Effect of (Ti-B) and Sr Additives on Impact and Fatigue Properties of Recycled AC4A Aluminum Casting Alloy

Received: Jun. 27, 2019 ; Revised: Jul. 15, 2019 ; Accepted: Aug. 12, 2019

†

Corresponding author:Heon-Joo Kim (Pukyong National Univ.) Tel: +82-51-629-6347, Fax: +82-51-629-6339

E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2019. Vol. 39 No. 4, pp. 61~74 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2019.39.4.61 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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재활용 AC4A 알루미늄 합금의 충격 및 피로 특성에 미치는 (Ti-B), Sr 첨가제의 영향

오승환 * · 김헌주 **^†

*부경대학교 대학원 금속공학과, **부경대학교 공과대학 금속공학과

Effect of (Ti-B) and Sr Additives on Impact and Fatigue Properties of Recycled AC4A Aluminum Casting Alloy

Seung-Hwan Oh*and Heon-Joo Kim**^†

*Department of Metallurgical Eng, Pukyong National Graduate School, Busan 48513, Republic of Korea

**Department of Metallurgical Eng, Pukyong National Univ., Busan 48513, Republic of Korea

Abstract

The effects of Sr and (Ti-B) additives on the impact and fatigue properties of recycled (35% scrap content) AC4A aluminum alloy are investigated here. The acicular morphology of the eutectic Si phase of as-cast specimens was converted to the fibrous one with Sr additives. The grain size of the α-solid solution decreased by the addition of (Ti-B) additives. The crack initiation energy (E_i) of the impact absorption energy decreased due to the incorporation of an oxide film and inclusions depending on the scrap used. The modification of the eutectic Si morphology by Sr additives is considered as the main factor of the increase of the average impact absorption energy (E_t). The addition of (Ti-B) additives contributed to an increase in the occurrence of crack deflections due to the refining of α-Al grains, resulting in improved fatigue properties.

Key words: α-Al Grain refinement, Eutectic Si modification, Impact property, Fatigue property, Recycled AC4A aluminum alloy

1. 서 론

온실가스 배출 억제 및 석유자원 고갈에 대비하여 각국은

‘에너지 다변화 정책’을 펼치고 있으며, 친환경 자동차 산업 성장에 주력하고 있다. 친환경 자동차 산업 성장에 발맞춰 연비향상을 위한 자동차 부품의 경량화 기술의 적용에 대한 중요성이 점차 커지는 상황이다.

연비 개선 기술은 ‘엔진 및 구동계를 개선하는 방법’, ‘공 기저항을 최소화하는 방법’, ‘대체 에너지를 활용하는 차종을 개발’, ‘경량 소재 개발을 통한 차량 경량화 방법’이 거론된 다. 차량 경량화 방법 중에서 소재의 경량화는 효과가 뛰어 나 기존 철강 소재로 제조하던 부품을 알루미늄 합금으로 대 체하는 것이 최근의 추세이다[1,2].

경량 소재로 주목받는 알루미늄은 자동차 산업을 중심으로 차체 및 부품 적용으로 수요가 증가하고 있다. 그러나, 국내 에서 사용되는 신지금 알루미늄 재료는 제련과정에서 막대한 에너지가 소요되는 이유로 전량 수입에 의존하고 있다.

알루미늄 재활용을 위한 일정량의 스크랩 사용은 환경보호, 경제적인 측면, 자원 절약 등을 고려할 때 아주 효과적인 방 법이다. 스크랩을 사용하여 1톤의 알루미늄을 재활용 용해하 는데 5~7 GJ의 에너지를 소모하며, 이는 제련을 통해 1톤의 알루미늄을 생산하는데 필요한 에너지의 25~30% 정도이다 [3,4].

알루미늄 스크랩을 일정량 혼합 사용할 때 예견되는 주요 문제점은 알루미늄 산화피막과 Fe 성분의 혼입이다. 산화피막 의 혼입 경로는 다양하며, 용탕 내 필름의 형태로 분포하여

대상으로 신뢰성 평가를 위한 방안으로 공정Si 개량화제인 Al-10%Sr과 α-Al 결정립 미세화제인 Al-5%Ti-1%B을 첨가 하여 첨가 조건에 따른 재활용 AC4A 합금의 주조상태와 T6 열처리 상태의 충격 및 피로특성을 비교 평가하여 알루 미늄 주조산업 분야에 실용적인 자료제공을 연구목적으로 하 였다.

2. 실험방법 2.1 시료 제작

본 실험에서는 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금을 사용 하여 Table 1에 나타낸 바와 같이 주조상태와 T6 열처리 상 태의 무첨가 시료, 공정Si 개량화제인 Al-10%Sr을 0.05 wt%

첨가한 시료, 그리고 α-Al 결정립 미세화제인 Al-5%Ti-1%B 을 0.1 wt% 첨가 후, Al-10%Sr을 0.05 wt%를 연속 첨가한 시료를 각각 제작하여 충격 및 피로 특성에 미치는 미량원소 의 영향을 비교 평가하였다.

제작한 시료를 주조상태와 T6 열처리 상태로 나누어 기계 적 특성을 평가하였다. Table 4에는 본 실험에 적용된 AC4A 합금의 T6 열처리 조건을 나타내었다. 용체화 처리는 535^oC

±5^oC에서 6.5 시간 유지하였으며, 40^oC±5^oC의 물에 냉각시 키고, 180^oC±5^oC에 5시간 동안 인공시효를 실시하였다.

2.2 미세조직 관찰

스크랩 35% 함유된 AC4A 합금의 주조상태와 T6 열처리 상태의 무첨가, Sr 첨가, (Ti-B)+Sr 첨가한 6가지 조건의 시 료에 대해 미세조직을 관찰하였다. 충격시험편과 피로 시험편 의 단면을 관찰하여, 첨가 조건에 따른 미세조직의 변화가 균열전파에 미치는 영향을 관찰하였다.

Table 1.

Alloy Temper Condition Additives

AC4A

As-cast 1 No addition

2 Sr treatment

3 (Ti-B) + Sr Treatment T6 heat-treated 4 No addition

5 Sr treatment

6 (Ti-B) + Sr Treatment

Table 3.

Melting condition

Parameter Value

Casting Alloy AC4A

Melting Temp. 730^oC Addition Sr element 0.05 wt%

Ti-B 0.1 wt%

G.B.F Holding Time 30 min Calm down time 20 min

Gas type Ar

Gas pressure 2 ㎏/㎠

Gas flow rate 35 l/min

R.P.M 450

Table 2. Chemical composition of recycled AC4A alloy used. (wt.%)

Si Cu Fe Mn Mg Zn Ti Ni Sr Al

Standard AC4A 8.0-10.0 Max 0.25 Max 0.55 0.3-0.6 0.3-0.6 Max 0.25 Max 0.2 Max 0.1 - bal.

AC4A alloy (Scrap 0%) 9.49 0.03 0.12 0.30 0.36 0.01 0.06 0.01 0.01 bal.

Recycled AC4A alloy (Scrap 35%) 9.34 0.05 0.13 0.25 0.37 0.01 0.13 0.01 0.05 bal.

공정Si의 개량화 등급(Modification rating, 이하 M.R로 표기)법은 공정 Si을 형상에 따라 6등급으로 구분하여 정량 적인 평가를 하는 방법이다. 전혀 개량되지 않는 경우 1등 급, 라멜라(Lamella) 형상을 나타내는 경우 2등급, 부분적으 로 개량된 경우 3등급, 라멜라 형상이 관찰되지 않는 경우 4등급, 섬유상(Fibrous) 형상을 나타내는 경우 5등급, 매우 미세하고 구형에 가까운 형상을 나타내는 경우 6등급으로 분 류한다[11]. α-Al 결정립 미세화 정도를 확인하기 위해서 Keller 부식액(75vol%HCl, 25vol%HNO3, 5vol%HF)으로 표면을 부식시킨 후 결정립 크기를 측정하고 산술평균한 값 으로 결정립 미세화 정도를 평가하였다.

2.3 계장화 충격시험

스크랩 35% 함유된 AC4A 합금에 Sr과 (Ti-B) 첨가 시 충격특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 계장화 충격시험 [12]을 실시하였다. 용량 152 Joule의 충격시험기를 사용하여 상온에서 실험하였다. Fig. 1(A)의 표준 샤르피 충격시험편 (standard Charpy impact specimen)을 제작하였다. 충격 시 험편이 파괴될 때, 측정된 하중-변형 곡선에서 총 흡수에너지 (E_t), 균열발생 에너지(Ei) 및 균열전파 에너지(Ep)를 평가하였 다. 시료는 주조상태와 T6 열처리 상태의 무첨가, 0.05 wt%

Sr 첨가, 0.1 wt% (Ti-B)+0.05 wt% Sr을 첨가한 6가지 조 건의 시료에 대해 충격시험을 실시하였다.

2.4 회전굽힘 피로시험

스크랩 35% 함유된 AC4A 합금에 Sr과 (Ti-B) 첨가 시 피로특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 고 사이클(high cycle) 회전굽힘 피로시험[13]을 실시하였다. 피로수명과 작용 하중의 상관관계를 나타내는 S-N 곡선을 통해 미량 원소 첨 가에 따른 AC4A 합금의 피로한도(fatigue limit)를 평가하였 다. 본 실험에서 피로한도는 피로파괴가 나타나지 않는 10⁷ 사이클에 해당하는 작용하중으로 정의하였다. Fig. 1(B)에

KS B ISO 1143에 따른 피로시험편의 규격을 나타내었다.

회전굽힘 피로시험의 시험 조건은 응력비 R=-1, 하중 반 복속도 f=60 Hz로 설정하여 상온에서 실험을 진행하였다. 회 전굽힘 피로시험에 적용시킨 작용하중은 각 시료의 인장강도 의 60%에 해당하는 응력에서 시작하여 10%씩 응력을 낮추 어 8단계로 작용하중을 변경하여 실험을 진행하였다. S-N 곡 선의 신뢰도 항상을 위해서 각 8단계의 작용하중에 각 3개 의 시험편을 사용하여 시험을 진행하였다[14]. 시료는 주조상 태와 T6 열처리 상태의 무첨가, 0.05 wt% Sr 첨가, 0.1 wt% (Ti-B)+0.05 wt% Sr을 첨가한 6가지 조건의 시료에 대해 회전굽힘 피로시험을 실시하였다.

3. 결과 및 고찰 3.1 충격특성 평가

스크랩이 함유된 알루미늄 합금에 나타나는 문제는 산화피 막 혼입과 Fe 성분 및 개재물의 혼입이다. 이러한 불순물 혼입은 알루미늄 합금의 충격특성에 악영향을 미친다. Fig.

2(A)에 스크랩 0%인 AC4A 합금과 스크랩 35% 함유된 AC4A의 무첨가 조건 충격시험편의 균열발생부 SEM 사진을 나타내었다. 균열발생부 관찰은 소성 구속도가 가장 높은 노 치 중앙 직하부에서 실시하였다. 스크랩 35% 함유된 AC4A 충격시험편의 파단면에 산화피막 및 Fe 화합물이 관찰되었으 며, 이러한 불순물 혼입으로 인해 스크랩 35% 함유된 AC4A 합금의 균열발생 에너지(Ei)값이 스크랩 0%인 AC4A 합금에 비해 상대적으로 낮은 이유를 설명한다.

스크랩 재활용 시 불순물 혼입으로 악화된 충격특성을 개 선하기 위해 스크랩 35% 함유된 AC4A합금에 무첨가, Sr 0.05 wt% 첨가, (Ti-B) 0.1 wt%와 Sr 0.05 wt%를 연속 첨 가한 시료에 대해 주조상태와 T6 열처리 상태의 미세조직을

Table 4.

Heat treatment condition

Parameter Value

Solution treatment Holding temperature 535^oC ± 5^oC

Holding time 6.5 Hour Quenching

Holding temperature 40^oC ± 5^oC

Holding time 5 min

Aging treatment Holding temperature 180^oC ± 5^oC

Holding time 5 Hour

_{Fig. 1.}

Fig. 2.

관찰하였다. Fig. 3에 Sr 첨가 시 나타나는 미세조직의 변화 를 관찰한 사진과 개량화 등급법을 통해 공정Si의 개량화 정 도를 정량적으로 나타내었다.

주조상태의 무첨가 시료에서 관찰되는 공정Si은 침상으로 존재하며, Sr 첨가로 침상의 공정Si 형상이 미세하고 불규칙 한 섬유상으로 개량되었다.

T6 열처리 후 공정Si은 크기가 커졌고 끝단부의 모서리가 둥근 형상을 나타내었다. 그 이유는 용체화 처리 과정에서 장시간 고온에 노출되면서 인접한 공정Si이 합체되면서 크기 가 증가하고 표면적을 최소화하기 위해 끝단부가 둥근 형상 으로 변화한 것으로 추정된다.

개량화 등급법으로 공정Si의 개량화 정도를 측정한 결과, 주조상태의 무첨가 시료는 2.4, Sr 첨가 시 3.9로 측정되었으 며, T6 열처리 상태의 무첨가 시료는 3.2, Sr 첨가 시 4.8로 선행연구[10]에서 얻은 결과와 동일한 경향을 나타내었다.

(Ti-B) 첨가 시 나타나는 조직 변화를 Fig. 4에 나타내었 다. 주조상태 무첨가 시료의 α-Al 결정립의 평균 크기가 782.4_µm, (Ti-B)+Sr 연속첨가 시료의 α-Al 결정립 평균 크 기는 567.9µm로 나타났다. α-Al 결정립 크기가 감소한 것

은 (Ti-B)의 첨가로 용탕 내에 미용해 입자인 TiB2와 TiAl3

가 초정 α-Al의 핵생성 장소로 작용하여 α-Al 결정립의 크 기가 미세해진 것으로 해석되고 있다[15].

스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 무첨가, Sr첨가, (Ti-B)+Sr 첨가한 시료에 대하여 주조상태와 T6 열처리 상 태의 6가지 조건에 대해 충격특성을 평가하였으며, 스크랩이 0%인 AC4A 합금의 충격특성과 비교한 결과를 Fig. 5에 나 타내었다.

평균 충격 흡수에너지(Et)는 균열발생 에너지(Ei)와 균열전 파 에너지(Ep)로 구성되며, Fig. 5(A)에 스크랩 0%인 AC4A 합금 및 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 첨가 조건에 따른 주조상태의 평균 충격 흡수 에너지(Et)를 나타냈으며, 첨가 조건에 따라 각각 1.45, 2.07, 2.93 Joule로 증가하였다.

스크랩이 0%인 AC4A 합금의 평균 충격 흡수에너지는 3.61 Joule로 스크랩이 함유된 AC4A 합금에 비해 높은 값을 나타내었다.

스크랩이 0%인 AC4A 합금에 비해 스크랩이 35% 함유 된 AC4A 합금의 무첨가 시료의 균열발생 에너지(Ei)는 낮 은 값을 나타내며, Fig. 2에 언급한 산화피막 및 개재물 혼

Fig. 3.

입에 의한 것으로 판단된다. 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 충격 흡수에너지(Et)는 무첨가, Sr첨가, (Ti-B)+Sr을 첨가함에 따라 점차 증가하는 경향을 나타내며, 이는 첨가제 첨가에 의한 공정Si의 형상 개량화 효과와 α-Al 결정립 미 세화의 영향을 받은 것으로 사료된다.

T6 열처리 상태의 스크랩 0%인 AC4A 합금 및 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 첨가 조건에 따른 평균 충격 흡 수에너지(Et)를 Fig. 5(B)에 나타내었다. 첨가 조건에 따라 평균 충격 흡수에너지는 각각 2.19, 3.71, 5.41 Joule로 증가 하였다. 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금에 첨가조건에 따 른 주조상태와 T6 열처리 상태의 균열발생 에너지(Ei), 균열전 파 에너지(Ep) 모두 증가하는 경향을 나타냈다. 스크랩이 0%

인 AC4A 합금의 평균 충격 흡수에너지는 3.66 Joule로 스 크랩이 함유된 AC4A 합금에 비해 높은 값을 나타내었으나, Sr 첨가, (Ti-B)+Sr 첨가 조건보다는 낮은 값을 나타내었다.

스크랩이 0%인 AC4A 합금은 성분분석과 미세조직 현미 경 관찰 결과, 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금과 비교해 Fe 함량의 차이도 크지 않았으며 Fe 화합물의 빈도 차이도 크지 않아 Fe 화합물의 영향은 큰 차이가 없는 것으로 판단 된다.

그러나 (Ti-B)+Sr 첨가된 35% 스크랩 함유된 AC4A 합금 의 공정Si 경우, Sr첨가에 의한 공정Si 개량효과에 의해 공 정Si상의 길이가 9.1µm로 단축된 반면, 스크랩 0%인 무첨 가 AC4A 합금은 무첨가 조건에 의해 공정Si상이 18.4µm 길이로 조대한 공정Si을 지닌다. 이에 따른 공정Si 형상 개 량 효과로 인해 평균 충격에너지가 증가한 것으로 추정한다.

Fig. 6에 스크랩 0%인 AC4A 합금 및 스크랩이 35% 함 유된 AC4A 합금에 주조상태와 T6 열처리 상태의 첨가 조 건에 따른 샤르피 충격 시험을 통해 얻은 하중-변형률 곡선 을 나타내었다. 하중-변형률 곡선의 전체 면적은 충격 흡수에

Fig. 5.

Fig. 4.

너지(Et)를 의미하며, 곡선의 최대값을 기준으로 전·후 면적은 균열발생 에너지(Ei), 균열전파 에너지(Ep)를 나타낸다. 주조상 태와 T6 열처리 상태 모두 첨가 조건에 따라 전체 면적이 증가하였다.

스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금에 첨가조건에 따른 주 조상태와 열처리 상태의 충격시험편의 균열발생부와 균열전파 영역의 SEM 사진을 Fig. 7에 나타냈다. 균열발생부 관찰은 소성 구속도가 가장 높은 노치 중앙 직하부에서 실시였다.

Fig. 7(A)에 나타낸 주조상태 무첨가 시료의 노치 중앙 직하 부 파단면에는 산화피막과 벽개파면의 형태가 관찰되며 균열 발생 에너지(Ei)가 감소한 이유를 설명한다. 첨가조건에 따라 벽개파면의 면적 비율이 감소하면서 균열발생 에너지(Ei)가 증가하는 경향을 나타내었다.

미세조직이 균열 전파에 미치는 영향을 알아보기 위해 충 격시험편 단면의 미세조직을 관찰한 사진과 표면 거칠기 측 정 결과를 Fig. 8에 나타내었다. Table 5에 공정Si과 균열 굴절 길이를 측정한 값을 나타내었다. 단면 미세조직 관찰 결과, 침상의 공정Si을 따라 균열이 전파되는 것을 확인하였 다[16]. Table 5에 나타낸 균열 굴절 길이와 공정Si의 길이 는 유사한 값을 나타내었다. 공정Si의 길이는 주조상태의 무 첨가 조건에서 22.4µm에서 Sr첨가 시 8.4µm로 감소하였으 며, 균열 굴절 길이도 19.5µm에서 9.4µm로 감소되면서 유 사한 값을 나타내었다. T6 열처리 상태에서도 무첨가 조건에 서 18.4µm에서 Sr첨가 시 10.3µm로 감소하였으며, 균열 굴절 길이도 16.2µm에서 9.1µm로 감소되면서 유사한 값을 나타내었다.. 따라서 공정Si의 형상이 침상에서 섬유상, 구상 으로 변화함에 따라 균열 굴절(crack deflection)이 많이 발 생하며, 평균 충격 흡수에너지 증가에 영향을 준 것으로 판 단된다. (Ti-B)첨가 에 의한 α-Al 결정립 미세화는 단위면적

당 결정립계를 증가시켜[15] 균열전파 시 균열굴절을 일으켜 균열전파 에너지(Ep) 증가에 기여한 것으로 추정된다. T6 열 처리 상태 시료에서는 Fig. 7(B)에 나타낸 바와 같이 딤플 파면이 관찰되며, 연성파괴에 의해 균열전파 에너지(Ep)가 증 가한 것으로 판단된다.

표면 거칠기 측정 시 주조상태 파단면의 표면 거칠기 정도 는 첨가 조건에 따라 요철 높이가 0.18µm, 0.24_µm, 0.31 µm로 증가하였으며, 첨가 조건에 따라 파단면의 요철이 증가 한 것을 나타내며, 균열전파 에너지(Ep)가 증가한 이유를 설 명한다.

T6 열처리 상태의 첨가 조건에 따른 충격시험편 단면 미 세조직 관찰한 결과, T6 열처리로 인해 공정 Si의 형상이 구형에 가깝게 개량되었으며, 구상으로 개량된 공정Si은 침상 의 형태보다 효과적인 응력집중 완화와 균열 굴절을 발생시 킨다. 주조상태에서와 마찬가지로 공정Si의 형상과 크기에 따 라 균열 굴절의 변화폭이 달라졌으며, 공정Si 형상 개량이 평균 충격 흡수에너지(Et) 증가의 주된 원인으로 볼 수 있다 [17].

T6 열처리 상태의 표면 거칠기 정도도 첨가 조건에 따라 요철 높이는 0.54µm, 0.64_µm, 0.82_µm로 증가하는 경향이 나타났다.

3.2 피로특성 평가

스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 주조상태와 T6 열처 리 상태의 무첨가, Sr첨가, (Ti-B)+Sr 첨가한 6가지 조건에 대해 피로특성을 평가하였으며, 스크랩이 0%인 AC4A 합금 의 피로특성과 비교하였다.

스크랩 0%인 AC4A 합금 및 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금에 첨가 조건에 따른 주조상태와 T6 열처리 상

Fig. 6.

태의 S-N 곡선을 Fig. 9에 나타내었다. 피로한도는 미파단 시료의 10⁷사이클에 해당하는 작용하중으로 정의하였다.

피로특성에 영향을 미치는 인자는 재료 내의 존재하는 구성

상의 형상과 크기 및 기공, 수축기공, 개재물, 산화피막 등이 있으며, 주조품의 피로강도는 결함의 최대 크기에 의해 정의 되기도 한다[18]. 피로균열 발생은 시료의 표면에서부터 발생

Fig. 7.

additives.

Fig. 8.

Table 5.

Alloy Temper Additives Condition Average Eutectic Si length

(µm) Crack deflection length (µm)

AC4A

As-cast No addition 22.4 19.5

Sr treatment 8.4 9.4

(Ti-B) + Sr Treatment 7.1 8.8

T6 heat-treated No addition 18.4 16.2

Sr treatment 10.3 9.1

(Ti-B) + Sr Treatment 9.8 8.4

하고 재료 내의 기공, 수축기공의 크기에 따라서 쉽게 성장 하고 전파된다[19]. Fig. 2(B)의 피로시험편 파단면에서도 이 와 같은 경향이 나타났다.

스크랩 0%인 AC4A 합금 및 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금에 첨가 조건에 따른 주조상태와 T6 열처리 상 태의 피로한도를 Fig. 10에 나타내었다.

주조상태의 피로한도는 첨가 조건에 따라 46.3, 54.2, 58.0 MPa으로 증가였다. 스크랩 0%인 AC4A 합금의 주조상 태의 피로한도는 52.0 MPa로 스크랩이 35% 함유된 AC4A 합금의 무첨가 조건보다 높은 피로한도를 나타내지만, Sr 첨

가, (Ti-B)+Sr 첨가 조건 비해 낮은 피로한도를 나타내었다.

침상의 공정 Si은 균열 발생시 균열 전파의 통로로 작용하며, 피로특성에 악영향을 미치는 인자이다. (Ti-B)첨가로 인한 α- Al의 D.A.S 미세화는 덴드라이트 가지 경계에서 피로균열 선단이 굴절되므로 균열 전파를 억제하는 효과를 나타낸다 [19]. Sr첨가로 인한 공정 Si의 형상 개량 효과와 (Ti-B)첨 가로 인한 α-Al의 D.A.S 미세화 효과로 스크랩이 35% 함 유된 AC4A 합금의 Sr 첨가, (Ti-B)+Sr 첨가 조건의 피로 한도가 스크랩 0%인 AC4A 합금의 주조상태의 피로한도보 다 높게 나타난 것으로 추정한다.

T6 열처리 상태의 피로한도는 스크랩이 함유된 AC4A 합 금에 대하여 첨가 조건에 따라 79.9, 87.4 97.1 MPa로 증 가했다. 스크랩 0%인 AC4A 합금의 T6 열처리 상태의 피 로한도는 85.4 MPa로 주조상태의 경우와 동일한 경향이 나 타났다.

AC4A 주조용 합금의 T6 열처리 과정 중 용체화 처리 단 계에서 공정 Si이 분해되어 Al 기지(matrix)에 소량 고용되 어 고용강화를 일으키며, 시효 과정에서 형성되는 석출물에 의해 강도와 경도가 증가한다[22]. 상대적으로 높은 경도값을 나타내는 T6 열처리 상태 시료 표면은 피로파괴 초기에 발 생하는 Persistent slip band의 형성이 억제되어 주조상태 시 료보다 피로한도가 증가한 것으로 판단된다[20,21].

첨가 조건에 따른 주조상태와 열처리 상태의 피로 파단면 관찰 사진을 Fig. 11에 나타내었다. 피로파괴는 피로균열 발 생, 피로균열 전파와 파괴의 3단계로 분류되며, 피로균열 발 생 단계는 재료의 표면에서부터 균열이 형성되고 재료 내부 로 균열이 전파되는 초기 단계이다. 전체 피로균열 발생 단 계는 전체 피로파괴 기간 중 대부분을 차지한다. Fig.

11(A), (B)의 균열발생부 관찰 결과, 수축결함, 개재물, 산화 피막 등이 관찰되며, 이는 피로균열 발생 기간을 줄여주며,

Fig. 9.

Fig. 10.

피로한도에 악영향을 미친다[22,23].

피로균열 전파는 균열이 재료의 중심부로 전파되는 기간이 다. 균열의 성장과 전파는 재료의 미세조직, 작용 응력의 유

형 및 시편의 형상에 따라서 달라진다.

Fig. 12은 첨가 조건에 따른 주조상태와 열처리 상태의 피 로 시험편의 파단면 단면 미세조직 관찰 사진과 표면 거칠기

Fig. 11.

additives.

정도를 측정한 결과를 나타내었다.

주조상태와 T6 열처리 상태의 단면을 관찰한 결과, 피로균 열 전파는 α-Al의 입계를 따라서 진전된다. (Ti-B) 첨가로 α-Al의 D.A.S 크기가 감소하면서 초기에 형성되는 α-Al의 D.A.S 크기에 따라 균열 굴절이 발생한다. 이 결과 피로균열 전파가 지연되어 피로강도가 증가한 것으로 판단된다[19].

주조상태의 표면 거칠기 정도는 첨가 조건에 따라 요철높

이가 0.59µm, 0.68_µm, 1.18_µm로 증가하였으며, T6 열처 리 상태의 표면거칠기 정도도 첨가 조건에 따라 요철높이는 0.94_µm, 1.37_µm, 1.70_µm로 증가하는 경향이 나타났다.

주조상태와 T6 열처리 상태 모두 (Ti-B) 첨가 시 요철의 증가가 확연하게 나타났다. Table 6에는 α-Al의 D.A.S와 균 열 굴절 길이 측정값을 나타내었다. 첨가 조건에 따라 주조 상태의 α-Al D.A.S가 33.2µm에서 24.5µm로 감소하는 경

Fig. 12.

AC4A alloy in accordance with additives.

향을 나타내며, 균열굴절 길이도 26.2µm에서 21.6µm으로 감소하였다. T6 열처리 조건에서도 31.2µm에서 25.2µm로

감소하는 경향을 나타내었으며, 29.1µm에서 25.0µm으로 감 소하였다. α-Al D.A.S가 감소할수록 군열 굴절이 많이 발생 하며, 피로한도 증가에 기여한 것으로 판단된다.

첨가 조건에 따른 주조상태와 T6 열처리 상태의 피로균열 전파 단계에서 관찰되는 스트리에이션(striation)을 Fig. 13에 나타내었으며, Table 7에는 스트리에이션 폭을 측정한 값을 나타내었다. 주조상태와 T6 열처리 상태의 스트리에이션은 첨가 조건에 따라서 폭이 감소되는 경향이 나타났으며, 이는 피로균열의 전파가 안정적으로 진행되었음을 의미한다[19, 24].

4. 결 론

스크랩이 35% 함유된 AC4A 주조용 알루미늄 합금에 공

Table 6.

Alloy Temper Additives Condition Average α-Al D.A.S length

(µm) Crack deflection length (µm)

AC4A

As-cast No addition 33.2 26.2

Sr treatment 32.8 25.3

(Ti-B) + Sr Treatment 24.5 21.6

T6 heat-treated No addition 31.2 29.1

Sr treatment 33.6 30.7

(Ti-B) + Sr Treatment 25.2 25.0

Fig. 13.

Table 7.

Alloy Temper Additives Condition Average Striation width (µm)

AC4A

As-cast No addition 1.36

Sr treatment 0.94 (Ti-B) + Sr Treatment 0.67 T6 heat-treated No addition 1.25 Sr treatment 1.03 (Ti-B) + Sr Treatment 0.81

시료의 경우 2.4, Sr 처리 시 3.9로 나타났다. T6 열처리 후 공정Si의 형상이 구형으로 개량되었으며, 무첨가 시료의 경우 3.2, Sr 처리 시 4.8로 나타났다. α-Al 결정립의 크기는 무 첨가 시료의 경우 782.4µm에서 0.1 wt% (Ti-B) 첨가 시 567.9_µm로 감소하였다.

3) 스크랩이 35% 함유된 AC4A 주조용 합금에 무첨가, 0.05 wt% Sr 첨가, 0.1 wt% (Ti-B)+0.05 wt%Sr 첨가 후 주조상태의 충격특성을 평가한 결과, 무첨가 시료에서 침상의 공정 Si이 균열 경로로 작용한 반면, Sr 처리에 의해 개량된 공정 Si으로 인해 충격 흡수에너지(Et)는 첨가 조건에 따라 1.45, 2.07, 2.93 Joule로 증가하였다. T6 열처리 상태의 충 격 흡수에너지도 첨가 조건에 따라 2.19, 3.71, 5.41 Joule로 증가하였다.

4) 스크랩이 35% 함유된 AC4A 주조용 합금에 무첨가, 0.05 wt% Sr 첨가, 0.1 wt% (Ti-B)+0.05 wt% Sr 첨가 후 주조상태의 피로특성을 평가한 결과, (Ti-B) 첨가로 α-Al 결 정립 크기 미세화되고 균열 굴절의 수가 증가하여 주조상태 의 피로한도는 첨가 조건에 따라 46.3 MPa, 54.2 MPa, 58.0 MPa로 증가하였다. T6 열처리 상태의 피로한도도 첨가 조건 에 따라 79.9 MPa, 87.4 MPa, 97.1 MPa로 증가하였다.

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