Al-Si-Cu 합금의 조직 미세화에 미치는 RE의 영향

Abstract

과공정 Al-Si 합금은 우수한 내마모성, 인장 강도, 양호한 내식성 그리고 낮은 열팽창계수를 가지고 있기 때문에 자동차의 실린더 헤드, 피스톤, 압축기 등의 소재로서 많이 사용되고 있다. 그러나 이 합금은 조대한 초정 Si과 판상의 공정 Si을 가지고 있어서 재료의 기계적 성질에 많은 문제점을 야기시키고 있다. 본 연구는 희토류 금속 및 구리를 첨가함으로서 초정 및 공정 Si을 동시에 미세화시키고 아울러 기계적 성질을 개선하려는 목적으로 시도되었다. 2, 4, 6 %로 상이한 함량의 희토류 금속과 1, 2, 3, 4 %의 구리를 Al - 20 % Si 합금에 각각 첨가하였으며 냉각속도의 영향을 관찰하기 위해 각 부위의 냉각속도가 다른 쐐기형의 금형을 만들어 실험하였다. 4 %의 희토류 금속을 첨가하였을 때 초정Si의 크기는 원래의 300 ㎛ 이상의 크기에서 30 ㎛으로 미세화 되었으며, 그 모양 역시 별 모양에서 다면체 형태로 변화되었다. 초정 Si의 미세화 효과는 냉각속도가 빠를수록 또, 첨가되는 희토류 금속의 양이 많을수록 우수하였다. 한편, 공정 Si의 미세화 효과는 냉각속도가 빠를수록 또, 첨가되는 희토류 금속의 양이 많을수록 우수하였다. 한편, 공정 Si은 단지 1 %만큼의 희토류 금속을 첨가하여도 판상의 형태에서 미세한 섬유상으로 변화되었다. 희토류 금속의 첨가를 통해 초정 및 공정 Si을 미세화 시킴으로서 인장강도가 약 70 %이상 향상되었으며 연성도 향상되었다. 이에 반해 경도는 미세화에 큰 영향을 받지 않았다. 희토류 금속을 첨가한 합금의 경우 약 15 ～ 20 ℃ 정도나 되는 큰 값으로 초정 및 공정 과냉이 발생하였으며 EPMA를 이용해 dot mapping을 한 결과 초정 Si 내부에 희토류에 의한 핵은 나타나지 않았다. 따라서 희토류 금속에 의한 초정 Si의 미세화는 불균질 핵생성 기구가 아니라 Si 입자의 성장 억제에 의해 이루어지는 것으로 생각된다. 구리를 첨가한 합금의 경우 20 ∼ 80℃에서 인장강도 값이 높게 나올 것으로 예상이 된다. 이러한 결과를 토대로 희토류 원소의 조직미세화와 구리의 인장 강도 값의 최적치를 찾아내는 것에 목적을 두었다.