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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.30 No.9 pp.474-479
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2020.30.9.474

Effect of Precipitation and Dissolution of Si on the Thermal Diffusivity in the Al-Si Alloy System

Yumi Kim, Youngchan Kim, Seweon Choi†
Korea Institute of Industrial Technology, Gwangju 61012, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : choisw@kitech.re.kr (S.-W. Choi, KITECH)
July 9, 2020 August 13, 2020 August 13, 2020

Abstract


The effect of precipitation and dissolution of Si on the thermal diffusivity in the Al-Si alloy system is reported in this study and solution heat treatment followed by aging treatment is carried out to determine the effects of heat treatment on the thermal characteristics. The solution treatment is performed at 535 ºC for 4 and 10 h and then the specimens are cooled by rapid quenching. The samples are aged at 300 ºC for 4 h to precipitate Si solute. The addition of 9 wt% silicon contents makes the thermal diffusivity decrease from 78 to 74 mm/s2 in the cases of solid solution treated and quenched samples. After quenching and aging, the Si solute precipitates on the Al matrix and increases the thermal diffusivity compared with that after the quenched state. In particular, the increase of the thermal diffusivity is equal to 10 mm/s2 without relation to the Si contents in the Al-Si alloy, which seems to corresponded to solute amount of Si 1 wt% in the Al matrix.



열처리를 통한 Si 고용 및 석출 반응이 Al-Si 합금의 열확산도에 미치는 영향

김 유미, 김 영찬, 최 세원†
한국생산기술연구원

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    © Materials Research Society of Korea. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    Al은 순수 금속 중 귀금속과 Cu를 제외하면 가장 높 은 열전도도를 가지며,1) Cu에 비해 가격이 싸고, 주조 성 및 성형성이 우수해 주로 복잡한 형상을 갖는 방열 판 제작에 용이하다.2,3) 이러한 장점 때문에 Al은 전자 제품, 자동차 부품 등 다양한 산업에서 방열 부품용 소 재로 사용되고 있다. 부품의 방열특성은 소재의 열전도 도에 비례하여 결정된다. 일반적으로 재료의 열전도도는 순도가 높을수록 우수하나,2,4) 공업용 순 Al은 합금에 비 해 강도와 인성이 낮아 산업분야에 직접 적용이 어렵 다. 산업용 Al 합금은 주조재와 전신재로 구분되며, 주 조용 Al 합금에는 용탕의 유동성 향상을 위한 첨가원소 로 Si를 많이 사용한다. Al 합금에서 Si는 Al과 반응성 이 없어 주조 시 금속간화합물을 형성하지 않고 순수한 Si 결정으로 정출하며, 정출 과정에서 방출되는 응고 잠 열이 Al 용탕의 유동성 향상에 기여하게 된다.5) 또한, Si상은 Al-Si 합금의 Al 합금의 경도와 인성 증가에 기 여하며, 용체화 처리를 통해 구상화 되면서 강도 향상 효과가 증대된다.6,7) Al-Si 2원계 상태도8)에 따르면 열처 리 중 고용되는 Si의 최대 고용도는 530 °C 에서 약 1 wt%이다. Si 원자는 용체화 처리 중 Al 격자에 치환 형 고형체로 고용되며, 300 °C 이상에서 석출한다고 알 려져 있다.9)

    이처럼 Al-Si 합금에서 Si는 다양한 합금 특성에 영향 을 미치며, 이는 다원계 Al-Si 합금의 물성을 예측하는 기초 자료로서 중요하다. 특히, 주조용 방열 합금 설계 를 위해서는 주조용 Al 합금에 Si 첨가 또는 용체화 처 리 중 발생하는 Si 고용 및 석출이 합금의 열전도도에 미치는 영향에 대해 정량적으로 규명하는 것이 매우 중 요하나 그런 연구가 거의 이루어 지지 않고 있다. 따라 서 본 연구에서는 Si의 첨가량과 열처리에 의한 고용과 석출 거동이 Al-Si 합금의 열확산도에 미치는 영향을 연 구하여 열처리를 통한 Al-Si 합금의 열확산도 및 열전 도도 제어 방안에 대해 제시하고자 한다.

    2. 실험방법

    2.1 시편 제조 및 열처리

    Al-Si 합금은 99.97 % pure Al과 98.5 %의 Si 펠릿을 이용하여 중력주조로 제조하였다. 주조 중 용탕 내 산 화물을 제거하기 위해 750 °C에서 15분 간 아르곤가스 (99.9 %)를 이용하여 탈 가스 처리(gas bubbling filtration, GBF)를 실시한 뒤, 15분 간 안정화시켰다. 안정화 처리 후 730(± 5) °C로 유지한 용탕은 95(± 5) °C로 예열된 금 형에 주조하였다. 주조한 Al-Si 합금의 자세한 성분은 Table 1에 나타내었다.

    Al-Si 합금에서 Si를 고용 및 석출 시키기 위해 열처 리를 실시하였다. Si를 고용시킨 과고용체 시편은 530 °C 에서 4시간 또는 10시간 동안 용체화 처리하고 액체 질 소(-196 °C)에 담금질하여 제작하였다. Si 석출은 과고용 체 시편을 300 °C에서 4시간 동안 시효처리 후 노냉하 였다. Al-Si 합금의 열처리 공정 모식도는 Fig. 1에 나 타내었다.

    2.2 미세조직 및 열분석

    미세조직은 관찰용 시편은 SiC와 다이아몬드 서스펜션 으로 경면 연마하여 0.1 % NaOH 수용액으로 에칭하였 다. 주조 시편은 표면 관찰 후 용체화 처리하고, Si 분 해 정도를 확인하기 위해 추가로 과애칭을 실시하였다. 과애칭 시편에서 Si 상 주사전자현미경을 이용하여 관찰 하고, 공정 Si의 종횡 비는 i-solution 소프트웨어를 이 용하여 측정하였다.

    열분석은 열량분석, 열확산도 측정을 실시하였다. 열량 분석은 과고용체인 Al-Si 합금의 Si 석출 온도를 확인하 기 위해 과포화 고용체 상태의 Al-Si 합금들을 열 유속 (heat flux)형 시차주사 열량계(DSC 404 F1, NETZSCH) 를 사용하였다. 열량분석용 시편은 지름 6 mm, 두께 1 mm로 준비하였다. 시편은 백금-라듐 합금 도가니를 이 용하여 25 ~ 530 °C 온도 범위에서 분석되었다. 분석 시 가열 속도는 10 °C/min, 가열로 내 분위기는 고순도 질 소 가스(99.999 %)로 유지하였으며, 표준 시편은 비어있 는 백금-라듐 도가니를 사용하였다. 열량곡선에서 발열반 응은 상의 석출 또는 형성, 흡열반응은 상의 용해 또는 분해를 의미한다.10,11)

    Al 합금의 열전도도에 대한 평가는 열확산도 값으로 대 체하여 비교하였다. 열전도도는 열확산도, 비열, 밀도의 곱으로 계산된다. 열확산도를 제외한 비열과 밀도는 Al 합금계에서 거의 유사한 값을 갖는 물리적 특성이나, 열 확산도는 금속의 미세조직이나 구조에 따라 변화하므로 열처리에 의한 열전도도를 결정하는 중요한 인자이다. 각 시료의 열확산도는 섬광법(laser flash analysis, LFA)으 로 측정하였다. LFA 장비는 Netzsch사의 LFA 457모델 이며 열확산도 시편은 지름 12.7 mm, 두께 2.5 mm로 제 작하였으며, 측정 중 시편과 장비의 산화를 막기 위해 불활성 가스(99.999 % N2)를 분당 100 ml의 유량으로 공 급하였다.

    3. 결과 및 고찰

    A1-1Si, Al-6Si, Al-9Si 합금의 중력주조 직 후 미세조 직을 Fig. 2에 나타내었다. Si 함량이 높은 시편일수록 공정 Si 상의 분율이 증가하며, 주조 조직에서 흔히 관 찰되는 수지상 조직이 넓게 분포하고 있다. 상대적으로 Si 함량이 적은 Al-1Si 합금에서 Si 상은 짙은 회색의 작은 점의 형태로 존재하였다. 세 시편의 미세조직에서 공통적으로 밝은 회색의 상이 함께 관찰되는데, 이 상 은 AlFeSi 3원계 화합물로, Al 합금에 불순물로 존재하 는 Fe와 Al, Si가 결합하여 생성되는 Al-Si 합금계의 대 표적인 금속간 화합물 상이다. Fig. 2에 화살표로 AlFeSi 화합물을 표시하였다.

    주조 직 후 세 시료의 열확산도 결과는 Fig. 3과 같 다. 각 시편의 열확산도는 Si 함량이 증가 함에 따라 77.1, 75.5, 74.5 mm/s2로 감소하였다. 공업용 순 Al의 열확산도가 93 mm/s2인 것과 비교하면 Si 첨가에 의해 약 18 ~ 20 %의 열확산도가 감소하였다. 일반적으로 순 수 금속에 첨가되는 합금 원소는 순수 금속의 원자와 크 기, 질량 등이 다르기 때문에 모재의 격자를 변형 시켜 열의 전달을 방해하는 것으로 알려져 있다.1) Al-Si 합금 에서 Si도 불순물로 작용하여 Al 열 확산을 방해하므로 Si 첨가량 증가에 따라 열확산도 감소량이 증가하였다.

    주조 시편에서 Si 고용 시키기 위해 용체화 및 담금 질을 실시 하였다. 용체화 처리 중 Al-Si 합금에서는 Si 의 고용뿐 아니라 공정 Si 상의 분해 및 구상화와 주조 응력의 제거 등 다양한 반응이 동시에 발생한다.5) 열처 리 후 과고용체 상태의 Al-Si 합금에서 공정 Si 상의 분 해를 관찰하기 위해 과에칭한 시편을 주사전자현미경으 로 관찰한 사진을 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 주 조 후 정출되어 있던 공정 Si 상이 용체화 처리를 통해 3차원적으로 분해되고 구상화 된 것을 확인 할 수 있다. 열처리에 의한 정출상의 구상화 정도는 Si 상의 종횡비 변화를 통해 확인 할 수 있다. 공정 Si 상의 분율이 가 장 많은 Al-9Si 합금의 용체화 시간에 따른 종횡비를 측 정하고, 그 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 용체화 시간이 길어질수록 구상화가 진행되어 공정 Si 상의 종횡비는 더 작아졌다. 주조 직 후 11이었던 종횡비에 비교하여 용 체화 10시간 이후 종횡비는 5가 되어 50 % 이상 감소 하였다. Si 상은 평면에서 침상으로 관찰되지만 실제로 는 3차원적으로 연결된 복잡한 형상을 가지고 있다. 용 체화와 같은 고온 열처리 시 공정 Si 상에서 Si 원자의 계면 확산이 발생한다. Al의 결정립에 존재하는 Si 상 은 표면적이 적을수록 에너지 적으로 안정되므로, Si의 확산은 표면적을 줄이는 방향으로 진행된다. 열처리 시 간이 길어지면 그림 4와 같이 Si 상의3차원적 연결이 끊 기며 종횡비가 감소하게 되고 용체화 시간이 증가할수 록 종횡비는 1로 수렴한다.12)

    용체화 처리 후 과고용체 상태인 Al-Si 시편들의 열 확산도 분석 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 그리고 비교 를 위해 용체화 처리 후 300 °C에서 4시간 시효하여 Si 를 석출시킨 Al-Si 시편들의 열확산도를 함께 나타내었 다. 두 경우 모두 Si 함량이 증가함에 따라 열확산도가 전반적으로 감소하며 Fig. 3와 같은 경향을 보였다. 과 고용체 상태의 열확산도 값은 Si 함량 증가에 따라 각 각 78.8, 75.7, 74.3 mm/s2로 나타나 주조 시편의 열확 산도와 큰 차이가 없었다. 일반적으로 Si가 고용되면 열 전달에 기여하는 자유전자의 이동이 방해를 받기 때문 에 열확산도 및 열전도도는 저하하는 것으로 알려져 있 다.1) 그러나 주조 시편을 용체화 하는 과정에서 주조 응 력 및 편석이 제거되거나 공정 Si가 분해되는 현상이 열 확산도 및 열전도도를 향상시켜13,14) 결과적으로 큰 변화 가 없는 것으로 판단된다. 반면, 용체화 시편을 시효처 리 한 시편의 열확산도는 Si 함량 증가에 따라 88.9, 85.6, 84.3 mm/s2로 용체화 직 후 열확산도에 비해 증가 하였다. 시효처리 한 시편의 열확산도와 순수 Al 합금 의 열확산도(93 mm/s2)를 비교하면 각 각 4.1, 7.4, 8.7 mm/s2의 열확산도가 하락 한 것을 알 수 있다. 열확산 도 하락치는 구상화 된 Si상과 석출된 Si 상에 의한 영 향으로 추측할 수 있다. 용체화 후 열확산도와 비교하 면, 시효로 인한 열확산도 증가량은 시편의 종류와 상 관없이 약 10 mm/s2로 동일하게 나타났다. 약 10 mm/s2 의 열확산도 차이는 고용된 Si의 함량과 연관성이 있다 는 사실을 유추할 수 있다. 용체화 처리한 530 °C에서 Si 최대고용도가 1 wt% 인 것과 합금 종류에 상관없이 유사한 열확산도 차이를 갖는 것을 고려하면, Al에 1 wt%의 Si고용에 의해 10 mm/s2의 열확산도가 하락하는 일정한 관계를 갖는 것으로 보인다. 시효에 의한 Si의 석 출은 다양한 논문에서 확인되었다. Buha 등은 3DAP 프 로그램을 이용하여 Al-Si-Mg-Cu 합금의 시효처리 중 Si 석출이 발생하였음을 확인하였다.15) 열확산도 차이가 석 출과 고용만에 의한 결과임을 확인하기 위해 시효를 통 해 Si의 석출이 완전히 진행되었는지 검토할 필요가 있 다. 시차주사열량계로 시효 전/후 Al-1Si 시편의 열량 분 석을 실시하였고 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 용체 화 처리된 Al-1Si 합금의 열량 곡선에서는 약 360 °C에 서 발열 반응이 나타났으나 시효 처리한 시편의 열흐름 곡선은 발열 반응이 나타나지 않았다. 용체화 시편에서 나타난 발열 반응은 Si 의 석출 반응으로 볼 수 있으며, 이러한 반응 온도 또는 형태는 Si 상의 석출에 대한 여 러 연구들의 주장과 일치한다.9,16,17) 시효 후 시편은 열 량곡선에 발열 반응이 나타나지 않았다. 이는 시효 중 용질의 석출이 마무리 되었고 석출 할 수 있는 잔존 용 질이 거의 없다는 사실을 보여준다. 시효 후 미세조직 을 관찰한 Fig. 8에서도 공정 Si 상 외에 결정립 내부 에 다량의 미세한 Si 석출상을 확인 할 수 있다. Al- 1Si 시편의 시효 후 미세조직에서는 공정 Si 상 대신 결 정립을 따라 존재하는 AlFeSi 상도 함께 관찰되었다. AlFeSi상은 금속간화합물 상으로 용융점이 높아 용체화 후에도 여전히 기지 조직에 존재한다. 석출된 Si 상의 존 재와 열량곡선을 통해 시효 후 노냉 된 Al-Si 합금의 Si 석출이 완전히 발생함을 알 수 있다.

    4.결 론

    Al-Si 합금에서 Si 함량 조절과 열처리를 통한 Si고용 및 석출 반응이 열확산도 변화에 미치는 영향을 연구하 여 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • (1) Al-Si 합금에서 Si 첨가량 증가는 열처리의 종류 에 상관없이 열확산도를 감소시켰다

    • (2) Al-Si 합금의 Si 함량이 1, 6, 9 wt% 로 증가하면 서 용체화 후 열확산도는 78.8, 75.7, 74.3 mm/s2로 감소 하였으며, 시효를 통해 Si 석출시킨 후에도 88.9, 85.6, 84.3 mm/s2로 감소하는 경향을 보였다

    • (3) Si 함량과 상관없이 용체화 처리를 통해 Al에 1 wt% Si가 고용되면 석출된 상태에 비해 약 10 mm2/s의 열확산도를 하락이 발생한다.

    Acknowledgements

    This study was supported by a research program on the development of convergent manufacturing technology for IE4-classelectricmotorsfundedbythe Ministry of Trade, Industry and Energy (MTIE), Republic of Korea.

    Figure

    MRSK-30-9-474_F1.gif

    Schematic temperature vs. time plot showing both solid solution and aging treatment.

    MRSK-30-9-474_F2.gif

    Optical micrographs of as cast specimens: (a) Al-1Si alloy, (b) Al-6Si alloy and (c) Al-9.5Si alloy.

    MRSK-30-9-474_F3.gif

    The thermal diffusivity changes of as-cast Al-Si alloys with Si contents

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    Scanning electron micrograph of silicon particle on the deep etched Al matrix after SST and quenching: (a) as cast, (b) after SST 4 h and (c) after SST 10 h at 530 °C.

    MRSK-30-9-474_F5.gif

    Aspect ratio of as-cast Al-9Si alloys and change with increasing holding time at 530 °C.

    MRSK-30-9-474_F6.gif

    The difference of thermal diffusivity between SST and aged Al-Si alloys with increase Si contents

    MRSK-30-9-474_F7.gif

    Heat flow Curves of Al-1Si alloys: (a) SST sample and (b) Aged sample. Peak A corresponds to Si precipitation.

    MRSK-30-9-474_F8.gif

    Scanning electron micrographs of the precipitated silicon particles after solid solution treatment (SST) and aging for 4h at 300°C: (a) Al-1Si and (b) Al-9Si

    Table

    The chemical composition of studied Al-Si alloys.

    Reference

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