고압 사출 주조 공정에서 공정 Al-Si 합금의 합금 원소 개질 연구

Investigation of Modifying Alloying Elements in High-Pressure Injection Casting Eutectic Al-Si Alloys

본 연구는 냉간 성형 공정을 거치지 않고 고압 사출 주조법으로 제조된 알루미늄 합금의 기계적 특성을 최적화하기 위해 스트론튬(Sr)과 티타늄(Ti) 원소의 첨가 효과를 분석하였다. 특히 AlSi12(Fe) 합금의 미세조직 변화와 그에 따른 강도 및 경도 향상의 상관관계를 기술적으로 규명하였다.

Paper Metadata

Industry: 자동차 및 항공우주 부품 제조
Material: AlSi12(Fe) 공정 합금, AlTi5B1 및 AlSr10 마스터 합금
Process: 고압 사출 주조 (High-Pressure Injection Casting)

Keywords

AlSi12(Fe) 합금
고압 주조
Ti 및 Sr 개질
미세조직
기계적 성질
결정립 미세화

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 EN AC 44300 표준을 따르는 순수 AlSi10(Fe) 합금을 기재로 사용하였다. 실험은 AlTi5B1 마스터 합금을 통해 0.08%의 Ti를 고정 첨가하고, AlSr10 마스터 합금을 사용하여 Sr 농도를 0ppm, 150ppm, 300ppm, 450ppm으로 변화시킨 5가지 조성에 대해 수행되었다. 고압 사출 주조기를 사용하여 시편을 제작하였으며, 주조 사이클 타임은 90초로 설정되었다. 제작된 시편은 브리넬 경도 시험, 비커스 미세 경도 시험, 인장 시험, 압축 시험 및 SEM/EDS 분석을 통해 정량적으로 평가되었다.

Key Findings

Ti 원소의 첨가는 α-Al 수지상(dendrite)의 크기를 축소시켜 결정립 미세화를 유도하였으며, 이로 인해 순수 합금 대비 경도가 약 5 HB 증가하였다. Sr의 첨가는 공정 실리콘(eutectic Si)의 형상을 조대한 침상 구조에서 미세한 구상 구조로 개질하는 효과를 보였다. Sr 농도가 150ppm 증가할 때마다 경도는 약 2.5 HB씩 비례적으로 상승하여 450ppm Sr 첨가 시 최대 77.3 HB를 기록하였다. 인장 강도 또한 Ti와 Sr의 복합 첨가에 의해 순수 합금의 123 MPa에서 최대 161 MPa까지 향상되었으며, 연신율은 0.83%에서 1.4%로 증가하였다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 복잡한 형상의 경량 부품을 제조하는 자동차 및 항공우주 산업의 고압 주조 공정에 직접 적용 가능하다. 별도의 열처리나 냉간 가공 없이 합금 원소의 정밀 제어만으로도 기계적 물성을 확보할 수 있어 생산 효율성을 높이고 제조 원가를 절감하는 데 기여할 수 있다. 특히 고강도와 높은 에너지 흡수력이 요구되는 구조용 알루미늄 부품 설계에 유용한 데이터를 제공한다.

Theoretical Background

결정립 미세화 메커니즘 (Grain Refinement)

알루미늄 합금에서 Ti 원소는 주로 결정립 미세화제로 작용한다. 주조 과정에서 Ti는 용탕 내에서 핵 생성 사이트를 제공하여 α-Al 수지상의 성장을 억제하고 미세한 등축정 구조를 형성하도록 유도한다. 결정립이 미세해지면 홀-패치(Hall-Petch) 관계에 따라 항복 강도와 경도가 상승하며, 소성 변형 시 전위의 이동을 효과적으로 차단하여 재료의 내구성을 향상시킨다. 본 연구에서는 AlTi5B1 마스터 합금을 통해 이러한 미세화 효과를 구현하였다.

공정 실리콘 개질 (Eutectic Si Modification)

공정 Al-Si 합금에서 실리콘은 일반적으로 조대한 판상 또는 침상 구조로 정출되어 응력 집중원으로 작용하고 재료의 취성을 유발한다. Sr(스트론튬) 원소를 첨가하면 실리콘의 결정 성장 모드를 변화시켜 이를 미세하고 둥근 구상 구조로 개질할 수 있다. 이러한 미세조직의 변화는 외부 하중 작용 시 응력 분산을 원활하게 하여 인장 강도와 연신율을 동시에 향상시키는 핵심적인 역할을 수행한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험에는 EN AC 44300 표준의 AlSi10(Fe) 잉곳이 사용되었으며, 화학 조성은 Si 12.08%, Fe 0.81%, Mg 0.28% 등을 포함한다. 고압 사출 주조 공정을 통해 20회의 프린트를 수행하였으며, 각 시편은 240에서 1200 그리드까지 단계적으로 연마되었다. 미세조직 관찰을 위해 Keller 용액(증류수 190ml, 질산 5ml, 염산 10ml, 불산 2ml)으로 에칭을 실시하였으며, 인장 시험은 ISO 6892-1 표준에 따라 1 mm/min 속도로 진행되었다.

Visual Data Summary

광학 현미경 및 SEM 분석 결과, 순수 합금에서는 조대한 침상 실리콘과 거대한 α-Al 수지상이 관찰되었다. Ti 첨가 후 수지상의 크기가 현저히 줄어들었으며, Sr 농도가 증가함에 따라 실리콘 입자가 파편화되고 구상화되는 과정이 뚜렷하게 확인되었다. 특히 450ppm Sr 첨가 시 AFS(American Foundry Society) 개질 등급 5단계에 해당하는 섬유상/구상 구조가 형성되었음을 확인하였다. EDS 분석을 통해 Al, Si, Fe, Cu 원소가 금속 간 화합물을 형성하고 있음이 정량적으로 증명되었다.

Figure 10. Microstructure images of pure AlSi10(Fe) sample

Variable Correlation Analysis

실험 변수 분석 결과, Ti와 Sr의 첨가량은 기계적 물성과 정비례 관계를 보였다. Ti 0.08% 첨가 시 인장 강도는 15 MPa 상승하였고, 여기에 Sr 농도를 높일수록 강도는 추가적으로 향상되었다. 압축 시험에서는 Ti와 Sr 첨가에 의해 결정립이 미세화되고 실리콘이 구상화됨에 따라 외부 힘을 흡수하는 능력이 커져 영구 변형 연신율이 감소하는 경향을 보였다. 이는 합금 원소의 개질이 재료의 에너지 흡수율과 변형 저항성을 동시에 개선함을 의미한다.

Figure 12. American Foundry Association modification levels [15]

Paper Details

Investigation of Modifying Alloying Elements in High-Pressure Injection Casting Eutectic Al-Si Alloys

1. Overview

Title: Investigation of Modifying Alloying Elements in High-Pressure Injection Casting Eutectic Al-Si Alloys
Author: Alparslan Kılıçarslan, Hatem Akbulut
Year: 2024
Journal: Sakarya University Journal of Science

2. Abstract

본 연구에서는 사출 성형법으로 생산된 알루미늄 합금, 특히 스트론튬과 티타늄 금속을 사용한 합금의 기계적 특성을 냉간 성형 없이 최적화하였다. 고압 주조 기술로 제조된 합금에 대해 기계적 시험을 적용하고 강도, 경도 및 미세조직을 조사하였다. 광학 및 SEM 현미경 검사를 통해 결정립 구조를 조사하였다. 연구 범위 내에서 AlTi5B1 마스터 합금과 AlSr10 마스터 합금을 순수 AlSi10(Fe) 합금에 5가지 다른 조성으로 첨가하였다. 순수 AlSi10(Fe) 합금에 첨가된 AlTi5B1 마스터 합금은 결정립 크기를 줄여 경도를 유의미하게 증가시켰다. AlSr10 마스터 합금 첨가로 실리콘 개질이 일어났으며, 150ppm, 300ppm, 450ppm의 Sr 중량비가 경도를 각각 2.5 HB씩 비례적으로 증가시키는 것이 관찰되었다. Ti 및 Sr 마스터 합금 첨가량이 증가함에 따라 인장 강도, 항복 강도 및 연신율이 유의미하게 증가하였다. 압축 시험에서 첨가된 Ti 및 Sr 원소에 의한 재료의 결정립 구조 감소와 공정 실리콘의 구상 구조로의 변환은 인가된 힘을 흡수하였다. 이는 강도 증가로 이어졌으며, Ti 중량이 증가함에 따라 영구 변형 연신율은 감소한 반면, Sr이 150ppm씩 추가될 때마다 영구 변형 연신율이 비례적으로 감소하는 것이 관찰되었다. Ti 원소의 첨가는 α-Al 수지상을 축소시켜 결정립 크기를 줄였으나 공정 실리콘에는 영향을 미치지 않았다.

3. Methodology

3.1. 합금 준비: EN AC 44300 표준에 따른 AlSi10(Fe) 잉곳을 기본 재료로 준비하고, AlTi5B1 및 AlSr10 마스터 합금을 준비함.
3.2. 주조 공정: 고압 사출 주조기를 사용하여 0.08% Ti와 0, 150, 300, 450ppm의 Sr 농도 조합으로 시편을 주조함. 사이클 타임은 90초로 설정함.
3.3. 시편 가공: 주조된 시편을 12mm x 12mm 크기로 절단하고 240~1200 그리드 연마지로 연마 후 Keller 용액으로 에칭함.
3.4. 기계적 평가: 브리넬 경도(62.5kg 하중), 비커스 미세 경도(25kg 하중), 인장 시험(ISO 6892-1), 압축 시험(ISO 7500-1)을 수행함.
3.5. 미세조직 분석: 광학 현미경 및 SEM/EDS를 사용하여 결정립 크기, 실리콘 형상 및 화학 성분을 분석함.

4. Key Results

실험 결과, Ti 0.08% 첨가만으로도 순수 합금 대비 경도가 65.3 HB에서 70 HB로 상승하였다. Sr 농도를 450ppm까지 높였을 때 경도는 최대 77.3 HB에 도달하였다. 인장 강도는 순수 합금의 123 MPa에서 450ppm Sr 첨가 시 161 MPa로 약 31% 향상되었으며, 항복 강도 역시 108 MPa에서 131 MPa로 증가하였다. 미세조직 측면에서 Ti는 수지상 암 간격(DAS)을 줄이는 효과를 보였고, Sr은 실리콘의 종횡비를 낮추어 구상화를 유도하였다. 이러한 변화는 연신율을 0.83%에서 1.4%로 개선하는 결과를 낳았다.

Figure List

실험 연구 방법 및 합금 적용 개략도
실험 연구 범위 내 적용된 시험 항목 개략도
첨가량에 따른 합금의 평균 브리넬 경도 변화 및 표준 편차
첨가량에 따른 α-Al 수지상 미세 경도 변화 곡선
첨가량에 따른 공정 실리콘 미세 경도 변화 곡선
5가지 다른 조성 합금의 인장 강도(σt) 값
5가지 다른 조성 합금의 항복 강도(σy) 값
5가지 다른 조성 합금의 연신율(%) 값
130 kN 하중 하에서의 평균 영구 변형 연신율 변화
순수 AlSi10(Fe) 시편의 미세조직 이미지
Ti 및 Sr 첨가에 따른 공정 실리콘의 미세조직 변화 이미지
AFS(American Foundry Association) 개질 등급 기준
5가지 조성 시편의 광학 현미경 미세조직 비교
5가지 조성 시편의 SEM 이미지 분석
순수 AlSi10(Fe) 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과
0.08% Ti 첨가 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과
150ppm Sr 첨가 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과
300ppm Sr 첨가 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과
450ppm Sr 첨가 합금의 SEM 및 EDS 분석 결과

References

Wang, X., et al. (2023). A strategy to promote formability, production efficiency and mechanical properties of al-mg-si alloy.
Zupanič, F., et al. (2023). Microstructure, mechanical properties and fatigue behavior of a new high-strength aluminum alloy aa 6086.
Kadkhodapour, J., et al. (2022). Quality analysis of additively manufactured metals.
Bogdanoff, T., et al. (2016). The effect of si content on microstructure and mechanical properties of al-si alloy.
Sapmaz, İ. (2021). Investigation of the effect of Sr additions in AlSi12(Fe) high pressure casting alloy.

Technical Q&A

Q: Ti 원소가 AlSi12(Fe) 합금의 미세조직에 미치는 구체적인 영향은 무엇인가요?

Ti 원소는 주로 결정립 미세화제로 작용하여 α-Al 수지상(dendrites)의 크기를 축소시킵니다. 본 연구에서 0.08%의 Ti 첨가는 수지상의 성장을 억제하여 결정립을 미세화하였으며, 이는 경도를 약 5 HB 증가시키는 결과를 가져왔습니다. 그러나 Ti는 공정 실리콘(eutectic Si)의 형상 변화에는 직접적인 영향을 미치지 않는 것으로 관찰되었습니다.

Q: Sr 첨가량에 따른 공정 실리콘의 형태학적 변화는 어떻게 나타납니까?

Sr이 첨가되지 않은 상태에서는 실리콘이 조대하고 날카로운 침상(needle-like) 또는 판상 구조를 가집니다. Sr 농도가 150ppm, 300ppm으로 증가함에 따라 이러한 침상 구조가 파편화되기 시작하며, 450ppm에 도달하면 미세한 섬유상 또는 구상(spherical) 구조로 완전히 개질됩니다. 이는 AFS 등급 기준으로 1단계(미개질)에서 5단계(완전 개질)로의 변화를 의미합니다.

Q: Ti와 Sr의 복합 첨가가 인장 강도 향상에 기여하는 메커니즘은 무엇인가요?

Ti에 의한 결정립 미세화와 Sr에 의한 실리콘 구상화가 시너지 효과를 일으킵니다. 미세해진 결정립은 전위 이동을 방해하여 강도를 높이고, 구상화된 실리콘은 응력 집중을 완화하여 균열 발생을 억제합니다. 결과적으로 순수 합금 대비 인장 강도는 약 31% 향상된 161 MPa를 기록하였으며, 연신율 또한 동시에 개선되었습니다.

Q: 압축 시험에서 관찰된 영구 변형 연신율의 감소는 어떤 의미를 갖나요?

압축 하중 하에서 Ti와 Sr이 첨가된 합금은 결정립 미세화와 실리콘의 구상 구조 덕분에 외부 에너지를 더 효과적으로 흡수합니다. 130 kN의 하중을 가했을 때, 순수 합금의 변형율은 0.335였으나 450ppm Sr 첨가 시 0.247로 감소하였습니다. 이는 재료의 강성이 높아지고 소성 변형에 대한 저항성이 강화되었음을 나타냅니다.

Q: SEM 및 EDS 분석을 통해 확인된 주요 화학적 구성 요소는 무엇인가요?

SEM-EDS 분석 결과, 기재인 Al과 Si 외에도 Fe, Cu, Mn 등의 원소가 검출되었습니다. 특히 금속 간 화합물 단계에서 Al-Si-Fe-Cu 성분이 확인되었으며, Sr 첨가 시 실리콘 결정 내에 Sr 원소가 분포하여 성장을 제어하고 있음이 증명되었습니다. 또한 주조 공정 중 불순물로 유입될 수 있는 산소(O) 성분도 일부 검출되었습니다.

Conclusion

본 연구는 고압 사출 주조 공정에서 Ti와 Sr의 정밀한 합금 설계를 통해 AlSi12(Fe) 합금의 기계적 성질을 획기적으로 개선할 수 있음을 입증하였다. Ti 0.08%와 Sr 450ppm의 최적 조합은 결정립 미세화와 실리콘 구상화를 동시에 달성하여 강도, 경도, 연신율을 모두 향상시켰다. 이러한 결과는 추가적인 열처리 공정 없이도 고성능 알루미늄 부품 제조가 가능함을 시사하며, 이는 산업 현장에서 에너지 소비 절감과 생산성 향상을 위한 중요한 기술적 근거가 된다.

Source Information

Citation: A. Kılıçarslan, H. Akbulut (2024). Investigation of Modifying Alloying Elements in High-Pressure Injection Casting Eutectic Al-Si Alloys. Sakarya University Journal of Science.

DOI/Link: https://doi.org/10.16984/saufenbilder.1408939

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