고압 다이캐스팅(HPDC) 자동차 구조 부품을 위한 고함량 폐스크랩 재활용 알루미늄 합금: 주조 상태(As Cast)와 T6 열처리 비교

이 기술 요약은 A. Bongiovanni, A. Castellero, M. Da Silva가 작성하여 La Metallurgia Italiana (2024)에 발표한 학술 논문 "Comparison of As Cast and T6 heat treatment on high end-of-life-scrap secondary aluminium alloy for High-Pressure Die Casting automotive structural components"를 기반으로 합니다. 이 내용은 CASTMAN이 AI의 도움을 받아 기술 전문가를 위해 분석하고 요약한 것입니다.

키워드

• 주요 키워드: 고압 다이캐스팅(HPDC)
• 보조 키워드: 재활용 알루미늄 합금, T6 열처리, AlSi10MnMg, 자동차 구조 부품, 내식성, 기계적 특성

Executive Summary

• 도전 과제: 자동차 구조 부품은 높은 성능을 요구하기 때문에, 철(Fe)과 같은 불순물로 인한 취성 문제로 고함량 재활용 알루미늄의 사용이 제한적이었습니다.
• 연구 방법: 70% 및 90%의 폐스크랩(End-of-Life) 재활용 원료로 생산된 AlSi10MnMg 합금에 대해, 주조 상태(As Cast)와 T6 열처리 상태의 미세구조, 부식 거동, 기계적 특성(굽힘 및 경도)을 비교 분석했습니다.
• 핵심 발견: T6 열처리는 경도가 소폭 감소함에도 불구하고, 굽힘 각도로 평가한 연성을 2배 이상 극적으로 향상시키고, 부식으로 인한 무게 감소를 최대 80%까지 줄여 내식성을 혁신적으로 개선했습니다.
• 핵심 결론: T6 열처리는 고함량(최대 90%) 재활용 알루미늄 합금이 고성능 자동차 구조 부품의 산업 표준을 충족하도록 만드는 핵심 공정으로, 지속 가능한 경량화 솔루션의 가능성을 입증했습니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

자동차 산업은 차량의 탄소 발자국을 줄이기 위해 끊임없이 노력하고 있으며, 전기차로의 전환과 함께 원자재 자체의 탈탄소화가 다음 과제로 떠올랐습니다. 알루미늄은 무한한 재활용성과 경량화 이점 덕분에 이러한 녹색 전환의 핵심 소재입니다. 하지만 재활용 과정에서 철(Fe)과 같은 해로운 원소의 함량이 증가하는 것은 피할 수 없는 문제입니다. 특히 철은 취성이 강한 금속간 화합물을 형성하여 연성을 저하시키기 때문에, 높은 기계적 강도와 파괴 인성이 요구되는 차체(Body-In-White) 구조 부품에는 주로 철 함량이 낮은 1차 알루미늄이 사용되어 왔습니다.

본 연구는 이러한 한계를 극복하고, 높은 재활용 원료 함량을 가진 2차 알루미늄 합금을 고성능 구조 부품에 적용할 수 있는 가능성을 탐구합니다. 이는 원가 절감과 탄소 배출량 감소라는 두 마리 토끼를 동시에 잡을 수 있는 중요한 과제입니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 SALEMA 유럽 프로젝트의 일환으로 개발된 두 가지 AlSi10MnMg 합금 변종(Variant 4, Variant 6)을 사용하여 진행되었습니다.

• 소재:
  • Variant 4 (V4): 폐스크랩 재활용 함량 70%
  • Variant 6 (V6): 폐스크랩 재활용 함량 90%
  • 두 합금 모두 EN AC 1706 43500 표준의 상위 공차 수준으로 설계되었으며, 특히 V6는 Fe와 Cu 함량이 표준을 초과합니다.
• 장비 및 공정:
  • 다이캐스팅 머신: 5250kN 급 Buhler 콜드 챔버 HPDC 머신 (VDS 진공 유닛 장착)
  • 주조 조건: 용탕 온도 720°C, 금형 온도 약 180°C, 잔류 압력 100mbar
  • 시편: 3mm 두께의 180x170mm 평판 시편
• 열처리 및 테스트:
  • T6 열처리: 490°C에서 1시간 용체화 처리 후 수냉, 이후 230°C에서 1시간 인공 시효 처리를 진행했습니다.
  • 미세구조 분석: 광학 현미경을 사용하여 주조 결함과 금속간 화합물을 관찰했습니다.
  • 기계적 특성 평가: VDA 238-100 표준에 기반한 굽힘 테스트로 연성을, 브리넬 경도 시험기로 강도를 측정했습니다.
  • 내식성 평가: ASTM B368(CASS 테스트) 표준에 따라 168시간 동안 염수 분무 환경에 노출시킨 후 무게 감소를 측정했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: T6 열처리를 통한 기계적 특성의 극적인 변화

T6 열처리는 합금의 기계적 특성을 크게 변화시켰습니다. Table 3에서 볼 수 있듯이, 연성을 나타내는 굽힘 각도는 주조 상태(F)에 비해 T6 처리 후 2배 이상 증가했습니다.

• V4 합금: 주조 상태에서 평균 22.3°였던 굽힘 각도가 T6 처리 후 58.5°로 크게 증가했습니다.
• V6 합금: 주조 상태에서 평균 23.1°였던 굽힘 각도가 T6 처리 후 51.4°로 증가했습니다.

반면, 경도는 감소했습니다. V4 합금의 경우 85.3 HB에서 67.5 HB로, V6 합금은 82.2 HB에서 76.0 HB로 감소했습니다. 이는 일반적인 T6 처리 효과와는 다른 양상이나, 중요한 점은 T6 처리 후의 경도 값이 EN 1706 표준에서 요구하는 최소값(T6 상태에서 65 HB)을 모두 만족한다는 것입니다. 이는 연성을 극대화하면서도 요구 강도를 충족할 수 있음을 의미합니다.

결과 2: 내식성의 혁신적인 개선

T6 열처리는 내식성에도 지대한 영향을 미쳤습니다. Table 2는 168시간의 CASS 테스트 후 무게 감소량을 보여줍니다.

• V4 합금: 주조 상태에서는 7.4%의 무게 감소를 보였으나, T6 처리 후에는 1.0%로 감소했습니다.
• V6 합금: 주조 상태에서 8.8%의 무게 감소를 보인 반면, T6 처리 후에는 1.9%로 크게 줄었습니다.

이는 T6 열처리가 부식에 대한 저항성을 약 80% 이상 향상시켰음을 보여주는 놀라운 결과입니다. 연구진은 T6의 고온 처리 과정에서 표면에 매우 얇지만 효과적인 산화 보호층이 형성되었을 것이라는 가설을 제시했습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 본 연구에서 사용된 T6 열처리 조건(490°C/1시간 용체화, 230°C/1시간 시효)은 고함량 재활용 합금의 미세구조를 균질화하고 공정 실리콘(eutectic Si)을 구상화하여 연성을 극대화하는 매우 효과적인 방법임을 시사합니다.
• 품질 관리팀: Table 3의 데이터는 T6 처리된 재활용 합금의 품질 평가 시, 경도 감소(예: V6에서 82.2 HB → 76.0 HB)와 연성 증가(굽힘 각도 23.1° → 51.4°)를 함께 고려해야 함을 보여줍니다. 이는 열처리된 재활용 합금에 대한 다각적인 QC 기준 수립의 필요성을 제기합니다.
• 설계 엔지니어: 연구 결과는 높은 재활용 원료 함량과 콜드 플레이크(cold flake) 같은 주조 결함이 존재하더라도, T6 열처리를 통해 구조 부품에 요구되는 기계적 특성(경도)을 만족하는 부품 생산이 가능함을 나타냅니다. 이는 소재 선택의 폭을 넓히고 지속 가능한 설계를 가능하게 합니다.

논문 상세 정보

Comparison of As Cast and T6 heat treatment on high end-of-life-scrap secondary aluminium alloy for High-Pressure Die Casting automotive structural components

1. 개요:

• 제목: Comparison of As Cast and T6 heat treatment on high end-of-life-scrap secondary aluminium alloy for High-Pressure Die Casting automotive structural components
• 저자: A. Bongiovanni, A. Castellero, M. Da Silva
• 발행 연도: 2024
• 저널/학회: La Metallurgia Italiana - International Journal of the Italian Association for Metallurgy
• 키워드: SECONDARY ALUMINIUM ALLOY, HIGH PRESSURE DIE CASTING, ALSI10MNMG, T6, HEAT TREATMENT, AUTOMOTIVE, STRUCTURAL

2. 초록:

자동차 산업은 차량의 탄소 발자국을 더욱 줄이기 위해 노력하고 있으며, 전기차로 전환됨에 따라 자동차 자체에 사용되는 원자재의 탈탄소화가 필요합니다. 알루미늄 합금은 무한한 재활용성을 제공하지만, 재활용 과정에서 발생하는 Fe 취성에 민감합니다. 고압 다이캐스팅 AlSi10MnMg 합금은 구조 부품에 가장 많이 사용되는 합금으로, 요구되는 고성능 때문에 일반적으로 1차 품질입니다. 본 연구는 SALEMA 유럽 프로젝트에서 개발된 구조용 2차 AlSi10MnMg 합금의 거동을 조사합니다. 이 합금은 70%와 90%의 폐스크랩 재활용 함량을 가지며 EN 1706 43500 합금의 상위 공차 수준으로 설계되었습니다. 본 연구는 주조 상태와 T6 열처리 상태 간의 미세구조 및 주조 결함, 부식 거동 및 기계적 특성(굽힘 및 경도 테스트)을 분석합니다. 미세구조와 경도는 1차 합금의 것과 유사합니다.

3. 서론:

유럽 자동차 산업은 2007년 159 gCO2/km에서 2021년 96 gCO2/km으로 차량의 탄소 발자국을 크게 줄였습니다. 내연기관(ICE)에서 배터리 전기차(BEV)로의 급진적인 전환은 승용차의 탄소 발자국을 더욱 감소시켰습니다. 다음 단계는 차량 자체 제조에 사용되는 원자재의 CO2 배출량 감소입니다. 알루미늄은 경량화와 높은 재활용성을 가능하게 하여 이러한 녹색 전환의 핵심 기여자입니다. 많은 자동차 부품이 이미 2차 알루미늄 합금으로 제조되지만, 대부분은 엔진 블록, 실린더 헤드 및 일반적인 ICE 차량 부품에 적용됩니다. 주조는 알루미늄 부품 생산에 관련된 주요 제조 공정으로, 2019년에 생산된 자동차의 총 알루미늄 무게의 65%를 차지합니다. Al-Si-Mg 기반 합금은 고압 다이캐스팅(HPDC)에서 가장 많이 사용되며, AlSi10MnMg 합금이 그 중 하나입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업의 탈탄소화 요구에 따라 재활용 알루미늄 사용 확대가 필수적이지만, 구조 부품에 요구되는 높은 기계적 특성 때문에 Fe와 같은 불순물 함량이 높은 2차 합금의 적용은 제한적이었습니다. 특히 AlSi10MnMg 합금은 구조 부품에 널리 쓰이지만 주로 1차 합금이 사용됩니다.

이전 연구 현황:

AlSi10MnMg 합금은 Fe 취성을 억제하기 위해 Mn을 첨가하여 덜 해로운 α-Al15(Fe,Mn)3Si2 상을 형성하도록 설계되었습니다. 2차 합금의 사용은 Cu, Zn, Fe와 같은 해로운 원소의 함량을 증가시키는 문제점이 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 폐스크랩 재활용 함량이 매우 높은(70% 및 90%) 2차 AlSi10MnMg 합금을 HPDC 공법으로 제조하고, 주조 상태와 T6 열처리 상태의 미세구조, 결함, 부식 및 기계적 특성을 비교 분석하여 고성능 자동차 구조 부품으로의 적용 가능성을 평가하는 것을 목적으로 합니다.

핵심 연구:

재활용 함량이 다른 두 가지 2차 AlSi10MnMg 합금(V4, V6)을 HPDC로 주조한 후, 일부 시편에 T6 열처리를 적용했습니다. 이후 미세구조 분석, CASS 부식 테스트, 굽힘 테스트, 브리넬 경도 테스트를 수행하여 주조 상태와 T6 처리 상태의 특성 변화를 정량적으로 비교했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

주조 상태(As Cast, F)와 T6 열처리 상태라는 두 가지 조건을 설정하고, 재활용 함량이 다른 두 합금(V4, V6)에 대해 각 조건의 특성을 비교하는 실험적 설계를 사용했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 화학 성분: 광학 방출 분광법(OES)으로 측정 (Table 1).
• 미세구조 및 결함: 에칭 후 광학 현미경으로 관찰 (Fig. 1-4).
• 기계적 특성: VDA 238-100 표준에 따른 굽힘 테스트와 브리넬 경도 테스트로 측정 (Table 3).
• 부식 거동: ASTM B368(CASS 테스트) 후 무게 감소량 측정 (Table 2).

연구 주제 및 범위:

연구는 고함량 폐스크랩으로 만든 AlSi10MnMg 합금의 HPDC 공정성과 T6 열처리의 효과에 초점을 맞춥니다. 범위는 미세구조, 주조 결함(기공, 콜드 플레이크, 콜드 조인트), 금속간 화합물, 내식성, 기계적 특성(연성, 경도) 분석을 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• T6 열처리는 용체화 처리 중 내부 가스 팽창으로 인해 기공 크기를 증가시킵니다 (Fig. 1).
• 콜드 플레이크나 콜드 조인트와 같은 주조 결함은 T6 열처리 후에도 사라지지 않으며, 미세구조적 불연속성을 야기합니다 (Fig. 2, 3).
• 합금 내 Fe는 Mn 첨가로 인해 대부분 해가 덜한 α-AlSiMnFe 금속간 화합물 형태로 존재하며, T6 열처리는 공정 Si를 구상화시켜 연성에 유리한 미세구조를 만듭니다 (Fig. 4).
• T6 열처리는 CASS 테스트에서 무게 감소를 80% 이상 줄여 내식성을 크게 향상시킵니다 (Table 2).
• T6 열처리는 굽힘 각도를 2배 이상 증가시켜 연성을 크게 향상시키지만, 경도는 감소시킵니다. 재활용 함량이 높아 Fe가 더 많은 V6 합금은 V4보다 T6 처리 후 연성이 약간 낮고 경도는 더 높습니다 (Table 3).
• 두 합금 변종 모두 주조 및 T6 상태에서 EN 1706 표준의 최소 경도 요구사항을 만족합니다.

Figure 이름 목록:

• Fig.1 - Optical micrographs showing the porosities in the F (a) and T6 samples (b).
• Fig.2 - Cold flake in the F (a) and T6 (b) samples, insets show magnification of the defects microstructure.
• Fig.3 - Cold joint in the F (a) and T6 (b) samples, insets show magnification of the defects microstructure.
• Fig.4 - Microstructure and a1- AlSiMnFe and a2- AlSiMnFe intermetallics in the F (a) and T6 (b) samples.

7. 결론:

본 연구에서는 높은 폐스크랩 재활용 함량으로 생산된 고성능 AlSi10MnMg 알루미늄 합금의 두 가지 변종을 특성화했습니다. 미세구조 분석, 부식 테스트, 굽힘 및 경도 테스트가 주조 상태와 T6 조건에서 수행되었습니다.

• 두 합금의 화학 성분은 주로 V6의 높은 재활용률에서 비롯된 Fe 및 Cu 함량과 이를 상쇄하기 위한 Mn 함량에서 차이가 납니다.
• 매우 높은 재활용 함량에도 불구하고, 해로운 원소(주로 Fe, Cu, Zn)는 V6가 Fe와 Cu 한계를 초과하지만, 기준 표준 EN 1706 상한에 가깝게 유지되었습니다.
• 미세구조는 두 합금 간에 다르지 않으며, 동일한 주조 및 응고 결함과 금속간 화합물을 가집니다. T6 처리는 미세구조에 동일한 효과를 미칩니다. 취성이 있는 β상은 거의 형성되지 않았습니다.
• 부식 저항성은 CASS 테스트 중 부식을 크게 감소시킨 부동태 산화층을 생성한 것으로 여겨지는 T6 처리에 의해 크게 영향을 받습니다. V6의 더 높은 Fe 함량은 더 높은 Fe 금속간 화합물로 인해 약간 더 높은 부식 민감성을 초래합니다.
• 굽힘 및 경도 테스트로 측정한 기계적 특성은 열처리 후 변종 간에 변화하는 반면, 주조 상태에서는 유사한 값을 보입니다. T6 후 V6의 연성은 아마도 증가된 Fe 함량의 결과로 V4에 비해 감소합니다.
• 폐스크랩 2차 합금을 사용하여 얻은 샘플의 기계적 특성(경도)은 1차 합금에 대해 고정된 요구사항을 만족합니다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: T6 열처리가 주조 결함, 특히 기공(porosity)에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 부품 성능에 어떤 의미를 가집니까?

A1: 논문의 "결함 및 미세구조 분석" 섹션과 Figure 1b에 따르면, T6의 고온 용체화 처리 단계에서 주조 시 포획된 공기가 팽창하고 주변 공기와 합쳐져 더 큰 기공을 형성할 수 있습니다. 이렇게 증가된 기공은 단면적을 감소시키고 파괴의 시작점으로 작용하여 특히 연성에 해롭습니다. 이는 T6 열처리가 기지 조직의 미세구조를 개선하는 동시에 기존의 가스 기공을 악화시킬 수 있다는 중요한 상충 관계를 보여주며, 초기 주조 공정에서 가스 포획을 최소화하는 것이 중요함을 시사합니다.

Q2: 논문에서 T6 처리 후 부식 저항성이 크게 향상되었다고 언급했는데, 그 가설적인 메커니즘은 무엇이며 추가 검증이 필요한 이유는 무엇입니까?

A2: 논문에서는 T6의 고온 처리(비불활성 분위기에서) 과정에서 알루미늄 표면에 부동태 산화층이 성장한다는 가설을 제시합니다("부식 거동" 섹션, 5페이지). 이 층이 CASS 테스트의 부식 환경으로부터 모재를 보호하는 것으로 추정됩니다. 하지만 이 층은 광학 현미경 분석에서는 관찰되지 않았는데, 이는 층이 마이크론보다 얇을 정도로 매우 얇다는 것을 의미합니다. 따라서 이 층의 존재와 조성을 확인하기 위해서는 XPS나 AFM과 같은 더 강력한 표면 분석 기술을 이용한 추가 연구가 필요합니다.

Q3: 재활용 함량이 더 높은 V6 합금이 V4 합금에 비해 T6 처리 후 연성이 약간 낮은 이유는 무엇입니까?

A3: Table 1에서 볼 수 있듯이 V6 합금은 V4(0.17 wt.%)에 비해 더 높은 Fe 함량(0.26 wt.%)을 가집니다. 논문의 "기계적 특성" 섹션(6페이지)에서는 이 높은 Fe 함량이 더 많은 양의 금속간 화합물을 형성하게 한다고 설명합니다. 이러한 금속간 화합물은 해가 덜한 α 형태라 할지라도 연성을 저하시키는 요인으로 작용합니다. 이 미세한 조성 차이가 T6 처리 후 V6의 굽힘 각도(51.4°)가 V4(58.5°)보다 낮은 주된 이유입니다.

Q4: 이 연구에서 사용된 AlSi10MnMg 합금에서 철(Fe)의 해로운 영향을 완화하기 위해 망간(Mn)은 어떤 역할을 합니까?

A4: 논문에 따르면 Fe는 침상 형태의 취성이 강한 β-Al5FeSi 화합물을 형성하기 때문에 해롭습니다. AlSi10MnMg 합금은 이러한 취성 β상의 형성을 억제하기 위해 의도적으로 높은 Mn 함량을 갖도록 설계되었습니다. 대신, "차이니스 스크립트(Chinese script)" 형태를 가진 덜 해로운 α-Al15(Fe,Mn)3Si2 상의 형성을 촉진합니다(5페이지). 이러한 야금학적 전략은 Fe 함량이 높은 2차 알루미늄의 사용을 가능하게 하는 핵심입니다.

Q5: 벤딩 테스트가 기존의 인장 테스트보다 이 연구에 더 적합하다고 간주된 이유는 무엇입니까?

A5: 논문 6페이지("기계적 특성")에서는 HPDC에 내재된 수많은 주조 및 응고 결함 때문에 벤딩 테스트가 더 신뢰성 있는 데이터를 제공할 수 있다고 설명합니다. 벤딩 테스트에서 저항 단면은 절반만 인장 상태에 놓이기 때문에 내부 결함에 덜 민감합니다. 또한, 더 미세한 미세구조를 특징으로 하는 부품의 "표피 효과(skin-effect)"가 측정된 기계적 성능을 향상시켜, 주조 부품의 실제 거동을 더 잘 반영합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 T6 열처리가 고함량 재활용 알루미늄을 까다로운 자동차 구조 부품에 적용할 수 있도록 '업사이클링'하는 강력한 도구임을 명확히 보여줍니다. 연성과 내식성의 획기적인 개선은 고압 다이캐스팅(HPDC) 기술이 지속 가능한 미래 자동차 산업에 기여할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있음을 증명합니다. 이는 단순한 재활용을 넘어, 자원의 가치를 높이고 순환 경제를 실현하는 중요한 발걸음입니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 A. Bongiovanni 외 저자의 논문 "Comparison of As Cast and T6 heat treatment on high end-of-life-scrap secondary aluminium alloy for High-Pressure Die Casting automotive structural components"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: La Metallurgia Italiana - Aprile 2024, pagina 50-56

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