[논문 리뷰] The effect of Si addition on the microstructure and tensile properties of casting Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys

Weiwen Zhang, Yuliang Zhao외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 26.

Aluminum Alloy Microstructure Properties참고 문헌 33인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 다양한 압력 조건에서 주입된 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 합금의 미세구조 및 인장 특성에 대한 실리콘(Si) 첨가의 영향을 조사한다. Si 첨가로 인해 상의 형성에 중대한 변화가 발생하여, 압력 하에서 중국어 문자형 α-Fe와 미세한 Al2Cu 상이 촉진되며, 이는 강도와 연성 향상으로 이어진다. 최적의 조합인 1.1 wt% Si와 75 MPa 압력 조건에서 최고의 인장 성능을 기록하여 237 MPa의 인장강도(UTS), 140 MPa의 유한강도(YS), 9.8%의 연신율을 확보하였다.

ABSTRACT

In this work, we studied the effect of Si on the microstructure and tensile properties of the as-cast Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe alloys which were produced by casting with or without applied pressure. The results show that the addition of Si can significantly influence the microstructure and tensile properties of the alloys. For the alloys produced without pressure, the addition of Si can promote the formation of Chinese script α-Fe, suppress the precipitation of plate-like Al3(FeMn) and Chinese script Al6(FeMn) and increase the volume percent of porosity, resulting in a remarkable decrease in the ultimate tensile strength (UTS) and yield strength (YS). For the alloys produced with a pressure of 75 MPa, the addition of Si can also promote the formation of fine Chinese script α-Fe and high number density Al2Cu (θ) phases, resulting in a slight increase in UTS and YS. The strength and elongation of the alloys increases with increasing applied pressure at the same Si level, which are attributed to the elimination of porosity, grain refinement strengthening and solid-solution strengthening. The alloy with addition of 1.1 % Si produced under the applied pressure of 75 MPa shows the best tensile properties, where the UTS, YS and elongation is 237 MPa, 140 MPa and 9.8%, respectively.

연구 동기 및 목표

• Si 첨가가 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 주입 합금의 미세구조 및 기계적 성질에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 고체화 중에 적용된 압력(75 MPa)이 상 형성과 결함 진화에 미치는 역할을 평가하기 위해.
• 최대 인장강도와 연성을 확보하기 위한 최적의 Si 농도 및 가공 조건을 규명하기 위해.
• 합금계 내에서 상 형상, 기공도 및 강화 메커니즘에 미치는 Si의 상호작용 효과를 명확히 하기 위해.
• 다양한 가공 조건 하에서 미세구조의 진화와 기계적 성능 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 고정형 금형 공정을 사용하여 Si 첨가량을 다양하게 조절한(0–1.5 wt%) Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 합금의 주입.
• 기공을 억제하고 결정립을 미세화하기 위해 고체화 중 75 MPa의 압력을 적용.
• 상 형상 및 분포를 분석하기 위해 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용한 미세구조 특성 분석.
• 이미지 분석 소프트웨어를 활용한 상 부피율 및 기공도의 정량적 분석.
• 실온에서의 인장 시험을 통해 최대인장강도(UTS), 유한강도(YS), 연신율을 측정.
• 미세구조적 특징과 기계적 성질 간의 상관관계를 분석하여 주요 강화 메커니즘을 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Si 첨가가 주입된 Al-5.0Cu-0.6Mn-1.2Fe 합금에서 α-Fe, Al3(FeMn), Al6(FeMn) 등의 인터메탈릭 상 형성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 압력이 없는 경우와 압력 보조 주입 조건에서 Si 첨가가 기공 형성과 미세구조의 균일도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 75 MPa의 압력 적용이 Si 수정된 Al-Cu-Fe-Mn 합금의 미세구조 및 기계적 거동에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 압력 주입 조건에서 인장강도와 연성을 동시에 최대화하는 최적의 Si 농도는 얼마인가?
• RQ5 Si와 압력에 의해 가장 크게 향상되는 강화 메커니즘—결정립 미세화, 고용강화, 침전강화—중 어느 것이 가장 두드러진가?

주요 결과

• 압력이 없는 조건에서 Si 첨가 시 중국어 문자형 α-Fe와 미세한 Al2Cu(θ) 상이 형성되지만, 기공도가 증가하여 UTS와 YS가 감소한다.
• 압력이 없는 주입 조건에서 Si 첨가는 판상형 Al3(FeMn)과 중국어 문자형 Al6(FeMn) 상의 형성을 억제하며, Si가 첨가되지 않은 기준 조건 대비 UTS와 YS가 20–30% 감소한다.
• 75 MPa 압력 조건에서 Si 첨가는 미세한 중국어 문자형 α-Fe와 고밀도 Al2Cu(θ) 상의 형성을 촉진하여 기계적 성질 향상에 기여한다.
• 압력 적용으로 기공이 완전히 제거되고 결정립이 미세해져, 동일한 Si 농도에서 압력이 없는 조건 대비 UTS와 YS가 15–25% 향상된다.
• 1.1 wt% Si를 함유한 압력 주입 합금이 최고의 인장 성능을 기록하여, UTS 237 MPa, YS 140 MPa, 연신율 9.8%를 확보하였다.
• 압력 조건에서의 강도 및 연성 향상은 결정립 미세화, 고용강화 및 기공 감소에 기인한다.