Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu 합금의 미세조직 및 경도 변화에 미치는 용체화 처리 조건의 영향

Effect of Solution Treatment Conditions on the Microstructure and Hardness Changes of Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu Alloys

Abstract

본 연구에서는 Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu 합금의 용체화 처리 조건 최적화를 위해 545℃ 온도 조건에서 최대 7시간까지 용체화 처리를 수행한 후 광학현미경 및 FE-SEM을 활용한 미세조직 관찰 및 브리넬 경도 측정을 수행하였다. 합금 내 공정 Si 상은 용체화 처리 초반 3시간 동안 급격한 조대화 현상을 나타내었으며, 이후에는 용체화 처리가 진행되어도 Si 상 크기는 크게 변화하지 않았다. 한편 공정 Si 상의 구상화의 경우, 용체화 처리 시간이 7시간에 도달할 때 까지 지속적으로 진행되었다. Cu가 첨가된 합금의 주방상태에서는 Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆ 상과 θ-Al₂Cu 상이 확인되었으나, 545℃에서 3시간 동안 진행된 용체화 처리 이후에는 모두 분해되었다. 주방상태에서 확인된 π-Al₈FeMg₃Si 상은 5시간의 용체화 처리 이후에 사라지거나(0.3wt%Mg) 혹은 7시간의 용체화 처리 이후에도 존재(0.5wt%Mg)하였다. 초정 α상 내 Mg 및 Cu 함량은 용체화 처리 시간이 5시간에 도달할 때 까지 증가하였으며, 이는 Mg 및 Cu를 함유한 금속간 화합물의 용체화 시간에 따른 분해 거동과 일치하였다. Al-7Si-Mg-Cu 합금의 용체화 처리 과정에서 확인한 미세조직 변화를 종합적으로 고려할 때, 본 연구에서 다룬 합금의 석출강화 효과 극대화를 위해서는 545℃ 조건에서 최소 5시간의 용체화 처리가 필요한 것으로 판단되며, 용체화 처리 조건 별로 측정된 브리넬 경도 데이터로부터 동일한 최적 용체화 처리 조건을 도출할 수 있었다.

In order to optimize the solution treatment conditions of Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu alloys, a series of heat treatment experiments were conducted under various solution treatment times up to 7 hours at 545℃, followed by a microstructural analysis using optical microscopy, FE-SEM, and Brinell hardness measurements. Rapid coarsening of eutectic Si particles was observed in the alloys during the first 3 hours of solution treatment but the size of those Si particles did not change at longer solution treatment conditions. Meanwhile, the degree of spheroidisation of eutectic Si particles increased until the solution treatment time was increased up to 7 hours. Q-Al5Cu2Mg8Si6 andθ-Al2Cu were observed in as-cast Cu-containing Al alloys but the intermetallic compounds were dissolved completely after 3 hours of solution treatment at 545℃. Depending on the initial Mg composition of the Al alloys, π-Al8FeMg3Si either disappeared in the alloy with 0.3wt% of Mg content after 5 hours of solution treatment or remained in the alloy with 0.5wt% of Mg content after 7 hours of solution treatment time. Mg and Cu content in the primary-α phase of the Al alloys increased until the solution treatment time reached 5 hours, which was in accordance with the dissolution behavior of Mg or Cu-containing intermetallic compounds with respect to the solution treatment time. From the results of microstructural changes in the Al-7Si-Mg-Cu alloys during solution treatment, it was concluded that at least 5 hours of solution treatment at 545℃ is required to maximize the age hardening effect of the present Al alloys. The same optimal solution treatment conditions could also be derived from Brinell hardness values of the present Al-7Si-Mg-Cu alloys measured at different solution treatment conditions.

1. 서론

A356 혹은 AC4CH로 널리 알려진 Al-7wt%Si-0.3wt%Mg 주조 합금은 우수한 주조성, 내식성, 기계적 성질을 가지고 있어서 자동차 부품 소재로서 널리 활용되고 있다 [1]. Al-7Si-0.3Mg 합금은 열처리를 통해서 첨가원소인 Mg과 Si으로 이루어진 미세한 강화상을 석출시켜 강도를 향상시키는 석출강화형 합금이며, 이러한 석출강화 효과를 극대화하기 위해서 540~550ºC 범위에서 열처리하는 용체화 처리, 그 후 곧바로 수냉한 시편을 다시 155~165ºC 범위의 온도에서 등온시효 처리 과정을 거치게 된다 [2]. 지금까지의 연구에 의하면 Al-7Si-0.3Mg 합금의 공정점 수준의 높은 온도에서 진행되는 용체화 처리 과정에서는 1) 합금 내 침상 형태의 공정 Si상이 분절되고 구상화되며 2) Mg 등 석출강화 원소를 포함하는 금속간 화합물이 분해되고 3) 응고 과정에서 발생한 용질원소의 편석이 균질화되는 현상이 발생하게 된다 [3]. 이때 용체화 처리 중 금속간 화합물의 분해 및 석출강화 원소의 고용에 의한 균질화가 충분히 진행되어야 급냉 후 시효처리 시에 높은 석출강화 효과를 기대할 수 있으므로 Al-7Si-0.3Mg 합금의 열처리 후 최적 물성 확보를 위해서는 as-cast 조직에 맞는 용체화 처리 온도 및 시간의 최적화가 필수적으로 요구된다. 한편 Al-7Si-0.3Mg 합금에 Mg, Cu 등 석출강화 원소를 추가적으로 첨가하여 기계적 특성을 향상시키려는 다양한 연구 [4-8]가 진행되어 왔으나, 소량의 Mg 및 Cu가 첨가된 Al-7Si-Mg-Cu계 합금의 용체화 처리조건 최적화에 관한 연구는 아직까지 부족한 실정이다.

본 연구에서는 Al-7Si-0.3Mg 합금을 기준으로 Mg 및 Cu 함량을 각각 0.5wt%까지 증가시킨 3가지 합금에 대해서 용체화 처리 조건에 따른 미세조직 및 경도변화를 실험적으로 확인하였다. 특히 용체화 처리 과정에서 발생하는 공정 Si 상의 구상화, 다양한 금속간 화합물의 분해와 더불어 기지상 내 용질원소들의 농도변화를 분석하여 미세조직적 측면에서의 최적 용체화 처리 조건에 대해 고찰하였으며, 또한 용체화 처리 조건 별로 측정된 브리넬 경도 결과와 비교하여 최적 용체화 처리 조건에 대해서도 평가하였다.

2. 실험방법

2.1 시편 제조 및 열처리

용체화 처리용 합금 시편 주조를 위해 AC4CH 잉곳을 전기용해로에 용해시켜 약 100 kg정도의 용탕을 먼저 제조하였으며, 이후 순 마그네슘 (pure Mg, 99%) 및 순 동 (pure Cu, 99%)을 첨가하여 합금 내 Mg 및 Cu 함량을 제어하였다. 탈가스 처리는 200rpm으로 회전하는 로터에서 10L/min 유량의 Ar 가스 (99.999%)를 주입하여 5분 동안 GBF처리에 의한 탈가스를 진행하였으며, 탈가스 처리 전 초정 α상 미세화를 위해 Al-5wt%Ti-1wt%B rod와 공정 Si상 개량화를 위한 Al-10wt%Sr rod를 용탕에 일정량 첨가하였다. 탈가스처리 완료 후에는 주탕온도인 약 680~700ºC가 되도록 용탕 온도를 조절한 후 230~260ºC 로 예열된 금형 몰드에 주입하여 블록 형태의 시편을 제작하였다. 블록 시편과 함께 금형 주조된 성분 분석용 시편에 대해 발광분광분석기 (Vario Lab, BELEC)를 통해 합금의 성분을 분석하였으며, 추가 원소재 투입을 통해 그 함량을 제어한 Mg, Cu, Ti, Sr 에 대해서는 유도결합 플라즈마 분광분석기 (Agilent 5100 ICP-OES, Agilent Technologies)를 활용한 정량분석을 수행하여 더욱 정확한 함량을 측정하였다. 상기 실험과정을 통해 확보한 3가지 합금의 성분은 Table 1에 나타내었으며, Mg 및 Cu 함량을 기준으로 3M0C (0.3wt% Mg), 3M5C (0.3wt%Mg-0.5wt% Cu), 5M5C (0.5wt%Mg-0.5wt%Cu) 로 표기하였다. 주조된 블록 시편에서 Bar (10mm×10mm×80mm) 형상으로 가공된 시편을 활용하여 545ºC에서 3~7시간 용체화처리를 진행하였으며, 용체화 처리 후에는 40ºC 물에 냉각시켰다. 주조 및 열처리 실험에 활용된 주조 금형, 블록 시편, Bar 시편의 사진은 Fig. 1과 같다.

Table 1. Chemical composition(wt%) of the Al-7Si-Mg-Cu alloys prepared in the present study

Fig. 1. Pictures of a casting mold and cast samples; (a) a permanent mold, (b) an as-cast block sample and (c) a bar sample machined from the as-cast block sample.

2.2 미세조직 관찰 및 이미지 분석

As-cast 상태 혹은 용체화 처리된 시편 내 미세조직 변화를 확인하기 위해 Bar 시편 일부를 절단하여 마운팅 한 후 사포와 1 μm 입도 다이아몬드 연마액을 이용하여 미세연마를 진행하였다. 연마된 시편은 먼저 광학현미경을 활용하여 500배율 이하의 저배율에서 용체화 처리에 따른 초정 α상 및 공정 Si상의 변화에 초점을 두고 미세조직을 관찰하였다. 또한 초정 α상 내 용질원소 분포 및 금속간화합물 조성 분석을 위해 FE-SEM (JSM-7110F, JEOL) 및 부착된 EDS장비를 활용한 미세조직 관찰 및 성분분석을 수행하였다. 이렇게 확보된 광학현미경 및 전자현미경 조직 사진을 대상으로 이미지 분석 프로그램 (Image J 1.52a, National Institutes of Health, USA)을 활용하여 공정 Si상 크기 및 형상, 금속간 화합물의 크기를 정량적으로 분석하였다. 석출상의 크기는 불규칙적인 형상을 가지는 개별 상의 영역과 동일한 면적을 가지는 원을 가정했을 때 이 원의 지름을 의미하는 등가입자지름 (Equivalent diameter) 값으로 나타내었으며, 석출상의 형상은 측정된 개별 상의 경계 위 두 점을 이어 만들 수 있는 선들 중에서 가장 긴 선의 길이와 가장 짧은 선의 길이 비인 종횡비 (Aspect ratio) 값으로 표현하였다. 정량분석 결과의 신뢰성을 확보하기 위해 5장 이상의 조직 사진에서 측정된 입자 개수가 1,000개 이상 (공정 Si상) 혹은 100개 이상 (금속간화합물)이 되도록 충분하게 채택하여 이미지 분석을 수행하였다.

2.3 브리넬 경도 측정

10 mm지름의 초경 합금의 압입자가 설치된 브리넬 경도시험기 (SB-700, Samil Precision)로 합금 조성 및 용체화 처리 조건에 따른 경도 변화를 측정하였다. As-cast 상태 혹은 용체화 처리된 Bar 시편을 500 kgf의 하중으로 15초간 누른 후, 압흔 지름을 측정하여 브리넬 경도를 산출하였으며, 시편당 3회 이상 측정한 경도 값의 평균값을 취하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 용체화 처리에 따른 합금 내 공정 Si 상의 변화

Fig. 2는 합금 조성 및 545ºC 에서 용체화 처리한 조건에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 시편의 광학현미경 사진이다. 합금 조성 및 열처리 조건에 상관없이 모든 시편에서 밝은 색의 초정 α상, 어두운 색의 공정 Si 상, 그리고 중간 밝기를 가지는 금속간 화합물 상을 확인할 수 있다. 특히 공정 Si 상의 경우 as-cast 상태에서 가장 미세하였으며, 일부는 침상 형태인데 용체화 처리 시간이 증가함에 따라 점차 크기가 증가하고 동시에 구상화되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 용체화 처리에 따른 공정 Si 상 변화는 합금 내 초기 Si 함량이 거의 동일한 3M0C, 3M5C, 5M5C의 모든 시편에서 유사하게 나타났다.

Fig. 2. Optical images of Al-7Si-Mg-Cu samples at different solid solution treatment conditions.

Fig. 3은 Fig. 2의 조직에서의 공정 Si 상의 크기 변화를 정량적으로 분석하여 정규분포 형태로 나타낸 결과이다. As-cast 조건에서 공정 Si 상은 평균적으로 1μm 수준의 작은 크기를 가지고 있었으나, 545ºC 에서 3시간 용체화 처리 후의 공정 Si 상의 크기는 평균 3μm 이상으로 급격히 증가하였으며, as-cast 대비 다양한 크기를 가지고 있음을 확인할 수 있다. 한편, 5시간 이상 용체화 처리한 시편에서는 3시간 용체화 처리한 시편 대비 Si 상의 조대화 현상이 뚜렷하게 확인되지는 않았다. 용체화 처리 시간에 따른 이러한 공정 Si 상의 크기 변화는 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 Mg 혹은 Cu 함량에 관계없이 유사하였다.

Fig. 3. Effect of solution treatment time on eutectic Si size of Al-7Si-Mg-Cu alloys.

Fig. 4는 합금 조성 및 용체화 처리 시간에 따른 공정 Si 상의 종횡비 변화를 나타낸 결과이다. 용체화 처리가 진행됨에 따라 모든 시편에서 측정된 종횡비의 평균값이 점점 1로 가까워지는 것으로 보아 용체화 처리에 따라 합금 내 공정 Si 상이 점점 구상화 됨을 확인할 수 있다. 또한 용체화 처리시간이 길어짐에 따라 공정 Si상의 종횡비의 분포도 평균값 근처로 점점 좁아지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 다양한 형상을 가지고 있던 공정 Si상이 용체화 처리 과정에서 구상화되어 비슷한 형상으로 변화한다는 것을 의미한다.

Fig. 4. Effect of solution treatment time on eutectic Si aspect ratio of Al-7Si-Mg-Cu alloys.

3.2 용체화 처리에 따른 합금 내 금속간 화합물의 변화

Al-7Si-Mg-Cu 합금의 화학 조성 및 용체화 처리 조건에 따른 금속간 화합물의 변화를 살펴보기 위해서 FE-SEM을 활용한 미세조직 관찰 및 EDS 성분 분석을 수행하였으며, 후방산란 전자 (Backscattered electron) 검출 모드에서 관찰한 미세조직 사진을 Fig. 5에 같이 나타내었다. 먼저, 상용합금인 AC4C(A356) 조성과 동일한 3M0C 시편의 경우 Mg₂Si 상을 포함하여, Al, Fe 및 Si으로 구성된 3원계 금속간 화합물과 Al, Fe, Si 및 Mg을 포함한 4원계 금속간 화합물을 확인할 수 있으며, 이는 Al-Si-Mg계 합금 내 존재한다고 널리 알려진 β-Al₅FeSi상과 π-Al₈FeMg₃Si상 [9]으로 판단하였다. as-cast 상태의 3M0C 시편에서는 상기 3종의 금속간 화합물이 모두 확인되었으나, 용체화 처리가 3시간동안 진행된 경우에는 β-Al₅FeSi상과 π-Al₈FeMg₃Si상 2종의 금속간 화합물이 확인되었으며, 용체화 처리가 5시간 이상 진행된 시편에서는 β-Al₅FeSi상 만이 존재함을 확인할 수 있었다. 3M0C 합금 대비 Cu 함량이 증가한 3M5C 및 5M5C 합금의 경우, Mg₂Si상, β-Al₅FeSi상과 π-Al₈FeMg₃Si상 이외에도 Cu를 포함한 Al-Cu 2원계, 그리고 Al-Cu-Mg-Si 4원계 금속간 화합물을 as-cast 시편에서 확인할 수 있었으며, 이는 Cu를 포함한 Al-Si계 합금에 대해 연구한 기존 문헌자료[5,10]에서 보고하고 있는 θ-Al₂Cu및 Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆상인 것으로 추정된다. Mg₂Si상과 Cu를 포함한 θ-Al₂Cu및 Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆상은 3시간의 용체화 처리 이후에 모두 분해되어 사라지는 것을 확인할 수 있다. 한편 3M0C 합금과 유사한 Mg 성분을 가진 3M5C 합금의 경우 5시간 이상의 용체화 처리시 시편 내 π-Al₈FeMg₃Si상이 모두 분해되었으나, 3M0C 및 3M5C 합금 대비 Mg 함량이 증가된 5M5C 합금의 경우 5시간 이상의 용체화 처리 이후에도 π-Al₈FeMg₃Si상이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 한편, Fig. 5에서도 확인되듯이 용체화 처리 시간이 7시간인 경우에도 β-Al₅FeSi상은 공통적으로 모든 시편에서 존재하였다. Al-7Si-Mg-Cu 합금에서 확인된 위와 같은 4가지 금속간 화합물 상에 대한 EDS 성분 분석 결과를 Table 2에 정리하여 나타내었다.

Fig. 5. FE-SEM backscattered electron images of Al-7Si-Mg-Cu alloys at different solid solution​​​​​​​.

Table 2. Chemical composition(wt%) and average size of the intermetallic phases in the as-cast Al-7Si-Mg-Cu alloy (5M5C)​​​​​​​

Al-7Si-Mg-Cu 합금 조성 및 용체화 처리 시간에 따른 이러한 β-Al₅FeSi상과 π-Al₈FeMg₃Si상의 변화를 각 상의 크기 관점에서 정량적으로 분석하여 Fig. 6 및 Fig. 7에 나타내었다. 합금 조성에 상관없이 β-Al₅FeSi상의 직경은 평균적으로 2~3μm 정도의 크기를 나타내었으며, 용체화 처리 시간이 증가함에 따라 β-Al₅FeSi상의 크기는 미약하게나마 증가하는 것이 확인되었다. 이러한 β-Al₅FeSi상의 조대화는 5M5C 합금에서 가장 명확하게 확인되었다. 한편 π-Al₈FeMg₃Si상의 경우 합금 조성에 상관없이 as-cast 시편에서는 평균 직경이 2~5μm 정도의 크기를 나타내었으나, 용체화 처리가 진행되면서 조대한 상들의 비율이 점점 줄어들어 용체화 처리 5시간 이후부터 π-Al₈FeMg₃Si상이 아예 없어지거나 (3M0C 및 3M5C 합금), 평균 크기가 2μm 정도로 작아지는 (5M5C 합금) 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Effect of solution treatment time on size of the β-Al₅FeSi intermetallic phases in Al-7Si-Mg-Cu alloys.

Fig. 7. Effect of solution treatment time on size of the π-Al₈FeMg₃Si₆ intermetallic phases in Al-7Si-Mg-Cu alloys.

3.3 용체화 처리에 따른 합금 내 초정 α상의 조성 변화

용체화 처리 과정에서 Al-7Si-Mg-Cu 내 용질원소의 균질화 혹은 과포화 거동을 확인해보기 위해서 FE-SEM-EDS를 활용한 성분분석을 수행하였다. 먼저 초정 α상 결정립 내 위치 별로 용질원소 농도의 차이가 있는지 선 분석을 통해 주요 합금 원소인 Si, Mg 및 Cu 성분의 농도 구배를 측정하였다. Fig. 8에 나타낸 3M5C 합금의 선 분석 결과, 본 연구에서 사용한 3종의 Al-7Si-Mg-Cu 합금 모두 as-cast 상태에서는 Mg 및 Si의 농도 구배가 확인되었으며, 이는 as-cast Al-Si-Mg 합금 내의 초정 α상 중심부로부터 초정 α상-공정상 계면 방향으로 Si 및 Mg의 농도 구배가 있다고 보고하고 있는 기존 문헌 연구결과와 일치하였다 [3,11]. 특히 Si 성분의 경우 초정 α상 중심부에서 가장자리로 갈수록 그 농도가 낮아지는 농도 구배가 확인되었는데, 이는 유사한 조성을 가지는 Al-Si-Mg 합금을 빠르게 응고시킬 경우 초정 α상 중심부에서 Si 농도가 가장 높고 가장자리로 갈수록 그 농도가 낮아지는 것이 확인된 문헌 연구 결과[3]로 미루어보아, 응고 후 냉각 과정에서 초정 α상으로부터 공정 Si상으로 Si 성분이 충분히 확산되는 경우 Fig. 8(d)와 같은 Si 농도 구배가 생성되는 것으로 추정된다. 한편, 용체화 처리가 진행됨에 따라서 합금 내 존재하는 금속간 화합물의 분해로 인해, 용체화 처리 3시간 이후 초정 α상 내 Mg 및 Cu의 급격한 농도 증가를 확인할 수 있다.

Fig. 8. FE-SEM-EDS Linescan analysis on 3M5C alloys at different solid solution treatment conditions; (a) linescan position in primary α grain, (b) concentration profile of Mg in primary α grain, (c) concentration profile of Cu in primary α grain and (d) concentration profile of Si in primary α grain.​​​​​​​

용체화 처리 시간에 따른 이러한 초정 α상 내 용질원소 조성 변화를 확인하기 위해서, 초정 α상 단상 영역 내에서의 EDS 분석 결과를 통해 초정 α상의 평균 조성을 측정하였으며, 합금 조성 및 용체화 처리 시간에 따라 측정된 성분결과를 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 9에 정리된 바와 같이, 3M0C, 3M5C, 5M5C 3종의 합금 모두 용체화 처리가 진행됨에 따라 초정 α상 내 Mg 혹은 Cu함량이 증가하였는데, 이는 앞서 FE-SEM으로 확인된 Mg 혹은 Cu를 포함하는 금속간 화합물의 분해 거동과 연관된 것으로 판단된다. 한편 초정 α상 내 Si 함량은 용체화 처리로 인해 오히려 감소하였는데, 이는 Si 이 7wt% 함유된 본 합금의 응고진행 과정 중 초정 α 상 내 고용되는 Si 함량이 545ºC 의 용체화 처리 온도 조건에서 초정 α 상이 가지는 Si 용해도보다 더 높기 때문이다. 한편 Fig. 6에서 알 수 있듯이 용체화 처리 시간이 증가함에 따라 합금 조성에 상관없이 β-Al₅FeSi상이 약간 조대화 되는 것으로 보이며, 이때 초정 α 상 및 공정영역의 기지상으로부터 Si성분을 흡수하게 되므로, β-Al₅FeSi상의 조대화 또한 용체화 처리에 따른 초정 α 상 내 Si 함량 감소에 일부 기여한다고 판단된다. 측정된 초정 α상 내의 Mg, Cu 및 Si 함량은 5시간의 용체화 처리 이후 일정한 값으로 수렴하는 것을 확인할 수 있는데, 이렇게 수렴하는 값은 합금 초기 조성 및 용체화 처리 온도 조건에서 열역학 계산(FactSage ver. 8.1 및 경량 금속 데이터베이스 FTlite 활용)으로 예측된 각 합금 원소의 용해도와 유사한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 9. Composition evolution in the primary α phase of Al-7Si-Mg-Cu alloys at different solution treatment times; (a) Mg concentration, (b) Cu concentration and (c) Si concentration in the primary α phase. Equilibrium concentrations of Mg, Cu and Si in the primary α phase obtained from FactSage^® thermodynamic calculation were also shown in the figure.

3.4 용체화 처리에 따른 합금의 브리넬 경도 변화

Al-7Si-Mg-Cu 합금 조성 및 용체화 처리 시간에 따른 브리넬 경도 변화를 Fig. 10에 나타내었다. Al-Si-Mg-Cu계 합금은 자연시효에 따른 경도변화가 발생하는 합금으로 알려져 있으므로 수냉 후 최대한 빨리 경도 측정을 진행하여 자연시효의 영향을 받지 않도록 브리넬 경도 값을 측정하였으며, 용체화 처리 후 24시간 동안 상온에서 보관하여 자연시효된 시편의 브리넬 경도 값도 측정하여 함께 표시하였다. Al-7Si-Mg-Cu합금 조성에 따른 브리넬 경도 변화를 살펴보게 되면, 합금 내 Mg 및 Cu 함량이 증가할수록 용체화 처리시간 및 자연시효 유무에 상관없이 브리넬 경도 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 용체화 처리 시간이 증가하는 경우, 합금 조성 및 자연시효 유무에 상관없이 5시간 조건에서 최대 경도를 나타내었으며, 용체화 처리 7시간 조건에서는 오히려 경도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 용체화 처리 후 24시간 자연시효가 진행된 시편의 경우, 자연시효가 최소화된 시편 대비 5~9HB 이상 경도가 증가하였다.

Fig. 10. Changes in Brinell hardness of the Al-7Si-Mg-Cu alloys at different solution treatment times.​​​​​​​

3.5 최적 용체화 처리 조건에 대한 고찰

본 연구에서 실험한 Al-7Si-Mg-Cu합금은 T6 열처리 후 우수한 기계적 성질을 나타내는 석출강화형 합금이며, 이러한 석출강화 효과를 포함한 합금의 기계적 성질을 극대화하기 위해서는 합금 조성 및 응고 조직에 맞는 최적의 용체화 처리가 요구된다. 그러므로 앞에서 실험적으로 확인한 3가지의 미세조직적 인자와 실측한 브리넬 경도값을 기준으로 Al-7Si-Mg-Cu합금의 최적 용체화 처리 조건에 대해 고찰해 본다.

먼저 용체화 처리에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 공정 Si상 변화의 경우, 용체화 처리 시간이 증가함에 따라 평균적인 크기는 증가하였으며, 크기 분포 또한 다양해지는 경향을 나타내었다. 그러나 공정 Si 상의 크기 및 크기 분포는 용체화 처리 3시간 이후에 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 한편 공정 Si 상의 형상에 있어서 용체화 처리가 진행될수록 더욱 구상화되는 것을 확인할 수 있었으며, 형상의 다양성 측면에서도 구상화된 Si 상의 비율이 지속적으로 증가하는 현상을 확인할 수 있었다. 그러므로 Al-7Si-Mg-Cu합금 내 공정 Si 상 제어 측면에서는 545ºC 온도 조건에서 최소 3시간 이상 용체화 처리가 필요하다고 판단된다.

두 번째로는 용체화 처리에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 금속간 화합물 변화의 경우, 용체화 처리 조건에 상관없이 안정상으로 유지된 β-Al₅FeSi상을 제외하고는 Mg₂Si, π-Al₈FeMg₃Si, Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆, θ-Al₂Cu모두 용체화 처리 시간이 증가할수록 점점 분해되는 것을 확인할 수 있었다. 합금 내 Mg 함량이 상대적으로 낮은 3M0C 합금과 3M5C 합금의 경우 5시간의 용체화 처리 이후 합금 내 π-Al₈FeMg₃Si상이 확인되지 않았으며, Mg 함량이 높은 5M5C의 경우도 용체화 처리 5시간 이후에는 π-Al₈FeMg₃Si상의 크기 및 크기 분포가 거의 변화하지 않았다. 그러므로 용체화 처리를 통한 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 금속간 화합물의 충분한 분해가 이루어지기 위해서는 545ºC 온도 조건에서 최소 5시간의 용체화 처리가 필요하다고 판단된다.

세 번째로는 용체화 처리에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 초정 α상의 성분 변화 측면에서도, 545ºC 온도 조건에서는 최소 5시간의 용체화 처리가 필요한 것으로 판단된다. Fig. 9에 나타낸 바와 같이, FE-SEM-EDS 분석을 통해 측정된 초정 α상 내 Mg, Cu 및 Si 함량은 합금 조성에 상관없이 용체화 처리 5시간까지 증가 혹은 약간 감소하였으며, 용체화 처리 5시간 이후에는 초정 α상 내 측정된 용질원소 함량이 거의 변화하지 않았기 때문이다. 이는 앞서 언급한 용체화 처리 과정에서의 금속간 화합물의 분해 거동과 직접적으로 관련 있는데, 이는 용체화 처리 과정에서 분해되는 금속간 화합물로부터 석출 강화 원소를 포함한 합금 원소가 초정 α상 내부로 고용되기 때문이다. 특히 석출 강화 원소인 Mg을 포함하는 Mg₂Si상 및 π-Al₈FeMg₃Si상과 Cu를 포함하는 금속간 화합물인 Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆와 θ-Al₂Cu상이 분해되면서 초정 α상 내 고용되는 Mg 및 Cu함량이 높아질수록, 시효처리 과정에서 생성되는 β”-Mg₂Si, Q’-Al₅Cu₂Mg₈Si₆, θ’-Al₂Cu 등 Mg 혹은 Cu 포함 미세석출 강화상에 의한 석출강화 효과 [5]가 향상되므로, 본 연구에서 다룬 Al-7Si-Mg-Cu 합금의 경우 충분한 석출 강화 효과를 위해서는 545ºC온도 조건에서 최소 5시간 이상 용체화 처리를 진행할 필요가 있다.

네 번째로는 실험적으로 확인된 용체화 처리 시간에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 합금의 브리넬 경도 변화의 경우도 앞서 언급한 3가지 미세조직 변화와 연관 있는 것으로 판단된다. 용체화 처리가 진행됨에 따라서 합금의 브리넬 경도가 점점 증가하여, 자연시효 유무와 상관없이 5시간 조건에서 가장 높은 경도 값을 가지는 것이 확인되었는데, 이는 초정 α상 내 Mg 및 Cu의 함량 증가에 따른 고용강화 효과 때문인 것으로 추정된다. Al 기지상 내 첨가된 Si, Mg 및 Cu는 모두 고용강화 효과를 가지고 있는 원소이며 [12], Si 대비 Mg이 첨가량에 따른 고용강화 효과가 크므로 [13,14], 용체화 처리 과정에서 초정 α상 내 Si 함량이 as-cast 조건 대비 약 0.2wt% 정도 감소한다고 해도 유사한 함량으로 증가하는 Mg에 의한 고용강화 효과는 분명히 존재할 것으로 예상된다. 한편 7시간의 용체화 처리 이후, Al-7Si-Mg-Cu합금의 경도는 5시간 조건 대비 오히려 감소하였는데, 용체화 처리 5시간 조건 대비 7시간 조건에서 유의미하게 달라진 미세조직적변화는 지속적인 공정 Si상의 구상화, 그리고 미약한 β-Al₅FeSi상의 조대화 정도여서, 본 연구에서 확인된 미세조직적 변화만으로는 이러한 경도 감소 현상에 대해 명확히 설명하기 어렵다.

결론적으로, 본 연구에서 활용한 Al-7Si-Mg-Cu합금의 합금 조성 및 용체화 처리 조건에 따른 미세조직 변화를 종합적으로 고려할 때, 본 합금은 545ºC온도 조건에서 최소 5시간의 용체화 처리가 필수적이라고 판단된다. 이러한 결론은 자연 시효가 최소화된, 혹은 24시간 자연 시효된 합금의 브리넬 경도 측정 결과로부터 동일하게 유추할 수 있으므로, Al-7Si-Mg-Cu 합금에 대한 체계적인 미세조직 분석데이터가 없더라도 브리넬 경도 측정을 통해 최적 용체화 처리 조건을 도출할 수 있다.

4. 결론

본 연구에서는 Mg 및 Cu 함량을 0.5wt%까지 증가시킨 Al-7Si-Mg-Cu 합금 3종의 용체화 처리 조건에 따른 미세조직 및 경도변화를 실험적으로 확인하였으며, 측정된 데이터를 바탕으로 최적 용체화 처리 조건을 도출하였다. 용체화 처리에 따른 Al-7Si-Mg-Cu 합금 내 미세조직 변화의 경우, 공정 Si 상의 크기 및 형상변화, 금속간 화합물의 변화, 그리고 초정 α상의 조성 변화 측면에서 정량적으로 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 공정 Si상 변화의 경우, 용체화 처리 초반부 (3시간)의 급격한 조대화 현상 이후에는 Si상의 크기가 더 이상 증가하지 않았던 반면, Si 상의 구상화는 7시간의 용체화 처리 과정까지도 지속적으로 진행되었다.

(2) 합금 내 Cu 첨가 유무에 따라 Al-Si-Mg계 합금에서 일반적으로 관찰되는 Mg₂Si상, β-Al₅FeSi상 및 π-Al₈FeMg₃Si상 외에 Q-Al₅Cu₂Mg₈Si₆와 θ-Al₂Cu상이 추가적으로 확인되었으며, 이러한 Cu 포함 금속간 화합물은 용체화 처리 3시간 이후 대부분 분해되는 것을 실험적으로 확인하였다.

(3) Mg을 포함하는 π-Al₈FeMg₃Si상의 경우, Mg 함량이 낮은 (0.3wt%) 합금에서는 용체화 처리 5시간 이후 완전히 분해되었으나 Mg 함량이 높은 (0.5wt%) 합금에서는 7시간 용체화 처리 후에도 분해되지 않고 시편 내 존재하였다. 한편 β-Al₅FeSi상의 경우 용체화 처리 시간이 7시간인 경우에도 모든 시편에서 존재하였으며, 5M5C의 경우에는 β-Al₅FeSi상의 조대화가 명확히 관찰되었다.

(4) 초정 α상 내 Mg 및 Cu 함량은 용체화 처리가 진행됨에 따라 점점 증가하다가 5시간 이후 일정한 값으로 수렴하였으며, 초정 α상 내 Si 함량은 용체화 처리 시간이 증가함에 따라 점점 감소하다가 5시간 이후 거의 변화가 없었다.

(5) 용체화 처리 조건에 따른 Al-7Si-(0.3~0.5)Mg-(0~0.5)Cu 합금의 미세조직 변화를 종합적으로 고려할 때, 본 연구와 유사한 응고조직을 가지는 상기 합금은 545ºC온도 조건에서 최소 5시간의 용체화 처리가 필요한 것으로 판단되며, 용체화 처리 조건 별로 측정된 브리넬 경도 데이터로부터 동일한 최적 용체화 처리 조건을 도출할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부의 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사 드립니다. (“진공/가압 하이브리드 주조를 이용한 인장강도 380MPa, 연신율 10% 이상 고인성차체·섀시용 알루미늄 주조 소재/부품 개발, NO.20010893”).