탄소 저감형 Fe-bearing AlSi10Mg0.35 주조 합금의 미세조직, 기계적 · 열전도 특성에 미치는 Superheating Treatment의 효과 = Effects of Superheating Treatment on the Fabrication, Microstructure, Mechanical Properties and Thermal Conductivity of net-zero Fe bearing Al10SiMg0.35 casting alloy

국문 초록 (Abstract)

아공정 Al-10Si 계 합금은 우수한 주조성, 높은 비강도 및 낮은 열팽창 특성 등의 장점을 가져 chassis, valve body 와 같은 다이캐스팅용 부품으로 사용되고 있는 알루미늄 합금이다(such as ADC12 and Silafont 36). Al-10Si-Mg 합금을 구성하는 Si 는 주조성과 인장 강도를 향상시키기 위해 첨가되고, Mg 은 고용 강화 및 Mg2Si 석출에 의한 강도 향상을 목적으로 첨가된다. 하지만 석출 상의 크기와 분율이 증가함에 다라 비례하는 phase boundary 에 의해 전자가 산란되어 열전도도는 감소된다고 알려져 있다. 따라서 석출 상의 크기 및 분율 제어는 강도와 열전도도를 동시에 향상시키기 위해 굉장히 중요하다.
한편, Si, Mg 이외 대표적 첨가 원소인 Fe 는 알루미늄 기지 내 고용되어 열전도도를 증가시킬 수 있는 원소로 알루미늄 주조 시 금형 소착 방지 및 주조 과정에서 첨가된다. 또한 혼입된 Fe 는 Al-Si 합금계에서 Si 함량에 비례하는 고용도를 가지며 응고 시 수지상간 영역에 금속간 화합물을 형성해 침상 형태의 β-AlFeSi phase 로
석출된다. 침상 형태의 금속간 화합물은 변형 중 선단에 응력이 집중되기 쉬워 기계적 특성에 악영향을 미친다고 알려져 있다. 또한, 금속간 화합물은 자유 전자가 이동할 통로를 막는 장애물 역할을 하며, thermal scattering 을 일으키는 경향이 있어 열전도도를 감소시킨다.
따라서, 기계적 특성과 열전도도를 동시 향상을 위해 β-AlFeSi phase 의 크기, 분율을 제어를 위한 최적 Fe 함량 선정과 처리가 필요하다.
현재 기계적 특성을 개선하기 위해 Al-Si 합금에서 침상 형태의 β-AlFeSi phase 를 제어하려는 연구가 수행된 바 있다. 용탕 전처리를 이용한 β-AlFeSi phase 미세화, 합금 원소 첨가에 의한 Fe-rich intermetallic(IMC) 제어가 대표적이다. 용탕 전처리를 통해 Fe-IMC 의 크기를 미세화 하는 방법으로는 ultrasonic melt treatment(UST)가 있다. 이는 ultrasonic 으로 용탕을 진동 시켜 생긴 cavitation bubbles 의 성장과 폭발을 통해 형성된 shock wave 가 침상의 β-AlFeSi phase 를 조각 내어 미세화 하는 방법이다. 원소 첨가를 통한 Fe-rich IMC 미세화 및 석출 억제 방법에는 대표적으로 Mn 을 첨가하여 β-AlFeSi phase 의 형성을 억제하고 Chinese script 혹은 fish bone 형상으로 알려진 α-AlFeSi phase로 변환하는 방법이 있다. 중화 원소를 첨가하는 방법은 효과적인 방법 중 하나이지만 합금의 조성이나 공정별로 첨가되야 하는 중화원소의 최적 첨가량이 정량적으로 규정되지 않은 실정이며 Mn 의 첨가는 열전도도 하락에 영향을 끼친다. Mn 의 열전도도는 7.81W/m·k 로 Al 의 열전도도 값인 234W/m·k 대비 약 3.3% 수준의 매우 낮은 값을 가지므로 열 방출 특성 저하에 원인이 된다고 알려져 있다. 이처럼 Fe-rich IMC 제어를 통한 강도 향상을 위해 Mn 을 첨가하면 열전도도가 하락하는 trade-off 가 나타나기 때문에 상반 특성을 동시에 향상시키기 위해서 Mn 이 첨가되지 않은 신 Al-Si 합금 설계와 동시에 Fe-rich IMC 를 제어할 수 있는 방안이 필요하다.
본 연구에서는 알루미늄 주조 및 재활용 과정에서 불순물로 작용하는 Fe 원소 함량을 적절히 제어하여 열전도도를 향상시키고, 추가 설비나 중화 원소의 추가없이 용탕 과열 처리를 통해 Fe-rich IMC 의 크기 및 형상을 제어해 열전도도와 강도를 동시에 향상시키고자 하였다.
본 연구를 위해 Fe 를 첨가한 Al-10Si-Mg 주조 합금을 새롭게 설계, 제조하였으며, 전통적인 주조 방법에 따라 720℃에서 주조한 합금과 용탕을 820℃로 과열 처리한 주조 합금을 제조하여 Fe-rich IMC 제어와 상반특성 향상을 위한 Fe 함유 Al-10Si-Mg 주조 합금의 미세조직, 기계적 특성과 열전도도에 미치는superheating treatment 의 영향에 대해 고찰하였으며 이와 함께 T6 열처리의 영향에 대해 조사하였다. 초기 미세조직 관찰 결과, 전통적인 주조 방법으로 주조한
Conventional-F, 용탕 과열 처리를 실시한 Superheated-F 두 소재 모두 eutectic Si 와 Fe-rich IMC 가 관찰되었다. 관찰된 eutectic Si 와 Fe-rich IMC 의 분율을 측정한 결과 각각 Conventional-F : 10.28%, 11.69%, Superheated-F : 6.39%, 10.22%로 차이를 보였으며, Fe-rich IMC 또한 용탕 과열 처리를 실시한 소재에서 더 작은 것으로 관찰되었다. 인장 시험 결과 Conventional-F 와 Conventional-T6 의 항복 강도는 각각 183.2MPa, 313.3MPa 로 측정 되었으며,
Superheated-F, Superheated-T6 의 항복강도는 218.2MPa, 340.3MPa 로 용탕 과열 처리와 T6 열처리를 실시한 경우에서 더 높은 값을 나타내었다. 열전도도는 Conventional-F, Conventional-T6 각각 144.9 [W/m·k], 161.8 [W/m·k]로 측정되었고, Superheated-F, Superheated-T6 는 각각 153.7 [W/m·k], 174.7 [W/m·k] 로 측정되어 Al-Si 계에서 가장 널리 쓰이는 Silafont 36, ADC12 에 비해 높게 측정되었다. 상기 결과들을 기반으로 새롭게 설계한 Al-10Si-Mg 합금의 기계적 특성과 열 특성에 미치는 superheating treatment 와 T6 열처리의 영향에 대해 고찰하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Al-10Si alloy, also known as Al-Si-Mg alloy, is an aluminum alloy used for die-casting components like chassis and valve bodies. It offers excellent castability, high tensile strength, and low thermal expansion characteristics compared to other alloys like ADC12 and Silafont 36. Silicon (Si) is added to improve castability and tensile strength, while magnesium (Mg) is added for solid solution strengthening and increased strength through Mg2Si precipitation. However, as the size and proportion of precipitates increase, the electron scattering at phase boundaries decreases thermal conductivity. Therefore, controlling the size and proportion of precipitates is crucial for simultaneously improving strength and thermal conductivity. Meanwhile, iron (Fe), another significant alloying element besides Si and Mg, is added to aluminum-based alloys to prevent mold sticking during aluminum casting and to enhance thermal conductivity. Additionally, incorporated Fe possesses solid solubility proportional to the Si content in Al-Si alloys, forming intermetallic compounds during solidification, such as the β-AlFeSi phase. Intermetallic compounds in the form of lamellar structures are known to have an adverse effect on mechanical properties because stress tends to concentrate at the interfaces during deformation. Furthermore, these intermetallic compounds act as obstacles that block the movement of free electrons, leading to thermal scattering and reducing thermal conductivity. Therefore, for the simultaneous improvement of mechanical properties and thermal conductivity, it is necessary to determine the optimal Fe content and treatment to control the size and proportion of the β-AlFeSi phase. Research has been conducted to control the lamellar β-AlFeSi phase in Al-Si alloys to improve their mechanical properties. Two main approaches for achieving this are through melt treatment and alloy element additions, particularly controlling the Fe-rich intermetallic (IMC) phases. One method for reducing the size of Fe- IMC through melt treatment is the ultrasonic melt treatment (UST). UST involves using ultrasonic vibrations to create cavitation bubbles in the molten alloy, generating shock waves that break down the β- AlFeSi phase into finer particles, achieving microstructure refinement. For controlling Fe-rich IMC through alloy element additions, a common approach is adding manganese (Mn) to suppress the formation of the β-AlFeSi phase and transform it into the α- AlFeSi phase, known as the "Chinese script" or "fishbone" morphology. While adding neutral elements like Mn is an effective approach, the optimal amount of neutral element required varies depending on the alloy composition and the specific process. It's important to note that Mn addition can impact thermal conductivity. The thermal conductivity of Mn is about 3.3% of the value of aluminum's thermal conductivity, with Mn having a low value of 7.81 W/m·K compared to aluminum's value of 234 W/m·K. This reduction in thermal conductivity can adversely affect heat dissipation. Therefore, to achieve a balance between improved strength through Fe-rich IMC control and maintaining thermal conductivity, it's essential to explore alternative approaches for Al- Si alloy design that do not require Mn addition while still effectively controlling the Fe-rich IMC. In this study, the aim was to improve thermal conductivity by controlling the Fe element content, which acts as an impurity during the aluminum casting and recycling processes, without the need for additional equipment or neutral element additions. The study sought to simultaneously enhance both thermal conductivity and strength by controlling the size and morphology of Fe-rich intermetallic compounds (IMC) through superheating treatment in Fe-added Al- 10Si-Mg casting alloys. New Al-10Si-Mg casting alloys with Fe addition were designed and manufactured for this study, and two types of alloys were produced: one cast at 720°C using traditional casting methods (Conventional-F) and another subjected to superheating treatment at 820°C (Superheated-F). The study aimed to investigate the impact of superheating treatment on the microstructure, mechanical properties, and thermal conductivity of Fe-containing Al-10Si-Mg casting alloys and also examined the influence of T6 heat treatment. The initial microstructure observations showed that both Conventional-F and Superheated-F alloys had eutectic Si and Fe-rich IMC. The measured proportions of observed eutectic Si and Fe-rich IMC differed, with Conventional-F: 10.28% for Si and 11.69% for Fe-rich IMC, and Superheated-F: 6.39% for Si and 10.22% for Fe-rich IMC, showing that the material subjected to superheating treatment had smaller Fe-rich IMC. Tensile testing results showed that the yield strengths for Conventional-F and Conventional-T6 were 183.2 MPa and 313.3 MPa, respectively. Superheated-F and Superheated-T6 exhibited higher yield strengths at 218.2 MPa and 340.3 MPa, respectively, indicating that superheating treatment and T6 heat treatment resulted in higher values. Thermal conductivity measurements indicated that Conventional-F and Conventional-T6 had thermal conductivities of 144.9 [W/m·k] and 161.8 [W/m·k], respectively, while Superheated-F and Superheated-T6 showed higher values, with thermal conductivities of 153.7 [W/m·k] and 174.7 [W/m·k], respectively. These values were higher compared to commonly used Al-Si alloys like Silafont 36 and ADC12. Based on these results, the study discussed the impact of superheating treatment and T6 heat treatment on the mechanical and thermal properties of the newly designed Al-10Si-Mg alloy.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 1
• 영문 요약 5
• List of figures 10
• List of Tables 15
• 제 1장 서론 16
• 제 2장 이론적 배경 22
• 2.1 Al-Si 계 합금 (Al-Si alloy system) 22
• 2.2 Al-Si 합금에서 첨가 원소의 영향 25
• 2.2.1 Mg의 영향 26
• 2.2.2 Fe의 영향 26
• 2.2.3 Mn의 영향 26
• 2.3 Fe-IMC 제어 방법 28
• 2.3.1 용탕 과열 처리 (Superheating treatment) 28
• 2.3.2 초음파 용탕 처리 (Ultrasonic melt treatment) 29
• 2.3.3 중화 원소 첨가(Neutralized elements adding) 29
• 2.4 T6 heat treatment 33
• 2.4.1 용체화 열처리 (Solid solution treatment) 33
• 2.4.2 인공 시효(Artificial aging) 33
• 제 3장 실험 방법 35
• 3.1 Fe 함유 Al-10Si-Mg 합금의 제조 36
• 3.2 T6 heat treatment strategy 39
• 3.3. 상 분석 및 미세조직 관찰 41
• 3.4 기계적 특성 평가 43
• 3.4.1 상온 인장 시험 43
• 3.4.2 고주기 피로 시험 43
• 3.4.3 샤르피 충격 시험 44
• 3.4.4 변형 조직 및 파면 분석 44
• 3.5 열 특성 평가 48
• 3.5.1 열전도도 평가 48
• 제 4장 연구 결과 및 고찰 50
• 4.1 Fe 함유 Al-10Si-Mg 합금의 미세조직, 상온 기계적 특성 및 열전도도 특성 50
• 4.1.1 미세조직 및 상 분석 50
• 4.1.2 상온 인장 특성 61
• 4.1.3 고주기 피로 특성 69
• 4.1.4 샤르피 충격 특성 77
• 4.1.5 열 특성 평가 82
• 4.2 Fe 함유 Al-10SI-Mg 합금의 열처리 후 미세조직, 상온 기계적 특성 및 열전도도 특성 88
• 4.2.1 미세조직 분석 88
• 4.2.2 상온 인장 특성 95
• 4.2.3 고주기 피로 특성 102
• 4.2.4 샤르피 충격 특성 108
• 4.2.5 열 특성 평가 113
• 제 5장 결론 117
• 참고문헌 119
• 연구 실적 124