주물기술/ 알루미늄 합금계의 주조기술의 역사
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
알루미늄 합금계의 주조기술의 역사
1.알루미늄 합금계의 주조기술의 역사
금속공업은 인류가 금속을 생산하여 이용하기 시작한 청동기시대부터 시작되었으며, 그 후 철기시대로 넘어오면서 보다 많은 금속들이 이용되었다. 인간이 처음으로 사용한 금속은 구 리, 은, 금 등이며, 기원전 4000년에 숯불을 이용하여 구리와 주석을 함유하고 있는 광물을 녹여 구리와 청동을 만들었다.
그 후 화폐나 불상 제조를 제련 기술이 발전하게 되었으며, 19세기 접어들어 획기적인 제 련 기술들이 개발되어 발전하게 되었다. 우리 나라는 제2차 세계대전 이후 1950년대까지도 특별한 시설이 없었으나, 1960년대 구리제련소가 준공되어 새로운 제철 시대를 맞게되었다.
그 후 포항종합제철이 설립되어 그 발전속도가 본격화되었으며, 1973년에 1기, 1976년에 2 기, 1978년에 3기, 1981년에 4기가 설비되었고, 1987년에는 광양제철소의 준공으로 세계 상 위의 공업국가로 도약을 했다.
비철 금속 분야는 온산 비철공업단지에 연간 6만여 톤 규모 의 아연 제련소 및 구로 제련소가 각각 가동되고 있으나 국내 수요가 미흡한 실정이며, 선 진국에 비해 그 기술 수준이나 공정, 작업환경, 수요시장이 철강산업에 비해 매우 열악한 실 정이다.

2.알루미늄 합금계 주조기술의 개요
알루미늄 합금은 알루미늄에 구리(Cu), 규소(Si), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 니켈 (Ni)등을 첨가한 것으로 주조성, 내식성, 내열성이 우수하여 건축자재나 자동차, 항공기, 광 학기계, 전기기계, 화학공업 등의 부품 재료로 널리 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 합금계 주조기술은 현재 자동차의 부품인 알루미늄 휠과 실린더, 피스톤, 브레이크 부분, 트랜스미션 부분과 오토바이의 엔진, 브라켓트부분과 유압펌프부품, 비행기 의 부품 등 폭넓은 분야에서 그 필요성과 활용성이 증가되고 있으며, 연비 절감이나 경량화, 부품의 수명연장 등의 효과도 높은 것으로 알려져 있다.
시장수요에 맞는 제품을 생산하고 공급하기 위해서는 우선적으로 생산품의 품질이 월등이 우수하고, 생산 공정이 간단하여 대량 생산이 가능하여야 할 것이다. 이에 해당기술분야의 중소기업과 벤처기업들이 요구하는 기술 분야들 중 최근 부각되고 있는 기술 분야인 반용융 주조와 부분 가압 주조, 수평연속 주조와 같은 모합금가공 분야와 모합금 성질 개선과 개량이 가능하도록 첨가 원료와 모합금의 함유량을 조절하는 모합금 개 선 분야를 이하의 특허맵에서 다루고자 한다.

3. 모합금 가공기술
3.1 부분가압 주조법(squeeze-casting)
부분가압 주조법은 스퀴즈 주조법, 용탕단조법, 가압응고법이라고도 불려지는 주조 기술로, 금형 내의 용탕에 유압 프레스를 이용하여 기계적 고압력을 직접 가압하거나 또는 별도로 설치된 정밀한 금형 캐비티내로 용탕을 저속 충진, 압입시킨 후 50~200MPa의 고압을 가한 상태에서 성형 응고시키는 제조법이다.
액상금속이 체적변화를 하는 응고과정에 고압력을 가하여 주조결함의 발생을 제어하고 내 성 및 강도를 향상된 고품질의 주조제품을 얻는 방법이며 최고 수준의 주조품질을 얻을 수 있는 방법이기도 하다.

기존의 일반 다이캐스팅법과 근본적으로 다른 점은 다이캐스팅법에 비해 약 30~50배 정도 의 가압력으로 제품부가 응고 완료될 때까지 초저속 가압충전(0.2m/s)으로 가스의 흡입을 없애고, 수직형 슬리브 주탕 방식을 채용하여 용탕의 보온성을 유지시켜 줌으로써 응고편의 발생, 흡입을 제어할 수 있어 주조 결함의 대폭 개선이 가능하다는 점이다.
다이캐스팅법도 용탕 주입시에는 고압이 가하여지지만, 응고 도중에는 충분히 가압되지 않는다. 적용분야로 는 Gas나 기름을 충진하여 사용하는 내압 부품이나 높은 강도가 요구되는 부품, FRM사용 부품, Insert사용부품 등에 주로 적용되고 있으며, 장. 단점은 아래의 <표1>와 같다. 부분 가압 주조는 가압이 보다 유효하게 작용하는 모양의 구조로 되어있다.

플런저 팁을 상승시켜, 슬리브의 용탕을 40~80mm/s와 같은 저속(통상다이캐스팅법에서는 30~50m/s)으로 캐비티 내에 주입하고, 주입 후 85~100MPa의 가압을 행한다.
알루미늄 호일 등의 생산이 행해질 수 있지만, 중력 주조법과 비교해서 연신율과 샤르피 충격력은 5배 이상으로 되며, 강도의 불균일이 적은 제품을 얻을 수 있다.
VSC(vertical shot squeeze casting), HVSC(horizontal die clamping vertical shot squeeze casting)등과 같은 스퀴즈 캐스팅한 제품의 가스함유량이 2~4cc/100g.Al으로 종래 다이캐스 팅뿐 아니라 사형주조, 저압주조보다 월등히 우수함을 알 수 있다. 이 밖에 금형 온도 제어, 구조 및 금형을 고안하여 용탕 주입 속도(gate부의 속도)를 150~200mm/s, 가압력을 25MPa 정도로 한 저속, 저압 다이캐스팅법이 있다.
알루미늄 용탕의 층류 한계는 1.5~1.6m/sec로 알려져 있기 때문에 종래 20~60m/sec의 탕구 속도를 1/30이하의 저속으로 하고 금형 내의 충전시간을 종래의 0.1초 전 후에서 0.3~0.6초 로 길게 하는 조건으로 가공하는 기술도 있다. 이때 탕구 단면적을 약 4배로 넓히는 것이 적당하다고 한다.

이러한 저속충전 다이캐스팅의 대표적인 것이 아큐라드법으로서 사출 프런저는 외부 플러 저와 내부 플런저로 구성되어 있어 응고하는 단계에서 잔류하고 있는 용탕을 응고 수축부로 제 2단계로 저속, 가압하는 방식이기 때문에 금형 캐비티에 용탕이 충전되어 금형 벽에서부 터 응고가 된다.
이때 내부 플런저를 다시 전진하여 잔류하고 있는 용탕에 압력을 가하여 수축공에 용탕을 주입하게 됨으로써 수축공을 없애는 효과를 주고 있다.

저속 충전으로 만든 제품은 열처리가 가능하며, 동일한 재료를 중력 주조한 제품보다 조직 이 미세하고 굽힘 강도, 경도 등이 우수하다. 국부 가압법은 제품형상에 의해 포로시티의 발 생이 쉬운 후육부의 품질을 개선하기 위한 공법으로 1984년경부터 일본 다이캐스트, TOYOTA, HONDA, 일본전장, 일본경금속(주)등에서 각기 개발되어 보고되고 있다.
국부적으로 두꺼운 부위가 있는 다이캐스팅 주물에서는 통상의 방법으로는 가압경로 중간 의 얇은 부위가 먼저 응고하여 가압력이 전달되기 어려운 두꺼운 부위에 수축결함이 나타나 므로 이 부위를 용탕 충전 완료후에 국부적으로 가압하는 방법이다.

주조 조건 등의 선택적 상황을 이용하여도 후육부는 1.5배 정도의 응고시간이 소요되므로 후육뷰의 수축공 등의 주조결함 발생은 필연적이라 할 수 있다.
이 같은 문제점의 개선책으로는 수축공 발생이 쉬운 보스부나 후육부 등의 후가공되는 부 위에 용탕 충전 직후의 시간에 맞게 유압실린더 등에 의해 가압 플런저를 압입하여, 용탕을 가압하여 줌으로써 수축공 등의 주조결함을 제어하는 방법이다.

가압 효과를 높일 때에는 가압 압력, 시간, 속도 등이 중요하며, 적정조건 확립시 충분한 효과를 기대할 수 있지만, 제품에 혼입된 가스량의 근본적 제어는 어렵기 때문에 열처리는 불가능하다. 이러한 방법은 자동차 에어컨 컴프레셔의 실린더 블록에 적용할 수 있다.

3.2 반용융 주조법(Semi Solid Casting)
반용융 다이캐스트법은 용탕에 전단 응력(應力)을 주며, 냉각시켜 반응고 상태에서 주조하 는 레어케스트법(Rheo-cast)과 교반 반용융 상태의 것을 냉각시켜 빌릿(billet)으로 만든 다 음 반응고 상태까지 재가열하여 주조하는 딕소캐스트(Thixo-cast)법이 있다. 레오(Rheo)스 팅법은 반용융 상태의 금속을 교반(攪拌)하여 수지상(dendrite)조직을 파괴하여 고액 혼합 슬러리 상태로서 다이캐스팅하는 방법이다.



1970년대 처음으로 제안된 방법으로 사출 온도가 통상의 방법보다 100℃정도 낮고, 사출속 도가 느리므로 주입 중 가스의 혼입이 없으며, 주입시 이미 고상률이 60%를 넘으므로 수축 공 결함이 적은 장점을 가지고 있어 일부 자동차 부품(Fuel injection distributer, support bracket, brake master cylinder등)의 생산에 이용되고 있다.
레오캐스팅의 응용으로서 슬러리에 비금속 입자와 섬유를 첨가하여 주조하는 콤포(compo) 캐스팅도 보고되고 있다. 단, 이 방법은 고액공존 영역(Mush Zone)이 넓은 합금에 적합하므 로 ADC1, ADC12등의 공정에 가까운 합금은 부적합하며, Al-Cu-Si계 다이캐스트용 Al합금 에서는 ADC10이 적합하다.

3.3. 연속 주조법(Continous casting)
강의 연속주조는 1950년대 초반에 시작되었다. 오늘날 대부분의 국가에서는 조강 생산에 대한 연주비율은 90%이상이며, 전세계적으로 75%를 차지하고 있다. 연속주조의 기본방향 은 최종제품의 형상에 가깝게 주조함으로써(near net shape casting:NNSC)공정단축, 에너지 절감, 재고 감축 및 제품생산 시간을 단축시킬 수 있게 된다.
연속 주조 공정은 종래의 조 괴(造塊)에서 분괴 압연 공정을 거쳐 슬래브(Slab)나 블룸(Bloom:괴철(塊鐵))을 만드는 방법 에 비해 주조, 형발, 균열, 분괴 압연 등의 공정을 생략하고 직접 용강을 주형에 주입하여 냉각, 응고 시켜 연속적으로 슬래브(Slab)나 블룸(Bloom), 빌릿(billet)등을 제조하는 공정이 다.

(1)주요설비
1)래들 터릿(Ladle Turret)
주조 중 또는 주조 대기 중인 래들(Ladle)을 지지하는 설비로써 연연주 작업이 용이하고 설치 공간이 적은 회전 방식이 많이 적용되고 있다.

2)턴디쉬(Tundish)
턴디쉬(Tundish)는 래들(Ladle)과 몰드(Mold)간의 용강류를 안정화 후 주형으로 내보내는 중간용이며, 주요 기능은 다음과 같다. Tundish는 개재물 부상이 용이하도록 용강의 체류기 간을 확보하고 Metal Flow를 조정할 수 있도록 댐(Dam)을 설치하고 대형화하고 있다.



3)몰드(Mold)
용강을 1차적으로 냉각수 등으로 냉각시키는 주형(鑄型)을 말하며, 냉각성능이 좋도록 열 전도도가 좋은 동합금으로 되어 있다. 구리(Cu)는 주변에 침투하여 표면품질을 저해할 수 있어 니켈(Ni), 크롬(Cr)등으로 피복(Coating)한 동판을 널리 사용하고 있다.
동판과 용강은 습윤(Wetting)성질로써 서로간의 부착을 방지하기 위하여 Mold를 상하로 움직이는 진동 (Oscillation)을 하고, Mold와 1차 냉각된 응고 Shell간의 부착을 막도록 윤활 기능을 하는 Non Wetting성질의 몰드 분말(Mold Powder)를 Mold내에 투입한다.

4)래들 덮개(Ladle Shroud), 침지 노즐(Nozzle)
대기 중의 산소는 용강 중의 알루미늄(Al)성분과 결합하여 알루미나(Alumina)라는 주편 에 치명적인 개재물을 생성시킨다. 래들 턴디쉬(Ladle -Tundish), 턴디쉬 몰드 (Tundish-Mold)간 용강주입시에 용강의 공기와의 재산화를 방지하기 위하여 각기 내화물로 된 래들 덮개(Ladle Shroud)와 침지 노즐(Nozzle)을 사용한다. 또한 완전한 밀폐를 위하여 아르곤(Ar) Sealing을 실시한다.

5)2차 냉각
주형을 빠져 나온 주편은 연주기 말단까지 통과하면서 고속의 수냉분사장치에 의해 급냉 된다. 이 구역을 "2차 냉각대"라 하며, 내부 품질에 큰 영향을 미치는 구간이다.
Strand Guided의 각 지역 (Zone)별 냉각수 유량분포 및 2차 냉각 강도를 표시하는 척도로 총유량 을 나타내는 "비수량(Water-Liter Steel- Ton)"이라는 개념을 사용하고 있는데 이것은 강 종(鋼種)별로 냉각수축 및 크랙(Crack)발생 한계응력(限界應力)에 따라 달라지게 되며, 단위 시간당 살수되는 분사량으로 정의한다.( 단위: L/Kg Steel)강종(鋼種)별 냉각 강도는 중탄소 강(0.09~0.14% C)에서는 약냉방형을 사용하고 저탄소강 및 고탄소강에서는 강냉형을 사용한 다.
Mold하부를 통과한 주편은 Strand Guide를 지나면서 냉각수에 의해 2차적인 냉각을 하는데 최근에는 냉각수의 분포가 일정해지고 최저유량을 쉽게 확보할 수 있도록 공기(Air) 를 혼합한 Air- Mist 방식의 2차 냉각을 하고 있다.

6)더미바(Dummy Bar)
주조 초기 주형에 용강을 주입할 때 용강의 누출을 막아주는 역할을 하며, 주조 초기에 는 주형내 용강을 채울 수 있도록 몰드(Mold)바닥 역할을 하며, 초기 주편을 핀치롤 (Pinch Roll)까지 인발하는 역할을 한다. Strand Guide통과 후에 전용 윈치(Winch)등에 의 해 주사응로 올려지는데 Head의 형태에는 주편과 분리가 용이하도록 되어 있으며 분리를 위한 분리장치가 필요하나 최근에는 분리장치가 필요 없는 Type도 개발되어 있다.

7)Stand Guide
주편을 지지하는 Roll들로 부풀음 발생을 방지하며, 응고과정의 주편이 수평의 주편으로 변 형되는 과정을 거친다.통과 과정에서 2차적으로 물 분무(Spray Water)에 의하여 냉각이 되 며 수평상태로의 변형과정에서 일정한 곡률 반경을 가지게 된다.
냉각과 변형과정에서 응력이 발생하며 주편의 품질 결정에 결정적 원인을 제공하게 된다. 또한, 곡률 반경에 따라 설비의 높이가 결정되어 설치 투자비가 결정되게 된다. 주편이 Strand Guide를 통과하면서 크게 두 가지 변형을 거치는데 수직부의 주편을 곡선으로 만드 는 Bending변형과 Strand하부에서 곡률을 가진 주편을 수평으로 만드는 Unbending변형을 하게 된다.
이러한 변형은 Bending Point에서 응력을 받아서 변형이 되는데 변형시 응력을 적게 하기 위해 Multi- Bending Point를 사용함으로써 응력을 분산시켜 품질을 향상시키고 있다.
최근에는 Multi-Bending Point에서 발전한 Continous Bending Type이 보급되고 있는 추세이다. Strand Guide는 여러 개로 분리하여 예비품을 줄이고 정비비 감소에 유리한 Segment Type과 설비 정렬(Alignment)에 유리하여 품질확보에 유리한 Roller Apron Type 이 있으며, 각기 제철소의 생산 강종(鋼種) 등 특성에 따라 채택하고 있다.

8)진동(Oscillation)장치
Mold가 응고 Shell에 부착하지 않도록 Mold를 상하운동 하는데 주편의 표면 품질과 돌 기(Break-Out)발생 등에 직접적인 영향을 미치는 중요한 메카니즘(Mechanism)이다.
상.하 운동시 윤활 작용을 하는 Mold Flux가 투입되는데 운동의 Pattern에 따라 유입량이 달라지게 되며, 고속 주조시는 많은 유입량을 확보할 수 있도록 진동 패턴(Oscillation Pattern)이 조절된다. 주로 CAM Type등을 사용하나 최근에는 고속주조에서 마찰력을 적게 할 수 있도록 비유동(Non-Sinusoidal)운동이 가능하고 주조 중에 스트로크(Stroke) 및 진동 수(Frequency)조절이 가능한 Inmo Type Resonance Type Mold를 채택하고 있다.

9)주조 중 폭 가변 Mold
다양한 Size의 제품주문에 대한 다연연주 작업이 가능하도록 주조 중 폭 변경 작업을 실시 하고 있는데 폭변경 중 주편과 Mold간 마찰력이 최소화하도록 설계되어 있다. 폭 변경 Taper가 조정되어야 하며 이를 위하여 상부와 하부가 각기 작동되도록 되어 있다. 폭변경 작업의 안전성을 고려하여 광폭협폭 작업을 주로 하고 있다.

10)Roll Checker
더미바(Dummy Bar)에 상시적으로 장착하여 주조 중 Roll상태를 Check하는 Type과 비작 업 시간을 활용하여 Dummy Bar Head에 장착하여 Roll상태를 Check하는 Type이 있다. In- Head Type은 Roll Gap, Roll Alignment, Roll Rotation, Roll Deflection, 냉각수량을 In-Chain Type은 Roll Gap을 Check한다.

11)Torch Cutting Machine
연주기를 통과한 주편은 지시된 일정한 길이로 절단(산소 및 가스절단)하는 설비이다. 슬래 브(Slab)연주기는 주로 가스 토치(Gas Torch) 방식을 사용하며 이 경우에는 절단 후에 슬래 브(Slab)밑면에 절단설(切斷舌)이 발생되는 단점이 있으며, 이를 제거하기 위한 제거장치가 설치된다. Mini-Mill의 경우에는 Shearing방식이 널리 사용되고 있다.

13)EMBR
Electro Magnetic Break Ruler의 약어로써 전자장을 이용하여 Mold 내 용강의 유동을 억 제하는 설비이다. 최근에는 3세대 EMBR로써 Mold내 2단 제어를 하는데 Mold상단의 용강 유동과 Mold중간부의 용강 토출류를 제어하며 용강 유동에 의한 Mold Flux 유입을 방지하 고, 용강 토출류에 의한 Mold내 게재물 도달거리를 짧게 하여 게재물 혼입에 의한 주편 품 질 저하를 방지한다. 소위, FC(Flow Control)Mold, Inmo Mold등이 소개되어 있다.

14)EMS
Electro-Magnetic Stirrer의 약어로 EMBR과는 반대 원리로써 용강을 강제 유동시키는 설비 이다. 주로 블룸(Bloom)설비 등 고탄소강 제조에 많이 적용되며 응고 과정에서 형성되어 개 재물 흡착의 원인이 되는 Dendrite Arm을 파괴하고, 응고시 발생되는 중심편석의 발생을 감소시키는 품질향상 효과가 있다.

15)열간 턴디쉬(Tundish)재사용 설비
주조 후 Tundish는 Off Line인 Tundish수리장에서 냉각, 내화물수리, 건조 및 예열의 긴 Cycle을 거치게 됨에 따라 수리비의 증가 작업환경의 열악함 및 Tundish예비품 증가의 요 인이 되어 원가상승의 원인이 되고 있다.
열간 Tundish설비는 이를 개선하기 위해 열간에서 수리가 가능하도록 조정장치(Manipulator)와 경사장치(Tilting Device)로 구성되어 있으며 부대설비로 집진기가 설치된다. 열간 상태에서 수리함으로써 Tundish수리비용이 감소하고 예열 비용이 절감되며 신속한 수리가 가능하여 Tundish예비품의 감소를 기할 수 있는 장점 이 있다.

B.연주기 공정
용강 ⇒ 래들 이송 ⇒ 연주기 주상 ⇒ 턴디쉬 주입 ⇒ 게재물 부상 분리 ⇒ Mold내 주입(1 차 냉각) ⇒주형주입(강제 진동, 용착방지) ⇒ 주편 ⇒ 2차냉각 ⇒ 롤러가이드 통과 ⇒ 인발 작업 ⇒ 교정기 ⇒ 절단 ⇒반제품

4.모합금 개선 기술
알루미늄 모합금(母合金)의 개선을 위한 기술로는 기계적 성질을 결정짓는 주요인자인 합 금조성과 열처리(熱處理), 주조품의 건전성과 미세 조직을 개선하는 것으로 구분할 수 있다.

4.1 열처리
알루미늄 주조합금은 열처리에 의한 강도 및 경도의 상승 정도에 따라 열처리용 합금과 비 열처리용 합금으로 나뉘며, 열처리용 합금의 기계적 성질을 향상시키기 위한 열처리법으로 는 거의 대부분 고온 용체화 처리와 인공시효 처리가 시행되고 있다.
열처리 변수로는 용체화 처리 온도와 시간, 급냉 속도, 시효온도 및 시간을 들 수 있으며, 온도가 높을수록 석출물의 고용한계와 확산속도가 증가하므로 석출물을 최대한 고용시키기 위해 재용해가 일어나지 않는 범위에서 가장 높은 용체화 처리 온도를 선택하여야 하며, 열 처리 시간은 주조품의 두께나 노 내의 장입량을 고려하여 균일한 고체 고용체를 얻을 수 있도록 충분히 길이야 한다.
또한 냉각도중 기계적 성질이나 내부식성에 유해한 석출물의 생성을 피할 수 있도록 빠른 속도로 냉각을 시켜야 한다. 따라서, 요구되는 강도와 연성에 따라 적절한 온도와 시간을 선택하여야 한다.

4.2 기공 및 수축공 처리
주조품의 건전성을 나타내는 수축공(獸畜孔)과 기공(氣孔)은 어떤 다른 인자보다도 기계 적 성질에 가장 심각한 영향을 미친다. 응고 말기의 수축부위에 대한 용탕 공급이 원활하지 못할 때 발생하는 수축공은 적절한 일방향 응고에 의해 제어가 가능하다. 특정부위로부터 시작되는 응고가 압탕 쪽으로 진행되어 수축공이 발행하지 않도록 냉금과 단열재, 압탕, 탕 도(runner)등의 설계가 적합하게 이루어져야 한다.

4.3 탈가스 처리
알루미늄 합금에서의 기공은 고용되어 있던 수소나 메탄(CH₄), 질소(N₂)등이 응고 도중 석출하여 밖으로 빠져나가지 못하고 내부에 잔류하거나 온도상승으로 인한 주형의 가스방출 로 발생한다.
그러므로 주조에 앞서 용탕의 충분한 탈가스와 주형의 건조가 필수적이다. 종래에는 알루미늄 용탕의 탈가스 처리제로써 염소가스, 또는 염소계 플럭스가 많이 사용 되었으나, 인체에 유해한 염소가스의 환경오염문제로 최근들어 질소가스와 아르곤 가스로 상당부분이 대체되고 있다.
질소 가스는 수분 함유율이 높고 용탕과의 반응성이 있어 탈가스 성능면에서 우수하지 못 해 고품질의 알루미늄합금 제조시에는 불활성 가스인 아르곤이 많이 사용되고 있다.

4.4 결정립 미세화
알루미늄 주조합금에서 기계적 성질에 영향을 미치는 금속학적 조직인자로는 DAS와 결정 립 크기, 제2상 입자의 크기와 분포 등이 있다.
기계적 성질을 결정짓는 이들 조직인자를 제어하고자 응고속도 조절 및 입자 미세화, 개량 처리 등이 용탕처리를 실시하게 된다. 응고속도 증가시키면, DAS 및 결정립이 미세해지며, 응질 원자의 고용한이 확대되고 편석이 감소할 뿐만 아니라 제2상 입자의 정출량이 감소하 고 크기도 작아지며, 수축공 및 기공이 감소하여 균일하고 미세하게 분산된다.
결정립이 미세해 지면 주조 중에 균열발생 경향이 감소하며, 응고 말기에 생기는 수축공에 대한 용탕 공급이 원활해지고 결정립계에 생성되는 기공이나 제2상 입자들이 불순물이 미세 하게 균일 분산되므로 건전한 주조조직을 얻을 수 있다.
또한, 압연이나 압출 등의 소성가공 공정을 거치는 경우 미세 결정립 조직은 균일하게 소 성 변형되어 균열 발생을 억제하고 최종제품의 기계적 특성을 향상시킨다. 알루미늄 합금의 결정립 미세화 방법에는 용탕에의 진동 발생법 및 염(Salt), Al-Ti-B계 합금 첨가법이 압 도적으로 많이 사용되고 있다.

Al-Si계 합금은 공정 Si상이 석출되어 인성 및 절삭성을 저하시키는데 이를 방지하기 위해 구상으로 미세화 시키기 위해 Na, P등이 사용되나 Na은 개량지속시간이 짧아 지속성이 긴 Sr이나 영구적인 Sb가 공업적으로는 많이 사용되고 있으며, P이외에는 S, Se, As 등의 원 소가 고려되기는 하나 확연한 결과물이 발표된 적은 없다.
주괴 조직의 미세화는 주괴 전체를 균질하게 하고 주조시 균열을 방지하며 그 후 가공성 및 압연판, 압출재의 알루마이트 처리시 표면품질의 개량 등을 위해 매우 중요하며 통상 결 정립 미세화제로 Al-Ti-B혹은 Al-Ti모합금이 용탕 중에 첨가된다.
알루미늄합금은 1954년에 미국에서 통일되어 사용된 AAA(American Aluminium Association)규격에 따라 구분하여 크게 9가지로 나누어 분류하고 있다. 알루미늄 합금번호 는 4자리 수로 되어 있으며, 첫째자리 숫자는 합금계열을 나타낸다.
둘째자리 숫자는 합금이 개량된 때 붙이는 숫자이며, 그 다음의 두자리 숫자는 합금번호를 표시한다.

단, 1000계열일 경우에는 뒤의 두 자리 숫자는 그대로 표시하며, 예컨대 합금번호가 1050일 경우 알루미늄 순도가 99.5%, 1235일 경우 알루미늄 지로에 투입해서 사용되며 후자는 와 이어 피더를 사용해서 주조 직전에 탕도(trough)등에 연속 장입된다.
조성적으로는 Al-5% Ti(1, 0.6, 0.2)% B등의 모합금이 시판되고 있으며 제품의 종류, 용동 등에 따라 B비율이 달 라지는 것이다. Al-Ti은 Al-Ti-B에 비교했을 때 미세화 효과가 떨어지고 첨가량, 용탕온 도, 유지시간의 영향을 받기 쉬우므로 이들을 잘 관리해야 한다.
일반형장 조업에서는 Al-5% Ti-1% B 모합금의 첨가량은 Ti량에서 0.01~0.03%, 첨가온도는 720~750℃정도인 경 우가 많다. Al-Ti-B 모합그을 첨가한 용탕을 정치하면 TiB₂가 침강하거나, 또 세라믹 튜 브 필터로 여과하면 TiB₂입자가 포착되어 미세화 효과가 악화되므로 주의해야 한다.
한편 Al-Ti-B의 첨가에 따른 문제점은 조대한 TiB₂나 그 집단에 의한 압연판의 알루마이트처 리에 있어서 표면결함의 원인이 되므로 과잉 Ti+B량의 첨가는 피해야 한다. 또한 Al-Ti, Al-Ti-B에 의한 결정미세화 조직에 관한 문헌이 많이 있다.

4.5 주물용 알루미늄 합금 특성
알루미늄은 사용하고자 하는 용도에 맞추어 여러 가지 합금형태로 이용된다. 순도가 99.35%임을 나타내고 있다. 또한, 알루미늄 합금에는 열처리를 하면 강도가 높아지는 열처 리 합금과 그렇지 않은 비열처리 합금으로도 구분하는데 2000, 6000, 7000계열은 열처리합 금으로 이외의 것은 통상적으로 비열처리 합금으로 구별하기도 한다.

①1000계 알루미늄
1000계 알루미늄은 가공성, 내식성, 표면처리성 등이 뛰어나지만 강도가 낮기 때문에 구조 용으로는 적합하지 않다. 하지만 강도를 요하지 않는 가정용품, 일용품, 전기기구에 많이 이 용된다. 순 알루미늄에 포함된 주요한 불순물은 Fe, Si이지만 불순물이 적어짐에 따라 내식 성이 향상되고 양극 산화처리를 하면 표면 상태가 좋아진다.
이 때문에 화학, 식품, 공업용 탱크, 장식품, 명판, 반사판 등으로 사용된다. Fe, Si양, Fe/Si 양비, Al-Fe, Al-Fe-Si 화합물의 정출 상태와 구조, 고용량, 석출 상태 등에 의해 강도, 가 공성, 내식성이 크게 변동하기 때문에 Fe와 Si는 합금원소와 같이 관리되고 있다.
전기 전도성, 열전도성에도 우수하기 때문에 1060, 1070은 송배전용재료, 방열 재료로 많이 사용되고 있다.

②2000계 합금
두랄루민, 超두랄루민이라는 명칭으로 알려져 있는 2017, 2024가 대표적인 것으로 철강재에 필적하는 강도를 가지고 있다. 하지만 비교적 많은 동을 함유하고 있기 때문에 내식성이 떨 어지고 부식환경에 노출된 경우에는 방식처리를 충분히 해 줄 필요가 있다. 항공기용 재료 로서 표면에 방식을 목적으로 순알루미늄을 더해 압연한 클래드재가 사용된다.
2014는 고강 도 단조재로써 광범위한 용도에 쓰여지고 있다. 용융 용접성은 기타 알루미늄합금에 비해 떨어지기 때문에 결합하는 주로 리벳, 볼트 접합, 저항 스팟용접을 사용한다. 절삭성은 양호 하고 특히 Pb, Bi를 첨가한 2011은 뛰어난 쾌삭성 합금으로서 기기부품에 많이 이용되고 있 다.

③3000계 합금
3003은 3000계의 대표적인 합금으로 Mn의 첨가에 의해 순알루미늄의 가공성, 내식성이 저 하됨이 없이 강도를 증가시킨 것이다. 기물, 건축재 용기 등 광범위한 용도로 쓰인다. 3004 에 해당하는 합금에 Mg를 1%정도 첨가하면 강도를 한층 더 증가시킬 수 있으므로 알루미 늄 캔 바디, 칼라 알루미늄, 전구의 꼭지쇠로 사용된다.

④4000계 합금
4032는 Si를 첨가함으로써 열팽창율을 억제하고 내마모성을 개선한 것으로 미량의 Cu, Ni, Mg 등을 더 첨가하면 내열성을 향상시키고 단조 피스톤재료로 사용된다. 4043은 용융 온도 가 낮아 용접와이어, 브레이징 납재로 사용된다. 또한 이 합금은 Si입자의 분산에 의해 양극 산화처리피막이 회색이 되기 때문에 빌딩건축의 외장용 패널로도 사용되고 있다.

⑤5000계 합금
Mg 첨가량이 비교적 적은 것은 장식용재, 기물용재로 많은 것은 구조재로도 사용된다. 따라서 합금의 종류가 많다. Mg첨가량이 적은 합금으로는 장식용재, 고급기물로 사용되어 지는 5N01과 차량용 내장 천장재, 건축재, 기물재로 이용되는 5005가 대표적이다.
중간 정도의 Mg을 함유한 것으로는 5052가 대표적인데 중간 정도의 강도를 가진 재료로 가장 일반적인 것이다.
5083은 Mg을 함유량이 많은 합금 중에서 비열처리형 합금으로는 가장 우수한 강도를 가 지고 용접성도 양호하다. 이 때문에 용접 구조재로 선박, 차량, 화학공장 등에 사용되고 있 다. 이 합금계는 냉간가공의 상태에서는 강도가 조금 저하하고 연신율이 증가하는 경년 변 화를 나타내므로 안정화처리를 한다.
해수나 공업지대의 오염대기에 강하므로 외관을 문제 시하지 않는다면 방식처리를 할 필요성은 비교적 적다. 또 5083같이 Mg을 많이 함유한 것 은 과도한 냉간 가공을 한 채 고온에서 사용하면 응력 부식 균열이 일어날 수 있기 때문에 통상 구조재로는 연질재가 사용된다.

⑥6000계 합금
이 합금계의 합금은 강도 및 내식성도 양호해 대표적인 구조재로 알려져 있다. 다만 용접 한 그 상태로는 조인트효율이 낮아 피스, 리벳, 볼트 접합에 의해 구조조립을 하는 경우가 많다. 6061-T6은 내력 245MPa이상에서 SS400강에 해당하고 설계상 휨이 문제가 되지 않는 다면, 동등한 허용 응력을 가질 수 있다는 이점이 있다.
주로 철탑, 크레인 등에 이용되며, 6063은 뛰어난 압출성을 갖추고 건축용 샷시를 중심으로 6061만큼의 강도를 필요로 하지 않 는 구조재로 사용된다. 6N01은 6063과 6061사이의 강도를 가지고 있는 합금이다.

⑦7000계 합금
알루미늄합금 가운데 가장 높은 강도를 가진 Al-Zn-Mg-Cu계 합금과 Cu를 함유하지 않은 용접구조용 Al-Zn-Mg계 합금으로 분류할 수 있다. 대표적인 Al-Zn-Mg-Cu계 합금은 7075 로 항공기, 스포츠용품류에 사용되고 있다.
Al-Zn-Mg계 합금은 비교적 높은 강도를 가지고 있으므로 용접 후열의 영향을 받는 부분 도 자연시효에 의해 모재에 가까운 강도를 회복하기 때문에 뛰어난 조인트 효율을 얻을 수 있다. 7N01이 그 대표적인 합금으로 용접 구조용 재료로 철도 차량 등에 사용된다.
또한 이 합금계는 열처리가 적절하지 않을 경우 응력 부식 균열이 일어날 우려가 있기 때 문에 주의를 해야한다. 따라서, JIS의 표준 열처리 조건에서보다는 과시효가 되는 조건에서 템퍼링을 하는 경우도 있다.

⑧기타 합금
알루미늄에 Li를 첨가하면 밀도가 작아지고 영율은 커지기 때문에 이상적인 저밀도, 고강 성재로 항공기 외 기타 대형 구조용 등으로 주목되며 Al-Li계, Al-Li-Cu-Mg계 등을 실용 화하기 위해 개발되고 있다.
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