비철금속/ 과공정 A390 합금을 이용한 Transmission 부품
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서울국제야금&주.단조&열처리산업전
과공정 A390 합금을 이용한 Transmission 부품
정 홍 규 (주)인성기전 부설연구소
Tel: 055-323-5701~4, Fax: 055-323-5705

Abstract:
Products manufactured by thixoforming have higher structural integrity than castings, yet are capable of being fabricated at lower cost than forgings. The thixoforming process can manufacture products which are essentially free of the porosity related to conventional high pressure die casting. So, thixoformed products are capable of being heat-treated to obtain property values similar to those of permanent mold castings, but at lower cost. In comparison to forgings and products machined from wrought parts, mechanical properties are equivalent, but costs are lower because manufacturing steps are reduced. So, in this study, the characteristics (mechanical properties and microstructures) of a thixoformed transmission product using hypereutectic A390 (Al-17% Si-4.5%Cu-0.5%Mg) alloy are evaluated by its fabrication method.
Key words:
Thixoforming (반용융 성형), Thixoformed products (반용융 성형품), Transmission product (Transmission 부품), Hypereutectic A390 alloy (과공정 A390 합금)

1. 서 론

일반적인 제품들은 성형 후, 절삭, 연삭, 용접 및 방전가공 등의 후가공을 필요로 하지만 비용 절감, 고효율화, 경량화 등의 요구에 따라 후가공을 최소화하고 제품의 정밀도를 향상 시킬 수 있는 새로운 정형제조 기술 (near-net shape manufacturing technology)의 필요성이 증대되고 있다. Thixoforming 공정은 주조 및 단조의 장점을 극대화하고 단점을 보완할 수 있는 새로운 정형제조 기술로서 활발한 연구가 진행되고 있다.
따라서, 성공적인 Thixoforming을 위해서는 합금 조성에 따른 미세조직 (microstructure) 및 기계적 특성의 변화에 대한 정량적인 데이터가 확보되어야 한다.
따라서, 본 연구에서는 내마모성이 우수한 과공정 (hypereutectic) A390 합금을 이용한 다이캐스팅 및 Thixoforming 공정에 의해 제조된 transmission 부품의 특성 (미세조직 및 기계적 성질)에 대한 비교 분석을 통하여 Thixoforming 공정의 우수성을 입증하고자 한다.

2. Thixoforming 공정의 개요 및 특성

Thixoforming 공정의 개요 및 특징은 다음과 같다.
(1) 알루미늄 빌렛을 주입 중량에 따라 소정의 길이로 절단
(2) 빌렛의 종류 및 크기에 따른 코일 설계
(3) 복수 코일을 구비한 유도가열 장치를 이용하여 고상과 액상이 공존하는 상태까지 가열
(4) 금형 내로 반용융 소재 이송
(5) 펀치에 의한 가압 성형
(6) 제품 취출 (eject)
알루미늄 빌렛을 소정의 길이로 절단한 후 설계된 유도가열 시스템을 이용하여 고상율 50∼60 % (절단했을 때 연한 cheese 같은 상태)가 될 때까지 가열한다. 재가열시에 균일한 재료 유동 및 우수한 치수 안정성을 부여하기 위해서는 반용융 빌렛을 금형 내로 이송 후 반용융 성형기를 이용하여 저가압으로 충진 시킨다.
현재 사용되고 있는 반용융 성형기는 수평형 다이캐스팅기에 의한 수평 사출방식 및 수직형 프레스에 의한 하향 사출 방식이 대부분 이지만, 사출 방향이 상향하는 새로운 Thixoforming법에 대한 연구가 진행되고 있다.
이 새로운 성형법은 금형내의 반용융 재료에 공기의 유입이 적고, 층류 상태에서 재료가 캐비티 (cavity)내에 충진되기 때문에 제품의 내부 결함이 적을 뿐만 아니라 빌렛의 유도가열, 이송, 가압성형 및 제품의 취출 등 일련의 공정이 자동화되고 있다.
또, 공정 수의 단축 및 내환경성이 일반적인 주조법에 비해서 개선될 수 있다.

3. A390 합금을 이용한 Thixoforming 제품의 특성

현재는 중강도로 내부식성이 우수한 A357 및 고강도 A319 합금을 이용한 Thixoforming 제품이 개발 완료단계에 있다.
과공정 (hypereutectic) Al-Si계 합금의 경우 초정 Si상이 모상에 정출하기 때문에 내마모성이 우수하고, 엔진용 피스톤 및 비디오용 헤드 등의 접동 부품에 많이 사용되고 있다.
따라서, 본 연구에서는 대표적인 과공정 Al-Si계 합금인 A390 (Al-17%Si-4.5%Cu- 0.5%Mg)을 이용하여 Thixoforming에 의해 시험적으로 제조된 transmission 부품의 미세조직 및 기계적 성질 (마모, 경도)에 관해서 기술한다.

Fig. 1 Apparent of transmission product (weight: 800 g, alloy: A390) manufactured by thixoforming
Fig. 1은 Thixoforming에 의해 제조된 transmission 부품의 외관을 나타내고 있으며,중량은 800 g이다.

Fig. 2 Results of wear test of non-heat-treated and T6 heat-treated parts (A390) produced by thixoforming (Thixo) and die casting (GD)
Fig. 2는 Thixoforming 제품 (Thixo) 및 다이캐스팅 제품 (GD)에 있어서 주방재 (AC) 및 T6 열처리재의 마모 시험 결과를 나타낸 것이다. 상수재는 S45C의 소입 (경도 HRC 60) 처리를 하였다.
T6 열처리 조건은 768 K, 21.6 Kg의 용체화 가열 처리후 수(水) 소입하고, 453 K, 18 Kg의 시효 열처리를 하였다. 2.1 및 18.9 Kgf의 하중에서 Thixoforming 제품의 내마모성이 다이캐스팅 제품보다 우수하다는 사실을 알 수 있었다.

Fig. 3 Hardness variations of transmission parts (A390) fabricated by die casting (GD) and thixoforming (Thixo)
Fig. 3은 다이캐스팅 제품 및 Thixoforming 제품의 경도 변화를 나타낸 것이다. Fig. 3에서 알 수 있듯이 Thixoforming 제품의 경도 상승이 다이캐스팅 제품에 비해 현저하게 나타났다. 위의 원인은 Fig. 4에서 알 수 있듯이 초정 Si상의 분포가 Thixoforming제품이 다이캐스팅 제품에 비해서 균일하기 때문인 것으로 생각된다.
A390 합금의 T6 열처리에 있어서 석출상은 A319 합금과 같은 준안정상 (CuAl2) 및 S상 (Al2CuMg)이고, 이것들에 따라 시효경화 한다는 사실을 알 수 있다.

Fig. 4 Microstructures of transmission parts (A390) produced by die casting (GD) and thixoforming (Thixo)
(a) GD
(b) Thixo
본 연구에서는 대표적인 과공정 Al-Si계 합금인 A390 (Al-17%Si-4.5%Cu- 0.5%Mg)을 이용하여 Thixoforming에 의해 제조된 transmission 부품의 기계적 성질 및 미세조직을 조사하였다.
본 합금을 이용한 부품제조는 주로 주조법에 의해 행해지고 있지만, 주조법은 응고시에 적은 비중의 초정 Si가 부상(浮上)하여 석출이 생기기 쉬울 뿐만 아니라 내마모성이 높은 합금이기 때문에 후가공을 비롯한 제조상의 문제가 있다.
Thixoforming법을 과공정 A390 합금에 적용한 본 연구에서는 기존의 제조법 (주조)에 비해서 최종형상에 가까운 부품 (near-net shape product)이 제조되었기 때문에, 후가공의 대폭적인 감소가 가능할 것으로 사료된다.
아울러, 초정 Si 부상 분리가 발생하기 어려운 고상과 액상이지만, 고상과 액상이 공존한 상태에서 성형을 하기 때문에 주조법에 비해서 균일한 응고 조직을 얻을 수 있었다.
정밀 정형 제품 (net shape product) 및 마무리 치수 향상을 위해서는 재료의 보다 양호한 유동성 및 늘러 붙음을 방지할 수 있으며 윤활성이 뛰어난 인염계 극압 첨가제 배압유에 의한 전처리 피막에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 사료된다.

4. 결 론

내마모성이 우수한 과공정 (hypereutectic) A390 합금을 이용한 다이캐스팅 및 Thixoforming 공정에 의해 제조된 transmission 부품의 특성 (미세조직 및 기계적 성질)에 대한 비교 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
(1) 과공정 A390 합금의 경우 초정 Si상이 모상에 정출하기 때문에 2.1 및 18.9 Kgf의 하중에서 Thixoforming 제품의 내마모성이 다이캐스팅 제품보다 우수하다는 사실을 알 수 있었다.
(2) 초정 Si상의 분포가 Thixoforming 제품이 다이캐스팅 제품에 비해서 균일하기 때문에 Thixoforming 제품의 경도 상승이 다이캐스팅 제품에 비해 현저하게 나타났다.
(3) A390 합금의 T6 열처리에 있어서 석출상은 A319 합금과 같은 준안정상 (CuAl2) 및 S상 (Al2CuMg)이고, 이것들에 따라 시효경화 한다는 사실을 알 수 있었다.
(4) 초정 Si 부상 분리가 발생하기 어려운 고상과 액상이지만, 고상과 액상이 공존한 상태에서 성형을 하기 때문에 주조법에 비해서 균일한 응고 조직을 얻을 수 있었다.
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