고강도 주조 알루미늄 합금의 미세조직 제어

주조 알루미늄의 한계를 넘다: 미세조직 제어로 철계 주물에 버금가는 390 MPa 강도 달성

이 기술 요약은 Shaohua Wu가 2021년 오카야마 대학(Okayama University)에 제출한 박사 학위 논문 "Microstructural Control for Creation of High Strength Cast Aluminum Alloys"를 기반으로 작성되었습니다.

키워드

• 주요 키워드: 고강도 주조 알루미늄 합금
• 보조 키워드: 미세조직 제어, HPDC, ADC12, 응고 제어, 석출 경화, 쇼트 슬리브, 콜드 플레이크

Executive Summary

• 도전 과제: 기존 주조 알루미늄 합금은 철계 합금보다 기계적 강도가 낮아 자동차 경량화 부품으로서의 적용이 제한적이었습니다.
• 연구 방법: 응고 속도 및 방향 제어, 석출 경화 열처리, 희토류 원소 첨가를 통한 체계적인 미세조직 제어 기법을 적용했습니다.
• 핵심 돌파구: 최적화된 열처리 조건을 통해 HMC(가열 주형 연속 주조) 공법으로 제작된 시편에서 철계 주물 합금에 근접하는 최고 390 MPa의 인장 강도를 달성했습니다.
• 핵심 결론: 정밀한 미세조직 제어를 통해 주조 알루미늄 합금의 기계적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있으며, 이는 자동차 산업의 경량화 요구에 부응하는 핵심 기술이 될 수 있습니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가?

자동차 산업의 최우선 과제는 연비 향상과 배기가스 감축이며, 이를 위한 가장 효과적인 방법은 차체 경량화입니다. 철의 1/3 밀도를 가진 알루미늄 합금은 이상적인 대체재이지만, 기존의 주조 알루미늄 합금은 철계 주물 합금의 절반에도 미치지 못하는 낮은 기계적 강도 때문에 변속기 케이스, 휠 등 제한된 부품에만 사용되어 왔습니다. 특히 주조 과정에서 발생하는 거대 결정립, 기공, 콜드 플레이크와 같은 결함들은 강도를 저하시키는 주된 원인이었습니다. 따라서 알루미늄 합금의 적용 범위를 확대하기 위해서는 이러한 한계를 극복하고 기계적 물성을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 기술이 절실히 요구되었습니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 주조 알루미늄 합금의 강도를 극대화하기 위해 미세조직을 제어하는 세 가지 핵심적인 접근법을 체계적으로 탐구했습니다.

방법 1: 응고 제어 (Unidirectional Solidification) - 개요: 독자적으로 설계한 일방향 응고 주조 장치를 사용하여 용탕의 냉각 속도와 방향을 정밀하게 제어했습니다. 이 방법을 통해 주조품의 위치에 따른 결정립의 크기, 형상, 결정 방향성의 변화를 유도하고 기계적 특성에 미치는 영향을 분석했습니다. - 핵심 변수: 냉각 속도 (0.02 °C·s⁻¹ ~ 200.5 °C·s⁻¹), 응고 방향.

방법 2: 석출 경화 열처리 (Precipitation Hardening) - 개요: 중력 주조(GC) 및 가열 주형 연속 주조(HMC)로 제작된 ADC12 시편에 대해 용체화 처리 후 다양한 온도(145~220°C)와 시간(1~200h) 조건에서 인공 시효 처리를 수행했습니다. 이를 통해 α-Al 기지 내에 미세한 θ'(Al₂Cu) 석출물을 형성시켜 경도와 강도를 높이는 최적의 열처리 조건을 규명했습니다. - 핵심 변수: 시효 처리 온도 및 시간, 주조 방식(GC vs HMC).

방법 3: 합금 원소 첨가 (Alloying Element Addition) - 개요: HMC 공정으로 ADC12 합금을 주조할 때 미량의 희토류(RE) 원소(Sr, Sb, Bi)를 첨가하여 공정 Si 상의 미세화 및 형태 변화를 유도했습니다. 각 원소의 첨가량에 따른 미세조직 변화와 기계적 특성(강도, 연성)의 상관관계를 분석했습니다. - 핵심 변수: 희토류 원소(Sr, Sb, Bi)의 종류 및 첨가량.

핵심 돌파구: 주요 발견 및 데이터

본 연구를 통해 주조 알루미늄 합금의 성능을 한 단계 끌어올리는 중요한 결과들을 도출했습니다.

발견 1: 정밀한 응고 제어를 통한 기계적 특성 극대화

일방향 응고 주조 시, 200.5 °C·s⁻¹의 높은 냉각 속도를 적용한 영역에서 매우 미세한 수지상정 간격(SDAS = 11.9 μm)과 균일한 결정 구조가 형성되었습니다. 그 결과, 해당 영역에서 330 MPa의 우수한 인장 강도와 12%의 높은 파단 연신율을 얻을 수 있었습니다. 이는 냉각 속도가 미세조직과 기계적 특성을 결정하는 핵심 인자임을 명확히 보여줍니다.

발견 2: 최적의 열처리 조건으로 철계 주물 수준의 강도 달성

HMC 공법으로 제작된 시편을 175 °C에서 13시간 동안 시효 처리했을 때, 미세하고 고밀도의 θ'(Al₂Cu) 석출물이 형성되면서 약 390 MPa에 달하는 최고 인장 강도를 기록했습니다. 이는 기존 주조품 대비 약 20% 향상된 수치이며, 일부 철계 주물 합금의 강도에 근접하는 획기적인 결과입니다. 반면, 과시효 처리(175°C, 100h)된 시편에서는 28%라는 뛰어난 연신율을 보여, 목적에 따라 강도와 연성을 선택적으로 제어할 수 있는 가능성을 확인했습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 본 연구는 냉각 속도 및 열처리(시효) 조건이 최종 제품의 기계적 특성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 특히 175°C, 13시간 시효 조건은 강도 극대화를 위한 중요한 공정 변수로 고려될 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 데이터는 SDAS(2차 수지상정 간격)와 공정 Si상의 크기 및 형태가 경도 및 인장 강도와 직접적인 관련이 있음을 보여줍니다. 이는 미세조직 분석을 통한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 본 논문에서 제안된 새로운 그루브형 쇼트 슬리브 설계는 HPDC 공정에서 고질적인 문제였던 콜드 플레이크 결함을 효과적으로 줄일 수 있음을 시사합니다. 이는 초기 부품 설계 단계에서 결함 발생을 최소화하는 중요한 고려사항이 될 수 있습니다.

논문 세부 정보

고강도 주조 알루미늄 합금 제작을 위한 미세조직 제어

1. 개요:

• 제목: Microstructural Control for Creation of High Strength Cast Aluminum Alloys
• 저자: Shaohua Wu
• 발행 연도: 2021
• 발행 기관: A thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy in Okayama University
• 키워드: Cast Aluminum Alloys, Microstructural Control, High Strength, Solidification, Precipitation Hardening, Rare-Earth Elements, HPDC, Shot-sleeve

2. 초록:

자동차 및 전기 제품과 같은 공학 기술의 발전은 우리의 일상생활을 더 좋게 만들고 있으며, 우리 삶에 부족함이 없게 할 것입니다. 그러나 무언가를 놓치고 있는 것 같습니다. 이제 우리는 몇 가지 지구적 문제를 고려해야 하며, 그중 하나는 지구 온난화입니다. 이는 자동차와 공장에서 대기 중으로 대량의 온실가스 CO₂가 배출되기 때문입니다. 일부 국가의 기온은 50°C 이상으로 급격히 상승하고 있어, 우리의 삶이 바뀌지 않는다면 미래에 지구에서 기술적으로 살기 어려울 것으로 예측됩니다.

자동차로부터의 배출가스를 줄이기 위해 연비 개선이 필요합니다. 자동차의 무게를 줄이는 것은 중요한 접근법입니다. 철 기반 부품 대신 경량 재료를 사용할 수 있습니다. 알루미늄 합금은 알루미늄의 밀도가 철의 약 1/3이므로 자동차 부품에 사용될 수 있는 후보 재료 중 하나입니다. 비록 알루미늄 합금이 변속기 케이스, 휠, 실린더 블록과 같은 자동차 부품에 사용되어 왔지만, 낮은 기계적 특성 때문에 부품의 적용이 제한됩니다. 주조 알루미늄 합금의 극한 인장 강도(UTS)는 철계 주물 합금의 절반 미만입니다. 이 논문에서는 응고 속도 및 방향, 석출 및 합금 원소 첨가와 같은 미세구조적 특성을 제어하여 주조 알루미늄 합금의 높은 기계적 특성을 만드는 시도를 했습니다. 얻어진 결과는 다음과 같이 요약됩니다.

첫째, Al-Si-Cu 합금의 결정립 및 공정 구조의 크기와 모양을 조절하기 위해 응고 제어를 수행했습니다. 시료는 독창적인 일방향 주조 공정과 제어된 냉각을 통해 제작되었습니다. 주조 시료의 미세구조적 특성은 냉각 속도에 따라 달라졌습니다. 0.14 °C·s⁻¹와 0.02 °C·s⁻¹의 냉각 속도에서 각각 상대적으로 미세하고 거친 결정립 크기를 얻었습니다. 미세한 결정립 크기의 평균 2차 수지상정 간격(SDAS)은 약 50 μm였으며, 이는 더 높은 인장 강도로 이어졌습니다. 결정 구조 또한 냉각 속도에 의해 변화되었고, 이는 응고 중 존재하는 Si의 양에 영향을 미쳤습니다. 더 높은 냉각 속도에서는 α-Al 상이 상대적으로 정돈된 결정 구조를 형성했습니다. 반면, 냉각 속도가 0.05 °C·s⁻¹ 미만의 낮은 수준일 때, 거칠어진 Si 상의 간섭으로 인해 결정 구조가 무작위로 형성되었습니다. 결과적으로, 200.5 °C·s⁻¹의 냉각 속도에서 미세한 결정립 크기(SDAS = 11.9 μm)와 거의 완벽하게 <100> 방향으로 형성된 결정 구조를 얻었으며, 이는 UTS 330 MPa와 파단 변형률 12%의 우수한 기계적 특성을 만들었습니다.

둘째, 석출 경화를 만들기 위해 열처리를 통해 미세구조를 제어했습니다. 용체화 처리 후 다양한 조건에서 인공 시효를 수행했습니다. 두 가지 주조 시료가 사용되었습니다: 중력 주조(GC)와 가열 주형 연속 주조(HMC). 시료는 용체화 처리된 후 145~220°C의 온도와 1~200시간의 시효 시간 하에서 시효 처리되었습니다. 경도는 시효 시간에 따라 변화했습니다. 경도는 몇 시간 동안 시효 처리하면 증가했지만, 장시간 시효 처리하면 감소했습니다.

셋째, 공정 Si 상을 미세화하기 위해 Sr, Sb, Bi와 같은 희토류(RE) 원소를 Al-Si-Cu(ADC12) 합금에 첨가했습니다. 0.04 ~ 0.06Sr, 0.25 ~ 0.75Sb, 0.5 ~ 1.5Bi의 세 가지 RE 원소를 첨가한 시료를 HMC 공정으로 준비했습니다. RE 원소의 첨가는 공정 Si 상의 크기와 모양을 크게 변화시켰습니다. 모든 시료에서 공정 Si 상의 크기가 미세화되었습니다. 특히 0.5Sb, 0.04Sr, 1.0Bi를 첨가했을 때 미세한 공정 Si 상이 얻어졌습니다: Si 상의 평균 면적은 0.2 μm² 미만이었습니다. 크기 결과와 대조적으로, 모양은 다른 결과를 보였습니다: 0.04Sr의 첨가는 미세한 구형 공정 Si 상을 생성했지만, Sb와 Bi의 첨가는 미세한 층상 공정 Si 상을 생성했습니다. 또한, Sr 첨가량이 증가함에 따라 일방향 결정 구조가 붕괴되었습니다. ADC12-Sr 합금의 기계적 특성은 미세한 공정 Si 상과 무작위 결정 구조로 인해 Sr 함량이 증가함에 따라 증가했습니다. ADC12-0.06Sr 합금에서 약 380 MPa의 높은 UTS가 얻어졌습니다. 반면에, Bi 첨가량이 증가함에 따라 연성이 증가했으며, ADC12-1.5Bi 합금에서 높은 파단 변형률이 얻어졌습니다.

이 논문에서는 미세구조 제어(응고, 석출, 합금 원소 첨가)를 통해 생성된 주조 알루미늄 합금의 기계적 특성을 체계적으로 조사했습니다. 이 연구를 통해 기계적 특성을 향상시킬 수 있었고, 일부 철계 주물 합금에 근접하는 390 MPa의 높은 UTS를 얻었습니다. 우리는 이 연구가 자동차 부품에 주조 알루미늄 합금의 새로운 적용에 기여할 수 있다고 믿습니다.

3. 서론:

최근 지구 온난화 문제로 인해 CO₂와 같은 온실가스 배출을 줄여야 할 필요성이 대두되고 있습니다. 특히 빠르게 성장하는 자동차 산업에서는 CO₂ 감축을 위해 연비 향상이 요구됩니다. 이를 위해 차체 경량화 연구 개발이 전 세계적으로 활발히 진행되고 있습니다. 자동차는 약 70%의 철계 합금, 8%의 경량 수지, 7%의 알루미늄 합금 등으로 구성됩니다. 현재 철계 합금이 주요 구성 요소이므로, 더 가벼운 재료를 사용하여 자동차 무게를 줄일 수 있습니다. 따라서 철계 합금의 대안으로 경금속인 알루미늄 합금과 복합 재료(CFRP)에 대한 기대가 커지고 있습니다.

1장에서 설명했듯이, 주조 공정은 복잡한 형상의 금속 부품을 높은 생산성으로 제조하는 데 많은 기술적 이점을 가집니다. 대부분의 알루미늄 합금 자동차 부품은 중력 주조와 고압 다이캐스팅 공정으로 제조됩니다. 주조 알루미늄 합금은 변속기 케이스, 컨버터 하우징, 휠, 실린더 블록과 같은 부품에 널리 사용되지만, 철계 주물 합금보다 현저히 낮은 기계적 특성 때문에 적용 범위가 여전히 제한적입니다. 또한, 주조 과정에서 발생하는 거대 결정립과 주조 결함(예: 기공, 개재물, 콜드 플레이크)으로 인해 강도가 만족스럽지 않습니다. 따라서 자동차에서 주조 알루미늄 및 마그네슘 합금의 적용 범위를 확대하기 위해서는 재료 특성을 개선해야 합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 산업의 경량화 요구에 부응하기 위해 알루미늄 합금의 사용이 증가하고 있으나, 기존 주조 알루미늄 합금은 철계 합금에 비해 강도가 낮아 적용에 한계가 있었다.

이전 연구 현황:

이전 연구들은 2차 수지상정 간격(SDAS) 제어를 통한 결정립 미세화, 희토류 원소 첨가를 통한 공정상 미세화, T6 열처리를 통한 강도 향상, 그리고 쇼트 슬리브에서의 콜드 플레이크 결함 감소 등 개별적인 방법들을 다루어왔으나, 체계적인 통합 접근은 부족했다.

연구 목적:

본 연구는 (1) 응고 제어, (2) 석출 경화, (3) 합금 원소 첨가라는 세 가지 미세조직 제어 기법을 체계적으로 적용하여 주조 Al-Si-Cu 합금의 기계적 특성을 획기적으로 향상시키는 것을 목표로 한다. 최종적으로는 철계 주물 합금에 필적하는 고강도 주조 알루미늄 합금을 개발하고, 주조 결함을 줄이기 위한 새로운 HPDC 공정 기술을 제안하고자 한다.

핵심 연구:

1. 일방향 응고 제어 연구: 독자적인 주조 장치를 이용해 ADC12 합금의 응고 거동을 제어하고, 냉각 속도에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화를 규명.
2. 인공 시효 열처리 최적화: 중력 주조(GC) 및 가열 주형 연속 주조(HMC) 시편에 대해 다양한 시효 조건을 적용하여 강도 및 연성을 극대화하는 최적의 열처리 공정을 확립.
3. 희토류 원소 첨가 효과 분석: HMC 공정에서 ADC12 합금에 Sr, Sb, Bi를 첨가하여 공정 Si상의 형태 제어 및 기계적 특성에 미치는 영향을 평가.
4. 신규 쇼트 슬리브 개발: HPDC 공정의 콜드 플레이크 결함을 줄이기 위해 단열 효과를 가진 그루브형 쇼트 슬리브를 설계 및 성능을 검증.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 주조 알루미늄 합금의 기계적 특성 향상을 위해 미세조직 제어 변수(응고 조건, 열처리, 합금 원소)가 미치는 영향을 실험적으로 규명하는 설계로 구성되었다. 각 변수의 효과를 명확히 하기 위해 통제된 조건 하에서 주조 및 후처리 공정을 수행하고, 그 결과를 미세조직 분석과 기계적 물성 평가를 통해 체계적으로 분석했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 시편 제작: 일방향 응고 주조, 중력 주조(GC), 가열 주형 연속 주조(HMC), 그리고 맞춤형 HPDC 장비를 사용하여 다양한 조건의 시편을 제작했다. 사용된 재료는 ADC12, ADC6, Sn, Bi 기반 합금 등이다.
• 미세조직 분석: 주사전자현미경(SEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDX), 전자후방산란회절(EBSD), 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 결정립 크기, 수지상정 간격(SDAS), 석출물의 종류와 분포, 결정 방향성 등을 정량적으로 분석했다.
• 기계적 물성 평가: 마이크로 비커스 경도 시험, 인장 시험, 피로 시험, 3점 굽힘 시험을 통해 경도, 극한 인장 강도(UTS), 0.2% 항복 강도, 파단 연신율, 피로 수명 등 핵심 기계적 특성을 측정했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 Al-Si-Cu 계열의 ADC12 합금을 주요 대상으로 하며, 미세조직 제어를 통한 고강도화에 초점을 맞춘다. 연구 범위는 (1) 냉각 속도에 따른 응고 조직 제어, (2) 시효 온도 및 시간에 따른 석출 경화 거동, (3) 희토류 원소 첨가에 따른 공정 Si상 제어, (4) HPDC 공정 결함 감소를 위한 쇼트 슬리브 설계까지 포함한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 응고 제어: 높은 냉각 속도(200.5 °C·s⁻¹)는 미세한 SDAS(11.9 μm)와 균일한 결정 구조를 형성시켜 UTS 330 MPa, 파단 연신율 12%의 우수한 기계적 특성을 달성했다.
• 열처리: HMC 시편을 175°C에서 13시간 시효 처리했을 때, 미세한 θ'(Al₂Cu) 석출물에 의해 최고 UTS인 약 390 MPa를 달성했다. 이는 일부 철계 주물 합금과 유사한 수준이다.
• 희토류 원소 첨가: 0.06% Sr 첨가는 공정 Si를 미세한 구상으로 만들어 약 380 MPa의 높은 UTS를 나타냈고, 1.5% Bi 첨가는 연성을 약 14%까지 크게 향상시켰다.
• 쇼트 슬리브: 새로 개발된 그루브형 쇼트 슬리브는 단열 효과를 통해 콜드 플레이크 결함을 효과적으로 감소시켜 주조품의 기계적 신뢰성을 높였다.

Figure Name List:

• Fig. 1.1 Schematic illustration of the gravity casting.
• Fig. 1.2 Schematic illustration of the high-pressure die casting.
• Fig. 1.3 Solidification of cast rod under conventional and heated continuous casting process.
• Fig. 1.4 Schematic illustration of the heated mold continuous casting system.
• Fig. 1.5 Photograph and schematic illustration of centrifugal casting.
• Fig. 1.6 A schematic diagram of the slip deformation.
• Fig. 1.7 The motion of a dislocation as it encounters a grain boundary.
• Fig. 1.8 Schematic diagrams of (a) substitutional solid solution and (b) interstitial solid solution.
• Fig. 1.9 Schematic illustration of precipitation strengthening due to (a) dislocation line cutting of precipitates and (b) dislocation line curve around the precipitate.
• Fig. 1.10 Schematic of the role of precipitation hardening mechanisms.
• Fig. 3.1 A schematic illustration of the unidirectional casting arrangement: (a) the pouring process and (b) the solidification process.
• Fig. 3.2 The temperature profiles of the cast mold.
• Fig. 3.3 Schematic illustrations showing (a) the size and (b) the position of the test specimen.
• Fig. 3.4(a) EBSD-based inverse pole figure maps of the cast sample showing the crystal orientations in different locations on the sample, (b) a schematic illustration of the dendrite formation process.
• Fig. 3.5 The SDAS values measured in each area of the cast sample.
• Fig. 3.6(a) Temperature profile and (b) first derivative (dT/dt) curves obtained at the upper, center, and lower points of the cast sample.
• Fig. 3.7 The mean Vickers hardness results for each area of the cast sample.
• Fig. 3.8(a) SEM images and EDX maps for area 11, (b) SEM images and EDX maps of Si obtained for the lower, middle, and upper regions of the cast sample.
• Fig. 3.9 The rate of Si formation, based on area 1, in each area of the cast sample.
• Fig. 3.10 A phase diagram for the Al-Si alloy representing the lower and upper regions of the cast sample.
• Fig. 3.11 The solidification models for the α-Al, eutectic Si, and primary Si phases in the different regions of the cast sample.
• Fig. 3.12 The tensile properties of the cast sample obtained in the lower, middle, and upper regions.
• Fig. 4.1 Schematic diagrams of the GC and HMC samples and location of the test sample for examination of microstructural.
• Fig. 4.2 Heat treatment conditions for casting sample.
• Fig. 4.3 Test specimens for tensile and fatigue tests.
• Fig. 4.4 Optical micrographs of GC and HMC samples before and after aging: (a) sample A (as-cast); (b) sample I (175 °C for 13 h); (c) sample II (175 °C for 100 h); (d) sample III (220 °C for 100 h).
• Fig. 4.5 Microstructural characteristics of GC and HMC samples: (a) sample A (as-cast) and (b) sample I (175 °C for 13 h) examined by EBSD.
• Fig. 4.6 Change of Vickers hardness as a variable of aging time for GC and HMC samples: (a) 145 °C; (b) 160 °C; (c) 175 °C; (d) 190 °C; (e) 220 °C.
• Fig. 4.7 Vickers hardness of α-Al grains for GC and HMC samples.
• Fig. 4.8 Tensile properties of GC and HMC samples: (a) stress-strain curves; (b) tensile properties; (c) 0.2% proof strength; (d) fracture strain.
• Fig. 4.9 SEM images of fracture surfaces obtained by tensile test: (a) sample A (as-cast); (b) sample I (175 °C for 13h) and (c) sample II (175 °C for 100 h).
• Fig. 4.10 Sa-Nf curves of GC and HMC samples: sample A; sample I, sample II, and sample III.
• Fig. 4.11 Relationship between fatigue properties and tensile properties of GC and HMC samples: (a) σf versus σ0.2; (b) σf versus σUTS; (c) σf versus εf; (d) σUTS versus σ0.2.
• Fig. 4.12 TEM images of GC and HMC samples: (a) sample A; (b) sample I; (c) sample II.
• Fig. 4.13 Amount of Cu, Si, Mg and Fe in the α-Al phase for GC and HMC samples.
• Fig. 5.1 Microstructural characteristics of the HMC and gravity cast aluminum alloys: (a) ADC12-Sb; (b) ADC12-Sr; (c) ADC12-Bi.
• Fig. 5.2 Relationship between the size (SZ) and aspect ratio (AS) of eutectic Si phases for (a) ADC12; (b) ADC12-Sb; (c) ADC12-Sr; (d) ADC12-Bi.
• Fig. 5.3 EBSD analysis of the HMC samples: (a) ADC12; (b) ADC12-Sb; (c) ADC12-Sr; (d) ADC12-Bi.
• Fig. 5.4 Vickers hardness of the cast aluminum alloys for the HMC and GC samples: (a) ADC12-Sb; (b) ADC12-Sr; (c) ADC12-Bi.
• Fig. 5.5 Relationship between hardness and microstructural characteristics: (a) Aspect (AS) vs. HV; (b) size (SZ) vs. HV; (c) SDAS vs. HV.
• Fig. 5.6 Tensile properties of the cast aluminum alloys for the HMC and GC samples: (a) ADC12-Sb; (b) ADC12-Sr; (c) ADC12-Bi.
• Fig. 5.7 Relationship between ultimate tensile strength and hardness.
• Fig. 6.1(a) Photograph of the casting machine, consisting of mold, shot-sleeve and injection system; (b) photograph of the Sn cast sample.
• Fig. 6.2 Photograph and schematic diagram of (a) the shot-sleeve and (b) the rectangular molds.
• Fig. 6.3(a) Temperature profiles of the mold after pouring molten aluminum alloys in the rectangular molds; (b) the maximum mold temperature and increment rate of the mold temperature.
• Fig. 6.4(a) Temperature profiles of the mold after pouring molten Sn and Bi-based alloys in the rectangular molds; (b) the maximum mold temperature and increment rate of the mold temperature.
• Fig. 6.5 Photograph of the cross-section of the cast samples, solidified in the rectangular groove mold, showing the different severity of the penetration in the groove.
• Fig. 6.6 Bending properties of Sn and Bi-based alloy: (a)(b) bending stress vs. deflection curve and (c)(d) bending strength.
• Fig. 6.7 Photograph of the Bi-F and Bi-G alloys after the bending test.
• Fig. 6.8 Vickers hardness of the Sn-G and Sn-F samples.
• Fig. 6.9 Variation of the strain of the injection rod during the casting process with the flat and groove shot-sleeve.
• Fig. 6.10 Density of Sn-G and Sn-F samples, determined by Archimedes’ method.
• Fig. 6.11 Schematic illustration of the injection process in the grooved and flat shot-sleeves, showing the Sn solid layer.
• Fig. 6.12 Solid layer of Sn in the grooved shot-sleeve at the shot time lags of 5 s calculated by FE analysis.

7. 결론:

본 논문에서는 미세조직 제어(응고, 석출, 합금 원소 첨가)를 통해 생성된 주조 Al-Si-Cu 알루미늄 합금의 기계적 특성을 체계적으로 조사했다. 주요 결론 및 성과는 다음과 같다.

(i) 일방향 주조를 통해 냉각 속도가 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향을 규명했다. 높은 냉각 속도는 미세한 조직과 균일한 결정 구조를 형성하여 높은 인장 강도와 연성을 나타냈으며, 반면 낮은 냉각 속도는 Si의 편석을 유발하여 상부 영역의 경도를 높였다.

(ii) 인공 시효 처리를 통해 HMC 시편에서 최고 390 MPa의 인장 강도를 달성했다. 이는 미세한 θ'(Al₂Cu) 석출물 형성과 미세한 조직 구조에 기인하며, GC 시편보다 우수한 기계적 특성을 보였다.

(iii) 희토류 원소 첨가는 공정 Si상의 형태를 제어하는 데 효과적이었다. Sr은 미세한 구상 Si를 형성하여 강도를 높였고, Sb와 Bi는 연성을 향상시켰다. 특히 ADC12-1.5Bi 합금에서는 약 14%의 높은 파단 연신율을 얻었다.

(iv) HPDC 공정의 콜드 플레이크 결함을 줄이기 위해 새로운 그루브형 쇼트 슬리브를 제안했다. 이 설계는 용탕과 슬리브 표면 사이에 공기층을 형성하여 단열 효과를 제공함으로써 고품질의 주조품 생산을 가능하게 했다.

본 연구를 통해 주조 알루미늄 합금의 기계적 특성을 개선하여 일부 철계 주물 합금에 근접하는 390 MPa의 높은 UTS를 달성했다. 이러한 결과는 자동차 부품에 주조 알루미늄 합금의 새로운 적용 가능성을 제시하며, 차량 경량화를 통한 CO₂ 배출 감소에 기여할 것으로 기대된다.

8. 참고문헌:

1. H. Nakae, History of Casting, J. JFS, 85(2013)233-237.
2. H. Kimura, Subject of casting technology and its long term vision, Int. J. Jpn. Soc. Prec. Eng., 76(2010)373-377.
3. M. Ohtaki, T. Soutome, K. Mori, H. Kudoh, S. Tanaka, Development of aluminum recycling process in the national project, Furukawa Electric Review, 104(1999)25-30.
4. 本保元次郎, 加熱鋳型式連続鋳造鋳塊に関する基礎的な研究, 千葉工業大学, (1991)5-8.
5. J.T. Black, R.A. Kohser, DeGarmo's materials and processes in manufacturing, Wiley, (2011)333-335
6. P. Beeley, Foundry technology, Butterworth-Heinemann, (2001)622-645.
7. Y. Sekimoto, Recent rolls for hot rolling mills, Hitachi Hyoron, 56(1974)73-78.
8. J.R. Davis, Alloying: Understanding the Basics, ASM International, (2001)351-387.
9. Japanese Industrial Standards, JIS H 5202, (2010)
10. Japanese Industrial Standards, JIS H 5302, (2006)
11. M.D. Sabatino, L. Arnberg, Castability of aluminium alloys, Trans. Indian Inst. Met., 62 (2009)321-325.
12. A. Bjurenstedt, Imperfections in Recycled Aluminium-Silicon Cast Alloys, Jönköping University, (2015)3-4.
13. S. Yoshitani, Current status and recent trend in die steels (Cold-Work Dies, Semi-Hot and Hot Work Dies, Plastic Mold Dies), Denki-Seiko, 57(1986)222-235.
14. S. Fujiki, Recent advance in surface harding treatment of dies steel, J. Surf. Finish. Soc. Jpn. 52(2001)535-539.
15. Y. Tamura, T. Okuno, New hot working tool steels for die casting, J. JFS., 62(1991)1002-1014.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 기존 주조 방식 대신 일방향 응고 주조법을 선택한 특별한 이유가 무엇인가요?

A1: 일방향 응고 주조법은 용탕의 냉각 속도와 방향을 정밀하게 제어할 수 있어 결정의 성장 방향을 조절하고 내부 결함을 최소화하는 데 매우 효과적입니다. 이를 통해 본 연구에서는 주조품의 위치에 따른 미세조직의 변화를 체계적으로 분석하고, 미세조직이 기계적 특성에 미치는 근본적인 영향을 규명할 수 있었습니다.

Q2: 160~190°C 시효 처리 시 관찰된 이중 시효 피크(double aging peaks) 현상의 메커니즘은 무엇인가요? A2: 논문에 따르면, 이 현상은 GP(Guinier-Preston) 구역이 용해되고 전위(dislocation) 상에 준안정상이 핵 생성되는 전이 과정에서 발생하는 뚜렷한 간격 때문일 수 있다고 설명합니다. 즉, 서로 다른 석출 단계가 순차적으로 일어나면서 경도 곡선에 두 개의 피크가 나타나는 것으로, 이는 복잡한 석출 경화 거동을 시사합니다.

Q3: 중력주조(GC) 시편이 HMC 시편보다 경도는 높았지만 인장 강도는 낮게 나타났습니다. 그 이유는 무엇인가요? A3: GC 시편은 냉각 속도가 느려 α-Al 기지 내에 더 많은 합금 원소(Cu, Si 등)가 고용되고 복잡한 전위 구조가 형성되어 경도가 높게 측정되었습니다. 하지만 동시에 크고 취약한 공정 Si 및 Fe계 화합물이 형성되어 인장 시 응력 집중점으로 작용했기 때문에, 낮은 인장 강도와 연성을 보였습니다.

Q4: 그루브형 쇼트 슬리브는 어떻게 콜드 플레이크 결함을 방지하나요? A4: 그루브(홈)는 용탕과 슬리브 내벽 사이에 미세한 공기층(air gap)을 형성하는 역할을 합니다. 공기는 열전도율이 매우 낮기 때문에 이 공기층이 단열재 역할을 하여 슬리브로의 급격한 열 손실을 막아줍니다. 결과적으로 용탕이 사출되기 전에 슬리브 내벽에서 조기 응고되는 것을 방지하여 콜드 플레이크 생성을 억제합니다.

Q5: 희토류 원소 중 Sr은 강도를, Sb와 Bi는 연성을 향상시키는 이유는 무엇인가요? A5: Sr은 공정 Si 상을 미세하고 둥근 구상 형태로 개량하여 응력 집중을 완화하고 결정 구조를 무작위화시켜 강도를 높이는 데 기여했습니다. 반면, Sb와 Bi는 공정 Si를 미세한 층상 구조로 만들었지만, 파단 시 더 높은 변형을 허용하여 연성, 즉 파단 연신율을 크게 향상시키는 결과를 가져왔습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 고강도 주조 알루미늄 합금 개발의 핵심이 정밀한 미세조직 제어에 있음을 명확히 증명했습니다. 응고 제어, 최적화된 열처리, 그리고 전략적인 합금 원소 첨가를 통해 기존의 한계를 뛰어넘는 390 MPa의 인장 강도를 달성했으며, 이는 자동차 경량화 부품의 적용 범위를 획기적으로 넓힐 수 있는 가능성을 열어줍니다. R&D 및 운영팀은 이러한 연구 결과를 바탕으로 공정을 최적화하고 제품의 품질을 한 단계 끌어올릴 수 있습니다.

"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 "Microstructural Control for Creation of High Strength Cast Aluminum Alloys" (저자: Shaohua Wu) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: A thesis submitted in conformity with the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Okayama University (2021)

이 자료는 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용을 금합니다. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.