4.1.1 냉각곡선에 따른 미세조직 및 SDAS 관찰
3원계 합금인 Al-Si-Cu 합금에서 Si의 함유량을 8wt%로 고정하고 Cu의 함유량을 0∼2wt%로 변화를 시킨 후, 각 층에서 냉각곡선과 SDAS를 관찰하였다. Fig. 4.1은 시 간에 따른 온도변화의 그래프를 나타낸 것이다. 2wt%Cu에서 냉각곡선을 살펴보면 주 물의 양이 각각 다르므로 냉각속도가 현저히 차이가 난다. Al2Cu상은 Al-Si-Cu 합금 에서 최종으로 응고되는 상으로 비평형응고일 때 470∼480℃에서 냉각이 되는 것으로 나타난다 [28]. 이 그래프에서 냉각속도가 빠르므로 Al2Cu상이 응고되는 점을 찾는 것 을 확인하기에는 어렵다. 냉각속도는 응고가 시작되는 점으로부터 응고가 끝나는 점의 구간과 응고가 되는 시간의 기울기를 나타낸다. Al-Si-Cu 합금의 냉각곡선 그래프에 서 2차 미분을 하여 변곡점이 되는 부분을 각각 구하였으며, 액체와 고체가 공존하는 액상선과 공정온도가 시작되는 시점 또는 공정온도에서 응고가 끝나는 시점인 고상선 을 각각 구하였다. Al-Si-Cu 합금에서 냉각곡선모식도인 Fig. 2.6에서 Al2Cu상이 응고 되는 시점을 최종응고점으로 선택하여 냉각속도를 측정하였다.
다음 Fig. 4.2는 각각의 Cu의 함유량과 3층에서의 응고곡선에 대한 차이를 나타내었 다. Cu의 함유량이 0%에서 1%증가하면 액상선으로 부터 응고되는 시작점은 현저히 떨어지지만, Cu가 1%에서 2%로 증가하여도 변화가 없음을 나타낸다. Cu가 0∼2wt%
까지 함유량이 변화됨에 따라 공정성장 시작 온도가 약간의 감소되는 경향이 보인다.
Fig. 4.3은 냉각곡선을 기준으로 주형의 층수와 응고가 끝나는 시간에 관계된 그래프 를 나타낸다. 1층에서 4층으로 올라갈수록 주물의 두께가 증가하기 때문에 냉각시간이 길어진다. 진동을 주지 않았을 때, Cu함유량이 증가할수록 상대적으로 2∼4층의 냉각 시간은 길어지는 양상을 보인다.
미세조직을 관찰한 결과는 Fig. 4.4에 나타내었다. 일반주조의 경우에는 상대적으로 냉각속도가 빠른 1층에서 주상정으로 응고되는 것(방향성 응고)을 확인하였으며, 층이
올라갈수록 주상정응고 보다 등축정응고가 나타남을 알 수 있다. 또한, Cu의 함유량에 관계없이 미세조직의 결과는 비슷한 양상을 나타내었다. Fig. 4.5는 고배율에서 본 미 세조직사진이다. 수지상정을 중심으로 모여 있는 Al+Si 공정상이 흩어져 미세화가 되 는 것을 관찰할 수 있다. Fig. 4.6은 Cu의 함유량에 따른 3층에서의 미세조직 사진을 나타낸다. Al-8wt%Si에서 1wt% Cu첨가 되었을 때, flake형태의 공정상이 흩어지는 효과를 볼 수 있다. 또한, Cu의 함유량이 증가할수록 α-Al+Si의 공정상이 미세해지는 것을 확인하였다.
4.1.2 Cu의 함유량에 따른 SDAS 및 비례상수 A의 관계
Fig. 4.7은 Cu의 함유량을 0∼2wt%로 변화시켰을 때 SDAS에 대한 그래프를 나타 낸다. SDAS가 가장 짧은 것은 주물의 두께가 가장 얇고 냉각속도가 빠른 1층이며, SDAS가 가장 긴 것은 주물의 두께가 가장 두꺼우며 냉각속도가 가장 느린 4층인 것 으로 나타난다. Al-8wt%Si에서 Cu를 첨가하였을 때, 주물의 두께에 따라서 SDAS에 영향을 받지 않는 것을 알 수 있다.
앞서 각각의 층에서 SDAS을 구한 값과 냉각속도에 관계식인
이차수지상정의 길이
와 냉각속도의 관계되는 비례상수
냉각속도
식에 대하여 Fig. 4.8로 나타내었다.
이 식을 일차함수로 표현할 수 있으며 기울기는 A값으로 나타낸다. 각층마다 SDAS 가 영향을 끼치지 않기 때문에 직선 회귀법으로 나타내었다. 이를 정리하여 Fig. 4.9와 같이 Cu의 함유량에 따른 A의 값에 대한 관계식을 나타낸다. 0wt%의 Cu에서 1wt%
첨가하게 되면 A값은 약간 감소하고 2wt%Cu에서 A값은 상당히 감소하는 것으로 나 타났다. 이는 SDAS에 대하여 냉각속도의 영향이 작아져 상대적으로 미세조직의 분포 도에 영향을 미친다고 판단된다.
Figure 4.1 Graph showing the cooling curve of at Al-8wtSi-2wt%Cu alloys during the casting without mechanical vibration.
Figure 4.2 Graph showing the cooling curves at 3rd step during the casting without mechanical vibration.
Figure 4.3 Graph showing the solidification time the during casting without mechanical vibration.
Figure 4.4 OM images of Al-8wt%Si-2wt%Cu cast without mechanical vibration.
Figure 4.5 OM images of Al-8wt%Si-2wt%Cu cast without mechanical vibration (magnified).
Figure 4.6 OM images of Al-Si-XCu alloys cast without mechanical vibration.
Figure 4.7 SDAS the cast without mechanical vibration.
Figure 4.8 Estimation of the coarsening sensitivity(A) in Al-8wt%Si alloy.
Figure 4.9 Measured proportional constant A as a function of Cu content in Al-Si-Cu ternary alloys cast without mechanical vibration.