KR101836688B1 - 합금 강도 측정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합금 강도 측정 방법에 관한 것으로, 원심 분리 장치 내부에 합금을 배치한 후에, 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 회전시키는 제 1 단계와, 상기 원심 분리 장치의 구동을 중지한 후, 상기 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 분석하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계의 분석 결과를 통해 상기 합금의 변형 여부를 판단하는 제 3 단계와, 상기 제 1 단계 내지 제 3 단계를 상기 측정회전속도를 변화시키면서 반복 수행하는 제 4 단계와, 상기 제 4 단계를 통해 상기 합금이 변형되는 변형 경계에 대응하는 변형회전속도를 검출하는 제 5 단계와, 상기 검출된 변형회전속도를 이용하여 상기 합금의 기계적 강도를 산출하는 제 6 단계를 포함함으로써, 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 원심 분리하여 변형 여부에 따라 합금의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 합금 강도 측정 방법을 제공할 수 있다.

Description

합금 강도 측정 방법{METHOD FOR MEASURING ALLOY STRENGTH}
본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 원심 분리하여 변형 여부에 따라 합금의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 합금 강도 측정 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 합금의 기계적 강도를 측정하기 위해서는 압축 강도, 인장 강도 등을 측정하는 강도 측정 장치가 이용되는데, 이러한 강도 측정 장치는 가압 방식에 따라 기계식, 유압식 등으로 분류될 수 있다.
예를 들면, 기계식의 강도 측정 장치는 볼스크류를 이용하여 압력을 가하는 방식으로, 제조가 용이하고 제어 및 관리가 편리하지만, 낮은 압력에서 사용되는데, 이는 합금을 가압하는 가압부와 볼스크류가 기계적으로 강결합되기 때문에, 합금이 파괴되는 순간 합금에 가해지는 힘이 볼스크류에 그대로 전달되어 파손 발생으로 인해 자주 교체해야 하는 문제점이 있다.
또한, 유압식의 강도 측정 장치는 유압을 발생시키는 유압 발생부와 유압을 조절하는 유압 조절부를 구비하는데, 유체가 충격력을 상쇄시키기 때문에 높은 압력에서도 사용할 수 있다.
이러한 유압식의 강도 측정 장치는 밸브의 종류에 따라 수동식과 자동식으로 분류될 수 있는데, 수동식의 경우 높은 압력에도 사용이 가능하지만 사람이 직접 조절하기 때문에 미세 조정이 어렵고 압력을 가하는 속도가 가변하는 경우 대응이 어려워 합금의 강도 측정에 문제점이 있고, 자동식의 경우 속도 조절이 자유롭고 미세 조정이 가능하지만, 상대적으로 크기가 크고 무거워 그 설비비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
상술한 바와 같은 종래의 강도 측정 장치를 이용한 합금 강도 측정 방식 대신에 합금의 강도를 쉽고 정확하게 측정하기 위해 다양한 기술 개발이 요구되며, 다른 방식으로의 기술적 접근이 필요한 실정이다.
1. 등록특허 제10-0592964호(2006.06.16.등록) : 종결정의 목부의 기계적 강도 측정장치와 측정방법 2. 등록특허 제10-1045691호(2011.06.24.등록) : 압축 강도 측정 장치
본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 원심 분리하여 변형 여부에 따라 합금의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 합금 강도 측정 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 회전시킨 후에, 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 측정하고, 측정된 결과를 통해 합금의 변형 여부를 판단하는 과정을 반복한 후에, 변형 경계에 대응하는 측정회전속도를 검출하고, 검출된 측정회전속도를 이용하여 합금의 강도를 산출함으로써, 종래에 수행되는 압축 시험, 인장 시험 등의 강도 측정 방식 대신에 합금의 원심 분리를 통해 쉽게 기계적 강도를 측정할 수 있는 합금강도 측정 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 원심 분리 장치 내부에 합금을 배치한 후에, 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 회전시키는 제 1 단계와, 상기 원심 분리 장치의 구동을 중지한 후, 상기 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 분석하는 제 2 단계와, 상기 제 2 단계의 분석 결과를 통해 상기 합금의 변형 여부를 판단하는 제 3 단계와, 상기 제 1 단계 내지 제 3 단계를 상기 측정회전속도를 변화시키면서 반복 수행하는 제 4 단계와, 상기 제 4 단계를 통해 상기 합금이 변형되는 변형 경계에 대응하는 변형회전속도를 검출하는 제 5 단계와, 상기 검출된 변형회전속도를 이용하여 상기 합금의 기계적 강도를 산출하는 제 6 단계를 포함하는 합금 강도 측정 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 원심 분리하여 변형 여부에 따라 합금의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 합금 강도 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 기 설정된 온도에서 측회전속도로 회전시킨 후에, 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 측정하고, 측정된 결과를 통해 합금의 변형 여부를 판단하는 과정을 반복한 후에, 변형 경계에 대응하는 측정회전속도를 검출하고, 검출된 측정회전속도를 이용하여 합금의 강도를 산출함으로써, 종래에 수행되는 압축 시험, 인장 시험 등의 강도 측정 방식 대신에 합금의 원심 분리를 통해 쉽게 기계적 강도를 측정할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리 방식을 이용하여 합금의 강도를 측정하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이며,
도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 합금 강도 측정 방법에서 합금의 온도 범위를 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치를 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 단면에 대한 광학 현미경 사진을 예시한 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 중량 비율을 설명하기 위한 도면이며,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 컴퓨터 단층 촬영 사진을 예시한 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 X선 형광을 이용한 성분 분석을 예시한 도면이며,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금에 가해지는 원심 응력을 예시한 도면이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 기계적 강도를 예시한 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리 방식을 이용하여 합금의 강도를 측정하는 과정을 나타낸 단계별 흐름도이며, 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 합금 강도 측정 방법에서 합금의 온도 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 원심 분리 장치 내부에 합금을 배치할 수 있다(단계102). 여기에서, 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금은 별도의 가열로를 통해 합금 성분들을 용융시킨 후에 도 2의 (a)에 도시한 바와 같은 원심 분리 장치에 구비된 도가니에 합금 용탕이 장입되고, 그 합금 용탕의 온도를 회전개시온도까지 냉각시킨 후에 원심 분리 장치를 구동하여 합금 용탕이 장입된 도가니를 회전시킬 수 있다.
이러한 원심 분리 장치에 장입되는 합금 성분은 예를 들면, 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 등을 포함할 수 있으며, 망간(Mn), 아연(Zn), 주석(Sn), 납(Pb), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu) 등에서 선택된 적어도 하나를 함께 포함할 수 있으며, 도 1b에 도시한 바와 같이 두 개의 주 합금 성분을 갖는 다양한 조합의 합금을 포함할 수 있다.
그리고, 원심 분리 장치를 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 회전시킬 수 있다(단계104). 여기에서, 기 설정된 온도는 공정온도(eutectic temperature) 혹은 포정온도(peritectic temperatue)를 최소온도로 하면서 합금 성분 중 녹는점이 가장 높은 어느 하나의 합금 성분의 녹는점을 최대온도로 하는 온도 범위를 가질 수 있고, 측정회전속도는 300-800 rpm의 속도 범위를 가질 수 있다. 즉, 도 1b를 참조하면, Al-Si 합금의 경우 850K(공정온도)-1687K(녹는점이 가장 높은 Si의 녹는점)의 온도 범위를 가질 수 있고, Pb-Sn의 경우 456K(공정온도)-600K(녹는점이 가장 높은 Pb의 녹는점)의 온도 범위를 가질 수 있다.
예를 들면, 대략 1195K의 온도로 가열하여 합금 성분들이 용융된 후 원심 분리 장치에 구비된 도가니에 그 합금 용탕이 장입되는데, 대략 Al 70중량%와 대략 Si 30중량%를 포함하는 합금 성분을 도가니에 장입한 후 용해된 합금 용탕을 대략 1195K에서 회전개시온도(RST : rotation start temperature)인 993K까지 대략 3K/s 속도로 냉각시킨 후에(도 2의 (b)에서 T1 내지 T2까지의 과정임), 300-800 rpm의 속도 범위 중 측정회전속도인 300 rpm의 회전속도(RS : rotation speed)로 도가니를 대략 850K의 온도가 될 때까지 회전시킬 수 있다(도 2의 (b)에서 T2 내지 T3까지의 과정임).
물론, 측정회전속도는 400 rpm, 500 rpm, 600 rpm, 700 rpm, 800 rpm 등으로 다양하게 설정 및 조정될 수 있다.
다음에, 원심 분리 장치의 구동을 중지한 후, 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 분석할 수 있다(단계106). 여기에서, 합금의 미세 구조 및 함량 변화는 광학 현미경(OM : optical microscope), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS : energy dispersive X-ray spectrometer)이 결합된 주사전자현미경(SEM : scanning electron microscope), 컴퓨터 단층 촬영기(CT : computed tomography) 및 X선 형광 분석기(XRF : x-ray fluorescence analyzer) 등을 이용하여 분석될 수 있다.
예를 들면, 광학 현미경(OM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)이 결합된 주사전자현미경(SEM) 및 컴퓨터 단층 촬영기(CT)를 통해서는 합금의 미세 구조를 분석할 수 있고, X선 형광 분석기(XRF)를 통해서는 합금의 성분 검출을 통한 함량 변화를 분석할 수 있다.
여기에서, 광학 현미경(OM)의 경우 합금의 기공들을 관찰할 수 있는데, 합금이 원심력에 의해 변형 및 파괴되지 않은 경우 유사한 크기의 기공들이 균일하게 분포하는 반면에, 합금이 원심력에 의해 변형 및 파괴된 경우 크기가 다른 기공들이 불균일하게 분포하기 때문에, 합금의 미세 구조를 분석할 수 있다.
아울러, 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)이 결합된 주사전자현미경(SEM)의 경우 광학 현미경(OM)보다 상대적으로 고배율을 측정할 수 있어 분석 정확도를 향상시킬 수 있고, 컴퓨터 단층 촬영기(CT)의 경우 3차원의 영상을 통해 광학 현미경(OM)과 유사한 분석을 수행할 수 있다.
따라서, 합금의 미세 구조는 합금의 기공 크기의 유사성 여부, 기공 분포의 균일성 여부 등에 따라 분석될 수 있다.
한편, X선 형광 분석기(XRF)의 경우 합금 성분들의 함량을 측정할 수 있는데, 주 합금 성분인 Si과 첨가 합금 성분인 Al을 포함하는 Al-Si 합금을 예로 들면, 원심 분리 장치를 상대적으로 낮은 회전속도(RS)에서 순차적으로 회전속도(RS)을 증가시킬 경우 합금이 변형 및 파괴되기 전까지는 Si은 그대로 잔류하게 되고, Al 액상은 도가니의 외부로 빠져 나가기 때문에, Al 함량이 감소하게 되며, 합금이 파괴되기 시작하면 잔류하던 Si의 함량이 감소하게 됨으로써, Al-Si 합금이 원심력에 의해 변형 및 파괴되는지의 여부를 분석할 수 있다.
즉, X선 형광 분석기(XRF)를 통해 합금에 포함된 합금 성분을 검출한 후, 검출된 합금 성분 중에서 주 합금 성분의 함량 감소 여부에 따라 합금의 변형 및 파괴 여부를 분석할 수 있다.
상술한 바와 같은 단계106의 분석 결과를 통해 합금의 변형 여부를 판단할 수 있다(단계108). 예를 들면, 도 8에 도시한 바와 같이 회전속도(RS)가 증가함에 따라 밀도는 점차 증가하게 되는데, 합금의 변형 및 파괴가 발생하면 피크값을 기준으로 밀도가 감소하게 되는 바, 이러한 데이터와 상술한 바와 같은 단계106에서의 합금의 미세 구조 및 함량 변화에 대한 분석을 참조하여 원심 분리 장치의 회전속도(RS) 증가에 대응하는 합금 밀도의 변화(예를 들면, 증가 추세, 피크값, 감소 추세 등)를 통해 합금의 변형 및 파괴 여부를 판단할 수 있다.
이 후에, 상기 단계102 내지 단계108을 측정회전속도를 변화시키면서 반복 수행할 수 있다(단계110). 즉, 원심 분리 장치를 이용하여 300-800 rpm의 속도 범위에 따라 합금의 원심 분리한 후, 그 합금의 변형 여부를 판단할 수 있다.
상기 단계110을 반복 수행한 후에, 합금이 변형되는 변형 경계에 대응하는 변형회전속도를 검출할 수 있다(단계112). 즉, 300-800 rpm의 속도 범위 중 선택된 특정 측정회전속도에서 합금이 변형되기 시작할 경우 해당 측정회전속도(즉, 변형 시작 측정회전속도)를 변형 경계로 결정한 후, 그 변형 경계에 대응하는 특정 측정회전속도(즉, 변형 시작 측정회전속도)를 변형회전속도로 결정할 수 있다.
이어서, 검출된 변형회전속도를 이용하여 합금의 기계적 강도를 산출할 수 있다(단계114). 예를 들면, 합금의 기계적 강도는 원심 분리 장치를 통해 제공되는 원심력에 의해 합금이 변형 또는 파괴되는 시점의 원심력(즉, 원심 분리 장치의 압력)에 대응되는데, 이러한 원심 분리 장치의 압력은 밀도와, 각속도와, 회전축에서 용탕까지의 거리의 곱으로부터 산출될 수 있으며, 하기 수학식 1의 설명에서 구체적으로 설명하기로 한다.
따라서, 본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 원심 분리하여 변형 여부에 따라 합금의 강도를 쉽게 측정할 수 있는 합금 강도 측정 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 기계적 강도를 측정하고자 하는 합금을 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 회전시킨 후에, 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 측정하고, 측정된 결과를 통해 합금의 변형 여부를 판단하는 과정을 반복한 후에, 변형 경계에 대응하는 측정회전속도를 검출하고, 검출된 측정회전속도를 이용하여 합금의 강도를 산출함으로써, 종래에 수행되는 압축 시험, 인장 시험 등의 강도 측정 방식 대신에 합금의 원심 분리를 통해 쉽게 기계적 강도를 측정할 수 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 합금 강도 측정 방법에 원심 분리 방식을 적용하기 위한 합금 샘플의 원심 분리 및 분석 과정에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원심 분리 장치를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 단면에 대한 광학 현미경 사진을 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 중량 비율을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 컴퓨터 단층 촬영 사진을 예시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 X선 형광을 이용한 성분 분석을 예시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금에 가해지는 원심 응력을 예시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 원심 분리한 합금의 기계적 강도를 예시한 도면이다.
도 2 내지 도 8을 참조하면, Si 발포체의 기계적 강도를 측정하기 위해서 도 2에 도시한 바와 같은 원심 분리 장치를 사용하는데, 이러한 원심 분리 장치는 도가니(crucible)와 용기(container)를 포함하고, Si 발포체는 회전하는 중에 Al이 풍부한 용융물이 분리되어 용기에 유입되면서 도가니에는 초정 Si 결정이 잔류할 수 있다.
이러한 분리 공정을 위해서, 1195K로 설정된 가열로를 이용하여 Al-30%Si 용융물 2kg을 제조한 후, 합금 용융물의 약 50g을 사용하였고, 도가니에서 용융물은 1192K에서 993K까지 약 3K/s의 냉각 속도로 냉각시겼는데, 993K를 회전개시온도(RST)라 한다.
또한, 회전속도(RS)는 분당 300 rpm에서 800rpm으로 변화시켰고, 모 합금의 용융에서 원심 분리까지의 모든 공정은 대기 중에서 진행되었으며, Si 발포체와 결정의 형태는 광학 현미경(OM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)이 결합된 주사 전자 현미경(SEM), 컴퓨터 단층 촬영기(CT) 등을 이용하여 관찰하였고, X선 형광 분석기(XRF)는 Si 발포체의 원소 분석에 사용되었다.
또한, 합금의 기계적인 강도를 비교하기 위한 압축 시험을 위해, Si 발포체 샘플은 정밀 다이아몬드 톱을 사용하여 10×10×10mm의 크기로 절단하여 준비하였고, 1.25×10-3/초의 정적 변형률을 갖는 압축 시험은 만능재료시험기를 사용하여 실온(RT)에서 수행되었다. 여기에서의 압축 강도는 Si 발포체 샘플의 파괴 전 최대 강도로 정의될 수 있다.
상술한 바와 같이 원심 분리된 Si 발포체의 회수율에 대해 설명하면, Si 발포체는 300-800rpm으로 다양한 회전속도(RS)로 원심 분리되었는데, 원심 분리된 Si 발포체 샘플을 반으로 절단한 후 그 단면 영역에 대한 광학 현미경(OM) 이미지를 참조하면, 도 3에 도시한 바와 같이 더 높은 회전속도(RS)로 인해 더 많은 양의 용융물(즉, Al이 풍부한 용융물)이 제거되었음을 알 수 있다.
또한, 회수율 측정을 통해 Si 발포체 대비 Si 함량이 회전개시속도(RST)에서 Si 함량에 가까운 대략 10%로 점근적으로 감소하는 것을 알 수 있었다.
한편, '회수율-1'은 초기 용융 시에 Si 발포체의 중량 비율이고, '회수율-2'는 Si 발포체를 산 침출한 후 용융물에 포함되는 Si의 중량 비율을 의미하는데, 도 4에 도시한 바와 같이 회전속도(RS)가 증가함에 따라 회수율-1은 감소하였고, 대략 20%에서 포화되었다. 이러한 점을 고려할 때 800rpm인 회전속도(RS)는 Al 합금 용탕을 효과적으로 제거할 만큼 높지 않음을 알 수 있다.
또한, 회수율-2는 회전개시온도(RST)보다 높은 500rpm일 때, 10%에 필적하였고, 특히, 800rpm에서 회수율-2는 초정 Si 결정이 파쇄된 후 원심 분리 중에 Al이 풍부한 용융물과 함께 제거된 것을 알 수 있다.
아울러, 800rpm(9.4%)로 원심 분리된 Si 발포체의 회수율-2는 500-700rpm(10.3-10.9%)에서 원심 분리된 발포체의 회수율-2보다 상대적으로 더 낮았고, 대략 1%의 초정 Si 결정이 800rpm에서 추가적으로 제거되었음을 알 수 있다. 이는 Si 발포체의 기계적 강도가 800 rpm에서 작용하는 원심력보다 더 낮기 때문이다.
한편, 도 5에 도시한 바와 같이 고온에서 Si 발포체의 기계적 강도는 컴퓨터 단층 촬영(CT) 이미지에 의해 확인할 수 있는데, 800rpm의 회전속도로 원심 분리된 Si 발포체는 더 낮은 회전속도(rpm)에서 원심 분리된 Si 발포체와 비교하여 코어에서 더 개방적인 구조를 나타낸다는 것을 알 수 있고, 이에 따라 Si 조직으로부터 Si 결정으로 파쇄시키는 원심력에 의해 초정 Si 결정이 제거되었음을 알 수 있다.
또한, X선 형광 분석(XRF)을 이용한 원소 분석을 참조하면, 도 5에 도시한 바와 같이 300rpm과 400rpm의 회전속도로 원심 분리된 Si 발포체는 상대적으로 더 높은 회수율-2를 나타내고 있는데, 산 침출 후 더 많은 양의 Al이 잔류하기 때문인 것을 알 수 있으며, 도 6에 도시한 바와 같이 300rpm과 400rpm의 회전속도로 원심 분리된 Si 발포체에서 더 많은 양의 Al이 잔류하는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 그 개방 구조는 회전속도(RS)가 500-700rpm의 범위일 때, Si 코어 주변에서 관찰되는 것을 알 수 있고, 이는 코어에서의 온도가 원심 분리 중에 외표면보다 더 높기 때문인 것을 알 수 있으며, 코어에서의 더 높은 온도에 따라 느슨하게 연결된 Si 결정이 형성되었음을 알 수 있다.
아울러, 원심력이 도가니로부터 Al 합금 용탕을 가압하기에 충분할 경우 코어 주변의 초정 Si 결정 또한 제거되었음을 알 수 있고, 이에 따라 코어 주변의 다공성은 회전속도(RS)가 500-700rpm의 범위에서 유사함을 알 수 있으며, 이 회전속도(RS)에 대응되는 회수율-2는 Si 결정의 파쇄에 의한 것이 아니라, 그들의 느슨한 연결로 인해 도가니로부터 가압에 의해 Al 합금 용탕에서 원심 분리되는 것임을 알 수 있다.
한편, Si 발포체의 기계적 강도에 대해 상세히 설명하면, 850-993K의 온도 범위에서 원심 분리된 Si 발포체의 기계적 강도는 실온(RT)에서 발포체의 기계적 강도보다 두 배 더 낮은 62-81kPa 범위로 추정되는데, 이는 회수율 데이터와 원심력에 의해 발생된 원심 응력에 대한 Si 발포체의 마이크로구조를 비교함으로써 추정되었다.
여기에서, 도 4에 도시된 바와 같이 800rpm의 회전속도로 원심 분리된 Si 발포체는 Si 결정 파쇄로 인해 상대적으로 낮은 회수율-2를 나타내고 있고, 이러한 파쇄는 800rpm의 회전속도에서 원심 응력보다 더 낮은 기계적 강도에 기인함을 알 수 있으며, 회전속도(rpm)에 의존하는 평균 원심 응력(P)은 아래의 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112016085564986-pat00001
여기에서, P는 회전축에서 Si 발포체의 중심까지의 거리 r에서의 압력이고, ρm은 용융물의 밀도이며, ω는 각속도이고, r은 사용된 원심 분리 장치의 구조에 따라 설정될 수 있는데, 여기에서는 9.75cm로 설정되었다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이 다양한 회전속도(RS)에서 Si 발포체의 기계적 강도는 종래의 압축 시험에 의해 실온에서 측정되었는데, 이들을 다양한 회전속도(RS)에 대응하는 원심 응력들과 비교한 결과에 대해 설명하면, 압축 시험의 처음 단계에서 응력이 선형적으로 증가함에 따라 Si 발포체는 피크 값에 도달하였고, 그 피크 값은 Al이 풍부한 상을 통해 연결된 Si 발포체의 셀 에지의 붕괴를 나타내는 것을 알 수 있다.
그리고, 셀 에지의 붕괴 후 응력은 피크 값 이후 급속히 감소하는데, 셀 에지가 파괴된 후 추가 하중이 인가됨에 따라, 균열이 Si 조각으로 이어지고, 응력은 서서히 고밀도화로 인해 증가함을 알 수 있다.
또한, 각 Si 발포체에 대한 피크 값(즉, 실온(RT)에서 Si 발포체의 기계적 강도)은 도 7에 도시된 바와 같이 회전속도(rpm)에 의해 가해진 원심 응력과 비교한 결과, 800rpm의 회전속도로 원심 분리된 Si 발포체의 기계적 강도는 실온(RT)에서 약 1.3MPa이고, 그 회전속도(rpm)에서의 원심 응력은 Si 발포체가 파쇄된 것과 같이 81kPa로 나타내고 있음을 알 수 있다.
따라서, 실온(RT)에서 Si 발포체의 기계적 강도는 62kPa(700rpm으로 나타남)보다 더 높게 나타나는 것을 알 수 있고, 실온(RT)에서 Si 발포체의 기계적 강도보다 81kPa보다 약 2배 더 낮게 나타나는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 고상/액상 공존 영역(mushy zone)에서 Si 발포체의 기계적 강도는 원심 분리 장치를 이용하여 Al-Si 합금으로부터 Si의 분리 효율을 극대화하는 것으로부터 측정할 수 있으며, 850-993K의 온도 범위에서 원심 분리된 Si 발포체의 기계적 강도는 62-81kPa의 범위인 것으로 나타나고 있는데, 이는 실온(RT)에서 Si 발포체의 기계적 강도(1.3-3.8Mpa)보다 약 두배 정도 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 원심 분리 장치 내부의 도가니에 합금 용탕을 장입하고, 회전개시온도까지 냉각한 후에, 기 설정된 온도에서 측정회전속도로 상기 도가니를 회전시키는 제 1 단계와,
    상기 원심 분리 장치의 구동을 중지한 후, 상기 합금의 미세 구조 및 함량 변화를 분석하되, 상기 합금에 포함된 합금 성분을 검출한 후, 상기 검출된 합금 성분 중에서 주 합금 성분의 함량 감소 여부에 따라 상기 함량 변화를 분석하는 제 2 단계와,
    상기 제 2 단계의 분석 결과를 통해 상기 합금의 변형 여부를 판단하는 제 3 단계와,
    상기 제 1 단계 내지 제 3 단계를 상기 측정회전속도를 변화시키면서 반복 수행하는 제 4 단계와,
    상기 제 4 단계를 통해 상기 합금이 변형되는 변형 경계에 대응하는 변형회전속도를 검출하는 제 5 단계와,
    상기 검출된 변형회전속도를 이용하여 상기 합금의 기계적 강도를 산출하는 제 6 단계를 포함하며,
    상기 기 설정된 온도는, 공정온도(eutectic temperature) 혹은 포정온도 (peritectic temperatue)를 최소온도로 하면서 합금 성분 중 녹는점이 가장 높은 어느 하나의 합금 성분의 녹는점을 최대온도로 하는 온도 범위를 갖는 합금 강도 측정 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정회전속도는, 300-800 rpm의 속도 범위인 합금 강도 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 단계는, 상기 합금에 나타나는 기공 크기의 유사성 여부 및 기공 분포의 균일성 여부에 따라 상기 미세 구조를 분석하는 합금 강도 측정 방법.
  5. 삭제
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 3 단계는, 상기 합금의 미세 구조 및 함량 변화의 분석을 참조하고, 합금 밀도의 변화를 통해 상기 변형 여부를 판단하는 합금 강도 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 5 단계는, 상기 합금이 변형되기 시작할 경우에 대응하는 변형 시작 측정회전속도를 상기 변형 경계에 대응하는 상기 변형회전속도로 결정하는 방식으로 검출하는 합금 강도 측정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 6 단계는, 밀도와, 각속도와, 회전축에서 용탕까지의 거리를 이용하여 산출된 압력으로 상기 기계적 강도를 산출하는 합금 강도 측정 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003065917A (ja) 2001-08-27 2003-03-05 Sumitomo Electric Ind Ltd アルミニウム合金製部材の機械的特性の予測方法
KR101447012B1 (ko) 2012-06-22 2014-10-07 한국원자력연구원 금속합금 구조재의 응력부식균열에 대한 비파괴적 평가방법 및 그 금속구조재의 잔여수명 평가방법

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