Microstructural Refinement of Al-Si Casting Alloys by Ultrasonic Melt Treatment

초음파 용탕처리를 활용한 Al-Si 합금의 주조조직 미세화 /개량화 사례

1. 서론

알루미늄 합금은 높은 비강도, 주조성 및 가공성을 가지며 경량금속소재 가운데 산업적인 활용도가 가장 높은 소재 중 하나이다. 최근 자동차의 패러다임이 기존 내연기관에서 전기 동력으로 전환되면서 알루미늄 사용량이 급속히 증가하고 있으며, 이에 따라 소재의 특성향상 및 제조공정 효율화에 대한 기술 개발이 활발하게 진행되고 있다. 특히, 환경규제로 인한 수송기기 경량화 요구에 따라 보다 우수한 특성을 갖는 알루미늄 합금 개발이 요구되고 있는데, 합금원소 첨가, 응고중의 냉각속도 제어, 용탕 중 외부 에너지 인가 등 다양한 연구 개발이 진행되고 있다.

초음파 용탕처리는 외부에너지 인가 방법중의 하나로서, 통상적으로 15kHz 이상의 초음파를 용탕에 직/간접적으로 주사하여 용탕 내부에 케비테이션 (cavitation)과 음향유동 (acoustic streaming)을 발생시키는 기술로서 탈가스를 통해 알루미늄의 주조결함을 줄이고 주조조직을 미세하고 균일하게 하는 효과가 있다. 특히, 초음파 용탕처리가 수반한 가장 중요한 물리적 현상인 케비테이션은 초음파 압력장 하에서 버블 (공공, cavity)의 생성, 성장 및 붕괴되는 일련의 과정으로서, 케비테이션 버블이 붕괴될 때 온도와 압력은 각각 약 5000℃, 500atm 까지 상승한다고 보고되고 있다 [1]. 이러한 용탕 내에서의 폭발적인 열과 압력은 알루미늄 합금의 응고중 핵생성 (nucleation) [2,3] 과 성장 (growth) [4] 에 모두 영향을 미친다.

대표적인 초음파 미세화 기구는 초음파용탕처리 온도에 따라 (1) 파쇄에 의한 생성상 수 증식 (고/액 공존영역); (2) 케비테이션 유도 불균일 핵생성 (액상영역) 으로 분류될 수 있다. 특히, 후자의 경우 다음과 같은 세가지 기구로 세분화 되어 설명되고 있다.

i) 비금속 개재물의 핵생성 사이트로서 활성화: 산화물, 탄화물, 붕화물과 같은 많은 비젖음성 개재물 들이 버블 붕괴시 발생되는 압력 펄스로 인해 용탕에 젖음성 향상되어 핵생성 사이트로 변환될 수 있음.

ii) 압력펄스-융점 기구: 버블 붕괴에 의해 발생되는 압력펄스는 Clayperon식에 따라 용융점을 증가시키고 이는 과냉도 증가와 동등한 효과로서 핵생성을 촉진 시킬 수 있음.

iii) 버블 표면에서의 용탕 과냉: 케비테이션 과정에서 버블 내 기체는 빠르게 팽창되어 버블 표면에서 과냉을 발생시키고 이로 인해 핵생성을 촉진될 수 있음.

초음파 용탕처리의 미세화 효과는 초음파 주파수 및 진폭 등 장비의 성능과 더불어 처리시간/온도, 냉각속도 및 합금의 조성 등 여러가지 변수에 영향을 받는다. 이론적인 관점에서 초음파 용탕처리는 주조조직의 미세화를 통해 기계저 물성 향상을 기대할 수 있지만 그림 1과 같이 초음파처리는 모든 합금의 강도 향상에 효과적이지 않으며, 합금별 강도 기구가 다를 것이라 예측해 볼 수 있다. 본 주조아카데미 기고문에서는 주조현장에서 활용할 수 있는 대표적인 알루미늄 상용합금에 대한 초음파 용탕처리에 의한 주조조직 미세화 및 개량화 사례를 몇 가지 간단히 소개하고자 한다. 알루미늄 결정립 미세화, 수지상 간격의 미세화, 이차상의 미세화 및 미세편석 감소 등 다양한 주조조직적 미세화/개량화 사례와 더불어 주조 현장에서 이러한 효과를 활용할 수 있는 방안을 수요자의 관점에서 고민해보고자 한다.

그림 1. Influence of ultrasonic melt treatment on the yield strength of various Al alloys in the as-cast condition

2. 본론

2.1. 아공정 Al-Si 합금

A356합금 (Al-7Si-0.3-0.4Mg)은 수송기기 분야에서 범용적으로 활용되는 대표적인 아공정A-Si 합금으로서 알루미늄 결정립 및 Al-Si 공정조직 미세화를 목적으로 초음파 용탕처리가 많이 적용되어왔다. 일반적으로 아공정 Al-Si계 합금 (e.g., A356)은 수지상 형상의 초정 α-Al상과 수십 μm의 길이를 갖는 침상 형탱의 공정 Si상으로 구성되어 있는데, 액상선 직상에서 초음파 용탕처리는 A356합금의 초정 α-Al상 구상화와 더불어 공정 Si상 미세화 및 Al-Si 공정 상간격의 감소 등의 효과가 있다고 보고되었다 [5]. 특히, 초음파 용탕처리에 의한 초정 α-Al상 결정립미세화 효과는 처리 온도가 액상선에 가까울 수록 극대화 되는데 [5,6] 이는 케비테이션에 의해 발생한 핵들의 짧은 고온수명에 기인한다고 설명된다. 한편, A356합금의 액상선 (614℃) 대비 100℃이상 높은 700-750℃ 구간의 비교적 높은 온도에서 초음파 용탕 처리를 하면 초정 α-Al상 및 공정 Si상의 미세화 효과가 나타나지 않았고 오히려 결정립 크기는 조대화 될 수 있다 [7]. 한편, 고온에서의 초음파 용탕처리는 주조조직적 미세화 대신 2차상의 균일한 분포 및 분율 감소와 같은 미세조직적 균질성을 향상시키는 것으로 확인되었다.

저자의 연구그룹에서는 아공정계 Al-7Si-2Cu-1Mg 합금에 대하여 800℃ 고온에서 MgAl₂O₄ 산화물 생성을 유도한 후 620, 650, 700, 785℃ 용탕온도에서 초음파 처리하여 결정립 미세화 미세화 정도를 비교하였다. 그리고 MgAl₂O₄ 산화물의 핵생성 역할 고찰 및 초정 α-Al상의 임계크기와 미세화의 관계를 정량적으로 해석하였다 [3]. 고온에서 생성된 MgAl₂O₄상은 초정 α-Al상과 결정학적 방위관계, (111)[011]MgAl₂O₄ //(111)[011]α-Al를 가지면서 격자상수 불일치도 (lattice misfit)가 낮아 (1.4%) 초정 α-Al상의 핵생성 역할이 이론적으로는 가능하다. 그러나 MgAl₂O₄상은 비젖음성 개재물로서 초음파처리 없이는 대개 산화 피막 (oxide film)과 같은 결함으로 존재를 한다. 초음파처리는 MgAl₂O₄상의 젖음성을 향상시키고 산화물상들간 응집상태를 완화시킬 수 있다. 그림 2는 620, 650, 700, 785℃ 용탕온도에서 Al-7Si-2Cu-1Mg합금의 결정립 크기를 보여주는 EBSD map이다. 초음파처리 유무에 상관없이 용탕온도가 낮을 수록 결정립의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한 초음파 처리에 의한 결정립 미세화 효과는 초음파 처리온도가 합금의 액상선 (607℃)에 근접할 수록 (e.g., 620℃) 현저하게 증가하는 것을 알 수 있다. 불균일 핵생성 이론에 따르면, 핵생성 사이트는 젖음성, 핵-생성상간 낮은 계면에너지 및 낮은 과냉도 (핵의 크기와 반비례)를 가질 때 강력한 핵으로 작용이 가능하다. 즉, 초음파 처리가 MgAl₂O₄상의 젖음성을 향상시키고 산화물 상들간 응집완화(de-agglomeration) 효과를 증가시키으로써 결정립 핵생성을 촉진시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고 용탕온도가 증가하면 응집완화가 더 많이 발생하고 결과적으로 핵의 크기가 핵생성을 위한 임계크기 이하로 감소하게 되어 불균일 핵생성이 어려워질 수 있다 (그림 4). 따라서 고온에서 초음파 용탕처리에 의한 결정립 미세화 효과는 현저히 감소하게 된다.

그림 2. EBSD maps exhibiting grains of the Al-7Si-2Cu-1Mg alloys (a-d) without ultrasonic melt treatment and (e-h) with ultrasonic melt treatment solidified at different pouring temperatures of (a, e) 620℃, (b, f) 650℃, (c, g) 700℃ and (d, h) 785℃.

아공정 Al-Si합금에서 초음파 용탕처리는 비단 결정립미세화 효과에 국한되지 않는다. Cu 및 Mg 합금원소를 포함하는 Al-7Si 합금에 대하여 액상선 보다 100℃이상 높은 고온에서 초음파 용탕 처리를 하면 결정립 미세화 대신 용질원소 (e.g, Cu, Mg)의 미세편석을 감소시키는 동시에 이차상의 분율, 크기 감소 및 균일한 분포를 유도할 수 있다 [8]. 그림 3과 같이 0.5wt.% 이상의 Mg이 첨가된 합금에서는 초음파 처리가 SDAS (secondary dendrite arm spacing) 크기를 현저히 감소시키고 또한 다량의 서브 마이크론 크기 (0.5-1μm) 를 갖는 MgAl₂O₄ 산화물을 생성되는 것으로 확인된다. 상기 기술한 바와 같이 MgAl₂O₄산화물은 알루미늄 결정립 핵생성 사이트로서, Mg 첨가량 증가 및 초음파 처리는 MgAl₂O₄ 산화물 절대량을 증가시키는 동시에 젖음성 향상 및 응집완화 효과를 통하여 용탕 내 핵의 수를 증가시킬 수 있다. 그럼에도 불구하고, 그림 4와 같이 불균일 핵생성은 핵의 크기와 반비례하는 과냉도에도 영향을 받는 만큼, 절대 다수의 미세한 핵들은 제한된 과냉도 범위에서 충분히 활성화 되지 못하고 핵 생성 사이트로 작용할 수 없게 되어 결정립미세화 효과는 제한적으로 나타날 수 있다. 한편, 다수의 MgAl₂O₄상은 핵으로 작용하는 대신 응고중 성장하는 α-Al 수지상 간에 존재하는데, 이는 고상/액상 계면에서 용질 구배에 영향을 미쳐 수지상 미세화를 유도한 것으로 판단된다. 실제로 Synchrotron X-ray tomography 기술을 활용하여 Y₂O₃ 산화물 (~0.5μm 크기)을 접종한 A6082 알루미늄 합금의 응고거동을 in situ 관찰한 결과에 따르면, Y₂O₃상은 핵생성 역할 대신 수지상 계면을 불안정하게 하고 수지상의 돌기 생성을 촉진시킴으로써 증식된 가지 (hyperbranched) 형상을 유도하면서 수지상을 미세화 하는 것으로 보고된다 [9]. 이러한 초음파처리에 의한 수지상의 감소, 즉 SDAS 크기의 감소는 이론적으로 Mg, Cu 등 용질 원소의 확산거리 감소를 의미하며, 이는 응고중 용질원소의 기지내 역확산을 통한 분포의 균일성 (homogeneity in distribution)을 향상시킬 수 있다. 특히, 기지내 용질원소의 원활한 확산은 이차상의 분율 감소는 물론 균일한 분포를 통한 미세 편석 감소 효과에 기여할 수 있다.

그림 3. Optical micrographs (x100) showing the as-cast microstructures of the (a, b) Al-7Si-0.35Mg and (c, d) Al-7Si-2Cu-1Mg alloys: (a, c) without ultrasonic melt treatment and (b, d) with ultrasonic melt treatment. (f) Measured SDAS of the Al-7Si-2Cualloys with and without ultrasonic melt treatment at various Mg amounts [8].

그림 4. Schematic diagrams showing (a) the effect of ultrasonic melt treatment on the size distribution of nucleants (b) undercooling required for the heterogeneous nucleation as a function of the diameter of inoculant particles based on the free growth model.

2.2. 과공정 Al-Si 합금

과공정 Al-Si합금은 높은 내마모성, 내부식성 및 낮은 열팽창계수를 갖는 동시에 높은 강도, 경도를 갖는 대표적인 자동차 부품용 알루미늄 주조재이다. 아공정 Al-Si합금과 다르게 응고과정에서 α-Al상의 생성 이전에 초정 Si상이 먼저 생성되며, 알루미늄 기지대비 높은 경도, 강성을 가지면서 높은 내마모성에 기여를 한다. 하지만, 이러한 초정 Si상은 주조과정에서 조대한 형상으로 성장하기 쉽고 이는 합금의 기계적특성, 특히 연성을 크게 떨어뜨린다. AlP 접종제는 대표적인 초정 Si상의 미세화제인데, 초음파용탕처리에 의해 그 미세화 효과는 더욱 향상될 수 있다. 그림 5(a), (b) 는 AlP 접종제를 첨가한 A390합금 (Al-18Si-4Cu-0.5Mg)의 미세조직을 보여주고 있는데, 750-800℃ (액상선 대비 약 100℃이상 높은 온도) 온도영역에서 초음파처리는 초정 Si상의 평균 크기를 40μm 수준에서 20μm 수준으로 현저히 감소시키는 동시에 분포 또한 균일하게 유도하는 것을 알 수 있다 [10]. 한편, 알루미늄 결정립 크기는 초음파처리 전후 차이가 거의 없는 것을 알 수 있다 (그림 5(c), (d)). 이러한 초음파 용탕처리에 의한 초정 Si 미세화 효과는 알루미늄 결정립과 유사하게 처리온도에 영향을 받는데, 그림 6과 같이 초음파처리는 Al-17Si합금의 액상선 (647℃) 보다 약 40-70℃ 높은 온도구간에서 초정 Si 미세화 효과가가 가장 우수하고 액상선 이하 또는 고액공존구간 (mushy zone)에서는 그 효과가 크게 감소하는 것을 알 수 있다.

그림 5. (a, b) Optical micrographs showing the microstructures and (c, d) EBSD maps showing grains of the as-cast A390 alloy (a, c) without ultrasonic melt treatment and (b, d) ultrasonic melt treatment [10].

그림 6. Optical micrographs showing the as-cast microstructure of Al-17 wt.%Si alloy (a) without ultrasonic melt treatment, with ultrasonic melt treatment in the temperature range (b) 720 to 690℃, (c) 720 to 620℃ and until the alloy becomes mushy (about 0.9 solid fraction) [6].

더욱 흥미로운 점은 P를 첨가한 A390합금에 대한 HRTEM 분석을 통하여, 초정 Si상의 대표적인 핵생성 사이트인 AlP상은 초음파 처리에 의해 젖음성이 향상된 MgAl₂O₄ 산화 개재물 위에서 핵생성될 수 있음을 확인할 수 있었다 [2]. 0.5wt.% Mg를 포함하는 A390 합금에서 초음파처리는 용탕내에 존재하는 MgAl₂O₄ 산화물의 젖음성을 향상시키고 산화물간 응집을 완화 (de-agglomeration) 시킴으로써 MgAl₂O₄상의 절대 개체수를 증가시킨다 [2,3]. 이는 후속적으로 MgAl₂O₄상 위에서 핵생성이 일어나는 AlP상의 수 증가 및 그 상들의 용탕내 분산을 유도하여 초정 Si상의 미세조직적 미세화 및 분포의 균일성에 기여를 하는 것으로 제안되었다. 한편, 이러한 초음파 용탕처리에 의한 초정 Si상의 미세화 정도는 용탕온도 뿐만 아니라 냉각속도에도 민감하게 영향을 받는다 [2]. 앞서 설명한 바와 같이, 불균일핵생성 기구에 의한 초정 Si상의 핵생성은 핵 (e.g., AlP)의 크기에도 민감하게 의존하는데, 대개 핵크기가 작을 수록 핵생성을 위한 과냉도를 더욱 증가시켜야 한다. 그림 4와 같이 초음파 용탕처리는 용탕내 핵들을 균일하게 분산시켜 핵의 개체수 증식에는 매우 유리한 한편, 개개핵의 크기를 감소시켜 핵생성을 위한 과냉도 면에서는 불리한 일장일단의 면이 분명 있다. 그럼에도 불구하고, 냉각속도르 2에서 22 K/s 수준으로 증가시킴에 따라 Si의 미세화 정도(d_{no UST} − d_UST)/d_{no UST}는 22에서 35% 증가하였고 70K/s 냉각속도에서는 52% 수준으로 향상된다고 보고된다 [2]. 즉, 초음파 용탕처리를 적용한 주조현장에서 빠른 냉각을 유도하는 주조시스템 (e.g, HPDC, 급냉사형주조 공법 등)에서는 충분한 미세화 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

아공정 Al-Si합금과 마찬가지로 초음파 용탕처리효과는 비단 주조조직의 미세화 (특히, 초정 Si상의 미세화)에 국한되지 않는다. 그림 1에서 확인할 수 있는 바와 같이 아공정 Al-Si합금, A390합금은 초음파 용탕처리에 의한 강도의 강화효과가 가장 높은 합금 중 하나로 확인되었다. 저자의 연구그룹에서는 A390합금의 초음파 용탕처리 전/후 합금에 대하여 결정립, 초정 Si, 공정 Si 크기, 이차상 분율 및 용질원소의 기지내 고용도 등 주조조직 전반에 대한 상세한 분석을 바탕으로 다음의 중요한 세 가지 결과를 얻었다: A390합금에 액상선 보다 100℃ 이상 높은 용탕온도에서 초음파 처리시 (1) 결정립 미세화 효과는 거의 없고 수지상의 미세화는 관찰됨; (2) 초정 Si 미세화는 있지만 공정 Si 미세화 효과 없음; (3) 이차의 분율이 크게 감소되었고 Cu, Mg 용질원소의 기지내 고용도가 증가함. A390합금의 인장시험 결과에 따르면, 초음파 용탕처리는 미세조직적 미세화에 의해 최대인장강도 및 연신율 증가(각각, 210 275MPa, 0.6 → 1.1%로 증가)하였고 특히, 항복강도가 185에서 208 MPa로 증가하였다. 이러한 항복강도의 증가는 초음파 처리에 의한 기지내 용질원소의 고용도 증가에 기인하는 것으로 제안되었고 Yield strength model을 활용하여 고용강화에 의한 강도상승분이 항복강도 상승분과 거의 일치하는 것으로 확인되었다. 이처럼 초음파 용탕처리는 주조조직적 미세화를 통해 인장강도 및 연신율 향상에도 기여할 수 있지만, 일부 합금계에서는 용질원소의 균질도 향상 및 기지내 재분배 효과를 통하여 항복강도의 상승까지 확보할 수 있어 실용적 활용면에서도 부가가치가 높은 공정이라 할 수 있겠다.

2.3. 다성분다상 Al-Si 합금

초음파 용탕처리의 주조조직 미세화 효과는 내연기관차 피스톤 합금과 같이 초정 Si상을 비롯해 다양한 금속간화합물이 높은 분율로 분포하는 다성분다상 Al-Si합금에서 더욱 효과적으로 검증될 수 있다. 피스톤 합금은 공정 또는 과공정 Al-Si 합금계를 기본 조성으로 하고 상당량의 천이금속원소 (e.g., Cu, Ni, Co, Ti/V/Zr)을 포함하고 있어, 알루미늄 기지내 열적으로 안정한 Al₃Ni, Al₉FeNi 등의 금속간화합물 생성을 통해 고온강도 확보가 가능하다. 초정 Si을 포함하는 과공정 (또는 공정) Al-Si 합금에서는 초음파 용탕처리에 의한 주조조직의 미세화가 초정 Si 크기 및 분산 정도로 검증될 수 있는데, 이러한 효과는 피스톤 합금에서도 유사하게 검증된다. 그림 7은 Ti/V/Zr을 미량 첨가한 Al-14Si-CuMgSi 피스톤 합금에 대한 초음파처리의 미세화 효과를 보여주고 있다 [11]. 응고초기에 초정 Si보다 먼저 생성되는 Ti/V/Zr계 금속간화합물은 그림 7 (inset)과 같이 초음파 용탕처리에 의해 평균 크기 73µm에서 45µm로 감소하며, 특히 냉각속도를 증가시키면 10µm 수준으로 미세화의 효과가 현저히 증가할 수 있다. 흥미로운 점은 Ti/V/Zr계 금속간화합물 및 이후에 순차적으로 생성하는 초정 Si, Al₃Ni 상은 모두 동일한 핵생성 사이트인, AlP상에서 핵생성이 일어나는데, 이 경우에는 초음파 용탕처리에 의한 미세화 효과가 순차적으로 감소하는 것으로 확인되었다 (그림 8). 즉, 응고중에 가장 초기에 핵생성이 일어나는 상에 대한 초음파의 미세화 효과가 가장 높고, 순차적으로 그 효과가 감소하게 된다. 초음파 용탕처리의 응집 완화 (deagglomeration) 효과에 의한 AlP상의 절대수 증가에도 불구하고 냉각중에 시스템에 주어진 과냉도에 따라 핵으로 활성화될 수 있는 임계 크기 및 절대수는 제한될 수 있다. 따라서, 가장 먼저 응고되는 생성상이 가용할 수 있는 핵생성 사이트를 최대 활용하여 핵생성되고, 순차적으로 생성되는 상의 경우에는 용탕내 잔류 핵에 의해 생성이 제한될 수 있는 만큼 미세화의 정도 및 효과는 감소할 수 있다 [11].

그림 7. Back scattered electron images showing all the intermetallics in the T7-treated Al-14Si-CuNiMg alloys solidified at cooling rates of (a,b) 4 K/sec and (c, d) 32 K/sec: (a, c) without ultrasonic melt treatment and (b, d) with ultrasonic melt treatment. Each inset images respectively exhibits the Zr-rich intermetallic phases of which the morphology and size vary with ultrasonic melt treatment and the cooling rate.

그림 8. The variation in the refining efficiency of the constituent phases by ultrasonic melt treatment as a function of the cooling rate [11].

초음파 용탕처리가 순차적인 미세화 효과를 갖지만, 분명한 점은 다성분다상 Al-Si합금의 주조조직을 미세화 시킬 수 있다는 점이고 미세화 정도는 냉각속도가 빨라지수록 더욱 향상될 수 있다. 그림 9는 Al-14Si-CuNiMg 합금에서 관찰되는 모든 금속간화합물들에 대하여 크기 및 형상비 측정값의 관계를 도식화 한 그래프이다. 냉각속도가 비교적 낮은 4 K/s에서 초음파 용탕처리는 전반적으로 크기 및 형상비를 감소시키고 (그림 9(b)) 냉각속도를 32 K/s로 증가시키면 이러한 크기 및 형상비 감소의 효과가 현저히 향상 (그림 9(d)) 되는 것을 확인할 수 있다. 한편, 초음파처리 없이 냉각속도만 증가시킨 경우 (그림 9(c))에는 형상비의 변화는 거의 없고 크기만 감소하는 것을 알 수 있다. 실제로 다성분다상 Al-Si 합금에서는 높은 부피분율을 갖는 초정 Si, 공정 Si 및 다양한 금속간화합물들이 연결성을 가지면서 고온에서 알루미늄 기지보다 상대적으로 높은 강도를 갖는 이러한 강화상 네트워크구조로 하중전달이 일어날 수 있어 높은 강도가 유지될 수 있다. 하지만, 그림 10와 같이 초음파용탕처리는 생성상의 미세화와 더불어 형상비를 감소 (침상에서 보다 컴팩트한 형상으로 변화)시킴으로써 강화상간 상호연결성 (interconnectivity)를 떨어뜨려 강화상 분율이 불충분 한 경우에는 고온강도를 감소시킬 수도 있다.

그림 9. The size and aspect ratio distributions of all the intermetallics statistically measured for the T7 treated Al-14Si –CuNiMg alloys solidified at cooling rates of (a, b) 4 K/sec and (c, d) 32 K/sec: (a, c) without ultrasonic melt treatment and (b, d) with ultrasonic melt treatment.

그림 10. Schematic diagrams showing the interconnectivity of intermetallics of the Al-14Si-CuNiMg alloys, which strongly depends on both the UST and the cooling rate.

저자의 연구 그룹에서는 초음파 용탕처리에 의한 강화상의 상호연결성을 정량화하고, 이러한 상호연결성과 고온강도와의 관계를 해석하기 위해 6각 전단 지연모델 (hexagonal based shear lag model)을 제안한 바 있다 [12]. 알루미늄 기지내 강화상의 분율이 30% 수준으로 높은 경우에는 초음파용탕처리에 의해 주조조직 미세화 효과와 더불어 연결성이 유지되면서 고온강도도 향상되는 것으로 확인되었다. 하지만, 18% 수준의 낮은 부피분율을 갖는 경우에는 초음파 용탕처리가 연결성을 크게 떨어뜨림으로써 미세조직 미세화에도 불구하고 고온 강도는 감소할 수 있다. 즉, 초음파용탕처리는 주조조직의 균일성 및 미세화 측면에서는 매우 효과적인 공정으로 제안될 수 있지만, 강화상 네트워크를 형성하는 상들의 미세화 및 형상 개량화는 부피분율이 불충분 한 경우에는 상호연결성을 크게 떨어뜨릴 수 있어 고온강도 측면에서는 그 효과가 제한적일 수도 있다.

3. 결론

본 주조아카데미 기고문에서는 주조 현장에서 활용되는 여러 가지 알루미늄 합금에 대하여 주조조직 미세화/개량화를 위한 초음파용탕처리의 적용사례를 살펴보았다. 초음파용탕처리는 주조조직을 개량화할 수 있는 대표적인 외부에너지 인가 방법으로서 결정립 크기는 물론 초정 Si 및 다양한 금속간화합물 등과 같은 이차상의 크기를 미세화하는 데 효과적이며, 미세편석 제거 및 주조조직의 균일도 향상 면에서도 상당히 매력적인 공정임에는 분명하다. 그럼에도 불구하고 초음파 용탕처리의 장비의 성능은 물론, 주파수와 진폭, 처리시간, 용탕량 등에 영향을 받는다. 뿐만 아니라 초음파처리 미세화 효과는 앞서 기술한 바와 같이 모든 알루미늄 합금 및 공정에서 발현되는 것이 아니며, 특정 합금계 및 공정조건에서는 오히려 조대화시킬 수도 있다. 따라서 알루미늄 주조산업에서 초음파용탕처리 기술을 본격적으로 적용하기 위해서는 주조조직 미세화 효과 및 그 효과의 재현성을 극대화 할 수 있는 합금선정 및 맞춤형 공정설계 도출이 중요하다. 더불어 경제적인 관점에서 초음파 혼의 내구성을 향상시킬 수 있는 재질 개선 및 초음파 출력향상 및 스케일업을 위한 연구 개발도 지속적으로 필요하다.