[Research Paper] 대한금속･재료학회지 (Korean J. Met. Mater.), Vol. 55, No. 4 (2017), pp.240~246DOI: 10.3365/KJMM.2017.55.4.240

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초음파 용탕 처리가 Al-7Si-0.35Mg 알루미늄 합금의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향

김수배1,2･조영희1･이정무1,*･정재길1･임수근2

1재료연구소(KIMS) 실용화연구단2경상대학교 나노신소재공학부

The Effect of Ultrasonic Melt Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of Al-7Si-0.35Mg Casting Alloys

Soo-Bae Kim1,2, Young-Hee Cho1, Jung-Moo Lee1,*, Jae-Gil Jung1, and Su Gun Lim2

1Implementation Research Division, Korea Institute of Materials Science, Changwon 51508, Republic of Korea2School of Materials Science and Engineering, Gyeongsang National University, Jinju 52828, Republic of Korea

Abstract: The effect of ultrasonic melt treatment (UST) on the microstructure and mechanical properties of Al-7Si-0.35Mg (A356) casting alloys was investigated. The particular aim of this study was to analyze the mechanism involved in the strengthening of the A356 alloys when fabricated by UST. The UST had little effect on the sizes of the α-Al grain and eutectic Si at a melt temperature of 750 ℃, and the yield strength of the A356 alloy was increased by UST by approximately 16%. After T6 heat treatment, however, both alloys prepared with and without UST had similar levels of yield strength. These results are possibly associated with a change in the type and the volume fraction of intermetallics due to UST. UST greatly reduced the volume fractions of the intermetallics which were formed upon solidification, resulting in alloys with predominantly β-Al5FeSi instead of π-Al8FeMg3Si6. However, T6 heat treatment, especially a solid solution treatment at 530 ℃ for 8 hours, led to the dissolving of intermetallics such as Mg2Si and π-Al8FeMg3Si6 and as a result their volume fractions were further reduced to similar levels in both alloys with and without UST.

†(Received May 4, 2016; Accepted October 5, 2016)

Keywords: hypoeutectic Al-Si alloy, casting, ultrasonic melt treatment, microstructure, mechanical properties

1. 서 론

A356 합금은 Al-Si계 주조 합금 중 대표적인 아공정 합금

으로 우수한 주조성과 더불어 중간 정도의 강도를 가지면서

연성이 우수하여 경량성이 요구되는 자동차 부품과 항공재

료로 널리 사용되고 있다 [1-3]. A356 합금의 미세조직은 초

정 α-Al 상과 공정 Al-Si 상, Mg2Si, π-Al8FeMg3Si6, β

-Al5FeSi 등의 금속간 화합물로 구성되어 있으며, 합금의 기

계적 특성은 결정립의 크기와 공정 Si의 형상, 금속간 화합물

의 부피 분율과 분포에 크게 의존한다 [1,2]. 따라서 기계적

특성향상을 위하여 Ti을 첨가한 결정립 미세화[4], Sr, Na 등

*Corresponding Author: Jung-Moo Lee[Tel: +82-55-280-3335, E-mail: jmoolee@kims.re.kr]Copyright ⓒ The Korean Institute of Metals and Materials

을 첨가한 공정 Si의 개량화[5], 높은 냉각속도에 의한 미세

화 방법 등이 실시되고 있다 [6]. 그러나 화학적 첨가물에 의

한 공정 Si의 개량화는 첨가물에 의한 용탕의 유동저하나 기

공 증가 등의 문제를 야기하고, 높은 냉각속도에 의한 미세화

는 금형 내 낮은 용탕 충진율이나 수축공 발생 등의 문제를

야기한다 [4,5]. 한편, 초음파 용탕 처리(ultrasonic melt

treatment, UST)는 별도의 화학적 첨가물 없이 결정립미세화

[7-11], 공정 Si의 미세화[7-11], 금속간 화합물의 미세화[7,8]

등과 같은 주조조직의 미세화를 실현시킬 수 있는 방법으로

보고되고 있다.

초음파 용탕 처리는 용탕 내 초음파를 인가하여 발생되는

물리적 현상들에 의한 것으로, 이러한 주조조직의 미세화 효

과가 나타나는 원인은 대표적으로 dendrite fragmentation 기

구와 cavitation-induced heterogeneous nucleation 기구에 의

김수배･조영희･이정무･정재길･임수근 241

Table 1. Chemical compositions of Al-7Si-0.35Mg alloys with and without UST (wt%)

Elements Si Mg Cu Fe Mn Ti AlNo UST 6.964 0.342 0.018 0.106 0.009 0.031 Bal.

UST 7.370 0.36 0.003 0.120 0.004 0.16 Bal.

하여 설명되고 있다. 초음파 용탕 처리 시 용탕 내 인가된 초

음파에 의해 공동 한계(cavitation threshold)를 상회하는 압력

이 부과되면 용탕 내 수많은 기포(bubble)가 생성되고 이 기

포는 팽창과 수축을 반복하며 결국에는 붕괴하게 된다. 두 가

지 기구 모두 이 기포들의 ‘팽창-수축-붕괴’ 과정에 의해 발

현되나 미세화 원리는 다음과 같이 차이가 있다. Dendrite

fragmentation 기구의 원리는 용탕 내 이미 생성된 덴드라이

트(dendrite)들이 기포 붕괴 시 발생된 압력에 의해 파괴되고

이때 발생된 음향류(acoustic streaming)에 의해 용탕 내에 균

일하게 퍼뜨려져 핵생성 사이트로 작용함으로써 미세한 상

들을 갖는 미세구조를 형성하게 되는 것이다. 본 기구는 초음

파 용탕 처리 전 이미 생성된 덴드라이트의 파괴에 의한 것으

로써 고/액 공존 영역에서 초음파 인가 시 나타나는 미세화

현상을 설명할 수 있다. Cavitation-induced heterogeneous

nucleation 기구의 원리는 다음의 세 가지 기구로 세분화되어

설명되고 있다. 첫째, 기포의 붕괴 시 발생되는 압력펄스

(pressure pulse)는 용탕내 존재하는 게재물의 젖음성을 향상

시켜 핵생성 사이트로의 작용을 가능하게 한다 [12,22]. 둘째,

기포 붕괴 시 발생되는 이 압력펄스는 Clapeyron 식에 따라

용융점(melting point)을 증가시킬 수 있는데, 즉 용융점 상승

만큼 과냉정도가 증가될 수 있으며 이에 의해 핵생성이 향상

될 수 있다 [23]. 마지막으로 초음파에 의해 용탕 내 생성된

기포는 용탕 내 에너지를 흡수하면서 팽창함으로써 용탕 내

액상과 기포 계면에 과냉이 발생하게 되고 이 과냉에 의해 핵

생성이 일어날 수 있다. 이 핵들은 역시 음향류에 의해 용탕

전체로 균일하게 퍼뜨려지며 결국 미세한 상들을 갖는 조직

을 형성하게 된다 [12].

현재까지 Al-Si 계　주조 합금의 초음파 용탕 처리에 의한

기계적 특성 향상에 관한 연구는 다음과 같은 한계를 가지고

있다. Puga 등의 연구에서 초음파 용탕 처리에 의한 기계적

특성의 향상을 초정 α-Al 상의 미세화 및 구상화나 공정 Si,

금속간 화합물의 미세화에 의한 것으로 보고하고 있는데[7]

주조 알루미늄 합금의 경우 초정 α-Al 상의 구상화나 미세화

에 의한 강도 향상의 영향은 크지 않은 것으로 알려져 있다

[13]. 또한 일반적으로 아공정 Al-Si계 합금의 용탕 주입은 금

형주조의 경우 680 ℃ 부근에서 실시되는[17] 많은 연구자들

이 수행한 초음파 용탕 처리는 액상선 직상의 온도나, 액상선

보다 높은 온도에서부터 고/액 공존 영역까지의 긴 응고구간

동안 실시되었다 [7-11,14-16]. 그리고 대다수의 연구에서 초

음파 용탕 처리를 실시한 온도는 밝히고 있으나 초음파 용탕

처리 후 주입온도를 명확히 밝히지 않은 연구가 다수이다

[7-11,14-16]. 일반적으로 초음파 용탕 처리는 그림 1과 같은

형태의 horn을 용탕에 침지하여 초음파를 인가하는 방법으

로 수행되는데 이 때 horn에 의하여 용탕이 냉각될 가능성이

크고 이는 초음파 용탕 처리의 온도 구간에 영향을 미칠 수

있다. 액상만이 존재하는 온도 구간에서 초음파 용탕 처리를

실시한 이전 연구의 경우에도 특정 금속간 화합물의 미세화

효과만을 다루고 있으며 이에 따른 기계적 특성에 대한 고찰

은 부족한 한계를 지니고 있다 [9,14,15,18].

따라서 본 연구에서는 초음파 용탕처리가 Al-7Si-0.35Mg

합금(이하 A356 합금)의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는

영향을 체계적으로 분석하고자 하였다. 특히, 초음파 처리에

의한 주조조직의 미세화 효과뿐만 아니라 초음파 용탕처리

시킨 A356 합금의 강도 향상에 영향을 미치는 다른 미세조직

적인 인자를 규명하고자 하였다. 지금까지의 연구결과

[7-11,14-18]에서 초음파 용탕 처리가 액상선 부근의 온도나

액상에서 고/액 공존영역까지의 긴 응고 구간에 걸쳐서 이루

어진 데 반하여, 본 연구에서는 액상만이 존재하는 온도 영역

에서 초음파 용탕 처리를 실시하였고 이에 따라 나타나는 미

세조직 변화와 기계적 특성의 변화를 평가하고자 하였다.

2. 실험 방법

표 1은 본 연구에서 사용된 Al-7Si-0.35Mg 합금의 화학조

성을 나타내고 있으며 그 조성은 유도결합플라즈마

(inductive coupled plasma, ICP)를 사용하여 분석한 결과이

다. 전기 저항로를 사용하여 상용 A356(AC4CH.2) 합금 잉곳

(ingot)을 750 ℃에서 용해한 후 gas bubbling filtration(GBF)

및 Ar 가스를 사용하여 15분간 탈가스 처리를 실시하였다.

탈가스 처리 후 15분간 용탕을 유지하여 안정화하고 용탕 온

도가 700 ℃에 도달하였을 때 180 ℃로 예열된 Cu 금형에 주

입하여 비교재(표 1에서 no UST로 표기)를 제조하였다. 초음

파 용탕 처리를 위한 용탕은 탈가스 처리 없이 1 kg의 잉곳을

흑연도가니에 장입한 후 전기저항로를 사용하여 용해하여

준비하였다. 초음파 용탕 처리는 초음파 용탕 처리 시 horn에

의한 용탕 냉각(약 50℃ 온도강하)을 고려하여 용탕 온도가

750 ℃로 유지되었을 때 용탕에 horn을 침지한 후 약 20 kHz

242 대한금속･재료학회지 제55권 제4호 (2017년 4월)

Table 2. Variations in solid solution treatment (SST) conditions and experimental values of total volume fractions of intermetallic compounds and matrix hardness.

Usual Modified 1 Modified 2 Modified 3 Modified 4 Modified 5

SSTcondition

Temperature(℃) 535 520 495 470 450 400

Time(hrs) 8 8 10 10 8 8

Volumefraction

(%)

No UST 0.290 0.329 0.327 0.424 0.475 0.672

UST 0.276 0.249 0.275 0.287 0.330 0.334

Hardness(Hv)

No UST 75.36 75.74 61.38 60.24 59.48 57UST 77.97 78.57 67.83 71.08 64.55 65.12Fig. 1. Schematic diagram of an ultrasonic melt treatment

equipment used in this study.

Fig. 2. SEM micrographs showing microstructures of Al-7Si- 0.35Mg alloys without and with UST.

의 주파수와 380 W의 출력으로 1분간 실시하였다. 이후 비

교재와 동일하게 700 ℃의 용탕을 역시 180 ℃로 예열된 Cu

금형에 주입하여 초음파 용탕 처리재(표 1에서 UST로 표기)

를 제조하였다. 본 연구에서 사용된 초음파 용탕 처리 장비의

모식도를 그림 1에 나타내었다.

비교재 및 초음파 용탕 처리재에 대하여 T6 열처리를 수행

하였는데, 이때 535 ℃에서 8시간 동안 용체화 처리를 하였

고 60 ℃의 미온수에 급냉(quenching) 후 155 ℃의 온도에서

피크 시효 처리를 하였다. 더불어 용체화 처리에 의한 생성상

의 분해 및 Mg/Si 등의 용질원소의 재고용 등이 기지 경도에

미치는 영향을 평가하기 위하여 용체화 처리 온도 및 시간을

표 2와 같은 구간을 갖도록 열처리 공정을 수정 설계하였다.

제조한 합금의 미세조직은 광학현미경과 주사전자현미경

(scanning electron microscopy, SEM)을 사용하여 관찰하였

고, 이때 ×500 배의 배율로 촬영한 광학현미경 사진 10장과

주사전자 현미경 사진 10장에 대하여 영상분석기(I-solution

DT 소프트웨어)를 이용하여 합금 내 존재하는 상의 분율, 크

기 등을 측정하였다. 더불어 주조조직의 결정립크기는

secondary dendrite arm spacing(SDAS) 크기를 측정하여 간

접적으로 평가하였는데, 이때 SDAS 크기의 측정은 line

intercept method에 의해 이루어 졌다. Line intercept method

는 인접한 수지상의 arm 중심부와 중심부 사이의 평균 간격

을 결정하는 방법으로써 SDAS 크기를 재는 일반적인 방법

으로 제시되고 있다.

기계적 특성은 비커스 경도시험과 상온 인장시험을 통해

평가되었는데 비커스 경도 측정은 열처리 전후 기지(matrix)

에 대하여 0.05 kg의 하중을 부가하여 측정하였다. 상온인장

시험은 봉상 시편(게이지 길이 25 mm)을 이용하여 시험방법

ASTM E8/E8M에 따라 수행되었다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 초음파 용탕 처리가 미세조직에 미치는 영향

그림 2에 초음파 용탕 처리재와 비교재의 주조직후(as

cast)의 미세조직 사진을 나타내었다. 비교재 및 초음파 용탕

처리재의 SDAS 값은 각각 36.87, 31.61 μm의 크기를 갖는

것으로 측정되었고, 공정 Si의 형상은 두 합금 모두 침상형태

로 나타났으며 평균 길이는 비교재와 초음파 용탕 처리재 각

각 18.54, 17.45 μm로, SDAS와 공정 Si의 크기 모두 비슷한

수준을 나타내었다. 다시 말해, 이전 연구자들의 보고

[7,14,19]와는 다르게 액상선 보다 약 100 ℃ 높은 700-750

℃ 구간에서 초음파 용탕 처리한 본 연구에서는 초음파 용탕

처리에 의한 α-Al 상의 구상화 및 미세화, 공정 Si의 미세화

는 나타나지 않았다. 일반적으로 아공정 Al-Si 계 합금은 덴

김수배･조영희･이정무･정재길･임수근 243

Fig. 3. SEM micrographs showing the overall microstructures and intermetallic compounds formed in as cast Al-7Si-0.35Mg alloys (a) without and (b) with UST.

Fig. 4. Volume fractions of intermetallic compounds in Al-7Si- 0.35Mg alloys without and with UST.

Fig. 5. SEM micrographs showing the overall microstructures and intermetallic compounds observed in Al-7Si-0.35Mg alloys after solid solution treatment at 535 ℃ for 8 hrs (a) without and (b) with UST.

드라이트 형상의 초정 α-Al 상과 수십 μm의 길이를 갖는 침

상 형태의 공정 Si 상으로 구성되어 있는데, Jian 등[14]은

A356 합금에 초음파 용탕 처리를 실시하여 구상화된 초정 α

-Al 상과 평균 2.6 μm의 길이의 미세한 공정 Si 상을 갖는 미

세조직을 관찰하였다. Puga 등[7] 역시 Al-9Si-3Cu 합금에 초

음파 용탕 처리 시 나타나는 결정립 및 생성상들의 미세화 효

과를 관찰하였고, 이런 미세화 효과에 의해 합금의 기계적 특

성이 향상되는 것으로 보고하였다. 본 연구와는 다르게 Puga

등의 연구[7] 및 Zhang 등의 연구[9]에서 초음파 용탕 처리는

모두 액상선에 가까운 온도에서 실시되었으며, 이들은 초음

파 용탕 처리 온도가 액상선에 가까울수록 미세한 결정립이

나 미세한 공정 Si 입자를 갖는 미세조직을 얻을 수 있다고

보고하고 있다. Eskin[12]은 이들 결과의 원인을 핵들의 짧은

고온 수명에 의한 것으로 제안하였다. 초음파 용탕 처리의 온

도가 높아짐에 따라 초음파 용탕 처리에 의해 유도된 핵의 생

성은 높은 용탕 온도에서 시작되지만, 이들 핵의 짧은 고온

수명으로 인하여 용탕이 응고될 때까지 핵이 살아남지 못하

기 때문이라고 제안하였다 [12]. 이와 같은 이유로 700-750

℃ 구간의 비교적 높은 온도에서 초음파 용탕 처리를 실시한

본 연구에서는 초정 α-Al 상의 구상화와 공정 Si 상의 미세화

효과가 크게 나타나지 않은 것으로 생각된다.

주사전자현미경을 사용하여 생성상을 관찰한 결과를 그림

3에 나타내었다. 비교재와 초음파 용탕 처리재 모두 A356 합

금 내에 일반적으로 존재하는 금속간 화합물인 짙은 검정색

의 Mg2Si, chinese script 형상을 갖는 어두운 회색의 π

-Al8FeMg3Si6 및 긴 침상 혹은 판상의 β-Al5FeSi(밝은 회색)

상이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 그러나 초음파 용탕 처

리시 금속간 화합물의 부피분율이 크게 감소하였으며, 특히

π-Al8FeMg3Si6 상의 분율이 감소하는 대신 β-Al5FeSi 상의 분

율이 증가하는 것을 알 수 있었다 (그림 4 참조).

한편, 용체화 처리 후 주사전자현미경을 사용하여 미세조

직을 관찰한 결과(그림 5), 용체화 처리 후 비교재와 초음파

용탕 처리재의 공정 Si 형상 차이는 거의 나타나지 않는 것으

로 확인되었다. 비교재와 초음파 용탕 처리재 모두 Mg2Si 상

은 거의 관찰되지 않았고, π-Al8FeMg3Si6 상의 분율은 감소

한 것으로 확인되었다. 용체화처리 과정에 소량 존재하는

Mg2Si 상은 모두 분해되어 Mg 및 Si의 용질이 기지로 재고용

이 된 것으로 판단되며 π-Al8FeMg3Si6 상 또한 일부 분해된

244 대한금속･재료학회지 제55권 제4호 (2017년 4월)

Fig. 8. Volume fraction of intermetallic compounds in Al-7Si- 0.35Mg alloys with and without UST after solid solution treatment at various temperatures in a range of 400-535 ℃.

Fig. 6. Tensile properties of as cast Al-7Si-0.35Mg alloys without (in gray) and with UST (in black). Fig. 7. Volume fractions of intermetallic compounds and the

matrix hardness of as cast Al-7Si-0.35Mg alloys without (in black) and with UST (in red).

것으로 관찰되었다.

한편, A356 합금의 용체화 처리 시 용질원소 Mg가 기지

내에 고용됨에 따라 π-Al8FeMg3Si6 상의 Mg 결여에 의해 β

-Al5FeSi 상으로 치환되어 나타나는 현상이 나타나는데

[19.20], 본 연구조건에서 초음파 용탕 처리 시 주조 직후의

합금 내 π-Al8FeMg3Si6 상의 부피분율이 크게 감소하고 β

-Al5FeSi 상의 부피분율이 증가하는 현상은 이와 유사하다고

판단된다. 즉, 초음파 용탕 처리시킨 A356 합금에서는 응고

중에 Mg/Si계 금속간 화합물의 생성이 억제되거나 Mg를 포

함하지 않는 금속간 화합물로 대체되는 만큼, 기지 내 고용될

수 있는 Mg/Si 용질 원소의 함량이 증가할 것으로 생각된다.

이는 다음 3.2절에서 확인할 수 있는 초음파 용탕 처리재의

주조 직후 기지 경도 상승 및 항복강도 상승에 기여를 하는

것으로 판단된다.

3.2. 초음파 용탕 처리가 기계적 특성에 미치는 영향

초음파 용탕 처리에 의한 기계적 특성 변화를 평가하기 위

해서 비교재 및 초음파 용탕 처리재의 주조 직후(as cast) 인

장 시험을 수행하였고 그 결과를 그림 6 에 나타내었다. 주조

직후 비교재의 경우 최대인장강도(ultimate tensile strength,

UTS)는 162 MPa, 항복강도(yield strength, YS)는 98 MPa,

연신율(elongation, EL)은 5%로 나타났고, 초음파 용탕 처리

시 최대인장강도는 194 MPa, 항복강도는 117 MPa, 연신율

은 4.6%로, 초음파 용탕 처리에 의해 최대인장강도 및 항복

강도 모두 약 16% 상승하여 나타났다. 3.1절의 미세조직 관

찰 결과를 고려하였을 때, 이는 초음파 용탕 처리에 의한 강

도 증가가 단순한 결정립 미세화 혹은 공정 Si 상의 개량화

현상이 아닌 다른 미세조직적인 인자에 제어를 받는 점을 시

사하고 있다. 이러한 강도 증가는 초음파 용탕 처리에 의한

금속간 화합물의 부피분율 감소 및 생성상의 변화와 어느 정

도 연관이 있는 것으로 판단된다. 초음파 용탕 처리에 의한

금속간 화합물의 분율 감소 효과가 기계적 특성에 미치는 영

향을 확인하기 위해 기지 경도를 측정하였고 이로 얻은 결과

를 금속간 화합물 분율과 함께 그림 7에 나타내었다. 기지 경

도는 A356 합금 내에 존재하는 결정립계나 공정 Si, 기타 금

속간 화합물의 영향을 배제하기 위해 0.05 kgf의 비교적 낮은

하중으로 기지 부분만 선택될 수 있도록 미소 경도를 측정하

였다. 그림 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 초음파 용탕 처리

에 의하여 기지 경도는 증가(56.43 → 62.66 Hv)하였고 이는

금속간 화합물의 부피분율 감소(0.700% → 0.518%)와 동반

하여 나타났다. 이는 더욱 중요하게 초음파 용탕 처리에 의한

항복강도의 증가가 기지의 강화에 의한 것임을 암시하고 있

다. 초음파 용탕 처리에 의한 금속간 화합물의 부피분율 감소

김수배･조영희･이정무･정재길･임수근 245

Fig. 9. Matrix hardness of Al-7Si-0.35Mg alloys with and without UST after solid solution treatment at various temperatures in a range of 400-535 ℃.

Fig. 10. Tensile properties of T6-treated Al-7Si-0.35Mg alloys without (in gray) and with UST (in black). (T6 treatment: solid solution treatment at 535 ℃ for 8 hrs followed by artificial aging at 155 ℃ for 24 hrs)

효과와 기지 강화의 관계를 확인하기 위하여 표 2의 용체화

처리 조건과 같이 열처리 후 금속간 화합물의 부피 분율과 기

지 경도를 측정하였고 그 측정값을 표 2, 그림 8과 9에 그래

프로 각각 나타내었다. 그림 8 및 표 2에서 확인할 수 있는 바

와 같이, 모든 온도 구간에서 초음파 용탕 처리재의 금속간

화합물 부피분율이 비교재 보다 낮은 값을 나타내었다. 그러

나 용체화 처리 온도가 증가함에 따라 금속간 화합물의 분해

정도가 서서히 증가하면서 비교재의 금속간 화합물 부피 분

율이 주조직후 0.700%에서 535 ℃에서 8시간 용체화 처리

후 0.290%까지 감소하였으며, 동일 조건에서 용체화 처리한

초음파 용탕 처리재의 금속간 화합물 부피 분율이 주조 직후

0.518%에서 0.276%로 감소하여, 결국 비교재의 금속간 화합

물 부피 분율과 유사한 수준에 이르는 것을 확인할 수 있었

다. 실제로 초음파 용탕 처리에 의한 금속간 화합물의 부피분

율 감소 효과는 용체화 처리에 의하여 어느 정도 감소될 수

있는데, 용체화 처리 온도를 최대 535 ℃까지 증가시킴에 따

라 비교재 및 초음파 용탕 처리재 모두 생성상의 분해정도가

극대화됨으로써 잔류 금속간 화합물의 부피분율이 거의 동

일한 수준에 이르는 것으로 평가되었다.

용체화 처리 온도/시간에 따른 기지 경도의 변화에서 확인

할 수 있는 바와 같이(표 2 및 그림 9참조), 주조 직후 및 용체

화 처리 시 비교적 낮은 온도 구간인 400-495 ℃에서는 초음

파 처리 유무에 따른 기지 경도의 차이가 뚜렷이 나타나는 것

을 알 수 있었다. 반면, 520 ℃ 이상의 온도에서 용체화 처리

시 초음파처리에 따른 기지 강화효과가 거의 나타나지 않으

며, 비교재(75.36 Hv) 및 초음파 용탕 처리재(77.97 Hv)의 기

지경도가 거의 동일한 수준에 이르는 것을 확인할 수 있었다.

이는 앞서 그림 8에서 확인한 바와 같이 초음파 용탕 처리에

의한 금속간 화합물의 부피분율 감소 정도가 용체화 처리 온

도가 증가함에 따라 소멸하는 경향과 거의 일치하는 것을 알

수 있다. 즉, 초음파 용탕 처리는 응고 중에 금속간 화합물의

생성을 억제하는 동시에 Mg 혹은 Si 용질 원소가 기지로 고

용되는 경향을 증가시킴으로써 고용강화에 의한 기지 경도

(혹은 강도)를 향상시키는 것으로 보이나, 열처리 특히, 용체

화 처리는 그 효과를 감소 혹은 소멸시키는 것으로 판단된다.

이를 확인하기 위하여 T6 열처리 후 인장시험을 수행하였고

그 결과를 그림 10에 나타내었다. T6 열처리 후 비교재의 최

대인장강도는 299 MPa, 항복강도는 251 MPa, 연신율은

3.6%로 나타났고, 초음파 용탕 처리재의 최대인장강도는

312 MPa, 항복강도는 259 MPa, 연신율은 3.7%로 초음파 용

탕 처리에 의한 인장 특성의 변화가 크게 나타나지 않았다.

이로써 초음파 용탕 처리한 합금의 강도에 지배적인 영향을

미치는 인자가 금속간 화합물임을 확인할 수 있었으며, 앞서

언급한 바와 같이 초음파 용탕 처리에 의한 금속간 화합물 분

율의 감소 효과가 용체화 처리에 의해 상쇄되어 부피분율이

비슷한 수준을 나타냄에 따라 나타난 결과로 판단된다. 더불

어, 535 ℃의 용체화 처리 온도가 비교재 내 비교적 많은 양

의 금속간 화합물을 분해하고 용질 원소를 고용시키는데 충

분한 온도이기 때문에[19,20] 결국 초음파 용탕 처리한 합금

과 비교재의 용질 원소 고용도가 거의 같아지는 것으로 보이

며 차후 시효석출 시 형성되는 석출물의 양과 형태가 거의 같

아졌기 때문에 기계적 특성의 차이가 감소하여 나타난 것으

로 판단된다.

본 연구에서 초음파 용탕 처리에 의한 주조 직후의 경도와

인장강도 및 항복강도의 상승은 초정 α-Al 상의 구상화나 공

246 대한금속･재료학회지 제55권 제4호 (2017년 4월)

정 Si의 미세화 효과 없이 금속간 화합물의 부피분율이 감소

함에 따라 상승하였고, T6 열처리 후에는 용체화 처리에 의해

비교재와 초음파 용탕 처리재의 금속간 화합물의 부피분율

격차가 감소하면서 최대인장강도와 항복강도의 격차 역시 감

소하여 나타났다. 이를 고려하면 700-750 ℃의 온도 구간에서

A356 합금의 초음파 용탕 처리에 의한 기계적 특성의 향상은

합금 조직의 미세화에 의한 것이 아닌 금속간 화합물의 부피

분율 감소 및 용질 원소의 기지 고용도 증가에 의한 것이라 제

안할 수 있다. 즉, 초음파 용탕 처리 시 기지 내 고용된 Mg/Si

용질 원소 증가에 따른 고용강화 혹은 클러스터(cluster) 강화

가 강도 증가에 가장 중요하게 작용하였을 것이라고 판단된

다. 현재, 이러한 초음파 용탕 처리시킨 A356 합금의 각각의

미세조직적인 인자에 대하여 정량적인 강도 기여도를 평가하

고 있으며, 주요 강화기구 규명을 위한 연구를 수행하고 있다.

4. 결 론

700-750 ℃ 의 온도구간에서 초음파 용탕 처리한 A356 합

금의 미세조직과 기계적 특성에 관한 연구를 통해 얻은 결론

은 다음과 같다.

1) 초음파 용탕 처리 시 초정 α-Al 상의 구상화나 공정 Si

의 미세화는 나타나지 않았으나 금속간 화합물의 부피분율

이 감소하였고, 특히 π-Al8FeMg3Si6 상의 분율이 감소하는

대신 β-Al5FeSi 상의 분율이 증가하였다.

2) 초음파 용탕 처리 시 주조 직후(as cast)의 기지 경도가 증

가하였고 최대인장강도 및 항복강도와 상승하였는데 이는 합

금 조직의 미세화 없이 초음파 용탕 처리에 의한 금속간 화합

물의 부피 분율 감소 및 생성상의 변화와 동반하여 나타났다.

3) T6 열처리 시 초음파 용탕 처리재와 비교재의 금속간

화합물의 부피분율이 비슷한 수준을 나타냄에 따라 최대인

장강도와 항복강도 역시 비슷한 수준을 나타내었다.

감사의 글

본 연구는 한국기계연구원 부설 재료연구소 주요사업(과제

번호:PNK4711)의 지원으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

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