2.1. 복합 주조에 의한 Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈 제조

바이메탈의 제조는 그림 1과 같이 Al-7Si-xSr (x=0, 0.01, 0.03, and 0.05 wt% Sr) 합금 용탕에 구리 디스크가 장입된 흑연 도가니를 담갔다가 꺼내는 방식으로 제조하였다. 먼저 Cu(99.95%) 디스크 (Ø 26 × 3 mm)의 표면을 SiC paper로 연마하여 산화층을 제거한 후 (그림 1(a)) 흑연 도가니(Ø 33 × 43 mm) 내부에 장입하였다(그림 1(b)). Al-7Si-xSr 합금은 Al(99.999%), Si(99.99%), Al-10Sr 모합금을 이용하여 고주파 유도 가열 방식으로 용해하였으며 1.8 kg의 Al-7Si 합금을 완전히 용융시키기 위해 약 800 ℃에서 20분간 유지한 이후 Al-10Sr 모합금의 함량을 달리하여 (0, 0.01, 0.03, 0.05 wt% Sr) 첨가하였다. 이후 합금 용탕은 Ar 가스(99.999%)를 사용하여 5분간 탈가스 처리를 진행하고, 표면에 형성된 슬러지를 제거하였다. 흑연 도가니는 BN(Boron Nitride)으로 표면을 코팅한 후 150 ℃에서 1시간 예열하였으며, Cu 디스크를 넣은 상태로 750 ℃의 용탕 상부에서 10초 동안 예열하였다. 이후 용탕에 5 초 동안 침지하여 흑연 도가니 내부로 용탕이 장입되도록 한 후 대기중으로 꺼내 주조를 완료하였다(그림 1(c,d)). 주조 직후 Al/Cu 계면의 접합력을 향상시키기 위하여 250 ℃ 온도의 열처리 로에서 10분간 유지하였으며(그림 1(e)), 이후 상온에서 완전히 냉각시켰다. 발광 분광 분석기 (Optical Emission Spectrometer, Oxford Instruments, Foundry-Master UV, Abingdon, England)로 측정한 Al-7Si-xSr의 화학 조성은 표 1과 같으며 Sr 조성에 따라 0Sr, 0.01Sr, 0.03Sr, 0.05Sr으로 명명하였다.

Fig. 1. Schematics of compound casting process; (a) surface-polished Cu disc and graphite crucible; (b) Size of graphite crucible and Cu disc before casting; (c) Charging of Al-7Si-xSr alloy into a graphite crucible; (d) Removed after 5s charging; (e) As-cast specimen and heat treatment at 250 ℃ for 10 min; (f) Size of specimen; (g) size and microstructure of compression specimen.

2.2. 미세조직 관찰 및 상 분석

Al-7Si-xSr/Cu 계면부의 단면을 기계적 연마한 후 광학 현미경 (Nikon Eclipse Ma200 microscope, Nikon Ltd., Tokyo, Japan)으로 관찰하였다. 전계 방사형 주사전자 현미경(FE-SEM, JEOL Ltd., JSM-7001F, Tokyo, Japan)을 사용하여 계면 반응층을 분석하였으며 SE(Secondary Electrons)를 이용하여 시편의 표면 형상과 미세조직을 관찰하였다. 조성 분석을 위해 EDS (Energy Dispersive x-ray Spectroscopy) 분석을 진행하였고 관찰과 분석 시 가속전압은 15 kV로 유지하였다. 또한 IMC 반응층과 멀티페이즈 반응층의 상 형성을 확인하기 위하여 EBSD (Electron Back Scatter Diffraction)의 Phase 맵, IPF (Inverse Pole Figure) 맵을 활용하여 분석하였다.

Sr 첨가에 따른 개질 효과를 확인하기 위하여 Al/Cu 바이메탈 계면 IMC 반응층 두께와 공정 Al₂Cu 상의 간격을 측정하였다. I-Solution 프로그램을 사용하여 25 배율 광학 현미경 이미지에서 전체 반응층 두께를 측정하였으며 500 배율 광학 현미경 이미지에서 IMC 반응층 두께 및 멀티페이즈 반응층 내에 형성된 공정 Al₂Cu 상의 중심 간 간격(Eutectic Spacing, λ_Al2Cu)을 측정하였다.

2.3. 기계적 특성 평가

Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 기계적 특성을 평가하기 위해 경도 측정 및 압축 시험을 수행하였다. 경도는 비커스 경도 시험기 (Mitutoyo, HM-102, Kanagawa, Japan)를 사용하여 Al/Cu 계면에서 40 - 50 μm 떨어진 부분에서 측정하였다(10g, 10초 유지). 조성이 다른 Al-7Si-xSr 합금과 Cu의 경도를 측정하고, 각 조성에서 형성된 IMC 및 반응층의 경도 분포 변화를 확인하였다.

압축 시편은 ASTM E9 조건에 따라 Ø 3 × 6 mm 으로 제조하였으며 Cu와 Al의 높이 비를 1:2로 가공하였다(그림 1(f)). 5개의 시편에 대하여 만능재료시험기 (5982 Universal Testing System, Instron, USA)를 사용해 상온에서 10^-3/s의 변형 속도로 최대 50%의 변형까지 압축 시험을 진행하였다. 시험 후 균열 시작 및 전파 거동을 확인하기 위하여 압축 시편의 측면을 연마하여 관찰하였다.

3.1. Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 미세조직

그림 2(a)는 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.05 wt%) 바이메탈의 시편 전체에서 형성된 미세조직을 관찰한 이미지이며 Cu 영역 이후 평행한 IMC 반응층이 형성되었다. 이후 여러 상들이 혼재되어 있는 멀티페이즈 반응층 영역이 관찰되며, 이후 Al-7Si-xSr 영역이 관찰된다. 이러한 미세조직은 Sr 함량과 관계없이 동일하게 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한 그림 2(b,c,d,e,f,g)는 Sr 함량 별 제조된 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 IMC 반응층을 확대하여 관찰한 사진이다. IMC 반응층은 Cu 표면에 형성되었으며 두 종류의 평행한 반응층이 형성되어 있다. IMC 반응층 이후 응고 과정 동안 주상정 형태의 반응층과 세 종류의 상이 혼합되어 있는 멀티페이즈 영역이 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 0Sr (그림 2(b,c))는 IMC 반응층과 이후 형성된 주상정(Columnar) 형태의 반응층이 Sr을 첨가한 다른 조건에 비해 상대적으로 두껍게 형성되어 있으며 멀티페이즈 반응층의 침상 형태의 어두운 상이 관찰된다. 0.01Sr (그림 2(d))의 경우 IMC 반응층은 Sr 첨가 전과 유사한 두께로 형성되었으나 주상정 형태의 반응층 두께가 감소하였다. 또한 멀티페이즈 반응층의 상들 중 침상 형태의 검은 상은 미세한 1 - 2 μm 크기의 구형으로 변화한 것을 확인할 수 있다. 검은 상 주위에 있는 다른 상들도 미세하게 존재하나 검은 상이 없는 영역이나 주상정 형태의 반응층 주위의 다른 상들은 Sr 첨가 전과 비슷하게 미세해지지 않은 상(그림 2의 빨간 화살표)을 관찰할 수 있다. 0.03Sr과 0.05Sr의 미세조직(그림 2(e,f,g)) 또한 0.01Sr(그림 2(d))와 유사하게 검은 상이 미세한 구형으로 유지되며, 개질되지 않는 상 또한 존재하는 것을 알 수 있다.

Fig. 2. (a) Overall microstructural image of the Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.05 wt%) bimetal; (b,c,d,e) OM images of IMC layer in Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) bimetal; (b,c) 0Sr; (d) 0.01Sr; (e,f) 0.03Sr; (g) 0.05Sr.

그림 3 및 표 2는 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.05 wt%) 바이메탈 계면에서의 EDS 라인 및 포인트 맵핑 분석 결과이다. 0Sr 시편(그림 3(a))의 라인 맵핑 결과를 확인했을 때 Cu 영역에서부터 형성된 IMC 반응층의 Cu 함량이 점점 감소하고 Al 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때 IMC 반응층은 Al₄Cu₉과 Al₃Cu₄로 예상된다. 또한 주상정 형태의 상은 Al₂Cu로 판단할 수 있다. 이후 멀티페이즈 반응층은 라인 맵핑 및 표 2로부터 Al 기지와 Al₂Cu 상, Si 상으로 이루어진 것을 확인할 수 있다. 0.05Sr 샘플의 IMC 반응층도 0Sr와 동일한 Al₄Cu₉, Al₃Cu₄으로 구성되어 있으며 멀티페이즈 반응층 내 형성된 상도 0Sr과 같은 것을 알 수 있다.

Fig. 3. SEM–EDS line scanning and point mapping results of Al–7Si–xSr/Cu bimetal (x = 0, 0.05 wt%) at casting temperature 750 ℃; (a,b) Al-7Si/Cu bimetal; (c,d) Al-7Si-0.05Sr/Cu bimetal (a,c) Line scanning results; (b,d) Microstructure and point mapping.

Sr 첨가 조건에 따른 멀티페이즈 반응층의 미세조직을 확인하기 위해 Al-7Si-xSr/Cu 계면에서 약 50 μm 떨어진 위치의 OM 이미지를 관찰하였다. 그림 4는 Al-Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 멀티페이즈 반응층 이미지이다. 0Sr의 경우 멀티페이즈 반응층 내 미세조직은 침상 형태의 공정 Si상과 Al₂Cu 상, Al 기지 상이 불규칙하게 분포하는 혼합 공정 구조 (Mixed eutectic structure)를 보인다. Sr을 첨가한 시편의 경우 Al 기지와 Al₂Cu 상으로 구성된 Binary Eutectic Structure (BES)와 Al 기지, 공정 Si, Al₂Cu 상으로 구성된 Ternary Eutectic Structure (TES)가 함께 나타나는 이중 공정 구조 (Bimodal Eutectic Structure)로 개질되며, BES 영역과 TES 영역의 경계는 명확히 구분된다 (그림 4의 노란색 점선 표기). Sr이 0.01 wt% 이상 첨가된 바이메탈 합금의 TES 영역의 Si 상과 Al₂Cu 상 (이후 각각Si_(TES), Al₂Cu_(TES)로 표기한다)은 모두 침상 형태에서 미세한 구형 및 라멜라 형태로 개질되었다. 하지만 Sr 첨가량이 0.05wt%로 증가하여도, BES 영역의 공정 Al₂Cu 상(이후 Al₂Cu_(BES)로 표기한다)은 개질되지 않고 0Sr의 Al₂Cu 상과 유사한 약 9 μm 크기를 가지는 것을 확인할 수 있다. 0.03Sr 및 0.05Sr는 0.01Sr와 비슷한 개질 효과를 보인 것을 알 수 있다.

Fig. 4. OM images of multi-phase layer in Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) bimetal; (a) 0Sr; (b) 0.01Sr; (c) 0.03Sr; (d) 0.05Sr.

바이메탈의 IMC 반응층 및 멀티페이즈 반응층에 형성된 미세조직의 조성 확인을 위해 SEM 및 EDS를 분석하였다. 그림 5는 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 SE 이미지 및 EDS Mapping 결과이다. Cu 계면에서 생성된 IMC 반응층을 확인해 보았을 때 Cu와 Al으로 이루어진 것을 알 수 있다. 이후 주상정 형태의 Al₂Cu를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 또한 멀티페이즈 반응층을 확인해 보았을 때 0Sr 시편에서는 침상 형태의 Si 상 및 조대한 형태의 Al₂Cu 상이 형성된 것을 알 수 있다. 0.03Sr 시편은 0Sr과 비교했을 시 구형으로 개질된 공정 Si 상을 확인할 수 있다. 또한 그림 5(c)와 같이 BES의 경우 Si 상이 존재하지 않고 Al, Cu로만 형성된 구조인 것을 확인할 수 있다. 또한 TES에는 Al, Cu와 함께 개질된 구형 형태의 Si가 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. SEM-EDS mapping images of Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.03, 0.05 wt%) bimetal; (a) 0Sr; (b,c) 0.03Sr; (d) 0.05Sr.

그림 6는 Sr 첨가량에 따른 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 EBSD phase map 분석 결과이다. SEM 및 OM에서 확인한 Cu와 Al의 확산에 의해 생성되는 상을 분석하기 위해서 EBSD 분석을 실시하였으며 IMC 반응층 위주로 분석하였다. 0Sr의 IMC 반응층은 Cu 영역 이후에 Al₄Cu₉, Al₃Cu₄ 상이 형성된 것을 알 수 있으며 주상정 형태의 반응층은 Al₂Cu 상으로 확인된다. 이후 형성되는 혼합 공정 구조 또한 Al₂Cu 상이 혼합되어 있는 것으로 판단된다. Sr을 첨가한 경우 (그림 6(b,c,d)) Sr을 첨가하지 않은 시편과 같이 Cu 이후에 Al₄Cu₉, Al₃Cu₄, Al₂Cu 반응층이 순서대로 형성된 것을 알 수 있다. Al₂Cu 반응층 이후에 형성되는 멀티페이즈 반응층 또한 Sr을 첨가하지 않은 시편과 동일한 상이 형성된 것을 알 수 있다. 따라서 Sr 함량에 따른 IMC 반응층 및 멀티페이즈 반응층의 미세구조의 상 종류는 변화가 없으며 멀티페이즈 반응층의 상 크기만 변화한 것을 알 수 있다.

Fig. 6. EBSD phase map of Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) bimetal; (a) 0Sr; (b) 0.01Sr; (c) 0.03Sr; (d) 0.05Sr.

그림 7은 Sr 첨가량에 따른 Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 계면 반응층의 두께를 측정한 결과이다. 그림 7(a)는 IMC 반응층, 멀티페이즈 반응층을 포함한 전체 반응층의 두께를 측정한 결과이며 반응층의 전체 두께는 Sr 첨가하지 않았을 때 상대적으로 두꺼우며 0.01 wt% Sr 첨가 시 전체 반응층의 두께가 약간 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이후 0.03Sr 시편의 경우 반응층의 두께가 최소값을 보이며 0.05Sr에서 다시 증가하는 것을 알 수 있다. 그림 7(b)는 Cu 계면 다음으로 형성되는 IMC 반응층인 Al₄Cu₉ 반응층과 Al₃Cu₄ 반응층의 두께를 측정한 결과이다. Al₄Cu₉ 반응층은 0Sr의 경우 약 8.38 μm의 두께로 측정되었으나 0.01Sr의 경우 Al₄Cu₉ 반응층 두께가 3.3 μm 로 최소값을 가진다. 이후 0.03Sr 첨가 시 Al₄Cu₉ 반응층은 5.38 μm로 증가하였다가 0.05 wt% Sr 첨가 시 다시 감소하는 경향을 보인다. Al₄Cu₉ 반응층 이후 형성되어 있는 IMC 반응층인 Al₃Cu₄의 두께를 측정한 결과(그림 7(b)의 보라색 그래프 결과)를 보면 0Sr 시편의 반응층 두께는 약 4 μm로 다른 조건들보다 약 2배 정도 두껍다. 이후 0.01Sr 시편의 두께가 1.21 μm까지 감소하며 0.03wt% Sr 이상 첨가 시 약 2 μm로 일정하게 유지된다.

Fig. 7. Total reaction layer and IMC layer thickness with different Sr contents; (a) Total layer (IMC layer + multi-phase layer) thickness; (b) 1^st IMC thickness (Al₄Cu₉) and 2^nd IMC (Al₃Cu₄) thickness.

그림 8은 Sr 함량에 따른 Al-7Si-xSr 합금의 공정 구조의 크기 변화를 비교하기 위해 멀티페이즈 반응층에 형성되는 공정 Al₂Cu 상의 간격, λ_Al2Cu을 측정한 결과이다. 혼합 공정 구조가 관찰되는 0Sr 시편의 λ_Al2Cu은 11.7 μm이다. 또한 Sr 첨가 시 멀티페이즈 반응층의 구조가 혼합 공정 구조에서 이중 공정 구조로 바뀌게 되며, 멀티페이즈 반응층 내 BES 영역과 TES 영역의 공정 Al₂Cu 상 간격을 구분하여 측정하였다. 이때 BES의 λ_Al2Cu은 0Sr의 혼합 공정 구조의 λ_Al2Cu보다 약간 감소하였다. 한편, TES의 λ_Al2Cu은 0Sr에 비하여 절반 이하로 감소한 것을 알 수 있다.

Fig. 8. Al₂Cu eutectic spacing (λ_Al2Cu) in multi-phase layer of Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) bimetal.

3.2. Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 기계적 특성 변화

Sr 함량에 따른 바이메탈의 기계적 특성 변화를 확인하기 위하여 압축 시험을 진행하였다. 그림 9(a)는 전체 조건의 대표적인 압축 시험 결과이다. 그림 9(b)는 Sr 함량에 따른 50% 변형에서의 압축 강도이며 Sr 첨가량이 증가함에 따라 압축 강도 또한 계속 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 0Sr의 경우 약 430 MPa이었으나 Sr 첨가량 증가 시 압축 강도가 증가하며 0.05Sr의 경우 약 483 MPa의 압축 강도로 증가한 것을 확인하였다. 그림 9(c)는 Sr 첨가량에 따른 압축 후 균열 발생 시 연신율 값을 나타내었다. 0.01Sr의 경우 뚜렷한 효과를 확인하기 어려우나, 이후 Sr 첨가량이 증가 시 연신율이 증가하는 경향을 보인다. 0.03wt% Sr 첨가 시 42%로 증가한 것을 확인할 수 있다.

Sr 첨가 시 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 기계적 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 IMC 반응층과 멀티페이즈 반응층의 경도를 측정하였다. 그림 10은 Cu와 IMC 반응층, 멀티페이즈 반응층의 연속적인 경도 변화를 측정한 결과이다. Sr 함량과 관계없이 모든 조건에서 Cu는 약 80 - 90 HV으로 상대적으로 낮은 경도 값을 가지고 있다. 하지만 Cu 이후에 형성되는 IMC 반응층은 약 700 - 800 HV로 Cu 영역과 경도 차이가 크게 나타난다. 또한 IMC 반응층 이후에 형성되는 멀티페이즈 반응층 내 공정 구조의 경도 값은 약 200 - 300 HV으로 IMC 반응층과 비교 시 낮은 값을 보였다.

그림 11는 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈의 계면에서 멀티페이즈 방향으로 약 50 μm 떨어진 멀티페이즈 반응층의 경도를 측정한 결과이다. 멀티페이즈 반응층 내 공정 구조의 경도 값은 상의 크기가 미세하여 상별로 경도를 측정하지 않고 λ_Al2Cu 차이로 인해 구분되는 혼합 공정 구조와 이중 공정 구조에서 경도를 측정하였으며 이중 공정 조직은 TES (Al+Al₂Cu+Si) 영역과 BES (Al+Al₂Cu) 영역으로 구분하여 경도를 측정하였다. 0Sr 시편의 경우 약 168.9 HV의 경도를 보이며, Sr 첨가 시편의 경우 이중 공정 구조로 바뀌면서 λ_Al2Cu의 차이로 인해 BES 영역의 경도는 TES 영역의 경도보다 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.

Fig. 9. (a) Representative compressive stress–strain curves of Al-7Si–xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) bimetals; (b) Compressive strength at 50% strain; (c) Strain at initial cracking.

Fig. 10. Hardness distribution of IMC layer and multi-phase layer as a function of distance from interface; (a) 0Sr; (b) 0.01Sr; (c) 0.03Sr; (d) 0.05Sr.

Fig. 11. Hardness of the multi-phase layer in the Al-7Si-xSr/Cu bimetal with different Sr contents.

4.1 Sr 첨가에 따른 미세조직 변화

Al/Cu 바이메탈 계면에서는 원자 확산으로 Cu 계면과 평행한 방향으로 IMC 반응층이 형성되며^[7,12,25], 이때 IMC 반응층은 Cu의 비율이 높은 순서로 (Al₄Cu₉과 Al₃Cu₄) 형성됨을 확인하였다. 평행한 IMC 반응층 이후 냉각 방향 (Cu 방향)과 반대되는 방향으로 주상정의 Al₂Cu가 Al₃Cu₄ 표면에서 관찰되었으며(그림 6), 이를 통해 주상정 Al₂Cu는 원자 확산 이후의 응고 과정 동안 형성된 것으로 판단된다. Al-Cu 이원계 상태도에서 Al₄Cu₉, Al₂Cu₃, Al₃Cu₄ 순으로 Al-Cu IMC가 생성된다고 알려져 있지만^[12,14,26], 본 연구의 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.01, 0.03, 0.05 wt%) 바이메탈에서는 Al₂Cu₃ 상으로 이루어진 IMC 반응층은 형성되지 않았다. Guo 등^[27]은 400 - 500 ℃에서 확산 접합 시 반응 시간과 온도의 부족으로 인한 확산 제한으로 Al₂Cu₃로 이루어진 반응층이 형성되지 않는다고 보고했으며, Cao 등^[26]은 Al과 Cu의 열 확산 실험 중 Al₂Cu₃는 Al₂Cu, AlCu, Al₄Cu₉ 등의 상에 비해 형성 에너지가 낮아 고온 및 장시간에 노출되지 않으면 형성이 제한됨을 보고했다. 따라서 상대적으로 짧은 반응 시간인 복합 주조로 제조된 본 연구의 경우 Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 IMC 반응층에서는 Al₄Cu₉과 Al₃Cu₄만 생성된 것으로 보인다. 이 때 Al₂Cu 상 또한 금속간화합물이지만 기존의 평행한 IMC 반응층과 다르게 주상정 형태로 형성된다^[28].

이후 Al-7Si/Cu 바이메탈의 멀티페이즈 반응층의 경우 Al, Al₂Cu, 및 Si 상이 공존하는데(그림 4), 이는 Al-Cu-Si 3원계 공정조성 합금에서 관찰되는 Al+Al₂Cu+Si 공정조직과 유사하다^[29,30]. 본 연구의 복합 주조 과정 동안 고체 Cu가 액상 Al-7Si로 확산함에 따라 국부 조성이 Al-Cu-Si 3원계 공정 조성 (약 26 wt.% Cu, 5 wt.% Si)에 근접한 것으로 판단된다. Al-Cu-Si 3원계 공정 조성 합금에서는 Liq.→Al+Al₂Cu+Si 공정 반응을 통해 공정 Si과 Al₂Cu가 동시에 형성된다^[8,29]. 하지만 첨가된 미량의 Sr 원소가 응고 중 Al+Al₂Cu 상의 형성을 우선적으로 유도하여 Cu가 농축된 액상(Cu-rich)에 남게 되고, 이때 Al₂Cu 상은 더 낮은 온도에서 형성되면서 공정 Si 상뿐만 아니라 공정 Al₂Cu 상의 크기 또한 감소하는 것으로 판단된다^[29,31].

일반적으로 Sr은 Al-Si 합금에서 공정 Si 상의 성장면에 선택적으로 흡착해 성장속도를 저하시켜, 침상 공정 Si를 구상화하는 대표적 개질화 원소로 알려져 있다^{[21-23,32-34]}. Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 멀티페이즈 반응층은 Sr을 첨가하면 이중 공정 구조인 BES와 TES로 구분된다. 이는 Sr이 공정 Si의 성장을 지연시켜 조성적 과냉을 심화시키고, 빠른 냉각과 맞물려 고/액 계면의 안정성을 떨어뜨려 정상적인 공정 성장(Coupled Growth)을 방해하므로^[33], 액상의 국부 영역에서 성장 속도 불균형으로 인한 분리 공정 성장 (Divorced Eutectic Growth)을 유발한다. 또한 Sr 첨가에 따른 Si의 분배(Partitioning) 거동 변화로 인하여 응고 중 미세한 공정 콜로니(Eutectic Colony)보다 조대한 공정 콜로니가 우선 형성되는 경향을 보이며^[34], 이에 대한 결과로 본 연구의 멀티페이즈 반응층에서는 Sr 첨가에 따라 공정 상들은 조대한 BES가 먼저 형성되고 이후 미세한 TES가 후속 형성된 것으로 보인다(그림 4).

4.2. Sr 첨가가 바이메탈의 기계적 특성에 미치는 영향

Sr 첨가에 따른 Al-7Si-xSr/Cu 바이메탈의 기계적 특성은 IMC 반응층과 멀티페이즈 반응층의 공정상 변화에 모두 영향을 끼친다. 멀티페이즈 반응층은 λ_Al2Cu 측정 결과(그림 8)와 경도 측정 결과 (그림 11) 비교 시 Sr 첨가량이 증가함에 따라 형성되는 이중 공정 구조 중 TES 영역의 공정 Al₂Cu 상의 간격의 감소에 의하여 경도가 증가하는 것으로 생각된다. 이러한 λ_Al2Cu과 경도의 관계는 Hall-Petch 변형식을 통해 확인할 수 있다^[36-39].

이 때 H는 경도, H₀는 재료 자체의 고유한 경도 값, K_H은 λ_Al2Cu에 대한 경도 효과의 Hall-Petch 계수를 의미하며 d는 강화상의 크기를 의미한다. 강화상 크기(본 연구에서는 λ_Al2Cu)의 감소는 형성된 전위의 이동을 효과적으로 억제하여 변형에 필요한 임계 응력 값(기계적 특성)을 증가시킨다^[40,41]. 따라서 Sr 첨가에 따른 λ_Al2Cu의 감소는 Hall-Petch 변형식의 메커니즘에 의해 멀티페이즈 반응층 공정 상의 경도 증가로 이어지며 이는 본 실험의 λ_Al2Cu과 경도 및 압축강도의 관계에서도 확인된다 (그림 8, 그림 11).

경도 분포(그림 11) 측정 시 Sr을 첨가하지 않은 Al-7Si/Cu 바이메탈의 경우 강도가 높고 취성적인 IMC 반응층과 조대한 혼합 공정 구조로 이루어진 멀티페이즈 반응층으로 인해 경도가 급격하게 변화하고 IMC 반응층과 멀티페이즈 반응층 사이의 계면에 응력이 집중되어 균열이 쉽게 발생할 수 있다. 하지만 Sr 첨가량 증가 시 멀티페이즈 반응층의 경도가 높아지게 되면서 IMC 반응층과 멀티페이즈 반응층의 경도 분포가 점진적으로 변화하게 되어 계면에서의 응력 집중이 감소한다. Salout 등^[42]은 IMC 반응층의 극단적인 경도 구배는 응력 집중을 유발하지만, 반대로 경사가 완만한 경우 응력 분산에 도움이 된다고 보고하였다.

압축 시험 시 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.03 wt%) 바이메탈 계면에서의 파괴 거동을 분석하기 위해 0, 8, 10% 압축된 시험편의 측면을 관찰한 결과를 그림 12에 나타내었다. 0Sr 시편을 8% 압축한 경우 (그림 12(b)) 조대한 주상정 Al₂Cu 상에서 파단이 시작되었으며 파단 전파 시 압축 방향과 사선 방향으로 파단이 전파됨을 확인하였다. 이후 10% 압축한 시편(그림 12(c,d)) 확인 시 균열이 성장하였으며, 멀티페이즈 영역의 조대한 Al₂Cu 상 내부에서도 미세 균열이 관찰되었다.

Sr 첨가한 경우 압축 시편의 측면을 확인하였을 때 Sr 첨가량과 상관없이 유사한 파괴 양상을 보이며 대표적인 0.03Sr 시편의 결과를 비교하였다. 0.03Sr 시편 (그림 12(e,f,g,h))은 0Sr (그림 12(a,b,c,d))와 비교 시 8% 압축에도 미세균열이 관찰되지 않았다. 이는 Sr 첨가 전에 비해 상대적으로 얇은 Al₂Cu 반응층을 형성하고 하고 있기 때문으로 판단된다. 이후 10% 압축 시 (그림 12(g)) Cu 영역에 가까운 IMC 반응층에서 압축 방향과 수직한 방향으로 파단이 일어나며 멀티페이즈 반응층의 Al₂Cu 상 결정립의 계면으로 파단이 전파된 것을 알 수 있다. 따라서 멀티페이즈 반응층의 Al₂Cu 상이 미세화 되면 균열이 Al₂Cu 상의 계면으로 전파되어 압축 강도가 증가하는 것으로 판단된다(그림 12(h)의 빨간색 화살표로 표기).

Fig. 12. Microstrcuture of the Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.03 wt%) bimetal after 0%, 8%, 10% compression; (a,b,c,d) 0Sr; (e,f,g,h) 0.03Sr; (a,e) 0% compression (b,f) 8% compression (c,d,g,h) 10% compression.

그림 13은 Al-7Si-xSr/Cu (x = 0, 0.03 wt%) 바이메탈의 상 형성 순서와 압축 시 균열 전파 거동을 나타낸 그림이다. 위의 4.1. 절에서 설명한 바와 같이 Al-Cu 이원계 상태도의 순서대로 Al₄Cu₉, Al₃Cu₄ 순으로 평행한 IMC 반응층이 형성된다(그림 13(b,c)). 이후 응고 과정에서 Sr 첨가하지 않은 경우에는 Al₂Cu 상과 공정 Si 상이 같이 형성되어 혼합 공정 구조를 이룬다(그림 13(d,f)). 하지만 0.03 wt% Sr을 첨가한 경우 Al+Al₂Cu 상으로 이루어진 BES 영역이 우선적으로 형성되고 (그림 13(e)), Al+Al₂Cu+Si 상으로 이루어진 TES 영역이 형성되어 이중 공정 구조가 형성된다(그림 13(g)).

압축 변형 중 취성적인 IMC 반응층부터 균열이 시작되며 Sr을 첨가하지 않은 경우(그림 13(h,j))에는 압축 방향의 사선으로 균열이 진행되고 조대한 Al₂Cu 상을 통과하여 전파된다. 하지만 0.03 wt% Sr 이상 첨가한 경우(그림 13(i,k)) 압축 방향과 수직하게 균열이 시작되어 미세화된 Al₂Cu 상 계면으로 전파된다. 이러한 균열 전파 거동의 차이로 인하여 연신율이 향상되는 것으로 판단된다.

Fig. 13. Schematics of phase formation sequence and crack propagation in Al-7Si-xSr/Cu bimetal; (a) liquid Al-7Si-xSr alloy and solid Cu; (b,c) formation of Al₄Cu₉, Al₃Cu₄ layer via atomic diffusion; (d,e,f,g) formation of multi-phase layer; (h,i,j,k) crack propagation during compression; (d,f,h,j) 0Sr; (e,g,i,k) 0.03Sr