[논문]고압 다이캐스팅으로 제조된 Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn 합금에서 blister 발생과 강도의 균형을 고려한 최적 열처리 공정 설계

김수배; 조영희; 조민수; 이정무

doi:10.7777/jkfs.2020.40.3.66

고압 다이캐스팅으로 제조된 Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn 합금에서 blister 발생과 강도의 균형을 고려한 최적 열처리 공정 설계
Optimization of Solid Solution Treatment Process for a High Pressure Die Casting Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn alloy to avoid Blistering and Improve the Strength of the Alloy 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.40 no.3, 2020년, pp.66 - 75

김수배 (재료연구소(KIMS) 금속재료연구본부) , 조영희 (재료연구소(KIMS) 금속재료연구본부) , 조민수 (재료연구소(KIMS) 금속재료연구본부) , 이정무 (재료연구소(KIMS) 금속재료연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study was to optimize a solid solution treatment for a high pressure die casting Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn alloy to avoid blistering and to improve the strength of the alloy. To achieve this goal, the number density of the blisters and the strength of the alloy under various solid solution treatment (SST) conditions were evaluated. The SST was performed at 470, 490, 510 and 530℃ for 20, 60, 120, 240 and 480 min on the alloy. The number density of the blisters increased with the increasing temperature and time of the SST and the defect area fraction. The yield strength of the alloy after the T6 heat treatment increased with the increasing SST temperature and time. Based on the results, it is suggested that SST should be performed at 510℃ within 60 min. or at 470 and 490℃ within 240 min. to avoid blistering and to improve the strength.

주제어

표/그림 (12)

표 Table 1. Chemical composition of the alloy used in this study.
그림 Fig. 1. Casting defects observed in each part of the specimen, which corresponds to (d) schematic diagram ((a) ; A, (b) ; B, (c) ; C)).
$Table 2. Area fraction of defects in each part of the specimen shown in Fig. 1$ 표 Table 2. Area fraction of defects in each part of the specimen shown in Fig. 1
그림 Fig. 2. Surface of the specimen showing blisters induced by solid solution treated (SSTed) at 530°C for 8 hrs.
그림 Fig. 3. 3D map showing the number of blister with solid solution treatment (SST) time and temperature. Initial defect area of the specimens were (a) 0.914%, (b) 0.324 and (c) 2.365%.
그림 Fig. 4. Schematic drawing showing the pressured surface as a flat plate with fixed boundary [9].
그림 Fig. 5. Microstructures of (a) as-cast and (b to d) specimens solid solution treated at 470, 510 and 530°C for 1 hr.
그림 Fig. 6. Matrix hardness of the specimens with solid solution treatment (SST) time and temperature.
표 Table 3. Numerical values for the equation 3 [12].
그림 Fig. 7. Aging curves of the specimens with solid solution treatment (SST) time and temperature.
그림 Fig. 8. Tensile properties of the specimens after T6 heat treatment with different solid solution treatment (SST) condition.
표 Table 4. Processing window for solid solution treatment (SST) considering blisters and yield strength(YS)

AI 본문요약
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문제 정의

Al-Si-Mg 계 합금의 용체화 처리는 공정 Si 의 구상화, 합금의 균질화, 금속간 화합물의 분해 및 용질원소의 α-Al 기지내 고용도 증가를 목적으로 수행된다.
일반적으로 다이캐스팅 합금은 blister의 발생 방지와 합금의 강도 향상을 위해 T5 열처리를 수행하여 사용된다[9]. 따라서, T6시 얻어지는 항복 강도가 T5 열처리시 얻어지는 항복 강도보다 높은 용체화 처리 조건을 도출하고자 하였다. 용체화 처리 온도나 시간이 증가함에 따라 peak 경도가 증가하였는데, 이는 용체화 처리 후 경도(Fig.
본 연구에서는 Al-Si-Mg 다이캐스팅 상용합금 중 하나인 Silafont36 (Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn) 합금을 사용하여, blister의 발생을 제어하고 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 열처리 공정을 개발하고자 하였다. 이를 위해, 다양한 조건(온도/시간)에서 용체화 처리를 실시한 후 blister의 생성을 관찰하여 본다이캐스팅 합금의 용체화 처리 processing window를 작성하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서 50개의 인장 시험편 내 존재하는 결함의 양과 분포는 모두 유사함을 확인할 수 있었으며, 시험편 내 결함은 주입구에서 멀어질수록 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 이용하여, 용체화 처리에 의한 blister의 발생 빈도를 결함의 면적 분율에 따라 구하고자 하였다.
또한, blister를 제어할 수 있는 용체화 처리 조건들을 활용하여 급랭 및 인공 시효 후 상온 인장시험을 통해 합금의 강도를 평가하였다. 이를 통해, blister의 발생을 제어함과 동시에 강도를 최대로 증가시킬 수 있는 열처리 공정을 도출하고자 하였다.

제안 방법

50개의 시험편에 대하여 측정된 결함의 면적 분율은 Fig. 1(d)에 나타낸 바와 같이 절단 후 각각 A, B, C 세 분으로 나누어 각각의 평균 결함 면적 분율을 구하였다.
Blister와 합금의 강도를 고려한 최적화된 용체화 조건을 도출하기 위해, 용체화 처리는 470, 490, 510, 530℃에서 각각 20, 60, 120, 240, 480분간 수행하였고, 용체화 처리직 후 60℃의 미온수를 사용하여 급랭하였다. 용체화 처리 후 발생하는 blister를 육안으로 관찰하고, 그 수를 측정하였다.
Blister의 발생 억제와 강도향상을 고려한 용체화 처리 조건을 선정하기 위해 T6 열처리 후 인장시험을 수행하여 합금의 강도를 평가하였다. 이에 앞서, T6 열처리 공정 중 peak 인공 시효 조건을 도출하기 위해 각 용체화 처리 조건에 따른 시효커브를 작성하였으며, 이를 Fig.
의 crosshead speed와 1 × 10^-3의 변형률 속도로 상온에서 인장시험을 수행하였다. T5 및 T6 열처리를 위한 인공시효처리는 210℃에서 0, 4, 8, 12시간 동안 수행하였다.
각 용체화 처리 조건에 따른 용질원소의 고용도를 평가하기 위해, 비커스 경도기를 이용하여 0.01 kgf 의 하중으로 α-Al 기지(matrix)의 경도를 측정하였다.
고압다이캐스팅 공정으로 제조된 Al-10Si-0.3Mg-0.6Mn 합금을 온도와 시간을 달리하여 용체화 처리를 실시하고, blister 발생과 인장특성을 평가하여 다음의 결론을 얻었다.
따라서, 주조제품에 용체화 처리를 적용할 때, 공정 Si의 구상화 역시 고려되어야 한다. 공정 Si의 구상화 역시 용체화 처리 온도에 의존하는데, 이를 확인하기 위해 470℃, 510℃, 530℃에서 각각 1시간동안 용체화 처리 후 미세조직을 관찰하였으며, 이를 Fig. 5에 나타내었다. 주조 직후(Fig.
Blister는 용체화 처리 온도나 시간뿐만 아니라, 주조직후 합금 내부의 기공량에도 의존한다[9]. 따라서, 용체화 처리를 수행하기에 앞서, 제조된 인장시험편을 절단하여 각 부위별 밀도와 결함의 분율을 측정하였고, 이를 Fig. 1과 Table 2에 나타내었다. 50개의 시험편을 분석한 결과, 다이캐스팅 시에 용탕이 흘러 들어오는 방향에 따라 결함의 면적 분율을 세 가지 영역으로 나눌 수 있었다.
이를 위해, 다양한 조건(온도/시간)에서 용체화 처리를 실시한 후 blister의 생성을 관찰하여 본다이캐스팅 합금의 용체화 처리 processing window를 작성하고자 하였다. 또한, blister를 제어할 수 있는 용체화 처리 조건들을 활용하여 급랭 및 인공 시효 후 상온 인장시험을 통해 합금의 강도를 평가하였다. 이를 통해, blister의 발생을 제어함과 동시에 강도를 최대로 증가시킬 수 있는 열처리 공정을 도출하고자 하였다.
용체화 처리 후 발생하는 blister를 육안으로 관찰하고, 그 수를 측정하였다. 용체화 처리 조건에 따른 공정 Si의 크기 및 구상화도는 image analyzer software (I-solution DT)를 사용하여 측정되었다. 각 용체화 처리 조건에 따른 용질원소의 고용도를 평가하기 위해, 비커스 경도기를 이용하여 0.
Blister와 합금의 강도를 고려한 최적화된 용체화 조건을 도출하기 위해, 용체화 처리는 470, 490, 510, 530℃에서 각각 20, 60, 120, 240, 480분간 수행하였고, 용체화 처리직 후 60℃의 미온수를 사용하여 급랭하였다. 용체화 처리 후 발생하는 blister를 육안으로 관찰하고, 그 수를 측정하였다. 용체화 처리 조건에 따른 공정 Si의 크기 및 구상화도는 image analyzer software (I-solution DT)를 사용하여 측정되었다.
의 crosshead speed와 1 × 10-3의 변형률 속도로 상온에서 인장시험을 수행하였다.
6Mn) 합금을 사용하여, blister의 발생을 제어하고 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 열처리 공정을 개발하고자 하였다. 이를 위해, 다양한 조건(온도/시간)에서 용체화 처리를 실시한 후 blister의 생성을 관찰하여 본다이캐스팅 합금의 용체화 처리 processing window를 작성하고자 하였다. 또한, blister를 제어할 수 있는 용체화 처리 조건들을 활용하여 급랭 및 인공 시효 후 상온 인장시험을 통해 합금의 강도를 평가하였다.
1(c)), 본 시험편은 (주) DTR에서 제공받았다. 제조된 시험편의 미세조직은 광학현미경(Optical microscope, OM)을 사용하여 관찰되었으며, 주조상태 시험편의 결함 평가는 동일한 조건으로 제조된 50개의 시험편에 대하여, 실물 영상 현미경(Stereo microscope)을 사용하여 결함을 관찰하였고, image analyzer software (I-solution DT)를 사용하여 결함의 면적 분율을 측정하였다. 50개의 시험편에 대하여 측정된 결함의 면적 분율은 Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시험편은 고압 다이캐스팅 공법을 통해 봉상인장시험편 형태로 제조되었으며(Fig. 1(c)), 본 시험편은 (주) DTR에서 제공받았다. 제조된 시험편의 미세조직은 광학현미경(Optical microscope, OM)을 사용하여 관찰되었으며, 주조상태 시험편의 결함 평가는 동일한 조건으로 제조된 50개의 시험편에 대하여, 실물 영상 현미경(Stereo microscope)을 사용하여 결함을 관찰하였고, image analyzer software (I-solution DT)를 사용하여 결함의 면적 분율을 측정하였다.
6Mn(Silafont36) 합금의 화학적 조성을 나타내었다. 본 연구에 사용된 시험편은 고압 다이캐스팅 공법을 통해 봉상인장시험편 형태로 제조되었으며(Fig. 1(c)), 본 시험편은 (주) DTR에서 제공받았다.

성능/효과

(1) 주조직후 시험편의 결함 면적 분율이 높을수록 용체화 처리시 생성되는 blister의 수가 증가하였다. 그러나 시험편의 두께가 얇은 경우, 결함의 면적분율이 낮은 경우에도 blister는 생성되는 것을 확인할 수 있었다.
(2) 용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라 생성되는 blister의 수가 증가하였고, blister 생성을 방지하기 위해서 용체화 처리는 470도에서 수행되거나, 510도에서 60분이내, 490도에서는 240분 이내로 수행되어야 한다.
(3) Blister 생성을 고려하여 선정된 모든 용체화 처리 공정에서 대부분의 공정 Si은 구상화가 완료되었다.
(4) 용체화 처리 온도가 증가함에 따라 T6 열처리시 항복 강도가 증가하였고, T5와 비교했을 때, 강도향상 효과를 충분히 얻기 위해서 용체화 처리는 490℃ 이상의 온도에서 20분 이상 수행하여야 한다.
(5) Blister의 생성 억제와 강도의 향상을 모두 만족하려면, 용체화 처리는 520℃에서 60분 이내, 490℃ 이하에서는 240분 이내로 수행하는 것이 바람직할 것으로 제안할 수 있다.
또한, 합금의 항복강도는 용체화 처리 온도가 510℃로 증가함에 따라 최댓값으로 수렴하는 것으로 나타났다. T5 열처리와 비교했을 때, 470℃에서 120분 이내로 용체화 처리를 수행한 경우를 제외하면 항복강도는 모든 T6 조건에서 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
20 m 일 때, 470℃에서 용체화 처리시 20분 내로 구상화가 완료되며, 온도가 증가함에 따라 구상화 완료에 소요되는 시간은 감소하는데, 530℃에서는 약 9분 이내에 구상화가 완료된다. 따라서, 3.1절에서 도출된 blister를 발생시키지 않는 용체화 처리 조건들은 모두 공정 Si 구상화를 완료시킬 수 있는 것으로 판단된다.
467%로 측정되었으며, 각 위치에서 채취한 50개의 시험편 모두 유사한 경향을 나타내었다. 따라서, 본 연구에서 50개의 인장 시험편 내 존재하는 결함의 양과 분포는 모두 유사함을 확인할 수 있었으며, 시험편 내 결함은 주입구에서 멀어질수록 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 이용하여, 용체화 처리에 의한 blister의 발생 빈도를 결함의 면적 분율에 따라 구하고자 하였다.
용체화 처리시 금속간 화합물은 분해되어 α-Al 기지에 고용되는데, 용체화 처리 온도와 시간이 증가하면 금속간 화합물을 구성하는 용질원소의 확산속도와 확산시간이 증가하고[7], 온도가 증가함에 따라 α-Al 기지의 고용한이 증가한다. 따라서, 용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라 금속간 화합물의 분해 및 용질원소의 기지내 고용이 증가한 것으로 판단된다. 그럼에도 불구하고, 용체화 처리를 490℃에서 120분 이내 혹은 470℃에서 수행한 경우 주조 직후 보다 낮은 기지경도를 나타내었다.
항복강도는 용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라 증가하였고, 이는 앞서 언급한 바와 같이 고용량 증가에 따른 것으로 판단된다. 또한, 합금의 항복강도는 용체화 처리 온도가 510℃로 증가함에 따라 최댓값으로 수렴하는 것으로 나타났다. T5 열처리와 비교했을 때, 470℃에서 120분 이내로 용체화 처리를 수행한 경우를 제외하면 항복강도는 모든 T6 조건에서 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
일반적으로 용체화 처리후 생성되는 blister의 수는 용체화 처리 온도와 시간뿐 아니라 합금 내 존재하는 초기 기공의 크기 및 형상과 그 양에도 의존한다. 시험편의 크기 및 형상이 동일한 A 부분과 C 부분만 비교하면, 알려진 바와 같이, 결함 분율이 높을수록 용체화 처리시 발생하는 blister의 수가 증가하였으나, A 및 C 부분보다 두께가 얇은 B 부분의 경우 결함 분율이 가장 낮음에도 불구하고, 발생된 blister의 수가 A 부분과 유사하였다. 이는 blister의 생성이 시험편의 형상과도 관련이 있음을 의미한다.
용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라 기지경도가 증가하였으며, 이를 통해, 용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라, 금속간 화합물의 분해 및 용질원소의 α-Al 기지내 고용이 증가한 것을 확인할 수 있었다.
470℃에서는 용체화 처리 시간이 480분이 경과하여도 blister는 생성되지 않았다. 이를 통해 용체화 처리 온도와 시간이 증가함에 따라 생성되는 blister의 수가 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 이를 통하여 blister의 발생을 방지할 수 있는 용체화 처리 조건을 도출할 수 있었으며, 이는 Fig. 3에 보라색 영역이다.
주입구와 비교적 가까운 위치에서 응고된 A 부분의 평균 면적 결함분율은 0.914 ± 0.432%, 인장 시험편의 gage length 부분에 해당하는 B 부분의 평균 면적 결함분율은 0.324 ± 0.254%, 주입구와 먼 위치에서 응고된 C 부분의 평균 면적 결함분율은 2.365 ± 0.467%로 측정되었으며, 각 위치에서 채취한 50개의 시험편 모두 유사한 경향을 나타내었다.
6)와 비례하는 것으로 판단된다. 즉, 용체화 처리 및 급랭에 의한 용질의 고용도가 증가할수록 인공시효시 peak 경도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나, 470℃에서 용체화 처리시 시간에 관계없이 peak 경도는 T5 시의 peak 경도보다 낮은 값을 나타내었다.
8에 나타내었다. 최대 인장강도는 용체화 처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, T5의 최대 인장강도와 비교했을 때, 용체화 처리를 490℃에서 120분간 수행하였을 때와 510℃ 이상에서 용체화 처리를 수행했을 때 높은 수치를 나타내었다. 연신율은 용체화 처리 온도 및 시간에 따른 경향성 없이 모두 T5보다 높은 수치를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다이캐스팅 공법의 장점은?	다양한 알루미늄 합금 중 Al-Si-Mg 계 주조 합금은 경량이며 주조성이 우수하여 자동차 부품 제조에 널리 활용되고 있는데, 주로 다이캐스팅 공법을 통하여 부품으로 제조되고 있다[3]. 다이캐스팅 공법은 압력을 가하여 복잡한 형상의 금형에 용탕을 채우는 공정으로, 대량생산이 용이하며 치수 정밀도가 높은 장점이 있다. 그러나 다이캐스팅 공정 중 용탕이 금형을 채울 때, 용탕의 비평면(non-planar) 유동 및 난류(turbulent) 유동에 의해 가스나 윤활제가 용탕에 갇히게 되며, 이는 다이캐스팅 특유의 빠른 응고 시 가스에 의한 기공(gas pore)이나 윤활제에 의한 수축공(shrinkage) 등의 주조 결함을 발생시킨다[4].
	다이캐스팅 공법의 단점은?	다이캐스팅 공법은 압력을 가하여 복잡한 형상의 금형에 용탕을 채우는 공정으로, 대량생산이 용이하며 치수 정밀도가 높은 장점이 있다. 그러나 다이캐스팅 공정 중 용탕이 금형을 채울 때, 용탕의 비평면(non-planar) 유동 및 난류(turbulent) 유동에 의해 가스나 윤활제가 용탕에 갇히게 되며, 이는 다이캐스팅 특유의 빠른 응고 시 가스에 의한 기공(gas pore)이나 윤활제에 의한 수축공(shrinkage) 등의 주조 결함을 발생시킨다[4]. 이 주조 결함들은 주조품의 특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 후속 열처리 실시를 어렵게 만들기도 한다.
	Al-Si-Mg 계 주조 합금이란?	Al-Si-Mg 계 주조 합금은 열처리시 시효경화를 일으켜 합금의 강도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있는 열처리형 합금으로 알려져 있다[5]. 일반적으로 시효경화는 주로 주조 후 인공 시효를 수행하는 T5 열처리나, 용체화 처리 후 자연시효를 수행하는 T4 열처리, 용체화 처리, 급랭, 인공시효의 순서로 수행되는 T6 및 T7 열처리에 의해 얻어진다.

참고문헌 (16)

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Aluminum die casting market size, share & trends analysis report by process, by rnd use (Transportation, industrial, building & construction,), by region, and segment forecasts, 2019-2025, 2019. https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/ aluminum-die-casting-market. (Accessed 22th Jan. 2020).
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상세보기
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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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