Al -Si 합금의 개량처리

I. 목 적

Al-Si 계 합금은 공정형 합금이며 공정점이 11.6%로서 대부분의 실용합금은 공정조성이거나 과공정조성의 합금이 많이 사용된다. 공정조성일 경우 공정 Si의 조직을 개선시켜야 한다. 과공정조성이 경우 초정으로 정출되는 초정 Si이 조대하므로 취약해져서 실용화할 수 가 없게 된다. 따라서 초정 Si을 미세화하여 강도향상과 가공성을 개선시켜야 한다. 아울러 공정 Si의 조직도 개선시켜 더욱 강력한 주물을 만들어야 한다.

II. 이 론
Al -Si합금은 내연기관의 piston 재료로서 많이 사용되고 있으며 piston용 합금은 열팽창 계수가 적고 주철재 실린더의 열팽창계수와 비슷할 것이 요구되며, 비중이 적고, 내마멸성이 우수하며, 고온강도 및 기계가공성이 좋은 것이 요구되는 합금이다.
실용합금으로는 공정조성 부근을 갖는 Silumin이 유명하며 이것은 용융점이 낮고 유동성이 좋으므로 많이 상용되고 있다. 공정조직을 개선시키기 위해 Na 첨가를 행한 연구가 지금까지 많이 행하여지고 실용화 되고 있는 실정이다. 그러나 최근에는 내마멸성 및 열행창계수의 문제를 감안하여 Si 함량이 더욱 증가하여 과공정조성의 합금이 많이 사용되고 있다. 이러한 과공정조성의 경우 초정이 6각판상으로 조대하게 정출하므로 취야해져서 초정Si의 미세화 처리의 개량처리를 해야만 한다.
일반적으로 초정 Si을 미세화하는 조건으로
(1) 초정 Si에대한 핵생성물질이 존재하는 것.
(2) 응고할 때 정출된 초정 Si의 성장속도를 억제하는 것.
(3) 운동에너지 증가에 의한 핵생성 촉진 등으로 생각할 수 있다.
이러한 미세화조건을 충족시키기 위한 방법으로 다음 3가지 방법으로 나누어 생각할 수 있다.

첫째, 미세화 첨가원소를 용탕중에 첨가하는 방법으로 1920년 프랑스인 Pacz가 불화알칼리를 사용하였다. 그러난 불화알칼리 외에도 금속 Na, 수산화나트륨, 알칼리 염류 등을 써서도 미세화처리를 행한 기록이 있다. 요즘은 VA, VIA족 원소가 미세화 효과가 뛰어남이 밝혀졌다. 특히 P, S가 미세한 효과가 뛰어난다고 보고 되었다. 이러한 미세화 첨가원소를 첨가하여 미세하여 미세화가 이루어지는 원인은 앞에서 언급한 미세한 조건(1)인 핵생성 물질이 존재한다는 설이 유력하나 학자에 따라서는 조건(2)을 주장하는 경우도 있다.
우선 조건(1)에 대한 이론은 P, S 등이 AlP, AlS 등의 금속간 화합물을 생성하여 초정 Si의 핵으로 이질핵생성(hetrogeneous nucleation)을 일으키는 소지가 되었기 때문이라고 하였다.

둘째, 미세화의 방법은 급냉방법이다. 급냉의 경우도 상당한 미세와의 효과를 기대할 수 있다.

셋째, 미세화의 방법으로 초음파조사 방법이다. 이에 대한 이론은 그림 35-2에서와 같이 직선적인 효과와 공동형성(Cavitation)에 의한 효과로 생각되며 이들은 1차효과를 일으킨 후 도중 기구를 거쳐 2차적인 효과로서 핵생성을 촉진시킨다. 직선적인 효과란 음압이 교대로 변화하는 것을 말한다.
즉, 이러한 현상으로 원자의 이동속도가 증가하여 미세화가 이루어 졌다고 생각된다. 한편 공동형성 현상은 그림 35-3에 도시된 것과 같이 음압의 (-)의 반 주기동안 용탕내의 원자는 공동형성 핵을 중심으로 방사선으로 이동하여 공동이 형성되고 (+)의 반 주기동안 공동이 파열되는데 대기압의 약 1,000배나 되는 폭발적인 압력이 순간적으로 발생하여 주위의 용융금속 원자를 강렬히 분산시키고 교반 확산시킴과 동시에 금속원자의 이동속도를 증가시켜 핵생성을 촉진시켜 Si이 미세화 된다.
또한 공정 Si의 조직 개선을 위한 Na 첨가 처리의 원인은 분명하지 않으나 Na 첨가시 폭발적인 반응이 일어나는데 기인한 것이 아닌가 생각된다. 또한 Na 첨가시 초정 Si의 구상화현상이 동시에 일어나서 마치 구상흑연주철의 흑연이 구상화 하는 것과 유사하게 초정 Si 의 구상화가 일어난다.