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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 Al-Si-Cu계 AC2B 합금으로 제조된 자동차용 부품을 가공·배출된 절삭칩을 Fig. 1과 같은 공정으로 재처리 후 재용해한 시험편을 이용하여 용체화 처리 시간에 따른 미세조직 및 경도 변화 관찰을 목적으로 하였고, 재용해된 AC2B 절삭칩의 용체화 처리조건을 확립하고자 하였다.
제안 방법
- AC2B 절삭칩의 용체화 처리 시간에 따른 기계적특성 평가는 경도와 인장시험으로 평가하였다. 경도는 미세조직 관찰용 시편을 연마하여 브리넬 경도기를 사용하여, 10 mm 지름의 강구와 하중 500 kg으로 측정하였다.
- Al-Si-Cu계 AC2B 합금의 용체화 처리 시간에 따른 미세조직, Cu 공정상의 분해 및 화학분석, 경도, 인장시험 등을 조사하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 그리고 주조재 상태에 나타난 Cu 공정상은 나타나지 않았다. X-선 회절 결과를 바탕으로 광학현미경 및 주사전자현미경을 활용하여 미세조직 관찰을 통한 구성된 상에 대한 비교분석을 진행하였다.
- AC2B 절삭칩의 용체화 처리 시간에 따른 기계적특성 평가는 경도와 인장시험으로 평가하였다. 경도는 미세조직 관찰용 시편을 연마하여 브리넬 경도기를 사용하여, 10 mm 지름의 강구와 하중 500 kg으로 측정하였다. 시편당 5회씩 측정하였으며, 측정된 값의 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값의 평균을 산출하여 표준편차와 함께 나타내었다.
- 따라서, 본 실험에서는 α-Al 내에 고용된 용질원소 및 각상의 조성을 분석하기 위하여 연마 후 Keller’s 수용액으로 에칭한 후 주사전자현미경(SEM, Hitachi, SU8020)과 연계된 에너지 분산형 분광 분석법(EDS) 장치를 이용하였으며, 각상의 평균 결정립 크기를 측정하였으며, 분율은 이미지 분석기를 이용하여 정량화 하였다.
- 미세조직 관찰 및 각상의 조성을 분석하기 위하여 연마 후 Keller’s 수용액으로 에칭한 후 광학현미경(Optical Microscope, Carl zeiss, Axio Observer. D1m)으로 관찰하였다.
- 미세조직 관찰용 시편과 인장시편은 주조결함이 적은 잉곳의 중하부에서 채취하였으며, AC2B 절삭칩의 미세조직 관찰과 용체화 처리 시간에 따른 α-Al 내에 고용된 용질원소 및 각상의 평균 결정립 크기를 측정하였으며, 분율은 이미지 분석기를 이용하여 정량화 하였다.
- 미세조직 및 기계적 특성평가를 위해 ASTM E8M-04[21] 규격에 따라 인장시편 (봉상, 표점길이 30 mm, 지름 6 mm)을 제작하였다. 열처리 후 인장시편 가공할 경우 가공시 발생하는 가공열에 의해 열처리된 시편에 문제가 발생할 수 있기 때문에 인장시편으로 먼저 가공 후 열처리 진행하였다. ASTM AC2B T6 열처리 규격에 해당하는 용체화 조건과 동일하게 열처리를 실시하였고[22], 열처리 후의 인장시편의 표점 거리의 변형은 거의 없음을 확인하였다.
- 용체화 처리 시간이 증가함에 따른 α-Al dendrite 기지내의 Cu 용질원자의 농도를 측정하기 위하여 EDS 분석을 실시하였으며, 이 결과를 Fig. 11에 나타내었다.
- 본 연구에 사용된 AC2B 절삭칩의 경우 절삭유 등 액상오염물이 중량 기준 약 20% 이상을 차지한다. 이를 효과적으로 제거하기 위하여 원심분리 공정을 통한 액상오염 물질을 제거 후 2~5 mm 정도의 크기로 분쇄하여 1회 자력선별하였다. 확보된 AC2B 합금 절삭칩의 이물질을 제거하기 위하여 에탄올을 이용하여 세척하였다.
- 준비된 AC2B 절삭칩을 고주파 용해로에 흑연 도가니를 삽입하여 용해하였으며, 이때 용탕 온도는 750℃를 넘지 않게 관리하였다. 주입전 G.B.F (Gas Bubbling filtration) 장치를 활용하여 탈가스제 (알루가스 202)와 아르곤 가스로 15분간 탈 가스 처리 하였으며, 탈가스 후 용탕 안정화를 위해 10분간 유지시켰다. 처리된 AC2B 용탕을 200℃로 가열된 시험편 금형에 690℃의 출탕온도로 주입하여 200(w) × 30(L) × 150(h)mm 크기의 ingot 형태로 제작하였으며, 그 화학 조성을 Table 1에 나타내었다.
- 처리된 AC2B 용탕을 200℃로 가열된 시험편 금형에 690℃의 출탕온도로 주입하여 200(w) × 30(L) × 150(h)mm 크기의 ingot 형태로 제작하였으며, 그 화학 조성을 Table 1에 나타내었다.
데이터처리
- 12에 나타내었다. 505℃에 용체화 처리에 대한 Cu 공정상의 분해시간과 확산시간을 이론값과 결과값을 비교하였다. 505℃에서 용체화 처리할 경우 정출상인 Cu 공정상은 이론적으로 62분 정도에 완전히 분해되는 것을 알 수 있으며, 실제로 Fig.
- 경도는 미세조직 관찰용 시편을 연마하여 브리넬 경도기를 사용하여, 10 mm 지름의 강구와 하중 500 kg으로 측정하였다. 시편당 5회씩 측정하였으며, 측정된 값의 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값의 평균을 산출하여 표준편차와 함께 나타내었다. 용체화 처리 후 인장시험은 INSTRON 5988을 이용하여 상온에서 1 mm/min의 속도로 5회 실시하였으며, 경도시험과 동일하게 최대값과 최소값을 제외한 나머지의 평균값을 나타내었다.
- 시편당 5회씩 측정하였으며, 측정된 값의 최대값과 최소값을 제외한 나머지 값의 평균을 산출하여 표준편차와 함께 나타내었다. 용체화 처리 후 인장시험은 INSTRON 5988을 이용하여 상온에서 1 mm/min의 속도로 5회 실시하였으며, 경도시험과 동일하게 최대값과 최소값을 제외한 나머지의 평균값을 나타내었다.
이론/모형
- 미세조직 및 기계적 특성평가를 위해 ASTM E8M-04[21] 규격에 따라 인장시편 (봉상, 표점길이 30 mm, 지름 6 mm)을 제작하였다. 열처리 후 인장시편 가공할 경우 가공시 발생하는 가공열에 의해 열처리된 시편에 문제가 발생할 수 있기 때문에 인장시편으로 먼저 가공 후 열처리 진행하였다.
- D1m)으로 관찰하였다. 주조재및 용체화 처리 시간에 따른 AC2B 절삭칩의 미세조직의 조직분석은 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, Hitachi, SU8020)과 에너지 분산형 분광 분석법(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy, Horiba)으로 실시하였다.
성능/효과
- 1) 용체화 처리 전/후 AC2B 합금 주조재에서 관찰된 상의 경우 공정 Si과 침상의 공정상들의 분포를 확인 하였으며, 1시간 및 6시간 용체화 처리한 시편에서는 Cu 공정상은 거의 관찰되지 않았다. 이는 용체화 처리 시 Cu 공정상의 대부분이 재용해 되었음을 알 수 있었다.
- 2) 용체화 처리한 후 α-Al dendrite의 평균 간격을 측정한 결과 평균 20.7 μm로 나타났으며, 505℃에서 용체화 처리할 경우 Cu 공정상의 분해시간 및 Cu의 용질원소의 확산시간은 이론적으로 62분 정도에 분해되는 것을 알 수 있었다.
- 3) 용체화 처리 시간에 따른 경도값의 경우 15분에서 45분까지의 경도값은 소폭 상승하였으며, 1시간에서 경도값이 크게 증가하였다. 이후 6시간까지는 일정한 값을 유지하는 것을 알 수 있었다.
- 4) 인장강도 시험 결과 약 1시간 용체화 처리시 6시간 용체화 처리 효과가 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 용체화처리 과정서 Cu 공정상의 대부분이 1시간내 재용해 됨에 따라 열처리 시간이 증가함하여도 인장강도에 대한 큰 변화가 없는 것을 알 수 있었다.
- 5) 이상의 결과로 Al-Si-Cu계 AC2B 합금으로 제조된 자동차용 부품을 가공·배출된 절삭칩을 재 용해한 시험편을 이용하여 용체화 처리 시간에 따른 미세조직, Cu 공정상의 분해 및 경도, 인장시험 변화를 조사한 결과 재 용해된 AC2B 합금의 경우 약 505℃에서 1시간 용체화 처리할 경우 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
- AC2B 합금을 용체화 처리한 후 α-Al dendrite의 평균 간격을 측정한 결과 용체화 처리된 AC2B 합금의 α-Al dendrite의 평균 사이즈는 20.7 μm로 나타났으며, 이 결과를 바탕으로 Cu 공정상의 분해시간과 Cu의 용질원소의 확산시간에 대한 이론값을 Fig. 12에 나타내었다.
- 이후 6시간까지는 일정한 값을 유지하는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 약 1시간 용체화 처리 과정을 거치면서 Cu 공정상의 대부분이 재용해 됨에 따라 Cu 원자들의 고용 강화 효과가 발생하여 경도값이 상승한 것으로 생각된다.
- 인장강도의 경우 1시간 용체화 처리한 AC2B 합금 보다 6시간 용체화 처리한 시편의 인장강도가 소폭 증가하였지만, 큰 차이는 나지 않았다. 결과적으로 약 1시간 용체화 처리하여도 기지내에 Cu 공정상이 대부분 재용해 되어, 용체화 처리 시간에 따른 Cu에 의한 강화 효과는 미미한 것으로 생각된다. 따라서 용체화 처리 과정서 Cu 공정상의 대부분이 1시간내 재용해 됨에 따라 열처리 시간이 증가하여도 인장강도에 대한 큰 변화가 없는 것을 알 수 있었다.
- 결과적으로 약 1시간 용체화 처리하여도 기지내에 Cu 공정상이 대부분 재용해 되어, 용체화 처리 시간에 따른 Cu에 의한 강화 효과는 미미한 것으로 생각된다. 따라서 용체화 처리 과정서 Cu 공정상의 대부분이 1시간내 재용해 됨에 따라 열처리 시간이 증가하여도 인장강도에 대한 큰 변화가 없는 것을 알 수 있었다.
- 실제 α-Al dendrite Cu 용질원자의 농도를 측정한 결과를 볼 때 약 1시간 용체화 처리한 시편에서 Cu가 분해된 것을 알 수 있었다.
- 13에 나타내었다. 용체화 처리 시간 15분에서 45분까지의 경도값은 소폭 상승한 것을 알 수 있었으며, 용체화 처리 시간 1시간에서 경도값이 증가하여 6시간까지는 일정한 값을 유지하는 것을 알 수 있었다. 이는 열처리 전 관찰되었던 Cu 공정 조직이 열처리 후에는 관찰되지 않았는데, 용체화 처리 과정을 거치면서 재용해 됨에 따라 Cu 원자들의 고용 강화 효과가 발생하여 경도값이 증가한 것으로 생각된다.
- 주조상태의 경우 α-Al, 공정 Si, Cu 공정상 그리고 침상의 Al5FeSi으로 구성된 조직임을 알 수 있었으며, 용처화 처리 후 구성하고 있는 상은 α-Al, 공정 Si 그리고 침상의 Al5FeSi으로 구성된 조직임을 알 수 있었다.
후속연구
- 5) 이상의 결과로 Al-Si-Cu계 AC2B 합금으로 제조된 자동차용 부품을 가공·배출된 절삭칩을 재 용해한 시험편을 이용하여 용체화 처리 시간에 따른 미세조직, Cu 공정상의 분해 및 경도, 인장시험 변화를 조사한 결과 재 용해된 AC2B 합금의 경우 약 505℃에서 1시간 용체화 처리할 경우 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 그리고 산업적으로 AC2B 절삭칩의 용해 회수율만 만족할 수 있는 결과를 가진다면 주조재로서의 활용가능성이 크다고 할 수 있겠다.
- 1) 알루미늄 스크랩에 함유된 다량의 원소를 분리 기술, 2) 알루미늄 스크랩의 친화적인 합금설계 연구, 3) 알루미늄 스크랩의 새로운 재활용 공정 연구 등 많은 연구가 이루어지고 있다[11]. 이러한 연구가 지속적으로 이루어진다면 전 세계적으로 거래되고 있는 알루미늄 스크랩의 원자재로서의 활용성이 증대할 것으로 판단된다[12].
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