과공정 Al-Si합금에서 용탕처리에 의한 조직 미세화가 미치는 기계적 특성 연구

Abstract

과공정 Al-Si합금은 우수한 열유동성에 의해 좋은 주조성을 가진다. 또한 내식성이 뛰어나고 열팽창계수가 작고 가볍다는 특징을 가져서 항공기 및 자동차 산업에서 구조용 재료로 각광을 받고 있는 합금이다. 특히 18wt%Si이 함유된 알루미늄 합금은 최근 엔진의 실린더 블록의 경량화에 사용되는 재료로 많은 연구가 진행 중에 있다. 그러나 과공정 Al-Si합금은 주조 시 조대한 초정 Si이 생성되어 기계적 성질을 저하시킬 뿐 아니라 가공성이 좋지 않다는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 제거하기 위해서는 초정 Si을 미세화 하는 방법들이 매우 중요하다. 그러므로 과공정 Al-Si합금 주조 시 여러 용탕 처리를 통해 초정 Si의 미세화에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. 현재 산업현장에서는 초정 Si의 미세화제인 P, Ti, As 등과 같은 미세화제를 첨가하는 방법이 주로 사용되고 있다. 특히 P는 용탕내에서 알루미늄과 반응하여 AIP의 결정 구조를 만들게 되고 이는 용탕내에서 가장 반응성이 우수한 불균일 핵생성 자리로 작용하게 된다. 하지만 기화점이 낮기 때문에 AlCuP형태로 제조하여 첨가한다. 미세화제 첨가는 첨가시간이 지나면 미세화제의 기화나 침전등에 의해 다시 초정 Si의 조대화가 나타나는 단점이 있다. 그러므로 새로운 용탕 처리방법을 연구하여 초정 Si의 미세화정도와 용탕내에서 미세화제가 기능을 유지하는 시간(bolding time)의 증가를 찾는 것이 가장 큰 목적이다. 본 연구에서는 각각의 용탕처리를 통해 초정 Si의 미세화를 시키고 이에 따른 기계적 특성을 조사하였다. 우선 용탕처리방법에서 불활성 gas를 통한 Bubble에 따른 대류현상과 핵생성 사이트를 증가시켜서 초정Si을 미세화 시키는 방법을 사용하였다. 그리고 전자기력을 이용한 전자기진동 (Electro Magnetic Vibration, EMV)법으로 초정 Si의 조대화 억제에 대해서 알아보았다. 또한 미세화제인 AlCuP 첨가를 통하여 holding time에 따른 초정 Si의 미세화정도를 알아보았다. 그리고 물리적인 방안과 화학적 방안을 동시에 사용한 Bubbling-AlCuP의 방법으로 초정 Si의 변화를 알아보았다. 이에 따라서 각각의 용탕처리에 따른 초정 Si의 변화를 Image Analysis으로 초정 Si의 평균 크기를 비교 분석하여 가장 미세한 용탕처리방안 및 조건을 찾아보았다. 그리고 Bubbling과 AlCup등이 초정 Si에 미친 영향을 알아보기 위해서 각각의 시편을 SEM으로 분석하고 EDS를 이용하여 핵생성의 mechanism에 대해서 알아보았다. 또한 초정 Si의 미세화에 따른 기계적 특성의 변화에 대해서 알아보았다. 이에 따른 실험으로는 마모, 인장, 충격, 경도실험 등을 하였으며, 이 때 나타난 결과를 통해 조사 분석하였다. 그리고 각각의 기계적 특성 실험을 마친 시편의 파단면을 분석하여 초정 Si의 미세화가 취성과 연성과 같은 재료특성에 미치는 변화를 SEM를 통해 알아보았다. 실험결과 각각의 용탕처리에서 나타난 초정 Si의 크기의 비교에서는 화학적 방안과 물리적인 방안을 동시에 사용한 용탕처리 방법에서 초정 Si이 가장 미세한 것으로 나타났다. 이때 가장 미세한 조건은 730℃에서 2㎛의 Filter를 통해 Ar으로 만든 Bubble을 8ℓ/min의 속도로 용탕내에서 15분간 Bubbling을 해준 뒤 AlCuP을 50ppm을 첨가하고 15분이 지났을 때 가장 미세한 초정 Si이 나타났다. 초정 Si은 Bubbling-AlCuP, AlCuP, EMV, Bubbling 순으로 미세화 되었다. 또한 각각의 용탕처리에 의해 용탕내 초정 Si들이 미세화되면 각각의 기계적 특성은 좋아졌다. 뿐만 아니라 파단면의 분석을 통해 인장과 충격에서 초정 Si이 어느 정도의 미세화가 나타나기 시작하면 연성을 가지기 시작하는 것을 알 수 있었다. 그리고 마모실험에서는 전자기 진동 방법이 AlCuP첨가 보다 초정 Si의 평균 크기는 크지만 고른 분산을 나타내면서 10000sec까지는 AlCuP보다 높은 내마모성을 가지는 것을 알 수 있었다. 이는 경도로 측정한 값을 확인해봄으로 초정 Si의 분산도를 알 수 있었다. 초정 Si의 분산도에서는 Bubbling-AlCuP 처리방안, 전자기진동방법, AlCuP, Bubbling 순으로 우수하였고, 평균경도값에서는 Bubbling-AlCuP 처리방안, AlCuP, 전자기진동방법, Bubbling 순으로 나타내었다. 그리고 마지막으로 초정 Si의 미세화에 따른 시편내의 전기전도도의 변화를 분석해 본 결과 초정 Si이 미세화 될수록 전기전도도는 증가하는 것을 알 수 있었다.; In the hypereutectic Al-Si alloy, primary Si phases are of great importance, since many of its mechanical properties are directly related to the size, shape and distribution of the primary Si. therefore there is the necessity of microstructure control for the purpose of improving its characteristic of casting. The refinement method of primary Si has been studied with chill modification by increasing of cooling rate and impurity refinement by injection of impurity in order to refine primary Si on the hypereutectic Al-Si alloy. But the refinement by rapid cooling is having trouble with irregular microstructure and difficulty control of cooling rate. Therfore, Injection of impurity most have been used with injection method in the field of industry. In the case of impurity refinement, P, Na, Sr, Se, and W are reported as refiners in which P was reported to be effective refiner. But refinement holding time of primary Si is very short holding time because P has low pressure point. so, It needs different method of molten metal treatment. Now, treatment of molten metal are processes of Bubbling, Electromagnetic vibration, AlCuP-Stirring, Bubbling-AlCuP methods. In this study, make a comparative study respective treatment methods and research of mechnical properties by treatments of molten metal Bubbling method is to verifying how does the bubbling affect the nucleation of primary Si, at 710℃. Argon gas was injected through a porous plug apparatus in 5, 10, 15, 20, 25, 30, 60min. Second method is the use of electromagnetic vibration force when vibration is introduced during solidification, the ensuring convection can grain refinement by a grain-multiplication mechanism. Variables of the experiment was current of 20, 40, 60, 80, 100A and frequency is 1kHz. As the current increased refinement of primary Si So, this study was performed with intending to obtain the good refiner, which was not difficult to treat and had good refinement effect in hypereutectic Al-Si alloy. For select a good refiner and processing condition, the microstructure analysis and mechanical property are examined. Experimental results shows that in the case of refinement of primary Si by AlCuP addition, the primary Si was refined as increasing the amount of adding 50ppm at 730℃ and the holding it within 10min. When AlCuP is added in Al melt, it helps nucleation of primary Si by forming AlP in hypereutectic Al-Si alloy. P reacts with the liquid aluminum to form AlP and serves as an effective heterogeneous nucleant which has a refining effect. In the form of AlCuP or PCl5 Phosphorus was added to the molten Al-Si alloy. however because the effective temperature to work is above the 730℃, the problem of hydrogen solubility should be considered . From an experiment about the Bubbling process and adding of AlCuP in purpose of observing the effect on primary Si in hypereutectic Al-Si alloy, the following results were obtained. - When the Bubbling process and addition of AlCuP has been done above the liquids temperature, as the stirring time becomes longer, the size of the primary Si are smaller. But over 15 minutes, refinement was showing a slight decline. - This process temperature becomes high, the size of primary Si becomes smaller. And its optimum temperature is before and after 730℃. In conclusion, the using of AlCuP and Bubbling for refiner in hypereutectic Al-Si alloy is very effective. And hypereutectic Al-Si alloy improved mechanical properties by treatment of molten metal