Cr 첨가가 Al-Cu 합금 주조재의 기계적 특성 및 내마모율에 미치는 영향

본 논문 요약은 ['Indian Journal of Science and Technology']에서 발행한 ['Effect of Cr Addition on Mechanical Properties and Wear Rate of Cast Al-Cu Alloy'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: Cr 첨가가 Al-Cu 합금 주조재의 기계적 특성 및 내마모율에 미치는 영향 (Effect of Cr Addition on Mechanical Properties and Wear Rate of Cast Al-Cu Alloy)
  • 저자: Aneesh Ravikumar, R. Sellamuthu, R. Saravanan
  • 발행 연도: 2016년 9월
  • 발행 학술지/학회: Indian Journal of Science and Technology, Vol 9(34)
  • 키워드: Al-Cu 합금, Cr 첨가, 열처리, 인장 특성, 내마모율 (Al-Cu Alloy, Cr Addition, Heat Treatment, Tensile Properties, Wear Rate)
Table 1. Spectroscopy result of the base alloy
Table 1. Spectroscopy result of the base alloy

2. 초록 또는 서론

본 논문은 Al-4.5Cu 합금 A206의 경도, 인장 특성 및 내마모 거동에 대한 크롬(Cr) 첨가의 영향을 조사합니다. 연구 방법론은 모재 합금을 용해 및 교반하고, 필요한 양의 미세한 Cr 분말을 첨가하여 오일 연소식 노에서 영구 주철 금형에 주조하는 것을 포함합니다. 주조된 시편은 540°C에서 4시간 용체화 처리하고 170°C에서 17시간 및 20시간 시효 처리했습니다. 미주조 및 시효 처리된 시편은 미세 조직 및 EDAX 분석을 거친 후 경도, 인장 및 내마모성 시험을 실시했습니다. 연구 결과, 미세 조직 분석 및 EDAX 분석 결과 Al-Cr-Mn-Fe-Si 상 형성으로 인해 불규칙하게 분포된 다면체 구조가 블록 형태로 나타나는 것으로 보고되었습니다. 경도, 극한 인장 강도 및 항복 강도는 증가하다가 피크 값에 도달한 후 시효 조건에서 크롬 첨가가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 내마모율은 경도가 증가함에 따라 감소했으며, 마찰 계수는 시간에 따라 일정하게 유지되었습니다. 본 연구의 응용/개선점은 Al 합금에서 Cr이 기계적 강도 및 내마모성에 미치는 영향을 평가하는 것입니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

Al-Cu 합금은 극저온 저장 탱크, 조향 너클, 엔진 피스톤, 브레이크 밸브, 미사일 핀, 항공기 구조물 및 오일 펌프와 같은 다양한 응용 분야에 사용되는 고강도 열처리 가능 합금입니다. 이 합금은 알루미늄(Al)과 구리(Cu)라는 두 가지 금속으로 구성되어 있어 열전도율, 열확산율 및 전기 전도율이 우수합니다. 이 합금은 용체화 처리(소킹이라고도 함)와 인공 시효를 포함하는 석출 열처리에 매우 잘 반응합니다. 이 합금은 압력 다이캐스팅, 스퀴즈 캐스팅, 열간 등방압 프레싱과 같은 공정을 통해 가스, 공기 형태의 외부 압력을 사용하여 형상을 만드는 데 사용되며, 이는 가공 경화 효과로 인해 잔류 소성 응력을 생성하여 제품의 고강도를 유도합니다. 이러한 잔류 응력은 응집성 준안정 θ" 석출물의 핵생성을 위한 구동력으로 작용하여 석출 경화를 유도함으로써 열처리를 돕습니다.

기존 연구 현황:

Al-4.5Cu 합금은 540°C에서 4시간 균질화 처리하고 170°C에서 17시간 시효 처리했을 때 최대 경도에 도달하며, 17시간 시효 처리 후 최대 경도 70 HV가 관찰되었고 이후 경도가 감소하는 것으로 연구되었습니다[1]. Al-Mg-Si 합금에서 구리(Cu)와 게르마늄(Ge)이 고용체 클러스터링에 미치는 영향에 대한 연구에서, Cu는 초기 단계에서 클러스터링 속도를 늦추지만 이후에는 증가시키는 것으로 나타났습니다[2]. Ge에 비해 더 많은 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si)은 용질 공공 상호 작용 및 점프 주파수에 따라 클러스터링 속도를 가속화합니다. 그는 Cu를 첨가하지 않은 경우에 비해 Cu를 첨가함으로써 5 HV의 경도 증가를 관찰했습니다. Al-Mg-Cu-Si 합금의 자연 시효에 대한 Mg/Si 비율의 영향에 대한 연구에서는 인공 시효 후 추가적인 자연 시효가 시효 시 합금을 강화하는 β" 입자의 조대화로 인해 높은 Mg/Si 비율의 경우 경도를 더 많이 낮춘다고 언급합니다[3]. Mg/Si가 2인 경우 2주 1일 후 최대 14 HV의 경도 감소가 관찰되었습니다. Cu-Mg 용질 입자는 높은 Mg/Cu 비율을 포함하는 Al-Cu-Mg 합금의 고온 시효 초기 단계에서 연구되었으며, 이는 양전자 소멸 분광법에 의해 관찰된 공공 안정화로 인해 피크 경도를 증가시킵니다[4]. Mg는 Cu-Mg 공공 복합체의 형성으로 인해 응집성 용질에 대한 핵생성 부위를 생성하여 핵생성의 배아 역할을 하는 것으로 나타났습니다[5]. Mn은 Al-Cu-Mg-Ag A201 합금의 인장 강도를 감소시키는 것으로 관찰되었는데, 이는 Al<0xE2><0x82><0x99>Cu<0xE2><0x82><0x99>Mn 상의 존재로 인한 합금의 취성 파괴 및 미세 균열을 유발하기 때문입니다[6]. Al-Cu-Li에서 Zr 결핍은 AlZr을 형성하여 균질화 시 강화 준안정상과의 Zr 상호 작용을 감소시켜 Zr의 분리 및 원자 부적합으로 인한 별도의 Zr 입자 및 Zr-Mn 입자 형성을 유도합니다[7]. ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 처리된 반용융 주조가 A356에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었습니다[8]. ECAP 처리 후 반용융 주조가 경도 및 내마모성을 향상시키는 것으로 관찰되었으며, 반용융 주조는 85 HV의 경도를 갖는 반면, 기존 주조는 75 HV의 경도만 가졌습니다. 내마모율은 20 N의 하중 및 5 km의 슬라이딩 거리에서 기존 주조 합금의 내마모율 22.6 mm³/m에 비해 반용융 주조 합금의 내마모율이 19.4 mm³/m로 더 낮았습니다. Al-12Si 및 Al-20Si의 용사 성형이 내마모성에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었습니다[9]. 용사 성형 합금은 칠 주조 합금에 비해 우수한 경도와 더 나은 내마모성을 가졌습니다. 이들의 내마모성 분석은 현재 연구 결과와 나중에 비교됩니다. 크롬(Cr) 첨가가 Al 합금에 미치는 영향은 많은 저자에 의해 연구되지 않았으며, Al-Cu 합금에 대한 Cr 첨가는 아직 연구되지 않았습니다. Al 매트릭스에서 Cr 및 Zr(지르코늄)을 단독으로 그리고 함께 0.4% Zr 및 0.8% Cr로 첨가했을 때 시효 순서를 변화시켰을 때 경도에 미치는 영향에 대한 연구가 수행되었습니다[10]. 용체화 처리된 Al-0.8Cr은 최대 경도 48 HV를 나타냈으며, 450°C에서 시효 처리 시 경도가 계속 감소했지만, 상기 합금에 0.4% Zr을 추가로 첨가했을 때 400°C에서 24시간 시효 처리했을 때 최대 경도 58 HV가 관찰되었습니다. Al 2차 주조 합금의 인장 강도에 대한 Cr의 영향에 대한 연구가 수행되었으며, 여기서 최대 인장 강도 146 MPa는 모재 합금에 0.1% Cr을 첨가했을 때 관찰되었습니다[11].

연구의 필요성:

크롬(Cr) 첨가가 알루미늄(Al) 합금, 특히 Al-Cu 합금에 미치는 영향은 광범위하게 연구되지 않았습니다. 기존 연구에 따르면 Cr 및 지르코늄(Zr) 첨가는 다양한 시효 순서에서 Al 매트릭스 합금의 경도에 영향을 미칠 수 있습니다. 예를 들어, 용체화 처리된 Al-0.8Cr 합금은 최대 경도 48 HV를 나타냈으며, 450°C에서 시효 처리 시 경도가 감소했습니다. 이 합금에 0.4% Zr을 첨가하면 400°C에서 24시간 시효 처리했을 때 최대 경도가 58 HV로 증가했습니다. 또한, 2차 주조 합금에 대한 연구에 따르면 모재 합금에 0.1% Cr을 첨가하면 최대 인장 강도가 146 MPa로 나타났습니다. 이는 Al-Cu 합금의 기계적 특성 및 내마모율, 특히 다이캐스팅 응용 분야와 관련된 주조 조건에서 Cr 첨가의 특정 효과에 대한 추가 연구의 필요성을 강조합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 주조된 알루미늄-구리(Al-Cu) 합금 A206의 기계적 특성, 특히 경도 및 인장 강도, 그리고 내마모율에 대한 크롬(Cr) 첨가의 영향을 평가하는 것입니다. 이 평가는 다양한 Cr 농도와 열처리 공정이 이러한 중요한 재료 특성에 어떻게 영향을 미치는지 이해하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구 질문:

본 연구에서 다루는 핵심 연구 질문은 다음과 같습니다.

  1. 다양한 농도의 크롬(Cr)(0.1%, 1%, 2%) 첨가가 미주조, 용체화 처리 및 시효 처리 조건에서 주조된 Al-4.5Cu 합금 A206의 미세 조직에 어떤 영향을 미치는가?
  2. Cr 첨가가 다양한 열처리 조건(미주조, 용체화 처리, 170°C에서 17시간 및 20시간 시효 처리)에서 Al-4.5Cu 합금 A206의 경도에 어떤 영향을 미치는가?
  3. Cr 첨가가 동일한 열처리 조건에서 Al-4.5Cu 합금 A206의 인장 특성(극한 인장 강도, 항복 강도 및 연신율)에 어떤 영향을 미치는가?
  4. Cr 첨가가 Al-4.5Cu 합금 A206의 내마모율 및 마찰 계수에 어떤 영향을 미치며, 이는 경도 변화와 어떻게 상관 관계가 있는가?

연구 가설:

명시적으로 가설로 진술되지는 않았지만, 본 연구는 다음과 같은 전제를 암묵적으로 기반으로 합니다.

  1. Al-4.5Cu 합금에 Cr을 첨가하면 미세 조직이 변경되어 잠재적으로 금속간 화합물이 형성되고 결정립 구조에 영향을 미칠 것입니다.
  2. Cr 첨가, 특히 낮은 농도에서 Cr 첨가는 고용체 강화 및 석출 경화 메커니즘과의 상호 작용으로 인해 Al-4.5Cu 합금의 경도 및 인장 강도를 향상시킬 것입니다. 그러나 과도한 Cr은 취성 상을 형성하여 기계적 특성을 저하시킬 수 있습니다.
  3. Cr 첨가로 인한 경도 향상은 Al-4.5Cu 합금의 내마모율 감소로 이어질 것입니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다양한 크롬(Cr) 첨가량(중량 기준 0%, 0.1%, 1% 및 2%)을 갖는 Al-4.5Cu 합금 A206의 제조를 포함하는 실험적 설계를 채택했습니다. 합금을 주조한 다음 다양한 열처리 조건, 즉 미주조, 용체화 처리(540°C에서 4시간) 및 시효 처리(170°C에서 17시간 및 20시간)를 적용했습니다. 그런 다음 본 연구는 다양한 조건에서 이러한 합금의 미세 조직, 화학 조성, 경도, 인장 특성 및 내마모 거동을 체계적으로 평가했습니다.

데이터 수집 방법:

  • 화학 조성 분석: 방출 분광계를 사용하여 모재 합금의 화학 조성을 결정했습니다. 에너지 분산 분광법(EDS)을 사용하여 상을 식별하고 합금의 Cr 함량을 확인했습니다.
  • 미세 조직 검사: 광학 현미경(Lyzer Instruments) 100배 배율을 사용하여 연마 및 에칭(0.5% HF 용액)된 시편의 미세 조직을 관찰하고 캡처했습니다. Dewinter 소프트웨어를 사용하여 이미지를 획득했습니다.
  • 경도 시험: 비커스 경도 시험(Wolpert Wilson, Germany)을 ASTM B557M 표준에 따라 미주조, 용체화 처리 및 시효 처리된 시편에 500gm 하중을 사용하여 실시했습니다.
  • 인장 시험: ASTM B557M 표준에 따라 게이지 직경 6.25mm, 게이지 길이 31.75±0.25mm로 준비된 시편에 대해 Auto-Instruments UTM을 사용하여 인장 시험을 실시했으며, 미주조, 용체화 처리 및 시효 처리 조건에서 시험을 진행했습니다.
  • 내마모성 시험: ASTM G99 표준을 준수하여 Ducom 핀온디스크 마찰 마모 시험기를 사용하여 건식 슬라이딩 내마모성 시험을 실시했습니다. 반구형 단면(직경 6mm, 길이 32mm)을 가진 시편을 EN 31 합금강 디스크(경도 60 HRC, 표면 거칠기 0.15µm)에 대해 시험했습니다. 시험 변수는 슬라이딩 거리 1.5km, 하중 2kg, 트랙 폭 110mm, rpm 494였습니다.

분석 방법:

  • 미세 조직 분석: 미세 조직 사진을 분석하여 결정립 구조, 상 분포 및 금속간 화합물의 존재를 관찰했습니다.
  • 조성 분석: EDS 데이터를 사용하여 원소 조성을 정량화하고 Cr 첨가로 형성된 상을 식별했습니다.
  • 경도 및 인장 데이터 분석: 경도 값과 인장 특성(UTS, YS, 연신율)을 다양한 Cr 농도 및 열처리 조건에서 비교하여 Cr 첨가의 영향을 결정했습니다.
  • 내마모율 계산: 내마모율(k)은 공식 k = ΔV/S를 사용하여 계산했으며, 여기서 ΔV는 마모된 부피이고 S는 슬라이딩 거리(1.5km)입니다. 내마모율 및 마찰 계수를 분석하여 Cr 함량 및 경도와 관련된 내마모 거동을 평가했습니다.

연구 대상 및 범위:

연구 대상은 크롬(Cr) 첨가량이 0%, 0.1%, 1% 및 2%인 Al-4.5Cu 합금 A206 주조 시편이었습니다. 연구 범위는 이러한 Cr 첨가가 특정 열처리 조건(540°C에서 4시간 용체화 처리 및 170°C에서 17시간 및 20시간 시효 처리) 및 내마모성 시험 변수(1.5km 슬라이딩 거리, 2kg 하중, 2.5m/s 슬라이딩 속도)에서 미세 조직, 경도, 인장 특성 및 내마모율에 미치는 영향을 평가하는 것으로 제한되었습니다.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

  • 미세 조직 및 상 분석: EDAX 분석 결과 Al-Cr-Mn-Fe-Si 상 형성으로 인해 불규칙하게 분포된 다면체 구조가 형성되는 것으로 나타났습니다. 미세 조직 검사 결과 미주조 조건에서 수지상 구조가 나타났으며, 이는 균질화 및 시효 처리 후 사라지고 응집성 준안정 θ" 석출물 및 결정립계가 형성되는 것으로 나타났습니다. Cr 첨가는 Al과 함께 Cr, Mn, Fe 및 Si로 형성된 상인 블록 형태의 금속간 화합물 패치를 생성했습니다.
  • 경도: 경도는 시효 조건에서 Cr 첨가가 0.1%까지 증가함에 따라 증가하다가 피크에 도달한 후 Cr 첨가량이 더 많아짐(1% 및 2%)에 따라 감소했습니다. 가장 높은 경도는 17시간 시효 처리된 Al-4.5Cu-0.1Cr 합금에서 관찰되었습니다. 용체화 처리 및 시효 처리는 미주조 조건에 비해 경도를 증가시켰습니다.
  • 인장 특성: 극한 인장 강도(UTS) 및 항복 강도(YS)는 경도와 유사한 경향을 보였으며, 시효 조건에서 0.1% Cr 첨가 시 증가하다가 Cr 함량이 높아짐에 따라 감소했습니다. 연신율은 Cr 첨가량이 증가함에 따라 지속적으로 감소했습니다.
  • 내마모율: 내마모율은 경도가 증가함에 따라 감소했습니다. 20시간 시효 처리된 Al-4.5Cu-0.1Cr 합금이 가장 낮은 내마모율을 나타냈습니다. 마찰 계수는 시간에 관계없이 모재 합금의 경우 약 0.4, Al-4.5Cu-0.1Cr의 경우 0.42로 비교적 일정하게 유지되었습니다.

제시된 데이터 분석:

  • 미세 조직 진화: 열처리에 따른 수지상 구조에서 결정립계 구조로의 전환은 Al-Cu 합금에서 균질화 및 시효 처리의 효과를 확인합니다. Al-Cr-Mn-Fe-Si 상의 존재는 Cr이 다른 합금 원소와 상호 작용하여 복잡한 금속간 화합물을 형성하고 기계적 특성에 영향을 미칠 수 있음을 시사합니다.
  • 경도 및 강도 상관 관계: 0.1% Cr 첨가 시 경도 및 인장 강도의 피크는 고용체 강화 및 석출 경화에 최적 수준이 있음을 시사합니다. Cr 농도가 높을수록 과도한 취성 금속간 화합물이 형성되어 이러한 특성이 저하될 가능성이 높습니다.
  • 내마모성 개선: 경도와 내마모율 간의 역관계는 Archard의 마모 법칙과 일치하며, 이는 경도 증가가 내마모성을 향상시킨다는 것을 나타냅니다. 비교적 일정한 마찰 계수는 Cr 첨가가 주로 마찰 거동보다는 재료의 내마모성에 영향을 미친다는 것을 시사합니다.

그림 목록:

Figure 1. As cast base alloy.
Figure 1. As cast base alloy.
Figure 2. Base alloy- 17hrs of aging.
Figure 2. Base alloy- 17hrs of aging.
Figure 3. Base alloy aged at 20 hrs.
Figure 3. Base alloy aged at 20 hrs.
Figure 4. Al-4.5Cu-0.1Cr as cast
Figure 4. Al-4.5Cu-0.1Cr as cast
Figure 5. Al-4.5Cu-0.1Cr aged for 17 hrs.
Figure 5. Al-4.5Cu-0.1Cr aged for 17 hrs.
Figure 6. Al-4.5Cu-0.1Cr aged 20 hrs.
Figure 6. Al-4.5Cu-0.1Cr aged 20 hrs.
Figure 7. EDS result for Al-4.5Cu-0.1Cr.
Figure 7. EDS result for Al-4.5Cu-0.1Cr.
Figure 8. Composition of Al-4.5Cu-0.1Cr.
Figure 8. Composition of Al-4.5Cu-0.1Cr.
  • Figure 9. EDS result for Al-4.5Cu-1Cr.
  • Figure 10. Composition of Al-4.5Cu-1Cr.
  • Figure 11. EDS result for Al-4.5Cu-2Cr.
  • Figure 12. Composition of Al-4.5Cu-2Cr.
  • Figure 13. Hardness variation with heat treatment and Cr addition.
  • Figure 14. Hardness comparison of previous studies with current study.
Figure 15. The effect of Cr addition on various conditions.
Figure 15. The effect of Cr addition on various conditions.
  • Figure 18. Coefficient of friction vs time for Al-4.5Cu-0.1Cr.
  • Figure 16. Wear plot for Al-4.5Cu-0.1Cr.
  • Figure 17. Wear rate comparison of K. Raju with current study.

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 연구는 Al-4.5Cu 합금 A206에 0.1% 크롬(Cr)을 첨가하면 시효 조건에서 기계적 특성, 특히 경도 및 인장 강도가 향상된다는 결론을 내렸습니다. Cr 첨가는 0.1%에서 피크 시효 시간을 증가시키지만, 추가적인 첨가는 이를 감소시킵니다. Al-4.5Cu-0.1Cr은 시효 처리 후 우수한 경도 및 인장 강도를 나타내며, 이는 고용체 강화 및 석출 경화에 기인합니다. 더 높은 Cr 함량(1% 및 2%)은 Al-Cr-Mn-Fe-Si 금속간 화합물의 형성을 유도하며, 이는 응력 집중체 역할을 하여 기계적 특성을 저하시키고 잠재적으로 낮은 응력 수준에서 파괴를 유발합니다. 내마모율은 경도가 증가함에 따라 감소하며, Al-4.5Cu-0.1Cr이 가장 낮은 내마모율을 보입니다. 마찰 계수는 Cr 첨가에 따라 일관성을 유지합니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 Al-Cu 합금에서 합금 원소로서 크롬(Cr)의 효과에 대한 기본적인 이해에 기여합니다. Cr 첨가 및 열처리에 의해 유도되는 상변태, 미세 조직 진화 및 특성 변화에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 본 연구는 Al-Cu 합금에서 고용체 강화에 대한 Cr의 역할과 석출 경화 메커니즘과의 상호 작용을 명확히 하며, 이는 재료 과학 및 합금 설계에 매우 중요합니다.

실용적 의미:

본 연구 결과는 다이캐스팅 산업, 특히 향상된 기계적 성능 및 내마모성을 위해 Al-Cu 합금의 조성을 최적화하는 데 실용적인 의미를 갖습니다. 본 연구는 소량의 Cr 첨가(0.1%)가 자동차 및 항공우주 부품과 같이 높은 강도와 내마모성이 요구되는 응용 분야에서 Al-4.5Cu 합금의 성능을 향상시킬 수 있음을 시사합니다. 그러나 더 높은 농도에서 유해한 금속간 화합물의 형성을 피하려면 Cr 함량을 신중하게 제어하는 것이 필수적입니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구는 특정 열처리 조건(540°C에서 용체화 처리 및 170°C에서 시효 처리)과 고정된 내마모성 시험 변수로 제한됩니다. Cr 첨가의 효과를 완전히 특성화하기 위해 더 넓은 범위의 열처리 사이클과 내마모성 시험 조건을 탐구하는 추가 연구가 필요합니다. 부식 저항성 및 피로 거동과 같은 다른 특성에 대한 Cr의 영향을 조사하는 것도 가치가 있을 것입니다. 또한, Al-Cr-Mn-Fe-Si 금속간 화합물의 형태, 분포 및 파괴 메커니즘에 미치는 영향에 대한 자세한 특성 분석은 더 높은 Cr 농도에서 합금의 거동에 대한 더 깊은 이해를 제공할 수 있습니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Aneesh Ravikumar, R. Sellamuthu, R. Saravanan"의 논문: "Effect of Cr Addition on Mechanical Properties and Wear Rate of Cast Al-Cu Alloy"를 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.17485/ijst/2016/v9i34/100952

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