기계적 진동을 적용한 JIS ADC12 알루미늄 합금 반고상 슬러리 제조 기술

본 소개 논문은 "[Materials Transactions]"에서 발행한 논문 "[JIS ADC12 Aluminum Alloy Semi-Solid Slurry Preparation Technology by Applying Mechanical Vibration]"을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 기계적 진동을 적용한 JIS ADC12 알루미늄 합금 반고상 슬러리 제조 기술
• 저자: Yuichiro Murakami, Kenji Miwa, Masayuki Kito, Takashi Honda and Naoki Omura
• 발행 연도: 2024년
• 발행 학술지/학회: Materials Transactions, 일본주조공학회
• 키워드: ADC12 알루미늄 합금, 반고상 공정, 반고상 슬러리, 고상 분율, 고상 입자 형상, 기계적 진동

2. 초록:

반고상 고압 다이캐스팅은 고품질 제품을 성형할 수 있는 공정으로 알려져 있습니다. JIS ADC12 알루미늄 합금은 고압 다이캐스팅에 널리 사용되지만, 이 합금은 반고상 온도 범위가 좁아 반고상 공정을 적용하기 어렵습니다. 본 연구에서는 기계적 진동을 적용하여 ADC12 알루미늄 합금 슬러리 제조를 시도했습니다. 액상에서 반고상 상태로 ADC12 합금 응고 중에 기계적 진동을 가했으며, 기계적 진동 변수와 주입 온도가 슬러리 형상에 미치는 영향을 조사했습니다.
기계적 진동을 적용하면 가속도 진폭 및 속도 진폭이 증가함에 따라 슬러리 내 고상 형상이 수지상에서 미세 구형으로 변형되었습니다. 그 결과 액상에 분산된 고상 입자를 갖는 슬러리를 얻을 수 있었습니다. 또한 미세한 구형 고상 입자를 갖는 슬러리를 얻기 위해서는 특정 값 이상의 높은 주파수와 변위 진폭이 필요한 것으로 나타났습니다. 슬러리의 고상 분율은 주입 온도와 진동 적용 시간에 모두 영향을 받았으며, 주입 온도가 감소하고 진동 시간이 증가함에 따라 증가했습니다. 결과적으로 주파수 50Hz, 가속도 진폭 및 속도 진폭이 각각 49.0m/s² 및 0.19m/s 이상인 기계적 진동을 적용하여 충분히 미세한 구형 입자를 갖는 슬러리를 얻을 수 있었습니다. 이러한 방식으로 주입 온도와 진동 시간을 제어하여 ADC12 합금 슬러리의 고상 분율을 제어할 수 있었습니다.

3. 서론:

반고상 고압 다이캐스팅(SS-HPDC)은 고속으로 금속을 고액 공존 상태로 금형에 주입하는 성형 방법입니다. HPDC는 일반적으로 완전히 액체 상태의 금속을 사용하며, 이는 고속으로 금형에 주입됩니다. 이 공정은 복잡한 형상의 금속을 효율적으로 생산할 수 있지만, 금속은 공기 혼입으로 인한 결함이 발생하기 쉽습니다. 반대로 반고상 금속은 점성이 높아 SS-HPDC 공정은 주입 중 공기 혼입으로 인한 결함을 줄일 수 있습니다. 또한, 더 작은 응고 수축은 수축 결함을 줄이고 치수 정확도를 향상시키며 공정 온도를 낮춰 금형 수명을 연장시킬 수 있습니다 (1-6). 이 공정은 기존 HPDC (7) 에 비해 에너지를 덜 필요로 하므로 매우 환경 친화적입니다. 그러나 SS-HPDC 공정은 기존 HPDC보다 성형성이 떨어집니다. 금형 내 유동성을 높이기 위해서는 고상 입자가 액상에 분산된 반고상 슬러리를 활용해야 합니다. 또한 일반적인 유동성을 개선하기 위해서는 더 미세하고 더 구형인 고상 입자가 바람직합니다.

JIS ADC12 Al-Si-Cu계 알루미늄 합금은 일본 (8) HPDC에 사용되는 재료의 90% 이상을 차지합니다. 이 합금은 Al-Si 공융 조성에 가까운 조성을 나타내어 고액 공존 온도 범위와 피막 형성 응고 (7) 범위가 좁습니다. 이러한 특징은 용융점이 낮고 가압이 용이하여 유동성이 우수하다는 점에서 HPDC에 유리하지만, SS-HPDC 공정에서는 복잡성을 야기합니다. SS-HPDC 공정에 유리한 다공성을 줄이기 위해서는 0.3-0.5 고상 분율 (9) 의 슬러리를 사용하는 것이 중요하지만, 이 온도 범위는 ADC12 합금의 경우 매우 좁습니다 (5 deg 미만) (10). 결과적으로 ADC12 합금은 반고상 공정 (4) 에 일반적으로 적합하지 않으며, 저 고상 분율 (0.15 미만) (11) 조건에서 가스 유도 반고상 방법과 같은 성형 방법에 대한 보고서가 몇 건에 불과합니다. 이러한 제한된 재료 선택은 SS-HPDC가 널리 채택되지 않은 이유 중 하나입니다.

본 연구진은 이전에 기계적 진동 (12) 을 적용하여 반고상 슬러리를 제조하는 방법을 개발했습니다. 본 연구에서는 미세하게 분산된 구형 고상상 입자를 갖는 슬러리를 얻기 위한 방법 및 조건을 평가하고, 성형 (13, 14) 중 전단 응력을 가함으로써 충분한 유동성을 달성할 수 있음을 확인했습니다. 기계적 진동은 약 0.5 (15) 의 고상 분율을 갖는 슬러리를 얻어 ADC12 합금에 적용되기도 했습니다. 반대로 미세하고 구형인 고상상 및 안정한 고상 분율을 얻기 위한 진동 조건은 명확히 밝혀지지 않았습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

반고상 고압 다이캐스팅(SS-HPDC)은 기존 HPDC에 비해 결함 감소 및 환경 성능 개선과 같은 장점을 제공합니다. JIS ADC12 알루미늄 합금은 HPDC에 널리 사용되는 재료이지만, 좁은 반고상 온도 범위로 인해 SS-HPDC 적용에 어려움이 있습니다.

기존 연구 현황:

선행 연구에 따르면 기계적 진동을 적용하는 것이 반고상 슬러리 제조에 유망한 방법입니다. 그러나 ADC12 합금에서 미세하고 구형인 고상상과 안정한 고상 분율을 갖는 슬러리를 생산하는 데 필요한 특정 진동 조건은 완전히 명확히 밝혀지지 않았습니다.

연구 목적:

본 연구는 응고 중 기계적 진동을 적용하여 ADC12 알루미늄 합금 슬러리 제조를 조사하는 것을 목표로 합니다. 주요 목적은 기계적 진동 변수(주파수, 가속도 진폭, 속도 진폭, 변위 진폭)와 주입 온도가 슬러리 형상 및 고상 분율에 미치는 영향을 확인하는 것입니다.

핵심 연구:

핵심 연구는 냉각 중 정현파 기계적 진동을 적용하여 ADC12 알루미늄 합금 슬러리를 제조하는 것입니다. 진동 조건, 주입 온도(T) 및 진동 시간(t)이 고상상 입자의 형상 및 고상 분율에 미치는 영향을 조사하기 위해 실험을 수행했습니다. 주파수(f), 변위 진폭(d), 속도 진폭(V) 및 가속도 진폭(A)을 포함한 기계적 진동 변수를 체계적으로 변경했습니다. 미세 구조 분석 및 이미지 분석을 사용하여 제조된 슬러리에서 고상 입자의 형상 및 크기를 특성화했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 기계적 진동을 이용한 반고상 ADC12 알루미늄 합금 슬러리 제조에 초점을 맞춘 실험 설계를 채택했습니다. 정현파 기계적 진동을 응고 과정 중에 스테인리스강 용기에 수평으로 가했습니다. 실험에서는 슬러리 특성에 미치는 영향을 관찰하기 위해 기계적 진동 변수와 공정 온도를 체계적으로 변경했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 미세 구조 관찰: 시편을 절단, 연마하고 0.5% 불화수소산 용액으로 에칭한 후 광학 현미경으로 관찰하여 고상상의 형상을 분석했습니다.
• 이미지 분석: Image-Pro Plus 7.0 소프트웨어를 사용하여 현미경 사진에서 α-Al상의 입자 직경(dp) 및 입자 원형도(R)를 측정했습니다. 면적 가중 평균값(dps, Rs)을 계산했습니다. 고상 분율은 현미경 사진에서 총 면적에 대한 α-Al상의 면적 비율을 계산하여 결정했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구에서는 다음 주제를 조사합니다.

• 고상 형상에 미치는 진동 변수의 영향: 주파수(f), 가속도 진폭(A), 속도 진폭(V) 및 변위 진폭(d)을 변경하여 고상 입자의 형상에 미치는 영향을 결정했습니다.
• 고상 분율 및 고상 입자 형상에 미치는 주입 온도 및 진동 시간의 영향: 주입 온도(T) 및 진동 시간(t)을 변경하여 고상 분율과 고상 입자 형상에 미치는 영향을 평가했습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 형상에 미치는 진동 변수의 영향:
  • 기계적 진동을 적용하면 고상 형상이 수지상에서 구형으로 변형되었습니다.
  • 가속도 진폭(A) 및 속도 진폭(V)이 증가하면 더 미세하고 구형인 고상 입자가 생성되었습니다.
  • 미세한 구형 고상 입자를 갖는 슬러리를 얻기 위해서는 특정 임계값 이상의 높은 주파수와 변위 진폭이 필요했습니다.
  • 일정한 속도 진폭(V)에서 주파수(f)가 높을수록 가속도 진폭(A)이 커지고 변위 진폭(d)이 작아져 입자 형상에 영향을 미쳤습니다.
• 고상 분율에 미치는 주입 온도 및 진동 시간의 영향:
  • 고상 분율은 주입 온도(T)와 진동 시간(t) 모두의 영향을 받았습니다.
  • 주입 온도(T)를 낮추고 진동 시간(t)을 늘리면 일반적으로 고상 분율이 증가했습니다.
  • 짧은 진동 시간의 경우 주입 온도가 높을수록 고상 분율이 낮아졌습니다.
  • 진동 시간이 20-25초에 도달한 후 고상 분율이 일정해졌습니다.
• 최적 진동 조건:
  • 주파수 50Hz, 가속도 진폭 및 속도 진폭이 각각 49.0m/s² 및 0.19m/s 이상인 기계적 진동을 적용하여 미세한 구형 입자를 갖는 슬러리를 얻었습니다.

Fig. 2 Microstructures of ADC12 alloy slurry. Without vibration and applied mechanical vibration with fixed frequency f = 50 Hz.

Fig. 3 Microstructures of ADC12 alloy slurry vibrated at same velocity amplitude, but different frequencies and acceleration amplitudes.

Fig. 4 Microstructures of ADC12 alloy slurry made at various pouring temperatures and vibration times. Vibration frequency and acceleration amplitude 50 Hz, 78.4 m/s².

Fig. 6 Effects of acceleration amplitude on mean particle diameter and roundness of Al particles at same velocity amplitude.

Fig. 7 Effects of displacement amplitude on mean particle diameter and roundness of Al particles at same velocity amplitude.

그림 목록:

• Fig. 1 실험 장치의 개략도
• Fig. 2 ADC12 합금 슬러리의 미세 구조. 진동 없음 및 고정 주파수 f = 50Hz로 기계적 진동을 적용.
• Fig. 3 동일한 속도 진폭으로 진동하지만 다른 주파수 및 가속도 진폭으로 진동하는 ADC12 합금 슬러리의 미세 구조.
• Fig. 4 다양한 주입 온도 및 진동 시간에서 제조된 ADC12 합금 슬러리의 미세 구조. 진동 주파수 및 가속도 진폭 50Hz, 78.4m/s².
• Fig. 5 50Hz 주파수에서 평균 입자 직경 및 원형도에 미치는 진동 조건의 영향.
• Fig. 6 동일한 속도 진폭에서 평균 입자 직경 및 Al 입자의 원형도에 미치는 가속도 진폭의 영향.
• Fig. 7 동일한 속도 진폭에서 평균 입자 직경 및 Al 입자의 원형도에 미치는 변위 진폭의 영향.
• Fig. 8 α-Al 입자의 면적 분율에 미치는 주입 온도 및 진동 시간의 영향.
• Fig. 9 ADC12 합금의 몰 엔탈피 또는 온도와 고상 분율의 관계.
• Table 1 본 연구에 사용된 JIS ADC12 알루미늄 합금의 화학 조성.
• Table 2 고상 입자 형상에 미치는 기계적 진동의 영향을 조사하기 위한 실험 조건.

7. 결론:

본 연구에서는 냉각 중 정현파 기계적 진동을 적용하여 ADC12 알루미늄 합금의 반고상 슬러리를 제조하는 효과를 입증했습니다. 주요 결과는 기계적 진동 변수, 특히 가속도 진폭, 속도 진폭, 주파수 및 변위 진폭이 고상상 입자의 형상에 큰 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 특히, 더 높은 가속도 및 속도 진폭과 최적화된 주파수 및 변위는 미세하고 구형인 고상 입자의 형성을 촉진합니다. 또한 슬러리의 고상 분율은 주입 온도와 진동 시간을 조정하여 제어할 수 있습니다. 본 연구는 기계적 진동이 피막 형성 응고 합금인 ADC12와 같은 합금에서도 SS-HPDC에 적합한 ADC12 알루미늄 합금 반고상 슬러리를 생산하는 데 실행 가능한 기술임을 결론지었습니다. 본 연구에서는 바람직한 슬러리 특성을 달성하기 위한 최적의 진동 조건(f = 50Hz, A ≥ 49.0m/s², V ≥ 0.19m/s)을 확인했습니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "[Yuichiro Murakami, Kenji Miwa, Masayuki Kito, Takashi Honda and Naoki Omura]"의 논문입니다. "[JIS ADC12 Aluminum Alloy Semi-Solid Slurry Preparation Technology by Applying Mechanical Vibration]"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.2320/matertrans.F-M2024810

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