Figure 1. The schematic for the equipment.

초음파 탈가스: Al-Li 합금의 수소 제어 및 기계적 특성 향상을 위한 혁신적 주조 기술

이 기술 요약은 Yuqi Hu 외 저자가 2022년 Materials 학술지에 발표한 “Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium Content of Al-Li Alloy” 논문을 기반으로, (주)에스티아이씨앤디의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 초음파 탈가스
  • Secondary Keywords: Al-Li 합금, 수소 함량, 기계적 특성, 주조 품질, 리튬 손실

Executive Summary

  • The Challenge: Al-Li 합금 주조 시 용탕에 용해된 수소는 기공을 형성하여 기계적 특성을 저하 시키는 고질적인 문제를 야기합니다.
  • The Method: 2195 Al-Li 합금을 대상으로 아르곤 탈가스, 진공 탈가스, 초음파-아르곤 병용 탈가스 등 세 가지 탈가스 기법을 적용하여 수소 함량, 미세조직, 기계적 특성을 비교 분석했습니다.
  • The Key Breakthrough: 초음파-아르곤 병용 탈가스 방식이 수소 함량을 효과적으로 제거할 뿐만 아니라, 미세조직을 미세화하고 리튬 손실을 최소화하여 인장 강도와 연신율을 가장 크게 향상 시켰습니다.
  • The Bottom Line: 초음파-아르곤 병용 탈가스는 Al-Li 합금의 품질과 기계적 신뢰성을 극대화할 수 있는 가장 효율적인 생산 기술임을 입증했습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

알루미늄 합금의 주조 품질을 결정하는 핵심 지표 중 하나는 수소 함량입니다. 특히, 리튬(Li)이 첨가된 Al-Li 합금은 경량 고강도 특성으로 항공우주 및 고성능 부품에 널리 사용되지만, 수소 흡수율이 일반 알루미늄 합금보다 약 50배나 높아 주조 공정에서 심각한 문제를 야기합니다. 응고 과정에서 용해되어 있던 수소가 방출되면서 기공(porosity)을 형성하고, 이는 최종 제품의 인장 강도, 연신율 등 기계적 특성을 크게 저하시키는 주원인이 됩니다.

기존에는 질소나 아르곤 가스를 주입하거나 진공 환경을 조성하는 방식으로 탈가스를 진행했지만, 이러한 방법들은 Al-Li 합금의 경우 효과가 제한적이거나 값비싼 리튬의 증발 손실을 유발하는 단점이 있었습니다. 따라서 산업 현장에서는 Al-Li 합금의 고유한 특성을 유지하면서 수소를 효과적으로 제거하고, 동시에 생산 효율성을 높일 수 있는 새로운 탈가스 기술이 절실히 요구되었습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 7kg의 2195 Al-Li 합금(Li 1.0%, Cu 4.0%)을 사용하여 세 가지 다른 탈가스 방식의 효과를 정량적으로 비교했습니다. 실험 장비는 진공 챔버 내에 가열로와 주형을 배치하고, 20 kHz 주파수와 12 kW 입력 파워를 가진 초음파 변환기를 연결한 구조입니다.

실험은 다음과 같은 조건에서 진행되었습니다. 1. 진공 및 아르곤 탈가스: 10 Pa부터 0.1 MPa(대기압)까지 다양한 압력 조건에서 아르곤 가스를 주입하여 탈가스를 진행했습니다. 2. 초음파-아르곤 병용 탈가스: 0.1 MPa 압력 조건에서 아르곤 가스를 주입함과 동시에 초음파 진동을 15분간 가하여 탈가스 효과를 극대화했습니다. 3. 대조군: 탈가스 처리를 하지 않은 잉곳과 아르곤 가스만 단독으로 처리한 잉곳을 설정하여 성능을 비교했습니다.

각 조건에서 주조된 Φ60×650 mm 크기의 잉곳을 상단, 중앙, 하단으로 나누어 샘플링한 후, RHEN602 수소 분석기, SEM, 광학 현미경 등을 사용하여 수소 함량, 미세조직(결정립 크기, 공정상), 기계적 특성(인장 강도, 연신율)을 정밀하게 분석했습니다.

Figure 1. The schematic for the equipment.
Figure 1. The schematic for the equipment.

The Breakthrough: Key Findings & Data

실험 결과, 초음파-아르곤 병용 탈가스 방식이 다른 방식에 비해 모든 평가 항목에서 월등한 성능을 보였습니다.

Finding 1: 탁월한 수소 제거 및 리튬 손실 최소화

수소 함량 제어는 탈가스 공정의 가장 중요한 목표입니다. Figure 3에서 볼 수 있듯이, 탈가스 처리를 하지 않은 대조군(0.1MPa)의 수소 함량은 평균 0.424 mL/100g(Al)에 달했지만, 초음파-아르곤 병용 처리(0.1MPa+Ar+UT)를 거친 잉곳의 수소 함량은 0.118 mL/100g(Al)으로 약 72% 감소했습니다. 이는 10 Pa의 고진공 상태에서 얻은 0.111 mL/100g(Al)과 거의 대등한 수준입니다.

더 중요한 것은 리튬 손실률입니다. Table 3에 따르면, 10 Pa 진공 탈가스는 수소 제거 효과는 우수했지만 리튬 손실률이 56%에 달했습니다. 반면, 초음파-아르곤 병용 탈가스는 리튬 손실률을 5.8%로 억제하면서도 뛰어난 수소 제거 성능을 보여, Al-Li 합금의 품질과 원가 경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 최적의 기술임을 증명했습니다.

Finding 2: 미세조직 미세화 및 기계적 특성의 획기적 향상

탈가스 방식은 최종 제품의 기계적 물성에도 결정적인 영향을 미쳤습니다. Figure 9는 각 조건별 인장 시험 결과를 보여줍니다. 초음파-아르곤 병용 처리를 한 시편의 평균 인장 강도는 196.25 MPa, 연신율은 8.20%로 측정되었습니다. 이는 탈가스 처리를 하지 않은 대조군(인장 강도 115.16 MPa, 연신율 3.94%) 대비 인장 강도는 약 70%, 연신율은 약 108% 향상된 수치입니다.

이러한 기계적 특성 향상의 원인은 낮은 수소 함량으로 인한 기공 감소와 더불어, Figure 5에서 확인된 결정립 미세화 효과 덕분입니다. 초음파 처리 시 발생한 캐비테이션(cavitation) 현상이 결정립 성장을 억제하여 평균 결정립 크기를 가장 작은 221 µm 수준으로 미세화했습니다. 또한, Figure 8은 초음파 처리가 조대한 공정(eutectic)상의 면적 분율을 23.13%까지 크게 감소시켜 균열 발생을 억제하고 파괴 인성을 높이는 데 기여했음을 보여줍니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 초음파-아르곤 병용 탈가스가 수소 기공을 줄이고 리튬 손실을 최소화하는 가장 효과적인 방법임을 시사합니다. 이는 기존 진공 설비에 비해 투자 비용을 절감하면서도 더 높은 품질의 Al-Li 합금 부품 생산을 가능하게 합니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 Figure 9와 Table 3 데이터는 수소 함량과 기계적 특성 간의 명확한 상관관계를 보여줍니다. 수소 함량을 0.12 mL/100g(Al) 이하로 제어하는 것을 새로운 품질 검사 기준으로 설정하여 제품 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 탈가스 공정이 최종 부품의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향이 입증되었습니다. 특히 초음파 기술을 통해 얻을 수 있는 미세하고 균일한 조직은 초기 설계 단계에서 더 높은 성능의 경량 부품 설계를 가능하게 하는 중요한 고려사항이 될 수 있습니다.

Paper Details

Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium Content of Al-Li Alloy

1. Overview:

  • Title: Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium Content of Al-Li Alloy
  • Author: Yuqi Hu, Ripeng Jiang, Xiaoqian Li and Renjun Hu
  • Year of publication: 2022
  • Journal/academic society of publication: Materials
  • Keywords: ultrasonic degassing; hydrogen and lithium content; tensile properties

2. Abstract:

2195 Al-Li 합금의 탈수소화는 아르곤 탈가스, 초음파 탈가스, 진공 탈가스를 사용하여 수행되었습니다. 수소 농도, 미세조직, 기계적 특성이 모두 조사되었습니다. 2195 Al-Li 합금의 수소 함량은 높습니다. 탈가스 공정은 수소 제거로 인해 주조 합금의 기계적 특성을 크게 향상시켰습니다. 세 가지 탈가스 기술 중 초음파 아르곤 처리는 효율적인 탈수소화 접근법이자 Al-Li 합금의 리튬 손실을 최소화하면서 미세조직을 향상시키는 효과적인 절차였습니다. 한편으로, 초음파는 주입된 아르곤 기포를 용해시켜 더 효율적으로 탈가스할 수 있게 합니다. 다른 한편으로, 초음파는 용탕 내에 다수의 캐비테이션 기포를 형성하게 할 수 있으며, 이는 미세조직 미세화의 원인이 될 수 있습니다. 상승하는 아르곤 기포의 동역학과 캐비테이션 및 유동과 같은 초음파 효과가 초음파 아르곤 처리에 관여합니다.

3. Introduction:

수소 함량은 알루미늄 합금의 주조 품질 지표 중 하나이며, 그 존재는 주조 제품의 기계적 특성을 감소시킵니다. 응고 과정에서 수소는 용액에서 방출되거나, 수지상 간 영역을 통한 액체 금속 공급의 어려움으로 인해 주물에 기공을 유발할 수 있습니다. 용융 알루미늄에 용해될 수 있는 유일한 가스는 수소입니다. 결과적으로, 주조 공장에서 용해된 수소 제어는 매우 어려운 과제입니다. 탈가스는 수소 기공을 낮추는 가장 효율적인 방법입니다. 사용되는 일부 방법에는 질소, 아르곤 또는 이 둘의 조합, 그리고 염소 및 헥사클로로펜(C2Cl6) 정제가 포함됩니다. 진공 및 초음파 탈가스는 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

Al-Li 합금은 수소 용해도가 높아 주조 시 기공이 발생하기 쉽고, 이는 기계적 특성을 저하시키는 주요 원인입니다. 따라서 효과적인 탈가스 기술이 필수적입니다.

Status of previous research:

아르곤, 질소, 진공, 초음파 등 다양한 탈가스 방법이 연구되었으나, Al-Li 합금의 특성상 리튬 손실을 최소화하면서 탈가스 효율을 극대화하는 최적의 공정에 대한 연구가 필요했습니다. 특히, 아르곤 가스와 초음파를 결합하는 방식은 효과적인 접근법으로 제시되었습니다.

Purpose of the study:

본 연구는 2195 Al-Li 합금을 대상으로 아르곤 탈가스, 진공 탈가스, 초음파-아르곤 병용 탈가스 기술을 적용하고, 각 방식이 수소 함량, 리튬 함량, 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 비교 분석하여 가장 효율적인 탈가스 공정을 찾는 것을 목적으로 합니다.

Core study:

다양한 압력 조건에서의 아르곤/진공 탈가스와 대기압 조건에서의 초음파-아르곤 병용 탈가스를 실험적으로 수행했습니다. 각 조건에서 제조된 잉곳의 위치별(상단, 중앙, 하단) 수소 함량, 리튬 함량, 결정립 크기, 공정상 분포, 인장 강도 및 연신율을 측정하고 비교 분석했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

2195 Al-Li 합금을 사용하여 대조군을 포함한 총 7가지 다른 탈가스 조건(10 Pa+Ar, 5000 Pa+Ar, 0.01 MPa+Ar, 0.05 MPa+Ar, 0.1 MPa+Ar, 0.1 MPa(무처리), 0.1 MPa+Ar+UT)에서 잉곳을 주조하는 비교 실험 설계를 채택했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

  • 수소 함량: RHEN602 수소 분석기를 사용하여 잉곳의 위치별 고체 수소 함량을 측정했습니다.
  • 미세조직 분석: SEM 및 광학 현미경을 사용하여 결정립 크기, 공정상(eutectic phase)의 형태와 분포를 관찰하고, Image-Pro Plus 소프트웨어로 정량 분석했습니다.
  • 기계적 특성: 만능 시험기를 사용하여 각 조건별 시편의 인장 강도, 항복 강도, 연신율을 측정했습니다.
  • 리튬 함량: ICP(유도 결합 플라즈마) 분석을 통해 위치별 리튬 함량을 측정하여 연소 손실률을 계산했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 2195 Al-Li 합금의 탈가스 공정에 초점을 맞추고 있으며, 주요 연구 주제는 탈가스 방법(압력, 초음파 적용 여부)이 수소 및 리튬 함량, 미세조직(결정립, 공정상), 그리고 기계적 특성에 미치는 영향입니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 초음파-아르곤 병용 탈가스는 수소 함량을 0.118 mL/100g(Al)까지 효과적으로 감소시켰으며, 이는 고진공 탈가스와 유사한 수준입니다.
  • 진공 탈가스는 리튬 손실률이 최대 56%에 달했으나, 초음파-아르곤 병용 탈가스는 리튬 손실을 5.8%로 최소화했습니다.
  • 초음파 처리는 평균 결정립 크기를 221 µm로 미세화하고, 조대한 공정상의 면적 분율을 23.13%로 감소시켜 미세조직을 크게 개선했습니다.
  • 결과적으로, 초음파-아르곤 병용 처리된 합금은 인장 강도 196.25 MPa, 연신율 8.20%로 가장 우수한 기계적 특성을 보였습니다.

Figure List:

  • Figure 1. The schematic for the equipment.
  • Figure 2. The schematic for sample preparation.
  • Figure 3. The content of Li at the axial sampling position of the Φ60 mm 2195 Al-Li alloy ingot.
  • Figure 4. Optical micrographs of the AA2195 under different hydrogen removal procedures.
  • Figure 5. The average and maximum grain sizes of AA2195 alloys under different casting pressures: (a) the average grain size; (b) the maximum grain size.
  • Figure 6. Cooling temperature curve of Φ60 mm 2195 Al–Li alloy ingot.
  • Figure 7. SEM images of the eutectic structure at the bottom of the ingot under different casting pressures: (a) 10 Pa + Ar; (b) 5000 Pa + Ar; (c) 10,000 Pa + Ar; (d) 50,000 Pa + Ar; (e) 0.1 MPa + Ar; (f) 0.1 MPa + Ar + UT.
  • Figure 8. Area fraction of the coarsening eutectic phase.
  • Figure 9. Mechanical properties of 2195 Al–Li alloys under different hydrogen removal procedures. (a) The mechanical properties of the value; (b) Stress-strain curve.
  • Figure 10. The content of the Li element at the axial sampling position of the Φ60 mm 2195 Al–Li alloy ingot.
  • Figure 11. Diagram of the ultrasonic argon degassing process.

7. Conclusion:

본 연구에서는 2195 Al-Li 합금 용탕에 대해 아르곤 탈가스, 초음파 탈가스, 다양한 압력의 진공 탈가스를 적용했습니다. Al-Li 합금은 높은 수소 농도를 포함하고 있어 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다. 탈가스 절차는 주로 탈수소화로 인해 주조 합금의 기계적 특성을 상당히 향상시킵니다. 초음파 아르곤 처리는 합금을 탈가스하고 정련할 수 있는 더 효율적인 수소 제거 절차를 나타냅니다. 아르곤 기포의 초음파 파쇄는 우수한 탈가스 효율의 원인이 됩니다. 초음파 처리는 또한 용탕 내에 다수의 캐비테이션 기포 형성을 초래할 수 있습니다. 이는 미세조직 미세화를 가능하게 합니다. 수소 함량의 감소는 또한 잉곳 내 리튬의 함량과 분포를 감소시킵니다.

Figure 3. The content of Li at the axial sampling position of the F60 mm 2195 Al–Li alloy ingot.
Figure 3. The content of Li at the axial sampling position of the F60 mm 2195 Al–Li alloy ingot.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 초음파 단독 처리 대신 아르곤 가스와의 병용 처리를 핵심적으로 테스트했나요?

A1: 논문에 따르면, 상당한 양의 용탕을 처리할 때 아르곤 가스와 초음파를 결합하는 것이 실용적인 접근법이기 때문입니다. 이 연구의 주요 목표 중 하나는 초음파를 사용하여 주입된 아르곤 기포를 더 미세하게 분해하고 용탕 전체에 고르게 분산시켜 정제 효과를 극대화하는 것이었습니다. 즉, 아르곤 기포가 수소를 포집하는 매개체 역할을 하고, 초음파는 그 매개체의 효율을 높이는 역할을 합니다.

Q2: 압력에 따라 냉각 속도가 달라졌는데, 이것이 결과에 어떤 영향을 미쳤나요?

A2: Figure 6에서 볼 수 있듯이, 10 Pa와 같은 저압 환경에서는 열전달 매체가 희박하여 냉각 속도가 느렸습니다. 이로 인해 Figure 5에서처럼 저압 조건에서 주조된 잉곳의 결정립이 더 크게 성장했습니다. 하지만 초음파-아르곤 병용 처리는 대기압(0.1 MPa) 조건에서 진행되었음에도 불구하고 가장 미세한 결정립을 형성했습니다. 이는 냉각 속도 변수에도 불구하고 초음파의 결정립 미세화 효과가 지배적이었음을 의미합니다.

Q3: 논문에서는 결정립 미세화가 기계적 강도 향상의 주된 원인이 아니라고 주장했는데, 그렇다면 가장 큰 요인은 무엇이었나요?

A3: 논문의 계산 결과에 따르면, 관찰된 결정립 미세화 수준(363 µm에서 221 µm로 감소)만으로는 Hall-Petch 관계식에 따라 항복 강도가 약 4.92 MPa 정도만 증가합니다. 이는 실제 측정된 강도 향상 폭에 비해 매우 작은 값입니다. 따라서 연구진은 강도 및 연신율 향상의 주된 원인이 결정립 미세화보다는, 효과적인 수소 제거를 통한 미세 기공(microporosity)의 감소라고 결론 내렸습니다.

Q4: 초음파 탈가스의 구체적인 메커니즘은 무엇인가요?

A4: 논문에서는 두 가지 주요 메커니즘을 제시합니다. 첫째는 캐비테이션(cavitation)입니다. 초음파가 용탕 내에 교번 압력을 가하면 수많은 미세한 진공 기포(캐비테이션 버블)가 생성과 소멸을 반복합니다. 둘째는 정류 확산(rectified mass diffusion)입니다. 용탕에 녹아있던 수소 원자가 이 캐비테이션 버블 내부로 확산하여 모이고, 성장한 수소 기포는 부력에 의해 용탕 표면으로 떠올라 제거됩니다.

Q5: Al-Li 합금에서 진공 탈가스와 초음파 탈가스의 가장 큰 차이점은 무엇인가요?

A5: Table 3의 데이터가 핵심적인 차이를 보여줍니다. 진공 탈가스(10 Pa)는 수소 제거에는 매우 효과적(0.111 mL/100g)이지만, 리튬의 증기압이 높아 리튬 손실률이 56%에 달하는 심각한 단점이 있습니다. 반면, 초음파-아르곤 병용 탈가스는 우수한 수소 제거 성능(0.118 mL/100g)을 유지하면서도 리튬 손실률을 5.8%로 최소화할 수 있어, Al-Li 합금의 품질과 경제성을 모두 만족시키는 최적의 솔루션입니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

Al-Li 합금의 성능을 저해하는 고질적인 수소 문제를 해결하기 위해, 본 연구는 초음파 탈가스 기술이 기존 방식들을 뛰어넘는 혁신적인 대안임을 명확히 보여주었습니다. 초음파-아르곤 병용 처리는 수소 함량을 극적으로 낮추고 미세조직을 제어함으로써, 최종 제품의 기계적 특성을 획기적으로 향상시켰습니다. 특히, 값비싼 리튬의 손실을 최소화하면서 이 모든 것을 달성했다는 점은 산업적 적용 가치가 매우 높음을 의미합니다.

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  • 연락처 : 02-2026-0450
  • 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium Content of Al-Li Alloy” by “Yuqi Hu, Ripeng Jiang, Xiaoqian Li and Renjun Hu”.
  • Source: https://doi.org/10.3390/ma15031081

This material is for informational purposes only. Unauthorized commercial use is prohibited. Copyright © 2025 STI C&D. All rights reserved.

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Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning

폐자동차 스크랩 유래 알루미늄 주조 합금의 고전단 탈가스 및 탈철 공정 연구

폐자동차 스크랩 유래 알루미늄 주조 합금의 고전단 탈가스 및 탈철 공정 연구

High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap

본 보고서는 수명이 다한 폐자동차(ELV)의 Zorba 분획에서 회수된 알루미늄 스크랩을 고전단 용탕 처리(HSMC) 기술을 통해 정제하는 공정을 분석한다. 연구의 핵심은 재활용 알루미늄 내 가스와 철 성분을 효율적으로 제거하여 상용 합금 수준의 품질을 확보하는 기술적 방법론을 제시하는 데 있다.

Paper Metadata

  • Industry: 알루미늄 재활용 및 주조 (Aluminum Recycling and Casting)
  • Material: Zorba 유래 알루미늄 주조 합금 (Zorba-derived Aluminum Casting Alloy)
  • Process: 고전단 용탕 처리 (High-Shear Melt Conditioning, HSMC)

Keywords

  • 재활용 알루미늄 합금
  • 고전단 용탕 처리 (HSMC)
  • 탈가스 (Degassing)
  • 탈철 (De-ironing)
  • 철 함유 금속간 화합물 (Fe-rich IMCs)
  • Zorba 스크랩

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 X-선 투과 기술(XRT)로 분류된 Zorba 스크랩의 주조 분획 300kg을 원료로 사용하였다. 실험 장치는 로터-스테이터 구조의 고전단 용탕 처리(HSMC) 장치를 핵심으로 하며, 이를 통해 용탕 내 강력한 분산 혼합과 미세 기포 주입을 수행하였다. 탈가스 실험에서는 기존의 탈가스 정제제(Tablet) 방식과 HSMC 방식을 비교 분석하였으며, 탈철 실험에서는 Mn 첨가량에 따른 철 성분의 침전 및 제거 효율을 평가하였다. 모든 공정은 720°C에서 용해 후 특정 온도 범위에서 유지하며 금속간 화합물의 형성 및 침강을 유도하는 프레임워크로 구성되었다.

Figure 1. (a) As received Zorba cast fraction scrap in shredded form; (b) Aluminum alloy ingot and dross after remelt
Figure 1. (a) As received Zorba cast fraction scrap in shredded form; (b) Aluminum alloy ingot and dross after remelt

Key Findings

Zorba 주조 분획으로부터의 알루미늄 합금 회수율은 81%로 나타났다. 탈가스 공정에서 HSMC 기술을 적용한 결과, 밀도 지수(DI%)가 미처리 상태의 13.1%에서 2.6%로 대폭 감소하여 기존 정제제 방식(6.4%)보다 우수한 성능을 보였다. 탈철 공정에서는 Mn 함량을 0.8%로 높였을 때 철 제거 효율이 최대 24%까지 향상되었으며, Fe 함량은 0.79%에서 0.61%로 감소하였다. 또한, HSMC 처리는 유해한 판상형 β-AlFeSi 입자의 형성을 억제하고 미세한 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상의 형성을 촉진하여 미세조직의 건전성을 높였다.

Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning
Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning

Industrial Applications

이 기술은 폐자동차 스크랩을 고가의 신재(Primary Aluminum) 희석 없이 직접 상용 주조 합금(LM24, LM27 등) 규격으로 정제하는 데 활용될 수 있다. 특히 철 함량이 높은 저급 스크랩을 고품질 자동차 부품 제조용 소재로 재활용할 수 있는 경제적 공정을 제공한다. 이는 알루미늄 산업의 탄소 배출 저감과 자원 순환 효율성을 극대화하는 데 기여하며, 대규모 용탕 처리 설비에 적용 가능한 기술적 토대를 마련한다.

Theoretical Background

고전단 용탕 처리 (HSMC) 기술 원리

HSMC 기술은 고속 회전하는 로터와 고정된 스테이터 사이의 좁은 간극에서 발생하는 강력한 전단력을 이용한다. 이 전단력은 용탕 내에 주입된 아르곤 가스를 미세한 기포로 쪼개어 표면적을 극대화함으로써 수소 가스의 확산 및 제거 효율을 높인다. 또한 용탕 내에 존재하는 산화물 막(Bi-films)을 파괴하고 미세하게 분산시켜 기포에 부착되기 쉬운 형태로 변화시키며, 이는 부상 분리 공정을 가속화한다. 이러한 물리적 작용은 화학적 정제제 없이도 높은 청정도를 달성하게 한다.

철 제거를 위한 금속간 화합물 제어 이론

알루미늄 내 철(Fe)은 고체 상태에서 용해도가 매우 낮아 응고 시 취성이 강한 금속간 화합물을 형성한다. 특히 판상형의 β-Al5FeSi 상은 기계적 성질을 저하시키는 주요 원인이다. 이를 제어하기 위해 Mn을 첨가하면 Mn/Fe 비율이 0.5 이상일 때 조밀한 형태의 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상이 우선적으로 형성된다. 이 상은 액상선 온도 이상에서 형성되어 밀도 차이에 의해 용탕 하부로 침강하며, HSMC는 이 핵생성 과정을 촉진하고 입자를 미세화하여 침강 효율과 조직 균질성을 동시에 개선한다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 720°C의 전기 저항로에서 6kg 단위의 용탕을 대상으로 수행되었다. 탈가스를 위해 3000 rpm의 회전 속도와 0.1 l/min의 아르곤 가스 유량을 적용하였으며, 처리 시간은 15분으로 설정되었다. 탈철 실험에서는 Al-20Mn 마스터 합금을 사용하여 Mn 함량을 조절한 후, Pandat 소프트웨어로 계산된 특정 온도 범위(610°C~630°C)에서 용탕을 유지하며 금속간 화합물의 침전을 유도하였다. 화학 성분 분석은 발광 분광 분석기(OES)를 사용하였고, 용탕 품질은 감압 응고 시험(RPT)을 통해 평가되었다.

Visual Data Summary

RPT 시편 분석 결과, HSMC 처리 후 기공의 크기와 분율이 시각적으로 현저히 감소한 것이 확인되었다. 미처리 시편에서는 50μm 이상의 대형 기공이 다수 관찰되었으나, HSMC 처리 후에는 기공 크기가 20μm 미만으로 줄어들었다. 광학 현미경 사진 분석에서는 Mn 첨가 전 관찰되던 거친 판상형 β-AlFeSi 조직이 Mn 첨가 및 HSMC 처리 후에는 사라지고, 미세하고 조밀한 형태의 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 입자가 균일하게 분포하는 양상을 보였다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수 분석 결과, Mn/Fe 비율과 유지 온도가 탈철 효율에 결정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다. Mn 첨가 없이 610°C에서 유지했을 때는 철 함량 변화가 거의 없었으나(0.80% → 0.81%), Mn을 0.8% 첨가하여 Mn/Fe 비율을 높인 경우 630°C에서 30분 유지 시 철 함량이 0.79%에서 0.61%로 유의미하게 감소하였다. 이는 Mn 첨가가 철 함유 화합물의 형성 온도를 높이고 침강 가능 범위를 확장했기 때문이며, HSMC의 전단력이 이러한 화합물의 핵생성 및 성장을 최적화했음을 시사한다.

Paper Details

High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap

1. Overview

  • Title: High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap
  • Author: Kawther Al-Helal, Jaime Lazaro-Nebreda, Jayesh B. Patel, Geoff M. Scamans
  • Year: 2021
  • Journal: Recycling

2. Abstract

고전단 용탕 처리(HSMC) 기술이 수명이 다한 폐자동차 스크랩을 파쇄하여 얻은 Zorba 주조 분획에서 회수된 알루미늄 합금의 탈가스 및 탈철에 사용되었다. 결과에 따르면 Zorba 주조 분획으로부터의 알루미늄 합금 회수율은 80% 이상이었다. 고전단 용탕 처리는 탈가스 정제제를 첨가하는 방식과 비교하여 용탕 처리 중 탈가스 공정을 개선하였다. HSMC를 이용한 탈철 공정의 효율은 용탕 내 Mn 함량을 0.8%로 높인 후 최대 24%까지 증가하였다. Zorba 용탕에 Mn을 첨가하는 것은 탈철 공정을 강화하고, 합금의 기계적 성질과 부식 성질 모두에 해로운 영향을 미치는 β-AlFeSi 금속간 화합물 입자의 형성을 제거하였다.

3. Methodology

3.1. 스크랩 용해 및 잉곳 제작: XRT 기술로 분류된 Zorba 주조 분획 스크랩을 720°C에서 용해하고 드로스를 제거한 후 추가 실험을 위한 잉곳으로 주조함.
3.2. HSMC 탈가스 실험: 6kg의 잉곳을 재용해한 후 HSMC 장치와 아르곤 가스(0.1 l/min)를 사용하여 3000 rpm에서 15분간 처리하고 RPT로 품질을 평가함.
3.3. Mn 첨가 및 탈철 실험: Al-20Mn 합금을 첨가하여 Mn 함량을 0.8%까지 높인 후, HSMC 처리를 거쳐 특정 온도(610°C 및 630°C)에서 30분간 유지하여 철 성분의 침강을 유도함.

Figure 6. (a) Equilibrium phase diagram of the as-received Zorba cast fraction–xMn system, (b) Liquid composition of Zorba cast fraction alloy with the addition of 0.8 wt.% Mn for the second trial
Figure 6. (a) Equilibrium phase diagram of the as-received Zorba cast fraction–xMn system, (b) Liquid composition of Zorba cast fraction alloy with the addition of 0.8 wt.% Mn for the second trial

4. Key Results

HSMC 처리는 재활용 알루미늄의 밀도 지수를 13.1%에서 2.6%로 낮추어 가스 함량을 획기적으로 줄였다. 결정립 크기는 1750μm에서 1160μm로 약 33% 미세화되었으며, 기공 분율은 3.8%에서 0.5%로 감소하였다. 탈철 공정에서는 Mn 첨가와 HSMC의 결합을 통해 철 함량을 23% 감소시켰으며, Mn 함량 또한 28% 감소하는 정제 효과를 확인하였다. 특히 유해한 β-AlFeSi 상을 완전히 제거하고 미세한 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 상으로 대체함으로써 합금의 잠재적 기계적 성능을 향상시켰다.

5. Mathematical Models

$$DI\% = \frac{D_{air} – D_{vac}}{D_{air}} \times 100$$

Figure List

  1. Figure 1: 파쇄된 형태의 Zorba 주조 분획 스크랩 및 재용해 후의 알루미늄 합금 잉곳과 드로스 사진.
  2. Figure 2: 감압 응고 시험(RPT) 시편의 단면 기공 분포 비교 (미처리, 정제제 처리, HSMC 처리).
  3. Figure 3: 탈가스 조건에 따른 알루미늄 합금의 결정립 크기 및 기공 함량 광학 현미경 사진.
  4. Figure 4: Zorba 주조 분획 합금의 평형 상태도 및 온도에 따른 액상 내 Fe, Mn 함량 변화 그래프.
  5. Figure 5: 탈철 처리 전후의 알루미늄 합금 내 β-AlFeSi 상의 광학 현미경 사진.
  6. Figure 6: Mn이 첨가된 합금의 평형 상태도 및 온도에 따른 액상 성분 예측 그래프.
  7. Figure 7: Mn 수정 합금의 탈철 처리 전후 α-Al15(Fe, Mn)3Si2 금속간 화합물 관찰 사진.

References

  1. Brooks, L. et al. (2019). Ferrous and non-ferrous Recycling: Challenges and Potential Technology. Waste Manag.
  2. Chang, I. et al. (2020). Processing of Recycled AA6111 Aluminium Alloy from Two Different Feedstock. J. Light Met. Weld.
  3. Zhang, L. et al. (2012). Removal of iron from aluminium: A review. Miner. Process. Extr. Metall. Rev.
  4. Lazaro-Nebreda, J. et al. (2021). Improved degassing efficiency and mechanical properties of A356 aluminium alloy castings by high shear melt conditioning (HSMC) technology. J. Mater. Process. Technol.

Technical Q&A

Q: HSMC 기술이 기존의 정제제(Tablet) 방식보다 탈가스 효율이 높은 이유는 무엇입니까?

HSMC는 강력한 전단력을 통해 주입된 가스를 1mm 미만의 미세 기포로 분산시킵니다. 이는 기포의 전체 표면적과 용탕 내 체류 시간을 증가시켜 수소 가스가 기포로 확산될 수 있는 최적의 조건을 제공합니다. 또한, 용탕 표면의 소용돌이 발생을 억제하여 수소의 재흡수와 산화물 막의 생성을 최소화하기 때문에 기존 방식보다 우수한 탈가스 성능을 보입니다.

Q: 탈철 공정에서 Mn을 첨가하는 기술적 이유는 무엇입니까?

Mn은 용탕 내에서 철(Fe)과 반응하여 α-Al15(Fe, Mn)3Si2라는 조밀한 형태의 금속간 화합물을 형성하도록 유도합니다. 이 화합물은 유해한 판상형 β-AlFeSi 상보다 높은 온도에서 형성되며 밀도가 높아 용탕 하부로 쉽게 침강합니다. 결과적으로 Mn 첨가는 철 성분을 물리적으로 분리 제거할 수 있는 화학적 환경을 조성하여 탈철 효율을 높입니다.

Q: Zorba 스크랩 재활용 시 발생하는 주요 불순물과 그 영향은 무엇입니까?

주요 불순물은 철(Fe)과 산화물 및 비금속 개재물입니다. 철은 응고 시 취성이 강한 β-AlFeSi 판상 조직을 형성하여 합금의 연성과 인장 강도를 크게 저하시킵니다. 또한, 용해 과정에서 축적된 산화물은 주조 결함의 원인이 되며 기계적 성질과 부식 저항성에 부정적인 영향을 미칩니다.

Q: HSMC 처리가 합금의 미세조직, 특히 결정립 크기에 미치는 영향은 어떠합니까?

본 연구에서 HSMC 처리는 결정립 크기를 1750μm에서 1160μm로 약 33% 감소시키는 미세화 효과를 보였습니다. 이는 고전단력이 용탕 내 잠재적 핵생성 입자들을 고르게 분산시키고 응고 시 핵생성 사이트를 증가시켰기 때문입니다. 이러한 미세조직의 개선은 최종 주조품의 기계적 성질 향상으로 이어집니다.

Q: 실험에서 확인된 최적의 탈철 조건은 무엇입니까?

Mn 함량을 0.8 wt.%로 조절하고, 용탕 온도를 α-Al 상이 형성되기 직전인 630°C에서 약 30분간 유지하는 것이 가장 효과적이었습니다. 이 조건에서 철 함량은 약 23% 감소하였으며, 처리된 용탕의 성분은 LM24 또는 LM27과 같은 상용 합금 규격을 만족하여 직접적인 산업 활용이 가능한 수준에 도달했습니다.

Conclusion

본 연구는 고전단 용탕 처리(HSMC) 기술이 폐자동차 유래 알루미늄 스크랩의 고부가가치 재활용을 위한 핵심 공정이 될 수 있음을 입증하였다. HSMC는 탈가스 효율을 극대화하여 기공 결함을 획기적으로 줄였을 뿐만 아니라, Mn 첨가와의 시너지를 통해 유해한 철 성분을 효과적으로 제거하고 미세조직을 개선하였다. 특히 100% 재활용 소재를 사용하여 상용 합금 규격에 부합하는 품질을 확보했다는 점은 알루미늄 산업의 순환 경제 구축에 있어 중요한 기술적 성과로 평가된다. 향후 공정 온도와 유지 시간의 추가 최적화를 통해 정제 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

Source Information

Citation: Kawther Al-Helal, Jaime Lazaro-Nebreda, Jayesh B. Patel, Geoff M. Scamans (2021). High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting Alloy Made Directly from Aluminum End-of-Life Vehicle Scrap. Recycling.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/recycling6040066

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