소재기술/분무성형공정에 6061Al-15(v/o)SiCp계 복합재료
오늘은 입니다.
등록번호: 문화 라-08507 / ISSN 1599-4643(국제표준연속간행물번호)
본 자료는 메탈넷코리아에서 취재.조사.편집 및 기술자료로 무단전제.복사하는 것은 불법입니다.
제휴.제안.질의 & 광고게재.신제품소개 및 자료문의: 월간 메탈넷코리아 편집부
서울국제야금&주.단조&열처리산업전
분무성형공정에 의한 6061Al-15(v/o)SiCp계 복합재료
울산대학교 공과대학 재료공학과 정 은 교수
1. 서 론
금속기복합재료(Metal Matrix Composites, MMCs)는 연성과 인성을 갖는 기지금속(Matrix)에 높은 열안정성과 높은 탄성계수를 갖는 세라믹 강화재(Reinforcement)인 화이버, 휘스커 및 입자를 보강시킨 재료로서 기존의 금속기지에 비하여 비성질들이(Specific Properties)뛰어나 우주항공산업, 자동차산업 및 첨단산업분야에도 금속기 복합재료가 차지할 위치에 대한 전망은 매우 밝다.

금속기복합재료는 강화재의 형상에 따라 연속적인 강화형 금속기복합재료(Continuously Reinforced MMCs)와 불연속적인 강화형 금속기복합재료(Discontinuously Reinforced MMCs)로 불류할 수 있으나, 제조 비용이 낮고 거의 등방적인 성질을 가지며 소성가공성이 양호한 불연속강화형 금속기복합재료에 관한 연구가 많이 진행중에 있다. 금속기 복합재료에 제조방법으로는 Powder Metallurgy, Compocasting, Squeeze Casting등이 있으나 최근에 들어 크게 관심을 끌고 있는 공정은 Spray Forming공정이다.

즉 금속액적(Metal Droplet)의 분무와 동시에 제2상의 미세하고, 불연속 세라믹입자 강화재인 SiCp, Al₂O3p, B4Cp, SiN4p들을 분무시켜 줌으로써 제2상의 세라믹 입자가 편석이 없이 재료 전체에 고르게 분포되어 원형 또는 원형에 가까운(Net or Near Net Shape Manufacturing)복합재료를 얻을 수 있고 또한 제2상의 세라믹 입자의 참가 분율을 비교적 넓게(Max. 35(v/o))조절할 수 있는 공정이다.

본 연구에서는 Spray Forming공정을 이용하여 강화재인 SiCp입자 크기에 따른 6061Al-155(v/o)SiCp계 복합재료의 예비 성형체(Preform)를 제조하고, 제조된 시편의 미세조직과 기계적성질인 경도와 내마멸성을 조사, 분석하여 본 제조공정의 타당성을 조사하였다.

2. 실험방법
[1]분무성형장치
본 연구는 분무성형장치를 개량화된 동시분무성형공정(Spray Codeposition)장치(그림1)를 이용하였다.
분무성형시킬 6061Al합금(표1)2.3kg을 알루미나 도가니(#10)에 장입한 뒤 100KHZ, 39KW고주파 유도용해로를 이용하여 용융점보다 100℃이상의 온도가 되도록 용해하였다.분무성형시 6061Al합금의 액적의 산화방지를 위하여 용해도중에 분무탱크내 부질소가스 보호분위기로 유지시켜 주었다.

그림 1 그림 2

전기로(2KW, Kanthal)에 의해 700℃로 예열된 턴디쉬(Tundish)로 용융 금속을 공급하였으며, 고순도의 흑연노즐(5mmø)을 통해 흘러나오는 용융 금속을 2단 분무기(Two Stage Atomizer)를 이용하여 분무기 하부에서 430mm떨어진 기판에 분사시킴과 동시에 Ceramic Feed장치 그림2를 이용하여 SiCp(10,40㎛)입자 그림3를 분사시켰다.

이때 일차분무기의 압력은 0.4MPa, 이차분무기의 압력은 1.2MPa이었으며 Vibrator Gas 0.15MPa이었다. 기판은 Disk 형태로 분무축에 대하여 15°의 경사각을 주어 모타를 이용한 구동장치에 의해 회전속도는 58rpm, 병진 속도는 7mm/s로 일정하게 유지하였다.

[2]기계적 성질
6061Al합금 및 6061Al-SiCp복합재료의 경도 측정은 비커스경도기를 사용하였으며 (하중 1kg)rm 산술평균값을 경도값으로 하였다.
마모시험은 Pin-On-Disk Method를 이용하여 5mmø x 15mm인 원기둥형태의 Al-SiCp(10, 40㎛)계 복합재료의 Pin을 SUJ-2 Bearing소재(Tempering된 상태로 Hv203)Disk위에 회전시켜 Pin시편이 마모되는 부피를 측정하기 위하여 실시하였다.
Disk의 회전수는 500rpm, 총회전수는 30000회로 하였으며 시편 Holder끝의 하중은 20N이었다.



3. 실험결과 및 고찰
[1]분무성형공정 Moldling
그림4와 그림5는 각각 100㎛6061Al합금의 액적 내에 SiCp입자의 부피 분율이 15%로 일정 할 경우 10㎛, 40㎛의 SiCp가 분산되는 현상을 컴퓨터 스크린 모니터 위에 Simulation한 것 으로 두 개이상의 SiCp입자가 접촉되는 확률은 10㎛의 경우는 전체 입자수의 약30%, 40㎛ 의 경우는 약8%정도임을 확인할 수 있었다.

그림4와 그림 5이외에도 100㎛6061Al합금의 액 적내에 40㎛SiCp입자들의 부피분율을 5%, 10% 및 20%로 변화시켜 컴퓨터 스크린 모니터 위에 Simulation한 결과 두 개 이상의 입자들이 접촉하는 확률은 각각4%, 8%, 22%임을 확 인할 수 있었다. 그림 4와 그림 5에서 알 수 있듯이 SiCp입자의 크기가 작을수록 Clustering 되는 확률은 증가함을 알 수 있다. 이러한 사실은 SiCp은 부피 분율이 일정한 복합재료의 경우(15(v/o))SiCp입자의 크기가 6061Al액적의 크기보다 훨씬 더 작다면 Clustering되는 확 률은 증가한다는 것을 의미한다. 또한 SiCp의 부피 분율이 증가하면 SiCp가 Clustering되는 확률이 증가하는 것을 알 수 있었다.

6061Al-SiCp계 복합재료의 경우 SiCp입자가 Clustering되는 것은 6061Al합금의 액적의 크 기와 상관관계가 있다. 매우 미세한 SiCp입자들을 사용하여 복합재료를 제조할 경우 분무가 스와 금속의 유량의 비가 같은 중요한 인자를 변화시켜 6061Al합금을 매우 미세하게 분무 시켜야만 된다.



[2]예비성형체 제조
그림6은 Spray Codeposition공정에 의해서 제조된 6061Al-15(v/o)SiCp(10,40㎛)계 복합재료 의 예비성형체(Preform)의 외관과 단면을 나타낸 것으로 그 크기는 Disk밑면의 직경이 각각 145mm이고 높이는 각각 50, 80mm이다. 그림6에서 알 수 있듯이 예비 성형체의 높이가 증 가함에 따라 직경이 점점 작아지는 것은 첫째로 고정형 분무기(Stationary Atomiser)로 분 무 성형할 경우 액적 분무밀도는 분무축의 중심에서 최대이고 원주 방향을 향하여 점차적으 로 감소하므로 예비 성형체는 Gaussion분포 형태를 유지하게 된다.

둘째로 분무성형이 진행되는 동안 분문기와 기판사의 거리가 일정하게 유지되어 있기 때문 에 예비성형체의 높이가 증가함에 따라 분무 직경이 작아지게 되기 때문이다. 일정한 직경을 갖는 예비성형체를 제조하기 위해서는 진동형 분무기(Oscillating Atomiser, 그림7)를 사용하여 기판 전체에 걸쳐 분무밀도를 일정하게 유지시켜 예비성형체를 제조하거 나 단위 시간에 분부 성형되는 속도와 일정하게 기판을 후진시켜야 된다.

[3]미세조직
그림8과 그림9는 각각 6061Al합금의 주조조직과 6061Al합금을 분뭇겅형시킨 예비성형체의 미세 조직을 나타낸 것으로 주조조직의 경우는 평균입도가 150㎛이고, Grain내부에 Si석출 물들이 편석되어 있는 반면 분무성형시킨 6061Al의 합금의 경우는 평균입도가 50㎛이고, Si 석출물의 편석이 억제된 등축정(Equiaxid Grain)으로 구성되어있다.

분무성형시킨 상태의 예 비 성형체의 결정립의 크기는 첫째로 분무 비산하는 중에 먼저 응고된 액적들의 입도분포, 둘째로 분무성형된 후의 예비성형체의 냉각속도에 의하여 결정된다고 보고되고 있다.

그림10과 그림11은 각각 6061Al합금의 액적의 분사와 동시에 제2상의 미세한 SiCp입자 (10,40㎛)를 동시에 분무시킴으로써 입자강화 금속기복합재료의 미세조직을 나타낸 것이다. 금속의 액적과 제2상의 세라믹 입자(SiCp)를 동시에 분사하는 방법은 그림12와 같이 세가 지 방법이 제시되고 있으나 본 연구에서는 6061Al합금의 액적 내부에 SiCp입자를 Injection 시키는 방법을 적용하여 복합재료를 제조한 것이다.

그림10과 그림11 공히 10㎛ 및 40㎛ SiCp가 비교적 균일하게 기지금속인 6061Al내부에 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 10㎛ SiCp의 경우는 40㎛SiCp의 경우보다 제2상 입자들이 다소 Clu-stering되는 현상을 보였다.
이는 앞 절에서 제시한 Simulation결과와 잘 일치하고 있다. SiCp입자의 균일한 분포를 유 지하기 위해서는 분무성형 공정 중에 가스/금속/세라믹상들 사이의 일정한 Ratio가 유지되 어야 된다고 보고하고 있다.



[4]비산 복합화된 분말의 특성
그림13은 분무성형에 기여하지 못하고 비산된 분말(Overspray Powder)을 Main Collector 와 Cyclone에서 포집하여 평균 입도 및 입도 분포를 분석한 결과를 나타낸 것이다. 분무가 스/ 용융금속 유량의 비가 0.82(kg/kg)인 경우는 Main Collection에 포집된 Overspray분말 의 평균입도는 100㎛이었고 Cyclone에 포집된 분말의 외관을 주사전자현미경으로 관찰한 결과를 그림14와 그림15에 나타내었는데 SiCp(10㎛)의 경우가 SiCp(40㎛)경우보다 6061Al액 적에 더 많은 양이 침투하거나 표면에 부착하여 복합화 되는 경향을 보였다.

그림16은 비산 된 분말의 크기에 따른 SiCp(10㎛)입자가 침투하여 복합화 되는 경향을 보여주는 것으로 15~50㎛범위의 6061Al액적의 경우에는 SiCp(10㎛)입자가 내부6061Al로 침투되지 않고 표면 에 부착되거나 충돌한 양상을 보였는데 이는 임계크기 이하의 6061Al액적들은 비산시 먼저 응고되어 SiCp(10㎛)입자에 의한 각효과가 보다 큰 영향을 미쳤으리라 생각된다.
80~200㎛의 범위의 6061Al의 액정의 경우에는 액적의 크기가 클수록 많은 양의 SiCp(10㎛)가 침투하는 경향을 보였는데 이는 임계크기 이상의 액적들은 비산시 응고가 완료되지 못하여 더 많은 양의 SiCp(10㎛)가 침투하여 복합화 되었다고 생각된다.



[5]기계적 성질
그림17은 주조공정(I/M)에 의해 제조된 6061Al합금, 분무성형시킨 6061Al합금, 분무성형시 킨 6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)합금들 간의 경도값과 내마멸성을 비교 도시한 것으로 분무 성형시킨 6061Al합금의 경도는 주조합금보다 50%향상되었는데 이는 미세조직에서 알 수 있 듯이 입도가 미세해짐에 따라 경도값이 증가된 것으로 생각된다.

6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)복합재료의 경우도 주조 6061Al합금과 분무성형시킨 6061Al합 금보다 큰 경도값을 보인 것은 SiCp입자에 의한 분산강화 효과에 의한 것이라생각된다.
합 금의 내마멸성도 6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)복합재료의 경우 분무성형시킨 6061Al합금이 나 주조 6061합금보다 2배이상의 내마멸성을 나타내었다.

4.결론
①분무성형공정에 의해 제조된 금속기복합재료[6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)]내에서 SiCp입 자가 Clustering되는 경향은 SiCp입자가 일정한 경우 SiCp입자의 부피분율이 커짐에 따라 증가한다. 또한 SiCp입자의 부피분율이 일정한 경우 SiCp입자의 크기가 감소할수록 Clustering되는 경향은 증가한다.
②분무성형공정으로 6061Al-15(v/o)SiCp계 복합재료를 제조할 경우 SiCp계 복합재료를 제조 할 경우 SiCp입자의 Clustering현상은 분무가스/용융금속의 유량비 조절에 의한 SiCp입자크 기/6061Al액적의 크기의 비를 변경시켜 억제시킬 수 있다.
③분무성형공정에 의해서 이론밀도(2.78g/㎤)의 95%이상의 값을 갖는 [6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)]계 복합재료를 제조할 수 있었다.
④분무성형공정에 의해 제조된 [6061Al-15(v/o)SiCp(10, 40㎛)]계 복합재료는 구조 6061Al합 금분무성형만 시킨 6061Al합금들과 비교할 때 경도값과 내마모성이 크게 향상되었다.
⑤Spray Codeposition공정은 양질의 불연속 강화형 금속기복합재료(Al-Al₂O₃p, Sicp, Al-Al₂O₃p, Al-Bacp, Al-TiB₂p)를 산업화하는데 큰 기여를 할 수 있다.
상 호: 메탈넷코리아 매체사업부문(Metal Network Korea Company)
주 소: 서울특별시 구로구 구로 3동 212-26번지 E-Space 310호 (우편번호)152-053
문의전화번호: 02-3281-5037(代表)         팩스번호: 02-3281-0280
중국상해문의처: TEL:(021)6402-6190(代表)         FAX:(021)6402-8912
Copyright ⓒ 1992-2007[창립15년] Metal Network Korea Company All rights reserved.