1. 서 론

알루미늄 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 높은 내식 성으로 인해 항공 우주, 자동차 및 전자부품 등 광범위한 산업 분야에 응용되고 있다[1, 2]. 알루미늄 합금이 적용되 는 다양한 산업 분야 중 경량 프레임 제품은 외부 충격에 대비한 고강도 및 경도가 필요하며, 고밀도화 및 사용자의 편의성을 고려한 치수 정밀도, 내부 결함 제어가 필요하다 [3-5]. 하지만 프레임 제품은 기존의 CNC 기반의 절삭 가 공이나 복잡한 공정으로 제조되기 때문에 낭비되는 재료 가 많고, 불량률 상승 등의 문제가 있다. 이에 따라 금속 3D 프린팅 제조 기술을 통하여 제조 공정의 단순화, 조형 의 자유도 향상, 복잡한 형상 구현 및 경제성 강화가 기대 되고 있다[6].

3D 프린팅 공정을 통해 부품 및 소재를 제조하기 위해 서 분말, 액체, 고체의 특정 물질이 사용되며, 다양한 소재 로부터 복잡한 형상 구현 및 정밀한 생산이 가능하다. 하 지만 니켈 및 철 합금에 비하여 알루미늄 합금에 관한 연 구가 부족한 실정이다[7]. 레이저를 이용하는 3D 프린팅 공정에서 분말의 유동도는 매우 중요한 특성이며, 분말의 평균 입도 변화에 따른 물성 변화 데이터 확보 및 해석 연 구가 필요한 상황이다[8].

급속응고는 조직의 미세화, 고용한 증가 및 우수한 성능 을 가진 과공정 합금을 제조하기 위한 효율적인 방법이다. 가스아토마이저 공정은 합금 분말을 제조하기 위한 확립 된 급속 응고 기술이다. 가스아토마이저 공정을 이용한 분 말제조는 균질성과 대량 생산 가능성을 제공하고, 분말입 도 미세화, 기존 공정들에 비해 우수한 기계적 특성을 가 지고 있어 항공, 자동차, 전자기기 및 3D 프린팅 등 다양 한 산업에 응용이 가능하다[9]. 하지만, 평균 입도 50 μm 이하의 알루미늄 합금 분말의 경우 수입의존도가 높아 이 를 대체 할 수 있는 공정 기술개발이 필요한 실정이다[10].

따라서 본 연구는 modified A6013-3wt.%Si-xTiC(x=0, 0.1, 0.5 및 0.9 wt.%) 합금을 설계하였고, 가스아토마이저 공정을 이용하여 A6013 분말을 제조하여, 유압프레스 압 분 공정을 통해 T iC 첨가량에 따른 압출 빌렛을 제조하였 다. 이후 압출을 통해 압출 성형체를 제조하였으며, 레이 저를 표면에 조사하여 침투 깊이 및 미세조직 거동을 분 석하였다.

2. 실험방법

고열전도도 및 열적 안정성을 가지는 합금 개발을 위해 modified A6013(Al-0.8Mg-0.6Cu-0.2Mn, wt.%)-3wt.%Si 합금을 선정 후 가스아토마이저 공정을 이용하여 분말을 제조하였다. 제조 된 T iC 분말을 0.1, 0.5 및 0.9 wt.% 혼 합 후 압출 공정을 통해 성형체를 제조하여 T iC 분말 첨 가량에 따른 변화를 분석하였다.

합금 분말 제조를 위해 사용된 가스아토마이저 장치는 상하부 챔버의 진공유지 상태에서 아르곤 가스 분위기를 퍼지 하여 용해 후 알루미늄 합금 분말이 제조되도록 설 계되었다. 분사부의 턴디쉬(tundish) 도가니 하부에 4mm 직경의 오리피스(orifice)를 장착하여 하부 챔버로 균일한 용탕이 유출 되도록 설계되었다.

Modified A6013-3 wt.%Si 합금을 선정 후 분말 제조를 수행하기 위해 상부 챔버 내 주도가니에 합금 설계 모합 금을 장입하고, 상하부 챔버 내부를 10⁻³ 진공에서 대기압 까지 아르곤 가스 분위기로 유지하였다. 고주파를 이용하 여 용해 된 모합금은 용탕 온도 1,000°C에서 주도가니를 틸팅하여 800°C로 예열시킨 턴디쉬 도가니에 유입 후 10 bar 가스압력으로 아르곤 가스를 분사하여 알루미늄 합금 분말을 제조하였다.

제조 된 modified A6013-3wt.%Si 합금 분말에 2~5 μm 입도를 가지는 T iC를 0.1, 0.5 및 0.9 wt.% 혼합하였다. 그 림 1은 합금분말을 이용한 압출 빌렛 제조 공정을 나타낸 다. 외경 Ø 70, 내경 Ø 33를 가지는 알루미늄 캔에 분말 을 장입하여 유압프레스 압분 공정을 통해 압출 빌렛을 제조하였다. TiC 첨가량에 따른 성형체 제조를 위해 압출 기 공정을 이용하여 빌렛 온도 500°C, 다이스 온도 300°C 및 2.4 m/min의 속도로 Ø 22 직경을 가지는 봉상 압출 성 형체를 제조하였다.

제조 된 분말 및 압출 성형체의 미세조직 분석을 위해 FE-SEM(field emission scanning electron microscopy), EDS(energy dispersive spectroscopy) 및 EBSD(electron backscatter diffraction) 분석을 실시하였다. TiC 첨가에 따 른 시편의 전기전도도를 측정하였고, 3D 프린팅 적합성을 평가하기 위해 1.0 kW 출력의 레이저를 표면에 조사하여 미세조직 변화 및 침투 깊이에 관한 영향을 분석하였다.

3. 결과 및 고찰

그림 2는 가스아토마이저 공정을 이용하여 제조된 modified A6013-3wt.%Si 합금 분말의 FE-SEM 및 EDS 결과를 나타낸다. 그림 2(a)는 분말의 형상 및 크기를 나 타내었으며, 제조된 분말은 구형으로 평균 입도는 73.03 μm를 가지며, 분말 단면에 흰색을 가지는 금속간화 합물이 관찰되었다. 그림 2(b)의 분말 단면의 EDS 결과를 바탕으로 Al 기지 영역은 95.5wt.%Al-4.5wt.%Si로 나타났 고, Si rich 영역은 91.76wt.%Al-8.24wt.%Si로 구분되어 있음을 확인하였다.

Fig. 1

Schematic diagram of the pressure process.

Fig. 2

SEM image of the gas-atomized A6013-3wt.%Si alloy.

그림 3은 압출 공정으로 제조 된 modified A6013-3 wt.%Si-xTiC(x= 0, 0.1, 0.5, 0.9 wt.%) 합금의 미세조직을 나타내었다. 압출 된 modified A6013-3 wt.%Si-xTiC 합금 의 미세구조는 Al 매트릭스 및 다각형의 Si 입자로 구성 되었다. 그림과 같이, TiC의 함량이 증가함에 따라 Si 입 자의 분율은 증가하였으며, 0.9 wt%.TiC 첨가 합금에서는 Ti 입자가 분포함을 확인하였다.

Fig. 3

SEM image of the as-extruded (a) A6013-3wt.%Si, (b) add 0.1, (c) add 0.5, (d) add 0.9 wt.%TiC.

Modified A6013-3 wt.%Si 합금의 T iC 첨가에 따른 미세 조직 특성을 관찰하기 위해 EBSD 분석을 실시하였으며, inverse pole figure를 그림 4에 나타내었다. TiC 첨가량이 0, 0.1, 0.5 및 0.9 wt.% 증가됨에 따라 평균 결정립 크기 는 12.5, 13.9, 10.8 및 10.0 μm로 감소하는 경향을 확인하 였다. 분산된 T iC 입자가 열간 압출 동안 동적 재결정화 에 기인하여 결정립이 감소한 것으로 판단된다.

Fig. 4

EBSD IPF image of the as-extruded (a) A6013-3wt.%Si, (b) add 0.1, (c) add 0.5, (d) add 0.9 wt.%TiC.

제조 된 modified A6013-3 wt.%Si-xTiC 합금 분말 성형 체의 전기전도도를 측정하였으며, 그림 5에 나타내었다. TiC 첨가량이 0, 0.1, 0.5 및 0.9 wt.%로 증가됨에 따라 전 기전도도는 47.9, 50.6, 50.9 및 48.4%IACS로 0.5wt.%TiC 이하의 첨가에서 증가하는 경향을 보이고, 0.9wt.%TiC 첨 가 합금에서 감소하는 경향을 확인하였다. 전기전도도는 전도성 입자의 첨가량뿐만 아니라 입자의 크기 및 분포에 크게 영향을 받는다고 보고되고 있다. 이중 입자의 크기와 분포가 중요한 인자이며, 첨가량이 적을 지라도 미세한 입 자들이 매트릭스 내에 균일하게 분산되었을 때 양호한 전 기전도도를 나타낸다. 반면 첨가한 입자가 크면 응집에 의 해 전도성 입자들의 고리가 끊긴다든지 매트릭스와 전도 성 입자 사이의 간격이 크게 되어 전도성이 나빠지는 경 향이 있다[11]. 또한, 전기전도도를 감소시키는 요인은 원 소들이 알루미늄 기지조직에 고용되어 격자 비틀림을 일 으켜 전자 전달을 방해하거나 알루미늄과 쉽게 반응하여 금속간 화합물을 생성하여 전자 전달에 필요한 자유전자 수가 줄어들기 때문이다. 알루미늄 합금에 일정량 이상의 V, Mn, Ti 및 Cr 첨가는 전기전도도를 감소시키는 요소로 알려져 있다[12]. 그림3과 같이 0.9wt.%TiC 첨가 합금에서 Ti 입자 분포함에 따라 전기전도도 감소에 영향을 미치는 것으로 판단된다.

Fig. 5

Electric conductivity of the as-extruded A6013- 3wt.%Si-xTiC (x = 0, 0.1, 0.5, and 0.9 wt.%).

그림 6 및 그림 7은 3D 프린팅 적합성을 평가하기 위해 레이저 출력 1.0 kW 조건에서 T iC 첨가량에 따른 표면 및 단면 변화를 분석하였다. 레이저 출력 1.0 kW 조건에서 표면 변화를 FE-SEM 이미지를 통해 확인하였으며, 그림 6(a)~(d)에 나타내었다. 시료 표면에 레이저 용융띠가 생성 되었으며, TiC 첨가량이 증가됨에 따라 570 μm에서 562 μm로 폭이 감소하는 경향을 보였다. 그림 7(a)~(d)은 A6013-3 wt.%Si-xTiC 합금 분말 성형체의 레이저 출력 1.0 kw 조사에 따른 단면 EBSD 분석 결과를 나타낸다. Modified A6013-3 wt.%Si 합금 분말 성형체의 welding zone 영역에서 조대한 기공이 형성 되었으며, TiC 첨가량 이 증가함에 따라 기공의 크기는 점차 감소하였으며, 0.9 wt%.TiC 첨가 합금에서는 기공이 거의 관찰되지 않았다. 이는 레이저 출력에 의해 형성된 액상 T iC가 기공을 채워 주기 때문으로 사료된다[13]. TiC 첨가량이 0, 0.1, 0.5 및 0.9 wt% 증가함에 따라 합금 분말 성형체의 welding zone 깊이는 140.4, 116.2, 94.2 및 95.7 μm로 감소하였다.

Fig. 6

SEM image at 1.0 kW output of (a) A6013-3wt.%Si, (b) add 0.1, (c) add 0.5, (d) add 0.9 wt.%TiC.

Fig. 7

EBSD IPF image at 1.0 kW output of (a) A6013- 3wt.%Si, (b) add 0.1, (c) add 0.5, (d) add 0.9 wt.%TiC.

4. 결 론

Modified A6013-3 wt.%Si 합금에 TiC(x=0, 0.1, 0.5, 0.9 wt.%) 첨가에 따른 미세조직 변화에 관해 조사한 결과 다 음과 같은 결론을 얻었다.

• 1. 압출 공정으로 제조 된 modified A6013-3 wt.%Si 합 금 분말 성형체의 T iC 첨가량이 0에서 0.9 wt.%로 증가함 에 따라 평균 결정립 크기는 12.51에서 9.95 μm로 감소하 였으며, 이는 분산된 T iC 입자가 열간 압출 동안 동적 재 결정에 기인한 것으로 사료된다.

• 2. Modified A6013-3 wt.%Si 합금에 T iC 첨가량이 0.9 wt.% 일 때 전기전도도는 감소하였으며, Ti 입자가 분포함에 따라 전기전도도 감소에 영향을 미치는 것으로 사료된다.

• 3. 레이저 출력 1.0 kW 조건에서 분말 성형체의 T iC 첨 가량이 높을수록 시료 표면에 레이저 용융띠의 폭은 감 소하였으며, welding zone 영역의 기공 및 깊이가 감소하 였다. 또한, 기공의 크기는 감소하였으며, 레이저 출력에 의해 형성된 액상 T iC가 기공을 채워주기 때문으로 사료 된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 논문은 한국생산기술연구원 기업수요기반생산기술 실용화사업 “스마트 모빌리티 핵심 요소기술 개발(kitech JA-22-0005)”의 지원으로 수행한 연구입니다.

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