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문제 정의
- 공업용 순알루미늄으로 다이캐스팅방법에 의해 전동기모터의 로터를 제조할 시 용탕처리방안의 하나인 GBF처리조건과 Al 스크랩함유량이 전기전도도에 미치는 영향을 금속조직학적인 관점에서 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 생산원가의 절감측면에서 다이캐스팅법으로 로터를 제조할 때 다량으로 발생되는 공업용 순알루미늄 스크랩의 재활용가능성을 타진하고자 GBF처리조건과 스크랩함량비가 전기전도도에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
제안 방법
- GBF 처리시간은 0min, 20min, 30min의 3종류로 하였으며, GBF 처리한 각각의 용탕을 20분간 Ar 분위기하에서 진정시킨 후 상온의 원통형 금형(φ5 cm × 10 cm)에 주탕하여 대기중에서 응고시켰다.
- GBF처리 전/후의 수소함유량에 대하여 각각의 온도에서 유지 시간에 따른 수소농도의 변화를 Hydrogen gas analyzer를 이용하여 실시간으로 용탕의 잔류 수소량을 측정 하였다. 수소가스의 측정목적은 대기중에서의 용해시 용탕 내로 고용되는 수소가스가 응고시 제품내에 기공(porosity)을 형성하여 제품의 결함을 유발하는 원인이 되기 때문에 수소량 측정을 통해 제어 방안을 찾기 위함이다.
- XRD는 PANalytical사의 X'Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer 장비를 사용하여 20o~90o범위에서 Cu 타겟을 이용하여 XRD 분석을 실시하였다.
- 각각의 용해조건에서 생성되는 화합물에 대해 XRD 및 EDS분석을 실시하였다. XRD는 PANalytical사의 X'Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer 장비를 사용하여 20o~90o범위에서 Cu 타겟을 이용하여 XRD 분석을 실시하였다.
- 각각의 조건에서 용해 응고시킨 시편으로부터 1 × 1 × 1 cm3 크기로 절단한 후 전면을 버프 연마한 시편에 대해 아르키메데스법을 이용하여 상온에서 각 시편의 비중을 측정하였다.
- 비저항 측정을 위한 시편은 1.5 × 1.5 × 0.5 cm3 크기로 제작하였으며 측정면에 대해서 버프연마한 후 Fig. 2에 나타낸 것처럼 CMT-SR2000N 측정장비를 이용하여 각 시편의 전기비저항을 측정하였다.
- 그러나 GBF 처리조건과는 관계없이 5N 및 100S의 시편에서는 전혀 검출되지 않는 피크가 20S, 40S, 60S, 80S 시편에서 강도가 비록 약하지만 회절각 28o , 36o , 55o 부근에서 뚜렷히 관찰된다. 아마도 이런 피크는 Al, Fe, Si 과 관계되는 화합물(예: Al-FeSi, Al-Fe 등)과 관계가 있을 것으로 추측되는데 더 구체적으로 조사하기 위해 각 시편에 대해서 EDS 분석을 실시하였다. 그 결과를 Fig.
- 수소가스의 측정목적은 대기중에서의 용해시 용탕 내로 고용되는 수소가스가 응고시 제품내에 기공(porosity)을 형성하여 제품의 결함을 유발하는 원인이 되기 때문에 수소량 측정을 통해 제어 방안을 찾기 위함이다. 용탕유지온도 및 유지시간과 용해수소량과의 관계를 측정하였다.
- 용해조건(GBF 처리)과 스크랩함량에 따른 기공률을 검토하기 위하여 비중을 측정하였다. 각각의 조건에서 용해 응고시킨 시편으로부터 1 × 1 × 1 cm3 크기로 절단한 후 전면을 버프 연마한 시편에 대해 아르키메데스법을 이용하여 상온에서 각 시편의 비중을 측정하였다.
- 한편 각 시편의 성분분석은 응고시킨 원통형 시편의 밑면으로부터 3 cm 위쪽을 절단하고 채취된 시편의 표면을 연마하여 분광분석기로 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험용 시편은 99.8% 공업용 순알루미늄 잉곳과 로터의 다이캐스팅시 발생된 압탕, 게이트, 런너부위의 스크랩을 절단한 시편을 칭량하여 순알루미늄 잉곳 대비 스크랩양을 0, 20, 40, 60, 80, 100%(이하 0S, 20S, 40S, 60S, 80S, 100S로 표기) 로 배분하여 총 3 kg을 2 l 크기의 흑연도가니 속에 넣고 Ar 분위기의 780℃에서 용해하였다. GBF 처리는 완전히 용해된 용탕을 700℃에서 유지한 뒤 Fig.
- 6에 나타내었다. 참고로 XRD 분석결과의 신뢰성 확보를 위하여 99.999% Al(이하 5N으로 표기) 시편을 동시에 분석하였다. 5N시편을 포함한 모든 시편에서 주원소인 Al의 (111), (200), (220), (311), (222)피크가 검출되었다.
이론/모형
- 전기전도도의 측정은 상온에서 시편의 DC 전기전도도를 측정하기 위해 접촉 저항을 최소화 시켜주는 4-probe 방법을 사용 하였다. 전기전도도는 비저항과 역수 관계에 있으므로 비저항을 알 수 있으면 전기전도도를 구할 수 있다.
- XRD는 PANalytical사의 X'Pert PRO Multi Purpose X-Ray Diffractometer 장비를 사용하여 20o~90o범위에서 Cu 타겟을 이용하여 XRD 분석을 실시하였다. 한편 각종 결정내부와 결정립계에 분포한 화합물에 대한 원소분석은 HITACHI사의 Cold Field Emission scanning electron microscope 장비를 사용하여 실시하였다.
성능/효과
- 40S, 60S에서는 0S나 20S보다는 조금 더 조대한 화합물이 정출하다가 80S인 경우에는 오히려 약간 작아지는 경향이 있음을 알 수 있다. GBF 처리 시간에 따른 결과를 보면, 무처리의 경우에 40S, 60S에서는 Si이 포함되지 않는 Al-Fe 2원계 화합물도 확인되며, 처리시간이 20min과 30min으로 길어짐에 따라서 Al-Fe 2원계보다는 Si이 포함된 Al-Fe-Si 3원계 화합물이 결정립계에 주로 정출되는 경향을 나타내고 있다.
- 4에 나타낸 비중측정 결과에서도 알 수 있었듯이 GBF처리를 한 시편의 비중이 처리하지 않은 시편에 비하여 낮은 비중 값을 나타낸 것은 시편 내에 기공이 많이 포함되어 있으며, 이러한 기공들이 전기전도도를 낮추는 원인이 되고 있음을 알 수 있다. 둘째는 GBF 처리시간이 길어질수록 즉, 용탕의 교반시간이 길어질수록 주로 결정립계에 정출되는 Al-Fe 2원계 화합물으로부터 Si이 포함된 Al-Fe-Si 3원계 화합물으로의 생성을 용이하게 하고, 화합물의 크기도 조대해져 전기전도도가 저하한다고 판단된다.
- 전기전도도의 향상을 위해서는 GBF처리시 공기중의 수소가스가 혼입되지 않도록 주의해야 하며, GBF 처리를 할 경우에는 용탕에 와류가 형성되지 않도록 임펠러의 회전속도를 조절할 필요가 있다. 또한 생산원가의 절감을 위해 스크랩을 재용해하여 사용해도 전기전도도에는 거의 나쁜 영향을 미치지 않는다는 것을 확인 할 수 있었다.
- 먼저, 스크랩양에 따른 Fe의 함유량을 살펴보면 GBF처리 조건과 관계없이 극히 미세한 양이지만 스크랩을 포함하지 않은 시편(이하 0S로 표기)에서는 Fe가 약 0.09wt% 정도이며, 스크랩 20%시편(이하 20S로 표기)에서는 0.18wt%로 0S의 시편에 비해 약 2배정도 증가하며, 40S, 60S에서는 0.17wt%, 80S에서는 0.19wt%, 100S에서는 0.16wt%로 약간 감소하지만 여전히 0S시편에 비해 많다. Fe는 Al에의 최대고용도가 0.
- 즉, Al 내에서의 Fe는 고용되는 것보다는 Al-Fe 2원계 혹은 Al-Fe-Si과 같은 3원계의 화합물로 존재하는 경우가 전기전도도를 향상시킬 수 있음을 의미한다. 본 연구의 결과는 W.A.Dean이 보고한 결과와 상충되지만 W.A.Dean의 결과는 Fe의 함유량이 1wt% 이상 다량으로 포함되어 있는 경우에 해당하고 본 연구에서처럼 Fe가 0.17wt% 정도의 소량이 함유되었을 때는 적용하기 곤란하다고 판단된다.
- 이와 같은 결과를 정리하면, Fe 및 Si 원소가 0.2wt%이하 함유된 99.8wt% 공업용 순알루미늄에 있어서의 전기전도도는 수소함유량과 Al-Fe-Si 3원계 화합물의 결정립계에의 정출량과 그 크기에 의존한다. 즉, 기공량이 많을수록, 결정립계에 정출하는 금속간화합물의 크기가 클수록, 전기전도도가 저하한다.
- 5에 스크랩 함유량에 따른 Fe 및 Si 함유량의 변화를 GBF 처리 조건별로 나타내었다. 전체적으로 모든 시료에서 불순물로 분석된 원소는 주로 Fe, Si 이었으며, Fe의 양은 약 0.1~0.17%이며, Si는 0.02~0.08% 정도로 아주 적은 양이 포함되었으며 그 외 원소인 Cu, Mn, Ni, Zn, Ti 등의 불순물은 ppm 정도의 극소량 포함되어 있는 99.8%의 공업용 순 알루미늄임을 확인하였다.
- 전체적으로 모든 시편에 있어서 GBF 처리를 한 시편의 비중이 GBF처리를 하지 않은 시편에 비해서 낮은 값을 나타내고 있다. 특히 GBF 20분 처리시편의 경우는 GBF처리를 하지 않은 시편에 비해 비중 값이 모든 시편에 걸쳐서 낮다는 것을 확인할 수 있다. 이는 본 실험에서 실시한 GBF 처리로 인해서 시편 내부에 기공이 많이 발생되었다는 것을 의미한다.
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