증가된 지르코늄 및 티타늄 함량을 가진 AlSi7Mg0.3 알루미늄 합금의 열처리

Heat Treatment of AlSi7Mg0.3 Aluminium Alloys with Increased Zirconium and Titanium Content

이 기술 요약은 E. Kantoríková, M. Kuriš, R. Pastirčák이 저술하여 Archives of Foundry Engineering (2021)에 게재한 학술 논문 "Heat Treatment of AlSi7Mg0.3 Aluminium Alloys with Increased Zirconium and Titanium Content"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: AlSi7Mg0.3 합금 열처리
• 보조 키워드: 알루미늄 합금, 지르코늄, 티타늄, 기계적 특성, 주조 금형, 미세구조 분석, HPDC

핵심 요약

• 도전 과제: 자동차 부품과 같은 고성능 응용 분야에 사용되는 AlSi7Mg0.3 알루미늄 합금의 기계적 특성을 향상시키는 것.
• 연구 방법: 합금에 다양한 양의 지르코늄(Zr)과 티타늄(Ti)을 첨가하고, 쉘 몰드와 금속 몰드에 주조한 후 T6 열처리를 적용.
• 핵심 발견: Zr과 Ti의 조합 및 T6 열처리는 경도와 연성을 크게 향상시키며, 주조 금형 유형(쉘 몰드 대 금속 몰드)이 최종 미세구조와 특성에 결정적인 역할을 함.
• 최종 결론: Zr과 Ti를 사용한 전략적 합금화, 최적화된 열처리 및 금형 선택은 고응력 응용 분야에서 AlSi7Mg0.3 주물의 성능을 향상시키는 실행 가능한 경로를 제공.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

현재 자동차 산업에서 경량 알루미늄 합금의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 특히 AlSi7Mg0.3과 같은 주조 합금은 우수한 가공성과 넓은 응용 범위 덕분에 널리 사용됩니다. 그러나 더 높은 성능, 특히 고온에서의 강도와 내구성을 요구하는 전기차 및 고성능 내연기관 부품의 등장으로 기존 합금의 한계를 극복해야 할 필요성이 커졌습니다.

이 연구는 지르코늄(Zr)과 같은 비전통적 원소를 첨가하여 Al-Si 합금의 기계적 특성을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 초점을 맞춥니다. Zr은 250°C 이상의 고온에서도 안정적인 강화상을 형성하여 합금의 강도를 유지하는 데 특히 효과적입니다. 이 연구는 Zr과 Ti의 시너지 효과를 분석하고, 주조 공정(쉘 몰드 대 금속 몰드)과 열처리가 최종 제품의 품질에 미치는 영향을 규명함으로써, 엔지니어들이 직면한 "더 가볍고 더 강한 부품"이라는 과제에 대한 실질적인 해결책을 제시합니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구의 신뢰성은 체계적이고 정밀한 실험 설계에 기반합니다. 연구진은 업계에서 널리 사용되는 AlSi7Mg0.3 합금을 기반으로 하여 다음과 같은 방법론을 채택했습니다.

방법 1: 합금 성분 제어 및 주조
- 기본 합금: 자동차 산업에서 일반적으로 사용되는 AlSi7Mg0.3 합금을 실험 대상으로 선정했습니다.
- 합금 원소 첨가: 0.2 wt.%의 지르코늄(Zr)을 일정하게 첨가하고, 티타늄(Ti)의 양을 0.1, 0.2, 0.3 wt.%로 점진적으로 변화시키며 총 세 종류의 실험 용탕을 준비했습니다.
- 주조 방식 비교: 각 용탕을 두 가지 다른 유형의 금형, 즉 쉘 몰드(shell mold)와 금속 몰드(metal mold)에 주조했습니다. 이는 냉각 속도 차이가 미세구조와 기계적 특성에 미치는 영향을 비교 분석하기 위함입니다.

방법 2: T6 열처리 및 특성 평가
- 열처리: 주조된 시편에 대해 STN EN 1706 표준에 따라 T6 열처리를 수행했습니다. 공정은 540°C에서 12시간 동안 용체화 처리 후 20°C 물에 급랭하고, 150°C에서 3시간 동안 인공 시효하는 단계로 구성되었습니다.
- 기계적 특성 평가: 열처리 전후 시편에 대해 브리넬 경도 시험과 인장 시험을 수행하여 경도(HBW), 인장 강도(Rm), 연신율(A)을 측정했습니다.
- 미세구조 분석: 광학 금속 현미경을 사용하여 Zr 및 Ti 첨가와 열처리가 합금의 미세구조, 특히 Zr 기반 상의 형태와 분포에 미치는 영향을 관찰했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

본 연구를 통해 얻은 데이터는 Zr과 Ti 첨가 및 열처리가 AlSi7Mg0.3 합금의 특성을 어떻게 변화시키는지 명확하게 보여줍니다.

결과 1: 열처리를 통한 경도 대폭 향상

열처리는 모든 시편의 경도를 크게 증가시켰습니다. 표 2에 따르면, 쉘 몰드에 주조된 시편의 경우 열처리 후 경도가 약 30% 증가하여 최대 92 HBW에 도달했습니다. 금속 몰드 시편은 열처리 후 표준값인 90 HBW 수준으로 안정화되었습니다. 이는 열처리가 합금의 기계적 강도를 높이는 데 매우 효과적임을 입증합니다.

결과 2: 인장 강도 및 연성의 최적화

그림 1과 그림 2는 인장 시험 결과를 보여줍니다. 금속 몰드에 주조하고 0.4% Ti를 첨가한 시편은 280 MPa의 가장 높은 인장 강도를 기록했으며, 이는 표준값인 290 MPa에 근접한 수치입니다. 특히 주목할 점은 연신율입니다. 동일한 시편에서 연신율(A)이 8%로 측정되었는데, 이는 기준값인 4%의 두 배에 달하는 뛰어난 결과입니다. 이는 합금이 더 강해졌을 뿐만 아니라 더 연성적으로 변했음을 의미하며, 이는 파괴 저항성 측면에서 매우 중요합니다.

결과 3: 금형 유형에 따른 미세구조 변화

미세구조 분석은 기계적 특성 변화의 근본적인 원인을 설명합니다. 열처리 전에는 불규칙하게 분포된 큰 침상(needle-like)의 Zr 상이 관찰되었습니다(그림 3). 열처리 후, 금형 유형에 따라 Zr 상의 형태가 극명하게 달라졌습니다.
- 쉘 몰드 시편: 냉각 속도가 느린 쉘 몰드에서는 Zr 상이 여전히 날카로운 침상 형태로 남아 있었습니다(그림 4).
- 금속 몰드 시편: 냉각 속도가 빠른 금속 몰드에서는 크고 날카로운 Zr 상이 더 작고 둥근 형태의 안정적인 클러스터로 분해되었습니다(그림 5). 이러한 미세하고 균일한 상의 분산은 응력 집중을 완화하고 기계적 특성, 특히 연성을 향상시키는 핵심 요인으로 작용합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

이 연구 결과는 공정 엔지니어, 품질 관리팀, 설계 엔지니어에게 다음과 같은 실용적인 통찰력을 제공합니다.

• 공정 엔지니어: 이 연구는 냉각 속도(금형 유형 선택)를 조절하는 것이 미세구조를 제어하는 강력한 도구가 될 수 있음을 시사합니다. 금속 몰드를 사용하여 냉각 속도를 높이면 유해할 수 있는 큰 Zr 상을 더 작고 유익한 형태로 분해하여 기계적 특성을 개선할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 표 2(경도)와 그림 1, 2(인장 강도 및 연성) 데이터는 Ti 함량, 금형 유형, 최종 특성 간의 직접적인 상관관계를 보여줍니다. 이는 특정 강도와 연성이 요구되는 부품에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 연구 결과는 응고 과정이 최종 미세구조에 지대한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 부품의 형상과 금형 설계가 냉각 과정을 최적화하고 원하는 특성을 달성하기 위해 초기 설계 단계부터 함께 고려되어야 함을 의미합니다.

논문 세부 정보

Heat Treatment of AlSi7Mg0.3 Aluminium Alloys with Increased Zirconium and Titanium Content

1. 개요:

• 제목: Heat Treatment of AlSi7Mg0.3 Aluminium Alloys with Increased Zirconium and Titanium Content
• 저자: E. Kantoríková, M. Kuriš, R. Pastirčák
• 발행 연도: 2021
• 저널/학회: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 21, Issue 2/2021
• 키워드: Heat treatment, Aluminum alloys, Zirconium, Titan, Mechanical properties

2. 초록:

본 논문은 합금 원소 Zr과 Ti의 시너지 효과로 인한 구조 및 기계적 특성의 변화를 비교한다. 알루미늄 합금에 Zr과 Ti의 함량을 증가시키면 더 나은 기계적 특성을 얻을 수 있을 것으로 가정한다. 논문은 쉘 몰드와 금속 몰드에 주조된 시편 간의 차이점을 설명하는 데 중점을 둔다. 언급된 몰드 간의 주된 차이점은 주입, 응고 및 몰드 내 금속 냉각 동안의 열전달 계수가 다르다는 점이다. 주요 목표는 Zr과 Ti 원소의 영향을 분석하고 열처리 후의 기계적 특성을 비교하는 것이었다. 실험 중에는 경화 및 석출 시효가 사용되었다. AlSi7Mg0.3 합금에 대한 원소의 영향은 열처리 후 배제된 Zr 상 간의 차이를 만들었다. 미세구조 평가는 크고 주로 침상 형태인 Zr 상이 더 작고 안정적인 형성물로 분해되는 것을 지적했다.

3. 서론:

현재 자동차 산업은 경량 알루미늄 합금 없이는 상상할 수 없다. 알루미늄 합금은 가공이 용이하고 광범위한 응용 분야를 가지고 있다. 알루미늄 합금의 미래는 생산 및 열처리 기술의 추가 발전에 달려 있다. 실리콘 및 기타 첨가 원소를 포함한 알루미늄 주조 합금의 경우, 경제적으로 유리한 광범위한 응용 분야에서 매우 빠르게 발전해 왔다. 합금화는 선택된 원소를 실험 합금에 계획적으로 증가시켜 선택된 특성에 긍정적인 영향을 미치고 동시에 Fe와 같은 유해 원소의 부정적인 영향을 억제할 수 있도록 정의된다. Zr과 같은 비전통적인 원소를 Al-Si-Mg-Cu와 같은 알루미늄 합금에 첨가함으로써 미세구조를 변경하여(새로운 금속간 화합물 상의 배제, 결정립 미세화 또는 Fe 고정) 선택된 특성을 변경하고 열처리(소둔 및 인공 시효)에 대한 효과를 바꿀 수 있다. 지르코늄은 Al-Si 합금에 첨가되어 합금 강도를 증가시킨다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

알루미늄 합금은 자동차 산업에서 경량화 및 성능 향상을 위해 필수적이다. 특히 Al-Si 기반 합금은 우수한 주조성으로 널리 사용되지만, 고온 저항성 및 기계적 강도 향상에 대한 요구가 지속적으로 제기되고 있다.

이전 연구 현황:

Zr과 같은 원소를 첨가하면 새로운 금속간 화합물(예: Al3Zr)을 형성하여 미세구조를 변경하고, 특히 250°C 이상의 고온에서 안정성을 유지하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있다는 점이 알려져 있다. Zr은 결정립 미세화를 통해 강도 특성과 내식성을 개선한다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 AlSi7Mg0.3 합금에 Zr과 Ti를 함께 첨가했을 때 나타나는 시너지 효과를 평가하는 것이다. 특히, 서로 다른 냉각 속도를 가진 쉘 몰드와 금속 몰드에 주조한 후 T6 열처리를 적용했을 때, 기계적 특성(경도, 인장 강도, 연성)과 미세구조의 변화를 비교 분석하고자 한다.

핵심 연구:

실험은 AlSi7Mg0.3 합금에 0.2% Zr을 고정 첨가하고 Ti 함량을 0.1%, 0.2%, 0.3%로 변화시켜 진행되었다. 시편은 쉘 몰드와 금속 몰드 두 가지 방식으로 주조되었으며, 이후 T6 열처리를 거쳤다. 열처리 전후의 경도, 인장 강도, 연신율을 측정하고, 광학 현미경으로 미세구조를 관찰하여 Zr 상의 형태 변화를 분석했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 합금 원소 첨가(Zr, Ti), 주조 금형 유형(쉘 몰드, 금속 몰드), 그리고 열처리 적용 여부를 변수로 설정한 비교 실험 연구로 설계되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 화학 성분 분석: 분광계를 사용하여 최종 주물의 화학 성분을 검증했다.
• 경도 측정: 브리넬 경도 시험기(5mm 볼, 250kg 하중, 10초)를 사용하여 각 조건의 시편에 대해 최소 5회 무작위 측정을 수행했다.
• 인장 시험: 직경 8mm, 길이 65mm의 원형 시편을 제작하여 20kN 용량의 전자식 만능 시험기로 인장 강도와 연신율을 측정했다.
• 미세구조 분석: 표준 광학 금속 조직 검사를 통해 시편의 미세구조를 관찰했다.

연구 주제 및 범위:

연구 범위는 AlSi7Mg0.3 합금에 대한 Zr과 Ti의 복합 첨가 효과에 국한된다. 주조 공정 변수로는 쉘 몰드와 금속 몰드의 차이를, 열처리 변수로는 T6 공정을 적용하여 기계적 특성과 미세구조에 미치는 영향을 평가했다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 열처리는 모든 시편의 경도를 증가시켰다. 특히 쉘 몰드 시편은 약 30%의 경도 증가를 보였다.
• 금속 몰드에 0.4% Ti를 첨가한 시편이 280 MPa로 가장 높은 인장 강도를 나타냈다.
• 연성은 금속 몰드에 0.4% Ti를 첨가한 시편에서 8%로 가장 우수하게 나타났으며, 이는 기준치의 두 배에 해당한다.
• 열처리, 특히 냉각 속도가 빠른 금속 몰드에서의 열처리는 크고 날카로운 침상 형태의 Zr 상을 더 작고 안정적인 클러스터 형태로 분해시키는 효과를 보였다.
• 쉘 몰드 주물에서 지르코늄 상이 더 명확하게 관찰되었으며, 금속 몰드 주물은 더 많은 수의 작은 Zr 상을 나타냈다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Ultimate tensile strength, Mm NHT – metal mold non heat treatment, S NHT – Shell non heat treatment, Mm HT - metal mold heat treatment, S HT - Shell heat treatment
• Fig. 2. The ductility of examined samples
• Fig. 3. Microstructure of AlSi7Mg0.3 with 0.2% Zr before HT, etchant 0.5% HF
• Fig. 4. Microstructure of AlSi7Mg0.3 with 0.2% Zr, with HT cast into shell mold, etchant 0.5% HF.
• Fig. 5. Microstructure of AlSi7Mg0.3 whith 0.2% Zr, with HT cast into metal mold, etchant 0.5% HF.

7. 결론:

약 0.20 wt.%의 일정한 Zr 함량을 가진 AlSi7Mg0.3 합금에 Ti를 0.1 wt.% 첨가하여 쉘 몰드에 주조한 시편은 금속 몰드에 주조한 시편보다 더 높은 경도를 가졌다. 열처리 후 경도 증가는 30%였다. 인장 강도 시험은 두 시편 유형 모두에 대해 표준 AC121에 따라 수행되었다. 연성은 쉘 몰드에서 1%, 금속 몰드에서 4% 증가했다. 구조적으로 지르코늄 상은 쉘 형태에서 훨씬 더 명확했다. 금속 몰드에서의 주조는 더 많은 수의 작은 Zr 상을 나타낸다. 해당 결과는 특히 내연 기관에서 작동 조건 중 변화를 더 잘 견딜 수 있는 더 정교한 합금을 개발할 가능성을 나타낸다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 실험에서 쉘 몰드와 금속 몰드를 모두 사용한 이유는 무엇입니까?
A1: 두 금형은 열전달 계수가 다르기 때문에 주물의 냉각 속도에 차이를 만듭니다. 이 연구는 서로 다른 냉각 속도가 Zr 및 Ti가 첨가된 AlSi7Mg0.3 합금의 응고 과정과 최종 미세구조, 그리고 기계적 특성에 어떤 영향을 미치는지 비교 분석하기 위해 두 가지 금형을 모두 사용했습니다.

Q2: 어떤 특정 열처리가 적용되었으며 그 이유는 무엇입니까?
A2: T6 열처리(540°C에서 12시간 용체화 처리, 수냉, 150°C에서 3시간 인공 시효)가 적용되었습니다. 이 열처리 방식은 엔진 실린더 블록과 같은 부품에 요구되는 우수한 주조성, 내식성, 압력 기밀성을 확보하기 위해 해당 합금에 일반적으로 사용되는 표준 공정입니다.

Q3: 논문에서는 Zr 상의 분해를 언급했습니다. 열처리 후 두 금형 유형 간에 관찰된 형태학적 차이는 무엇이었습니까?
A3: 쉘 몰드에서는 Zr 상이 날카롭고 개별적으로 분포된 침상 형태로 남아 있었습니다. 반면, 냉각 속도가 더 빠른 금속 몰드에서는 크고 날카로운 침상들이 더 작고 둥근 끝을 가진 미세한 바늘들의 클러스터로 분해되었습니다. 이러한 미세구조의 변화가 기계적 특성, 특히 연성 향상에 기여했습니다.

Q4: Zr과 Ti를 첨가함으로써 합금이 표준 인장 강도 요구 사항을 충족했습니까?
A4: 아니요, 모든 시편이 표준에서 규정하는 기존의 최대 인장 강도(금속 몰드 290 MPa, 쉘 몰드 260 MPa)에 도달하지는 못했습니다. 하지만 0.4% Ti를 첨가한 금속 몰드 시편은 280 MPa를 기록하여 표준값에 매우 근접한 우수한 결과를 보였습니다.

Q5: 지르코늄의 강화 효과에 대해 제안된 메커니즘은 무엇입니까?
A5: 논문에 따르면 Zr은 AlSi 상 및 공정 조직과 교차하는 경화된 Al3Zr 상을 형성하여 강도와 경도를 증가시킵니다. 이러한 미세한 석출물들이 전위의 이동을 방해하여 합금을 강화하는 역할을 합니다.

Q6: 지르코늄 외에 티타늄을 추가로 첨가한 이유는 무엇입니까?
A6: 티타늄은 Zr 결정립의 크기와 수를 조절하여 결정립 미세화 효과를 얻기 위해 첨가되었습니다. 더 미세한 결정립 구조는 일반적으로 더 나은 기계적 특성을 가져옵니다. 논문은 Ti가 Zr 결정립의 크기와 수에 영향을 미치기를 기대하며 첨가되었다고 언급합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

이 연구는 AlSi7Mg0.3 합금 열처리 공정에서 전략적인 합금 원소 첨가와 주조 공정 제어가 얼마나 중요한지를 명확히 보여줍니다. 지르코늄과 티타늄을 첨가하고, 금속 몰드를 사용하여 냉각 속도를 최적화함으로써, 기존 합금의 한계를 뛰어넘는 우수한 기계적 특성, 특히 높은 연성을 확보할 수 있었습니다. 이는 더 가볍고, 더 강하며, 더 신뢰성 높은 부품을 생산해야 하는 HPDC 산업에 중요한 실마리를 제공합니다.

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

저작권 정보

이 콘텐츠는 "E. Kantoríková 외"가 저술한 논문 "Heat Treatment of AlSi7Mg0.3 Aluminium Alloys with Increased Zirconium and Titanium Content"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://doi.org/10.24425/afe.2021.136103

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