Al-Si-Fe-X-Y계 합금의 프리폼 및 그 단조재의 특성 평가

초록

AC8A합금은 우수한 내마모성과 내열성을 가지고 있어 현재 양산되는 자동차용 피스톤의 주요 합금 소재로 이용되고 있지만 엔진의 고출력화 및 대형화로 인해 연소실 폭발압이 증가하면서 피스톤에 점점 더 높은 내열성이 요구됨에 따라 이를 개선하기 위하여 Ni, Cu등의 내열성 합금원소를 다량 첨가하고 있는 추세에 있다. 그러나 이러한 고가 원소의 증가로 인해 제품가격의 상승 및 고융점 원소의 증가로 인한 주조성의 저하가 나타남에 따라 이러한 단점들을 극복할 수 있는 새로운 공정 및 소재의 개발이 시급한 상황이다. 본 연구에서는 내마모성을 더욱 증가시키기 위하여 공정조성 이상의 Si을 첨가한 과공정 Al-Si 합금에, 고가의 Ni, Cu 원소를 대체하기 위한 방법으로 저가의 Fe를 첨가하여 이에 대한 특성 변화를 알아보고자 하였다. 또한 High Si, High Fe 합금 소재의 주조 시 발생할 수 있는 침상의 조대한 금속간 화합물을 최대한 억제하기 위한 방법으로 분말 야금법을 적용하였으며, 이를 통해 금속간 화합물의 형성 거동 및 소재 특성에 영향을 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 본 연구에서는 Si, Fe함량을 높이고, Cu, Ni함량을 낮추어 새롭게 설계된 Al-Si-Fe-X-Y 합금을 사용하였다. 먼저 합금 소재를 진공 용해한 후, 불활성 가스를 사용한 atomizer를 통하여 150um 이하의 분말로 제조하였으며, 이 후 SPS(Spark Plasma Sintering)공정을 통하여 성형 프리폼을 제조한 뒤 열간단조하여 시험편을 제조하였다. 이렇게 제조된 성형 프리폼과 단조 소재를 이용하여 미세조직분석, SEM/EDX분석, 성분분석, 열적 특성, 기계적 특성 평가를 실시하였다. 실험 결과 분말의 평균 크기는 3~5um의 크기를 갖는 것으로 확인되었으며 이를 사용하여 프리폼 제조시 90% 이상의 높은 밀도를 갖는 프리폼을 제조할 수 있었다. 성분 분석결과 기준 조성에 대체적으로 일치하는 조성 분포를 얻을 수 있었으며 SEM/EDX 분석결과 입자 내에 금속간화합물에 의한 침상이 일부 존재하나 그 크기는 수 um정도로 매우 미세한 것으로 나타났다. 단조 후의 기계적 특성 평가 결과, 동일 합금조성의 주조시 기계적 특성보다 매우 우수한 특성을 보이는 것으로 나타났다.