Influence of Nickel Addition on Properties of Secondary AlSi7Mg0.3 Alloy

고철(Scrap)을 고품질 부품으로: 니켈(Ni) 첨가로 이차 알루미늄 합금의 철(Fe) 불순물 문제 해결

이 기술 요약은 L. Richtárech 외 저자가 [Archives of Foundry Engineering]에 발표한 "Influence of Nickel Addition on Properties of Secondary AlSi7Mg0.3 Alloy" 논문을 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 이차 알루미늄 합금
• 보조 키워드: AlSi7Mg0.3, 철(Fe) 불순물, 니켈(Ni) 첨가, 금속간 화합물, 기계적 특성, 주조 결함

Executive Summary

• 과제: 비용 효율적인 이차 알루미늄 합금에 포함된 다량의 철(Fe)은 기계적 특성을 저하시키는 취성의 침상형 금속간 화합물을 형성합니다.
• 방법: 의도적으로 철 함량을 높인 이차 AlSi7Mg0.3 합금에 니켈(Ni)을 '철 개량제(iron corrector)'로 첨가하여 그 효과를 분석했습니다.
• 핵심 발견: 1.5 wt.%의 AlNi20 마스터 합금을 첨가했을 때, 철 기반 입자의 형태에 부정적인 영향 없이 인장 강도와 연신율이 개선되었습니다.
• 결론: 니켈은 효과적인 철 개량제로 작용할 수 있어, 철 함량이 높은 이차 알루미늄 합금을 까다로운 고품질 부품에 적용할 수 있게 하여 잠재적인 원가 절감을 가능하게 합니다.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

주조품의 품질 요구사항이 높아지고 원가 절감 압박이 심해지면서, 다양한 불순물이 포함된 이차 합금(secondary alloys) 사용에 있어 절충안을 찾아야 할 필요성이 커지고 있습니다. 특히 재활용 알루미늄 스크랩으로 만들어지는 이차 알루미늄 합금은 철(Fe)과 같은 불순물 함량이 높아 취성의 금속간 화합물을 형성하기 쉽습니다.

철은 알루미늄 주조 합금에서 가장 흔하고 해로운 불순물로, 주조 결함을 증가시키는 주된 원인입니다. 특히 길고 뾰족한 침상 형태의 β-Al5FeSi 상을 형성하여 기계적 특성, 특히 연성을 크게 저하시킵니다. 표준 용해 공정으로는 용탕에서 철을 제거하는 것이 불가능하기 때문에, 많은 현장 엔지니어들은 값비싼 일차 합금(primary alloy)을 사용하거나 철 함량이 낮은 고가의 스크랩을 선별해야 하는 어려움에 직면합니다. 이 연구는 니켈(Ni)과 같은 '철 개량제'를 사용하여 이러한 문제를 해결하고, 비용 효율적인 이차 합금의 활용도를 높일 수 있는 가능성을 탐구합니다.

접근법: 연구 방법론 분석

본 연구는 니켈 첨가가 철 함량이 높은 이차 AlSi7Mg0.3 합금의 미세조직과 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

방법 1: 실험용 합금 준비 - 기본 재료: AlSi7Mg0.3 주조 합금을 사용했습니다(Table 1 참조). - 철 함량 증가: 이차 합금의 조건을 모사하기 위해, AlFe10 마스터 합금을 첨가하여 의도적으로 철(Fe) 함량을 약 1.28 wt.%까지 높였습니다(Table 2 참조). 이는 자동차 부품 고객 사양의 최대 허용치에 가까운 수준입니다.

방법 2: 니켈 첨가 및 시편 제작 - 철 개량제: 철 함량이 높아진 합금에 AlNi20 마스터 합금을 각각 0.5%, 1.0%, 1.5%씩 첨가하여 세 가지 실험 그룹을 만들었습니다. - 주조: 각 용탕은 760 ± 5 °C의 온도로 100 °C 이상의 예열된 칠드 금형에 주입하여 시편을 제작했습니다.

방법 3: 특성 분석 - 미세조직 분석: 광학 현미경(NEOPHOT 32) 및 전자 현미경(SEM/EDX)을 사용하여 철 기반 금속간 화합물의 형태, 크기 및 화학 조성을 분석했습니다. - 기계적 특성 평가: 상온(22 °C)에서 인장 시험기(WDW – 20)를 사용하여 각 시편의 인장 강도와 연신율을 측정했으며, 브리넬 경도 또한 평가했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

발견 1: 니켈 첨가 후 기계적 특성의 뚜렷한 개선

연구 결과, 니켈 첨가는 철 함량이 높은 이차 AlSi7Mg0.3 합금의 기계적 특성을 크게 향상시키는 것으로 나타났습니다. - 인장 강도 및 연신율: Figure 5와 Figure 6에서 볼 수 있듯이, AlNi20 마스터 합금의 첨가량이 증가함에 따라 인장 강도와 연신율이 모두 개선되었습니다. 특히 1.5 wt.%를 첨가했을 때 가장 우수한 결과를 보였으며, 이는 EN 1706 표준에서 요구하는 최소값을 상회하는 수준입니다. - 경도: Figure 7에 따르면, 니켈 첨가는 브리넬 경도에 부정적인 영향을 미치지 않았으며, 모든 조건에서 표준 요구치를 만족했습니다.

발견 2: 철 기반 입자 형태에 대한 미미한 영향

일반적으로 철 개량제는 해로운 침상(needle-like) β-Al5FeSi 상을 덜 해로운 형태로 바꾸는 역할을 합니다. 그러나 이 연구에서는 다른 결과가 관찰되었습니다. - 입자 길이: Table 4의 측정 결과에 따르면, AlNi20 첨가 후에도 철 기반 입자의 평균 길이에 큰 변화가 없었습니다. 이는 니켈이 입자의 형태를 직접적으로 바꾸기보다는 다른 메커니즘을 통해 기계적 특성을 개선했을 가능성을 시사합니다. - 입자 조성: Figure 4의 EDX 분석 결과, 관찰된 큰 입자들은 여전히 Al, Si, Fe로 구성된 β-Al5FeSi 상임이 확인되었습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 니켈을 철 개량제로 활용함으로써 철 함량이 높은 저비용 이차 합금을 사용할 때 더 넓은 공정 윈도우를 확보할 수 있음을 시사합니다. 이는 원자재 수급 변동에 대한 유연성을 높여줍니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 5와 Figure 6 데이터는 특정량의 니켈을 첨가하면 높은 초기 철 함량에도 불구하고 인장 강도 및 연신율과 같은 핵심 기계적 특성을 요구 사양(예: EN 1706) 내로 회복시킬 수 있음을 보여줍니다. 이는 원자재 입고 검사 기준을 재설정하는 데 참고 자료가 될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어 및 구매 담당자: 이 연구 결과는 이전에는 일차 합금이나 철 함량이 낮은 고가의 이차 합금이 필요했던 부품에 대해, 니켈 개량 공정을 통해 저비용 이차 합금을 적용할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 이는 부품 설계 단계에서 재료 선택의 폭을 넓히고 상당한 원가 절감을 이룰 수 있는 기회를 제공합니다.

Paper Details

Influence of Nickel Addition on Properties of Secondary AlSi7Mg0.3 Alloy

1. 개요:

• Title: Influence of Nickel Addition on Properties of Secondary AlSi7Mg0.3 Alloy
• Author: L. Richtárech, D. Bolibruchová, M. Brůna, J.Caiss
• Year of publication: 2015
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING, Volume 15, Issue 2/2015
• Keywords: Secondary AlSi7Mg0.3 based alloys, Iron phases, Thermal analysis, Iron correctors

2. 초록:

본 논문은 니켈이 이차 AlSi7Mg0.3 합금의 미세구조 내 철 기반 상의 편석에 미치는 영향을 다룬다. 철은 알루미늄 주조 합금에서 가장 흔하고 해로운 불순물이며, 오랫동안 주조 결함 증가와 관련이 있었다. 일반적으로 철은 Fe-rich 금속간 화합물의 형성과 연관된다. 표준 공정으로는 용탕에서 철을 제거하는 것이 불가능하다. 일부 원소들은 철 금속간 화합물의 형태를 바꾸고, 그 범위를 줄이며, 합금 특성을 개선함으로써 철의 해로운 영향을 제거한다. 실험의 수행과 분석 결과는 더 높은 철 함량을 가진 용탕 준비 과정에서 철 기반 상의 용해도와, 철 기반 상의 개량제로서 니켈의 영향에 대한 새로운 관점을 보여준다.

3. 서론:

주조품의 품질, 최종 피로 특성에 대한 요구사항 증가와 최종 주조품 가격에 대한 압박으로 인해, 다양한 불순물이 존재하는 이차 합금을 사용한 주조 생산에서 절충안을 찾아야 할 필요가 있다. 이 연구를 시작하게 된 기반은 높은 철 함량을 가진 이차 Al-Si-Mg 합금의 사용과, 연속 생산 조건에서 자동차 산업용 고품질 주조품 생산 시 철을 적절하고 효율적으로 제거하는 것에 대한 이론적 지식의 부족이었다. 이차 알루미늄 합금은 알루미늄 스크랩과 가공성 알루미늄 폐기물을 재활용하여 만들어진다. 이차 알루미늄 합금 주조품은 일반적으로 더 높은 수준의 불순물이 취성의 금속간 화합물을 형성하기 때문에 일차 합금 주조품에 비해 연성이 떨어진다. 결정립 미세를 통해 이러한 취성 상의 크기를 줄임으로써 불순물의 해로운 영향을 감소시킬 수 있다. Mn, Cr, Be, Co, Mo, Cd, Ni, S, V, Ca 및 희토류 원소(La, Ce, Y, Nd)와 같은 다양한 원소들이 주조 합금에서 Fe의 악영향을 개별적으로 또는 다른 원소와 조합하여 다양한 수준으로 중화시키는 것으로 밝혀졌다. 각 원소는 고유의 장점과 한계를 가지고 있다. Ni는 강하게 편석되고 확산이 느린 원소이므로, 기지(matrix)는 평형 용해도 이상의 수준을 포함할 가능성이 낮다. 낮은 수준에서 Ni는 주로 철과 결합하여 결정립계에 AlFeSi 금속간 화합물을 형성한다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

비용 효율적인 이차 알루미늄 합금의 사용은 철(Fe)과 같은 불순물로 인해 제한된다. 철은 기계적 특성을 저하시키는 취성의 Fe-rich 금속간 화합물을 형성하여 주조품의 품질에 악영향을 미친다.

이전 연구 현황:

다양한 원소(Mn, Cr, Be, Ni 등)를 '철 개량제(iron corrector)'로 사용하여 철의 부정적인 효과를 중화시키려는 시도가 있었다. 니켈(Ni)은 철과 결합하여 AlFeSi 금속간 화합물을 형성하는 것으로 알려져 있다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 철 함량이 높은 이차 AlSi7Mg0.3 합금에서 니켈(Ni) 첨가가 미세조직, 특히 철 기반 상의 편석 및 기계적 특성에 미치는 영향을 평가하는 것이다.

핵심 연구:

실험은 AlSi7Mg0.3 합금에 의도적으로 철(AlFe10 마스터 합금 사용)을 첨가하여 고철 함량 조건을 모사한 후, 철 개량제로서 니켈(AlNi20 마스터 합금 사용)을 0.5%, 1%, 1.5%로 다르게 첨가하여 진행되었다. 이후 각 조건의 시편에 대해 미세조직 분석(광학현미경, SEM/EDX)과 기계적 특성(인장 강도, 연신율, 경도) 평가를 수행하였다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 방법론을 채택하였다. 질리나 대학교 기술공학과 소속 주조 실험실에서 전기 저항로를 사용하여 실험 용해를 진행하였다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 화학 성분 분석: 각 용해 단계 후 합금의 화학 성분을 분석하였다(Table 1, 2, 3).
• 미세조직 관찰: 시편을 표준 방식으로 준비하고 H2SO4 용액으로 에칭한 후, 광학 현미경(NEOPHOT 32)을 사용하여 미세조직을 관찰하였다. 철 기반 입자의 길이 측정 및 형태 분석을 수행하였다.
• 상세 분석: 전자 현미경(VEGA3 TESCAN)과 EDX 분석을 통해 철 기반 금속간 화합물의 화학 조성을 정밀 분석하였다.
• 기계적 특성 시험: 인장 시험기(WDW – 20)를 사용하여 인장 강도와 연신율을 측정하였고, 브리넬 경도 시험을 수행하였다.

연구 주제 및 범위:

연구의 범위는 이차 AlSi7Mg0.3 합금에 국한되며, 철 함량을 의도적으로 높인 상태에서 니켈 첨가량(AlNi20 마스터 합금 기준 0.5%, 1%, 1.5%)에 따른 미세조직 및 기계적 특성 변화를 분석하는 데 중점을 둔다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• AlNi20 마스터 합금 첨가 후, 측정된 철(Fe) 함량이 1.716 wt.%에서 0.878 wt.%까지 감소하는 흥미로운 현상이 관찰되었다(Table 3).
• 니켈 첨가는 철 기반 입자(β-Al5FeSi)의 길이에 유의미한 영향을 미치지 않았다(Table 4).
• EDX 분석 결과, 미세조직 내에 존재하는 큰 침상 입자는 Al, Si, Fe로 구성된 Al5FeSi 상(β-phase)임이 확인되었다(Fig. 4).
• 인장 강도와 연신율은 AlNi20 첨가량이 증가함에 따라 개선되었으며, 1.5 wt.% 첨가 시 가장 우수한 기계적 특성을 나타냈다(Fig. 5, Fig. 6).
• 브리넬 경도는 니켈 첨가에 의해 부정적인 영향을 받지 않았다(Fig. 7).
• 니켈 첨가는 가스 함량에 영향을 미쳤으나, 이는 주조 전 탈가스 처리로 관리될 수 있는 수준이다(Fig. 8).

Figure Name List:

• Fig. 1. Microstructures of alloys a) AlSi7Mg0.3 alloy b) with 70 000 ppm of AlFe10 and without addition of AlNi20
• Fig. 2. Microstructures with different amount of iron correctors
• Fig. 3. Detail of large iron particle
• Fig. 4. EDX analysis of large iron particle
• Fig. 5. Results of measurements of tensile strength
• Fig. 6. Results of measurements of elongation
• Fig. 7. Results of measurements of Brinell Hardness
• Fig. 8. Results of measurements of gas content

7. 결론:

이 논문의 목표는 니켈 첨가가 이차 AlSi7Mg0.3 합금에 미치는 영향을 평가하는 것이었다. 니켈 첨가는 β(Al5FeSi) 입자의 형태에 해로운 영향을 미치지 않는다고 결론 내릴 수 있다. 이러한 입자들은 AlNi20 마스터 합금을 첨가한 시편을 포함한 모든 시편에 존재한다. 인장 강도와 연신율 측정에서 더 나은 결과를 볼 수 있다. 두 경우 모두 이차 합금에 1.5 wt.%의 AlNi20을 첨가한 후 가장 좋은 결과를 볼 수 있었다. 브리넬 경도 측정 결과, AlNi20 첨가는 이차 합금의 경도 증가에 해로운 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. AlNi20 마스터 합금 첨가가 가스 함량에 덜 부정적인 영향을 미치는 것은 분명하다. 가스 함량의 탈가스는 주조 전 이차 합금의 탈가스 처리를 통해 이루어질 수 있다. 이러한 모든 결과와 추가 연구 및 그 효과 검증 후에, AlNi20은 이차 알루미늄 합금에서 철 개량제로 사용될 수 있다. 우리의 결과를 바탕으로, 철 개량제로 처리된 후 더 높은 철 함량을 가진 합금은 자동차 산업의 더 높은 요구사항을 가진 주조품 생산에 사용될 수 있다고 말할 수 있다.

8. 참고 문헌:

• [1] Hurtalová, L. & Tillová, E. (2013). Elimination of the negative effect of Fe-rich intermetallicphases in secondary (recycled) aluminium cast alloy. Manufacturing Technology. 13(1), 44-50. ISSN 1213-2489.
• [2] Pastirčák, R. & Krivoš, E. (2013). Effect of opening material granularity on the mould properties and the quality of casting made by patternless process technology. Manufacturing technology. 13(1), 92-97. ISSN 1213-2489.
• [3] Bolibruchová, D. & Richtarech, L. (2013). Effect of adding iron to the AlSi7Mg0.3 (EN AC 42 100, A356) alloy. Manufacturing Technology.13(3), 276-281. ISSN 1213-2489.
• [4] Brůna, M. & Kucharčík, L. (2013). Prediction of the porosity of Al alloys. Manufacturing technology. 13(3), 296-302, ISSN 1213-2489.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 연구에서 철 개량제로 니켈을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 논문의 서론에 따르면, 니켈(Ni)은 망간(Mn), 크롬(Cr), 베릴륨(Be) 등과 함께 주조 합금에서 철(Fe)의 해로운 영향을 중화시키는 여러 원소 중 하나로 알려져 있습니다. 특히 니켈은 낮은 농도에서 주로 철과 결합하여 결정립계에 AlFeSi 금속간 화합물을 형성하는 특성이 있어, 철의 거동에 직접적인 영향을 미칠 가능성이 크기 때문에 연구 대상으로 선택되었습니다.

Q2: 논문의 Table 3을 보면 AlNi20 첨가 후 철 함량이 감소했는데, 용탕에서 철을 제거하는 것이 불가능하다면 어떻게 이런 결과가 나올 수 있나요?

A2: 논문 저자들도 이 부분을 "흥미로운(interesting)" 현상으로 언급하며, 용탕에서 철을 제거하는 것은 불가능하다고 명시하고 있습니다. 이 현상에 대한 명확한 메커니즘은 논문에서 설명되지 않았습니다. 이는 측정된 샘플 위치에서의 국부적인 편석(segregation)이나 분석 방법론에 따른 결과일 수 있으며, 연구는 철 제거 메커니즘 규명보다는 니켈 첨가에 따른 최종 기계적 특성 변화에 초점을 맞추고 있습니다.

Q3: 니켈 첨가가 해로운 침상 형태의 β-Al5FeSi 상을 성공적으로 변화시켰나요?

A3: 아닙니다. 논문의 결론과 Table 4의 데이터에 따르면, AlNi20 첨가는 철 기반 입자의 길이(즉, 형태)에 유의미한 영향을 미치지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 기계적 특성이 개선된 것은, 니켈이 입자의 형태를 바꾸기보다는 기지(matrix)와의 계면 특성을 개선하거나 다른 미세한 상의 형성에 영향을 미치는 등 다른 메커니즘을 통해 긍정적인 효과를 나타냈을 가능성을 시사합니다.

Q4: 연구에서 확인된 최적의 AlNi20 마스터 합금 첨가량은 얼마였나요?

A4: 인장 강도와 연신율 모두에서 가장 우수한 결과는 1.5 wt.%의 AlNi20 마스터 합금을 첨가했을 때 나타났습니다. 이 조건에서 측정된 값들은 EN 1706 표준에서 요구하는 최소 요구치를 만족하거나 초과하여, 해당 첨가량이 가장 효과적이었음을 보여줍니다.

Q5: 니켈로 개량된 이차 알루미늄 합금이 일차 알루미늄을 완전히 대체할 수 있나요?

A5: 논문은 니켈 개량 처리를 거친 고철 함량 이차 합금이 "자동차 산업의 더 높은 요구사항을 가진 주조품 생산에 사용될 수 있다"고 결론 내리고 있습니다. 이는 모든 경우에 일차 합금을 대체할 수 있다는 의미는 아니지만, 이전에는 일차 합금이나 철 함량이 매우 낮은 고가의 이차 합금이 필요했던 까다로운 응용 분야에 비용 효율적인 대안이 될 수 있음을 강력히 시사합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

철 불순물은 비용 효율적인 이차 알루미늄 합금의 광범위한 사용을 가로막는 오랜 난제였습니다. 본 연구는 니켈(Ni)을 철 개량제로 첨가함으로써, 해로운 철 기반 입자의 형태를 크게 바꾸지 않고도 인장 강도와 연신율 같은 핵심 기계적 특성을 효과적으로 개선할 수 있음을 입증했습니다. 이는 저비용 원자재를 활용하여 자동차 산업과 같이 높은 품질 기준을 요구하는 부품을 생산할 수 있는 새로운 가능성을 제시합니다.

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

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[L. Richtárech]" 외 저자의 논문 "[Influence of Nickel Addition on Properties of Secondary AlSi7Mg0.3 Alloy]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

Source: https://www.archivesfoundry.p.lodz.pl/articles/2015/2/95-98.pdf

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