Effect of De-graphitization Heat Treatment on Interfacial Bonding Properties of Flake Graphite Cast Iron-Aluminum Dissimilar Materials Produced by High Pressure Die Casting

고압 다이캐스팅법으로 제조한 편상흑연주철 -알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 탈흑연 열처리의 영향

Abstract

In this study, to improve the interfacial bond strength of cast iron-aluminum dissimilar materials, graphite was removed to a certain depth from the cast iron surface through de-graphitization heat treatment. As the heat treatment time increased, the depth at which graphite was removed increased, showing a linear relationship between the heat treatment time and depth. Aluminum was filled to a certain depth on the de-graphitized cast iron surface through die-casting method, and no intermetallic compounds were formed on the cast iron-aluminum interface. The interfacial bonding strength showed a value of 90 MPa regardless of the heat treatment time, which is very high compared to the 12MPa bonding strength of the material without de-graphitization heat treatment. This result is thought to be due to the mechanical bonding of the undercut structure as the liquid aluminum, penetrated by the high pressure die-casting process, solidified in the de-graphitized region of the cast iron.

본 연구에서는 주철-알루미늄 이종재료의 계면결합강도를 향상시키기 위하여 탈흑연 열처리를 통해 주철 표면에서 일정 깊이까지의 흑연을 제거하였다. 열처리 시간이 증가함에 따라 흑연이 제거되는 깊이는 증가하였으며, 열처리 시간과 깊이 사이에 선형 관계가 나타났다. 일정 깊이의 흑연이 제거된 주철에 알루미늄을 다이캐스팅 공법으로 주조접합하여 주철에서 흑연이 제거된 공간을 알루미늄으로 채운 후, 계면 반응 및 알루미늄 침투 깊이를 조사하고 계면접합강도를 평가하였다. 다이캐스팅 공법을 통한 알루미늄은 탈흑연 열처리된 주철 표면에서 일정한 깊이까지 채워지는 것으로 확인되었으며, 주철-알루미늄 계면에 금속간화합물이 생성되지는 않은 것으로 확인되었다. 계면접합강도는 열처리 시간과는 큰 관계없이 90MPa 수준의 접합강도를 나타내었으며 이는 탈흑연 열처리를 하지 않은 소재의 접합강도 12MPa에 비해 매우 높은 강도이며, 주철의 탈흑연 영역에서 고압 다이캐스팅 공정에 의해 침투된 알루미늄 용탕이 응고되면서 언더컷 구조의 기계적 결합에 의한 것으로 생각된다.

1. 서론

자동차산업 분야 등에서 연비향상을 위해 경량금속인 알루미늄 사용이 증가함에 따라, 경제적인 가격으로 경량화에 대한 요구를 만족시키면서도 부품 고유의 성능과 내구성을 확보하기 위해, 철-알루미늄 이종소재 부품 적용이 활발히 이루어지고 있다 [1-4]. 철-알루미늄 이종소재 부품 제조기술로는 확산접합법, 용접, 마찰접합법, 강제압입법, 주조접합법 등이 부품의 형상과 용도에 따라 다양하게 개발되고 있는데 [5,6], 철계 소재를 인서트재로 하여 금형 내부에 거치하고 용융 알루미늄 합금을 주입하여 부품을 제조하는 주조접합 공정은 제조원가가 저렴하고 복잡한 형상의 부품을 최종형상으로 직접 제조할 수 있어 산업적 중요도가 매우 큰 기술이다. 하지만 철계 합금의 높은 표면 산화 경향, 소재간 큰 열물리특성 차이, 접합계면에 생성되는 고취성 금속간화합물, 접합반응의 좁은 프로세스 윈도우 등 [7,8]에 기인하는 철-알루미늄 이종 소재의 난접합성 (Hard-to-bond characteristics)은 주조접합공정 적용의 걸림돌이 되고 있다. 따라서 주조접합시 표면에 돌기 등을 형성시키거나 그루브 가공한 인서트재를 사용함으로써 수축결합 (Shrink fitting) 효과를 극대화하여 계면접합 강도를 높이는 방법들 [9,10] 또는 용융 알루미늄과의 젖음성과 접합반응성을 향상시키기 위해 알루미늄, 아연, 타이타늄과 같은 중간층을 코팅한 후 알루미늄 합금을 주입 접합시키는 기술들 [10-12]이 시도되고 있다. 또한 철계 소재 중 대표적인 주조재인 주철의 경우에는 용융 알루미늄과의 젖음성과 접합반응성을 저하시키는 흑연립을 기지에 포함하고 있기 때문에 [13-15], 알루미늄 용융도금 특성을 개선하기 위해 주철 기지에 존재하는 흑연의 선택적 제어가 미치는 영향에 대해 연구한 결과들도 보고되고 있다 [16,17].

본 연구에서는 주철 (고상)-알루미늄 (액상) 다이캐스팅 주조접합 공정시 탈탄 열처리를 통한 주철재 인서트 표면의 흑연립 제거로 인한 접합특성 개선효과를 조사하였다. 인서트재로는 흑연립 제거와 수축결합 효과를 고려하여 A형 편상흑연 조직을 갖는 회주철을 사용하였으며, 표면 텍스쳐링이나 중간층 코팅 없이 탈흑연층 깊이를 100~900μm까지 변화시켜 가며 이종소재간 반응성 및 계면결합력에 미치는 영향을 조사하였다. 접합공정용 주조공법으로는 광범위한 두께의 제품 생산이 가능하면서도 빠른 주조 속도로 인해 대량생산에 적합한 고압 다이캐스팅법이 적용되었다.

2. 실험방법

본 연구에서 주조접합 공정에 의한 이종소재 제조를 위해 고상의 인서트재로는 A형의 편상흑연과 퍼얼라이트 기지조직을 갖는 회주철 (FC250)을 사용하고, 액상의 주조재로는 A356 알루미늄 합금을 사용하였다. 각 소재의 화학조성은 Table 1에 나타내었다. 회주철재 인서트는 50mm × 30mm × 1.8mm의 판재형태로 가공한 시험편을 사용하였으며, 인서트 표면부에 존재하는 흑연립을 제거하는 탈흑연 처리를 행한 후 주조접합 공정을 진행하였다. 주철의 흑연립은 화학적인 처리, 기계적 처리, 탈탄처리 등에 의해 제거할 수 있는데[12], 본 연구에서는 흑연립이 제거된 탈흑연층의 깊이 제어가 용이할 것으로 판단되는 탈탄 열처리법을 사용하였다. 탈흑연층 깊이와 이종소재 계면접합특성간의 정량적 관계를 평가하기 위해, 수소, 질소, 수증기가 혼합된 1,100ºC의 탈탄가스 분위기 중에서 5~60분 열처리하여, 100~900μm에 이르는 탈흑연층 깊이를 갖는 인서트 시험편들을 준비하였다. 탈흑연 처리된 인서트 시험편은 주조접합 공정 전에 계면접합 특성에 영향을 미칠 수 있는 산화막 등을 제거하기 위한 샌딩 처리를 추가적으로 진행하였다. 샌딩 처리는 평균 입도 318μm의 알루미나 분말을 사용하여 모든 인서트 시험편에 대해 30초 동안 동일한 조건으로 실시하였다.

Table 1. Chemical composition of Fe-Al dissimilar materials (wt.%)

주조접합 공정에는 형체력 20톤의 콜드챔버 방식 다이캐스팅 머신 (가온솔루텍 제작)을 이용하였다. 다이캐스팅 머신에 Fig . 1(a)와 같이 제작한 금형을 장착하고, 탈흑연 처리한 주철 인서트를 고정측 금형에 거치하고 합형한 후 용융 알루미늄 합금을 주입하는 방식으로 주조접합을 진행하였다. 알루미늄 합금이 충진되는 금형 캐비티는 121mm × 30mm × 8mm의 채널 형태로서, 회주철 인서트가 거치되는 부분에서 2층 클래드 형태의 이종소재가 제조되었으며, 제작된 시편은 Fig. 1(b)에 나타내었다. 금형 및 슬리브의 예열온도를 카트리지히터를 이용하여 200ºC로 일정하게 유지하면서, 720ºC의 용융 알루미늄 합금을 35MPa의 압력으로 고속구간 60m/s의 충진속도로 주입해 주조접합함으로써 주철-알루미늄 이종소재 시편을 제조하였다. 이때 사용한 다이캐스팅 주조 조건은 Table 2에 정리하였다.

Fig. 1. (a) High pressure die casting mold used for cast bonding experiments and (b) a cast iron-aluminum dissimilar material specimen.

Table 2. High-pressure Die-casting condition

흑연립 제거 상태 및 기지조직 변화를 조사하기 위해서 에너지 분산 X선 분광분석기 (EDS)가 장착된 주사전자현미경(FE-SEM, Lectropol-5)을 이용하여 탈흑연 처리 전후의 회주철 인서트 시험편의 표면과 단면을 분석하였다. 열처리 시간에 따른 평균 탈흑연 깊이는 주철 단면부 미세조직을 통해 현미경적 방법을 이용하여 측정하였다. 주철 단면부 미세조직 사진을 다섯 곳 이상 촬영 후 측정한 탈흑연 깊이를 평균한 값을 사용하였다. 주철-알루미늄 이종소재 계면 접합강도는 Fig. 2에 도시된 ASTM B 432 규격에 따라 전단시험을 통해 평가하였다. 탈흑연 처리 조건 당 전단시험을 3회 진행하여 얻어진 값들을 평균하여 계면 접합강도로 비교하였다. 흑연립이 제거된 영역으로의 알루미늄 용탕 침투 여부와 접합계면의 미세조직을 조사하기 위해 후방산란전자 (BSE) 이미지와 EDS 면분석을 실시하였다.

Fig. 2. (a) Shear specimens used to evaluate interfacial bonding strength and (b) method of the interfacial bonding strength (ASTM B 432).

3. 결과 및 고찰

3.1. 열처리 시간에 따른 탈흑연층 깊이 관계

탈흑연 열처리 전과 후의 주철재 인서트에 대한 SEM-EDS를 이용한 미세조직 분석결과를 Fig . 3과 Fig . 4에 정리하였다. Fig. 3에는 표면 미세조직을 Fig . 4에는 단면 미세조직을 각각 도시하였다. 주방상태의 SEM 이미지에서 주철의 표면부 및 단면부에 검은색을 띠며 존재하는 A형 타입의 흑연립들이 탈흑연 열처리 후 SEM 이미지에서는 희미하게 흔적만 남은 것처럼 관찰되었다. EDS를 이용한 흑연립 영역에 대한 성분 변화를 분석한 결과에서도, 탄소 함량이 탈흑연 열처리 전에는 90~100wt.%에 이르렀으나 탈흑연 열처리 후에는 1~4wt.%로 감소한 것을 확인할 수 있었으며, 이로부터 열처리를 통해 흑연립들이 성공적으로 제거되었음을 확인할 수 있었다. 또한 탈흑연 열처리 후 흑연립들이 제거된 곳에 인접한 기지에서는 산소 함량이 증가하였는데, 이는 수증기와 반응한 표면부에서 산화철이 형성되었기 때문이라 생각된다.

Fig. 3. SEM photographs and EDS analysis on the surface-section of flake graphite cast irons; (a) as-cast and (b) de-graphitized specimens.

Fig. 4. SEM photographs and EDS analysis on the cross-section of flake graphite cast irons; (a) as-cast and (b) de-graphitized specimens.

탈흑연 열처리 시간을 변화시켜 가며 탈흑연층 깊이 변화를 조사한 결과들을 Fig . 5와 Fig . 6에 정리하였다. Fig. 5에서 주철 단면부 조직 사진을 보면 열처리 시간이 증가함에 따라 탈흑연 경계면이 주철 내부로 점점 이동하는 것을 볼 수 있으며, 60분 열처리 시편의 경우 주철 시편 전체 두께에 걸쳐 완전히 흑연립이 제거된 것을 볼 수 있다. 탈흑연 열처리 시의 거동을 파악하기 위해 Fig . 6에는 열처리 시간에 따른 평균 탈흑연층 깊이 관계를 도식화하여 나타내었다. 열처리 시간이 5분에서 60분으로 늘어남에 따라 평균 탈흑연 깊이는 140μm에서 900μm로 증가하였는데, 평균 탈흑연층 깊이와 열처리 시간은 선형적인 비례 관계에 있음을 볼 수 있다. 확산공정에 지배를 받아 반응층의 깊이가 열처리 시간의 제곱근에 비례하는 일반적인 열처리 공정과는 다른 거동을 보이는 것이 흥미롭다. 열처리에 의해 주철 기지에 존재하던 흑연립들이 제거되는 과정은 흑연과 주철기지의 열팽창 계수가 달라서 고온으로 승온시 주철기지와 흑연립 사이의 계면에 미세한 채널이 형성되고 이곳을 통해 탈흑연 분위기의 가스가 주철 내부로 침투하여 흑연립들과 반응하며 일산화탄소 및 메탄 가스의 형태로 배출되며 제거되는 것으로 보고되고 있다 [12]. 한편 편상 흑연은 coupled eutectic 반응으로 성장하여 결정립 내에서 서로 연결되어 있는 미세조직학적 특징을 보인다 [18,19]. 따라서 탈흑연 분위기의 가스가 주철 기지를 통한 확산 공정이 아니라 흑연립이 제거된 공간을 통해서 지속적으로 공급될 수 있기 때문에, 탈흑연층 깊이가 열처리 시간에 선형적으로 비례하여 증가한 것으로 판단된다.

Fig. 5. Cross-sectional micrographs of flake graphite cast irons as a function of de-graphitization heat treatment time; (a) 10min, (b) 20min, (c) 30min, (d) 45min, (e) 50min and (f) 60min.

Fig. 6. Depth of de-graphitization as a function of de-graphitization heat treatment time.

3.2. 주철-알루미늄 이종소재의 주조접합 특성

탈흑연 처리한 편상흑연 주철 인서트를 금형 내에 거치하고 고압 다이캐스팅법으로 주조접합한 주철-알루미늄 이종소재의 접합계면을 주사전자현미경을 이용하여 관찰한 미세조직을 Fig . 7에 도시하였다. 용융 알루미늄과의 젖음성과 접합반응성을 저하시키는 흑연립을 제거하는 과정에서 접합계면에 금속간화합물 생성은 관찰되지 않았으며, EDS Mapping 분석결과 흑연립이 빠져나간 자리에 알루미늄이 침투되어 있는 것을 확인할 수 있다. 문헌상에는 주철재를 용융 아연 또는 용융 알루미늄 도금하거나 아연/알루미늄 도금 후 중력주조하는 경우 접합계면에서는 상호확산반응을 통해 Al-Fe, Al-Fe-Si계의 다양한 금속간화합물이 생성되는 것으로 보고되고 있다 [10,17]. 그러나 본 연구에서 주조접합 공정에 적용된 고압 다이캐스팅법은 도금이나 중력주조 공정들과 비교하여 매우 빠른 냉각속도를 보이기 때문에 계면에서 금속간화합물 생성 반응이 일어날 수 없었던 것으로 판단된다. 탈흑연 열처리 후 표면부에 생성된 산화층도 용융 알루미늄과 주철 기지의 젖음성 및 반응성을 저하시키는 원인으로 작용하였을 것이다. 즉 본 연구에서의 주철-알루미늄 이종소재 접합은 야금학적 결합이 아니라 고압 다이캐스팅으로 알루미늄 용탕이 흑연립이 제거된 자리로 침투하여 응고되면서 형성된 기계적 결합에 의해 이루어졌다고 할 수 있다.

Fig. 7. Cross-sectional SEM-BSE image and EDS elemental mapping analysis on a flake graphite cast iron-aluminum dissimilar material specimen cast-bonded by high pressure die-casting after de-graphitization heat treatment.

Fig. 8에는 전단시험법으로 평가한 탈흑연 시간에 따른 주철-알루미늄의 계면접합강도 평가 결과를 나타내었다. 탈흑연열처리를 하지 않은 주철 시편은 12 MPa 정도의 계면접합 강도를 나타내었는데, 이는 표면 산화층 및 이물질을 제거하기 위해 고압 다이캐스팅 전 수행된 샌드 브라스팅 공정 중 형성된 표면조도로 인해 낮은 수준의 기계적 결합이 형성되었기 때문으로 보인다. 한편 탈흑연 열처리를 진행한 시편들의 경우에는 열처리 시간 증가와 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이가 증가하는 것과 큰 상관관계 없이 계면접합강도는 90 MPa 내외의 상대적으로 높은 값들을 보였다. 결정립 내에서 3차원적으로 서로 연결된 흑연립들이 빠져 나간 자리에 고압 다이캐스팅 공정에 의해 알루미늄 용탕이 침투하여 응고되면서 형성된 언더컷 구조의 기계적 결합에 의해 매우 높은 계면접합강도를 보였을 것으로 생각된다.

Fig. 8. De-graphitization depth and interfacial bonding strength as a function of de-graphitization heat treatment time.​​​​​​​

Fig. 9에는 흑연립이 제거된 자리에 고압 다이캐스팅 공정에 의해 알루미늄이 침투된 깊이를 미세조직법에 의해 조사한 결과를 정리하였다. 탈흑연 열처리 시간 및 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이 변화와 무관하게 알루미늄의 침투 깊이는 130μm 내외로 일정한 값을 보였다. 즉 탈흑연 열처리 시간이 늘어날수록 탈흑연층 깊이는 증가하였지만, 고압 다이캐스팅에 의한 주조접합시 금형 예열온도, 알루미늄 주입온도 및 주입속도를 고정하였기 때문에 알루미늄 용탕이 일정한 깊이까지 침투되어 계면접합강도는 탈흑연 열처리 시간과 무관하에 일정한 값을 나타낸 것으로 판단된다. 또한 열처리 시간이 증가함에 따라 기존 주철이 연화되는 정도를 파악하기 위하여 주철재의 인장강도를 측정한 결과, 열처리 시간이 0분, 5분, 10분, 30분 조건에서 각각 266.5, 246, 202.5, 180.5MPa로 측정되었다. 열처리 시간이 길어질수록 주철이 점차 연화되지만, 탈흑연 열처리 10분까지는 200MPa 이상의 인장강도를 유지하였다. Fig. 8과 Fig . 9에서 보는 바와 같이, 10분 이내의 탈흑연 열처리로도 알루미늄이 침투하기에 충분한 깊이로 흑연이 제거되며, 알루미늄 다이캐스팅 후 최종 소재의 접합강도도 충분히 강해지는 것을 알 수 있으며, 탈흑연 열처리 시간을 짧게 설정하는 것이 공정 효율성 측면에서도 유리할 것으로 생각된다.

Fig. 9. (a) Cross-sectional SEM-BSE images of flake graphite cast iron-aluminum dissimilar materials cast-bonded by high pressure diecasting after de-graphitization heat treatment and (b) de-graphitization and aluminum penetration depths as a function of de-graphitization heat treatment time.​​​​​​​

4. 결론

본 연구에서는 산업적으로 활용도가 높은 주철소재를 인서트 소재로 하고 주조성이 우수한 알루미늄 합금을 주조재로 하여 고압 다이캐스팅법에 의해 주철-알루미늄 이종소재를 제조하였다. 이종소재의 계면접합강도를 개선하기 위해 주철의 흑연을 제거하는 탈흑연 열처리를 수행하고 주철-알루미늄 이종소재의 계면접합특성에 미치는 영향을 조사하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) A형 흑연구조를 갖는 편상흑연주철을 수소, 질소, 수증기가 혼합된 1,100ºC의 탈탄 가스 분위기 중에서 탈흑연 열처리를 수행하는 경우, 평균 탈흑연층 깊이와 열처리 시간은 선형적인 비례 관계를 보였다.

2) 탈흑연 열처리 후 고압 다이캐스팅법으로 주조접합한 주철-알루미늄 이종소재의 접합기구는 야금학적 결합이 아니라 흑연립이 제거된 자리에 알루미늄 용탕이 침투하여 응고되면서 형성된 기계적 결합이었다.

3) 탈흑연 열처리 시간 및 그에 따른 평균 탈흑연층 깊이 변화와 무관하게 고압 다이캐스팅 공정 조건을 고정하는 경우 알루미늄의 침투 깊이가 일정하여 주철-알루미늄 이종소재의 계면접합강도는 일정한 값을 보였다.

4) 결정립 내에서 3차원적으로 서로 연결된 흑연립들이 빠져 나간 자리에 고압 다이캐스팅 공정에 의해 알루미늄 용탕이 130μm 깊이까지 침투하여 응고되면서 형성된 언더컷 구조의 기계적 결합에 의해 주철-알루미늄 이종소재는 90 MPa 내외의 높은 계면접합강도를 보였으며, 탈흑연 열처리를 진행하지 않은 소재의 접합강도 (12MPa)에 비해 접합강도가 크게 증가 하였다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부에서 추진하는 산업소재핵심기술개발사업과 기획재정부에서 추진하는 생산기술산업원천기술개발사업의 지원을 받아 수행되었습니다.