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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 롤갭, 용 탕 온도, 선속도 및 Sn 의 함량변화에 따른 Al-Sn 합금 strip의 제조특성을 조사하였으며, 제조한 strip의 미세조직을 관찰하였다. 또한 쌍롤법으로 제조한 strip의 기계적성질을 알아보기 위하여 제조한 strip을 이면 금속(냉연강판, back metal) 과 냉간압접 (cladding) 및 열처리 후 접합강도 및 내마모성을 평가하였다.
가설 설정
- 5. Effect of process parameters on the fabrication characteristics ; (a) Al-20Sn alloy and (b) AMOSn alloy.
- 7. Wriation of surface characteristics of (a) Al-20%Sn and (b) Al-40%Sn alloys with the roll gap and the roll speed.
제안 방법
- 또한 쌍롤법으로 제조한 strip의 기계적성질을 알아보기 위하여 제조한 strip을 이면 금속(냉연강판, back metal) 과 냉간압접 (cladding) 및 열처리 후 접합강도 및 내마모성을 평가하였다.
- 나타낸 것이다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 턴디쉬 (Umdish) angle, 노즐(noz기e) tip의 크기, 접촉각 및 롤의 온도는 일정하게 고정하였으며, 용 탕 온도, 선속도 및 롤갭은 여러 조건으로 변화하였다. 응고 구간이 큰 ALSn합금을 쌍 롤 주조 할 때 접촉각(contact an임e)이 45° 보다 큰 경우 턴디쉬 전방에서 합금이 응고되어 건전한 strip을 제조할 수 없으며, 10。보다 작은 경우 상 .
- 따라서 본 실험에서는 접촉각 및 용 탕의 유출속도를 결정하는 턴디쉬 angle을 각각 10° 와 30。로 고정하였다. 또한 노즐 tip의 폭 및 높이에 따라 용탕의 유출속도가 변화하기 때문에 이를 일정하게 하기 위하여 노즐 tip의 폭을 70 mm로 하였으며, 높이를 2.5 mm로 일정하게 하였다.
- 중력 주조에 의한 종래의 베어링 제조공정에 비해 쌍 롤 법으로 제조한 strip 의 경우 압연 pass가 적기 때문에 압연조직을 풀어주기 위한 열처리 공정을 생략 할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 냉간압연 및 냉간압접 후 열처리 조건을 변화하여 열처리를 행하였으며, 이때의 미세조직 및 접합강도 변화를 측정하였다.
- 분석하였다. 또한 각 합금의 융점은 DTA(TA 910 thermal analyzer, USA)를 이용하여 측정하였으며, 이때 승온속도는 5, C/min立로 하였다. 미세조직은 각 시편을 연마지 (emery paper)와 diamond paste를 사용하여 1 μm까■지 연마(polishing)한 후 0.
- 또한 각 합금의 융점은 DTA(TA 910 thermal analyzer, USA)를 이용하여 측정하였으며, 이때 승온속도는 5, C/min立로 하였다. 미세조직은 각 시편을 연마지 (emery paper)와 diamond paste를 사용하여 1 μm까■지 연마(polishing)한 후 0.5%HF액에 으扌 5초 동안 부식 (etching) 시켜 광학현미경 및 SEM/ EDX(Hitachi, X-650, Japan)을 사용하여 관찰하였다
- 열처리는 22(TC~450。(의 온도 범위에서 각각 10분, 30분, 60분간 행하였으며, 각 시편의 미세조직 및 접합강도 변화를 측정하였다. 접합강도 측정은 peel test (ASTM D3167)법으로 행하였으며, 이때 cross head speed는 200 mm/min으로 행하였다[12].
- 이때 마모시험은 상온의 건식조건에서 실시하였으며 접촉하중은 2.1kg, 마모거리는 200 m, 활주 속도는 0.62와 1.65m/sec의 저속 및 고속조건으로 변화시켰다. 또한 상대 재는 SCM4강을 8501에서 45분 유지 후 175。。로 유 냉하여 경화 후 사용하였다.
- 5HRC였다. 마모시험 후 비 마모량 측정에 이용된 식은 다음과 같으며, 마모시험 후시편의 표면을 SEM으로 관찰하였다.
- 3. Result of the DTA analysis to investigate the melting points of Al-20Sn and Al-40Sn alloys.
- 그림 5는 A20 및 AW합금의용탕온도 및 선속도 변화에 따른 strip의 제조특성을보이고 있는 것이다. 본 연구에서는 두께 3 mm의 건전한 strip을 제조하는 것을 목표로 하였기 때문에 롤간격은 3 mm로 일정하게 고정하였다. A20합금의 경우용탕온도는 63(TC에서 선 속도를 14~22m/miri로 하였을 때 건전한 strip을 제조할 수 있는 것으로 나타났다 .
- 용탕온도를 각각 630。(3와 61(TC로 고정하고 롤갭 및 선속도 변화의 영향을 조사하였다. 그림 6 은 롤갭 및 선속도 변화에 따른 strip의 표면특성을 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 흑연도가니에 Al(99.99%), Sn(99.99%) 및 Cu (99.96%)를 장입한 후 전기 저항로를 사용하여 750℃ 의 온도로 용해하였다. 직경 30 mm, 높이 200 mmH.
- 직경 30 mm, 높이 200 mmH. 기의 봉상 금형에 용 탕을 700, C의 온도로 주입하여 Al-20%Sn-l%Cu 및 Al-40%Sn-l%Cu모합금을 제조하였다. 제조한 모합금을 마그네시아(MgO) 도가니에 장입 후 중 주파 유도로를 사용하여 재 용해하여 쌍롤주조를 행하였다(그림 1).
- 기의 봉상 금형에 용 탕을 700, C의 온도로 주입하여 Al-20%Sn-l%Cu 및 Al-40%Sn-l%Cu모합금을 제조하였다. 제조한 모합금을 마그네시아(MgO) 도가니에 장입 후 중 주파 유도로를 사용하여 재 용해하여 쌍롤주조를 행하였다(그림 1). 이때 사용한 쌍 롤 주조기 (twin-roll strip caster)는 수평형 (horizontal type)■以로 롤의 직경이 300 mm이며, 선속도는 3~29m/min의 범위에서 변화될 수 있다.
이론/모형
- 제조한 A20(Al-20Sn) 및 A40(Al-40Sn)합금 strip의성분은 ICP법 (Sn:KSD 1872-93, Cu : KSD 1865-93) 으로 분석하였다. 또한 각 합금의 융점은 DTA(TA 910 thermal analyzer, USA)를 이용하여 측정하였으며, 이때 승온속도는 5, C/min立로 하였다.
- 변화를 측정하였다. 접합강도 측정은 peel test (ASTM D3167)법으로 행하였으며, 이때 cross head speed는 200 mm/min으로 행하였다[12].
- 내 마모시험은 Riken-ogoshi형 내마모시험기(OAT-U, Riken-ogoshi's Universal Wear Tester)를 사용하여 행하였다. 이때 마모시험은 상온의 건식조건에서 실시하였으며 접촉하중은 2.
성능/효과
- DTA분석한 결과이다. 성분분석 결과 A2O(A1-20Sn-lCu), A40(Al-20Sn-lCu) 두 합금 모두 목표치에 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 또한 열분석 결과 A20합금 융점은 625。。로 나타났으며, A40합금의 융점은 605.
- 좁아짐을 알 수 있다. 또한 A40합금은 A20합금에 비해 가이드 상부에 적층 및 자유계면을 형성시키는 범위를 더욱 중가시키는 것으로 나타났다. 이는 A40합금은 A2(합금에 비해 Sn의 함량이 2배 많기 때문에 쌍롤주조시 응고 롤에서 응고하는 고상 A1의 분율감소에 기인한 것으로 판단된다.
- 표면특성을 나타낸 것이다. 두 합금 모두 선속도 증가에 따라 건전한 strip을 제조할 수 있는 롤갭은 점차적으로 감소되는 경향을 보였다. 이는 턴디쉬로부터 회전하는 롤에 공급되는 용 탕의 양은 일정하지만 선속도가 증가될 경우 회전하는 롤에 의해 유출되는 용탕의 양은 점차적으로 증가되기 때문에 하부롤상부에 공급되는 용 탕의 높이가 감소하여 strip의 두께는 점차적으로 감소되는 것으로 판단된다.
- 하부에 비해 약 20 gm 정도 조대하였다. 또한 A40 합금의 cell spacing0] A20합금의 cell spacing] 비해 같은 위치에서 평균 20|im정도 미세함을 보였다. 이는 응고 시 용질 원자가 많은 확산을 수반하기 때문에 용질원자의 확산 거리를 줄이기 위해 세포상 조직의 간격이 작아진 것으로 여겨진다 [15].
- 첫째 , 합금의 미세조직 측면에서 가공공정(냉간압연 및냉간압접)에 의해 길게 연신 된 Sn 상을 미세한 구형또는 망목상으로 변화시켜야 한다[4-5, 8, 11]. 둘째, A1-Sn합금과 이면금속간의 접합강도가 우수해야 한다. 따라서 본 연구에서는 열처리 온도 및 시간 변화에 따른 비어링합금의 미세조직 변화를 관찰하였으며, 이를 그림 12에 나타내었다.
- 열처리 온도가 증가함에 따라 접합강도는 증가하는 경향을 보였으며, A40합금에 비해 A20 합금의 접합강도가 우수하게 나타났다. A20 합금의 경우 열처리 온도가 높고, 장시간 열처리할수록 높은 접합강도 값을 나타내었으나, 그림 13에 보인 바와 같이 높은 온도 및 장시간 열처리 조건은 조직을 조 대화 시키기 때문에 320-350 。0에서 60분 열처리할 경우 가장 우수한 미세조직 및 접합강도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
- 열처리 온도가 증가함에 따라 접합강도는 증가하는 경향을 보였으며, A40합금에 비해 A20 합금의 접합강도가 우수하게 나타났다. A20 합금의 경우 열처리 온도가 높고, 장시간 열처리할수록 높은 접합강도 값을 나타내었으나, 그림 13에 보인 바와 같이 높은 온도 및 장시간 열처리 조건은 조직을 조 대화 시키기 때문에 320-350 。0에서 60분 열처리할 경우 가장 우수한 미세조직 및 접합강도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한 A40 합금에서는 최대 800kg/cm의 접합강도를 얻을 수 있으며, 미세조직을 고려하여 350K에서 30분, 325C에서 6。분 열처리할 경우 가장 우수한 접합특성을 얻을수 있는 것으로 나타났다.
- A20 합금의 경우 열처리 온도가 높고, 장시간 열처리할수록 높은 접합강도 값을 나타내었으나, 그림 13에 보인 바와 같이 높은 온도 및 장시간 열처리 조건은 조직을 조 대화 시키기 때문에 320-350 。0에서 60분 열처리할 경우 가장 우수한 미세조직 및 접합강도를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 또한 A40 합금에서는 최대 800kg/cm의 접합강도를 얻을 수 있으며, 미세조직을 고려하여 350K에서 30분, 325C에서 6。분 열처리할 경우 가장 우수한 접합특성을 얻을수 있는 것으로 나타났다.
- 것이다. A20 합금에 비해 Sn의 함량이 많은 A40 합금의 내마모성이 저속, 고속 모든 시험조건에서 우수한 내마모성을 보였다. 이는 Srt의 함량이 중가할수록베어링의 상응성 및 윤활 성이 개선되어 더욱 우수한 내마모성을 보인 것으로 판단된다.
- 1. 용탕온도, 롤갭 및 선 속도를 조절함에 의해 응고 구간이 매우 큰 Al・Sn합금의 건전한 strip을 제조하기 위한 공정조건을 확립할 수 있었다.
- 미세조직 관찰 결과 Sn 상은 주방상태에서 A1 수지상의 경계에 망목상으로 형성되며, Al-20Sn 합금에비해 Al-40Sn 합금의 cell spacing0] 작게 나타남을알 수 있었다. 또한 냉간 압접에 의해 길게 연신된 조직은 열처리온도 및 시간에 따라 미세한 망목상 조직에서 조대한 망목상 조직으로 변화함을 알 수 있었다.
- 3. Al-Sri합금과 이면금속(back metal)간의 접합강도는 열처리온도 및 시간 증가에 따라 중가되는 경향을보였으며, 접합 특성은 Al-20Sn합금이 Al-40Sri합금에비해 우수한 것으로 나타났다.
- 4.마모시험 결과 Al-20Sn합금에 비해 Al-40Sn합금이 저속 및 고속의 모든 시험조건에서 우수한 내마모성을 보였다.
- 2. 미세조직 관찰 결과 Sn 상은 주방상태에서 A1 수지상의 경계에 망목상으로 형성되며, Al-20Sn 합금에비해 Al-40Sn 합금의 cell spacing0] 작게 나타남을알 수 있었다. 또한 냉간 압접에 의해 길게 연신된 조직은 열처리온도 및 시간에 따라 미세한 망목상 조직에서 조대한 망목상 조직으로 변화함을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 롤갭 (roll gap)이 자유롭게 조절될 수 있기 때문에 얇은판상의 형태로 near net shape의 박판 제조가 가능한특징을 가지고 있다. 이에 따라 쌍롤법을 이용하여 박판 베어링을 제조할 경우 다단계 압연공정이 생략될수 있기 때문에 설비비 및 제조원가가 절감될 수 있으며, 또한 급속응고 효과에 의해 재질 개선 효과도 매우 클 것으로 기대된다. 그러나 Al-Sn 합금과 같이 고액공존범위가 큰 합금은 작은 합금에 비해 쌍롤 주조시 가장자리 균열 및 표면균열을 쉽게 발생시키는 것으로 잘 알려져 있다[1 이.
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