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문제 정의
- 한편, 주조법을 이용하여 기존의 순알루미늄 발포금속으로 압출재 내부에 주입 할 경우 용탕의 냉각속도와 발포 유지속도의 불안정성으로 인하여 용탕을 제어하기 힘들 뿐만 아니라 대부분의 압출재가현재 상용화된 순수 알루미늄 발포금속과 같은 재질이 아닌 6XXX계나 7XXX계 합금으로 제조되고 있기 때문에 발포 금속을 압출재 내부에 곧바로 주입충진 하는데 많은 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위한 기초적 데이터를 확보하기 위하여 6061과 6063 알루미늄 합금을 이용하여 높은 기공율과 균일한 기공크기와 분포를 가지는 발포금속을 제조하기 위하여 발포실험을 수행하였으며, 그 결과를 서로 비교 . 분석하였다.
- 또한 발포온도는 용탕의 점성과 직접적으로 관련이 있으며, 점도의 증가와 감소는 발포제를 첨가하였을 때 혼합 용탕 내부기공과 기공 사이의 용탕 흐름을 생성시키기 때문에 기공 벽의 두께를 증가시키고 기공율이 감소하는 원인이 된다. 이러한 요인들을 고려하여 발포 온도와 점증제의 첨가량에 따른 606X 합금의 제조특성을 관찰하기 위하여 연구를 수행하였으며, 실제 실험에 앞서 제조 조건에 대한 기초 데이터를 확보하기 위하여 6061 알루미늄 합금을 이용하여 실험에 적합한 온도와 점증제첨가량의 변화에 대한 제조특성을 관찰하였다. 먼저 실험에 적합한 온도를 알아보기 위하여 680℃, 730℃, 780℃의 50℃ 간격 3구간에서 발포금속 제조 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 이때 점증제와 발포제의 투입량에 의한 변화를 최소화하기 위하여 모든 조건에서 동일한 양의 점증제와 발포제를 투입하였다. 그리고 기공이 안정하게 유지, 성장할 수 있는 용탕의 점성 조건을 갖추기 위한 점증제 투입량을 조사하기 위하여, 6061 알루미늄합금 용탕에 순 알루미늄의 적정 점증제 첨가량인 1.5 wM%와유사범위인, 1 wt%와 1.5 wt% 그리고 2wt%의 Ca을 첨가하여 제조 특성을 관찰하였다. 이때 실험 조건은 온도의 영향을 배제하기 위하여 점증제 투입온도를 6701, 발포제투입온도를 680<C로 고정하여 실험을 실시하였다.
- 기공 벽 구조를 더욱 자세히 살펴보고 기공 크기 분포를 측정하기 위하여 Fig. 5와 같이 시편의 중심부를 잘라 표면을 연마하여 단면을 관찰 한 후, 기공의 크기 분포를 화상해석프로그램으로 측정하여 그 결과를 Fig. 6에 정리하였다. Fig.
- 이러한 요인들을 고려하여 발포 온도와 점증제의 첨가량에 따른 606X 합금의 제조특성을 관찰하기 위하여 연구를 수행하였으며, 실제 실험에 앞서 제조 조건에 대한 기초 데이터를 확보하기 위하여 6061 알루미늄 합금을 이용하여 실험에 적합한 온도와 점증제첨가량의 변화에 대한 제조특성을 관찰하였다. 먼저 실험에 적합한 온도를 알아보기 위하여 680℃, 730℃, 780℃의 50℃ 간격 3구간에서 발포금속 제조 실험을 실시하였다. 이때 점증제와 발포제의 투입량에 의한 변화를 최소화하기 위하여 모든 조건에서 동일한 양의 점증제와 발포제를 투입하였다.
- 이러한 기초실험을 바탕으로 실제 606X계 발포금속의 제조실험에서는 점도의 영향을 최소화하기 위하여 모든 실험은 점증제 첨가량에 따른 발포 금속의 제조특성 실험결과를 고려하여 일정한 양의 Ca을 점증제로 첨가하였으며, 발포제 투입량을 2wt%로 고정한 후 발포온도에 따른 제조특성을 관찰 하였으며, 기공율과 밀도, 기공 크기의 분포를 조사하여 비교하였다. 밀도 및 기공율 측정은 시편의 길이와 무게를 측정하여 계산산출 하였으며, 기공율은 측정된 시편의 밀도와 알루미늄 합금의 이론 밀도로부터 계산하였으며, 계산식은 아래와 같다[10].
- 시편의 밀도이다. 시편의 부위별 기공율의 변화와 결함의 존재에 의한 오차를 줄이기 위하여, 전체 시편을 3cmx 3 cm X 3 cm로 가공하여 겉보기 오차가 큰 샘플을 제외한 후, 내부 결함이 존재하지 않는 8개의 시편을 선택하여 그 평균값을 얻었다. 그리고 기공의 크기는 각 시편의 전체 거시조직 사진을 영상분석기(I-solution, Korea)를 사용하여 평균 직경을 측정하여 평균값과 분포를 얻었다.
- 5 wt% 그리고 2wt%의 Ca을 첨가하여 제조 특성을 관찰하였다. 이때 실험 조건은 온도의 영향을 배제하기 위하여 점증제 투입온도를 6701, 발포제투입온도를 680<C로 고정하여 실험을 실시하였다. 이러한 기초실험을 바탕으로 실제 606X계 발포금속의 제조실험에서는 점도의 영향을 최소화하기 위하여 모든 실험은 점증제 첨가량에 따른 발포 금속의 제조특성 실험결과를 고려하여 일정한 양의 Ca을 점증제로 첨가하였으며, 발포제 투입량을 2wt%로 고정한 후 발포온도에 따른 제조특성을 관찰 하였으며, 기공율과 밀도, 기공 크기의 분포를 조사하여 비교하였다.
- 먼저 실험에 적합한 온도를 알아보기 위하여 680℃, 730℃, 780℃의 50℃ 간격 3구간에서 발포금속 제조 실험을 실시하였다. 이때 점증제와 발포제의 투입량에 의한 변화를 최소화하기 위하여 모든 조건에서 동일한 양의 점증제와 발포제를 투입하였다. 그리고 기공이 안정하게 유지, 성장할 수 있는 용탕의 점성 조건을 갖추기 위한 점증제 투입량을 조사하기 위하여, 6061 알루미늄합금 용탕에 순 알루미늄의 적정 점증제 첨가량인 1.
- 이때 실험 조건은 온도의 영향을 배제하기 위하여 점증제 투입온도를 6701, 발포제투입온도를 680<C로 고정하여 실험을 실시하였다. 이러한 기초실험을 바탕으로 실제 606X계 발포금속의 제조실험에서는 점도의 영향을 최소화하기 위하여 모든 실험은 점증제 첨가량에 따른 발포 금속의 제조특성 실험결과를 고려하여 일정한 양의 Ca을 점증제로 첨가하였으며, 발포제 투입량을 2wt%로 고정한 후 발포온도에 따른 제조특성을 관찰 하였으며, 기공율과 밀도, 기공 크기의 분포를 조사하여 비교하였다. 밀도 및 기공율 측정은 시편의 길이와 무게를 측정하여 계산산출 하였으며, 기공율은 측정된 시편의 밀도와 알루미늄 합금의 이론 밀도로부터 계산하였으며, 계산식은 아래와 같다[10].
대상 데이터
- 606X계 알루미늄 합금을 제조하기 위하여 발포온도를 변화 시켜 제조 하였으며 그 결과는 다음과 같다.
- 조성은 Table 1과 같다. 발포금속의 제조는 전기로를 이용하여 미리 융해한 606X계 알루미늄 합금을 Fig. 1에서 보여주는 자체 제작된 발포금속 제조장치로 이송한 후, 본 장치를 이용하여 제조하였다. 장비는 용탕의 점증과 발포제의 교반을 위한 교반장치와 용융금속을 점증.
- 본 연구에 사용된 606X계 알루미늄 합금은 Al-Mg-Si계 합금으로 조성은 Table 1과 같다. 발포금속의 제조는 전기로를 이용하여 미리 융해한 606X계 알루미늄 합금을 Fig.
- 이러한 경향과 유사하게 발포 및 유지 온도가 6061알루미늄 합금의 경우 온도가 증가 할수록 기공의 크기가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 78VC에서는 시편 내부에 크게 성장한 기공이 발생하며, 시편의 하부에는 기지구역이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 606X계 합금의 경우 781TC에서는 규칙적인 기공 분포를 가지는 발포금속의 제조가 어렵다는 것을 보여주며 따라서 실제 제조 실험에서는 680℃와 730P를 발포온도로 선택하였다.
데이터처리
- 시편의 부위별 기공율의 변화와 결함의 존재에 의한 오차를 줄이기 위하여, 전체 시편을 3cmx 3 cm X 3 cm로 가공하여 겉보기 오차가 큰 샘플을 제외한 후, 내부 결함이 존재하지 않는 8개의 시편을 선택하여 그 평균값을 얻었다. 그리고 기공의 크기는 각 시편의 전체 거시조직 사진을 영상분석기(I-solution, Korea)를 사용하여 평균 직경을 측정하여 평균값과 분포를 얻었다.
이론/모형
- 후 TiH?를 이용하여 기공을 생성시키는 직접 발포법을 사용하였다[卜3].
성능/효과
- (1) 6061 알루미늄 합금은 680℃에서 균일한 기공크기와 분포를 가진 발포금속을 제조 할 수 있었고 발포온도가 증가할수록 기공의 분포가 불균일해지는 경향을 보였다.
- (2) 6063 알루미늄 발포금속의 경우 같은 조건에서 내부에 병합된 기공들이 6061 합금에 비해 많은 것을 확인할 수 있었고 합금원소의 미량원소의 양이 적고 열전도도가 비교적 높은 6063 알루미늄 합금이 6061 알루미늄 합금의 경우 보다 온도 변화에 따fins 용탕의 유동성이 민감하게 반응하였다.
- (3) 6061과 6063 두 합금을 사용하여 모두 80% 이상의 기공을 가지면서도 발포 온도에 따른 기공 형상과 균일도의 차이가 크지 않은 발포금속을 제조 할 수 있었다.
- 각 조건에서 제조되어진 6061과 6063 알루미늄 합금 발포금속 시편의 밀도와 기공벽의 두께 그리고 기공율을 정리한 것을 보면, Table 2에 나타내었다. Table 2와 같이 6061 알루미늄 합금의 경우 발포온도가 증가할수록 발포제의 분해 속도 및 분해량은 많아져서 내부 기공의 국부적인 성장에 의해 기공벽의 두께가 얇아지고, 온도가 증가함에 따라 점도의 감소로 용탕이 Cell 내부 벽면을 따라 하부로 흐르는 배수현상으로 인해 전체적으로 유사한 Cell벽 두께가 감소하는 것으로 나타났다. 반면 6063 알루미늄 합금의 경우에는 6061 합금과 비교하여 산화물의 생성량이 적기 때문에 발포온도가 증가할수록 용탕의 점성의 저하 현상이 상대적으로 낮아져서 병합된 기공의 숫자가 증가하고, 기공벽의 두께가 두꺼워졌으며, 이로 인해 기공율이 감소하고 밀도가 높아지는 것으로 나타났다.
- 5 의 6061알루미늄 합금 발포금속의 거시조직을 살펴보면, 68(TC에서 발포한 경우 기공의 형상이 구형을 띠는 것을 볼 수 있지만, 73CTC의 경우에는 기공의 성장으로 인해 기공 벽이 소실된 부분과 각형의 기공들이 많이 존재하는 것을 볼 수 있다. 또한 측정되어진 기공크기의 분포도 대부분의 기공크기가 1.6~3.5 mm의 범위에서 분포하며, 전체 발포기공 분포를 볼 수 있는 거시조직 사진과 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 반면 6063 알루미늄 합금의 경우에는 6061 알루미늄 합금과는 달리 2.
- Table 2와 같이 6061 알루미늄 합금의 경우 발포온도가 증가할수록 발포제의 분해 속도 및 분해량은 많아져서 내부 기공의 국부적인 성장에 의해 기공벽의 두께가 얇아지고, 온도가 증가함에 따라 점도의 감소로 용탕이 Cell 내부 벽면을 따라 하부로 흐르는 배수현상으로 인해 전체적으로 유사한 Cell벽 두께가 감소하는 것으로 나타났다. 반면 6063 알루미늄 합금의 경우에는 6061 합금과 비교하여 산화물의 생성량이 적기 때문에 발포온도가 증가할수록 용탕의 점성의 저하 현상이 상대적으로 낮아져서 병합된 기공의 숫자가 증가하고, 기공벽의 두께가 두꺼워졌으며, 이로 인해 기공율이 감소하고 밀도가 높아지는 것으로 나타났다. 위의 제조실험을 바탕으로 제조특성을 평가하자면, 같은 조건에서 합금원소의 양이 적고 열전도도가 비교적 높은 6063 알루미늄 합금이 6061 알루미늄 합금의 경우보다 온도 변화에 따라 용탕의 유동성이 변하므로 적은 온도감소에도 6061합금보다 더욱 빠른 속도로 응고와 냉각이 일어나고, Cell 안정화 요소인 산화물의 양 또한 적기 때문에 기공이 안정하게 성장하기위한 시간이 충분하지 못하여 불규칙적인 기공분포를 가지는 것으로 사료된다.
- 0wt%에서 제조한 6061 알루미늄 합금 발포귿속의 단면 사진을 보여주고 있다. 실험결과 Ca을 1.0 wt% 첨가한 경우에는 시편의 중심부에 기공들이 병합되어 큰 기공이 생성된 것을 관찰할 수 있으며 기공의 크기도 균일하지 않았다. 그 이유는 첨가한 1.
- 반면 6063 알루미늄 합금의 경우에는 6061 합금과 비교하여 산화물의 생성량이 적기 때문에 발포온도가 증가할수록 용탕의 점성의 저하 현상이 상대적으로 낮아져서 병합된 기공의 숫자가 증가하고, 기공벽의 두께가 두꺼워졌으며, 이로 인해 기공율이 감소하고 밀도가 높아지는 것으로 나타났다. 위의 제조실험을 바탕으로 제조특성을 평가하자면, 같은 조건에서 합금원소의 양이 적고 열전도도가 비교적 높은 6063 알루미늄 합금이 6061 알루미늄 합금의 경우보다 온도 변화에 따라 용탕의 유동성이 변하므로 적은 온도감소에도 6061합금보다 더욱 빠른 속도로 응고와 냉각이 일어나고, Cell 안정화 요소인 산화물의 양 또한 적기 때문에 기공이 안정하게 성장하기위한 시간이 충분하지 못하여 불규칙적인 기공분포를 가지는 것으로 사료된다.
- 0wt%의 Ca를 첨가했을 경우[11]와 유사한 값을 나타내었기 때문인 것으로 사료된다. 이러한 결과를 바탕으로 606X계 알루미늄 합금의 제조 실험 시 Ca의 첨가량은 1.5 wt%가 합당하다고 판단된다.
- 일반적으로 순 알루미늄 발포 금속의 경우는 액상선 직상에서 가장 높은 기공율을 보인다고 알려져 있지만, 알루미늄 합금의 경우 액상선 직상에서는 낮은 온도의 영향으로 시편의 하부에 기공이 없는 고상 기지구역이 발생하며, 온도가 너무 높을 경우에도 용탕의 배수와 기공의과도 한 성장으로 인해 불균일한 기공분포와 고상 기지구역의 발생을 초래할 수 있다[12]. 이러한 경향과 유사하게 발포 및 유지 온도가 6061알루미늄 합금의 경우 온도가 증가 할수록 기공의 크기가 증가하는 경향을 보였으며, 특히 78VC에서는 시편 내부에 크게 성장한 기공이 발생하며, 시편의 하부에는 기지구역이 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과는 606X계 합금의 경우 781TC에서는 규칙적인 기공 분포를 가지는 발포금속의 제조가 어렵다는 것을 보여주며 따라서 실제 제조 실험에서는 680℃와 730P를 발포온도로 선택하였다.
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