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문제 정의
- 본 연구에서는 알루미늄 합금 휠의 제조를 위한 응고해석, 왁스 형을 제조하기 위한 금형 틀의 설계, 용해 및 주조조건의 확립과 주조재의 기계적 성질 및 시효거동의 현상을 기초로 A356 합금의 시효 거동을 열분석 및 조직 관찰을 조사하고자 하였다.
- 2에 나타내었다. 주조방안 설계에 있어서 탕구 위치를 블레이드측으로 함으로써 한 번에 많은 수량을 얻기 위해서 이다.
제안 방법
- 정밀주조를 위한 주형을 만들기 위해 주형틀에 Wax 패턴을 조립한 후 코팅은 1차와 2차 코팅으로 구별하였다. 1차 코팅은 Zircon의 내화재와 colloidal silica를 일정 비율로 혼합하여 코팅을 하였고 2차 코팅의 경우 alumina-silica계열의 Chamotto를 사용하여 코팅을 하였다. 충분한 건조시간을 거친 후에 내부의 Wax를 녹여 내어 주입 전의 주형으로 제작된다.
- 충분한 건조시간을 거친 후에 내부의 Wax를 녹여 내어 주입 전의 주형으로 제작된다. Dewaxing이 끝난 주형은 건조시간을 거친 후 내부에 잔류하고 있는 왁스 이물질 제거와 주형의 주형강도를 부여하기 위해 소성공정을 진행하였다. 그 후 용탕 주입 전 700℃에서 90분간 주형을 예열한 후 용탕을 주입하였다.
- 시편의 미세조직은 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 또 시효처리 조건에 따른 기계적 성질을 평가하기 위해 마이크로 비커스 경도계(Vickers hardness tester)를 이용하여 500 gf의 하중 하에서 경도를 측정하였다. 시차주사열량계(DSC) 열분석은 Al합금에서 석출과정과 재고용의 동역학(dissolution kinetics)의 정보를 얻기 위해 널리 사용되고 있다[3].
- 1에 각각 나타내었다. 먼저 완벽한 주조방안을 하기 위하여 응고 시뮬레이션을 이용한 가상의 조건(재질: A356, 주입시간: 2sec, 주입온도: 700℃, 주형 온도: 500℃)으로 응고해석을 진행하였으며 온도에 따른 유동도나 시간에 따른 응고 거동 등의 간단한 응고해석의 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 주조방안 설계에 있어서 탕구 위치를 블레이드측으로 함으로써 한 번에 많은 수량을 얻기 위해서 이다.
- 시차주사열량계(DSC) 열분석은 Al합금에서 석출과정과 재고용의 동역학(dissolution kinetics)의 정보를 얻기 위해 널리 사용되고 있다[3]. 본 실험에서 시효시간에 따른 석출거동을 알아보기 위해 DSC 열분석을 하였다. 열분석은 DSC(TAInstrument Q20)를 사용해 5℃/min 승온속도와 건조된 질소가스를 50 ml/min로 주입하에 0~500℃까지 측정하였다.
- 그 후 각각의 온도와 시간 동안 시효처리한 다음 대기 중에서 냉각시켰다. 시편의 미세조직은 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 관찰하였다. 또 시효처리 조건에 따른 기계적 성질을 평가하기 위해 마이크로 비커스 경도계(Vickers hardness tester)를 이용하여 500 gf의 하중 하에서 경도를 측정하였다.
- 본 실험에서 시효시간에 따른 석출거동을 알아보기 위해 DSC 열분석을 하였다. 열분석은 DSC(TAInstrument Q20)를 사용해 5℃/min 승온속도와 건조된 질소가스를 50 ml/min로 주입하에 0~500℃까지 측정하였다.
- 그 후 용탕 주입 전 700℃에서 90분간 주형을 예열한 후 용탕을 주입하였다. 열처리는 용체화처리(Solution Heat Treatment, SHT), 급랭(Quenching), 시효처리(Aging)을 따르는 T6열처리를 행하였다. 본 연구에서의 열처리 과정을 Fig.
- 공정Si의 크기 및 형상은 합금의 기계적 성질이나 파괴거동에 큰 영향을 미친다. 이 상의 성분을 분석하기 위해 X점을 EDS분석을 하였다. 공정 Si상에 Al, Si, Fe, 등의 여러 원소들이 존재함을 확인할 수 있었다.
- Wheel의 정밀주조를 위하여 먼저 Wax 패턴을 만들었다. 정밀주조를 위한 주형을 만들기 위해 주형틀에 Wax 패턴을 조립한 후 코팅은 1차와 2차 코팅으로 구별하였다. 1차 코팅은 Zircon의 내화재와 colloidal silica를 일정 비율로 혼합하여 코팅을 하였고 2차 코팅의 경우 alumina-silica계열의 Chamotto를 사용하여 코팅을 하였다.
대상 데이터
- 8. DSC curves of aged A356 alloy (SHT : 525℃, heating rate :5℃/min). (a) AQ, (b) 160℃ for 0.
- 본 연구에 사용된 소재는 상용 A356합금으로 화학 조성과 형상은 Table 1과 Fig. 1에 각각 나타내었다. 먼저 완벽한 주조방안을 하기 위하여 응고 시뮬레이션을 이용한 가상의 조건(재질: A356, 주입시간: 2sec, 주입온도: 700℃, 주형 온도: 500℃)으로 응고해석을 진행하였으며 온도에 따른 유동도나 시간에 따른 응고 거동 등의 간단한 응고해석의 결과는 Fig.
이론/모형
- 활성화 에너지값은 Ozawa[7]가 제안한 logΦ = −0.4567·E/RT + const (여기서 Φ는 승온 속도, E는 활성화 에너지, R은 기체상수, T는 절대온도) 식을 이용하여 절대온도의 역수와 승온 속도의 대수(log)값으로부터 얻어진 기울기로부터 계산하였다.
성능/효과
- Fig. 7(a)는 주조상태와 용체화 처리온도를 다르게한 열처리 조건의 경도 그래프로서 용체화 처리 온도가 증가할수록 경도가 증가되었다. 이것은 용질원자가 고용이 되기 위하여 확산되어야 되며, 따라서 고온에서 완전히 고용되어 시효처리시 석출량이 증가되기 때문으로 사료된다.
- 1) 응고 시뮬레이션을 이용하여 A356 합금 컴프레서 휠 주조방안을 수립 후 lost-wax법을 이용한 정밀 주조를 통해 정밀한 치수의 컴프레서 휠을 제조할 수 있었다.
- 2) 주조상태의 A356합금은 수지상 조직을 나타내었으며, 시효처리한 합금은 초정 α와 공정 Si 입자들이 판상으로 존재하였다.
- 3) A356 합금의 시효 처리시간에 따른 경도 값은 160℃/16h와 170℃/12h에서 최대 약120 Hv를 얻을 수 있었다. 시효처리를 함으로써 경도가 증가한 이유는 β”상의 석출이 일어났기 때문으로 사료된다.
- 4) DSC열분석 결과 β”상의 석출에 해당하는 발열 peak(약 300℃)를 확인할 수 있었고, 170℃에서 12시간 시효처리시 이후에 시효가 완료되어 이들 석출된 β”상 및 β’상에 의해 경도가 증가하는 것으로 사료된다.
- 5) 본 합금에서 β”상의 석출을 위한 활성화 에너지가 78.019kJ/mol로 Al-Mg-Si합금의 활성화에너지인 119.65kJ/mol 보다 적은 것으로 보아 β”상의 석출이 촉진되었다고 판단된다.
- 이 상의 성분을 분석하기 위해 X점을 EDS분석을 하였다. 공정 Si상에 Al, Si, Fe, 등의 여러 원소들이 존재함을 확인할 수 있었다.
- 피크 A와 B가 시효온도와 시간이 증가함에 따라 현저하게 감소한 것으로 보아 β”상 및 β’상의 석출이 진행됨을 알 수 있었다.
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