Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1225-7591(Print)
ISSN : 2287-8173(Online)
Journal of Korean Powder Metallurgy Institute Vol.27 No.2 pp.139-145
DOI : https://doi.org/10.4150/KPMI.2020.27.2.139

Effect of Sn Addition on Microstructure of Al Alloy Powder for Brazing Process

Yong-Ho Kim, Hyo-Sang Yoo, Sang-Su Na, Hyeon-Taek Son*
Korea Institute of Industrial Technology, Smart mobility material & component R&D group, 6 Cheomdangwagi-ro 208beon-gil, Buk-gu, Gwangju 61012, Republic of Korea
-

김용호·유효상: 연구원, 나상수: 학생, 손현택: 수석연구원


*Corresponding Author: Hyeon-Taek Son, TEL: +82-62-600-6310, FAX: +82-62-600-6149, E-mail: sht50@kitech.re.kr
April 13, 2020 April 22, 2020 April 23, 2020

Abstract


The powder manufacturing process using the gas atomizer process is easy for mass production, has a fine powder particle size, and has excellent mechanical properties compared to the existing casting process, so it can be applied to various industries such as automobiles, electronic devices, aviation, and 3D printers. In this study, a modified A4032-xSn (x = 0, 1, 3, 5, and 10 wt.%) alloy with low melting point properties is investigated. After maintaining an argon (Ar) gas atmosphere, the main crucible is tilted; containing molten metal at 1,000°C by melting the master alloy at a high frequency, and Ar gas is sprayed at 10 bar gas pressure after the molten metal inflow to the tundish crucible, which is maintained at 800°C. The manufactured powder is measured using a particle size analyzer, and FESEM is used to observe the shape and surface of the alloy powder. DSC is performed to investigate the change in shape, according to the melting point and temperature change. The microstructure of added tin (Sn) was observed by heat treatment at 575°C for 10 min. As the content of Sn increased, the volume fraction increased to 1.1, 3.1, 6.4, and 10.9%.



브레이징용 Al 합금 분말의 미세조직에 미치는 Sn 함량의 영향

김 용호, 유 효상, 나 상수, 손 현택*
한국생산기술연구원 스마트모빌리티소재부품연구그룹

초록


    1. 서 론

    알루미늄 합금은 대표적인 경량 소재로써 소형 결량화 에 대한 기술적 요구로 인해 각 부품 적용에 대한 연구 개 발 및 상용화가 지속되고 있으나 알루미늄 합금 분말 제 조에 관한 연구가 부족한 실정이며, 에너지 절약 및 원가 절감을 위해 열교환기의 소형화 및 경량화가 필요하고, 제 조 공정의 단순화가 요구되고 있다[1-4]. 자동차 및 냉장 고, 에어컨의 열교환기 소재가 기존 구리에서 알루미늄합 금으로 대체되고 있는 추세이며, 녹는점이 다른 이종의 알 루미늄 클래드 판재를 물리적으로 접합한 튜브와 핀을 브 레이징 접합하는 방법으로 제조하고 있다. 하지만 브레이 징이 불필요한 영역에서도 클래드 판재가 사용되기 때문 에 원가가 상승되는 문제가 발생된다[5-7].

    브레이징 공정에 분말을 사용하게 되면 불필요한 영역 은 분말을 도포하지 않고 접합 면에만 사용되기 때문에 재료의 낭비를 줄일 수 있다. 또한 금속 용탕을 급속 응고 하게 되면 조직의 미세화, 고용한 증가 및 준안정상의 생 성 등 많은 특성을 얻을 수 있으며 소재의 특성향상을 위 한 연구가 이루어지고 있다. 가스아토마이저 공정을 이용 한 분말제조 공정은 대량생산이 용이하며, 분말 입도가 미 세하고, 기존 주조 공정에 비해 우수한 기계적 특성을 가 지고 있어 자동차, 전자기기, 항공 및 3D 프린터 등 다양 한 산업에 응용이 가능하다. 가스아토마이저 공정은 103~105 k/sec의 냉각속도로 급속 응고 분말을 얻을 수 있 으며 균일하고 미세한 구형의 분말을 제조하기 위한 연구 가 요구되고, 특히 평균 입도 50 μm 이하의 알루미늄 합 금 분말의 경우 수입의존도가 높아 이를 대체 할 수 있는 공정 기술개발이 필요한 실정이다[8-10].

    따라서 본 연구는 저융점 특성을 가지는 modified A4032-xSn(x=0, 1, 3, 5 및 10 wt.%) 합금을 설계하였고, 가스아토마이저 공정을 이용하여 분말을 제조하여 Sn 첨 가에 따른 liquidus 분율 및 미세조직 거동을 조사하였다.

    2. 실험방법

    저융점 특성을 가지는 브레이징용 Al 합금 분말 설계를 위해 열역학적 계산을 위해 Pandat8.0 소프트웨어를 사용 하여 modified A4032(Al-12.5Si-1Mg-1Mn-0.8Fe-0.8Cu- 0.8Ni-0.3Zn, wt.%) 합금을 선정 후 Sn 첨가량 및 온도에 따른 변화를 분석하였다. 설계된 합금 분말 제조를 위해 사용된 가스아토마이저 장치는 상하부 챔버에 진공을 유 지 후 아르곤 분위기로 퍼지 하여 용해 시 산화를 방지하 고, 슬러지 유입 방지 및 출탕 속도를 조절 할 수 있도록 용해부와 분사 부를 분리하였다. 분사부의 턴디쉬(tundish) 도가니 하부에 4 mm 직경의 오리피스(orifice)를 장착하여 하부 챔버로 균일한 용탕이 유출 되도록 설계되었다.

    Modified A4032 합금의 1, 3, 5 및 10 wt.%Sn 원소 첨 가에 따른 브레이징 특성 연구를 수행하기 위해 상부 챔 버 내 주도가니에 합금 설계 모합금을 장입하고, 상하부 챔버 내부를 10−3 진공에서 대기압까지 Ar gas 분위기로 유지 후 고주파를 이용하여 모합금을 용해하여 용탕 온도 1,000°C에서 주 도가니를 틸팅하여 800°C로 유지된 턴디 쉬 도가니에 용탕 유입 후 10 bar 가스압력으로 아르곤 가 스를 분사하여 알루미늄 합금 분말을 제조하였다.

    제조된 분말은 입도 분석기를 이용하여 분말사이즈를 측정하였고, 합금 분말의 형상 및 표면을 관찰하기 위해 FESEM(field emission scanning electron microscopy)를 사용하였고 성분 분석을 위해 EDS(energy dispersive spectroscopy) 분석을 실시하였다. 융점 및 온도변화에 따 른 변화를 알아보기 위해 DSC(differential scanning calorimetry)를 실시하였고, 열처리에 따른 미세조직 특성 변화를 알아보기 위해 유압프레스를 이용하여 Ø10 x 5 mm 크기를 가지는 시료를 제조하여 열처리 하였다.

    3. 결과 및 고찰

    그림 1 및 표 1은 Al-12.5Si-0.8Fe–0.8Cu-0.3Zn-1Mg- 0.8Ni-1Mn(modified Al4032 alloy) 합금을 열역학적 해석 프로그램 Pandat 8.0을 이용하여 Sn 첨가량 변화에 따른 액상 온도 및 분율 변화를 분석한 결과를 나타내었다. Sn 첨가량 변화에 따른 액상 분율 변화는 0.1 wt.%Sn 이하일 때 액상선은 약 528°C, 1 wt.%Sn 일 때 약 518°C로 나타 나지만 5 wt.%Sn 이상일 때 액상선은 약 203°C로 크게 낮 아지는 것을 관찰하였다. 액상 시작점 이상 210°C 온도에 서는 3 wt.%Sn 합금의 액상 분율이 0.2%로 나타났고, 5 및 10 wt.%Sn 첨가량 증가에 따라 0.8 및 2.3%로 분율이 증가하였다. 600°C 온도에서는 모든 합금에서 96% 이상 의 분율이 관찰되었고, 550°C 온도에서 액상 분율은 Sn 첨가량이 1, 3, 5 및 10 wt.% 증가에 따라 26.8, 28.1, 33.0, 41.7 및 59.7%로 크게 증가함을 확인하였다.

    가스아토마이저 공정을 이용하여 제조된 modified Al4032-xSn(x=1, 3, 5, 10 wt.%) 합금 분말의 입도분포를 그림 2 및 표 2에 나타내었다. 메인 챔버 및 미세분말이 포집되는 사이클론 챔버의 분말을 혼합하여 입도를 분석 하였다. Sn 함량 증가에 따른 입도분포는 D(0.1)에서 9.3, 15.0, 13.5, 13.4 μm, D(0.5)는 32.4, 43.1, 43.9, 56.8 μm, D(0.9)에서 94.8, 101.2, 133.5, 168.6 μm로 나타났다. Sn 원소 첨가에 따라 melting point가 낮아지고 이로 인해 과 냉도(△T)가 낮아지면서 응고 구동력(△Gv)은 과냉도에 비례하여 작아지게 되며, 고상반지름은 커지기 때문에 Sn 첨가량 증가에 따라 입도는 증가한 것으로 사료된다.

    그림 3은 제조된 modified Al4032-xSn(x = (a) 1, (b) 3, (c) 5, (d) 10 wt.%) 합금 분말의 전자현미경 사진을 나타 내고 있다. Sn 첨가량 증가에 따라서 분말 표면에 흰색을 가지는 금속간화합물이 관찰되었고, 다수의 위성 분말을 포함하고 있었다. 그림 4는 Sn 첨가에 따른 합금 분말의 단면을 나타내며, 입도 분석 후 평균입도와 비슷한 분말을 선정하여 관찰하였다. Sn 첨가에 따라서 분말 내부에서도 흰색을 가지는 상이 관찰되었고, Sn 첨가량이 1, 3, 5 및 10 wt.%로 증가함에 따라 2차상의 분율이 증가함을 확인 하였다. 그림 4는 제조된 modified A4032-5 wt.%Sn 합금 분말의 EDS 분석을 통하여 그림 5 (a) 전체 영역의 조성 은 Al-11.3Si-6.3Sn(wt.%)으로 나타났고, (b) 영역은 Sn 상 으로 확인되었다.

    제조된 modified Al4032-xSn(x = 1, 3, 5, 10 wt.%) 합금 분말의 DSC 분석을 실시하였고 그림 6 (a)에 나타내었고, peak 반응은 200 및 557°C에서 나타냈다. Sn 첨가에 따른 자세한 피크 시작점을 그림 6 (b) 및 표 3에 나타내었다. Modified A4032 합금의 반응 피크는 557°C로 나타났고, Sn 원소가 1, 3, 5 및 10 wt.% 첨가됨에 따라 541, 531, 532 및 533°C로 낮아짐을 확인하였다. 또한, modified Al4032 합금에 3 wt.%Sn 이상 첨가되면 낮은 온도에서 반 응 피크가 나타나는데, Sn 원소가 3, 5 및 10 wt.% 첨가될 때 피크 시작점이 210, 205 및 200°C로 낮아짐을 확인하 였다. 이는 pandat 분석 시 약 210°C 온도에서 첫 번째 액 상 반응이 생성되는 것과 두 번째 액상 반응이 나오는 온 도와 일치하는 결과를 나타내었다.

    그림 7은 제조된 modified Al4032-Sn(x = (a) 0, (b) 1, (c) 3, (d) 5, (e) 10 wt%) 합금 분말 압분체의 Sn 함량 증 가에 따른 미세조직 변화 및 Sn의 실제 체적분율 변화를 것이다. 그림과 같이, Sn의 함량이 증가함에 따라 목적 함 량에 매우 근접하게 1.1, 3.1, 6.4 및 10.9 vol.%로 증가하 였으며 녹색을 가지는 영역이 Sn 첨가량 증가에 따라 크 게 증가하는 것을 관찰할 수 있다. Sn 영역에서 우선 용 융하여 브레이징 특성을 향상 시킬 수 있을 것으로 사료 된다.

    저 융점 특성을 가지는 modified Al4032-5Sn 합금 분말 의 온도에 따른 미세조직 거동을 알아보기 위해 압분체를 전기로를 이용하여 150, 250, 500, 525, 550, 575 및 600°C 온도에서 10분간 열처리 후 미세조직 변화를 전자현미경 으로 관찰한 사진을 그림 8 및 표 4에 나타내었다. Sn 입 자 크기가 온도 증가에 따라 구상으로 성장함을 확인하였 고, Sn 분율은 2.9, 3.0, 2.3, 2.6, 10.1, 9.5, 9.8 및 9.5 vol.%로 관찰되었다. 525°C 이상의 온도에서 Sn 분율이 약 10 vol.%로 크게 증가함을 확인하였다.

    4. 결 론

    Modified A4032 합금에 Sn(x=1, 3, 5, 10 wt.%) 첨가에 따른 미세조직 및 열처리 거동에 관해 조사한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.

    1. 가스아토마이저 공정을 이용하여 제조된 modified Al4032-xSn(x=1, 3, 5, 10 wt.%) 합금 분말의 입도 D(0.5) 는 Sn 첨가량 증가에 따라 32.4, 43.1, 43.9 및 56.8 μm로 나타났다. Sn 원소 첨가에 따라 melting point가 낮아지고 이로 인해 과냉도(△T)가 낮아지면서 응고 구동력(△Gv) 은 과냉도에 비례하여 작아지게 되며, 고상반지름은 커지 기 때문에 Sn 첨가량 증가에 따라 입도는 증가한 것으로 사료된다.

    2. 제조된 modified Al4032-xSn(x = 1, 3, 5, 10 wt%) 합 금 분말의 단면에서 Sn 첨가량이 1, 3, 5 및 10 wt.%로 증 가함에 따라 Sn 분율이 증가함을 관찰하였고, 575°C 10분 간 열처리 후 Sn 첨가량이 1, 3, 5 및 10 wt.%로 증가함에 분율은 1.1, 3.1, 6.4 및 10.9 vol.%로 크게 증가함을 확인 하였다.

    3. 저 융점 특성을 가지는 modified Al4032-5Sn 합금 분 말의 150, 250, 500, 525, 550, 575 및 600°C 온도에서 10 분 열처리 시 미세조직은 온도 증가에 따라 Sn이 구상으 로 성장하고, 2.9, 3.0, 2.3, 2.6, 10.1, 9.5, 9.8 및 9.5 vol. %로 분율이 증가됨을 확인하였다.

    Figure

    KPMI-27-2-139_F1.gif
    Liquidus line of the modified A4032-xSn alloys (x = 0, 0.05, 0.1, 1, 5 and 10 wt.%).
    KPMI-27-2-139_F2.gif
    Particle size distribution of the gas-atomized A4032 (modified))-xSn alloys (x = 1, 3, 5 and 10 wt.%).
    KPMI-27-2-139_F3.gif
    SEM image of the gas-atomized A4032 (modified)-xSn alloy powders, (a) 1 wt.%Sn, (b) 3 wt.%Sn, (c) 5 wt.%, (d) 10 wt.%.
    KPMI-27-2-139_F4.gif
    Cross section image of the gas-atomized A4032 (modified)-xSn alloys, (a) 1 wt.%Sn, (b) 3 wt.%Sn, (c) 5 wt.%, (d) 10 wt.%.
    KPMI-27-2-139_F5.gif
    EDS analysis of the gas-atomized A4032 (modified)-5 wt.%Sn alloy.
    KPMI-27-2-139_F6.gif
    DSC analysis of the gas-atomized A4032 (modified))-xSn alloys (x = 1, 3, 5 and 10 wt.%).
    KPMI-27-2-139_F7.gif
    Phase analysis of the (a) modified A4032 alloy powder, (b) add 1wt%Sn, (c) add 3 wt%Sn, (d) add 5 wt%Sn, (e) add 10 wt%Sn by heat treatment at 575°C for 10 minutes.
    KPMI-27-2-139_F8.gif
    SEM images of the modified A4032-xSn alloy powders by heat treatment at (a) none, (b) 150°C, (c) 250°C, (d) 500°C, (e) 525°C, (f) 550°C, (g) 575°C, (h) 600°C for 10 minutes.

    Table

    Liquidus line of the modified A4032-xSn alloys (x = 0, 1, 3, 5 and 10 wt.%)
    Particle size distribution of the gas-atomized A4032 (modified)-xSn alloys (x = 1, 3, 5 and 10 wt.%)
    DSC analysis of the gas-atomized A4032 (modified))-xSn alloys (x = 1, 3, 5 and 10 wt.%)
    Image analysis of the modified A4032-xSn alloy powders by heat treatment at none, 150, 250, 500, 525, 550, 575, 600°C for 10 minutes

    Reference

    1. M. Elmadagli, T. Perry and A. T. Alpas: Wear, 262 (2007) 79.
    2. E. A. Starke Jr. and J. T. Staley: Fundamentals of Aluminum Metallugy, R. Lumley (Ed.), Woodhead Publishing (2011) 747.
    3. L. Kloc, S. Spigarelli, E. Cerri, E. Evangelista and T. G. Langdon: Metall. Mater. Trans. A, 27 (1996) 3871.
    4. S.-H. Choi, K.-H. Kim, K. H. Oh and D. N. Lee: Mater. Sci. Eng. A, 222 (1997) 158.
    5. T. Mori and S. Kurimoto: J. Manuf. Sci. Eng., 120 (1998) 179.
    6. R. F. Gibson: Principles of Composite Material Mechanics, CRC press, (2016).
    7. G. Bertrand, S. Deleonibus, B. Previtali, G. Guegan, X. Jehl, M. Sanquer and F. Balestra: Solid State Electron., 48 (2004) 505
    8. S.-J. Hong and B.-S. Chun: Mater. Sci. Eng. A, 348 (2003) 262.
    9. S. Anand, T. S. Srivatsan, Y. Wu and E. J. Lavernia: J. Mater. Sci., 32 (1997) 2835.
    10. J. Zhou, J. Duszczuk and B. M. Korevaar: J. Mater. Sci., 26 (1991) 5275.