고전도성 부품용 Al-Fe-Zn-Cu합금의 물성 및 주조성
윤호섭·김정민†·박준식·김기태 *·고세현 *
한밭대학교 신소재공학과, *한국생산기술연구원 인천연구센터
Properties and Casting Capabilities of Al-Fe-Zn-Cu Alloys for High Conductivity Parts
Ho-Seob Yun, Jeong-Min Kim†, Joon-Sik Park, Ki-Tae Kim* and Se-Hyun Ko*
Dept. of Advanced Materials Engineering, Hanbat National University Daejeon, Korea
*Incheon R&D Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon, Korea
Abstract
The most widely utilized commercial, aluminum-casting alloys are based on an aluminum-silicon system due to its excellent casting, and good mechanical, properties. Unfortunately, these Al-Si based alloys are inherently poor energy conductors; compared to pure aluminum, because of their high silicon content. This means that they are not suitable for applications demanding high elet- rical or thermal conductivity. Therefore, efforts are currently being made to develop new, highly-conductive aluminum-casting alloys containing no silicon. In this research, a number of properties; including potential for castability, were investigated for a number of Al-Fe-Zn-Cu alloys with varying Cu content. As the copper content was increased, the tensile strength of Al-Fe-Zn-Cu alloy tended to increase gradually, while the electrical conductivity was slightly reduced. Fluidity was found to be lower in high-Cu alloys, and susceptibility to hot-cracking was generally high in all the alloys investigated.
Key words : Aluminium, Casting, Conductivity, Tensile Strength, Fluidity, Hot cracking
1. 서 론
알루미늄은 경량성이며 비강도가 우수할 뿐만 아니라 전도도 가 높아 다양한 산업분야에서 활용되고 있으며, 특히 고출력 LED 방열부품소재로서 적용되고 있다. 전기/전자제품의 소형화 및 고집적화가 진행됨에 따라 보다 전도성이 우수한 소재의 필요성이 대두되고 있는데, 기존의 알루미늄 주조합금에는 보통 다량의 Si이 합금원소로 첨가되어 있으므로 전도성이 상대적으 로 낮고 표면처리가 힘들다는 한계를 가지고 있다. 순수한 알 루미늄은 일반적으로 널리 쓰이는 Al-Si계 주조합금에 비해 열 전도도가 약 2배 높은 것으로 알려져 있으며[1], 따라서 주조 성 측면에서 매우 중요한 합금원소이지만 전도성을 현저히 저 하시키는 Si을 완전히 제거하면서도 우수한 물성과 최소한의
주조성을 유지하는 새로운 알루미늄합금의 개발이 필요하다.
알루미늄합금 고전도성 부품은 생산성 측면에서 유리한 다이 캐스팅 공정으로 주로 제조되기 때문에 금형충전성과 열간균열 저항성에 취약할 경우 복잡한 형상으로 성형하기 어려울 수 있다. 금형충전성은 용탕의 유동도를 의미하는 것으로 여러 변 수와 관련되어 있지만 보통 합금의 응고구간에 반비례하는 경 향을 나타낸다[2,3]. 열간균열현상은 대표적인 주조결함의 하나 로서 수지상 구조가 완성된 후 용탕이 좁은 수지상 사이를 급 탕하는 단계인 응고과정 후반부에 발생한다. 역시 합금의 응고 구간에 반비례하는 경향을 나타내는 경우가 많지만 전체 응고 구간 보다는 수지상간 급탕이 일어나는 온도구간과 밀접한 관 련이 있으며, 응고 후반부에 존재하는 잔류 액상의 량, 응고과 정 중 형성되는 상의 특성 등과도 관련이 있다[4-6].
Received: Oct. 17, 2013 ; Revised: Nov. 13, 2013 ; Accepted: Nov. 22, 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. 6, pp. 242~247 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2013.33.6.242 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381
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본 연구에서는 알루미늄에 Si대신 전도성 저하가 상대적으로 작은 Zn와 Fe를 소량 첨가한 합금을 기본으로 Cu함량 증가에 따른 합금의 물성변화를 비교하고, 유동도 및 열간균열저항성을 조사하고자 하였다. Fe는 금형과의 소착을 방지하기 위해 필수 적으로 소량 일률적으로 첨가되었으며, Zn는 주로 고용강화효 과를 위해 선정되었다. 합금원소 Zn의 경우 Al기지 고용한도 내 비저항 증가율이 Si의 10% 미만 정도인 것으로 알려져 있 어 Si의 제거에 따른 강도감소분을 일부 보상하는 목적으로 첨 가되었다. Cu의 경우 Al에 일정량 이상 첨가되면 석출경화효 과가 있는 것으로 알려져 있으나 본 연구에서는 주조상태에서 의 미세조직 및 물성의 변화 위주로 조사를 진행하였다.
2. 실험 방법
Al 순금속(99.8%), Zn 및 Cu 순금속(99.9%), Al-5%Fe(wt%) 모합금을 사용하여 유도로에서 용해를 실시하였으며, 대기 중 에서 금형에 주입함으로써 두께 10 mm의 판재형상으로 주조 시편을 제작하였다. 준비한 주조시편의 화학조성은 유도결합플 라즈마(ICP)방법을 이용하여 분석하였으며, 그 결과를 Table 1 에 나타내었다. 주조상태에서의 미세조직은 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM, JEOL, JSM-5610)을 사용하여 관찰하였 으며, 형성된 상들의 분석은 SEM-EDS (energy dispersive X-ray spectrometer)와 X-ray diffractometer (XRD, Rigaku, Smartlab)를 이용하여 수행하였다. 미세조직의 현미경관찰을 위
해 사용한 부식액은 총 100 ml 기준으로 HNO3 10 ml, HCl 1.5 ml, HF 1.5 ml, 나머지 물로 구성되었다. 주조합금의 전기 전도도는 접촉식 시험기(Fischer, Sigmascope SMP10)를 사용 하여 측정하였으며, 인장성질은 ASTM B 557M 규격에 따라 평가하였다.
합금의 응고특성을 측정하기 위해 Ar가스분위기에서 5oC/
min의 속도로 시차주사열량계(Differential scanning calorimeter (DSC), TA instrument, Q20)를 이용하여 열분석을 실시하였 으며, 또한 실제 주조조건에서의 비평형 응고특성을 조사하기 위해 냉각곡선을 구해 분석하였다. 냉각곡선은 화학조성별로 준 비한 용탕을 직경 100 mm의 흑연(graphite) 주형에서 냉각시 키면서 2개의 열전대를 용탕 중앙과 바깥쪽에 각각 설치해 구 하였다. 2개의 열전대로 측정한 냉각곡선으로부터 온도의 차이 가 가장 큰 지점을 찾아 dendrite coherency point (DCP)를 구하였으며[7], 그 방법을 Fig. 1에 예로서 나타내었다.
유동도는 200oC로 전체를 예열시킨 나선형태(serpentine)의 내열강 주형을 이용하여 50oC의 과열도(superheat)를 가진 용 탕을 금형에 주입하여 5
×
5 mm의 통로를 금속이 응고 전에 유동한 총 길이를 측정하여 정량적으로 평가하였다. 한편, 열간 균열취약성은 350oC로 예열된 금형을 사용하여 5 mm두께의 링 형상(ring type) 주조시편을 제조하는 방식으로 측정하였으 며, 용탕의 과열도는 100oC를 유지하였다. 열간균열취약성 (HCS)은 링-형상의 주조시편에서 응고 도중 수축으로 인해 발 생한 균열의 총 길이를 측정하여 정량화하였다[4].3. 결과 및 고찰
3.1 주조합금의 미세조직 및 물성
Figs. 2와 3에서는 합금조성별 전형적인 주조상태 미세조직을 저배율과 고배율로 보여주고 있다. 모든 조성에서 등축정 형태 의 결정립이 형성된 것을 알 수 있으며, 결정립계와 수지상 사이에서 제2상을 관찰할 수 있다. 또한 Cu의 함량이 증가함 에 따라 제2상의 양이 점차 증가하는 경향을 발견할 수 있으 며, Fig. 4의 XRD분석결과로부터 제2상은 주로 Al2Cu인 것 으로 확인되었다[8]. XRD 및 SEM-EDS분석결과를 종합하여 보면 Al6Fe와 같은 AlFe상은 거의 형성되지 않은 것으로 판 단되며, Zn의 경우에도 Al2Cu상에서의 농도가 특별히 높지는 않은 것으로 나타나 석출상의 형성에는 기여하지 않고 대부분 알루미늄기지에 고용된 것으로 추정된다.
전술한 바와 같이 전도성 저하가 큰 합금원소 Si이 포함되 지 않은 본 실험합금의 전기전도도는 비교적 높은 것으로 확 인되었으며, 그 측정결과를 Fig. 5에 나타내었다. 대표적인 다 이캐스팅 합금 중의 하나인 A380 (8.5Si-3.5Cu)의 전기전도도 는 약 27%IACS인데 비해[9], 실험합금들이 50~55%IACS를 나타내고 있어 상대적으로 매우 우수한 전기전도도를 가짐을 알 수 있다. 합금원소 Cu의 경우 Si에 비해 전도도의 저하 효과가 훨씬 작지만 그림에서 보여 주듯이 첨가량 증가에 따
Fig. 1. Typical cooling curve obtained for Al-0.2%Fe-1%Zn-2%Cu
alloy showing DCP (dendrite coherency point) measurement method.
Table 1. Chemical compositions of investigated alloys (wt%).
Fe Zn Cu Al
0.5Cu 0.17 1.05 0.5 balance
1Cu 0.20 1.06 1.05 “
1.5Cu 0.14 1.01 1.43 “
2Cu 0.13 1.01 2.05 “
라 전도도가 약간 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 6에서는 합금의 주조상태 인장성질을 Cu함량에 따라 비교한 것으로 연신율이 고Cu합금에서 약간 감소하는 거동을 보인데 반하여 인장강도는 첨가량에 비례하여 현저하게 증가하
는 모습을 보이고 있다. 이것은 주로 Cu의 첨가량 증가에 따 라 Al2Cu 석출상의 양이 증가하였기 때문인 것으로 생각되며, 2%Cu에서도 20%이상의 높은 연신율을 나타내는 것은 전체 합금원소의 양이 비교적 적기 때문인 것으로 추정된다. 이러한
Fig. 2. Typical optical microstructure of as-cast Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys: (a) 0.5%, (b) 1%, (c) 1.5%, (d) 2%.
Fig. 3. SEM micrographs of as-cast Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys: (a) 0.5%, (b) 1%, (c) 1.5%, (d) 2%.
결과들을 고려하여 볼 때 Cu의 함량을 조절함으로서 전기전도 도과 인장강도를 일정 범위 내에서 선택할 수 있으며, 향후
요구 물성에 따라 조성을 조절할 때 유용한 정보로 활용될 것 으로 기대된다.
3.2 AlFeZnCu합금의 주조특성
합금조성별로 측정한 냉각곡선들로 부터 구한 응고 특성을 Table 2에서 정리하여 보여주고 있으며, Cu함량이 1.5%이상인 경우에 상대적으로 응고구간이 상당히 넓은 것으로 조사되었다.
또한 DCP 온도는 합금조성에 따라 크게 다르지 않으므로 고 상선 온도(응고가 완료되는 온도)가 상대적으로 훨씬 낮은 고 Cu합금들에서는 DCP~고상선 온도구역이 매우 넓으며, 이는 열간균열이 응고 중 발생할 확률이 높음을 암시하고 있다[6,7].
Fig. 7에서는 유동도와 Cu첨가량의 관계를 보여주고 있는데, Table 2의 응고구간으로부터 예상할 수 있듯이 고Cu합금들이 상대적으로 낮은 유동도를 나타내었다. 비록 합금의 유동도는 많은 변수들과 연관되어 있지만 응고구간에 반비례하는 경향을 나타내기 때문에 관찰된 결과는 어느 정도 설명이 가능하다[2- 3]. 본 연구에서 조사된 합금들의 경우 일반적인 주조용 합금 에 비해 첨가된 합금원소의 양이 적으나 유동도 시편의 미세 조직을 관찰한 결과에 근거한 응고거동은 전형적인 합금의 것 과 크게 다르지 않았다. 즉, 주형 내 통로를 흐르는 용탕의 선단부에서 응고가 진행되다 임계 고상율에 도달하면 유동속도 가 감소하면서 멈추는 방식을 따르는 것으로 생각된다[2].
열간균열취약성(HCS)의 경우에는 실험상의 편차가 다소 크
Fig. 4. XRD analysis results of cast Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys.
Fig. 5. Electrical conductivity of cast Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys.
Fig. 6. Tensile properties of as-cast Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys.
Table 2. Solidification characteristics of alloys observed from cooling curves (
oC).
Liquidus Temp.
Solidus Temp.
Solidification
Range DCP
0.5Cu 649 617 32 645
1Cu 647 605 42 643
1.5Cu 646 593 53 643
2Cu 644 592 52 643
Fig. 7. Fluidity of Al-0.2%Fe-1%Zn-xCu alloys.
게 나타났으나 Fig. 8에서와 같이 모든 합금들이 대체로 높은 취약성을 보임을 알 수 있으며, 명확하지는 않으나 Cu함량이 증가함에 따라 약간 감소하는 모습을 보여 주고 있다. Al-Cu 합금의 DC (direct chill)주조시 열간균열취약성 연구결과에 의 하면 약 0.5~1.5%Cu에서 높은 취약성을 보이는 것으로 알려 져 있으며[10], 본 실험의 결과에서도 유사한 거동을 보인 것 으로 생각된다. 전체 응고구간 및 DCP~고상선 온도범위가 Cu 함량의 증가에 따라 크게 증가하였음에도 불구하고 열간균열취 약성이 증가하지 않은 사실로 부터 본 연구에서 조사한 합금 들의 열간균열 현상이 응고구간이 아닌 다른 인자에 의해 좌 우되었음을 추정할 수 있다.
열간균열취약성의 개선에 기여하는 항목으로는 응고후반기의 잔류 액상량 증가와 결정립 미세화를 생각할 수 있다. 냉각곡 선의 관찰을 통해 Cu의 함량이 증가함에 따라 응고과정 후반 에 존재하는 액상의 존재가 뚜렷해지는 경향을 알 수 있었으 며, Fig. 9에서와 같이 결정립의 크기가 약간 감소하는 추세를
보이고 있어 본 실험결과를 일부 설명할 수 있다. 즉, 열간균 열이 발생하려는 지점 부근에 충분한 잔류액상이 존재하면 균 열의 발생을 지연할 수 있으며[4], 비록 본 연구에서는 결정립 크기의 감소정도가 작아 그 효과가 미비하겠으나 결정립 미세 화도 균열의 발생을 억제하는 효과가 있음이 이미 알려져 있 다[11,12]. Cu의 첨가량증가로 인해 결정립 크기가 감소한 것 은 용질원소의 농도증가가 응고하는 액상부의 과냉도를 증가시 키고 알루미늄 결정립의 성장을 억제하였기 때문인 것으로 추 정된다[13]. 참고로 응고 후반기에 형성되는 다량의 화합물이 있을 경우 수지상 사이의 급탕(interdendritic feeding)을 방해 하는 효과가 있으므로 열간균열취약성을 높이는 작용을 할 수 있으나 Figs. 2와 3의 미세조직에서 알 수 있듯이 Al2Cu상 이외에 응고 도중 형성되는 상들이 크게 존재하지 않아 본 연 구에서는 영향이 작을 것으로 기대된다.
4. 결 론
고전도성 부품용 Al-0.2Fe-1Zn-xCu합금의 미세조직, 물성 및 주조특성을 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) Al-Fe-Zn-Cu합금의 주조상태 미세조직은 알루미늄 기지와 Al2Cu 제2상으로 주로 이루어졌으며, 제2상의 양은 Cu함량에 따라 증가하는 것으로 나타났다.
2) Al-Fe-Zn-Cu합금의 전기전도도는 Al-Si계 상용합금들에 비해 현저하게 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Cu의 첨가량 에 비례하여 약간씩 감소하는 경향을 나타내었다.
3) 주조상태 인장강도는 Cu의 함량 증가에 따라 뚜렷하게 증가하는 추세를 나타낸 반면, 연신율은 크게 저하되지 않아 최소 20%이상의 높은 값을 유지하였다.
4) 유동도는 Cu함량이 높은 합금들에서 상대적으로 낮은 결 과를 나타내었으며, 열간균열취약성은 모든 합금조성에서 대체 로 높았으나 Cu 첨가량 증가에 따라 약간 개선되는 거동을 보였다.
감사의 글
본 연구는 산업자원통상부 산업원천기술개발사업의 지원으로 이루어졌습니다.
References
