철-알루미늄 합금 Hybrid 소재의
용융 접합 특성에 관한 연구
A Study on the Joining Characteristics of Melt Bonded
Iron-Aluminum Alloy Hybrid Material금속공학과 강 성 민
지 도 교 수 김 동 규
자동차를 비롯한 각종 운송수단 및 산업분야에 이용되는 소재는 다양한 철계 합금이 이용되어 왔으나 최근에는 경량화를 통한 산업용 부품의 작동 효율성을 향상시키기 위한 방안의 중요성이 산업기술의 개발 동기로 부각되고 있다. 특히, 주철소재의 경우 ...
철-알루미늄 합금 Hybrid 소재의
용융 접합 특성에 관한 연구
A Study on the Joining Characteristics of Melt Bonded
Iron-Aluminum Alloy Hybrid Material금속공학과 강 성 민
지 도 교 수 김 동 규
자동차를 비롯한 각종 운송수단 및 산업분야에 이용되는 소재는 다양한 철계 합금이 이용되어 왔으나 최근에는 경량화를 통한 산업용 부품의 작동 효율성을 향상시키기 위한 방안의 중요성이 산업기술의 개발 동기로 부각되고 있다. 특히, 주철소재의 경우 산업기계 및 내연기관의 엔진부품으로 활용도가 높으나, 고중량으로 인한 효율성의 감소를 줄이기 위한 경량화가 매우 중요하다. 이러한 주철소재 부품의 경량화를 위해, 대표적인 경량합금인 Al 합금의 이종접합에 의한 hybrid화는 매우 효과적인 방법으로 판단된다.
이와 같이 대표적인 경량소재인 동시에 내식성이 우수한 알루미늄과 산업적으로 활용도가 높고 내마모성, 내진성 그리고 고온강도 등이 우수한 주철 소재의 이종재료 간 용융 접합은 서로 다른 두 소재의 단점을 보완하고 우수한 장점만을 취할 수 있다는 점에서 매우 효과적인 접합방식이다.
본 연구에서는 철-저 융점 합금의 용융 접합 특성을 향상시키기 위하여 주철 소재의 표면 정출 흑연 제거 정도를 확인하였으며, Hot Dip Aluminizing(HDA) 시 Si 함량에 따른 금속간화합물 층의 형성 거동 및 상의 종류, 열처리를 통한 상의 변화, 용탕 내 초음파 처리에 따른 금속간 화합물 층의 형성 거동 변화도 조사하였다. 또한, 알루미늄 합금과 주철 소재의 접합강도 평가 방안을 제시하여 접합강도 평가를 수행하였다.
알루미늄 합금과 주철 소재의 용융 접합 시 반응성을 저하시키는 주철 표면의 정출흑연 제거를 위한 공정을 조사한 결과, Nital 10%와 H2CrO4 용액에 의한 화학적 부식처리는 Fe의 식각만이 발생할 뿐 흑연의 제거정도는 미미하였고, 화학적 처리는 기계적 처리의 전처리 과정으로 사용할 때 효율적인 방안 일 것으로 판단된다.
주철 소재를 이용한 Hot Dip Aluminizing 시 침지소재로 pure Al을 사용한 경우 주철 쪽으로 두꺼운 ƞ 상이 형성되고, 알루미늄 쪽으로 θ상이 형성되는 반면, 침지 Al 용탕 내에 Si 함량이 증가 할수록 주철 쪽으로 형성되는 ƞ 및 τ11의 두께는 감소하고 평평한 형상을 나타내며, 알루미늄 쪽으로는 θ상에 Si이 함유된 τ2 및 τ6 상이 형성되었다.
용융 접합된 시험편을 600℃에서 30분 이상 열처리를 하였을 경우 τ6상이 주로 형성되었으며, 800℃에서 30분간 열처리를 하였을 때는 τ2상이 주로 형성되었다. 또한, 금속간화합물 층의 균열 발생에 영향을 미치는 τ1상은 열처리 온도와 시간이 증가함에 따라 상 분율이 감소하였다.
초음파 인가에 의하여 금속간화합물 층의 두께와 거칠기가 감소하였으며, 이는 초음파의 진동에너지에 의하여 τ6상이 물리적으로 파괴되기 때문이다. 또한, 침식에 의해 금속간화합물 층에 인접한 알루미늄 기지 내에 존재하는 정출흑연의 양이 현저히 감소하고 있으며, 그 크기도 현저히 감소하였다.
침지소재를 Al-Si 합금으로 사용한 경우보다 pure Al을 사용한 경우에 높은 접합강도를 나타내었다. 또한, Cu alloy를 중간층으로 삽입한 Fe/Cu/Al hybrid 시험편의 경우, 주철/Cu합금의 계면은 Fe와 Cu의 상호확산 및 고용에 의한 확산층으로 양호한 접합상태를 유지하는 반면, Cu 합금과 pure Al 접합 계면은 기지조직에 비하여 높은 경도값을 나타내는 금속간 화합물 층이 형성됨으로써 파괴가 발생하였다. 그러나 주철과 Al의 직접적인 반응 시 형성되는 취성의 ɳ상과 τ11상의 형성을 억제함으로써 가장 높은 접합강도를 나타내었다.
주요어 : Hybrid 소재, Hot Dip Aluminizing(HDA), 용융 접합, 흑연제거, 금속간화합물, 열처리, 초음파 인가, 접합강도, 중간층, 경량화
철-알루미늄 합금 Hybrid 소재의
용융 접합 특성에 관한 연구
A Study on the Joining Characteristics of Melt Bonded
Iron-Aluminum Alloy Hybrid Material
금속공학과 강 성 민
지 도 교 수 김 동 규
자동차를 비롯한 각종 운송수단 및 산업분야에 이용되는 소재는 다양한 철계 합금이 이용되어 왔으나 최근에는 경량화를 통한 산업용 부품의 작동 효율성을 향상시키기 위한 방안의 중요성이 산업기술의 개발 동기로 부각되고 있다. 특히, 주철소재의 경우 산업기계 및 내연기관의 엔진부품으로 활용도가 높으나, 고중량으로 인한 효율성의 감소를 줄이기 위한 경량화가 매우 중요하다. 이러한 주철소재 부품의 경량화를 위해, 대표적인 경량합금인 Al 합금의 이종접합에 의한 hybrid화는 매우 효과적인 방법으로 판단된다.
이와 같이 대표적인 경량소재인 동시에 내식성이 우수한 알루미늄과 산업적으로 활용도가 높고 내마모성, 내진성 그리고 고온강도 등이 우수한 주철 소재의 이종재료 간 용융 접합은 서로 다른 두 소재의 단점을 보완하고 우수한 장점만을 취할 수 있다는 점에서 매우 효과적인 접합방식이다.
본 연구에서는 철-저 융점 합금의 용융 접합 특성을 향상시키기 위하여 주철 소재의 표면 정출 흑연 제거 정도를 확인하였으며, Hot Dip Aluminizing(HDA) 시 Si 함량에 따른 금속간화합물 층의 형성 거동 및 상의 종류, 열처리를 통한 상의 변화, 용탕 내 초음파 처리에 따른 금속간 화합물 층의 형성 거동 변화도 조사하였다. 또한, 알루미늄 합금과 주철 소재의 접합강도 평가 방안을 제시하여 접합강도 평가를 수행하였다.
알루미늄 합금과 주철 소재의 용융 접합 시 반응성을 저하시키는 주철 표면의 정출흑연 제거를 위한 공정을 조사한 결과, Nital 10%와 H2CrO4 용액에 의한 화학적 부식처리는 Fe의 식각만이 발생할 뿐 흑연의 제거정도는 미미하였고, 화학적 처리는 기계적 처리의 전처리 과정으로 사용할 때 효율적인 방안 일 것으로 판단된다.
주철 소재를 이용한 Hot Dip Aluminizing 시 침지소재로 pure Al을 사용한 경우 주철 쪽으로 두꺼운 ƞ 상이 형성되고, 알루미늄 쪽으로 θ상이 형성되는 반면, 침지 Al 용탕 내에 Si 함량이 증가 할수록 주철 쪽으로 형성되는 ƞ 및 τ11의 두께는 감소하고 평평한 형상을 나타내며, 알루미늄 쪽으로는 θ상에 Si이 함유된 τ2 및 τ6 상이 형성되었다.
용융 접합된 시험편을 600℃에서 30분 이상 열처리를 하였을 경우 τ6상이 주로 형성되었으며, 800℃에서 30분간 열처리를 하였을 때는 τ2상이 주로 형성되었다. 또한, 금속간화합물 층의 균열 발생에 영향을 미치는 τ1상은 열처리 온도와 시간이 증가함에 따라 상 분율이 감소하였다.
초음파 인가에 의하여 금속간화합물 층의 두께와 거칠기가 감소하였으며, 이는 초음파의 진동에너지에 의하여 τ6상이 물리적으로 파괴되기 때문이다. 또한, 침식에 의해 금속간화합물 층에 인접한 알루미늄 기지 내에 존재하는 정출흑연의 양이 현저히 감소하고 있으며, 그 크기도 현저히 감소하였다.
침지소재를 Al-Si 합금으로 사용한 경우보다 pure Al을 사용한 경우에 높은 접합강도를 나타내었다. 또한, Cu alloy를 중간층으로 삽입한 Fe/Cu/Al hybrid 시험편의 경우, 주철/Cu합금의 계면은 Fe와 Cu의 상호확산 및 고용에 의한 확산층으로 양호한 접합상태를 유지하는 반면, Cu 합금과 pure Al 접합 계면은 기지조직에 비하여 높은 경도값을 나타내는 금속간 화합물 층이 형성됨으로써 파괴가 발생하였다. 그러나 주철과 Al의 직접적인 반응 시 형성되는 취성의 ɳ상과 τ11상의 형성을 억제함으로써 가장 높은 접합강도를 나타내었다.
주요어 : Hybrid 소재, Hot Dip Aluminizing(HDA), 용융 접합, 흑연제거, 금속간화합물, 열처리, 초음파 인가, 접합강도, 중간층, 경량화
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