KR100663236B1 - Method of producing alloys for melt forging - Google Patents

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Abstract

기존의 재료보다 우수한 물성이나 기계적 성질을 가지는 용탕단조용 합금의 제조방법이 개시되어 있다. 본 발명에 따르면, Al-Fe계 합금 중 Fe조성을 1∼7wt%로 첨가한 합금으로 정하고, 상기 합금을 전기저항로에서 850∼900℃에서 용융처리 하였으며, 용탕중량의 0.2%범위에서 상업용 탈가스처리제로 탈가스처리를 행한 용탕으로 중력주조 및 용탕단조를 하고, 상기 용탕단조는 수직가압식 용탕단조 프레스를 이용하여 Φ5 × 10cm봉상형태의 시편을 제조하고, 이때 상기 용탕의 온도는 750℃로 주입온도를 유지하며, 금형은 200∼250℃로 예열하여 유성계 흑연 이형제로 금형내부와 펀치를 도포하고, 상기 용탕주입후 가압력은 50∼100MPa, 가압시간은 60sec, 가압속도는 20mm/sec로 설정한다.Disclosed is a method for producing a molten metal forging alloy having physical or mechanical properties superior to that of conventional materials. According to the present invention, the Al-Fe-based alloy was selected as an alloy containing Fe composition in an amount of 1 to 7 wt%, the alloy was melt-treated at 850 to 900 ° C. in an electric resistance furnace, and commercial degassing was performed in the range of 0.2% of the melt weight. Gravity casting and forging were performed with the molten metal which had been degassed with the treatment agent, and the molten forging was prepared by using a vertically pressurized forging press to produce a Φ5 × 10 cm rod-shaped specimen, wherein the molten metal was injected at 750 ° C. The temperature is maintained, and the mold is preheated to 200 to 250 ° C. to apply the inside of the mold and the punch with an oil-based graphite release agent, and after the injection of the molten metal, the pressing force is 50 to 100 MPa, the pressing time is 60 sec, and the pressing speed is set at 20 mm / sec. do.

Description

용탕단조용 합금의 제조방법{Method of producing alloys for melt forging}Method of producing alloy for forging molten metal {Method of producing alloys for melt forging}

도 1은 본 발명에서 사용되는 용탕단조장치의 개략도이며,1 is a schematic diagram of a molten metal forging apparatus used in the present invention,

도 2는 본 발명에서 사용되는 인장시험용 시편규격(ASTM E8M-85)을 나타낸 도면이며,Figure 2 is a view showing a test specimen specification (ASTM E8M-85) used in the present invention,

도 3은 Al-Fe계 합금에서 Fe의 첨가 양을 1wt%(a, b), 3wt%(c, d), 5wt%(e, f) 및 7wt%(g, h)로 변화시킨 중력주조와 용탕단조시의 육안(마크로, macro)조직 사진이며, 도 3(a, c, e, g)은 중력주조한 경우의 조직사진이며, 도 3(b, d, f, h)은 용탕단조한 경우의 조직사진이며,3 is a gravity casting in which the amount of Fe added in the Al-Fe alloy is changed to 1 wt% (a, b), 3 wt% (c, d), 5 wt% (e, f), and 7 wt% (g, h). And macroscopic (macro) tissue photographs at the time of forging, and FIG. 3 (a, c, e, g) is a tissue photograph when gravity casting, and FIG. 3 (b, d, f, h) is forging. In one case,

도 4 및 도 5는 중력주조시와 용탕단조시의 Al-Fe계 합금에서 Fe의 첨가 양을 1wt%(도 4(a, b)), 3wt%(도 4(c, d)), 5wt%(도 5(a, b)) 및 7wt%(도 5(c, d))로 변화시킨 중력주조와 용탕단조시의 광학현미경의 미세(마이크로, micro)조직사진이며, 도 4, 5(a, c)는 중력주조한 경우의 조직사진이며, 도 4, 5(b, d)는 용탕단조한 경우의 조직사진이고,4 and 5 show that the amount of Fe added in the Al-Fe alloy during gravity casting and forging molten metal is 1wt% (FIG. 4 (a, b)), 3wt% (FIG. 4 (c, d)), 5wt 5 (a, b) and 7wt% (Fig. 5 (c, d)) are microscopic (micro) microscopic photographs of the optical microscope during gravity casting and molten forging. a, c) is a tissue photograph when gravity casting, Figure 4, 5 (b, d) is a tissue photograph when molten forging,

도 6은 중력주조와 용탕단조한 Al-Fe계 합금에서 Fe합금량의 변화에 따른 브리넬경도(Brinell hardness; HB)값을 나타낸 그래프이며,FIG. 6 is a graph showing Brinell hardness (H B ) values according to the Fe alloy amount in gravity casting and molten forged Al-Fe alloy.

도 7은 도 6과 동일시료인 Al-Fe계 합금에서 Fe합금량의 변화에 따른 인장시험결과로 인장강도(kg/mm2), 항복강도(kg/mm2) 및 연신율(%)을 나타낸 그래프이며,FIG. 7 shows tensile strength (kg / mm 2 ), yield strength (kg / mm 2 ), and elongation (%) as tensile test results according to the Fe alloy amount change in the same Al-Fe alloy as that of FIG. 6. Is a graph,

도 8 및 도 9는 용탕단조 및 중력주조로 제조된 Al-Fe계 합금들을 등온 열처리 후 로냉한 후의 시편들에 대한 비이커스경도(Vicker's hardness; HV)값을 나타낸 그래프이며,8 and 9 are graphs showing Vickers hardness (H V ) values of specimens after the isothermal heat treatment of Al-Fe alloys prepared by molten forging and gravity casting after furnace cooling.

도 10은 AC4C 합금에서 재생Al합금(secondary Al alloy) 첨가량을 변화시킨 경우의 인장시험 결과로, 인장강도, 항복강도 및 연신율을 나타낸 그래프이며,FIG. 10 is a graph showing tensile strength, yield strength, and elongation as a result of tensile test when the amount of regenerated Al alloy is changed in AC4C alloy.

도 11은 상업용 AC4C 합금에서 재생Al합금을 첨가한 AC4C합금에서의 주사 전자 현미경 사진으로 도 11(a)는 재생Al합금을 첨가한 AC4C합금의 전형적인 광학 현미경 미세조직(배율: ×200) 사진이며, 도 11(b)는 가스 기공이 관찰된 경우의 광학 현미경 미세조직(배율: ×200) 사진이며, 도 11(c, d)는 확대된 광학현미경 미세조직(배율: ×500) 사진이다.FIG. 11 is a scanning electron micrograph of an AC4C alloy to which a regenerated Al alloy is added in a commercial AC4C alloy. FIG. 11 (a) is a typical optical microscope microstructure (magnification: x 200) of an AC4C alloy to which a regenerated Al alloy is added. 11 (b) is an optical microscope microstructure (magnification: x 200) photograph when gas pores are observed, and FIG. 11 (c, d) is an enlarged optical microscope microstructure (magnification: x 500) photograph.

본 발명은 용탕단조용 합금의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 재료보다 우수한 물성이나 기계적 성질을 가지는 용탕단조용 합금의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a molten metal forging alloy, and more particularly to a method for producing a molten metal forging alloy having superior physical properties and mechanical properties than conventional materials.

일반적으로, 용탕단조법은 응고 중에 고압력을 지속적으로 가하여 건전한 제품을 제조하는 프로세스로서 자동차용 피스톤이나 휠 등의 제품에의 실용화와 고급부품에의 상업용화에의 이용으로 경량합금주물의 양산프로세스로서 최근 주목을 받고 있다. 이를 위한 용탕단조 소재로서는 기존의 공업용주물소재인 AC4C라 AC8A 등이 주로 사용되고 있다. In general, the molten metal forging method is a process of manufacturing a sound product by continuously applying high pressure during solidification. As a mass production process of light alloy casting, it is used for commercialization of products such as automobile pistons and wheels and commercialization of high-quality parts. It is getting attention recently. As the molten metal forging material for this purpose, existing industrial casting materials such as AC4C and AC8A are mainly used.

현재까지의 용탕단조용 합금에 대한 연구들은 Al-Si, Al-Cu계 이원계 합금들과 공업용합금들에 한정되며 이 경우도 주로 용탕단조 주조상태의 기계적 성질에 대한 합금원소 및 가압력의 영향에 대한 조사가 보고되고 있다. Until now, studies on molten forging alloys have been limited to Al-Si and Al-Cu binary alloys and industrial alloys. In this case, the effects of alloying elements and pressing force on the mechanical properties of molten forging casting state are mainly studied. Investigations are being reported.

용탕단조(squeeze casting)법에 대한 현재까지의 많은 연구 보고들은 직접 가압식이나 플런저 가압식 용탕단조 방법으로 수행되어져 왔다. 그러나, 현재의 실용화 및 양산용 용탕단조법은 주로 간접 가압식으로 이러한 공정차이에 따른 주물의 조직과 물성에 대한 연구보고는 거의 없다. 또한 간접 가압 방식에 대한 자료들은 대부분 기업 자체 기술로서 비공개되어 있다. 따라서 이러한 간접 가압 공정에 대한 연구 결과는 기존 방식의 용탕단조 조직과 기계적 성질에 대한 자료와 실제로 얼마나 차이가 있는지 또한 간접식 용탕단조의 제조변수 즉, 가압력과 시료 두께, 재료의 영향을 조사 분석하는 자료는 공정의 주요 변수 중 하나로 현장에서 시급히 확보되어야 할 연구과제이다. Many studies to date on the squeeze casting method have been carried out by direct pressurization or plunger pressurization. However, current commercialization and mass production forging methods are mainly indirect pressurization, and there are few reports on the structure and properties of castings according to these process differences. In addition, most of the data on indirect pressurization are confidential as the company's own technology. Therefore, the results of this indirect pressurization process can be analyzed to investigate the difference between the data on the conventional forging structure and mechanical properties and to investigate the influence of the manufacturing parameters of the indirect melt forging, that is, the pressure, sample thickness, and material. Data is one of the main variables of the process and is a research project that must be secured on the spot.

현재 적용되고 있는 압력별 주조법은 진공주조법, 중력주조법, 저압주조법(2 -3kgf/cm2)및 고압주조법(500-1,000kgf/cm2)등이 각각 안정된 주조법으로 자리를 잡고 있다. 가압력이 증가함에 따라 주물의 정밀도. 생산성 및 다양성 등이 향상되고 있으나, 이를 관리 제어하는 장치비가 증가하고 제조조건이 까다롭고 소량 다품종이 어려우며 금형이 고가인 점 등 비용이 높아지고 있다. Currently applied pressure casting methods are vacuum casting, gravity casting, low pressure casting (2 -3kgf / cm 2 ) and high pressure casting (500-1,000kgf / cm 2 ), etc. are established as a stable casting method. Casting precision as the pressing force increases. Productivity and diversity are improving, but the cost is increasing due to the increase in the cost of managing and controlling the equipment, the difficult manufacturing conditions, the difficulty of small quantities of various kinds, and the high cost of molds.

최근, 유럽 일련에서는 200kgf/cm2정도의 가압력을 가지는 고압주조기를 개발 실용화하고 있다. 이것으로 종래의 알루미늄 엔진블럭 및 다이캐스팅 제품의 제조에 적용하고 있다. 가압력이 적어지면 장치가 간단하여지므로 소형 주조기에서도 대형주물의 양산이 가능하므로 제품상의 문제가 없는 한 개발가치는 충분하며, 이를 통하여 독자적인 고품질의 양산 주조법 및 주조기를 개발하여 세계화시대에 대응할 수 있다. 즉, 5- 200kgf/cm2대의 가압력을 이용하는 주조기 및 새로운 중압주조법의 연구 개발의 기초로서 이러한 가압력하에서 응고조직, 기계적 성질, 응고 냉각속도 등의 기본 특성의 조사 분석이 선행되어야 한다. Recently, a high pressure casting machine having a pressing force of about 200 kgf / cm 2 has been developed and put into practical use in the European series. This applies to the manufacture of conventional aluminum engine blocks and die casting products. When the pressure is less, the device becomes simpler, so it is possible to mass-produce large castings even in a small casting machine, so that the development value is sufficient as long as there is no problem in the product. That is, as a basis for the research and development of casting machines using 5-200 kgf / cm 2 pressing force and a new medium pressure casting method, investigation and analysis of basic characteristics such as solidification structure, mechanical properties, and solidification cooling rate should be preceded under such pressing force.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 재료보다 우수한 물성이나 기계적 성질을 가지는 용탕단조용 합금의 제조방법을 제공하는데 있다. The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, an object of the present invention is to provide a method for producing a molten metal forging alloy having superior physical properties or mechanical properties than conventional materials.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,

Al-Fe계 합금에서 Fe의 조성을 1∼7wt%로 첨가한 합금을 출발합금으로 정하고, 상기 합금을 전기저항로에서 850∼900℃에서 용융처리하였으며, 용탕중량의 0.2%범위에서 상업용 탈가스처리재로 탈가스처리를 행한 용탕으로 중력주조 및 용탕단조를 하고, 상기 용탕단조는 수직가압식 용탕단조 프레스를 이용하여 Φ5 × 10cm봉상형태의 시편을 제조하고, 이때 상기 용탕의 온도는 750℃로 주입온도를 유지하며, 금형은 200∼250℃로 예열하여 유성계 흑연 이형제 (흑연 7wt%, 광물유(기름) 및 합성유가 85wt%, 분산제 5wt% 기타 기름 첨가제 3wt%)로 금형내부와 펀치를 도포하고, 상기 용탕주입후 가압력은 50∼100MPa, 가압시간은 60sec, 가압속도는 20mm/sec로 설정한 것을 특징으로 하는 용탕단조용 합금의 제조방법을 제공한다.In the Al-Fe alloy, an alloy containing Fe of 1 to 7 wt% was selected as a starting alloy, and the alloy was melt-treated at 850 to 900 ° C. in an electric resistance furnace, and commercial degassing was performed at 0.2% of the melt weight. Gravity casting and molten forging are performed with the degassed molten metal, and the molten forging is made of a specimen of Φ5 × 10 cm rod shape by using a vertical pressure forging press, wherein the molten metal is injected at 750 ° C. Maintaining the temperature, the mold is preheated to 200-250 ° C, and the inside of the mold and the punch are applied with oil-based graphite release agent (7 wt% graphite, 85 wt% mineral oil and synthetic oil, 5 wt% dispersant and 3 wt% other oil additives). The pressing force after the injection of the molten metal is 50 to 100 MPa, the pressurization time is 60 sec, and the pressurization speed is set to 20 mm / sec.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 용탕단조용 합금의 제조방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in more detail with respect to the manufacturing method of the molten forging alloy according to the present invention.

본 발명에서는, Al계 합금에 불순물(Fe 등)을 첨가한 합금에 대해 용탕단조에 의한 주조특성 및 천이원소 첨가에 따른 Al계 합금의 공업적 응용 가능성과 특성을 검토코자 하였다. Al-Fe계 합금은 열적으로 안정한 미세입자들을 입자내부에 생성시킴으로써 재료를 강화하며 Al에 대해 낮은 고용도를 가지는 Fe를 고온 또는 액상상태에서의 높은 고용도 범위에서 급냉시키면 저온에서 낮은 고용도를 증가시켜 평형응고에서 얻을 수 없는 새로운 강화상을 얻을 수 있으므로 고온 구조용 재료로서 가능성이 주목받고 있다. In the present invention, the casting properties of molten forging and the industrial applicability and characteristics of the Al-based alloys according to the addition of transition elements were investigated for the alloys in which impurities (Fe, etc.) were added to the Al-based alloys. Al-Fe-based alloys strengthen the material by producing thermally stable fine particles inside the particles. When Al-Fe alloy is quenched at a high solubility range in a high temperature or liquid state, Fe having a low solubility with respect to Al has a low solubility. The possibility of being a high temperature structural material is attracting attention because it can be increased to obtain a new reinforcement phase which cannot be obtained in equilibrium solidification.

Al-Fe계합금은 합금의 조성과 냉각속도에 따라 여러 가지의 준안정상과 안정상들이 복잡한 양상으로 나타나며, 일반적으로 빠른 응고속도하에서 준안정상인 Al6Fe상, 느린 응고속도에서 안정상인 A13Fe상의 금속간 화합물 형성이 보고되고 있으며, 이러한 상 이외에도 정20면체상(icosahedral phase), 정10면체상(decagonal phase), AlmFe, AlxFe등의 준안정상이 보고되고 있다. 따라서, 초급냉 응고에 의한 금속간 화합물들의 결정학적 분석과 조직간의 상호작용 등의 상변화는 Al-Fe계 합금의 특성향상을 위하여 중요하다.Al-Fe alloys have various metastable phases and stable phases depending on the composition and cooling rate of the alloy, and are generally metastable Al 6 Fe phase at high solidification rate and A1 3 which is stable at low solidification rate. Formation of intermetallic compounds in the Fe phase has been reported. In addition to these phases, metastable phases such as an icosahedral phase, a decagonal phase, Al m Fe, and Al x Fe have been reported. Therefore, the phase change such as crystallographic analysis of the intermetallic compounds and superstructure interaction by super-cold solidification is important for improving the characteristics of the Al-Fe alloy.

〈합금원소 첨가의 영향〉 <Influence of alloying element addition>

가. 실험방법 end. Experiment method

·소재 및 시험편 제조 Material and test piece manufacture

본 실험에서 용탕단조용 Al-Fe계 합금에서의 조성의 영향을 조사하기 위하여 Fe조성을 1, 3, 5및 7wt%정도로 각각 첨가한 경우와 상업용 AC4C합금을 실험합금으로 정하였다. 이 합금시료들은 Al(99.99% Al), 상업용 Al-40wt%Fe 모합금 및 상업용 AC4C합금 등을 사용하였다. 합금제조는 정량적으로 배합된 기본소재들을 전기저항로에서 850∼900℃에서 용융처리하였으며, 탈가스는 상업용 탈가스처리제를 사용하여, 용탕중량의 0.2%범위에서 탈가스처리를 행한 용탕으로 중력주조 및 용탕단조를 하였다.In order to investigate the effect of the composition of the molten forging Al-Fe alloy in this experiment, Fe alloys of about 1, 3, 5 and 7 wt% were added and commercial AC4C alloys were selected as experimental alloys. The alloy samples were Al (99.99% Al), commercial Al-40wt% Fe master alloy and commercial AC4C alloy. The alloy was melt-treated at 850 ~ 900 ℃ in the electric resistance furnace for quantitatively blended base materials, and degassing was performed by using a commercial degassing agent and degassing in the range of 0.2% of the weight of the melt. And molten metal forging.

용탕단조작업은 30톤 수직가압식 용탕단조 프레스를 이용하였으며, Φ5 × 10cm봉상형태의 시편을 제조하였다. 용탕단조 실험조건은 용탕의 온도는 약 750℃로 주입온도를 유지하였으며, 금형의 온도는 200 - 250℃로 예열하여 유성계흑연 이형제로 금형내부와 펀치를 도포하였다. 용탕주입후 가압력은 50 - 100MPa, 가압시간 60sec, 가압속도 20mm/sec로 제조조건을 동일시하였다. The molten metal forging operation was performed using a 30 ton vertical pressure molten metal forging press, and a specimen of Φ5 × 10 cm rod form was prepared. In the molten forging test condition, the injection temperature was maintained at about 750 ° C., and the mold temperature was preheated to 200-250 ° C., and the inside of the mold and the punch were coated with an oil-based graphite release agent. After injection of the molten metal, the pressing pressure was 50-100 MPa, pressurization time 60sec, pressurization speed 20mm / sec, and the manufacturing conditions were identified.

도 1은 본 발명에서 사용된 용탕단조장치의 개략도이다. 용탕단조 및 중력주조로 제조된 Al-Fe계 합금들은 상온과 250℃, 350℃,450℃, 550℃ 및 650℃ 에서 각각 1시간동안 등온 열처리 후 로냉하였다. 또한, 재생Al(secondary Al) 첨가에 따른 원가절감을 고려키 위해 재생Al 첨가 비율을 조정하여 시편을 제작 후 기계적 특성을 평가하였다.1 is a schematic diagram of a molten metal forging apparatus used in the present invention. The Al-Fe alloys prepared by molten forging and gravity casting were cooled by isothermal heat treatment for 1 hour at room temperature, 250 ° C, 350 ° C, 450 ° C, 550 ° C and 650 ° C, respectively. In addition, the mechanical properties were evaluated after fabrication of the specimens by adjusting the ratio of regenerated Al in order to reduce the cost of adding regenerated Al (secondary Al).

·조직관찰 Organizational observation

제조된 시편과 열처리가 끝난 시편들은 육안관찰을 하여 표면의 blister 및 마크로 결함여부 등을 검사하였다. 육안조직의 관찰을 위해서는 Tucker시약(45㎖ HCl, 15㎖ HNO3. 15㎖ HF, 125㎖ H20)을 사용하여 에칭을 하여 편석과 수축공 등의 결함을 관찰하였다. 미세조직은 시편의 중심부분을 절단하여 Keller시약으로 에칭을 하였으며, 광학현미경 및 X-선 분광분석기가 부착된 주사전자현미경(SEM/EDS)을 사용하여 미세조직 관찰 및 성분분석을 행하였다.The prepared specimens and heat treated specimens were visually inspected for blisters and macro defects on the surface. For the observation of the eye tissue was observed defects such as shrinkage cavity seats side by the etching using the reagent Tucker (45㎖ HCl, 15㎖ HNO 3. 15㎖ HF, 125㎖ H 2 0). The microstructure was etched with a Keller reagent by cutting the central portion of the specimen, and microstructure observation and component analysis were performed using a scanning electron microscope (SEM / EDS) equipped with an optical microscope and an X-ray spectrometer.

·기계적 특성분석 Mechanical characterization

경도시험은 Future-tech사의 Micro Hardness Testing Machine(Model FM7, Capa 1000kg)를 사용하여 시편의 중심부에서 표면부위로 5회 측정하여 평균값을 브리넬경도값으로 취하였고, 비이커스경도값과 비교하였다. 인장시험(INSTRON 20,000kg Model 4485)은 시편의 길이방향으로 수직 절단한 부위에서 도 2와 같은 ASTM E8M-85의 비례시편규격으로 시편을 제작하여 시험하였다. Hardness test was carried out five times from the center of the specimen to the surface using a Micro Hardness Testing Machine (Model FM7, Capa 1000kg) of Future-tech, the average value was taken as Brinell hardness value, and compared with the Vickers hardness value. Tensile test (INSTRON 20,000kg Model 4485) was tested by making a specimen with a proportional specimen standard of ASTM E8M-85 as shown in Figure 2 in the vertical cut in the longitudinal direction of the specimen.

나. 연구추진 결과 및 고찰  I. Research Results and Discussion

·조직관찰 Organizational observation

도 3은 Fe의 양을 1wt%, 3wt%, 5wt% 및 7wt%로 변화시킨 중력주조와 용탕단조시의 육안(마크로, macro)조직 사진이다. 중력주조시 Fe의 첨가량이 많을수록 주조성은 불량해지며, 용탕단조시는 가압효과로 인해 주조성이 양호해 졌다. 이러한 주조조직은 일반적인 응고조직 즉, 처음 주형벽 또는 주형벽 근처에서 고체 핵이 나타나며, 시간이 경과함에 따라 고체 핵의 크기가 증가하여 외곽등축 영역을 형성하게 되고, 이때 열방출방향과 반평행으로 성장할 수 있는 외곽등축 영역의 수지상들은 매우 빨리 전진하게 된다. 3 is a macroscopic (macro) macroscopic photograph of gravity casting and forging with varying amounts of Fe at 1 wt%, 3 wt%, 5 wt% and 7 wt%. In the case of gravity casting, the higher the amount of Fe added, the poorer the castability. In the forging of the molten metal, the castability was improved due to the pressing effect. This casting structure is a solidification of the solidification structure, that is, the first time near the mold wall or the mold wall, the solid nucleus increases over time to form an outer isometric axis, wherein the heat dissipation direction and anti-parallel Dendritic in the outer isometric region, which can grow, advances very quickly.

결정들의 상호간의 경쟁으로 다른 방향은 성장이 억제되어 주상정 영역(columnar zone)이 형성된다. 주상정 수지상정(columnar dendrite) 성장이 어느 단계를 지나면 주상정에서 가지(arm)가 떨어져 나와 독립적으로 성장할 수 있다. 이들 떨어져 나온 가지들은 과냉된 용금(melt)을 통하여 방사적으로 잠열을 빼앗기기 때문에 등축모양이 된다. 이러한 응고영역을 내부등축역(inner exquiaxed zone)이라 하며, 주상형에서 등축형 성장으로 바뀌는 것은 액체 내에서의 대류의 정도에 따라 크게 영향을 받게 된다. The competition between the crystals inhibits growth in the other direction, forming a columnar zone. After some stages of columnar dendrite growth, the arms may fall off the columnar column and grow independently. These fallen branches are equiaxed because they radiate latent heat through the supercooled melt. This coagulation zone is called the inner exquiaxed zone, and the change from columnar to equiaxed growth is greatly affected by the degree of convection in the liquid.

도 3의 중력주조 및 용탕단조 조직으로 잘 발달된 주상정 및 등축정 조직을 관찰할 수 있다. 도 4 및 도 5는 중력주조시와 용탕단조시의 미세조직으로 Al-Fe계에서 도 4 (a, b)의 1wt%Fe첨가시 α-Al수지상과 좁은 판상의 A13Fe가 가지(branch) 모양으로 Al모상의 수지상에서 형성됨을 관찰할 수 있다. 도 4(c, d)와 같이 3wt%Fe 이상에서는 침상의 A13Fe초정이 발생하였으며, 첨가량이 많을수륵 초정이 조대화되어 sharp하게 형성됨을 관찰할 수 있다. The well-developed columnar and equiaxed tissues can be observed with the gravity casting and molten forging tissues of FIG. 3. 4 and 5 are the microstructures during gravity casting and molten forging, and the Al-Fe-based resin and the narrow plate-like A1 3 Fe branch when 1wt% Fe is added in Fig. 4 (a, b) in Al-Fe system. It can be observed that it is formed on the dendritic phase of Al matrix in the shape of). As illustrated in FIG. 4 (c, d), needle-like A1 3 Fe primary tablets were generated at 3 wt% Fe or more, and the addition of a large amount of coarse primary tablets could be observed to form sharply.

용탕단조시의 미세조직에서는 일부 α수지상정의 미세화와 구상화가 촉진되었음이 관찰되나, 용탕단조에 의한 가압 및 급냉효과로 인한 초정들과 전반적인 조직의 미세화는 크게 촉진되지 않음이 관찰된다. 즉 Al-Fe합금에서 중력주조와 용탕단조시의 A13Fe상의 크기나 분산에 차이가 없게 나타나 있다. 이것은 용탕단조시의 초정응고가 진행되어져 이미 A13Fe상들이 정출되어 있는 고액공존구간에서 고압력이 작용하여 A13Fe상들의 미세화에 크게 기여하지 못한 것으로 여겨진다. 이러한 결과는 과공정 Al-Si합금에서 고액구간에서 가압응고한 경우 초정Si의 크기에 차이가 없다는 보고와 같은 결과로 고려된다.In the microstructure of molten forging, it was observed that the microcrystallization and spheroidization of some α resin phases were promoted, but the refinement of the primary and overall tissues due to the pressurization and quenching effect of the molten forging was not greatly promoted. That is, the Al-Fe alloy shows no difference in size and dispersion of A1 3 Fe phase during gravity casting and forging. This is considered as not contributing to the miniaturization of the high pressure to act in the solid-liquid co-exist in which a Primary coagulation during squeeze casting is already in progress A1 3 Fe phase that is crystallized segment A1 3 Fe. This result is considered as the same result as the report that there is no difference in the size of primary Si when solidified in solid phase in hypereutectic Al-Si alloy.

·기계적 성질 Mechanical property

도 6은 중력주조와 용탕단조한 Al-Fe합금계에서 Fe합금량의 변화에 따른 브리넬경도값이다. Fe의 합금량이 1wt%에서 3, 5, 7wt%로 증가함에 따라 브리넬경도값은 중력주조시 36에서 40으로, 용탕단조시 43에서 49로 증가하고 있다. 즉, 미세조직에서 큰 차이를 관찰하기 어려웠으나 용탕단조시 중력주조와 비교하여 18% - 26%정도의 브리넬 경도치의 향상을 나타내고 있다. 6 is a Brinell hardness value according to the Fe alloy amount in the gravity casting and molten forged Al-Fe alloy system. As the amount of Fe alloy increased from 1 wt% to 3, 5 and 7 wt%, the Brinell hardness value increased from 36 to 40 at gravity casting and from 43 to 49 at hot casting. That is, it was difficult to observe a large difference in the microstructure, but the Brinell hardness value was improved by about 18% to 26% compared to the gravity casting during the forging of molten metal.

도 7은 도 6과 동일시료로 인장시험한 경우의 인장강도, 항복강도 및 연신율에 대한 Fe의 첨가효과를 나타낸 것이다. Fe 원소의 첨가효과로서 중력주조시 인장강도는 1wt%Fe인 경우 약 9kg/mm2이었고 7wt%Fe인 경우 7kg/mm2로 감소하였다. 용탕단조시 인장강도는 1wt%Fe인 경우 12.1kg/mm2이었고 3wt%Fe인 경우 13.6kg/mm2, 5wt%Fe인 경우 10.8kg/mm2이었고 7wt%Fe인 경우 10.4kg/mm2로 감소하였다.Figure 7 shows the effect of the addition of Fe on the tensile strength, yield strength and elongation when the tensile test with the same sample as in FIG. As a result of the addition of Fe element, the tensile strength during gravity casting was about 9kg / mm 2 for 1wt% Fe and 7kg / mm 2 for 7wt% Fe. The tensile strength when the molten metal is forged by 10.4kg / mm 2 when the case of the case of 1wt% Fe 12.1kg / mm 2 was a case of 3wt% Fe 13.6kg / mm 2, 5wt% Fe 10.8kg / mm 2 was 7wt% Fe Decreased.

이때, 항복강도는 1wt%Fe인 경우 6.4kg/mm2이었고, 3wt%Fe인 경우 7.7kg/mm2, 5wt%Fe인 경우 약 6.3kg/mm2이었고 7wt%Fe인 경우 6.3kg/mm2이었다. 연신율은 용탕단조 1wt%Fe인 경우 23%, 3wt%Fe인 경우 8.8%, 5wt%Fe인 경우 3%이었고, 7wt%Fe인 경우 4%이다. 즉, 브리넬경도값에서와 같이, 인장시험결과에서 미세조직에서 큰 차이를 관찰하기 어려웠으나 용탕단조시 중력주조와 비교하여 인장강도값은 30% 정도의 향상을 나타내고 있다. At this time, the yield strength is 1wt% Fe in the case 6.4kg / mm 2 was, when the 3wt% Fe 7.7kg / mm 2, when the 5wt% Fe case of about 6.3kg / mm 2 was 7wt% Fe 6.3kg / mm 2 It was. The elongation was 23% for molten forging 1wt% Fe, 8.8% for 3wt% Fe, 3% for 5wt% Fe, and 4% for 7wt% Fe. That is, as in the Brinell hardness value, it was difficult to observe a large difference in the microstructure in the tensile test results, but the tensile strength value improved by about 30% compared to the gravity casting during the forging of the molten metal.

이러한 특성들은 도 4, 5에서 나타난 조직특성을 고려하면 Fe양이 다수 분산형성되어 있고 특히 조대한 Al3Fe상의 정출로 크랙생성 및 전파를 용이하게 하여 연신율의 저하와 인장강도 감소를 가져온 것으로 고려된다. 이상에서 용탕단조시 Al-Fe계합금의 기계적 강도는 전반적으로 낮은 특성을 나타내고 있으며, 용탕단조에 의한 급냉 및 가압효과가 충분치 못한 것으로 판단된다. 이것은 용탕단조시의 응고 가 진행되어져 고액공존구간에서 고압력이 작용하여 A13Fe상들의 미세화에 크게 기여하지 못한 것으로 여겨진다.Considering the structure characteristics shown in Figs. 4 and 5, the Fe content is dispersed in a large number, and it is considered that the formation and propagation of the Al 3 Fe phase facilitates crack generation and propagation, resulting in a decrease in elongation and a decrease in tensile strength. do. In the above, the mechanical strength of the Al-Fe alloy during the forging is generally low, and the quenching and pressurization effects due to the forging are not sufficient. It is believed that this resulted in the solidification during the forging of molten metal, so that high pressure acted in the solid-liquid coexistence section, which did not contribute significantly to the miniaturization of A1 3 Fe phases.

도 8, 9는 용탕단조 및 중력주조로 제조된 Al-Fe계 합금들은 상온과 250℃, 350℃, 450℃, 550℃, 및 650℃ 에서 각각 1시간동안 등온 열처리 후 로냉한 시편들에 대해 비이커스 경도값을 나타낸 것이다. 용탕단조한 경우가 상온에서 450℃까지는 약간 높은 경도값을 나타내며 550℃, 650℃에서는 큰 차이를 나타내지 않는다.8 and 9 are Al-Fe-based alloys prepared by molten forging and gravity casting are for the furnace-cooled specimens after isothermal heat treatment at room temperature and 250 ° C, 350 ° C, 450 ° C, 550 ° C, and 650 ° C for 1 hour, respectively. The Vickers hardness value is shown. The molten forging shows a slightly higher hardness value from room temperature to 450 ° C. and does not show a big difference at 550 ° C. and 650 ° C.

다. 결 론 All. conclusion

Al-Fe합금의 중력주조, 용탕단조시의 미세조직과 기계적 성질을 조사한 결과 Al-Fe합금에서 중력주조에 비하여 용탕단조에 의한 정출상조직은 현격한 차이가 없었으나, 용탕단조시 가압효과로 인해 주조성이 양호해 졌다. 또한 용탕단조시의 미세조직으로 일부 α수지상정의 미세화와 구상화가 촉진되었음이 관찰되나, 용탕단조에 의한 가압 및 급냉효과로 인한 초정들과 전반적인 조직의 미세화는 크게 촉진되지 않음이 관찰된다. The microstructure and mechanical properties of gravity casting and molten forging of Al-Fe alloys were not significantly different from that of gravity casting in Al-Fe alloys. Due to the castability is good. In addition, it was observed that the microstructure and spheroidization of the α resin phase were promoted by the microstructure during the forging of the molten metal, but the refinement of the grains and the overall tissue due to the pressurization and quenching effect by the forging was not greatly promoted.

기계적 성질은 용탕단조재가 중력주조에 비하여 브리넬 경도, 인장강도가 전반적으로 20-30%정도의 향상을 가져왔다. 용탕단조 후 Al-Fe계 합금에서 기계적 성질은 조대한 A13Fe상의 정출로 크랙생성 및 전파를 용이하게 하여 연신율의 저하와 인장강도 등의 기계적 강도는 전반적으로 낮은 특성을 나달내고 있으며, 용탕단조에 의한 급냉 및 가압효과가 충분치 못한 것으로 판단된다. 이것은 용탕단조시의 응고가 진행되어져 고액공존구간에서 고압력이 작용하여 A13Fe상들의 미세화에 크게 기여하지 못한 것으로 여겨진다.The mechanical properties of the molten forging resulted in an overall improvement of Brinell hardness and tensile strength by 20-30% compared to gravity casting. The mechanical properties of the Al-Fe alloy after molten forging facilitate the crack generation and propagation due to the crystallization of the coarse A1 3 Fe phase, and the mechanical strength such as lowering of elongation and tensile strength is generally low. It is judged that the quenching and pressurizing effects are not sufficient. It is believed that this resulted in the solidification during the forging of molten metal, which caused high pressure in the solid-liquid coexisting zone, which did not contribute significantly to the miniaturization of A1 3 Fe phases.

〈 재생Al합금 첨가의 영향〉<Effect of Regenerated Al Alloy Addition>

다음 표는 재생Al합금을 첨가한 경우의 인장시험 결과들이다. 하기 표에서와 같이 재생Al 첨가에 의한 인장시험 결과들은 큰 차이를 보이지 않고 있으나, 도 11의 주사전자 현미경 사진으로 관찰결과 시편에 일부 기공들이 발견된다. 주사전자현미경에 부착된 EDS를 이용하여 미세 개재물의 분포를 기공내의 영역에 대해 조사한 결과 특이한 개재물을 발견할 수 없었다. 이러한 결과는 용탕이 효과적으로 관리된 것으로 판단된다. The following table shows the tensile test results when regenerated Al alloy is added. Tensile test results by the addition of regenerated Al did not show a significant difference as shown in the following table, but some pores were found in the specimen by the scanning electron micrograph of FIG. 11. Using the EDS attached to the scanning electron microscope, the distribution of the fine inclusions in the pore area was not found. These results indicate that the molten metal was effectively managed.

Figure 112006504301384-pat00001
Figure 112006504301384-pat00001

이상에서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 용탕단조용 합금의 제조방법에서는, 용탕단조시 가압효과로 인해 주조성이 양호해 졌고, 용탕단조에 의한 가압 및 급냉효과로 인해 인장강도가 전반적으로 20∼30%정도의 향상되는 효과를 얻을 수 있었다. As mentioned above, in the method of manufacturing the molten metal forging alloy according to the present invention, the castability is improved due to the pressurizing effect during the forging of the melt, and the tensile strength is generally increased due to the pressurization and quenching effect due to the forging. The effect of improving about -30% was obtained.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구의 범위에 기재된 본 고안의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. Although described above with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be variously modified and changed within the scope of the invention without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims I can understand that you can.

Claims (1)

Al-Fe계 합금 중 Fe조성을 1∼7wt%로 첨가한 합금을 출발합금으로 정하고, 상기 합금을 전기저항로에서 850∼900℃에서 용융처리하며, 용탕중량의 0.2%범위에서 탈가스처리를 행한 용탕으로 중력주조 및 용탕단조를 하고, 상기 용탕단조는 수직가압식 용탕단조 프레스를 이용하여 Φ5 × 10cm봉상형태의 시편을 제조하고, 이때 상기 용탕의 온도는 750℃로 주입온도를 유지하며, 금형은 200∼250℃로 예열하여 유성계 흑연 이형제로 금형내부와 펀치를 도포하고, 상기 용탕주입후 가압력은 50∼100MPa, 가압시간은 60sec, 가압속도는 20mm/sec로 설정한 것을 특징으로 하는 용탕단조용 합금의 제조방법.In the Al-Fe alloy, an alloy containing Fe composition of 1 to 7 wt% was determined as a starting alloy, the alloy was melted at 850 to 900 ° C. in an electric resistance furnace, and degassed at 0.2% of the melt weight. Gravity casting and molten forging are performed with molten metal, and the molten forging is manufactured by using a vertically pressurized molten metal forging press to produce a Φ5 × 10 cm rod-shaped specimen, wherein the molten metal is maintained at an injection temperature of 750 ° C., and the mold is Preheating to 200 ~ 250 ℃ to apply the inner mold and the punch with an oil-based graphite release agent, after the injection of the molten metal, the pressing force is set to 50 ~ 100MPa, pressurization time is 60sec, pressurization speed is set to 20mm / sec Method for producing a crude alloy.
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