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Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 1, pp.120-126 (2010)
자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금의 기계적 특성
배 철 홍*․김 종 명
현대자동차
Mechanical Properties of Hyper-Eutectic Aluminum Alloys for Automobile Parts
Chulhong Bae*․Jongmyung Kim
Hyundai-motor Company, 772-1 Jangduk-dong, Hwaseong-si, Gyeonggi 445-706, Korea (Received 13 May 2009 / Accepted 28 July 2009)
Abstract : It was known that the excellent wear resistance of hyper eutectic aluminum alloy is based on the primary Si particles which are distributed in the base metal. When the primary Si volume fraction increases, the smaller size have excellent wear resistance characteristics. However, this trend always does not match. There is no investigation result based on the materials and methods for real using parts. In this study, using the automotive parts manufacturer currently in use hyper eutectic Al alloy tensile test specimen type sample was fabricated by 350Ton high pressure die-casting machine. Then, fluidity, tensile, impact and wear resistance properties were evaluated. If the casting quality, primary Si size, fraction and distribution are similar, mechanical properties and wear resistance are equivalent.
Key words : Hyper-eutectic Al alloy(과공정 알루미늄 합금), Primary Si(초정 실리콘), Mechanical properties(기계 적 물성), Wear characteristics(마모 특성)
1.
서 론1)과공정 알루미늄 합금은 높은 탄성계수 및 우수 한 마모 특성에 의해 자동차 엔진 및 변속기 부품 중 내마모성이 요구되는 부품에 주로 사용되고 있다.
과공정 알루미늄 합금의 우수한 내마모성은 고경도 의 초정 Si 입자들이 기지금속에 균일하게 분산되어 마모를 억제하는 것에 의해 얻어지며, 이는 입자강 화 복합재료와 유사한 메커니즘에 근거한다고 알려 져 있다.1,2) 자동차용 부품에 주로 사용되고 있는 과 공정 알루미늄 합금(Si 함량: 15~18wt%)은 미국이 나 일본 등의 소재 업체에서 특허권을 가지고 있는 재질이며 일반 아공정 합금 및 국산화 재질에 비해
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
고가이지만 소재업체에서는 합금에 대한 기본물성 평가 자료조차 제대로 공개하지 않는 실정이다. 일 반적으로 초정 Si 분율이 증가할수록, 크기가 작을 수록 내마모성이 우수하나 그 경향이 일치하지는 않으며, 실제 자동차 부품에 적용된 과공정 알루미 늄 합금의 재질 및 공법별 연구결과는 전 세계적으 로 미미한 수준이다.3-7) 이에 본 연구에서는 현재 자 동차 부품 제조업체에서 실제 사용 중인 과공정 알 루미늄 합금 5종에 대해 350Ton 고압 다이캐스팅 장 비를 사용하여 인장시편 형상의 샘플을 제조 한 후 유동성, 인장, 충격 특성 및 내마모성 등을 평가하였 다. 상기 평가 결과들은 향후 과공정 알루미늄 합금 의 자동차용 내마모 부품 적용에 관한 참고자료로 활용하고자 한다.
자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금의 기계적 특성
Table 1 Chemical composition of the ingots
INDEX Chemical composition (wt.%)
Allay Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Cr Sn Pb Ti Al
INGOT
ADC12 2.13 10.55 0.18 0.99 0.78 0.13 0.049 0.04 0.021 0.066 0.028 Rem.
B14 4.54 14.42 0.38 0.63 0.73 0.16 0.041 0.038 0.018 0.051 0.024 Rem.
K14 4.43 15.08 0.2 0.92 0.78 0.18 0.1 0.039 0.024 0.059 0.035 Rem.
NH41 3.38 15.23 0.86 0.72 0.78 0.48 0.12 0.17 0.03 0.041 0.076 Rem.
B390 4.46 16.67 0.67 1.14 0.75 0.17 0.081 0.028 0.028 0.065 0.039 Rem.
ADC14 4.17 17.35 0.5 0.8 0.69 0.21 0.031 0.028 0.021 0.12 0.027 Rem.
Table 2 Casting conditions
구분 ADC12 R14 K14 NH41 B390 ADC14
Si 함량 (wt%) 9.6~12 13.5~16 16~18
드로스처리 350 ± 20g
탈가스처리 400 ± 20g
GBF
ROTOR 회전수 : 250RPM 처리시간 : 7MIN.
토출압 : 5kgf/cm2(killing time : 30min)
용탕온도 (°C) 670±10°C 730±10°C 750±10°C
실측온도 (°C) 675 725 723 728 747 731
금형온도 (°C) 200±30°C (합형전 CHECK 온도)
용탕주입량 (g) 540
슬리브 충진율 (%) 36
저속 거리 (mm) 24.5
고속 거리 (mm) 6
저속 속도 (m/sec) 0.4
고속 속도 (m/sec) 1.3
2.
실험방법2.1
합금 선정내마모성이 요구되는 부품에 실 사용 중인 과공 정 알루미늄 합금 5종과 일반 비내마모용 합금과의 비교를 위해 범용 다이캐스팅 소재인 ADC12를 사 용하였다. 건식분광분석법(POLYVAC2000, LGER ANALYTICAL社)을 이용해 실험에 사용된 잉곳의 성분분석을 실시하였으며 그 결과를 Table 1에 나타 내었다. 이 중 R14는 RYOBI(日)社(특허권 만료), NH41은 NIPPON LIGHT METAL(日)社, B390은 BRUNSWICK(美)社(특허권 만료)의 특허소재이며 대부분 현지에서 제조한 잉곳을 수입하여 사용 중 이다. K14는 R14를 국산화한 소재이며 ADC14는 KS 등록 소재이다. 실제 사용 소재의 비교평가를 위 해 실험에 사용된 잉곳은 양산품 주조업체로부터 입수하였다.
2.2
샘플 제작기계적 물성평가를 위한 시험편 채취 시 부품들 의 형상적인 제약이 많으므로 인장시편 금형을 이 용하여 평가용 샘플을 제작하였으며 사용된 금형 형상은 Fig. 1에 나타내었다. 각 합금별 샘플의 내부 품질수준 편차를 줄이기 위해 주조 및 금형 온도, 탈 가스 처리 조건, 사출 거리 및 속도 등 주조조건을 최적화하여, 350Ton 다이캐스팅 머신을 사용해 평 가샘플을 제작하였다. Table 2에 상세한 작업조건을 나타내었다.
2.3
유동성 평가합금별 Si 함량에 따른 유동성 평가를 위해 스파 이럴 주형을 사용하였으며 주형의 horizontal channel 과 vertical cross-section, 확대된cross-sectional spiral channel의 모식도를 Fig. 2에 나타내었다. 사용된 스 파이럴 주형은 다른 주조변수의 영향을 최소화하
Chulhong Bae․Jongmyung Kim
Table 3 Chemical composition of the castings
INDEX Chemical composition (wt.%)
Allay Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Cr Sn Pb Ti Al
Castings
ADC12 1.93 9.88 0.17 0.95 0.78 0.13 0.041 0.042 0.018 0.056 0.029 Rem.
B14 4.47 15.85 0.38 0.65 0.71 0.16 0.044 0.039 0.018 0.049 0.025 Rem.
K14 3.95 15.25 0.17 0.88 0.8 0.17 0.091 0.04 0.022 0.059 0.037 Rem.
NH41 2.99 16.8 0.75 0.63 0.94 0.55 0.1 0.22 0.024 0.014 0.079 Rem.
B390 4.07 18 0.63 1.1 0.74 0.15 0.074 0.026 0.026 0.055 0.037 Rem.
ADC14 4.25 17.19 0.51 0.8 0.7 0.21 0.032 0.028 0.021 0.11 0.024 Rem.
Fig. 1 Tensile specimen mold
Fig. 2 Schematic illustration of fluidity mold
고, 산화물과 슬래그의 혼입을 제어하여 가능한 안 정한 용탕의 유입을 고려해 설계하였다.
2.4
조직관찰 및 상분석광학현미경(GX51, OLYMPUS社)을 사용하여 미 세조직을 관찰하고 제조된 샘플의 내부 품질수준 확 인을 위해 IMAGE ANALYGER(VISION PE, CLE- MEX社)를 이용해 기공률과 초정 Si 분율을 측정하 였다. 또한 샘플 내에 존재하는 화합물의 종류를 확 인하기 위해 X-선 회절분석기(X'PERT PRO MP-D, PHILIPS社)를 사용하여 상분석을 실시하였다.
2.5
기계적 물성 평가합금별 기계적 물성 평가를 위해 브리넬 경도 (AOB#2, TINIUS OLSEN社)측정, 인장시험(5581, INSTRON社) 및 충격시험(MODEL 892, TINIUS OL- SEN社)을 실시하였다. 또한, 마모 특성 평가를 위해 선접촉 마모시험기(TE77, PHOENIX TECHNO- LOGY社)를 사용하여 마모길이를 측정하였으며, 마모시험 방법 및 시험조건을 Fig. 3에 나타내었다.
Fig. 3 Wear test method and conditions
3.
실험결과 및 고찰3.1
화학성분 분석제조된 샘플의 화학성분 분석 결과를 Table 3에 나타내었다. Table 1에 나타낸 잉곳 성분과 유사한 결과를 나타내고 있으며 과도한 Mg 산화 및 Si 편석 이 없는 건전한 샘플이 제조되었음을 확인할 수 있 었다.
Mechanical Properties of Hyper-Eutectic Aluminum Alloys for Automobile Parts
Fig. 5 Results of microstructure analysis
3.2
유동성 평가최적의 주조를 위해 용융온도를 달리한, Si함량이 14~16wt%인 합금(R14, K14, NH41)과 16~18wt% 인 합금(ADC14, B390)을 소정의 온도에서 용융시킨 후 상온의 스파이럴 주형에 주입하여 유동길이를 상대 비교 하였으며 측정결과를 Fig. 4에 나타내었다.
Unit Material
R14 K14 NH41 B390 ADC14 ADC12
mm 337 330 323 344 328 128
Fig. 4 Results of fluidity measurement
Si 함량이 유사한 합금들의 경우 유동길이는 측 정값 편차범위 내에서 큰 차이가 없는 것으로 확인 되었다. 하지만 성분분석 결과 B390과 ADC14는 거 의 동일한 Si 함량을 보였으나 유동길이 측정결과
ADC14가 보다 낮게 나왔다. 이는 ADC14의 용탕 실 측 온도가 B390에 비해 16°C 정도 낮기 때문인 것으 로 사료된다. 또한, 주입 온도가 약 50°C 낮은 ADC12 의 경우 과공정 합금들에 비해 2배 이상 저하된 유 동성 결과를 나타내었다. 이러한 결과들을 바탕으 로 기타 작업조건이 동일한 조건에서 용탕 온도에 따른 유동성은 합금 내 Si 함량보다 용탕 온도에 대 한 의존성이 큰 것으로 사료된다. 하지만 보다 정확 한 온도 의존성 경향 확인을 위해서는 동일 온도에 서 재질별 유동성 평가 등 추가적인 연구가 이루어 져야 할 것으로 생각된다.
3.3
미세조직 관찰 및 상분석최적화된 작업조건을 통해 제조된 샘플의 미세조 직 분석 결과를 Fig. 5에 나타내었다.
기공률 0.87~1.24%, 50㎛이하 크기의 초정 Si이 고루 분포된 건전한 샘플임을 확인할 수 있었다. 금 형 연속주조를 통해 제조한 잉곳 대비 상대적으로 냉각속도가 빠른 고압 다이캐스팅 샘플의 초정 Si 분 율은 유사한 수준이나 초정 Si 크기는 다이캐스팅 샘 플이 현저하게 미세한 것을 확인하였다. 이러한 현 상은 냉각속도 증가와 함께 잉곳 제조시 초정 Si 미 세화를 위해 첨가되는 미량의 AlCuP가 다이캐스팅 시 용탕 내에서 fading 현상 없이 초정 Si의 핵생성 사 이트로 작용한 때문인 것으로 사료된다. 이는AlCuP 내의 AlP가 Si과 유사한 격자상수를 가지므로 효과
배철홍․김종명
Fig. 6 Results of phase analysis
적인 불균일 핵생성 사이트로 작용하는 것으로 알려 져 있다.8-10) 미세조직을 관찰한 시편에 대해 XRD를 통한 상분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나 타내었다. 분석결과 AlCuSi, AlCu, AlSi (Fe,Mn)계 화 합물이 각 재질별로 동일하게 관찰되었다. Tsushima5) 등은 NH41 합금에서 미량의 Cr 및 Mn 첨가로 인해 미세한 Al-Si-Fe-Mn-Cr계 금속간 화합물이 고루 분 산되어 기계적 물성 및 마모 특성의 향상을 가져온 다고 보고 하였으나 본 실험 결과에서는 확인할 수 없었다. 이러한 현상은 상이한 주조조건에 따른 냉 각속도 차이에 기인한 것으로 사료된다.
3.4
기계적 물성 평가브리넬 경도측정 결과를 Table 4에 나타내었다.
초정 Si이 정출되지 않는 ADC12에 비해 과공정 합금들의 경도 값이 약 20HB이상 높았다. 과공정 합 금의 경우 기지금속에 분포되는 초정 Si이 기지금속 으로 전달되는 하중을 분산시키기 때문인 것으로 사료된다. 인장 및 충격시험 등 기계적 물성을 평가 한 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
Table 4 Result of hardness test
Unit Material
R14 K14 NH41 B390 ADC14 ADC12
HB 95 88 96 101 99 75
Fig. 7 Results of mechanical property evaluation
초정 Si이 정출된 과공정 합금의 경우 일반적으 로 강도 및 연신율이 Si 함량 증가에 따라 감소하는 경향을 보인다. 하지만 본 실험결과에서는 경도측 정을 포함한 모든 기계적 물성 평가 항목에서 과공 정 합금들의 경우 측정오차 범위내 편차를 가지며 유사한 특성을 보였다. 이러한 결과는 기계적 물성 에 영향을 미칠 수 있는 제품 내 기공율, 초정 Si의 분율 및 크기 등이 유사하다는 미세조직 관찰결과 (Fig. 5 참조)와 일치하는 것으로 사료된다. 그래프 내의 바는 실제 측정값의 범위를 나타낸다. 한편, 아 공정 합금인 ADC12에 비해 과공정 합금들의 연신 율과 충격강도가 다소 떨어지는 현상이 관찰되었 다. 이는 기지금속간의 결합력에 비해 초정 Si과 기
자동차 부품용 과공정 알루미늄 합금의 기계적 특성
지금속과의 결합력이 다소 떨어지기 때문인 것으로 사료된다.9,11)
3.5
마모 특성 평가선접촉 마모시험을 실시하고, 그 마모길이를 측 정한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 일반적으로 과공 정 알루미늄 합금은 기지금속 내에 분포하는 고경 도의 초정 Si의 영향으로 내마모성이 우수하고 초정 Si 분율이 높을수록, 크기가 미세할수록 내마모성이 향상된다고 알려져 있다. 이는 초정 Si이 정출되지 않는 아공정 합금인 ADC12의 마모길이가 과공정 합금들에 비해 약 4배 이상 길다는 실험결과와 일치 한다. 한편, 마모하중 증가에 따른 마모길이의 증가 량은 매우 적으며 과공정 합금들 내에서는 모든 시 험 하중 조건에서 동등수준의 내마모 특성을 나타 내었다. 마모시험 중 기지금속은 초정 Si과의 상대 적 경도차로 인해 우선 마모가 진행되며 초정 Si은 돌출부로 작용하여 고응력을 받게 된다. 이때 초정 Si크기가 클 경우 기지금속과의 낮은 결합력으로 인 해 마모되어 없어지지 않고 기지로부터 이탈되어 마모특성 향상에 기여하지 못한다. 즉 모든 조건에 서 동등수준의 내마모 특성을 나타낸 본 실험결과 는 제조된 전 샘플에서 정출된 초정 Si 크기(20㎛ 이 하) 및 분율이 유사하다는 미세조직 관찰결과(Fig. 5 참조)와 일치하는 것으로 사료된다.9,11,12)
Fig. 8 Results of wear test
4.
결 론현재 자동차 부품 제조업체에서 실제 사용 중인
과공정 알루미늄 합금 5종에 대해 주조성, 인장/충 격 특성 및 내마모성 등을 평가한 결과 다음과 같은 결론은 얻었다.
1) 13~18wt% Si 함량을 가지는 자동차 부품용 과공 정 알루미늄 합금들의 유동성은 Si 함량 차이에 무관하게 동등수준을 나타내었다.
2) 과공정 알루미늄 합금 5종에 있어서 Si 및 Cu 함 량의 차이와 상관없이 주조품질(기공률 0.87~
1.24% 범위), 초정 Si의 크기(12.8~19.1㎛ 범위)와 분율(5.64~7.8% 범위) 및 분산도가 유사한 경우 인장/충격강도 등의 기계적 물성 및 내마모성의 차이는 없다.
3) 추후 연구에서는 상기 평가 결과들을 바탕으로 실제 자동차용 내마모 부품을 제조하여 평가 예 정이다.
References
1) H. Torabian, J. P. Pathak and S. N. Tawari, Wear Characteristics of Al-Si Alloys, Wear, Vol.172, pp.49-58, 1994.
2) J. Zhang and A. T. Alpas, Transition between Mild and Severe Wear in Aluminium Alloys, Acta Mater., Vol.45, No.2, pp.513-528, 1997.
3) S. Chung and B. H. Hwang, Tribology Inter- national, A Microstructural Study of the Wear Behaviour of SiCp/Al Composites, Vol.27, pp.307-314, 1994.
4) H. J. Heine, Cast Aluminium 390 Alloy-A Growth Material, Foundry M&T, July, pp.64-67, 1982.
5) K. Tsushima, M. Shioda and M. Sayashi, Development of a Wear Resistant Aluminum Alloy for Automotive Components, SAE, Vol.01-0350, pp.1-7, 1999.
6) G. K. Sigworth, Refinement of Hypereutectic Al-Si Alloys, AFS Transactions, Vol.52, pp.303- 314, 1983.
7) B. N. Pramila Bai and S. K. Biswas, Cha- racterization of Dry Sliding Wear of Al-Si Alloys, Wear, Vol.120, pp.61-74, 1987.
8) P. H. Shingu and J. I. Takamura, Grain-Size Refining of Primary Crystals in Hypereutectic
Chulhong Bae․Jongmyung Kim
Al-Si and Al-Ge Alloys, Metallurgical Transac- tions, Vol.1, pp.2339-2340, 1970.
9) H. Kattoh, A. Hashimoto, S. Kitaoka, M.
Sayashi and M. Shioda, Critical Temperature for Grain Refining of Primary Si in Hyper- eutectic Al-Si Alloy with Phosphorus Addition, Journal of Japan Institute of Light Metals, Vol.52, No.2, pp.18-23, 2002.
10) N. Tenekedjiev, D. Argo and J. E. Gruzleski, Sodium, Strontium and Phosphorus Effects in
Hypereutectic Al-Si Alloys, AFS Transactions, Vol.97, pp.127-136, 1989.
11) F. Wang, H. Liu, Y. Ma and Y. Jin, Effect of Si Content on the Dry Sliding Wear Properties of Spray-deposited Al-Si Alloy, Materials and Design, Vol.25, pp.163-166, 2004.
12) T. T. Long, T. Hishimura, T. Aisaka and M.
Morita, Wear Resistance of Al-Si Alloys and Aluminium Matrix Composites, JIM, Vol.32, No.2, pp.181-188, 1991.
