Behavior of Eutectic Si and Mechanical Properties of Sr Modified Al-7Si-0.35Mg alloy with Solid Solution Treatment for Sand Casting

Sr 개량처리된 사형주조 Al-7Si-0.35Mg 합금의 열처리에 따른 공정 Si상 변화거동 및 특성평가

김명균^†·황석민 포항산업과학연구원

Behavior of Eutectic Si and Mechanical Properties of Sr Modified Al-7Si-0.35Mg alloy with Solid Solution Treatment for Sand Casting

Myoung-Gyun Kim^† and Seok-Min Hwang

Research Institute of Industrial Science & Technology, Pohang 37673, Republic of Korea

Abstract

In this study, we focused on the correlation between the solidification structure, heat treatment and mechanical properties of the A356 alloy according to the conditions of Sr modification. The microstructural evolution of the eutectic Si and α-Al phase in the A356 alloy castings depending on the amount of Sr were investigated during solid solution heat treatment using an optical micro- scope, a scanning electron microscope and an image analyzer. In addition, tensile tests on the heat treated materials examined the relationship between the microstructure and the fracture surface. The as-cast A356 alloys under 40 ppm Sr showed an under- modified microstructure, but that of the added 60-80 ppm Sr had well modified structure of fine fibrous silicon. After solid solution treatment, the microstructure of the undermodified A356 alloy exhibited a partially spheroidized morphology, but the remainder showed the fragmentation of fibrous shaped silicon. The spheroidization of the eutectic silicon in the modified A356 alloys was completed during heat treatment, which was very effective in increasing the elongation. This is supported by the fracture surface in the tensile test.

Key words: Al-7Si-0.35Mg alloy, Modification, Sand casting, Solution treatment, Mechanical properties

1. 서 론

Al-7Si-0.35Mg(이하 A356) 합금은 대표적인 주조용 알루 미늄 합금으로 유동성 및 가공성이 용이하여 자동차, 항공 부품재 및 구조재 등으로 널리 활용되고 있다[1-4]. A356 합금은 T6 열처리로 Mg

Si 상 석출을 유도하여 기지강화 효 과를 얻을 수 있으나, 주조 직후 형성된 조대한 공정 Si상으 로 인해 응고 선단부에 응력이 집중되어 크랙을 유발하는 단 점이 있다[5]. 이를 개선하기 위해 합금원소를 첨가하여 조대 한 침상 형태의 공정 Si을 미세한 섬유상 형태로 개량처리하 는 연구가 진행되고 있으며, 특히, Sr의 경우 공정 Si 개량

화에 최적화된 합금원소인 것으로 알려져 있다. 또한 개량화 된 합금은 열처리 공정을 통해 기계적 특성 향상에 크게 기 여하는 것으로 보고되고 있다[6].

한편, 알루미늄 산업의 고도화와 더불어 부품의 대형화로 인해 기존 다이캐스팅 및 소형 주조품에서 벗어나 고부가가 치 대형 주조품에 대한 연구 및 산업적 접근이 지속적으로 진행되고 있다[7]. 응고속도가 빠른 소형 알루미늄 주조품의 경우 특성 향상을 위한 합금원소 첨가 시 응고 중 상제어가 용이하나, 대형 알루미늄 주조품의 경우 복잡한 형상 구현 및 원가 절감 측면에서 사형주조하므로 낮은 응고속도의 영 향으로 상 제어에 있어 어려움이 발생한다[8]. 따라서 건전한

Received: Oct. 12, 2017 ; Revised: Nov. 16, 2017 ; Accepted: Nov. 21, 2017

†

Corresponding author: Myoung-Gyun Kim (RIST) Tel: +82-54-279-6543, Fax: +82-54-279-6199 E-mail: [email protected]

Journal of Korea Foundry Society 2018. Vol. 38 No. 1, pp. 1~8 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2018.38.1.1 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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original work is properly cited.

이에 본 연구에서는 대형 알루미늄 제품을 사형주조시 고 려해야 할 낮은 응고속도하에서 A356 합금 내 Sr 첨가량에 따른 공정 Si의 개량화 거동과 개량화 정도에 따른 용체화처 리시 공정 Si 구상화 및 미세조직 거동을 분석하여 기계적 특성간의 상관관계를 고찰하고자 한다.

2. 실험 방법

본 연구에서는 A356합금에 대해 Sr 첨가량에 따른 주조재 및 열처리재의 응고조직 내 공정 Si의 변화거동을 관찰하기 위해 Sr을 각각 40, 60, 80ppm 첨가하였다. 개량화 정도 및 용체화처리 후 응고조직을 비교 분석하기 위해 Sr을 미첨 가한 시편도 함께 주조하였다. 합금은 전기 저항식 용해로로 약 700

C 에서 A356합금을 용해하여, Al-5wt.%Sr 모합금으 로 Sr 함량을 제어하였으며, 측정된 합금의 화학조성을 Table 1에 나타내었다. 약 10분간 Ar 탈가스처리한 뒤, graphite 몰 드를 400

C 로 예열하였으며, 용탕이 주입된 몰드 내 thermo- couple 을 설치하여 응고시 주조재의 온도변화를 측정하였다.

우선, A356합금의 고액공존구간내 응고속도는 약 1.12

C/s로 현장에서 적용하고 있는 사형주조과 유사함을 확인하였으며 [10], 그 결과를 Fig. 1에 나타내었다.

개량화된 A356합금 주조재는 용체화처리 시간에 따른 공 정 Si의 구상화 및 α상의 조대화 거동을 관찰하기 위해 540

C에서 1, 3, 5, 7시간 유지한 후, 각 단계에서 약 50

C 미온수에 칭하였다. 용체화처리한 시편은 160

C 에서 8시간

시효처리하였다. 한편, Sr 첨가량에 따른 주조재와 용체화처 리재 미세조직은 광학현미경(Nikon Industrial Microscope ECLIPSE LV100ND) 으로 관찰하였으며, 용체화처리 시간에 따른 α상의 크기변화를 정량화하기 위해 이미지 분석 프로그 램(Image-Pro PLUS The Proven Solution)을 이용하였다.

또한 Sr 첨가량에 따른 용체화처리된 시편의 기계적 특성을 평가하기 위해 인장시험을 시편당 3회 실시하였으며, 파단면 분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope Quanta 400)을 이용하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 Sr 첨가량에 따른 공정 Si 개량화 거동

Fig. 2 는 Sr 첨가량에 따른 A356합금의 응고조직 내 공정 Si의 개량화 정도를 나타낸 것이며, Sr을 첨가하지 않은 조 직도 비교하였다. 우선, Sr을 미첨가한 Fig. 2(a)에서는 공정 Si 이 입계 내에 조대한 침상 형태의 모습으로 분포되어 있다.

40ppm Sr 첨가한 Fig. 2(b)에서는 공정 Si이 일부만 개량화 된 거동을 보여 부분적으로 침상형태의 Si상이 개량화되지 못하고(그림 내 원으로 표기) 섬유상 형태의 상과 공존하여 아개량(under-modification)처리된 것으로 나타난다. 한편, 60ppm Sr 첨가된 Fig. 2(c)에서는 조직 내 공정 Si이 전체 적으로 개량화된 거동을 나타내고 있으며, 현장 혹은 일반적 으로 개량화시 첨가하는 100ppm Sr 미세조직(Fig. 2(d))과 유사한 결과를 나타낸다.

일반적으로 Sr은 공정 Si 성장을 억제하는 효과를 지닌 합금원소로서 A356합금 내 용해 시 성장하는 Si 표면에 흡 착되어 상의 조대화를 억제하는 것으로 알려져 있으며, 이러 한 공정 Si 개량화는 일반적으로 Twin Plane Reentrant Edge (TPRE) 기구에 의해 설명되어진다[11,12]. 그러나 응 Fig. 1.

Table 1.

Si Mg Sr Al

0

ppm

40

ppm

60

ppm

80

ppm

100

ppm

고속도는 용탕 내에 용해되어 있는 Sr 원자의 확산에 영향을 미치며, 특히, 사형주조시 용해된 Sr은 낮은 응고속도로 Si과 의 원자간 확산거리가 증가하여 개량화에 필요한 Sr을 충분

히 공급하지 못해 개량화 효과를 저감시킨다고 S.C. Sun et al. 등의 연구결과에서 보고되었다[13]. 이와 같은 고찰에 근거 하여, 본 실험에서 실시한 A356합금 내 Sr 40ppm을 첨가 Fig. 2.

Fig. 3.

한 경우 낮은 응고속도로 인해 응고시 성장하는 공정 Si을 억제하는 Sr 원자 제공에 대한 부족한 첨가량으로 판단된다.

이에 Sr 첨가에 따른 개량화된 정도에 따라 미개량 조직(Sr 미첨가), 아개량 처리 조직(40ppm Sr), 개량화 조직(60, 80 ppm Sr)으로 분류하였으며, 각각의 시편에 대해 용체화처리 열처리를 진행하여 개량화 조직 내 공정 Si이 구상화되는 거 동을 관찰하였다. 이는 다음 3.2절에서 자세히 논하고자 한다.

3.2 용체화시간에 따른 공정 Si 및 α상 거동

Fig. 3은 Sr 첨가량에 따른 A356합금 주조재의 용체화처 리(540

C, 7 시간 유지) 후 공정 Si의 구상화 정도를 나타내 고 있다. 우선, 미개량 처리(Sr 미첨가)된 Fig. 3(a)에서 용 체화처리 과정 중 공정 Si은 주조재에서 나타나는 조대한 침 상 형태에서 일부 파쇄된 모습을 나타내나 구형 형태로는 변 화되지 않음을 확인할 수 있다. 아개량 처리된 40ppm Sr 첨가한 주조재의 경우 개량화된 Si은 구상화가 진행된 것으 로 보이나 부분적으로 개량화되지 않고 남아있던 Si은 Sr 미 첨가 시와 마찬가지로 파쇄된 형상만을 나타낼 뿐 구상화되 지 않은 상태로 상대적으로 조대하게 형성되어 잔존한 것을 Fig. 3(b) 에 나타내고 있다. 한편, Fig. 3(c), (d)와 같이 주조 시 개량화된 미세조직을 갖는 경우인 60 및 80ppm Sr 첨 가한 조직은 용체화처리 후 전체적으로 구상화가 완료된 것 을 확인할 수 있다.

이와 같이 A356합금 내 Sr 첨가여부에 따라 개량화된 조 직에 대해 용체화처리 과정 중 시간별 조직변화를 Fig. 4에 나타내었다. Sr을 미첨가한 경우에는 Fig. 4(a)와 같이 유지 시간 3시간 후, 침상 형태의 Si상이 일부 파쇄되는 거동이 일어난다. 그러나 유지시간이 증가함에도 불구하고 구상화는 관찰되지 않았으며, 공정 Si상의 크기는 점차 조대해짐과 동 시에 입자 사이의 간격이 벌어지는 현상을 확인할 수 있다.

한편, 아개량 조직을 갖는 40ppm Sr 첨가된 경우에는 용체 화처리시 부분적으로 미세하게 개량화된 Si상을 위주로 구상 화가 진행되며, 부분적으로 개량화되지 않은 Si상의 파쇄 현 상도 관찰된다. 특히, Fig. 4(b)와 같이 용체화처리 유지시간 5시간 이후에는 구상화가 거의 완료된 형태를 보이나 일부 구상화되지 않은 상이 잔존하고 있는 모습을 나타내고 있다.

개량화된 미세조직을 갖는 60 및 80ppm Sr 첨가한 경우에 는 Fig. 4(c)와 같이 섬유상 형태로 미세하게 형성된 Si의 Fig. 4.

Fig. 5.

영향으로 인해 구상화 거동이 더욱 가속화되며, 약 3~5시간 사이에 전체적으로 구상화가 완료되어 입계 내에 고르게 분 포되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4 에서 언급한 바와 같이 A356합금 주조재의 Sr 첨가 시 개량화된 조직에 대해 용체화처리 유지시간에 따른 공정 Si 구상화 과정을 도시적으로 Fig. 5에 나타내었다. 우선, Fig. 5(a) 와 같이 형성된 공정 Si의 형상을 시작으로, 유지시 간에 따라 Si이 기지 내로 확산되는 거동에 따라 파쇄 및 necking 현상이 진행된다(Fig. 5(b)). 이는 전체 계면에너지를 줄이기 위한 것으로 입자가 미세할수록 더욱 가속화되는 경 향을 나타낸다[14]. 파쇄된 공정 Si은 미세하게 형성된 상을 시작으로 Fig. 5(c)와 같이 구상화되기 시작하며, 이후 구상 화가 완료된 Si상은 시간에 따라 점차적으로 조대화되면서 Si상간 간격 또한 미세하게 벌어지는 거동을 나타낸다[15].

이러한 공정 Si 구상화 기구는 미개량 처리된 조직(Sr 미첨 가)의 경우 구상화 효과를 나타내기 위해서는 용체화처리 시 간이 상대적으로 많이 소요되며, 개량화 정도가 높을수록 미

세하게 형성된 Si을 시작으로 구상화가 빠르게 나타나는 것 으로 판단된다.

앞선 절에서 A356합금 내 Sr 첨가량에 따른 용체화처리 유지시간에 따른 공정 Si의 변화거동에 대한 고찰을 실시하 였으며, 열처리과정 중에 일어나는 미세조직 변화와 기계적 특성간의 상관관계를 고찰하고자 각 열처리조건에 따른 인장 시험결과를 Fig. 6에 나타내었다. 용체화처리 후 시효처리한 시편과의 물성평가도 실시하였다. 먼저 용체화처리(T4) 및 시 효처리(T6)한 시험편의 항복 및 인장강도는 Fig. 6(a)에서와 같이 Sr 첨가의 영향은 거의 나타나지 않음을 확인할 수 있 다. 이에 반해 Fig. 6(b)에서와 같이 각 시편의 연신율 측정 결과에서는 Sr 첨가에 따라 연신율의 증가를 확인할 수 있다.

그 중에서도 A356합금에 60~80ppm Sr을 첨가한 시편의 경우에서 증가율이 크며, 연신율이 각각 19.6 및 18.7%로 미첨가한 경우 11.5%에 비해 큰 향상을 확인할 수 있다. 이 와 같이 연신율이 증가하고 있음은 본 장에서 언급한 용체화 시간에 따른 미세조직의 결과, 즉 공정 Si 변화거동, 높은 Fig. 6.

Fig. 7.

하였으며, 이미지 분석 프로그램으로 Fig. 7과 같이 dendrite 형상을 구형으로 가정하여 조직 내에 존재하는 α상의 최소 반경(R/2)을 측정한 뒤 평균을 구하였다. 이와 같은 과정을 통해 Sr 첨가량(40 및 60ppm)에 따른 시편의 용체화처리 유지시간에 따른 α상 크기를 측정하였으며 이를 Fig. 8에 나타내었다. 아개량 처리된 40ppm Sr 첨가한 경우 용체화처 리 유지시간에 따라 증가한다. 이와 동시에 개량화된 미세조 직을 갖는 60ppm Sr 첨가한 시편에서도 동일한 거동을 나 타내고 있는데, 이는 열처리시 α상의 전체 계면에너지가 감 소하는 것을 구동력으로, 시간에 따라 크기가 조대해지는 것 으로 보고와 일치하는 결과이다. 동시에 본 실험에서와 같이 용체화처리 7시간 유지 후 α상은 가장 조대하게 형성되었으 며, 이는 연신율 향상에 큰 영향을 미친다는 M.I. Houria

et al. [16] 등의 연구결과와 유사한 거동을 나타낸다. 단, 이 들의 연구에서 α상 즉, SDAS 크기가 증가할수록 피로한도 가 감소되는 경향이 있기 때문에, 구상화되지 않고 잔존한 Si 상에 의한 크랙 생성시 균열이 쉽게 전파될 수 있는 요인 으로 작용할 가능성이 있다는 고찰은 향후 본 시편의 피로특 성 평가시 고려할 예정이다. 아울러 A356합금에 첨가된 Sr 첨가량에 따른 용체화처리 시 공정 Si이 구상화된 정도와 연 Fig. 8.

540^oC in 40, 60ppm Sr.

Fig. 9.

신율과의 상관관계를 검증하기 위해 인장시편 파단면 분석을 진행하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다. A356합금에 Sr 미첨가한 경우인 Fig. 9(a)는 인장시험시 파단면이 cleavage 형상이다. 이는 전형적인 취성파괴 형태로 열처리 과정 중 연신율이 상대적으로 작은 파단거동으로 앞선 Fig. 3(a)와 같 이 조직 내 침상 및 판상 형태로 존재하는 공정 Si의 영향 으로 판단된다. 또한, 파단면에서 Si Mapping 분석 결과에 서도 알 수 있듯이 Si 형태가 침상 및 판상으로 그대로 잔 존하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 9(b)의 아개량된 A356 합금의 파단면에서는 일부 구상화된 공정 Si의 영향으로 파 단면에서 일부 dimple형태 및 구상화되지 못한 부분에서는 cleavage 현상이 관찰된다. 또한, 파단면 Si Mapping 분석 시 Si이 부분적으로 관찰됨을 확인할 수 있는데, 이는 Fig.

3(b)와 동일한 결과로 판단된다. 개량화된 A356합금(60 및 80ppm Sr 첨가)의 경우에는 Fig. 9(c)와 (d)와 같이 파단면 에서 dimple의 분포도가 높음을 확인할 수 있다. 이는 앞선 미세조직 결과에서 언급한 바와 같이 전체적으로 구상화된 공정 Si의 영향으로 인해 대부분의 파단 지역에서 연성파괴 가 나타나기 때문이다. 앞선 미개량 및 아개량 처리된 합금 의 Si Mapping 분석와 달리 파단면에서 Si은 구형 형태로 고르게 분포되어 있으며, 이는 용체화처리 과정 중 공정 Si 구상화 정도가 높을수록 시편의 연신율 향상에 긍정적인 영 향을 미치는 것을 증빙하는 것으로 판단된다.

4. 결 론

대형 알루미늄 제품을 사형주조시 고려해야 할 낮은 응고 속도하에서 A356 합금 내 Sr 첨가량에 따른 공정 Si의 개 량화 거동 및 개량화 정도에 따른 용체화처리시 공정 Si의 구상화 및 미세조직 거동을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1) A356 합금 내 40ppm Sr 첨가된 주조조직 내 공정 Si 은 아개량 처리되었으나, 60~80ppm Sr 첨가시에는 전체적 으로 개량화되었다.

2) Sr 미첨가 주조재의 경우 용체화처리시 구상화 거동이 관찰되지 않았으며, Sr 첨가 시 공정 Si 개량화 정도가 클수 록 용체화처리 시간에 따른 구상화 현상이 가속화되었다. 한 편, 40ppm Sr 첨가된 경우 개량화된 공정 Si은 구상화가 진행되나, 개량화되지 않고 잔존하는 Si은 파쇄거동만을 나타 내며 조대하게 형성되어 잔존한다.

3) 60~80ppm Sr 첨가시 개량화 조직과 용체화처리 과정 중 공정 Si은 구상화로 연신율 개선에 상당한 효과가 있었으 며, 이는 파단면 분석결과에서도 확인되었다.

감사의 글

이 연구는 2016년도 산업통상자원부 및 산업기술평가관리

원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임(과제번호 10063437).

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