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문제 정의
- SIC 입자는 알루미늄 합금과 잘 섞이지 않아 용탕의 유동성이 매우 나쁘므로 제동디스크와 같이 복잡한 형상의 주조는 매우 어렵다. 주조의 어려움을 돌파하기 위해 본 연구에서는 새로운 주조 공정을 개발하였다. 우선 제동디스크의 마찰판을 알루미늄 복합제로 제작하고 이 마찰판을 금형의 양쪽에 배치하고 그 사이에 중자를 설치하여 디스크의 냉각핀과 차축에 장착되는 부위는 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 마찰판과 주조 결합되도록 하여 이종 금속으로 이루어진 알루미늄 복합재 제동디스크를 개발하였다.
제안 방법
- Al+SiC 복합재는 많은 장점에도 불구하고 용탕의 유동성이 좋지 않아 복잡한 형상의 주물을 제조하기가 어려운 단점이 있는데 본 연구에서는 SiC 입자의 크기가 30, 60 ㎛이고 부피비율로 20% 함유된 Al+SiC 복합재 제동마찰재의 주물 공정을 성공적으로 개발하였다. SiC 입자를 Al 합금용액에 성공적으로 혼합하기 위해서는 Liquidus Line 직하 온도에서 고상과 용탕과의 혼합 상태로 높은 점성을 유지할때 SiC 분말을 주입하여야 함을 알 수 있었다.
- 이를 통해 본 실험을 위한 용해 주조 시 건전한 A356합금이 주조되었음을 확인할 수 있었다. Al-SiCp 복합재료를 제조하는데 있어서 주요 구성 조직인 A356과 함께 SiC 분말의 형상 및 EDX 분석을 진행하였으며 그 중 30㎛ 크기를 갖는 분말의 분석 결과를 Fig. 3 에 나타내었다.
- 각각의 준비된 합금을 대기 분위기의 전기유도가열로에 장입 후 용해를 실시하였다. SiC는 부피비율로 20%를 첨가하였고 입자의 평균 크기는 30, 60㎛ 두 종류를 사용하였다. 용해 시 A356의 경우 650℃ 가열 후 약 610℃ 유지로 용해한 후 SiC 분말을 mesh 분급 장치를 사용하여 일정 속도로 장입하였고 교반 날개를 사용하여 350rpm으로 교반을 진행하였다.
- 아울러 상기 합금에 첨가한 SiC 는 일본의 Nanko Abrasives Tokyo 社에서 제조한 분말을 사용하였다. 각각의 준비된 합금을 대기 분위기의 전기유도가열로에 장입 후 용해를 실시하였다. SiC는 부피비율로 20%를 첨가하였고 입자의 평균 크기는 30, 60㎛ 두 종류를 사용하였다.
- 이 후 A356합금에는 Sr을 첨가하여 소재 개량처리를 진행하였다. 또한 Flux를 첨가하여 탈 가스를 진행하였으며 slug 제거재를 투입하여 Al용해 시 발생하는 Dross를 최대한 제거한 후 주조를 진행하였다. 용해 완료 후 주형에의 주조 시, 직경 670φ의 반원형, 폭 35mm의 판상 금형에 주입하여 복합재 제동디스크판을 제조하였다.
- 초정 Si은 확인되지 않았으며 기공이 극히 적고 건전한 주조 조직을 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 각각의 합금에 대해 30㎛ 크기의 분말과 60㎛ 크기의 분말을 혼합하여 주조한 시험편의 경우에서도 기지조직내에 분말이 고르게 분포하고 있는 것으로 확인되었으며 이러한 결과를 확인하기 위해 각각의 시험편에 대해 SEM/EDX 분석을 진행하였다. A356 합금의 EDX 분석 결과 조직사진 및 SEM 분석 결과와 마찬가지로 α-phase Al 기지조직과 공정 Si 만이 확인되었으며 초정 Si은 관찰되지 않는 A356조직이 확인되었다.
- 본 연구에서는 알루미늄 용해 시 일반적으로 적용되는 용해온도에서 50-100℃이상의 pouring 조건이 아닌, Liquidus Line 직하의 고상과 액상의 공존 구간에서 SiC 분말의 장입, 교반을 통한 혼합 및 pouring의 공정을 진행하였다. 이는 Liquidus Line 이상의 온도에서 SiC 분말 교반 시, 완전액상의 용탕이 가지고 있는 낮은 점성 및 높은 계면에너지와 표면장력으로 인해 용탕이 SiC 분말을 밀어내는 현상이 발생한 것으로, 본 시험을 위한 기초 시험 시 완전 용해된 상태에서의 SiC 분말을 혼합했을 경우 dross와 함께 SiC 분말이 대부분 용탕 상부로 부유되어 목적하고자 하는 함량의 혼합 및 균일한 분포를 기대할 수 없는 결과를 얻었다.
- 주조의 어려움을 돌파하기 위해 본 연구에서는 새로운 주조 공정을 개발하였다. 우선 제동디스크의 마찰판을 알루미늄 복합제로 제작하고 이 마찰판을 금형의 양쪽에 배치하고 그 사이에 중자를 설치하여 디스크의 냉각핀과 차축에 장착되는 부위는 알루미늄 합금 용탕을 주입하여 마찰판과 주조 결합되도록 하여 이종 금속으로 이루어진 알루미늄 복합재 제동디스크를 개발하였다.
- 용해 시 A356의 경우 650℃ 가열 후 약 610℃ 유지로 용해한 후 SiC 분말을 mesh 분급 장치를 사용하여 일정 속도로 장입하였고 교반 날개를 사용하여 350rpm으로 교반을 진행하였다. 이 후 A356합금에는 Sr을 첨가하여 소재 개량처리를 진행하였다. 또한 Flux를 첨가하여 탈 가스를 진행하였으며 slug 제거재를 투입하여 Al용해 시 발생하는 Dross를 최대한 제거한 후 주조를 진행하였다.
대상 데이터
- 5wt.%의 아공정 합금(A356)으로, 합금 소재는 국내에서 제조한 합금 소재를 사용하였다. 아울러 상기 합금에 첨가한 SiC 는 일본의 Nanko Abrasives Tokyo 社에서 제조한 분말을 사용하였다.
- %의 아공정 합금(A356)으로, 합금 소재는 국내에서 제조한 합금 소재를 사용하였다. 아울러 상기 합금에 첨가한 SiC 는 일본의 Nanko Abrasives Tokyo 社에서 제조한 분말을 사용하였다. 각각의 준비된 합금을 대기 분위기의 전기유도가열로에 장입 후 용해를 실시하였다.
- 용해 완료 후 주형에의 주조 시, 직경 670φ의 반원형, 폭 35mm의 판상 금형에 주입하여 복합재 제동디스크판을 제조하였다.
성능/효과
- 30㎛ 분말의 SEM 분석 결과, 분말의 형상은 불규칙한 blocky 형상을 하고 있었으며 기계적인 가공 공정에 의해 파쇄된 것과 유사한 형상을 하고 있는 것으로 확인되었다. 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 30~40㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 60㎛ 분말의 SEM 분석 결과, 30㎛ 크기의 분말과 마찬가지로 형상은 불규칙한 blocky 형상을 하고 있었으며 기계적인 가공 공정에 의해 파쇄된 것과 유사한 형상을 하고 있는 것으로 확인되었다. 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 50~70㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- A356 합금의 EDX 분석 결과 조직사진 및 SEM 분석 결과와 마찬가지로 α-phase Al 기지조직과 공정 Si 만이 확인되었으며 초정 Si은 관찰되지 않는 A356조직이 확인되었다.
- 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 50~70㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 분말의 point 분석을 통해 화학 조성을 분석한 결과 30㎛ 크기의 분말 분석결과와 마찬가지로 Si 성분과 C 성분의 두 가지 원소가 확인됨에 따라 본 연구에 사용된 60㎛ 크기의 SiC 분말이 건전한 분말임을 확인할 수 있었다.
- 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 30~40㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 분말의 point 분석을 통해 화학 조성을 분석한 결과 Si 성분과 C 성분의 두 가지 원소가 확인됨에 따라 본 연구에 사용된 30㎛크기의 SiC분말이 건전한 분말임을 확인할 수 있었다. Fig.
- 30㎛ 분말의 SEM 분석 결과, 분말의 형상은 불규칙한 blocky 형상을 하고 있었으며 기계적인 가공 공정에 의해 파쇄된 것과 유사한 형상을 하고 있는 것으로 확인되었다. 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 30~40㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 분말의 point 분석을 통해 화학 조성을 분석한 결과 Si 성분과 C 성분의 두 가지 원소가 확인됨에 따라 본 연구에 사용된 30㎛크기의 SiC분말이 건전한 분말임을 확인할 수 있었다.
- 60㎛ 분말의 SEM 분석 결과, 30㎛ 크기의 분말과 마찬가지로 형상은 불규칙한 blocky 형상을 하고 있었으며 기계적인 가공 공정에 의해 파쇄된 것과 유사한 형상을 하고 있는 것으로 확인되었다. 분말의 전체적인 크기는 일정하지 않았으나 대체적으로 50~70㎛ 이하의 크기를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 분말의 point 분석을 통해 화학 조성을 분석한 결과 30㎛ 크기의 분말 분석결과와 마찬가지로 Si 성분과 C 성분의 두 가지 원소가 확인됨에 따라 본 연구에 사용된 60㎛ 크기의 SiC 분말이 건전한 분말임을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 알루미늄 용해 시 일반적으로 적용되는 용해온도에서 50-100℃이상의 pouring 조건이 아닌, Liquidus Line 직하의 고상과 액상의 공존 구간에서 SiC 분말의 장입, 교반을 통한 혼합 및 pouring의 공정을 진행하였다. 이는 Liquidus Line 이상의 온도에서 SiC 분말 교반 시, 완전액상의 용탕이 가지고 있는 낮은 점성 및 높은 계면에너지와 표면장력으로 인해 용탕이 SiC 분말을 밀어내는 현상이 발생한 것으로, 본 시험을 위한 기초 시험 시 완전 용해된 상태에서의 SiC 분말을 혼합했을 경우 dross와 함께 SiC 분말이 대부분 용탕 상부로 부유되어 목적하고자 하는 함량의 혼합 및 균일한 분포를 기대할 수 없는 결과를 얻었다. 반면 일부 고상이 형성된 Liquidus Line 직하 온도에서는 고상과 용탕과의 혼합 상태로 인해 점성이 증가하여 SiC 분말의 용탕 내부 혼합이 가능하였다.
- A356 합금의 EDX 분석 결과 조직사진 및 SEM 분석 결과와 마찬가지로 α-phase Al 기지조직과 공정 Si 만이 확인되었으며 초정 Si은 관찰되지 않는 A356조직이 확인되었다. 이를 통해 본 실험을 위한 용해 주조 시 건전한 A356합금이 주조되었음을 확인할 수 있었다. Al-SiCp 복합재료를 제조하는데 있어서 주요 구성 조직인 A356과 함께 SiC 분말의 형상 및 EDX 분석을 진행하였으며 그 중 30㎛ 크기를 갖는 분말의 분석 결과를 Fig.
- 제조 시험편의 광학 현미경 분석 결과 A356합금의 경우, α-phase Al 이 dendrite 형태의 기지조직을 이루고 있고 공정 Si이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 제조 시험편의 광학 현미경 분석 결과 A356합금의 경우, α-phase Al 이 dendrite 형태의 기지조직을 이루고 있고 공정 Si이 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다. 초정 Si은 확인되지 않았으며 기공이 극히 적고 건전한 주조 조직을 이루고 있음을 확인할 수 있었다. 또한 각각의 합금에 대해 30㎛ 크기의 분말과 60㎛ 크기의 분말을 혼합하여 주조한 시험편의 경우에서도 기지조직내에 분말이 고르게 분포하고 있는 것으로 확인되었으며 이러한 결과를 확인하기 위해 각각의 시험편에 대해 SEM/EDX 분석을 진행하였다.
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