[논문]Al-Si-Cu계 합금의 주조법과 용체화처리 조건이 기계적 특성변화에 미치는 영향

문민국; 김영찬; 김유미; 최세원; 강창석; 홍성길

doi:10.7777/jkfs.2018.38.6.111

Al-Si-Cu계 합금의 주조법과 용체화처리 조건이 기계적 특성변화에 미치는 영향
Effects of the Solid Solution Treatment Conditions and Casting Methods on Mechanical Properties of Al-Si-Cu Based Alloys 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.38 no.6, 2018년, pp.111 - 120

문민국 (LG화학연구소) , 김영찬 (한국생산기술연구원) , 김유미 (한국생산기술연구원) , 최세원 (한국생산기술연구원) , 강창석 (한국생산기술연구원) , 홍성길 (전남대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the effects of two different casting methods (gravity casting and, diecasting) and various solid-solution conditions on the mechanical properties of ASC (Al-10.5wt%Si-1.75wt%Cu) and ALDC12 (Al-10.3wt%Si-1.72wt%Cu-0.76wt%Fe-0.28wt% Mn-0.32wt%Mg-0.9wt%Zn) alloys were investigated. A thermodynamic solidification analysis program (PANDAT) was used to predict the liquidus, solidus, and phases of the used alloys. In the results of an XRD analysis, ${\beta}$-AlFeSi peaks were observed only in the ALDC12 alloy regardless of the casting method or SST (solid-solution treatment) conditions. However, according to the results of a FE-SEM observation, both ${\theta}(Al_2Cu)$ and ${\beta}$-AlFeSi were found to exist besides ${\alpha}$-Al and eutectic Si in the gravity-casted ASC alloy at $500^{\circ}C$ after a SST of 120min. The ${\alpha}$-AlFeSi and ${\beta}$-AlFeSi phases including the eutectic phases were also found to exist in the ALDC12 alloy. The results of a microstructural observation and analyses by XRD, FE-SEM and EDS were in good agreement with the PANDAT results. The gravity-casted ALDC12 and ASC specimens showed the highest Y.S. and UTS values after aging for three hours at $180^{\circ}C$ after a SST at $500^{\circ}C$ for 30min. At longer solid-solution treatment times at $500^{\circ}C$ in the gravity-casted ALDC12 and ASC specimens, the elongations of the ASC alloys increased, whereas they decreased slightly in the ALDC12 alloys.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Photo of the diecast ALDC12 alloy heat treated for various time at high temperatures.
표 Table 1. Chemical compositions of the ASC and ALDC12 alloys.
표 Table 2. Thermodynamic solidification analysis of ASC alloy by PANDAT.
표 Table 3. Thermodynamic solidification analysis of ALDC12 alloy by PANDAT.
$Fig. 2. Graph shows the solid fractions of three phases along the temperature drop in ASC alloy during solidification.$ 그림 Fig. 2. Graph shows the solid fractions of three phases along the temperature drop in ASC alloy during solidification.
그림 Fig. 3. XRD results of the gravity casted ASC alloys (left) and ALDC12 alloys (right) with various solid solution times.
그림 Fig. 4. XRD results of the die casted ASC alloys (left) and ALDC12 alloys (right) with various solid solution times.
그림 Fig. 5. OM micro structures of the gravity casted for ASC and ALDC12 alloys. SST means solid solution treatment time at 500℃.
그림 Fig. 6. OM micro structures of the die casted for ASC and ALDC12 alloys. SST means solid solution treatment time at 500℃.
그림 Fig. 7. FE-SEM photographs and EDS Spectrums of the gravity casted ALDC12 alloy. (a): eutectic Si, (b): Al matrix and (c): α-AlFe(Mn)Si.
그림 Fig. 8. FE-SEM photographs and EDS Spectrums of the gravity casted ALDC12 alloy. (a),(c): α-AlFe(Mn)Si, (b),(d): Al2CuMgSi.
그림 Fig. 9. FE-SEM micro structures of the die casted for ASC and ALDC12 alloys. SST means solid solution treatment time at 500℃.
그림 Fig. 10. FE-SEM micro structures of the die casted for ASC and ALDC12 alloys. SST means solid solution treatment time at 500℃.
그림 Fig. 11. Results of the relationships between the hardness and the solid solution treatment conditions for the gravity casted ASC and ALDC12 alloys.
그림 Fig. 12. Results of the relationships between the tensile properties and the solid solution treatment conditions for the gravity casted and the diecasted ASC and ALDC12 alloys respectively.

AI 본문요약
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문제 정의

550℃에서 10min 이상 열처리 할 경우와 500℃에서 60min, 120min 처리한 시편에서도 내부에 함유된 가스가 표면으로 표출된 블리스터(blister)가 생성됨을 확인할 수가 있다. 그래서 본 실험에서는 중력주조와 다이캐스팅한 ASC와 ALDC12합금 시편에 대한 용체화처리 온도를 500℃로 정하고 용체화시간을 변화시켜 최적의 조건을 찾고자 하였다. 중력주조 방법으로 제조한 두 종류의 합금(ASC, ALDC12) 시편에 대해서 500℃에서 각각 10min, 30min, 60min, 120min 동안, 그리고 다이캐스팅으로 제조한 두 종류의 합금(ASC, ALDC12) 시편에 대해서는 500℃에서각각 10min, 30min 동안만 용체화처리 하였고, 바로 80℃에서 수냉하였다.

제안 방법

2종의 알루미늄합금(ASC, ALDC12)에 대하여 중력주조와 다이캐스팅으로 각각 제조하여 여러 조건에서 열처리하여 미세조직관찰, 상분석 및 기계적 특성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
실험에 사용된 합금조성을 토대로 시뮬레이션 분석을 통해 ASC와 ALDC12합금에 대해 온도변화에 따른 안정상을 분석하였다. 그리고 제조된 합금의 각 조건별 미세조직은 광학현미경 및 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 통해 관찰하였고, 상 분석은 XRD와 FE-SEM을 이용한 EDS를 통해 실시하였다.
등온시효열처리는 4xxx합금(Al-Si-Fe-Cu-Mg)과 진공다이캐스팅으로 제조한 ALDC12합금에 적용가능한 조건을 참고하여 모든 시편에 대하여 500℃에서 각각의 시간동안 용체화 처리하고 80℃에 수냉한 시편에 대하여 동일하게 180℃, 3시간으로 통일하여 실시하였다.
열역학 응고 해석프로그램(PANDAT)을 이용하여 각 합금의 액상선, 고상선 및 다양한 온도에서의 생성상을 예측하였으며, 두 가지 다른 방식으로 제조한 시편의 각각에 대하여 열처리(용체화처리 후 등온시효) 조건의 변화에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 XRD, 광학 현미경과 FE-SEM/EDS 분석을 실시했다. 또한 용체화처리 조건의 차이에 따른 내부조직변화가 기계적 특성과 어떤 연관성을 갖는지에 대해 로크웰경도, 비커스경도를 측정하고, 상온 인장시험을 실시하여 비교하였다.
본 논문에서는 Al-Si-Cu계 합금에 대하여 체계적으로 연구하기 위하여 대표적인 Al-Si-Cu계 다이캐스팅합금인 ALDC12상용합금과 Al-Si-Cu 3원계 합금에 대하여 먼저 두 가지 주조방법(중력주조, 다이캐스팅)으로 각각 제조하였다. 열역학 응고 해석프로그램(PANDAT)을 이용하여 각 합금의 액상선, 고상선 및 다양한 온도에서의 생성상을 예측하였으며, 두 가지 다른 방식으로 제조한 시편의 각각에 대하여 열처리(용체화처리 후 등온시효) 조건의 변화에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 XRD, 광학 현미경과 FE-SEM/EDS 분석을 실시했다.
PANDAT는 열역학 Database에 기반을 둔 시뮬레이션 프로그램으로 해당 조성의 평형상태의 화합물 및 온도에 따른 안정상의 종류, 상분율(phase fraction), 상태도(phase diagram) 등의 정보를 확인할 수 있다. 실험에 사용된 합금조성을 토대로 시뮬레이션 분석을 통해 ASC와 ALDC12합금에 대해 온도변화에 따른 안정상을 분석하였다. 그리고 제조된 합금의 각 조건별 미세조직은 광학현미경 및 FE-SEM (field emission scanning electron microscope)을 통해 관찰하였고, 상 분석은 XRD와 FE-SEM을 이용한 EDS를 통해 실시하였다.
본 논문에서는 Al-Si-Cu계 합금에 대하여 체계적으로 연구하기 위하여 대표적인 Al-Si-Cu계 다이캐스팅합금인 ALDC12상용합금과 Al-Si-Cu 3원계 합금에 대하여 먼저 두 가지 주조방법(중력주조, 다이캐스팅)으로 각각 제조하였다. 열역학 응고 해석프로그램(PANDAT)을 이용하여 각 합금의 액상선, 고상선 및 다양한 온도에서의 생성상을 예측하였으며, 두 가지 다른 방식으로 제조한 시편의 각각에 대하여 열처리(용체화처리 후 등온시효) 조건의 변화에 따른 미세조직의 변화를 관찰하기 위해 XRD, 광학 현미경과 FE-SEM/EDS 분석을 실시했다. 또한 용체화처리 조건의 차이에 따른 내부조직변화가 기계적 특성과 어떤 연관성을 갖는지에 대해 로크웰경도, 비커스경도를 측정하고, 상온 인장시험을 실시하여 비교하였다.
그래서 본 실험에서는 중력주조와 다이캐스팅한 ASC와 ALDC12합금 시편에 대한 용체화처리 온도를 500℃로 정하고 용체화시간을 변화시켜 최적의 조건을 찾고자 하였다. 중력주조 방법으로 제조한 두 종류의 합금(ASC, ALDC12) 시편에 대해서 500℃에서 각각 10min, 30min, 60min, 120min 동안, 그리고 다이캐스팅으로 제조한 두 종류의 합금(ASC, ALDC12) 시편에 대해서는 500℃에서각각 10min, 30min 동안만 용체화처리 하였고, 바로 80℃에서 수냉하였다.

대상 데이터

Al-Si-Cu계 합금의 제조법 및 열처리에 따른 기계적 특성과의 관계를 알아보기 위해 상용 합금인 ALDC12합금은 잉 곳으로 구입하였고, Al-Si-Cu 합금은 공업용 순 알루미늄에 순도 97.4% Si pellet, 99.99% Cu를 첨가하여 Al-10.5wt% Si-1.75wt%Cu (이하 ASC로 표기함) 조성을 갖도록 제작하였다. 공업용 순 알루미늄을 전기로를 이용해 흑연도가니에서 용융시킨 후 800℃에서 Si, Cu를 첨가 한 후 3h 동안 유지하였다.

데이터처리

제조시와 열처리시 생성되는 여러 상(phases) 분석을 위해상 분석 시뮬레이션 프로그램(PANDAT Ver.8.0)을 이용하였다. PANDAT는 열역학 Database에 기반을 둔 시뮬레이션 프로그램으로 해당 조성의 평형상태의 화합물 및 온도에 따른 안정상의 종류, 상분율(phase fraction), 상태도(phase diagram) 등의 정보를 확인할 수 있다.

이론/모형

유지시간 10sec)를 사용하였다. 강도특성을 평가하기 위해서 ASTM E8규격의 시편을 제작하여 인장시험을 실시하였다. 중력주조로 제작한 합금시편의 경우 선반가공을 통해 규격으로 가공하였고, 다이캐스팅으로 제작한 합금시편의 경우 각 쇼트(shot)당 8개의 ASTM E8규격의 인장시험편이 제작되는 금형을 이용해 제작하였다.

성능/효과

1) ASC합금과 ALDC12합금에 있어서 PANDAT 분석에 의해 예측된 상의 종류와 분율이 미세조직관찰결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
2) 중력주조 한 ASC합금과 ALDC12합금에서 공통적으로 용체화시간이 길어짐에 따라서 침상의 공정 Si가 분해되어 크기가 약간 작아지고 형상이 구형화 됨을 알 수 있었다.
결과적으로 Table 2와 Fig. 2를 종합하여 열역학적인 관점에서 응고 시 생성되는 각 상들의 상률 (phase fraction)을 응고시점과 비교해보면 ASC합금에서는 α-Al (89.9%)상이 응고초기에 대부분 생성되고 이어서 공정 Si (8.8%)이 생성된 후, 최종응고단계에서 평형상인 θ-Al₂Cu (2.2%)가 정출하여 최종적으로는 3상이 공존함을 알 수 있다.
3) 중력주조 한 ASC합금에서는 XRD분석에서는 검출되지 않았던 θ-Al₂Cu상과 β-AlFeSi상이 확인되었으며, ALDC12합금에서는 α-AlFe(Mn)Si상도 용체화처리 후 등온시효한 시편에서 확인되었다.
4) 중력주조 한 ASC합금과 ALDC12합금 모두 용체화처리 시간의 증가와 함께 경도 및 인장강도 값이 증가하였고, ALDC12합금에서 증가현상이 뚜렷하게 나타나는 반면에 ASC합금에서는 아주 미미하게 나타났다. 강도의 향상과 함께 연신율은 저하하였으나 용체화처리 시간이 120min으로 아주 긴 경우에는 강도와 연신율이 재차 상승하였다.
5) 다이캐스팅한 모든 시편에서는 500℃에서의 용체화처리 시간을 30min 이상 할 수가 없었고, ASC합금에서는 용체화 처리로 강도가 오히려 감소하였으나 ALDC12합금에서는 강도가 약간 증가하였으며 연신율은 2%이하로 조금 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al-Si-Cu계 합금의 장점은?	다양한 알루미늄합금 중에서도 비열처리계 알루미늄합금인 Al-Si-Cu계 합금은 유동성이 우수하고, 응고 시 수축률이 낮아서 주조가 용이하고 주조품의 치수정밀도가 높으며, 상온 및 고온강도가 높고 내마모특성이 우수하다. 그래서 중력주조에 의한 대형 또는 중형의 후육부품 제조는 물론 중대형의 박육 자동차 부품을 대량생산하는 다이캐스팅공법에도 적용하고 있다.
	진공다이캐스팅 공법이란?	이런 기공은 고온 열처리 과정에서 팽창하여 표면에 블리스터(blister) 결함을 유발시키기 때문에 제품으로서의 가치를 상실하게 되므로 균질화 또는 용체화 처리와 같은 고온에서의 열처리가 아주 곤란하다[7]. 그래서 요즘에는 진공블럭을 이용하여 금형에 개폐식 진공밸브를 장착하여 공기(가스)의 농도를 최대한으로 낮추어 응고시키는 진공다이캐스팅 공법의 적용사례도 많아지고 있다.
	ALDC12합금은 열전도도가 좋지 않아 엔진주변 또는 브레이크계통의 부품들에 절실히 요구되는 방열성능이 떨어지는 단점을 가졌는데 이에 대한 원인은?	그러나 ALDC12합금은 열전도도가 92 W/m·oC로 좋지 않아서 엔진주변 또는 브레이크계통의 부품들에 절실히 요구되는 방열성능이 떨어지는 아주 큰 단점을 가지고 있다. 그 원인은 ALDC12합금에는 Si, Cu 이외에 다양한 원소(Fe, Mn, Mg, Zn)가 첨가되어 여러 가지의 금속간화합물이 주조와 열처리 중에 생성되기 때문으로 추측된다[5].

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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