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.
Table 1
The chemical composition of studied Al-Si alloys.
| Alloy | Al | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Ni |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Al-1Si | Bal. | 1.0 | 0.09 | 0.013 | 0002 | 0.012 | 0.007 |
| Al-6Si | Bal. | 6.4 | 0.11 | 0.005 | 0.005 | 0.008 | 0.007 |
| Al-9Si | Bal. | 9.4 | 0.13 | 0.007 | 0.009 | <0.01 | 0.007 |
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.
Fig. 2
Optical micrographs of as cast specimens: (a) Al-1Si alloy, (b) Al-6Si alloy and (c) Al-9.5Si alloy.
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)
Fig. 4
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.
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.
Fig. 6
The difference of thermal diffusivity between SST and aged Al-Si alloys with increase Si contents
