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문제 정의
- 본 연구에서는 가장 일반적인 알루미늄 다이캐스팅 재료인 범용 열간공구강(KS-STD61과 SKH51) 시편의 알루미늄합금(KS-ALDC 12종)용탕에서의 용손 거동을 용탕 온도와 시편의 용탕에서의 회전속도를 변수로 하여 용손실험을 하여 그 거동을 규명하고, 가스질화처리, 이온질화처리 및 연질화처리를 한 시편을 대상으로 표면처리재의 용손기구를 조사하였다.
제안 방법
- 시편은 직경 10 mm, 길이 100 mm의 봉상형 공구강으로 그 조성은 Table 1과 같다. STD61은 1040℃에서 SKH51강은 1,175℃에서 가열, 가스 냉각 후 STD61강은 580℃, SKH51강은 550℃에서 뜨임처리를 하여 뜨임마텐사이트 조직을 가지도록 하였고, 시편은 열처리 후 연마하여 매끈한 표면을 가지도록 하였다. 또한 조직의 차이에 따른 내용손성의 차이를 조사하기 위하여 뜨임 마텐사이트 조직 외에 마텐사이트와 펄라이트 조직을 가진 시편에 대해서도 용손실험을 하였다.
- STD61은 1040℃에서 SKH51강은 1,175℃에서 가열, 가스 냉각 후 STD61강은 580℃, SKH51강은 550℃에서 뜨임처리를 하여 뜨임마텐사이트 조직을 가지도록 하였고, 시편은 열처리 후 연마하여 매끈한 표면을 가지도록 하였다. 또한 조직의 차이에 따른 내용손성의 차이를 조사하기 위하여 뜨임 마텐사이트 조직 외에 마텐사이트와 펄라이트 조직을 가진 시편에 대해서도 용손실험을 하였다. 사용한 알루미늄합금용탕은 가장 일반적인 다이캐스팅용 알루미늄합금인 ALDC 12종으로, 실험에 사용한 합금의 조성 분석치는 Table 1과 같다.
- 열처리한 시편의 표면에 연질화처리(Tufftride처리)를 하여 2 µm와 8 µm의 두께로 질화층을 형성시켰다.
- 연질화처리에 의한 내용손성효과와의 비교를 위하여 가스질화처리재는 TFT(A)와 비슷한 두께의 2 µm 두께의 질화층을 형성시켰으며, 이온질화처리재는 TFT(B)와 비슷한 두께의 8 µm 두께의 질화층을 형성시켰다.
- 연질화처리에 의한 내용손성효과와의 비교를 위하여 가스질화처리재는 TFT(A)와 비슷한 두께의 2 µm 두께의 질화층을 형성시켰으며, 이온질화처리재는 TFT(B)와 비슷한 두께의 8 µm 두께의 질화층을 형성시켰다. 질화처리된 시편은 표면에 질화층 외에 확산층이 존재하였는데, 이는 표면에서부터 마이크로 비커스경도의 측정을 통하여 확인하였다. 확산층은 표면처리의 영향을 받지 않은 내부에 비해 높은 경도를 나타내었는데(처리방법에 따라서 내부는 500~600 HV, 표면은 700~1,050 HV), 질화방법에 따라서 경도의 차이는 있었으나 대체로 두께 200 µm전후의 확산층이 관찰되었다.
- 용손실험은 흑연도가니에서 용해된 후 680~780℃의 온도로 유지된 3.5 kg의 알루미늄 용탕에 시편을 침지시킨 후 침지시간에 따른 용손량을 측정하였다. 이 때 교반효과를 주기 위하여 시편을 용탕 내에서 회전시켰다.
- 알루미늄 합금용탕에 침지된 철계 시편은 용탕과 반응하여 금속간화합물을 형성시키므로, 이를 확인하기 위하여 금형강의 표면에 부착된 알루미늄 층을 얇게 분리하여 가루로 만든 후 XRD분석을 하였다.
- 금형강의 성분의 차이에 의한 내용손성의 변화를 보기 위하여 STD61강에 비하여 내용손원소로 알려진 Mo와 W가 많이 함유된 SKH51종의 용손량을 측정하였는데, Fig. 6은 SKH51강을 680℃, 4.5 rpm에서 용손량을 측정한 뒤 STD61강의 용손경향과 비교한 것이다.
- 또한 표면 층에 존재하는 원소의 확인을 위하여 침지 시험된 시편의 표면에서부터 주요원소들에 대해 EDX 선분석을 하였다.
- 확산층의 증가가 용손을 제어하는지를 확인하기 위하여 780℃의 고온조건과 20 rpm의 고속의 회전조건 하에서의 확산층의 변화와 용손특성을 관찰할 후 680℃, 4.5 rpm의 경우와 비교하여 보았다.
대상 데이터
- 시편은 직경 10 mm, 길이 100 mm의 봉상형 공구강으로 그 조성은 Table 1과 같다.
- 또한 조직의 차이에 따른 내용손성의 차이를 조사하기 위하여 뜨임 마텐사이트 조직 외에 마텐사이트와 펄라이트 조직을 가진 시편에 대해서도 용손실험을 하였다. 사용한 알루미늄합금용탕은 가장 일반적인 다이캐스팅용 알루미늄합금인 ALDC 12종으로, 실험에 사용한 합금의 조성 분석치는 Table 1과 같다.
이론/모형
- 질화처리방법에 따른 내용손성을 조사하기 위하여 가스질화처리법 및 이온질화처리법에 의하여서도 STD61강의 표면에 질화층을 형성시켜 용손시험을 하였다.
성능/효과
- 각각 9시간, 7.5시간 침지하였던 STD61강과 SKH51강의 시편의 계면부근에서의 Al, Fe, Si, Cr, W 등의 농도변화를 EDX 선분석한 결과, 계면 부근에서 특별히 높은 농도를 나타내는 부분은 관찰되지 않았다.
- 각 시편의 7.5시간 침지 후 표면을 현미경으로 관찰한 결과, TFT(A)와 가스질화처리재는 전면에 걸쳐 용손이 진행되었으나, TFT(B)와 이온질화처리재의 경우는 용손이 전면적으로 진행되지 않고, 일부분에서만 피트형으로 용손이 진행되고 있음을 알 수 있었다.
- 1) 680℃의 용탕에서 4.5 rpm의 속도로 회전시키면서 침지시킨 금형강의 표면에는 빠른 시간 내에 금형강과 알루미늄 용탕의 반응하여 확산층이 생겼는데, 이는 주로 Fe4Al13로 확인되었다.
- 2) Mo와 W의 함량이 많아서 더 우수한 내용손성이 기대되었던 SKH51강의 용손량은 STD61강의 용손량과 비슷하였던 것으로부터 금형강의 화학조성의 영향은 크지 않음을 알 수 있었다.
- 이 확산층은 시간이 지남에 따라 거의 직선적으로 그 두께의 증가를 보였다. 용손량은 확산층의 두께보다는 치밀함에 의한 영향이 더욱 컸는데, 치밀한 확산층의 증가는 시편의 용손속도를 감소시켰다.
- 3) 표면처리한 시편의 용손량은 표면의 질화물 두께가 두꺼울수록 감소하였고, 용손도 전면 용손이 아닌 피트형으로 진행됨을 관찰할 수 있었는데, 이로부터 표면의 질화물층이 알루미늄 용탕으로부터의 용손을 감소시키는데 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 주사전자현미경(SEM)으로 용손실험 후의 표면부위의 모습을 관찰한 결과, 확산층이 관찰되었던 TFT(A)와 가스질화처리재에서는 질화층을 발견할 수 없었으나, 가장 우수한 내용손성을 보였던 TFT(B)에서는 Fig. 12과 같이 명확한 질화층이 피트형으로 진행되는 용손부위 옆에서 바로 관찰되었는데, 이로부터 질화층이 내용손성 향상에 효과가 있음을 알 수 있었다.
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