KR101168707B1 - Ａｌ합금 주조재의 마이크로 쇼트피닝에 의한 표면처리방법 - Google Patents

Abstract

Al합금 주조재의 마이크로 쇼트피닝에 의한 표면처리방법이 제공된다.
본 발명은, Al 합금주조재의 표면처리방법에 있어서, Al-18Si계 Al 합금 주조재를 마련한 후, 그 표층부의 경도가 내부경도의 2~2.5배가 되도록 상기 Al 합금주조재의 표면을 마이크로 쇼트 피닝처리하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조재의 표면처리방법에 관한 것이다.
본 발명은 고특성 경량화 Al-Si 합금 주조부품재에 다양하게 적용될 수 있으며, 이에 따라 주조부품재의 피로강도 및 피로수명을 획기적으로 개선할 수 있으며, 또한 쇼트 피닝이 적용될 수 있는 Al 주조재의 성분범위를 제공함에 따라, 향후 Al 합금 주조재에 범용으로 사용될 수 있는 쇼트 피닝 기술을 유효하게 제공할 수 있다.

Description

Ａｌ합금 주조재의 마이크로 쇼트피닝에 의한 표면처리방법{A surface treating method of Al casting alloys by utilizing micro shot-peening}

본 발명은 Al-18Si계 Al합금 주조재의 마이크로 쇼트피닝에 의한 표면처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, Al 합금 주조재중 마이크로 쇼트피닝에 적합한 대상성분의 합금을 결정하고 적절한 공정조건을 제공하는 Al합금 주조재의 마이크로 쇼트피닝에 의한 표면처리방법에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 쇼트 피닝(SHOT PEENING)은 원심력이나 압축 공기에 의해 조그마한 강철 구슬을 금속재의 가공물 표면으로 강하게 분사하여 표면을 처리하는 가공방법으로서, 이러한 쇼트 피닝은 가공물의 표면에 가공 경화를 발생시켜 피로강도를 향상시킴에 따라 피로 수명을 증가시키고 강도를 높이는 동시에, 가공물의 경량화로 인한 에너지 절감을 기대할 수 있으며 가공 시 연료 소비를 낮출 수 있는 장점이 있다.

따라서 본 기술은 스프링강, 스테인레스강, Austempered Ductile Iron(ADI)등 종래부터 Fe계 합금에 적용되어 오고 있다.

Al 합금의 경우 2000계, 6000계, 7000계 알루미늄 합금 압연재의 취약한 부분에 쇼트피닝 처리를 실시하고 있으며, 이미 피로를 받은 부분에도 쇼트피닝 처리를 하여 피로수명을 개선하고 있다.

한편, 알루미늄의 경우, 단조용 Al 소재에 비하여, 주조용 소재에 대해서는 현재까지 쇼트 피닝에 대한 구체적인 연구결과가 없는 실정이다. 주조재의 경우, 탈사를 목적으로 쇼트 블라스트, 샌드 블라스트를 실시하고 있으나, 쇼트피닝 소성변형에 의한 표면경화, 압축잔류응력, 결정입 미세화에 대한 연구는 아직 미미한 실정이다.

특히, Al-Si합금은 전체 알루미늄 합금 주물의 85-90%를 차지하며, 우수한 주조성과 내마모성, 낮은 열팽창계수와 같은 우수한 특성을 가지고 있으며, 가공과 용접 또한 용이한 장점이 있으므로 수송기기의 연비향상을 위한 경량화 소재로서 알루미늄 주조재의 수요가 증대되고 있다. 예컨대 알루미늄 실린더, 블록, 헤드, 매니폴드 등과 같은 알루미늄 주조재의 경우, 주조재의 고특성화가 아울러 요구되며, 이에 따라, 고특성 경량화 Al-Si 합금 주조재를 위한 쇼트피닝 기술에 대한 개발 요구가 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래 기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 최근에 들어 고특성 경량화의 요구로 수요가 증대되고 있는 Al합금 주조재의 마이크로 쇼트 피닝을 통한 표면처리방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

Al 합금주조재의 표면처리방법에 있어서,

Al-18Si계 Al 합금 주조재를 마련한 후, 그 표층부의 경도가 내부경도의 2~2.5배가 되도록 상기 Al 합금주조재의 표면을 마이크로 쇼트 피닝처리하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조재의 표면처리방법에 관한 것이다.

상기 Al-18Si계 Al 합금 주조재는 Al-18Si-0.08P, Al-18Si-0.08-P-0.02Sr, Al-18Si-0.04P중 선택된 하나임이 바람직하며, 보다 바람직하게는, Al-18Si-0.08-P-0.02Sr 주조재를 이용하는 것이다.

상기 마이크로 쇼트 피닝은, 쇼트 볼: 직경 200~300㎛의 RCW 볼, 투사각도: 시편과 60~90°, 투사거리: 10~15cm, 투사시간: 2~10분, 투사압력: 0.1~0.3MPa의 작업조건으로 공기식 쇼트 피닝기를 이용하여 실시됨이 바람직하다.

상기 표층부의 두께는 10~20㎛이며, 그 결정입의 크기가 3㎛이하임이 바람직하다.

상술한 구성과 같은 본 발명의 표면처리방법은 고특성 경량화 Al-Si 합금 주조부품재에 다양하게 적용될 수 있으며, 이에 따라 주조부품재의 피로강도 및 피로수명을 획기적으로 개선할 수 있다.

또한 쇼트 피닝이 적용될 수 있는 Al 주조재의 성분범위를 제공함에 따라, 향후 Al 합금 주조재에 범용으로 사용될 수 있는 쇼트 피닝 기술을 유효하게 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법으로 쇼트 피닝된 시편들의 OM 사진이다.
도 2는 본 발명의 방법으로 쇼트 피닝된 Al-18Si 합금 주조재를 비교재인 Al-12Si합금 주조재와 비교하여 나타낸 SEM 조직사진이다.
도 3은 쇼트 피닝 처리시간에 대하여 시편의 길이에 따른 경도변화를 나타내는 그래프로서 (a)는 비교재를 (b)는 발명재를 나타낸다.
도 4는 쇼트 피닝 처리후, 시편의 TEM 및 XRD 패턴으로서, (a)는 비교재를 (b)는 발명재를 나타낸다.

이하, 본 발명을 설명한다.

상술한 바와 같이, Al합금 주조재는 Al 단조재와는 달리 쇼트 피닝 기술이 개발되어 있지 않은 상태이다. 따라서 다양한 Al 합금조성중 쇼트 피닝 기술이 유용하게 적용될 수 있는 성분을 찾는 것이 시급한 과제이다. 이러한 관점에서 본 발명자들은 다양한 Al합금 주조재를 고려의 대상으로 삼아 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과 Al-18Si 합금 주조재가 가장 부합하는 성분임을 확인하였다.

그러므로 본 발명에서는 먼저 Al-18Si계 Al 합금 주조재를 마련한다. 본 발명은 상기 성분계를 만족하는 Al합금 주조재 모두를 이용할 수 있으나, 물성확보 측면에서 바람직하게는 Al-18Si-0.08P, Al-18Si-0.08-P-0.02Sr, Al-18Si-0.04P중 선택된 하나의 주조재를 이용하는 것이다.

보다 바람직하게는, Al-18Si-0.08-P-0.02Sr 주조재를 이용하는 것이다.

다음으로, 본 발명에서는 상기와 같이 마련된 Al-18Si 합금주조재를 공기식 쇼트피닝기를 이용하여 쇼트 피닝처리한다. 상기 공기식 쇼트피닝기는 고압의 압축공기와 노즐을 이용하여 고속기류를 발생시켜 쇼트볼을 투사하는 장치로서, 투사된 쇼트볼은 재료 표면에 소성변형을 일으키며, 이로 인해 압축 잔류응력을 발생시킨다. 본 발명은 다양한 형식의 범용의 공기식 쇼트피닝기를 이용할 수 있으며, 그 구체적인 구조에 제한되지 않는다.

이때, 본 발명에서는 쇼트볼의 투사로 인해 상기 Al-18Si 합금주조재의 표층부의 경도가 내부의 경도 보다 2~2.5 배가 되도록 쇼트 피닝처리한다. 이러한 조건을 만족하여야 소망하는 표면물성을 갖는 표면처리 주조재를 얻을 수 있다.

본 발명에서는 상기 공기식 쇼트 피닝기를 이용하여 작업시, 그 구체적인 조업조건에 제한되는 것은 아니다.

다만 쇼트 볼: 직경 200~300㎛의 RCW(rounded cut wire) 볼, 투사각도: 시편과 60~90°, 투사거리: 10~15cm, 투사시간: 2~10분, 투사압력: 0.1~0.3MPa의 조업조건을 유지함이 보다 효과적이다. 상기 쇼트 볼 직경이 너무 작으면 쇼트피닝에 의한 경도 향상 효과가 저감되며, 너무 크면 압입자국이 커짐에 따라 제품의 손상 및 표면조도가 나빠질 수 있다. 또한 상기 투사거리가 너무 짧으면 투사되는 쇼트볼이 집중되어 작업효율이 저하되며, 너무 떨어지면 쇼트 피닝 효과가 저감된다. 그리고 상기 투사압력이 너무 작으면 쇼트 피닝 효과를 볼 수 없으며, 너무 커면 단위면적당 소모되는 쇼트볼의 양이 늘어나게 되어 제품 표면 손상 및 표면조도 저하를 초래할 수 있다.

상술한 바와 같은 쇼트 피닝 처리로 인하여 Al-18Si계 합금 주조재의 표층부는 경화되며 그 조직은 미세해진다.

본 발명에서는 상기 경화되는 표층부의 두께가 10~20㎛이며, 그 결정입의 크기가 3㎛이하임이 바람직하다. 이러한 조건을 만족하여야 피로특성 및 피로수명 등의 경지에서 만족할 만한 효과를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

전기로를 이용하여 소망하는 Al-18Si계 합금성분을 조정한 후, 그 용탕을 주조하여 합금 주조시편을 제조하였다. 한편 비교를 위하여 전기로를 이용하여 Al-12Si(Al-12Si-0.20Ti-0.04Sr) 합금 조성을 조정한 후, 그 용탕을 주조하여 비교재 주조시편을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 주조시편들에 대하여 공기식 쇼트 피닝기를 이용하여 그 표면을 쇼트 피닝 처리하였다. 이때, 쇼트 피닝 작업조건으로서 쇼트 볼은 직경 250㎛의 RCW볼을 이용하였으며, 투사각도는 시편과 90도, 투사거리는 10cm, 투사시간은 2~10분, 그리고 투사압력은 0.3MPa로 하였다.

상기와 같이 쇼트 피닝 처리된 본 발명의 시편들에 대한 OM사진이 도 1에 제시되어 있다. 도 1과 같이, 쇼트 피닝처리로 시편의 표층부가 미세화/개량화되어 있는 것을 알 수 있으며, 그 효과가 Al-18Si-0.08P-0.02Sr인 경우가 보다 우수한 표면처리 결과를 가져옴을 알 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 방법으로 쇼트 피닝된 Al-18Si(Al-18Si-0.08P-0.02Sr) 합금주조재를 비교재인 Al-12Si(Al-12Si-0.20Ti-0.04Sr)합금 주조재와 비교하여 나타낸 SEM 조직사진이다. 도 2와 같이, 본 발명재가 비교재 보다 미세하고 균일한 표면처리조직을 가짐을 알 수 있다.

도 3은 도 2의 시편들에 대한 쇼트 피닝 처리시간에 대하여 시편의 길이에 따른 경도변화를 나타내는 그래프로서 (a)는 비교재를 (b)는 발명재를 나타낸다. 도 3에 제시된 바와 같이, 본 발명재의 경우, 그 표층부의 경화정도가 비교재에 비하여 탁월함을 알 수 있다.

그리고 도 4는 도 2의 시편들에 대한 쇼트 피닝 처리후, 시편의 TEM 및 XRD 패턴으로서, (a)는 비교재를 (b)는 발명재를 나타낸다. 도 4(b)의 발명재의 경우가 보다 그 미세한 표층조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래 알려지지 않았던 Al 합금 주조재의 쇼트 피닝 방법을 제공한다는 점에서 산업계 일반에서 다양하게 응용될 수 있다. 특히, 알루미늄 실린더, 블록, 헤드, 매니폴드 등과 같은 알루미늄 주조재의 경우, 주조재의 고특성화가 요구되고 있는 바, 이러한 고특성 경량화 Al-Si 합금 주조재를 위한 쇼트피닝 기술을 효과적으로 제공할 수 있다.

Claims (5)

1. Al 합금주조재의 표면처리방법에 있어서,
   Al-18Si-0.08P, Al-18Si-0.08-P-0.02Sr, Al-18Si-0.04P중 선택된 하나로 이루어진 Al-18Si계 Al 합금 주조재를 마련한 후, 상기 Al 합금주조재의 표면을, 쇼트 볼: 직경 250㎛의 RCW 볼, 투사각도: 시편과 60~90°, 투사거리: 7~15cm, 투사시간: 2~10분, 투사압력: 0.1~0.6MPa의 작업조건으로 공기식 쇼트 피닝기를 이용하여 마이크로 쇼트 피닝처리함으로써 그 표층부의 경도가 내부경도의 2~2.5배가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조재의 표면처리방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 Al-18Si계 Al 합금 주조재는 Al-18Si-0.08-P-0.02Sr인 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조재의 표면처리방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 표층부의 두께는 10~20㎛이며, 그 결정입의 크기가 3㎛이하임을 특징으로 하는 Al 합금 주조재의 표면처리방법.

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