알루미늄 고압 다이캐스팅 합금 AlSi9Cu3Fe (226D)의 공정 및 금속간 화합물 Sr 개량을 통한 전도도 향상

본 소개 자료는 Elsevier에서 발행한 논문 "Increasing the conductivity of aluminium high-pressure die casting alloy AlSi9Cu3Fe (226D) by Sr modification of eutectic and intermetallic phases"의 연구 내용을 담고 있습니다.

Table 1 Composition of alloy 226D used for casting measured by OES and nominal composition of alloy 226D (AlSi9Cu3(Fe)(Zn)) from DIN EN 1706 [9] where the limits are maximum values if no range is specified.
Table 1
Composition of alloy 226D used for casting measured by OES and nominal composition of alloy 226D (AlSi9Cu3(Fe)(Zn)) from DIN EN 1706 [9] where the limits are maximum values if no range is specified.
Table 2 Planned and achieved Sr addition in alloy 226D for 1 mm, 2 mm and 3 mm samples in wt.-% measured by OES.
Table 2
Planned and achieved Sr addition in alloy 226D for 1 mm, 2 mm and 3 mm samples in wt.-% measured by OES.
Fig. 1. (a) Cu-die used for casting plates and (b) set-up for the casting process with Cu-die, vacuum pump, manometer and needle valve for controlling the applied vacuum.
Fig. 1. (a) Cu-die used for casting plates and (b) set-up for the casting process with Cu-die, vacuum pump, manometer and needle valve for controlling the applied vacuum.

1. 개요:

  • 제목: Increasing the conductivity of aluminium high-pressure die casting alloy AlSi9Cu3Fe (226D) by Sr modification of eutectic and intermetallic phases (공정 및 금속간 화합물 Sr 개량을 통한 알루미늄 고압 다이캐스팅 합금 AlSi9Cu3Fe (226D)의 전도도 향상)
  • 저자: Felix Feyer, Michael Weigand, Peter Randelzhofer, Carolin Körner
  • 출판 연도: 2025
  • 출판 저널/학회: Materials Science and Engineering B
  • 키워드: Al alloys, Si modification, Conductivity, Hardness, High throughput (Al 합금, Si 개량, 전도도, 경도, 고속 처리)

2. 초록

고압 다이캐스팅 합금은 현재 우수한 주조성과 요구되는 부품의 기계적 특성을 충족하도록 최적화되어 있습니다. 일반적으로 이러한 합금의 전도도는 기계적 특성과 주조성을 개선하려는 노력으로 인해 감소합니다. 모빌리티 및 통신 부문의 새로운 구성 요소는 향상된 전도도를 가진 합금을 요구합니다. 이 연구의 초점은 고압 다이캐스팅 합금 AlSi9Cu3Fe의 전도도 및 기계적 특성에 대한 개량의 영향을 평가하는 것입니다. 고속 처리 연구를 위해 실험실 규모에서 고압 다이캐스팅의 미세 구조를 모방하는 진공 보조 기능이 있는 새로운 Cu-다이 디자인이 사용되었습니다. Si 상 및 금속간 화합물 형태와 분포의 개량 조합은 합금의 특성에 সমষ্টি적으로 영향을 미칩니다. 개량 정도는 존재하는 합금 원소 및 Sr 함량 수준과 관련이 있습니다. 전도도는 10% 이상 증가합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

알루미늄은 기후 보호, 지속 가능한 생산 및 저배출 제품으로 인해 구조 및 기능 구성 요소에 점점 더 중요해지고 있습니다[1,2]. 높은 열 및 전기 전도도, 유리한 밀도 대 강도 비율, 우수한 주조성은 Al 주조 합금에 매우 중요합니다[3-5]. 자동차 공학의 전기화 발전과 다른 부문의 요구 사항 증가는 증가하는 중량 및 열 요구 사항을 충족하기 위해 Al 주조 혁신을 주도합니다[6-8].

선행 연구 현황:

널리 사용되는 HPDC 합금 AlSi9Cu3(Fe) (226D)는 높은 실리콘 함량과 합금 원소로 인해 순수 Al(180-210 W/mK [9], 34 MS/m [9])보다 낮은 열전도율(110-120 W/mK [9], 13-17 MS/m [9])을 갖습니다[9]. 전도도는 조성, 미세 구조 및 결함에 따라 달라집니다[4,7,9,10]. Stadler et al. [11]은 Al-Si 주조의 전기 전도도와 열전도도 사이에 선형 상관 관계가 있음을 보여주었습니다. 화학적 개량제는 Al 주조 합금의 미세 구조를 변경할 수 있습니다[12]. Sr, Na, Ca 또는 Sb와 같은 개량제는 공정 실리콘 형태를 변경할 수 있습니다[12-14]. Sr 개량 메커니즘은 광범위하게 연구되었습니다[12,15-18]. Timpel et al. [17,19]은 개량이 두 가지 유형의 Sr-Al-Si 공편석을 기반으로 함을 보여주었습니다. Al-Si 합금에 Sr을 첨가하면 공정 Si 구조를 수정하여 전기 및 열전도도를 크게 향상시킬 수 있으며[6,8,10,20-22], 이는 실리콘 상의 투영 면적 감소로 인한 것입니다[8,10,20,22].

연구 필요성:

Sanna et al. [5]과 Samuel et al. [23]은 Sr 첨가가 금속간 화합물에도 영향을 미친다는 것을 관찰했습니다. 그러나 이러한 변화는 Zhang et al. [8]과 Wang et al. [10]의 연구와 달리 전도도에 미치는 영향에 대해 조사되지 않았습니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

일반적인 벽 두께를 가진 합금의 전도도와 성능을 개선하기 위해 Sr 첨가에 의한 상용 다이캐스팅 합금 226D의 개량을 더 잘 이해하는 것입니다.

핵심 연구:

  • 향상된 전도도를 위한 Sr 첨가를 통한 미세 구조 변화를 MIPAR 소프트웨어를 사용하여 조사하고 정량화합니다.
  • 공정 Si 및 기타 금속간 화합물의 형태 변화를 특성화합니다.
  • HPDC 합금 226D의 상 구조 및 형태에 대한 Sr의 영향을 밝혀 전도도 변화를 유도합니다.

5. 연구 방법

  • 연구 설계: 실험실 규모에서 HPDC 미세 구조를 모방하기 위해 진공 보조 기능이 있는 새로운 Cu-다이 디자인을 사용한 실험 연구.
  • 재료: 상용 HPDC 합금 226D (표 1은 잉곳 및 공칭 조성을 보여줍니다).
  • Sr 개량: KBM AFFILIPS B.V.의 AlSr10 마스터 합금을 용탕에 첨가 (표 2는 주조 샘플의 Sr 함량을 보여줍니다).
  • 샘플 준비:
    • 흑연 도가니에서 1.5kg의 합금을 720°C에서 용융.
    • 예열된 AlSr10 합금을 첨가하고 교반.
    • 더 작은 잉곳으로 주조하고 다시 용융하여 샘플 생산을 위해 Cu-다이에 주조.
    • 진공 보조 기능이 있는 다른 다이를 사용하여 1mm, 2mm 및 3mm 벽 두께의 샘플을 만듭니다(그림 1).
  • 데이터 수집:
    • 전기 전도도: HELMUT FISCHER GmbH의 와전류 측정 시스템 SIGMASCOPE SMP 350 (전체 샘플 영역에 걸쳐 12개 위치).
    • 금속 조직: 샘플 절단, 연삭, 연마 및 8초 동안 10% NaOH로 에칭.
    • 미세 구조 분석:
      • Leica DM6000 M을 사용한 광학 현미경(LM).
      • EDAX Octane Elect가 장착된 FEI Quanta 450을 사용한 주사 전자 현미경(SEM).
      • JEOL-JXA8800을 사용한 전자 프로브 미세 분석(EPMA).
    • 경도: Leco의 마이크로 경도 시험기 M400G (HV0.5, DIN EN ISO 6507-1 [24]).
    • 열전도율: 측정된 밀도(부력 칭량), 열 확산(Linseis의 LFA 1000) 및 계산된 열용량(OES 조성을 기반)에서 공식 (1)을 사용하여 계산.
  • 이미지 분석: MIPAR 소프트웨어를 사용하여 SE 및 BSE 이미지를 분석하고 Si 상과 가볍거나 무거운 원소를 가진 다른 상을 분리합니다(그림 3). 상 면적, 평균 이웃 거리(AND) 및 진원도를 분석합니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과 및 제시된 데이터 분석:

  • 공정 Si 구조 개량:
    • SEM 이미지(그림 4)는 Sr 첨가에 따른 Si 공정 상의 구조적 변화를 보여줍니다.
    • EPMA 매핑(그림 5, 7)은 Sr이 있거나 없는 샘플에서 원소 분포를 보여줍니다.
    • MIPAR(그림 9(a)-(c))을 사용한 정량적 분석은 Sr 첨가에 따른 Si 상 면적, AND 및 진원도의 변화를 보여줍니다.
  • 금속간 화합물 형태 개량:
    • SEM 및 EDX 측정(그림 8)은 금속간 화합물의 형태 변화를 보여줍니다.
    • MIPAR(그림 9(d)-(f))을 사용한 정량적 분석은 Sr 첨가에 따른 금속간 화합물 면적, AND 및 진원도의 변화를 보여줍니다.
  • 벽 두께의 영향:
    • 다른 벽 두께에 대한 Si 상 및 금속간 화합물 특성 비교(그림 10).
  • 전도도 및 경도:
    • 측정된 전기 전도도(그림 11(a))는 0.02 wt.-%까지 Sr 첨가에 따라 증가함을 보여줍니다.
    • 측정된 열전도도(그림 11(b))는 유사한 경향을 보여줍니다.
    • 측정된 비커스 경도(그림 11(c))는 0.02 wt.-%까지 Sr 첨가에 따라 약간 증가함을 보여줍니다.
Fig. 2. (a) Casting plates (226D) with plate thicknesses of 3 mm, 2 mm and 1 mm cast with vacuum assisted Cu-dies, (b) cutting directions (dotted line) for sample plate preparation with marked surface for microstructure analysis, (c) microstructure of HPDC 5 mm part made from alloy 226D and (d) microstructure of Cu-die casting part with 3 mm thickness made from alloy 226D.
Fig. 2. (a) Casting plates (226D) with plate thicknesses of 3 mm, 2 mm and 1 mm cast with vacuum assisted Cu-dies, (b) cutting directions (dotted line) for sample plate preparation with marked surface for microstructure analysis, (c) microstructure of HPDC 5 mm part made from alloy 226D and (d) microstructure of Cu-die casting part with 3 mm thickness made from alloy 226D.
Fig. 3. (a) SEM SE-picture of the alloy 226D with 0.04 wt.-% Sr addition, (b) SEM BSE-picture on the same position as the SE-picture, (c) analysed and dyed SEM SE-picture with the informations from the SE- and BSE-picture of the present phases and (d) magnification of the detection of Si phase and intermetallic phases formed with heavy element by MIPAR.
Fig. 3. (a) SEM SE-picture of the alloy 226D with 0.04 wt.-% Sr addition, (b) SEM BSE-picture on the same position as the SE-picture, (c) analysed and dyed SEM SE-picture with the informations from the SE- and BSE-picture of the present phases and (d) magnification of the detection of Si phase and intermetallic phases formed with heavy element by MIPAR.
Fig. 4. Exemplary SEM pictures of the influence of Sr addition on the eutectic Si phase structure in 1 mm samples: (a) without Sr, (b) with a low amount of Sr (0.006 wt.-%) and (c) with a high amounts of Sr (0.060 wt.-%).
Fig. 4. Exemplary SEM pictures of the influence of Sr addition on the eutectic Si phase structure in 1 mm samples: (a) without Sr, (b) with a low amount of Sr (0.006 wt.-%) and (c) with a high amounts of Sr (0.060 wt.-%).
Fig. 5. EPMA-mappings of 1 mm samples cast from alloy 226D without Sr addition for the main alloying elements: (a) Si, (b) Fe, (c) Mg, (d) Cu, (e) Mn and (f) Zn
Fig. 5. EPMA-mappings of 1 mm samples cast from alloy 226D without Sr addition for the main alloying elements: (a) Si, (b) Fe, (c) Mg, (d) Cu, (e) Mn and (f) Zn.
Fig. 6. BSE-images of the areas the EPMA-mappings where conducted (a) 1 mm samples cast from alloy 226D without Sr addition and (b) 1 mm samples cast from alloy 226D with 0.034 wt.-% Sr.
Fig. 6. BSE-images of the areas the EPMA-mappings where conducted (a) 1 mm samples cast from alloy 226D without Sr addition and (b) 1 mm samples cast from alloy 226D with 0.034 wt.-% Sr.
Fig. 12. Cumulative frequency of Si phase structure in 1 mm casting: (a) Si phase area and (b) Si phase AND.
Fig. 12. Cumulative frequency of Si phase structure in 1 mm casting: (a) Si phase area and (b) Si phase AND.
Fig. 13. Schematic two-dimensional overview of the change of interlinking paths of the 𝛼-Al phases (green arrows) with eutectic Si (blue) and intermetallic phases (orange): (a) without Sr modification, (b) with optimal modification of eutectic Si phase with intermediate amounts of Sr and (c) with overmodified Si with high amounts of Sr addition.
Fig. 13. Schematic two-dimensional overview of the change of interlinking paths of the 𝛼-Al phases (green arrows) with eutectic Si (blue) and intermetallic phases (orange): (a) without Sr modification, (b) with optimal modification of eutectic Si phase with intermediate amounts of Sr and (c) with overmodified Si with high amounts of Sr addition.
Fig. 14. LM pictures of the influence of Sr addition on the 𝛼-Al structure in 3 mm samples: (a) without Sr, (b) with a low amount of Sr (0.006 wt.-%), (c) with a medium amount of Sr (0.018 wt.-%) and with a high amount of Sr (0.064 wt.-%).
Fig. 14. LM pictures of the influence of Sr addition on the 𝛼-Al structure in 3 mm samples: (a) without Sr, (b) with a low amount of Sr (0.006 wt.-%), (c) with a medium amount of Sr (0.018 wt.-%) and with a high amount of Sr (0.064 wt.-%).

그림 이름 목록:

  • 그림 1. (a) 주조 판에 사용된 Cu-다이 및 (b) 적용된 진공을 제어하기 위한 Cu-다이, 진공 펌프, 압력계 및 니들 밸브가 있는 주조 공정 설정.
  • 그림 2. (a) 진공 보조 Cu-다이로 주조된 3mm, 2mm 및 1mm 판 두께의 주조 판(226D), (b) 미세 구조 분석을 위해 표시된 표면이 있는 샘플 판 준비를 위한 절단 방향(점선), (c) 합금 226D로 만든 HPDC 5mm 부품의 미세 구조 및 (d) 합금 226D로 만든 3mm 두께의 Cu-다이 주조 부품의 미세 구조.
  • 그림 3. (a) 0.04 wt.-% Sr 첨가된 합금 226D의 SEM SE 사진, (b) SE 사진과 동일한 위치의 SEM BSE 사진, (c) SE 및 BSE 사진의 정보를 사용하여 분석 및 염색된 SEM SE 사진, (d) MIPAR에 의한 중원소로 형성된 Si 상 및 금속간 화합물의 검출 확대.
  • 그림 4. 1mm 샘플에서 공정 Si 상 구조에 대한 Sr 첨가의 영향을 보여주는 예시적인 SEM 사진: (a) Sr 없음, (b) 적은 양의 Sr(0.006 wt.-%) 및 (c) 많은 양의 Sr(0.060 wt.-%).
  • 그림 5. 주요 합금 원소에 대해 Sr 첨가 없이 합금 226D에서 주조된 1mm 샘플의 EPMA 매핑: (a) Si, (b) Fe, (c) Mg, (d) Cu, (e) Mn 및 (f) Zn.
  • 그림 6. EPMA 매핑이 수행된 영역의 BSE 이미지 (a) Sr 첨가 없이 합금 226D에서 주조된 1mm 샘플 및 (b) 0.034 wt.-% Sr이 있는 합금 226D에서 주조된 1mm 샘플.
  • 그림 7. 주요 합금 원소에 대해 0.034 wt.-% Sr 첨가된 합금 226D에서 주조된 1mm 샘플의 EPMA 매핑: (a) Si, (b) Fe, (c) Mg, (d) Cu, (e) Mn 및 (f) Zn.
  • 그림 8. 합금 226D로 만든 1mm 벽 두께의 주조 샘플에서 BSE 이미지에 존재하는 금속간 화합물의 EDX 측정: (a) BSE 이미지에서 주황색 원으로 표시된 Cu가 풍부한 침전물의 EDX 측정 (b) Sr 첨가 없이 합금의 BSE 이미지 및 (b) 그림에서 녹색 직사각형으로 표시된 Fe 및 Mn이 풍부한 침전물 및 해당 EDX 측정 (c), (d) 0.034 wt.-% Sr(e)이 있는 합금의 BSE 이미지에서 주황색 원으로 표시된 Cu가 풍부한 침전물의 EDX 측정 및 (e) 그림에서 녹색 직사각형으로 표시된 Fe 및 Mn이 풍부한 침전물 및 해당 EDX 측정 (f).
  • 그림 9. 3mm 주조에서 Si 및 금속간 화합물 구조의 누적 빈도: (a) Si 상 면적, (b) Si 상 AND, (c) Si 상 진원도, (d) 중원소로 형성된 금속간 화합물 면적, (e) 중원소로 형성된 금속간 화합물 AND 및 (f) 중원소로 형성된 금속간 화합물 진원도.
  • 그림 10. 하나의 Sr 함량을 가진 1mm, 2mm 및 3mm 샘플에서 Si 및 금속간 화합물 구조: (a) Si 상 면적, (b) Si 상 AND, (c) Si 상 진원도, (d) 중원소로 형성된 금속간 화합물 면적, (e) 중원소로 형성된 금속간 화합물 AND 및 (f) 중원소로 형성된 금속간 화합물 진원도.
  • 그림 11. 1mm, 2mm 및 3mm 두께의 주조 샘플에 대한 Sr 첨가량에 따른 측정된 전도도 및 경도: (a) 20°C에서의 전기 전도도, (b) 실온에서의 열전도도 및 (c) 비커스 경도.
  • 그림 12. 1mm 주조에서 Si 상 구조의 누적 빈도: (a) Si 상 면적 및 (b) Si 상 AND.
  • 그림 13. 공정 Si(파란색) 및 금속간 화합물(주황색)이 있는 a-Al 상(녹색 화살표)의 상호 연결 경로 변화에 대한 개략적인 2차원 개요: (a) Sr 개량 없음, (b) 중간 정도의 Sr을 사용한 최적의 공정 Si 개량 및 (c) 많은 양의 Sr을 사용한 과개량된 Si.
  • 그림 14. 3mm 샘플에서 a-Al 구조에 대한 Sr 첨가의 영향을 보여주는 LM 사진: (a) Sr 없음, (b) 적은 양의 Sr(0.006 wt.-%), (c) 중간 정도의 Sr(0.018 wt.-%) 및 많은 양의 Sr(0.064 wt.-%).

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

  • 합금 226D의 공정 Si 구조(면적, AND 및 진원도) 개량은 약 0.005 wt.-% Sr에서 이미 최고 수준의 개량에 도달합니다. 합금에 Sr을 더 많이 첨가해도 중간/낮은 냉각 속도에서는 구조가 더 이상 변하지 않습니다. 높은 냉각 속도에서는 Sr 첨가가 많을수록 공정 Si 상이 과개량됩니다.
  • Sr 양을 늘리면 Cu, Mn, Fe와 같은 원소로 형성된 금속간 화합물의 형태가 지속적으로 수정됩니다. 이러한 금속간 화합물의 상 면적, AND 및 진원도 분포는 더 작고, 더 가깝게 채워지고, 더 원형인 상으로 이동합니다.
  • 분석된 벽 두께 1mm, 2mm 및 3mm에 대해 약 0.02 wt.-%의 Sr을 첨가하면 합금 226D의 전기 전도도가 10% 이상 증가합니다. 2mm 및 3mm 샘플의 열전도도는 유사한 경향을 보입니다. Sr을 더 많이 첨가해도 전기 및 열전도도가 더 이상 증가하지 않습니다.
  • 경도는 세 가지 벽 두께 모두에 대해 약 0.02 wt.-% Sr에서 최대값까지 증가하고 합금에 Sr이 더 많이 존재하면 약간 감소합니다.
  • 전기 및 열전도도와 경도의 경과는 공정 Si, 금속간 화합물 및 a-Al 상 크기, 형태 및 분포의 복합적인 영향을 기반으로 합니다.

결과는 Sr 개량이 공정 Si와 금속간 화합물을 모두 변경하여 전도도를 크게 향상시킨다는 것을 나타냅니다. 최적의 Sr 함량은 약 0.02 wt.-%이며, 그 이상에서는 전도도가 더 이상 증가하지 않습니다. 이 연구는 공정 Si, 금속간 화합물 및 α-Al 상이 전체 특성에 미치는 복합적인 영향을 강조합니다. 이는 높은 전도도가 필요한 응용 분야를 위해 합금 조성 및 공정을 최적화하는 데 영향을 미칩니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Felix Feyer, Michael Weigand, Peter Randelzhofer, Carolin Körner"의 논문 "Increasing the conductivity of aluminium high-pressure die casting alloy AlSi9Cu3Fe (226D) by Sr modification of eutectic and intermetallic phases"를 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.mseb.2025.118109

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Tags: A380; ,Al-Si alloy; ,Alloying elements; ,Applications; ,CAD; ,Die casting; ,Microstructure; ,자동차