비철금속/ 아공정 A319 합금을 이용한 Air Compressor 부품
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
아공정 A319합금을 이용한 Air Compressor부품
정 홍 규 (주)인성기전 부설연구소
Tel: 055-323-5701~4, Fax: 055-323-5705

Abstract:
Most metal parts are produced by either fully-liquid (casting) or fully-solid (forging) processes. Thixoforming incorporates elements of both casting and forging for the manufacture of near-net-shaped products. The process focuses on thixotropy, a physical state wherein a solid material behaves like a fluid when a shear force is applied. The thixoforming process requires a nondendritic billet which can be manufactured by applying electromechanical stirring during alloy solidification at a controlled rate, or from fine grained materials produced by powder metallurgy or spray forming methods. This billet is then heated to a temperature between its solidus and liquidus and formed in dies to manufacture near-net-shaped products. The present paper describes the characteristics and applications of the advanced thixoformed parts using hypoeutectic A319 (Al-6% Si-3%Cu-0.3%Mg) alloy.
Key words:
Thixoforming (반용융 성형), Electromechanical stirring (전자기 교반), Solidus (고상선), Liquidus (액상선), Advanced thixoformed parts (신 thixoforming 제품), Hypoeutectic A319 alloy (아공정 A319 합금)

1. 서 론

자동차 부품의 품질 향상, 에너지 및 비용 절감 등의 요구에 따라 후가공을 최소화 시킬 수 있는 새로운 고정밀 가공의 필요성이 대두되고 있다.
Thixoforming은 전자기 교반 또는 열간 압출공정에 의해 제조된 알루미늄 빌렛을 고체와 액체가 동시에 공존하는 상태 (반용융 상태)로 가열한 후, 복잡한 3차원 형상의 부품을 성형하는 기술로서 부품 및 소재 산업분야에서 미국, 일본, 유럽 등에서 각광을 받고 있는 새로운 고정밀 가공기술이다.
Thixoforming 공정은 주조와 단조의 장점 및 우수한 기계적 성질을 겸비하고 있으며, 특히 자동차 분야에서 서스펜션 부품과 내압성 부품의 제조에 이용되고 있다. 다량의 제품을 생산하기 위한 합금의 선택은 현재 A356과 A357로 제한되어 있지만 제품의 품질에 대한 요구는 공정의 인기 및 높은 응용성과 함께 증가하고 있다.
앞서 기술한 합금으로부터 높은 강도와 신장율 (elongation) 외에도 내마모성, 높은 탄성 계수, 전기 분해 특성 또는 값 비싼 열처리를 하지 않고도 높은 강도와 신장율을 얻을 수 있어야 한다. 이러한 필요 사양들은 오직 하나의 합금이나 합금계열에 의해서 충족될 수 없으며, 부품 특성에 일치한 마춤 합금 (tailored alloy)의 개발, 실용화가 시급하다고 사료된다.
따라서, 본 논문에서는 Cu를 함유함에 따라 시효 경화 (aging hardening)를 얻을 수 있는 아공정 (hypoeutectic) A319 합금에 의해 제조된 Thixoforming 제품의 특성 (미세조직 및 기계적 성질)에 대한 정량적인 평가를 통하여 제품의 신뢰성을 향상시키고자 한다.

2. 유도가열 및 유도가열 시스템의 특성

Thixoforging 공정에서 가능한 빨리 그리고 균일하게 반용융 상태로 빌렛을 재가열하기 위해서는 유도 코일의 설계는 실제로 중요한 측면이다. 코일과 빌렛을 구성하는 실제 시스템에서는, 빌렛의 전체 길이에 걸쳐서 유도 열량은 보통 등분포하지 않고, 그 결과로 비균일 온도 분포가 생긴다. 따라서 코일 설계의 최적화를 위한 중요한 점이 코일 길이와 빌렛 길이 사이의 정확한 관계를 규정하는 것이다.
따라서 본 연구에서는 반용융 소재의 종류와 크기에 따라서 구상화된 조직을 얻을 수 있는 상용 유도 가열 시스템의 코일의 크기를 정 홍규가 제안한 방법을 이용하여 설계하였다.
특히 수직형 빌렛 가열의 경우, 반용융 상태에서의 빌렛의 안정성이 주요한 고려 사항이다. 빌렛의 안정성은 액상율의 증가에 따라 감소하기 때문에, 빌렛이 자중에 의해 과도하게 변형되기 전까지 가열할 수 있는 최대 액상율이 존재한다.
액상 함유량과 미세조직의 제어의 관점에서 가열 공정 중에 액상율은 정밀하고 재생 가능한 방법으로 조절할 수 있어야 한다. 따라서, 사용되는 유도가열 시스템은 빌렛의 액상율을 직접 측정하고 제어할 수 있어야 한다.

3. 미세한 구상화 조직

다이에 충진시 균일한 재료 유동성을 위해서는 반용융 합금은 재가열된 상태에서 100 m 이하의 미세한 구상화 조직을 얻을 수 있어야 하고 식 (1)과 같이 정의된 형상계수 (form factor)는 점성을 감소시키기 위해서 가능한 1에 근접해야만 한다.
식 (1)에서 A와 U는 각각 결정립의 면적 및 원주이며, 구형의 경우 형상계수가 1의 값을 가진다.
A356의 경우, 0.6∼0.7의 형상계수 값을 가지며 재가열시에 균일한 재료 유동 및 우수한 치수 안정성을 부여한다.

4. A319 합금을 이용한 Thixoforming 제품의 특성

Fig. 1 Apparent of Scroll part (weight: 400 g, alloy: A319) produced by thixoforming
지금까지의 연구, 개발과 생산화는 범용성이 비교적 높은 Al-Si-Mg계 합금인 A356 및 A357에 의한 것이 대부분이다.
그러나, Thixoforming 부품의 보다 폭 넓은 시장 전개를 위해서는 부품 특성에 일치한 합금 재질의 개발, 실용화가 시급하다고 사료된다. 따라서, 본 논문에서는 Cu를 함유함에 따라 시효 경화 (aging hardening)를 얻을 수 있는 고강도 A319 (Al-6%Si-3%Cu-0.3%Mg) 합금에 의해 제조된 Thixoforming 제품의 미세조직 및 기계적 성질을 조사하였다.
Fig. 1은 Thixoforming에 의해 제조된 air compressor용 Scroll 제품의 외관을 나타내고 있으며, 제품의 중량은 약 400 g이다.

Fig. 2 Macrostructure of thixoformed Scroll product
Fig. 2는 제품 중앙부의 원반면의 거시조직을 나타낸 것이다. A319 합금 주물은 일반적으로 Cu를 주성분으로 하는 편석상이 제품 가공시에 결함으로 발생하는 경우가 있지만, Thixoforming 부품에 있어서는 이와 같은 편석이 없는 균일한 조직을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있다.

Fig. 3 Tensile strength distribution of T6 heat-treated products (A319) fabricated by thixoforming (Thixo) and die casting (GD)
Fig. 3은 성형된 시편을 인장시편으로 가공한 후 768 K, 28.8 KS의 용체화 가열 처리 와 453 K, 21.6 KS의 아(亞)시효 처리를 한 Thixoforming 제품 (Thixo) 및 비교재의 금형 주조품의 인장 시험 결과를 나타내고 있다. A319 합금을 이용한 Thixoforming 제품의 인장 강도, 0.2 % 내력은 각각 394 MPa 및 338 MPa이고, 다이캐스팅 (GD) 제품에 비해서 약 50∼60 MPa 높았다.
연신율에 있어서도 Thixoforming 제품의 8.7 %에 대하여 다이캐스팅 (GD) 제품은 3.2 %이고, Thixoforming 제품이 두드러지게 높은 값을 나타냈다.
한편, A319 및 A357 합금을 이용한 Thixoforming 제품의 비교에 있어서는 A319 합금의 연신율이 매우 낮고, 인장강도 및 0.2 % 내력은 약 50 MPa로 높았다.

Fig. 4 Hardness distributions of T6 heat-treated parts (A319) produced by die casting (GD) and thixoforming (Thixo)
Fig. 4는 768 K, 28.8 KS의 용체화 가열 처리와 433, 453 및 473 K에서 시효 열처리한 다이캐스팅 (GD) 제품 및 Thixoforming 제품의 경도 변화를 각각 나타낸 것이다.
모든 시효 온도에서, 다이캐스팅 (GD) 제품에 비해서 Thixoforming 제품의 경도가 두드러지게 높고, 특히 시효 온도 453 K의 HV 경도는 Thixoforming 제품의 HB 118에 대해서 다이캐스팅 (GD) 제품은 HB 108로 나타났으며, Thixoforming 제품의 HV 경도가 HB 10 높았다.
X선 회절의 결과, A319 합금의 T6 열처리에 있어서 주요한 석출 강화상은 준안정상 (CuAl2) 및 상(Al2CuMg)임을 알 수 있었다.
Thixoforming 제품은 급랭 가압 응고되는 것에 의해 -Al상의 용질 고용도가 높기 때문에 시효 열처리에 있어서 석출 밀도가 높아지고, 다이캐스팅 (GD) 제품에 비해서 경도가 상승한다고 사료된다.

Fig. 5 Microstructures of T6 heat-treated products (A319) manufactured by die casting (GD) and thixoforming (Thixo)
Fig. 5는 Thixoforming 제품 (Thixo) 및 다이캐스팅 (GD) 제품의 T6 열처리 후의 미세조직을 나타낸 것이다. 공정 Si상의 크기는 Thixoforming 제품이 다이캐스팅 (GD) 제품에 비해서 현저하게 미세함을 알 수 있었다. 또, 기계적 성질의 저하 요인이 되는 Al-Fe계 침상 화합물상은 다이캐스팅 (GD) 제품은 조대한 것이 많은 반면에, Thixoforming 제품은 미세하다는 것을 확인할 수 있었다. Thixoforming 제품의 기계적 성질이 높은 원인은 Thixoforming 제품의 정출상이 미세하기 때문인 것으로 판단된다.
제품의 성력화를 위해서는 Near net shape화가 중요하고 비대칭형 제품의 경우에는 리브 (rib)를 균일하게 솟아오르도록 하는 것이 필요하다. 따라서, 주형내의 소재의 위치 및 소재 형상이 리브부의 솟아오르는 특성에 미치는 영향에 대해 조사하고 이들 조건을 최적화하는 기술이 필요하겠다. 아울러 재료 내부의 유동 특성에 대한 정량적인 평가를 통하여 다양한 Thixoforming 제품에 있어서 최적의 가공 조건이 도출될 것으로 사료된다.

5. 결 론

Cu를 함유함에 따라 시효 경화를 얻을 수 있는 아공정 A319 합금에 의해 제조된 air compressor용 Thixoforming 제품의 특성 (미세조직 및 기계적 성질)에 대한 정량적인 평가를 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
(1) A319 합금 주물은 일반적으로 Cu를 주성분으로 하는 편석상이 제품 가공시에 결함으로 발생하는 경우가 있지만, Thixoforming 부품에 있어서는 이와 같은 편석이 없는 균일한 조직을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있었다.
(2) Thixoforming 제품의 정출상이 미세하기 때문에 Thixoforming 부품의 기계적 성질 (인장강도, 연신율, 경도)이 다이캐스팅 제품에 비해서 현저하게 우수함을 알 수 있었다.
(3) 공정 Si상의 크기는 Thixoforming 제품이 다이캐스팅 제품에 비해서 현저하게 미세함을 알 수 있었다. 또, 기계적 성질의 저하 요인이 되는 Al-Fe계 침상 화합물상은 다이캐스팅 제품은 조대한 것이 많은 반면에, Thixoforming 제품은 미세하다는 것을 확인할 수 있었다.
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