KR101432019B1 - Ａｌ-Ｆｅ 이종금속의 제조방법 - Google Patents

Abstract

Al-Fe 이종금속의 제조방법이 제공된다.
본 발명은, 코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정; 상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정; 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 Al을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 기지재인 Al을 고온에서 용융접합시키는 공정; 상기 용융접합된 제품을 냉각하는 공정; 및 상기 냉각된 제품을 중온영역에서 유지후 공냉하는 공정;을 포함하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법에 관한 것이다.

Description

Ａｌ-Ｆｅ 이종금속의 제조방법{Method for manufacturing Fe-Al bimetal}

본 발명은 Al-Fe 이종금속재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주철 주강을 코어재로 이용하고 Al을 기지재로 이용함으로써 다양한 제품의 형상에 대한 수요 요구를 충족할 수 있을 뿐만 아니라 유지 보수 등이 용이한 Al-Fe 이종이종금속의 제조방법에 관한 것이다.

세계적으로 강화되고 있는 환경규제에 대응하여 국제 수송 기계류 시장에서는 친환경 경량 고연비화가 중요한 화두이다. 이를 위해서는 고강도화, 경량화 기술을 통하여 각종 산업기계 부품들의 고강도화, 경량화 및 연비향상 극대화가 이루어져야 하며, 특히 고강도 경량화 수송기기 부품 제조를 위한 이종소재 주조기술 확보가 매우 중요한 실정이다.

기존의 이종소재 주조기술로써 강제압입법 확산접합법 및 마찰접합법 등이 개발되어 오고 있다. 그러나 이러한 방법들은 생산성 저하, 복합 형상 제품의 적용이 어려운 점등으로 인한 문제점들이 발생 되어 왔다.

이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위하여 용융접합공법이 개발되어 오고 있다. 상기 용융접합공법은 높은 생산성, 높은 접합속도와 철계 소재의 복잡형상 주조 정형품과도 연계성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다. 그러나 상기 용융접합공정도 현재까지 접합결함 생성, 이종소재 간 젖음성 확보의 어려움 및 그로 인한 결합력의 문제로 인해 아직 널리 채택되고 있지 못하는 실정이다.

고생산성의 이종소재 부품을 생산하기 위해서 코어재료로 주철, 주강 등 철계 주조재를 사용하고, 부품의 보수 유지성을 확보하기 위해 기지는 알루미늄계 가공재를 사용하는 이종소재간 용융접합을 개발하려는 노력이 오래 전부터 이루어지고 있다. 그러나 본 공정은 흔히 사용되고 있는 코어재료인 주철, 주강등 철계 주조재들의 표면과 내부에는 그라파이트와 탄소를 포함하고 있으며, 그 중 표면상의 그라파이트와 탄소는 이종소재 간 용융접합의 경우 이물질로 작용하여 기지와 코어간의 젖음성을 떨어뜨리고 및 계면 결합력을 약화시키는 원인으로 작용하는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 코어재료인 주철, 주강 재료 표면의 그라파이트 및 탄소계 입자를 제거하여 용융접합을 행함으로써 젖음성과 계면결합력을 제고함으로써 최종제품의 기계적 특성을 높일 수 있는 Fe-Al 이종금속의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 Fe-Al계 이종소재를 용융접합함에 있어서, 주조 및 냉각공정들을 제어하여 고용강화를 극대화하고 상변태에 의해 기지강화함으로써 이종소재의 기계적 성질을 효과적으로 향상시킬 수 있는 Fe-Al 이종금속의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정; 상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정; 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 Al을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 기지재인 Al을 고온에서 용융접합시키는 공정; 상기 용융접합된 제품을 냉각하는 공정; 및 상기 냉각된 제품을 중온영역에서 유지후 공냉하는 공정;을 포함하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법에 관한 것이다.

상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로 하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 그 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것이 바람직하다.

상기 염욕내에 계면활성제를 첨가한 것이 바람직하다.

상기 전기를 걸어줄 시 전류밀도는 제품 면적당 50A/dm² 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 건식법은 질소와 수소의 비가 적절히 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응되어 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 하는 방법인 것이 바람직하다.

상기 이종소재 간 용융접합공정은 코어재료인 주철 주강재를 600~800℃ 범위로 예열된 주형에 삽입한 후 용해된 Al을 주입하는 방법으로써 주입온도는 700~800℃범위인 것이 바람직하다.

상기 냉각공정은 용융접합된 이종금속을 1차적으로 650~800℃ 범위에서 일정시간 유지시킨 후 450~650℃까지 냉각하고, 이어, 100~400℃온도범위까지 소입 냉각하는 공정인 것이 바람직하다.

상기 소입 냉각된 이종금속은 후속하여 100~400℃ 온도범위에서 일정시간 유지시킴으로써 코어재인 주철 주강의 내부조직을 오스페라이트와 베이나이트의 혼합조직으로 제어함이 바람직하다.

상기 코어의 혼합조직을 갖는 이종금속을 100~400℃의 일정한 온도에서 유지시키는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은 코어재인 주철 주강재를 이용하여 제품의 다양한 형상변화를 도모할 수 있고, 아울러 기지재로서 알루미늄 가공재를 이용함으로써 제품의 유지보수 등을 용하게 하는 이종소재를 효과적으로 제공할 수 있다.

또한 알루미늄 및 철계 소재의 각각의 특성을 극대화하여 융합함으로써 자동차용 실리던 블록 등과 같은 미래 수송기기에서 요구하는 복합특성들을 효과적으로 구현할 수 있다.

도 1은 주형내 소정형상의 코어재를 두고 용융Al을 주입하여 용융접합을 하는 공정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제조공정으로 제조된 제품의 접합강도를 비교예와 대비하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 용융접합공정에 따른 알루미늄-철 이종금속의 계면조직사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 코어재로서 주철 주강소재를 마련한 후, 그 표면에 부착된 그라파이트를 탈착시키고, 이어, 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 Al을 주입함으로써 코어재인 주철 주강재와 기지재인 Al을 용융접합시키고, 후속하여 상기 용융접합된 제품을 냉각열처리하는 공정을 포함하는 Fe-Al 이종소재의 제조방법에 관한 것이다.

먼저, 본 발명에서는 코어재로서 주철 주강재를 마련한다. 이러한 주철 주강재료는 특정 조성에 제한되지 않으며, 다양한 성분범위의 주철 및 주강재를 이용할 수 있다.

본 발명에서 이러한 주철 및 주강재료를 이종금속의 코어재료로 이용하는 것은 이러한 주철이 다양한 형상의 제품으로 주조가 가능한 이점이 있기 때문이다.

한편 이종금속의 코어재로서 주철 주강재를 이용할 경우, 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트, 탄소계 물질 등 알루미늄과 젖음성을 떨어뜨리는 이물질의 존재가 문제될 수 있다.

통상 용융접합공정에 있어서 주철 주강재 표면의 그라파이트는 용융접합시 젖음성을 악화시키고, 이에 따라 최종 접합된 제품의 접합강도를 떨어뜨린다.

따라서 본 발명에서는 이를 고려하여, 상기 코어재인 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 탈착시킨다.

본 발명에서는 상기 그라파이트의 탈착방법으로 습식법이나 건식법을 활용할 수 있다.

상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것이 바람직하다

또한 선택적으로 상기 염욕내에 계면활성제를 첨가할 경우 계면활성제의 친유성과 친수성의 효과로 그라파이트 제거 효과가 증가하게 된다.

또한 전기를 걸어줄 시 전류밀도는 제품 면적당 50A/dm²이상으로 기존의 전해탈지 공정보다는 상당히 높게 설정함이 좋다. 50A/dm² 보다 작으면 산화반응의 속도가 낮아 그라파이트의 제거가 늦게 일어나며, 50A/dm² 보다 크면 그라파이트 탈착반응이 활발하고 표면조도도 증가하여 Al-Fe 계면 간의 기계적 결합력도 증가시키는 효과가 있기 때문이다.

상기 건식법은 열처리로에서 수소, 질소, 수증기의 혼합가스비, 반응 온도 및 시간 등을 적절히 조절하여 주철 주강재 표면의 그라파이트를 제거할 수 있는 방법을 들 수 있다.

상세하게 설명하면, 질소와 수소의 비가 적절히 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응시켜 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 된다.

본 발명에서는 상기 습식법이나 건식법을 이용하여 그라파이트 제거 표면처리 공정을 진행한 후, 용융접합 주조시 이종소재 간 젖음성을 더욱 향상시키기 위해서 주철 주강 코어재의 표면처리를 추가로 진행할 수도 있다.

후속하여 본 발명에서는 상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 Al을 주입함으로써 코어재인 주철과 기지재인 Al을 용융접합시킨다.

도 1은 주형내 소정형상의 코어제를 두고 용융Al을 주입하여 용융접합을 하는 공정을 나타내는 개략도이다. 그리고 도 2는 본 발명의 주조 및 냉각공정을 모식적으로 나타낸 그래프이다.

도 1-2에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 그 상기 전처리공정에 의해 표면의 탄소계 입자들이 탈착된 코어재인 주철 주강재를 주형내에 배치하는데, 이때 상기 주형은 소정의 온도로 예열되어 있음이 요구되며, 바람직하게는 600~800℃의 온도로 예열하는 것이다.

상기 예열된 주형내 코어재인 주철 주강재가 배치된 후, 주형내로 용융 Al을 주입하고 소정시간 유지(B~C)함으로써 코어재인 주철 주강재와 기지재인 알루미늄과의 용융접합시킬 수 있다.

본 발명에서 상기 Al 주입온도를 700~800℃범위로 함이 바람직하다.

또한 상기 유지(B~C)시간을 30분~2시간의 범위로 둘 수 있다.

상기와 같은 용융접합공정의 결과로, 코어재인 주철 주강재와 기지재인 Al은 서로 용융접합되어 이종금속을 이룰 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 상기 용융접합된 이종금속을 냉각처리한다.

구체적으로 도 2와 같이, 상기 용융접합된 이종금속은 1차적으로 650~800℃ 온도범위로 일정시간 유지한 후, 450~600℃까지 냉각(C~D)되며, 이어, 100~400℃온도까지 염욕로에서 소입 냉각(D~E)된다.

상기 소입 냉각된 이종금속은 후속하여 염욕로에서 일정시간 유지(E)시킴으로써 코어재인 주철 주강의 내부조직이 오스페라이트와 베이나이트의 혼합조직이 되며, 따라서 제조된 최종 이종금속 제품의 인장강도, 경도 등의 기계적 특성이 우수하게 된다. 이어, 본 발명에서는 상기 코어 내부조직을 갖는 이종금속은 상온으로 공냉되어 최종 기계적 특성을 갖는 이종금속을 얻을 수 있다.

본 발명에서 또다르게는 상기 코어의 혼합조직을 갖는 이종금속을 100~400℃의 일정한 온도에서 유지시킴으로써, 시효경화 처리에 의해 기지재인 알루미늄의 기계적 성질 또한 증가시키는 것이 가능하다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실험예 1)

봉상형 주철 주강재를 코어재를 마련하였다. 그리고 상기 코어재중 일부는 습식법을 이용하여 그 표면의 그라파이트를 제거하는 탈착공정을 수행하였으며, 일부는 탈착공정을 행하지 아니하였다. 상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법을 이용하였다.

이와 같이, 그라파이트 탈착된 주철 주강과 그라파이트 탈착되지 않은 주철 주강제 각각을 600~800℃범위의 온도로 예열된 주형내 배치하고, 이후 주형내로 700~800℃ 온도의 용융 Al을 주입하고 소정시간 유지함으로써 코어재인 주철 주강재와 기지재인 알루미늄과의 용융접합시켰다.

후속하여, 상기 용융접합된 이종금속 각각을 1차적으로 650~800℃ 온도범위로 일정시간 유지한 후 450~600℃까지 공냉처리하고, 이어, 100~400℃온도까지 염욕로에서 소입 냉각하였다. 소입 냉각된 이종금속은 염욕로에서 소정시간 유지후, 공냉시켜 최종 Fe-Al 이종금속을 제조하였다.

이와 같이 제조된 Fe-Al 이종소재간 계면결합력을 정량적으로 측정하기 위하여 접합시험편을 가공하여 접합강도를 측정하였다. 접합강도시험은 각 조간당 3개를 시험하여 평균값을 얻었으며, 이를 도 3에 나타내었다.

도 3에 나타난 바와 같이, 코어재인 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 탈착제거한 경우(그라파이트 탈착후)가 그렇지 않은 경우에 비하여 접합강도가 우수함을 알 수 있다. 한편 도 4는 그라파이트 탈착을 한 발명재의 경우, Fe-Al 이종금속의 계면 조직사진을 나타낸다.

이상과 같이 본 발명에 대한 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명한 실시예 외에도 본 발명의 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화될 수 있다. 그러므로 본 실시예는 특정형태로 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims (9)

1. 코어재로서 주철 주강재를 마련하는 공정;
   상기 주철 주강재의 표면에 부착된 그라파이트를 건식법 또는 습식법을 이용하여 탈착시키는 공정;
   상기 그라파이트 탈착된 주철 주강재를 주형 내부에 배치한 후, 그 주형에 용융 Al을 주입함으로써 코어재인 주철 주강과 기지재인 Al을 고온에서 용융접합시키는 공정;
   상기 용융접합된 제품을 냉각하는 공정; 및
   상기 냉각된 제품을 100~400℃ 온도범위에서 유지시킴으로써 코어재인 주철 주강의 내부조직을 오스페라이트와 베이나이트의 혼합조직으로 제어한 후, 공냉하는 공정;을 포함하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 습식법은 전도성의 염욕중에서, 주철 주강재를 양극으로하여 전해탈지보다 높은 전류를 걸어줌으로써 주철 주강재 표면에 강한 산화반응을 유발시켜 그 표면에 존재하는 그라파이트를 탈착하여 제거하는 방법인 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 염욕내에 계면활성제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
4. 제 2항에 있어서,
   전기를 걸어줄 시 상기 전류밀도는 제품 면적당 50A/dm² 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 건식법은 질소와 수소의 비가 혼합된 혼합가스를 만들어 온도가 일정하게 유지되는 수증기 중에 주입하여 포화수증기를 형성한 후, 이를 일정하게 온도가 유지되고 있는 반응로 중에 주입함으로써 수소와 수증기의 혼합가스가 주철 주강재 표면의 그라파이트와 화학반응되어 이산화탄소, 메탄가스 등 일종의 가스형태로 빠져나가게 하는 방법인 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
6. 제 1항에 있어서,
   이종소재 간 상기 용융접합공정은 코어재료인 주철 주강재를 600~800℃ 범위로 예열된 주형에 삽입한 후 용해된 Al을 주입하는 방법으로써 주입온도는 700~800℃범위인 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각공정은 용융접합된 이종금속을 1차적으로 650~800℃ 범위에서 유지시킨 후 450~650℃까지 냉각하고, 이어, 100~400℃온도범위까지 소입 냉각하는 공정인 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서, 상기 코어의 혼합조직을 갖는 이종금속을 100~400℃의 온도에서 유지시키는 것을 특징으로 하는 Fe-Al 이종금속의 제조방법.
   

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