[논문]고압 다이캐스팅법으로 제조한 편상흑연주철 -알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 탈흑연 열처리의 영향

양지바름; 김태형; 정재헌; 김상우; 김윤준; 김동응; 신제식

doi:10.7777/jkfs.2021.41.6.535

고압 다이캐스팅법으로 제조한 편상흑연주철 -알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 탈흑연 열처리의 영향
Effect of De-graphitization Heat Treatment on Interfacial Bonding Properties of Flake Graphite Cast Iron-Aluminum Dissimilar Materials Produced by High Pressure Die Casting 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.41 no.6, 2021년, pp.535 - 542

양지바름 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 김태형 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 정재헌 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 김상우 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 김윤준 (인하대학교 신소재공학부) , 김동응 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 신제식 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소)

초록
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본 연구에서는 주철-알루미늄 이종재료의 계면결합강도를 향상시키기 위하여 탈흑연 열처리를 통해 주철 표면에서 일정 깊이까지의 흑연을 제거하였다. 열처리 시간이 증가함에 따라 흑연이 제거되는 깊이는 증가하였으며, 열처리 시간과 깊이 사이에 선형 관계가 나타났다. 일정 깊이의 흑연이 제거된 주철에 알루미늄을 다이캐스팅 공법으로 주조접합하여 주철에서 흑연이 제거된 공간을 알루미늄으로 채운 후, 계면 반응 및 알루미늄 침투 깊이를 조사하고 계면접합강도를 평가하였다. 다이캐스팅 공법을 통한 알루미늄은 탈흑연 열처리된 주철 표면에서 일정한 깊이까지 채워지는 것으로 확인되었으며, 주철-알루미늄 계면에 금속간화합물이 생성되지는 않은 것으로 확인되었다. 계면접합강도는 열처리 시간과는 큰 관계없이 90MPa 수준의 접합강도를 나타내었으며 이는 탈흑연 열처리를 하지 않은 소재의 접합강도 12MPa에 비해 매우 높은 강도이며, 주철의 탈흑연 영역에서 고압 다이캐스팅 공정에 의해 침투된 알루미늄 용탕이 응고되면서 언더컷 구조의 기계적 결합에 의한 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, to improve the interfacial bond strength of cast iron-aluminum dissimilar materials, graphite was removed to a certain depth from the cast iron surface through de-graphitization heat treatment. As the heat treatment time increased, the depth at which graphite was removed increased, showing a linear relationship between the heat treatment time and depth. Aluminum was filled to a certain depth on the de-graphitized cast iron surface through die-casting method, and no intermetallic compounds were formed on the cast iron-aluminum interface. The interfacial bonding strength showed a value of 90 MPa regardless of the heat treatment time, which is very high compared to the 12MPa bonding strength of the material without de-graphitization heat treatment. This result is thought to be due to the mechanical bonding of the undercut structure as the liquid aluminum, penetrated by the high pressure die-casting process, solidified in the de-graphitized region of the cast iron.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. Chemical composition of Fe-Al dissimilar materials (wt.%)
그림 Fig. 1. (a) High pressure die casting mold used for cast bonding experiments and (b) a cast iron-aluminum dissimilar material specimen.
그림 Fig. 2. (a) Shear specimens used to evaluate interfacial bonding strength and (b) method of the interfacial bonding strength (ASTM B 432).
표 Table 2. High-pressure Die-casting condition
그림 Fig. 3. SEM photographs and EDS analysis on the surface-section of flake graphite cast irons; (a) as-cast and (b) de-graphitized specimens.
그림 Fig. 4. SEM photographs and EDS analysis on the cross-section of flake graphite cast irons; (a) as-cast and (b) de-graphitized specimens.
그림 Fig. 5. Cross-sectional micrographs of flake graphite cast irons as a function of de-graphitization heat treatment time; (a) 10min, (b) 20min, (c) 30min, (d) 45min, (e) 50min and (f) 60min.
그림 Fig. 6. Depth of de-graphitization as a function of de-graphitization heat treatment time.
그림 Fig. 7. Cross-sectional SEM-BSE image and EDS elemental mapping analysis on a flake graphite cast iron-aluminum dissimilar material specimen cast-bonded by high pressure die-casting after de-graphitization heat treatment.
그림 Fig. 8. De-graphitization depth and interfacial bonding strength as a function of de-graphitization heat treatment time.
그림 Fig. 9. (a) Cross-sectional SEM-BSE images of flake graphite cast iron-aluminum dissimilar materials cast-bonded by high pressure diecasting after de-graphitization heat treatment and (b) de-graphitization and aluminum penetration depths as a function of degraphitization heat treatment time.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 산업적으로 활용도가 높은 주철소재를 인서트 소재로 하고 주조성이 우수한 알루미늄 합금을 주조재로 하여 고압 다이캐스팅법에 의해 주철-알루미늄 이종소재를 제조하였다. 이종소재의 계면접합강도를 개선하기 위해 주철의 흑연을 제거하는 탈흑연 열처리를 수행하고 주철-알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 영향을 조사하였다.
본 연구에서는 주철 (고상)-알루미늄 (액상) 다이캐스팅 주조접합 공정시 탈탄 열처리를 통한 주철재 인서트 표면의 흑연립 제거로 인한 접합특성 개선효과를 조사하였다. 인서트재로는 흑연립 제거와 수축결합 효과를 고려하여 A형 편상흑연 조직을 갖는 회주철을 사용하였으며, 표면 텍스쳐링이나 중간층 코팅 없이 탈흑연층 깊이를 100~900μm까지 변화시켜 가며 이종소재간 반응성 및 계면결합력에 미치는 영향을 조사하였다.

제안 방법

다이캐스팅 머신에 Fig . 1(a)와 같이 제작한 금형을 장착하고, 탈흑연 처리한 주철 인서트를 고정측 금형에 거치하고 합형한 후 용융 알루미늄 합금을 주입하는 방식으로 주조접합을 진행하였다. 알루미늄 합금이 충진되는 금형 캐비티는 121mm × 30mm × 8mm의 채널 형태로서, 회주철 인서트가 거치되는 부분에서 2층 클래드 형태의 이종소재가 제조되었으며, 제작된 시편은 Fig.
금형 및 슬리브의 예열온도를 카트리지히터를 이용하여 200ºC로 일정하게 유지하면서, 720ºC의 용융 알루미늄 합금을 35MPa의 압력으로 고속구간 60m/s의 충진속도로 주입해 주조접합함으로써 주철-알루미늄 이종소재 시편을 제조하였다
본 연구에서는 산업적으로 활용도가 높은 주철소재를 인서트 소재로 하고 주조성이 우수한 알루미늄 합금을 주조재로 하여 고압 다이캐스팅법에 의해 주철-알루미늄 이종소재를 제조하였다. 이종소재의 계면접합강도를 개선하기 위해 주철의 흑연을 제거하는 탈흑연 열처리를 수행하고 주철-알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
인서트재로는 흑연립 제거와 수축결합 효과를 고려하여 A형 편상흑연 조직을 갖는 회주철을 사용하였으며, 표면 텍스쳐링이나 중간층 코팅 없이 탈흑연층 깊이를 100~900μm까지 변화시켜 가며 이종소재간 반응성 및 계면결합력에 미치는 영향을 조사하였다
2에 도시된 ASTM B 432 규격에 따라 전단시험을 통해 평가하였다. 탈흑연 처리 조건 당 전단시험을 3회 진행하여 얻어진 값들을 평균하여 계면 접합강도로 비교하였다. 흑연립이 제거된 영역으로의 알루미늄 용탕 침투 여부와 접합계면의 미세조직을 조사하기 위해 후방산란전자 (BSE) 이미지와 EDS 면분석을 실시하였다.
흑연립 제거 상태 및 기지조직 변화를 조사하기 위해서 에너지 분산 X선 분광분석기 (EDS)가 장착된 주사전자현미경(FE-SEM, Lectropol-5)을 이용하여 탈흑연 처리 전후의 회주철 인서트 시험편의 표면과 단면을 분석하였다. 열처리 시간에 따른 평균 탈흑연 깊이는 주철 단면부 미세조직을 통해 현미경적 방법을 이용하여 측정하였다.
탈흑연 처리 조건 당 전단시험을 3회 진행하여 얻어진 값들을 평균하여 계면 접합강도로 비교하였다. 흑연립이 제거된 영역으로의 알루미늄 용탕 침투 여부와 접합계면의 미세조직을 조사하기 위해 후방산란전자 (BSE) 이미지와 EDS 면분석을 실시하였다.

대상 데이터

알루미늄 합금이 충진되는 금형 캐비티는 121mm × 30mm × 8mm의 채널 형태로서, 회주철 인서트가 거치되는 부분에서 2층 클래드 형태의 이종소재가 제조되었으며, 제작된 시편은 Fig

데이터처리

열처리 시간에 따른 평균 탈흑연 깊이는 주철 단면부 미세조직을 통해 현미경적 방법을 이용하여 측정하였다. 주철 단면부 미세조직 사진을 다섯 곳 이상 촬영 후 측정한 탈흑연 깊이를 평균한 값을 사용하였다. 주철-알루미늄 이종소재 계면 접합강도는 Fig.

이론/모형

주철-알루미늄 이종소재 계면 접합강도는 Fig. 2에 도시된 ASTM B 432 규격에 따라 전단시험을 통해 평가하였다. 탈흑연 처리 조건 당 전단시험을 3회 진행하여 얻어진 값들을 평균하여 계면 접합강도로 비교하였다.
흑연립 제거 상태 및 기지조직 변화를 조사하기 위해서 에너지 분산 X선 분광분석기 (EDS)가 장착된 주사전자현미경(FE-SEM, Lectropol-5)을 이용하여 탈흑연 처리 전후의 회주철 인서트 시험편의 표면과 단면을 분석하였다. 열처리 시간에 따른 평균 탈흑연 깊이는 주철 단면부 미세조직을 통해 현미경적 방법을 이용하여 측정하였다. 주철 단면부 미세조직 사진을 다섯 곳 이상 촬영 후 측정한 탈흑연 깊이를 평균한 값을 사용하였다.
인서트재로는 흑연립 제거와 수축결합 효과를 고려하여 A형 편상흑연 조직을 갖는 회주철을 사용하였으며, 표면 텍스쳐링이나 중간층 코팅 없이 탈흑연층 깊이를 100~900μm까지 변화시켜 가며 이종소재간 반응성 및 계면결합력에 미치는 영향을 조사하였다. 접합공정용 주조공법으로는 광범위한 두께의 제품 생산이 가능하면서도 빠른 주조 속도로 인해 대량생산에 적합한 고압 다이캐스팅법이 적용되었다.
주조접합 공정에는 형체력 20톤의 콜드챔버 방식 다이캐스팅 머신 (가온솔루텍 제작)을 이용하였다. 다이캐스팅 머신에 Fig .

성능/효과

1) A형 흑연구조를 갖는 편상흑연주철을 수소, 질소, 수증기가 혼합된 1,100ºC의 탈탄 가스 분위기 중에서 탈흑연 열처리를 수행하는 경우, 평균 탈흑연층 깊이와 열처리 시간은 선형적인 비례 관계를 보였다.
2) 탈흑연 열처리 후 고압 다이캐스팅법으로 주조접합한 주철-알루미늄 이종소재의 접합기구는 야금학적 결합이 아니라 흑연립이 제거된 자리에 알루미늄 용탕이 침투하여 응고되면서 형성된 기계적 결합이었다.
3) 탈흑연 열처리 시간 및 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이 변화와 무관하게 고압 다이캐스팅 공정 조건을 고정하는 경우 알루미늄의 침투 깊이가 일정하여 주철-알루미늄 이종소재의 계면접합강도는 일정한 값을 보였다.
4) 결정립 내에서 3차원적으로 서로 연결된 흑연립들이 빠져 나간 자리에 고압 다이캐스팅 공정에 의해 알루미늄 용탕이 130μm 깊이까지 침투하여 응고되면서 형성된 언더컷 구조의 기계적 결합에 의해 주철-알루미늄 이종소재는 90 MPa 내외의 높은 계면접합강도를 보였으며, 탈흑연 열처리를 진행하지 않은 소재의 접합강도 (12MPa)에 비해 접합강도가 크게 증가 하였다.
8과 Fig . 9에서 보는 바와 같이, 10분 이내의 탈흑연 열처리로도 알루미늄이 침투하기에 충분한 깊이로 흑연이 제거되며, 알루미늄 다이캐스팅 후 최종 소재의 접합강도도 충분히 강해지는 것을 알 수 있으며, 탈흑연 열처리 시간을 짧게 설정하는 것이 공정 효율성 측면에서도 유리할 것으로 생각된다.
주방상태의 SEM 이미지에서 주철의 표면부 및 단면부에 검은색을 띠며 존재하는 A형 타입의 흑연립들이 탈흑연 열처리 후 SEM 이미지에서는 희미하게 흔적만 남은 것처럼 관찰되었다. EDS를 이용한 흑연립 영역에 대한 성분 변화를 분석한 결과에서도, 탄소 함량이 탈흑연 열처리 전에는 90~100wt.%에 이르렀으나 탈흑연 열처리 후에는 1~4wt.%로 감소한 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 열처리를 통해 흑연립들이 성공적으로 제거되었음을 확인할 수 있었다. 또한 탈흑연 열처리 후 흑연립들이 제거된 곳에 인접한 기지에서는 산소 함량이 증가하였는데, 이는 수증기와 반응한 표면부에서 산화철이 형성되었기 때문이라 생각된다.
즉 탈흑연 열처리 시간이 늘어날수록 탈흑연층 깊이는 증가하였지만, 고압 다이캐스팅에 의한 주조접합시 금형 예열온도, 알루미늄 주입온도 및 주입속도를 고정하였기 때문에 알루미늄 용탕이 일정한 깊이까지 침투되어 계면접합강도는 탈흑연 열처리 시간과 무관하에 일정한 값을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 열처리 시간이 증가함에 따라 기존 주철이 연화되는 정도를 파악하기 위하여 주철재의 인장강도를 측정한 결과, 열처리 시간이 0분, 5분, 10분, 30분 조건에서 각각 266.5, 246, 202.5, 180.5MPa로 측정되었다. 열처리 시간이 길어질수록 주철이 점차 연화되지만, 탈흑연 열처리 10분까지는 200MPa 이상의 인장강도를 유지하였다.
탈흑연 열처리 시간 및 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이 변화와 무관하게 알루미늄의 침투 깊이는 130μm 내외로 일정한 값을 보였다. 즉 탈흑연 열처리 시간이 늘어날수록 탈흑연층 깊이는 증가하였지만, 고압 다이캐스팅에 의한 주조접합시 금형 예열온도, 알루미늄 주입온도 및 주입속도를 고정하였기 때문에 알루미늄 용탕이 일정한 깊이까지 침투되어 계면접합강도는 탈흑연 열처리 시간과 무관하에 일정한 값을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 열처리 시간이 증가함에 따라 기존 주철이 연화되는 정도를 파악하기 위하여 주철재의 인장강도를 측정한 결과, 열처리 시간이 0분, 5분, 10분, 30분 조건에서 각각 266.
탈흑연열처리를 하지 않은 주철 시편은 12 MPa 정도의 계면접합 강도를 나타내었는데, 이는 표면 산화층 및 이물질을 제거하기 위해 고압 다이캐스팅 전 수행된 샌드 브라스팅 공정 중 형성된 표면조도로 인해 낮은 수준의 기계적 결합이 형성되었기 때문으로 보인다. 한편 탈흑연 열처리를 진행한 시편들의 경우에는 열처리 시간 증가와 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이가 증가하는 것과 큰 상관관계 없이 계면접합강도는 90 MPa 내외의 상대적으로 높은 값들을 보였다. 결정립 내에서 3차원적으로 서로 연결된 흑연립들이 빠져 나간 자리에 고압 다이캐스팅 공정에 의해 알루미늄 용탕이 침투하여 응고되면서 형성된 언더컷 구조의 기계적 결합에 의해 매우 높은 계면접합강도를 보였을 것으로 생각된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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