[Research Paper] 대한금속･재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 6 (2017), pp.396~404DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.6.396

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초음파 용탕 처리 및 냉각속도가 Al-18Si-4Cu-3Ni 피스톤용 합금의 미세조직과 고온인장특성에 미치는 영향

윤재희1,2･조영희1･정재길1･이정무1,*･박익민2,*

1재료연구소 실용화연구단 소재실용화연구실2부산대학교 재료공학과

Influence of Ultrasonic Melt Treatment and Cooling Rates on the Microstructural Development and Elevated Temperature Mechanical Properties

of a Hypereutectic Al-18Si-4Cu-3Ni Piston Alloy

Jea-Hee Yoon1,2, Young-Hee Cho1, Jae-Gil Jung1, Jung-Moo Lee1,*, and Ik Min Park2,*

1Implementation Research Division, Korea Institute of Materials Science (KIMS), Changwon 51508, Republic of Korea2Department of Materials Science and Engineering, Pusan National University, Busan 46269, Republic of Korea

Abstract: The influence of ultrasonic melt treatment (UST) combined with a change in cooling rates on the microstructure and elevated temperature mechanical properties of a hypereutectic Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloy was investigated. Microstructural observation confirmed that UST effectively refined the sizes of primary Si and intermetallic compounds (e.g. ε-Al3Ni) while promoting their homogeneous distribution. Besides the refinement of the constituent phases, the size of the dendrite arm spacing (DAS), which was hardly affected by UST, significantly deceased with increasing cooling rates. The refinement of the solidification structure in the alloy achieved through both UST and increased cooling rates resulted in an improvement in tensile properties, ultimate tensile strength and elongation in particular, after T5 heat treatment followed by overaging at 350 ℃. However, the elevated temperature yield strength of the alloy was not associated with the refinement, but was rather correlated with the 3-D interconnectivity, morphology and volume fraction of the primary Si.

†(Received October 21, 2016; Accepted December 7, 2016)

Keywords: hypereutectic Al-18Si casting alloy, ultrasonic melt treatment, microstructure, interconnectivity, elevated temperature tensile properties

1. 서 론

Al-Si 합금은 비강도가 높고, 주조성과 내마모성이 우수하

며 열팽창계수가 낮아 자동차 엔진 피스톤과 같은 고온용 소

재에 널리 사용되고 있다 [1]. 최근 자동차 연비의 향상을 고

려한 고출력 엔진 개발을 위하여 300-400 ℃ 및 200 bar의 높

은 연소온도 및 폭발압에 견딜 수 있는 고강도 경량 Al-Si 피

스톤 합금의 개발이 요구되고 있다. 특히, 고온강도의 확보를

위하여 피스톤 합금으로 주로 사용되는 아공정 및 공정 Al-Si

합금을 과공정 Al-Si 합금으로 대체 [2] 및 Cu, Ni 등의 천이

금속원소 첨가를 통한 고온 안정상을 생성시킬 수 있는 다원

*Corresponding Author: Jung-Moo Lee, Ik Min Park[Tel: +82-55-280-3335, E-mail: jmoolee@kims.re.kr][Tel: +82-51-510-2383, E-mail: impark@pusan.ac.kr]Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

계 Al-Si 합금 설계에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다

[3-5]. Si, Cu 및 Ni 등의 합금원소는 그 첨가량이 증가할수록

초정 Si (Primary Si, SiP)과 금속간화합물 (Intermetallic

compound, IMC, e.g. Al7Cu4Ni, Al9FeNi) 분율 증가에 의한

고온강도를 향상시키는 반면 [3,6,7], 조대하고 취약한 생성

상은 Al-Si 피스톤 합금의 취성을 쉽게 유발하기 때문에 미세

화를 통한 미세조직적 제어가 이루어져야 한다.

Al-Si 합금의 응고조직은 다음의 세 가지 방법에 의하여

결정립 혹은 초정/공정 Si의 미세화가 활발히 시도되고 있다:

(1) 화학적 개량화 [8,9]; (2) 냉각속도 증가 [10]; (3) 물리·기

계적인 용탕처리 [11-13]. 이 가운데 대표적인 물리·기계적

용탕처리 방법인 초음파 용탕 처리(ultrasonic melt treatment)

는 미세화뿐만 아니라 탈가스 및 용질의 균질화에 있어 가장

397 윤재희･조영희･정재길･이정무･박익민

Table 1. Chemical compositions and density of as-cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys at different cooling rates.

UST Cooling rate(℃/s)

Chemical composition (wt%) Density(g/cm3)Si Cu Ni Mg Fe Mn P Al

w/o UST4

17.42 3.63 2.64 0.76 0.49 0.19 0.0037 Bal. 2.766w/UST 17.29 3.73 2.57 0.77 0.48 0.19 0.0030 Bal. 2.763

w/o UST8

17.27 3.78 2.65 0.77 0.49 0.19 0.0033 Bal. 2.770w/UST 17.40 3.73 2.56 0.80 0.48 0.19 0.0040 Bal. 2.763

효과적인 방법 중의 하나로 제안되고 있다 [14-17]. 초음파

용탕 처리의 원리는 용탕에 주입한 혼 (horn)을 통하여 17

kHz 이상의 고주파수를 갖는 음파를 발생시키고, 그 음파의

진동에 의하여 생성되는 cavitation 및 acoustic stream이라는

특징을 갖는다 [11]. 알루미늄 용탕 내에서 초음파 처리에 의

한 cavitation의 생성-진동-붕괴 과정은 탈가스, 비금속 개재

물의 활성화 및 분산 그리고 초정 생성상의 파쇄를 일으키는

기구로 알려지고 있다 [11,18-24]. 또 다른 초음파의 중요한

현상 중의 하나인 acoustic stream은 액상 내 성분을 균질화시

키는 동시에 응고조직의 편석을 예방하는 중요한 기구라고

제안되어지고 있다 [11,19,25].

Al-Si 합금의 강도는 상온의 경우 주로 Mg, Cu등의 첨가

에 의한 석출경화를 통하여 향상시킬 수 있는데 [1,26,27], 이

러한 석출상은 200 ℃ 이상의 온도에 장기간 노출이 되는 동

안 조대화 되면서 강도가 급격하게 감소하게 된다 [3]. 최근,

Requena 연구그룹에서는 [7,28,29] 공정 및 아공정 Al-Si 합

금의 미세조직을 크게 연한 α-Al 기지에 3차원의 연결체를

형성한 공정 Si으로 이루어진 금속기지복합체로 가정하였고,

기지에서 견고한 공정 Si상으로의 하중전달 (load transfer)이

고온 강도에 크게 기여한다고 보고하였다. 특히, Cu, Ni 및

Fe 등이 첨가된 Al-Si 피스톤 합금의 고온강도는 공정 Si상간

의 상호연결성 (interconnectivity) 뿐만 아니라, Cu/Ni계 금속

간화합물 및 공정 Si상간의 인접성 (contiguity)에 따른 3차원

적인 상호 연결성 및 견고한 네트워크 (network)의 형상에 지

배적으로 영향을 받는다고 제안하였다 [7,28]. 이러한 다상

(multiphase) 3차원 구조체가 고온에서 효과적인 강화상으로

작용하기 위해서는 구조체를 이루는 각 상의 형상, 분율, 분

포 및 상호 인접성 등의 미세조직적 인자 제어가 무엇보다도

필요하다.

본 연구에서는 과공정 Al-18Si-4Cu-3Ni 피스톤 합금의 응

고조직을 제어할 수 있는 공정을 도입하여 미세조직적인 변

화 및 고온강도 미치는 영향을 평가하고자 하였고, 나아가 미

세조직-고온강도의 상호 관계에 대해 고찰하고자 하였다. 특

히, 초음파 용탕 처리 및 냉각속도 제어 공정을 복합적으로

적용하여 생성상의 미세화 및 균일한 분산을 실현시키고자

하였고, 이러한 응고조직적인 변화가 열처리 후 나아가 350

℃ 고온에 노출되었을 때 강도에 미치는 영향에 대하여 연구

하고자 하였다. 더불어 미세조직에 대한 상세한 분석을 바탕

으로 상의 상호연결성을 정의하고자 하였고, 고온인장 특성

에 미치는 가장 중요한 미세조직적인 인자를 규명하고자 하

였다.

2. 실험방법

목표 조성 Al-18Si-4Cu-3Ni (wt%)을 갖는 합금 잉곳

(ingot)을 제조한 후, 전기 저항식 용해로를 이용하여 800 ℃의 온도에서 약 10 kg 크기의 잉곳을 재용해 하였고, Ar가스

를 이용하여 15분간 탈가스 처리 후 750 ℃의 출탕온도에서

약 1.5 kg의 용탕을 부어 주조하였다. 주조 시 냉각속도의 변

화를 위하여, 150 ℃로 예열된 구리금형 및 300 ℃로 예열된

주철 금형에 용탕을 주입하였는데, 두 금형은 모두 250 mm

(W) × 205 mm (H) × 70 mm (T) 크기를 가지면서 냉각속도

는 각각 8 ℃/s, 4 ℃/s로 측정되었다. 약 1.5 kg의 용탕에 대하

여 초음파 용탕 처리가 이루어졌는데, 이때 용탕온도는 혼 장

입 시 약 50 ℃의 온도하강을 고려하여 800 ℃로 설정하였고,

19.5 kHz의 주파수와 400 W의 출력으로 60 초 동안 실시한

뒤 동일한 조건의 금형에 용탕을 부어 주조하였다. 합금의 화

학조성은 유도결합플라즈마 (Inductively Coupled Plasma,

ICP) 및 발광분광분석기 (Optical Emission Spectroscopy,

OES, FMX, OXFORD instrument)를 이용하여 분석하였고

그 결과를 표 1에 나타내었다. 밀도는 잉곳의 중앙 하단부에

서 두 개의 시편을 채취하여 밀도계 (METTLER, AG285,

TOLEDO)를 이용하여 각 2회 측정 후 평균을 기재하였다.

합금의 미세조직은 광학현미경 (optical microscopy,

MA200, Nikon) 및 에너지 분산 분광법 (energy dispersive

X-ray spectrometer)을 장착한 주사전자현미경 (scanning

electron microscopy, SEM, JSM-6610LV, JEOL)을 이용하여

관찰하였다. 더불어 생성상의 크기 및 분율 등에 대한 정량적

대한금속･재료학회지 제55권 제6호 (2017년 6월) 398

Fig. 1. OM images of as-cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys (a,c) without UST and (b,d) with UST at cooling rates of (a.b) 4 °C/sand (c,d) 8 °C/s.

Fig. 2. Temperature-solid fraction curves during Scheil solidification of Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloy calculated [30] using Thermo- Calc with TCAL3 database.

Fig. 3. SEM image and EDS element mappings of as-cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloy without UST at cooling rate of 8 ℃/s.

인 측정은 영상분석기 (image analyzer, I-solution DT)를 이

용하여 실시하였는데, 이때, 생성상 분율의 측정을 위하여 초

정Si은 100배의 배율에서, 공정Si 및 금속간화합물은 200배

의 배율에서 면적 분율(area fraction)을 측정하였으며, 각 7장

의 이미지 필드(image field)에 대하여 정량 분석을 실시하였

다.

고온인장시험은 ASTM-E8에 따라 봉상의 sub-sized 인장

시편을 제작하여, T5 (230 ℃에서 5시간 인공시효)처리 후

350 ℃에서 100시간 유지한 후 350 ℃에서 인장 시험기

(universal testing machine, UTM, Instron 5581, Instron)를 이

용하여 실시하였다. ASTM E21에 따라 항복강도는 0.2 % 오

프셋 (offset), 크로스헤드 (cross-head) 스피드는 항복점까지

는 0.125 mm/min, 그 이후로는 1.5 mm/min의 속도로 각 3회

실시하였다.

3. 결 과

3.1 미세조직

그림 1은 주조 직후 Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 미세조직을

보여주는 광학사진이다. 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이

다각형의 초정 Si, 침상 혹은 판상을 띠는 공정 Si 및 다양한

금속간화합물을 관찰할 수 있었다. 특히, 초음파 용탕 처리를

하지 않은 경우에는 (그림 1(a),(c)) 초정 Si이 국부적으로 편

석 되었음을 관찰할 수 있었고, 초음파 용탕 처리 한 경우 (그

림 1(b),(d)) 초정 Si이 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있

었다.

기공과 같은 주조결함의 유무를 알아보기 위해 잉곳의 밀

도를 측정하였으며 표 1의 네 가지 조건에서 모두 유사한 값

399 윤재희･조영희･정재길･이정무･박익민

Table 2. Microstructural characteristics of as-cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys at different cooling rates.

USTCooling

rate,℃/s

Primary SiTotal area fraction, %

DAS,μmSize,

μm

Areafraction,

%

Numberdensity,No./mm2

Size, μmArea

fraction,%

w/o UST4

46.3±2.8 13.1±1.5 132.4 18.1±1.8 16.6±2.5 29.7 29.8±6.3w/UST 37.4±1.2 15.7±1.4 224.9 15.2±1.7 13.1±2.3 28.8 30.8±7.0

w/o UST 8 32.3±0.8 10.9±1.7 248.3 9.3±0.8 14.3±3.0 25.2 19.2±3.5w/UST 24.1±1.6 14.2±1.3 506.1 7.5±0.4 14.7±1.5 28.9 17.4±2.7

Fig. 4. Effects of UST and cooling rate on the size distribution of (a) primary Si and (b) eutectic Si and IMC in as cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys.

을 갖는 것으로 측정되었다. 또한 광학현미경으로 미세조직

을 관찰했을 때에도 기공이 거의 존재하지 않음을 알 수 있었

다 (그림 1).

Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 응고거동을 예측하기 위해 열역

학 계산 프로그램인, Thermo-Calc 및 TCAL3 데이터베이스

를 이용하여 Scheil 응고를 계산한 결과 [30]를 그림 2에 나타

내었다. 그래프에서 초정 Si이 669 ℃에서 가장 먼저 생성되

고, 이후 ε-Al3Ni은 578 ℃, β-Al9Fe2Si2은 570 ℃, α-Al상은

561 ℃ 에서 생성되는 것을 알 수 있었다. 560-510 ℃ 온도구

간에서는 공정 Si과 다양한 금속간화합물 (ε-Al3Ni, β

-Al9Fe2Si2, α-Al15(Fe, Mn)3Si2, δ-Al3CuNi, π-Al8FeMg3Si6, γ

-Al7Cu4Ni, M-Mg2Si, Q-Al5Cu2Mg8Si6, θ-Al2Cu)이 생성되는

것으로 예측되었다. 이러한 예측된 생성상들은 그림 3의 관

찰결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

표 2는 주조 직후 Al-18Si-4Cu-3Ni 합금에 분포하는 초정

Si, 공정 Si 및 금속간화합물에 대하여 크기, 분율 그리고

DAS 크기를 측정한 값을 나타내고 있다. 정량분석 시, 공정

Si과 다양한 조성 및 형상을 갖는 금속간화합물은 모두 2차

상 (secondary phases)으로 분류하였고, 이 2차상 (표 2,

eutectic Si (공정Si, Sie) +IMC, 이하 ‘eutectic Si+IMC’라고

표기)에 대하여 상의 구분 없이 분석을 실시하였다. 표 2에서

확인할 수 있는 바와 같이, 냉각속도에 관계없이, 초음파 용

탕 처리에 의하여 초정 Si, eutectic Si+IMC의 크기는 감소한

반면, DAS의 크기 변화는 크게 나타나지 않았다. 또한, 초음

파 용탕 처리 시 초정 Si의 분율은 증가하였지만, eutectic

Si+IMC의 분율은 감소하거나 큰 차이가 없었다. 특히, 냉각

속도가 증가할수록 생성상의 미세화 효과가 더욱 뚜렷하게

관찰되었으며 초정 Si, eutectic Si+IMC 및 DAS 크기가 크게

감소하는 것을 알 수 있었다. 한편, 냉각속도 증가에 따라 초

정 Si의 분율은 감소하였고, eutectic Si+IMC의 분율은 다소

감소하거나 큰 차이가 없었다.

초음파 용탕 처리와 냉각속도가 초정 Si과 eutectic

Si+IMC의 크기분포에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 초정

Si은 5 μm, eutectic Si+IMC는 2 μm 단위로 크기 분포도를 측

정하여 그림 4(a)와 (b)에 각각 나타내었다. 초정 Si의 크기 분

포도 (그림 4(a))는 초음파 용탕 처리에 의하여 초정 Si의 크

기가 전체적으로 감소한 것을 보여주고 있으며 특히, 냉각속

도가 증가할수록 초음파 용탕 처리에 따른 크기 감소 폭은 더

크게 나타났다. 냉각속도가 느릴 경우 60 μm이상의 조대한

상이 관찰된 반면 (그림 4(a)에서 화살표로 표시), 이러한 조

대한 초정 Si 상의 생성은 초음파 용탕 처리에 의해 현저히

감소하였음을 확인할 수 있었다. 그림 4(b)에서 확인할 수 있

대한금속･재료학회지 제55권 제6호 (2017년 6월) 400

Fig. 5. The effects of UST and cooling rate on the elevated temperature tensile properties of over-aged Al-18Si-4Cu-3Nipiston alloys.

Fig. 6. OM and SEM images with EDS element mappings of tensile fractured surfaces of over-aged Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloy without UST at cooling rate of 8 ℃/s.

는 바와 같이, eutectic Si+IMC의 크기 또한 초음파 용탕 처리

에 의해 감소하였는데, 초정 Si의 크기변화에 비해 그 감소폭

이 미미하였다. 한편, 냉각속도가 증가할수록 초음파 처리 유

무와 상관없이, eutectic Si+IMC상이 더욱 미세화 되는 것을

알 수 있었다.

3.2 고온 인장 특성

그림 5는 초음파 용탕 처리 유무 및 냉각속도에 따른

Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 350 ℃ 고온인장특성을 보여준다.

냉각속도에 상관없이 초음파 용탕 처리에 의하여 합금의 고

온인장강도 (그림 5(a))와 연신율 (그림 5(c))이 상승하였고,

그림 1에서 확인한 바와 같이 초정 Si상 및 생성상의 균일한

분포 및 분산에 기인하여 특성의 표준편차가 감소 [31]하는

것을 알 수 있었다. 한편, 고온항복강도 (그림 5(b))의 경우에

는 냉각속도가 4 ℃/s 일 때 초음파 용탕 처리에 의하여 오히

려 감소하였고 냉각속도를 8 ℃/s으로 증가 시킬 때 초음파 용

탕 처리 유무에 관계없이 비슷한 값을 가지는 것을 알 수 있었

다. 주목할 점은, 초음파 용탕 처리 없이 냉각속도가 느린 합

금, 즉 공정에 의한 미세화 효과가 거의 일어나지 않은 합금에

서 가장 높은 고온항복강도를 갖는 것으로 평가되었다.

고온인장시험 시 응력집중 및 균열이 주로 발생하는 상을

확인하기 위하여 고온인장시편 파단면을 SEM 및 EDS를 이

용하여 관찰하였다. 그림 6과 같이 고온인장시험편의 파단은

주로 초정 Si과 Al기지 사이 또는 초정 Si의 가장자리 위주로

발생한 것을 관찰할 수 있었다.

4. 고 찰

4.1 초음파 용탕 처리에 의한 미세화 효과

초음파 용탕 처리에 있어서 가장 중요한 “cavitation”현상

은 응고조직의 미세화를 포함하여, 탈가스 및 젖음성

(wetting)의 효과를 갖는 것으로 알려지고 있다

[11,18,24,32]. 응고조직의 미세화는 핵생성 및 성장이라는

두 가지의 결정적인 인자에 영향을 받는데, 초음파 처리는 이

두 가지 응고현상에 모두 영향을 미치는 것으로 제안되며, 주

로 cavitation-enhanced heterogeneous nucleation 및

cavitation-induced dendrite fragmentation 기구로 설명되어지

고 있다 [22,24]. cavitation-induced dendrite fragmentation 기

구는 고/액 공존 구간에서 초음파 용탕 처리 하는 것을 전제

로 하며, cavitation 붕괴에 의해 발생되는 충격파 (shock

wave)가 액상 중에 성장하는 수지상을 파쇄하고 동시에 파쇄

된 수지상 파편이 acoustic stream에 의해 용탕 중에 고르게

401 윤재희･조영희･정재길･이정무･박익민

Fig. 7. The influence of (a) primary Si size and (b) DAS on tensile strength at 350 °C of over-aged Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys.

Fig. 8. A schematic representation showing the location of constituent phases in an as-cast Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloy.

분산됨으로써 또 다른 핵생성 자리로 작용을 한다고 설명하

였다 [20,22]. 하지만 본 연구에서는 초음파 용탕 처리를 액상

구간 (750-800 ℃)에서 실시하였고, 또한 초음파 용탕 처리

시 DAS의 크기 감소가 발생하지 않아 본 기구가 유효하지

않는 것으로 판단된다.

또 하나의 중요한 초음파 처리에 미세화 기구는

cavitation-enhanced heterogeneous nucleation로서 다음의 세

가지 이론에 의하여 설명되어지고 있다: (1) 비젖음 개재물의

활성화 (activation of non-wettable particles); (2) 버블 표면의

냉각 (undercooling effect at bubble surface); (3) 압력 펄스에

의한 용융점 변화 (pressure pulse-melting point

mechanism)[24,33,34]. 비젖음 개재물의 활성화 (activation

of non-wettable particles) 이론 [34]에 따르면 용탕 내 존재하

는 비금속 개재물 (산화물, 탄화물, 붕소화물 등) 이 용탕과의

젖음성이 좋지 않은데, 버블의 붕괴에 의해 발생되는 압력 펄

스에 의해 젖음성이 개선되고 응고 시 불균일 핵생성 사이트

로 작용할 수 있어 응고조직의 미세화가 일어난다는 원리이

다. 두 번째, 버블 표면의 냉각 (undercooling effect at bubble

surface)이론 [24]에 따르면 초음파 용탕 처리 시 용탕에 존재

하는 bubble이 팽창할 때 bubble표면의 온도가 감소되고 그

결과 핵생성이 촉진되어 상의 미세화가 일어난다고 설명하

였다. 마지막으로 압력 펄스에 의한 용융점 변화 매커니즘

(pressure pulse-melting point mechanism)[33]에 따르면 버블

붕괴 시 발생되는 압력 펄스는 Clapeyron 식에 따라 용융점

을 상승하게 되는데, 이는 과냉 (undercooling)을 증가시키는

효과와 동일한 조건으로서 핵생성이 향상시키게 된다.

Sha 등은 [33] 초음파 용탕 처리 시 발생되는 압력 펄스는

Al-Si의 상태도를 변화시킬 수 있는데 즉, 압력이 증가할수록

α-Al 단상영역 및 (액상+α-Al)의 영역을 확장시키는 동시에

공정온도의 상승 및 공정점이 high Si 조성으로 이동한다고

제안하였다. 이러한 압력 변화에 따른 상태도의 변화는 초음

파 용탕 처리에 의하여 초정 Si의 분율이 감소하는 현상을 설

명할 수 있다. 한편, 본 연구에서는 초음파 용탕 처리 시 초정

Si상의 크기는 미세화 되는 반면 분율의 경우에는 상승되었

으며 (그림 1 및 표 2), 이는 최근 보고된 Jung 등의 연구결과

[30]와 일치하였다. 이는 초음파 용탕 처리에 의한 미세화 현

상을 압력 펄스에 의한 용융점 변화 매커니즘 (pressure

pulse-melting point mechanism)으로 해석할 수 없음을 암시

하고 있다. 그럼에도 불구하고 초음파 용탕 처리에 의하여 관

찰되는 초정 Si의 미세화 및 균일한 분포는 cavitation에 의해

유도된 불균일 핵생성과 관련 기구 및 acoustic stream 현상에

기인한 것으로 판단이 되며, 정확한 기구 규명을 위하여 추가

연구가 필요한 바이다.

대한금속･재료학회지 제55권 제6호 (2017년 6월) 402

Fig. 9. A schematic diagram showing the interconnectivity of phases.

Fig. 10. Influence of the interconnectivity of various constituent phases of Al-18Si-4Cu-3Ni piston alloys with and without UST on yield strength at 350 ℃ : (a) eutectic Si and IMC; (b) primary Si and (c) primary Si and total volume fraction.

4.2 미세조직-고온강도의 상호 관계

과공정 Al-Si 합금의 강도는 일반적으로 초정 Si 및 결정립

(혹은 DAS 크기)의 크기에 주로 영향 받으며, 조직이 미세할

수록 증가한다 [35-37]. 특히, Saigal과 Fuller의 보고 [35]에

따르면 초정 Si이 조대할수록 전위밀도의 감소로 강도가 낮

아지고, Joseph과 Kumar의 보고 [36]에서는 인장강도보다 항

복강도가 초정 Si의 크기에 더 큰 영향을 받는다고 한다. 비록

이들의 연구는 상온강도에 미치는 초정 Si의 영향이지만, 본

연구에서는 그림 7과 같이 Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 고온인장

강도 또한 초정 Si 및 DAS의 크기에 민감하게 영향을 받으며,

미세화 정도가 증가할수록 고온인장강도가 증가하는 것을 알

수 있다. 한편, 합금의 고온항복강도는 표 2 및 그림 5에서 확

인할 수 있는 바와 같이 초정 Si, eutectic Si+IMC 그리고 DAS

의 크기가 가장 클 때 (냉각속도 4 ℃ 및 초음파 무처리), 즉 미

세조직이 조대할수록 가장 높은 값을 갖는 것을 알 수 있었다.

이는 350 ℃와 같은 고온에서, Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 항복

강도는 응고조직의 미세화 보다 어떤 다른 미세조직적 인자

에 의해 제어된다는 점을 시사한다.

Al-Si 합금은 비교적 soft한 Al 기지에 hard한 Si상이 강화

상으로 존재하는 복합체로 분류 될 수 있으며, 이때 Si상의

하중지탱능력 (load carrying capacity)은 그 상의 분율, 분포,

형상뿐만 아니라 연결성에 크게 의존한다 [7,28,29]. 최근,

Asghar 등은 [28] Cu, Ni을 첨가한 아공정 Al-10Si 합금에 대

하여 synchrotron tomography 기술을 도입하여 3-D 구조해석

및 eutectic Si+IMC의 형상, 분율, 인접성 및 상호연결성을 관

찰하였고, 고온강도를 해석하는 데 있어 이러한 견고한 다상

의 네크워크 구조가 가장 중요한 미세조직적 인자라고 제안

하였다. 또한, 이러한 상의 상호연결성은 열처리 (e.g. 용체화

처리) 및 조성에 영향을 받는데, 용체화처리에 의해 eutectic

Si+IMC이 구상화 또는 분해되면 상호연결성이 감소되며, Ni

등의 조성이 증가하면 금속간화합물의 분율 증가에 의해 상

호연결성이 증가된다고 보고하였다 [28].

본 연구에서 Al-18Si-4Cu-3Ni 합금의 고온인장특성 특히

항복강도에 미치는 미세조직 인자를 규명하기 위하여, 초음

파 용탕 처리 및 냉각속도 증가를 통한 응고조직 (DAS, 초정

Si 및 eutectic Si+IMC)의 미세화 및 이 미세화와 상호연결성

의 상호관계를 해석하고자 하였다. 그림 8과 같이 합금의 미

세조직, 특히 생성상인 초정 Si과 eutectic Si+IMC은 주로

dendrite cell 경계 (boundary)에 존재하는 것을 확인할 수 있

었으며 이를 그림 9과 같이 간단히 도시화 하였다. 그림 9에

403 윤재희･조영희･정재길･이정무･박익민

서 초음파 용탕 처리는 DAS의 크기 변화 없이 초정Si 및

eutectic Si+IMC의 크기 미세화시킴으로써 상호연결성을 떨

어뜨리는 반면, 냉각속도의 증가는 초정Si과 eutectic

Si+IMC의 크기 감소뿐만 아니라 DAS의 크기 또한 감소시키

는데, 이때 냉각속도의 차이에 의한 상호연결성의 관계가 복

합적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 특히, 그림 6에서 확인할

수 있는 바와 같이, 고온인장 시 Al-18Si-4Cu-3Ni 합금에서

파단은 주로 Al기지와 초정 Si의 탈결합 (deboning)에 의하여

발생하며 [38], 고온인장강도에 있어서 초정 Si의 크기가 중

요한 인자로 작용하는 만큼, 상호연결성에 있어서도 그 중요

도를 고려하고자 하였다.

이러한 미세조직적인 특징을 바탕으로 본 연구에서는 생

성상의 상호연결성을 다음의 식 (1) 및 (2) 와 같이 초정 Si 또

는 eutectic Si+IMC의 크기를 DAS 크기로 나눈 값으로 정의

하였다:

(1)

Pr (2)

그림 10(a)와 같이, eutectic Si+IMC 상의 상호연결성만 고

려한 경우 냉각속도가 느리고 (4 ℃/s) 초음파 용탕 처리 하지

않았을 때 최대 상호연결성 값을 갖지만, 고온항복강도와는

큰 상관관계를 찾을 수 없었다. 그러나 초정 Si의 상호연결성

만을 고려한 경우 (그림 10(b)), 냉각속도가 느리고 (4 ℃/s)

초음파 용탕 처리 하지 않았을 때 초정 Si의 상호연결성은 최

대값을 가졌고 상호연결성과 고온항복강도가 일정구간 비례

관계를 나타내는 것을 알 수 있었다. 이는 eutectic Si+IMC 상

들에 비하여 초정 Si이 고온경도가 높고 [39] 크기가 더욱 조

대한 만큼 초정 Si의 상호연결성이 고온항복강도에 더욱 중

요한 미세조직적 인자로 작용함을 암시한다. 한편, 그림

10(b)에서 초정 Si의 상호연결성이 증가할 때 고온항복강도

가 계속 비례하여 상승하는 것이 아니라 1.56까지 상승 후 감

소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 초정 Si의 조대화로 연

결성이 커질수록 초정 Si의 개수는 적어지기 때문에 분율이

감소하고 (표 2) 따라서 고온항복강도가 감소하는 것으로 생

각된다. 즉, 상호연결성은 상의 크기뿐만 아니라 분율의 함수

이며 [28], 따라서 본 연구에서는 이러한 인자를 모두 고려하

여 초정 Si의 상호연결성을 식 (3)과 같이 정의할 수 있다.

Pr

×

(3)

그림 10(c)와 같이, 과공정 Al-Si 합금인 Al-18Si-4Cu-3Ni

합금의 고온항복강도는 초정 Si상의 크기 및 분율을 모두 고

려한 상호연결성과 뚜렷한 비례관계를 갖는 만큼, 견고한 초

정 Si상의 상호연결성에 가장 지배적인 영향을 받는 것으로

제안된다.

5. 결 론

Al-18Si-4Cu-3Ni 피스톤 합금에서 초음파 용탕 처리 및 냉

각속도 변화가 미세조직 및 고온인장 특성에 미치는 영향을

평가하였다.

(1) Al-18Si-4Cu-3Ni 피스톤 합금에 대하여 초음파 용탕

처리 시, 초정 Si 및 eutectic Si+IMC의 미세화 및 균일한 분

산이 관찰되는 반면 DAS 크기의 변화는 거의 없었다. 한편,

냉각속도의 증가는 초정 Si, eutectic Si+IMC 및 DAS의 크기

를 현저히 미세화 시켰다.

(2) 초정 Si 및 DAS의 크기가 감소함에 따라 합금의 고온

인장강도와 고온연신율이 상승하였다. 한편 고온항복강도는

상의 미세화보다 초정 Si상의 크기 및 분율 그리고 DAS 크기

를 고려한 초정 Si의 상호연결성에 더욱 지배적인 영향을 받

는다.

감사의 글

본 연구는 한국기계연구원 부설 재료연구소 주요사업

(PNK4711)과 중소기업청 WC300 R&D(S2317902)의 연구

비 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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