2.6 반용융/반응고가공
2.6.1 개요
반용융/반응고가공 공정이란 「고액공존상태의 금속에 강력한 전단력을 가함으로써 미세한 입상결정을 가지는 슬러리를 만들고 이것을 성형가공해서 최종형상에 가까운 제품을 만들고자 하는 공정」을 말한다.
1970년대 초 미국 MIT의 Flemings교수 등은 반응고상태의 합금이뉴턴유동 움직임을 나타내지 않고 외관점도가 전단속도 및 시간에 따라 저하하는 소위 식소트로픽 반응을 나타낸다는 것을 발견했다.
MIT에서는 기초연구를 계속하면서 미국정부의 지원을 받아 연구개발하고 있다. 한편 유럽에서도 영국 셰필드대, 독일 아펜공대,EFU사, 프랑스의 파리광산대에서 연구되고 있다. 일본에서는 1988년 기초기술 촉진센터 및 민간18개사의 출자에 의해 반응고가공 공정의 R&D회사 레오테크가 설립되어 연구개발이 실시되었다.
반응고가공 공정은 주로 자동차용 부품, 전기용 부품으로 실용화되고 있는데 그대부분이 알루미늄합금이다.
먼저 1980년대에 들어서 미국ITT-Cannon사에서 알루미늄합금제 케이블 커넥터 등의 전기부품에서 실용화했고 그 후 미국 Alumax사가 전자교반법에 의한 반응고금속의 제조기술 및 그 가공기술을 개발해 자동차 부품을 중심으로 급속하게 실용화가 추진되고 있다.
Alumax사에서는 1990년에는 미국 빅3(GM, Ford, chrysler)에 부품공급을 시작해서 1992년부터는 대량생산에 들어가 최근에는 수용에 대응하기 위해 공장 신건설도 계획되고 있다.
유럽에서도 1987년 ITT-Teves사가 Volvo, BMW, Audi 등에 납품하고 이태리의 Weber사 및 Stampal사에서는 독자적인 기술에 의해 연료 레일등 자동차용 알루미늄부품이 실용화되고 있다.
일본에서는 Alumax사의 기술을 도입해 스피드스타사가 1994년부터 알루미늄 휠의 생산을 개시했다.
2.6.2 각종 반용융/반응고가공 공정
반용융/반응고가공 공정에는 각종 방법이 있다.
식소트로픽한 거동을 보이는 입상조직 소재를 제조하는 공정과 그소재를 성형가공하는 공정으로 나누어서 생각할 수 있다.
(1) 소재제조
미세한 입상조직을 얻는데는 용탕을 냉각시키면서 응고계면에 전자기적 혹은 물리적·기계적으로 전단력을 작용시켜 수지상 결정을 분단시키는 방법이 일반적이다.
전자기력에 의한 방법은 DC주조와 조합할 수 있으며 구미에서는 빌렛의 제조에 사용되고 있다. 용탕을 좁은 유로 내에 강제적으로 통과시켜 전단력을 부여하는 스태틱믹서법도 이태리에서 실용화되고 있다.
최근 Al-Ti-B 등의 미세화제를 첨가하고 이것을 고액공존영역에서 적절하게 재가열함으로써 입상조직으로 하는 방법에서도 같은 효과를 얻을 수 있어 저렴한 제조법으로도 주목되고 있다.
한편 통상적인 DC주조 빌렛에 미리 압출한 소성가공에 의해 변형을 부여한 후 고액공존역에서 가열해 입상조직으로 하는 방법은SIMA법으로 알려져 있으며 알루미늄합금 뿐만 아니라 동합금이나 합금강의 소형 부품에도 적용되고 있다.
이외 용탕을 분무퇴적시켜 고화체를 만드는 스프레이포밍법에 의해서도 미세한 입상조직의 소재를 얻을 수 있다.
(2) 성형가공
소재제조-성형가공 일련의 공정에 있어서는 교반에 의해 제조한 반응고 슬러리를 직접 주형으로 공급해 성형하는 레오성형법과 입상화 처리한 빌렛에서 필요량을 잘라내어 가열하고 고액공존역에서 성형하는 식소성형법이 있다.
성형에는 주조, 단조, 압연, 압출 등 일반적인 가공을 적용할수있다. 레오성형법은 직결화에 의한 에너지 절약, 공정단축이라는이점을 살려 판압연 등의 경우에는 유리하지만 소재형제품에 대해서는 슬러리 제조속도와 성형속도가 불균형하다는 것과 슬러리를 정량으로 잘라내기 어렵다는 문제가 있다.
실용화되고 있는 것은 대부분 식소성형법이다.
식소성형법에는 반용융체를 주형 안으로 사출해서 성형하는 주조법과 반용융체를 주형 안에 두고 성형하는 단조법이 있다.
2.6.3 반용융/반응고가공 공정의 특징
고액공존상태의 금속이 가지는 식소트로픽한 성질과 액체상태에비해 엔탈피가 적다는 점이 충분히 발휘되며 다음과 같은 특징이있다.
(1) 제품품질의 향상
슬러그는 성형시에는 마치 액체처럼 유동해 층류상태에서 주형내부를 채우기 때문에 가스유입이 적고 편석도 적다.
또 응고조직은 미세하고 균일해 기계적 특성의 불규칙성이 적고 두께에 의한차도 적다. 단조품과 동등한 특성을 얻을 수 있다.
가스가 적어 T5,T6같은 열처리도 가능하며 블리스터의 발생은 거의 볼 수 없다.
(2) 니어넷성형
응고가 일부 진행된 상태에서 성형되기 때문에 응고수축이 적다. 제품의 형상 및 치수정도는 매우 높다.
따라서 표면상태는 원래 관이나 홈이 있는 복잡한 형상의 부품에서도 탈테이퍼를 적게 취하므로 천공, 스크류가공, 다듬질 등의 기계가공수의 절감 혹은 저감, 수율의 향상을 도모할 수 있다.
(3) 고생산성
응고잠열의 일부가 방출되기 때문에 응고시간이 짧고 사이클 타임의 저감이 가능하며 부품형상에도 기인하지만 2할정도의 생산성 향상으로 이어진다.
그리고 가장 큰 특징은 금형에의 열부하가 용탕 다이캐스팅법에 비해 40~50℃낮아 금형수명이 대폭 향상된다.
(4) 작업환경의 개선
식소성형법에서는 기본적으로 용탕을 취급하지 않기 때문에 작업환경 및 안전성 면에 있어서 양호하다.
또 가열 슬러그는 고체처럼 다룰 수 있기 때문에 로보트의 활용 등 공정의 자동화가 용이하다.
위와 같은 특징을 가지는 반면 다음과 같은 점에 유의해야 한다.
(5) 온도제어
합금종, 제품형상에 의하지만 주형 내에 균일하게 채우고 편석을방지하기 위해 소재 슬러그 내의 온도분포를 ±2~3℃로 제어해야한다.
즉 온도차가 크면 고상율의 차이에 의해 유동상황이 불균일하게 되어 충만, 편석 등에 영향을 준다.
또, 가열은 급속하게 그러나 균일하게 한다. 결정립의 조대화가 일어나지 않도록 주의해야 한다.
(6) 사출조건
식소캐스트법에서는 층류가 되도록 조용하게 사출하는 것이 중요하며 통상 고상율은 0.3~0.7정도로 한다.
사출속도는 용탕 다이캐스팅법에 비해 저속이며 고상, 액상의 흐름을 균일하게 제어하고 가스나 산화막이 유입되지 않도록 하기 위해 적절한 범위와 연구가 필요하다.
2.6.4 실용예와 응용예
반응고가공법을 적용할 때에는 품질면 및 경제성에서 평가해야 한다.
반응고가공공정은 가압주조법과 함께 고품질 제품을 경제적으로 제조할 수 있다.
따라서 자동차용, 항공기용, 가전용 등 강도 혹은 내압성, 신뢰성이 요구되는 양산 부품에 적용되고 있다. 합금계는 거의 주조성이 우수한 AlSiMg합금이 사용되고 있다.
(1) 알루미늄휠
알루미늄휠은 자동차의 경량화, 패션화의 흐름 속에서 착실하게 그수요를 신장시키고 있다.
중력주조법, 가압주조법, 단조법 등에 의해 제조되고 있는데 반응고가공법의 적용예에서는 강도가 높고 불균일성이 적다.
또 박화와 함께 세부까지 성형할 수 있기 때문에 알루미늄휠 상품의 디자인 자유도가 커진다.
따라서 반응고가공 특징을 살린 설계를 하면 15~30%의 경량화가 가능하다고 한다.
(2) 브레이크 마스터실린더
브레이크 마스터실린더나 연료레일과 같이 가늘고 길게 중공을 가지는 부품은 식소캐스트법이 적절하다.
내압부품은 통상 전체를 모두 검사하는데 내부품질이 우수하기 때문에 결함불량율을 대폭 저감할 수 있다.
(3) 복합재
입자 혹은 섬유를 분산시킨 복합재의 제조법으로는 컨포캐스트라고 불리는 용탕주조법 혹은 분말야금법이 있는데 복합재는 가공성이 나쁘며 성형가공도 있어 저렴한 제조방법이 요망되고 있다.
반응고가공법은 고액공존영역에서 혼합 및 교반할 수 있으며 또 니어넷성형이 가능하기 때문에 복합재로의 적용을 충분히 기대할수 있다.
즉 용탕법에서 입자나 섬유를 균일하게 분산시키기 위해서는 이들과 용탕과의 함침성을 개선하고 또 응집, 분리를 방지하는 것이 중요하다.
반응고가공법에서는 용탕 중에 이미 고체결정입자가 존재하고 용탕의 점도가 높아 혼합, 분산이라는 면에서는 유리한 상황이다.
입자분산형 복합재에 있어서 입자는 미세할수록 유리한데 1㎛정도가 되면 입자무리가 잘 응집하게 되지만 입자와 함께 혼입한 가스가 잘 빠져나가지 않는다.
이것을 해결하는 방법으로 반응고상태에 교반하면서 첨가한 용탕을 재가열하면 가스는 빠져나가고 입자는 균일하게 분산하게 된다.
그러나 통상은 이들 입자는 매트릭스의 입계에 존재하지만 일단 용해시킨 뒤 냉각하면 매트릭스가 이들입자를 핵으로 해서 응고하기 때문에 복합입자를 입자 내에 넣는 형태가 되며 결정립도미세하게 된다.
복합입자가 가늘어지면, 피삭성도 개선된다.