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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 희토류 원소 첨가를 통해 AlSi 합금의 기계적 특성을 향상시키고 열전도도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Al-Si-Cu 합금에 Sm을 첨가하여 물성 변화를 관찰하였다. Sm의 함량은 0 ~ 0.
제안 방법
- 제작된 각각의 시료는 MP-AES(Microwave plasmaatomic emission, MP-AES 4100, Agilent) 장비를 이용하여 조성분석을 진행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. Sm 첨가에 따른 Al-Si-Cu 합금의 미세구조 변화는 Optical microscopy와 Field emission ScanningElectron Microscopy(FE-SEM: TESCAN MIRA-3), EnergyDispersive X-ray Spectroscopy (EDX: Bruker)로 관찰 및 측정하였다.
- Sm 첨가에 따른 Al-Si-Cu계 알루미늄 합금의 미세조직 및 물성 변화를 확인하기 위해, Sm을 각각 0, 0.05,0.2, 0.5 wt% 함량으로 첨가하여 미세조직, 경도, 전기전도도 및 열전도도를 비교하는 실험을 진행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 희토류 원소 첨가를 통해 AlSi 합금의 기계적 특성을 향상시키고 열전도도에 미치는 영향을 확인하기 위해 Al-Si-Cu 합금에 Sm을 첨가하여 물성 변화를 관찰하였다. Sm의 함량은 0 ~ 0.5 wt% 수준까지 첨가하였으며, 이에 따른 미세조직의 변화 및 물성 평가를 진행하였다.
- 합금 용해는 50 kW급 코일형 유도로와 graphite 도가니를 사용하였다. 모든 실험도구는 잔류 수분 제거 및 용탕 급냉으로 인한 특성 변화를 방지하기 위하여 150 ℃로 예열하였으며, 높은 기화점을 가지는 금속을 먼저 완전 용해시킨 후 낮은 기화점을 가지는 금속(Mg, Mg-Sm)을 용탕 온도 750 ℃에서 알루미늄 호일에 감싸 가장 나중에 장입하였다. 용탕 내 불순물 제거 및 탈가스를 위해 Cl계 탈가스제를 용탕 온도 750 ℃에서 각 합금별 5g씩 장입하여 2분 동안 수 회 교반하였으며, 용탕 온도 700 ℃에서 150 ℃로 예열된 금형에 중력주조를 통하여 시료를 제작하였다.
- 본 연구에서는 Al-Si-Cu 알루미늄 합금에 Sm을 첨가하여 미세조직 변화와 이에 따른 기계적 특성, 열전도도 변화에 대한 연구를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 확인할 수 있었다.
- 모든 실험도구는 잔류 수분 제거 및 용탕 급냉으로 인한 특성 변화를 방지하기 위하여 150 ℃로 예열하였으며, 높은 기화점을 가지는 금속을 먼저 완전 용해시킨 후 낮은 기화점을 가지는 금속(Mg, Mg-Sm)을 용탕 온도 750 ℃에서 알루미늄 호일에 감싸 가장 나중에 장입하였다. 용탕 내 불순물 제거 및 탈가스를 위해 Cl계 탈가스제를 용탕 온도 750 ℃에서 각 합금별 5g씩 장입하여 2분 동안 수 회 교반하였으며, 용탕 온도 700 ℃에서 150 ℃로 예열된 금형에 중력주조를 통하여 시료를 제작하였다.
- 전기전도도와 열전도도의 경우, 직경 12 mm, 두께 2 mm의코인 형태 샘플을 Netzsch사의 LTA467 열전도도 측정장비와 FOERSTER 사의 SIGMATEST D 장비를 이용하여 상온에서 열전도도와 전기전도도, 열확산계수, 비열, 밀도 측정값을 바탕으로 계산하였다. 전기전도도는 순동 대비 전기전도도 값을 비교하는 방법으로 측정하였으며, 순동의 전기전도도 58.11 MS/m를 기준으로 환산하였다. 열전도도는 아래와 같은 방정식에 의하여 계산되었다.
- 합금의 경도 측정은 비커스 경도 측정법으로 MATSUZAWA사의 MMT-3 모델을 이용하여 측정하였다. 전기전도도와 열전도도의 경우, 직경 12 mm, 두께 2 mm의코인 형태 샘플을 Netzsch사의 LTA467 열전도도 측정장비와 FOERSTER 사의 SIGMATEST D 장비를 이용하여 상온에서 열전도도와 전기전도도, 열확산계수, 비열, 밀도 측정값을 바탕으로 계산하였다. 전기전도도는 순동 대비 전기전도도 값을 비교하는 방법으로 측정하였으며, 순동의 전기전도도 58.
- 제작된 각각의 시료는 MP-AES(Microwave plasmaatomic emission, MP-AES 4100, Agilent) 장비를 이용하여 조성분석을 진행하였으며, 그 결과를 Table 1에 나타내었다. Sm 첨가에 따른 Al-Si-Cu 합금의 미세구조 변화는 Optical microscopy와 Field emission ScanningElectron Microscopy(FE-SEM: TESCAN MIRA-3), EnergyDispersive X-ray Spectroscopy (EDX: Bruker)로 관찰 및 측정하였다.
대상 데이터
- Al-Si-Cu 합금 제작은 5 kg 용량을 기준으로 설계하였으며, Al(99 wt%), Al-Si(20 wt% Si), Al-Cu(50 wt%Cu), Mg-Sm(20 wt% Sm), Mg(99 wt%) 각각의 모합금을 이용하여 합금화를 진행하였다. 합금 용해는 50 kW급 코일형 유도로와 graphite 도가니를 사용하였다.
- Al-Si-Cu 합금 제작은 5 kg 용량을 기준으로 설계하였으며, Al(99 wt%), Al-Si(20 wt% Si), Al-Cu(50 wt%Cu), Mg-Sm(20 wt% Sm), Mg(99 wt%) 각각의 모합금을 이용하여 합금화를 진행하였다. 합금 용해는 50 kW급 코일형 유도로와 graphite 도가니를 사용하였다. 모든 실험도구는 잔류 수분 제거 및 용탕 급냉으로 인한 특성 변화를 방지하기 위하여 150 ℃로 예열하였으며, 높은 기화점을 가지는 금속을 먼저 완전 용해시킨 후 낮은 기화점을 가지는 금속(Mg, Mg-Sm)을 용탕 온도 750 ℃에서 알루미늄 호일에 감싸 가장 나중에 장입하였다.
이론/모형
- 합금의 경도 측정은 비커스 경도 측정법으로 MATSUZAWA사의 MMT-3 모델을 이용하여 측정하였다. 전기전도도와 열전도도의 경우, 직경 12 mm, 두께 2 mm의코인 형태 샘플을 Netzsch사의 LTA467 열전도도 측정장비와 FOERSTER 사의 SIGMATEST D 장비를 이용하여 상온에서 열전도도와 전기전도도, 열확산계수, 비열, 밀도 측정값을 바탕으로 계산하였다.
성능/효과
- 1) Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가함에 따라 공정 온도의 저하로 α-Al의 분율이 증가하고 초정 Si이 미세화되었으나, 공정 Si은 Sm 첨가량 부족에 따라 미세화 경향을 보이지 않았다.
- Yuansheng13) 등의 선행연구에 따르면 ADC12 합금에 Sm 첨가 시 Al-Si-Cu-Sm 화합물이 형성되면서 용탕 내 Al, Si, Cu 원소를 추가적으로 소모하며, Al-Fe-Si 계 화합물을 형성하기 위한 Si 부족으로 β-Al5FeSi 화합물이 미세화 되었다고 설명한바 있다.13) 이러한 관점에서 Sm 첨가에 따른 Al-Si-Cu 합금내 Al-Si-Cu-Sm 화합물의 형성은 공정 Si의 생성을 억제하고 기지 내 분율을 감소시켜 Al-Si-Cu 합금의 전기전도도 및 열전도도를 향상시킨 것으로 판단된다.
- 19)Hellawell의 모델에서 가장 적합한 γmodifier 대 γsilicon의 원자 반지름 비는 1.646이며, γsamarium 대 γsilicon의 비는Hellawell의 모델에서 제시하는 원자 반지름 비와 근사한 값인 1.53으로,19) 일정 수준의 Sm의 첨가는 Si의 개량화 효과를 발생시킬 것으로 판단된다.
- 2) Sm은 Si을 포함한 Al-Cu 및 Al-Fe-Mg-Si 복합상에 특정적으로 결합하여 금속간화합물을 형성하였으며, 이러한 금속간화합물은 Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가할수록 기지 내 분율이 증가하고 미세화 되는 경향을 나타내었다.
- 3) Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가함에 따라 공정 온도 저하에 따른 초정 Si의 미세화, 공정 Si의 균질화에 의해 표면 경도는 84.4 Hv에서 91.3 Hv으로 약 8 % 가량 증가하였다.
- 4) Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가함에 따라 조대 Si상의 분율 감소 및 미세화, α-Al의 분율 증가에 의해 Sm 미첨가 합금 대비 전기전도도는 약 12 %, 열전도도는 약 18 % 증가하였다.
- 5) Al-Si-Cu 합금에 Sm 첨가 시 열전도도 및 표면 경도 향상 효과가 있는 것을 확인하였으며, 전자제품의 열축적 해소를 위한 방열부품으로의 활용을 우선적으로 고려할 때 최적 함량은 0.5 wt%로 판단된다.
- Al-Si-Cu 합금에 Sm 첨가에 따른 광학현미경 관찰 결과 초정 Si의 미세화, 공정 Si의 분율 감소 및 균일 분산, α-Al의 분율 증가 크게 3가지의 미세조직 변화가 확인되었다.
- 97 MS/m, 157W/m·K이 각각 측정되었다. Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가함에 따라 Sm 미첨가 합금 대비 전기전도도는 약12%, 열전도도는 약 18% 가량 증가하였으며, 전기전도도와 열전도도의 상승 경향은 동일한 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서 설명한 Wiedemann-Franz의 법칙에 의해 설명할 수 있다.
- 또한 Al-Si-Cu 합금에 Sm 첨가 시 Al-Si-Cu-Sm 4원계 금속간화합물이 형성되었으며, Sm 함량이 증가할수록 분율이 증가하였다. Yuansheng13) 등의 선행연구에 따르면 ADC12 합금에 Sm 첨가 시 Al-Si-Cu-Sm 화합물이 형성되면서 용탕 내 Al, Si, Cu 원소를 추가적으로 소모하며, Al-Fe-Si 계 화합물을 형성하기 위한 Si 부족으로 β-Al5FeSi 화합물이 미세화 되었다고 설명한바 있다.
- 또한 공정 Si의경우 Sm 첨가량이 0.5 wt%까지 증가함에 따라 α-Al 기지 내 분율이 점차 감소하였다.
- 6 % 향상시킬 수 있다고 보고한 바 있다. 본 실험에선 Sm 첨가량이 부족함에 따라 공정 Si의 미세화 현상은 크게 관찰되지 않았으나, 공정 온도 저하에 따른 초정 Si의 미세화 및 공정 Si의 균질화에 의해 기계적 특성이 소폭 향상된 것으로 판단된다.
- 추가적으로 SEM 관찰 결과 Sm 첨가량이 증가함에 따라 Al-Si-Cu-Sm 금속간화합물의 분율이 큰폭으로 증가하며, 기지 내 균일 분산 되는 경향이 관찰되었다. AlSi-Cu-Sm 금속간화합물과 Al-Si-Cu 합금의 기계적 특성과의 상관관계에 대해선 추가적인 연구가 필요하지만, AlCu 계 화합물이 Al-Si-Cu 합금 내 주요 석출 경화상이라는 점을 고려할 때 경도 증가에 영향을 미쳤을 것이라 판단된다.
후속연구
- 추가적으로 SEM 관찰 결과 Sm 첨가량이 증가함에 따라 Al-Si-Cu-Sm 금속간화합물의 분율이 큰폭으로 증가하며, 기지 내 균일 분산 되는 경향이 관찰되었다. AlSi-Cu-Sm 금속간화합물과 Al-Si-Cu 합금의 기계적 특성과의 상관관계에 대해선 추가적인 연구가 필요하지만, AlCu 계 화합물이 Al-Si-Cu 합금 내 주요 석출 경화상이라는 점을 고려할 때 경도 증가에 영향을 미쳤을 것이라 판단된다.
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