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문제 정의
- 그러나 주조용 알루미늄 합금을 용탕 단조할 때 용탕 유동도에 미치는 이들 용탕처리의 영향을 연구한 사례와 자료는 거의 없다. 따라서 본연구에서는 일정한 금형 온도, 압력 및 과열 조건에서 알루미늄-규소 합금의 용탕 단조시 유동도에 미치는 규소 함량과 용탕 처리의 영향을 연구하였다.
- 알루미늄-규소 합금 용탕의 공정 개량 처리 및 초정 규소 미세화 처리 결과를 확인하고 유동도에 미치는 규소 함량과 이들 용탕 처리의 영향의 원인을 규명하기 위하여 미세 조직을 관찰하였다. 용탕 단조하여 유동도 시험 후 얻은 압탕을 절단하여 횡단면의 중앙부에서 미세 조직 관찰용 시편을 얻었다.
제안 방법
- 40 ton 용량의 용탕 단조 장치를 이용하여 알루미늄 합금의 용탕 단조시 유동도를 시험하였다. 용탕 단조 장치는 Fig.
- 5 kW 용량의 박스로와 지름과 높이가 각각 85 및 105 mm인 흑연 도가니를 이용하였다. 흑연 도가니에 각 조건 별로 500 g의 장입물을 지름 및 높이가 각각 85, 105 mm인 흑연도가니에 장입물을 장입하고, 같은 각 조성별 액상선 온도를 근거로 과열 온도 100℃인 온도에 도달하도록 승온시킨 후 흑연도가니를 박스로에 넣어 1시간 동안 유지하며 용해하였다. 장입물로는 공업적으로 순수한 알루미늄, 10 및 20%의 규소가 함유된 인고트를 벤드쏘(band saw)로 절단하여 사용하였다.
- 이때 각 조성별로 액상선 온도보다 100℃ 높은 온도에서 주입하였다[7]. 용탕을 금형에 주입한 후 즉시 용탕 단조 장치를 가동하여 플런저를 하강시켜 용탕에 압력을 가하였다. 플런저는 2, 250mm/min의 속도로 하강하여 용탕과 접촉하는 순간부터 260mm/min의 속도로 하강하여 60 MPa의 압력을 가하여 30초 동안 유지시켜 용탕 단조하였다.
- 알루미늄-규소 합금의 용탕 단조시 유동도에 미치는 규소함량의 영향을 조사하고 용탕 처리한 용탕의 유동도 시험 결과와 비교하기 위하여 아공정 조성인 규소 함량 1.0, 3.0, 7.0 및 10.0 wt% 조성의 합금과 과공정 조성인 규소 함량 13.0및 15.0wt% 조성의 합금의 유동도를 측정하였다. 아공정 조성의 경우 공업적으로 순수한 알루미늄과 Al-10wt%Si 조성의 모합금을 그리고 과공정 조성의 경우에는 전자와 Al-20wt%Si 조성의 모합금을 사용하여 용해하였다.
- 규소 함량이 1.0, 3.0, 및 10.0wt%인 아공정 합금의 경우초정 상은 a-알루미늄 결정이며 용탕 단조시 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리의 영향을 시험하기 위하여 이 조성의 용탕을 얻은 후 각각 용탕 중량의 0.15 wt%의 티타늄을 첨가하였다. 규소 함량 7.
- 15 wt%의 티타늄을 첨가하였다. 규소 함량 7.0 및 10.0 wt% 조성의 합금과 과공정 조성인 규소 함량 13.0 및 15.0wt% 조성의 합급의 경우에 유동도에 미치는 공정 규소 개량 처리의 영향을 시험하기 위하여 용탕 중량의 0.02 wt%의 스트론튬을 첨가하였다. 그리고 A1-7.
- 02 wt%의 스트론튬을 첨가하였다. 그리고 A1-7.0및 10.0wt%Si 합금의 경우 결정립 미세화 및 공정 규소 개량 처리의 동시 처리의 영향을 시험하기 위하여 용해한 후 용탕 중량의 0.15 wt%의 티타늄과 0.02 wt%의 스트론튬을 동시에 첨가하였다. 규소 함량이 13.
- 02 wt%의 스트론튬을 동시에 첨가하였다. 규소 함량이 13.0 및 15.0wt%인 과 공정합금의 경우 유동도에 미치는 초정 규소 미세화의 영향을 시험하기 위하여 용탕 중량의 0.2 wt%의 인을 첨가하였다. 결정립 미세화제, 공정 규소 개량 처리제 및 초정 규소 미세화제로는 Al-5wt%Ti-l wt%B 및 Al-10wt%Sr 모합금 그리 고일반 시약 등급의 적인을 사용하였으며 각각의 화학적 조성도 Table 1에서 보이는 바와 같다.
- 각 조성별 알루미늄-규소 합금의 화학 조성과 용탕 처리 원소의 잔류 함량을 확인하기 위하여 화학 조성을 분석하였다. 용탕 단조하여 얻은 유동도 시험 주조품의 플런징 실린더의 가운데 부분을 횡단면으로 절단하여 화학 성분 분석용 시편을 얻어 밑면을 연마한 후 방출 스펙트럼 분석 장치로 화학적 성분을 분석하였다.
- 분석하였다. 용탕 단조하여 얻은 유동도 시험 주조품의 플런징 실린더의 가운데 부분을 횡단면으로 절단하여 화학 성분 분석용 시편을 얻어 밑면을 연마한 후 방출 스펙트럼 분석 장치로 화학적 성분을 분석하였다.
- 관찰하였다. 용탕 단조하여 유동도 시험 후 얻은 압탕을 절단하여 횡단면의 중앙부에서 미세 조직 관찰용 시편을 얻었다. 압력, 과열 및 조성 변화의 각각의 유동도 시험 조건 별로 시편을 얻어 보통의 방법으로 조연마하고, 1彻 등급까지의 다이아몬드 페이스트로 세연마하였다.
- 압력, 과열 및 조성 변화의 각각의 유동도 시험 조건 별로 시편을 얻어 보통의 방법으로 조연마하고, 1彻 등급까지의 다이아몬드 페이스트로 세연마하였다. 아세톤과 에탄올로 세척한 후 0.5% 불화수소산으로 부식시켰으며 100 배의 배율에서 광학 현미경으로 관찰하였다.
- 결정립 미세화 처리 결과를 확인하기 위하여 결정립 미세화 처리만한 규소 함량 1.0 및 3.0wt%의 합금과 결정립 미세화처리만 하였거나 공정 규소 개량 처리와 동시 처리한 Al-10 wt%Si 합금의 거시 조직을 관찰하였다. 용탕 단조하여 유동도 시험 후 얻은 플런징 실린더 부분을 절단하여 종단면을 관찰하였다.
- 0wt%의 합금과 결정립 미세화처리만 하였거나 공정 규소 개량 처리와 동시 처리한 Al-10 wt%Si 합금의 거시 조직을 관찰하였다. 용탕 단조하여 유동도 시험 후 얻은 플런징 실린더 부분을 절단하여 종단면을 관찰하였다. 유동도 시험 조건별로 시편을 얻어 보통의 방법으로 2,000번까지 조연마하고, 아세톤과 에탄올로 세척한 후 TUCKER 부식액으로 부식시켜 거시 조직을 관찰하였다.
- 용탕 단조하여 유동도 시험 후 얻은 플런징 실린더 부분을 절단하여 종단면을 관찰하였다. 유동도 시험 조건별로 시편을 얻어 보통의 방법으로 2,000번까지 조연마하고, 아세톤과 에탄올로 세척한 후 TUCKER 부식액으로 부식시켜 거시 조직을 관찰하였다.
- 알루미늄-규소 합금을 용탕 단조할 때 유동도에 미치는 각 인자, 즉, 규소 함량, 공정 조직이 없거나 그 분률이 매우 낮은 합금의 경우 결정립 미세화 처리, A1-7.0 및 10.0wt%Si 합금 그리고 과공정 합금의 경우 공정 개량 처리, AI-7.0 및 10.0 wt%Si 합금 및 과공정 합금의 경우 공정 조직 개 량 처리, A1-7.0 및 10.0wt%Si 합금의 경우 결정립 미세화와 공정 규소 개량 처리의 동시 처리 그리고 과공정 합금의 경우초정 규소 미세화 처리 등의 용탕 처리, 의 영향을 시험한 유동도 시험용 용탕 단조품의 규소 함량 또는 규소 함량과 용탕처리 원소의 함량을 확인하기 위하여 화학 성분을 분석하였다. 모든 경우에 규소 함량은 그 허용 범위를 벗어나지 않았다.
- 2 원계 알루미늄-규소 합금의 규소 함량과 이에 따른 미세조직의 변화를 확인하고 유동도에 미치는 규소 함량의 영향을 규명하기 위하여 미세 조직을 관찰하였으며 그 결과는 Fig. 3에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 알루미늄 중 최대 고용도인 약 1.
- 또한 아공정 조성인 A1-7.0 및 10.0wt%Si 합금의 경우 공정 규소 개량 처리만 한 경우와 결정립 미세화 처리와의 동시처리한 경우의 공정 규소 개량 처리 결과를 확인하기 위하여 미세 조직을 관찰하였으며 Al-7.0 wt%Si 합금에 대한 결과는 Fig. 5에서 보이는 바와 같다. 그리고 과공정 조성인 A1-13.
- 5에서 보이는 바와 같다. 그리고 과공정 조성인 A1-13.0 및 15.0wt%Si 합금의 경우 공정 조직 개량 처리와 초정 규소 미세화 처리 결과를 확인하기 위하여 미세 조직 관찰을 하였으며 Al-13.0wt%Si 합금에 대한 결과는 Fig. 6에서 보이는 바와 같다. 이들 경우에도 용탕 단조시 유동도에 미치는 용탕 처리의 영향을 조사하는 데에는 별 문제가 없는 것으로 나타났다.
- 알루미늄-규소 합금을 용탕 단조할 때 유동도에 미치는 규소 함량의 영향을 시험하고 용탕 처리한 용탕의 유동도 시험결과와 비교하기 위하여 아공정 조성인 AI-1.0, 3.0, 7.0, 및 10wt%Si 합금과 과공정 조성인 A1-13.0 및 15.0wt%Si 합금의 유동도를 측정하였다. 유동도 측정을 위한 용탕 단조시압력과 과열은 각각 60 MPa 및 10(TC였다.
- 초정 상이 a-알루미늄 규소 함량이 1.0, 3.0, 7.0 및 10.0 wt% 조성의 합금에 대하여 용탕 단조시 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리의 영향을 시험하였으며 그 결과는 Table 2 및 Fig. 9에서 보이는 바와 같다. 공정 조직이 없거나 부피분률이 낮은 규소 함량 1.
- 아공정 조성인 A1-7.0 및 10.0wt%Si 합금을 사용하여 용탕 단조시 유동도에 미치는 공정 규소 개량 처리와 결정립 미세화 처리 및 공정 규소 개량 처리의 동시 처리의 영향을 시험하였다. 공정 규소 개량 처리를 하기 위해서는 Al-10wt%Sr 모합금을 사용하여 용탕 중량의 0.
- 0wt%Si 합금을 사용하여 용탕 단조시 유동도에 미치는 공정 규소 개량 처리와 결정립 미세화 처리 및 공정 규소 개량 처리의 동시 처리의 영향을 시험하였다. 공정 규소 개량 처리를 하기 위해서는 Al-10wt%Sr 모합금을 사용하여 용탕 중량의 0.02 wt% 스트론튬을 첨가하였으며 이 용탕 처리와 결정립 미세화 처리의 두 가지를 동시에 하는 경우에는 스트론튬과 함께 Al-5wt%Ti-l wt%B 모합금을 사용하여 용탕 중량의 0.15 wt%의 티타늄을 첨가하였다.
- 과공정 조성인 A1-13.0 및 15.0wt%Si 합금을 사용하여 용탕 단조시 유동도에 미치는 초정 규소 미세화 처리의 영향을 조사하였다. 박스로를 이용하여 용탕을 얻은 후 용탕 중량의 0.
- 0wt%Si 합금을 사용하여 용탕 단조시 유동도에 미치는 초정 규소 미세화 처리의 영향을 조사하였다. 박스로를 이용하여 용탕을 얻은 후 용탕 중량의 0.2 wt%의 적인을 첨가한 후 유동도 스파이랄 금형에 주입하고 용탕 단조하여 유동도를 측정하였으며 그 결과는 Table 2 및 Fig. 12에서 보이는 바와 같다. 두 가지 서로 다른 조성의 과공정 합금 모두 초정 규소 미세화 처리로 그 정도는 차이가 있으나 유동도는 증가하였다.
- 용탕 단조시 유동도에 미치는 결정립 미세화 처리의 영향을 시험하기 위한 규소 함량이 1.0, 3.0, 7.0 및 10.0 wt% 조성의 힙금의 결정립 미세화 처리 결과를 확인하기 위하여 이들 합금의 거시 조직을 관찰하였으며 대표적인 Al-7.0wt%Si 합금에 관한 결괴는 Fig. 4에서 보이는 바와 같다. Al-5 wt%Ti-1 wt%B 모합금을 사용하여 용탕 중량의 0.
대상 데이터
- 알루미늄-규소 합금을 용해하기 위하여 린드버그사 제작 3.5 kW 용량의 박스로와 지름과 높이가 각각 85 및 105 mm인 흑연 도가니를 이용하였다. 흑연 도가니에 각 조건 별로 500 g의 장입물을 지름 및 높이가 각각 85, 105 mm인 흑연도가니에 장입물을 장입하고, 같은 각 조성별 액상선 온도를 근거로 과열 온도 100℃인 온도에 도달하도록 승온시킨 후 흑연도가니를 박스로에 넣어 1시간 동안 유지하며 용해하였다.
- 흑연 도가니에 각 조건 별로 500 g의 장입물을 지름 및 높이가 각각 85, 105 mm인 흑연도가니에 장입물을 장입하고, 같은 각 조성별 액상선 온도를 근거로 과열 온도 100℃인 온도에 도달하도록 승온시킨 후 흑연도가니를 박스로에 넣어 1시간 동안 유지하며 용해하였다. 장입물로는 공업적으로 순수한 알루미늄, 10 및 20%의 규소가 함유된 인고트를 벤드쏘(band saw)로 절단하여 사용하였다. 공업적으로 순수한 알루미늄과 장입물로 사용한 합금의 화학적조성은 Table 2에서 보이는 바와 같다.
- 2 wt%의 인을 첨가하였다. 결정립 미세화제, 공정 규소 개량 처리제 및 초정 규소 미세화제로는 Al-5wt%Ti-l wt%B 및 Al-10wt%Sr 모합금 그리 고일반 시약 등급의 적인을 사용하였으며 각각의 화학적 조성도 Table 1에서 보이는 바와 같다. 각 조건별로 3회 시험하여 유동도 스파이랄 길이의 평균값을 얻었다.
데이터처리
- 각 작업 재료의 화학조성은 Table 1에서 보이는 바와 같다. 각 조성별로 3회 시험하여 유동도 스파이랄 길이의 평균 값을 얻었다.
- 결정립 미세화제, 공정 규소 개량 처리제 및 초정 규소 미세화제로는 Al-5wt%Ti-l wt%B 및 Al-10wt%Sr 모합금 그리 고일반 시약 등급의 적인을 사용하였으며 각각의 화학적 조성도 Table 1에서 보이는 바와 같다. 각 조건별로 3회 시험하여 유동도 스파이랄 길이의 평균값을 얻었다.
성능/효과
- 모든 경우에 규소 함량은 그 허용 범위를 벗어나지 않았다. 결정립 미세화 처리를 하기 위하여 Al-5 wt%Ti-l wt%B 모합금을 사용하여 용탕 중량의 0.15 wt%의 티타늄을 첨가한 경우에는 티타늄 함량이 0.148~0.155wt% 범위인 것으로 나타났다. 공정 규소를 개 량 처리하기 위하여 AI-10 wt%Sr 모합금을 사용하여 0.
- 155wt% 범위인 것으로 나타났다. 공정 규소를 개 량 처리하기 위하여 AI-10 wt%Sr 모합금을 사용하여 0.02%의 스트론튬을 첨가한 경우 스트론튬의 함량은 0.025 및 0.023 wt%로 나타났다. 이와 같이 알루미 늄-규소 함량을 용해한 후 용탕 처리한 경우에도 각 용탕 처리원소의 잔류 함량은 허용 범위 내인 것으로 판단되었다.
- 3에서 보이는 바와 같다. 규소 함량이 알루미늄 중 최대 고용도인 약 1.65 wt%를 넘지 않은 1.0 wt%조성의 합금은 a-알루미늄 상만이 존재하고 아공정 합금의 경우에는 초정 a-알루미늄 덴드라이트와 공정 조직으로 이루어졌으며 규소의 함량이 증가함에 따라 공정 조직의 부피 분률이 증가하는 전형적인 경 향을 보 였 다.
- 7에서 보이는 바와 같다. Al-3.0wt%Si 합금의 용탕 단조시 유동도는 A1-1.0wt%Si 합금의 유동도보다 작았으며 규소 함량이 13.0 wt% 까지 증가함에 따라 유동도는 증가하였다. 그리고 규소 함량이 15.
- 0 wt%인 아공정 합금의 경우의 응고 조직은 a-알루미늄 덴드라이트와 공정 조직으로 이루어 지며 규소 함량이 많을수록 초정 a-알루미늄 덴드라이트의 부피 분률이 적다. 규소 함량이 1.0 wt%인 합금보다 3.0 wt%인 합금의 응고 범위가 더 커서 유동도는 더 낮으며 규소 함량이 10.0 wt%로 증가함에 따라 응고 범위가 감소하여 유동도는 더 증가하였다. 아공정 합금의 경우 초정 a-알루미늄 덴드라이트의 부피 분률과 응고 범위에 따라서 유동도가 달라지며 이들 인자가 감소할수록 유동도는 증가할 것이다.
- 이 경우에 결정립 미세화 처리를 하면 핵생성자리가 증가하며 평균 결정립 크기가 감소하여 많은 수의 작은 결정립이 유동도 채널의 응고가 완전히 일어나기 전에 용탕의 흐름과 함께 더 많이 흐를 수 있었을 것이다. 그리고, 공정조직이 형성하는 합금의 경우 그 효과는 규소 함량이 증가하여 공정조직의 부피 분률이 증가할수록 감소하는 것으로 생각되었다.
- 10에서 보이는 바와 같다. 아공정 조성인 AI-7.0 및 10.0wt%Si 합금과 과공정 조성인 A1-13.0 및 15.0wt%Si 합금의 모든 경우에 공정 규소 개량 처리로 용탕 단조시 유동도는 증가하였다. 그러나 스트론튬 개량 처리에 의하여 액상의 표면 장력은 감소하는 것으로 보고된 바 있다[9].
- 1) Al-3.0wt%Si 합금의 유동도는 Al-1.0wt%Si 합금보다 작았으며 규소 함량이 13.0 wt%까지 증가함에 따라 증가하였다가 15.0wt%로 증가하면 오히려 감소하였다.
- 2) 결정립 미세화 처리와 공정 개량 처리에 의하여 유동도가・ 각각 증가하였다.
- 3) 알루미늄-규소 합금의 유동도는 결정립 미세화와 공정 개량의 동시 처리에 의하여 더욱 증가하였다.
- 4) 과공정 합금의 경우 초정 규소 미세화 처리에 의하여 유동도는 증가하였다.
후속연구
- 그러나 스트론튬 개량 처리에 의하여 액상의 표면 장력은 감소하는 것으로 보고된 바 있다[9]. 따라서 개량 처리하지 않은 합금에 비하여 개량 처리한 합금 중 공정 조성의 액상의 유동도가 개선될 것으로 기대된다. 이 효과가 스트론튬이 과냉을 야기시켜 증가된 응고 범위에 의한 유동도 감소 효과보다 더 큰 것으로 생각된다.
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