동 주조 시 기공생성에 미치는 합금원소 첨가의 영향

초록

1. 서론 건전한 동 및 동합금 주물을 제조하기 위해서는 제조 시 첨가되는 합금 성분의 제어 및 우수한 용탕 품질의 확보가 필요하다. 용탕 중에 함유된 가스 성분 및 산화물은 주물 품질에 큰 영향을 미치며, 특히 수소가스에 의해 생성된 기공은 동 주물의 품질을 저하시키는 치명적인 요소이다. 따라서 동 주조 공정에 있어 수소 가스에 의한 기공을 저감시키는 것은 매우 중요한 사항이라고 할 수 있다. 본 실험에서는 동 주조 시 합금원소를 첨가하여 수소 가스에 의한 기공 생성 변화를 관찰하였다. 이는 고압의 수소가스를 이용하여 다공성 동합금을 제조할 시 용탕 내의 낮은 수소 용해도로 인해 제조가 어려웠던 기존 연구결과에 착안하였다. 비교적 다량의 수소 가스 분위기에서 기공 억제 효과가 뚜렷하다면 향후 주조 시 수소가스에 의한 기포 결함 방지 연구에 응용이 될 수 있을 것이다. 2. 실험방법 시편은 원심주조법으로 제조됐다. 첨가된 합금원소는 은(Ag), 주석(Sn), 세륨(Ce)이며, 각 조성(0 ~ 1 at%)에 맞게 각 첨가 원소 및 순동을 도가니에 장입하였다. 0.1MPa 수소 압력에서 1200℃까지 가열 및 유지 후, 1000RPM의 속도로 원심주조를 하였다. 주조된 시편의 밀도 및 기공률은 아르키메데스 법으로 측정하였고, 응고 방향과 수평 및 수직 방향으로 절단을 하였다. 각 단면은 연마 후 광학현미경을 이용하여 기공 분포 및 크기를 관찰하였다. 3. 결과 첨가된 은, 주석의 함량은 0.1 ~ 1 at% 이었으며, 세륨의 경우 첨가량이 0.01 ~ 0.1 at%이었다. ICP 분석 결과 주물 내 합금원소 함량은 초기 첨가된 함량보다 적게 검출이 되었다. 은, 주석, 세륨의 합금원소 함량이 증가할수록 기공률은 급격하게 감소하였다. 은, 주석이 첨가된 시편의 경우 0.5 at%의 첨가량에서 기공률이 최소였으며, 이후 다시 증가하였다. 세륨이 첨가된 시편의 경우, 기공률의 증가 없이 꾸준한 감소 경향을 나타내었다. 단면 사진을 관찰한 결과 기공 밀도 또한 현저한 감소를 보였으며, 평균 기공 직경은 증가하였다. 그 밖에, 합금원소 함량이 증가할수록 동 주물 표면 및 내부의 무수한 미세 기공들을 관찰하였다.