AC4A 알루미늄 합금의 주조특성에 미치는 미량 첨가원소의 영향
오승환 *·김헌주†
부경대학교 공과대학 금속공학과, *부경대학교 대학원 금속공학과
Effect of Minor Additives on Casting Properties of AC4A Aluminum Casting Alloys
Seung-Hwan Oh* and Heon-Joo Kim†
Department of Metallurgical Eng, Pukyong National Univ., Busan 48547, Korea
*Department of Metallurgical Eng, Pukyong National Graduate School, Busan 48547, Korea
Abstract
The effects of minor additives on the casting properties of AC4A aluminum alloys were investigated. Measurements of the cool- ing curve and microstructure observations were conducted to analyze the effects of Ti-B and Sr minor elements during the solid- ification process. A fine grain size and an increase in the crystallization temperature for the α-Al solution were evident after the addition of 0.1wt% Al-5%Ti-1%B additive. The modification effect of the eutectic Mg
2Si phase with the addition of 0.05% Al- 10%Sr additive was prominent. A fine eutectic Mg
2Si phase and a decrease in the growth temperature of the eutectic Mg
2Si phase were evident. Fluidity, shrinkage and solidification-cracking tests were conducted to evaluate the castability of the alloy. The com- bined addition of Al-5%Ti-1%B and Al-10%Sr additives showed the maximum filling length owing to the effect of the fine α-Al grains. The macro-shrinkage ratio increased, while the micro-shrinkage ratio decreased with the combined addition of Al-5%Ti-1%B and Al-10%Sr additives. The macro-shrinkage ratio was nearly identical, while the micro-shrinkage ratio increased with the addition of the Al-10%Sr additive. The tendency of the occurrence of solidification cracking decreased owing to the effect of the fine α-Al grains and the modification of the Mg
2Si phase with the combined addition of Al-5%Ti-1%B and Al-10%Sr additives.
Key words: Grain refinement, Eutectic Mg
2Si modification, Fluidity test, Shrinkage test, Solidification-cracking test, AC4A aluminum alloy
I. 서 론
지구의 환경 보호를 위한 일환으로 이산화탄소 배출량을 줄이기 위한 기술개발로 운송 산업 및 자동차 산업에서 부품 의 경량화를 통해서 연비를 개선하는 방법을 채택하여 연구 개발하고 있다. 자동차 산업을 선도하는 기업들이 경량화 부 품을 적용하는 사례가 증가하고 있으며, 일반적으로 차량의 무게가 10% 감소하면 연비가 향상되고, 엔진과 부품에 가해 지는 중량 부담이 줄어 가속도가 증가하고 제동력 또한 상승 한다고 알려져 있다[1,2].
Al 합금의 비중은 철의 1/3정도로 가볍고 주조성 및 가공
성이 뛰어나 엔진, 샤시 등을 주조 공정을 통해 Al 합금의 경량소재 부품으로 대체하려는 연구가 지속적으로 이행되고 있다.
본 실험에서 사용된 AC4A합금은 Al-Si-Mg계 합금이며, 자동차 산업에서도 우수한 주조성과 기계적 특성 및 우수한 내부식성으로 인해 다방면으로 사용되고 있는 합금이다. 하지 만 AC4A 합금은 응고균열 민감성이 높아서 건전한 주물의 생산에 영향을 미친다[3]. 또한, 응고과정에서 형성되는 공정 Mg2Si상은 망상형태(Network)로 존재하여 제품의 인성을 저 해하는 문제점이 있다[4].
따라서 이러한 문제점을 해결하고 알루미늄 합금의 기계적
Received: Jul. 21, 2017 ; Revised: Sep. 20, 2017 ; Accepted: Sep. 27, 2017
†
Corresponding author: Heon-Joo Kim (Pukyong Nat'l Univ.) Tel: +82-51-629-6347, Fax: +82-51-629-6339
E-mail: [email protected]
Journal of Korea Foundry Society 2017. Vol. 37 No. 5, pp. 148~156 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2017.37.5.148 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381
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특성, 연신율, 합금의 주조성을 향상시키는 대표적인 방법으 로 미량 원소 첨가에 의한 α-Al 결정립 미세화 처리와 미량 원소 첨가로 침상의 공정 Mg2Si상 형상을 개량시키는 방법 이 적용되고 있다[5-8].
Al-Si계 합금의 α-Al 결정립 미세화 기구는 Easton과 StJohn 에 의하면 ‘Nucleant mechanism’과 ‘Solute mechanism’이 있다[9]. ‘Nucleant mechanism’는 불균질 핵생성 입자로 인 해 많은 핵생성 위치가 형성되어 결정립을 미세하게 만드는 기구이다. 본 실험에서 사용된 Al-5%Ti-1%B은 용탕에 고르 게 분포된 TiB2입자를 형성한다. 이 입자 주변으로 TiAl3이 형성되고 TiAl3이 용탕과 포정반응을 통해 미세한 α-Al을 정출한다. 또한, 첨가원소인 Ti는 GRF값(Growth Restiction Factor)이 큰 원소로 ‘Solute mechanism’에 의해 결정립 미 세화에 효과적인 원소이다[10].
미량 원소 첨가에 의한 기존의 공정 Si 개량화는 대표적인
‘IIT (Impurity Induced Twinning) mechanism’과 ‘Restricted growth mechanism’으로 공정 Si상 성장과정에 개입하여 형 상 개량화를 설명하는 기구들이다[11]. 본 실험에서 사용된 Al-10%Sr 첨가 시 Sr이 TPRE (Twin Plane Re-entrant Edge) 성장 모델을 갖는 공정 Si의 우선 성장면과 성장 계면에 흡 착되어 공정 Si의 형상을 개량한다.
따라서, 본 실험에서는 현재 산업에서 많이 사용하고 AC4A 합금을 대상으로 구성조직 미세화 및 개량화 처리에 따른 주조특성 평가를 목적으로 결정립 미세화제 Al-5%Ti- 1%B와 공정조직 개량화제 Al-10%Sr을 첨가하여 유동성, 수 축성, 응고균열 강도를 정량적으로 평가하여 미량 원소 첨가 에 의해 주조특성에 미치는 영향에 대해 알아보았다.
2. 실험 방법 2.1 시료 제작
본 실험에서 사용한 AC4A 합금의 잉고트를 제작하고 Spark emission으로 조성을 분석하여, Table 1에 나타내었다.
용해 조건 및 용탕 처리조건은 Table 2에 나타내었고, 전기 로 흑연 도가니에서 AC4A Ingot를 730oC에서 용해하였다.
용해가 완료 된 이후 용탕 내의 가스 및 불순물을 제거하기 위해 Ar 가스로 G.B.F (Gas Bubbling Filtration) 처리를 30 분 동안 실시한 후 가스 및 개재물의 부상을 위해 20분간 유 지하고 용탕 표면의 불순물을 제거한 후 실험을 진행하였다.
용탕의 가스농도 측정을 위해서 감압응고장치를 이용한 밀 도측정 즉, D.I (Density Index)법[12]을 통해서 용탕내의 가스농도를 측정하여, D.I값 0.1이하인 용탕으로 실험을 진행 하였다.
AC4A 합금의 주조성과 기계적 특성을 평가하기 위해 쉘 주형과 금형을 사용하여 시료를 제작하였다. 결정립 미세화제 Al-5%Ti-1%B를 0.1wt%, 공정조직 개량화제 Al-10%Sr을 0.05wt% 첨가한 시료를 각각 제작하여 첨가제 투여 전·후의
영향을 주조성 관점에서 평가하였다.
2.2 열분석 및 미세조직 관찰
AC4A 합금 용탕에 Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr를 첨가하 여 결정립 미세화 효과와 공정조직 개량 효과를 각각 분석하 였다. 사형과 금형의 중심부에 0.3 mm의 K-type CA 열전 대를 설치하고 첨가제를 넣은 AC4A 합금 용탕을 주입한 후 열분석곡선을 관찰하였다.
용탕 주입온도는 710oC, 사형은 상온, 금형 150oC로 예열 온도를 설정하였다. Fig. 1에 열분석 실험에 대한 모식도를 나타내었다.
응고가 완료된 후 결정립 미세화제와 공정조직 개량화제 첨가에 따른 열분석곡선을 분석하여 초정 α-Al상 정출온도 및 공정 Mg2Si의 성장온도를 측정하였다.
미세조직 관찰은 시료의 열전대 인근 조직을 광학현미경으
Table 1. Chemical composition of AC4A alloy (wt.%).
Si Cu Fe Mn Mg Zn Ti Ni Sr Al
9.34 0.05 0.13 0.25 0.37 0.01 0.13 0.01 0.01 bal.
Table 2. Conditions for melting and melt treatment.
Melting condition
Parameter Value
Casting Alloy AC4A
Melting Temp. 730
oC
Addition Al-10%Sr 0.05 wt%
Al-5%Ti-1%B 0.1 wt%
G.B.F
Holding Time 30 min Calm down time 20 min
Gas type Ar
Gas pressure 2 kg/cm
2Gas flow rate 35 l/min
R.P.M 450
Fig. 1. Schematic drawing of thermal analysis test mold.
로 관찰하였으며, 광학현미경을 통해서 관찰한 상의 성분을 SEM/EDS로 분석하였다.
공정조직 개량화 효과는 공정조직의 Aspect Ratio 측정하 여 평가하였다. 결정립 미세화 효과는 광학현미경을 사용하여 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 10회 측정 후 평균값을 비교하여 미세화 정도를 정량적으로 평가하였다.
2.3 주조성 평가
결정립 미세화제인 Al-5%Ti-1%B와 공정개량화제인 Al- 10%Sr를 첨가한 AC4A 합금을 대상으로 유동성, 수축성 그 리고 응고균열 강도 실험으로 주조성을 평가하였다.
2.3.1 유동성 평가
유동성은 Al합금의 주조에 있어서 미충진 결함을 유발할 수 있는 인자로 주조용 합금에서 중요하게 평가되는 특성이다.
유동성 평가를 위해 사용한 금형을 Fig. 2에 나타내었으며, 용탕 주입온도는 710oC, 금형 예열온도는 150oC로 하였고, 주입시간은 5초로 주입하였다. 길이 200 mm, 높이가 각각 6 mm, 5 mm, 4 mm, 3 mm, 2 mm로 다른 5개의 사각 홈 에 충진된 합금의 총 길이를 측정하여 유동성을 비교 평가하 였다[13].
2.3.2 수축성 평가
수축성을 평가하기 위해서 Fig. 3(a)에 나타낸 Tatur mold 를 사용하여 시료를 제작하였으며, 용탕 주입온도 710oC, 금 형 예열온도 150oC로 설정한 후 5초간 용탕을 주입하였다.
수축성 평가는 조대수축기공과 주조결함과 관련된 미소수축기 공으로 구분하여 측정하였다. 측정방법을 Fig. 3(b)에 도식적 으로 나타내었다. 조대수축기공은 시료의 수중에서 측정한 수
Fig. 2. Schematic drawing of fluidity test mold.
Fig. 3. Schematic drawing of (a) shrinkage test mold and (b) method for shrinkage measurement.
Fig. 4. Schematic drawing of solidification-cracking test equipment.
Table 3. Experiment conditions for solidification-cracking test.
Hot-tearing test condition
Parameter value
Casting
Alloy AC4A
Pouring Temp. 710
oC Pouring time 4.0 sec
※Holding time 5.0 sec
Mold Material SKD61
Mold Temp. 150
oC Displacement rate 60 mm/min
※Holding time = Load starting time − Pouring completion time
축된 시료의 체적과 수축용 금형 공극부의 전체 체적비로 계 산하였으며, 미소수축기공은 실험조성의 이론밀도와 수중치환 법으로 측정한 실제 밀도를 구하여 비교 평가하였다.
2.3.3 응고 균열강도 평가
응고 시 수축응력과 구속에 의해 발생되는 응고 균열강도 를 정량적으로 평가하기 위해 저자에 의해 개발된 장치를 Fig. 4에 도식화하였다[14]. 실험조건은 Table 3과 같이 금형은 150oC로 예열하였으며, 시험편에 인장력을 가하기 위해서 로드 셀과 연결되는 볼트를 장착하였다. 용탕 주입온도는 710oC로 4초간 주입하였다. 응고 균열강도를 측정하기 위해서 사용한 로드셀의 용량은 500 kgf이며, 변위를 측정하는 장치인 LVDT는 0~25 mm까지의 변위를 측정할 수 있다. 응고 시 측정된 응력과 변형량을 데이터 로그를 통해 모니터에 나타 내었다. 응력-변형률 그래프의 피크점을 응고균열 발생지점으 로 설정하여 첨가제에 따른 응고 균열강도 변화를 평가하였 다. 유효값을 얻기 위해 동일 조건의 실험을 6회 반복하였다.
3. 실험 결과 및 고찰
3.1 열분석 및 미세조직 관찰
초정 α-Al상 핵생성온도와 공정 Mg2Si 성장온도를 측정하 기 위해서 기본조성(AC4A)과 Al-10%Sr, Al-5%Ti-1%B과
Al-10%Sr를 연속 첨가한 3가지 조건 시료의 열분석 곡선과 자료를 Fig. 5와 Table 4에 각각 나타내었다.
기본조성 합금의 셀주형컵 시료일 때, 측정된 초정 α-Al상 핵생성온도는 590.5oC, Al-10%Sr을 첨가했을 때, 590.9oC, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가했을 때 593.7oC로 기본조성일 때보다 3.7oC 상승하였다. 기본조성 합금의 쉘주 형컵 시료에서 측정된 공정 Mg2Si 성장온도는 569oC, Al- 10%Sr을 첨가했을 때, 563.6oC, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr 를 연속 첨가했을 때, 563.7oC로 공정 Mg2Si 성장온도는 감소하였다.
기본조성의 합금의 금형주형컵 시료에서 측정된 초정 α-Al 상 핵생성 온도는 586.4oC, Al-10%Sr을 첨가했을 때, 587.4oC 였으며, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가했을 때, 590.3oC로 기본조성보다 3.9oC가 상승하였다. 기본조성 합금 의 금형주형컵 시료에서 측정된 공정 Mg2Si 성장온도는 560.2oC였으나, Al-10%Sr을 첨가했을 때, 555.5oC였으며, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr 첨가 시 555.8oC로 공정 Mg2Si 성장온도는 감소하였다.
Al-10%Sr 첨가 시 공정 Mg2Si 성장온도가 감소한 이유로 는 Sr첨가로 인해 공정 Mg2Si 결정의 성장을 방해하고 억제 시키므로 공정 Mg2Si의 결정이 성장하는데 더 큰 과냉이 필 요하기 때문에 공정 Mg2Si 성장온도가 감소한 것으로 판단
Fig. 5. Change of cooling curve with addition of Al-5%Ti-1%B and Al-10%Sr additives.
된다[11]. 또한, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr 연속 첨가 시 공정 Mg2Si 성장온도가 감소한 이유로는 Al-5%Ti-1%B의 영향보다 함께 첨가해준 Al-10%Sr의 영향으로 판단된다.
Al-5%Ti-1%B 첨가 시 초정 핵생성 온도가 상승한 이유는 Al-5%Ti-1%B 용해 시, Al 용탕 내에 용해되지 않는 TiB2
입자가 핵생성제로 작용하며, TiB2 입자 인근에 TiAl3가 형성 되며 용탕과 포정반응을 일으키며 초정 α-Al상을 형성하기 때문에 상대적으로 높은 온도에서 초정이 정출된 것으로 판 단된다[9].
미세조직 관찰은 금형 주조된 시료를 광학현미경과 SEM/
EDS를 통해서 실시하였다. 첨가제를 넣지 않은 기본조성 합 금의 미세조직은 초정 α-Al과 공정 Mg2Si으로 구성되어 있 으며, 부분적으로 Al15(Fe, Mn)3Si2상이 관찰되었다.
Fig. 6(a)에 기본합금인 AC4A의 광학현미경 조직을 나타 내었고, Fig. 6(b)에는 SEM/EDS를 통해 Al15(Fe, Mn)3Si2 상에 대한 분석 결과를 나타내었다.
Fig. 7에 Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가함에 따
라 발생한 조직적 차이를 나타낸 것으로, Al-10%Sr를 첨가 했을 시, 공정 Mg2Si상의 형상이 침상에서 섬유상으로 개량 된 것을 Fig. 7(a)에서 확인할 수 있다. Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr을 연속 첨가했을 시 나타나는 초정 α-Al 미세조 직의 차이를 Fig. 7(b)에 나타내었다.
공정 Mg2Si의 개량화 정도를 확인하기 위해서 Aspect Ratio와 결정립 미세화의 정도를 나타내는 SDAS를 측정한 결과를 Table 5에 나타내었다. Aspect Ratio를 비교하면 기 본조성의 경우 12.2, Al-10%Sr을 첨가한 경우 5.6로 공정 Mg2Si의 형상이 개량되었음을 알 수 있다. SDAS를 비교한 결과 기본조성의 경우 33 μm, Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr을 연속 첨가한 경우 24 μm로 SDAS가 감소함을 확인할 수 있다.
3.2 첨가제에 따른 주조성 평가 3.2.1 첨가제에 따른 유동성
유동성은 합금의 주조성을 평가하는 항목으로, 제품의 품질
Table 4. Comparison of primary nucleation temperature and eutectic growth temperature with addition of Al-5%Ti-1%B and Al-10%Sr
additives.
(a) Shell mold
Primary nucleation temperature
Additive No addition Al-10%Sr Al-5%Ti-1%B+Al-10%Sr
Nucleation Temp.(
oC) 590.5 590.9 593.7
Eutectic Growth temperature
Additive No addition Al-10%Sr Al-5%Ti-1%B+Al-10%Sr
Growth Temp.(
oC) 569 563.6 563.7
(b) Steel mold
Primary nucleation temperature
Additive No addition Al-10%Sr Al-5%Ti-1%B+Al-10%Sr
Nucleation Temp.(
oC) 586.4 587.4 590.3
Eutectic Growth temperature
Additive No addition Al-10%Sr Al-5%Ti-1%B+Al-10%Sr
Growth Temp.(
oC) 560.2 555.5 555.8
Fig. 6. Typical optical microstructure of AC4A alloy.
에 영향을 미치므로 중요하게 고려하는 주조특성 중 하나이 다. 유동성에 영향을 미치는 인자들은 용탕주입 온도, 주입 높이, 금형 예열온도, 합금의 응고양상, 표면장력, 용탕 내의 불순물 등 다양하다. 일반적으로 응고 범위가 좁은 순금속 및 공정 조성의 합금에서 우수한 유동성을 관찰할 수 있으며 그 이유는 응고는 금형의 벽면에서부터 용탕의 내부로 진행 되는 스킨형(skin type)의 응고가 진행되기 때문이다. 스킨형 응고는 용탕의 유동 통로가 막힐 때까지 유동은 지속되므로 유동성이 우수하다. 반면에 합금에서는 머쉬형(mushy type) 응고가 발생하며 응고범위에 따라 유동이 달라진다. 그 이유 는 용탕 선단 내 불규칙적인 등축정의 초정 α-Al이 형성되 어 용탕의 유동에 영향을 미치고 또한 임계 고상률에 도달하 면 유동이 멈추기 때문에 스킨형 응고보다 유동성이 감소한 다[15,16]. 결정립 미세화를 통해서 유동성에 영향을 미칠 수 있는 변수는 유동이 멈출 때의 고상분율이다. 유동이 멈출 때 용탕 내에서는 수지상들이 성장하여 서로 닿게 되어 Network를 형성하게 되며, 이것을 Dendrite Coherency라고 부른다[17].
Fig. 8에 유동성 실험결과를 나타내었다. 기본 조성의 경우 각 홈마다 충진된 길이의 합이 494 mm이고, Al-10%Sr을 첨
가한 경우 500 mm, Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr을 연속 첨가 한 경우에는 571 mm로 유동성이 가장 우수하게 나타났다.
Al-10%Sr을 첨가한 경우에는 유동성에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다. 그러나 유동길이가 다소 증가한 이유 는 Sr 첨가로 인해 용탕의 표면장력이 감소하였기 때문으로 판단된다[18].
Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr을 연속 첨가한 경우에 571 mm로 가장 높은 유동길이를 나타내었다. 유동 길이가 증가 한 이유로는 Al-10%Sr의 첨가 효과보다 Al-5%Ti-1%B의 첨가로 인해 형성되는 초정 α-Al의 크기가 감소하고 또한 형상이 불규칙 입상으로 Dendrite Coherency가 높은 고상분 율에서 형성되어 Al-5%Ti-1%B와 Al-10%Sr을 연속 첨가 했을 때 유동길이가 가장 길게 나타난 것으로 판단된다[17].
3.2.2 첨가제에 따른 수축성
수축결함은 알루미늄 주물의 주된 결함 중 하나이며 기계 적 특성을 악화시킨다. 응고가 진행될 때, 액상과 고상의 부 피 차이에 의해서 발생하는 수축을 보완하기 위해서 수축이 발생한 영역에 지속적으로 용탕을 공급하지만 응고 진행 중 에 형성된 덴드라이트와 불순물 등에 의해서 용탕공급이 차 단되면서 수축결함이 발생하게 된다[19,20].
응고중 공정 Mg2Si의 형상이 불규칙하게 성장하며 이로 인해 용탕 보급을 받지 못하는 영역이 발생하기 때문에 수축 기공을 증가시킬 수 있어 공정개량은 필요하다. 결정립 미세 화는 수축결함에 큰 영향을 미치며 결정립 미세화제의 첨가 로 인해서 많은 핵생성 위치가 생성되며 수축 기공을 분산시 킨다. 그리고 결정립의 크기가 미세하고 형상이 구형에 가까 워 용탕보급을 원활하게 만들어준다[21].
수축으로 인해 발생하는 기공은 자유표면에서부터 발생하는 파이프 형상의 조대 수축기공과 주물 내부에 용탕 보급이 차 단되면서 내부에 나타나는 미세수축인 미소 수축기공으로 나 타낼 수 있다.
Fig. 8. Results of fluidity test with addition of various additives.
Fig. 7. Effect of additive addition on the microstructure of AC4A alloy.
Table 5. Comparison of aspect ratio and SDAS.
additive No addition Al-10%Sr Al-5%Ti-1%B+Al- 10%Sr
Aspect ratio 12.2 5.6 -
SDAS ( µm) 33 - 24
본 실험에서는 첨가제에 따른 AC4A합금의 수축 특성을 전체 수축량을 조대 수축기공과 미소 수축기공으로 측정하였 고 각각 측정한 값의 합을 전체 수축량으로 Fig. 9에 나타 내었다. 기본조성 합금의 경우 전체 수축량은 6.22%이며, Al- 10%Sr을 첨가한 경우 6.23%, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가한 경우 6.75%.로 증가하였다.
Al-10%Sr을 첨가한 경우 조대 수축량은 기본조성과 큰 차 이가 없었으며 미소 수축량은 가장 높은 값이 나타났다. 그 이유는 Sr첨가로 인해 액상 금속의 표면장력이 감소되어 수 축 기공의 핵생성이 쉬워지고, 공정 Mg2Si의 형상이 개량되 면서 고착되는 액상이 증가하였기 때문에 미소 수축량의 값 이 가장 높게 나타난 것으로 판단된다[13,22].
Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가한 경우 조대 수 축량은 가장 높은 값을 나타내었다. 조대 수축량이 가장 높 게 나타난 이유로는 결정립 미세화로 인해서 용탕보급이 원 활하게 진행되어 시료 중앙부에 형성되는 파이프의 길이가 증가하고 시료 표면부가 많이 함몰되기 때문으로 판단된다 [23]. 미소 수축의 경우 결정립 미세화로 인해서 수축 기공이 분산되며 또한 원활한 용탕 보급으로 인해 최소값이 나타난 것으로 판단된다.
3.2.3 첨가제에 따른 응고 균열강도
응고균열은 고상률이 90% 이상 즉, 공정 조직이 형성되는 시점 또는 응고 후반부에 나타나는 결함으로써 가장 치명적 인 주조결함 중 하나이다. 응고균열에 영향을 미치는 인자로 는 결정립의 형상, 크기, 합금의 응고 거동 및 조성, 수축결 함 등이 있다. Eskin에 의하면 응고 시 발생하는 응고 수축 및 열수축은 머쉬형 응고를 할 때 용탕 내에 형성되는 Dendrite Coherency에 응력과 변형을 유발하며 이것은 응고 균열이 발생할 수 있는 환경을 형성한다고 한다. 또한 합금 의 표면장력이 작으면 응고 시 형성되는 고상에 액상이 스며 들어 결정립계를 따라서 잘 퍼지게 되며 Dendrite Coherency 를 와해시키고 응고균열을 촉진하는 요인 중 하나라고 한다.
응고균열을 해소하기 위해서 Matsuda와 Easton은 조대한 수 지상정은 하중이 집중되기 쉽고 또한 조직을 따라서 쉽게 균 열이 진행될 수 있기 때문에 결정립 미세화를 통해서 α-Al 의 형상을 수지상정에서 등축정의 형상으로 개량하면 응고균 열이 어느 정도 제어 가능하다고 한다[24,25].
응고균열 발생 기준을 정의하는 학설로는 임계 변형율 이 론[26,27], 임계 응력 이론[28], 임계 변형속도 이론[29] 등 이 있으며 본 연구에서는 임계 응력 이론에 근거하여 응력- 변형률 곡선의 최대 하중 도달시점을 응고균열 발생시점으로 판단하였다.
본 연구에서는 첨가제에 따른 AC4A합금의 응고균열 강도 를 비교 평가하였으며, 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 기본조 성에서 나타난 응고균열 강도는 16.4 kgf/mm2, Al-10%Sr을 첨가한 경우 22.6 kgf/mm2, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연 속 첨가한 경우 26.3 kgf/mm2로 첨가제에 의해서 응고균열 강도 값이 증가하였다.
Al-10%Sr의 첨가로 인해서 공정 Mg2Si의 형상이 개량되 면서 응력이 집중되는 부분이 감소하고 전체의 결정립계의 면적이 증가하게 되어 응고균열 강도가 증가한 것으로 판단 된다.
Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr를 연속 첨가했을 때, 가장 높 은 응고균열 강도가 나타난 이유로는 결정립이 미세해질수록 결정립계의 면적이 증가하게 되어 가해진 하중을 분산시켜 응 력이 감소하는 결정립 미세화 효과에 의한 것으로 판단된다.
4. 결 론
주조용 AC4A합금에서 첨가제 Al-10%Sr과 Al-5%Ti-1%B 을 첨가했을 때 나타나는 주조특성에 대해 연구한 결과 다음 과 같은 결론을 도출하였다.
Fig. 9. Results of shrinkage measurement with addition of various additives.
Fig. 10. Results of solidification crack strength with addition of
various additives.
1) Al-10%Sr을 첨가한 결과 공정성장온도가 감소하였다.
Al-5Ti%-1%B과 Al-10%Sr을 함께 첨가한 결과 초정 α-Al 핵생성 온도는 증가하였다. 미세조직 관찰결과 Al-10%Sr을 첨가한 시편에서 공정 Mg2Si의 형상이 침상에서 섬유상으로 개량되었으며, Aspect Ratio는 12.2에서 5.6으로 감소하였다.
Al-5%Ti-1%B을 첨가한 결과 α-Al의 크기가 감소하였고, SDAS는 33 μm에서 24 μm로 감소하였다.
2) 첨가제에 따른 AC4A합금의 유동성을 평가한 결과, 기 본 조성의 경우 494 mm, Al-10%Sr을 첨가한 경우 500 mm, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 함께 첨가한 경우 571 mm로 나타났으며, Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연속 첨가한 경우 에 유동성이 가장 우수하였다.
3) 첨가제에 따른 AC4A합금의 수축성을 평가한 결과, Al-10%Sr을 첨가한 경우 조대 수축량은 큰 변화가 없었고 미소 수축량은 증가하였다. Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr을 연 속 첨가한 경우 조대 수축량이 증가하였고 미소 수축량은 감 소하였다.
4) 첨가제에 따른 AC4A합금의 응고균열 강도를 평가한 결 과, Al-10%Sr을 첨가한 경우와 Al-5%Ti-1%B과 Al-10%Sr 을 연속 첨가 모두 응고균열 강도가 증하였으며, 결정립이 미세하고 공정 Mg2Si 형상이 개량되면서 응고균열 강도 향 상에 기여하였다.
감사의 글
이 논문은 부경대학교 자율창의 학술연구비(2017년)에 의하 여 연구되었음.
References
