Effect of Fe, Mn Content on the Castability in Al-9wt%Si-Mg System Alloys for High Elongation

(1)

고신율 금형주조용 Al-9wt%Si-Mg계 합금의 주조특성에 미치는 Fe, Mn함량의 영향

김헌주^†·정창열 *

부경대학교 공과대학 금속공학과, *동국대학교 에너지환경대학 원자력 및 에너지공학부

Effect of Fe, Mn Content on the Castability in Al-9wt%Si-Mg System Alloys for High Elongation

Heon-Joo Kim^† and Chang-Yeol Jeong*

Dept of Metallurgical Eng., Pukyong National Univ., Busan 608-739, Korea

*Dept. of Nuclear and Energy System Eng., Dongguk University 707, GyeongJu 780-714, Korea

Abstract

Effect of Fe and Mn contents on the castability of Al-9wt%Si-xMg-yFe-zMn alloy has been studied. The alloy was composed of α-Al phase, Al+eutectic Si phase, β-Al5FeSi compound and chinese script α-Al15(Mn,Fe)₃Si₂ compound. β-Al5FeSi and α- Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ compounds assumed to effect the fluidity and shrinkage behaviors of the alloy during solidification due to the crystallization of α-Al15(Fe,Mn)₃Si₂ and β-Al5FeSi compounds above eutectic temperature. As Fe and Mn contents of Al-9wt%Si- 0.3wt%Mg system alloy increased from 0.15wt% to 0.6wt% and from 0.3wt% to 0.7wt%, fluidity of the alloy decreased by 5.7%

and 3.3%, respectively. And as Mg content of Al-9wt%Si-0.45wt%Fe-0.5wt%Mn system alloy increased from 0.3wt% to 0.4wt%, fluidity of the alloy decreased by 8.6%. When Fe content of the alloy increased from 0.15wt% to 0.6wt%, macro shrinkage ratio decreased from 6.1% to 4.1%, and micro shrinkage ratio increased from 0.04% to 0.24%. Similarly, Mn content of the alloy increased from 0.3wt% to 0.7wt%, macro shrinkage ratio decreased from 6.0% to 4.5% and micro shrinkage ratio increased from 0.12% to 0.18%. Judging from the castability of the alloy, Al-9wt%Si-0.3wt%Mg alloy with low content of Fe and Mn, 0.1wt% Fe and 0.3wt% Mn, is recommendable.

Key words: Al-9wt%Si-xMg-yFe-zMn alloy, Castability, Fe content, Mn content.

1. 서 론

자동차의 연비향상 및 배기가스 저감에 대한 요구가 주요 이슈로 등장함에 따라, 자동차경량화에 필수적인 알루미늄합금 부품의 개발과 적용사례가 선진 자동차업체를 중심으로 증가하 고 있다[1-3]. 현재 알루미늄 주조재합금은 실린더헤드 및 블록 등의 엔진부품과 각종케이스 및 브라켓류의 부품에 적용되고 있으나, 미래형자동차 스페이스프레임을 구성하는 소재는 차량 의 안전성을 유지하기 위하여 고강도알루미늄 압출재의 사용비 율이 필수적이며 복잡한 형상이 요구되거나 압출재 사이의 연

결을 필요로 하는 부위에 대해서는 알루미늄 주조재를 사용해 야 한다. 알루미늄 주조재는 높은 강도와 신율을 동시에 요구 하기 때문에 결함을 최소화 할 수 있는 초진공 주조법을 이용 하여 제조되고 있지만 제조원가가 높고 공정이 복잡한 문제점 을 안고 있다. 때문에 기존의 일반적인 금형주조 공정을 이용 한 고강도, 고인성의 샤시용 금형주조 알루미늄 합금개발이 절 실히 요구되고 있다. 고품질 부품 개발에 필요한 금형주조용 알루미늄 합금은 높은 강도와 신율을 동시에 요구하지만, 최근 자원고갈로 인한 스크랩 사용비율이 늘어남에 따라 합금성분 중 Fe함량이 증가되면서 β-화합물로 일컫는 AlFeSi 화합물을

Received: Sep. 27, 2013 ; Revised: Oct. 30, 2013 ; Accepted: Nov. 11, 2013

†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 2013. Vol. 33 No. 6, pp. 233~241 http://dx.doi.org/10.7777/jkfs.2013.33.6.233 pISSN 1598-706X / eISSN 2288-8381

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.

(2)

증가한다. 또 Mn은 판상 β-AlFeSi상을 chinese script 형상으 로 개량화 하는 가장 일반적인 원소로 알려져 있으나, 부적절 한 Mn의 첨가는 알루미늄 용탕내에 슬러지를 형성하여 합금의 주조성과 기계적 특성을 오히려 감소시킨다[6]. Al-Si-Mg계 합 금에서 소량 첨가원소인 Fe, Mn은 함량에 따라 합금의 응고 도중 금속간 화합물의 형성하므로, 용탕 선단부의 응고거동에서 주조합금의 유동성에 영향을 미치며, 이들 금속간 화합물이 정 출되는 과정에서 화합물의 분율과 형상이 합금의 수축특성에도 영향을 미칠 수 있다.

이와 같이 주조용 Al-Si계 합금에서 소량 첨가원소인 Fe, Mn 함량에 따른 금속간 화합물 형성을 고려한 응고조직과 주 조성의 관련성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 Al- 9wt%Si-xMg-yFe-zMn계 합금에서 주조성에 미치는 Fe, Mn, Mg 원소의 영향을 유동성과 수축성의 관점에서 실험적으로 조 사하고, 기존의 상용합금 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.15wt%Fe- 0.5wt%Mn 조성[2]과 비교 평가를 통해 고신율의 샤시용 금형 주조 알루미늄합금 개발 가능성을 조사하였다.

2. 실험 방법 2.1 시료제조

본 실험에 사용된 시료의 합금조성은 Table 1과 같다. 제조 된 시료의 성분분석은 발광분석기(spark emission analyzer)로 행하였으며, 오차 범위는 0.03%로 제한하였다. Table 1의 1번 시료는 상용 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계의 합금조성으로 본 실험 에서 의도한 개발합금과의 주조성 비교, 평가를 위해 선정하였 다. Table 1의 2∼7번 조성은 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계 조성 에서 Fe와 Mn함량에 따른 주조특성을 비교하기 위해 Fe함량을 0.15wt%, 0.45wt%, 0.6wt%로, Mn함량을 0.3wt%, 0.5wt%, 0.7wt%로 변화시켰다.

최종적으로 성분 분석을 하고 용탕 진정을 위해 20분 유지한 뒤 주입하였다.

2.2 조직관찰 및 냉각곡선 분석

Al-Si 합금계 중 Fe, Mn함량 변화에 따른 미세조직과 형성 되는 상을 분석하기 위해 광학현미경 조직관찰, 냉각곡선 (cooling curve), 주사전자현미경(SEM/EDX) 및 X선 회절 (XRD) 분석을 행하였다. 광학 현미경 조직은 Table 2의 모든 조성에서 HF 0.5% 부식액을 사용하여 부식한 후, 100배 배 율로 관찰하였다. 실험용 합금들의 상형성 과정과 분석을 위해 응고시의 냉각곡선 분석과 주사전자현미경을 사용하여 분석하였 으며, 냉각곡선 분석은 상온의 동(copper), 강(steel), 쉘(shell) 로 제작된 3종류의 온도측정용 주입컵[8]에 710^oC 용탕을 주 입하여 용탕 냉각시의 응고거동을 측정하였다. 몰드 내부에는 직경 0.3 mm K-Type CA 열전대를 장착하여 초당 온도변화 를 측정하였다.

2.3 유동성 시험

유동성 시험은 140×300 mm 크기의 금형몰드 내부에 높이 가 각각 다른 길이 200 mm의 사각 홈의 형상을 지닌 금형 [9]에 일정한 온도의 용탕을 주입하여 용탕이 충진된 총 거리 를 합산하는 방법을 이용하였다. 유동성 시험 조건은 용탕 주 입온도 710^oC, 몰드온도 250^oC이다.

2.4 수축성 시험

수축성 시험은 Fig. 1의 원뿔형 금형몰드에 용탕을 주입하고, 응고 후 시료로부터 수축량을 측정하는 방법을 이용하였다. 주 입시 용탕온도는 710^oC이고, 이 때 금형 온도는 상온, 흑연 주입컵 온도는 400^oC로 실험하였다. 수축률은 크게 Micro shrinkage와 Macro shrinkage로 구분하였다. Micro shrinkage

Table 1. Chemical compositions of the alloys (Wt.%).

No. Alloy Si Fe Cu Mn Mg Ti Sr Al

1 Al-9Si-0.3Mg-0.15Fe-0.5Mn 9.0 < 0.15 0.004 0.5 0.3 0.15 0.025 remainder

2 Al-9Si-0.3Mg-0.45Fe-0.3Mn 9.0 0.45 0.003 0.3 0.3 0.15 0.025 remainder

(3)

는 재료 내부의 미세 수축으로 실제 밀도와 이론밀도를 비교 함으로써 계산되고, Macro shrinkage는 수축된 제품에 물을 주입하여 충진된 물의 체적과 전체 체적의 비로 계산되어진다.

각각의 계산식은 Fig. 1에 나타내었다.

3. 실험 결과 3.1 미세조직 관찰

광학 현미경 및 주사전자 현미경을 통하여 조성별 미세조직 을 관찰한 결과 Fe, Mn 함량에 따라 조직적 차이가 나타났다.

Fe, Mn을 함유한 공정 Al-Si계 합금에서 미세조직은 α-Al상, Al+Si공정상, 판상의 β-Al₅FeSi 화합물, chinese script 형상의 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂화합물로 구분된다.

쉘형 주입컵 시료의 Al-Si-Mg-Fe-Mn계 합금에서 Fe, Mn 함량에 따라 나타난 전형적인 미세조직을 살펴보았다. 우선 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.15wt%Fe-0.5wt%Mn 조성의 합금은 광학 현미경 관찰 결과 α-Al상 및 Al+Si공정상 이외의 상은 관찰되지 않았다. 이것은 낮은 Fe 함량의 결과로 판단된다.

Fig. 2의 (a)는 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe-0.3wt%Mn 조성으로 광학 현미경 및 주사전자 현미경 관찰 결과, α-Al상 Fig. 1. Classification of shrinkage type in conical castings.

Fig. 2. Typical Microstructures of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg system alloy for shell mold specimen. (a) Al-9wt%Si-0.3t%Mg-0.45wt%Fe-0.3wt%Mn alloy, (b) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe-0.5wt%Mn alloy.

(4)

교할 때 Mn 함량이 증가하면서 β-Al₅FeSi 화합물이 α-Al₁₅ (Mn,Fe)₃Si₂화합물로 형상 개량되었기 때문으로 판단된다. 시 료들의 미세조직 관찰결과, 합금 조성별 조직적 특성차이는 Fe, Mn의 함량에 따라 β-Al₅FeSi 화합물과 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 화합물의 비율이 현격한 차이를 보였다. 즉, Fe함량이 높고, Mn함량이 낮은 합금에서는 β-Al₅FeSi 화합물이 높은 비율로 관찰되어지고, 모든 Fe함량에서 Mn 함량이 0.5wt% 이상의 합금에서는 chinese script형상의 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 화합물이

0.3wt%Mg-0.6wt%Fe-0.3wt%Mn 합금조성과 같이 Fe함량이 높고 Mn함량이 낮은 경우, β-Al₅FeSi 화합물이 관찰되었다.

Fe, Mn함량이 모두 높은 경우, Fig. 3(c)의 Al-9wt%Si-0.3wt%

Mg-0.6wt%Fe-0.7wt%Mn 조성처럼 다수의 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 화합물이 존재하였으며, 그 크기 및 분율이 증가되었다[10].

Fe와 Mn이 일정 비율 공존하는 조성에서, Al-9wt%Si-0.3 wt%Mg-0.6wt%Fe -0.5wt%Mn조성의 경우처럼 β-Al₅FeSi 화 합물과 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 화합물이 모두 관찰되었다.

Table 3은 본 실험 냉각곡선 측정시료의 전형적인 β-Al₅FeSi 화합물과 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂화합물의 SEM/EDX 분석결과를 나타낸 것이다.

Fig. 4는 각 재질의 주입컵을 사용하여 Al-9wt%Si-0.3wt%

Mg-0.6wt%Fe-0.5wt%Mn합금의 냉각곡선 측정시 분석된 합금 구성상들의 정출온도 및 냉각속도를 나타내었다. 냉각곡선 측정 결과 α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂화합물과 β-Al₅FeSi 화합물은 α-Al 초정온도보다 낮으나, Al+Si공정온도 보다 높은 온도에서 정출 되었음을 알 수 있다.

3.2 Fe와 Mn함량 변화에 따른 유동성 영향

주조용 알루미늄합금에서 용탕의 유동성은 그 합금의 주조성 평가 주요 항목이다. 유동성은 합금원소의 종류와 함량에 따라 달라지며, 주조성이 좋은 용탕은 미충진(mis-run)과 같은 주조 결함을 방지한다. 본 실험은 합금원소의 함량변화에 따른 유동 성의 차이를 거시적으로 살펴보기 위해 각 합금의 용탕 유동 길이를 측정하였으며, 그 결과는 Fig. 5와 같다.

공정 Al-Si 합금계에서 합금원소 변화는 용탕의 유동성에 영 향을 준다. 즉 합금의 조성에 따른 상변화와 관련성이 있다.

합금조성 중 Fe, Mn 함량의 증가는 β-Al₅FeSi 화합물과 α- Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 화합물의 비율이 증가되며 이에 따라 용탕의 유동성이 감소된 것으로 사료된다. 또한, 비교 대상 합금인

Fig. 3. XRD Result of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg alloys for Shell mold specimen.

Table 3. SEM/EDX result of _β-Al₅FeSi and _α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ compounds.

Classification Element

Al Si Mn Fe

β-Al5FeSi Wt % 41.41 29.04 7.83 21.72 At % 49.50 33.35 4.60 12.55 α-Al15(Mn,Fe)₃Si₂ Wt % 57.10 12.31 14.73 15.85 At % 68.12 14.11 8.63 9.14

(5)

Al-9wt%Si-0.3wt%Mg -0.15wt%Fe-0.5wt%Mn 조성이 유동성 실험 결과 775 mm로 가장 높았으며, Fe와 Mn의 함량이 높 아질수록 용탕의 유동성은 점차적으로 감소됨을 알 수 있다.

Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn계 동일조성에서 Fe 함량변 화가 유동성에 미치는 영향은 Fe함량이 0.15wt%일 때 유동길 이 775 mm로 가장 높고, Fe함량이 0.15wt%에서 0.6wt%으로 높아지면 유동길이는 775 mm에서 712 mm로 감소하였다.

Fig. 6은 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-Fe-Mn 합금계에서 Fe함량 이 0.45wt%와 0.6wt%인 경우, Mn함량의 변화에 따른 유동 성을 나타낸다. 두 경우 모두 Mn함량이 높아질수록 유동성은 감소하였다. Mn함량이 0.3wt%에서 0.7wt%으로 높아지면 유 동길이는 766 mm에서 741 mm로 감소하였다.

알루미늄합금의 유동성에 미치는 변수로는 응고잠열, 용탕선 단부의 표면장력 및 응고거동, 주입온도 등이 있으며[11], 합금 원소들이 다량 첨가된 알루미늄합금에서 다른 변수의 변화가 없다고 가정할 때, 합금의 유동성은 용탕선단부의 응고거동에

의해서 좌우되는 경향이 높다[12]. 먼저 첨가원소에 따른 응고 잠열을 살펴보면 Si은 단위체적당 Al의 약 3.9배의 응고잠열을 방출하여 소량 첨가에도 유동성을 뚜렷하게 증가시키는 원소로 알려져 있다[11,13-15]. 알루미늄합금에서 Fe, Mn이 유동성에 미치는 영향을 응고잠열로 비교하면, Fe는 응고잠열이 단위중 량당 Al의 약 69%로 작지만 밀도차이를 고려해 환산하면 단 위체적당 Al의 약 2배로 높다. 또한 Mn은 단위중량당으로는 Al의 약 67%로 낮지만 역시 밀도를 고려하여 단위체적당으로 환산하면 방출되는 응고잠열은 Al의 약 1.8배로 높다.

용탕선단부의 표면장력에 미치는 Fe, Mn의 영향을 비교하면, Fe, Mn은 각각 Al합금에서 표면장력을 증가시키는 원소로써 합금의 유동성을 저해하는 원소이나, 알루미늄 합금 용탕의 표 면장력에 미치는 영향은 서로 유사한 수준으로 알려져 있어 Fe와 Mn의 함량에 따른 영향을 각각 비교하기는 곤란하며 [16], Flemings[17]이 제시한 channel에서 유동하는 금속액상에 대한 표면장력의 영향을 뚜렷하게 관찰할 수 있는 최소직경을 Reaction Crystalliztion Temp.(^oC) C/R*(^oC/sec)

Copper

Primary 613.7

β-Al5FeSi+Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂ 596.5 4.02

Al+Si Eutectic 584.9

Steel

Primary 614.3

Shell

Primary 617.5

Fig. 4. Result of cooling curve during solidification of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.6wt%Fe-0.5wt%Mn Alloy.

(6)

2.5 mm로 제안한 것에 비해, 본 실험의 channel은 가장 작은 표면적을 가지는 홈의 경우 너비 8 mm, 깊이 2 mm로 원으로 환산하여도 직경 약 4.5 mm로 크기 때문에 본 실험조건에서

Fe, Mn원소가 용탕선단부에 미치는 표면장력의 영향은 적을 것으로 추정된다.

따라서 Fe, Mn이 동시에 첨가된 Al-Si-Mg계 주조용 합금 Fig. 5. The Fluidity results with the change of Fe and Mn contents in Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-Fe-Mn system alloy.

Fig. 6. Effect of Mn content on melt fluidity of (a) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg -0.45wt%Fe alloy and (b) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.6wt%Fe alloy.

(7)

에서 유동성은 용탕 선단부의 응고현상과 직접 연관성이 있다 [12]. 용탕 선단부에서 응고가 시작될 때, 초정 Al이 정출되고, Fe 및 Mn 함량이 증가함에 따라 공정 Mg2Si보다 먼저 정출 되는 판상의 β-Al₅FeSi 화합물과 chinese script형상의 α- Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂화합물의 분율이 증가하므로 합금의 유동성을 떨어뜨리는 요인으로 작용한 것으로 사료된다.

3.3 Fe와 Mn함량 변화에 따른 수축성 영향

수축으로 인해 발생되는 수축기공(shrinkage porosity)은 가 장 일반적인 주조결함으로, 기공의 존재는 재료의 기계적 성질 감소로 이어진다. 대부분 합금의 액상-고상 응고과정에서 체적 감소로 인해 발생되는 응고수축은 수축부위에 용탕이 원활하게

보급되지 못할 경우 수축결함으로 나타난다. 순금속 혹은 공정 합금의 경우, 준액상 온도범위가 작고, 응고가 평활한 계면으로 진행하므로 수축에 동반한 변형에 대하여 충분한 강도를 지녀, pipe형상의 수축이 형성된다. Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계 합금에 서 Fe, Mn함량에 따른 수축실험을 행하여 pipe상 수축을 macro shrinkage, 내부의 porosity 및 미세수축을 micro shrinkage, 합을 total shrinkage로 표시하였다.

본 실험에서 공정 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg계 합금의 조성변 화에 따른 수축률을 조사하였다. 각기 다른 조성에서 수축실험 한 결과 Fe, Mn 함량변화는 합금의 수축률에 영향을 미치는 것으로 나타났다. Fig. 8은 각 실험조성에서 수축시험 샘플의 단면형상을 나타내었고, Table 4는 각 합금의 micro-shrinkage,

Fig. 7. Sectional image of shrinkage test specimens.

Fig. 8. Effect of Fe contents on shrinkage of Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn alloy.

(8)

macro-shrinkage 및 total-shrinkage 측정 결과를 나타낸다. Fig.

1의 a, b, a+b에 해당하는 값들은 Table 4에서 각각 micro- shrinkage, macro-shrinkage, total shrinkage로 나타내었다.

Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn 합금에서 Fe함량 변화에 따른 수축량의 영향을 Fig. 8에 나타내었다. Mn함량이 0.5wt%

로 일정할 때 Fe함량이 0.15 wt%에서 0.6 wt%로 증가함에 따 라 macro shrinkage는 6.136%에서 3.942%로 감소하고, micro shrinkage는 0.046%에서 0.237%로 소폭 증가하였다. α-Al상 다음으로 정출되는 β화합물은 합금의 응고시 판상의 형상으로 인해 액상금속의 보급을 방해하는 요인으로 작용[18]하여 합금 성분 중 Fe 함량이 증가되면 micro shrinkage에 의한 수축기 공을 증가시킨 것으로 판단된다.

Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe 합금에서 Mn함량 변화 에 따른 수축량의 영향을 Fig. 9에 나타내었다. Mn함량이 0.3wt%에서 0.7wt%로 증가하면 합금의 macro shrinkage는 5.951%에서 4.439%로 감소하고, micro shrinkage는 0.120%

에서 0.171%로 소폭 증가하였다. 수축기공 형성에 미치는 α 화합물의 영향을 고찰해보면, Fe, Mn함량이 증가할수록 합금 내 chinese script형상의 화합물이 많이 형성되고 이 화합물들 이 응고시 원할한 액상금속의 보급을 방해하고 내부에 미세 기포들을 형성함으로써[18] 체적이 상대적으로 커지므로, macro-shrinkage는 감소하고 micro-shrinkage는 증가하는 것으 로 사료된다.

Fig. 9. Effect of Mn contents on shrinkage. (a) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe alloy (b) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.6wt%Fe alloy.

5 Al-9Si-0.3Mg-0.60Fe-0.3Mn 2.7042 2.6880 0.223 4.188 4.411

6 Al-9Si-0.3Mg-0.60Fe-0.5Mn 2.7076 2.6903 0.237 3.942 4.179

7 Al-9Si-0.3Mg-0.60Fe-0.7Mn 2.7111 2.6913 0.271 3.560 3.831

(9)

4. 결 론

금형 소착 방지 및 조직 미세화를 위한 합금 조성 최적화 연구의 일환으로 Al-Si-Mg계 합금개발을 목표로, 주조용 Al- 9wt%Si-0.3wt%Mg-Fe-Mn계 합금에서 Fe, Mn함량 변화가 주 조성에 미치는 영향을 실험한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.

1) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-Fe-Mn계 합금의 미세조직 분석결 과, α-Al상, Al+Si공정상, 침상의 β-Al₅FeSi 화합물과 chinese script 형상의 α-Al₁₅(Mn,Fe)₃Si₂화합물로 구성되었다. 합금성 분 중 Fe함량이 높고 Mn함량이 낮은 경우 β-Al₅FeSi 화합물 이 관찰되었다. Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.3wt%Mn 조성의 경 우, 본 실험 범위의 모든 Fe함량에서 Mn함량이 0.5wt% 이상 의 합금에서는 chinese script형상의 α-Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂화합물이 관찰되어진다.

2) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-xFe-yMn계 합금에서 α-Al 초정 온도 이하와 Al+Si공정상의 공정온도 이상에서 결정화되는 α- Al₁₅(Fe,Mn)₃Si₂화합물과 β-Al₅FeSi 화합물의 영향으로 Fe, Mn함량 변화에 따라 이 합금의 유동성과 응고거동이 영향을 받았다.

3) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn 합금에서 Fe함량이 0.15wt%에서 0.6wt%로 증가하면 합금의 유동성은 5.7%감소 하였고, Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe합금에서 Mn함량이 0.3wt%에서 0.7wt%로 증가하면 합금의 유동성은 3.3%감소하 였다.

4) Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.5wt%Mn 합금에서 Fe함량이 0.15wt%에서 0.6wt%로 증가하면 합금의 macro shrinkage는 6.1%에서 4.1%로 감소하고, micro shrinkage는 0.04%에서 0.24%로 소폭 증가하였다. Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-0.45wt%Fe 합금에서 Mn함량이 0.3wt%에서 0.7wt%로 증가하면 합금의 macro shrinkage는 6.0%에서 4.5%로 감소하고, micro shrink- age는 0.12%에서 0.18%로 소폭 증가하였다.

5) 주조용 Al-9wt%Si-0.3wt%Mg-Fe-Mn계 합금에서 Fe, Mn 함량의 증가는 화합물을 형성함으로써 유동성을 감소시킨 것으로 추정된다. 또한, Fe, Mn함량이 증가되면 화합물을 형 성하고, 그 화합물들이 응고시 용탕보급을 방해하고 내부에 미 세 기포들을 형성함으로써 체적이 상대적으로 커지기 때문에 micro shrinkage는 Fe, Mn함량이 증가할수록 증가하며, macro shrinkage는 Fe, Mn함량이 증가됨에 따라 감소된 것으로 사료 된다.

감사의 글

본 과제(결과물)는 교육부의 재원으로 지원을 받아 수행된 산학협력 선도대학(LINC) 육성사업의 연구결과입니다.

References

[1] Jorstad JL, Die Casting Engineer, “Future technology in Aluminum die casting”, 9 (2006) 18-25.

[2] Koch H, Hielsher U, Sternau H and Franke AJ, TMS, “Silafont- 36, the new low iron high-pressure die-casting alloy”, (1995) 1011-1018.

[3] Makhlouf M and Apelian D, ACRC, “Casting characteristics of Aluminum die casting alloys”, Paper No. DEFC07-99ID13716 (2002) 1-46.

[4] Naraynan LA, Samuel FH and Gruzleski JE, Metall. Mater.

Trans. A, “Dissolution of iron intermetallics in Al-Si alloys through nonequilibrium heat treatment”, 26A (1995) 2161.

[5] Mascre C, Founderie, “Influence of iron and manganese on type A-S13 (Alpax) alloys”, 108 (1995) 4330-4336.

[6] Couture A, AFS Int. Cast. Metals Journal, “Iron in aluminum casting alloys-A literature survey”, 6 (1981) 9-17.

[7] Jorstad JL, Wayne and Zalensas DL, American Foundrymen's Society Inc.,, “Aluminum Casting Technology”, 2^nd Edi.”, 24 (1997) 21-26.

[8] Kim HJ, J. KFS, “Effects of Fe and Mn contents on the tensile properties of Al-9%Si-0.3%Mg alloy for high pressure die casting”, 31 (2011) 18-25.

[9] Kim HJ, J. KFS, “Effects of Fe, Mn content on the castability of Al-4%Mg-0.9%Si alloys for high pressure die casting”, 33 (2013) 55-62.

[10] Kim HY, Han SW and Lee HM, J. Kor. Inst. Met. and Mater.,

“The effects of Mn on the crystallization of a phase in 356 alloys”, 43 (2005) 413-417.

[11] Ravi KR, Pillai RM, Amaranathan KR, Pai BC and Chakraborty M, Journal of alloys and compounds, “Fluidity of aluminum alloys and composites”, JALCOM-15778 (2007) 201-210.

[12] Flemings MC, MaGraw-Hill, “Solidification Processing”, (1974) 219-224.

[13] Kim JM, Seong KD and Jun JH, J. KFS, “Variation of fluidity and mechanical properties of Al-Mg alloys with the addition of Si, Mn and Zn”, 24 (2004) 138-144.

[14] Kim JM, Seong KD and Jun JH, J. KFS, “Effects of Mn and Si contents on the castabilities and mechanical properties of Al- 5%Mg base alloys”, 25 (2005) 216-220.

[15] Lee WS and Ye BJ, J. KFS, “Variation of fluidity in Al alloys with the addition of Si, Mg and melt treatments”, 19 (1999) 310-317.

[16] Davis JR, ASM Specialty Hand book, ASM international, Materials Park, “Aluminum and aluminum alloys”, (1993) 10.

[17] Feliu S, Fleming MC and Taylor HF, The British Foundryman,

“Effect of mode of solidification on the fluidity of aluminium- tin alloys”, 53 (1960) 413-425.

[18] Moustafa MA, Journal of materials processing technology,

“Effect of iron content on the formation of β-Al5FeSi and porosity in Al-Si eutectic alloys”, 209 (2009) 605-610.