Development of High Young's Modulus and Low Linear Expansion Coefficient Aluminum Alloy for Diecasting

다이캐스팅용 고영률·저선팽창계수 알루미늄합금의 개발

1. 서론

알루미늄합금의 영률 (종탄성계수)은 철강재료의 약 1/3이다. 이 때문에 다른 특성을 만족해도 영률이 충분하지 않기 때문에, 형상을 변경하지 않고 철강재료에서 알루미늄합금으로 재료를 변경하면 강성 부족이 문제가 되는 자동차부품이 있다.

예를 들면 엔진의 레더 프레임_{ladder frame}이나 베어링캡_{bearing cap}에 알루미늄합금을 적용하면, 고하중을 받아 변형되었을 때 접동 상대재인 주철제 또는 강재제의 크랭크샤프트와의 클리어런스가 작아져 이상 마모나 소부를 일으킬 우려가 있다. 또한 변형에 따른 실린더블록의 진동이나 소음이 커지는 경향이 있다.

알루미늄합금에 대해서는 1원자당 가전자수와 영률의 관계[1] 나2상 분리된 규소량과 영률의 관계 [2,3] 등이 보고되어 있다. 주물재료나 다이캐스팅 재료의 경우에는 초정규소의 양을 늘림으로써 영률을 올릴 수 있다. 그러나 규소의 증량은 용해, 주조성이나 절삭성을 악화시키기 때문에 공업적으로 이용이 추진되지 않는 원인의 하나였다 [4].

저자들은 Al-Si계 합금에 Ni, Fe, Mn 등의 천이 금속원소를 더해 Al-(Fe, Mn)-Si, Al-Ni와 같은 영률이 높은 금속간화합물상을 분산시킨 알루미늄합금의 연구개발을 진행해 왔다 [5-7]. 그리고 이 합금에서 초청규소 및 금속간화합물의 면적률과 영률을 이용하여 복합칙 IROM (Inverse rule of mixture)으로 계산한 재료의 영률과 인장시험법으로 구한 실측값이 거의 일치하는 것을 밝혀냈다. 또한 시험한 합금조성의 범위에서는 합금원소의 첨가량 (at%)과 초정규소 및 금속간화합물의 면적률에 비례관계 및 면적률과 재료의 영률과 선형관계가 있기 때문에, 결과적으로 합금원소 총첨가량 (at%)과 영률 사이에도 선형관계가 있는 것을 보고했다⁷⁾.

그러나 지금까지 보고된 합금의 영률은 최대 88GPa이며, 엔진의 레더 프레임이나 베어링 캡에 적용하기에는 충분한 특성이라고는 할 수 없다. 또한 엔진 온도가 상승했을 경우에 이들 부품과 크랭크샤프트의 클리어런스가 너무 커지면, 크랭크샤프트의 흔들림이 커져 타음이 발생하는 경우가 있기 때문에, 알루미늄합금의 선팽창계수를 작게 하는 것이 바람직하다.

그래서 본 연구에서는 영률 향상을 목적으로 기존 합금의 규소량이나 천이 금속원소량을 더욱 증가시켰을 경우의 합금 원소 총첨가량과 영률과의 관계를 조사했다. 또한 합금원소 총첨가량과 선팽창계수의 관계도 조사했다. 나아가 초정규소나 금속간화합물의 크기나 분산량의 증가에 따라 절삭 시 공구마모가 악화되는 것이 우려되었기 때문에 절삭시험을 실시했다.

2. 실험방법

2.1. 재료 설계

영률과 선팽창계수의 요구값은 엔진 및 부품에 따라 다르지만 본 연구에서는 재료 개발에서 영률의 목표값을 90GPa 이상, 선팽창계수의 목표값을 18.0×10^-6/K (303K~423K)이하로 했다. 그리고 기존의 연구개발 결과 [5-7]를 통해 얻어진, Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu합금의 합금원소 총첨가량 (at%)과 영률의 선형관계에서 영률을 90GPa 이상으로 하기 위해서는 합금원소의 총첨가량을 18.0at% 이상으로 할 필요가 있다고 생각하고, Table 1에 화학조성을 나타낸 다이캐스팅재 A1, A2와 B1~B7을 시험 제조하였다. A1, A2는 기존재보다 천이 금속원소량을 증가시킨 합금이다. B1~B7은 규소량을 더욱 증가시킨 합금이다. P1~P6은 저자들의 논문 [7,8]에서 보고한 기존재이지만 본 연구에서도 비교재로서 데이터를 사용했기 때문에 Table 1에 다시 게재했다.

Table 1. 공시재의 화학조성

2.2. 공시재료

영률과 선팽창계수 측정 및 절삭시험용으로 외경 90mm, 내경 80mm, 길이 50mm로 바닥부의 두께가 10mm인 컵 형상의 조재를 Pore Free 다이캐스팅으로 제작했다. 다이캐스팅에는 형체력 350톤인 다이캐스팅 머신을 사용하고 사출속도는 저속 0.1m/s, 고속 1.0m/s, 주조압력은 70MPa, 금형온도는 약 393K, 주조온도는 1013K로 했다. 주조 후에는 343K의 온수에 담금질했다.

절삭시험에서 비교재로서 자동차 부품에 사용되고 있는 과공정 Al-Si계 합금 JIS ADC14 (16.5%Si), 개발합금 NH41 (15.6%Si) [9~11]에서도 컵 모양의 다이캐스팅재를 제작했다. 절삭시험에서는 초정 Si 프리존의 영향을 없애기 위해 바깥쪽 표면 1.0mm를 제거한 후 시험에 제공했다.

2.3. 조직관찰

기존재보다 규소나 천이 금속원소량을 증가함에 기인한 초정 규소, 금속간화합물상의 크기나 분산량 증가를 조사하기 위해 광학현미경 조직을 관찰했다.

2.4. 영률 측정

영률 측정용으로 Fig. 1에 나타낸 평행부 직경 6mm, 길이 25mm의 환봉시험편을 컵 형상의 다이캐스팅 조재의 바닥부에서 잘라냈다. 영률은 인장시험편에 변형게이지를 붙이고, 시험 속도 1N/mm²s의 조건에서 얻은 응력-변형선도에서의 탄성역의 직선 기울기로부터 산출했다.

Fig. 1. 인장시험편 형상.

2.5. 선팽창계수 측정

선팽창계수의 측정에는 직경 8mm, 길이 50mm의 환봉시험편을 사용하고, 인장시험편과 같은 위치에서 잘라냈다. 그리고 승온속도 2K/min에서 303K~423K의 평균선팽창계수 (이하, 선팽창계수라고 함)를 측정했다.

2.6. 절삭시험

절삭시험은 선반 (쇼운제작소의 ST-5)을 개조한 시험기를 이용하여 실시했다 [12]. Fig. 2에 시험기의 외관을 나타낸다. 절삭공구는 초경합금 K10 (미쓰미시 머리티얼의 TPGN160304)을 사용했다. 날끝 제원은 윗면 경사각: 0°, 측면 경사각: 5°, 앞면 여유각: 11°, 직교 여유각: 6°, 앞날 각: 60°, 옆날각: 0°, 노즐반경: 0.4mm이다. 절삭시험 조건을 Table 2에 나타낸다. 특히 과공정 Al-Si계 합금의 경우에는 다이아몬드 공구를 사용하면 공구수명이 대폭 향상되는 것이 밝혀졌지만, 경제적인 메리트가 큰 초경합금공구 사용이 여전히 기대된다.

Fig. 2. 절삭시험기 외관.

Table 2. 절삭시험 조건

공구의 여유면의 최대 마모폭인 프랭크 마모량은 수산화나트륨 수용액에 침지하여 구성날 끝과 용착부를 제거한 후에 측정했다.

3. 실험결과와 고찰

3.1. 조직관찰

Fig. 3에 기존재 P5, P5보다 천이 금속원소량을 증가시킨 A1, A2, 규소량과 천이 금속원소량을 증가시킨 B3, B7의 광학현미경 조직을 나타낸다.

Fig. 3. Al-Si-Ni-Fe-Cu계 합금의 광학현미경 조직.

A2 (14.3%Si)는 흑색의 초정규소 크기가 P5 (13.9%Si)보다 미세해 졌지만 이는 Fe과 Mn의 양을 증가시킴으로써 초정규소보다 앞에 정출되는 Al-(Fe, Mn)-Si상의 양이 증가하고 초정규소가 되는 Si량이 감소되었기 때문이라고 생각된다. A1 (13.0%Si), A2 모두 회색의 금속간화합물상은 P5보다 큰 상이 증가하고 있다. B3 (15.6%Si)에서는 P5, A2보다 조대한 초정규소가 증가하고 있다. 또한 B7 (16.3%Si)에서는 판상의 초정규소, 판상, 침상의 금속간화합물상도 관찰되었다.

3.2. 영률

Fig. 4에 각 재료의 합금원소 총첨가량 (at%)과 영률의 관계를 나타낸다. Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금에서 합금원소 총첨 가량 (at%)과 영률의 선형관계가 총첨가량 14.6at%~23.3at% 범위에서 성립되는 것이 밝혀졌다. 본 보고에서 새롭게 시험 제작한 A1, A2 및 B1~B7은 목표인 영률 90GPa 이상을 만족했다.

Fig. 4. 합금 총원소량과 영률의 관계.

3.3. 선팽창계수

Fig. 5에 각 재료의 합금원소 총첨가량 (at%)과 선팽창계수의 관계를 나타낸다. Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금에서 합금원소 총첨가량 (at%)과 선팽창계수에도 선형관계가 있는 것이 밝혀졌다. A1의 선팽창계수는 목표인 18.0×10^-6/K보다 높은 값이었지만, 다른 재료는 모두 목표를 만족했다.

Fig. 5. 합금원소 총첨가량과 선팽창계수의 관계.

3.4. 절삭시험 결과

본 연구에서 새롭게 시험 제작한 합금 중에서 규소량 및 합금원소 총첨가량 모두 가장 적은 A1 (13.0%Si, 합금원소 총첨가량 18.2at%)과 가장 많은 B7 (16.3%Si, 합금원소 총첨가량 23.3at%)을 선택하여 절삭시험에 의해 공구마모량을 조사했다. Fig. 6에 A1, B7, ADC14 (16.5%Si, 합금원소 총첨가량 19.1%at%) 및 NH41 (15.6%Si, 합금원소 총첨가량 17.8at%)을 8.0km 절삭한 후 초경공구 칼날의 마모 형태를 나타낸다. 모두 구성날 끝과 용착부를 제거한 후의 SEM 사진이다. Fig. 7에 A1, B7의 절삭칩의 사진을 나타낸다. 과공정 Al-Si계 합금은 길게 연결된 코일 모양의 절삭칩이 되지 않고, 부채꼴의 미세한 절삭칩이 된다 [12,13]. 이 때문에 절삭칩이 공구의 경사면에 충돌하는 경우가 적고 경사면에 크레이터상으로 발생하는 크레이터 마모는 매우 적다. 반면 마감면에서 매트릭스로부터 돌출된 경질상이나 절삭면에서 탈락한 경질입자가 공구의 연마면을 긁어낸다. 따라서 Fig. 6에 나타낸 바와 같이 프랭크 마모량이 많아진다 [12,14].

Fig. 6. 절삭 후의 공구 칼날 상태

Fig. 7. 절삭칩 형상.

Fig. 8에 절삭시험에서 초경공구의 프랭크 마모량을 나타낸다. 駒崎_코마자키는 17.0%의 규소를 포함한 ADC14를 이용하여 실시한 공구마모 연구에서, 입경 20μm 이상의 초정규소를 많이 포함한 경우에는 그것들이 구성날 끝의 형성을 방해하고, 적은 경우에는 구성날 끝이 형성되는 것을 보고했다 [15]. 본 연구에서 이용한 시료는 후자에 해당한다고 생각되며 모든 시험에서 구성날 끝과 마모흔적을 메우듯 발생한 용착부가 관찰되었다. 그래서 공구를 수산화나트륨 수용액에 침지하여 구성날 끝과 용착부를 제거한 후에 Fig. 6에 화살표로 나타낸 마모폭을 프랭크 마모량으로 측정했다.

Fig. 8. 공구마모 곡선.

공구마모량은 규소량의 증가에 따라 커지며 규소량 및 합금 원소 총첨가량 모두 가장 많은 B7에서도 ADC14보다 공구마모가 많아지는 경우는 없었다. 과공정 Al-Si계 합금 중 초정 규소의 경도가 HV 약 900, Al-(Fe, Mn)-Si상의 경도는 HV 약 550으로 보고되어 있으며 [16], 본 연구에서 이용한 합금에서는 금속간화합물상보다 초정규소 쪽이 공구마모량에 대한 영향이 크다고 생각된다. 본 결과에서 금속간화합물상의 증가는 초정규소의 증가에 비하면 공구마모량에 대한 영향이 작아, 영률 향상과 선팽창계수의 저하를 위한 유효한 수단이라고 생각된다.

4. 결론

기존의 Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금의 규소량과 천이 금속원소량을 증가시키는 것에 의한 영률 향상, 선팽창계수 저감효과를 조사했다. 또한 초정규소와 금속간화합물상의 증가가 절삭성에 미치는 영향을 조사했다. 결과를 아래에 정리한다.

(1) Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금 중에서 합금원소 총첨가량 14.6at%~23.3at%의 범위에서 총첨가량과 영률은 선형관계를 나타냈다. 또한 총첨가량을 18.2at% 이상으로 한 합금은 영률의 개발목표 90GPa 이상을 만족했다.

(2) Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금의 합금원소 첨가량과 합금의 선팽창계수는 18.2at%~23.3at%의 범위에서 선형관계를 나타냈다. 또한 총첨가량을 20.4at% 이상으로 한 합금은 선팽창계수의 개발목표를 18.0×10^-6/K이하를 만족했다.

(3) 규소량 증가에 따라 Al-Si-Ni-Fe-Mn-Cu계 합금 절삭시 초경공구의 프랭크 마모량이 증가했다. 금속간화합물상의 증가는 초정규소의 증가에 비하면 공구마모량에 대한 영향이 작고, 영률의 향상과 선팽창계수의 저하를 위한 유효한 수단으로 생각된다.