Effects of Fe and Cu Addition on the Microstructure and Tensile Properties of Al-Si-Mg Alloy for Compound Casting

-김정민: 교수, 정기채: 조교, 김채영: 학사과정, 신제식: 수석연구원

Received: Nov. 12, 2020 ; Revised: Jan. 5, 2021 ; Accepted: Jan. 5, 2021

†

Corresponding author: Jeong-Min Kim (Hanbat Nat’l Univ.) Tel: +82-42-821-1235, Fax: +82-42-821-1592

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2021. Vol. 41 No. 1, pp. 3~10 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2021.41.1.3 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

© Korea Foundry Society, All rights reserved.

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creative- commons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

복합주조용 Al-Si-Mg합금의 미세조직 및 인장성질에 미치는 Fe 및 Cu 첨가의 영향

김정민 *^,†· 정기채 * · 김채영 * · 신제식 **

*한밭대학교 신소재공학과, **한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소

Effects of Fe and Cu Addition on the Microstructure and Tensile Properties of Al-Si-Mg Alloy for Compound Casting

Jeong-Min Kim*^,†, Ki-Chae Jung*, Chae-Young Kim* and Je-sik Shin**

*Department of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University, Daejeon 34158, Republic of Korea

**Research Institute of Advanced Manufacturing Technology, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 21999, Republic of Korea

초 록

알루미늄 합금과 주철의 복합주조 공정 중에는 주철로부터 철 성분이 용해되어 알루미늄 용탕에 혼입될 수 있으므로 다양한

Fe함유 금속간 화합물이 형성되며, 이로 인해 알루미늄 합금의 인장 특성이 크게 저하 될 수 있다. 반면 불순물로 첨가되는 Fe와

는 달리 Cu의 경우 알루미늄 합금의 기계적 물성을 향상시키기 위해 첨가되는 합금원소이다. 본 연구에서는 Fe와 Cu의 첨가로

인한 알루미늄 합금의 미세조직 및 인장특성의 변화를 조사하였다. 첨가된 Fe 함량이 1% 이상일 경우 조대한 Al5FeSi 상과 같은

Fe 함유 화합물들이 다량 형성되어 인장 특성이 현저히 감소하는 것으로 나타났다. Cu가 첨가 된 알루미늄 합금의 경우 Al2Cu

상이 추가로 형성되었으며, 인장 강도가 뚜렷하게 향상되는 결과를 보였다.

핵심용어; Al-Si-Mg합금, Fe(철) 함량, Cu(구리), 복합주조, 미세조직.

Abstract

In the compound casting between the aluminum alloy and the cast iron, the iron component may be dissolved from the cast iron during the process and mixed into the aluminum melt, thereby forming various iron-containing intermetallic compounds and sig- nificantly deteriorating the tensile properties of the aluminum alloy. On the other hand, unlike Fe, which is added as an impurity, Cu is added to improve the mechanical properties of the aluminum alloy. In this study, the change in microstructure and tensile prop- erties of aluminum alloys due to the addition of Fe and Cu was investigated. A large amount of iron-containing compounds such as coarse Al₅FeSi phases were formed when the iron content was 1% or more, and the tensile properties were significantly reduced. In the case of the aluminum alloy to which Cu was added, an Al₂Cu phase was additionally formed and the tensile strength was clearly improved.

Key words; Al-Si-Mg alloy, Iron content, Cu, Compound casting and Microstructure.

연구논문

1. 서 론

자동차를 비롯한 수송기기 산업분야에서 중량감소를 통한 에너지절감의 요구가 꾸준히 증가하고 있으며, 소재측면에서 는 알루미늄합금을 사용하여 기존의 철계 부품을 대체하려는 노력이 가속화되고 있다. 하지만 알루미늄합금은 주조가 용이 하고 밀도가 작은 등의 많은 장점에도 불구하고 철계에 비해 상대적인 기계적 성질 및 내열성이 낮은 단점이 있어 활용범 위에서 한계가 있는 실정이다. 최근에는 이러한 문제를 해결 하기 위해 철계와 알루미늄합금을 복합화하는 제조방법에 관 심이 집중되고 있으며, 그 중에서도 특히 경제성이 우수한 복합주조 제조공정이 유망한 대안으로 고려되고 있다[1-3].

복합주조 과정 중 철계 인서트를 주형 내부에 장착하고 알루미늄합금 용탕을 주입하면 공정조건에 따라 다르지만 철 성분이 용탕으로 혼입될 수 있으며, 결과적으로 주조가 완료 된 후 알루미늄합금에서의 철 농도가 증가하게 된다[4-6].

또한, 이처럼 Fe농도가 증가하게 되면 다양한 Fe화합물이 형성될 수 있으며, 특히 침상 또는 판상의 Al5FeSi상이 형성 되면 기계적 성질이 크게 저하되는 것으로 알려져 있다[7-9].

주조용으로 널리 사용되는 Al-Si계 합금에 Fe가 첨가된 경 우 앞서 언급한 Al5FeSi(Al_4.5FeSi)상 이외에도 Al8Fe₂Si, Al₃FeSi₂ 등이 형성될 수 있으며[9-13], Al-Si-Mg계 합금에 서는 추가로 Al8Si₆Mg₃Fe상이 형성되는 것으로 보고된바 있 다[14-15]. 이처럼 알루미늄합금에 형성되는 Fe화합물에 대한 연구는 비교적 많이 진행되었지만 Fe가 다량 함유된 경우의 연구는 상대적으로 부족하며, 특히 Al-Si-Mg계 합금에 Fe가 다량 첨가된 경우 Fe함량과 주물두께의 차이에 따른 미세조 직과 인장성질 등에 대한 연구결과는 충분하지 않다. 선행연 구를 통해 복합주조공정으로 주철/알루미늄 부품을 제조할 때 상당한 양의 Fe(1wt% 이상)가 알루미늄에 혼입될 수 있다는 것을 확인하였으며[16], 복합주조 공정조건에 따라 기계적 성 질에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 Fe성분에 따른 체계적인 고찰이 필요하다.

한편, 불순물로 작용하는 Fe와는 다르게 Cu의 경우에는 알루미늄합금의 기계적 성질을 개선하기 위해 첨가되는데, Cu가 Al-Si계 합금에 소량 첨가되면 고용강화 및 Cu상의 분산강화 효과로 인해 인장강도가 증가하였다는 보고가 있다 [17]. 또한 Cu는 철과 알루미늄 계면 금속간화합물의 형성에 도 영향을 미칠 수 있으나 복합주조공정에서의 영향은 알려 져 있지 않다[18].

따라서 본 연구에서는 대표적인 주조용 합금인 Al-7%Si- 0.4%Mg을 선정하고 Fe함량 및 냉각속도 차이에 따른 금형 주조상태 응고 미세조직을 분석하고 인장특성을 비교하고자 하며, 또한 Cu첨가로 인한 주조조직과 인장성질의 변화 그리 고 주철/알루미늄 계면 화합물에 미치는 영향을 조사하고자 하였다.

2. 실험방법

A356 상용합금, Al-50wt%Fe 모합금 및 순Cu(99.9%)를 유도로에서 용해하여 목표조성에 맞는 약 720^oC의 용탕을 준비하였으며, 5~20mm의 두께를 가지는 계단식 금형(각 계 단의 길이 80, 폭 25mm)에 주입하여 주조시편을 제조하였 다. 계단식 금형의 경우 2개를 결합하는 방식으로 구성되어 있으며, 한쪽 금형의 모습을 Fig. 1에 나타내었다.

Fe 및 Cu가 첨가된 A356계 실험합금의 화학조성은 Table 1에 나타내었으며, 주조시편의 두께 5mm, 10mm 및 20mm 부분으로부터 인장시편들을 채취하였다. 이렇게 준비한 시편 들의 인장시험은 ASTM E8규격에 따라 실시하였으며, 주조 상태 미세조직은 광학현미경(OM) 및 주사전자현미경(FE- SEM, SU5000, Hitachi, Tokyo, Japan)을 사용하여 관찰하 였다.

주조조직에서 관찰되는 화합물들의 분석은 주사전자현미경 에 장착된 에너지 분산형 X-선 분광기(EDS, JEOL, Tokyo, Japan)와 X-선 회절장치(XRD, Rigaku, Smartlab)를 사용하 여 수행하였으며, 주철/알루미늄 계면에서 형성된 금속간 화 합물에 대해서는 후방산란 회절(EBSD, Hikari Super, TSL) 분석도 진행하였다.

Fig. 1.

Table 1.

Si Mg Fe Cu Al

Base 6.96 0.46 0.11 - Balanced

1%Fe 6.82 0.44 0.98 - “

2%Fe 6.69 0.40 2.31 - “

0.5%Cu 6.92 0.46 0.11 0.57 “

3. 결과 및 고찰

3.1. 주조합금의 조직 및 인장성질에 미치는 두께의 영향 Fig. 2에서는 주조합금의 두께에 따른 전형적인 응고 미세 조직을 보여주고 있으며, 두께증가에 비례하여 조직이 조대해 지는 경향을 대략적으로 알 수 있다. 광학현미경 조직사진으 로는 형성된 상들을 정확히 분별하기 어려우나 알루미늄 수 지상과 그 사이에 분포한 공정 Si상으로 구성된 것을 관찰할 수 있었다. 동일한 조건에서 주조합금의 두께가 증가할수록 응고과정 중 냉각속도가 감소하므로 조직이 조대해지며, 실제 두께별로 측정한 2차수지상 간격 결과는 Table 2에서 확인할 수 있다.

주조합금의 인장성질은 조직이 미세화 될수록 개선되는 경 향을 보이므로 2차수지상 간격이 증가하면 감소할 것으로 예

상되며, 주조합금의 인장성질과 두께의 연관성을 조사한 결과 를 Fig. 3에 나타내었다. 두께가 증가함에 따라 반비례하여 인장강도와 연신율 모두 감소하는 경향을 명확하게 확인할 수 있었다. 연신율의 경우 Fe와 같은 불순물의 함량이 증가 하면 동일 조건에서 더욱 감소할 것이므로 두꺼운 주조합금 에서는 취성에 대한 주의가 중요할 것으로 사료된다.

Fig. 2.

Table 2.

Section Thickness (mm) SDAS (mm)

5mm 9.95

10mm 21.15

20mm 27.99

Fig. 3.

3.2. Fe함량에 따른 주조합금의 조직 및 인장성질 Fe의 함량이 다른 20mm 두께 주조합금의 미세조직을 Fig. 4에 비교하여 나타내었다. 명확하지는 않지만 알루미늄 수지상 사이에 많은 상들이 형성되었으며, Fe 함유량이 증가 할수록 조직에서 침상형태 상을 중심으로 한 제2상들의 양이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. Fe가 첨가된 주조합금의 미세조직과 상 분석 결과는 Fig. 5와 Table 3에 각각 나타 내었으며, 기본(base) 합금의 경우 Fe가 소량 함유되었음에도 알루미늄 기지와 공정 Si이외에 Fe화합물이 약간 형성된 것 으로 확인되었다. Fe함량이 증가함에 따라 Fe화합물, 특히 침상의 형태를 가지는 화합물의 양이 비례하여 증가하는 것 으로 관찰되었는데, 여기서 Fe화합물들은 주로 침상인 Al₅FeSi이고 Al8FeMg₃Si₆상도 일부 형성되는 것으로 판단된 다[7-12, 14-15]. 물론 A356계 합금에는 Mg도 소량 포함되 어 있으므로 Mg2Si상도 관찰되었다.

실제로는 동일한 상이라도 응고조건이나 형성과정에 따라 형상이 일부 다를 수 있으므로 형태만으로 구별하기는 어렵 다. 침상의 형태를 보이는 Al5FeSi상의 경우에도 그 형상의 유사성으로 인해 종종 Al3FeSi₂상과 혼동될 수 있으며, Al₃FeSi₂상은 냉각속도가 빠른 경우에 잘 형성되는 것으로

알려져 있다[19-20]. 참고로 Fig. 5(20mm 두께)의 주조합금 에 비해 상대적으로 두께가 얇아 빠른 냉각속도로 응고한 주 조합금들의 미세조직도 조사하였으나 형성된 상들의 종류에는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다.

Al-Si-Mg계 합금에 Fe가 첨가되면 응고과정 중 몇 가지 Fe화합물들이 형성될 수 있으며, Pandat^TM을 이용한 상 예측 에 따르면 아래와 같이 단계별로 일련의 반응식들을 나타낼 수 있다[21].

L _→ Al

L → Al + β(Al₅FeSi) L _→ Al + β + Si

L + β -> Al + Si + Al₈FeMg₃Si₆ L _→ Al + Si + Al₈FeMg₃Si₆

L → Al + Si + Al₈FeMg₃Si₆ + Mg₂Si

예측한 응고과정을 보면 2가지 종류의 Fe화합물, 즉 Al₅FeSi 및 Al8FeMg₃Si₆상이 주로 형성되며, 실제 주조 미 세조직에서 관찰된 결과와도 부합된다. 또한 공정 Si 및 Mg₂Si상도 예측과 같이 관찰되었다. Table 4에서는 Al- 7%(wt)Si-0.4%Mg합금에 Fe가 0.5%와 1.0% 첨가된 경우에

Fig. 4.

대해 Pandat 상 예측한 결과를 보여주고 있다. Fe함량이 증 가하면 공정Si의 분율이 약간 감소하고 대신 Al5FeSi상의 분 율이 증가할 것으로 예상되며, 이러한 예측이 대체로 적정하 다는 것은 Fig. 5의 미세조직에서 일부 확인이 가능하다. 한

편, Fig. 5의 상들에 대한 EDS분석결과를 나타낸 Table 3 에서 알 수 있는 것은 Al5FeSi상으로 추정되는 상들에서 Fe 에 비해 Si의 함량이 훨씬 높게 나타난 경우가 있다는 것이 며, 혹시 앞에서 언급한 Al3FeSi₂상이 아닌지에 대한 확인이 필요하다고 생각하였다. 2%Fe가 첨가된 합금조직에 대한 XRD 분석결과인 Fig. 6을 통해 침상은 Al5FeSi상이 맞는 것으로 판단되며, Si함량이 높게 나타나는 이유는 Al5FeSi상 에 인접한 공정 Si상의 영향인 것으로 추정된다[22].

전술한 바와 같이 Fe의 함량에 따라 침상 Al5FeSi상의 양 이나 길이가 증가하는 추세가 비교적 명확하므로 Fe양이 증 가하면 인장성질, 특히 연성이 크게 저하될 것으로 예상된다.

Fig. 7에서는 두께 10mm 및 20mm 주조합금의 인장성질에 미치는 Fe함량의 영향을 조사한 결과로서 예상한 대로 Fe양 이 1% 이상 다량 증가하면 인장강도가 약간 감소하고 연신

Fig. 5.

2%Fe.

Table 3.

Location Fe Al Si Mg Phase

Base

A - 98.41 1.59 - Al

B - 69.44 30.30 0.26 Si

C 2.86 72.48 15.05 9.61 Al₈FeMg₃Si₆

1%Fe

A - 98.58 1.42 - Al

B - 24.53 75.47 - Si

D 9.93 62.41 27.66 - Al₅FeSi E - 75.07 11.75 13.19 Mg₂Si

2%Fe

A - 98.00 1.65 0.35 Al

B - 25.51 73.49 - Si

D 9.20 62.72 28.08 - Al₅FeSi E 0.18 75.05 13.37 11.41 Mg₂Si

Table 4.

Fraction (%) Si Al₅FeSi Al₈FeMg₃Si₆ Mg₂Si

0.5%Fe 5.08 1.54 0.22 0.20

1.0%Fe 4.83 3.12 0.22 0.20

율은 크게 저하되는 것을 확인할 수 있었다.

3.3. Cu첨가에 따른 주조합금의 조직 및 인장성질 Cu가 약 0.5% 참가된 Al-Si-Mg계 주조합금의 전형적인 미세조직과 상들을 조사한 결과를 Fig. 8과 Table 5에 나타 내었으며, 기본 합금에서 관찰되는 알루미늄기지, 공정 Si 및 Al₈FeMg₃Si₆ 상(Table 3 참조) 이외에 상대적으로 밝게 보이 는 Al2Cu 상이 형성된 것을 알 수 있다. Fig. 9에서는 예 상한 바와 같이 Cu첨가로 인해 주조합금의 인장강도가 증가 한 것을 확인할 수 있으며, Fe첨가로 인한 인장강도 및 연 신율 변화거동도 비교하여 나타내었다. Cu 첨가의 경우 불순 물 Fe에 비해 연신율 저하영향도 상대적으로 작은 것을 알 수 있으며, 이는 침상형의 Al5FeSi에 비해 덜 날카로운 형상 에 기인한 것으로 사료된다.

3.4. Cu첨가 Al합금/주철계면 화합물

주철과 알루미늄합금의 복합주조과정 중 접합계면에는 AlFe 및 AlFeSi 금속간화합물들이 형성되며[23], Fig. 10의 미세조직 및 EDS 분석 결과는 2mm 두께의 판 형태 주철 인서트를 Fig. 1에서 나타낸 금형 안에 장착한 후 Cu가 첨 가된 알루미늄합금을 주입하여 복합주조한 시편의 접합계면에 대한 것이다. 주철 인서트와 알루미늄 계면에는 AlFeSi상이 형성되었으며, 화합물내 Cu의 농도는 위치별로 다르지만 비 교적 낮아 Cu포함 화합물이 추가로 형성된 것으로 보이지는

Fig. 8.

0.5%Cu.

Fig. 6.

Fig. 7.

Table 5.

Location Fe Al Si Mg Cu Phase

A - 98.49 1.51 - - Al

B - 76.02 23.98 - - Si

C1 1.79 43.05 48.66 6.16 0.34 Al₈FeMg₃Si₆

C2 4.66 49.90 29.48 15.96 - Al₈FeMg₃Si₆

F - 67.38 5.06 4.99 22.57 Al₂Cu

않았다. 보다 정확한 상 규명을 위해 수행한 EBSD 분석결 과는 Fig. 11에 나타내었는데, 주요 계면화합물은 Al8Fe₂Si 상인 것으로 확인되었다. 이러한 분석결과는 Cu가 첨가되지 않은 Al합금의 경우와 유사한 것이므로 화합물의 형성, 특히 종류에 미치는 Cu첨가 효과는 미미한 것으로 사료된다[16].

Fig. 11.

Fig. 9.

Fig. 10.

다만, 동일한 조건에서 계면 화합물의 성장에는 영향을 미칠 수 있으므로 이에 대한 심층연구는 필요해 보인다.

4. 결 론

Fe 및 Cu가 첨가된 Al-Si-Mg계 주조합금의 미세조직과 인장성질, 그리고 주철/알루미늄합금 복합주조 계면화합물을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 판재형태 주조합금의 수지상 조직은 주물의 두께에 반 비례하여 미세해지는 경향을 나타내었으며, 일반적으로 알려진 바와 같이 수지상이 미세해지면 주조합금의 인 장강도 및 연신율이 향상되는 경향을 나타내었다.

(2) Fe가 0.2%정도로 소량 함유된 주조합금의 경우에도 Fe화합물이 약간 형성되었으며, Fe함량이 증가함에 따 라 Fe화합물의 양과 크기도 현저하게 증가하는 것으로 관찰되었다.

(3) 주조합금에서 관찰되는 Fe화합물은 주로 Al5FeSi 및 Al₈FeMg₃Si₆상인 것으로 확인되었으며, Al3FeSi₂상은 관찰되지 않았다.

(4) Fe함량 1% 이상에서는 다수의 조대한 침상 Al5FeSi가 형성됨에 따라 연신율이 크게 저하되는 경향을 나타내 었다.

(5) 0.5%Cu가 첨가된 경우 주조조직에서 Al2Cu 상이 형 성된 것을 관찰할 수 있었으며, 인장강도가 뚜렷하게 증가하는 효과가 있었다. 다만, 주철/알루미늄합금 복합 주조시편의 계면 화합물은 주로 Al8Fe₂Si 상인 것으로 확인되어 Cu첨가로 인한 화합물의 종류 변화는 없는 것으로 조사되었다.

감사의 글

이 논문은 산업핵심기술개발사업의 연구비 지원을 받아 수 행되었습니다.

References

[1] B. Dangi, T.W. Brown and K.N. Kulkarni, J. Alloys Compd., 769 (2018) 777.

[2] W. Jiang, G. Li, Z. Jiang, Y. Wu and Z. Fan, Mater. Sci.

Technol., 34(12) (2018) 1519.

[3] E. Moosavi-Khoonsari, F. Jalilian, F. Paray, D. Emadi and R.A.L. Drew, Mater. Sci. Technol., 27(11) (2011) 1707.

[4] V.N. Yeremenko, Y.V. Natanzon and V.I. Dybkov, J. Mater.

Sci., 16(7) (1981) 1748.

[5] M. Yan and Z. Fan, J. Mater. Sci., 36(1) (2001) 285.

[6] S.G. Denner and R.D. Jones, Met. Technol., 4 (1977) 167.

[7] M. Sacinti, E. Cubuklusu, and Y. Birol, Int. J. Cast Met. Res., 30(2) (2017) 96.

[8] S. Sakow, T. Tokunaga, M. Ohno and K. Matsuura, J. Mater.

Process. Tech., 277 (2020) 116.

[9] Kim BH and Lee SM, J.Korea Foundry Society, 29(5) (2009) 225.

[10] H. Becker, T. Bergh, P.E. Vullum, A. Leineweber and Y. Li, Materialia, 5 (2019) 100198.

[11] A. Gorny, J. Manickaraj, Z. Cai and S. Shankar, J. Alloys Compd., 577 (2013) 103.

[12] J.A. Taylor, Procedia Mater. Sci., 1 (2012) 19-33.

[13] C.B. Basak, A. Meduri and N.H. Babu, Mater. Design, 182 (2019) 108017.

[14] X. Wu, H. Zhang, Z. Ma, T. Tao, J. Gui, W. Song, B. Yang and H. Zhang, J. Alloys Compd., 786 (2019) 205.

[15] R. Chen, Q. Xu, H. Guo, Z. Xia, Q. Wu and B. Liu, Mater. Sci.

A, A685 (2017) 391.

[16] Kim JM, Shin K and Shin JS, Metals, 10(6) (2020) 759.

[17] R. Taghiabadi, A. Fayegh, A. Pakbin, M. Nazari and M.H.

Ghoncheh, Trans. Nonferrous Met. Soc. China, 28(7) (2018) 1275.

[18] H. Ding, W. Hu, Y. Duan, X. Wang and C. Dong, J. Mater.

Process. Tech., 212(2) (2012) 458.

[19] J.M. Yu, N. Wanderka, A. Rack, R. Daudin, E. Boller, H.

Markotter, A. Manzoni, F. Vogel, T. Arlt, I. Manke and J.

Banhart, J. Alloys Compd., 766 (2018) 818.

[20] J.M. Yu, N. Wanderka, A. Rack, R. Daudin, E. Boller, H.

Markotter, A. Manzoni, F. Vogel, T. Arlt, I. Manke and J.

Banhart, Acta Mater., 129 (2017) 194.

[21] PANDAT, CompuTherm, LLC, Madison, WI, USA. Available online: http://www.computherm.com

[22] Kim DH, Kim JH and E. Kobayashi, Mater. Sci. Eng. A, 768 (2019) 138449.

[23] Shin JS, Kim TH, Lim KM, Cho H, Yang DH, Jeong CY and Yi S, J. Alloys Compd., 778 (2019) 170.