KR20100008903A - 엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법 - Google Patents

엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액상선 직상의 온도에서 합금 용탕에 직접 초음파를 인가함으로써 합금 조직을 더욱 미세화시킬 수 있도록 해주는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성은, 실리콘이 2 ~ 12중량% 포함된 아공정(Hypo Eutectic) 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 660℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키도록 구성된다.
엔진부품, 알루미늄 실리콘 합금, 결정립, 미세화

Description

엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법{METHOD FOR REFINING GRAIN OF ALLOY FOR ENGINE PARTS}
본 발명은 엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 합금의 용탕 내에 초음파를 직접 인가함으로써 별도의 냉각 처리 과정 없이도 결정립을 미세화시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
최근에 자동차 엔진이 고출력화됨에 따라 실린더 헤드, 실린더 블록 등의 엔진부품들은 강성 및 내구수명과 같은 기계적 물성의 증대가 요구되고 있다. 기계적 물성을 증대시키는 주요 방법은 엔진부품용 합금의 용탕을 응고시킬 때 그 냉각 처리 과정을 개선함으로써 기지 조직인 수지상의 결정립을 미세화시키거나 제2상 입자를 미세화시키는 것이다.
도 1에는 종래에 흔히 사용되던 2가지 결정립 미세화 방법이 소개되어 있다. 먼저, 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 엔진부품용 합금의 용탕(1)에 별도의 결정립 미세화 원소(2)를 첨가한 다음 이를 주조 금형(3)에 주입하여 응고시킨다. 상기 결정립 미세화 원소(2)는 용탕(1) 내에서 응고에 필요한 엠브리오(embryo)로 작용하여 냉각 과정에서 더욱 많은 응고핵을 생성함으로써 결정립 미세화에 기여한다. 그 러나, 이 방법은 고가의 결정립 미세화 원소(2)가 추가로 필요하기 때문에 제조 비용이 증가하는 단점이 있다.
결정립을 미세화시키는 또 다른 방법은 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 합금 용탕을 주조 금형(4)에 주입한 다음 합금의 액상선 직하 온도에서 초음파 발진기(5)를 통해 금형 전체를 진동시키는 것이다. 이에 의하면, 금형의 내벽으로부터 응고되기 시작한 응고조직의 미세한 파편이 떨어져 나와 용탕의 내부로 유입된다. 이 유입된 미세 파편은 용탕의 전체에 걸쳐 균일한 응고핵으로 작용함으로써 기지조직을 미세화시키는 것이다.
그러나, 이 방법은 금형 전체에 진동이 인가됨으로써 장비의 수명이 크게 단축되고 장시간 사용으로 인해 금형 및 주조기의 각종 체결 부위가 풀어져 장비의 유지 보수가 어려운 단점이 있다.
이 밖에, 냉각 속도를 높이기 위해 주조 금형 전체를 냉각시키는 방법도 있으나, 냉각 설비의 추가 설치 및 금형 냉각에 따른 주조 방식의 변경 등 기술적으로 해결해야 할 문제점이 많아 실용화되지 못하고 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 액상선 직상의 온도에서 합금 용탕에 직접 초음파를 인가함으로써 추가의 원소를 투입하거나 장비 전체를 진동시키는 번거로움 없이도 합금 조직을 더욱 미세화시킬 수 있도록 해주는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, 실리콘이 2 ~ 12중량% 포함된 아공정(Hypo Eutectic) 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 660℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키도록 구성된다.
또 다른 기술구성으로 실리콘이 13 ~ 20중량% 포함된 과공정(Hyper Eutectic) 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 690℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키도록 구성된다.
또한, 상기 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 초음파 가진봉(17)을 직접 침전시킨 다음 10 ~ 30분 동안 초음파를 인가하도록 구성될 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명에 따르면, 결정립 미세화를 위하여 별도의 합금 성분을 추가할 필요가 없어 상대적으로 저렴한 비용으로 고강도 및 내구수명이 우수한 엔진부품을 제조할 수 있다.
또한, 주조 금형 전체를 진동시키거나 냉각시키는 방법과 달리 추가된 장치의 구성이 복잡하지 아니하고 냉각 방식을 변경할 필요도 없어 보다 간편한 방법으로 결정립 미세화 효과를 달성할 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 기술구성을 보다 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법이 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명은 초음파를 엔진부품용 합금의 용탕에 직접 인가함으로써 응고 시에 결정립으로 성장할 수 있는 결정핵의 수를 증가시켜 별도의 결정립 미세화 원소의 추가나 냉각 방식의 변경이 없이도 조직을 미세화시킬 수 있도록 한 것이다. 즉, 본 발명은 합금의 상태도(Phase diagram)에서 액상선(Liquidus line) 직상의 온도, 다시 말해 액상의 온도 범위에서 용탕에 초음파를 직접 인가함으로써 용탕 내에 결정립으로 성장할 수 있는 결정핵의 수를 증가시키는 것이다.
이를 위해 용탕에 초음파 발진기(7)와 결합된 초음파 가진봉(8)을 직접 침진시킨 다음 액상선 직상의 온도 범위에서 용탕에 초음파를 직접 인가한다. 그 결과, 용탕 내에는 응고 시에 결정립으로 성장할 수 있는 결정핵(6)이 생성된다. 이 결정핵(6)이 포함된 용탕을 주조 금형(9)에 주입하여 응고시키면 용탕 전체에 걸쳐 결정핵(6)이 균일하게 응고 성장하면서 결정립이 미세화되는 것이다.
이와 같이 용탕에 초음파를 직접 인가하는 경우에 액상선 이상의 온도 범위에서도 결정핵(6)이 생성되는 원리에 대해서는 정확히 규명되지 않았으나, 강한 초 음파에 따른 진동으로 인해 액상 내에 공동현상(Cavitation)이 발생하여 미세한 기포가 생성되고, 이 기포가 결정핵(6)으로 작용하여 응고 시에 결정립으로 성장하는 것으로 생각된다.
이러한 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법은 별도의 결정립 미세화 원소를 첨가하지 않는다는 점에서 도 1의 (a)를 참조로 설명한 종래의 방법과 상이하다. 통상적으로 상기 결정립 미세화 원소로 고가의 합금 원소를 사용하므로 상대적으로 제조 비용이 저렴하다.
또한, 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법은 액상선 직상의 온도에서 이루어지고 금형이 아니라 용탕에 직접 초음파를 인가한다는 점에서 도 1의 (b)를 참조로 설명한 종래의 방법과도 상이하다. 금형 전체에 초음파 진동을 가하지 아니하므로 상대적으로 설비의 고장율이 낮아 유지 보수가 용이하다.
본 발명에 따른 결정립 미세화 방법은 주조로, 보온로, 전처리로 등을 포함해 합금이 용해 상태로 있는 모든 종류의 용해로 이후의 과정에 적용될 수 있는 바, 도 3에는 그 일 예로 본 발명에 따른 초음파 인가 장치가 구비된 저압 주조장치가 도시되어 있다.
저압 주조장치(10)는 메인 프레임의 중앙에 주조 금형(11)이 설치되고, 메인 프레임의 일측에서 투입되는 용탕(12)은 주입 개폐구(13)를 통해 상기 주조 금형(11) 내로 주입된다. 용탕(12)의 주입 속도 및 압력은 공기 가압기(15)에 의해 조절되고, 용탕(12)의 주입 온도는 히터(14)에 의해 조절된다.
또한, 메인 프레임의 중앙부에는 초음파 발진기(16)와 결합된 초음파 가진 봉(17)이 용탕(12)에 직접 침전되도록 설치되고, 이 초음파 가진봉(17)은 주조 금형(11)에 주입되기 직전에 용탕(12)에 초음파를 인가할 수 있도록 해준다. 제어부(20)는 냉각 제어라인(18)과 초음파 제어라인(19)이 별도로 연결되어 용탕(12)의 온도 조절 및 초음파 인가 여부를 제어한다.
이와 같이 구성된 저압 주조장치(10)에 따르면, 용탕(12)이 주조장치 내부로주입되는 과정에서 상기 초음파 가진봉(17)에 의해 용탕(12) 내에 초음파가 직접 인가됨으로써 공동현상에 의해 결정핵이 다수 생성된 다음 곧바로 주조 금형(11)으로 주입되어 응고된다.
도 4에는 본 발명에 따른 합금의 조성과 이에 따른 상변태 조건이 도시되어 있다.
본 발명은 엔진부품용 합금을 주 대상으로 하는 바, 이 용도로 많이 사용되고 있는 합금은 실리콘이 2 ~ 20중량% 포함된 알루미늄 합금이다. 엔진부품용 알루미늄 합금에는 기계적 물성을 충족시키기 위하여 실리콘 이외에도 구리, 철, 마그네슘, 망간, 아연, 니켈, 주석, 티타늄, 크롬 등의 여러 가지 합금 원소가 포함될 수 있다. 그러나, 실리콘이 엔진부품용 알루미늄 합금의 물성을 결정하는 가장 중요한 합금원소이고, 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법도 실리콘 함량에 따라 그 조건이 달라지므로, 이하에서는 알루미늄-실리콘 이원 상태도(도 4)를 참조로 본 발명의 기술구성을 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 엔진부품용 알루미늄 실리콘 합금은 도 4에 도시된 바와 같이 실리콘 함량이 12.6중량%일 때 공정 상변태(Eutectic Phase Transformation)가 일어난다.
본 발명의 기술적 특징은 액상선 직상의 온도 범위에서 초음파를 인가하는 것이므로, 초음파 인가를 통해 결정핵 생성이 가능한 온도 범위를 규정할 필요가 있다. 상기한 바와 같이 실리콘 함량이 12.6중량%일 때 공정 상변태가 일어나므로 본 발명에 따른 초음파 인가 온도 범위도 공정 조성 전, 후로 구분하여 별도로 규정하는 것이 바람직하다.
먼저, 공정 조성보다 낮은 아공정(Hypo Eutectic) 조성 범위인 실리콘 2 ~ 12중량% 포함된 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에는 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 660℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키도록 구성된다.
아공정 조성 범위에서 페라이트 생성 유도 원소인 실리콘 함량이 2중량% 미만인 경우에는 조직이 조대해져 엔진부품용 소재로 사용하기 어렵다. 반면, 실리콘 함량이 12중량%를 초과하는 경우에는 과공정 조성 범위가 되므로 아래에서 별도로 규정한다. 따라서 본 발명에 따른 아공정 알루미늄 실리콘 합금 조성은 실리콘 2 ~ 12 중량%로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 아공정 조성 범위에서 응고 시작온도(액상선)는 실리콘이 2중량% 포함된 조성에서 약 650℃로 가장 높고, 실리콘이 12중량% 포함된 조성에서 약 580℃로 가장 낮다. 이러한 상태도를 고려할 때, 아공정 조성 범위인 실리콘 2 ~ 12중량%에서는 액상선 직상 온도를 600 ~ 660℃로 하여 초음파를 인가하는 것이 바람직하다.
액상선 직상이라 하더라도 온도가 600℃ 미만이 되면 액상에서 결정핵을 생성시키는 구동력이 너무 약해 결정립 미세화 효과가 미미하고, 액상선 직상이라 하더라도 온도가 660℃를 초과하면 결정핵이 생성되더라도 응고되기 전에 소멸되어 버려 응고핵으로 작용하지 못한다.
다음으로, 공정 조성보다 높은 과공정(Hyper Eutectic) 조성 범위인 실리콘 13 ~ 20중량% 포함된 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에는 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 690℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키도록 구성된다.
과공정 조성 범위에서 실리콘 함량이 20중량%를 초과하는 경우에는 과 고용경화로 인해 재료가 취약해지므로 엔진부품용 소재로 사용하기 어렵다. 또한, 실리콘 함량이 13중량% 미만인 경우에는 상술한 아공정 범위에서 규정하였으므로, 본 발명에 따른 과공정 알루미늄 실리콘 합금 조성은 실리콘 13 ~ 20중량%로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 과공정 조성 범위에서 응고 시작온도(액상선)는 실리콘이 13중량% 포함된 조성에서 약 580℃로 가장 낮고, 실리콘이 20중량% 포함된 조성에서 약 680℃로 가장 높다. 이러한 상태도를 고려할 때, 과공정 조성 범위인 실리콘 13 ~ 20중량%에서는 액상선 직상 온도를 600 ~ 690℃로 하여 초음파를 인가하는 것이 바람직하다.
액상선 직상이라 하더라도 온도가 600℃ 미만이 되면 액상에서 결정핵을 생성시키는 구동력이 너무 약해 결정립 미세화의 효과가 미미하고, 액상선 직상이라 하더라도 온도가 690℃를 초과하면 결정핵이 생성되더라도 응고되기 전에 소멸되어 버려 응고핵으로 작용하지 못한다는 점은 상기 아공정 온도 범위의 임계적 의의와 동일하다.
한편, 본 발명에 따르면 아공정 또는 과공정 조성 범위에 상관없이 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 초음파 가진봉을 직접 침전시킨 다음 10 ~ 30분 동안 초음파를 인가하는 것이 바람직하다. 초음파의 인가 시간이 10분 미만이면 공동현상이 충분히 일어나지 못해 결정립 미세화에 기여할 만한 양의 결정핵이 생성되지 못하고, 초음파의 인가 시간이 30분을 초과하면 결정핵 생성 효과가 포화되므로 시간 및 비용만 증가하게 된다.
본 발명에 따른 결정립 미세화 방법의 효과를 알아보기 위해 다음과 같은 실험을 실시하였다. 먼저, 2가지 종류의 알루미늄 실리콘 합금을 사용하였는 바, 그 구체적인 조성은 하기 표 1과 같다.
구리 실리콘 철 마그네슘 망간 아연 니켈 주석 납 티타늄 크롬 알루미늄
실시예1(A319) 2.0 ~ 4.0 5.0 ~ 7.0 1.0 이하 0.5 이하 0.5 이하 1.0 이하 0.35 이하 0.1 이하 0.2 이하 0.2 이하 잔부
실시예2 (A390) 4.0 ~ 5.0 16.0 ~ 18.0 1.0 이하 0.50 ~ 0.65 0.5 이하 1.5 이하 0.1 이하 0.2 이하 잔부
아공정 조성 범위의 대표적인 알루미늄 실리콘 합금인 실시예1(A319)을 가지고 도 3에 도시된 저압 주조장치를 이용하여 초음파 인가 처리를 하였다. 초음파 인가를 위해 용탕은 10 ~ 20kg 정도 사용하고, 인가한 초음파의 출력을 2 ~ 5KW 범위에서 변화시키며, 인가한 초음파의 주파수를 15 ~ 30KHz 범위에서 변화시켜 가면서 다양한 응고편을 제조한 후 이를 485℃ 온도에서 소둔 처리한 다음 입자 간격(SDAS: Secondary Dendrite Arm Spacing), 인장강도, 항복강도, 연신율을 각각 측정하였는 바, 그 평균 측정값은 하기 표 2와 같다.
항목 초음파 인가 전 초음파 인가 후
SDAS(㎛) 54 34
인장강도(MPa) 190 252
항복강도(MPa) 146 165
연신율(%) 1.61 3.23
상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 본 발명에 따라 초음파 인가 처리를 한 실시예1의 경우 초음파 처리 전보다 제2차 수지상 간격(SDAS)이 약 40% 가까이 감소되었고, 그 결과 강도 및 연신율도 더욱 증가되었음을 알 수 있다.
다음으로, 과공정 조성 범위의 대표적인 알루미늄 실리콘 합금인 실시예2(A390)를 사용하여 실시예1과 동일한 조건으로 초음파 인가 처리를 하였는 바, 도 5 내지 도 7에는 그 조직 사진이 게시되어 있다.
도 5의 (a)는 초음파 인가 무처리, (b)는 초음파 인가 1분 처리, (c)는 초음파 인가 3분, 도 6의 (d)는 초음파 인가 5분 처리, (e)는 초음파 인가 10분 처리, (f)는 초음파 인가 20분 처리 후 각각의 응고편 조직을 촬영한 것이다.
도 5 및 도 6에서 보듯이 초음파 인가 처리 시간이 증가함에 따라 초정 실리콘(A, 도 4에서 β로 표시)의 크기가 작아지고, 기지 조직의 결정립도 점차 미세화된다. 이러한 결정립 미세화는 합금의 기계적 물성, 특히 내마모성을 크게 향상시킨다.
도 7에는 본 발명에 따른 초음파 인가 처리 전, 후에 있어서 합금의 기계적 물성에 악영향을 미치는 금속간 화합물(제2상 입자)의 크기 변화가 잘 나타나 있다. 도 7의 (a)에서 보듯이 초음파 인가 처리 전에는 금속간 화합물인 Al(FeMnSi)(B), Al2Cu(C)의 크기가 조대하였으나, 10분간 초음파 인가 처리된 후에는 도 7의 (b)에서 보듯이 상기 금속간 화합물이 기지 조직 내에 균일하게 분산되고 그 크기도 거의 1/10 정도 감소되었다. 이러한 제2상 입자의 분포의 균일성과 크기의 감소는 합금 소재의 강성을 증대시켜준다.
도 5 내지 도 7에 게시된 조직 사진의 결과를 초음파 인가 처리 전, 후로 나누어 나타내면 하기 표 3과 같다.
항목 초음파 인가 전(㎛) 초음파 인가 후(㎛)
초정 실리콘(A) 50 ~ 60 10 ~ 15
Al(FeMnSi)(B) 60 ~ 80 10 ~ 20
Al2Cu(C) 60 ~ 100 6 ~ 10
상기 표 3에서 보듯이, 본 발명은 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 초음파를 직접 인가 처리함으로써 초정 실리콘, 제2상 입자, 기지 조직의 결정립이 모두 미세화되고, 그 결과 인장 강도 등 합금의 기계적 물성이 크게 향상된다.
도 1은 종래의 결정립 미세화 방법을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법을 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 결정립 미세화 장치의 일 예를 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 결정립 미세화 방법을 나타낸 상태도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 결정립 미세화 효과를 나타낸 조직 사진.
도 7은 본 발명에 따른 제2상 입자의 미세화 효과를 나타낸 조직 사진.
※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10: 저압 주조기 11: 주조 금형
12: 용탕 13: 주입 개폐구
14: 히터 15: 공기 가압기
16: 초음파 발진기 17: 초음파 가진봉
18: 냉각 제어라인 19: 초음파 제어라인
20: 제어부

Claims (3)

  1. 실리콘이 2 ~ 12중량% 포함된 아공정(Hypo Eutectic) 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 660℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키는 것을 특징으로 하는 엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법.
  2. 실리콘이 13 ~ 20중량% 포함된 과공정(Hyper Eutectic) 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 액상선(Liquidus line) 직상의 온도인 600 ~ 690℃ 온도 범위에서 초음파를 직접 인가한 후 응고시키는 것을 특징으로 하는 엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄 실리콘 합금의 용탕에 초음파 가진봉(17)을 직접 침전시킨 다음 10 ~ 30분 동안 초음파를 인가하는 것을 특징으로 하는 엔진부품용 합금의 결정립 미세화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101595744B1 (ko) 2015-04-23 2016-02-19 주식회사 디알액시온 초음파를 이용한 알루미늄 용탕의 수소농도 저하 및 입자미세화 동시처리방법과 그에 따른 장치
CN114687811A (zh) * 2022-02-21 2022-07-01 北京航空材料研究院股份有限公司 一种钛铝合金涡轮及其制备方法

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