Received: Sep. 16, 2019 ; Revised: Sep. 25, 2019 ; Accepted: Oct. 10, 2019
†
Corresponding author: Su-Gun Lim (Gyeongsan Nat'l Univ.) Tel: +82-55-772-1664, Fax: +82-55-772-1670
E-mail: [email protected]
Journal of Korea Foundry Society 2019. Vol. 39 No. 5, pp. 94~101 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2019.39.5.94 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381
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경사냉각판을 이용한 반응고 알루미늄 합금의 미세조직 및 성형성 평가
황범규 *,** · 김순국 *** · 김덕현 **** · 임수근 **,†
*마그마엔지니어링코리아, **경상대학교 재료공정융합공학과, 항공기부품 기술연구소
***동의대학교 IT융합부품소재공과대학 신소재공학부, ****경상대학교 나노신소재공학부
Evaluation of Microstructure and Formability of Rheocasting Aluminum Alloy by Inclined Cooling Plate
Bum-Kyu Hwang*,**, Soon-Kook Kim***, Duck-Hyun Kim**** and Su-Gun Lim**,†
*MAGMA Engineering Korea Co., LTD., Seoul 07997, Republic of Korea
**Dept. of Metallurgical and Materials Engineering, ReCAPT, Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Republic of Korea
***Dept. of Advanced Material Engineering, Dong-Eui Univ., Busan 47340, Republic of Korea
****Gyeongsang National Univ., Jinju 52828, Republic of Korea
Abstract
This study investigated the microstructure properties of A356 and AC8A alloys with a rheocasting mold using an inclined cooling plate. In addition, a formability evaluation was performed according to the solid fraction. Regardless of the position, the overall microstructure was shown to be uniform and a finer crystal structure was obtained as the solid fraction increased. The study confirmed that the molding pattern changed according to the solid fraction and that the spherical α-Al and eutectic α were identified. The results of the formability according to the solid fraction of A356 and AC8A alloys were similar to the simulation results.
Key words: Cooling plate, Rheocasting, A356 and AC8A alloys
1. 서 론
알루미늄 합금은 자동차, 선박, 항공기 등에서 다양하게 사 용되고 있으며 그 중에서도 특히 Al-Si 합금은 합금 함량에 따른 다른 원소와의 공존에 대한 문제점이 적고 주조성이 양 호하며 우수한 기계적 성질을 가진다. 그리고 다량의 Si를 첨가하여도 점성의 저하 및 산화의 우려가 적으며 비중의 증 가가 없는 것이 특징이다[1,2]. 특히 열처리 및 냉간가공 등 사용조건에 따라 기계적 물성치를 변화시킬 수 있어 실제 적 용범위가 광범위하다는 장점이 있다[3]. 그러나 일반적인 주 조방법 등에 의해 제조된 제품에서는 응고시에 수지상조직이
형성됨에 따라 성형성이 저하되고 균일한 조직 및 기계적 성 질을 확보하기 어려운 단점이 있다. 따라서 수지상 조직을 절단하여 구상화시키고 균일한 미세조직을 가지는 합금을 제 조하는 기술을 1971년 MIT의 M. C Flemings에 의해 개 발된 Rheocasting, Thixocasting으로 부르고 있으며, 지금도 반응고(Rheocasting), 반용융(Thixocasting) 성형법으로 많은 연구가 진행되고 있다[4-7]. 하지만 반용융(Thixocasting) 성 형법은 제작된 빌렛의 가공 및 처리 문제와 재용융을 위한 공정이 추가됨으로 인해 제품 양산이 어려운 실정이다[8]. 반 응고 상태에서 주조하는 Rheocasting에는 용탕을 기계적 또 는 전자기력을 이용하여 교반시킴으로써 구상의 초정을 생성
하는 교반법과, 성장하는 수지상의 절단 없이 구형의 초정을 가지도록 하는 무교반법이 있다. 결정 유리설에서 고안한 경 사냉각판법은 무교반법 중의 하나로 수냉된 경사냉각판 위에 용융금속을 흘려주어 구형의 초정을 형성시켜 간단한 방법으 로 반응고 합금을 만드는 방법이다[9]. 따라서 수지상 조직 을 구형화하고 합금함량 및 비중차에 관계없이 편석등을 방 지하고 기계적 특성 등을 안정화 할 목적으로 본 연구에서 는 경사냉각판을 이용하여 상용소재로 많이 이용되고 있는 아공정계 A356 합금과 과공정계 AC8A 합금을 반응고 상 태에서 금형에 주입하여 시편을 제조한 후 미세조직을 관찰 하였다. 그리고 고상분율 차이에 따른 반응고 합금의 성형성 평가를 진행하였다. 성형성의 경우 MAGMA GmbH사의 MAGMASOFT와 Thixocasting 및 Rheocasting 전용 툴로 구성된 SIGMASOFT를 이용하여 반응고 성형해석을 진행하 였으며 실제 실험 결과 등과 비교 분석하였다.
2. 실험방법
본 연구에서 사용한 Al 합금은 상용소재인 A356(아공정 Al-7Si-Mg) 및 AC8A 합금(과공정 Al-13Si-Cu-Ni-Mg)을 이용하였으며 이에 대한 자세한 조성은 Table 1에 나타내었 다. 반응고 합금을 제조하기 위해 전기저항 가열로를 이용하 여 상기 합금 각각 1 kg을 용해온도 720oC에서 흑연도가니 를 이용하여 1차적으로 용해하였다. 또한 몰드(Mold)의 경우 별도의 전기저항 가열로를 이용하여 600oC로 예열 후 1차 용해한 합금 용탕을 경사냉각판을 거쳐 예열한 몰드 내로 주 탕 후 반응고 조건을 위해 일정 시간 유지 후 금형에 주입 하는 것으로 하였다.
2.1 경사냉각판을 이용한 반응고 주조 및 DSC분석 경사냉각판 실험의 경우 여러 연구를 통해 소개가 되었으 며[10], 본 연구에서는 A356 합금 기준으로 기존의 연구결과 초정 α상이 가장 미세한 조건인 경사냉각판 40o 몰드온도 600oC를 기준으로 실험을 진행하였다[11]. 반응고주조를 위해 몰드에 주탕 후 목표로 하는 고상분율 온도까지 유지한 후 Fig. 1과 같은 형태의 주조용 금형에 주입하고 일정 압력을 가하여 목적하는 형태의 주조시편을 만드는 방법으로 진행하 였다. 이 때 정확한 고상분율 등을 확보하기 위한 선행연구 로 몰드에 주탕된 액상 내로 열전대를 투입하여 온도 하강에 따른 열분석 시험을 실시하였으며, 이 결과와 MAGMASOFT 내의 데이터베이스를 통해 얻어진 고상분율 등을 비교하여
반응고 주조온도 조건을 설정하였다. 또한 관련 소재에 대한 DSC 분석을 별도로 실시하여 액상에서 고상으로의 상변화 특성 등을 비교 검토하고자 하였다.
2.2 고상분율에 따른 성형성, 미세조직 및 기계적 성질 고상분율에 따른 합금의 주조 특성평가를 위해 Fig. 1의 시작 금형을 215oC로 가열한 후 몰드 내 용탕을 주입하였다.
또한 비교를 위해 금형 중력주조 시편을 동일 금형을 이용하 여 주조하였으며, 이를 Fig. 2에 나타내었다. 반응고 주조는 선행연구 기초실험 결과를 토대로 하여 A356 합금은 고상분
Table 1. Chemical compositions of A356 and AC8A alloys.
Element Si Fe Cu Mn Mg Ti Zn Ni Al
A356(wt.%) 7.1 0.12 0.1 0.1 0.3 0.2 0.1 Bal.
AC8A(wt.%) 13 0.8 1.0 0.1 1.0 0.2 0.1 1.0 Bal.
Fig. 1. Photograph of rheocasting mold for experiment.
Fig. 2. Comparison for permanent molded specimen in rheocasting
mold.
율 10%, 20%, 30%의 조건으로 하였으며, AC8A 합금은 고상분율 5%, 20%, 30%로 설정하여 실험을 진행하였다.
각 합금 성형품의 미세조직을 분석하기 위하여 부위별 시 편을 채취하여 미세연마를 진행하였고 이를 광학현미경을 이 용하여 관찰하였으며, 제작된 각 성형품의 기계적 특성은 부 위별로 마이크로 비커스 경도 시험을 수행하여 평가하였다.
그리고 경사냉각판을 사용하지 않고 직접 몰드에 주탕한 소 재를 이용한 반응고 주조 시험편과의 조직특성을 비교하였다.
2.3 시뮬레이션을 통한 결과 자료 비교
경사냉각판을 이용한 반응고 주조합금에 대한 성형성 평가를 시뮬레이션을 통해 확인하였으며, 실제 주조결과와 비교하였다.
주조 시뮬레이션은 MAGMA GmbH사의 MAGMASOFT를 사용하였으며, 실험에 사용된 합금재질 및 경사냉각판 적용에 따른 용탕 초기온도 및 냉각 시 온도 변화 등을 고려하여 해석을 수행하였다.
성형성 평가를 위해 점성거동 모델을 사용하는 MAGMA GmbH사의 SIGMASOFT를 활용하였는데, SIGMASOFT 는 특히 점성거동의 대표라 불리는 플라스틱 및 러버(고무) 분야에 전세계적으로 많이 사용되고 있는 소프트웨어로 현 재 알려져 있다. 주조 시뮬레이션의 경우 Rheology model 은 Newtonian 모델을 활용하지만 SIGMASOFT의 경우는 Rheology model은 Non-Newtonian 모델을 활용하며, 일반 적으로 Cross, Carreau, Ostwald-de Waele 등 여러 모델들이 SIGMASOFT 데이터베이스에 포함이 되어 있다. 이번 성형 해석에서는 이 중에서 Ostwald-de Waele 모델을 선정하였다 [12]. A356 및 AC8A 합금의 경우 점성 거동 실험 및 기본 시뮬레이션에 필요한 밀도, 비열, 열전도도, 점도, 고상분율 등 을 온도별로 실측한 데이터가 기본적으로 포함되어 있으며, 또 한 점성거동에서 해석이 신뢰성을 가지기 위한 중요한 물성은 고액 공존영역에서의 점성 데이터이므로, 본 연구에서는 속도 및 온도별로 측정되어 있는 데이터를 활용하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 합금 열분석 및 DSC 측정 결과
A356 및 AC8A 합금의 열분석 결과를 Fig. 3에 그리고 비교 확인을 위한 MAGMASOFT 데이터베이스를 Table 2 에 나타내었다. 열분석 결과 A356 합금의 경우 대략 615~
567oC의 고액 공존구간을 형성하고 있었으며, AC8A 합금의
경우는 대략 573~540oC의 고액 공존구간을 나타내었다. 그 리고 두 합금에서의 고액공존 구간 내에서의 고상분율 확인 을 위해 데이터 베이스를 이용하여 확인 결과, A356 합금의 경우는 고상분율 610oC 15초에서 10%, 604oC 35초에서 20%, 600oC 55초에서 30%의 결과를 확인하였으며, AC8A 의 경우 570oC 35초에서 5%, 565oC 50초에서 20%, 562oC 53초에서 30%의 고상분율을 형성하고 있음을 확인할 수 있 었다. 또한 각 합금에서의 상변화 특성을 확인하기 위해 DSC 분석을 실시하였다. DSC 분석 시 측정조건은 Ar gas 분위기에서 측정온도 범위 30~700oC, 승온속도 10oC/min으 로 하고, 그래프 작성범위는 300~700oC로 하였으며 그 결과 를 Fig. 4에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 A356 합금은 액상선 온도 600oC, 고상선 온도 550oC, AC8A는 액상선 온도 570oC, 고상선 온도 530oC로 나타났으며 실측 결과 및 데이터베이스 분석 결과와 유사한 결과를 나타내었 으나 일부 오차가 발생한 것은 DSC분석의 경우 시료량이 적고 분석횟수가 적어 합금화에 따른 편석 및 일부 불균질 성분 등으로 인하여 부위에 따라 고액 공존온도 및 상변화 특성 등에 다소 차이가 발생한 것으로 여겨지며, 또한 미량 원소 함유 등에 따라 부분적인 상변화 발생 등으로 인해 결 과차가 발생한 것으로 판단된다.
3.2 고상분율에 따른 성형성, 미세조직 및 기계적성질 Fig. 5에 합금별 고상분율에 따른 성형성을 평가한 결과를 나타내었다. 본 합금의 경우 가압조건에 따라 성형특성이
Table 2. Solid fraction with temperature A356 and AC8A alloys.
Temperature (
oC) 617 610 604 600 576 566 559 547
(A356) (%) 0 10 20 30 50 70 90 100
Temperature (
oC) 580 570 565 562 555 545 535 530
(AC8A)(%) 0 5 20 30 45 65 85 100
Fig. 3. Cooling curves of A356 and AC8A alloys.
달라질 것으로 판단되나, 실험실 조건을 고려하여 압력은 10 MPa로 고정하여 실험을 실시하였으며 반응고 조건에 따 른 성형결과는 다음과 같다. Fig. 5(a)에서 나타난 바와 같이 A356 합금은 우측 판상형태가 좌측의 봉상에 비해 전 체적으로 양호한 성형특성을 나타내었다. 판상시편의 단면적 은 61.3 mm2, 봉상시편은 단면적 27.84 mm2으로 금형이 설 계되어, 고상분율이 낮은 경우 통로 단면적이 큰 판상시편이 봉상시편에 비해 낮은 고상분율로 금형 내 주입이 용이하고 유동에 따른 간섭효과도 적어 곡선형의 봉상에 비해 성형이 더 잘 된 것으로 보여진다. 그러나 고상분율 증가 시 판상시 편의 성형성은 봉상시험편에 비해 많이 둔화되고 있는 것으 로 나타났다. 그 이유는 액상율 저하와 함께 봉상시편에 비 해 표면적/체적 비가 증가함으로 인해 유동특성이 전반적으로 저하하는 것으로 판단된다. 그 결과를 Fig. 5(b),(c)에서 나타 난 바와 같이 고상분율 증가에 따라 성형성은 다소 떨어지나 가압력을 증가할 경우 액상율 저하 및 표면적 증가에 따른 간섭을 상쇄 할 수 있어 반응고 주조가 가능할 것으로 보이 며, 고상분율 증가에 따른 가압력 관련하여 추후 관련실험이 필요할 것으로 판단된다. Fig. 5(d),(e),(f)는 AC8A 합금의 고상분율에 따른 성형성 결과이며 A356 합금의 경우와 마찬
가지로 고상분율이 높아짐에 따라 성형성은 다소 저하하는 것으로 나타났다. 하지만 A356 합금과 비교하여 Si 함량에 따른 성형특성 차이는 일부 나타나고 있으며 AC8A는 동일 조건에서 A356 합금에 비해 성형특성이 우수한 것으로 나타 났다. 특히 판상시편의 성형성이 A356 합금에 비해 우수한 것으로 나타났다. 그 이유는 Si함량 증가에 따라 액상의 유 동특성이 우수하여 성형에 영향을 미친 것으로 판단된다.
Fig. 6은 반응고 주조된 A356 합금을 절단한 후 미세조직을 관찰한 결과이다. Fig. 6(a)는 고상분율 10%가 되는 610oC 의 온도에서 반응고 주조한 시료의 미세조직으로, 균일한 크 기의 구상 혹은 로젯 형상의 α-Al 초정상과 그 주변에 공정 조직이 구성되어 있는 것으로 나타났다. 고상분율 20%가 되 는 604oC 및 30% 600oC의 온도에서의 미세조직 결과도 Fig. 6(a)의 10%에서와 같이 유사한 구형의 α-Al 초정상과 그 주변에 공정 조직이 구성되어 있는 것으로 나타났다. 그
Fig. 4. DSC analysis of A356 and AC8A alloys.
Fig. 5. Product formability results of A356 and AC8A alloys : Solid fraction of (a) A356 10%, (b) A356 20%, (c) A356 30%, (d) AC8A 5%, (e) AC8A 20%, and (f) AC8A 30%.
Fig. 6. Microstructures of A356 alloy rheocasing by solid fraction : (a) 10%, (b) 20% and (c) 30%.
러나 전반적으로 고상분율이 증가될수록 α-Al 초정상의 크기 가 작으며 구형의 형태를 띠고 있는 것으로 나타났다. 경사 냉각판을 사용하지 않은 주조조직 사진을 Fig. 7에 나타내었 는데, 경사냉각판을 사용하지 않는 주조조직의 경우 구형화 효과가 거의 없으며 이는 기존의 연구결과[9] 등과 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 경사냉각판을 사용하는 것이 그렇지 않은 것에 비해 성형성에 우수한 요인으로 작용하는 것으로 판단된다. Fig 8에 AC8A 합금의 고상분율에 따른 미세조직 을 나타내었다. A356 합금과는 달리 초정 Si이 정출되어 있
다. Fig. 8(a)에 반응고 주조 후 고상분율 5%가 되는 570oC 의 온도에서 성형된 제품의 미세조직을 나타내었다. 경사냉각 판에 의한 반응고 주조조직의 경우 초정 Si상 및 공정상들이 분포되어 있으며 비중차에 의한 편석은 관찰되지 않았다. 따 라서 반응고 주조를 통해 기존의 중력주조와는 달리 Si 함량 을 증가하더라도 내부 균일도 향상에 도움을 줄 수 있을 것 으로 판단된다. Fig. 8(b),(c)에서 반응고 주조 후 고상분율 20%가 되는 565oC 및 30%, 562oC에서의 미세조직에서도 초정 Si상과 공정상들이 분포되어 있으며 구형의 α공정 조직 을 나타내며 고상분율 증가에 따라 전반적으로 조직이 미세 한 결과를 나타내고 있다.
다음은 합금별로 미세조직을 관찰한 후 α-Al, 공정상, 초 정Si 상에 대한 경도를 측정하였다. Fig. 9(a)은 A356 합금 의 경도값 결과를 나타낸 것으로 초정 α상의 경우 고상분율 10%로 가장 낮을 때 약 52~55 Hv 값을 나타내었으며 고상 분율 20%, 30%은 약 57~60 Hv 값으로 거의 유사하게 나타 났다. 그리고 공정상의 경우 고상분율에 관계없이 약 64~67 Hv 값을 나타내었다. 다음은 AC8A의 경도값을 Fig. 9(b)에 나타내었다. 고상분율에 따라 공정상 영역은 고상분율에 관계 없이 약 85~87 Hv 값을 나타내었다. 마지막으로 초정Si 상 의 경우도 고상분율에 따라 다른 경향을 보이지 않은 약
Fig. 9. Micro Vickers hardness with solid fraction : (a) A356, (b) AC8A alloy.
Fig. 8. Microstructures of AC8A alloy rheocasing by solid fraction : (a) 5%, (b) 20% and (c) 30%.
Fig. 7. Microstructure of Permanent mold casting by A356 alloy.
95~97 Hv 값으로 나타났다.
3.3 시뮬레이션 해석 결과
시뮬레이션을 통해 몰드에 주입 후 시간에 따른 온도 변 화 데이터를 확보하여 실측 곡선과 비교한 결과를 Fig. 10 에 나타내었다. Fig. 10(a)와 같이 경사냉각판 형상을 모델 링하여 실험조건과 유사한 조건으로 진행하였으며 몰드 중심 부에 열전대 기능을 이용하여 온도 변화를 측정하였다. Fig.
10(b)에서 A356 합금은 시뮬레이션의 냉각 곡선을 비교한 결과 실측 곡선과 경향성이 유사하게 나타났으며, AC8A 합금은 냉각 곡선의 경향은 유사하게 나타났으나 전반적으로 온도편차가 약 10oC이내로 발생하였다. A356 합금과는 달 리 AC8A 합금은 Si함량 차이 외 Mg, Cu 등의 함량이 많아 고상선 및 액상선 형성에 영향을 미칠 수 있을 것으 로 보이며 이로 인해 응고개시온도 등에 다소 편차가 발생 되었다고 판단된다. 그리고 실제 반응고 주조결과와 비교하 기 위하여 SIGMASOFT를 통해 성형성 해석을 수행하여 확 인한 결과를 Fig. 11에 나타내었다. A356 합금의 경우 고상 분율에 따라 성형되는 양상이 실제 성형된 형상과 유사하게 나타났다. 또한 점도의 경우 고상분율이 낮을수록 Shearing Rate(전단률)이 높은 것을 확인할 수 있으며, 이는 점성이 낮 아져 유동성이 높다는 것을 Viscosity = Shear Stress/Shear Rate 에서 확인 할 수 있다. 이 결과 등을 토대로 박육부 제품 및 복잡한 형상제품의 성형 해석에 도움이 될 것으로 판단된다. Fig. 12에서 나타난 바와 같이 AC8A 합금의 경 우 실제 성형된 형상보다 시뮬레이션 상에서 20% 이상의 고상분율의 경우 봉상부 성형이 더 잘 되는 것으로 나타났으 며 고상분율에 따른 형상은 A356 합금과 같이 고상분율이 낮을수록 전단률이 높으며 점성이 낮아지는 경향으로 나타났 다. 시뮬레이션에서 봉상부 성형이 5%의 경우는 실제 성형 형상과 같은 경향으로 나타나고 있으나, 고상분율이 높을수록
두 합금 모두 실제 성형결과와 시뮬레이션 결과에 약간의 차 이가 나타나며, 이 결과를 통해 반응고 성형 시 가압력이 고 상분율에 비해 성형조건에 더 큰 영향을 주는 것으로 판단할 수 있다. 따라서 이를 확인하기 위해 가압력을 20MPa로 시 뮬레이션을 수행하였으며 그 결과를 Fig. 13에 나타내었다.
Fig. 11. Simulation results of temperature and shearing rate by solid fraction : (a) A356 10%, (b) A356 20%, and (C) A356 30%.
Fig. 10. Simulation results of A356 and AC8A alloys Cooling curve : (a) Cooling plate 3D modeling, (b) Comparison of simulation cooling
curve.
그림에서 보는 바와 같이 가압력이 충분한 경우 고상분율에 상관없이 성형 결과가 양호하게 나타남을 알 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서 기존의 금형주조에서 발생할 수 있는 첨가원
소 함량에 따른 편석이나 비중차이로 인한 기계적 특성, 불 균일 및 조직결함 등을 방지하기 위하여, 상용의 A356, AC8A 합금을 대상으로 하여 경사냉각판법을 적용한 반응고 주조품의 미세조직 및 성형성 특성에 대하여 다음과 같은 결 론을 얻었다.
중력주조에서 발생할 수 있는 첨가원소 함량에 따른 편석 이나 비중차로 인한 조직결함등은 발생하지 않았으며, 압력조 건 변화가 불가하여 반응고 주조의 경우 중력주조 대비 완전 한 성형 제품을 얻지 못하였지만 고상분율에 따라 성형 양상 이 달라지는 것을 확인하였으며 기존의 주조재와 비교하여 구형의 초정상 조직이 나타나고 있음을 확인할 수 있었다.
냉각경사판에 의해 제조된 반응고 A356, AC8A 합금의 미세조직 관찰 결과 위치에 상관없이 전반적으로 균일한 미 세조직을 나타내었으며 고상분율 증가에 따라 더 치밀한 결 정조직을 나타내었다.
경도값의 경우 큰 차이는 없으나 A356 합금 초정 α상의 경우 고상분율이 증가할수록 조직이 치밀해져 경도값도 약간 상승하는 것을 확인할 수 있다.
A356, AC8A 합금별 고상분율에 따른 성형성은 시뮬레이 션으로 확인한 결과와 유사한 경향성을 나타내고 있으며, 관 련합금 성형 시 시뮬레이션 결과 등을 토대로 작업조건 등을 설정할 수 있다는 것을 확인하였다.
반응고 성형의 경우 고상분율 및 가압력에 따라 성형 정도 가 달라질 수 있으며, 가압력이 고상분율에 비해 더 큰 영향 을 미치는 것을 알 수 있었다.
References
