[논문]자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금의 기계적 특성

배철홍; 김종명

[국내논문] 자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금의 기계적 특성
Mechanical Properties of Hyper-Eutectic Aluminum Alloys for Automobile Parts 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.1, 2010년, pp.120 - 126

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It was known that the excellent wear resistance of hyper eutectic aluminum alloy is based on the primary Si particles which are distributed in the base metal. When the primary Si volume fraction increases, the smaller size have excellent wear resistance characteristics. However, this trend always does not match. There is no investigation result based on the materials and methods for real using parts. In this study, using the automotive parts manufacturer currently in use hyper eutectic Al alloy tensile test specimen type sample was fabricated by 350Ton high pressure die-casting machine. Then, fluidity, tensile, impact and wear resistance properties were evaluated. If the casting quality, primary Si size, fraction and distribution are similar, mechanical properties and wear resistance are equivalent.

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제안 방법

일반적으로 초정 Si 분율이 증가할수록, 크기가 작을 수록 내마모성이 우수하나 그 경향이 일치하지는 않으며, 실제 자동차 부품에 적용된 과공정 알루미늄 합금의 재질 및 공법별 연구결과는 전 세계적으로 미미한 수준이다.^3-7) 이에 본 연구에서는 현재 자동차 부품 제조업체에서 실제 사용 중인 과공정 알루미늄 합금 5종에 대해 350Ton 고압 다이캐스팅 장비를 사용하여 인장시편 형상의 샘플을 제조 한 후 유동성, 인장, 충격 특성 및 내마모성 등을 평가하였다. 상기 평가 결과들은 향후 과공정 알루미늄 합금의 자동차용 내마모 부품 적용에 관한 참고자료로 활용하고자 한다.
1에 나타내었다. 각 합금별 샘플의 내부 품질수준 편차를 줄이기 위해 주조 및 금형 온도, 탈가스 처리 조건, 사출 거리 및 속도 등 주조조건을 최적화하여, 350Ton 다이캐스팅 머신을 사용해 평가샘플을 제작하였다. Table 2에 상세한 작업조건을 나타내었다.
또한 샘플 내에 존재하는 화합물의 종류를 확인하기 위해 X-선 회절분석기(X'PERT PRO MP-D, PHILIPS社)를 사용하여 상분석을 실시하였다.
2에 나타내었다. 사용된 스파이럴 주형은 다른 주조변수의 영향을 최소화하고, 산화물과 슬래그의 혼입을 제어하여 가능한 안정한 용탕의 유입을 고려해 설계하였다.
광학현미경(GX51, OLYMPUS社)을 사용하여 미세조직을 관찰하고 제조된 샘플의 내부 품질수준 확인을 위해 IMAGE ANALYGER(VISION PE, CLEMEX 社)를 이용해 기공률과 초정 Si 분율을 측정하였다. 또한 샘플 내에 존재하는 화합물의 종류를 확인하기 위해 X-선 회절분석기(X'PERT PRO MP-D, PHILIPS社)를 사용하여 상분석을 실시하였다.
합금별 기계적 물성 평가를 위해 브리넬 경도 (AOB#2, TINIUS OLSEN社)측정, 인장시험(5581, INSTRON社) 및 충격시험(MODEL 892, TINIUS OLSEN 社)을 실시하였다. 또한, 마모 특성 평가를 위해선접촉 마모시험기(TE77, PHOENIX TECHNOLOGY 社)를 사용하여 마모길이를 측정하였으며, 마모시험 방법 및 시험조건을 Fig.
합금별 기계적 물성 평가를 위해 브리넬 경도 (AOB#2, TINIUS OLSEN社)측정, 인장시험(5581, INSTRON社) 및 충격시험(MODEL 892, TINIUS OLSEN 社)을 실시하였다. 또한, 마모 특성 평가를 위해선접촉 마모시험기(TE77, PHOENIX TECHNOLOGY 社)를 사용하여 마모길이를 측정하였으며, 마모시험 방법 및 시험조건을 Fig. 3에 나타내었다.
최적의 주조를 위해 용융온도를 달리한, Si함량이 14~16wt%인 합금(R14, K14, NH41)과 16~18wt% 인 합금(ADC14, B390)을 소정의 온도에서 용융시킨 후 상온의 스파이럴 주형에 주입하여 유동길이를 상대비교 하였으며 측정결과를 Fig. 4에 나타내었다.
현재 자동차 부품 제조업체에서 실제 사용 중인과공정 알루미늄 합금 5종에 대해 주조성, 인장/충격 특성 및 내마모성 등을 평가한 결과 다음과 같은 결론은 얻었다.

대상 데이터

내마모성이 요구되는 부품에 실 사용 중인 과공정 알루미늄 합금 5종과 일반 비내마모용 합금과의 비교를 위해 범용 다이캐스팅 소재인 ADC12를 사용하였다. 건식분광분석법(POLYVAC2000, LGER ANALYTICAL社)을 이용해 실험에 사용된 잉곳의 성분분석을 실시하였으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다.
K14는 R14를 국산화한 소재이며 ADC14는 KS 등록 소재이다. 실제 사용 소재의 비교평가를 위해 실험에 사용된 잉곳은 양산품 주조업체로부터 입수하였다.
기계적 물성평가를 위한 시험편 채취 시 부품들의 형상적인 제약이 많으므로 인장시편 금형을 이용하여 평가용 샘플을 제작하였으며 사용된 금형 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 각 합금별 샘플의 내부 품질수준 편차를 줄이기 위해 주조 및 금형 온도, 탈가스 처리 조건, 사출 거리 및 속도 등 주조조건을 최적화하여, 350Ton 다이캐스팅 머신을 사용해 평가샘플을 제작하였다.

데이터처리

내마모성이 요구되는 부품에 실 사용 중인 과공정 알루미늄 합금 5종과 일반 비내마모용 합금과의 비교를 위해 범용 다이캐스팅 소재인 ADC12를 사용하였다. 건식분광분석법(POLYVAC2000, LGER ANALYTICAL社)을 이용해 실험에 사용된 잉곳의 성분분석을 실시하였으며 그 결과를 Table 1에 나타내었다. 이 중 R14는 RYOBI(日)社(특허권 만료), NH41은 NIPPON LIGHT METAL(日)社, B390은 BRUNSWICK(美)社(특허권 만료)의 특허소재이며 대부분 현지에서 제조한 잉곳을 수입하여 사용 중이다.

이론/모형

합금별 Si 함량에 따른 유동성 평가를 위해 스파이럴 주형을 사용하였으며 주형의 horizontal channel 과 vertical cross-section, 확대된cross-sectional spiral channel의 모식도를 Fig. 2에 나타내었다. 사용된 스파이럴 주형은 다른 주조변수의 영향을 최소화하고, 산화물과 슬래그의 혼입을 제어하여 가능한 안정한 용탕의 유입을 고려해 설계하였다.

성능/효과

Si 함량이 유사한 합금들의 경우 유동길이는 측정값 편차범위 내에서 큰 차이가 없는 것으로 확인되었다. 하지만 성분분석 결과 B390과 ADC14는 거의 동일한 Si 함량을 보였으나 유동길이 측정결과 ADC14가 보다 낮게 나왔다. 이는 ADC14의 용탕 실측 온도가 B390에 비해 16°C 정도 낮기 때문인 것으로 사료된다.
또한, 주입 온도가 약 50°C 낮은 ADC12의 경우 과공정 합금들에 비해 2배 이상 저하된 유동성 결과를 나타내었다. 이러한 결과들을 바탕으로 기타 작업조건이 동일한 조건에서 용탕 온도에 따른 유동성은 합금 내 Si 함량보다 용탕 온도에 대한 의존성이 큰 것으로 사료된다. 하지만 보다 정확한 온도 의존성 경향 확인을 위해서는 동일 온도에서 재질별 유동성 평가 등 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
기공률 0.87~1.24%, 50㎛이하 크기의 초정 Si이 고루 분포된 건전한 샘플임을 확인할 수 있었다. 금형 연속주조를 통해 제조한 잉곳 대비 상대적으로 냉각속도가 빠른 고압 다이캐스팅 샘플의 초정 Si 분율은 유사한 수준이나 초정 Si 크기는 다이캐스팅 샘플이 현저하게 미세한 것을 확인하였다.
24%, 50㎛이하 크기의 초정 Si이 고루 분포된 건전한 샘플임을 확인할 수 있었다. 금형 연속주조를 통해 제조한 잉곳 대비 상대적으로 냉각속도가 빠른 고압 다이캐스팅 샘플의 초정 Si 분율은 유사한 수준이나 초정 Si 크기는 다이캐스팅 샘플이 현저하게 미세한 것을 확인하였다. 이러한 현상은 냉각속도 증가와 함께 잉곳 제조시 초정 Si 미세화를 위해 첨가되는 미량의 AlCuP가 다이캐스팅시 용탕 내에서 fading 현상 없이 초정 Si의 핵생성 사이트로 작용한 때문인 것으로 사료된다.
6에 나타내었다. 분석결과 AlCuSi, AlCu, AlSi (Fe,Mn)계 화합물이 각 재질별로 동일하게 관찰되었다. Tsushima⁵⁾ 등은 NH41 합금에서 미량의 Cr 및 Mn 첨가로 인해 미세한 Al-Si-Fe-Mn-Cr계 금속간 화합물이 고루 분산되어 기계적 물성 및 마모 특성의 향상을 가져온다고 보고 하였으나 본 실험 결과에서는 확인할 수 없었다.
브리넬 경도측정 결과를 Table 4에 나타내었다. 초정 Si이 정출되지 않는 ADC12에 비해 과공정 합금들의 경도 값이 약 20HB이상 높았다. 과공정 합금의 경우 기지금속에 분포되는 초정 Si이 기지금속으로 전달되는 하중을 분산시키기 때문인 것으로 사료된다.
그래프 내의 바는 실제 측정값의 범위를 나타낸다. 한편, 아 공정 합금인 ADC12에 비해 과공정 합금들의 연신 율과 충격강도가 다소 떨어지는 현상이 관찰되었다. 이는 기지금속간의 결합력에 비해 초정 Si과 기지금속과의 결합력이 다소 떨어지기 때문인 것으로 사료된다.
이때 초정 Si크기가 클 경우 기지금속과의 낮은 결합력으로 인해 마모되어 없어지지 않고 기지로부터 이탈되어 마모특성 향상에 기여하지 못한다. 즉 모든 조건에서 동등수준의 내마모 특성을 나타낸 본 실험결과는 제조된 전 샘플에서 정출된 초정 Si 크기(20㎛ 이하) 및 분율이 유사하다는 미세조직 관찰결과(Fig. 5참조)와 일치하는 것으로 사료된다.^9,11,12)
1) 13~18wt% Si 함량을 가지는 자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금들의 유동성은 Si 함량 차이에 무관하게 동등수준을 나타내었다.
2) 과공정 알루미늄 합금 5종에 있어서 Si 및 Cu 함량의 차이와 상관없이 주조품질(기공률 0.87~1.24% 범위), 초정 Si의 크기(12.8~19.1㎛ 범위)와 분율(5.64~7.8% 범위) 및 분산도가 유사한 경우 인장/충격강도 등의 기계적 물성 및 내마모성의 차이는 없다.

후속연구

^3-7) 이에 본 연구에서는 현재 자동차 부품 제조업체에서 실제 사용 중인 과공정 알루미늄 합금 5종에 대해 350Ton 고압 다이캐스팅 장비를 사용하여 인장시편 형상의 샘플을 제조 한 후 유동성, 인장, 충격 특성 및 내마모성 등을 평가하였다. 상기 평가 결과들은 향후 과공정 알루미늄 합금의 자동차용 내마모 부품 적용에 관한 참고자료로 활용하고자 한다.
이러한 결과들을 바탕으로 기타 작업조건이 동일한 조건에서 용탕 온도에 따른 유동성은 합금 내 Si 함량보다 용탕 온도에 대한 의존성이 큰 것으로 사료된다. 하지만 보다 정확한 온도 의존성 경향 확인을 위해서는 동일 온도에서 재질별 유동성 평가 등 추가적인 연구가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
3) 추후 연구에서는 상기 평가 결과들을 바탕으로 실제 자동차용 내마모 부품을 제조하여 평가 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과공정 알루미늄 합금의 특성은?	과공정 알루미늄 합금은 높은 탄성계수 및 우수한 마모 특성에 의해 자동차 엔진 및 변속기 부품 중 내마모성이 요구되는 부품에 주로 사용되고 있다. 과공정 알루미늄 합금의 우수한 내마모성은 고경도의 초정 Si 입자들이 기지금속에 균일하게 분산되어 마모를 억제하는 것에 의해 얻어지며, 이는 입자강화 복합재료와 유사한 메커니즘에 근거한다고 알려져 있다.
	과공정 알루미늄 합금은 어디에 주로 사용되는가?	과공정 알루미늄 합금은 높은 탄성계수 및 우수한 마모 특성에 의해 자동차 엔진 및 변속기 부품 중 내마모성이 요구되는 부품에 주로 사용되고 있다. 과공정 알루미늄 합금의 우수한 내마모성은 고경도의 초정 Si 입자들이 기지금속에 균일하게 분산되어 마모를 억제하는 것에 의해 얻어지며, 이는 입자강화 복합재료와 유사한 메커니즘에 근거한다고 알려져 있다.
	현재 자동차 부품 제조업체에서 실사용 중인 과공정 알루미늄 합금 5종에 대해 주조성, 인장/충격 특성 및 내마모성 등을 평가한 결과는?	1) 13~18wt% Si 함량을 가지는 자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금들의 유동성은 Si 함량 차이에 무관하게 동등수준을 나타내었다. 2) 과공정 알루미늄 합금 5종에 있어서 Si 및 Cu 함량의 차이와 상관없이 주조품질(기공률 0.87~1.24% 범위), 초정 Si의 크기(12.8~19.1㎛ 범위)와 분율(5.64~7.8% 범위) 및 분산도가 유사한 경우 인장/충격강도 등의 기계적 물성 및 내마모성의 차이는 없다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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