[논문]급속응고법으로 제조한 과공정 Al-17Si-5Fe 합금 압출재의 미세조직 및 기계적 특성

김태준; 김덕현; 이세동; 백아름; 임수근

doi:10.7777/jkfs.2019.39.2.26

급속응고법으로 제조한 과공정 Al-17Si-5Fe 합금 압출재의 미세조직 및 기계적 특성
Mechanical Characteristics and Microstructures of Hypereutectic Al-17Si-5Fe Extruded Alloys Prepared by Rapid Solidification Process 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.39 no.2, 2019년, pp.26 - 31

김태준 (모스크바국립과학기술대학교) , 김덕현 (경상대학교) , 이세동 (경상대학교) , 백아름 (경상대학교) , 임수근 (경상대학교)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the mechanical characteristics and microstructure of hypereutectic Al-17Si-5Fe extruded alloys prepared by a rapid solidification process (RSP) were investigated. The hypereutectic Al alloy was fabricated by means of RSP and permanent casting. For RSP, the Al alloy melted at $920^{\circ}C$, cooling the specimens at a rate of $10^6^{\circ}C/s$ when the RSP was used, thus allowing the refining of primary Si particles more than when using permanent casting, at a rate of about 91%. We tested an extrusion RSP billet and a permanent-cast billet. Before the hot-extrusion process, heating to $450^{\circ}C$ took place for one hour. The samples were then hotextruded with a condition of extrusion ratio of 27 and a ram speed of 0.5 mm/s. Microstructural analyses of the extruded RSP method and the permanent casting method were carried out with OM and SEM-EDS mapping. The mechanical properties in both cases were evaluated by Vickers micro-hardness, wear resistance and tensile tests. It was found that when hypereutectic Al-17Si-5Fe alloys were fabricated by a rapid solidification method, it becomes possible to refine Si and intermetallic compounds. During the preparation of the hypereutectic Al-17Si-5Fe alloy by the rapid solidification method, the pressure of the melting crucible was low, and at faster drum speeds, smaller grain alloy flakes could be produced. Hot extrusion of the hypereutectic Al-17Si-5Fe alloy during the rapid solidification method required higher pressure levels than hot extrusion of the permanent mold-casted alloy. However, it was possible to produce an extruded material with a better surface than that of the hot extruded material processed by permanent mold casting.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of Rapid Solidification Process.
표 Table 1. Chemical Compositions of hypereutectic Al-17Si-5Fe alloy.
표 Table 2. Rapidly solidification process conditions for hypereutectic Al-17Si-5Fe alloy flakes.
그림 Fig. 2. Optical microstructures of hypereutectic Al-17Si-5Fe alloy by permanent mold casting.
그림 Fig. 3. Morphologies and microstructures hypereutectic Al-Si-Fe Al alloy flakes fabricated by rapid solidification process (by experimental order in table 4).
그림 Fig. 4. Comparison on primary Si phase size of hypereutectic Al-Si-Fe Al alloy ingot and flakes.
표 Table 3. Experimental order for Al alloy flakes production.
그림 Fig. 5. SEM-EDS mapping analysis of hypereutectic Al-Si-Fe Al alloy flakes produced by rapid solidification process.
그림 Fig. 6. Surface of as-extruded Al-Si-Fe alloy ; (a) PMC and (b) RSP.
표 Table 4. Results of wear resistance test (weight reduction rate) measurement.
그림 Fig. 7. Optical Microstructures of (a) Permanent Method Extrusion rod and (b) RSP Method Extrusion rod.
그림 Fig. 8. Comparison on tensile strength of as-extruded alloy bars (PMC, RSP).
그림 Fig. 9. Vicker's hardness of as-extruded Al alloy bars about different temperature : (A) Transverse Direction and (B) Logitudinal Direction.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 실험은 급속응고법을 이용한 과공정 Al-17Si5Fe 합금을 제조하여 로터리 펌프 베인에 적용 가능한 소재 개발을 목표로 하였다. 급속응고법으로 제조된 합금 압출재를 일반 금형주조로 제조된 합금 압출재와 비교하여 미세조직 및 기계적 특성을 평가하였으며 특히 급속응고 주조 조건이 합금의 조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 중점적으로 고찰하였다.
연구를 통하여 과공정 Al-17Si-5Fe 합금의 초정 Si 상과 Fe 금속간 화합물의 미세화 및 기계적 특성 향상을 목표로 하였다. 실험은 급속응고주조법을 이용하여 비평형상 flake를 제조하였다.

제안 방법

Flake 제조 제어조건으로는 도가니 상단에서 가하는 Ar 가스의 용탕에 가해지는 압력, Atomizer Ar 가스의 압력, Copper drum의 회전속도 총 3가지의 요소를 제어하여 실험하였다. 실험 제어조건의 세부사항은 Table 2에 나타내었고 실제 flake의 제조에 성공했던 조건은 Table 3에 나타내었다.
실험 제어조건의 세부사항은 Table 2에 나타내었고 실제 flake의 제조에 성공했던 조건은 Table 3에 나타내었다. 각 조건에서 제조된 flake의 형태 및 미세조직을 광학현미경, 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 관찰하고 이 후, 제조된 flake를 압출비 27:1, 압출온도 450℃, 압출속도 0.5 mm/s에서 압출을 진행하였고, 이후 기계적 특성평가를 위해 Vickers 경도기를 이용하여 각 온도에서 방향서에 따른 미소경도, 내마모성을 측정하기 위해, 적용하중 500 g, 60 rpm의 속도로 5000 cycle의 조건으로 내마모성을 측정하였다.
과공정 Al-17Si-5Fe 합금을 금형주조 및 급속응고법으로 제조하여, 이를 압출하여 특성평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 실험은 급속응고법을 이용한 과공정 Al-17Si5Fe 합금을 제조하여 로터리 펌프 베인에 적용 가능한 소재 개발을 목표로 하였다. 급속응고법으로 제조된 합금 압출재를 일반 금형주조로 제조된 합금 압출재와 비교하여 미세조직 및 기계적 특성을 평가하였으며 특히 급속응고 주조 조건이 합금의 조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 중점적으로 고찰하였다.
Jeong[7] 과 Kim[8]의 연구에서는 급속응고장치를 이용하여 몰드 상단부에 가하는 Ar 가스 압력(분사압력), Atomizer 가스의 압력, 드럼의 회전속도 등을 제어함으로써 flake의 모양과 두께를 제어 할 수 있다고 보고하였다. 따라서, 위의 연구자들의 실험을 참고하여 용탕에 가하는 압력, Atomizer 의 압력, 수냉 된 드럼의 회전 속도(rpm) 3가지 조건을 제어하여 Al 합금 flake의 제조가 가능한 조건을 설정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 설계한 조성의 합금은 과공정 Al-17Si-5Fe 합금으로 자세한 조성을 Table 1에 나타내었다. 합금을 제조하기 위해 Al-25Si, Al-10Fe, Al-15Mn의 모합금과 순도 99.
실험은 급속응고주조법을 이용하여 비평형상 flake를 제조하였다. 연구에서 사용한 급속응고장치는 분사법[2,3]과 단롤법[4]을 조합한 급속응고장치이며, 최초 고주파 유도 용해로를 이용하여 합금을 용해시키고 도가니 상단부의 파이프를 통하여 Ar 가스를 주입하여 용탕에 압력을 가하였다. 압력을 가한 용탕은 도가니 하단부 1 mm 크기의 노즐을 통해 분사되었다.
본 연구에서 설계한 조성의 합금은 과공정 Al-17Si-5Fe 합금으로 자세한 조성을 Table 1에 나타내었다. 합금을 제조하기 위해 Al-25Si, Al-10Fe, Al-15Mn의 모합금과 순도 99.9% 이상의 Cu, Mg 을 이용하여 합금을 정량하였다. 합금은 전기저항로, 흑연도가니, 교반기를 사용하여 Φ60 x L120 크기의 합금 ingot을 제조하였다.

이론/모형

연구를 통하여 과공정 Al-17Si-5Fe 합금의 초정 Si 상과 Fe 금속간 화합물의 미세화 및 기계적 특성 향상을 목표로 하였다. 실험은 급속응고주조법을 이용하여 비평형상 flake를 제조하였다. 연구에서 사용한 급속응고장치는 분사법[2,3]과 단롤법[4]을 조합한 급속응고장치이며, 최초 고주파 유도 용해로를 이용하여 합금을 용해시키고 도가니 상단부의 파이프를 통하여 Ar 가스를 주입하여 용탕에 압력을 가하였다.

성능/효과

1) 과공정 Al-17Si-5Fe 합금을 급속응고법에 의해 제조한 결과 일반주조에 의해 조대해진 초정 Si 및 금속간 화합물을 미세화 시킬 수 있었다.
2) 급속응고법에 의한 과공정 Al-17Si-5Fe 합금 제조 시 용해도가니의 압력은 낮고, Drum speed 가 빠를수록 작은 입자의 합금 flake를 제조할 수 있다.
3) 급속응고법에 의해 제조된 과공정 Al-17Si-5Fe 합금의 열간 압출은 일반 주조합금의 열간 압출보다 높은 압력이 요구되었으나 일반 주조합금의 열간 압출재보다 건전한 압출재를 제조할 수 있었다.
4) 급속응고법에 의해 제조된 열간 압출재의 경우 대부분 기계적 특성이 일반 주조합금보다 우수했으며, 이는 미세조직의 영향이라 판단된다.
Al-17Si-5Fe 합금 미세조직을 화상 분석(Imagin Analyzer)을 통해 평균 초정 Si 의 크기를 측정해본 결과 약 57 µm인 것을 확인 할 수 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방법 중에는 급속응고법을 이용한 주조방법이 있다. 과공정 AlSi 합금 주조 시 급속응고법을 적용하면 초정 Si, 금속간 화합물 미세화, Fe의 고용도 증가, 비평형상 생성 등으로 강도와 경도 및 내마모 등의 특성 향상을 기대 할 수 있다.
과공정 Al-17Si-5Fe 합금의 내마모성을 조사하기 위해서 적용하중 500g, 60rpm의 속도로 5000 cycle 실험을 하고 그 마모량의 변화를 Table 5에 나타내었다. 마모시험 결과 마모량은 일반금형주조 압출재가 급속응고주조 압출재 보다 마모량이 높았다. 실험결과를 통하여 경도 상승으로 인하여 마모량 또한 감소하는 경향을 보였다.
일반 금형주조 방식의 압출재는 보다 조대한 β상이 남아 있는 반면, RSP 방식으로 제조된 압출재의 경우 조대한 β상이 보이지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로 미루어 볼 때, 압출재의 표면 크랙은 압출 공정 중 높은 마찰에 의한 표면 온도 상승에 따라 일부 표면에서 국부 용해에 의한 크랙이 발생하는 것으로 알려져 있지만 본 실험에서는 Fe 첨가로 인하여 성형성이 감소하였고 합금 계면과 컨테이너 사이의 마찰력의 증가, 그리고 조대한 초정 Si 상이 크랙을 유발하였을 것이라 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Al-Si 소재에 첨가하는 Fe는 어떤 영향을 미치는가?	그리고 Si 상을 미세화하기 위하여 첨가하는 Cu와 Mg는 합금의 내식성을 저하시킬 수 있다. 강도 향상 및 열특성 향상을 위하여 첨가하는 Fe는 열적으로 안정적인 금속간 화합물을 생성 시킬 수 있으나 이 또한 일반적인 주조법으로 주조하였을 경우에는 금속간 화합물이 조대해져 기계적 특성을 저하시킨다. 이렇게 일반적인 느린 응고속도에서는 초정 Si, 금속간 화합물이 조대하게 성장한다.
	과공정 Al-Si 합금의 특징은?	%) 으로 분류한다. 이 중에서 과공정 Al-Si 합금은 낮은 밀도, 높은 강도, 우수한 내구성 및 내마모성, 낮은 열팽창계수를 가지고 있다. 이러한 특성을 가진 과공정 Al-Si 합금을 이용하면 기존의 Fe계 부품 소재를 상당부분 대체 할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
	과공정 Al-Si 합금을 일반적인 주조법으로 주조할 경우 생길 수 있는 문제는?	과공정 Al-Si 합금은 높은 강도와 경도 및 내마모성 등의 기계적 특성을 지니고 있어 베인용 소재로 활용하기에 적합하다. 하지만 이 합금은 일반적인 주조법으로 주조하였을 경우에는 응고과정 중 조대한 Si 입자와 편석이 발생하여 기계적 성질을 저하시킬 수 있다. 그리고 Si 상을 미세화하기 위하여 첨가하는 Cu와 Mg는 합금의 내식성을 저하시킬 수 있다.

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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