주물기술/ 주물용 알루미늄 합금
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
주물용 알루미늄 합금
1.서론
알루미늄 합금은 용융점이 비교적 낮아 재용해가 비교적 용이하고 무게가 가벼우며 열용량 이 커서 주조성이 양호하여 사형, 금형 및 다이캐스팅 등의 주조법을 이용하여 자동차엔진, 전기기기, 기타 각종 부품등의 대량 생산품으로부터 수공업적 미술품에 이르기 까지 광범위 한 분야에 사용되어 지고 있다.
알루미늄 합금 주물의 제조 방식으로서 많은 주조방법이 개발되어 졌으며 각각 특색이 있 으므로 사용목적에 따라, 제품 형상, 소요 수량, 품질 수준 등의 요구 특성과 경제성에 따라 최적의 합금과 주조법을 선택하여야 할 것이다.

주물용 알루미늄 합금은 크게 Al-Cu계, Al-Mg계의 3대 2원계 합금에 Cu, Si, Mg 및 Ni 등이 단독 혹은 복합적으로 첨가된 3월 및 4원계 합금으로 되어 있다. 이들 합금은 JIS규격 에 의하면 사형, 금형 주조용 합금 및 다이캐스팅 합금으로 크게 구분되어져 있다.
알루미늄 합금의 주조 방법으로는 사형 주조법, 금형 주조법 및 다이캐스팅법이 가장 많이 이용되는 주조법이며 이중 다이캐스팅법이 대량 생산등의 잇점이 있어 가장 보편화된 주조 방법이라 할 수 있다. 최근에는 응고시 압력을 가하는 용탕 단조법, 반용융상태에서 가공을 하는 반용융 응고 가공법등이 새롭게 개발되어 지고 있다.

[1]주조 방법 및 합금의 선택
(1)주조 합금의 유동성
주조용 합금이 갖추어야 할 가장 기본적인 특성이며 아무리 여타 성질이 우수하여도 유동 성이 나쁘면 주조용 합금으로 사용되어질 수 없다. 특히, 얇은 부품이나 복잡한 형상의 부품 인 경우에는 탕구에서 먼 부분까지 용탕이 채워질 수 있는 능력 및 용탕의 흐름 적절여부 등을 판단할 필요가 있으며 주형 온도, 통기도 등 여러 인자를 고려하여 최종적으로 결정해 야 한다.
(2)주조 합금의 압탕능력
압탕 능력이란 주입후 응고가 완료될 때 까지 생기는 응고 수축을 보충하기 위한 능력이며 사용재질의 응고 특성과 주형 온도에 따라 좌우된다.
(3)주조 합금의 내균일성
주물이 응고를 시작하여 냉각될 때 건전한 강도를 가지는 외에 수축 과정중 주물에 균열이 생기지 않도록 해야 한다. 균열이 발생하지 않도록 주조방법 및 합금의 선택이 이루어져야 한다.
(4)제품의 칫수 정도
제품이 요구하는 최종 칫수의 정밀도에 따라 각 주조법의 정밀도를 대비하여 주조 방법이 선택되어야 하며 적절한 주조 방법에 의하여 후 기계 가공을 적게 하고 제품의 경량화를 이 룰 수 있다.

2.알루미늄 합금의 주조 방법
(1)다이캐스팅 및 저압 주조법(그림1 참조)


(2)신 주조법
.아큐라드법
-이중 플란자 이용
-인너 플란자(inner plunger)에의해 용탕을 스퀴즈함
.스퀴즈 캐스팅(squeeze casting. 용탕 단조법)
-주입된 용탕의 응고시 압력을 가함
-직접 가압 주조
종형 가압주조법
-슬리브 이동식 가압 주조법
전자 펌프 급탕에 의한 가압 주조 방식
.반용융 가공법(semisolid state processing) -고액 공존영역의 합금을 교반 등에 의한 소성 변형
-완전 용탕 온도까지 올리지 않고 제품 생산이 가능
-레오 캐스팅법
딕소캐스팅법

(3)다이캐스팅 법과 아큐라드법의 비교
(그림 2참조)


3. 주물용 합금의 종류
(1)미국 Aluminium Association System(표2참조)

(2)영국 system - LM2 LM6 LM21

(3)일본 JIS system ACX A ACX B ADCX



(4)미국 및 영국 규격에 의한 주물용 합금의 분류 및 합금의 기계적 특성(표 3.4 참조)

(5)JIS 규격에 의한 주물용 합금의 분류(표 5.6참조)



4. 주물용 합금의 특성
주조용 합금의 선택은 합금의 조성 즉 합금의 응고범위, 유동도, 내균열성들을 고려하여 결 정되어야 한다. 사형 주조 합금은 허용되는 특성의 범위가 가장 크며 통상적으로
208(Al-4Cu-2Si) 413(Al-11.5Si)
213(Al-7Cu-2Si-2.5Zn) 356(Al-7Si-0.3Mg)
332(Al-9Si-2Cu-1Mg) 319(Al-6Si-4Cu)
등의 합금이 주로 많이 사용되어지고 있다. 특히 413은 용융온도가 낮아 생산성이 높아지고 다이의 마모를 감소시킨다.
합금의 주조성은 3xx, 4xx, 5xx, 2xx, 7xx의 순서로 감소하며 내부식성은 일반적으로 Cu 를 포함하지 않은 합금이 포함된 경우보다 우수한 것으로 알려져 있다.

[1]사형 및 금형 주조용 합금(JIS)
(1)Al-Cu계 합금(ACIA)
Al에 Cu를 첨가하면 강도와 절삭성등은 향사오디나 반면에 고온 강도와 내식성은 크게 저 하되고 고온 균열 및 cast cracking을 발생하게 된다. 그러나 일반적인 사용에는 지장이 없 다.
Cu는 Al에 548℃에서 5.7%고용되나 상온에서는 거의 고용되지 않기 떄문에 시효 석출에 의해 기계적성질은 크게 개선 할 수가 있다. 응고 온도 범위가 넓어 응고과저에서의 고액 공존 상태가 오래 계속되기 때문에 수지상정 사이에 용탕의 보급이 잘 안되어 이 부분에 미 세한 수축공이 발생하기 쉽다. 또한 용탕중의 가스도 이곳에 남아 핀홀(pin hole)의 발생을 수비게 하여 고온 균열(crack)의 원인이 되기도 한다.
이 합금에 Si를 소량 첨가하면 고온 균열이 방지되나, 저융점 3원 공정이 생겨 용체화처리 온도에 주의를 요한다. a고용체의 범위는 Si의 혼입에 의해서 크게 좁게되고 3원 공정을 만 들어 용융 온도도 낮아진다. 따라서 Si함유량이 많은 합금에서는 열처리 중 온도 관리를 충 분히 하지 안흥면 국부 용해의 위험성이 따르게 된다. 열처리는 소입 후 상온 방치만에 의 하여는 잘 경화되지 않으므로 템퍼링이 필요하다. 510~530℃에서 5~8시간 동안 용체화 처리 를 한 후 수냉하여 140~150℃에서 5~8시간 동안 템퍼링한다.

(2)Al-Cu-Si계 합금(AC2A, AC2B)
이 합금은 Al-Cu계 합금에 Si을 첨가함으로써 절삭성과 기계적 성질을 개선시킨 합금이 며, 특히 Si가 맣이 포함된 합금은 Na첨가에 의해서 개량처리가 가능한 합금이다. 이 계의 합금은 유동성과 내압성이 우수하며 열간 균열이나 수축공등이 적어 기계 부품으로서 널리 사용되어지며 금형 주물에 적당한 성질을 갖고 있다. 소량의 Mg첨가는 Mg2Si의 석출 경화 에 의해서 강도를 향상시키는 효과가 있으나 반면 연신율을 감소시키는 단점도 갖고 있다. Fe는 강도와 연신율을 다같이 감소시킬 뿐만아니라 수축공을 발생하게 하고 Si의 함량이 많을 경우에는 Al4FeSi와 같은 3원 화합물을 형성하여 재질을 취약하게 한다.

(3)Al-Cu-Mg-Ni계 합금(AC5A)
Y합금으로 불려지며 우수한 기계적 성질과 절삭성을 갖는 Al-Cu계 합금에 Ni과 소량의 Mg을 첨가하여 300℃에서 약 20kg/㎟이상의 고강도를 유지할 수 있는 내열성을 부여시킨 합금으로서 열처리에 의해서 기계적 성질을 보다 향상시킬 수 있어 피스톤과 같은 내열성의 부품제조에 널리 사용된다.
유동성은 나쁘지 않으나 응고시 수축량이 비교적 크기 때문에 고온 균열, 수축공 등의 결 함이 생기기 쉽다. 반면에 절삭성과 내마모성이 우수하며 고온 균열도 결정립 미세화 처리 에 의해서 크게 감소시킬 수도 있다. Ni대신 일부 0.5%전후의 Cr혹은 Mn을 첨가하면 기계 적 성질과 내열성을 다소 향상시킬 수가 있으며 Mg을 1.5%이하로 하면 인성은 증가하나 내열성은 다소 감소된다.
용체화 처리 온도가 550℃로 높아지면 결정립이 조대화되어 경도와 고온 강도가 감소되며 템퍼링 온도가 높아지면 상온 강도와 내력 등은 증가되나 연신율은 감소된다. Mg이 존재하 면 템퍼링 효과가 크게 나타나게되어 인성이 저하되어 0.3%이하로 억제시킬 필요가 있다.

(4)Al-Si계 합금(AC3A)
Al-Si계 합금은 silmin이라 불려지는 합금으로서 주조가 대단히 쉬우며 특히 Al-Si계의 공 정점에 가까운조성이 되면 열간 취성이 제거되고, 유동성과 용접성 및 내식성이 우수하여 주로 두꺼운 대형 주물이나 형상이 복잡한 주물에 많이 이용된다. 응고속도가 늦으면 Si가 조직내에 침상으로 조대하게 석출되어 기계적 성질과 절삭성을 저하시키고 두꺼운 부분에는 결함발생을 쉽게 한다.
주조 개량은 Na의 첨가에 의하는데 이때 Na은 공정 Si을 미세하게 분산시켜 기계적성질은 크게 향상시키나, 핀홀을 발생하게 할 위험성이 있다. 소량의 Na첨가에 의한 개량처리는 용 탕온도 750℃에서 용탕량의 0.05-0.1%w정도의 Na을 Al박에 싸서 삽입한다. 최근 공정점 이상의 Si이 함유된 과공정 Al-Si합금이 열팽창계수가 적고 내마모성이 우수 하기 때문에 널리 사용하게 되었다. 그러나 과공정 Si에서는 초정 Si을 미세화 시키기 위하 여 P 즉 P₂Cl5, 8-15% Cu-P의 모합금 및 Mn₃P등과 같은 인화물을 첨가한다.

(5)Al-Si-Mg계 합금(AC4A, AC4C)
Al-Si계 합금에 소량의 Mg를 첨가함으로써 Al-Si계 합금의 특성을 그대로 유지하면서 기 계적 성질과 절삭성을 개선한 합금이다. 기계적 성질은 Mg₂Si의 석출에 의해서 향상되나 높은 연신율을 얻기 위하여 다시 Na첨가에 의한 개량처리가 필요하다. Mg함량은 기계적 성질에 가장 예민한 영향을 미치므로 각별한 주의가 필요하다. 또 Fe분의 함입은 연신율을 감소시키는 외에 Si와 더불어 3원 화합물(Al₄FeSi)을 만들어 취약하게 한다. 그러나 일반 적인 Al-Mg-Si합금(AC4C)은 주조성, 용접성, 내식성이 우수하며 주물용 합금중에서는 전 기전도도가 가장 우수한 합금이다. 주조 개량으로는 소량의 Mn을 첨가함으로써 주조 성분 만 아니라 내식성과 기계적 성질등을 크게 개량하여 사용하기도 한다.

(6)Al-Mg계 합금(AC7A, AC7B)
Al에 Mg을 첨가하게 되면 기계적 성질, 절삭성 및 내식성은 크게 개량되지만 대신 열간 취성이 증가되기도 한다. 이 합금은 Hydronalium으로 알려져 있으며 산화하기 쉽기 때문에 드로스가 생기기 쉬운 경향이있고 유동성이 나쁘다. 3.5-5.5%의 Mg첨가합금은 내식성 특히 해수에 대한 내식성과 절삭성이 우수하고 주조용 Al합금중에서 연신율이 가장 크다.
9.5-11%의 Mg을 포함하는 합금은 3.5-5.5%Mg 첨가 합금보다 기계적 성질과 양극산화성은 우수하지만, 응력부식성과 주조성은 나쁘다. 열처리시 완전한 용체화처리가 되지 않으면 β 상이 a상으로 확산해 나가는 과정에서 Mg의 농도에 차를 생기게 하여 결정입내에 Mg의 농도차가 생김과동시에 석출 현상이 일어나 내식성을 해치게 되며, 이때 β상이 입계에 필 름상으로 석출하기 때문에 연신율이 극도로 감소하는 경향이 있다.
장기간 사용의 응력 부식 균열에 대한 저항이 가장 큰 합금으로 8%Mg, 1.5%Zn. 0.25%Mn 및 0.15%Cu가 개발되어 사용되고 있다. 이때 Cu는 주로 응력 부식균열에 대한 저항성과 기 계적 성질을 향상시키고, Mn은 기계적 성질과 내식성 및 주조성등을 향상시키나, 너무 과잉 으로 첨가되면 오히려 기계적 성질을 해치게 된다.
Al-3.3-3.5%Mg합금(AC7A)은 유동성이 나빠 금형 주조가 어려우며 Zn과 Si을 첨가함으로 써 주조성을 크게 개선시킬 수 있다. 이 때 Zn의 첨가량은 0-3%범위이다. Si은 약1%정도 첨가하면 유동성, 열간취성 및 내압성 등은 개량되나 인성은 극단적으로 저하된다. 이외에 내열성이 좋고 열 팽창율이 작아 주로 피스톤용으로 많이 사용되고 있는 Loex라 불리는 Al-Si-Cu-Mg계 합금과 고강도, 고연신율의 용접성이 우수한 Al-Zn-Mg-(Cu)합금 이 개발되어 사용되고 있다.

[2]다이캐스팅용 합금(JIS)
(1)Al-고Si합금(ADCI)
AC3A와 동일한 조성인 Al-12%Si 2원 공정 합금이지만 다이캐스팅 작업시 불순물 특히 Fe 가 적을때는 금형에 Al이 용착하기 때문에 일반적으로 1%정도의 Fe를 첨가 했을 때 최적 의 주조성과 강도가 나온다. 때문에 강도보다는 오히려 내식성이 요구되는 부품에 주로 사 용되어 진다.

(2)Al-Si-Mg계 합금(ADC3)
AC4A와 합금 조성이 거의 동일하지만 다이캐스팅용으로는 불순물을 조절하여 사용한다. 주조성, 내식성, 내압성외에 특히 인장강도, 연신율, 내충격성이 우수하다.

(3)Al-Mg계 합금(ADC5, ADC6)
대단히 내식성이 우수하고 적당한 강도와 높은 연신율을 가지고 있지만 열간 균열, 유동성, 주조성이 타합금과 비교해서 대단히 나쁘기 때문에 균열이 발생하고 주조 불량이 생긴다. 용도는 내식성이 중요시되는 모타보트용 선외기 부품등, 광택 buffing 등에 사용되는 오토바 이의 포인트, 카바나 다이나모 카바 및 핸들의 형상 같은 간단한 부품에 제한된다.

(4)Al-Si계 합금(ADC7)
이 합금은 전신재4043과 동일한 조성이며 전신성이 우수하고 내압성, 내식성도 우수하다. 그러나 금형에 용착이 일어나기 쉬우며 주조성은 오히려 나쁜 편이다. 다이캐스팅용 합금중 가장 강조가 낮으며 주요용도로는 조리 용기, 건축용 파이프 부속 부품으로 이용된다.

(5)Al-Si-Cu계 합금(ADC10. ADC12)
AC3A의 주조 특성을 갖지만 Cu첨가로 기계적 성질이 개선된 합금이다. ADC10합금은 AC4B와 기본조성이 동일하고 ADC12는 주조성을 더욱 향상 시키기 위해서 Si을 증가시킨 합금이다.
현재 대량 사용되고 있는 합금이며 자동차용 미숀케이스, 크랭크 케이스, 산업기계부품, 가 정용기등 여러 분야에 걸쳐 폭 넓게 사용되어지고 있다.



5.합금 원소의 첨가 영향
①Cu
.시효 강화 특성을 나타내도록 하는 원소로서 재료의 기계적 성질을 향상시킨다. .첨가에 의해서 내식성은 취약하게 되며 절삭 가공성은 향상된다. 소량의 첨가에 의해서 버 핑 작업시 광택성을 향상시킬 수 있다.
②Mg
.고용효과에 위한 기계적 강도를 향상시키고 Si와 Zn의 공존 여부에 따라 시효 강화 특성이 생길 수 있다.
.절삭 가공성이 우수해지며 특히 해수에 대한 내식성이 양호해진다.
.응고시 수축율이 적어진다.
.용탕의 유동성이 약화되고 특히 산소와의 결합력이 강해서 잘못 처리시 산화물 유입의 원 인이 된다.
③Si
.11%까지 첨가시 융점이 감소하며 주조성이 향상된다.
.경도가 높아지며 내마모성을 향상시키나 내충격성은 저하시킨다.
.Si의 첨가에 따라 양극산화 피막이 회색을 띤다.
.Mg와 공존할 경우 Mg₂Si를 형성하여 시효처리에의해 강도가 향상되어 질 수 있다.
.열팽창 계수를 저하시킨다.
④Fe
.극히 소량으로도 Al₃Fe화합물을 형성하며 또 Si와 결합하여 Al-Fe-Si금속간 화합물을 형 성하므로 기계적 성질의 저하 요인이 된다.
.소량으로도 표면 광택이 나빠지며, 1%정도의 첨가는 다이캐스팅시금형에 소착 방지 효과가 있다.
.내식성 및 합금 연성을 취약하게 한다.
.재결정립 조대화를 방지하며 따라서 주조시 결정립 미세화 효과가 있다.
⑤Mn
.내식성을 저하시키지 않고 강도 향상이 가능하며 Fe유해율을 감소 또는 방지시킨다.
.결정립 미세화의 효과가 있다.
.전기 전도도를 저하시키며, 주물에서는 Hot Spot의 원인이 된다.
⑥Cr
.결정립 재결정을 방지하며 따라서 결정립 미세화의 효과가 있다.
.열전도율을 저하시키며 입계 부식의 방지 효과가 있다.
.결정립 미세화 효과가 있으며 B와 함께 첨가되면 효과가 보다 향상된다.
.기계적 성질을 향상시키며, 전기 전도도율은 극히 저하시킨다.
⑦Zn
.Mg와 공존하여 기계적 성질을 향상시킨다.
.내식성을 향상시킨다.
⑧Ca
.Al-Si합금에서 조량 공정을 생성시키며 Cu함유 합금에서 내식성을 저하시킨다.
⑨Zn
.내식성을 향상시키며 결정립 미세화 효과가 크다.
⑩V
.내열성을 향상시키나 전기 전도도율을 극히 저하시킨다.
⑪Pb
.소량의 첨가에 따라 절삭성을 향상시키나, 기계적 성질 및 내식성에 유해하다.

6.알루미늄 주조품의 실용 예(금형주조 및 저압주조/사진참조)
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