와 공정형성 온도를 측정하였다. 첨가원소가 미세조직 변화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 광학현미경과 주사전자현미경(FESEM)을 사용하였고, 상분석 및 원소함량 분석을 위해 EDS가 사용되었다. α-Al의 크기 변화는 이미지 어날라이저(TS Materials analyzer)로 분석하였으며, Si 공정 내 쌍정의 형태 및 밀도를 확인하기 위해서 FIB(Focused Ion Beam)로 Si 공정부위를 선택하여 박막형 시편을 제조하고 이를 투과전자현미경(TEM)으로 관찰하였다.

성능/효과

26) Al-12Si 합금에 TiB를 첨가했을 경우에는 공정 형성 시점은 빨라지며 공정온도는 오히려 3 ℃ 증가하였는데, 이것은 Sritharan과 Li가27) 밝힌 것처럼 합금 내에서 TiAl3와 TiB2가 형성되어 초정 α-Al의 핵으로 작용하여 α-Al의 생성이 원활해졌기 때문으로 여겨진다.
또한, TiB는 Si 공정상의 크기도 감소시켜 미세화에 효과적이었으며, β-Al5FeSi의 크기 감소에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
이들 결과로, 첨가원소중 Sr은 주로 Si 공정상의 형태변화와 미세화에, TiB는 초정 α-Al과 Si 공정상의 미세화에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
5 nm 폭으로 Sr 클러스터(Sr rich cluster) 또는 Sr 석출물(Sr-Al co-segregation)이 검출됨을 밝혔다. 이러한 결과로, Sr은 성장하는 Si 공정의 쌍정면에 작용하여 다량의 쌍정을 발생시키고 Si 공정의 TPRE 성장을 IIT 성장형태로 바꾼다는 것을 확인 할 수 있었다. 높은 쌍정 밀도는 Si 공정 형성 시에 방향성 성장을 방해하게 되고 형태변화에 영향을 줄 수 있으므로, Si 공정상의 형태가 침상형에서 섬유상으로 바뀌는 이유를 설명할 수 있을 것으로 여겨진다.
이로 인해 주조시 유동성의 증가와 재료의 기계적 성능 향상을 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 특히 Sr은 Al-12Si 합금 내에서 IIT 성장기구에 의해 Si 공정내부에 나노 크기의 쌍정을 만들고 쌍정밀도를 증가시켜 Si의 방향성 성장을 억제하고 개량화에 기여함을 확인할 수 있었다. Sr과 TiB가 같이 첨가 된 경우 초정 α-Al와 공정 Si의 미세화 및 Si 공정의 개량화에 더욱 효과적으로 작용하였다.

후속연구

Sr은 Si 공정의 형태를 조대한 침상에서 미세한 섬유상으로 변화시키고 α-Al의 크기 역시 감소시켰다. 이로 인해 주조시 유동성의 증가와 재료의 기계적 성능 향상을 가져올 수 있을 것으로 기대된다. 특히 Sr은 Al-12Si 합금 내에서 IIT 성장기구에 의해 Si 공정내부에 나노 크기의 쌍정을 만들고 쌍정밀도를 증가시켜 Si의 방향성 성장을 억제하고 개량화에 기여함을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개량화란?	침상의 Si 공정상은 재료 사용 시에 응력이 집중되어 기계적 특성을 저하시키는 원인으로 작용하므로 공정상의 형태를 적절히 제어해야 할 필요가 있다.7,8) 이러한 침상의 Si 공정상을 미세한 섬유상으로 바꾸는 것을 개량화 라고 하며, 개량화의 방법으로는 급냉 시키거나 개량화제 원소를 첨가하는 방법이 있다. 일반적으로 Al-12Si 합금 내 Si 공정 형태를 섬유상으로 개량하기 위하여 Na가 많이 사용되었으나, 공정 중 기포가 발생하고 개량화 지속시간이 짧다는 문제가 있어왔다.
	침상의 Si 공정상 형태를 적절히 제어해야하는 이유는?	Ai-12Si 합금의 응고 시 나타나는 Si 공정상은 각면(faceted growth)을 가진 침상(acicula)의 모습을 나타낸다. 침상의 Si 공정상은 재료 사용 시에 응력이 집중되어 기계적 특성을 저하시키는 원인으로 작용하므로 공정상의 형태를 적절히 제어해야 할 필요가 있다.7,8) 이러한 침상의 Si 공정상을 미세한 섬유상으로 바꾸는 것을 개량화 라고 하며, 개량화의 방법으로는 급냉 시키거나 개량화제 원소를 첨가하는 방법이 있다.
	Ai-12Si 합금의 응고시 나타나는 침상의 Si 공정상을 미세한 섬유상으로 바꾸는 방법은?	침상의 Si 공정상은 재료 사용 시에 응력이 집중되어 기계적 특성을 저하시키는 원인으로 작용하므로 공정상의 형태를 적절히 제어해야 할 필요가 있다.7,8) 이러한 침상의 Si 공정상을 미세한 섬유상으로 바꾸는 것을 개량화 라고 하며, 개량화의 방법으로는 급냉 시키거나 개량화제 원소를 첨가하는 방법이 있다. 일반적으로 Al-12Si 합금 내 Si 공정 형태를 섬유상으로 개량하기 위하여 Na가 많이 사용되었으나, 공정 중 기포가 발생하고 개량화 지속시간이 짧다는 문제가 있어왔다.

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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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