Al-Zn-Fe-Si합금의 물성 및 주조특성
윤호섭·김정민†·박준식·김기태 *
한밭대학교 신소재공학과, *한국생산기술연구원 인천연구센터
Properties and Casting Characteristics of Al-Zn-Fe-Si Alloys
Ho-Seob Yun, Jeong-Min Kim†, Joon-Sik Park and Ki-Tae Kim*
Dept. of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University Daejeon 305-719, Korea
*Incheon R&D Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-840, Korea
Abstract
Although aluminum-silicon based commercial casting alloys have been used in applications that demand high electrical or ther- mal conductivity, new aluminum casting alloys that possess higher conductivities are currently required for advanced applications.
Therefore, there is much research into the development of new high conductivity aluminum casting alloys that contain lower amounts of or no silicon. In this research, the properties and casting characteristics of Al-Zn-Fe-Si alloys with various Fe and Si contents were investigated. Two types of AlFeSi phases were formed depending on the Fe and Si contents. As the silicon content increased, the tensile strength of the Al-Zn-Fe-Si alloy increased slightly, while the electrical conductivity decreased slightly. It was also observed that both the fluidity and hot cracking susceptibility of the investigated alloys were closely related to the formation of the AlFeSi phases.
Key words: Aluminium alloy, Casting, Electrical conductivity, Fluidity, Hot cracking.
1. 서 론
전기/전자제품의 소형화 및 고집적화 추세에 맞추어 제품의 방열특성개선을 위한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 알루미 늄 주조합금은 경제성이 높은 주조공정에 적합하고 전도성도 우수하기 때문에 고출력 LED 방열부품 등에 적용되고 있으나 기존의 주조용 합금들은 대부분 Si을 비롯해 많은 양의 합금원 소가 첨가되어 있어 아노다이징과 같은 표면처리가 힘들고 더 욱 고전도성을 필요로 하는 분야에는 적용하기 힘든 문제가 있다. 순수한 알루미늄은 주조용 Al-Si계 상용합금에 비해 열 전도도가 2배가량 높은 것으로 알려져 있으며[1], 따라서 전도 성을 현저히 저하시키는 Si과 같은 합금원소의 함량을 최소화 하면서도 기존의 합금이 가진 우수한 주조특성을 최대한 유지 하는 새로운 주조용 합금의 필요성이 대두되는 시점이다.
대표적인 주조특성에는 용탕의 유동도와 열간균열저항성이 있
으며, 재료의 주조공정 적합성을 평가하는데 있어 중요한 항목 이다. 유동도는 주형 충전성을 대변해주는 중요한 특성으로서 일반적으로 합금의 응고구간에 반비례하는 것으로 알려져 있다 [2,3]. 열간균열은 심각한 주조결함 중 하나로 대체로 응고과정 후반부에 발생하는데, 이 또한 합금의 응고구간에 반비례하는 경향을 나타내지만 응고구간과 더불어 합금의 화학적 조성, 응 고 후반부의 잔류 액상량, dendrite coherency point (DCP), 응고 중 형성되는 상의 특성 등과도 밀접한 관련이 있다[4,5].
본 연구에서는 상용 Al-Si계 합급에 비해 상대적으로 전도성 이 우수한 Al-Zn-Fe-Si계 합금의 각 조성별 물성을 비교하고, 유동도 및 열간균열저항성과 합금의 응고특성과의 관계를 조사 하는 실험을 진행하였다. 합금원소 Zn의 경우 Al기지 고용한도 내 비저항 증가율이 Si의 10% 미만에 불과하기 때문에 대체 합금원소로서 적용되었으며, Fe는 금형과의 소착을 방지하기 위 해 필수적으로 소량 첨가되었다. Si은 비저항 증가율이 높아 Received: December 4, 2012 ; Accepted: February 5, 2013
†Corresponding author: Jeong-Min Kim (Hanbat National Univ.) Tel: +82-42-821-1235, Fax: +82-42-821-1592
E-mail: [email protected]
Journal of Korea Foundry Society 2013. Vol. 33 No. 1, pp. 008~012 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2013.33.1.008 ISSN 1598-706X
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첨가량을 제한하였으며, Al 및 Fe와 반응하여 형성될 것으로 예 측되는 AlFeSi 화합물이 주조특성에 미치는 영향을 조사하였다.
2. 실험 방법
Al 순금속(99.8%), Zn 순금속(99.9%), Al-5%Fe 및 Al-25%Si (wt%) 모합금을 사용하여 유도로에서 용해를 실시하였으며, 대 기 중에서 금형에 주입함으로써 두께 10 mm의 판재형상으로 주조하였다. 제조된 주조시편의 화학조성은 유도결합플라즈마 (ICP)방법을 이용하여 분석하였으며, 그 결과는 Table 1과 같 다. 주조상태의 미세조직은 광학현미경(OM)과 주사전자현미경 (SEM)으로 관찰하였으며, 상 분석은 SEM-EDS와 XRD를 이 용하여 수행하였다. 주조합금의 전기전도도는 접촉식 시험기를 사용하여 측정하였으며, 인장특성은 ASTM B 557M 규격에 따라 평가하였다.
합금의 응고특성을 알아보기 위해 Ar가스분위기에서 5oC/
min의 속도로 DSC (2010, TA instrument)를 이용하여 열분석 을 실시하였으며, 냉각곡선을 이용한 응고특성분석을 위해 용탕 을 직경 100 mm의 graphite 주형에서 냉각시키면서 2개의 열 전대를 용탕 중앙과 바깥쪽에 각각 설치해 냉각곡선을 측정하 였다[6]. 냉각곡선의 정량적 분석으로부터 응고구간 및 dendrite coherency point (DCP)를 도출하였다. DSC를 비롯한 열분석 방법은 많은 장점에도 불구하고 용탕주입 후 비교적 급격히 냉각되는 실제 응고조건과는 상당한 차이가 있으며, DCP와 같 은 중요한 정보를 제공하지 못 하기 때문에 보완적인 방법으 로서 냉각곡선 분석법을 활용하였다. 또한 조성별 DCP 온도에 서의 고상율(액상율)을 실험적으로 측정하기 위하여 주어진 온 도에서 반고상 합금을 수중에 침지하는 급냉실험을 실시하였다.
유동도는 200oC로 예열시킨 나선형태(serpentine)의 내열강 주형을 이용하여 측정하였으며, 50oC의 과열도(superheat)를 가 진 용탕을 주입하였다. 열간균열저항성은 350oC로 예열된 5 mm 두께의 링 형상(ring type) 주형을 이용하여 측정하였으 며, 용탕의 과열도는 100oC를 유지하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 주조합금의 미세조직, 인장강도 및 전기전도도 Fig. 1은 합금조성별 주조상태 미세조직을 나타낸 것으로 조 성에 따라 침상 및 망상형태의 제2상이 분포하는 것을 확인할 수 있다. alloy C와는 다르게 alloy B에는 망상형 조직을 갖 는 제2상이 많이 분포하는 것을 관찰할 수 있으며, alloy A에
도 약간의 망상형 조직이 나타나는 것을 알 수 있다. Zn는 Al기지 내 고용도가 높기 때문에 합금에 첨가된 약 1%의 Zn 는 모두 기지 내에 고용될 것으로 예측되며, 형성된 제2상은 AlFeSi 상인 것으로 나타났다. SEM-EDS와 Fig. 2의 XRD분 석결과를 통해 alloy A와 B에는 주로 α-AlFeSi가, alloy C에 는 β-AlFeSi가 제2상으로 존재 하는 것을 알 수 있다. α- AlFeSi 상은 망상형 구조를 가지며 열적으로 안정한 것에 비 Fig. 1. SEM micrographs with EDS of as-cast Al-Zn-Fe-Si alloys:
(a) alloy A, (b) alloy B, (c) alloy C.
Fig. 2. XRD analysis results of cast Al-Zn-Fe-Si alloys.
Table 1. Chemical compositions of investigated alloys (wt%).
Zn Fe Si Al
A 0.98 0.79 1.03 balance
B 0.99 1.08 1.21 "
C 0.97 0.84 1.67 "
해 β-AlFeSi 상은 침상형 구조를 가지며 열적 안정성이 상당 히 취약한 상으로 알려져 있다[7,8].
이미 언급한 바와 같이 Si은 Al의 전도도를 현저히 감소시 키는 합금원소이기 때문에 주조상태 전기전도도는 Fig. 3에서 와 같이 Si의 첨가량이 증가함에 따라 약간 감소하는 경향을 나타내고 있으나 실험합금들이 모두 ~45%IACS를 나타내고 있어 비교적 우수한 전기전도도를 가짐을 알 수 있다. 참고로 다이캐스팅용 합금인 A380 (8.5Si-3.5Cu)의 전기전도도는 약 27%IACS인 것으로 알려져 있다[9]. Fig. 4에서는 주조합금의 인장강도를 비교한 것으로 기능성 소재로서는 충분한 기계적 강도를 보유하는 것을 확인할 수 있었는데, Si의 첨가량 증가 에 따라 인장강도는 비례하여 증가하는 경향을 보였다.
3.2. 주조성과 응고특성과의 관계
Table 2에서는 각 조성 별 합금의 응고 특성을 정리하여 나 타낸 것이며, 냉각곡선분석(cooling curve analysis)을 통해 얻 어진 응고구간은 조성에 관계없이 거의 유사한 값을 갖는 것 으로 조사되었다. 하지만 Fig. 5와 6에서 나타난 유동도와 열 간균열저항성은 조성 별로 차이가 큰 것을 확인할 수 있으며, 이것은 본 연구에서 조사한 합금들의 경우 유동도와 열간균열 저항성이 응고구간이 아닌 또 다른 인자에 크게 영향을 받는
다는 것을 암시하고 있다.
유동도의 경우 alloy B가 상대적으로 가장 우수한 것으로 조사되었는데, B가 A보다 유동도가 약간 높은 것은 Si의 함량 증가로 인한 응고잠열의 증가효과로 해석할 수 있다[10]. 하지 만 alloy C가 가장 낮은 유동도를 보이는 현상은 복잡한 변수 들의 조합결과로 보이는데, 응고 중 형성되는 β-AlFeSi 상과 관련이 있을 것으로 추정되지만 보다 심층적인 연구가 필요한 상황이다. 만약 유동도 시험 중 금형 내부를 흐르는 용탕 선 단 부분에 형상이방성이 큰 β-AlFeSi 상이 다량 형성되면 유 동도는 급격히 저하될 수 있을 것으로 예상된다.
조성별 열간균열 취약성의 경우에도 Table 2의 응고특성으로 결과를 설명하기는 어려운데, 즉 Si 첨가량 증가에 따라 액상 Fig. 5. Fluidity of Al-Zn-Fe-Si alloys measured by a fluidity serpen-
tine method.
Fig. 6. Hot cracking susceptibility(HCS) of Al-Zn-Fe-Si alloys meas- ured by using a ring-type mold.
Fig. 3. Electrical conductivity of cast Al-Zn-Fe-Si alloys.
Fig. 4. Ultimate tensile strength(UTS) of cast Al-Zn-Fe-Si alloys.
Table 2. Solidification characteristics of investigated alloys (oC).
Start End Solidification
Range Temp. (DCP)
A 644 620 24±1 641
B 643 620 23±1 638
C 641 618 23±1 635
선 온도대비 DCP온도가 상대적으로 저하되는 경향을 보이고 있어 열간균열 취약성도 함께 감소할 것으로 예측되지만 실제 로는 alloy C가 가장 높은 취약성을 보이고 있다. Fig. 7은 조성별로 DCP에서의 액상율(%)을 급냉실험을 통해 평균값을 측정하여 나타낸 것으로 비록 급냉실험을 통해 측정한 액상율 에는 적지 않은 편차가 존재하지만 alloy B와 C가 비슷한 수 준을 나타내는데 반하여 alloy A는 액상량이 월등히 많은 것 을 알 수 있었다. 일반적으로 합금의 응고과정은 주로 mass feeding과 interdendritic feeding 단계로 크게 나눌 수 있다[4].
응고가 시작하고 DCP 온도까지는 mass feeding이 일어나지만 DCP를 지나 응고가 끝나는 온도까지는 주로 interdendritic feeding이 일어나게 된다[6,11].
alloy A의 경우 DCP온도에서 상대적으로 액상%가 높은 즉, 고상율이 낮은 경우이기 때문에 결과적으로 열간균열이 발생할 수 있는 interdendritic feeding 과정을 겪는 액상량이 많아 균 열에 취약할 수 있으며, 따라서 alloy A가 B보다 약간 열간균 열 취약성이 높은 원인은 일부 이해될 수 있다. 하지만 alloy C에서 열간 균열 취약성이 가장 높은 것은 설명이 불가하며, 이것은 주로 침상형태의 β-AlFeSi 상과 밀점한 관련이 있는 것으로 보인다.
전술한 주조상태 미세조직 분석결과 및 Fig. 8의 급냉 미세 조직에서 알 수 있듯이 alloy C에서는 주로 침상의 β-AlFeSi 상이 형성되며, 응고후반기에 침상형 구조를 가진 β-AlFeSi 상
은 잔류 액상이 수축하는 지점으로 공급되는 것을 방해할 뿐만 아니라 열간균열이 발생하는 지점 자체로도 작용할 수 있을 것 으로 추정된다. 본 실험합금들의 열간균열저항성의 경우 응고구 간이 유사하기 때문에 주로 제2상인 AlFeSi 상의 특성에 크게 영향을 받는 것으로 생각되며, 따라서 Fe와 Si의 함량과 비율 을 적절히 조절하여 제2상의 종류와 형성량을 제어함으로써 열 간균열저항성을 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 결 론
Al-1Zn-Fe-Si 합금에서 미세조직, 물성 및 주조특성을 조사 한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) Al-Zn-Fe-Si 합금의 주조상태 미세조직에서 제2상은 주로 α-AlFeSi 또는 β-AlFeSi으로 존재하며, 유사한 Fe 함량에서 Si의 첨가량이 증가할수록 β-AlFeSi 상의 분율이 높아지는 것 으로 나타났다.
2) 전기전도도의 경우 Si의 함량 증가에 따라 약간 저하되는 반면 인장 강도는 반대로 점차 증가하는 경향을 보였다.
3) 열간균열 취약성은 많은 변수의 영향을 받는 복잡한 현상 이지만 본 실험합금에서는 제2상인 AlFeSi 상의 형성과 밀접 한 관련이 있는 것으로 나타났는데, 즉 침상형태의 β-AlFeSi 상이 다량 형성된 합금에서 가장 높은 취약성을 보였다.
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(a) alloy A, (b) alloy B, (c) alloy C.
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