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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.17 No.2 pp.89-94
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2018.17.2.089

Effects of Parameters on Abrasion-Resistant Layer of Composite Structure Formed by Evaporation Pattern Casting

Chang-Young Choi*, Nam-Gyu Mo*, Gun-ho Kim*, Jong-Cheon Yoon*, Yu-Hyun Jung*, Dong-Hyuk Kim*, Yong-Jin Choi*, In-Kyu Lee*, Yong-Jae Cho*#
*Extreme fabrication technology R&D group, Korea Institute of Industrial Technology
Corresponding Author : easycast@kitech.re.kr Tel: +82-53-580-0137, Fax: +82-53-580-0130
12/03/2018 15/03/2018 19/03/2018

Abstract


Due to industrial advancement and environmental concerns, there is a demand for light-weight material parts with high-performance characteristics. In order to meet this demand, various studies have been conducted on developing high-performance castings to achieve composite features by coating only specific parts that require high performance, with dissimilar joining, rather than coating the entire material part. This study analyzed the possibility of forming a local composite layer on an aluminum alloy through evaporation pattern casting, and the effects of parameters on the aluminum alloy.



소실모형주조법에 의한 내마모 복합조직층 형성에 미치는 공정인자의 영향

최 창영*, 모 남규*, 김 건호*, 윤 종천*, 정 유현*, 김 동혁*, 최 용진*, 이 인규*, 조 용재*#
*한국생산기술연구원 극한가공기술그룹

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    최근 세계적으로 알루미늄합금을 생산하는 주조 품 양산 업체들이 많이 늘고 있다. 이는 대기오염 과 같은 환경문제의 부각으로 인해 선진국들을 중 심으로 환경오염에 대한 규제가 강화되면서 소재부 품의 경량화가 요구되기 때문이다[1-4]. 경량화가 요 구되는 자동차부품을 필두로 선박, 휴대폰, 항공, 우주선등 다양한 부품에 알루미늄합금이 사용되고 있다[2]. 이러한 산업의 고도화에 따라 세계적으로 알루미늄합금의 고기능, 고특성화에 대한 연구가 진행되고 있으며[4-5], 다양한 공정을 이용한 개발이 진행되고 있다.

    이러한 공정 중 소실모형주조(Evaporation Pattern Casting)법은 발포폴리스티렌(Expanded Polystyrene)을 주물사에 넣은 후 용탕주입을 하여 용탕의 열로 모형을 휘발시켜 제거하면서 용탕이 응고되는 방법[5-8]이며 복잡한 형상을 가진 산업용

    주물 등 복합조직을 형성하여 내마모성을 증대하기 위한 연구가 수행되고 있다[1,6]. 소실모형주조법은 주조공정이 간소할 뿐만 아니라 주형의 중자 (Core)를 사용하지 않고 복잡한 내면을 생성할 수 있기 때문에 생산비용을 줄일 수 있는 장점이 있 다[2-5]. 그러나 소실모형주조에 영향을 미치는 주요 인자와 최적 조건에 대한 연구는 아직 미미한 실정 이다[5].

    따라서 본 연구에서는 소실모형주조법을 통한 국 부적인 표면 복합조직 층 적용가능성 검토를 위해 A356 주조용 알루미늄과 마르텐사이트 스틸볼을 사용하여 용탕의 온도, 감압력, 스틸볼의 크기에 따 른 용탕의 침투로 인해 형성되는 복합조직 층에 대 해 연구하였고 미세조직 관찰과 내마모성 측정을 통해 복합조직 층에 영향을 미치는 주요 인자에 대 해 조사하였다.

    2. 실험방법

    Fig. 1은 소실모형주조법을 이용하여 용탕의 주 입온도 및 진공압력에 따른 복합조직 층 형성을 위한 모식도를 나타낸 것이다.

    발포 폴리스틸렌을 Band Saw로 절단하여 모형 (Fig. 2)을 제작한 뒤, 모형에 흑연 도형제를 도포 하였으며, 이때 내마모 복합조직 층을 형성시키기 위한 면에는 흑연 도형제를 도포하지 않았으며, 주조 공정 변수에 따른 용탕의 침투 깊이 및 복합 조직 층을 분석하였다. Table 1

    흑연 도형제를 도포한 모형은 Fig.1에 나타난 모식도처럼 일반 규사 대신 스틸볼을 주형에 채운 후 모형을 묻고, 폴리비닐을 주형 상부에 덮어, 고 무밴드로 밀봉 처리하였고 감압조절이 가능하도록 설계하였다.

    용해는 50 kg 전기저항로를 이용하여 알루미늄 합금(A356)을 용해하였으며, 750 °C에서 G.B.F(Gas Bubbling Filteration)에 고순도 아르곤 (99.999%)을 이용하여 20분간 탈가스처리 하였고, 20분간 용탕을 진정시킨 후 Table 2에 나타낸 주 입온도, 감압조건, 스틸볼 크기를 변수로 하여 각 각 주조하였다.

    이후 각 복합조직 층에 대해 광학현미경 및 FE-SEM(SU-8020)으로 조직을 관찰하였으며, EDS 를 이용하여 스틸볼과 알루미늄의 접합 계면을 분 석 하였다. 또한, Pin on Disc 법을 이용하여 내 마모성을 평가하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 감압력과 용탕 온도의 영향

    Fig. 3는 EPC주조 후 코팅층을 절단하여 광학 현미경으로 관찰한 결과이다. 조직사진에서 확인 할 수 있듯이 감압력 및 온도가 증가 할수록 스틸 볼 사이로 용탕의 침투깊이가 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

    대기압 하에서 주입하였을 경우 알루미늄 용탕 침투가 이루어지지 않았으나, 0.04 bar로 감압하여 주조하였을 경우 용탕의 침투가 이루어지기 시작 하였다.

    0.04 bar의 감압하에서는 주입온도와 상관없이 유사한 침투깊이를 나타내고 있으나, 0.08 bar로 감압을 높였을 경우 주입온도에 따른 용탕의 침투 깊이는 현저하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

    따라서 0.04 bar로 감압하였을 때 보다 0.08 bar 로 감압하였을 경우, 주입온도의 영향을 더 많이 받는 것으로 판단되며, 이는 알루미늄 용탕의 온 도에 따른 유동성을 갖는 한계고상율에 도달하는 시간에 기인한 것으로 판단된다.

    3.2 스틸볼 크기의 영향

    Fig. 5에 스틸볼 크기 및 감압력에 따른 용탕의 침투깊이를 나타냈다. Fig. 5에서 확인할 수 있듯이 스틸볼 크기 증가할수록 침투깊이가 증가하여 복합 조직 층이 두꺼워지는 것을 확인할 수 있으며, 동 일한 감압력과 주입온도 범위에서 스틸볼의 크기가 증가할수록 복합조직 층의 두께가 증가되는 것을 확인하였다.

    Fig. 6은 광학현미경을 통해 스틸볼 크기에 따른 복합조직 층을 관찰 한 결과이다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이 스틸볼 크기가 증가할수록 알루미늄 용 탕은 스틸볼 사이로 깊이 침투하여 복합조직을 형 성하고 있다. 스틸볼 크기가 큰 경우 1~2 layer까지 침투된 반면, 크기가 작은 경우에는 침투 깊이는 작지만 2~3 layer까지 용탕이 침투되었다.

    Fig. 7은 스틸볼과 알루미늄 합금의 접합 계면을 EDS를 통해 분석한 결과이다. 분석 결과, 스틸볼 및 알루미늄의 조성에는 큰 변화가 없었다. 그러 나 알루미늄과 스틸볼의 접합 계면을 위치별로 분 석한 결과, Fe는 73.2~75.8 at.%, Al은 24.2~26.8at.% 의 조성이 확인되었고, 이는 Fe-rich 상인 Fe3Al 금 속간 화합물로 판단되어진다. 이는 알루미늄 용탕 과 스틸볼 계면에서 용탕 온도에 의한 확산에 기인 하여 금속간화합물이 형성된 것으로 판단된다.

    3.3 복합조직 층의 내마모 특성 평가

    알루미늄 합금(A356) 모재합금과 600 ㎛ 크기의 스틸볼로 용탕을 침투시켜 형성된 복합조직 층이 형성된 알루미늄 합금의 내마모성을 평가하기 위해 Pin on disc 마모시험을 진행하였으며, 상대재는 SKD11 재질의 환봉 팁을 사용하였다. 마모조건은 50N 하중하에서 1m/sec속도로 마모시험을 하였다.

    Fig. 8은 마모 거리에 따른 마모량을 나타낸다. 결과에서 확인할 수 있듯이 복합조직 층을 형성하 지 않은 알루미늄합금은 15 m까지 초기마모로 마 모량은 16.24 mg 까지 크게 나타내다가, 15 m 이후 부터 정상마모를 나타냈고 약 0.09 mg/m의 안정적 인 마모 손실량을 나타냈다.

    반면에 600 ㎛ 크기의 스틸볼로 복합조직 층이 형성된 시편의 경우 알루미늄 합금과는 달리 초기 마모는 30 m까지 나타낸 뒤 정상마모를 나타내고 있다. 초기 마모시 손실량은 2.87 mg이며, 정상마모 는 약 0.026 mg/m로 알루미늄합금(A356) 모재합금 에 비해 내마모성이 크게 향상되는 것을 확인하였 다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 재료의 경량화 및 고기능, 고특성 화를 목적으로 EPC 주조법을 이용해 복합조직 층 형성에 영향을 미치는 여러 가지 인자에 대해 분석 하였다.

    1. 대기압 하에서 주조하였을 경우에는 복합조직 층이 형성되지 않았으나, 주입온도와 감압력이 증가할수록 복합조직 층의 두께는 증가하는 경 향을 나타냈다.

    2. 감압력이 증가함에 따라 용탕의 침투깊이의 증 가로 복합조직 층의 두께가 증가하는 것을 확인 하였으며 또한, 감압력이 0.08 bar일 경우 용탕 의 온도가 증가함에 따라 복합조직 층의 두께가 증가하였다. 복합조직 층의 두께형성은 온도보다 감압력이 더 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.

    3. 스틸볼 크기가 증가할수록 용탕 침투 깊이가 증 가하여 복합조직 층이 두껍게 형성되었으며, 알 루미늄합금과 스틸볼의 접합 계면에는 용탕열의 의한 확산에 의해 Fe-rich상인 Fe3Al 금속간화합 물이 형성되는 것을 확인하였다.

    4. 알루미늄합금(A356) 모재에 비해 600 ㎛ 크기 의 스틸볼로 복합조직 층이 형성된 시편이 현저 하게 낮은 마모량을 나타냈으며, 스틸볼 복합조 직 층에 의해 내마모성이 증가한 것을 확인할 수 있었다.

    향후 금속분말 종류 및 크기 따른 복합조직 층에 대한 영향 및 내마모성, 내열성등 표면 특성에 분 석을 통해 최적 공정에 대한 추가적인 연구를 진행 할 예정이다.

    Figure

    KSMPE-17-89_F1.gif
    The schematic diagram of EPC
    KSMPE-17-89_F2.gif
    Shape of expanded styrofoam pattern
    KSMPE-17-89_F3.gif
    Optical micrographs of coating layer by each conditions.
    KSMPE-17-89_F5.gif
    Penetration depth by steel ball size and decompression at 850 °C
    KSMPE-17-89_F6.gif
    Optical micrographs of composite structure by each steel ball size; (a) 300 μm, (b) 425 μm, (c) 600 μm
    KSMPE-17-89_F7.gif
    SEM Micrographs and EDS analysis of coating layer at 850 ℃
    KSMPE-17-89_F8.gif
    Wear loss of worn surface by sliding distance

    Table

    Chemical composition of steel ball and aluminium alloy

    Experimental conditions in casting process

    Reference

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