The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys

기계적 강도와 전기 전도도, 두 마리 토끼를 잡다: Al-Si 합금 열처리의 비밀

이 기술 요약은 [J. Wiecheć, P. Uliasz, T. Knych, M. Piwowarska–Uliasz, R. Jarosz]가 저술하여 [ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING] ([2013])에 게재한 학술 논문 "[The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys]"를 기반으로 작성되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 알루미늄 합금 전기 전도도
• Secondary Keywords: 알루미늄 다이캐스팅, 하이포유텍틱 실루민, 열처리, 기계적 특성, AlSi5Mg 합금

Executive Summary

• The Challenge: 전기차, 전자 부품 등에서 구리를 대체할 알루미늄 합금의 수요가 증가하고 있지만, 기존 주조용 알루미늄 합금은 기계적 특성에 최적화되어 있어 전기 전도도가 부족한 문제가 있었습니다.
• The Method: 규소(Si) 함량이 다른 세 종류의 하이포유텍틱 실루민 합금(AlSi11Mg, AlSi7Mg, AlSi5Mg)을 용체화 처리 후, 다양한 온도(180~220°C)와 시간(1~24h) 조건에서 인공 시효 처리하여 경도와 전기 전도도의 변화를 분석했습니다.
• The Key Breakthrough: 합금의 전기 전도도를 결정하는 가장 중요한 요소는 주 첨가 원소인 규소(Si) 함량이 아니라, 미량 원소인 티타늄(Ti) 함량이라는 사실을 발견했습니다.
• The Bottom Line: 높은 전기 전도도와 우수한 기계적 특성을 동시에 달성하기 위해서는 티타늄 함량이 극소량으로 제어된 AlSi5Mg 합금을 사용하여 과시효(over-aging) 조건으로 열처리하는 것이 가장 효과적입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

최근 자동차, 항공, 건설, 전자 산업 전반에서 경량화와 비용 절감을 위해 알루미늄 합금의 사용이 폭발적으로 증가하고 있습니다. 특히 전기 기술 및 에너지 분야에서는 무거운 구리를 대체할 소재로 알루미늄이 각광받고 있습니다. 하지만 기존의 주조용 알루미늄 합금은 대부분 기계적 강도, 내식성 등 구조적 성능에 초점을 맞춰 개발되었습니다. 이로 인해 전기 전도체 부품과 같이 높은 전기 전도도가 필수적인 분야에 적용하기에는 한계가 있었습니다.

표준 규격 역시 기계적 특성에 대한 요구사항은 명확히 제시하지만, 전기적 특성에 대해서는 대략적인 범위만 제공할 뿐, 최적의 값을 얻기 위한 구체적인 가이드라인이 부족한 실정입니다. 이 연구는 바로 이 지점에서 출발합니다. 즉, 어떻게 하면 알루미늄 주조 합금의 화학 조성과 열처리 조건을 최적화하여, 기존의 장점인 기계적 특성을 유지하면서도 전기 전도도를 극대화할 수 있을까? 이 질문에 대한 해답을 찾는 것이 본 연구의 핵심 과제입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

• 소재: 규소(Silicon) 함량이 각각 11%, 7%, 5%로 다른 세 종류의 하이포유텍틱(hypo-eutectic) 실루민 합금, 즉 AlSi11Mg0,3, AlSi7Mg0,3, AlSi5Mg0,3을 사용했습니다. 모든 합금은 금형 주조(gravity casting into a metal chill mould) 방식으로 시편을 제작했습니다.
• 열처리: 제작된 시편은 먼저 535°C에서 8시간 동안 용체화 처리(supersaturation)를 진행했습니다. 이후, 인공 시효(artificial ageing) 공정을 위해 180°C, 200°C, 220°C의 세 가지 온도 조건에서 각각 1시간에서 24시간까지 시간을 변화시키며 열처리를 수행했습니다.
• 측정: 각 열처리 조건별로 시편의 기계적 특성과 전기적 특성을 평가했습니다.
  • 기계적 특성: 브리넬 경도 시험기(WPM Leipzig HPO-250)를 사용하여 HB 경도를 측정했습니다.
  • 전기적 특성: 와전류(eddy current) 방식을 사용하는 SIGMATEST® 장비로 전기 전도도(MS/m)를 측정했습니다.

이러한 정밀한 실험 설계를 통해 열처리 온도와 시간이 각 합금의 경도와 전기 전도도에 미치는 영향을 명확하게 규명할 수 있었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

이번 연구를 통해 기존의 통념을 뒤엎는 몇 가지 중요한 사실이 밝혀졌습니다.

Finding 1: 열처리 조건이 경도와 전도도에 미치는 상반된 영향

열처리 조건에 따라 기계적 특성(경도)과 전기적 특성(전도도)은 상반된 경향을 보였습니다. - 경도: 모든 합금에서 인공 시효 온도가 180°C일 때 가장 높은 경도 값(T6 상태)을 달성했으며, 시효 시간이 길어져도 경도가 거의 일정하게 유지되었습니다 (그림 5 참조). 하지만 온도를 200°C나 220°C로 높이자 초기에는 경도가 빠르게 증가했지만, 시간이 지나면서 오히려 감소하는 과시효(over-aging, T7 상태) 현상이 나타났습니다 (그림 7, 9 참조). - 전기 전도도: 경도와는 반대로, 시효 온도와 시간이 증가할수록 전기 전도도는 점진적으로 향상되어 안정화되는 경향을 보였습니다 (그림 6, 8, 10 참조). 즉, 기계적 특성이 가장 나빠지는 과시효(T7) 조건에서 가장 우수한 전기 전도도를 얻을 수 있었습니다.

Finding 2: 전기 전도도의 핵심, 규소(Si)가 아닌 티타늄(Ti) 함량

가장 놀라운 발견은 전기 전도도에 대한 규소(Si)의 영향이 예상과 달랐다는 점입니다. - 논리의 흐름상 규소 함량이 가장 낮은 AlSi5Mg 합금이 가장 높은 전도도를 보일 것으로 예상되었지만, 실제 결과는 그 차이를 훨씬 뛰어넘었습니다. AlSi7Mg0,3과 AlSi11Mg0,3 합금은 규소 함량이 4%나 차이 남에도 불구하고 전도도 차이는 평균 1 MS/m에 불과했습니다. - 반면, AlSi5Mg0,3 합금은 AlSi7Mg0,3 합금보다 전도도가 4~6 MS/m 더 높게 나타났습니다. 연구진은 이 차이의 원인을 두 합금의 티타늄(Titanium, Ti) 함량에서 찾았습니다. 논문의 Table 2에 따르면, AlSi7Mg와 AlSi11Mg 합금의 Ti 함량은 약 0.1%인 반면, AlSi5Mg 합금의 Ti 함량은 0.001%로 100배나 낮았습니다. 티타늄은 알루미늄의 전기 전도도를 크게 저해하는 원소로 알려져 있으며, 이 미량의 차이가 전기적 특성에 결정적인 영향을 미친 것입니다.

Practical Implications for R&D and Operations

본 연구 결과는 알루미늄 부품을 다루는 여러 분야의 전문가들에게 실질적인 통찰력을 제공합니다.

• For Process Engineers: 전기 전도도가 중요한 부품의 경우, 단순히 최대 경도를 목표로 하는 T6 열처리(예: 180°C에서 2~8시간) 대신, 의도적으로 과시효(T7) 조건을 적용하는 것을 고려해야 합니다. 온도를 약간 높이고 시효 시간을 늘리면 기계적 강도는 소폭 감소하지만 전기 전도도를 획기적으로 개선할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 그림 13(Figure 13)은 경도와 전기 전도도의 관계를 한눈에 보여주는 유용한 맵을 제공합니다. 이를 활용하여 전기 전도체 부품에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립할 수 있습니다. 예를 들어, '경도 70 HB 이상, 전도도 28 MS/m 이상'과 같은 복합적인 기준을 설정하여 부품의 성능을 보증할 수 있습니다.
• For Design & Materials Engineers: 고전도성 알루미늄 부품 설계를 위해 가장 먼저 고려해야 할 것은 합금의 화학 성분 명세입니다. 단순히 규소(Si) 함량이 낮은 합금을 선택하는 것보다, 티타늄(Ti), 망간(Mn), 크롬(Cr)과 같이 전도도를 저해하는 미량 원소의 함량을 최소화하도록 요구하는 것이 훨씬 중요합니다. 특히 AlSi5Mg 합금은 이러한 목적에 매우 적합한 소재가 될 수 있습니다.

Paper Details

The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys

1. Overview:

• Title: The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys
• Author: J. Wiecheć¹, P. Uliasz¹, T. Knych¹, M. Piwowarska–Uliasz¹, R. Jarosz²
• Year of publication: 2013
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 13, Special Issue 3/2013
• Keywords: heat treatment, hypo-eutectic aluminum silicon alloys, mechanical properties, electrical properties

2. Abstract:

The silumins are the aluminum alloys with the silicon as the main alloy addition. These are one of the most common types of casting alloys based on aluminum. They are widely used in technologies of casting such as sand casting, chill casting or pressure die casting. As their main characteristics we can include: very good castabillity, corrosion resistance, high mechanical properties and good thermal and electrical conductivity. Thanks to all these properties, the cast aluminum alloys have been used in various industries such as: automotive, engineering, heat exchangers or conductive elements. The last application requires a specific conditions of the process and the optimal chemical composition of the alloy, which allows to obtain high values of conductivity. The paper presents a study covering the impact of silicon content and heat treatment parameters on the electrical conductivity and mechanical properties (hardness HB) hypoeutetic silumin alloys such as AlSi11Mg, AlSi7Mg and AlSi5Mg. The aim of the study was to determine the optimal conditions for heat treatment parameters of various alloys providing to the most favorable mechanical and electrical properties.

3. Introduction:

In the recent years, a steady growth in the demand for aluminum and aluminum alloys products has been observed. The trend is caused by the attempts to improve a number of product properties (weight, conductivity, corrosion resistance) or products prices by means of substitution for expensive metals. Apart from such economy segments as aviation, automotive, nautical, construction or engineering industries, aluminum products have been widely used in electrotechnics and electroenergetics frequently replacing copper, despite their worse electrical properties. Aluminum in electroenergetics is mainly the traditional overhead power lines, cable veins and busbars. The current accomplishments of the aluminum industry are the enamelled wires, winding wires, electric motor impellers or construction elements of the high voltage switchgears. The final group of products comprises the ones in the form of casts used on the electrically conductive elements. In this kind of use special consideration should be given to the choice of the suitable aluminum casting alloy as well as the production technology, which will ensure the required or non-standard properties of the product, both electrical and mechanical.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄 합금은 경량성, 내식성, 우수한 기계적 특성으로 다양한 산업에서 사용되며, 특히 전기 및 에너지 분야에서 구리 대체재로 주목받고 있습니다. 전기 전도체로 사용하기 위해서는 높은 전기 전도도가 필수적이지만, 기존 주조 합금은 기계적 특성에 초점이 맞춰져 있습니다.

Status of previous research:

합금의 기계적 특성에 대한 연구는 많지만, 전기적 특성에 대한 표준화된 데이터는 부족합니다. 특히 화학 성분과 열처리 조건이 전기 전도도에 미치는 복합적인 영향에 대한 정량적 데이터가 거의 없습니다. 기존 표준은 기계적 특성과 T6 열처리 조건을 중심으로 명시되어 있어, 새로운 응용 분야에 필요한 비표준 특성을 확보하기 어렵습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 하이포유텍틱 실루민 합금(AlSi11Mg, AlSi7Mg, AlSi5Mg)의 규소 함량과 열처리(인공 시효) 변수가 기계적 특성(경도)과 전기 전도도에 미치는 영향을 분석하는 것입니다. 이를 통해 우수한 기계적 및 전기적 특성을 동시에 만족시키는 최적의 합금 조성과 열처리 조건을 결정하고자 합니다.

Core study:

규소 함량이 다른 세 종류의 Al-Si-Mg 합금을 금형 주조로 제작한 후, 용체화 처리 및 다양한 온도와 시간 조건의 인공 시효 처리를 진행했습니다. 각 조건에 따른 브리넬 경도와 와전류 방식의 전기 전도도를 측정하여, 화학 조성과 열처리 변수가 두 가지 핵심 물성에 미치는 상관관계를 분석했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 세 가지 다른 화학 조성을 가진 알루미늄 합금에 대해 여러 수준의 열처리(온도, 시간)를 적용하는 실험적 설계를 사용했습니다. 이를 통해 독립 변수(규소 함량, 시효 온도, 시효 시간)가 종속 변수(HB 경도, 전기 전도도)에 미치는 영향을 규명하고자 했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 시편 제작: ZM WSK Rzeszów 시설에서 용탕 처리, 개량, 합금화 공정을 거쳐 금형 주조(gravity casting into a metal chill mould) 방식으로 시편을 제작했습니다.
• 열처리: 535°C에서 8시간 용체화 처리 후, 180°C, 200°C, 220°C에서 1시간부터 24시간까지 인공 시효 처리를 수행했습니다.
• 경도 측정: WPM Leipzig HPO-250 모델의 브리넬 경도 시험기를 사용하여 306.5N 하중과 직경 2.5mm의 강구를 이용해 HB 경도를 측정했습니다.
• 전기 전도도 측정: Foerster 사의 SIGMATEST® 측정기를 사용하여 와전류 현상을 기반으로 전기 전도도(MS/m)를 측정했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 AlSi11Mg, AlSi7Mg, AlSi5Mg 세 종류의 하이포유텍틱 실루민 합금으로 제한됩니다. 연구 주제는 이들 합금의 화학 조성(주로 규소 함량)과 인공 시효 열처리 변수(온도 및 시간)가 HB 경도와 전기 전도도에 미치는 영향 분석에 초점을 맞춥니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 모든 합금은 열처리에 잘 반응하며, 180°C에서 시효 처리 시 가장 높은 경도(T6 상태)를 보였습니다.
• 시효 온도와 시간이 증가할수록 전기 전도도는 점진적으로 향상되며, 과시효(T7) 상태에서 가장 높은 값을 나타냈습니다.
• 전기 전도도에 가장 큰 영향을 미치는 요인은 규소(Si) 함량이 아니라 미량 원소인 티타늄(Ti) 함량이었습니다. Ti 함량이 0.001%로 매우 낮은 AlSi5Mg 합금이 다른 합금(Ti ≈ 0.1%)보다 월등히 높은 전기 전도도를 보였습니다.
• 기계적 특성과 전기적 특성 간의 최적의 균형은 과시효(T7) 상태에서 달성할 수 있으며, 특히 저티타늄 AlSi5Mg 합금이 가장 유망한 결과를 보였습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Effect of Si content on the mechanical properties of AlSi casting alloy; modified (1) and unmodified (2) [3]
• Fig. 3. Electrical conductivity of binary aluminum alloys (containing larger amounts of the alloying additions) as a function of concentration of the alloying element [5]
• Fig. 3. Electrical conductivity of as-cast binary aluminium alloys (containing larger amounts of the alloying additions) as a function of concentration of the alloying element [5]
• Fig. 4. Statement of the electrical conductivity and hardness values for the traditional aluminum casting alloys [6, 7]
• Fig. 5. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 180 °C
• Fig. 6. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 180 °C
• Fig. 7. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 200 °C
• Fig. 8. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 200 °C
• Fig. 9. The Brinell hardness as a function of the artificial ageing time for 220 °C
• Fig. 10. The electrical conductivity as a function of the artificial ageing time for 220 °C
• Fig. 11. Summary of the Brinell hardness results for alloys in tempers W, T6 and T7
• Fig. 12. Summary of the electrical conductivity results for alloys in tempers W, T6 and T7
• Fig. 13. Summary of the electrical conductivity and hardness values for tested alloys in tempers W, T6 and T7

7. Conclusion:

AlSiMg 알루미늄 주조 합금의 시험 결과 분석을 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출했습니다. - 규소 함량 5~11 mass%와 마그네슘 함량 약 0.3 mass%를 갖는 하이포유텍틱 실루민 합금은 용체화 처리 및 인공 시효로 구성된 열처리에 매우 잘 반응합니다. - 경도 특성(T6 상태 도달)을 고려할 때, 시험된 합금에 대한 최적의 열처리 변수는 온도 180°C와 시효 시간 2~8시간으로 가정해야 합니다. - 기계적 특성과 전기적 특성 사이의 최상의 절충안을 찾기 위해서는 매번 적절한 과시효 상태(T7 상태)에 도달해야 합니다. - 얻어진 전기 전도도 곡선은 합금의 규소 함량보다는 티타늄 함량이 얻어진 특성에 더 큰 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.

8. References:

• [1] Kaufman, J.G., Rooy, E.R. (2004). Aluminum Alloy Castings. Properties, Processes and Applications, ASM International.
• [2] Knych, T., Mamala, A., Uliasz, P., Błotnicki, M. (2010). Badania nad doborem warunków obróbki cieplnej stopów aluminum gat. AlSi7Mg0,3 i AlSi10Mg0,3 w celu polepszenia ich jakości i własności eksploatacyjnych, Rudy i Metale Nieżelazne, (R55), 1, s.18-25
• [3] Kammer, C. (2002). Aluminum Handbook 1, Fundamentals and Materials, Aluminum Verlag, Düsseldorf.
• [4] Hielscher, U. (1979). Ductile aluminum-silicon casting alloys for safety components in cars, Schweiz. Alum. Rundsch. 29, 13-15.
• [5] Nachtigall, E., Lang G. (1965). Electrical conductivity of aluminum castings, Mitt. Verein. Metallwerke Ranshofen-Berndorf, 16-19.
• [6] PN-EN 1706, Aluminum i jego stopy. Odlewy. Skład chemiczny i własności mechaniczne, czerwiec 2010
• [7] www.matweb.com
• [8] Lewińska-Romicka, A. (1997). Defektoskopia wiroprądowa. Poradnik, Biuro Gamma, Warszawa.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 연구에서 AlSi11Mg, AlSi7Mg, AlSi5Mg 합금을 특별히 선택한 이유가 무엇인가요?

A1: 이 세 가지 합금은 규소(Si) 함량이 체계적으로 다르기 때문에 선택되었습니다. 연구의 주요 목적 중 하나가 규소 함량 변화가 기계적 특성과 전기 전도도에 미치는 영향을 분석하는 것이었기 때문입니다. 이를 통해 규소 함량과 최종 물성 간의 상관관계를 명확히 파악하고자 했습니다.

Q2: 논문의 그림 13(Figure 13)에서 AlSi5Mg 합금만이 '영역 II(Area II)'에 도달했다고 나오는데, 이것이 실제 산업 현장에서 의미하는 바는 무엇인가요?

A2: 그림 13의 '영역 II'는 높은 전기 전도도(>24 MS/m)와 우수한 기계적 강도(>70 HB)를 동시에 만족하는 이상적인 영역을 나타냅니다. AlSi5Mg 합금만이 이 영역에 도달했다는 것은, 이 합금이 적절한 열처리를 통해 전기 모터 부품이나 고전압 개폐기 부품처럼 강도와 전도성이 모두 요구되는 까다로운 응용 분야에 사용될 수 있는 유일한 후보임을 의미합니다. 다른 두 합금은 이 균형을 맞추지 못했습니다.

Q3: 기계적 강도와 전기 전도도의 절충안으로 과시효(T7) 상태가 최적이라고 하셨는데, 이는 T6 상태보다 기계적 강도가 떨어지는 것을 감수해야 한다는 의미인가요?

A3: 맞습니다. T7 상태는 최고 경도를 보이는 T6 상태에 비해 기계적 강도가 다소 저하됩니다. 하지만 핵심은 '최고'가 아닌 '최적'의 균형점을 찾는 것입니다. T6 상태에서는 전기 전도도가 매우 낮아 전기 부품으로 사용하기 어렵습니다. 따라서 특정 응용 분야에서 요구하는 최소한의 기계적 강도를 만족시키면서 전기 전도도를 극대화할 수 있는 지점이 바로 T7(과시효) 상태이며, 이것이 바로 최적의 절충안입니다.

Q4: 규소 함량보다 티타늄 함량이 전기 전도도에 더 큰 영향을 미친 이유는 무엇인가요?

A4: 논문에 따르면 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 망간(Mn)과 같은 특정 원소들은 알루미늄의 결정 격자를 왜곡시켜 전자의 자유로운 이동을 방해함으로써 전기 전도도를 크게 감소시킵니다. 실험에 사용된 AlSi5Mg 합금과 다른 두 합금 간의 규소 함량 차이는 2~4%에 불과했지만, 티타늄 함량은 100배(0.001% vs ~0.1%)나 차이가 났습니다. 이처럼 미량이라도 전도도에 미치는 영향이 매우 큰 원소가 존재하기 때문에, 티타늄 함량의 미세한 차이가 규소 함량의 차이보다 훨씬 더 결정적인 변수로 작용한 것입니다.

Q5: 이 연구는 금형 주조(gravity casting)를 기반으로 했는데, 고압 다이캐스팅(HPDC)에도 동일한 결과를 적용할 수 있을까요?

A5: 이 연구는 금형 주조(gravity casting into a metal chill mould) 방식으로 제작된 주물에 대한 결과입니다. 논문에서는 고압 다이캐스팅(HPDC)에 대한 데이터나 결론을 제공하지 않습니다. 석출 경화의 기본 원리는 동일하게 적용되겠지만, HPDC의 매우 빠른 냉각 속도는 미세 조직에 차이를 유발하므로, 본 연구에서 도출된 구체적인 최적 열처리 시간 및 온도 값은 HPDC 공정에 직접 적용하기 전에 별도의 검증 과정이 필요할 것입니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 알루미늄 합금 전기 전도도와 기계적 강도라는 두 가지 상충하는 특성 사이에서 최적의 균형점을 찾는 새로운 길을 제시합니다. 핵심은 단순히 주 합금 원소를 조절하는 것을 넘어, 티타늄과 같은 미량 원소를 정밀하게 제어하고, 의도적인 과시효(T7) 열처리를 통해 목표 성능을 달성하는 것입니다. 특히 저티타늄 AlSi5Mg 합금의 가능성은 고성능 전기 부품 시장에 새로운 기회를 열어줄 것입니다.

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Copyright Information

• 이 콘텐츠는 "[J. Wiecheć, P. Uliasz, T. Knych, M. Piwowarska–Uliasz, R. Jarosz]"가 저술한 논문 "[The Influence of Chemical Composition and Parameters of Heat Treatment on the Mechanical Properties and Electrical Conductivity in Hypoeutectic Aluminium Silicon Alloys]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• Source: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 13, Special Issue 3/2013, 179-184

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