KR20100094856A - 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄합금으로 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조 시 발생될 수 있는 핀홀을 제거하여 고품질의 제품을 생산할 수 있는 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, AC4C 알루미늄합금을 사용하여 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조하는 방법에 있어서, AC4C 알루미늄합금을 790~810℃의 온도로 용해하여 용탕을 제조하는 단계, 상기 용탕에 Ar가스를 3~7분 동안 주입하여 상기 용탕을 탈가스 처리한 후, Ar가스와 플럭스(Flux)를 상기 용탕 내에 주입하면서 모터에 의해 임펠러를 회전시켜 거품을 발생시키는 GBF장치로 5~15분 동안 상기 용탕에 추가적인 탈가스 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

알루미늄합금, 용탕, 플럭스, 탈가스, 주조

Description

자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법{Casting method of engine bracket and compressor case for automobile}

본 발명은 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄합금으로 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조 시 발생될 수 있는 핀홀을 제거하여 고품질의 제품을 생산할 수 있는 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법에 관한 것이다.

근래에는 산업이 발전하면서 일상생활 용품에서부터 항공기, 자동차까지 모든 부분에서 가볍고 단단한 제품을 선호하고 있다.

일반적으로 금속으로 제조되던 제품 및 부품들이 금속보다는 가볍고 단단한 재질의 재료들로 빠르게 대체되고 있는 실정이다. 이러한, 재질의 재료들 중 대표적인 것으로 알루미늄합금을 들 수 있다. 알루미늄합금은 알루미늄을 주성분으로 구리, 망간, 규소, 마그네슘, 아연 등 제품이 요구되는 성질이나 용도에 맞게 적정 양을 섞어 녹여 합금으로 제조한 것이다.

알루미늄합금의 가공 방법으로는 금속의 가공방법과 동일하게 단조나 절삭 또는 주조의 방법으로 가공되며, 이 방법들 중 복잡하고 다양한 형상의 제품을 대 양 생산할 수 있는 주조가 많이 사용되고 있다.

알루미늄합금의 주조방법으로는 다이캐스팅(die casting), 중력주조, 저압주조, 사형주조 등이 있다.

상기한 주조방법들은 대부분 소정 형상의 공동(cavity)이 형성된 금형에 용융된 알루미늄합금을 압력 또는 중력의 힘으로 주입하여 응고시켜 제품을 생산하는 방법이다.

이러한 주조방법들은 알루미늄합금이 용해된 상태에서의 보관온도, 불순물의 함유량, 금형의 형상 및 작업공정 등 제조되는 제품에 따라 그 제품에 맞도록 모든 조건이 일정 조건을 만족해야만 불량이 없는 제품을 생산할 수 있다.

상기한 조건 중 제품 불량을 발생하는 가장 큰 원인이 되는 것은 불순물의 함유량이다. 주조 시 불순물이 첨가되면 제품의 경도가 낮아지거나 외관 불량이 발생하게 된다. 특히, 불순물 중 수소는 제품 내부에 핀홀이라 일컫는 기공을 형성하여 외관 불량 및 제품의 경도 하락시키는 주된 요인이다.

예를 들면, 엔진을 차체에 장착하는 차량용 엔진브라켓이나 차량용 컴프레서 케이스에 핀홀이 발생된 경우 경도가 낮아져 외력으로 인해 크랙이 발생하여 파손될 수 있다. 만약 상기 엔진브라켓이나 컴프레서 케이스가 파손되면, 엔진이 차체에서 분리되거나, 컴프레서를 사용하는 브레이크가 작동하지 않아 더 큰 사고를 유발할 수 있다.

따라서, 종래에는 핀홀의 원인이 되는 수소를 제거하기 위해 용해된 알루미늄합금에 Ar가스로 탈가스 처리하였다.

하지만, Ar가스로 수소를 탈가스 처리하였음에도 주조 시 여러 경로를 통하여 수소가 유입되어 도 19의 종래의 자동차용 컴프레서 케이스의 일례와 같이 핀홀의 발생되어 제품 불량률이 30~40%되기 때문에 생산성이 하락되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법을 정형화하여 불량률을 낮춤으로써, 생산성을 향상시킬 수 있는 주조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, AC4C 알루미늄합금을 사용하여 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조하는 방법에 있어서, AC4C 알루미늄합금을 790~810℃의 온도로 용해하여 용탕을 제조하는 단계, 상기 용탕에 Ar가스를 3~7분 동안 주입하여 상기 용탕을 탈가스 처리한 후, Ar가스와 플럭스(Flux) 상기 용탕 내에 주입하면서 모터에 의해 임펠러를 회전시켜 (거품을 발생) 탈가스 효과를 증대시키는 GBF장치로 5~15분 동안 상기 용탕에 추가적인 탈가스 처리하는 단계, 상기 탈가스 처리된 용탕을 700~740℃로 유지하면서 금형에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 용탕을 제조하는 단계에서 AC4C 알루미늄합금을 용해할 때 Al-10wt%Sr 개량화재와 Al-5wt%Ti-B 미세화재는 첨가되지 않는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 상기 GBF 장치의 설정 조건은, 플럭스 주입 압력: 0.1~0.2 kg/㎠, Ar 가스 주입 압력: 4~5 kg/㎠, 모터 회전속도: 1,100~1,300 rpm인 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명에 의하면 주조에 사용되는 용탕에 충분한 탈가스처리와 장입온도 및 최적의 주조 공정을 정형화 함으로써, 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 불량률을 낮춰 생산성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.

알루미늄은 주조 시에 알루미늄의 수축 또는 용탕 내에 잔존하는 가스에 의해 기공이 발생한다. 이러한 기공은 핀홀을 생성하여 주물의 연성과 표면경도에 손상을 줄 수 있다. 따라서, 핀홀이 발생되는 원인을 분석하고 용해된 용탕의 불순물을 제거하는 것이 중요하다.

또한, 알루미늄 용탕의 수소는 용융된 알루미늄에서 고용도를 보이는 유일한 가스이다. 수소는 용탕 내에서 쉽게 분해되며 대기 중에도 풍부하기 때문에 용융 된 알루미늄은 수소를 함유한다. 그러나, 수소는 핀홀을 유발시키는 주된 요소이고, 제거하기 어려운 불순물 이므로 수소의 제거해야만 제품의 불량률을 낮출 수 있다.

도 1은 대기압에서 온도에 따른 순수한 알루미늄의 수소 고용도를 나타낸 그래프이다. 가로축은 온도를 나타내고 세로축의 왼쪽은 수소 고용도를 오른쪽은 수소의 양을 나타낸다.

수소 고용도에 대하여 Opie와 Grant는 수학식 1과 같이 제안하였다.

여기서, 수소 고용도(S)는 표준온도와 압력 하에서 알루미늄 100g에 고용되어 있는 수소의 양을 ㎖로 나타낸 값이고 T는 켈빈(kelvin)온도이다.

도 1에서 보는 바와 같이 수소 고용도는 다음과 같은 3가지의 고유한 특성을 갖는다.

① 용융된 알루미늄에서의 수소 고용도는 온도 변화에 큰 영향을 받는다. 즉, 과열되면 고용된 수소량이 증가되며, 용융된 알루미늄의 온도가 110℃ 증가되면 수소의 고용도는 약 2배가 된다.

② 고체상태에서는 낮은 수소 고용도를 갖는다.

③ 용융점에서는 수소 고용도가 크게 변화한다.

상기와 같은 특성 때문에, 용융된 알루미늄이 응고 후 용융된 알루미늄에 고용되었던 많은 양의 수소가 응고된 후 고용되지 못하고 내부에 기공을 만든다. 이러한 기공이 주조품의 불량을 발생시킨다. 예를 들면, 수소 고용도가 약 0.7㎖ H₂/200g인 용융된 알루미늄이 과포화 상태로 응고되었을 때, 수소의 4~5%만이 응고된 알루미늄에 고용될 수 있고, 나머지는 주조작업 중에 배출하지 못하다면 고용되지 못한 수소가 다공(porosity)형태 즉, 핀홀을 형성하여 주조품의 불량을 발생시키게 된다.

알루미늄 용탕에 수소가 고용되는 원인은 다음과 같다.

(1) 수증기

용융된 알루미늄 용탕 내에 함유되는 대부분의 수소는 반응식 1과 같은 반응에 따라 용융된 알루미늄 표면에서 수증기와 접촉하여 유입된다.

반응식 1의 반응은 용융 알루미늄에 접촉하는 모든 수증기가 이 반응으로 분해되는 것으로 가정할 수 있다. 이 반응은 용융 알루미늄에서만 일어나고 산화물에서는 이루어지지 않는다. 만약 용탕 표면이 산화물로 덮여있다면 이 반응은 진행되지 않는다. 그러나 약 930℃ 이상에서는 산화층의 결정구조는 변화하게 되어 보호특성을 상실하게 된다. 이 온도는 일반적 주조온도 이상이지만 국부적인 표면온도가 이 이상이 되지 않도록 주의하여야 한다.

(2) 대기

대기는 수소가스 유입에 가장 중요한 근원이다. 예를 들어, 26℃ 65%의 상대습도에서 공기는 대략 16g/㎥의 수분을 지니게 된다. 이러한 대기조건은 일반적인 습한 대기 조건보다 낮은 수치이다. 따라서, 고온 다습한 조건에서는 수소가스가 용융 알루미늄에 유입될 수 있다.

(3) 플럭스(Flux)

일반적으로 주조용 플럭스는 친수성 염이며 이들은 대기 중에서 자연스럽게 수분을 유입할 수 있다. 만약 이러한 플럭스가 용탕에 첨가되면 용탕 내 잔류 수소 양이 크게 증가하게 된다. 따라서, 플럭스는 밀봉 포장하여 저장하거나 습기 제거를 위해 100℃ 이상으로 건조시킨다. 그러나 건조된 플럭스는 대부분 수분을 빠르게 재흡수하므로 건조 후 즉시 사용한다.

(4) 도가니

도가니는 항상 포어(Pore)에 수분을 많이 함유하므로 용해작업 중에 용탕에 다량의 수소 가스를 유입시킬 수 있다. 따라서, 도가니는 예열하여 사용한다.

(5) 내화물

도가니와 같은 내화물은 용탕에 수소를 유입한다. 이들의 영향을 완전히 제거하기 위해서는 많은 시간이 필요하며 다수 회 사용하여 수소를 제거한다.

(6) 주조용 공구

플런저(Plunger)와 용탕컵(ladle)과 같은 주조용 공구는 충분히 예열하지 않으면 수소를 유입할 수 있다. 따라서, 주조용 공구는 예열하여 사용한다.

(7) 장입재료

장입재료는 포어(pore)와 균열(crevice) 혹은 장입재 표면에 함유된 수분을 통해 수소를 유입할 수 있다. 이들은 수증기 이외의 다른 원인으로도 수소를 유입시킬 수 있다. 예를 들어 스크랩(Scrap)은 그리스(Grease)나 절단유체를 통해 수소를 유입할 수 있으며 이러한 오염물들은 연소를 통해 부분적으로 제거될 수는 있으나 완전한 제거는 어렵다. 부분적으로 부식된 알루미늄은 알루미늄 수화물을 반응식 2에 따라 분해함으로서, 수소를 유입할 수 있다.

상기와 같은 이유로 수소가 유입되는 것을 방지하기 위해서는 용탕 취급 시 주의를 해야 한다. 즉, 플럭스, 공구, 도가니, 장입재료를 건조시켜 가능한 수소의 유입을 방지한다. 용탕 표면에 생성되는 산화층은 수소의 유입을 방지하기 때문에 산화층이 파괴되지 않도록 주의한다. 용탕 주입은 낙하거리와 용탕 유동을 최소화하도록 주입한다. 또한 용탕이 과열되지 않도록 주의한다.

상기한 사항은 본 발명의 주조 작업 시 기본적으로 수행해야 될 사항이다.

본 발명은 AC4C 알루미늄합금으로 제조된 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법에 관한 것으로 AC4C 알루미늄합금은 알루미늄에 합금원소를 첨가한 것이다.

알루미늄합금은 합금원소에 의해 수소 고용도가 변화된다. 예를 들면, 합금원소 중 Si, Zn, Cu, Mn 등은 수소 고용도를 감소시키며, Mg, Ti, Ni, Li 등은 수소 고용도를 증가시킨다. 주조용 알루미늄 합금에서 가장 중요한 합금원소는 Si와 Cu이다.

표 1은 알루미늄합금의 Si 및 Cu 첨가 비율에 따라 수소 고용도의 변화를 나타낸 것이다.

표 1에서 보는 바와 같이 알루미늄합금에 Cu나 Si의 함유량이 증가함에 따라 수소 고용도가 감소됨을 알 수 있다.

도 2는 대기압에서 온도에 따른 순수한 알루미늄과 대표적 주조용 합금인 356알루미늄합금 및 319알루미늄합금의 수소 고용도를 나타낸 그래프이다. 가로축은 온도를 나타내고 세로축의 왼쪽은 수소 고용도를 오른쪽은 수소의 양을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 순수한 알루미늄은 356알루미늄합금 및 319알루미늄합금과는 수소 고용도가 다르지만 기본적인 그래프 형태는 동일하다. 도 2의 그래프는 합금원소가 고상의 고용도 상관관계와 액상 고용도의 온도 의존성을 변화시키지 않는다는 가정 하에 계산된 값이다.

알루미늄합금은 합금원소의 첨가로 인해 용융점이 낮아져 용융점에서는 순수한 알루미늄의 수소 고용도와 유사한 수소 고용도의 감소가 발생한다. 도 2에서 보는 바와 같이 알루미늄합금은 응고 시 용융된 알루미늄합금에 고용된 수소의 6~7%만을 고용할 수 있다. 이는 순수한 알루미늄이 고용할 수 있는 4~5%와 비슷한 수준을 유지하는 것이다.

따라서, 상기한 순수한 알루미늄과 마찬가지로 알루미늄합금에서도 수소 고용도는 문제가 된다. 주조용 알루미늄 합금의 수소 고용도는 합금의 종류와 온도에 따라 변화하지만 대략 0.6~1㎖ H2/100g 알루미늄이다. 그러나 실제로 알루미늄 용탕 내에 분해된 수소는 수소 고용도보다 낮은 값을 갖는다.

예를 들어, 재 용해된 알루미늄 합금은 알루미늄 100g당 약 0.2~0.3㎖의 수소를 함유한다. 알루미늄 합금에 수소가 고용되지 못하는 요소가 있음을 알 수 있다. 이는 알루미늄 합금이 용융된 용탕 표면에 형성되는 산화층이며, 이 산화층이 수소가 유입되지 못하도록 용탕을 보호하기 때문에 용탕 표면에 형성되어 있는 산화층이 파손되지 않도록 한다. 하지만, 재 용해된 알루미늄합금이라도 수소 고용도가 높은 수치이기 때문에 탈가스 처리를 해야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 AC4C 알루미늄합금은 Al과 Si계 합금에 Mg를 첨가한 합금으로 표 2을 만족하는 알루미늄합금이다.

표 2은 한국 산업규격인 KSD6008 알루미늄합금용 주물의 성분표이다.

먼저, 본 발명자는 용해 시 여러 가지 요인에 의해 미세 불순물이 혼입될 수 있으므로 실시예에 사용된 AC4C 알루미늄합금의 성분을 분광 분석기 및 현미경으로 분석하여 표 3 및 도 3, 도 4에 나타내었다.

표 3는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금의 성분 분석표이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 AC4C 알루미늄합금의 용해 전 괴(塊)상태의 미세조직을 확대한 현미경 사진이며, 도 4는 AC4C 알루미늄합금의 용해 후 응고된 미세조직을 확대한 현미경 사진이다.

표 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 사용된 AC4C 알루미늄합금의 샘플을 6개 채취하여 각 첨가된 원소의 평균을 분석하였다. 분석한 결과 본 발명의 AC4C 알루미늄합금의 성분은 표 2의 한국 산업규격에 만족하고, 핀홀 불량에 영향을 주는 다른 합금 원소는 혼입되지 않았다. 또한, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 알루미늄합금 외에 다른 합금 원소의 혼입이 되지 않음을 확인하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주조 방법의 개략 구성도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 주조 방법은 용탕 제조 단계, 탈가스 처리 단계 및 금형에 주입 단계로 구성된다.

상기 용탕 제조 단계는, AC4C 알루미늄합금을 도가니에 넣고 열로 용해하여 용탕을 제조하는 단계이다. 상기 용탕 제조 단계에서는 용탕을 용해하는 온도에 따라 수소 고용량이 변화되기 때문에 불량률을 낮추기 위해서는 용탕을 용해하는 온도의 설정이 중요하다. 용탕을 용해하는 온도의 설정은 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 AC4C 알루미늄합금의 수소 고용도를 나타낸 그래프로서, 가로축은 온도를 나타낸 것이고, 세로축은 알루미늄 합금 내에 고용되는 수소량을 Log값으로 변환한 것이다.

도 6에서 보는 바와 같이, AC4C 알루미늄합금 용탕의 온도는 알루미늄합금의 용융점을 중심으로 급격한 변화를 나타내며, 용탕의 온도가 올라갈수록 고용되는 수소가스 양이 배수로 증가하는 것을 알 수 있다. 용탕의 제조 시 불량률을 줄이기 위해서는 수소 고용도가 가장 낮은 온도에서 알루미늄합금을 용해하는 것이 좋다. 하지만, 실제 작업장에서는 용해 작업시간 및 금형 형상에 따른 용탕의 유동성 등 여러 가지의 변수로 가장 낮은 온도를 선정하기가 어렵다.

따라서, 본 발명에서는 수소 고용도가 비교적 낮고, AC4C 알루미늄합금이 완전 용해되는 790~810℃ 사이를 용해 온도로 설정하였다. 이 때의 수소 고용도는 도 6을 참조하면 1.0㎖/100g알루미늄 이하이다.

만약, AC4C 알루미늄합금의 용해 온도가 790℃미만이면 합금의 성분이 완전히 용해되지 못하여 불순물이 석출되고 새로운 알루미늄이 장입 될 경우 온도가 급격히 떨어져 용해된 알루미늄이 응고될 수 있고 또한　용해 후 각각의 독립된 다른 보호로에 용탕이 이송되어 보충 되어질 때 이송시간에 의해 용탕이 일정온도 이하로 내려 가서 계속적인 주조작업을 할 수 없게 된다.

그리고, AC4C 알루미늄합금의 용해 온도가 810℃초과하면 상기 용탕 내에 수소 고용도가 초기보다 높아져 핀홀이 발생한다. 생산원가가 높아지고 용탕 내의 수소 고용도를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 용탕을 제조하는 단계에서는 일반적으로 알루미늄합금의 주조 시 첨가되는 개량화재인 Al-10wt%Sr 및 입자 미세화재인 Al-5wt%Ti-B를 첨가하지 않는다. 상기 용탕 제조 시 상기 개량화재 및 입자 미세화재를 첨가하면 개량화재 및 미세화재의 첨가물 중 Sr(스토론튬)이나 Ti(티타늄)이 상기 용탕 내에서 수소 가스를 증가시켜 핀홀 발생을 유발 한다.

상기 개량화재 및 입자 미세화재의 첨가와 무첨가에 따른 효과를 도 7, 도 8 및 도 9에 나타내었다.

도 7, 도 8 및 도 9는 컴프레서 케이스로 종래에 핀홀 부위가 자주 발생되는 부분 3곳을 임의로 선정한 것이며, 각 도면의 왼쪽은 비교예 1을 오른쪽은 본 발명의 실시예를 나타내었고, 각 도면의 하부에는 컴프레서 케이스에 점선으로 표시된 핀홀발생 부위의 미세조직을 확대한 현미경 사진을 나타낸 것이다.

비교예 1은 실시예와 동일한 조건으로 제조되지만 상기 개량화재 및 입자 미세화재를 첨가한 것이다.

도 7, 도 8 및 도 9에 보는 바와 같이 각 도면의 실시예의 컴프레서 케이스와 비교예 1의 컴프레서 케이스를 비교하여 보면 실시예의 컴프레서 케이스가 비교예 1컴프레서 케이스보다 핀홀의 발생이 확연히 줄어든 것을 알 수 있다. 비교예 1과 실시예의 물리적인 특성에 있어서도 열처리 후 경도 값을 측정한 결과, 유사한 값이 측정되었다.

상기 탈가스 처리 단계는, 상기 용탕 내에 혼입된 불순물을 제거하는 단계이다. 상기 불순물 중 수소가 차지하는 비중이 대부분이고, 수소를 제거하는 것이 어렵기 때문에 상기 용탕 제조 단계에서부터 수소의 유입을 최소화 해야 한다.

본발명의 실시예에서는 Ar(아르곤)가스를 주입하여 탈가스 처리 후 GBF 장치로 재차 탈가스 처리를 한다. 일반적으로는 두 가지 중 한가지의 탈가스 처리를 하지만 본 발명은 두 가지를 병행하여 탈가스 처리하는 것을 특징으로 한다.

우선, 상기 용탕 내에 Ar가스를 3~7분 동안 주입하여 탈가스 처리를 한다. 만약, Ar가스를 3분 미만 주입할 경우에는 탈가스 처리가 미미하여 핀홀 불량이 발생되며, 7분 초과하여 주입할 경우에는 더 이상 탈가스 처리가 이루어지지 않아 탈가스 처리의 효율이 떨어진다.

이후, 상기 용탕 내에 GBF(gas bubbling filtration) 장치로 Ar가스 및 플럭스(Flux)를 함께 첨가하여 5~15분 동안 탈가스 처리를 추가적으로 진행한다.

도 10은 본 발명의 실시예에 사용된 GBF 장치이다. 상기 GBF 장치는 용탕 내에 위치하여 모터로 회전되는 임펠러(impeller)가 구비되고, Ar가스 및 플럭스(Flux)를 함께 용탕 내에 주입할 수 있는 장치이다.

상기 GBF 장치는 용탕 내에 주입되는 Ar가스와 플럭스가 수소가스, 수분 및 불순물과 더 많이 접촉하도록 용탕을 휘저어 거품을 생성해 탈가스 처리의 효율을 높인다.

만약, 상기 GBF 장치로 탈가스 처리를 5분 미만하면 탈가스 처리가 미미하여 핀홀 불량이 개선되지 않으며, 15분 초과하면 임펠러의 회전으로 용탕의 온도가 내려가 주조 시 미성형 불량이 발생된다.

본 발명의 탈가스 처리시 상기 GBF 장치의 설정조건은 플럭스의 주입 압력은 0.1~0.2kg/㎠이고, Ar가스 주입 압력은 4~5kg/㎠이며, 임펠러를 회전시키는 모터의 회전속도는 1100~1300rpm 이다.

만약, 상기 GBF 장치의 설정조건 중 플럭스 주입 압력이 0.1kg/㎠미만이면 소량의 플럭스가 주입되어 불순물 처리가 미미하고, 0.2kg/㎠초과이면 많은 양의 플럭스가 투입되어 불순물과 반응하지 못하고 외부로 유출된다.

그리고, 상기 GBF 장치의 설정조건 중 Ar가스 주입 압력이 4kg/㎠미만이면 주입 압력이 낮아 탈가스 처리가 미미하고, 5kg/㎠초과이면 많은 양의 Ar가스가 탈가스 처리를 하지 못하고 외부로 유출된다.

또한, 상기 GBF 장치의 설정조건 중 임펠러를 회전시키는 모터의 회전속도가 1100rpm미만이면 거품을 발생시키지 못해 탈가스 처리가 미미하고, 1300rpm초과이면 용탕의 온도가 낮아진다.

아울러, 탈가스 처리 단계에서는 작업장의 온도나 습도 등 여러 작업환경에 의해 변화되는 용탕의 온도 및 탈가스 처리 조건을 조절하기 위하여, 감압응고장치를 사용한다. 도 11은 본 발명의 실시예에 사용된 감압응고장치이다.

상기 감압응고장치는 용탕의 탈가스 처리 후 샘플을 채취하여 압력을 낮춰 응고시키는 장치이다. 실시예에서는 감압응고장치로 주기적으로 샘플 단면의 핀홀 발생 여부를 확인하여 탈가스 처리 조건을 조절한다.

도 12는 탈가스 처리 조건을 다양하게 설정하여 감압응고장치로 샘플을 채취한 다양한 샘플 단면을 나타낸다. 도 12에서 보는 바와 같이 탈가스 처리 조건에 따라 핀홀의 크기가 달라진다.

상기한 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리에 따른 효과를 도 13, 도 14 및 도 15에 나타내었다.

도 13 내지 도 15은 압력을 낮춰 응고시키는 감압응고장치로 각 조건에 따라 탈가스 처리 후 샘플을 제작하여 단면 및 미세조직을 비교하였다.

도 13는 본 발명의 실시예와 비교예 2의 샘플 상면 및 단면을 비교한 것이다.

비교예 2는 실시예의 모든 조건은 동일하고, 다만 탈가스 처리 시 Ar가스만 4~5분 주입하고, GBF장치를 사용하지 않았으며, 실시예에서는 Ar가스로 3~7분 탈가스 처리 후 GBF장치로 10~15분 추가적으로 탈가스 처리를 한 것이다.

도 13의 왼쪽은 비교예 2이고, 오른쪽은 실시예이며 각 하단은 그 단면을 나타낸 것이다. 도 14는 도 13의 비교예 2의 샘플 단면의 미세조직을 확대한 현미경 사진이고, 도 15은 도 13의 실시예의 샘플단면의 미세조직을 확대한 현미경 사진이다.

도 13에서 보는 바와 같이, Ar가스로만 탈가스 처리한 비교예 2의 샘플은 상부 표면이 거칠고, 단면에서 군데군데 핀홀이 발생한다. 하지만, 실시예의 샘플은 비교예 2 보다 상부 표면이 고르고, 단면에 핀홀이 거의 발생되지 않는다. 따라서, Ar가스로만 탈가스 처리한 비교예 2 보다 Ar가스와 GBF 장치를 병행하여 탈가스 처리한 실시예가 수소가스 제거 효율이 높음을 확연히 알 수 있다.

더욱이, 도 14과 도 15의 미세조직을 확대한 현미경 사진에서도 비교예 2는 핀홀의 원인이 되는 핀홀이 넓게 다양 분포하고 있지만, 실시예에서는 핀홀이 비교예 2에 비해 극소량만 존재한다. 즉, 비교예 2는 전체적으로 30%정도의 핀홀이 발생하지만 실시예에서는 전체적으로 5%정도로 감소하며, 전체적인 핀홀의 크기도 비교예 2에서 평균 30㎛였던 것이 실시예에서는 10㎛이하로 작아지는 것을 확인 할 수 있다.

도 16a, 16b 및 16c는 상기 비교예 2와 실시예를 비교한 것으로, 실시예에서의 GBF 장치의 탈가스 처리 시간에 따른 샘플을 채취하여 감압응고장치로 응고시켜 단면을 비교한 것이고, 각 샘플에 염색침투 탐상법으로 시인성을 확보하였다.

도 16a는 비교예 2의 샘플 단면이고, 도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리 조건 중 GBF 장치로 5분 동안 탈가스 처리한 샘플 단면이며, 도 16c는 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리 조건 중 GBF 장치로 10분 동안 탈가스 처리한 샘플 단면이다.

도 16a 내지 16c에서 보는 바와 같이 Ar가스로만 탈가스 처리한 비교예 2는 핀홀이 다수 발생하였으며, Ar가스로 탈가스 처리한 후 GBF 장치로 탈가스 처리한 실시예에서는 거의 핀홀이 발생하지 않았으며, GBF 장치로 5분 탈가스 처리한 실시예보다 GBF 장치로 10분 탈가스 처리한 실시예에서 핀홀이 훨씬 더 적게 발생하였음을 알 수 있다.

상기 금형 주입 단계는, 상기 탈가스 처리된 용탕을 금형에 주입하는 단계로서, 금형에 주입되는 온도에 따라 핀홀 발생 및 미성형 불량이 발생되기 때문에 주입 온도 설정이 이 단계에서는 가장 중요하다. 본 발명자는 도 6의 수소 고용도 그래프를 참조하여 용탕이 금형 내에서 미성형이 발생되지 않도록 용탕의 유동성을 고려하여 700~740℃ 사이에 주입 온도를 설정하였다. 이 때의 수소 고용도는 0.7㎖/100g 알루미늄이다.

만약, 금형 주입시 온도가 700℃미만일 경우에는 용탕의 유동성이 좋지 않아 미성형 불량이 발생하고, 740℃초과일 경우에는 수소 고용도가 높아 핀홀 불량을 발생한다.

또한, 상기 주입 단계는 용탕 뜨기, 용탕 이송과 용탕 주입 공정으로 나눌 수 있다.

상기 용탕 뜨기 공정은 용탕을 뜰 때 용탕을 뜨는 용탕컵이 예열되어 있어야 하며, 용탕 표면의 산화층이 파괴되지 않고, 상기 용탕컵에는 일정양이 담겨지도록 용탕을 뜬다. 이 용탕컵은 용탕을 담을 수 있는 최대 높이를 설정하여 사용한다. 실시예에서의 용탕컵은 최대 5kg 담기고 이동 중에 넘치지 않도록 3cm이상의 높이 여유를 갖도록 설계하였다.

상기 용탕 이송 공정은 용탕 이송시 동일한 이송속도로 금형 주입구까지의 이송시간을 가능한한 짧게 유지하도록 한다. 이때, 작업자의 이동통로를 확보하여 작업자의 안전을 확보한다.

상기 용탕 주입 공정은 용탕 주입시 용탕이 유동되지 않도록 동일한 속도로 금형에 주입해야 한다. 만약, 용탕 주입시 유동이 되면 용탕의 온도구배에 의해 금형 내에서 국부적인 응고 수축이 일어나고, 수소가스의 유입이 증가하게 되어 핀홀이 발생된다.

도 17는 본 발명의 실시예에 따른 주조방법으로 제조된 엔진브라켓이고, 도 18는 본 발명의 실시예에 따른 주조방법으로 제조된 컴프레서 케이스이다.

도 17 및 도 18에서 보는 바와 같이 상기한 본 발명의 실시예에 따른 주조방법으로 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조하면, 핀홀이 발생되지 않는 우수한 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 생산할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 순수한 알루미늄의 수소 고용도를 나타낸 그래프이다.

도 2는 알루미늄합금의 수소 고용도를 나타낸 그래프이다.

도 3은 AC4C 알루미늄합금의 용해 전 괴상태의 미세조직 현미경 사진이다.

도 4는 AC4C 알루미늄합금의 용해 후 응고상태의 미세조직 현미경 사진이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 주조방법의 개략 구성도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 사용된 AC4C 알루미늄합금의 수소 고용도를 나타낸 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예 1의 컴프레서 케이스의 미세조직 현미경 사진이다.

도 8은 도 7의 컴프레서 케이스의 다른 부분 미세조직 현미경 사진이다.

도 9는 도 8의 컴프레서 케이스의 또 다른 부분 미세조직 현미경 사진이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리를 하는 GBF 장치이다.

도 11은 본 발명의 실시예에 따른 용탕의 샘플을 채취하는 감압응고장치이다.

도 12는 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리 조건에 따라 변화된 다양한 용탕 샘플 단면이다.

도 13은 본 발명의 실시예와 비교예 2의 용탕 샘플을 비교한 것이다.

도 14는 도 13의 비교예 2의 용탕 샘플 단면의 미세조직 현미경 사진이다.

도 15는 도 13의 본 발명의 실시예에 따른 용탕 샘플 단면의 미세조직 현미 경 사진이다.

도 16a는 Ar가스로만 탈가스 처리한 비교예 2의 용탕 샘플 단면이다.

도 16b는 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리 조건 중 GBF 장치로 5분 탈가스 처리한 용탕 샘플 단면이다.

도 16c는 본 발명의 실시예에 따른 탈가스 처리 조건 중 GBF 장치로 10분 탈가스 처리한 용탕 샘플 단면이다.

도 17는 본 발명의 실시예에 따른 주조방법으로 제조된 엔진브라켓이다.

도 18은 본 발명의 실시예에 따른 주조방법으로 제조된 컴프레서 케이스이다.

도 19은 종래의 핀홀 불량이 발생된 컴프레서 케이스이다.

Claims (3)

1. AC4C 알루미늄합금을 사용하여 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스를 주조하는 방법에 있어서,

   AC4C 알루미늄합금을 790~810℃의 온도로 용해하여 용탕을 제조하는 단계,

   상기 용탕에 Ar가스를 3~7분 동안 주입하여 상기 용탕을 탈가스 처리한 후 Ar가스와 플럭스(Flux) 상기 용탕 내에 주입하면서 모터에 의해 임펠러를 회전시켜 거품을 발생시키는 GBF장치로 5~15분 동안 상기 용탕에 추가적인 탈가스 처리하는 단계,

   상기 탈가스 처리된 용탕을 700~740℃로 유지하면서 금형에 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용탕을 제조하는 단계에서 AC4C 알루미늄합금을 용해할 때 Al-10wt%Sr 개량화재와 Al-5wt%Ti-B 미세화재는 첨가되지 않는 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 GBF 장치의 설정 조건은,

   플럭스 주입 압력: 0.1~0.2 kg/㎠,

   Ar 가스 주입 압력: 4~5 kg/㎠,

   모터 회전속도: 1,100~1,300 rpm

   인 것을 특징으로 하는 자동차용 엔진브라켓 및 컴프레서 케이스의 주조방법.

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